連續(xù)種植不同綠肥作物耕層的土壤團(tuán)聚體特征

張 欽，于恩江，林海波，張愛華，陳正剛，朱 青*，曹衛(wèi)東，朱大雁

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，貴州 貴陽 550006；2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025；3.貴州省土壤肥料工作總站，貴州 貴陽 550003；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

【研究意義】土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，其形成是土壤微生物、植物根系及復(fù)雜的物理化學(xué)過程的作用結(jié)果，團(tuán)聚體多少?zèng)Q定土壤肥沃程度，不僅利于土壤通氣，也使土壤有良好的供肥性[1]。土壤團(tuán)聚體的形成、特征及作用功能十分復(fù)雜，既受土壤本身物質(zhì)組成的影響，還受人為活動(dòng)等因素的影響[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有研究表明，1～10 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體有利于調(diào)節(jié)土壤通氣和持水間養(yǎng)分的釋放與保持間的矛盾，而不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性表現(xiàn)不同[3-4]，保護(hù)性耕作有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤環(huán)境[5]，施用有機(jī)肥能顯著增加>0.25 mm 粒級(jí)的團(tuán)聚體含量、MWD 和 GMD 值[2]，翻壓綠肥后增加土壤中>7 mm 的大團(tuán)聚體含量，降低<1 mm的小團(tuán)聚體含量[6]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤團(tuán)聚體在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及土壤可持續(xù)發(fā)展利用方面具有重要的意義。綠肥在我國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展上具有重要的地位，種植翻壓綠肥可以活化土壤中的礦質(zhì)元素、提升土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)，而對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】筆者等通過連續(xù)種植幾種不同綠肥作物，分析機(jī)械穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體組成、水穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體組成、水穩(wěn)定性土壤大團(tuán)聚體含量、土壤平均重量直徑、土壤幾何平均直徑的特征，研究連續(xù)種植不同綠肥作物對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響，為改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和土壤資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 綠肥品種 箭筈豌豆(ViciasativaL.)、肥田蘿卜(RaphanussativusL.)、藍(lán)花苕子(ViciacraccaL.)、毛葉苕子(ViciavillosaRoth)、光葉苕子(Viciavillosavar.)，種子均從國(guó)家種質(zhì)資源庫引進(jìn)。

1.1.2 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)于2011年起在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院(106°07′E，26°11′N)內(nèi)連續(xù)種植5 a，試驗(yàn)地海拔1100 m，屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，年平均氣溫15.3 ℃，年極端最高溫度35.1 ℃，年極端最低溫度-7.3 ℃，年平均相對(duì)濕度77 %，年平均總降水量1129.5 mm，年平均日照時(shí)數(shù)1148.3 h。土壤為黃壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅色粘土殘積物，土壤有機(jī)質(zhì)45.05 g/kg、全氮1.88 g/kg、全磷0.79 g/kg、全鉀14.21 g/kg、堿解氮169.9 mg/kg、有效磷18.3 mg/kg、速效鉀112.2 mg/kg、pH 5.58。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理：CK(清耕)、箭筈豌豆、肥田蘿卜、藍(lán)花苕子、毛葉苕子、光葉苕子，小區(qū)面積9 m2，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。清耕為不栽種任何作物，田間管理方式與其他處理相同；綠肥單作點(diǎn)播，每穴5粒種子，穴間距20～25 cm，深度1～3 cm，生長(zhǎng)期間不施用任何肥料，每年9月播種，次年6月收割地上部分，試驗(yàn)連續(xù)重復(fù)進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 指標(biāo)測(cè)定 于2016年6月收割地上部分前田間取樣，采集0～20 cm土層土壤樣品，每個(gè)小區(qū)分別取3個(gè)點(diǎn)帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干備測(cè)。在采集和運(yùn)輸過程中盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng)，以免破壞團(tuán)聚體。

土壤基本理化性質(zhì)：土壤pH采用水土比2.5∶1(pH計(jì)法)，全氮采用凱氏定氮法，全磷含量采用酸溶鉬銻抗比色法，全鉀采用HF-HClO4消解火焰光度法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，堿解氮用堿解擴(kuò)散法-標(biāo)準(zhǔn)酸滴定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻忼比色法，速效鉀采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[7]。

團(tuán)聚體：沿土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰分成1 cm 左右的團(tuán)塊，通過孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 mm套篩，分別稱重計(jì)算出各級(jí)干篩團(tuán)聚體占土壤總量的百分率，并按干篩的比例配成50 g風(fēng)干土樣，然后用Elliott[8]土壤團(tuán)聚體濕篩法獲得不同粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。具體方法：將樣品放置于孔徑自上而下為5、2、1、0.5、0.25 mm的各級(jí)套篩之上，先用水緩慢濕潤(rùn)后放入水中，最頂層篩的上邊緣保持低于水面，豎直上下振蕩5 min；收集各級(jí)篩層團(tuán)聚體并分別轉(zhuǎn)移至鋁盒當(dāng)中，然后烘干稱重，計(jì)算各級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分含量[9-10]，平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)。

