魏艷春，馬天娥，魏孝榮，2*，王昌釗，郝明德，張　萌（.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌7200；2.西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌7200；.陜西出入境檢驗檢疫局技術中心，西安70068）

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黃土高原旱地不同種植系統(tǒng)對土壤水穩(wěn)性團聚體及碳氮分布的影響

魏艷春1，馬天娥1，魏孝榮1，2*，王昌釗3，郝明德1，張萌1
（1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌712100；3.陜西出入境檢驗檢疫局技術中心，西安710068）

摘要：以黃土高原連續(xù)進行了27年的長期定位試驗為對象，研究了糧-草長周期輪作、糧-豆短周期輪作、玉米連作和小麥連作系統(tǒng)土壤團聚體及其碳氮分布特征，并分析了土壤碳氮分布與土壤團聚體及其碳氮含量之間的關系。結果表明：黃土高原旱作農(nóng)田土壤中＜0.053 mm團聚體含量最高，占土壤質量的35%；長周期輪作系統(tǒng)0～20 cm和20～40 cm土層土壤0.25～2 mm團聚體含量高于玉米連作、小麥連作和短周期輪作系統(tǒng)，而＜0.053 mm團聚體含量低于這3種輪作系統(tǒng)，且長周期輪作系統(tǒng)土壤團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑也較高。種植系統(tǒng)對團聚體有機碳和全氮分布的影響主要體現(xiàn)在0～20 cm土層土壤，長周期輪作系統(tǒng)土壤中＞2 mm和0.25～2 mm團聚體有機碳含量顯著高于其他種植系統(tǒng)，＜0.25 mm團聚體有機碳含量與其他種植系統(tǒng)差異不顯著。長周期輪作系統(tǒng)團聚體全氮含量均顯著高于其他種植系統(tǒng)，碳氮比則呈現(xiàn)出相反的趨勢。土壤總有機碳、氮含量與團聚體有機碳、氮含量呈極顯著正相關關系。土壤有機碳和全氮含量的變化主要取決于0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團聚體有機碳和全氮的變化，而且有豆科植物苜蓿長期參與的長周期輪作系統(tǒng)可以有效改善土壤結構，提高土壤和團聚體的有機碳和全氮含量。

關鍵詞：黃土高原；旱作農(nóng)田；種植系統(tǒng)；水穩(wěn)性團聚體；有機碳；全氮

魏艷春，馬天娥，魏孝榮，等.黃土高原旱地不同種植系統(tǒng)對土壤水穩(wěn)性團聚體及碳氮分布的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2016, 35（2）：305-313.

團聚體是土壤結構的重要組分，在土壤肥力維持、質量改良和生態(tài)功能調節(jié)方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。大量研究結果表明，不同粒級的團聚體在提供植物氮、磷素營養(yǎng)方面有著不同的功能[3-4]，如微團聚體有較強的養(yǎng)分儲備能力，而大團聚體供應養(yǎng)分的能力較強[5-6]。在土壤有機碳循環(huán)方面，團聚體不但能對有機碳起到物理保護作用，減少其損失[7-8]，而且可以增強新輸入的有機碳在團聚體中的富集和積累，從而有利于土壤碳匯功能的增強[9-10]。由于土壤團聚體是在有機物質、植物根系、微生物活動等共同作用下形成的[11-13]，土壤團聚體的大小及其中有機碳和養(yǎng)分的分布、周轉均受這些因素的影響。

目前研究者對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤團聚體及其碳氮分布的研究主要集中在不同管理措施的影響方面，并且積累了大量的數(shù)據(jù)和可靠的結果。有研究表明，保護性耕作尤其是免耕措施能提高土壤大團聚體的形成，并增加大團聚體有機碳含量[14]。這些耕作措施結合秸稈還田還可以通過改變土壤的濕度和溫度、根系生長狀況、作物殘茬的數(shù)量和質量，影響土壤微生物量及其活性，最終影響團聚體形成和團聚體有機碳的動態(tài)[15]。孫漢印等[13]發(fā)現(xiàn)陜西關中平原地區(qū)秸稈還田減少了土壤微團聚體含量，增加了大團聚體和中微團聚體的含量；高會議等[16]的研究表明，黃土塬區(qū)黑壚土長期施肥可增加5～2 mm和2～1 mm水穩(wěn)性團聚體的有機碳含量。這些研究為深入認識農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)團聚體碳氮的分布和穩(wěn)定性提供了重要的基礎和依據(jù)，但是很少有研究比較不同種植系統(tǒng)土壤團聚體及其碳氮的分布特征。對于不同的種植系統(tǒng)，作物的地上部和地下部生物量、根系分布以及根系活動特征不同，必將對土壤團聚體以及團聚體有機碳和全氮分布產(chǎn)生顯著影響。因此，分析不同種植系統(tǒng)土壤團聚體碳氮分布特征對于認識土壤碳氮變化規(guī)律、分析土壤養(yǎng)分保持特征和有效性、評價生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能具有重要的指導意義和理論價值。

