土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳組分對苜蓿種植年限的響應(yīng)

羅珠珠,李玲玲,牛伊寧,蔡立群,張仁陟,謝軍紅

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國家重點實驗室,甘肅 蘭州730070)

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土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳組分對苜蓿種植年限的響應(yīng)

羅珠珠1,2,李玲玲2,牛伊寧2,蔡立群1,2,張仁陟2,謝軍紅2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國家重點實驗室,甘肅 蘭州730070)

通過設(shè)置在隴中黃土高原半干旱區(qū)的長期定位試驗，應(yīng)用干篩法與濕篩法比較不同種植年限苜蓿地和農(nóng)田土壤團聚體粒徑分布、平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)以及團聚體破壞率(percentage of aggregate destruction，PAD)的差異，分析探討了土壤團聚體穩(wěn)定性與土壤有機碳組分之間的關(guān)系。結(jié)果表明，土壤機械穩(wěn)定性團聚體粒徑分布呈中間低兩邊高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm的團聚體為優(yōu)勢粒徑；土壤水穩(wěn)性團聚體以<0.25 mm的團聚體為主，平均含量達90%以上。濕篩MWD僅在0～10 cm表層土中表現(xiàn)為不同種植年限苜蓿顯著高于農(nóng)田；PAD在0～30 cm土層表現(xiàn)為農(nóng)田顯著高于不同種植年限苜蓿，且隨苜蓿種植年限的延長呈降低趨勢。0～50 cm剖面不同深度土壤有機碳組分在處理間存在差異，其中總有機碳(total organic carbon，TOC)、重組有機碳(heavy fraction organic carbon，HFOC)和易氧化有機碳(readily oxidized organic carbon，ROOC)在0～10 cm土層均表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，說明苜蓿對土壤表層有機碳組分的提高只有達到一定種植年限之后才產(chǎn)生效應(yīng)。相關(guān)性分析表明，與土壤TOC相比，土壤輕組有機碳(light fraction organic carbon，LFOC)和ROOC與土壤水穩(wěn)性團聚體粒級分布及穩(wěn)定性指標(biāo)之間的相關(guān)性更為顯著，說明土壤活性有機碳組分對隴中黃土高原地區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性的貢獻率比土壤總有機碳更大。

黃土高原；紫花苜蓿；土壤有機碳組分；團聚體穩(wěn)定性

土壤團聚體是由礦物顆粒和有機物在土壤成分的參與下形成的不同尺度大小的多孔結(jié)構(gòu)單元[1]，作為土壤養(yǎng)分的貯存庫和各種土壤微生物的生境，其數(shù)量和大小分布影響著土壤質(zhì)量，良好的土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的團聚體對于提高孔隙度、改良土壤肥力和降低可蝕性具有重要作用。土壤團聚體穩(wěn)定性受土地利用類型、耕作方式和施肥水平的影響顯著。Pinheiro等[2]研究表明在傳統(tǒng)農(nóng)耕方式下農(nóng)地比草地土壤團聚體含量明顯降低；Caravaca等[3]研究認(rèn)為農(nóng)地土壤團聚體穩(wěn)定性明顯小于林地；陳山等[4]研究發(fā)現(xiàn)，與水田和林地相比，旱地和果園利用方式則大幅降低了土壤團聚體的穩(wěn)定性。土壤有機碳一直以來被作為土壤質(zhì)量或健康評價一個不可或缺的指標(biāo)。人類耕種活動會對農(nóng)業(yè)土壤有機碳的變化產(chǎn)生深刻影響，其中林地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田土壤有機碳損失25%～40%[5]，草地開墾為農(nóng)田土壤碳素?fù)p失30%～50%[6]。大量研究表明[7-8]，土壤總有機碳很難及時且準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)管理措施改變導(dǎo)致土壤質(zhì)量的短期變化，而土壤中活性有機碳組分：易氧化活性有機碳、輕組有機碳、顆粒有機碳等對農(nóng)業(yè)管理措施的響應(yīng)較總有機碳更為迅速，也更能作為反映因農(nóng)業(yè)管理措施的改變而引起土壤質(zhì)量早期變化的敏感性指標(biāo)。同時，土壤有機碳作為土壤質(zhì)量的指示標(biāo)志，對形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)起到重要作用，并能影響團聚體質(zhì)量以及不同直徑團聚體分布狀況，而團聚體的形成反過來影響土壤有機碳的分解，其中微團聚體對土壤碳具有物理保護作用，被認(rèn)為是碳吸存的主要場所[9]。