式中，mi為各級(jí)團(tuán)聚體的重量百分含量，ri為第i個(gè)篩的孔徑大小(mm)，并且r0=r1，rn=rn+1，n為篩子的數(shù)量。

式中，mi為土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體的重量(g)；lnri為土壤粒級(jí)平均直徑的自然對(duì)數(shù)。

按照顆粒大小，將>0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體劃為大團(tuán)聚體，<0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體劃為微團(tuán)聚體，大團(tuán)聚體豐富是土壤良好結(jié)構(gòu)特征的表現(xiàn)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 采用EXCEL 2007和SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較，用Pearson法進(jìn)行相關(guān)分析。利用EXCEL 2007軟件作圖。數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

不同小寫字母表示在P≤0.05水平差異顯著(下同)Different lowercase letters indicate significance of difference at P ≤0.05 level. The same as below圖1 不同處理土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量Fig.1 The contents of mechanical-stable aggregate under different treatment

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量

從圖1看出，各處理均以>0.25 mm粒徑大團(tuán)聚體為主，說明土壤團(tuán)聚性較好，隨粒徑減小質(zhì)量呈減小趨勢(shì)。>5 mm與5～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體含量間極顯著負(fù)相關(guān)，5～2 mm與2～1 mm、2～1 mm與1～0.5 mm、1～0.5 mm與0.5～0.25 mm粒徑間呈顯著正相關(guān)(表1)。在不同品種中，團(tuán)聚體粒徑>5 mm的以光葉苕子最高，是最低藍(lán)花苕子的2.39倍；5～2 mm粒徑的以肥田蘿卜最高，是最低光葉苕子的2.31倍；2～1 mm粒徑、1～0.5 mm粒徑、0.5～0.25 mm粒徑中均以毛葉苕子最高。

2.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量

圖2 不同處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量Fig.2 The contents of water-stable aggregate under different treatment

從圖2看出，各處理均以>0.25 mm粒徑大團(tuán)聚體為主，除光葉苕子外，隨粒徑減小質(zhì)量呈減小趨勢(shì)，以>5 mm粒徑團(tuán)聚體的含量最高。各粒徑間的團(tuán)聚體相關(guān)性較高，>5 mm與<5 mm粒徑的團(tuán)聚體含量間極顯著負(fù)相關(guān)，5～2 mm與2～1 mm粒徑間極顯著正相關(guān)，2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒徑相互間極顯著正相關(guān)(表2)。在不同品種中，團(tuán)聚體粒徑>5 mm的以肥田蘿卜最高，是最低光葉苕子的8倍；5～2 mm粒徑的以藍(lán)花苕子最高，2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm粒徑的均以光葉苕子最高。

2.3 土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量

從圖3可知，CK的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量為85.06 %，而連續(xù)種植綠肥的為83.11 %～87.79 %，與CK間差異均不顯著。在不同綠肥作物中，毛葉苕子的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量最高，肥田蘿卜次之，兩者分別比最低的光葉苕子顯著提高5.63 %和5.42 %?？傮w看，連續(xù)種植綠肥有利于形成土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，從圖4、表3看出，>5 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量極顯著相關(guān)，擬合方程為y=5.469x-439.62，R2=0.6025，說明，>5 mm粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增加有利于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體積累。

表1 各粒徑土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的相關(guān)系數(shù)Table 1 The correlation coefficients between mechanical-stable aggregate of different sizes

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)，下同。
Note:* and ** indicate significance of correlation atP<0.05 andP<0.01 levels, respectively. The same as below.

表2 各粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficients between water-stable aggregate of different sizes

表3 土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與各粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficients between big water-stable aggregate and water-stable aggregate of different sizes

2.4 土壤平均重量直徑

從圖5看出，連續(xù)種植綠肥對(duì)土壤平均重量直徑的影響較大，土壤平均重量直徑為肥田蘿卜>毛葉苕子>CK>箭筈豌豆>藍(lán)花苕子>光葉苕子，肥田蘿卜的平均重量直徑最大，比CK高18.75 %，比光葉苕子、藍(lán)花苕子分別顯著高114.75 %和40.16 %，光葉苕子較CK顯著降低44.67 %。

圖3 不同處理的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量Fig.3 The contents of big water-stable aggregate layers under different treatment

圖4 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量的線性關(guān)系Fig.4 The relationship between water-stable aggregate and big water-stable aggregate

2.5 土壤幾何平均直徑

從圖6看出，連續(xù)種植綠肥對(duì)土壤幾何平均直徑的影響較大，土壤幾何平均直徑為肥田蘿卜>毛葉苕子>CK>箭筈豌豆>藍(lán)花苕子>光葉苕子，肥田蘿卜的幾何平均直徑最大，比CK高14.16 %，比箭筈豌豆、藍(lán)花苕子、光葉苕子分別顯著高30.44 %、42.02 %和173 %，光葉苕子較CK顯著降低58.24 %。

