東北地理所在玉米-大豆輪作系統(tǒng)中有機(jī)肥施用通過調(diào)控團(tuán)聚體尺度養(yǎng)分儲量提升土壤質(zhì)量方面取得新進(jìn)展
黑土地作為全球最肥沃的土壤資源之一，被譽(yù)為“耕地中的大熊貓”，是我國糧食安全的“壓艙石”。在東北黑土區(qū)，玉米-大豆輪作作為一種重要種植模式，對保障糧食穩(wěn)產(chǎn)與生態(tài)安全具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。然而，受長期高強(qiáng)度耕作與化肥過量施用影響，該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)降低、結(jié)構(gòu)逐漸惡化、養(yǎng)分供應(yīng)失衡等問題日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅黑土地的健康狀況與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，如何通過科學(xué)的施肥措施有效改善黑土結(jié)構(gòu)、恢復(fù)土壤質(zhì)量，已成為當(dāng)前亟待破解的關(guān)鍵科學(xué)問題。
東北地理所黑土保護(hù)與利用學(xué)科組科研人員以位于中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站的一項(xiàng)22年的長期定位試驗(yàn)為依托，系統(tǒng)評估了有機(jī)肥施用量對玉米-大豆輪作體系下土壤團(tuán)聚體組成、碳氮磷（C、N、P）養(yǎng)分儲量及土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）的影響，揭示了長期施用有機(jī)肥通過調(diào)控團(tuán)聚體尺度養(yǎng)分儲量提升黑土土壤質(zhì)量的內(nèi)在機(jī)制。研究結(jié)果表明，化肥配施有機(jī)肥顯著提高了大團(tuán)聚體（LMA，>2 mm）和中團(tuán)聚體（MMA，2-0.25 mm）的比例，土壤碳儲量、氮儲量和磷儲量含量分別較單施化肥及不施肥處理提高7.59%-14.79%、3.37%-25.78%和4.63%-18.33%。同時，有機(jī)肥施用使表層（0-20 cm）土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）提升18.32%-33.08%，深層（20-40 cm）提升2.4%-17.0%（圖1）。
圖1：不同處理下土壤碳儲量（A）、氮儲量（B）、磷儲量（C）及土壤質(zhì)量指數(shù)SQI（D）
研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑團(tuán)聚體在表層與深層土壤中對養(yǎng)分的貢獻(xiàn)存在顯著差異。中團(tuán)聚體在表層土中對土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）的貢獻(xiàn)率分別高達(dá)87.8%、97.6%和85.2%，是提升土壤質(zhì)量的核心結(jié)構(gòu)單元；而在深層土中，大團(tuán)聚體對養(yǎng)分貢獻(xiàn)最高（圖2）。隨機(jī)森林分析結(jié)果表明，原土中氮儲量是決定土壤質(zhì)量的主要因素；表層土壤中LMA對原土TP的貢獻(xiàn)率及深層土壤中MIC對原土SOC的貢獻(xiàn)率是團(tuán)聚體尺度影響SQI的重要因素（圖3）。偏最小二乘路徑分析揭示，有機(jī)肥施用通過促進(jìn)中、大團(tuán)聚體形成，增強(qiáng)了碳氮磷協(xié)同積累，從而系統(tǒng)提升了黑土質(zhì)量（圖4）。研究結(jié)果為東北黑土區(qū)實(shí)現(xiàn)黑土可持續(xù)利用與糧食安全目標(biāo)提供了科學(xué)依據(jù)。
圖2團(tuán)聚體尺度對表層土壤（A、B、C）與深層土壤（D、E、F）有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）及全磷（TP）的貢獻(xiàn)率
圖3 表層(A) 與深層 (B)SQI隨機(jī)森林分析
圖4：基于偏最小二乘路徑模型的路徑分析圖
研究成果近期發(fā)表在國際土壤學(xué)二區(qū)期刊 Plant and Soil 上。東北地理所黑土保護(hù)與利用學(xué)科組科研助理武志民為論文第一作者，鄒文秀研究員和陸欣春高級工程師為共同通訊作者。研究得到黑龍江省杰出青年基金（JQ2024D002）、國家自然科學(xué)基金（U24A20632）、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-04）等聯(lián)合資助。
論文信息：
Wu Zhimin,Uwiragiye Yves,Han Xiaozeng,Feng Haoliang,Zhang Min,Ji Yuxuan,Zhu Yuanchen,Chen Xu,Yan Jun,Lu Xinchun*,Zou Wenxiu*. Long-term manure application enhances soil quality via aggregate-scale nutrient stock regulation in maize-soybean rotation. Plant and Soil,2025,1-18.
論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11104-025-07928-z
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