紫花苜蓿與無芒雀麥不同栽培模式下土壤團聚體形態結構、組成及有機碳特征

張家洋，藺 芳，詹乃才，任 敏

（新鄉學院 生命科學技術學院，河南 新鄉 453000）

土壤團聚體是指由許多土壤單粒在有機碳的黏結下形成的土壤構造，它的結構組成與土壤有機碳有著緊密的聯系［1］。土壤團聚體重要的表征形式主要是土壤機械穩定性團聚體和水穩定性團聚體［1］。土壤總有機碳即有機質中的總碳含量，在土壤碳匯中具有重要意義。土壤總有機碳根據化學組分的不同可分為活性有機碳和腐殖質碳等。其中，活性有機碳是土壤總有機碳中不穩定的部分，是植物營養元素的直接來源。腐殖質碳是土壤總有機碳經過微生物分解轉化后形成的較為穩定的部分，因兩者具有較高的生物利用率與損失率，因而能顯著影響土壤的理化性質［2］。土壤團聚體組成的變化與有機碳的變化緊密相關，兩者作為重要的土壤屬性，在保持土壤生物活性、通氣性、滲透性和抗侵蝕能力等方面起著十分重要的作用，目前已被廣泛認為是評價土壤肥力或土壤質量的綜合指標［3-4］。因此，開展土壤團聚體組成及有機碳特征研究具有十分重要的意義。紫花苜蓿Medicago sativa因其粗蛋白含量高、固氮能力強而享有 “牧草之王”的美譽，是世界范圍內普遍種植的豆科Leguminosae牧草［5］。無芒雀麥Bromus inermis適口性好，是可消化物質產量較高的禾本科Gramineae牧草之一［6］。目前，兩者已成為豫北地區不可替代的戰略性保障飼草。近年來，許多學者對土壤團聚體組成及有機碳特征開展了廣泛研究，但大多數的研究對象是林地或農田土壤［7-8］， 且多集中于不同母質［9-10］、 施肥模式［11-12］和施肥量［13-14］等， 而對不同栽培模式草地土壤團聚體組成和有機碳特征的研究較少。筆者曾對豫北地區紫花苜蓿與無芒雀麥不同栽培模式下沙化土壤微生量和酶活性進行了研究［15］。本研究對該地區紫花苜蓿與無芒雀麥不同栽培模式下，土壤團聚體組成和有機碳的影響以及兩者的相互關系，旨在為該區人工草地建植及土壤環境改善提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于河南省新鄉市洪門鎮原堤村（35°16′N，113°57′E）。地處豫北地區，北臨余河通道，南臨黃河，屬黃河沖積平原，年平均氣溫為14.2℃，年平均降水量573.4 mm，年均日照時數2400.0 h，年平均相對濕度68%，無霜期220.0 d。試驗地土壤類別為砂壤土，0～40 cm土壤基礎理化性質如下：砂粒44%，粉粒38%，黏粒18%，全氮1.13 g·kg-1，全磷0.69 g·kg-1，全鉀13.42 g·kg-1，堿解氮31.50 mg·kg-1， 有效磷 12.05 mg·kg-1， 速效鉀 88.02 mg·kg-1， 有機質 9.08 g·kg-1， 田間持水量 28.54%， 土壤pH 7.94。

1.2 試驗設計

2012-2017年連續6 a進行試驗，隨機區組設計，設4個處理，即：以撂荒地為對照，設紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播、紫花苜蓿/無芒雀麥混播3種不同的栽培模式（圖1），每個處理3次重復，共12個小區，小區面積20 m2（4 m×5 m），總面積240 m2。2012年10月播種，紫花苜蓿的單播播量為15 kg·hm-2，無芒雀麥的單播播量為18 kg·hm-2，紫花苜蓿/無芒雀麥混播播量均為對應單播播量的一半。播種方式為條播，行距25 cm。試驗期間免耕處理，不施用任何肥料，每年定期進行澆水與人工除草。

1.3 土壤樣品采集及測定

于2017年11月，以5點取樣法，用土鉆分別取 0～10，10～20，20～30和30～40 cm 4個土層的原狀土樣，每個深度3個重復，將土樣中的雜草剔除后，裝入自封袋，用于土壤機械穩定性團聚體、水穩性團聚體和有機碳質量分數的實驗室測定。

