Effects of diatomit on soil aggregate composition and carbon and nitrogen storage in paddy soil
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摘要: 探究硅藻土对稻田土壤团聚体分布、稳定性及碳氮含量的影响，可为稻田施肥管理和碳氮固持提供理论依据。本研究于2021年在湖北省荆州市开展田间试验，分析了4种施肥处理不施硅藻土和氮肥（CK）、常规化肥（NPK）、单施硅藻土（Si）和常规化肥与硅藻土配施（NPKSi）对0~20 cm耕层土壤团聚体组成及其碳氮分布的影响。结果表明，与CK相比，NPK和NPKSi处理显著增加了＞0.25 mm团聚体的比例，分别提高了2.66%和8.28%，同时显著减少了粉黏粒（＜0.053 mm粒径团聚体）的比例，分别下降了14.99%和22.50%。平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）表现出Si＜CK＜NPK＜NPKSi的趋势。与CK处理相比，NPK和NPKSi处理显著提高了土壤有机碳含量和储量，增幅分别为10.60%和17.67%、8.84%和14.42%；而Si处理则未显示显著差异。NPKSi处理显著提高了土壤全氮含量和储量，优于其他处理。与CK相比，NPK和NPKSi处理增加了不同粒径团聚体中的有机碳和全氮含量，而Si处理则略有下降。此外，NPK和NPKSi处理下，超大团聚体（＞2 mm粒径团聚体）的有机碳和全氮贡献率最高，分别为30.91%和36.71%、32.81%和38.99%。因此，硅藻土与氮肥配施显著提高了大团聚体的比例，增强了团聚体稳定性，提升了有机碳和全氮的贡献率，从而有效增加了稻田土壤的碳氮储量。Abstract: The effects of diatomite on the distribution, stability, and carbon and nitrogen content of soil aggregates in paddy fields were investigated to provide a theoretical foundation for optimizing fertilization practices and improving carbon and nitrogen sequestration. A field experiment was conducted in 2021 in Jingzhou City, Hubei Province, to analyze the impacts of four fertilization treatments: no application of diatomite or nitrogen fertilizer (CK), conventional chemical fertilizer (NPK), diatomite application alone (Si), and the combined application of chemical fertilizer and diatomite (NPKSi) on the composition of soil aggregates and the distribution of carbon and nitrogen within the 0–20 cm tillage layer. Results indicated that, compared with CK, NPK and NPKSi treatments significantly increased the proportion of > 0.25 mm aggregates by 2.66% and 8.28%, respectively, while reducing the proportion of silt and clay particles (< 0.053 mm aggregates) by 14.99% and 22.50%, respectively. The mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) followed the order: Si < CK < NPK < NPKSi. NPK and NPKSi treatments significantly enhanced soil organic carbon (SOC) content and stock, with increases of 10.60% and 17.67%, and 8.84% and 14.42%, respectively, compared to CK, whereas the Si treatment showed no significant difference. Additionally, the NPKSi treatment markedly improved soil total nitrogen (TN) content and stock, outperforming all other treatments. Across different aggregate sizes, NPK and NPKSi treatments increased organic carbon and total nitrogen content, whereas the Si treatment caused a slight decrease. Super aggregates (> 2 mm) under NPK and NPKSi treatments contributed the most to organic carbon and total nitrogen, with contribution rates of 30.91% and 36.71%, and 32.81% and 38.99%, respectively. In conclusion, the combined application of diatomite and nitrogen fertilizer significantly increased the proportion of large aggregates, improved aggregate stability, and enhanced the contribution rates of organic carbon and total nitrogen, thereby effectively boosting carbon and nitrogen storage in paddy soils.
