黑 杰，李先德，劉吉龍，王亞非，胥佳憶，陽(yáng) 祥，尹曉雷，王維奇,3?，張永勛

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,350007,福州；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所,100081,北京；3.福建師范大學(xué) 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,350007,福州)

土壤團(tuán)聚體是植物與微生物共同衍生的礦物顆粒物，是土壤最基本的組成單元[1]。土壤團(tuán)聚體具有保持水、肥、氣、熱，調(diào)節(jié)土壤酶種類和保持土壤疏松的作用[2]，對(duì)于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和保護(hù)土壤碳(C)、氮(N)具有重要意義。不同粒級(jí)團(tuán)聚體在土壤C、N固持中扮演著不同的角色，>0.25 mm大團(tuán)聚體富含更多的C、N[3]，而<0.25 mm微團(tuán)聚體更利于維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]；因此，探討不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體與C、N循環(huán)的關(guān)系有助于科學(xué)管理和調(diào)控土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

輪作通過不同的水肥管理、底物添加等措施調(diào)節(jié)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、養(yǎng)分含量及利用效率，被認(rèn)為是改良土壤結(jié)構(gòu)和保持肥力的重要舉措[5]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于輪作模式與土壤團(tuán)聚體與C、N分布的研究主要包括常規(guī)性耕種與保護(hù)性耕作[6]、小麥-豆類連續(xù)輪作[7]、煙-稻輪作等[8]。稻田與旱地土壤C、N的周轉(zhuǎn)、穩(wěn)定機(jī)制和環(huán)境條件都深受農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的影響，表現(xiàn)出礦化速率、營(yíng)養(yǎng)利用率、氧化還原過程與微生物活性方面的差異性[9]。目前水旱輪作與旱地輪作下C、N養(yǎng)分與團(tuán)聚體異同的比較研究相對(duì)較少。通過對(duì)水旱與旱地輪作C、N周轉(zhuǎn)與穩(wěn)定性特征的研究，可從不同輪作模式角度下揭示土壤養(yǎng)分與穩(wěn)定性的變化特征，為科學(xué)評(píng)估銅陵市農(nóng)田養(yǎng)分固持，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及其對(duì)水土保持功能的影響提供理論支撐。

安徽省銅陵市的白姜種植歷史悠久，是中國(guó)重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)。目前，安徽銅陵的姜-稻輪作和姜-菜輪作模式正積極申報(bào)全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，篩選出更為合理的輪作模式，可為白姜(Zingiberofficinale)可持續(xù)生產(chǎn)提供理論和實(shí)踐的支撐。探究姜-稻和姜-菜輪作模式下農(nóng)田土壤團(tuán)聚體及C、N特征，對(duì)以白姜為核心要素的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)保護(hù)與發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

安徽省銅陵市位于長(zhǎng)江中下游(E 117°42′～118°10′、N 30°45′～31°07′)，屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫16.4 ℃，年均日照時(shí)間為2 025 h，年日照率為43%，年均降水量1 360.3 mm[10]。采樣點(diǎn)土壤類型以水稻土和紅壤為主，輪作模式為姜-菜輪作和姜-稻輪作，試驗(yàn)地已經(jīng)歷經(jīng)5次輪作。姜-菜輪作研究樣點(diǎn)位于安徽省銅陵市郊區(qū)大通鎮(zhèn)大院村(圖1)，為秋葵-白姜輪作模式，每2～3年輪作換茬1次。菜季施肥措施為復(fù)合肥100 kg/畝(N∶P∶K為18∶18∶18，1 hm2=15畝)、有機(jī)肥250 kg/畝(100 kg餅肥、150 kg商品有機(jī)肥)；姜季施肥措施為復(fù)合肥150 kg/畝(N∶P∶K為18∶18∶18)、有機(jī)肥375 kg/畝(150 kg餅肥、225 kg商品有機(jī)肥)。姜-稻輪作研究樣點(diǎn)位于安徽省銅陵市義安區(qū)西聯(lián)鎮(zhèn)山東村(圖1)，為水稻-白姜，每2～3年輪作換茬1次。稻季施肥措施為復(fù)合肥50 kg/畝(N∶P∶K為16∶16∶16)；姜季施肥措施為復(fù)合肥30 kg/畝(N∶P∶K為16∶16∶16)、有機(jī)肥325 kg/畝(餅肥)。2個(gè)采樣點(diǎn)都以平原為主，地貌類型相似，為探究姜-稻和姜-菜輪作下土壤團(tuán)聚體及C、N特征提供理想的試驗(yàn)地。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2020年8月，用采土器分別采集姜-菜輪作和姜-稻輪作樣地0～20 cm深度的土壤樣品，每種處理采集5個(gè)重復(fù)，部分樣品4 ℃冷藏保存，另一部分樣品挑出根系和植物殘?bào)w等雜質(zhì)后，等自然風(fēng)干后，過100目篩后待用。

