東北地理所在玉米-大豆輪作系統(tǒng)中有機肥施用通過調(diào)控團聚體尺度養(yǎng)分儲量提升土壤質(zhì)量方面取得新進展
黑土地作為全球最肥沃的土壤資源之一，被譽為“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)安全具有深遠的戰(zhàn)略意義。然而，受長期高強度耕作與化肥過量施用影響，該區(qū)域土壤有機質(zhì)含量持續(xù)降低、結(jié)構(gòu)逐漸惡化、養(yǎng)分供應失衡等問題日益嚴峻，嚴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，如何通過科學的施肥措施有效改善黑土結(jié)構(gòu)、恢復土壤質(zhì)量，已成為當前亟待破解的關(guān)鍵科學問題。
東北地理所黑土保護與利用學科組科研人員以位于中國科學院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站的一項22年的長期定位試驗為依托，系統(tǒng)評估了有機肥施用量對玉米-大豆輪作體系下土壤團聚體組成、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肥通過調(diào)控團聚體尺度養(yǎng)分儲量提升黑土土壤質(zhì)量的內(nèi)在機制。研究結(jié)果表明，化肥配施有機肥顯著提高了大團聚體（LMA，>2 mm）和中團聚體（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)，不同粒徑團聚體在表層與深層土壤中對養(yǎng)分的貢獻存在顯著差異。中團聚體在表層土中對土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）的貢獻率分別高達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，大團聚體對養(yǎng)分貢獻最高（圖2）。隨機森林分析結(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的貢獻率及深層土壤中MIC對原土SOC的貢獻率是團聚體尺度影響SQI的重要因素（圖3）。偏最小二乘路徑分析揭示，有機肥施用通過促進中、大團聚體形成，增強了碳氮磷協(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)實現(xiàn)黑土可持續(xù)利用與糧食安全目標提供了科學依據(jù)。
圖2團聚體尺度對表層土壤（A、B、C）與深層土壤（D、E、F）有機碳（SOC）、全氮（TN）及全磷（TP）的貢獻率
圖3 表層(A) 與深層 (B)SQI隨機森林分析
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)表在國際土壤學二區(qū)期刊 Plant and Soil 上。東北地理所黑土保護與利用學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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