本研究以黃土高原旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為對象，針對小麥連作、玉米連作、糧-豆3年短周期輪作和糧-草8年長周期輪作4種典型種植系統(tǒng)，研究了土壤團聚體分布特征以及團聚體碳氮含量的變化，分析了土壤碳氮分布與土壤團聚體及其碳氮含量之間的關系，以期為認識不同種植系統(tǒng)土壤團聚體碳氮分布及其對土壤總有機碳氮的貢獻，為評價不同種植系統(tǒng)土壤碳匯功能及變化趨勢，提供基礎資料和科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗在中國科學院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進行。試驗站建于1984年，位于陜西省長武縣，海拔1200 m，為典型的黃土高原溝壑區(qū)，土壤類型為黃蓋黑壚土，成土母質為馬蘭黃土。氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年日照時數(shù)2 226.5 h，日照百分率51%，年總輻射483.7 kJ·cm-3，年均氣溫9.2℃，塬面全年＞0℃的積溫為3029℃，多年平均無霜期171 d；年降雨量為578 mm，年內降雨主要集中在7—9月，占全年降雨量的53%。試驗開始時土壤有機碳含量為6.09 g·kg-1，全氮含量為0.80 g·kg-1，堿解氮含量為37.0 mg·kg-1，全磷含量為0.70 g·kg-1，速效磷含量為3.0 mg·kg-1，速效鉀含量為129 mg·kg-1。

1.2試驗設計

長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站長期定位試驗布設于1984年，包括不同作物（表1）種植系統(tǒng)和施肥處理，設置36個處理，3個重復，共108個小區(qū)，每個小區(qū)長10.3 m，寬6.5 m。本研究選取小麥連作、玉米連作、糧-草8年長周期輪作和糧-豆3年短周期輪作4種種植系統(tǒng)進行研究，其中小麥連作和玉米連作系統(tǒng)只種植冬小麥或玉米，糧-草8年輪作系統(tǒng)作物輪作方式為洋芋-小麥-小麥-小麥/苜蓿-苜蓿-苜蓿-苜蓿-苜蓿；糧-豆3年輪作系統(tǒng)作物輪作方式為豌豆-小麥-小麥+糜子。所有輪作系統(tǒng)一個輪作周期結束后重復相同的輪作順序，進行下一個周期的輪作。選取各種植系統(tǒng)中相同的施肥處理（N為120 kg·hm-2、P2O5為26.2 kg·hm-2），所用氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，于作物播種前撒施地表，翻入土壤。在每種作物收獲季節(jié)將小區(qū)內作物全部收獲，稱量鮮重，同時取部分樣品帶回實驗室用烘干法測定其含水量，利用小區(qū)作物的總鮮重和含水量估算小區(qū)地上部生物量。本研究選取的小麥或玉米連作系統(tǒng)各有3個重復，采樣時種植的作物為小麥或者玉米；8年長周期輪作系統(tǒng)有24個重復（有8種不同的種植序列處理，這樣在每年均會有該種植系統(tǒng)不同的作物，如第一年苜蓿、第二年苜蓿等），采樣時種植的作物為洋芋、小麥或者苜蓿；3年短周期輪作系統(tǒng)有9個重復（有3種不同的種植序列處理，這樣在每年均會有該種植系統(tǒng)不同的作物），采樣時種植的作物為豌豆或者小麥。

表1　供試作物品種及生育期Table 1 Varieties and seeding and harvesting periods of crops studied

1.3土壤樣品采集、分析和數(shù)據(jù)處理

于2011年9月播前采集所選處理0～20 cm和20～40 cm土層土壤樣品，每個小區(qū)內“S”型布設5個采樣點，采集原狀土組成該小區(qū)的混合土壤樣品，帶回實驗室風干。土壤水穩(wěn)性團聚體分級采用改進的濕篩法進行[17-19]，將水穩(wěn)性團聚體分為＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm 4個級別。

原狀土壤樣品和團聚體樣品研磨通過0.25 mm篩孔以供有機碳和全氮測定，有機碳用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮用凱氏定氮法測定。

為了分析團聚體分布特征，計算土壤團聚體的平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）：

式中：Wi為某級別團聚體的質量百分數(shù)，%；Xi為該級別團聚體的平均直徑，mm。

為了確定不同種植系統(tǒng)對土壤團聚體分布、土壤總有機碳和全氮、團聚體有機碳和全氮含量影響的差異，采用一元方差分析方法分析這些變量在不同種植系統(tǒng)之間差異的顯著性，用簡單線性回歸方法分析土壤總有機碳、全氮與團聚體含量以及團聚體有機碳、全氮含量之間的關系。方差分析和線性回歸分析采用JMP軟件（v10.0）進行。

