不同輪作序列對旱地胡麻土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響

，，*，，，，，，,

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[1]，不同粒級土壤團(tuán)聚體在養(yǎng)分的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用[2-3]，良好的土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的團(tuán)聚體對于提高土壤孔隙度、改良土壤肥力、降低可蝕性具有重要作用。土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性通常與穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量相聯(lián)系，而土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性受土地利用方式、耕作方式和施肥水平的影響[4]。田間耕作管理改變了土壤結(jié)構(gòu)，從而改變了土壤水分、溫度等環(huán)境因子，影響了微生物數(shù)量和活性，繼而影響了作物根系呼吸和有機(jī)質(zhì)的分解作用，表觀上引起了土壤呼吸的變化。干濕交替條件下土壤團(tuán)聚體破碎，土壤可溶性有機(jī)碳含量增加，微生物活性增強(qiáng)，土壤呼吸加快[5]。金雯暉等[6]研究發(fā)現(xiàn)，水旱輪作和旱旱輪作均能顯著增加土壤有機(jī)碳，在施等量氮肥情況下，水旱輪作0～10 cm 土壤有機(jī)碳增長高于旱旱輪作75%，而在不施肥情況下，水旱輪作高出約83%。在水分受限制的土壤中，由微生物參與的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化主要受到微生物所利用的有機(jī)底物的碳氮比的調(diào)控[7]，同時(shí)還受到微生物生長效率的影響[8]。長期保護(hù)性耕作可顯著提高表層土壤大團(tuán)聚體含量，降低微團(tuán)聚體含量，增加土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[9]。雖然大團(tuán)聚體不能直接長期保護(hù)土壤有機(jī)碳, 但是它們能夠固定更多的有機(jī)碳，并且通過與有機(jī)物和土壤環(huán)境相互作用促進(jìn)了微團(tuán)聚體的形成，從而為微團(tuán)聚體對有機(jī)碳的長期保護(hù)提供了條件[10]。土壤有機(jī)碳、微生物量和酶活性是評價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[11]，土壤有機(jī)碳在一定程度上影響著土壤結(jié)構(gòu)及其微生物多樣性，同時(shí)又是土壤肥力和基礎(chǔ)地力的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，在調(diào)節(jié)土壤水、肥、熱狀況等方面起到較好的維持作用，進(jìn)而影響著耕地生產(chǎn)力及穩(wěn)定性[12]。李慧瑛等[13]在麥-玉輪作、麥-豆輪作、麥-夏閑輪作模式的研究中發(fā)現(xiàn)，麥-豆輪作表層土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于麥-玉輪作和麥-夏閑輪作模式。戴建軍等[14]研究發(fā)現(xiàn)，大豆(Glycinemax)連作和玉米(Zeamays)連作的土壤微生物量碳、氮均高于大豆-玉米輪作。前人關(guān)于輪作模式對土壤有機(jī)碳和團(tuán)聚體的研究主要集中在小麥(Triticumaestivum)、苜蓿(Medicagosativa)、玉米和藥材等作物，關(guān)于旱作區(qū)胡麻不同頻率下的輪作序列的相關(guān)研究未見報(bào)道。