圖1 研究區域及樣方布置示意圖Figure 1 Schematic map of the study area and quadrat

團聚體形態和表面特征觀察：在風干處理并沿自然裂縫掰開的原狀土樣（0～40 cm）中，選擇自然斷面并且平整的土樣，用導電膠粘于銅臺上并編號，然后進行噴金處理，用SS 550型號掃描電鏡進行觀察。

團聚體測定步驟：按孔徑大小（10.00，7.00，5.00，3.00，2.00，1.00，0.50，0.25 mm）由上至下套好篩組，將已稱量（200 g）的土樣倒入最上部篩子中，對篩組左右擺動進行篩分，機械穩定后分成了9個粒級（≥10.00， 10.00～7.00， 7.00～5.00， 5.00～3.00， 3.00～2.00， 2.00～1.00， 1.00～0.50， 0.50～0.25 和＜0.25 mm（上限排除法）。對各級篩子中的土樣稱量，計算機械穩定性團聚體組成。取機械穩定性后所得的各粒級土樣50 g，將篩組（從上到下依次是5.00，3.00，2.00，1.00，0.50，0.25 mm）放入水桶中并置于振蕩架上，電動振蕩（30 min）后將篩組輕輕拿出水面，將各級篩上的團聚體洗入蒸發皿，烘干（60℃）后稱量，并計算水穩性團聚體組成。

測定方法：采用總有機碳分析儀（Elementar，德國）測定土壤總有機碳質量分數。采用高錳酸鉀氧化-比色法測定活性有機碳質量分數［2］；采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀容量法測定腐殖質碳質量分數［2］。

1.4 數據處理與分析

土壤團聚體質量分形維數（Dm）的計算方法：Dm=3-lg［W（δ＜i）/WT］/lg（i/xmax）。 其中： W（δ＜i）為土粒直徑＜i的土壤顆粒累計質量；WT為土粒的質量之和；i為粒級之間的平均粒徑；xmax為最大粒級的平均直徑。由于lg［W（δ＜i）/W0］與lg（i/xmax）具有線性關系，因此可采用最小二乘法進行線性擬合，3-Dm即為直線斜率， 由此得到Dm［16］。

利用SPSS 19.0軟件對分形維數的回歸方程進行線性擬合，并對土壤團聚體結構及有機碳組分進行Pearson相關性分析（雙側檢驗），表中的數據以平均值來表示，并用Duncan法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同栽培模式下土壤團聚體的形態特征

通過掃描電鏡對土壤團聚體的形態進行觀察，紫花苜蓿與無芒雀麥不同栽培模式下的團聚體形態有明顯的不同。撂荒地（圖2A）土壤團聚體外表表面孔隙較少，凝結成片。人工草地建植后的土壤團聚體大多呈現出球狀或塊狀，表面孔隙較多且較為疏松，大多呈圓潤多孔狀（圖2B和圖2C）。各模式下團聚體形態從優至劣依次為紫花苜蓿/無芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播、撂荒地。其中，紫花苜蓿/無芒雀麥混播模式表現最為明顯，團聚體凝聚程度較高。說明紫花苜蓿/無芒雀麥混播對團聚體形態改變促進作用較為明顯。

2.2 土壤機械穩定性團聚體組成與分形特征

由表1可以看出:土壤機械穩定性團聚體組成均以 5.00～3.00和3.00～2.00 mm粒徑為主（比例為35.55%～57.12%）。其中：對于5.00～3.00 mm粒徑的土壤團聚體而言（4個土層的均值），無芒雀麥單播、苜蓿單播和紫花苜蓿/無芒雀麥混播分別比撂荒地增加10.90%～22.55%，12.25%～27.17%和27.15%～38.14%，且與撂荒地的差異均達到顯著水平（P＜0.05）。對于3.00～2.00 mm粒徑的土壤團聚體而言（4個土層的均值），無芒雀麥單播、苜蓿單播和紫花苜蓿/無芒雀麥混播分別比撂荒地增加22.98%～41.64%，25.92%～45.10%和35.87%～50.38%，且與撂荒地的差異也均顯著（P＜0.05）。團聚體所占比例最少的是0.50～0.25 mm粒徑，占0.46%～2.66%。與撂荒地相比，單播或混播＜0.25 mm機械穩定性團聚體明顯減少，5.00～3.00和3.00～2.00 mm團聚體明顯增加。

圖2 不同栽培模式下土壤團聚體的形態特征Figure 2 Morphological characteristics of soil aggregates under different planting patterns

