期刊名称：Journal of Integrative Agriculture
影响因子：4.4
DOI：https://doi.org/10.1016/j.jia.2024.05.026
2021年8月番茄收获后，在每个小区随机选取5个采样点（0-20cm土层），采集土壤样品并混合。用手动土壤取样器（18cm×8cm×12cm）采集原状土，去除表层（0-5cm）扰动土壤后放入硬质塑料容器中，最小化土壤结构破坏。新鲜土壤样品在阴凉通风处晾干至含水量约15%，沿自然结构面用手轻轻掰成直径约5cm的小块，避免机械压力导致破碎。充分混匀后将土壤样品分为两部分：一部分用于测定土壤理化性质（有效磷、速效钾、碱解氮、全碳、全氮），另一部分用于团聚体筛分。同时，用环刀（100cm3）采集0-20cm土层样品，用于测定土壤容重。
（1）土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、速效养分含量及土壤容重
各施肥处理的SOC和TN含量均显著高于不施肥（CK）处理。SOC含量范围为11.29-34.86g・kg-1，有机肥处理（OF）和有机无机肥配施处理（COF）处理的有机碳含量分别比无机肥处理（CF）处理高22.01%-72.67%（图1）。OF和COF处理的有效养分（碱解氮、有效磷、速效钾）含量均高于CK和CF处理，且以COF处理最高。CF处理的土壤容重显著高于其他处理，OF和COF处理的土壤容重分别比CK处理低4.45%和11.48%。
图1.不同施肥处理下土壤有机碳和全氮含量及土壤容重（轴1）和土壤有效养分含量（轴2）。CK，不施肥；CF，仅施无机肥；OF，仅施有机肥；COF，无机肥与有机肥配施。数值为平均值±标准误（n=3）。在列中，不同小写字母的数值根据Duncan多重范围检验（P<0.05）存在显著差异。
（2）土壤团聚体分布与稳定性
不同施肥处理下，0.25-2mm和0.053-0.25mm粒径团聚体是优势组分，>2mm粒径团聚体占比较低（图2）。与CK处理相比，OF和COF处理的>2mm团聚体占比分别增加41.67%和61.56%，0.25-2mm团聚体占比分别增加39.21%和29.55%。OF和COF处理显著提高了团聚体稳定性指标（表1）：OF处理的MWD和R0.25值最高，COF处理的GMD值最高。与CK处理相比，OF处理的MWD、GMD和R0.25分别增加24.9%、42.9%和39.5%，COF处理分别增加23.2%、43.2%和32.7%。MWD、GMD、R0.25与>2mm和0.25-2mm团聚体占比呈极显著正相关（P<0.01），相关系数为0.840-0.998；与<0.053mm团聚体占比呈极显著负相关（P<0.01），相关系数为0.889-0.938（图3）。
图2.不同施肥处理对土壤水稳性团聚体组成的影响。CK，不施肥；CF，仅施无机肥；OF，仅施有机肥；COF，无机肥与有机肥配施。数值为平均值±标准误（n=3）。在列中，不同小写字母的数值根据Duncan多重范围检验（P<0.05）存在显著差异。
表1.不同施肥处理对土壤团聚体的MWD、GWD和R0.251）的影响。
注：1）MWD，平均重量直径；GMD，几何平均直径；R0.25，粒径>0.25mm团聚体占比。2）CK，不施肥；CF，仅施无机肥；OF，仅施有机肥；COF，无机肥与有机肥配施。数值为平均值±标准误（n=3）。在列中，不同小写字母的数值根据Duncan多重范围检验（P<0.05）存在显著差异。
图3.平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GWD）、粒径>0.25mm团聚体占比（R0.25）与土壤聚合物百分比之间的关系。*和**分别表示在P<0.05和P<0.01水平上显著。
不同处理的团聚体表面形态和孔隙结构存在显著差异，且与施肥处理和团聚体粒径相关（图4）。随着团聚体粒径减小，颗粒间孔隙尺寸增大：大团聚体（>0.25mm）表面粗糙多孔，微团聚体和粉黏粒团聚体表面光滑致密。CF处理的团聚体表面光滑、颗粒细小、排列紧密且孔隙较少；而OF和COF处理的团聚体形状规则，表面粗糙多孔，表明有机肥可改善团聚体稳定性。
图4.扫描电子显微镜图显示了在四种不同团聚体粒径类别下，不同施肥处理对团聚体结构和形态的影响。CK，不施肥；CF，仅施无机肥；OF，仅施有机肥；COF，有机肥与无机肥配施。
（4）傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
全土及各团聚体的FTIR光谱显示，不同施肥处理的吸收峰模式相似（图5）。3619cm-1和3694cm-1处的吸收峰归因于石英等无机矿物和黏粒的O-H伸缩振动；3422cm-1处为胺类物质的N-H伸缩振动；2811cm-1和2973cm-1处为脂肪族化合物的不对称和对称伸缩振动；1631cm-1处为芳香族化合物的C=C振动；1351cm-1处为羧酸的C=O反对称伸缩振动；1031cm-1处为多糖残基的C-O伸缩振动。
