長期連作棉田土壤團聚體有機碳及氮磷鉀含量的變化

石巖松　曹晶晶　李琳琳　劉建國

摘要：依托棉花長期連作定位試驗，設置秸稈還田條件下棉花連作5、10、15、20年及無秸稈還田處理下連作5、10、20年處理，對比分析不同連作年限棉田土壤水穩(wěn)性團聚體中養(yǎng)分的變化特征，對深入認識連作棉田土壤肥力演變及對合理施肥均具有重要的理論價值。結(jié)果表明，無論是秸稈還田還是無秸稈還田土壤中有機碳和全氮在水穩(wěn)性團聚體總的分布規(guī)律是一致的，各個處理團聚體中的有機碳、全氮含量由高到低的順序依次為：>1 mm，<0.053 mm，0.25≤ 粒徑≤1 mm，0.053≤粒徑<0.25 mm，且各個處理團聚體中有機碳、全氮含量隨著粒徑的不斷增大呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。在秸稈還田處理中，各個粒徑水穩(wěn)性團聚體中有機碳、全氮含量隨著連作年限的增加而增加;而無秸稈還田處理中，各個粒徑水穩(wěn)性團聚體中有機碳、全氮含量隨著連作年限的增加而降低。土壤中全磷、全鉀含量較均勻地分布在各個粒徑的團聚體中，表明團聚體中全磷、全鉀含量受粒徑變化的影響較小。不同粒級水穩(wěn)性團聚體中的養(yǎng)分對土壤總體養(yǎng)分的貢獻率從高到低依次為0.25≤粒徑≤1 mm、粒徑<0.053 mm、0.053≤粒徑<0.25 mm，粒徑>1 mm團聚體。秸稈還田處理下0.25≤粒徑≤1 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率總體隨著連作年限的增加而增加;0.053≤粒徑<0.25 mm和粒徑<0.053 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率隨著連作年限的增加逐漸減低;粒徑>1 mm 團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。無秸稈還田處理0.25≤粒徑≤1 mm、0.053≤粒徑<0.25 mm和粒徑<0.053 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率與秸稈還田處理呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

關鍵詞：棉花;連作;秸稈還田;土壤團聚體;土壤養(yǎng)分

中圖分類號：S152.4;S153.6 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0270-05

收稿日期：2018-07-09

基金項目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201503120）;國家自然科學基金（編號：31260307）。

作者簡介：石巖松（1995—），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事綠洲生態(tài)與農(nóng)作制度研究。E-mail：shiyansong23@163.com。

通信作者：劉建國，博士，教授，主要從事農(nóng)田生態(tài)環(huán)境與農(nóng)作制度研究。E-mail：l-jianguo@126.com。

土壤團聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和特征反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并對于土壤結(jié)構(gòu)具有重要影響[1-2]。土壤有機碳和養(yǎng)分與土壤團聚體密切相關，是團聚體形成和保持穩(wěn)定性的重要影響因素之一，不同粒徑團聚體中養(yǎng)分含量對于土壤養(yǎng)分循環(huán)、團聚體的形成和破壞以及土壤肥力的保持具有重要的意義[3-5]。不僅土壤類型、質(zhì)地、成土礦物類型和氣候類型會對土壤養(yǎng)分在團聚體中的分布狀況產(chǎn)生影響，而且種植的植被、土地利用方式、開墾年限、肥力水平、施肥方式等也會影響團聚體的組成和養(yǎng)分分布情況[6-8]。不同土地利用方式下，養(yǎng)分在不同粒徑土壤團聚體中的分布不同，有機碳、氮含量隨土壤團聚體粒徑的增大均減小，而全磷、全鉀、堿解氮含量則較均勻地分布在各粒徑團聚體中，速效鉀含量隨土壤團聚體粒徑的增大呈先增大后降低的趨勢，不同粒徑團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率主要取決于該粒徑團聚體含量[9]。長期連續(xù)施肥后不同粒徑土壤團聚體中碳、氮、磷的含量均增加，施入土壤的養(yǎng)分主要進入2～10 μm 粒徑的土壤顆粒中，說明該粒徑對土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運和保存起著重要作用[10-11]。長期植茶有利于土壤團聚體中全氮、堿解氮、全磷、有效磷的積累，但速效鉀含量卻逐年降低[12];王雙磊等研究認為，棉花連作3年及秸稈還田能增加大團聚體的百分含量，降低微團聚體含量，顯著提高各粒徑團聚體中有機碳、堿解氮和速效鉀的含量，提高大團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率[13]。