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Keywords:
- paddy soil /
- diatomite /
- aggregate stability /
- organic carbon /
- total nitrogen
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中国是全球水稻种植大国，产量位列世界第一，对全球粮食供应具有关键作用[1]。施肥是保障水稻高产和稳产的必要措施，但以往不合理的施肥方式对农田土壤质量产生了负面影响，削弱了土壤团聚体结构的稳定性，进而导致碳氮元素的流失[2-3]。因此，优化施肥策略以增强农田土壤团聚体的稳定性和碳氮固持能力，是实现农田系统可持续生产的关键。这不仅对提升农田生态系统健康水平至关重要，也有助于保障农业生产力的长期稳定。
硅是植物的有益元素，施用硅肥能够有效提高水稻的千粒重、结实率及产量，同时增强其抗倒伏能力[4-5]。硅藻土是由硅藻壳体沉积形成的生化矿物沉积物[6]，其主要成分为无定形二氧化硅[7]，因此被视为一种优质硅肥。硅藻土不仅能为水稻提供所需硅元素，其表面含有多种黏土矿物及丰富的硅羟基，这赋予其优异的吸附性能与表面活性[8]。这些特性使硅藻土能够有效吸附土壤中的铵态氮，提高氮肥利用效率[9]。此外，硅藻土独特的多孔结构使其成为微生物菌肥的优质载体，为微生物提供理想的生存微环境，施入土壤后可促进微生物的生长繁殖[10]，增强土壤微生物代谢活性和碳源代谢多样性，从而改善土壤肥力[11]。作为土壤改良剂，硅藻土还能够优化土壤结构并促进团粒化。例如，Aksaka等[12]研究表明，硅藻土作为土体改良剂可显著改善土壤理化性质，并增强其保水能力。璩继立和赵冬雪[13]研究指出，施用硅藻土能有效提高＞0.25 mm粒径团聚体的比例，同时降低＜0.25 mm粒径团聚体的比例。此外，硅藻土可促进水稳性团聚体的形成，增加矿物结合态有机质的积累，从而对土壤有机碳的累积产生显著影响[14]。
尽管已有大量研究探讨了硅藻土在农业生产中的应用效果，但针对其对稻田土壤团聚体内有机碳和氮素固持的影响仍缺乏系统研究。基于此，本研究以长江冲积物形成的潴育型水稻土为研究对象，探讨添加硅藻土对稻田土壤中不同粒径团聚体的含量、稳定性指标，以及团聚体内有机碳和全氮含量变化的影响。研究旨在为提高土壤肥力和生产力提供理论依据，同时进一步阐明硅藻土促进土壤碳氮固持的机制。明确硅藻土对土壤碳氮固持的作用机制，不仅能够为科学制定土壤管理策略提供重要数据支持，还将有助于促进水稻的持续健康生长，提高稻田产出效率。这对于推动农业可持续发展、保障粮食安全及提升农业生态效益具有重要意义。
1. 材料与方法
1.1 试验地概况
本试验始于2021年，地点位于湖北省荆州市荆州区梅槐镇（30°24′N，112°01′E），属亚热带季风气候区，四季分明。年均气温16 ℃，年积温为5 000~5 350 ℃，年降雨量为1 100~1 300 mm，年日照时数1 800~2 100 h，无霜期253 d。供试土壤为长江冲积物形成的潴育型水稻土，基本理化性质为：pH值6.97，全氮2.1 g/kg，全磷0.65 g/kg，全钾16.53 g/kg，有机质42.41 g/kg。
1.2 试验设计与样品采集
试验设置4个处理：1）不施硅藻土和氮肥（CK）；2）常规化肥（NPK）；3）单施硅藻土（Si）；4）常规化肥与硅藻土配施（NPKSi）。每处理4次重复，采用随机区组设计。施肥量如下：氮肥（尿素，含N 46%）180 kg/hm2，磷肥（过磷酸钙，含P2O5 12%）75 kg/hm2，钾肥（氯化钾，含K2O 60%）105 kg/hm2，硅藻土150 kg/hm2（由中国科学院广州地球化学研究所提供，养分组成见表 1）。硅藻土与磷肥作为基肥一次性施入土壤；氮肥和钾肥分别按6:4和5∶5比例分基肥和分蘖肥两次施用。
表 1 硅藻土养分含量Table 1 Diatomite nutrient content组成/% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O MnO TiO2 P2O5 烧失量 硅藻土 62.50 15.30 4.60 0.50 0.69 1.20 0.30 0.02 0.20 0.10 14.55 试验田块采用宽60 cm、高30 cm的塑料薄膜覆盖田埂分为16个小区，每个小区面积为13.75 m × 10.25 m。供试水稻品种为荃优532，4月底育秧，5月底移栽，9月中旬收获。灌溉方式为单排单灌管理，除烤田期和收获前一周外，田间始终保持3~5 cm水层深度。杂草及病虫害防治按照当地常规管理措施进行。
