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

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(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌7200；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌7200；.陜西出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)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(tuán)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(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100；3.陜西出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心，西安710068）

摘要：以黃土高原連續(xù)進(jìn)行了27年的長期定位試驗(yàn)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(tuán)聚體及其碳氮分布特征，并分析了土壤碳氮分布與土壤團(tuán)聚體及其碳氮含量之間的關(guān)系。結(jié)果表明：黃土高原旱作農(nóng)田土壤中＜0.053 mm團(tuán)聚體含量最高，占土壤質(zhì)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于其他種植系統(tǒng)，＜0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)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(jī)碳、氮含量與團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)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(tuán)聚體有機(jī)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(jié)構(gòu)，提高土壤和團(tuán)聚體的有機(jī)碳和全氮含量。

關(guān)鍵詞：黃土高原；旱作農(nóng)田；種植系統(tǒng)；水穩(wěn)性團(tuán)聚體；有機(jī)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(tuán)聚體及碳氮分布的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35（2）：305-313.

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要組分，在土壤肥力維持、質(zhì)量改良和生態(tài)功能調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。大量研究結(jié)果表明，不同粒級的團(tuán)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(tuán)聚體有較強(qiáng)的養(yǎng)分儲(chǔ)備能力，而大團(tuán)聚體供應(yīng)養(yǎng)分的能力較強(qiáng)[5-6]。在土壤有機(jī)碳循環(huán)方面，團(tuán)聚體不但能對有機(jī)碳起到物理保護(hù)作用，減少其損失[7-8]，而且可以增強(qiáng)新輸入的有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的富集和積累，從而有利于土壤碳匯功能的增強(qiáng)[9-10]。由于土壤團(tuán)聚體是在有機(jī)物質(zhì)、植物根系、微生物活動(dòng)等共同作用下形成的[11-13]，土壤團(tuán)聚體的大小及其中有機(jī)碳和養(yǎng)分的分布、周轉(zhuǎn)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(tuán)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(jié)果。有研究表明，保護(hù)性耕作尤其是免耕措施能提高土壤大團(tuán)聚體的形成，并增加大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[14]。這些耕作措施結(jié)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(zhì)量，影響土壤微生物量及其活性，最終影響團(tuán)聚體形成和團(tuán)聚體有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)[15]。孫漢印等[13]發(fā)現(xiàn)陜西關(guān)中平原地區(qū)秸稈還田減少了土壤微團(tuán)聚體含量，增加了大團(tuán)聚體和中微團(tuán)聚體的含量；高會(huì)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(tuán)聚體的有機(jī)碳含量。這些研究為深入認(rèn)識(shí)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)團(tuán)聚體碳氮的分布和穩(wěn)定性提供了重要的基礎(chǔ)和依據(jù)，但是很少有研究比較不同種植系統(tǒng)土壤團(tuán)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(dòng)特征不同，必將對土壤團(tuán)聚體以及團(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)聚體碳氮分布特征對于認(rèn)識(shí)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(jià)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能具有重要的指導(dǎo)意義和理論價(jià)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(tuán)聚體分布特征以及團(tuán)聚體碳氮含量的變化，分析了土壤碳氮分布與土壤團(tuán)聚體及其碳氮含量之間的關(guān)系，以期為認(rèn)識(shí)不同種植系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體碳氮分布及其對土壤總有機(jī)碳氮的貢獻(xiàn)，為評價(jià)不同種植系統(tǒng)土壤碳匯功能及變化趨勢，提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)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(zhì)為馬蘭黃土。氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年日照時(shí)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(nèi)降雨主要集中在7—9月，占全年降雨量的53%。試驗(yàn)開始時(shí)土壤有機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)

長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站長期定位試驗(yàn)布設(shè)于1984年，包括不同作物（表1）種植系統(tǒng)和施肥處理，設(shè)置36個(gè)處理，3個(gè)重復(fù)，共108個(gè)小區(qū)，每個(gè)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(jìn)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(gè)輪作周期結(jié)束后重復(fù)相同的輪作順序，進(jìn)行下一個(gè)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(nèi)作物全部收獲，稱量鮮重，同時(shí)取部分樣品帶回實(shí)驗(yàn)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(gè)重復(fù)，采樣時(shí)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(gè)重復(fù)（有8種不同的種植序列處理，這樣在每年均會(huì)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(shí)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(gè)重復(fù)（有3種不同的種植序列處理，這樣在每年均會(huì)有該種植系統(tǒng)不同的作物），采樣時(shí)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(gè)小區(qū)內(nèi)“S”型布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，采集原狀土組成該小區(qū)的混合土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分級采用改進(jìn)的濕篩法進(jìn)行[17-19]，將水穩(wěn)性團(tuán)聚體分為＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm 4個(gè)級別。

原狀土壤樣品和團(tuán)聚體樣品研磨通過0.25 mm篩孔以供有機(jī)碳和全氮測定，有機(jī)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(tuán)聚體分布特征，計(jì)算土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）：

式中：Wi為某級別團(tuán)聚體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；Xi為該級別團(tuán)聚體的平均直徑，mm。

為了確定不同種植系統(tǒng)對土壤團(tuán)聚體分布、土壤總有機(jī)碳和全氮、團(tuán)聚體有機(jī)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(jī)碳、全氮與團(tuán)聚體含量以及團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量之間的關(guān)系。方差分析和線性回歸分析采用JMP軟件（v10.0）進(jìn)行。

