【网络优先发表】浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所俞巧钢研究员团队:长期有机替代土壤团聚体及有机碳分布特征

试验点位于东南沿海杭州湾南岸的浙江宁绍平原绍兴市越城区，土壤为青紫泥属潜育水耕人为土，成土母质为湖河、湖海相沉积物。该区域属亚热带季风气候区，季风显著，四季分明，气候温和，湿润多雨。年平均气温15~18 ℃，年日照时间1 100~2 200 h，年平均降水量1 100~2 000 mm。试验地初始土壤基本理化性质为pH 5.75，有机质36.49 g/kg，全氮1.79 g/kg，有效磷5.83 mg/kg，速效钾61.00 mg/kg。

试验小区面积为18 m²（4.5 m×4.0 m），用水泥砖块田埂隔开，利用排水沟排水，以避免各小区水肥串流。选用随机区组设计，设5个处理：1）不施肥处理；2）常规单施化肥处理；3）低量有机替代处理，采用2 250 kg/hm²有机肥替代部分化肥；4）中量有机替代处理，采用4 500 kg/hm²有机肥替代部分化肥；5）高量有机替代处理，采用9 000 kg/hm²有机肥替代部分化肥，分别记作CK、CF、LOF、MOF和HOF。每个处理3次重复。种植制度采用该区域典型的稻油轮作模式，水稻品种为当地主推单季杂交稻品种“绍粳18”，油菜品种为“浙油50”。油菜、水稻2季均施用有机肥，有机肥施用量相同，水稻季稻草秸秆全部还田，油菜季仅还田油菜荚（约占地上部秸秆总生物量的40%）。除不施肥处理外，水稻季各施肥处理均为N 255 kg/hm²，P₂O₅60 kg/hm²，K₂O 45 kg/hm²，油菜季各施肥处理均为N 255 kg/hm²，P₂O₅90 kg/hm²，K₂O 60 kg/hm²，LOF、MOF和HOF 3个处理全年有机肥替代化肥总养分的比例分别为38.98%、52.42%和71.50%。有机肥源为猪粪商品有机肥，化肥为尿素、磷酸一铵和氯化钾。有机替代处理扣除有机肥氮磷钾养分后，其余部分用化肥补足处理设计氮磷钾养分量。有机肥、磷肥、钾肥作为基肥一次性施用，油菜季氮肥分基肥、越冬肥、薹肥3次施用，基追肥比为6∶2∶2；水稻季氮肥分基肥、分蘖肥、拔节肥3次施用，基追肥比为4∶4∶2。

土壤水稳性团聚体组成测定采用湿筛法对土壤团聚体进行分级（套筛直径为2、0.25、0.053 mm），称取100 g风干土，置于2 mm土筛上，蒸馏水浸泡10 min，然后利用团聚体分析仪将土样依次通过2、0.25、0.053 mm的土筛。团聚体的分离通过上下移动筛子3 cm，重复50次（2 min内）进行，收集各级筛子上的团聚体并分别转移至铝盒中。<0.053 mm的团聚体通过将溶液沉降、离心获得。于60℃下烘干至恒重后进行称量，计算各级粒径比例并取均值，得到水稳性团聚体在土壤中的分布特征。把>0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性大团聚体，而<0.25~0.053 mm粒级的团聚体称为水稳性微团聚体，<0.053 mm粒级的为黏粒+粉粒。各粒级水稳性团聚体有机碳质量分数测定采用元素分析仪法，有机碳官能团结构测定用傅里叶变换红外光谱仪法。

平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、>0.25 mm水稳性团聚体（R_0.25）计算公式为：

使用Python和Pandas库对光谱数据进行预处理，包括读取数据、添加列名（波数和吸光度）及筛选特定波数区间的数据。对每个官能团的积分面积进行计算，以近似表示在特定波数区间内吸光度的总和。随后，计算每种官能团的归一化吸收面积百分比：

由表1可知，与CK处理相比，LOF、MOF和HOF处理组的团聚体平均质量直径（MWD）均表现为显著提高，且总体随着有机替代量的增加而增加，而CF处理却显著降低。与CF处理相比，LOF、MOF和HOF处理团聚体平均质量直径分别显著提高7.92%、7.92%和8.91%。从几何平均直径（GMD）看，与CK处理相比，LOF、MOF和HOF处理之间相互差异均不显著。与CF处理相比，LOF、MOF和HOF处理几何平均直径（GMD）分别显著提高24.68%、20.78%和22.08%。从>0.25 mm团聚体质量分数组分（R_0.25）来看，与CK处理相比，LOF、MOF处理均差异不显著，HOF处理则有所提高且差异显著。与CF处理相比，LOF、MOF和HOF处理均分别显著提高6.47%、5.52%和7.71%。采用有机肥有机替代措施，在土壤水稳定性团聚体形成方面优于传统单施化肥和不施肥处理，还可明显提升平均质量直径（MWD）和>0.25 mm土壤团聚体质量分数。

