稻草覆蓋和香根草籬聯(lián)合調(diào)控紅壤坡耕地土壤團聚體粒組碳鉀分配規(guī)律①

李繼文，柳開樓，余喜初，都江雪，申 哲，李 浩，張會民*

稻草覆蓋和香根草籬聯(lián)合調(diào)控紅壤坡耕地土壤團聚體粒組碳鉀分配規(guī)律①

李繼文1，柳開樓2*，余喜初2，都江雪1，申 哲1，李 浩1，張會民1*

(1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌 330046)

土壤有機碳可以通過影響土壤礦物鉀釋放以及解鉀菌特性而對土壤鉀素產(chǎn)生影響，本文基于稻草覆蓋和香根草籬控制紅壤坡耕地水土流失長期定位試驗，通過對比常規(guī)管理(CK)、稻草覆蓋(S)、稻草覆蓋+香根草籬 (S+V)處理，研究稻草覆蓋及香根草籬措施對土壤主要化學性質(zhì)的影響，并分析土壤團聚體粒組分布及碳和鉀在土壤團聚體粒組中的分配規(guī)律。結(jié)果表明，在所有處理中，S+V處理的土壤pH、有機碳、全鉀和速效鉀含量顯著較高，與CK處理相比，S+V處理的土壤pH 提高了0.23，有機碳、全鉀和速效鉀含量分別提高了6.52%、11.60% 和11.49%。不同處理下土壤團聚體粒組分布無顯著差異，所有土壤團聚體粒組中均以>0.25 mm土壤團聚體粒組的比例最高。與CK處理相比，S和S+V處理的>2 mm土壤團聚體粒組有機碳含量分別提高了9.42% 和40.03%。與CK處理相比，S+V處理下>2 mm、0.25 ～ 0.053 mm和<0.053 mm土壤團聚體粒組中全鉀含量分別提高了3.67%、4.92% 和5.14%。同時，S+V處理下>2 mm和<0.053 mm土壤團聚體粒組中速效鉀含量分別比CK處理增加了20.10% 和12.28%。因此，在紅壤坡耕地上，稻草覆蓋和香根草籬聯(lián)合措施是有效改善土壤團聚體粒組碳鉀分配的水保措施，一方面提升了>2 mm土壤團聚體粒組的有機碳含量，另一方面也顯著增加了>2 mm和<0.053 mm土壤團聚體粒組的速效鉀含量，從而有利于維持土壤結(jié)構(gòu)，為保障作物高產(chǎn)奠定基礎。

土壤團聚體養(yǎng)分；稻草覆蓋；香根草籬；紅壤；坡耕地

紅壤是我國南方最主要的土壤類型之一，江西省作為我國紅壤的中心區(qū)域，紅壤坡耕地占全省面積的54.78%[1]，豐富的水熱資源使其具有巨大的經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，是重要的糧油生產(chǎn)用地[2]。然而，由于自然及人為等因素作用，引發(fā)水土流失加劇、土壤肥力下降等一系列問題，使該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高和可持續(xù)性發(fā)展受到嚴重限制[1]。由于稻草覆蓋具有較好的培肥效果[3]，以及草籬具有阻控水土流失的效果[4]，近年來利用稻草覆蓋和植物籬等技術進行坡耕地水土保持逐漸得到廣泛的應用。范洪杰等[5]研究發(fā)現(xiàn)，稻草覆蓋配合香根草籬處理的徑流量和土壤侵蝕量分別比常規(guī)管理減少了47.1% ～ 79.8% 和79.2% ～ 99.5%。也有研究表明，稻草覆蓋和香根草籬處理可以使紅壤坡耕地的花生增產(chǎn)41.65% ～ 59.39%，同時顯著提高土壤的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量[6]。此外，與常規(guī)管理相比，稻草覆蓋配合香根草籬處理下土壤微生物生物量碳、微生物熵含量、酶活性和細菌群落結(jié)構(gòu)均得到顯著提升[7-9]。因此，稻草覆蓋聯(lián)合香根草籬技術在紅壤坡耕地上具有水土流失阻控、培肥土壤和增加產(chǎn)量的綜合效果。