土壤團聚體深刻影響著土壤碳氮分布、養(yǎng)分遷移與轉(zhuǎn)化[14]，因此，了解養(yǎng)分在土壤團聚體中的分布，對調(diào)控土壤肥力和增加土壤養(yǎng)分儲量具有重要意義。國內(nèi)外眾多學者對土壤團聚體養(yǎng)分含量在不同土地利用方式、耕作方式和施肥處理下的分布進行了較多研究[15-18]，但關于作物長期固定種植模式下各粒徑土壤團聚體中養(yǎng)分含量的動態(tài)演變特征的研究還鮮有報道。新疆綠洲棉花生產(chǎn)集約化、機械化程度高，在植棉區(qū)棉花種植比重占耕地面積的55%～80%，導致棉花常年連作，同時秸稈全量粉碎還田，成為綠洲農(nóng)田有機培肥的主要方式。本試驗以棉花長期連作定位試驗土壤為研究對象，探討連作年限對土壤團聚體養(yǎng)分含量變化的影響，旨在了解在棉花連作過程中土壤肥力的演變規(guī)律，為制訂科學合理的土壤培肥措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆石河子市石河子大學農(nóng)學院試驗站（86°03′E，45°19′N）長期連作定位試驗田，地處天山北麓中段，屬溫帶大陸性氣候，光照資源豐富而降水稀少，一年一熟制，為典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)海拔443 m，年平均日照時數(shù)達2 865 h，大于10 ℃積溫為3 480 ℃，無霜期165 d，年平均降水量208 mm，年平均蒸發(fā)量1 660 mm，溫度日差較大，供試土壤為灌耕灰漠土。

1.2 田間試驗設計

試驗于2015年在石河子大學農(nóng)學院試驗站棉花長期連作定位試驗田進行，選取秸稈還田模式下連作5、10、15、20年棉田小區(qū)（分別標記為5、10、15、20年），無秸稈還田模式下連作5、10、20年棉田小區(qū)（分別標記為CK5、CK10和CK20）共計7個處理，每個處理3次重復。棉花秸稈還田連作模式是每年秋季棉花收獲后將全部秸稈用鍘刀切成5～8 cm小段，即模擬大田生產(chǎn)棉花秸稈機械還田方式，入冬前結(jié)合所施化肥翻入耕層，然后冬灌;棉花無秸稈還田連作模式是棉花收獲后將全部秸稈帶出農(nóng)田，然后施化肥、翻耕、冬灌。棉花秸稈中C、N、P、K平均含量分別約為41.3%、1.69%、0.43%、3.14%（均以干質(zhì)量計），化肥施用量為氮（純N）肥 300 kg/hm2、磷（P2O5）肥150 kg/hm2、鉀（K2O）肥75 kg/hm2，氮肥的30%，磷、鉀肥的100%作基肥，于棉花收獲后結(jié)合翻耕施入，其余70%氮肥作追肥隨水滴施。棉花品種為新陸早46號，按30 cm+60 cm+30 cm寬窄行距配置，采用膜下滴灌，每年4月20日左右播種，留苗密度為19.8萬株/hm2，每年7月上旬打頂。全生育期滴灌11次，滴灌總量 5 400 m3/hm2，其他管理措施與一般大田管理一致。

1.3 樣品采集與測定

土樣采集：在棉花播種前按照“S”形采樣方式采集3個樣點剖面0～30 cm土層原狀土樣，每個處理3次重復。土樣采集后放入塑料盒內(nèi)帶回實驗室，在運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以避免破壞土壤的團聚體結(jié)構(gòu)。然后放于實驗室內(nèi)自然風干并沿著土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰開，同時防止土壤結(jié)構(gòu)因外力作用而變形，去除土壤中的植株殘體、石塊等雜物，讓土樣自然風干，備用。