2023年水稻收获后，采用5点采样法从每个小区0~20 cm土层采集土壤样品，每处理总计采集1 kg样品。采集后，样品装入硬质保鲜盒，防止运输过程中结构破坏。样品自然风干后，将土块掰成小于1 cm的小块，剔除杂质并通过8 mm筛。风干后样品保存备用。同时，使用环刀法采集每个小区的土壤容重样品。
1.3 测定项目与方法：
1.3.1 土壤团聚体测定
土壤团聚体采用干湿筛结合法进行测定[15]。具体方法如下：称取定量风干土样，利用电动振筛仪通过套筛（孔径分别为2 mm、0.25 mm和0.053 mm）对土样进行筛分，记录不同粒径干筛团聚体的质量。根据干筛结果计算各粒径团聚体百分比，并配制30 g的混合风干土样。随后采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体含量[16]。湿筛操作如下：1）将筛网按照孔径（2 mm、0.25 mm和0.053 mm）自上而下依次排列并固定在震荡架上；2）将30 g混合土样置于顶层筛网上；3）向筛桶内注入足够的纯水，浸没土样，并让其浸泡5 min以充分湿润；4）设置湿筛仪振荡频率为30次/min，振幅为8 cm，进行30 min垂直振荡，同时确保筛网上缘始终浸没在水中。振荡结束后，将团聚体分为四个粒径范围：超大团聚体（＞2 mm）、大团聚体（0.25~2 mm）、微团聚体（0.053~0.25 mm）和粉黏粒（＜0.053 mm）[17]，记录各粒径范围团聚体的重量。
1.3.2 有机碳、全氮含量的测定
分别从全土和不同粒径水稳性团聚体样品中各取1 g，磨细至能通过0.15 mm筛网。随后，利用Costech ECS4010土壤元素分析仪测定样品中的有机碳和全氮含量。
1.4 数据处理与分析
1.4.1 团聚体稳定性及其碳氮贡献率的计算
土壤团聚体的稳定性通过平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及粒径＞0.25 mm团聚体含量（R0.25）这三个指标来表征[18]，分别采用以下公式计算：
MWD=n∑i=1ˉxi×wi (1) GMD=exp[∑ni=1wiln(ˉxi)∑ni=1wi] (2) R0.25=MT>0.25MT (3) 各粒径团聚体有机碳（全氮）贡献率（P）计算公式为[19]：
P=λi×wi/w×100% (4) 式中：n为湿筛后团聚体粒径划分的组数4；xi为第i级团聚体的平均粒径/mm；wi为第i级团聚体的百分含量/%；MT＞0.25为＞0.25 mm团聚体含量总和；MT为各粒径团聚体的总含量；为第i级团聚体有机碳（全氮）含量/（g/kg）；w为各粒径团聚体碳（全氮）含量的总和；λi为第i级团聚体有机碳（全氮）含量/（g/kg）。
1.4.2 土壤有机碳、全氮储量
土壤有机碳、全氮储量计算公式[20]：
SOCST=SOC×BD×H (5) TNST=TN×BD×H (6) 式中：SOCST和TNST为土壤有机碳和全氮储量/（kg/m2）；SOC为土壤有机碳含量/（g/kg）；TN为土壤全氮含量/（g/kg）；BD为土壤容重/（kg/m3）；H表示土层深度/m。
1.4.3 数据分析处理
试验数据计算使用Microsoft Excel 2019完成，数据分析采用SPSS 18.0软件。不同施肥处理间的显著性差异通过单因素方差分析和Duncan检验法比较；为明确土壤有机碳和全氮含量及储量的主要影响粒径，进一步采用多元逐步回归方程进行分析。
2. 结果与分析
2.1 硅藻土对土壤团聚体分布及稳定性的影响
不同施肥处理对土壤团聚体粒径分布具有显著影响（图 1）。NPKSi处理以超大团聚体为主，占比35.74%，而CK、NPK和Si处理则以大团聚体为主，占比为31.03%~36.73%。与CK处理相比，NPK和NPKSi处理显著增加了超大团聚体的含量，分别提升了12.63% 和32.32%，其中NPKSi处理的增幅最大；然而，Si处理却显著降低了超大团聚体的含量，降幅为11.92%（P＜0.05）。此外，NPK和NPKSi处理的大团聚体含量较CK处理分别显著下降了5.11%和10.45%，而Si处理的大团聚体含量则显著增加了6.00%（P＜0.05）。对于微团聚体含量，NPK处理表现最高，较CK处理显著增加了8.83%（P＜0.05）；但Si和NPKSi处理的微团聚体含量与CK处理差异不显著（P＜0.05）。NPKSi处理显著降低了粉黏粒含量，其值显著低于其他处理（P＜0.05），而Si处理的粉黏粒含量略有增加。