胡麻(Linumusitatissimum)，又稱油用亞麻，生育期短、適應(yīng)性廣，是西北和華北地區(qū)重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，也是甘肅省中部半干旱區(qū)、高寒區(qū)的主要油料作物[15]。胡麻油因富含α-亞麻酸、木酚素等營養(yǎng)成分，而引起了醫(yī)療、食品、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域的關(guān)注。尤其以胡麻為原料進(jìn)行油脂、藥品、保健食品以及化妝品的加工已成國際上研究的熱點(diǎn)[16-17]。近年來，隨著胡麻高附加值產(chǎn)品的研發(fā)，市場需求逐年增加，種植面積不斷擴(kuò)大，造成種植結(jié)構(gòu)單一，倒茬困難，連作普遍，引起胡麻病蟲害加劇，產(chǎn)量和品質(zhì)大幅下降等一系列問題[18]?？茖W(xué)合理的輪作是解決連作障礙的有效措施[19-20]，合理的茬口更換，不僅可以協(xié)調(diào)作物與土壤的關(guān)系，還能降低有害微生物在土壤中的累積[21]，在改善土壤微生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，促進(jìn)農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[20]，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。本研究利用2012-2016年長期定位試驗(yàn)，對隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)不同胡麻頻率的輪作序列下0～150 cm土壤有機(jī)碳、0～30 cm微生物量、土壤團(tuán)聚體進(jìn)行分析，探討不同胡麻頻率輪作序列下土壤有機(jī)碳、微生物碳氮含量和土壤團(tuán)聚體差異，以期篩選出適合旱地胡麻生產(chǎn)的高效種植模式，為該區(qū)土壤質(zhì)量改良和生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院西寨油料試驗(yàn)站。試驗(yàn)區(qū)屬中溫帶偏旱區(qū)，平均海拔2050 m，年均太陽輻射592.9 kJ·cm-2，日照時(shí)數(shù)2453 h，年平均氣溫6 ℃，無霜期213 d，年降水量390 mm。試區(qū)農(nóng)田土壤為黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，試驗(yàn)初期0～150 cm平均土壤容重為1.18 g·cm-3。供試土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分見表1。

表1 供試土壤含量養(yǎng)分Table 1 The chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)模式，3次重復(fù)，小區(qū)面積為3.0 m×5.0 m，隨機(jī)區(qū)組排列。供試作物為胡麻、春小麥和馬鈴薯(Solanumtuberosum)，前茬為胡麻。各處理詳細(xì)描述見表2。

其中，胡麻品種為隴亞10號，種植密度為7.50×106株·hm-2；馬鈴薯品種為新大平，種植密度為5.25×104株·hm-2；小麥品種為甘春25號，種植密度為3.75×106株·hm-2。各小區(qū)施肥量分別為胡麻：112.5 kg N hm-2，75 kg P2O5hm-2；馬鈴薯：225 kg N hm-2，150 kg P2O5hm-2；小麥：150 kg N hm-2，112.5 kg P2O5hm-2；氮、磷均全部作為基肥施用，生育期不再追肥。

1.3 土樣采集

土壤取樣方法及樣品保存：播前(Pre-planting,P)(2013年4月)和作物收獲后(小麥2016年6月、胡麻2016年8月、馬鈴薯2016年10月)對0～150 cm土層分5個(gè)層次采樣，分別為0～10 cm、10～30 cm、30～60 cm、60～90 cm和90～150 cm，同一小區(qū)同一深度采集的土樣，剔除石礫和植物殘茬等雜物，混合制樣，無菌塑料袋包裝，一部分土樣4 ℃冰箱保存，測定微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)、微生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)，另一部分土樣室內(nèi)風(fēng)干過0.25 mm篩，用于總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)和土壤顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon,POC)測定。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定；TOC 測定采用重鉻酸鉀外加熱法；POC測定：稱取過2 mm篩的風(fēng)干土20 g，放入三角瓶中，加入100 mL 5 g·L-1的六偏磷酸鈉溶液，在往復(fù)振蕩器振蕩18 h。把土壤懸液過0.05 mm篩，反復(fù)用蒸餾水沖洗，以篩POC，在 60 ℃下過夜烘干稱量(>12 h)，計(jì)算顆粒有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳含量[22]；MBC、MBN用氯仿熏蒸法測定[23]；土壤團(tuán)聚體采用濕篩法測定[24]，將樣品分離出>2.00 mm、1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm、0.25～0.50 mm及<0.25 mm的各級團(tuán)聚體。

式中:SOCs為特定深度的土壤有機(jī)碳儲量(t·hm-2)；Ci為第i層土壤的SOC含量(g·kg-1)；ρi為第i層土壤容重(g·cm-3)；Ti為第i層土壤厚度(cm)；n為土層數(shù)。

表2 試驗(yàn)處理描述Table 2 Treatments description

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 24.0軟件處理和分析數(shù)據(jù)，用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同胡麻輪作序列對0～30 cm土壤團(tuán)聚體的影響

