多樣化種植對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及其有機(jī)碳和全氮含量的影響

孫濤，馮曉敏，高新昊，鄧艾興，鄭成巖，宋振偉，張衛(wèi)建

多樣化種植對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及其有機(jī)碳和全氮含量的影響

孫濤1,3，馮曉敏2,3，高新昊1，鄧艾興3，鄭成巖3，宋振偉3，張衛(wèi)建3

1養(yǎng)分資源高效利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物基質(zhì)化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟(jì)南 250100；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所，山西晉中 030600；3中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

【目的】闡明東北黑土區(qū)禾本科與豆科作物多樣化種植模式下土壤團(tuán)聚體組成及其碳氮分布特征，為促進(jìn)黑土地用養(yǎng)結(jié)合型種植制度優(yōu)化提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。【方法】田間試驗(yàn)于2016—2020年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所公主嶺試驗(yàn)站進(jìn)行，設(shè)置玉米大豆間作（M/S）、玉米大豆輪作（M-S）、玉米花生間作（M/P）和玉米花生輪作（M-P）等多樣化種植模式，以玉米連作（CM）常規(guī)種植模式為對(duì)照。2020年作物收獲后采集0—20和20—40 cm土層土壤樣品，分析多樣化種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳、全氮含量的影響?！窘Y(jié)果】多樣化種植有利于增加0—20和20—40 cm土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）含量，降低黏粉粒（＜0.053 mm）含量，4種多樣化種植模式的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和平均幾何直徑均顯著高于CM處理（＜0.05）。M/S和M-S處理0—20 cm土層＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體比例分別比CM處理高17.6%和13.4%，M/S、M-S和M-P處理20—40 cm土層 ＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體比例則分別比CM處理高10.4%、8.3%和10.5%。多樣化種植增加了土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮含量，0—20 cm土層，M/S、M-S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別比CM處理高20.7%、24.3%、18.8%和17.8%；0—20 cm土層，M-S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量分別比CM處理高13.0%、16.8%和14.8%。M-S和M/P處理0—20 cm土層＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮對(duì)土壤總有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率高于CM處理，而M/S和M-S處理＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮對(duì)總有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)率則低于CM處理?！窘Y(jié)論】東北黑土區(qū)多樣化種植提高了土壤大團(tuán)聚體含量，降低了黏粉粒含量，增加了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳和全氮含量，有利于促進(jìn)農(nóng)田土壤碳氮固持。

