連續(xù)種植不同綠肥的土壤團(tuán)聚體碳分布及其固持特征

張 欽，于恩江，林海波，張愛華，陳正剛，朱 青*，曹衛(wèi)東，姚單君

（1．貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村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．貴州省土壤肥料工作總站，貴州 貴陽 550003；3．貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025；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）

土壤有機(jī)碳約占陸地生物圈碳庫的2/3，而每年進(jìn)入土壤儲(chǔ)存的和以CO2形式釋放的碳量約占土壤有機(jī)碳總量的4%，土壤中的有機(jī)碳既是碳匯又是碳源［1］，而疏松熟化層表土中近90%的土壤有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)［2］。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，是土壤的核心組成部分，在水肥氣熱的調(diào)節(jié)過程中起到重要作用，同時(shí)影響著土壤酶活性高低，一定程度上決定了土壤的穩(wěn)定性。土壤團(tuán)聚體在形成、穩(wěn)定、周轉(zhuǎn)的過程中都伴隨著土壤固碳［3］，其有機(jī)碳含量變化是土壤有機(jī)碳平衡和礦化速率的微觀表現(xiàn)，不同粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量不同，其碳飽和值也不盡相同［4］。水穩(wěn)性團(tuán)聚體的保護(hù)機(jī)制與土壤碳固定密切相關(guān)，土壤有機(jī)碳對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和大小分布具有重要影響［5］，研究有機(jī)質(zhì)在大小不同的團(tuán)聚體中的分布特征，可為碳的固定和礦化提供重要信息［6］。有學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體中分布狀況做了研究，但所得結(jié)果不一，有研究［7-9］得出>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量高，而也有研究［10］認(rèn)為有機(jī)碳在＜0.25 mm團(tuán)聚體中含量達(dá)到最高?？梢姡寥缊F(tuán)聚體有機(jī)碳含量在土壤肥力與土壤碳匯中具有雙重意義［11］。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)。研究表明種植綠肥可以明顯使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，但不同綠肥效果不同［12-14］。溫帶濕潤(rùn)地區(qū)種植黑麥草可以增加土壤有機(jī)碳和土壤表層碳水化合物含量［15］，冬季種植黑麥草，其地上和地下部分生物量具有強(qiáng)的碳蓄積能力和供給土壤碳的潛力［16］。因此，綠肥作物的不同對(duì)土壤團(tuán)聚體固碳特征產(chǎn)生的差別也是值得我們探討的，本研究以幾種不同的綠肥為研究對(duì)象，通過連續(xù)種植后，分析了土壤團(tuán)聚體碳的含量、分布、富集、固持特征，探討了不同綠肥對(duì)土壤團(tuán)聚體碳的影響，為土壤固碳提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2011年起在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)連續(xù)種植5年（106°07′E，26°11′N），該區(qū)域海拔高度1 100 m，屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，年平均氣溫為15.3℃，年極端最高溫度為35.1℃，年極端最低溫度為-7.3℃，年平均相對(duì)濕度為77%，年平均總降水量為1 130 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為1 150 h。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為黃壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅色粘土殘積物，土壤有機(jī)質(zhì)45.1 g·kg-1、全氮1.88 g·kg-1、全磷 0.79 g·kg-1、全鉀 14.2 g·kg-1、堿解氮 170 mg·kg-1、有效磷 18.3 mg·kg-1、速效鉀 112 mg·kg-1、pH 值 5.58。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理：CK（清耕）、箭筈豌豆（Vicia sativa L.）、肥田蘿卜（Raphanussativus L.）、藍(lán)花苕子（Viciacracca L.）、毛葉苕子（Viciavillosa Roth）、光葉苕子（Viciavillosa var.），小區(qū)面積9 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。肥田蘿卜為十字花科綠肥，其余4個(gè)品種為豆科綠肥，其中箭筈豌豆是野豌豆屬，苕子是巢菜屬。清耕為不栽種任何作物，田間管理方式與其他處理相同，綠肥以單作方式，采用點(diǎn)播法，每穴間距為20～25 cm，深度為1～3 cm，每穴為5粒種子，生長(zhǎng)過程不施用任何肥料，每年9月間播種，待綠肥完成生長(zhǎng)期收割地上部分，不還田，試驗(yàn)連續(xù)重復(fù)進(jìn)行。