研究分析了4年試驗(yàn)后不同胡麻輪作序列下土壤團(tuán)聚體的分布情況(圖1)?？梢钥闯?，0～30 cm土層各輪作序列均以微團(tuán)聚體含量(<0.25 mm)最多，占團(tuán)聚體總量的60%以上，而以>2.00 mm的大團(tuán)聚體含量最低，與播前相比，輪作序列顯著影響了0～10 cm土層土壤微團(tuán)聚體組成。從不同胡麻輪作序列來看，休閑模式下<0.25 mm微團(tuán)聚體含量低于播前，25%Flax處理與播前無顯著差異，50%Flax和100%Flax處理顯著降低了0～10 cm土層土壤微團(tuán)聚體含量。0～10 cm土層，25%Flax處理土壤微團(tuán)聚體含量最高，達(dá)80%以上，較播前、休閑、50%Flax和100%Flax分別顯著增加了0.97%～2.68%、10.81%～12.69%，22.45%～26.33%和23.80%～25.90%；播前和休閑處理的土壤微團(tuán)聚體含量分別較100%Flax處理顯著增加了22.61%和11.72%。50%Flax與100%Flax處理間無顯著差異。25%Flax處理下0.25～0.50 mm和0.50～1.00 mm團(tuán)聚體含量均顯著低于其他處理，分別占團(tuán)聚體總量的10%和3%左右。0.25～0.50 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為休閑較25%Flax處理顯著高48.18%，50%Flax和100%Flax處理分別較25%Flax處理顯著高出1和2倍。10～30 cm土層，連作處理(100%Flax)下，<0.25 mm土壤微團(tuán)聚體含量最低，較播前、休閑、25%Flax和50%Flax分別顯著低15.04%、9.49%、16.58%～23.33%和12.80%～15.69%；0.25～0.50 mm土壤團(tuán)聚體以連作處理最高，較休閑、25%Flax、50%Flax分別顯著高出34.77%、40.63%～69.21%和34.86%～35.78%，不同處理間>0.50 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異。

從0～30 cm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以看出，不同輪作序列對土壤團(tuán)聚體的影響主要表現(xiàn)在0.25～0.50 mm團(tuán)聚體上，25%Flax處理與播前無顯著差異。與播前相比，50%Flax和100%Flax胡麻輪作序列顯著降低了0～10 cm土層土壤微團(tuán)聚體含量。在不同輪作序列中，隨著胡麻頻率的增加，0.25～0.50 mm土壤團(tuán)聚體逐漸增加，休閑處理在25%Flax和50%Flax之間，相同胡麻頻率不同輪作序列對土壤團(tuán)聚體無顯著影響。表明0～30 cm土層≤0.50 mm土壤團(tuán)聚體含量主要受胡麻在輪作序列中所占頻率的影響。

圖1 不同胡麻輪作序列下0～30 cm土層土壤團(tuán)聚體Fig.1 Aggregates fractions in 0-30 cm soil depth under different crop rotation treatments P:播前 Pre-planting;F:休閑 Fallow.不同小寫字母表示同一粒級處理間差異顯著(P<0.05). Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at the same granularity at 0.05 level．

2.2 不同胡麻輪作序列下土壤總有機(jī)碳含量的垂直分布

輪作序列對0～10 cm土層土壤TOC含量影響最為顯著(圖2)，且呈表層富集現(xiàn)象，各輪作序列下不同土層間均以休閑處理下土壤TOC含量最高(P<0.05)。與播前相比，休閑顯著提高了土壤TOC含量，50%Flax和100%Flax處理顯著降低了土壤TOC含量，而25%Flax與播前處理相比無顯著差異。從不同土層來看，在0～10 cm土層，與100%Flax相比，休閑、25%Flax和50%Flax處理土壤TOC含量分別顯著增加了25.53%、6.69%～8.20%和3.05%；與50%Flax相比，25%Flax 處理土壤TOC含量顯著增加了3.93%～9.80%，25%Flax處理間無顯著差異；而50%Flax處理中，兩年胡麻連作的土壤TOC含量較輪作顯著低4.58%。10～90 cm土層，輪作與連作處理間土壤TOC含量無顯著差異，但仍表現(xiàn)出休閑>25%Flax>50%Flax>100%Flax處理。就0～150 cm總有機(jī)碳含量而言，與10～90 cm土層土壤TOC含量表現(xiàn)一致。休閑、25%Flax和50%Flax處理的土壤TOC含量分別較胡麻連作增加了21.81%、5.52%～7.11%和1.66%～3.60%；25%Flax與50%Flax相比，土壤TOC含量增加了1.86%～5.36%。表明當(dāng)胡麻所占比率相同時(shí)，輪作序列對土壤TOC含量的影響較小，胡麻所占比率越大，土壤TOC含量越低。休閑顯著增加土壤TOC含量，50%Flax和100%Flax處理顯著降低了土壤TOC含量。