東北黑土區(qū)；輪作；間作；玉米；大豆；花生；土壤團(tuán)聚體；土壤有機(jī)碳；土壤全氮

0 引言

【研究意義】多樣化種植是指通過(guò)間作、輪作和覆蓋作物的方式在農(nóng)田中同時(shí)或按一定時(shí)序種植多種作物的生產(chǎn)方式。與集約化農(nóng)業(yè)相比，多樣化種植利用生態(tài)位分化和物種互作的正效應(yīng)提高糧食產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率，被認(rèn)為是改善耕地質(zhì)量和保障國(guó)家糧食安全的重要措施[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】大量研究表明，多樣化種植可以增加農(nóng)田生物多樣性和穩(wěn)定性[2]，提高作物產(chǎn)量[3-4]，改善土壤肥力[5-6]，提高土地利用率[7]，增強(qiáng)作物系統(tǒng)對(duì)光、溫、水、肥的利用[8]。土壤有機(jī)碳與全氮作為衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，與作物養(yǎng)分供給、土壤持水、生物多樣性等具有顯著的正向作用[9]。種植模式、耕作制度、養(yǎng)分管理等均會(huì)影響土壤有機(jī)碳和氮含量[10]。前人研究表明，多樣化種植由于增加了輸入土壤中的凋落物種類(lèi)和數(shù)量，有利于促進(jìn)土壤有機(jī)碳和全氮的積累[11]。也有相關(guān)研究認(rèn)為，多樣化種植體系下，進(jìn)入土壤的有機(jī)碳源分解速率高，不利于土壤碳氮的固持[12]。由此可見(jiàn)，有關(guān)多樣化種植對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的影響仍存在不確定性，亟需進(jìn)一步深入研究。土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，對(duì)維系土壤結(jié)構(gòu)具有重要作用[13]。土壤團(tuán)聚體含量及粒級(jí)分布不僅影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，而且對(duì)土壤的一系列物理、化學(xué)及生物學(xué)過(guò)程有重要影響。大量研究表明土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的固持起著非常重要的作用[14-15]。作物殘茬輸入土壤后首先在大團(tuán)聚體中停留[16]，土壤大團(tuán)聚體更容易使微生物接觸有機(jī)物，從而導(dǎo)致大團(tuán)聚體有機(jī)碳的礦化程度高于微團(tuán)聚體。有機(jī)碳的礦化同時(shí)會(huì)釋放出氮、磷、硫等活性養(yǎng)分[17-18]，而微團(tuán)聚體中的膠體及無(wú)機(jī)物質(zhì)與有機(jī)碳緊密結(jié)合，為有機(jī)碳的固持提供了物理保護(hù)，使其成為土壤有機(jī)碳的重要固持場(chǎng)所[19]。已有研究表明多樣化種植可以增強(qiáng)土壤有機(jī)碳氮含量及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[5,11]，但受土壤類(lèi)型、氣候特征以及作物搭配種類(lèi)等影響，不同多樣化種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量的影響及其差異仍需深入研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】東北黑土區(qū)作為我國(guó)最重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧供應(yīng)基地，玉米種植面積和產(chǎn)量均占全國(guó)1/3。但長(zhǎng)期以來(lái)種植制度單一，導(dǎo)致農(nóng)田生物多樣性下降，土壤養(yǎng)分消耗失衡，破壞了土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，土壤中長(zhǎng)期大量積累病原物，導(dǎo)致特定土傳病蟲(chóng)害加劇，加之缺少耕地質(zhì)量恢復(fù)和保護(hù)性措施，黑土耕地質(zhì)量呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)[20-21]。近年來(lái)，隨著國(guó)家黑土地保護(hù)與利用戰(zhàn)略的全面實(shí)施，以禾本科和豆科作物為主的多樣化種植模式在東北黑土區(qū)逐漸受到重視，如玉米和大豆、花生等作物的輪作及間作種植模式等。但是多樣化種植在保障高產(chǎn)與資源高效利用的同時(shí)，其對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)以及土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量的影響仍不清楚，且不同多樣化種植模式的差異性也有待研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本研究依托2016年在吉林省公主嶺市建立的多樣化種植模式田間定位試驗(yàn)，系統(tǒng)分析不同模式下土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其有機(jī)碳氮含量和貢獻(xiàn)率變化特征，以期為東北黑土區(qū)不同多樣化種植模式下土壤有機(jī)碳氮固持特征研究及多樣化種植模式推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2016—2020年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所公主嶺試驗(yàn)站進(jìn)行（43°31′N(xiāo)，124°48′E，海拔220 m）。試驗(yàn)地所在區(qū)域?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫5.6 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)為2 710 h，＞10 ℃積溫為3 180 ℃，年無(wú)霜期為144 d，年平均降雨量為562 mm。土壤類(lèi)型為黑土，0—20 cm土層容重1.38 g·cm-3，有機(jī)碳16.3 g·kg-1，pH 7.6，全氮含量1.5 g·kg-1，全磷含量0.6 g·kg-1，全鉀含量18.4 g·kg-1，速效氮含量143.3 mg·kg-1，速效磷66.5 mg·kg-1，速效鉀150.8 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