图 1 硅藻土对土壤团聚体分布的影响Fig. 1 Effect of diatomite on soil aggregate distribution注：不同字母表示相同粒径范围不同处理间的差异显著（P＜0.05）。
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MWD、GMD和R0.25在不同处理间的变化趋势一致（表 2）。与CK处理相比，NPK和NPKSi处理显著提升了MWD、GMD和R0.25，其中NPKSi处理的增幅最大。具体而言，NPK处理下MWD、GMD和R0.25的增幅分别为5.21%、11.90%和2.66%；而NPKSi处理下三项指标的增幅分别为13.54%、26.19%和8.28%（P＜0.05）。相比之下，Si处理显著降低了MWD、GMD和R0.25，分别较CK处理下降4.17%、4.76%和1.86%（P＜0.05）。
表 2 不同处理下土壤团聚体稳定性指标Table 2 Soil aggregate stability index under different treatments处理 MWD/mm GMD/mm R0.25/% CK 0.96±0.005c 0.42±0.004c 61.67±0.15c NPK 1.01±0.011b 0.47±0.012b 63.31±0.88b Si 0.92±0.012d 0.40±0.007d 60.52±0.37d NPKSi 1.09±0.008a 0.53±0.005a 66.78±0.27a 注：同一列中不同英文字母为不同处理之间差异显著（P＜0.05）。 相关性分析显示，超大团聚体含量与MWD、GMD和R0.25之间存在极显著正相关关系（P＜0.01），而大团聚体和粉黏粒含量与上述三项指标均存在极显著负相关（P＜0.01）（表 3）。
表 3 土壤团聚体粒径组成与其结构稳定性的相关关系Table 3 Correlation between particle size composition and structural stability of soil aggregates团聚体粒径 MWD GMD R0.25 ＞2.00 mm 0.998** 0.989** 0.982** 0.25~2.00 mm -0.960** -0.942** -0.919** 0.053~0.250 mm -0.318 -0.278 -0.382 ＜0.053 mm -0.960** -0.975** -0.946** 注：*表示显著性水平为0.05（P＜0.05），**表示显著性水平为0.01（P＜0.01）。下表同。 2.2 硅藻土对土壤有机碳和全氮含量、储量的影响
不同处理下土壤有机碳含量的排序依次为：NPKSi＞NPK＞CK＞Si（图 2）。与CK处理相比，Si处理土壤有机碳含量降低了3.53%（P＞0.05）；而NPK和NPKSi处理下，土壤有机碳含量分别提高了10.60%和17.67%，两者均显著高于CK处理（P ＜0.05）。此外，不同处理土壤全氮含量排序与有机碳一致。相较于CK处理，Si处理使土壤全氮含量下降了1.96%（P＜0.05）；而NPK和NPKSi处理土壤全氮含量分别提高了9.80%和23.53%，其中NPKSi处理的增幅达到显著差异（P＜0.05）。
图 2 不同处理土壤耕层有机碳、全氮含量Fig. 2 Organic carbon and total nitrogen content of soil tillage in different treatments注：不同字母表示不同处理间的差异显著（P＜0.05）。下载:
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不同处理对土壤有机碳和全氮储量的影响呈现出不同的趋势（图 3）。与CK处理相比，Si处理使土壤有机碳储量降低了1.64%，但差异不显著；而NPK和NPKSi处理分别使土壤有机碳储量显著增加了8.84%和14.42%（P＜0.05）。在土壤全氮储量方面，所有处理的土壤全氮含量较CK处理均有所增加，其中Si和NPK处理的土壤全氮含量分别提高了0.05%和8.12%，但差异不显著；NPKSi处理的土壤全氮含量增幅最大，达到20.18%，差异显著（P＜0.05）。
图 3 不同处理土壤耕层有机碳、全氮储量Fig. 3 Organic carbon and total nitrogen storage in soil tillage layer of different treatments注：不同字母表示不同处理间的差异显著（P＜0.05）。下载:
