白怡婧, 劉彥伶?， 李 渝， 黃興成， 張雅蓉， 蔣太明， 秦 松

(1.貴州省農業(yè)科學院土壤肥料研究所,550006，貴陽; 2.農業(yè)農村部貴州耕地保育與農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站, 550006，貴陽; 3.貴州省農業(yè)科學院茶葉研究所,550006，貴陽)

土壤結構退化是土壤退化最重要的表征之一[1]，表現(xiàn)為土壤團聚體構成比例失調以及團聚體穩(wěn)定性下降[2]。土壤團聚體作為土壤結構的基本單元[3]，其數(shù)量和分布反映土壤結構的穩(wěn)定性和抗蝕性。土壤有機碳作為土壤肥力的重要物質基礎，也是土壤團聚體和土壤功能體現(xiàn)的基礎。Jastrow[4]研究發(fā)現(xiàn)表層土壤中近90%有機碳位于團聚體內，并指出任何土壤的退化都首先表現(xiàn)出土壤團粒結構的破壞與消失，進而引起土壤固碳能力降低。前人研究結果表明，優(yōu)化施肥通過合理減施化肥均衡土壤養(yǎng)分以兼顧環(huán)境和經(jīng)濟效益[5]，保護性耕作通過改變微地形，增加地表覆蓋等措施改善土壤結構、提高土壤肥力[6]。二者是實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

貴州地處云貴高原東大斜坡，是全國唯一沒有平原支撐的典型喀斯特省份，耕地類型以坡耕地為主，6°～25°坡耕地共291萬hm2，占全省耕地總面積的61.0%[7]。坡耕地易引發(fā)水土流失導致土壤結構不良、土壤肥力降低，進而抑制農作物生長，嚴重阻礙貴州農業(yè)的生產與發(fā)展。我國喀斯特地區(qū)水土流失研究始于20世紀60年代，但一直未受到足夠的重視，直至近十幾年才得到飛速發(fā)展[8]。目前關于施肥對黃壤養(yǎng)分的研究及保護性耕作對坡耕地水土流失的研究較多[9-12]，而關于施肥與保護性耕作交互作用對黃壤坡耕地土壤養(yǎng)分尤其是團聚體的研究未見報道。基于以上情況，本研究以貴州省農業(yè)面源污染長期定位監(jiān)測點為試驗平臺，分析比較不同施肥與耕作處理對黃壤團聚體組成及有機碳含量的影響，探討并篩選適合喀斯特地區(qū)坡耕地的最佳施肥與耕作模式，為實現(xiàn)喀斯特地區(qū)坡耕地水土保持、旱地農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴安新區(qū)湖潮鄉(xiāng)湖潮村( E 106°31′52″，N 26°28′17″)，地處黔中丘陵區(qū)，屬亞熱帶季風氣候，平均海拔1 100 m，年均氣溫14.9 ℃，年均降雨量1 175 mm。試驗坡地長6 m，坡度15.1°，坡向西南，土壤類型為黃壤土類黃黏泥土。該試驗點為貴州省農業(yè)面源污染長期定位監(jiān)測點，于2007年開始基礎設施建設和勻地，2008年開始連續(xù)監(jiān)測?；A土樣耕層(0～20 cm)土壤基本性質為：有機質22.37 g/kg，全氮1.21 g/kg，全磷0.68 g/kg，有效磷13.33 mg/kg，有效鉀94.80 mg/kg，pH值為6.25(土水比為1∶5)。

2 研究方法

2.1 試驗設計

本試驗為玉米-油菜輪作，油菜品種為芥菜型油菜，玉米品種為金玉838。試驗共設6個處理(表1)，3次重復，共18個小區(qū)，區(qū)組隨機排列，小區(qū)面積為6×3.5=21 m2。其中，秸稈覆蓋處理使用前茬作物秸稈整株覆蓋于行間，等高植物籬處理沿等高線種植兩帶黃花菜植物籬，3 m一帶，每帶2行，行寬25 cm，株距15 cm，每穴2株。供試化肥為尿素(含N46.0%)、過磷酸鈣(含P2O512.0%)和氯化鉀(含K2O60%)；有機肥為圈肥，含水率30%，含N1.29%，含P2O50.44%，K2O1.54%，不同施肥量見表1。其中，N、P肥作底肥1次施用；玉米N肥分3次施用，底肥20%，第1次追肥30%，第2次追肥50%；油菜N肥分3次施用，底肥20%，第1次追肥40%，第2次追肥40%。