分形維數是表征土壤肥力的一個定量化評價指標［17］。分形維數越小，土壤結構良好且肥力越高［18］。由表1可知：各樣地土壤機械穩定性團聚體分形維數值大小排序為撂荒地、無芒雀麥單播、紫花苜蓿單播、紫花苜蓿/無芒雀麥混播，變化范圍為1.626～2.165。與撂荒地相應的土層相比，無芒雀麥單播 （30～40 cm）， 紫花苜蓿單播（0～10， 30～40 cm）， 紫花苜蓿/無芒雀麥混播（0～10， 10～20， 20～30 和30～40 cm）的分形維數均差異顯著（P＜0.05），它們的線性方程的相關系數（R2）均在0.946以上，且都達到極顯著水平（P＜0.01）。

表1 土壤機械穩定性團聚體組成及分形維數Table 1 Composition and fractal dimension of soil mechanical stable aggregates

2.3 土壤水穩性團聚體組成與分形特征

由表2可知：各樣地土壤水穩性團聚體組成以＜0.25和3.00～1.00 mm粒徑為主（比例為53.47%～74.47%）。與撂荒地同一土層相比，無芒雀麥單播、紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/無芒雀麥混播＜0.25和3.00～1.00 mm團聚體的含量均顯著減少（P＜0.05）。

≥0.25 mm水穩性團聚體是表征土壤生態效應的重要指標，其含量越高，土壤團聚體水穩性越強，土壤結構越穩定［19］。對于≥0.25 mm粒徑團聚體，其含量（4個土層的平均值）高低排序為紫花苜蓿/無芒雀麥混播（64.58%）、紫花苜蓿單播（57.96%）、無芒雀麥單播（56.37%）、撂荒地（40.81%），其中主要是促進了3.00～1.00和1.00～0.50 mm水穩性團聚體的形成，且無芒雀麥單播、紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/無芒雀麥混播均較撂荒地呈現顯著性差異（P＜0.05）。

同機械穩定性結果一樣，各樣地土壤水穩性團聚體分形維數值大小排序也為撂荒地、無芒雀麥單播、紫花苜蓿單播、紫花苜蓿/無芒雀麥混播，變化范圍為 2.636～2.840，但各樣地同一土層下的分形維數值之間并無顯著性差異（P＞0.05）。與土壤機械穩定性團聚體各分形維數擬合方程的情況一樣，水穩性團聚體線性擬合方程的相關系數（R2）在 0.947以上，且也均達到極顯著水平（P＜0.01）。

表2 土壤水穩性團聚體組成及其分形維數Table 2 Composition and fractal dimension of soil water stable aggregates

2.4 土壤各種形態有機碳的分布特征

由圖3可知：各樣地土壤總有機碳質量分數（4個土層的平均值）高低排序為紫花苜蓿/無芒雀麥混播（10.41 g·kg-1）、 紫花苜蓿單播（8.60 g·kg-1）、 無芒雀麥單播（8.21 g·kg-1）、 撂荒地（6.32 g·kg-1）， 活性有機碳以及腐殖質碳質量分數也具有同樣的變化規律。其中：土壤表層（0～20 cm）無芒雀麥單播、紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/無芒雀麥混播總有機碳、活性有機碳和腐殖質碳均較撂荒地呈現顯著性差異（P＜0.05）；土壤亞表層（20～40 cm）無芒雀麥單播、紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/無芒雀麥混播總有機碳、活性有機碳均較撂荒地呈現顯著性差異（P＜0.05），紫花苜蓿/無芒雀麥混播腐殖質碳較撂荒地差異顯著（P＜0.05），而無芒雀麥單播和紫花苜蓿單播腐殖質碳較撂荒地差異不顯著（P＞0.05）。此外，從土壤剖面來看，各種形態的有機碳質量分數均隨土層的加深而降低。

圖3 不同栽培模式下土壤有機碳質量分數Figure 3 Soil organic carbon content of different planting patterns

2.5 土壤團聚體與各種形態有機碳的相關性分析

由表3可知：土壤總有機碳、活性有機碳和腐殖質碳兩兩之間呈極顯著正相關（P＜0.01）。其中，總有機碳與活性有機碳、腐殖質碳的相關系數分別為0.975和0.954，活性有機碳與腐殖質碳的相關系數為0.975。