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2.3 硅藻土对不同粒径土壤团聚体中有机碳和全氮含量及其贡献率的影响
在相同处理条件下，不同粒径的土壤团聚体有机碳含量呈现出明显的差异：大团聚体有机碳含量最高，其次是超大团聚体和微团聚体，粉黏粒有机碳含量最低（图 4）。进一步分析不同处理条件下相同粒径团聚体的有机碳含量变化结果表明，与CK处理相比，NPK和NPKSi处理显著提高了各粒径团聚体的有机碳含量（P＜0.05），具体增幅为：超大团聚体中分别增加7.41%和15.56%，大团聚体中分别增加9.22%和14.68%，微团聚体中分别增加7.29%和17.41%，粉黏粒中分别增加12.98%和14.23%。其中，NPKSi处理对各粒径团聚体有机碳含量的提升效果优于NPK处理。相反，Si处理下各粒径团聚体的有机碳含量较CK处理均有所下降，且在大团聚体中这一变化达到了显著差异（P＜0.05）。
图 4 不同处理土壤各粒径团聚体中有机碳和全氮含量Fig. 4 Organic carbon and total nitrogen content in soil aggregates of different particle sizes under various treatments注：不同字母表示相同粒径范围不同处理间的差异显著（P＜0.05）。下同。下载:
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在相同处理条件下，不同粒径土壤团聚体的全氮含量也存在明显差异：大团聚体的全氮含量最高，其次是超大团聚体和微团聚体，粉黏粒的全氮含量最低（图 4）。进一步分析不同处理条件下相同粒径团聚体的全氮含量变化结果显示，与CK处理相比，NPKSi处理显著提高了超大团聚体和大团聚体的全氮含量，增幅分别为19.64%和23.21%（P＜0.05）。相比之下，NPK和Si处理在各粒径团聚体中未表现出显著差异（P＜0.05）。
不同粒径土壤团聚体有机碳的贡献率也存在差异。超大团聚体的有机碳贡献率为24.86%~36.72%，大团聚体的有机碳贡献率为34.35%~40.71%，微团聚体的有机碳贡献率为16.11%~17.43%，粉黏粒的有机碳贡献率为12.82%~17.49%（图 5）。进一步分析发现，与CK处理相比，NPK和NPKSi处理显著提升了超大团聚体的有机碳贡献率，增幅分别为10.60%和31.40%（P＜0.05）。此外，NPK和NPKSi处理均显著降低了粉黏粒的有机碳贡献率，降幅分别为12.20%和23.78%（P＜0.05）。相较而言，Si处理对大团聚体的有机碳贡献率提升效果最佳，但对其他粒径团聚体的影响有限。微团聚体的有机碳贡献率在Si和NPKSi处理下与CK处理无显著差异。
图 5 不同处理土壤各粒径团聚体中有机碳和全氮贡献率Fig. 5 Contribution rates of organic carbon and total nitrogen in soil aggregates of different particle sizes under various treatments注：不同字母表示相同粒径范围不同处理间的差异显著（P＜0.05）。下载:
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不同粒径土壤团聚体全氮的贡献率差异较大。超大团聚体的全氮贡献率为26.87%~38.99%，大团聚体的全氮贡献率为34.79%~40.51%，微团聚体的全氮贡献率为15.56%~17.19%，粉黏粒的全氮贡献率为10.66%~16.30%（图 5）。所有处理下，全氮的贡献率均表现出＞0.25 mm粒径团聚体高于＜0.25 mm粒径团聚体。进一步分析表明，与CK处理相比，NPK和NPKSi处理提高了超大团聚体的全氮贡献率，增幅分别为8.99%和29.52%；同时，这两种处理显著降低了粉黏粒的全氮贡献率，降幅分别为12.39%和32.53%，其中NPKSi处理的变化达到显著水平（P＜0.05）。此外，Si处理对大团聚体的全氮贡献率提升效果最佳，但对其他粒径团聚体的影响相对有限。各处理对微团聚体的全氮贡献率未表现出显著差异（P＜0.05）。
土壤有机碳及储量、全氮含量及储量与团聚体有机碳氮含量呈极显著正相关（P＜0.01）（表 4）。土壤有机碳含量和有机碳储量与超大团聚体和大团聚体的有机碳含量呈正相关，而与微团聚体和粉黏粒的有机碳含量呈负相关。土壤全氮含量和全氮储量同样与超大团聚体和大团聚体全氮含量呈正相关，而与微团聚体和粉黏粒全氮含量呈负相关。
