夏梓泰, 程偉威, 李永梅, 趙吉霞, 范茂攀

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650201)

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，是農(nóng)田土壤的重要組成部分[1-2]。作為衡量土壤質(zhì)量的指標之一，團聚體不僅僅決定土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還與土壤物理性質(zhì)和抗侵蝕能力等有著直接聯(lián)系[3-4]。土壤有機碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其含量約占陸地生物圈碳庫的 2/3[5]，土壤中的有機碳輕微的變化也會對全球的碳平衡產(chǎn)生很大影響[6]。土壤團聚體與有機碳關(guān)系緊密。土壤表層中的有機碳約90%儲存在團聚體中[7]，團聚體對有機碳提供物理保護的作用，前者能夠通過調(diào)節(jié)其內(nèi)外氧氣和水分的流通情況來降低微生物對有機碳的礦化分解[8]。而有機碳是團聚體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，在土壤團聚過程中起膠結(jié)的作用[9]。

2016年6月24日，我國頒發(fā)《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》，輪作休耕制度能增加土壤有機質(zhì)，提升土壤肥力，改善耕地質(zhì)量，促進耕地永續(xù)利用[10]。在我國云南省滇中地區(qū)土壤類型主要以紅壤為主，由于長期的不合理耕種和土壤管理，導(dǎo)致該地區(qū)土壤質(zhì)量下降，水土流失嚴重，進而影響作物產(chǎn)量和土壤資源的可持續(xù)利用[11]，對當(dāng)?shù)丶Z食安全造成一定的隱患，云南省坡耕地所產(chǎn)生的土壤侵蝕量達到全省總量的40%[12]，鑒于此，本研究通過在云南省滇中紅壤地區(qū)坡耕地進行田間試驗，分析玉米輪作休耕體系下土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳含量特征，旨在為當(dāng)?shù)仄赂厮帘３趾娃r(nóng)業(yè)可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于云南省昆明市盤龍區(qū)松華壩水源區(qū)大擺社區(qū)(25°2′28.8″N，102°58′39.7″E)，坡度為10°，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔為2 234 m，年降水量900～1 000 mm，年平均氣溫16℃。該試驗地土壤基本理化性質(zhì)為：pH 6.29，有機質(zhì)30.15 g/kg，全氮1.14 g/kg，堿解氮115.3 mg/kg，速效磷6.41 mg/kg，速效鉀92.36 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試作物：玉米品種為云瑞“88”；苕子和豌豆品種為當(dāng)?shù)仄毡椴捎玫陌谆òo豌豆和毛葉紫花苕。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗小區(qū)面積為4 m×5 m，坡度為10°，試驗設(shè)4個處理，玉米-苕子-玉米輪作(Z-L-Z)、玉米-豌豆-玉米輪作(Z-S-Z)、玉米單作(ZZ)、休閑地(AW)，每個處理三次重復(fù)，共12個小區(qū)，區(qū)組內(nèi)小區(qū)隨機排列。其中，玉米-苕子-玉米輪作從2018年夏季種植玉米，冬季種植苕子，2019年夏季種植玉米；玉米-豌豆-玉米輪作從2018年夏季種植玉米，冬季種植豌豆，2019年夏季種植玉米；玉米單作從2018年夏季種植玉米，冬季休閑，2019年夏季種植玉米；休閑地則為撂荒處理，休閑地中生長的植被主要有：三葉鬼針草(Bidenspilosa)、大狗尾草(Setariafaberii)、馬唐(Digitariasanguinalis)、野燕麥(Avenafatua)、異形莎草(Cyperusdifformis)、風(fēng)輪(Clinopodiumchinense)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、薇甘菊(Mikaniamicrantha)、紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)。