田間試驗(yàn)設(shè)置玉米連作（CM，對(duì)照）、玉米與大豆間作（M/S）、玉米與大豆輪作（M-S）、玉米與花生間作（M/P）、玉米與花生輪作（M-P）5個(gè)處理。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)面積96.0 m2（10.0 m×9.6 m）。每年播種前用旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕整地，深度為15 cm。3種作物均采用等行距種植方式，其中單作和輪作處理玉米行距為60 cm，株距24.6 cm，種植密度6.75萬(wàn)株/hm2；大豆行距60 cm，株距15 cm，每穴兩粒，種植密度22.5萬(wàn)株/hm2；花生行距60 cm，株距13.9 cm，種植密度12.0萬(wàn)/hm2。玉米與大豆、花生間作處理，玉米行距60 cm，株距18.5 cm，種植密度9.00萬(wàn)株/hm2；間作處理大豆和花生行距、株距和種植密度與單作和輪作處理一致。間作處理采用條帶種植的方式，玉米和大豆、花生條帶寬度為480 cm。每條帶包括240 cm的玉米帶（4行）和240 cm大豆或花生帶（4行），間作模式中玉米和大豆、花生在年際間進(jìn)行交替輪作。玉米與大豆、花生間行距為60 cm。不同種植模式每年玉米、大豆和花生均在4月底播種，9月底收獲。玉米、大豆和花生品種分別為先玉335、吉育321和吉花19。玉米、大豆和花生施肥量均為165 kg N·hm-2、82.5 kg P2O5·hm-2和 82.5 kg K2O·hm-2。肥料中50%的氮肥和全部的磷鉀肥作為基肥在旋耕整地時(shí)施用，50%氮肥在6月中下旬作為追肥施用，整個(gè)生育期不灌水，玉米、大豆和花生秸稈在收獲時(shí)均移出田外。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤樣品采集 在2020年10月，作物收獲時(shí)采集0—20和20—40 cm土層土壤和土壤團(tuán)聚體樣品。土壤樣品采用土鉆采集。土壤團(tuán)聚體采用直徑8 cm鋁盒采樣，將鋁盒倒扣在取樣位置，緩緩壓入土壤中，待鋁盒內(nèi)土壤樣品充滿(mǎn)后，移出采樣鋁盒，帶回實(shí)驗(yàn)室沿自然斷裂面掰成直徑1 cm土塊，在陰涼通風(fēng)處自然晾干，留待團(tuán)聚體粒級(jí)及有機(jī)碳和全氮含量測(cè)定。單作和輪作處理，每個(gè)小區(qū)在作物行間采集3個(gè)樣點(diǎn)，混為一個(gè)土樣，間作處理在每種作物行間和兩種作物行間分別采集3個(gè)樣點(diǎn)，混勻成為一個(gè)土樣。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體測(cè)定 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用濕篩法測(cè)定。將風(fēng)干后的土壤樣品干篩，然后按照干篩各粒級(jí)比例稱(chēng)取土壤樣品50 g，倒入孔徑分別為2、0.25和0.053 mm的篩組中進(jìn)行振蕩篩分5 min（30 次/min），將土壤團(tuán)聚體分為＞2 mm、0.25—2 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm 4個(gè)粒級(jí)，最后將各篩子中的團(tuán)聚體用去離子水洗入鋁盒中，60 ℃烘干至恒重后稱(chēng)重，計(jì)算各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分比。土壤團(tuán)聚體根據(jù)其粒級(jí)的大小可劃分為大團(tuán)聚體（＞ 0.25 mm）和微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）。

1.3.3 團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定[22]。

1.3.4 數(shù)據(jù)計(jì)算 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、平均幾何直徑（geometric mean diameter，GMD）和＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體比例計(jì)算公式如下[23]：

式中，MWD為平均重量直徑，GMD為平均幾何直徑，R0.25為＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體所占比例，M＞0.25為＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量，Xi為第i級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量，Mi為第i級(jí)團(tuán)聚體平均直徑，其中＞2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體對(duì)應(yīng)的平均直徑分別為2、1.125、0.1515和0.053 mm。

土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率（WSOC）和全氮貢獻(xiàn)率（WTN）計(jì)算公式如下：

式中，OCi為第i級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，Ni為第i級(jí)團(tuán)聚體全氮含量，Mi為第i級(jí)團(tuán)聚體所占比例，SOC為土壤有機(jī)碳含量。TN為土壤全氮含量。

1.3.5 統(tǒng)計(jì)分析 采用SAS 9.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，各處理不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體比例，團(tuán)聚體平均重量直徑、平均幾何直徑、團(tuán)聚體有機(jī)碳含量、全氮含量，貢獻(xiàn)率等均采用SAS軟件中的PROC GLM過(guò)程進(jìn)行方差分析，其中處理為固定因子，區(qū)組為隨機(jī)因子，采用最小顯著極差法在0.05水平上進(jìn)行多重比較，采用Excel 2016軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同多樣化種植模式下土壤團(tuán)聚體分級(jí)