表 4 土壤有机碳和全氮含量及储量与团聚体粒径相应指标的逐步回归方程Table 4 Stepwise regression equation of soil organic carbon and total nitrogen content and reserves and corresponding indicators of aggregate particle size项目 回归方程 决定系数 有机碳 C=0.451C1+0.839C2−0.094C3−0.081C4+0.452 0.979** 有机碳储量 C=0.142C1+0.121C2−0.027C3−0.001C4+0.222 0.919** 全氮 N=0.091N1+0.877N2−0.099N3−0.245N4+0.409 0.816** 全氮储量 N=0.003N1+0.231N2−0.033N3−0.060N4+0.174 0.756** 注：C1为超大团聚体有机碳含量，C2为大团聚体有机碳含量，C3为微团聚体有机碳含量，C4为粉黏粒有机碳含量，N1为超大团聚体全氮含量，N2为大团聚体全氮含量，N3为微团聚体全氮含量，N4为粉黏粒全氮含量。 3. 讨论
3.1 硅藻土对土壤团聚体分布及稳定性的影响
在土壤中，＞0.25 mm的团聚体被认为是较优的土壤结构，其数量直接影响土壤的保水、保肥能力及固碳能力。因此，通过测定＞0.25 mm团聚体的含量，可以有效评估土壤的结构优势[21]。本研究表明，常规化肥的施用能够显著提高＞0.25 mm团聚体的含量，并降低粉黏粒的比例（图 1），同时提升团聚体的稳定性（表 2），其中常规化肥与硅藻土配施的效果最为显著。这主要是因为施用化肥不仅能显著提高作物产量，还能促进地下生物量的增加，加速根系更新和周转，从而增加土壤中的有机碳含量[22]。有机碳可以直接或间接地充当土壤团聚体的胶结物质，有助于微团聚体和粉黏粒的结合，形成更大的团聚体，从而提高土壤中＞0.25 mm团聚体的含量[23]。
常规化肥与硅藻土配施处理效果更佳，原因在于硅藻土的施用不仅为水稻提供了有效硅，同时改善并活化土壤中大量元素的营养状况，促进植物对营养的吸收[24]，进而提升作物的生物量[9]，并增加土壤的碳输入。此外，硅藻土由硅藻蛋白石和附着于表面的细小层状硅酸盐矿物等组成，呈片层状结构，具有较大的比表面积。它可以作为土壤中的无机胶体与土壤中的有机质结合，促进大团聚体的生成，同时有效防止团聚体内部有机质的分解，从而进一步提升土壤团聚体的稳定性[25-26]。然而，在单独施用硅藻土的处理中，土壤中＜0.25 mm粒径团聚体有所增加（图 1），且该处理下团聚体的稳定性显著低于其他处理（表 2）。这一结果与刘新梅等[27]施用改良剂一年后土壤大团聚体含量及团聚体稳定性降低的结果一致。其可能原因在于硅藻土具有较高的孔隙率和良好的持水性，为土壤微生物提供了适宜的生存环境[10]，进而促进了微生物的生长和繁殖。土壤中的大量有机质被微生物利用和分解，影响了其数量和质量，最终导致大团聚体分解为微团聚体，土壤团聚体的稳定性降低[28-29]。
总的来说，常规化肥与硅藻土配施处理对土壤结构具有一定的改良作用，有助于稳定土壤中的大粒径团聚体，而单独施用硅藻土则表现出一定的局限性。因此，硅藻土可能需要与其他土壤改良剂或管理措施相结合，才能达到更好的土壤结构改善效果。
3.2 硅藻土对有机碳、全氮及贡献率的影响
3.2.1 硅藻土对有机碳含量的影响
在土壤养分循环中，有机碳含量发挥着重要作用[30]。本研究结果表明，常规化肥处理、常规化肥与硅藻土配施处理均能显著提高土壤有机碳含量（图 2）。这主要是因为长期施肥促进了作物产量的提升，从而促使更多的作物残茬和根系分泌物返回土壤，这些物质在微生物的分解作用下间接增加土壤碳素投入[31]。进一步分析发现，与常规化肥处理相比，常规化肥与硅藻土配施处理的土壤有机碳含量增幅更大（图 2），这可能归因于硅藻土的性质。硅藻土是自然界常见的黏土矿物，黏土矿物对有机物料具有较强的吸附能力，能够通过物理吸附和化学结合作用提高土壤有机碳含量[32]。土壤团聚体是土壤有机碳的重要储存场所[33]，研究土壤团聚体的粒径分布特征，对于揭示土壤有机碳的分布规律至关重要。本试验结果表明，大团聚体中有机碳含量最高（图 4），这与Song等[34]、赵哲萱等[35]的研究成果相符。这一现象的主要原因是大粒径团聚体具有较大表面积，能够通过配位体交换和阳离子桥作用更有效地吸附有机物质，从而使该粒径团聚体的有机碳含量显著高于其他粒径[36]。