2.2 測(cè)定方法

土壤團(tuán)聚體含量通過濕篩法測(cè)定[11]，土壤有機(jī)質(zhì)(soil orangic matter，SOM)含量通過土壤有機(jī)碳含量轉(zhuǎn)換[12]，土壤大團(tuán)聚體含量(lavge aggregate content，DR0.25)與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)平均質(zhì)量直徑(mean weight diametter，MWD)和幾何平均直徑(gerometric mean diametter，GMD)參照羅曉虹等[13]的方法計(jì)算得出，分形維數(shù)(fractal dimension，D)與團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率分別參照楊培嶺等[14]和邱莉萍等[15]的方法計(jì)算得出，土壤C、N采用土壤碳氮元素分析儀(Elemental Analyzer Vario EL Ⅲ，Germany)測(cè)定，土壤密度和含水量分別采用環(huán)刀法和烘干法測(cè)定[16]，土壤pH采用pH計(jì)(STARTER 300，USA)測(cè)定，水土質(zhì)量比為2.5∶1，土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀(2265FS，USA)測(cè)定。

3 結(jié)果和分析

3.1 土壤理化性質(zhì)的特征

姜-稻輪作下姜季土壤密度比稻季下降17%(P<0.05)，土壤含水量比稻季下降36%(P<0.05)。姜-菜輪作下姜季土壤含水量比菜季增加37%(P<0.05)，土壤電導(dǎo)率比稻季增加94%(P<0.05)；姜-稻輪作下姜季SOM比菜季降低18%(P<0.05)。從2種輪作模式對(duì)比來看，姜-稻輪作下姜季土壤電導(dǎo)率和SOM比姜-菜輪作增加75%、12%(P<0.05)[17]。

3.2 土壤團(tuán)聚體分布特征

姜-菜輪作下姜季>0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比菜季增加53%(P<0.05)。姜-稻輪作下姜季≤0.053 mm微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稻季降低39%(P<0.05)，而>0.25～1.00 mm大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稻季增加約2倍(P<0.05)，>1.00 mm大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稻季降低37%(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同輪作模式土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Percentage of soil aggregate content in different rotation patterns 同一粒級(jí)下不同字母表示差異性顯著(P<0.05)。GV-V為姜-菜輪作下的菜季；GV-G為姜菜-輪作下的姜季；GR-R為姜-稻輪作下的稻季；GR-G為姜-稻輪作下的姜季。下同。Different letters in the same grain size indicate significant differences (P<0.05). GV-V is the vegetable season under the ginger-vegetable rotation; GV-G is the ginger season under the ginger-vegetable rotation; GR-R is the rice season under the ginger-rice rotation; and GR-G is the ginger season under the ginger-rice rotation. The same as below.

3.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

如表1所示，姜-菜輪作下姜季土壤MWD、GMD、DR0.25和D比菜季差異均不顯著(P>0.05)。姜-稻輪作下姜季MWD、GMD和DR0.25比稻季差異均不顯著(P>0.05)，但D比稻季降低19%(P<0.05)。

3.4 土壤團(tuán)聚體粒級(jí)與穩(wěn)定性的關(guān)系

如圖3所示，土壤穩(wěn)定性參數(shù)MWD、GMD、DR0.25之間均顯著正相關(guān)(P<0.01)，D與MWD顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。GMD和DR0.25均與>0.25～1.00 mm大團(tuán)聚體顯著正相關(guān)(P<0.01)。MWD與>1.00 mm大團(tuán)聚體顯著正相關(guān)(P<0.01)。

3.5 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體C、N含量特征

如圖4所示，2種輪作均表現(xiàn)為>0.25 mm大團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，≤0.25 mm微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。姜-菜輪作下>0.25～1.00 mm 大團(tuán)聚體C質(zhì)量分?jǐn)?shù)比菜季降低25%(P<0.05)。姜-稻輪作下姜季>0.25～1.00 mm大團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稻季分別增加91%與107%(P<0.05)。從2種輪作模式比較來看，姜-菜輪作下姜季≤0.053 mm微團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別低于姜-稻輪作32%與33%(P<0.05)，>1.00 mm團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別低于姜-稻輪作39%與33%(P<0.05)。