1.3 測(cè)定內(nèi)容和方法

于2016年8月進(jìn)行田間取樣，分別采集0～20、20～40 cm兩個(gè)土層的土壤樣品，每個(gè)小區(qū)分別取3個(gè)點(diǎn)的土壤作為該取樣小區(qū)的樣品。

團(tuán)聚體［17］：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。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干，沿土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰分成1 cm左右的團(tuán)塊，用于測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)。采用濕篩法獲得各級(jí)別團(tuán)聚體的含量，通過孔徑為5、2、1、0.5 和 0.25 mm 5 個(gè)篩級(jí)。

有機(jī)碳［18］：重鉻酸鉀容量法（外加熱法）。

土壤基本理化性質(zhì)［9］：土壤pH值采用水土比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-1NaHCO3浸提 - 鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用 1.0 mol·L-1NH4OAc浸提 - 火焰光度法測(cè)定。

1.4 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1.5 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（α=0.05），用Pearson法對(duì)土壤總有機(jī)碳與各粒徑之間團(tuán)聚體有機(jī)碳含量進(jìn)行相關(guān)分析。利用Excel 2007軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠肥對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

從圖1可以看出，種植綠肥使得土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生了一定的變化。在0～20 cm土層中，各處理間差異顯著，光葉苕子顯著高于CK，肥田蘿卜與CK差異不顯著，毛葉苕子最低；在20～40 cm土層中，CK最高，肥田蘿卜次之，但兩者差異不顯著，兩者分別較含量最低的箭筈豌豆顯著高6.79和6.45 g·kg-1。在空間分布上，CK和肥田蘿卜在兩個(gè)土層的總有機(jī)碳相近，其余處理隨著土層的加深呈現(xiàn)了土壤有機(jī)碳含量下降的趨勢(shì)，其中光葉苕子與箭筈豌豆較為明顯。

2.2 不同綠肥對(duì)土壤團(tuán)聚體碳分布規(guī)律的影響

種植綠肥使得土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在不同土層、不同粒徑上都產(chǎn)生了變化。如圖2和圖3所示，在0～20 cm土層中，大團(tuán)聚體（>0.25 mm）的碳含量隨粒徑增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，>5 mm粒徑中，CK團(tuán)聚體碳含量與其他處理差異不顯著，不同綠肥相比較，光葉苕子和肥田蘿卜分別顯著高出箭筈豌豆4.63和4.03 g·kg-1；5～ 2、2～ 1、1～0.5 mm粒徑中，光葉苕子團(tuán)聚體碳含量顯著高于其他處理；0.5～0.25 mm粒徑中，毛葉苕子最高，顯著高于CK、箭筈豌豆2.60和3.98 g·kg-1；＜0.25 mm粒徑中，同樣是毛葉苕子最高，分別較藍(lán)花苕子、箭筈豌豆高出3.74、3.76 g·kg-1。在20～40 cm土層中，團(tuán)聚體碳含量隨粒徑變化的趨勢(shì)較不明顯，2～1 mm粒徑的團(tuán)聚體碳含量最高。>5 mm粒徑中，CK團(tuán)聚體碳含量與其他處理差異不顯著，肥田蘿卜分別顯著高于箭筈豌豆、毛葉苕子 3.77 和 4.31 g·kg-1；5 ～ 2、2 ～ 1、1 ～ 0.5 mm粒徑中，各處理間的差異性顯著，肥田蘿卜含量顯著高于其他處理；0.5～0.25 mm粒徑中，肥田蘿卜最高，分別顯著高于CK、箭筈豌豆5.93和4.38 g·kg-1；＜0.25 mm粒徑中，CK最高，肥田蘿卜次之，分別較箭筈豌豆顯著高出6.73和6.38 g·kg-1。