由图1可知，各处理的土壤水稳定性团聚体的粒径分布规律基本一致，各粒级分布从大到小顺序依次为2~0.25、>2、0.25~0.053、<0.053 mm团聚体（图1）。采用有机肥有机替代的3个处理，其粒径分布特征基本相似，特别是0.25~0.053 mm和<0.25 mm团聚体的粒径分布相对稳定。对于>2 mm团聚体，粒径含量分布规律为LOF>CK>HOF>MOF>CF，该粒级含量在有机替代处理较化肥处理有所增加。2~0.25 mm团聚体，粒径含量分布规律为HOF>MOF>LOF>CK>CF，其中采用有机肥替代处理的该粒级含量较常规施肥有所增加。0.25~0.053 mm团聚体，粒径含量分布规律为CF>CK>LOF>MOF>HOF。<0.053 mm团聚体，粒径含量分布规律为CF>CK>LOF>MOF>HOF，其中采用有机肥替代处理的该粒级含量均减少。随着有机替代量的增加，总体表现为2~0.25 mm粒级团聚体含量增加，0.25~0.053 mm、<0.053 mm粒级团聚体含量减少。

由图2可知，不同粒径团聚体中SOC含量的分布呈现出差异，同一处理土壤团聚体有机碳含量总体表现为随团聚体粒径的减小而降低，有机替代处理总体表现为随着有机替代量的增加而增加。>2 mm团聚体中，采用有机替代LOF、MOF和HOF处理的SOC含量分别比CF处理提高14.49%、38.96%、61.84%，表现为该粒径土壤团聚体SOC含量随有机肥替代水平增加而增加的趋势。其中，高量有机替代水平HOF处理SOC质量分数达34.52 g/kg，比CK和CF处理分别提高12.50、13.19 g/kg。2~0.25 mm团聚体中，采用有机替代的LOF、MOF和HOF处理SOC资料分数比CF处理分别提高21.85%、25.62%、41.32%。其中，高量有机替代HOF处理SOC达29.62 g/kg，比CK和CF处理分别提高8.24、8.66 g/kg。0.25~0.053 mm团聚体中，采用有机替代LOF、MOF和HOF处理SOC比CF处理分别提高13.63%、13.51%、36.86%。其中，HOF处理SOC达23.80 g/kg，CK和CF处理分别提高5.89、6.41 g/kg。<0.053 mm团聚体中，采用有机替代的LOF、MOF和HOF处理SOC比CF处理分别提高15.51%、17.33%、38.47%。其中，HOF 处理SOC为16.7 g/kg，比CK和CF处理分别提高3.80、4.64 g/kg。

由图3可知，微团聚体中POC远大于MAOC，采用有机肥有机替代能够提升土壤微团聚体中POC和MAOC，特别是土壤MAOC的增加幅度更显著。与CK相比，MOF和HOF处理POC差异不显著，LOF则显著提高，而CF处理显著降低。与CF处理相比，有机替代LOF、MOF和HOF处理POC分别显著提高16.80%、11.67%、13.87%。与CK处理相比，LOF、MOF和HOF处理MAOC均显著提高，但CK与CF处理间差异不显著。与CF处理相比，有机替代LOF、MOF和HOF处理的MAOC分别提高77.24%、115.80%、101.01%，差异显著。表明有机替代能显著增加土壤微团聚体中的POC和MAOC，其中对MAOC的影响更加明显。因此，在农业生产提升土壤肥力实践中，需要综合考虑有机肥与化肥协同的有机替代模式，以促进SOC的积累和土壤可持续利用。

由图4可知，土壤有机碳（SOC）、平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和>0.25 mm的团聚体质量比（R_0.25）之间均存在显著正相关，表明土壤有机物在维护和改善土壤结构中的关键性作用。从显著性差异来看，3个团聚体水稳定性指标之间存在极显著正相关（p<0.001），说明这些指标间有着密切的关联性。特别是SOC与MWD及R_0.25之间呈极显著正相关（p<0.001），与GMD之间呈显著正相关（p<0.05），表明有机碳含量的高低可作为预测土壤团聚体物理稳定性的1个有效指标。这种相关性揭示有机物质在土壤颗粒间作用的生物地球化学机制，可能通过增强颗粒间的结合力，促进更大团聚体的形成和稳定，这些形成的更大团聚体在保持土壤结构、减少侵蚀及保持水分和养分方面发挥着至关重要的作用。

由图5可知，有机替代增加官能团吸收峰的强度，且总体随着替代量的增加使吸收峰强度增强。3 400~3 200 cm^-1的宽带是O−H伸缩振动，为醇、酚和水分子结构；2 920~2 850 cm^-1的峰代表C−H伸缩振动，通常是烷基链官能团。1 700 cm^-1附近的尖锐峰是C=O伸缩振动，指示酮、酸或酯官能团的存在；在1 600~1 580 cm^-1的峰是芳香环的C=C伸缩振动或某些羧酸盐；1 040~1 150 cm^-1的峰与C—O伸缩振动相关，多为醇、醚或多糖结构官能团。CF在特征峰中表现出较好的吸收峰（图5a），有机替代处理HOF和LOF都表现出与CF处理相当的吸收特征，表明有机替代处理>2 mm土壤团聚体中的有机质具有更多这类官能团。常规单施化肥CF处理在1 000 cm^-1附近出现明显尖峰，而有机肥有机替代处理都趋于较缓无明显尖峰（图5b），表明常规单施化肥CF处理在2~0.25 mm土壤团聚体中有机碳结构较简单，而有机替代处理的有机质官能团表现出较高的复杂性和多样性。所有处理光谱特征趋于相似，表明在0.25~0.053 mm团聚体中有机碳官能团结构具有趋同性（图5c）。有机替代处理吸收峰的强度比常规单施化肥（CF）处理强，表明有机质中官能团的分布较高（图5d）。