黃土高原是我國乃至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境脆弱。該地區(qū)耕地的平均侵蝕率為每年60 t/hm2，主要成因之一是傳統(tǒng)的土地翻耕和移走作物殘茬等耕作措施雖然有利于雜草控制和播種作業(yè)，但容易形成地表徑流，造成水土流失，且移走全部地上生物產(chǎn)量的傳統(tǒng)收獲方式，減少了有機物對土壤有機質(zhì)的補充，導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化[10]。紫花苜蓿(Medicagosativa)根系具有很強的根瘤固氮作用，其根瘤菌和大量的須根給土壤留下的腐殖質(zhì)可增加土壤有機質(zhì)，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)。因此，苜蓿作為退耕還林還草的主要草種，其在黃土高原地區(qū)的種植面積逐年擴大，對該區(qū)的生態(tài)修復(fù)、土壤結(jié)構(gòu)改善、土壤肥力提高起到極為重要的作用。近年來，國內(nèi)外關(guān)于苜蓿種植地土壤方面的研究主要集中在土壤水分方面[11-14]，而缺乏土壤結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)研究。因此，本研究針對隴中黃土高原半干旱區(qū)不同種植年限的苜蓿種植地，應(yīng)用干篩法與濕篩法比較不同種植年限苜蓿種植地和農(nóng)田土壤團聚體粒徑分布，并通過綜合應(yīng)用>0.25 mm的團聚體含量(R0.25)、MWD、PAD等指標(biāo)來描述土壤團聚體穩(wěn)定性特征，進一步分析探討土壤團聚體穩(wěn)定性與土壤有機碳組分的關(guān)系，以期為隴中黃土高原半干旱區(qū)苜蓿草地可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗設(shè)在黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村。試區(qū)屬中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2000 m，年均太陽輻射592.9 kJ/cm2，日照時數(shù)2476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃年積溫2933.5 ℃，≥10 ℃年積溫2239.1 ℃；無霜期140 d，年均降水量390.9 mm，年均蒸發(fā)量1531 mm，干燥度2.53，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)疏松，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好。

1.2試驗設(shè)計

2014年選取種植年限分別為3、10、12年紫花苜蓿種植地和農(nóng)田為研究對象，其中3 a生苜蓿于2012年4月播種；10 a生苜蓿于2005年4月播種；12 a生苜蓿于2003年7月播種；農(nóng)田為當(dāng)?shù)刂髟宰魑锺R鈴薯地。種植面積均在100 m2以上，地塊鄰近，地勢平坦，各處理3次重復(fù)。

1.3取樣方法

2014年10月苜蓿第二次刈割后分別采集0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3個層次土樣(一部分用于土壤團聚體分析，一部分用于土壤有機碳組分測定)，每小區(qū)3次重復(fù)，采集后裝于硬質(zhì)塑料保鮮盒帶回實驗室，在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動。將采集的土樣帶回實驗室內(nèi)自然風(fēng)干后，沿土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰分成1 cm左右的團塊，用于測定土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)。

1.4測定方法

土壤團聚體采用干篩法和濕篩法[15]測定，干篩法和濕篩法均通過孔徑為5.00、2.00、1.00、0.50和0.25 mm五個篩級，并計算R0.25、MWD和PAD。

(1)

PAD=(Wd-Ww)/Wd

(2)

式中:PAD為團聚體破壞率，Wd為干篩>0.25 mm團聚體所占比例，Ww為濕篩>0.25 mm團聚體所占比例。

土壤總有機碳(TOC)的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[16]；易氧化有機碳(ROOC)的測定采用333 mmol/L的高錳酸鉀氧化法[17]，輕組有機碳(LFOC)的測定通過浮選法進行分離[18]，重組有機碳(HFOC)則用差減法計算獲得。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同種植年限苜蓿地土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成