由圖1可以看出，在0—20 cm土層，M-S和M/P處理＞2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例分別比CM處理高8.6%和10.7%。M/S處理0.25—2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例則比CM處理高15.3%。各處理0.053— 0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體間無(wú)顯著差異。M/S和M-S處理＜0.053 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例比CM處理低15.0%和15.7%。在20—40 cm土層，M-S處理＞2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例比CM高7.7%，而其他處理＞2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例則與CM處理無(wú)顯著差異。M/S和M-P處理0.25—2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例分別比CM處理高5.3%和8.2%。M/S和M-P處理0.053—0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例則比CM處理低5.0%和6.6%。M/S處理＜0.053 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例則比CM處理低5.4%，而其他處理＜0.053 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例則與CM處理無(wú)顯著差異。

CM：玉米連作；M/S：玉米-大豆間作；M-S：玉米-大豆輪作；M/P：玉米-花生間作；M-P：玉米-花生輪作。不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）。下同

2.2 不同多樣化種植模式下土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和平均幾何直徑

由圖2可以看出，在0—20 cm土層，M/S、M-S和M/P處理土壤團(tuán)聚體平均重量直徑分別比CM處理高29.1%、31.2%和31.4%，而在20—40 cm土層，M/S、M-S和M-P處理土壤團(tuán)聚體平均重量直徑分別比CM處理高18.4%、18.5%和15.3%。

在0—20 cm土層，M/S和M-S處理土壤團(tuán)聚體平均幾何直徑分別比CM處理高68.7%和62.2%，而M/P和M-P處理土壤團(tuán)聚體平均幾何直徑則與CM處理無(wú)顯著差異。在20—40 cm土層，M/S、M-S和M-P處理土壤團(tuán)聚體平均幾何直徑分別比CM處理高34.4%、30.2%和30.3%，而M/P處理土壤團(tuán)聚體平均幾何直徑則與CM處理無(wú)顯著差異。

圖2 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何直徑

由圖3可以看出，在0—20 cm土層，M/S和M-S處理＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體比例分別比CM處理高17.6%和13.4%，而M/P和M-P處理＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體比例則與CM處理無(wú)顯著差異。在20—40 cm土層，M/S、M-S和M-P處理＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體比例分別比CM處理高10.4%、8.3%和10.5%，而M/P處理＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體比例則與CM處理無(wú)顯著差異。

圖3 ＞0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例

2.3 不同多樣化種植模式下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

由圖4可知，在0—20 cm土層，M/S、M-S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別比CM處理高20.7%、24.3%、18.8%和17.8%。M-S、M/P和M-P處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別比CM處理高13.3%、17.8%和15.0%。各處理0.053—0.25 mm和＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則無(wú)顯著差異。在20—40 cm土層，M-S處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量比CM處理高11.6%，其他處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則與CM處理無(wú)顯著差異。僅M/P處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量比CM處理高23.6%，而其他處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則與CM處理無(wú)顯著差異。各處理0.053—0.25 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與CM均無(wú)顯著差異。M-S處理＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量比CM處理高18.6%，其他處理＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則與CM處理無(wú)顯著差異。

2.4 不同多樣化種植模式下土壤團(tuán)聚體全氮含量

圖5顯示，在0—20 cm土層，M-S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量分別比CM處理高13.0%、16.8%和14.8%，而M/S處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量則與CM處理無(wú)顯著差異。各處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量與CM處理無(wú)顯著差異。M-P的處理0.053— 0.25 mm和＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量分別比CM處理高18.9%和10.3%，而M/S、M-S和M/P處理0.053— 0.25 mm和＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量則與CM處理均無(wú)顯著差異。在20—40 cm土層，M-S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量分別比CM處理高13.7%、14.5%和16.7%。M-S、M/P和M-P處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量則分別比CM處理高23.9%、26.9%和17.2%，而M/S處理＞2 mm和0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量與CM處理無(wú)顯著差異。M/S、M-S、M/P和M-P處理0.053—0.25 mm和＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體全氮含量均與CM處理無(wú)顯著差異。

圖4 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

圖5 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體全氮含量

2.5 多樣化種植模式下不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

表1顯示，在0—20 cm土層，M-S和M/P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別比CM處理高10.0和11.2個(gè)百分點(diǎn)，而M/S和M-P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)顯著差異。M/S處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率比CM處理高15.4個(gè)百分點(diǎn)，而M/S、M-S和M-P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)顯著差異。M/S、M-S、M/P和M-P處理0.053—0.25 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率與CM處理無(wú)顯著差異。M/S和M-S處理＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率比CM處理低16.2和17.8個(gè)百分點(diǎn)，而M/P和M-P處理＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)顯著差異。