各处理中有机碳组分以芳香族碳含量最高。>0.25mm团聚体中脂肪族碳和多糖碳的吸收峰强度高于<0.25mm团聚体，表明这些组分可能促进大团聚体形成。OF和COF处理的脂肪族碳、芳香族碳和多糖碳含量均高于CK和CF处理，且在>0.25mm团聚体中差异更为显著。与OF和COF处理相比，CF处理在3365cm-1处的吸收峰强度更高，表明有机施肥处理降低了土壤酚类碳含量。
图5.不同施肥处理下体质土壤及四种粒径级团聚体的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。CK，不施肥；CF，仅施无机肥；OF，仅施有机肥；COF，有机肥与无机肥配施。
（5）团聚体氧化铁含量
所有处理的铁组分含量顺序均为：Fed>Feo>非晶态铁>Fep（图6）。施肥改变了Fed和非晶态铁含量，且OF处理的各团聚体铁组分含量最高。OF和COF处理提高了>0.25mm和<0.053mm团聚体中的Feo含量；COF处理的全土和>0.25mm团聚体中Fep含量显著高于其他处理。值得注意的是，大团聚体中的铁组分含量最高。
图6.不同施肥处理下，散装土壤及四种土壤团聚体粒径类别中总游离铁（Fed；A）、活性铁（Feo；B）、与有机质结合的铁（Fep；C）和非晶态铁（D）的浓度。CK，无施肥；CF，仅施用无机肥；OF，仅施用有机肥；COF，无机肥与有机肥结合施用。数值为平均值±标准误（n=3）。在列中，不同小写字母的数值根据Duncan多重范围检验（P<0.05）存在显著差异。
（6）团聚体有机碳和全氮含量
除CF处理的0.053-0.25mm团聚体外，CK和CF处理的各粒径团聚体有机碳含量均显著低于OF和COF处理（图7A）。OF和COF处理的各粒径团聚体有机碳含量（0.053-0.25mm除外）均显著高于CF处理；各处理的>0.25mm团聚体有机碳含量最高，且随有机肥施用呈增加趋势。OF和COF处理的>0.25mm和<0.053mm团聚体全氮含量显著高于CF处理，但0.053-0.25mm团聚体全氮含量无显著差异（图7B）。与CK处理相比，施用化肥或有机肥均显著提高了各粒径团聚体的全氮含量。
全土有机碳含量与各粒径团聚体有机碳含量呈显著正相关（P<0.05）；全土及各粒径团聚体的有机碳与全氮含量均呈显著正相关（P<0.05）。
图7.不同施肥处理下土壤有机碳（SOC；A）、全氮（TN；B）含量及团聚体中的SOC（C）和TN（D）的贡献率。CK，无施肥；CF，仅施无机肥；OF，仅施有机肥；COF，无机肥与有机肥结合施用。数值为平均值±标准误（n=3）。在列中，不同小写字母的数值根据Duncan多重范围检验（P<0.05）存在显著差异。
（7）团聚体有机碳和全氮的贡献率
0.25-2mm和0.053-0.25mm团聚体的有机碳贡献率显著高于>2mm和<0.053mm团聚体（图7C）。在>2mm和0.25-2mm团聚体中，COF和OF处理的有机碳贡献率分别比CF处理高50.72%-83.09%和34.89%-78.12%。
各处理中，0.25-2mm大团聚体和0.053-0.25mm微团聚体的全氮贡献率较高，>2mm大团聚体的全氮贡献率最低（约4%）（图7D）。OF和COF处理的>2mm和0.25-2mm团聚体全氮贡献率显著高于CF处理；有机肥施用显著提高了>0.25mm和<0.053mm团聚体的全氮贡献率。
3.结论
本研究通过为期3年的田间试验，探究了有机肥对温室土壤团聚体稳定性的影响及作用机制。设置不施肥（CK）、仅施无机肥（CF）、仅施有机肥（OF）和有机肥与无机肥配施（COF）四种处理，结果表明：有机肥施用（OF和COF处理）显著提升了土壤团聚体稳定性，表现为>0.25mm团聚体占比、平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）显著增加，且降低了土壤容重。有机肥通过双重路径改善团聚体稳定性：一方面显著提高了土壤有机碳（SOC）含量，尤其是大团聚体（>0.25mm）中脂肪族碳、芳香族碳和多糖碳等组分，其中芳香族碳作为优势组分，对大团聚体稳定起关键作用；另一方面增加了全土及团聚体中游离铁（Fed）、活性铁（Feo）和非晶态铁含量，且非晶态铁与有机碳呈显著正相关，二者共同促进团聚体胶结。
不同粒径团聚体稳定性的驱动因子存在差异：>2mm团聚体稳定性主要由Fed、Feo、非晶态铁和有机碳含量驱动，而<0.053mm团聚体稳定性则主要依赖有机结合态铁（Fep）含量。研究证实，有机肥通过调控温室土壤有机碳组分和氧化铁形态，促进微团聚体向大团聚体转化，为设施土壤结构改良和肥力提升提供了理论依据与实践参考。