干篩法較少破壞土壤中某些瞬變性、臨時性有機膠結(jié)物質(zhì)，其測定的是自然狀態(tài)下土壤機械穩(wěn)定團聚體含量，包括水穩(wěn)性和非水穩(wěn)性團聚體。由表1可以看出，干篩法測定得到的土壤團聚體粒徑分布呈中間低兩邊高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm兩個粒徑團聚體為優(yōu)勢粒徑，二者之和在46%以上；5～2 mm、2～1 mm和1～0.5 mm居中；0.5～0.25 mm這一粒徑的團聚體含量最少，僅為10%左右。在表層0～10 cm土層，除10 a苜蓿地以>5 mm粒級的團聚體為主，且10和12 a苜蓿地5～2 mm團聚體含量略低于1～0.5 mm團聚體以外，其余各粒級百分含量分布均表現(xiàn)為：小于0.25 mm>大于5 mm>5～2 mm>1～0.5 mm>2～1 mm>0.5～0.25 mm。在10～30 cm和30～50 cm土層，除12 a生苜蓿地處理2～1 mm團聚體含量略低于1～0.5 mm團聚體，其余各粒級百分含量分布均表現(xiàn)為：大于5 mm>小于0.25 mm>5～2 mm>2～1 mm>1～0.5 mm>0.5～0.25 mm?？傮w而言，干篩法獲得的>0.25 mm團聚體含量(R0.25)較高，含量為69.90%～84.67%，其在0～10 cm和10～30 cm土層表現(xiàn)為10 a>3 a>農(nóng)田>12 a，在30～50 cm土層表現(xiàn)為3 a>10 a>農(nóng)田>12 a，且處理間差異達顯著水平(P<0.05)。干篩MWD呈現(xiàn)出和R0.25基本一致的趨勢，即表層0～10 cm和10～30 cm土層表現(xiàn)為10 a生苜蓿地最高，30～50 cm土層表現(xiàn)為3 a生苜蓿地最高，且與其他處理間差異均達顯著水平(P<0.05)。

2.2不同種植年限苜蓿地土壤水穩(wěn)性團聚體組成

作為土壤中的水穩(wěn)性團聚體，濕篩法獲得的團聚體其數(shù)量和分布狀況決定著土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及抗侵蝕的能力，特別是>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量可以判別土壤結(jié)構(gòu)的好壞，是判定土壤質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一。由表2可知，隨著土層深度的增加，各粒級水穩(wěn)性土壤團聚體含量及其MWD均呈現(xiàn)遞減趨勢，且不同處理在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3個層次的水穩(wěn)性團聚體含量均隨著粒徑的增大呈遞減趨勢，即表現(xiàn)為小于0.25 mm>0.5～0.25 mm>1～0.5 mm>2～1 mm>5～2 mm>大于5 mm，很明顯以<0.25 mm粒級的團聚體為主，平均含量達90%以上，而>5 mm粒級的團聚體含量極少，僅在3和10 a生苜蓿兩處理表層0～10 cm土壤中有少量存在。與干篩法相比，濕篩法獲得R0.25含量較低，含量僅為1.19%～8.71%，其在0～10 cm土層表現(xiàn)為12 a>10 a>3 a>農(nóng)田，在10～30 cm土層表現(xiàn)為10 a>3 a>12 a>農(nóng)田，且處理間差異顯著(P<0.05)；在30～50 cm土層處理間無顯著差異。與干篩法MWD有所不同的是，濕篩法MWD僅在表層0～10 cm表現(xiàn)為處理間差異顯著(P<0.05)，即不同種植年限苜蓿三處理均顯著高于農(nóng)田，在10～30 cm和30～50 cm土層處理間無顯著差異。研究發(fā)現(xiàn)，PAD在0～10 cm和10～30 cm土層均表現(xiàn)為農(nóng)田最大，顯著高于苜蓿三處理(P<0.05)，而30～50 cm土層各處理間無顯著差異。與MWD剛好相反，PAD則表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，呈現(xiàn)遞增趨勢。與農(nóng)田相比，不同種植年限苜蓿地PAD相對較小，且表現(xiàn)為隨種植年限的延長呈現(xiàn)降低趨勢。

表1　不同種植年限苜蓿土壤機械穩(wěn)定性團聚體粒徑分布

R0.25:>0.25 mm團聚體數(shù)量 Aggregates of diameter>0.25 mm； MWD:平均重量直徑 Mean weight diameter； PAD:團聚體破壞率Percentage of aggregate destruction. 同列不同小寫字母表示不同處理在5%水平上差異顯著。Different lowercase letters in the same column represent significant difference atP<0.05 between different treatments. 下同。The same below.