在20—40 cm土層，M-S處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率比CM處理高8.3個(gè)百分點(diǎn)，而M/S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)顯著差異。M-P處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率比CM處理高7.6個(gè)百分點(diǎn)，M/S、M-S和M/P處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率與CM處理無(wú)顯著差異。M/S、M/P和M-P處理0.053—0.25 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別比CM處理低3.9、4.2和5.6個(gè)百分點(diǎn)，而M-S處理0.053—0.25 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)顯著差異。各處理＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率與CM處理均無(wú)顯著差異。

表1 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

2.6 多樣化種植模式下不同粒級(jí)團(tuán)聚體全氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率

表2顯示，在0—20 cm土層，M-S和M/P處理＞2 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率分別比CM處理高9.2和12.4個(gè)百分點(diǎn)，而M/S和M-P處理＞2 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)顯著差異。M/S處理0.25—2 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率比CM處理高16.5個(gè)百分點(diǎn)，M-S、M/P和M-P處理0.25—2 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)差異。各處理0.053—0.25 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率均無(wú)差異。M/S和M-S處理＜0.053 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)分別比CM處理低16.1和17.1個(gè)百分點(diǎn)，而M/P和M-P處理＜0.053 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)則與CM處理無(wú)顯著差異。在20—40 cm土層，M-S處理＞2 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率比CM處理高7.1個(gè)百分點(diǎn)，而M/S、M/P和M-P處理＞2 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)顯著差異。M/S和M-P處理0.25—2 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率分別比CM處理高7.1和8.9個(gè)百分點(diǎn)，M-S和M/P處理0.25—2 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率則與CM處理無(wú)顯著差異。M/S、M-S、M/P和M-P處理0.053—0.25 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率分別比CM處理低6.2、4.4、5.9和6.7個(gè)百分點(diǎn)。各處理＜0.053 mm團(tuán)聚體全氮含量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率則無(wú)顯著差異。

3 討論

3.1 作物多樣化種植促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤微生物的生境及養(yǎng)分儲(chǔ)存場(chǎng)所[24]。土壤團(tuán)聚體含量及粒級(jí)分布不僅影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，還對(duì)土壤的一系列物理、化學(xué)及生物學(xué)過(guò)程有著重要影響。土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以用土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和平均幾何直徑來(lái)表征，土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何直徑越高，說(shuō)明團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)[25]。本研究表明，與玉米連作相比，玉米與豆科作物間作、輪作可以增加土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）含量，降低黏粉粒（＜0.053 mm）含量，玉米與豆科作物間作和輪作均可增加土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和平均幾何直徑，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高于玉米連作。喬鑫鑫等[26]在華北平原的研究表明，冬小麥–夏玉米||花生復(fù)種模式較傳統(tǒng)冬小麥–夏玉米復(fù)種模式明顯增加了土壤大團(tuán)聚體含量，增強(qiáng)了團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。白錄順等[27]在南方紅壤開(kāi)展的間作模式試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米/大豆模式可以顯著提高水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（1—5 mm）含量，其中對(duì)＞2 mm團(tuán)聚體提高效果最明顯，玉米/大豆模式下各土層團(tuán)聚體平均重量直徑和平均幾何直徑顯著高于單作。魏艷春等[28]在黃土高原的研究結(jié)果表明，玉米與豆科作物輪作可明顯提高土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量。LI等[11]通過(guò)在甘肅和寧夏設(shè)置的間作模式長(zhǎng)期定位試驗(yàn)表明，不同作物間作可以增加土壤大團(tuán)聚體含量，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，這與本研究的結(jié)果均一致。分析原因，一方面是由于多樣化種植模式根系分泌物種類(lèi)和數(shù)量增加，根際真菌和菌絲活力增強(qiáng)，促進(jìn)了菌絲的生長(zhǎng)和多糖類(lèi)物質(zhì)的分泌，增強(qiáng)了微團(tuán)聚體的膠結(jié)作用，從而促進(jìn)微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化為大團(tuán)聚體，增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[29-30]。另一方面，不同作物的交替更換有利于維持土壤生物多樣性，土壤碳氮轉(zhuǎn)化作用增強(qiáng)，產(chǎn)生了大量蛋白質(zhì)、多糖、木質(zhì)素等物質(zhì)，從而間接促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成[30-32]。此外，多樣化種植（間作和輪作）模式通過(guò)間接影響土壤微生物群落組成來(lái)增強(qiáng)土壤的聚集性，如提高土壤和叢枝菌真菌（AMF）的相對(duì)豐度，或降低的相對(duì)豐度[33]，從而間接促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[34]。