2　結果與分析

2.1團聚體分布特征

本研究中黃土高原旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤不同級別團聚體含量之間差異顯著（P＜0.000 1）。所有處理0～20 cm和20～40 cm土層土壤中＜0.053 mm團聚體占土壤質量的35%，而＞2、0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團聚體分別占土壤質量的20%、18%和27%，且這種含量順序在不同種植系統(tǒng)呈現(xiàn)出相似的趨勢（圖1）。此外，土壤團聚體的含量受種植系統(tǒng)的影響，并與團聚體級別和土層有關（表2、圖1）。0～20 cm和20～40 cm土層土壤中＞2 mm團聚體含量在長周期和短周期輪作系統(tǒng)較高，小麥和玉米連作系統(tǒng)較低；0.25～2 mm團聚體也在長周期輪作系統(tǒng)最高，玉米連作系統(tǒng)最低；2個土層土壤0.053～0.25 mm團聚體均在玉米連作系統(tǒng)最低，而＜0.053 mm團聚體均在連作系統(tǒng)較高，輪作系統(tǒng)較低（圖1）。

表2　不同種植系統(tǒng)對土壤團聚體、團聚體有機碳和全氮影響的方差分析結果Table 2 ANOVA of effects of cropping systems on aggregates and their OC and N content

圖1　不同種植系統(tǒng)團聚體含量分布特征Figure 1 Size distribution of aggregates as affected by cropping systems

土壤團聚體的平均質量直徑和幾何平均直徑是表征土壤團聚體分布和土壤結構特征的重要指標，其值越高，表明土壤結構越好，越有利于植物生長[20]。本研究中，長周期輪作系統(tǒng)土壤團聚體平均質量直徑在0～20 cm土層分別比玉米連作和小麥連作系統(tǒng)高19%和9%，在20～40 cm土層分別比這2種種植系統(tǒng)高27%和79%，但是在2個土層與短周期輪作相近。與此相似，長周期輪作系統(tǒng)的土壤團聚體的幾何平均直徑在0～20 cm土層分別比玉米連作和小麥連作系統(tǒng)高29%和24%，在20～40 cm分別高57%和69%，在2個土層與短周期輪作系統(tǒng)相近（圖2），表明作物輪作可以顯著改善土壤結構。

圖2　不同種植系統(tǒng)團聚體平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）Figure 2 MWD and GMD of aggregates as affected by cropping systems

2.2不同種植系統(tǒng)土壤總有機碳和全氮分布特征

不同種植系統(tǒng)，由于作物的地上部和地下部生物量、根系分布以及根系活動的影響，其土壤有機碳和全氮分布特征存在顯著差異。本研究中土壤C/N不受種植系統(tǒng)的影響，土壤有機碳和全氮含量則受其影響，而且種植系統(tǒng)的影響與土層深度有關（表2、圖3）。玉米連作、小麥連作、短周期輪作和長周期輪作系統(tǒng)中土壤C/N在0～20 cm土層分別為11.3、11.3、11.1 和10.8（P=0.402），在20～40 cm土層分別為10.9、11.0、11.0和11.4（P=0.834）。土壤有機碳含量在0～20 cm和20～40 cm土層均以長周期輪作系統(tǒng)最高，玉米連作系統(tǒng)最低。長周期輪作系統(tǒng)土壤有機碳含量在0～20 cm分別比玉米連作、小麥連作和短周期輪作系統(tǒng)高13%、7%和13%（P=0.013），在20～40 cm土層分別比這3種種植系統(tǒng)高17%、5%和7%（P=0.027）。同樣，長周期輪作系統(tǒng)土壤全氮含量在0～20 cm土層分別比這3種種植系統(tǒng)高18%、11%和15%（P＜0.001），在20～40 cm土層分別高13%、3%和4%（P= 0.508），表明長周期輪作顯著增加了土壤有機碳和全氮含量（圖3）。

2.3土壤團聚體碳氮分布特征

不同級別團聚體有機碳、全氮含量以及C/N差異顯著。土壤有機碳和全氮含量均以0.25～2 mm團聚體最高，＜0.053 mm團聚體最低；土壤C/N以0.053～0.25 mm團聚體最高，＜0.053 mm團聚體最低（圖4）。0～40 cm土層土壤有機碳平均含量在＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm團聚體分別為7.0、8.0、6.9、6.1 g·kg-1，土壤全氮含量在這四個級別團聚體分別為0.86、0.96、0.82和0.79 g·kg-1，土壤C/N則分別為8.2、8.3、8.4和7.8（P=0.001）。

圖3　不同種植系統(tǒng)土壤有機碳和全氮含量及C/NFigure 3 Soil OC, N and C/N as affected by cropping systems