表1 試驗處理及施肥量Tab.1 Treatments and rates of fertilizers kg/hm2

2.2 樣品采集和分析

本研究于2018年玉米收獲后采用“S”型5點取樣法采集0～20 cm耕層土樣，每個樣品的質量不少于2.0 kg。

機械穩(wěn)定性團聚體(干篩法)[13]：取400 g混合土樣置于套篩(孔徑依次為5，2，1，0.5，0.25 mm)頂部，用振動篩分儀(GRINDER SS200)進行震蕩篩分，振幅2.0 mm，篩分時長為10 min，測定各孔徑篩分后的土壤質量。

水穩(wěn)性團聚體(濕篩法)[14-15]：按照干篩后土壤各粒級質量比稱取50 g混合土樣，將其置于套篩(孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 mm)頂部，放于恒溫土壤團粒分析儀(Daiki DIK-2012)的配套桶內，沿邊緣緩慢加入去離子水至刻度線，確保最頂層篩的上邊緣保持低于水面，靜置10 min后開啟振蕩開關，以30次/min的頻率震蕩10 min。收集各級篩層團聚體并分別轉移至鋁盒中，烘干稱量，得到各級團聚體的質量分數(shù)。

有機碳[13]：重鉻酸鉀容量法(外加熱法)。

2.3 計算公式

平均質量直徑(mean weight diameter, MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter, GMD)、>0.25 mm團聚體質量分數(shù)(R0.25)、團聚體破壞率(percentage of aggregate destruction, PAD)、團聚體不穩(wěn)定團粒指數(shù)(unstable aggregate index,ELT)計算公式參照文獻[2,16-17]。此外，分形維數(shù)(fractal dimension,D)的計算采用楊培嶺法等[18]的推導公式：

上述公式兩邊取對數(shù)，可得：

團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率[16]：

式中：IW為團聚體中有機碳對土壤中有機碳的貢獻率，%；Ci為第i級團聚體中有機碳質量分數(shù)，g/kg；CT為土壤中有機碳質量分數(shù)，g/kg；Mi為第i級團聚體質量，g，Mt為所有粒徑團聚體的總質量，g。

2.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用一般線性模型進行方差分析，最小顯著極差法(Duncan法)進行多重比較，顯著性水平P<0.05。數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=3)。

3 結果與分析

3.1 對土壤團聚體分布特征的影響

團聚體分為>0.25 mm的大團聚體(macroaggregates)和<0.25 mm的微團聚體(microaggregates)[19]。各處理下機械穩(wěn)定性團聚體分布以>0.25 mm的大團聚體為主，且基本呈隨粒徑減小團聚體含量減少趨勢(表2)。與T1相比，T2、T3、T4、T5、T6>5 mm團聚體含量增加19.66%～50.04%；0.5～0.25 mm和<0.25 mm團聚體含量降低20.61%～39.19%和12.97%～23.40%。同處理下水穩(wěn)性團聚體分布差異顯著(P<0.05，表3)，與T1相比，其他處理>5 mm團聚體含量顯著增加96.89%～146.03%，1～0.5 mm和0.5～0.25 mm團聚體含量降低22.07%～30.49%和26.79%～64.81%。

3.2 對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

由表4可知，T1的機械穩(wěn)定性與水穩(wěn)性團聚體的MWD、GMD、R0.25與其他處理相比均最低。干篩法所得機械穩(wěn)定性團聚體的MWD、GMD和R0.25都明顯高于濕篩法。而濕篩法所獲得的水穩(wěn)性團聚體中，同等耕作條件下T3較T2的MWD、GMD、R0.25分別提升14.22%、25.74%、5.24%；同等優(yōu)化施肥條件下T4、T5、T6較T3的R0.25分別提升1.54%、2.19%、3.42%，T5較T3的MWD、GMD分別提升1.95%、2.34%。此外，優(yōu)化施肥和保護性耕作處理較常規(guī)施肥和順坡平作處理的PAD、ELT和D差異顯著(P<0.05，圖1)，其中，T6的PAD、ELT和D的最大降幅分別可達92.10%、62.38%、0.67%。T3、T4、T5、T6下土壤團聚體的D值與T1和T2相比，分別降低0.57%～0.68%和0.34%～0.44%。