表2　不同種植年限苜蓿土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布

2.3不同種植年限苜蓿地土壤有機碳組分

由表3可知，除HFOC個別處理之外，不同處理土壤有機碳組分均呈現(xiàn)隨土層深度的遞增而下降的趨勢。其中TOC在0～10 cm土層表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，且12和10 a與3 a生苜蓿和農(nóng)田之間差異顯著(P<0.05)，12 a分別比3 a和農(nóng)田提高了45.37%和35.79%，10 a分別比3 a和農(nóng)田提高了33.36%和24.57%。10～30 cm和30～50 cm土層均表現(xiàn)為12 a>10 a>3 a>農(nóng)田，且處理間存在顯著差異(P<0.05)，其中10～30 cm土層12、10和3 a分別比農(nóng)田提高了65.85%、30.91%、21.06%，30～50 cm土層12、10和3 a分別比農(nóng)田提高了37.91%、33.45%、12.29%。 土壤HFOC呈現(xiàn)出與TOC基本一致的趨勢，即在表層0～10 cm表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，而在10～30 cm和30～50 cm土層表現(xiàn)為12 a>10 a>3 a>農(nóng)田，且處理間差異顯著(P<0.05)。土壤LFOC在0～10 cm土層以12 a生苜蓿最高，且與其他三處理間差異均達顯著水平(P<0.05)；10～30 cm和30～50 cm土層均表現(xiàn)為苜蓿處理高于農(nóng)田，但僅在30～50 cm土層處理間差異達顯著水平(P<0.05)。土壤ROOC在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3個土層均表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，且在0～10 cm和10～30 cm處理間存在顯著差異(P<0.05)，30～50 cm土層處理間無顯著差異。

表3　不同種植年限苜蓿土壤有機碳組分

TOC:總有機碳 Total organic carbon； HFOC:重組有機碳 Heavy fraction organic carbon； LFOC:土壤輕組有機碳 Light fraction organic carbon； ROOC:易氧化有機碳 Readily oxidized organic carbon.下同 The same below.

表4　土壤水穩(wěn)性團聚體與有機碳組分相關(guān)分析

*：表示在0.05水平下相關(guān)顯著；**：表示在0.01水平下相關(guān)顯著。

*: Correlation is significant at the 0.05 level; **: Correlation is significant at the 0.01 level.

2.4土壤團聚體穩(wěn)定性與有機碳組分關(guān)系

將土壤水穩(wěn)性團聚體指標(biāo)和土壤有機碳組分進行相關(guān)分析，結(jié)果如表4所示。很明顯各粒級水穩(wěn)性土壤團聚體和土壤有機碳及組分的相關(guān)系數(shù)均隨著粒級的降低呈增大趨勢，其中>5 mm水穩(wěn)性團聚體和土壤有機碳組分均無相關(guān)性；5～2 mm水穩(wěn)性團聚體和LFOC相關(guān)性達極顯著水平(P<0.01)，與TOC、HFOC和ROOC相關(guān)性達顯著水平(P<0.05)；2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團聚體均與TOC、HFOC、LFOC、ROOC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；<0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量與TOC、HFOC、LFOC、ROOC則呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。就土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)而言，R0.25與TOC、HFOC、LFOC、ROOC均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；MWD與TOC、HFOC、LFOC相關(guān)性達極顯著水平(P<0.01)，與ROOC相關(guān)性達顯著水平(P<0.05)；與R0.25和MWD相反，PAD與TOC、HFOC、LFOC、ROOC則表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

3　討論

3.1土壤團聚體對苜蓿種植年限的響應(yīng)

土壤團聚體與土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)，其含量與粒徑分布不僅影響作物生長發(fā)育，而且對土壤抗蝕性和土壤可持續(xù)利用等產(chǎn)生重要影響。其中干篩法反映的是原狀土壤中非水穩(wěn)性團聚體和水穩(wěn)性團聚體的總體狀況；而濕篩法反映的是水穩(wěn)性團聚體的特征，能更準(zhǔn)確地反應(yīng)不同土地利用方式對土壤結(jié)構(gòu)的影響。本研究干篩法測定得到的苜蓿種植地和農(nóng)田土壤機械穩(wěn)定性團聚體粒徑分布呈中間低兩邊高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm粒徑的團聚體為優(yōu)勢粒徑，這與以往的研究大致相同，高飛等[19]對寧南山區(qū)土壤進行干篩結(jié)果表明，土壤中的團聚體主要以>5 mm土壤團聚體為主。濕篩法測定得到的苜蓿種植地和農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體均以<0.25 mm粒級的團聚體為主，而水穩(wěn)性大團聚體(>0.25 mm)含量均不足10%，說明黃綿土耕層土壤團聚體穩(wěn)定性總體較低，很容易在水的作用下泡散，而且被水分散后較大的結(jié)構(gòu)體往往崩解為微團聚體或更小的土壤顆粒。