2.3 不同輪作序列對0～150 cm土壤有機(jī)碳儲存量的影響

由表3可見，隨土層深度的增加，SOC儲量逐漸下降。休閑能夠顯著提高土壤有機(jī)碳儲存量(SOC儲量)，連作(100%Flax)處理土壤SOC儲量最低。不同輪作序列以25%Flax處理土壤SOC儲量最高。從不同土層來看，0～10 cm土層，與連作相比，休閑、25%Flax、50%Flax處理的SOC儲量分別顯著增加了31.71%、10.71%～13.62%和2.40%～6.68%，25%Flax處理間、50%Flax處理間土壤SOC儲量無明顯差異。10～30 cm土層，與播前、休閑、25%Flax、50%Flax處理相比，100%Flax土壤SOC儲量分別下降了4.67%、14.15%、3.55%～4.37%、-0.30%～4.50%；30～60 cm土層，土壤SOC儲量表現(xiàn)為休閑>播前>25%Flax≈50%Flax>100%Flax；25%Flax處理下60～90 cm和90～150 cm土層土壤SOC儲量較100%Flax分別高出7.29%～12.30%和8.54%～13.52%；50%Flax較100%Flax分別高出2.99%～5.06%和7.06%～15.84%；25%Flax處理間無顯著差異，50%Flax處理間存在差異，因?yàn)镕WPF(50%Flax)胡麻沒有連作，而WPFF(50%Flax)胡麻存在連作，說明胡麻連作顯著降低土壤SOC儲量，不同輪作序列顯著影響土壤SOC儲量。

圖2 不同輪作序列下土壤總有機(jī)碳含量Fig.2 The TOC contents from 0 to 150 cm soil depths under different crop rotations 不同小寫字母表示同一土層深度處理間差異顯著(P<0.05),下同。Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at the same soil depth at 0.05 level, the same below.

土壤深度Soil depth (cm)處理 TreatmentsPFPWFWWFWPFWPFWPFF FFFF0～1013.17±0.32b15.37±0.64a13.26±0.36b 12.92±0.36bc 12.45±0.41bc 11.95±0.58bc 11.67±0.33c 10～3024.19±0.38b26.38±0.69a24.12±0.25b 23.93±0.76b 23.04±0.17c24.15±0.21b 23.11±0.07c 30～6030.30±0.26b33.23±0.32a29.04±0.37c29.81±0.47bc29.12±0.73c 27.17±0.43d 26.79±0.32d 60～9020.16±0.12b23.67±0.46a19.71±0.42b 20.63±0.31b 18.92±0.61c 19.30±0.59bc18.37±0.76c 90～15034.47±0.43b39.17±0.38a30.90±0.18cd32.32±0.29c 32.98±0.45c30.48±0.34d 28.47±0.58e

注：不同小寫字母表示同一土層深度處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at the same soil depth at 0.05 level．

