東北地理所在玉米-大豆輪作系統中有機肥施用通過調控團聚體尺度養分儲量提升土壤質量方面取得新進展
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，玉米-大豆輪作作為一種重要種植模式，對保障糧食穩產與生態安全具有深遠的戰略意義。然而，受長期高強度耕作與化肥過量施用影響，該區域土壤有機質含量持續降低、結構逐漸惡化、養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業可持續發展。因此，如何通過科學的施肥措施有效改善黑土結構、恢復土壤質量，已成為當前亟待破解的關鍵科學問題。
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業生態實驗站的一項22年的長期定位試驗為依托，系統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）養分儲量及土壤質量指數（SQI）的影響，揭示了長期施用有機肥通過調控團聚體尺度養分儲量提升黑土土壤質量的內在機制。研究結果表明，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）土壤質量指數（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）及土壤質量指數SQI（D）
研究發現，不同粒徑團聚體在表層與深層土壤中對養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%，是提升土壤質量的核心結構單元；而在深層土中，大團聚體對養分貢獻最高（圖2）。隨機森林分析結果表明，原土中氮儲量是決定土壤質量的主要因素；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，增強了碳氮磷協同積累，從而系統提升了黑土質量（圖4）。研究結果為東北黑土區實現黑土可持續利用與糧食安全目標提供了科學依據。
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
研究成果近期發表在國際土壤學二區期刊 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）、農業農村部國家現代農業產業技術體系（CARS-04）等聯合資助。
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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