圖1 不同處理在不同土層的土壤總有機(jī)碳含量

圖2 不同處理在0～20 cm土層的不同粒徑土壤有機(jī)碳含量分布

圖3 不同處理在20～40 cm土層的不同粒徑土壤有機(jī)碳含量分布

可以看出，在空間分布上，表層（0～20 cm）土壤的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高于深層土壤（20～40 cm），不同綠肥作物帶來的變化特征不同，且在20～40 cm土層產(chǎn)生的差異性更大。另外，在表層土壤（0～20 cm）中大團(tuán)聚體（>0.25 mm）碳含量隨著粒徑增大而呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，>5 mm粒徑團(tuán)聚體碳含量最高，在深層土壤（20～40 cm）中團(tuán)聚體碳含量隨粒徑變化的趨勢(shì)不明顯，2～1 mm粒徑的團(tuán)聚體碳含量最高。從不同綠肥作物上可以看出，光葉苕子提升0～20 cm表層土壤團(tuán)聚體碳含量的效果較為明顯，尤其是5～0.25 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體碳含量，而肥田蘿卜對(duì)20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體碳含量的提高更為顯著，特別是5～0.25 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體碳含量。

2.3 不同綠肥對(duì)土壤團(tuán)聚體碳富集的影響

顆粒富集系數(shù)（Enrichment Coefficient）反映了該團(tuán)聚體對(duì)該元素富集的強(qiáng)度，EC>1表明該元素優(yōu)先累積，EC＜1則表示優(yōu)先分解，EC>3強(qiáng)烈富集，當(dāng)EC≥1.5時(shí)相對(duì)富集，0.5≤EC≤1.5二者屬同一水平，EC＜0.5相對(duì)貧化，EC＜0.1時(shí)強(qiáng)烈貧化［19］。由圖4可以看出，總體上，EC在1.23與0.88之間，大團(tuán)聚體（>0.25 mm）中呈現(xiàn)了EC隨著粒徑的增大而增大的趨勢(shì)，微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）的EC均大于1，處于積累狀態(tài)。在大團(tuán)聚體（>0.25 mm）中EC隨著粒徑的減小而減小，并且土壤團(tuán)聚體碳富集狀態(tài)在1 mm粒徑處開始產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，>1 mm的各處理EC均>1，處于積累狀態(tài)，而＜1 mm時(shí)，CK和肥田蘿卜的EC低于1，進(jìn)入優(yōu)先分解狀態(tài)，但此時(shí)箭筈豌豆、藍(lán)花苕子、毛葉苕子的EC依然高于1，處于積累狀態(tài)，＜0.5 mm粒徑時(shí)，毛葉苕子的EC依然高于1，其他種植綠肥的處理EC雖然低于1，但較CK有顯著的增高，因此，連續(xù)種植綠肥能夠不同程度的提高土壤團(tuán)聚體碳富集系數(shù)，不同綠肥在大團(tuán)聚體（>0.25 mm）中的較小粒徑（1～0.25 mm）中產(chǎn)生的差異性較大，毛葉苕子顯著提高了＜1 mm粒徑的碳富集系數(shù)。

圖4 不同處理下不同粒徑土壤有機(jī)碳的富集系數(shù)

2.4 不同綠肥對(duì)土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體碳貢獻(xiàn)率的影響

由圖5可以看出，>0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體碳占了80%以上，其中>5 mm粒徑的碳貢獻(xiàn)率最大，0.5～0.25 mm粒徑的碳貢獻(xiàn)率最小；在不同綠肥之間，>5 mm粒徑的碳貢獻(xiàn)率變化較大，肥田蘿卜達(dá)到58.4%，而光葉苕子是6.1%，其他粒徑范圍的碳貢獻(xiàn)率變化較小。