2.4 不同輪作序列下土壤顆粒有機(jī)碳含量的垂直分布

由圖3可以看出，不同輪作序列對土壤顆粒有機(jī)碳(POC)含量的影響主要集中在0～60 cm土層，對60 cm以下土層土壤POC含量影響較小，且隨著土層的加深，POC含量逐漸下降。在0～30 cm，播前土壤POC含量顯著高于休閑；30 cm以下土層，土壤POC含量休閑大于播前。從不同土層來看，0～10 cm土層，與播前、休閑、25%Flax和50%Flax處理相比，100%Flax處理土壤POC含量分別降低了17.00%、5.81%、9.19%～11.72%和2.00%～6.82%；25%Flax處理土壤POC含量較休閑、50%Flax和100%Flax分別顯著增加了3.73%～6.68%、2.62%～11.00%和10.13%～13.26%；25%Flax處理間土壤POC含量無顯著差異，當(dāng)胡麻頻率為50%時(shí)，連作處理下土壤POC含量顯著低于輪作。說明不同輪作序列顯著影響表層(0～10 cm)土壤POC含量，隨著胡麻頻率的增加，土壤POC含量逐漸下降，當(dāng)胡麻頻率為25%時(shí)，胡麻在輪作系統(tǒng)中出現(xiàn)的順序?qū)ν寥繮OC含量無顯著影響，當(dāng)胡麻頻率為50%時(shí)，胡麻在輪作系統(tǒng)中出現(xiàn)的順序顯著影響POC含量，且胡麻輪作較連作土壤POC含量顯著高5.17%。10～30 cm 土層，25%Flax 處理土壤POC含量顯著高于休閑、50%Flax和100%Flax，50% Flax顯著高于100%Flax，與播前無顯著差異；25%Flax較休閑、50%Flax和100%Flax分別顯著高13.46%～15.07%、7.77%～10.86%和21.81%～23.54%；休閑和50%Flax較100%Flax分別顯著高7.36%和11.44%～13.06%。30～60 cm土層，土壤POC含量仍表現(xiàn)為25%Flax顯著高于其他處理；50%Flax與休閑無顯著差異；25%Flax處理間無顯著差異；而50%Flax處理中，WPFF顯著低于FWPF。0～10 cm、30～60 cm土壤POC含量表現(xiàn)為25%Flax>休閑>50%Flax>100%Flax，而10～30 cm土壤POC含量表現(xiàn)為25%Flax>50%Flax>休閑>100%Flax，不同輪作序列對60 cm以下土層土壤POC含量影響較小。

圖3 不同輪作序列下不同土層土壤顆粒有機(jī)碳含量Fig.3 The POC contents from 0 to 150 cm soil depths under different crop rotation treatments

2.5 不同輪作序列下0～30 cm土壤微生物量含量

圖4 不同輪作序列下不同土層土壤微生物量碳含量Fig.4 Soil microbial biomass carbon contents at 0-30 cm soil depths under different crop rotation treatments 不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05), 下同。Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at 0.05 level, the same below.

2.5.1不同輪作序列下0～30 cm土層土壤微生物量碳含量 由圖4可以看出，不同輪作序列對0～30 cm土層土壤微生物碳(MBC)含量影響顯著，且均以胡麻頻率為50%的輪作處理(FWPF)土壤MBC含量最高。從不同土層來看，0～10 cm土層，50%Flax輪作處理土層MBC含量顯著高于其他處理，25%Flax處理顯著高于休閑和100%Flax處理，與播前、50%Flax(WPFF)和連作處理間無顯著差異，休閑和100%Flax處理間差異不顯著；播前、25%Flax和50%Flax處理土壤MBC含量與分別較100%Flax處理顯著增加26.72%、30.06%～32.95%和21.39%～60.40%；50%Flax輪作處理的土壤MBC含量較25%Flax顯著增加20.65%～23.33%。10～30 cm土層，F(xiàn)WPF(50%Flax)和PWFW(25%Flax)處理土壤MBC含量差異不顯著，二者顯著高于其他處理；播前、25%Flax和50%Flax處理下土壤MBC含量分別較100%Flax顯著增加9.23%、12.50%～29.81%和12.50%～33.56%。表明當(dāng)胡麻頻率占50%時(shí)，土壤MBC含量連作處理顯著低于輪作，100%Flax土壤MBC含量最低，與休閑處理差異不顯著，顯著低于其他處理。由此可見，隨著胡麻頻率的增加，0～30 cm土層土壤MBC含量逐漸降低，說明輪作換茬在一定程度上能夠顯著增加土壤MBC含量。

圖5 不同輪作序列下不同土層土壤微生物量氮含量Fig.5 Soil microbial biomass nitrogen contents at 0-30 cm soil depths under different crop rotation treatments