本研究中不同種植系統(tǒng)顯著影響0～20 cm土層土壤團聚體有機碳、全氮和C/N的分布，但是這種影響在20～40 cm土層不顯著（在＞2 mm團聚體全氮含量受到顯著影響），表明種植系統(tǒng)對團聚體有機碳和全氮分布的影響主要體現(xiàn)在0～20 cm的表層土壤，20～40 cm土層土壤團聚體有機碳和全氮的分布不受種植系統(tǒng)的影響（表2、圖4）。在0～20 cm土層，長周期輪作系統(tǒng)土壤＞2 mm和0.25～2 mm團聚體有機碳含量分別比玉米連作、小麥連作和短周期輪作系統(tǒng)土壤高18%、9%、9%（P＜0.000 1）和20%、13%、13%（P= 0.000 3），但是0.053～0.25 mm和＜0.053 mm團聚體有機碳含量與其他種植系統(tǒng)差異不顯著（P分別為0.079 5和0.288 8）。長周期輪作系統(tǒng)土壤團聚體全氮含量顯著高于其他種植系統(tǒng)，在＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm團聚體分別比其他種植系統(tǒng)高14%～23%（P＜0.000 1）、17%～28%（P＜0.000 1）、13%～20%（P=0.001 4）和5%～10%（P=0.022 8）。不同種植系統(tǒng)土壤團聚體C/N卻呈現(xiàn)出與有機碳和全氮相反的趨勢，即長周期輪作系統(tǒng)土壤團聚體C/N顯著低于其他種植系統(tǒng)，在四個級別團聚體依次比其他種植系統(tǒng)低0.33～0.54（P=0.002 1）、0.27～0.52（P=0.008 2）、0.54～0.68（P＜0.000 1）和0.37～0.43（P=0.003 2）。

圖4　不同種植系統(tǒng)團聚體有機碳和全氮含量以及C/N分布特征Figure 4 Distribution of organic carbon，total nitrogen and C/N in aggregates as affected by cropping systems

2.4土壤有機碳氮分布與團聚體分布和團聚體有機碳氮的關系

土壤總有機碳和全氮含量均隨土壤中＞2 mm和0.25～2 mm團聚體含量的增加顯著增加（P＜0.000 1），而隨0.053～0.25 mm和＜0.053 mm團聚體含量增加顯著降低（P＜0.000 1）。土壤總有機碳含量與團聚體有機碳含量呈極顯著增加的線性關系（P＜0.000 1），且0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團聚體的斜率較大；土壤全氮與團聚體全氮含量呈現(xiàn)出相似的線性關系，也表現(xiàn)為0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團聚體的斜率較大（表3）。

表3　土壤有機碳和全氮含量與土壤團聚體含量和團聚體有機碳含量之間的關系（n=78，P＜0.001）Table 3 Linear relationships of soil OC and N content with aggregate content and OC content in aggregates（n=78，P＜0.001）

3　討論

各種植系統(tǒng)由于作物和輪作周期不同，植物根系分布、根系分泌物種類和數(shù)量、根系周轉特征等有所差異，從而對土壤微環(huán)境，特別是土壤微生物性質產(chǎn)生影響，并影響土壤團聚體的分布特征[11，13]。本研究結果表明，長周期輪作系統(tǒng)有利于提高土壤中0.25～2 mm級別團聚體含量，而這部分團聚體在土壤肥力維持、物理性狀調節(jié)、生物學性質改良以及對有機碳固持方面起著重要作用[18，21]。因此，有苜蓿參與的長周期輪作系統(tǒng)對土壤團聚體分布特征的影響可能是其改善土壤性質和功能的重要環(huán)節(jié)。與單一作物連作系統(tǒng)（小麥連作和玉米連作系統(tǒng)）相比，長周期輪作系統(tǒng)有3種植物參與，土壤中根系分泌物種類增加，而且不同植物根系的替換有利于土壤中微生物多樣性的維持[22]，這些因素均有利于土壤大團聚體的形成和土壤結構的改良[23]。另一方面，苜蓿具有較為龐大的根系，其根系在土壤中的穿插和分割作用增加了土壤孔隙度，可形成細小開放通路，使水分保留在土壤淺層，逐漸改善土壤水分和養(yǎng)分的貯藏，從而改善土壤結構和物理性狀[24-25]。雖然短周期輪作系統(tǒng)中也有豆科植物（豌豆）參與，但是豌豆的生物量遠遠小于苜蓿，其對土壤物理性狀的改善作用有限[26]。此外，在長周期輪作系統(tǒng)，苜蓿參與輪作的時間（5年/8年）遠遠高于短周期輪作系統(tǒng)中豆科植物豌豆參與輪作的時間（1年/ 3年），因此有苜蓿長期參與的長周期輪作系統(tǒng)土壤團聚體的平均質量直徑和幾何平均直徑也均高于連作系統(tǒng)，并和短周期輪作系統(tǒng)相近。這也表明，對于黃土高原旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，輪作系統(tǒng)對土壤結構能起到一定的改善作用，尤其是有苜蓿參與的長周期輪作系統(tǒng)，其改善作用更為明顯。