玉米采用寬窄行種植，寬行80 cm，窄行40 cm，株距25 cm。播種模式為穴播，種植時每穴兩粒，待出苗后兩株取其一，單個小區(qū)植株共計9行，每行16株。苕子和豌豆采用撒播種植方式，將種子均勻撒于種完玉米的小區(qū)里，然后結(jié)合中耕、除草稍微翻動表土，播種深度 (覆土厚度)為 2—3 cm。玉米施肥采取單株精準施肥模式，玉米施N 315 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2，其中氮肥分兩次(50%做基肥，50%做追肥)，追肥在喇叭口期進行，磷肥和鉀肥全部做基肥施用；苕子和豌豆作為綠肥作物，不做施肥處理。玉米在播種、施肥、灌水后采用塑料透明薄膜覆蓋。在作物各個生長期內(nèi)，根據(jù)作物的長勢情況，適時進行灌水作業(yè)，為避免擾動土壤，原則上不做除草工作。在輪作完豌豆及苕子后對其翻壓處理。休閑地小區(qū)不進行耕作等田間管理。

1.4 樣品采集與處理

1.4.1 樣品采集 于2019年玉米完熟期采用“S”型五點取樣方法進行土壤樣品采集，在每個小區(qū)分別采集0—20 cm和20—40 cm兩個土層的土樣，在采樣和運輸過程中避免擠壓和擾動，保持土壤的原狀結(jié)構(gòu)，以免破壞團聚體。采樣后將土樣按其自然結(jié)構(gòu)掰成直徑約5 cm的土塊，剔除石塊和植物根系等雜物，在實驗室進行風(fēng)干以用于團聚體和有機碳的測定。

1.4.2 樣品處理 團聚體測定[13]：將風(fēng)干后的土壤樣品，置于不同孔徑的套篩頂部，然后安裝好底盒和篩蓋，再進行振蕩，左右振幅為10 cm，頻率為150次/min，振蕩時間為2 min。隨后對各粒級機械穩(wěn)定性團聚體稱重后計算其質(zhì)量百分含量，并按各粒級質(zhì)量比收集100 g混合土樣。將100 g混合土樣放置于團聚體分析儀中，保證水沒過篩底部，且振動時不沒過其頂部，進行以上下振幅3 cm，頻率30次/min，20 min后將各粒級水穩(wěn)性團聚體沖入鋁盒中，105℃烘干12 h后計算各粒級水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量。

有機碳測定[14]：首先進行土壤酸化，每次稱取0.1 g(±5%)倒入取樣舟，用0.1 mol/l的鹽酸滴定樣品；再放進烘箱將樣品風(fēng)干(調(diào)溫105～110℃)，4 h后打開箱門，將取樣舟靜置24 h；隨后，將靜置的樣品進行編號，采用multi N/C 3100 TOC總有機碳/總氮分析儀進行測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

平均質(zhì)量直徑(MWD，mm)[2]:

(1)

幾何平均直徑(GMD，mm)[2]:

(2)

>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(R0.25)[2]：

(3)

式中:R0.25為粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(%);Mr>0.25為粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量(g);MT為水穩(wěn)性團聚體總質(zhì)量(g)。

結(jié)構(gòu)體破壞率(PAD，%)[15]：

(4)

式中:wx0.25為>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體質(zhì)量(g);ww0.25為>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量(g)

使用Microsoft Excel 2010軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理和圖表制作，用SPSS 22.0軟件進行單因素ANOVA分析以及Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作休耕模式下土壤團聚體組成特征

2.1.1 土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成特征 土壤機械穩(wěn)定性團聚體能抵抗機械破壞，是評價土壤結(jié)構(gòu)好壞的指標之一[16]。輪作休耕模式下土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成特征見表1，從不同粒徑來看，在≥0.25 mm粒徑范圍，隨粒徑的減小含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；而在<0.25 mm粒徑范圍，隨粒徑的減小含量也隨之減小。從不同土層來看，20—40 cm土層的≥0.25 mm大團聚體高于0—20 cm，說明大團聚體隨土層深度增加呈增加的趨勢；在0—20 cm土層，不同種植模式下粒徑為≥0.25 mm大團聚體所占比例大小順序為AW>Z-L-Z>Z-S-Z>ZZ，AW與ZZ差異顯著(p<0.05)；在20—40 cm土層，不同種植模式下粒徑為≥0.25 mm大團聚體所占比例大小順序為AW>Z-S-Z>ZZ>Z-L-Z，各處理間差異不顯著。