圖6 不同輪作序列下不同土層土壤微生物量C/NFig.6 Soil microbial biomass carbon/nitrogen at 0-30 cm soil depths under different crop rotation treatments

2.5.2不同輪作序列對0～30 cm土層土壤微生物量氮影響 由圖5可知，不同輪作序列對0～30 cm土層土壤微生物氮(MBN)含量的影響較大。連作顯著增加了土壤MBN含量，其中連作(100%Flax)處理下土壤MBN含量最高，50%Flax連續(xù)兩年連作土壤MBN含量最低。從不同土層來看，0～10 cm土層，100%Flax處理土壤MBN含量較播前、休閑、25%Flax、50%Flax(WPFF)和50%Flax(FWPF)分別增加了66.05%、100%、41.87%～98.42%、200%和1.26%。不同輪作序列對10～30 cm土層土壤MBN含量的影響表現(xiàn)為100%Flax最高，顯著高于其他處理，25%Flax處理間差異不顯著，休閑、25%Flax、50%Flax(WPFF)和50%Flax(FWPF)土壤MBN含量分別較100%Flax顯著降低了35.35%、50.35%～56.17%、69.23%和26.45%；胡麻連作4年后土壤MBN含量較第一年播前顯著增加了123.79%。

2.6 不同輪作序列下土壤微生物C/N

不同輪作序列下0～30 cm 土壤微生物C/N表現(xiàn)為100%Flax最低，50%Flax連作最高(P>0.05)，除播前外，其他處理均表現(xiàn)為0～10 cm土壤微生物C/N低于10～30 cm(圖6)。從不同土層來看，0～10 cm土層， 播前、休閑、25%Flax、50%Flax(WPFF)和50%Flax(FWPF)土壤微生物C/N分別較100%Flax顯著高出110.54%、83.14%、84.51%～163.80%、300%和62.43%。10～30 cm土層，土壤微生物C/N與0～10 cm土層一致，休閑顯著高于100%Flax，與25%Flax(WFWP)和50%Flax(FWPF)處理間差異不顯著，100%Flax較休閑、25%Flax、50%Flax(WPFF)和50%Flax(FWPF)分別顯著低35.04%、55.87%～66.23%、72.65%和44.93%。說明胡麻持續(xù)連作顯著降低0～30cm土層土壤微生物C/N，輪作倒茬或者休閑均能顯著提高土壤微生物C/N，以50%Flax(WPFF)處理下增加最多。

2.7 輪作序列與土層深度對土壤有機(jī)碳、微生物量的影響

對不同輪作序列與土層深度的土壤TOC、POC、MBC、MBN和MBC/MBN進(jìn)行方差分析表明(表4)，輪作序列對土壤MBC、MBN、微生物量C/N、POC及TOC含量影響顯著；土層深度對土壤MBC、MBN、MBC/MBN、POC及TOC含量的影響極顯著；輪作序列與土層的交互作用對土壤MBC、微生物量C/N和TOC影響顯著，對土壤MBN和POC影響不顯著，其主要原因是輪作方式與土層的交互作用對MBN和POC的貢獻(xiàn)小于對其他生化指標(biāo)的貢獻(xiàn)。表明輪作序列和土層對土壤有機(jī)碳、微生物量有顯著的影響，通過合理輪作序列可以提高土壤有機(jī)碳及微生物量，從而改善土壤肥力。

表4 不同輪作序列和土層對土壤有機(jī)碳、微生物量的影響(F值)Table 4 Effects of the crop rotation and soil depth on soil organic carbon, microbial biomass (F value)

*P<0.05, **P<0.01.