3.2.2 硅藻土对全氮含量的影响
氮素是植物生长的必需营养元素，其在土壤中的含量直接影响土壤的生产能力[37]。本试验中，不同处理下的土壤全氮含量与有机碳含量变化趋势一致，常规化肥与硅藻土配施处理能够提高土壤全氮含量（图 2）。硅藻土作为肥料控释剂的功能进一步被验证，因为该处理中硅藻土能够减缓氮素的释放速度，从而提高氮肥的利用效率[38]。这不仅有助于持续供应土壤中的氮素，还能有效减少氮素流失。本试验结果还显示，＞0.25 mm团聚体全氮含量高于＜0.25 mm团聚体全氮含量（图 4），与吴嘉俊等[39]的研究结果一致，原因在于水稳性较强的大团聚体对土壤氮素具有更高的富集和保护作用，能够有效减少氮素的流失，进而提高土壤的氮素储存能力。上述现象不仅表明大团聚体在土壤肥力维持中的重要性，还揭示了其在碳素、氮素保护与养分循环中的关键作用。因此，利用硅藻土改良土壤和提高肥料利用效率，有助于实现绿色农业和可持续发展目标。
3.2.3 硅藻土对有机碳、全氮贡献率的影响
团聚体的有机碳贡献率（或全氮贡献率）受到该粒径团聚体的有机碳（全氮）含量及其粒径团聚体在整体土壤中的含量的共同影响。本研究结果显示，在所有处理条件下，大团聚体的有机碳贡献率显著高于其他粒径团聚体（图 5）。这一结果与赵哲萱[35]等人研究的结论一致，进一步验证了大团聚体在土壤碳库中的重要地位。该现象主要归因于长期施肥显著增加了土壤中大团聚体的比例，并显著提高了其内部有机碳含量[40]，从而增强了大团聚体在土壤有机碳中的贡献率。此外，本试验进一步发现，单施硅藻土处理下，大团聚体的有机碳和全氮贡献率均显著高于其他处理。原因可能在于硅藻土通过优化土壤物理结构，促进了大团聚体的形成，使得该处理大团聚体的比例显著高于其他处理（图 1）。综上所述，本研究验证了大团聚体在土壤碳氮库中的关键作用，进一步揭示了硅藻土在提高土壤大团聚体比例及其有机碳、全氮贡献率方面的显著效果。
3.2.4 硅藻土对有机碳、全氮储量的影响
不同施肥处理对土壤有机碳和全氮储量的影响略有差异（图 3）。单施硅藻土处理与不施硅藻土和氮肥处理间土壤有机碳和全氮储量差异显著，这一现象可能是由于土壤物理和化学性质对碳结合及氮固定能力的不同影响所致。此外，本试验中常规化肥与硅藻土配施处理土壤有机碳、全氮储量高于其他处理（图 3），这主要源于两方面：首先，研究指出外源有机碳和氮的主要固持载体是团聚体，尤其是大团聚体[41]，本试验中该处理大团聚体数量高于其他处理，因此增加了土壤有机碳、全氮储量。其次，硅藻土作为肥料载体，不仅能够改善肥料的物理性状，还可以调控肥料中养分的释放速率，从而减少肥料在土壤中的养分流失[42]，最终促进土壤有机碳和全氮的积累。这表明，通过硅藻土与氮肥的协同施用，可以显著改善土壤养分的固持和利用效率。
4. 结论
1）单独施用硅藻土对土壤碳氮储量的提升效果有限，而常规化肥与硅藻土配施处理能够显著增加水稻土中的有机碳和全氮储量，同时＞0.25 mm大团聚体的比例和稳定性提高，粉黏粒的比例则减少。
2）常规化肥与硅藻土配施处理提升了超大团聚体中有机碳和全氮的贡献率，降低了粉黏粒中有机碳和全氮的贡献率，表明其通过增加＞0.25 mm团聚体的碳氮含量，有效提升了土壤的有机碳和全氮储量。
3）常规化肥与硅藻土配施不仅改善了水稻土的团聚体结构，还增强了土壤对碳氮的固持能力。这对于维持土壤结构稳定性、提高土壤肥力及农田生产力具有重要意义。
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图 1 硅藻土对土壤团聚体分布的影响
Fig. 1 Effect of diatomite on soil aggregate distribution
注：不同字母表示相同粒径范围不同处理间的差异显著（P＜0.05）。
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图 2 不同处理土壤耕层有机碳、全氮含量
Fig. 2 Organic carbon and total nitrogen content of soil tillage in different treatments
注：不同字母表示不同处理间的差异显著（P＜0.05）。
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图 3 不同处理土壤耕层有机碳、全氮储量
Fig. 3 Organic carbon and total nitrogen storage in soil tillage layer of different treatments