2.6 土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與土壤穩(wěn)定性的關(guān)系

從圖7、表4看出，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與土壤平均重量直徑、土壤幾何平均直徑間具有線性關(guān)系，土壤平均重量直徑與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量間極顯著正相關(guān)，擬合方程為y=0.2203x-16.397，R2=0.6626，土壤幾何平均直徑與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量間極顯著正相關(guān)，擬合方程為y=0.0856x-6.3969，R2=0.5295。表明，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量越高，土壤平均重量直徑、幾何平均直徑越大，土壤結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚度越高。

圖5 不同處理土層的土壤平均重量直徑Fig.5 The mean mass diameter in different soil layers under different treatment

圖6 不同處理的土壤幾何平均直徑Fig.6 The geometric mean diameter under different treatment

圖7 土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與土壤直徑的線性關(guān)系Fig.7 The relationship between big water-stable aggregate and diameter

3 討 論

良好的土壤結(jié)構(gòu)需要較多且粒徑分配比例適當(dāng)?shù)耐寥缊F(tuán)聚體[11]，土壤團(tuán)聚體主要受施肥方式、種植制度和輪作方式等影響[12]。土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚含量高低及組成是評(píng)價(jià)團(tuán)聚體質(zhì)量的重要指標(biāo)[13]，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、持水性、通透性和抗侵蝕能力[14]，是評(píng)價(jià)團(tuán)聚體抵抗外力破壞能力的重要指標(biāo)[15]。有研究表明，秸稈覆蓋能增加>0.25 mm土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體13.0 %～26.4 %，增加>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體18.6 %～45.7 %[16]。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植光葉苕子的耕層土壤主要提高>5 mm粒徑的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和0.25～2 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，肥田蘿卜主要提高5～2 mm粒徑的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量、>5 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，藍(lán)花苕子和毛葉苕子主要提高0.25～2 mm粒徑的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量。這可能與不同綠肥作物的根系分布、生物量相關(guān)，根系的活動(dòng)以及根系分泌物、根際微生物、根瘤菌等都會(huì)不同程度影響土壤團(tuán)聚體的形成與結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生差異性，因此，今后將結(jié)合綠肥根系方面的試驗(yàn)做進(jìn)一步探討。

良好的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)除有合理的粒徑比例分配外，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量也具有重要作用，直徑>0.25 mm 的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是由許多土粒多層次凝聚和多次膠結(jié)形成，調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣和熱[17]，與土壤肥力之間存在一定的正比例關(guān)系，大團(tuán)聚體豐富是土壤良好結(jié)構(gòu)特征的表現(xiàn)[18]。有研究表明，化肥與有機(jī)肥配施有利于大團(tuán)聚體的形成，對(duì)0.25～5 mm粒徑水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的促進(jìn)作用最明顯[19]。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植綠肥有利于土壤水穩(wěn)性大聚體的形成，其中肥田蘿卜的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量最高，>5 mm粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增加有利于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的積累。

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)常被用來反映土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，GMD是對(duì)土壤團(tuán)聚體在主要粒級(jí)分布的描述，而MWD為各級(jí)團(tuán)聚體的綜合指標(biāo)，兩者值越大團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好[2]。一般認(rèn)為，大團(tuán)聚體含量、MWD和GMD越大，土壤團(tuán)聚體分布狀況與穩(wěn)定性越好[20]。研究表明，連續(xù)種植綠肥對(duì)土壤團(tuán)聚體直徑的影響不同，肥田蘿卜、毛葉苕子有利于耕層土壤平均重量直徑、幾何平均直徑的提升，而光葉苕子降低土壤團(tuán)聚體的直徑。土壤團(tuán)聚體的組成與直徑是表征土壤團(tuán)聚程度的重要指標(biāo)，兩者有緊密聯(lián)系，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，MWD和GMD越大，土壤結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚度越高。

表4 各粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相關(guān)性系數(shù)Table 4 The correlation coefficients between big water-stable aggregate and diameter

4 結(jié) 論

連續(xù)種植光葉苕子的耕層土壤主要提高>5 mm粒徑的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量、0.25～2 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，肥田蘿卜主要提高2～5 mm粒徑的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量、>5 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，藍(lán)花苕子和毛葉苕子主要提高0.25～2 mm粒徑的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量；連續(xù)種植綠肥有利于土壤水穩(wěn)性大聚體的形成，其中肥田蘿卜的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量最高，>5 mm粒級(jí)的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加有利于水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的積累；連續(xù)種植肥田蘿卜、毛葉苕子有利于耕層土壤平均重量直徑、幾何平均直徑的提升，而光葉苕子降低土壤團(tuán)聚體的直徑。