長周期輪作系統(tǒng)可以顯著增加土壤有機碳和全氮含量，可能與該系統(tǒng)較高的地上部生物量有關。本研究中長周期輪作系統(tǒng)平均地上部生物量分別比短周期輪作、小麥連作和玉米連作高91%、76%和50%，其通過光合作用固定并向土壤輸送的碳也多，而且通過殘留物歸還到土壤中的有機物質也較多，有利于土壤有機碳和氮的提高。此外，長周期輪作系統(tǒng)土壤有機碳和全氮的增加還與苜蓿的長期參與有關。該種植系統(tǒng)中，輪作周期里有5年/8年為苜蓿，而苜蓿的生物量遠遠高于其他種植系統(tǒng)的植物，盡管研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)地上部生物量均被收獲，但是苜蓿收獲后殘留的根茬以及掉落在土壤中的殘余物也高于其他種植系統(tǒng)，其對土壤有機物質的補充量較大。同時，研究區(qū)苜蓿的根系生物量較大，通過根系歸還到土壤中的有機物也較多[27]，因而其參與的種植系統(tǒng)的土壤有機碳和全氮也較高。另一方面，苜蓿為豆科植物，具有較強的固氮功能，其根瘤從大氣中固定的氮素儲存在土壤中，不但有利于土壤氮素的積累，而且這種氮素的積累還能促進該種植系統(tǒng)其他植物的生長和對碳的吸收固定，從而增加土壤有機碳含量[28-29]。因此，有苜蓿參與的種植系統(tǒng)可以顯著提高土壤的碳匯功能，這與Janzen等[30]在加拿大草原和Franzluebbers等[31]在美國南山麓地區(qū)的研究結果一致。

不同種植系統(tǒng)顯著影響0～20 cm土層土壤團聚體有機碳和全氮以及C/N的分布，可能與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同植物的根系活動范圍主要集中在表層土壤有關。如張春霞等[27]發(fā)現(xiàn)甘肅隴東地區(qū)苜蓿在0～20 cm的根系生物量是20～40 cm土層的2～4倍，成向榮等[32]在陜北農(nóng)牧交錯帶地區(qū)也觀測到了相似的結果。此外，雖然作物根系在20～40 cm土層也有分布，但是深層土壤根系周轉較慢[33]，其對土壤團聚體有機碳和全氮分布的影響較小。本研究中不同級別團聚體有機碳和全氮的分布特征也與其他研究得到的結果相似。如郭菊花等[34]對江西紅壤性水稻土團聚體有機碳的研究表明，有機碳主要分配在2～0.25 mm的大團聚體上；Du等[14]對中國北部平原的研究表明，土壤有機碳積累量與2～0.25 mm團聚體有機碳含量密切相關，同時發(fā)現(xiàn)粒徑較大的團聚體比粒徑較小的團聚體含有更多的碳、氮；苗淑杰等[12]的研究表明＜0.053 mm團聚體中有機碳含量最低。團聚體中土壤有機碳和全氮的這種分布模式可能與團聚體形成過程中對有機碳和全氮的富集以及形成后對有機碳和全氮的保護作用有關[10，18，21，35]。此外，有苜蓿長期參與的種植系統(tǒng)可以顯著促進表層（0～20 cm）土壤有機碳和全氮的積累，而且有機碳和全氮的積累主要體現(xiàn)在大團聚體上。這與Hajabbasi等[36]的研究結果一致，他們發(fā)現(xiàn)輪作系統(tǒng)中加入豆科植物有利于土壤碳氮的積累和團聚體顆粒的聚集。Wei等[19]和Qiu等[37]也發(fā)現(xiàn)，黃土高原地區(qū)植被恢復后0～20 cm土層土壤有機碳的積累主要體現(xiàn)在大團聚體上。本研究中土壤C/N不受種植系統(tǒng)的影響，但是長周期輪作系統(tǒng)團聚體C/N低于其他種植系統(tǒng)，主要是苜蓿固氮造成的土壤全氮增加幅度大于有機碳積累幅度引起的，這也可以從長周期輪作系統(tǒng)團聚體全氮與其他種植系統(tǒng)的差異大于有機碳與其他種植系統(tǒng)的差異得到驗證。這些結果也表明，團聚體碳氮特征能更詳細和敏感地反映種植系統(tǒng)對土壤碳氮分布和相關特征的影響。

相關分析結果表明，土壤中有機碳和全氮的變化主要取決于0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團聚體有機碳和全氮的變化。在土壤中，新輸入的有機碳和全氮一般先與土壤微團聚體結合[9，38]，然后通過團聚作用被大團聚體結合而固持起來[10，39]。本研究中長周期輪作系統(tǒng)增加的有機碳和全氮將先進入到微團聚體中，之后逐漸向大團聚體轉移并被儲存起來。土壤團聚體對有機碳和全氮有著一定的物理保護作用[34]，長周期輪作系統(tǒng)通過提高土壤大團聚體含量，增強了對土壤中原有的和新輸入的有機碳和全氮的保護作用，促進了土壤中有機碳和全氮的積累。本研究結果與其他研究者在黃土高原地區(qū)關于植被恢復后土壤有機碳和團聚體分布之間關系的研究結果一致[37]，可能這也是長周期輪作系統(tǒng)土壤有機碳和全氮積累的一個重要途徑。