土樣養(yǎng)分含量測定：水穩(wěn)性團聚體百分含量的測定采用濕篩法，通過分離出 <0.053 mm，0.053≤粒徑<0.25 mm，0.25≤粒徑≤1 mm，>1 mm 粒級的團聚體進行測定。土壤團聚體中有機碳、全氮、全磷、全鉀含量的測定參照鮑士旦的方法[19]進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期連作棉田土壤水穩(wěn)性團聚體中有機碳的分布

如圖1所示，土壤水穩(wěn)性團聚體中的有機碳含量因粒徑分布而異。團聚體中的有機碳主要分布在粒徑>1 mm、0.25≤粒徑≤1 mm和粒徑<0.053 mm的團聚體中，而0.053≤粒徑<0.25 mm土壤團聚體中含量相對最低。秸稈還田處理團聚體中有機碳含量在9.02～14.99 g/kg范圍內(nèi)，隨著連作年限的增加，各個粒徑團聚體內(nèi)有機碳含量逐漸增加。在無秸稈還田處理下團聚體中有機碳含量隨連作年限的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。秸稈還田處理團聚體中有機碳含量高于無秸稈還田處理。無論秸稈還田處理還是無秸稈還田處理，團聚體中有機碳的含量均隨著粒徑的增大呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。與同一連作年限的無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理下連作20年處理粒徑<0.053 mm團聚體有機碳含量增幅最大，達47.4%;其次為秸稈還田連作20年處理粒徑>1 mm團聚體，其有機碳含量較CK20處理增加了38.2%。秸稈還田連作5年處理0.053≤粒徑<0.25 mm團聚體有機碳含量較CK5處理增幅最小，然后是秸稈還田連作5年處理粒徑>1 mm 團聚體。秸稈還田可以提高各個粒徑水穩(wěn)性團聚體中有機碳的含量，且隨著連作年限的增加，增幅不斷增加，本試驗中水穩(wěn)性團聚體中有機碳的含量在連作30年達到最大。與同一連作年限的無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理在各個粒徑團聚體中有機碳含量增幅最大的是<0.053 mm 粒徑，而增幅最小的是0.053≤粒徑<0.25 mm 的團聚體。秸稈還田處理中各級水穩(wěn)性團聚體中有機碳含量大體由高到低的順序依次為粒徑>1 mm、<0.053 mm，0.25≤粒徑≤1 mm，0.053≤粒徑<0.25 mm。

2.2 長期連作棉田土壤水穩(wěn)性團聚體中全氮的分布

由圖2可見，土壤中全氮主要分布在粒徑 >1 mm 和粒徑<0.053 mm水穩(wěn)性團聚體中，0.053≤粒徑<0.25 mm團聚體中全氮含量最少。秸稈還田處理中團聚體的全氮含量為0.58～0.82 g/kg，各個粒徑團聚體中全氮含量隨著連作年限的增加不斷增加，其中0.053≤粒徑<0.25 mm團聚體中全氮含量在各個處理間差異顯著。無秸稈還田處理團聚體中全氮含量為 0.49～0.70 g/kg，隨著連作年限的增加，團聚體中全氮含量不斷下降。秸稈還田處理的全氮含量均顯著高于無秸稈還田處理。與同一連作年限的無秸稈還田處理相比，隨著秸稈還田連作年限的增加，團聚體中全氮含量增加的幅度不斷增大，連作20年處理中全氮含量增幅達到最大。與同一連作年限的無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理下不同粒徑團聚體中全氮含量增幅最大的為粒徑<0.053 mm的團聚體，秸稈還田5、10、20年與CK5、CK10、CK20相比團聚體全氮含量分別增加了6.5%、 29.4%、38.1%。秸稈還田處理中水穩(wěn)性團聚體中全氮含量總體由高到低的順序依次為粒徑>1 mm、粒徑<0.053 mm、0.25≤粒徑≤1 mm，0.053≤粒徑<0.25 mm。所有處理下團聚體全氮含量均隨著粒徑的逐漸增大呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。這一變化趨勢與團聚體中有機碳含量的變化趨勢一致。