2.5 土壤總有機(jī)碳與不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的關(guān)系

從表1可以看出，不同粒徑間存在一定的相關(guān) 關(guān) 系，>5 mm粒 徑 與5～ 2 mm、2～ 1 mm、0.5～ 0.25 mm、＜0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體碳極顯著正相關(guān)，5～ 2 mm粒徑與2～1 mm、1～0.5 mm粒徑的團(tuán)聚體碳極顯著正相關(guān)，2～1 mm粒徑與1～0.5 mm粒徑的團(tuán)聚體碳顯著正相關(guān)，0.5～0.25 mm粒徑與＜0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體碳極顯著正相關(guān)，可見，>1 mm粒徑的團(tuán)聚體碳之間呈現(xiàn)了顯著正相關(guān)性，相鄰粒徑之間的團(tuán)聚體碳之間關(guān)系密切，較大級(jí)別團(tuán)聚體碳與較小級(jí)別團(tuán)聚體碳含量之間關(guān)系密切。另外，土壤總有機(jī)碳的積累受到各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響。其中，從圖6可以看出，總有機(jī)碳與5～2 mm、2～1 mm團(tuán)聚體碳含量極顯著相關(guān)，擬合方程分別為y=1.267 4x-5.404 8（R2=0.757 1）、y=0.368x2-20.354x+309.36（R2=0.693 8），與1～0.5 mm粒徑的團(tuán)聚體碳含量顯著相關(guān)，并且5～2 mm、2～1 mm的相關(guān)系數(shù)大于0.6，說明5～1 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的增加對(duì)土壤總有機(jī)碳積累的影響較為突出。

圖5 不同處理下不同粒徑土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

表1 土壤有機(jī)碳含量與不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的相關(guān)性系數(shù)

圖6 土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體有機(jī)碳的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

清耕條件下的土壤有機(jī)碳含量在空間分布上變化較小，連續(xù)種植綠肥后土壤有機(jī)碳含量在空間分布上產(chǎn)生了較明顯的變化，土壤有機(jī)碳含量隨著土壤層次的加深均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。種植的綠肥不同也使得土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生顯著的差異，在0～20 cm土層中，光葉苕子顯著高于其他處理，在20～40 cm土層中，CK和肥田蘿卜顯著高于其他處理。另外，在表層土壤0～20 cm中大團(tuán)聚體（>0.25 mm）的碳含量隨著粒徑增大而呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，>5 mm粒徑團(tuán)聚體碳含量最高，在深層土壤20～40 cm中團(tuán)聚體碳含量隨粒徑變化的趨勢(shì)不明顯，2～1 mm粒徑的團(tuán)聚體碳含量最高。連續(xù)種植綠肥對(duì)兩個(gè)土層都產(chǎn)生了影響，但不同綠肥帶來的變化特征不同，且在20～40 cm土層產(chǎn)生的差異性更大。對(duì)于不同的綠肥而言，光葉苕子提升0～20 cm表層土壤團(tuán)聚體碳含量的效果較為明顯，而肥田蘿卜對(duì)20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體碳含量的提高更為顯著，其中，兩者對(duì)5～0.25 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體碳含量提升最為顯著。這可能與綠肥品種的根系長(zhǎng)度、生物量及主要分布深度相關(guān)，根系的活動(dòng)以及根系的有機(jī)體有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成，而土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳又具有調(diào)控作用。另外，也有研究表明作物類型、根系屬性，包括根系分泌物、根際微生物、根瘤菌等都會(huì)不同程度的影響土壤有機(jī)質(zhì)以及土壤團(tuán)聚體的形成與結(jié)構(gòu)［20-26］，因此，下個(gè)階段將結(jié)合綠肥根系方面的試驗(yàn)做進(jìn)一步探討。