4　結論

（1）黃土高原旱作農(nóng)田長周期輪作能顯著提高土壤大團聚體數(shù)量和團聚體的平均質量直徑和幾何平均直徑，可以顯著改善土壤結構。

（2）種植系統(tǒng)對土壤和團聚體有機碳、全氮分布的影響主要體現(xiàn)在0～20 cm的表層土壤。與連作系統(tǒng)和短周期輪作系統(tǒng)相比，長周期輪作系統(tǒng)顯著提高了0～20 cm土層土壤＞2 mm和0.25～2 mm團聚體有機碳含量，并且提高了所有級別團聚體全氮含量，降低了土壤C/N。

（3）土壤總有機碳、全氮含量與團聚體有機碳、全氮含量極顯著相關，而且土壤有機碳和全氮對種植系統(tǒng)的響應主要取決于0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團聚體有機碳和全氮的響應。

參考文獻：

[1] Lal R. Physical management of soils of the tropics：Priorities for the 21 century[J]. Soil Science, 2000, 165（3）：191-207.

[2] Six J, Bossuyt H, Degryze S, et al. A history of research on the link between（micro）aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics [J]. Soil and Tillage Research, 2004, 79（1）：7-31.

[3]邱莉萍,張興昌,張晉愛.黃土高原長期培肥土壤團聚體中養(yǎng)分和酶的分布[J].生態(tài)學報, 2006, 26（2）：364-372. QIU Li-ping, ZHANG Xing-chang, ZHANG Jin-ai. Distribution of nutrients and enzymes in Loess Plateau soil aggregates after long-term fertilization[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26（2）：364-372.

[4]孫天聰,李世清,邵明安.長期施肥對褐土有機碳與氮素在團聚體中分布的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學, 2005, 38（9）：1841-1848. SUN Tian-cong, LI Shi-qing, SHAO Ming-an. Effects of long-term fertilization on distribution of organic matters and nitrogen in cinnamon soil aggregates[J]. ScientiaAgricultura Sinica, 2005, 38（9）：1841-1848.

[5] Kong A Y Y, Six J, Bryant D C, et al. The relationship between carbon input, aggregation, and soil organic carbon stabilization insustainable cropping systems[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69 （4）：1078-1085.

[6]王麗,李軍,李娟,等.輪耕與施肥對渭北旱作玉米田土壤團聚體和有機碳含量的影響[J].應用生態(tài)學報, 2014, 25（3）：759-768. WANG Li, LI Jun, LI Juan, et al. Effects of tillage rotation and fertilization on soil aggregates and organic carbon content in corn field in Weibei Highland[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25（3）：759-768.

[7] Blanco-Canqui H, Lal R. Mechanisms of carbon sequestration in soil aggregates[J]. Critical Reviews in Plant Sciences, 2004, 23（6）：481-504.

[8] César P, Denis C M, José M F, et al. Physical, chemical, and biochemical mechanisms of soil organic matter stabilization under conservation tillage systems：A central role for microbes and microbial by-products in C sequestration[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57：124-134.

[9]韓志卿,韓志才,張電學,等.不同施肥制度下褐土微團聚體碳氮分布變化及其對肥力的影響[J].華北農(nóng)學報, 2008, 23（4）：190-195. HAN Zhi-qing, HAN Zhi-cai, ZHANG Dian-xue, et al. Distributions of organic carbon and nitrogen in cinnamon soil micro-aggregates and effect on soil fertility under the different fertilization regimes[J]. Acta A-griculturae Boreali-Sinica, 2008, 23（4）：190-195.

[10] Six J, Paustian K, Elliott E T, et al. Soil structure and organic matter：I. distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon [J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64（2）：681-689.

[11] Du Z L, Ren T S, Hu C S, et al. Transition from intensive tillage to notill enhances carbon sequestration in microaggregates of surface soil in the North China Plain[J]. Soil and Tillage Research, 2015, 146（Part A）：26-31.

[12]苗淑杰,周連仁,喬云發(fā),等.長期施肥對黑土有機碳礦化和團聚體碳分布的影響[J].土壤學報, 2009, 46（6）：1068-1075. MIAO Shu-jie, ZHOU Lian-ren, QIAO Yun-fa, et al. Organic carbon mineralization and carbon contribution in aggregates as affected by long-term fertilization[J]. Acta Pedologica Sinica, 2009, 46（6）：1068-1075.

[13]孫漢印,姬強,王勇,等.不同秸稈還田模式下水穩(wěn)性團聚體有機碳的分布及其氧化穩(wěn)定性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2012, 31 （2）：369-376. SUN Han-yin, JI Qiang, WANG Yong, et al. The distribution of waterstable aggregate-associated organic carbon and its oxidation stability under different straw returning modes[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2012, 31（2）：369-376.