表1 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Tab.1 Stability indexes of soil aggregate

3.6 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體C、N累積的變化特征

如圖5所示，2種輪作模式都以>0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體對(duì)于土壤C、N貢獻(xiàn)率高，≤0.25 mm微團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率較低。姜-菜輪下姜季大團(tuán)聚體中>1.00 mm團(tuán)聚體C、N貢獻(xiàn)率分別比菜季降低10%與11%(P<0.05)；>0.25～1.00 mm大團(tuán)聚體C、N貢獻(xiàn)率分別比菜季降低7%與5%(P<0.05)。姜-稻輪作下姜季>0.25～1.00 mm大團(tuán)聚體C、N貢獻(xiàn)率分別比稻季增加54%與65%(P<0.05)。2種輪作對(duì)比下，姜-稻輪作下姜季>1.00 mm土壤團(tuán)聚體C貢獻(xiàn)率高于姜-菜輪作24%(P<0.05)，>0.25～1.00 mm團(tuán)聚體C、N貢獻(xiàn)率分別低于姜-菜輪作32%與25%(P<0.05)。

*和**分別表示在0.05和0.01水平上顯著差異。下同。* and ** indicate significant differences at the levels of 0.05 and 0.01, respectively. The same below.圖3 土壤穩(wěn)定性指標(biāo)與各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of soil stability index and aggregate content of each particle size

圖4 不同輪作模式土壤團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.4 Changes of C and N contents in soil aggregates in different rotation patterns

圖5 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體C、N累計(jì)貢獻(xiàn)率Fig.5 Cumulative contribution rate of carbon and nitrogen in the soil aggregates of different particle sizes

C和N代表碳和氮。C1、C2、C3、C4分別為>1.00 mm、>0.25～1.00 mm、>0.053～0.25 mm、≤0.053 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體C質(zhì)量分?jǐn)?shù)；N1、N2、N3、N4分別為>1.00 mm、 >0.25～1.00 mm、>0.053～0.25 mm、≤0.053 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體N質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 C and N represent carbon and nitrogen. C1, C2, C3, and C4 refers to the carbon content of soil aggregates of >1.00 mm, >0.25-1.00 mm, >0.053-0.25 mm, and ≤0.053 mm, respectively. N1, N2, N3, and N4 indicates the nitrogen content of particle size soil aggregate at >1.00 mm, >0.25-1.00 mm, >0.053-0.25 mm, ≤0.053 mm, respectively.圖6 土壤團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)與穩(wěn)定性性指數(shù)相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of soil aggregate C, N content and stability index

3.7 土壤碳、氮含量與團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性的關(guān)系

如圖6所示，MWD與>1.00 mm大團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P<0.05,P<0.01)。GMD與>0.25～1.00 mm大團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P<0.05,P<0.01)。DR0.25與>0.25～1.00 mm大團(tuán)聚體的C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P<0.01)。D與>0.25～1.00 mm大團(tuán)聚體C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P<0.01)。

4 討論

4.1 對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響

土壤團(tuán)聚體是表征土壤結(jié)構(gòu)和肥力的主要指標(biāo)，深刻影響土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。其粒級(jí)變化受農(nóng)田管理模式、土壤質(zhì)地、土壤養(yǎng)分、土壤微生物的影響[18]。DR0.25可以用來反映土壤大團(tuán)聚體變化狀況，姜-菜輪作下姜季土壤DR0.25呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要因同處于旱作管理模式，輪作會(huì)造成大團(tuán)聚體的破碎，并向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化[19]。姜-稻輪作下姜季土壤DR0.25呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，說明姜-稻輪作強(qiáng)化姜季土壤團(tuán)聚體的形成與積聚，筆者發(fā)現(xiàn)，姜-稻輪作下姜季土壤團(tuán)聚體的增加以>0.25～1.00 mm粒級(jí)為主，說明姜-稻輪作模式改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是漸變的過程，且DR0.25僅與>0.25～1.00 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體的正相關(guān)關(guān)系。

4.2 對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

圖7 不同輪作模式土壤養(yǎng)分與團(tuán)聚體變化概念模型圖Fig.7 Conceptual model diagram of changes in soil nutrients and aggregates in different crop rotation patterns