土壤團聚體穩(wěn)定性是土壤物理性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，MWD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強，尤其濕篩MWD更是評價土壤結(jié)構(gòu)好壞的重要指標(biāo)，其值愈高則土壤結(jié)構(gòu)性愈好。PAD作為評價土壤團聚體穩(wěn)定性的又一個重要指標(biāo)，一般表現(xiàn)為PAD值愈大則團聚體愈容易遭到破壞，團聚體穩(wěn)定性也就越低。本研究結(jié)果表明土壤團聚體機械穩(wěn)定性隨土層深度的增加而提高，其水穩(wěn)性則隨土層深度的增加而降低，這與宋麗萍等[20]的研究基本一致。因為土壤團聚體的水穩(wěn)性依賴于有機物質(zhì)的膠結(jié)作用，植物根系和真菌菌絲的機械絆纏作用對水穩(wěn)性大團聚體的形成與穩(wěn)定極為重要[21-22]，隨著土壤由表層過渡到亞表層及以下土層，土壤有機質(zhì)含量降低，導(dǎo)致其團聚體的水穩(wěn)性亦隨之降低。PAD在0～30 cm土層表現(xiàn)為農(nóng)田最大，顯著高于不同種植年限苜蓿種植地，這進一步表明種植苜?？梢栽鰪姼麑油寥缊F聚體水穩(wěn)性，因為與農(nóng)田相比，未經(jīng)翻耕的苜蓿土壤表層凋落物較多，微生物活性比較高，并且避免了機械以及人為對土壤的擾動，維持了團聚體數(shù)量和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；而農(nóng)田土壤耕作頻率和強度較高，導(dǎo)致較大粒徑團聚體破壞和有機碳的分解礦化，使其土壤團聚體穩(wěn)定性降低。當(dāng)前國內(nèi)外許多研究結(jié)果也得出類似的結(jié)論，Eynard等[23]就耕地和草地土壤比較，結(jié)果表明草地土壤團聚體穩(wěn)定性比耕作土壤高17%；Barber[24]研究發(fā)現(xiàn)苜蓿可增加土壤水穩(wěn)性團粒指數(shù)，4年試驗期間土壤水穩(wěn)性團粒指數(shù)隨其種植年限延長而增加；陳正發(fā)等[25]在紫色土旱坡地的研究表明，與耕作用地相比，長期種植紫花苜蓿的耕地表現(xiàn)了較好的團聚體穩(wěn)定性。

3.2土壤有機碳組分對苜蓿種植年限的響應(yīng)

土地利用方式的改變將會對土壤質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，其中主要表現(xiàn)在土壤有機碳及其組分衰減和增加[8]。已有的研究表明[26-28]，將草原和林地開墾為農(nóng)田后，導(dǎo)致土壤有機碳迅速衰減，而將農(nóng)田恢復(fù)為林地和草地后，有利于土壤有機碳含量的恢復(fù)和增加。本研究發(fā)現(xiàn)，TOC、HFOC和ROOC在0～10 cm土層均表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，這表明紫花苜蓿對表層土壤有機碳組分的提高只有到達一定的種植年限之后才明顯，因為紫花苜蓿生長初期需要消耗大量土壤養(yǎng)分，而這段時期其生理機能很弱，基本不能固氮。隨著植株進一步生長發(fā)育，其根部共生大量根瘤菌并具備了一定的固氮能力，此時雖然植株還在繼續(xù)吸收土壤中的養(yǎng)分，但同時能將空氣中的氮素固定，且根系也會產(chǎn)生一些有機分泌物，再加之部分地下生物死亡腐爛，可以增加土壤中有機碳含量。研究同時發(fā)現(xiàn)，整個0～50 cm土壤剖面各處理HFOC存在顯著差異，而LFOC和ROOC僅在表層0～10 cm差異顯著，這是由于苜蓿地下生物量在0～10 cm 表層聚集以及凋落物在土壤表層積累，使得土壤有機碳的生物化學(xué)循環(huán)主要發(fā)生在表層土壤，亞表層及以下土層LFOC經(jīng)過較長時間的轉(zhuǎn)化，形成了與粘粒結(jié)合較緊密的HFOC，但其機理有待進一步研究。