從整體來看，4種種植模式下的土壤≥0.25 mm大團聚體含量占比都在80.68%以上，其中，AW高于其他處理至少4.1%，并且AW處理下，>5 mm粒徑的大團聚體顯著高于其他處理64.5%～77.9%(p<0.05)，另外，除了AW外，其余3種種植模式下團聚體組成中皆為2～5 mm占比最高，由此可知，不同處理下土壤中≥0.25 mm大團聚體占主要比例，且AW處理高于其他處理。

表1 輪作休耕模式下不同土層機械穩(wěn)定性團聚體粒級分布

2.1.2 土壤水穩(wěn)定性團聚體組成特征 相對于機械穩(wěn)定性團聚體，土壤水穩(wěn)定性團聚體更能在降雨條件下表征土壤質(zhì)量狀況[17]。輪作休耕模式下土壤水穩(wěn)定性團聚體組成特征見表2，從不同土層來看，在0—20 mm土層，粒徑為≥0.25 mm的大團聚體以AW種植方式最高，與ZZ差異顯著(p<0.05)，但與Z-L-Z和Z-S-Z差異不顯著，>2 mm的團聚體則以Z-L-Z種植方式最高，與AW差異顯著(p<0.05)，但與Z-S-Z和ZZ差異不顯著；而在20—40 cm土層，粒徑為≥0.25 mm的大團聚體以AW種植方式最高，與ZZ和Z-L-Z差異顯著(p<0.05)，但與Z-S-Z差異不顯著，>2 mm的團聚體以Z-S-Z種植方式最高，和AW差異顯著(p<0.05)，但與Z-S-Z和ZZ差異不顯著。

從整體來看，4種種植模式下土壤各粒徑團聚體占總團聚體的比例均以≥0.25 mm的含量最大，比例達到了77.05%～88.32%，且≥0.25 mm團聚體所占比例大小順序為AW>Z-S-Z>Z-L-Z>ZZ，另外，Z-L-Z，Z-S-Z和ZZ3種種植模式的團聚體含量隨粒徑的減小呈現(xiàn)先減少后增多的規(guī)律，而AW則是先增大后減小。

表2 輪作休耕模式下不同土層水穩(wěn)性團聚體粒級分布

2.2 輪作休耕模式下土壤團聚體穩(wěn)定指數(shù)分析

由圖1可知，輪作休耕模式下土壤團聚體穩(wěn)定指數(shù)呈現(xiàn)一定的規(guī)律，從不同指數(shù)來看，各處理土壤團聚體的MWD的大小順序為AW>Z-S-Z>Z-L-Z>ZZ，與玉米單作ZZ相比，AW，Z-S-Z和Z-L-Z分別顯著提高了46.3%，40.1%，29.8%(p<0.05)；GMD的大小順序為AW>Z-L-Z>Z-S-Z>ZZ，與玉米單作ZZ相比，AW，Z-L-Z和Z-S-Z分別顯著提高了26.9%，17.1%，15.9%(p<0.05)；R0.25的大小順序為AW>Z-S-Z>Z-L-Z>ZZ，與玉米單作ZZ相比，AW，Z-S-Z和Z-L-Z分別顯著提高了29.7%，14.7%，13.8%(p<0.05)；PAD的大小順序為ZZ>Z-S-Z>Z-L-Z>AW，與玉米單作ZZ相比，AW，Z-L-Z和Z-S-Z分別顯著降低了53.1%，21.2%，17.1%(p<0.05)。從總體來看，不同處理穩(wěn)定性參數(shù)變化基本一致，休閑地團聚體穩(wěn)定性最高，Z-S-Z與Z-L-Z兩種輪作模式團聚體穩(wěn)定性差異不顯著，與玉米單作相比，休閑和輪作能顯著提高團聚體穩(wěn)定性，且差異性顯著(p<0.05)。