表2 不同粒級(jí)團(tuán)聚體全氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率

3.2 作物多樣化種植可以提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量及其貢獻(xiàn)率

土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體重要的膠結(jié)物質(zhì)，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成發(fā)揮重要作用，而土壤團(tuán)聚體作為土壤有機(jī)碳的重要儲(chǔ)存場(chǎng)所，同樣對(duì)土壤有機(jī)碳起到了保護(hù)作用[35]。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米與豆科作物間作、輪作增加了土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量。這與前人的研究結(jié)果一致[26,28,36]。喬鑫鑫等[26]在華北平原的研究表明，冬小麥–夏玉米||花生復(fù)種模式較傳統(tǒng)冬小麥–夏玉米復(fù)種模式可顯著提高土壤團(tuán)聚體（特別是＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體）的碳、氮含量。魏艷春等[28]在黃土高原的研究結(jié)果表明，玉米與豆科作物輪作可明顯提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量。李孝梅等[36]研究發(fā)現(xiàn)，玉米大豆間作和玉米蘿卜間作可以增加土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮含量。分析原因，一方面是由于大豆和花生均為豆科作物，具有較強(qiáng)的固氮功能，可以將大氣中的氮固定儲(chǔ)存到土壤中，不僅可以增加土壤氮含量，同時(shí)增加的土壤氮素可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)和對(duì)碳的固定，從而可以間接增加土壤有機(jī)碳含量[37]；另一方面，由于間作和輪作促進(jìn)了作物多樣性的增加，而作物多樣性的增加可導(dǎo)致土壤微生物活性和多樣性增加，從而對(duì)土壤碳、氮循環(huán)等產(chǎn)生正向影響[38-40]。此外，多樣化種植特別是含有豆科作物的地塊，由于豆科作物碳氮比較低導(dǎo)致秸稈分解速率較高，較高的固氮能力、較多的殘茬輸入改善了土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分供應(yīng)和土壤生物功能，增強(qiáng)了生物-非生物相互作用，從而有利于土壤碳氮的積累[41-42]。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米與豆科作物間作和輪作模式主要是增加了＞2 mm和0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量，這與SIX等[19]提出的“大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)”概念模型相符，即新輸入有機(jī)物在膠結(jié)物質(zhì)作用下首先形成大團(tuán)聚體，土壤有機(jī)碳、氮等養(yǎng)分首先在大團(tuán)聚體中聚集，然后隨著顆粒有機(jī)物的分解，微團(tuán)聚體逐漸形成，微團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳、氮養(yǎng)分含量增加，由于大團(tuán)聚體向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此，多樣化種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體碳氮含量的影響還需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。

3.3 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系

土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，在一定范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳的數(shù)量和固存狀態(tài)與作物生產(chǎn)力存在顯著相關(guān)性[43]。前人研究表明，作物產(chǎn)量隨土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機(jī)碳含量的增加而呈線(xiàn)性增加的趨勢(shì)[44]。本研究發(fā)現(xiàn)多樣化種植模式增加了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，進(jìn)而促進(jìn)了有機(jī)碳和全氮含量的增加。本試驗(yàn)的前期結(jié)果也表明，多樣化種植同樣有增加作物產(chǎn)量的趨勢(shì)[45]。分析其增產(chǎn)機(jī)制可能是多樣化種植通過(guò)增加根系分泌物，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體膠結(jié)，增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，有利于土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的固持[46-47]。而作物多樣化種植下土壤微生物活動(dòng)顯著增加，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分的儲(chǔ)存和釋放[40]，增加了養(yǎng)分利用率，從而提高作物產(chǎn)量。

本研究重點(diǎn)分析了短期多樣化種植對(duì)土壤團(tuán)聚體及碳氮的影響，其長(zhǎng)期效應(yīng)仍有待長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與深入分析，此外，多樣化種植模式下土壤團(tuán)聚體碳氮特征與其他土壤指標(biāo)及作物生產(chǎn)指標(biāo)間的關(guān)系需要進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