MWD、GMD和D表示土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其與土壤團(tuán)聚體積聚能力和穩(wěn)定性程度呈正相關(guān)，而D值越小表示團(tuán)聚體團(tuán)聚效果和穩(wěn)定性越強(qiáng)[18]。姜-菜輪作下姜季的DR0.25、MWD和GMD均降低，D顯著增加，表明土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和團(tuán)聚效果在下降，主要因生姜播種前需要翻耕細(xì)耙，會(huì)對(duì)表層土壤團(tuán)聚體進(jìn)行干擾和破壞[20]。姜-稻輪作下姜季的GMD和DR0.25增加，這表明姜-稻輪作土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，主要原因是：在干濕交替模式下土壤水分的變化會(huì)影響土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)，提高微生物的活性與數(shù)量，加速有機(jī)質(zhì)的分解[21]。特別是在輪作下的旱季，干燥環(huán)境會(huì)促使原來在水中的懸浮物質(zhì)與可溶性物質(zhì)之間的螯合，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[22]。此外，姜-稻輪作屬于水旱交替作用下的耕作地，稻季長(zhǎng)期處于厭氧的淹水環(huán)境下，微生物分解過程緩慢，進(jìn)而使得腐殖質(zhì)與有機(jī)質(zhì)得以保留[9]，這為姜季提供更多的有機(jī)物質(zhì)，并在微生物的作用下促進(jìn)姜季大團(tuán)聚體的形成。

4.3 對(duì)土壤C、N含量的影響

筆者發(fā)現(xiàn)，姜-菜輪作和姜-稻輪作下姜季土壤C、N的含量均低于菜季和稻季，可能與輪作年限和作物類型有關(guān)(圖7)。相關(guān)研究表明輪作對(duì)土壤有機(jī)物和C、N含量的增加可能由于輪作年限和作物類型在初期表現(xiàn)的不明顯，但經(jīng)過一定的年限這種情況會(huì)有所改善[23]；另外，輪作模式下姜季對(duì)土壤肥力需求量大，加上翻耕土壤造成表層C、N含量的損失，導(dǎo)致姜季土壤C、N含量偏低[20]。但輪作模式是基于生態(tài)學(xué)原理，根據(jù)作物對(duì)養(yǎng)分需求的差異，以及根系分布層次的不同，進(jìn)行因地制宜的施肥和補(bǔ)肥，有利于土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。作物類型和根系的不同，會(huì)影響微生物種類和數(shù)量，有利于維持土壤養(yǎng)分含量和微生物群落的多樣性[24]。此外，姜-稻輪作下姜季C、N含量較姜-菜輪作高，表明姜-稻輪作固存C、N含量的能力較姜-菜輪作更好，這與水稻和白姜生長(zhǎng)階段的管理模式相關(guān)。相對(duì)于水稻田的秸稈還田，菜地植物殘?bào)w還地程度相對(duì)較低，進(jìn)而使姜-菜輪作土壤肥力低于姜-稻輪作。此外，與旱地土壤相比，稻田土壤微生物周轉(zhuǎn)速率慢、厭氧環(huán)境和鐵錳氧化物的氧化還原都會(huì)減緩微生物的分解，穩(wěn)定土壤C、N含量的累積[9]。金雯暉等[5]也得出相似的結(jié)論，認(rèn)為水旱輪作相對(duì)于旱地輪作固C、N含量的效果更好。綜上，基于C、N等養(yǎng)分利用和固持的視角，姜-稻輪作是更為合理的模式。

5 結(jié)論

通過水旱與旱地輪作模式異同的比較，姜-菜輪作下姜季微團(tuán)聚體含量增加顯著(P<0.05)；姜-稻輪作下姜季>0.25～1.00 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體含量顯著增加約2倍(P<0.05)。姜-稻輪作下姜季比姜-菜輪作土C、N含量高。2種輪作均表明>0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體具有更多的C、N。并且>0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體C、N含量均與GMD、MWD和DR0.25顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明大團(tuán)聚體對(duì)于保持土壤養(yǎng)分含量和維系白姜可持續(xù)生產(chǎn)更具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。特別是水旱輪作模式下的姜-稻輪作，其土壤肥力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保護(hù)效果更優(yōu)于姜-菜輪作，是銅陵市白姜可持續(xù)發(fā)展中可選擇的輪作模式。