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其組分的大小組成和穩(wěn)定性直接影響土壤的理化性質(zhì)，進而影響作物生長[10]。不同粒組土壤團聚體養(yǎng)分分配比例可反映出土壤肥力變化以及農(nóng)業(yè)管理措施成效[11]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳作為土壤團聚體形成重要的膠結(jié)物質(zhì)，其含量與土壤團聚體的穩(wěn)定性具有密切的聯(lián)系，有機物料添加至農(nóng)田后，在土壤生物尤其微生物的作用下，產(chǎn)生的腐殖質(zhì)在促進土壤團聚體的生成和穩(wěn)定過程具有積極作用[12-13]。鉀素作為植物生長的主要元素之一，在維持農(nóng)業(yè)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、促進代謝和提高抗逆性中發(fā)揮著重要作用，但在紅壤地區(qū)，土壤鉀素有效性低，鉀素匱缺對作物的增產(chǎn)增收造成巨大挑戰(zhàn)[14]。然而，與土壤有機碳不同，鉀素主要以無機形式存在，有研究表明，雖然在不同土壤團聚體粒組中，土壤全鉀和交換性鉀含量無顯著差異，但是，與常規(guī)化肥處理相比，碳投入導致的微生物組成和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)效率在土壤不同團聚體粒組中具有差異，配施有機肥或秸稈還田可以顯著提高>2 mm土壤團聚體粒組中的鉀素含量，從而滿足作物鉀素需求[14-15]。

目前，有關紅壤坡耕地稻草覆蓋和香根草籬的研究多集中于水土流失阻控、土壤肥力指標、土壤微生物組成以及養(yǎng)分循環(huán)相關酶活性等方面[16-18]。此外，雖有研究分析了稻草覆蓋和香根草籬對土壤團聚體粒組組成及有機碳的影響[19]，但由于稻草含有較為豐富的鉀肥資源，而目前關于稻草覆蓋和香根草籬聯(lián)合下，紅壤坡耕地的土壤團聚體粒組中鉀素分配的研究還缺乏深入探討。因此，為明確稻草覆蓋和香根草籬對紅壤坡耕地土壤團聚體粒組中有機碳和鉀素的影響，本研究基于紅壤坡耕地的田間試驗，分別采集常規(guī)施肥、稻草覆蓋、稻草覆蓋和香根草籬聯(lián)合處理的土壤樣品，分析土壤團聚體粒組分布，以及土壤團聚體粒組中有機碳、全鉀和速效鉀含量，以期在土壤團聚體粒組水平上解析稻草覆蓋和香根草籬對土壤碳鉀的提升效果，從而為探討紅壤坡耕地的土壤結(jié)構(gòu)改良以及合理的管理模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省南昌市進賢縣張公鎮(zhèn)(116°20′24″N，28°15′30″E)。該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年均溫度17.7 ～ 18.5 ℃，年均降水量1 537 mm，屬于典型的紅壤坡耕地，試驗地坡度為10°。2015年試驗開始前該坡耕地主要種植花生等旱作物，土壤類型為紅壤，母質(zhì)為第四紀紅黏土。試驗前耕層土壤理化性質(zhì)為：pH 5.3，有機碳14.5 g/kg，全氮0.8 g/kg，全磷0.5 g/kg，全鉀18.0 g/kg，速效氮55 mg/kg，有效磷14 mg/kg，速效鉀280 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗始于2009年，設置常規(guī)管理(CK)、稻草覆蓋(S)、稻草覆蓋+香根草籬(S+V) 3個處理，各處理的化肥、稻草和香根草籬設置見表1。每個處理3次重復，隨機排列，小區(qū)面積為120 m2(24 m×5 m)。種植作物為花生，種植密度為32 cm×20 cm，每年4月播種，播種量為150 kg/hm2，10月收獲。對照小區(qū)和稻草覆蓋小區(qū)種植72行，香根草籬聯(lián)合稻草覆蓋小區(qū)種植66行(其余6行為草籬)，香根草籬每隔5 m雙行種植。氮磷鉀肥種類為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀，其中60% 的氮肥和100% 磷肥及50% 的鉀肥在花生播種前施用，40% 的氮肥和50% 的鉀肥在花生開花前10 d撒施后進行中耕，花生出苗后進行稻草覆蓋。