根據(jù)團(tuán)聚體胚胎發(fā)育模型，可將團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體兩個(gè)等級(jí)，前者是粒徑>0.25 mm的團(tuán)聚體，后者是粒徑＜0.25 mm的團(tuán)聚體［27］。本次研究發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚體碳含量隨著粒徑增大而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，各粒徑土壤有機(jī)碳的富集系數(shù)在1.23與0.88之間，在大團(tuán)聚體（>0.25 mm）中的碳富集系數(shù)隨著粒徑的減小而減小，并且1 mm粒徑是團(tuán)聚體有機(jī)碳富集狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在>1 mm粒徑中，幾乎所有處理碳富集系數(shù)均大于1，處于積累狀態(tài)，而＜1 mm時(shí)CK和肥田蘿卜的富集系數(shù)低于1，其他綠肥（除毛葉苕子）處理的富集系數(shù)在＜0.5 mm時(shí)低于1，但較CK有顯著的增高，并且此時(shí)的毛葉苕子的碳富集系數(shù)依然高于1，可見，連續(xù)種植綠肥能夠不同程度的提高土壤團(tuán)聚體碳富集系數(shù)，不同綠肥在大團(tuán)聚體（>0.25 mm）中的較小粒徑（1～0.25 mm）中產(chǎn)生的差異性較大，毛葉苕子顯著提高了＜1 mm粒徑的碳富集系數(shù)。另一方面，各處理微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）的富集系數(shù)均大于1，處于積累狀態(tài)，并且在相關(guān)性上可以看出較大級(jí)別團(tuán)聚體碳與較小級(jí)別團(tuán)聚體碳含量之間關(guān)系密切，這可能是因?yàn)檩^小級(jí)別團(tuán)聚體相互膠結(jié)形成了大團(tuán)聚體，也可能是大團(tuán)聚體中的有機(jī)質(zhì)更多的是初期形成的穩(wěn)定性較低的有機(jī)質(zhì)［28］，而這些穩(wěn)定性較低的碳分解轉(zhuǎn)化進(jìn)入較小級(jí)別的團(tuán)聚體，使得二者之間關(guān)系緊密，而分解的碳也許來自于大團(tuán)聚體中的1～0.25 mm粒徑范圍，因?yàn)槠涓患禂?shù)低于1，說明其處于優(yōu)先分解的狀態(tài)，但是二者是否有必然的因果關(guān)系還需要做進(jìn)一步的驗(yàn)證。此外，大團(tuán)聚體（>0.25 mm）的團(tuán)聚體碳貢獻(xiàn)率占80%以上，其中>5 mm粒徑的碳貢獻(xiàn)率最大，且在不同綠肥之間差異較大，0.5～0.25 mm粒徑的碳貢獻(xiàn)率最小，可見，大團(tuán)聚體能夠更多地儲(chǔ)存并且更好地保護(hù)儲(chǔ)存在其中的有機(jī)碳，這也與Six等［28］、陳山等［29］、喬丹丹等［30］的研究結(jié)果相似。對(duì)于不同的綠肥而言，毛葉苕子的碳富集系數(shù)在＜1 mm粒徑均顯著高于其他處理并且處于積累狀態(tài)，但是這個(gè)粒徑范圍的碳貢獻(xiàn)率較小，這也許是導(dǎo)致其提升土壤團(tuán)聚體碳含量效果沒有光葉苕子明顯的原因之一。

另外，本次研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)種植綠肥后，土壤總有機(jī)碳受到各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響?？傆袡C(jī)碳與5～0.5 mm粒徑的團(tuán)聚體碳含量顯著相關(guān)，并且5～1 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的增加對(duì)土壤總有機(jī)碳積累的影響較為突出。其他研究表明，在蘋果園種植幾種不同草種后，5～0.25 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的增加對(duì)土壤總有機(jī)碳積累的影響明顯［31］，長(zhǎng)期化肥配施有機(jī)肥后增加各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量，特別是顯著增加了>2 mm 和2～0.25 mm有機(jī)碳的含量［32］，傳統(tǒng)耕作下總有機(jī)碳變化量與2～0.25 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳變化量顯著正相關(guān)［33］，可以看出，團(tuán)聚體中是通過大團(tuán)聚體來保護(hù)和固定更多有機(jī)碳的［22］。連續(xù)種植綠肥促進(jìn)了有機(jī)碳在5～1 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體中的固持，并且發(fā)現(xiàn)較大級(jí)別團(tuán)聚體碳與較小級(jí)別團(tuán)聚體碳含量之間關(guān)系密切，大級(jí)別團(tuán)聚體碳不僅對(duì)土壤總有機(jī)碳積累貢獻(xiàn)突出，還是小級(jí)別團(tuán)聚體碳長(zhǎng)期固存的基礎(chǔ)。