東北黑土區(qū)短期禾本科與豆科作物多樣化種植有增加土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，降低黏粉粒含量的趨勢(shì)，＞0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于玉米連作。多樣化種植可以增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其中玉米與大豆間作、輪作模式0—20和20—40 cm土層及玉米與花生輪作20—40 cm土層土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何直徑均顯著高于玉米連作。多樣化種植顯著增加了土壤有機(jī)碳和全氮含量，主要得益于>2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮對(duì)土壤總有機(jī)碳和總氮的貢獻(xiàn)率增加。

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Effects of Diversified Cropping on the Soil Aggregate Composition and Organic Carbon and Total Nitrogen Content

SUN Tao1,3, FENG XiaoMin2,3, GAO XinHao1, DENG AiXing3, ZHENG ChengYan3, SONG ZhenWei3, ZHANG WeiJian3

1State Key Laboratory of Nutrient Use and Management/Key Laboratory of Wastes Matrix Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Ji’nan 250100;2Institute of Sorghum Research, Shanxi Agricultural University, Jinzhong 030600, Shanxi;3Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081

【Objective】In this study, the composition as well as carbon and nitrogen distribution characteristics of soil aggregates under diversified cropping system of poaceae and legumes in the black soil region of Northeast China were elucidated, which could provide the theoretical basis and technical guidance for promoting the optimization of cropping system of combined use and cultivation in black soil. 【Method】Field experiment was conducted from 2016 to 2020 in Gongzhuling Experimental Station, Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences. Four diversified cropping systems were considered, including maize-soybean intercropping (M/S), maize-soybean rotation (M-S), maize-peanut intercropping (M/P), and maize-peanut rotation (M-P), while the maize continuous cropping (CM) system was used as control. Soil samples of 0-20 cm and 20-40 cm layers were collected after harvesting in October 2020. Then, soil aggregates and their soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) content under diversified cropping system were analyzed. 【Result】Diversified cropping was beneficial to increase the content of water-stable macro-aggregates in 0-20 cm and 20-40 cm soil (＞0.25 mm), and to reduce the content of silt and clay (＜0.053 mm), the mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) ofsoil aggregates under four diversified cropping systems were significantly higher than those of maize continuous cropping system (＜0.05). Soil aggregates ratios of ＞0.25 mm under M/S and M-S treatments were 17.5% and 13.4% higher than that under CM treatment in 0-20 cm soil layer, respectively. Soil aggregates ratios of ＞0.25 mm under M/S, M-S and M-P treatments was 10.4%, 8.3% and 10.5% higher than that under CM treatment in the 20-40 cm soil layer, respectively. Diversified cropping increased the SOC and TN content of soil aggregates. In 0-20 cm soil layer, the SOC of ＞2 mm soil aggregate under M/S, M-S, M/P and M-P treatments was 20.7%, 24.3%, 18.8% and 17.8% higher than that under CM treatment, respectively; the TN of ＞2 mm soil aggregate under M-S, M/P and M-P treatments was 13.0%, 16.8% and 14.8% higher than that under CM treatment, respectively. When compared with CM treatment, the contribution rates of ＞2 mm soil aggregate to SOC and TN under M-S and M/P treatments were higher in 0-20 cm soil layer, while the contribution rate of ＜0.053 mm soil aggregate to SOC and TN under M/S and M-S treatments were lower in 0-20 cm soil layer. 【Conclusion】Diversified cropping increased the content of soil macroaggregates, decreased the content of clay particles, improved the soil aggregate stability, SOC and TN of soil aggregates, which was conducive to promoting the SOC and TN sequestration in black soil region of Northeast China.

black soil region of Northeast China; rotation; intercropping; maize; soybean; peanut; soil aggregate; soil organic carbon; soil total nitrogen

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.15.008

2022-08-13；

2022-12-06

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程聯(lián)合攻關(guān)重大科研任務(wù)（CAAS-ZDRW202202）、國(guó)家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-22-G-16）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31671642）、山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程（CXGC2022E03）

孫濤，E-mail：suntao1007@126.com。通信作者宋振偉，E-mail：songzhenwei@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）