圖1 輪作休耕模式下土壤團聚體穩(wěn)定指數(shù)變化情況

2.3 輪作休耕模式下土壤各粒徑團聚體有機碳含量

由圖2可知，輪作休耕模式下團聚體有機碳含量大小順序為Z-L-Z>Z-S-Z>AW>ZZ，其中，Z-L-Z和AW兩種種植模式下有機碳含量最高分布于0.5～1 mm粒徑中，而Z-S-Z和ZZ的種植模式下最高含量分布于0.25～0.5 mm粒徑中，這說明相比其他兩種處理，輪作能提高團聚體有機碳含量，且Z-L-Z輪作模式效果最佳。有機碳在各粒徑團聚體中分布呈(0.5～1 mm)>(0.25～0.5 mm)>(0.106～0.25 mm)>(>1 mm)>(<0.106 mm)，總體來說，>0.25 mm大團聚體的有機碳含量高于<0.25 mm的微團聚體39.9%，其中，4種不同處理Z-L-Z，Z-S-Z，ZZ和AW大團聚體中有機碳含量分別比微團聚體中高41.5%，40.4%，42.6%，34.9%，這說明>0.25 mm大團聚體更有利于有機碳的儲存。

圖2 輪作休耕模式下土壤各粒徑團聚體有機碳含量

2.4 土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定指數(shù)與土壤有機碳的相關(guān)性分析

本文將輪作休耕模式下不同團聚體穩(wěn)定指數(shù)與有機碳含量進行相關(guān)性分析(表3)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，R0.25與有機碳成極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與PAD成極顯著負相關(guān)(p<0.01)；PAD與有機碳成極顯著負相關(guān)(p<0.01)；MWD與GMD、有機碳成極顯著正相關(guān)(p<0.01)；GMD與有機碳成極顯著正相關(guān)(p<0.01)。說明有機碳含量與R0.25，PAD，MWD，GMD關(guān)系密切，相關(guān)程度的大小順序為：R0.25>PAD>GMD>MWD。

表3 土壤水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)與土壤有機碳之間的相關(guān)性

3 討 論

本研究采用干篩法和濕篩法對輪作休耕模式下土壤機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體的組成特征進行分析，發(fā)現(xiàn)在兩種方法下，4種處理下的土壤都以大團聚體為主，相比玉米單作，輪作休耕能增加土壤中≥0.25 mm粒徑團聚體含量，說明短期休閑和輪作有利于提高大團聚體含量，改善土壤結(jié)構(gòu)。土壤團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(R0.25)和結(jié)構(gòu)體破壞率(PAD)都是評價團聚體分布情況和穩(wěn)定性的重要參數(shù)。一般來說，MWD，GMD，R0.25值越大，PAD值越小，說明土壤團聚體穩(wěn)定性更好[18]。本研究通過對MWD，GMD、R0.25和PAD指數(shù)進行團聚體穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，與玉米單作相比，輪作和休閑地能提高了土壤團聚體穩(wěn)定性，這是由于輪作比單作物種多樣性豐富，使根系分泌物種類增加，從而形成了不一樣的土壤微環(huán)境，特別是微生物產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)和菌絲體對大團聚體的形成有積極作用[19]，而休閑地相比其他種植方式?jīng)]有進行頻繁的農(nóng)藝措施，所以減少了團聚體的機械破壞。從而增加了大團聚體的數(shù)量[20]，而微團聚體比大團聚體更穩(wěn)定不易受到耕作及其他擾動的影響[21]，本研究結(jié)果與前人一致[22-24]。連續(xù)種植綠肥能夠促進大團聚體的形成[25]，本次研究還進一步對兩種綠肥-玉米輪作模式(玉米-苕子-玉米和玉米-豌豆-玉米)對于團聚體穩(wěn)定性的影響進行探索，發(fā)現(xiàn)兩種綠肥作物對于團聚體穩(wěn)定性的影響差異不明顯。原因可能是兩種綠肥翻耕進去土壤的生物量對于土壤的改善作用沒有形成大的差異，未來還需增加試驗?zāi)晗抟赃M一步觀測其變化特征。