2.3 長期連作棉田土壤水穩(wěn)性團聚體中全磷的分布

由圖3可以看出，秸稈還田處理團聚體中全磷含量隨著連作年限的增加而增加，至連作30年時達到最大值。無秸稈還田處理團聚體中全磷含量隨著連作年限的增加也呈現(xiàn)增長趨勢。各個粒徑團聚體中，秸稈還田處理全磷含量高于無秸稈還田處理。所有處理土壤中全磷含量較均勻地分布在各個粒徑的團聚體中，表明團聚體全磷含量受粒徑變化的影響較小。

2.4 長期連作棉田土壤水穩(wěn)性團聚體中全鉀的分布

由圖4可知，秸稈還田處理不同連作年限土壤水穩(wěn)性團聚體中全鉀含量為18.9～23.2 g/kg，無秸稈還田處理全鉀含量為18.1～21.6 g/kg;所有處理各粒徑團聚體的全鉀含量分布比較均勻，表明土壤團聚體全鉀含量受粒徑變化的影響較小。在秸稈還田處理中，除粒徑>1 mm團聚體外，各粒徑土壤團聚體的全鉀含量隨著連作年限的增加總體呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。在無秸稈還田處理中，土壤團聚體的全鉀含量隨著連作年限的增加呈現(xiàn)增加趨勢。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理各個粒徑團聚體中全鉀含量較高，且隨著連作年限的增加，增長幅度不斷減小。秸稈還田處理大團聚體（粒徑≥0.25 mm）中全鉀含量高于微團聚體（粒徑<0.25 mm）中的含量，說明大團聚體對土壤全鉀的儲存及固定有著積極的作用。

2.5 長期連作棉田土壤團聚體養(yǎng)分對土壤養(yǎng)分的貢獻率

將各個粒徑土壤團聚體含量與不同粒級團聚體中養(yǎng)分放在一起考慮，不僅能詳細地反映團聚體對土壤的貢獻率，也能全面和客觀地反映秸稈還田對長期連作棉田的作用效果。如表1所示，不同粒級團聚體養(yǎng)分對土壤養(yǎng)分的貢獻率從高到低依次為0.25≤粒徑≤1 mm、粒徑<0.053 mm、0.053≤粒徑<0.25 mm，粒徑>1 mm的團聚體。其中，有機碳含量的 37.6%～49.2%的貢獻率來自于0.25≤粒徑≤1 mm團聚體，其次是粒徑<0.053 mm團聚體;而粒徑>1 mm團聚體和0.053≤粒徑<0.25 mm團聚體對土壤有機碳含量的貢獻率較少，分別為6.1%～7.4% 和5.3%～15.2%。0.25≤粒徑≤1 mm團聚體對土壤全氮的貢獻率最大，為44.2%～58.6%;粒徑>1 mm團聚體對全氮的貢獻率最小，為7.4%～8.2%。在0.25≤粒徑 ≤1 mm 團聚體中養(yǎng)分含量相對較高，而且土壤中該粒級的團聚體含量是最高的，因此它的貢獻率也相對較高。在粒徑>1 mm團聚體中養(yǎng)分含量較高，但土壤中該粒級的團聚體含量最低，因此其貢獻率也是最低的。由此可見，土壤團聚體對土壤養(yǎng)分含量的貢獻率與團聚體含量高度正相關。>1 mm粒徑的團聚體百分含量最低，但是該級團聚體的養(yǎng)分含量卻是最高的。如果想要提高土壤整體養(yǎng)分的含量，可通過提高土壤大團聚體養(yǎng)分含量或者提高大團聚體的含量實現(xiàn)。

秸稈還田處理下0.25≤粒徑≤1 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率總體隨著連作年限的增加而增加;0.053≤粒徑<0.25 mm 和粒徑<0.053 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率隨著連作年限的增加逐漸減低;粒徑>1 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。無秸稈還田處理下0.25 mm≤粒徑≤1 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率總體隨著連作年限的增加而降低;0.053≤粒徑<0.25 mm和粒徑<0.053 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率隨著連作年限的增加逐漸增加。與無秸稈還田處理相比，在粒徑>1 mm和 0.25≤粒徑≤1 mm團聚體中，秸稈還田處理團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率總體高于無秸稈還田處理;在0.053 mm≤粒徑<0.25 mm和<0.053 mm團聚體中，秸稈還田團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率低于無秸稈還田處理。