表1 不同處理下稻草和化肥的施用量

注：稻草的有機碳、氮、磷、鉀含量分別為 430、8.5、1.2、20.5 g/kg。

1.3 采樣和指標測定

考慮到花生收獲會嚴重擾動耕層土壤結(jié)構(gòu)，為避免人為干擾，本研究于2020年11月20日(花生收獲后50 ～ 60 d)，在各小區(qū)由坡上至坡下走向，按“S”形5點取樣法，采集0 ～ 20 cm的耕層土壤原狀樣品。將采集樣品分為兩份，一份樣品去除土壤中石塊、殘根等雜物，風干后部分過0.15 mm篩，測定土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量；部分過1 mm篩，測定土壤pH、速效氮、有效磷、速效鉀，其中pH采用土水比1︰1電極法測定，有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，全磷采用硫酸-高氯酸消煮法測定，全鉀采用NaOH熔融–火焰光度計法測定，速效氮采用 1 mol/L NaOH 堿解擴散法測定，有效磷采用碳酸氫銨浸提–鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用 NH4AC 浸提–火焰光度法測定，具體測定方法步驟參照《土壤農(nóng)化分析》[20]。另一份樣品去除土壤中石塊、殘根等雜物，風干后先進行干篩，獲得>5 mm、2 ～ 5 mm、1 ～ 2 mm、0.25 ～ 1 mm和<0.25 mm的土壤樣品，然后按照干篩各組分的比例配成200 g樣品，在土壤團聚體儀上進行濕篩，從而獲得>2 mm、0.25 ～ 2 mm、0.053 ～ 0.25 mm和<0.053 mm的團聚體粒組樣品[15]。

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行整理、SAS 9.1進行統(tǒng)計分析，方差分析運用最小因子法進行比較，所有圖件采用Origin 8.1進行制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水保措施下土壤主要化學性質(zhì)的變化

稻草覆蓋和香根草籬措施顯著影響紅壤坡耕地的土壤主要化學性質(zhì)(表2)。與常規(guī)管理(CK)和稻草覆蓋(S)處理相比，稻草覆蓋+香根草籬(S+V)處理下土壤pH分別顯著提高了0.23和0.11個pH單位。與CK處理相比，S處理土壤有機碳、全鉀和速效鉀含量分別增加了0.94%、6.73% 和4.52%，S+V處理則分別提高了6.52%、11.60% 和11.49%。同時，S+V處理的土壤速效鉀含量顯著高于S處理，增幅為6.67%，這說明，稻草覆蓋和香根草籬對土壤速效鉀的提升具有疊加效應。

表2 不同處理下土壤主要化學性質(zhì)的變化

注：CK：不施肥；S：稻草覆蓋；S+V：稻草覆蓋+香根草籬。同列小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下同。

2.2 不同水保措施下土壤團聚體粒組分布特征

在不同處理中，土壤團聚體粒組均以0.25 ～ 2 mm的比例最高(56.40% ～ 56.59%，圖1)，而>2 mm、0.053 ～ 0.25 mm和<0.053 mm的比例分別為13.83% ～ 16.07%、15.97% ～ 18.11% 和9.56% ～ 13.24%。在不同處理之間，土壤團聚體粒組的比例則無顯著差異。

2.3 不同水保措施下土壤團聚體粒組中有機碳含量

稻草覆蓋和香根草籬調(diào)控顯著提高了較大土壤團聚體粒組(>2 mm)中的有機碳含量(表3)。與CK處理相比，S和S+V處理下>2 mm土壤團聚體粒組有機碳含量分別提高了9.43% 和40.03%，其中S+V處理對 >2 mm土壤團聚體粒組有機碳含量的提升幅度明顯高于S處理。

圖1 不同處理下土壤團聚體粒組分布

表3 不同處理下土壤團聚體粒組中有機碳含量

2.4 不同水保措施下土壤團聚體粒組中全鉀和速效鉀含量

稻草覆蓋和香根草籬措施顯著影響不同土壤團聚體粒組中全鉀含量(表4)。S處理0.25 ～ 0.053 mm和<0.053 mm土壤團聚體粒組中全鉀含量分別比CK處理增加了3.15% 和4.59%。與CK處理相比，S+V處理下>2 mm、0.25 ～ 0.053 mm和<0.053 mm土壤團聚體粒組中全鉀含量，分別提高了3.67%、4.92% 和5.14%。