表2 不同處理下土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成Tab.2 Composition of soil mechanically stable aggregates under different treatments %

表3 不同處理下土壤水穩(wěn)性團聚體組成Tab.3 Composition of soil water stable aggregates under different treatments %

表4 不同處理對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響Tab.4 Effects of different treatments on the stabilities of soil aggregates

同一圖中不同小寫字母表示不同處理間含量差異顯著(P<0.05)。置信水平為95%，下同。Different lowercase letters in the same figure indicate significant differences in contents between different treatments (P<0.05). Confidence level is 95%. The same below. 圖1 不同處理下土壤團聚體破壞率、不穩(wěn)定團粒指數(shù)及分維特征Fig.1 PAD(percentage of aggregate destruction), ELT (unstable aggregate index) and fractal dimension characteristics of soil aggregates under different treatments

3.3 對水穩(wěn)性團聚體中有機碳分布的影響

不同施肥和耕作處理下土壤有機碳質量分數(shù)表現(xiàn)為T1(14.93 g/kg)5、5～2、0.5～0.25和<0.25 mm團聚體中有機碳含量較T2分別提升1.88%、10.14%、2.63%、26.32%；同等優(yōu)化施肥條件下，T5和T6>5、5～2、2～1和1～0.5 mm團聚體中有機含量較T4分別提升17.20%、11.89%、15.03%、3.21%和10.19%、6.99%、0.26%、2.56%。

圖2 不同處理下不同粒徑土壤團聚體有機碳質量分數(shù)分布Fig.2 Distribution of soil organic carbon content at different particle sizes under different treatments

3.4 對水穩(wěn)性團聚體中有機碳貢獻率的影響

圖3 不同處理下不同粒徑土壤有機碳的貢獻率Fig.3 Contribution rates of soil organic carbon at different particle sizes under different treatments

由圖3可知，>0.25 mm的大團聚體中有機碳對不同處理的土壤總有機碳貢獻率均超過85%，隨著優(yōu)化施肥和保護性耕作措施的增加<0.25 mm團聚體有機碳貢獻率減小，這與團聚體含量分布相似。T3、T4、T5、T6>5 mm團聚體的有機碳貢獻率均最高，可占相應處理貢獻率的30.89%～33.61%；0.5～0.25 mm和<0.25 mm團聚體的有機碳貢獻率較低，最低分別占相應處理貢獻率的5.99%和5.69%?？梢姡L期優(yōu)化施肥和保護性耕作共同作用更利于大團聚體有機碳貢獻率的增加。

4 討論

不同施肥和耕作下機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)性團聚體均以大團聚體為優(yōu)勢團聚體，占比分別超過93.29%及84.25%。一方面，這可能是因為優(yōu)化施肥降低土壤密度，提高土壤吸附能力，增加土壤團聚體穩(wěn)定性[20]；另一方面，保護性耕作通過秸稈覆蓋等方式保證土壤生物的數(shù)量與活動，增加養(yǎng)分的輸入量，降低大團聚體周轉速度。水穩(wěn)性團聚體中<0.25 mm的微團聚體含量比機械穩(wěn)定性團聚體中<0.25 mm的微團聚體含量高0.73～9.02百分點，這是由于機械穩(wěn)定性團聚體反映的是原狀土壤中非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團聚體的總體情況，而水穩(wěn)性團聚體特指受水蝕作用的團聚體分布特征，水蝕使大團聚體分解，土壤團聚體粒徑則減小，從而<0.25 mm的微團聚體增加。水穩(wěn)性團聚體中，同等耕作條件下T3較T2的MWD、GMD、R0.25分別提升14.22%、13.16%、5.24%，這可能是由于優(yōu)化施肥有效地改善了土壤性質，提升土壤有機碳含量，增加大孔隙的數(shù)量和連接性，在提高水肥供應能力的同時有機碳的斥水性和膠結作用提高團聚體的水穩(wěn)性；同等優(yōu)化施肥條件下T4、T5、T6較T3的R0.25提升1.54%、2.19%、3.42%，同時T4、T5較T3的GMD值提升1.74%、3.49%，這可能是因為在優(yōu)化施肥的優(yōu)勢下又設置橫坡壟作，這種特殊的壟向布設方式，對坡面徑流和雨水產生較強的聚集作用，減小雨滴和徑流對坡面的打擊和沖刷，保水保土保肥能力提高，從而促進團聚體的形成，通過秸稈覆蓋增加土壤碳投入，加大其膠結力度，進而提高團聚體的水穩(wěn)定性，這與前人研究結果相一致[21-22]。