2　結(jié)果與分析

2.1團(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體占土壤質(zhì)量的35%，而＞2、0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團(tuán)聚體分別占土壤質(zhì)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(tuán)聚體的含量受種植系統(tǒng)的影響，并與團(tuán)聚體級別和土層有關(guān)（表2、圖1）。0～20 cm和20～40 cm土層土壤中＞2 mm團(tuán)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(tuán)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(gè)土層土壤0.053～0.25 mm團(tuán)聚體均在玉米連作系統(tǒng)最低，而＜0.053 mm團(tuán)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(tuán)聚體、團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮影響的方差分析結(jié)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(tuán)聚體含量分布特征Figure 1 Size distribution of aggregates as affected by cropping systems

土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑是表征土壤團(tuán)聚體分布和土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，其值越高，表明土壤結(jié)構(gòu)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(tuán)聚體平均質(zhì)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(gè)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(tuán)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(gè)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(jié)構(gòu)。

圖2　不同種植系統(tǒng)團(tuán)聚體平均質(zhì)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(jī)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(dòng)的影響，其土壤有機(jī)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(jī)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(guān)（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(jī)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(jī)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(jī)碳和全氮含量（圖3）。

2.3土壤團(tuán)聚體碳氮分布特征

不同級別團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量以及C/N差異顯著。土壤有機(jī)碳和全氮含量均以0.25～2 mm團(tuán)聚體最高，＜0.053 mm團(tuán)聚體最低；土壤C/N以0.053～0.25 mm團(tuán)聚體最高，＜0.053 mm團(tuán)聚體最低（圖4）。0～40 cm土層土壤有機(jī)碳平均含量在＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm團(tuán)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(gè)級別團(tuán)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(jī)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(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)聚體全氮含量受到顯著影響），表明種植系統(tǒng)對團(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體C/N卻呈現(xiàn)出與有機(jī)碳和全氮相反的趨勢，即長周期輪作系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體C/N顯著低于其他種植系統(tǒng)，在四個(gè)級別團(tuán)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(tuán)聚體有機(jī)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(jī)碳氮分布與團(tuán)聚體分布和團(tuán)聚體有機(jī)碳氮的關(guān)系

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

表3　土壤有機(jī)碳和全氮含量與土壤團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量之間的關(guān)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(zhuǎn)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(zhì)產(chǎn)生影響，并影響土壤團(tuán)聚體的分布特征[11，13]。本研究結(jié)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(tuán)聚體含量，而這部分團(tuán)聚體在土壤肥力維持、物理性狀調(diào)節(jié)、生物學(xué)性質(zhì)改良以及對有機(jī)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(tuán)聚體分布特征的影響可能是其改善土壤性質(zhì)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(tuán)聚體的形成和土壤結(jié)構(gòu)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(xì)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(jié)構(gòu)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)間（5年/8年）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于短周期輪作系統(tǒng)中豆科植物豌豆參與輪作的時(shí)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(tuán)聚體的平均質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jī)碳和全氮含量，可能與該系統(tǒng)較高的地上部生物量有關(guān)。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(jī)物質(zhì)也較多，有利于土壤有機(jī)碳和氮的提高。此外，長周期輪作系統(tǒng)土壤有機(jī)碳和全氮的增加還與苜蓿的長期參與有關(guān)。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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)物質(zhì)的補(bǔ)充量較大。同時(shí)，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(jī)物也較多[27]，因而其參與的種植系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳和全氮也較高。另一方面，苜蓿為豆科植物，具有較強(qiáng)的固氮功能，其根瘤從大氣中固定的氮素儲(chǔ)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(jìn)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(jī)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(jié)果一致。

不同種植系統(tǒng)顯著影響0～20 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)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(dòng)范圍主要集中在表層土壤有關(guān)。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(cuò)帶地區(qū)也觀測到了相似的結(jié)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(zhuǎn)較慢[33]，其對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮分布的影響較小。本研究中不同級別團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的分布特征也與其他研究得到的結(jié)果相似。如郭菊花等[34]對江西紅壤性水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳的研究表明，有機(jī)碳主要分配在2～0.25 mm的大團(tuán)聚體上；Du等[14]對中國北部平原的研究表明，土壤有機(jī)碳積累量與2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量密切相關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)粒徑較大的團(tuán)聚體比粒徑較小的團(tuán)聚體含有更多的碳、氮；苗淑杰等[12]的研究表明＜0.053 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最低。團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳和全氮的這種分布模式可能與團(tuán)聚體形成過程中對有機(jī)碳和全氮的富集以及形成后對有機(jī)碳和全氮的保護(hù)作用有關(guān)[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(jìn)表層（0～20 cm）土壤有機(jī)碳和全氮的積累，而且有機(jī)碳和全氮的積累主要體現(xiàn)在大團(tuán)聚體上。這與Hajabbasi等[36]的研究結(jié)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(tuán)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(fù)后0～20 cm土層土壤有機(jī)碳的積累主要體現(xiàn)在大團(tuán)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(tuán)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(jī)碳積累幅度引起的，這也可以從長周期輪作系統(tǒng)團(tuán)聚體全氮與其他種植系統(tǒng)的差異大于有機(jī)碳與其他種植系統(tǒng)的差異得到驗(yàn)證。這些結(jié)果也表明，團(tuán)聚體碳氮特征能更詳細(xì)和敏感地反映種植系統(tǒng)對土壤碳氮分布和相關(guān)特征的影響。

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

4　結(jié)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(tuán)聚體數(shù)量和團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑，可以顯著改善土壤結(jié)構(gòu)。

（2）種植系統(tǒng)對土壤和團(tuán)聚體有機(jī)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(tuán)聚體有機(jī)碳含量，并且提高了所有級別團(tuán)聚體全氮含量，降低了土壤C/N。

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

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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(zhì)循環(huán)研究。E-mail：ycwei91@163.com

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

收稿日期：2015-09-11

中圖分類號：S153.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）02-0305-09

doi:10.11654/jaes.2016.02.014