[14] Du Z L, Ren T S, Hu C S, et al. Soil aggregate stability and aggregateassociated carbon under different tillage systems in the North China Plain[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2013, 12（11）：2114-2123.

[15] Garcia-Franco N, Martinez-Mena M, Goberna M, et al. Changes in soil aggregation and microbial community structure control carbon sequestration after afforestation of semiarid shrublands[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2015, 87：110-121.

[16]高會議,郭勝利,劉文兆,等.不同施肥處理對黑壚土各粒級團聚體中有機碳含量分布的影響[J].土壤學報, 2010, 47（5）：931-938. GAO Hui-yi, GUO Sheng-li, LIU Wen-zhao, et al. Effect of fertilization on organic carbon distribution in various fractions of aggregates in cliche soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47（5）：931-938.

[17] Cambardella C A, Elliott E T. Carbon and nitrogen distributions in aggregates from cultivated and grassland soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1993, 57（4）：1071-1076.

[18] Qiu L P, Wei X R, Zhang X C, et al. Soil organic carbon losses due to land use change in a semiarid grassland[J]. Plant and Soil, 2012, 355 （1/2）：299-309.

[19] Wei X R, Li X Z, Jia X X, et al. Accumulation of soil organic carbon in aggregates after afforestation on abandoned farmland[J]. Biology and Fertility of Soils, 2013, 49（6）：637-646.

[20]周虎,呂貽忠,楊志臣,等.保護性耕地對華北平原土壤團聚體特征的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學, 2007, 40（9）：1973-1979. ZHOU Hu, Lü Yi-zhong, YANG Zhi-chen, et al. Effects of conservation tillage on soil aggregates in Huabei Plain, China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40（9）：1973-1979.

[21] Wei X R, Shao M A, Gale W J, et al. Dynamics of aggregate-associated organic carbon following conversion of forest to cropland[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57：876-883.

[22] Freixo A A, Machado P L, Santos H P, et al. Soil organic carbon and fractions of a Rhodic Fcerralsol under the influence of tillage and crop rotation systems in southern Brazil[J]. Soil and Tillage Research, 2002, 64（3/4）：221-230.

[23] Gale J, Cambardella C A, Bailey T B. Root-derived carbon and the formation and stabilization of aggregates[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64（1）：201-207.

[24]胡發(fā)成.種植苜蓿改良培肥地力的研究初報[J].草業(yè)科學, 2005, 22 （8）：47-49.HU Fa-cheng. Initial research report on soil fertility improvement by planting Medicago sativa[J]. Pratacultural Science, 2005, 22（8）：47-49.

[25]李裕元,邵明安.黃土高原北部紫花苜蓿草地退化過程與植物多樣性研究[J].應用生態(tài)學報, 2005, 16（12）：2321-2327. LI Yu-yuan, SHAO Ming-an. Degradation process and plant diversity of alfalfa grassland in North Loess Plateau of China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16（12）：2321-2327.

[26]郭勝利,吳金水,黨廷輝.輪作和施肥對半干旱區(qū)作物地上部生物量與土壤有機碳的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學, 2008, 41（3）：744-751. GUO Sheng-li, WU Jin-shui, DANG Ting-hui. Effects of crop rotation and fertilization on aboveground biomass and soil organic C in semiarid region[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41（3）：744-751.

[27]張春霞,郝明德,王旭剛,等.黃土高原地區(qū)紫花苜蓿生長過程中土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律[J].西北植物學報, 2004, 24（6）：1107-1111. ZHANG Chun-xia, HAO Ming-de, WANG Xu-gang, et al. Study on soil nitrogen and fertility distribution characteristics in alfalfa field in gully region of the Loess Plateau[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2004, 24（6）：1107-1111.

[28] Liu J X, Price D T, Chen J M. Nitrogen controls on ecosystem carbon sequestration：A model implementation and application to Saskatchewan, Canada[J]. Ecological Modelling, 2005, 186（2）：178-195.

[29] Thomas R Q, Canham C D, Weathers K C, et al. Increased tree carbon storage in response to nitrogen deposition in the US[J]. Nature Geoscience, 2010, 3（1）：13-17.

[30] Janzen H H, Campbell C A, Izaurralde R C, et al. Management effects on soil C storage on the Canadian prairies[J]. Soil and Tillage Research, 1998, 47（3）：181-195.

[31] Franzluebbers A J, Stuedemann J A. Soil-profile organic carbon and total nitrogen during 12 years of pasture management in the Southern Piedmont, USA[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2009, 129（1/2/3）：28-36.