3 討論

土壤中的氮、磷、鉀是植被生長和恢復生長的主要影響因子，是土壤肥力的重要組成部分，不同粒徑的團聚體對土壤中氮、磷、鉀的保持、供應和轉(zhuǎn)化能力不同[20-21]。

本研究結(jié)果表明，不同連作年限土壤中的有機碳、全氮主要集中在粒徑>1 mm、0.25≤粒徑≤1 mm和粒徑<0.053 mm 的團聚體中。這一結(jié)果與Lee等的研究結(jié)果[22-23]一致，其中Lee等在長期施肥對水稻土壤有機碳變化及土壤物理性質(zhì)影響的研究中表明，粒徑<0.053 mm團聚體中有機碳含量占土壤總有機碳含量的75%。秸稈還田處理下各粒徑團聚體中有機碳、全氮含量隨著連作年限的增加而增加。無秸稈還田處理下各粒徑團聚體中有機碳和全氮含量隨著連作年限的增加而下降，且秸稈還田處理高于無秸稈還田處理。這主要是由于秸稈中含有植物所需的大量元素以及微量元素，而秸稈中的大部分養(yǎng)分也都歸還到農(nóng)田土壤中，提高農(nóng)田土壤的養(yǎng)分和肥力[24]。在粒徑≥0.25 mm團聚體中有機碳、全氮含量隨著粒徑的增大而增加，但在粒徑<0.25 mm 微團聚體中情況相反，隨著粒徑的增大而減少，且大團聚體中有機碳、全氮含量高于微團聚體，這與Jastrow等的研究結(jié)論[25-26]一致。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能有2種：一是各粒級團聚體中有機碳的礦化速度不同，二是秸稈還田后土壤中有機膠結(jié)物質(zhì)增多，使得小粒級的團聚體向大粒級團聚體團聚，在這個過程中碳、氮隨之遷移。而在粒徑<0.053 mm團聚體中有機碳、全氮含量高的原因可能是在微團聚體中粒徑越小，比表面積越大，對有機碳及全氮的吸附能力就越強[27]。徐陽春等研究表明，土壤團聚體粒徑越小，對NH4+的吸附量就越多，因此小粒徑團聚體全氮含量較高[28]。當然也有與之相反的結(jié)論，李瑋等認為，不同植茶年限土壤較小粒徑團聚體中有機碳、全氮含量高于較大粒級的團聚體，粒徑 <0.25 mm 團聚體中有機碳、全氮含量最高;這可能與種植的作物和土壤的類型不同有關[29]。各個粒徑團聚體中全磷、全鉀含量分布較均勻，沒有明顯的差異，這與鄭子成等的研究結(jié)果[9，27]一致。這可能是因為土壤中的磷素本身性質(zhì)穩(wěn)定，易被固定、吸附，不易移動流失[27]。因此，各個粒徑團聚體中全磷含量無明顯差異。

4 結(jié)論

秸稈還田處理下，不同粒徑土壤團聚體中有機碳、全氮含量隨著連作年限的增加而增加。而無秸稈還田處理下，團聚體中有機碳、全氮含量隨著連作年限的增加而下降，且秸稈還田處理各粒徑土壤水穩(wěn)性團聚體中有機碳、全氮含量均高于無秸稈還田處理。土壤團聚體中全磷含量無論是否秸稈還田均隨著連作年限的增加而增加。

連作棉田土壤團聚體中有機碳、全氮含量隨粒徑減小呈先下降后增加的趨勢，主要分布在粒徑>1 mm的大團聚體和粒徑 <0.053 mm 的微團聚體中，全磷、全鉀含量在不同粒徑的團聚體中分布較均勻，受粒徑變化的影響較小，表明不同粒徑水穩(wěn)性團聚體對土壤碳、氮、磷、鉀的保持、供應和轉(zhuǎn)化能力存在明顯差異。

不同粒級團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率有37%～62%來自0.25≤粒徑≤1 mm團聚體，其次是粒徑<0.053 mm團聚體，占13.7%～34.0%。秸稈還田處理下0.25 mm≤粒徑≤1.00 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率總體隨著連作年限的增加而增加;0.053≤粒徑<0.25 mm和粒徑<0.053 mm團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率隨著連作年限的增加逐漸減低，在無秸稈還田處理下變化相反。

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