土壤有機碳對于土壤健康、作物生長和產(chǎn)量具有積極作用，而短期農(nóng)業(yè)管理對有機碳動態(tài)變化的影響是復(fù)雜多變的[26]，并且會受氣候、土壤質(zhì)地和作物類型的不同而發(fā)生變化。本研究分析了團聚體有機碳含量對輪作休耕模式的響應(yīng)，結(jié)果表明粒徑范圍為0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的團聚體為有機碳儲存的主要載體，與張旭輝等[27]的研究結(jié)果相似。另外，玉米輪作模式下有機碳含量顯著高于玉米單作，究其原因，一方面是因為輪作過程中種植苕子和豌豆產(chǎn)生的根系分泌物、根茬和枯枝落葉對土壤輸入大量有機碳。另一方面，作物種類會影響土壤結(jié)構(gòu)和有機碳含量[28]，這種影響取決于很多因素，其中包括不同的根系生理特征和功能，殘留物的生物化學(xué)特征不同，玉米殘渣含有高濃度的苯酚，促進土壤水穩(wěn)性團聚體的形成及有機碳濃度的提高[29]，而一些豆科植物的根系密度較高，通過增加微生物的活性，而從促進團聚體的形成，本研究通過輪作休耕增加作物產(chǎn)量，從而提高殘渣量，從這方面也有益于提高團聚體有機碳。另外，豆科植物的可水萃取有機碳濃度高于禾本科植物[30]，這也說明了不同作物根系分泌物不同，豆科植物可能比禾本科分泌更多的可溶性分子。因此，本研究進一步比較了苕子和豌豆與玉米輪作中土壤有機碳含量的差異，結(jié)果可以看出，玉米-苕子-玉米輪作比玉米-豌豆-玉米輪作含量更高，這與兩種作物的地上生物量大小有關(guān)，苕子的生物量高于豌豆，從而使其利用光合作用固定的碳更多，土壤中通過作物輸送的碳也會更多[31]。

根據(jù)水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定指數(shù)與土壤有機碳的相關(guān)性分析可知，土壤有機碳含量與R0.25，PAD，MWD，GMD成極顯著相關(guān)關(guān)系，并且與R0.25相關(guān)程度最高，而這些指數(shù)都用于表征團聚體穩(wěn)定性，說明有機碳含量和團聚體穩(wěn)定性成正相關(guān)關(guān)系，該結(jié)果與其他區(qū)域的規(guī)律性基本一致[2, 13, 32]。輪作休耕模式相比單作有利于提高土壤團聚體穩(wěn)定性，從而能增加土壤固碳水平，且輪作條件下作物通過光合作用固定大量的碳通過根系輸送到土壤，所以輪作比其他種植模式能顯著增加土壤有機碳含量?？傊衩着c綠肥作物輪作有利于土壤團聚體穩(wěn)定性，改善土壤質(zhì)量，增加土壤肥力，從而提高作物產(chǎn)量[33]。另外，綠肥作物不僅可以增加土壤有機碳含量，增強土壤微生物活性，還能增加地表覆蓋，增加土壤水分入滲，減少徑流的產(chǎn)生，有利于山區(qū)坡耕地水土保持[34]，因此，玉米與綠肥輪作對于提高農(nóng)業(yè)的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益有重要意義，是一種值得推廣的種植模式。良好的土壤管理措施還有益于防治土壤侵蝕，從而避免有機碳的流失，本研究已經(jīng)明確輪作休耕模式對于改善土壤團聚體穩(wěn)定性和提高有機碳含量的積極作用，但未來還需要更多的研究來驗證根系對有機碳的周轉(zhuǎn)及盈虧平衡。

4 結(jié) 論

(1) 不同種植模式下土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成以≥0.25 mm粒徑占比最高，都在80.68%以上，水穩(wěn)定性團聚體≥0.25 mm粒徑比例達到了77.05%～88.32%，且≥0.25 mm團聚體所占比例大小順序為：AW>Z-S-Z>Z-L-Z>ZZ。說明，與玉米單作相比，休閑地和輪作處理能提高土壤中大團聚體含量。

(2) 根據(jù)不同團聚體穩(wěn)定指數(shù)(MWD，GMD，R0.25和PAD)顯示，休閑地的團聚體穩(wěn)定性最好，且休閑地和玉米輪作兩種模式下團聚體穩(wěn)定性均優(yōu)于玉米單作。

(3) 玉米單作土壤團聚體有機碳含量最低，玉米輪作和休閑地能顯著提高有機碳含量，并且玉米-苕子-玉米輪作效果最優(yōu)；≥0.25 mm粒徑范圍的團聚體儲存的有機碳含量最高。

(4) 通過對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定指數(shù)與有機碳含量的相關(guān)性分析表明，4個不同團聚體穩(wěn)定指數(shù)與有機碳含量都成極顯著正相關(guān)關(guān)系，與R0.25相關(guān)程度最高。