土壤機械穩定性團聚體分形維數與土壤總有機碳、活性有機碳、腐殖質碳均呈負相關。土壤機械穩定性團聚體的分形維數與≥10.00， 10.00～7.00， 7.00～5.00， 1.00～0.50， 0.50～0.25和＜0.25 mm粒徑團聚體呈正相關，其中與1.00～0.50，0.50～0.25和＜0.25 mm粒徑團聚體呈顯著或極顯著正相關，相關系數分別為0.515，0.745和0.972。機械穩定性團聚體分形維數與5.00～3.00，3.00～2.00和2.00～1.00 mm粒徑呈負相關，其中與2.00～1.00 mm粒徑團聚體呈極顯著負相關（相關系數為-0.632）。這說明機械穩定性團聚體分形維數受小粒徑（1.00～0.50， 0.50～0.25 和＜0.25 mm）和中等粒徑（5.00～3.00,3.00～2.00和2.00～1.00 mm）含量的影響明顯，即分形維數值隨小粒徑團聚體含量的增加而增加，隨中等粒徑團聚體的增加而降低。

土壤總有機碳、活性有機碳、腐殖質碳與團聚體（≥10.00，10.00～7.00，7.00～5.00，＜0.25 mm）呈負相關，其中與≥10.00，10.00～7.00 mm粒徑團聚體呈極顯著負相關（P＜0.01），而與團聚體（5.00～3.00， 3.00～2.00， 2.00～1.00， 1.00～0.50， 0.50～0.25 mm）呈正相關， 尤其與 5.00～3.00 和 3.00～2.00 mm 團聚體呈極顯著正相關（P＜0.01）。由此可見，中等粒徑（5.00～3.00，3.00～2.00 mm）團聚體含量越高，大粒徑（≥10.00，10.00～7.00 mm）團聚體含量越低，越有助于土壤有機碳質量分數的提高。

表3 土壤有機碳和土壤機械穩定性團聚體的相互關系Table 3 Correlation between soil organic carbon and soil dry-sieved aggregates

由表4可知：土壤水穩性團聚體分形維數與總有機碳、活性有機碳和腐殖質碳均呈極顯著負相關（P＜0.01），相關系數分別為-0.964，-0.930和-0.894。水穩性團聚體分形維數與小粒徑水穩性團聚體（＜0.25 mm）呈極顯著正相關（相關系數為 0.980），而與中小粒徑水穩性團聚體（≥5.00，5.00～3.00，3.00～1.00，1.00～0.50，0.50～0.25 mm）則基本呈顯著或極顯著負相關。同機械穩定性結果類似，這說明小粒徑水穩性團聚體的增加有利于提高水穩性團聚體分形維數，而中小粒徑水穩性團聚體的增加則會降低水穩性團聚體分形維數。

表4 土壤有機碳和土壤水穩性團聚體的相互關系Table 4 Correlation between soil organic carbon and soil water stable aggregates

3 討論與結論

3.1 不同人工草地栽培模式對土壤機械穩定性團聚體的影響

同一母質發育的土壤因栽培模式不同，土壤團聚體組成的分布特性可發生較大變化［20］。本試驗研究結果表明：土壤機械穩定性團聚體組成以中等粒徑（5.00～3.00和3.00～2.00 mm）團聚體為主，這一結果與王軼浩等［21］的研究結果一致，但宋麗萍等［22］在對黃土高原黃綿土團聚體的研究中卻發現：土壤機械穩定性團聚體以≥0.25 mm粒徑為主。這是因為本試驗地位于黃河沖積平原，地表多含有黃河沉沙，土壤機械組成中砂粒比例較大，因而在此基礎上形成的團聚體以中等粒徑居多。由此可見，土壤團聚體組成受到土壤顆粒組成的影響很大。另外，本研究中，人工草地建植6 a后，≥0.25 mm粒徑土壤機械穩定性團聚體含量增加，其中又以5.00～3.00和3.00～2.00 mm粒徑團聚體的增加最為明顯，單播和混播模式下均有此趨勢，其含量由高到低依次為紫花苜蓿/無芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播。這可能是因為相對于地表裸露的撂荒地，人工建植的草地由于增加了土壤表層植物殘體的積累，土壤中植物根系分泌物、微生物及其代謝產物增多，提高了土壤生物活性，土壤中的有機殘體、真菌菌絲體和糞便類物質增加，進而通過土壤動物吞食和排泄活動結合在一起形成較多的中等粒徑團聚體［23］，導致土壤團聚體組成發生了改變。