趙紅等[23]與徐春陽等[24]研究表明，長期優(yōu)化施肥可促進土壤小顆粒向大顆粒轉化，提高耕層土壤大團聚體含量，增加其結構穩(wěn)定性。王碧勝[16]研究發(fā)現(xiàn)，長期保護性耕作能夠提升團聚體含量、穩(wěn)定性，還可增加團聚體中養(yǎng)分含量，有利于農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。PAD和ELT隨土壤退化程度增加而增加[25]，其值越大表明土壤結構越不穩(wěn)定。PAD和ELT受施肥和耕作影響明顯且變化規(guī)律相似，均表現(xiàn)出不施肥+順坡平作(T1)>常規(guī)施肥+順坡平作(T2)>優(yōu)化施肥+順坡平作(T3)>優(yōu)化施肥+保護性耕作(T4、T5、T6)，說明優(yōu)化施肥和保護性耕作不僅增加了團聚體數(shù)量而且有利于提高土壤結構的穩(wěn)定性。與此同時，土壤分形維數(shù)D值作為評價土壤結構分布的綜合指標，不僅描述土壤顆粒的大小及分布，還反映了土壤質地的均一程度，其值與大團聚體含量呈顯著正相關，大團聚體含量越高，分形維數(shù)越高，土壤質地越黏重，通透性越差，團聚體穩(wěn)定性越低[26]。本研究結果顯示，植物籬模式下土壤團聚體較強的穩(wěn)定性有助于減緩作物帶土壤流失，從而增強作物帶土壤團聚體的穩(wěn)定性。

隨著土壤團聚體直徑的增加，其有機碳含量逐漸升高，說明土壤團聚體的形成與土壤有機碳有直接關系[2]。表層土壤大團聚體有機碳對不同施肥和耕作處理具有較好的響應，與王麗等[2]和王倩等[6]的研究結果相符。同等耕作條件下>5、5～2和0.5～0.25 mm團聚體優(yōu)化施肥處理較常規(guī)施肥處理的有機碳含量提高1.88%～10.14%；同等優(yōu)化施肥條件下，>5、5～2、2～1和1～0.5 mm團聚體綜合保護性耕作T5和T6處理較單項保護性耕T4處理提升3.21%～17.20%和0.26%～10.19%。這可能是因為秸稈覆蓋能夠提高土壤微生物的活性，分解產生更多的各類有機質，籬帶植物根際微生物豐富，菌絲、有機質等也隨之增加。Six等[27]研究發(fā)現(xiàn)，微團聚體中的有機碳較大團聚體中有機碳易老化，因此不易被土地利用方式改變，而有機碳含量尤其是新形成有機碳更易受利用方式的影響。微團聚體中有機碳分解慢，而大團聚體中植物來源的有機質較多，周轉較快，對施肥和耕作管理方式敏感。謝錦升等[28]認為，有機物質輸入的增加促進了團聚體的形成，從而改變土壤團聚體有機碳含量和貢獻比例。在本研究中，不同施肥和耕作處理下不同粒徑對總有機碳貢獻率的差異顯著，這是由于不同粒級的水穩(wěn)性團聚體占比不同所帶來的，占比越高，貢獻率越高。

5 結論

優(yōu)化施肥與保護性耕作能改善土壤結構、增加團聚體穩(wěn)定性及其有機碳含量。在喀斯特地區(qū)坡耕地10年長期定位試驗表明，不同施肥和耕作對土壤團聚體和有機碳含量有顯著影響，其中優(yōu)化施肥+橫坡壟作+秸稈覆蓋和優(yōu)化施肥+橫坡壟作+秸稈覆蓋+等高植物籬是該地區(qū)減輕土壤退化，保持并提高土壤團聚體有機碳的最佳組合模式。