注：不同字母表示不同处理间的差异显著（P＜0.05）。
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图 4 不同处理土壤各粒径团聚体中有机碳和全氮含量
Fig. 4 Organic carbon and total nitrogen content in soil aggregates of different particle sizes under various treatments
注：不同字母表示相同粒径范围不同处理间的差异显著（P＜0.05）。下同。
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图 5 不同处理土壤各粒径团聚体中有机碳和全氮贡献率
Fig. 5 Contribution rates of organic carbon and total nitrogen in soil aggregates of different particle sizes under various treatments
注：不同字母表示相同粒径范围不同处理间的差异显著（P＜0.05）。
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表 1 硅藻土养分含量
Table 1 Diatomite nutrient content
组成/% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O MnO TiO2 P2O5 烧失量 硅藻土 62.50 15.30 4.60 0.50 0.69 1.20 0.30 0.02 0.20 0.10 14.55 表 2 不同处理下土壤团聚体稳定性指标
Table 2 Soil aggregate stability index under different treatments
处理 MWD/mm GMD/mm R0.25/% CK 0.96±0.005c 0.42±0.004c 61.67±0.15c NPK 1.01±0.011b 0.47±0.012b 63.31±0.88b Si 0.92±0.012d 0.40±0.007d 60.52±0.37d NPKSi 1.09±0.008a 0.53±0.005a 66.78±0.27a 注：同一列中不同英文字母为不同处理之间差异显著（P＜0.05）。 表 3 土壤团聚体粒径组成与其结构稳定性的相关关系
Table 3 Correlation between particle size composition and structural stability of soil aggregates
团聚体粒径 MWD GMD R0.25 ＞2.00 mm 0.998** 0.989** 0.982** 0.25~2.00 mm -0.960** -0.942** -0.919** 0.053~0.250 mm -0.318 -0.278 -0.382 ＜0.053 mm -0.960** -0.975** -0.946** 注：*表示显著性水平为0.05（P＜0.05），**表示显著性水平为0.01（P＜0.01）。下表同。 表 4 土壤有机碳和全氮含量及储量与团聚体粒径相应指标的逐步回归方程
Table 4 Stepwise regression equation of soil organic carbon and total nitrogen content and reserves and corresponding indicators of aggregate particle size
项目 回归方程 决定系数 有机碳 C=0.451C1+0.839C2−0.094C3−0.081C4+0.452 0.979** 有机碳储量 C=0.142C1+0.121C2−0.027C3−0.001C4+0.222 0.919** 全氮 N=0.091N1+0.877N2−0.099N3−0.245N4+0.409 0.816** 全氮储量 N=0.003N1+0.231N2−0.033N3−0.060N4+0.174 0.756** 注：C1为超大团聚体有机碳含量，C2为大团聚体有机碳含量，C3为微团聚体有机碳含量，C4为粉黏粒有机碳含量，N1为超大团聚体全氮含量，N2为大团聚体全氮含量，N3为微团聚体全氮含量，N4为粉黏粒全氮含量。 -
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