黑土地作为全球最肥沃的土壤资源之一，被誉为“耕地中的大熊猫”，是我国粮食安全的“压舱石”。在东北黑土区，玉米-大豆轮作作为一种重要种植模式，对保障粮食稳产与生态安全具有深远的战略意义。然而，受长期高强度耕作与化肥过量施用影响，该区域土壤有机质含量持续降低、结构逐渐恶化、养分供应失衡等问题日益严峻，严重威胁黑土地的健康状况与农业可持续发展。因此，如何通过科学的施肥措施有效改善黑土结构、恢复土壤质量，已成为当前亟待破解的关键科学问题。

东北地理所黑土保护与利用学科组科研人员以位于中国科学院海伦农业生态实验站的一项22年的长期定位试验为依托，系统评估了有机肥施用量对玉米-大豆轮作体系下土壤团聚体组成、碳氮磷（C、N、P）养分储量及土壤质量指数（SQI）的影响，揭示了长期施用有机肥通过调控团聚体尺度养分储量提升黑土土壤质量的内在机制。研究结果表明，化肥配施有机肥显著提高了大团聚体（LMA，>2 mm）和中团聚体（MMA，2-0.25 mm）的比例，土壤碳储量、氮储量和磷储量含量分别较单施化肥及不施肥处理提高7.59%-14.79%、3.37%-25.78%和4.63%-18.33%。同时，有机肥施用使表层（0-20 cm）土壤质量指数（SQI）提升18.32%-33.08%，深层（20-40 cm）提升2.4%-17.0%（图1）。

图1：不同处理下土壤碳储量（A）、氮储量（B）、磷储量（C）及土壤质量指数SQI（D）

研究发现，不同粒径团聚体在表层与深层土壤中对养分的贡献存在显著差异。中团聚体在表层土中对土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）的贡献率分别高达87.8%、97.6%和85.2%，是提升土壤质量的核心结构单元；而在深层土中，大团聚体对养分贡献最高（图2）。随机森林分析结果表明，原土中氮储量是决定土壤质量的主要因素；表层土壤中LMA对原土TP的贡献率及深层土壤中MIC对原土SOC的贡献率是团聚体尺度影响SQI的重要因素（图3）。偏最小二乘路径分析揭示，有机肥施用通过促进中、大团聚体形成，增强了碳氮磷协同积累，从而系统提升了黑土质量（图4）。研究结果为东北黑土区实现黑土可持续利用与粮食安全目标提供了科学依据。

图2团聚体尺度对表层土壤（A、B、C）与深层土壤（D、E、F）有机碳（SOC）、全氮（TN）及全磷（TP）的贡献率

图3 表层(A) 与深层 (B)SQI随机森林分析

图4：基于偏最小二乘路径模型的路径分析图

研究成果近期发表在国际土壤学二区期刊 Plant and Soil 上。东北地理所黑土保护与利用学科组科研助理武志民为论文第一作者，邹文秀研究员和陆欣春高级工程师为共同通讯作者。研究得到黑龙江省杰出青年基金（JQ2024D002）、国家自然科学基金（U24A20632）、农业农村部国家现代农业产业技术体系（CARS-04）等联合资助。

论文信息：

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.

论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-025-07928-z