不同于全鉀含量的結(jié)果，與CK處理相比，S處理下土壤各團聚體粒組中速效鉀含量均無顯著提升。但是，S+V處理下>2 mm和<0.053 mm土壤團聚體粒組中速效鉀含量均顯著高于CK和S處理，與CK處理相比，S+V處理下>2 mm和<0.053 mm土壤團聚體粒組中速效鉀含量分別提高了20.10% 和12.28%。

3 討論

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)組成的基本單元，不同粒組土壤團聚體比例可以反映出土壤養(yǎng)分循環(huán)和水肥的保持能力，土壤團聚體的穩(wěn)定性則對維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能具有重要作用[21-23]。在本研究中，由于稻草覆蓋增加了外源有機碳和氮磷鉀養(yǎng)分的投入，再加上草籬有效阻控了土壤的養(yǎng)分流失[5-7]，稻草覆蓋、稻草覆蓋+香根草籬處理均顯著提高了土壤有機碳、全鉀、速效鉀含量，這與前人的研究結(jié)果相似[6, 14, 24]，但提升幅度略有差異，這主要與土壤肥力水平、試驗年限等有關。有研究表明，土壤大團聚體粒組主要由植物根系和菌絲共同纏繞小組分土壤團聚形成的，而稻草覆蓋處理以及稻草覆蓋聯(lián)合香根草籬處理能顯著促進花生的根系部生長[25]，但是，常規(guī)施肥、稻草覆蓋、稻草覆蓋+香根草籬處理下，土壤中各團聚體粒組比例均無顯著差異。這與前人的研究不同[26]，原因主要是本研究的試驗年限較短(5 a)，土壤有機碳的增加對改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)可能存在滯后效應。此外，紅壤坡耕地上距離植物籬的遠近也可能影響土壤團聚體結(jié)果。成艷紅等[19]的研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比，香根草籬處理以及稻草覆蓋聯(lián)合香根草籬處理能顯著提高籬間土壤 >2 mm土壤團聚體粒組5.77% 和8.23%，但隨著距植物籬距離的增大影響減弱，在距離草籬2 m、4 m處則沒有顯著差異。而本研究的采樣方法為“S”形5點取樣，這可能弱化了籬間對土壤團聚體的影響，但具體原因還有待進一步分析。

表4 不同處理下土壤團聚體粒組中全鉀、速效鉀含量

在紅壤坡耕地上，本研究發(fā)現(xiàn)，稻草覆蓋、稻草覆蓋聯(lián)合香根草籬均可以顯著提升 >2 mm土壤團聚體粒組中有機碳含量，這與前人的研究結(jié)果相似[27]，原因一方面是由于稻草具有豐富的木質(zhì)素成分，可直接作為內(nèi)核對土壤中的小團聚體進行吸附，形成土壤大團聚體，新輸入的有機碳首先出現(xiàn)在土壤大團聚體粒組中[28]；另一方面，稻草作為新鮮的有機碳輸入至土壤，提高了土壤微生物生物活性，微生物的代謝產(chǎn)物以及稻草的分解產(chǎn)物均含有多種有機膠結(jié)物質(zhì)，同樣促進了 >2 mm土壤團聚體粒組中有機碳累積[29]。同時，由于植物籬可以通過阻控水土流失降低可溶性有機碳的流失，再加上其根系分泌物及其殘體的分解，對土壤有機碳的補充[30]，從而導致稻草覆蓋聯(lián)合植物籬處理下，土壤大團聚體粒組中的有機碳含量顯著高于稻草覆蓋處理。