3.3土壤有機碳組分與水穩(wěn)性團聚體關(guān)系

土壤團聚體的形成依賴于有機質(zhì)的膠結(jié)作用，表層土壤中近90%的土壤有機碳位于團聚體內(nèi)[29]。穩(wěn)定的團聚體能夠?qū)x存于其中的有機碳形成有效保護，通常大團聚體(>0.25 mm)能夠儲存更多的有機碳，但是容易被破壞，形成微團聚體(<0.25 mm)，微團聚體對有機碳具有較強的物理保護作用，通常被認(rèn)為是碳吸存的主要場所。研究表明[30]，不同土地利用方式下有機質(zhì)含量對土壤水穩(wěn)性團聚體粒級分布具有重要影響，其中>5 mm水穩(wěn)性團聚體數(shù)量較多時，大粒徑團聚體破碎、分解為小粒徑團聚體比例就低，對有機質(zhì)的物理保護作用就強，濕篩MWD值也相對要高；而當(dāng)1～0.5 mm，0.5～0.25 mm及<0.25 mm較小粒徑水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量較多時，大粒徑團聚體破碎、分解比例較高，對有機質(zhì)物理保護作用下降，濕篩MWD值也就較低。本研究中，除了>5 mm水穩(wěn)性團聚體以外，其余0.25～5 mm各粒級水穩(wěn)性大團聚體以及團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)MWD、PAD均與土壤有機碳組分呈顯著或極顯著正相關(guān)，而<0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體與土壤有機碳組分呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤中有機碳含量與土壤團聚體的水穩(wěn)性密切相關(guān)，有機質(zhì)物理保護機理對隴中黃土高原地區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性具有重要影響，在團聚體形成及破碎過程中發(fā)揮重要的作用。同時本研究也發(fā)現(xiàn)，與土壤TOC相比，ROOC、LFOC與土壤水穩(wěn)性團聚體粒級分布以及穩(wěn)定性指標(biāo)之間的相關(guān)性更為顯著，說明土壤活性有機碳組分對土壤團聚體穩(wěn)定性的貢獻率比土壤總有機碳更大。

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Response of soil aggregate stability and soil organic carbon fractions to different growth years of alfalfa

LUO Zhu-Zhu1,2, LI Ling-Ling2, NIU Yi-Ning2, CAI Li-Qun1,2, ZHANG Ren-Zhi2, XIE Jun-Hong2

1.College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2.Gansu Key Laboratory of Aridland Crop Science, Lanzhou 730070, China

This study used dry and wet sieving methods to investigate the distribution and stability of soil aggregates, their mean weight diameter (MWD) and the percentage of aggregate destruction (PAD) in land that had been planted with alfalfa (Medicagosativa) for a range of different growth years (3, 10, and 12 years), and compares these results with those for cropland from a long-term experiment. The relationships between soil aggregates and both stability and soil organic carbon fractions were also studied. The results showed that soil aggregates had a “V”-shaped distribution under the different treatments. With dry sieving, the aggregates primarily involved small (<0.25 mm) and large (>5 mm) particle sizes, while with wet sieving they were dominated by <0.25 mm particles. The MWD of the alfalfa soils was significantly higher than that of the cropland soils at 0-10 cm depth. The PAD of alfalfa soils was significantly lower than that of cropland and it decreased with the increasing number of alfalfa growth years. Soil organic carbon fractions diverged greatly in the different treatments. The order of TOC (total organic carbon), HFOC (heavy fraction organic carbon) and ROOC (readily oxidized organic carbon) in 0-10 cm topsoil was 12 yrs>10 yrs>cropland>3 yrs, indicating that improvement in the organic carbon of alfalfa field topsoils is associated with the number of growth years. Correlation analysis returned the highest coefficients between water-stable aggregates and LFOC (light fraction organic carbon) and ROOC, suggesting that LFOC and ROOC rather than TOC play a vital role in maintaining soil aggregate stability on the Loess Plateau.

Loess Plateau; alfalfa; soil organic carbon fractions; soil aggregate stability

10.11686/cyxb2015585

2015-12-31；改回日期：2016-04-28

國家自然科學(xué)基金項目(41461067,31171513)，國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B03)，甘肅省科技計劃項目(145RJZA208)和甘肅省財政廳高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(037-041014)資助。

羅珠珠(1979-)，女，甘肅天水人，副教授，博士。E-mail：luozz@gsau.edu.cn

http://cyxb.lzu.edu.cn

羅珠珠, 李玲玲, 牛伊寧, 蔡立群, 張仁陟, 謝軍紅. 土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳組分對苜蓿種植年限的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(10): 40-47.

LUO Zhu-Zhu, LI Ling-Ling, NIU Yi-Ning, CAI Li-Qun, ZHANG Ren-Zhi, XIE Jun-Hong. Response of soil aggregate stability and soil organic carbon fractions to different growth years of alfalfa. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(10): 40-47.