[32]成向榮,黃明斌,邵明安,等.紫花苜蓿和短花針茅根系分布與土壤水分研究[J].草地學報, 2008, 16（2）：170-175. CHENG Xiang-rong, HUANG Ming-bin, SHAO Ming-an, et al. Root distribution and soil water dynamics of Medicago sativa L. and Stipabreviflora Griseb[J]. Acta Agrestia Sinica, 2008, 16（2）：170-175.

[33]周夢華,程積民,萬惠娥,等.云霧山本氏針茅群落根系分布特征[J].草地學報, 2008, 16（3）：267-271. ZHOU Meng-hua, CHENG Ji-min, WAN Hui-e, et al. Distribution characteristics of the root system of the Stipabungeana Trin. community in Yunwu Mountain[J]. Acta Agrestia Sinica, 2008, 16（3）：267-271.

[34]郭菊花,陳小云,劉滿強,等.不同施肥處理對紅壤性水稻土團聚體的分布及有機碳、氮含量的影響[J].土壤, 2007, 39（5）：787-793. GUO Ju-hua, CHEN Xiao-yun, LIU Man-qiang, et al. Effects of fertilizer management practice on distribution of aggregates and content of organic carbon and nitrogen in red paddy soil[J]. Soils, 2007, 39（5）：787-793.

[35] Garcia-Franco N, Albaladejo J, Almagro M, et al. Beneficial effects of reduced tillage and green manure on soil aggregation and atabilization of organic carbon in a Mediterranean agroeco system[J]. Soil and Tillage Research, 2015, 153：66-75.

[36] Hajabbasi M A, Fallahzade J. Aggregation, carbohydrate, total and particulate organic carbon changes by cultivation of an arid soil in Central Iran[R]. Brisbane: 19th World Congress of Soil Science, 2010.

[37] Qiu L P, Wei X R, Gao J L, et al. Dynamics of soil aggregate-associ -ated organic carbon along an afforestation chronosequence[J]. Plant and Soil, 2015, 391：237-251.

[38] Marriott E E, Wander M. Qualitative and quantitative differences in particulate organic matter fractions in organic and conventional farming systems[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38（7）：1527-1536.

[39] Six J, Elliott E T, Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation：A mechanism for C sequestration under notillage agriculture[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32（14）：2099-2103.

WEI Yan-chun, MA Tian-e, WEI Xiao-rong, et al. Effects of cropping systems on distribution of water-stable aggregates and organic carbon and nitrogen in soils in semiarid farmland of the Loess Plateau[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（2）：305-313.

Effects of cropping systems on distribution of water-stable aggregates and organic carbon and nitrogen in soils in semiarid farmland of the Loess Plateau

WEI Yan-chun1, MA Tian-e1, WEI Xiao-rong1,2*, WANG Chang-zhao3, HAO Ming-de1, ZHANG Meng1
（1.College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry Land Farming on the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3.Shaanxi Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Xi'an 710068, China）

Abstract：In this paper, we examined the distribution of water stable aggregates and organic carbon（OC）and nitrogen（N）in soils under different cropping systems, using a 27-year field experiment in the Loess Plateau. The relationships between OC and N contents in bulk soil and aggregates were also analyzed. Results showed that＜0.053 mm aggregates, accounting for 35%, dominated the soil mass in 0～20 and 20～40 cm soil layers in the semiarid farmland of the Loess Plateau. The percentage of 0.25～2 mm aggregates was higher, but that of＜0.053 mm aggregates was lower in the grass-grain rotation system than the other cropping systems. In the grass-grain rotation system, mean weight diameter and geometrical mean diameter of soil aggregates were also greater. The significant effects of cropping system on OC and N associated with aggregates mainly occurred in 0～20 cm layer. The OC content in＞2 mm and 0.25～2 mm aggregates was significantly higher in grass-grain rotation system than in the other systems, while OC content in 0.053～0.25 mm and＜0.053 mm aggregates did not differ amongbook=306,ebook=107different cropping systems. The grass-grain system showed higher N content and lower C/N ratio in each aggregate compared with other systems. The OC and N content in bulk soils was positively correlated with OC and N content associated with aggregates. These results suggest that the responses of OC and N in the bulk soil to cropping systems mainly depend on OC and N associated with 0.25～2 mm and 0.053～0.25 mm aggregates. Additionally, grass-grain rotation system has greater potential to improve soil structure and increase the content of OC and N associated with aggregates.

Keywords：Loess Plateau; semiarid farmland; cropping system; water-stable aggregates; organic carbon; total nitrogen

*通信作者：魏孝榮E-mail：xrwei78@163.com

作者簡介：魏艷春（1991—），女，山東菏澤人，碩士研究生，從事土壤物質循環(huán)研究。E-mail：ycwei91@163.com

基金項目：國家自然科學基金項目（41271315，41571296）；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（NCET-13-0487）；西北農(nóng)林科技大學優(yōu)秀青年人才科研專項（2014YQ007）

收稿日期：2015-09-11

中圖分類號：S153.6

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）02-0305-09

doi:10.11654/jaes.2016.02.014