3 討論

3.1 輪作方式對0～30 cm土層土壤團(tuán)聚體的影響

土壤團(tuán)聚體不僅是指示土壤肥力狀況的重要表征指標(biāo)，而且是形成土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)，顯著影響土壤中的許多理化性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)[24]，其穩(wěn)定性對土壤肥力、土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤的可持續(xù)利用有很大的影響[25]。土壤有機(jī)碳與土壤團(tuán)聚程度關(guān)系密切[26-27]，團(tuán)聚體形成作用被認(rèn)為是土壤固碳的最重要機(jī)制[9]，不同粒級團(tuán)聚體在養(yǎng)分的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用[2-3]，良好的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)可以貯存更多SOC[28]。李婕等[29]在18年冬小麥、夏玉米長期定位試驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)，不同組分有機(jī)物與氮肥配施增加了土壤大團(tuán)聚體的比例，但不同施肥管理措施之間無差異。高會議等[30]研究發(fā)現(xiàn)，黑壚土有機(jī)碳含量與粒徑>5.00 mm和2.00～5.00 mm的團(tuán)聚體含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與<0.125 mm的團(tuán)聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。本研究通過對4年試驗(yàn)后不同輪作序列土壤團(tuán)聚體的分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0～30 cm土層不同輪作序列均以微團(tuán)聚體含量(<0.25 mm)最多，占團(tuán)聚體總量的60%以上，而以>2.00 mm的細(xì)大團(tuán)聚體含量最低，不同輪作序列對土壤團(tuán)聚體的影響主要表現(xiàn)在對<0.25 mm和0.25～0.50 mm微團(tuán)聚體的影響上，25%Flax處理與播前相比無顯著差異，而50%Flax和100%Flax處理顯著降低了土壤微團(tuán)聚體含量。

3.2 輪作序列對0～150 cm土層土壤有機(jī)碳含量、儲量及分布的影響

土壤有機(jī)碳作為衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，根據(jù)第二次全國土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)碳含量越高則意味著土壤肥力質(zhì)量越好，對評價(jià)土壤發(fā)展具有重要意義，是土壤團(tuán)聚體形成的重要基礎(chǔ)[31-33]。植物在生長過程中所需要的營養(yǎng)都來自土壤本身，每年從農(nóng)田移出大量農(nóng)產(chǎn)品，使土壤有效養(yǎng)分大量虧損，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的形成量小于礦化量[13]。輪作改變了作物殘?bào)w或根系的數(shù)量、種類，從而影響到土壤有機(jī)碳的固定、礦化，以及土壤有機(jī)碳的數(shù)量[34]。趙靖靜等[35]認(rèn)為，與苜蓿連作模式相比，苜蓿輪作[小麥、玉米、馬鈴薯、谷子(Setariaitalica)]的土壤TOC含量分別降低了17.44%、9.25%、18.40%和9.34%。本研究表明，不同輪作序列能夠顯著提高土壤耕層 TOC含量，輪作序列對0～10 cm土層土壤TOC含量影響最為顯著，呈現(xiàn)表層富集現(xiàn)象，各處理不同土層間均以休閑處理土壤TOC含量顯著高于其他處理。土壤POC的含量表現(xiàn)為當(dāng)胡麻占25%時(shí)，胡麻位置對土壤POC含量無顯著影響；當(dāng)胡麻占50%時(shí)，胡麻位置顯著影響土壤POC含量；胡麻輪作較連作土壤POC含量顯著高5.17%。不同輪作序列改變了田間微生物環(huán)境，由于不同的作物改變了土壤結(jié)構(gòu)和土壤理化性狀，提高了土壤通透性，進(jìn)而提高了土壤有機(jī)碳含量。輪作序列下不同作物的根系及落葉殘茬等有機(jī)物質(zhì)不斷歸還于耕作層，且耕作層水熱條件較好，有機(jī)質(zhì)分解狀況良好，有利于碳的固定，因此，土壤TOC及POC均呈現(xiàn)出了表層富集的現(xiàn)象，這與陳娟等[22]研究結(jié)果一致。胡麻連作下土壤TOC及POC含量均低于輪作，這與連作障礙有密切關(guān)系，因?yàn)檫B作可導(dǎo)致土壤養(yǎng)分及土壤酶活失調(diào)、化感物質(zhì)累積和土壤微生物群失調(diào)等一系列問題，致使土壤的生物和非生物環(huán)境因子顯著惡化，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳含量[36]。