與土壤團聚體粒組中有機碳的結(jié)果不同，本研究表明，稻草覆蓋以及與香根草植物籬不會顯著改變土壤團聚體粒組中的全鉀含量，這與前人的研究結(jié)果相似[14-15]。但是，稻草覆蓋聯(lián)合香根草籬處理下，>2 mm和<0.053 mm土壤團聚體粒組中速效鉀含量均得到顯著提升，主要是由于稻草覆蓋增加了較多的鉀素輸入，再加上香根草籬有效阻控了鉀素的流失，從而提升了>2 mm土壤團聚體粒組速效鉀含量。此外，稻草覆蓋聯(lián)合香根草籬措施較好地保持了土壤水分庫容，特別是在紅壤地區(qū)7—8月份的季節(jié)性干旱條件下，較為濕潤的土壤環(huán)境為土壤微生物創(chuàng)造了良好的生存環(huán)境，加快了土壤微團聚體粒組的養(yǎng)分釋放[7]，這可能是土壤微團聚體粒組中速效鉀素含量顯著提高的主要原因。單獨的稻草覆蓋則與常規(guī)管理無顯著差異，而柳開樓等[15]研究表明，長期秸稈還田顯著增加了紅壤團聚體粒組中的速效鉀含量。這可能是因為本研究的紅壤坡耕地坡度較大(10°)，其水土流失帶走的速效鉀抵消了稻草覆蓋補充的鉀素輸入。

4 結(jié)論

在紅壤坡耕地上，稻草覆蓋和香根草籬聯(lián)合調(diào)控有效提升了土壤pH，增加了土壤有機碳、全鉀和速效鉀含量。同時，各處理的土壤中主要以0.25 ～ 2 mm土壤團聚體粒組的比例最高。雖然稻草覆蓋和香根草籬對土壤團聚體粒組無顯著影響，但與常規(guī)施肥相比，稻草覆蓋和香根草籬顯著提升了>2 mm土壤團聚體粒組有機碳和速效鉀含量，且<0.053 mm土壤團聚體粒組的速效鉀含量也得到顯著增加。

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Regulation of Carbon and Potassium Distribution in Soil Aggregates of Red Soil Slope Farmland by Rice Straw Mulching and Vetiver Hedgerow

LI Jiwen1, LIU Kailou2*, YU Xichu2, DU Jiangxue1, SHEN Zhe1, LI Hao1, ZHANG Huimin1*

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2 Jiangxi Institute of Red Soil, National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330046, China)

Soil organic carbon can affect soil potassium by affecting the release of soil mineral potassium and the characteristics of potassium dissolving bacteria. Therefore, in this paper, based on the long-term positioning experiment of rice straw mulching and vetiver hedgerow to control soil and water loss in red soil slope farmland, by comparing conventional management (CK), rice straw mulching (S), rice straw mulching and vetiver hedgerow (S+V), the effects of rice straw mulching and vetiver hedgerow measures on soil main chemical properties were studied, and the distribution of soil aggregates and the distribution of carbon and potassium in soil aggregates were analyzed. The results showed that soil pH, organic carbon, total potassium and available potassium were significantly higher under S+V than CK and S, compared with CK, which were increased by 0.23 units, 6.52%, 11.60% and 11.49% respectively. No significant difference was found in the distribution of soil aggregates under different treatments, and the proportion of soil aggregates >0.25 mm was the highest among all soil aggregate components. Compared with CK, the organic carbon content of >2 mm soil aggregates were increased by 9.42% and 40.03% under S and S+V, respectively, meanwhile, the contents of total potassium in soil aggregates and >2 mm, 0.25-0.053 mm and <0.053 mm were increased by 3.67%, 4.92% and 5.14%, and the contents of available potassium in soil aggregates >2 mm and <0.053 mm were increased by 20.10% and 12.28% under S+V, respectively. Therefore, on the red soil slope farmland, the combined measures of straw mulching and vetiver hedgerow are effective soil conservation measures to improve carbon and potassium distribution of soil aggregate components, which improved organic carbon content of >2 mm soil aggregates and significantly increased available potassium content of >2 mm and <0.053 mm soil aggregates, thus is conducive to maintaining soil structure and ensuring high yield of crops.

Aggregate nutrients; Straw mulching; Vetiver hedgerow; Red soil; Sloping land

S157.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.017

李繼文, 柳開樓, 余喜初, 等. 稻草覆蓋和香根草籬聯(lián)合調(diào)控紅壤坡耕地土壤團聚體粒組碳鉀分配規(guī)律. 土壤, 2022, 54(4): 787–792.

國家紅壤改良工程技術研究中心開放基金項目(2020NETRCRSI-9)、江西省自然科學基金項目(20192BAB203022)和博士科研基金項目(HRBS04)資助。

(liukailou@163.com；zhanghuimin@caas.cn)

李繼文(1994—)，男，吉林通化人，博士研究生，主要從事土壤培肥和改良方面研究。E-mail: frankie716@163.com