3.2 不同人工草地栽培模式對土壤水穩性團聚體的影響

團聚體水穩性表征的是團聚體抵抗灌水浸泡和降雨擊打的能力。有研究指出：≥0.25 mm水穩性團聚體的含量與土壤生態效應呈正比［22］。本研究表明：≥0.25 mm水穩性團聚體含量的高低排序為紫花苜蓿/無芒雀麥混播（64.58%）、紫花苜蓿單播（57.96%）、無芒雀麥單播（56.37%）、撂荒地（40.81%）。究其原因，可能是因為相對于撂荒地，人工建植的草地由于地表被植物覆蓋，且地下根系密集，土壤持水性和滲透性均得到了有效改善，因而能有效攔截降雨或灌溉引起的地表徑流和地下滲流對水穩性團聚體（≥0.25 mm）的沖刷和破壞作用［21］。此外，相對于單播模式，紫花苜蓿/無芒雀麥混播模式下這種格局變化更為明顯。究其原因，可能是由于混播草地地表凋落物種類增多，且豆科植物的直根系與禾本科植物的須根系相互交錯，地下形成了密集網絡結構［24］，因而水穩性團聚體（≥0.25 mm）的結構更加穩定，含量最高。

3.3 不同人工草地栽培模式對土壤團聚體質量分形維數的影響

土壤團聚體質量分形維數（Dm）是土壤團聚體結構的定量化反映［25］。研究表明：土壤團聚體質量分形維數與其中的團聚體內部組成呈顯著相關，表現為團聚結構粒徑分布的分形維數越小，土壤越具有良好的結構與穩定性，抗蝕能力越強［26］。目前，對于分形維數D值的評定主要是TYLER提出的分形理論體系，其中土壤質量分形維數（Dm）和體積分形維數（Dv）是該體系的重要參數。Dm較Dv可以更好地表征土壤某些屬性，如土壤結構、肥力和退化程度等［27］，特別是可以很好地反映沙漠化逆轉過程中土壤顆粒物質和養分的變化狀況［28］。本研究結果表明：土壤機械穩定性和水穩性團聚體分形維數值的從大到小順序均表現為撂荒地、無芒雀麥單播、紫花苜蓿單播、紫花苜蓿/無芒雀麥混播。這是因為本研究樣地位于豫北黃河沖積平原，土壤質地類別為砂壤土，是由沙性母質發育而來，風沙化較為嚴重，因此沙化裸地為砂質壤土，有機質含量低，所以土壤團聚體質量分形維數相對其他3種模式最大，而人工草地建植后土壤團聚體質量分形維數隨之降低，并在紫花苜蓿/多年生黑麥草混播模式下最低。由此證明：隨著人工草地的建植土地沙化得到了不同程度地逆轉，尤以紫花苜蓿/無芒雀麥混播模式效果最佳。

3.4 不同人工草地栽培模式對土壤各種形態有機碳分布特征的影響

WU等［29］認為：相對于退化草地，物種多樣性越豐富的草地其土壤養分和碳含量也越高。本試驗研究結果表明：土壤各有機碳質量分數從大到小排序依次是紫花苜蓿/無芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播、撂荒地。這主要是因為與撂荒地相比，單播或混播草地由于土壤生物活動明顯，大量的植物殘體進入土壤為微生物的生長與繁衍提供了充足的碳源，其中不穩定的活性有機碳作為植物營養的主要來源，可直接為植物根系所吸收和利用，而穩定的腐殖質碳又是土壤團聚體形成的核心。此外，相較于紫花苜蓿或無芒雀麥單播，紫花苜蓿/無芒雀麥混播草地由于各自產生的根系分泌物互相促進，且微生物數量及代謝產物增多，因而增加了土壤有機膠結物質，有利于混播草地土壤微環境的改善，因而土壤固碳能力更強。

3.5 土壤團聚體組成和土壤各種形態有機碳質量分數的相互關系

土壤團聚體形成的實質是土壤有機無機體在靜電引力、氫鍵及羥基等官能團作用下的復合過程。這些有機體無機體多少及其作用機制均會影響團聚體的形成與穩定。土壤有機碳作為團聚體的重要膠結物質，在團聚體的形成與穩定中具有極其重要的作用［30］。本研究Pearson雙側檢驗結果表明：土壤各種形態的有機碳（總有機碳、活性有機碳、腐殖質碳）兩兩之間呈極顯著正相關，且機械穩定性和水穩性團聚體的分形維數值均與各有機碳質量分數和小粒徑團聚體（＜0.25 mm）呈正相關，與中等粒徑團聚體（5.00～3.00，3.00～1.00 mm）呈負相關。可見，土壤小粒徑團聚體的減少和中等粒徑團聚體的增加有利于降低土壤團聚體質量分形維數，提高土壤穩定性與肥力。