研究結(jié)果表明，0～150 cm土層土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加不斷增加，而土壤TOC和POC含量則隨土層深度的增加逐漸下降。主要是因?yàn)殡S著土層深度的增加，作物落葉殘茬、根系及根系分泌物等有機(jī)質(zhì)投入減少，降低了土壤有機(jī)碳的循環(huán)與轉(zhuǎn)化[37]。長期連作能夠?qū)е峦寥烙袡C(jī)質(zhì)中穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)減少，而易分解結(jié)構(gòu)增加，有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)趨于簡單化，易被分解，碳含量降低[38]。本研究表明，試驗(yàn)實(shí)施4年后，休閑處理土壤SOC儲量最高，輪作序列以25%Flax處理SOC儲量最高，以100%Flax最低，當(dāng)胡麻占25%時(shí)，胡麻位置對土壤SOC儲量無顯著影響，當(dāng)胡麻占50%時(shí)，胡麻位置對土壤SOC儲量存在影響，輪作較連作有利于提高土壤SOC儲量。

3.3 輪作序列對0～30 cm土層土壤微生物量及分布的影響

土壤微生物生物量是土壤微生物活性的一個(gè)總的指標(biāo)[39]，不僅參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)等多個(gè)生化過程，而且作為土壤有機(jī)質(zhì)的降解者和植物營養(yǎng)物質(zhì)的活性庫，在土壤和植物群落內(nèi)部及全球物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用[40]。人們常將土壤微生物量碳、氮視為直觀反映土壤微生物活性及土壤肥力狀況的重要指標(biāo)[41]，能非常靈敏地反映環(huán)境因子的變化，較其他土壤理化指標(biāo)對土壤肥力變化的響應(yīng)更為迅速[42]。Collins等[43]研究認(rèn)為，有苜蓿參與的輪作農(nóng)田中，土壤微生物生物量碳和氮含量比連作玉米田或連作大豆田的高。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同輪作序列對土壤微生物量碳含量影響較大，連作處理下土壤MBC含量最高，50%Flax連續(xù)兩年連作最低。而對土壤微生物量氮含量影響表現(xiàn)為連作處理最高，50%Flax連續(xù)兩年連作最低。通過對微生物碳氮比的分析發(fā)現(xiàn)，胡麻持續(xù)連作顯著降低了0～30 cm土層土壤 MBC/MBN，不同的輪作倒茬方式或者休閑均能顯著提高土壤MBC/MBN，其中以50%Flax連作增幅最大。

4 結(jié)論

1)探明了不同胡麻頻率及輪作序列下土壤團(tuán)聚體的空間分布情況。0～30 cm土層各輪作序列均以微團(tuán)聚體含量最多，占團(tuán)聚體總量的60%以上，大團(tuán)聚體含量最低，≤0.50 mm土壤團(tuán)聚體含量主要受胡麻在輪作序列中所占頻率的影響。不同輪作序列和胡麻頻率顯著影響土壤微團(tuán)聚體含量，相同胡麻頻率下胡麻所處位置對其無顯著影響，25%胡麻頻率利于保持土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

2)輪作較連作顯著提高了0～10 cm土層土壤TOC和POC含量，呈現(xiàn)表層富集現(xiàn)象。胡麻頻率是影響土壤SOC儲量的關(guān)鍵因素。胡麻頻率相同時(shí)輪作序列對土壤TOC含量的影響較小，50%Flax處理下，胡麻位置對土壤SOC影響顯著，且輪作顯著高于連作。25%Flax處理顯著增加了土壤TOC和SOC含量，有利于土壤養(yǎng)分的保持。

3)隨著胡麻連作比率的增加，0～30 cm土層土壤MBC含量逐漸降低，輪作換茬在一定程度上能夠顯著增加MBC含量，與播前、休閑、輪作相比，連作顯著降低土壤微生物碳氮比，50%Flax輪作序列(WPFF)顯著增加了土壤微生物碳氮比。

4)輪作序列和土層對土壤有機(jī)碳、微生物量有顯著的互作效應(yīng)，合理輪作序列可以提高土壤有機(jī)碳及微生物量，從而改善土壤肥力。25%胡麻頻率的輪作序列均可維持土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，是旱地胡麻比較理想的輪作序列。