長期不同輪作模式對黃壤團聚體組成及有機碳的影響①

白怡婧，劉彥伶*，李 渝，黃興成，張雅蓉，蔣太明，秦 松

長期不同輪作模式對黃壤團聚體組成及有機碳的影響①

白怡婧1,2，劉彥伶1,2*，李 渝1,2，黃興成1,2，張雅蓉1,2，蔣太明2,3，秦 松1

(1貴州省農業科學院土壤肥料研究所，貴陽 550006；2農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴陽 550006；3貴州省農業科學院茶葉研究所，貴陽 550006)

依托23 年的黃壤長期定位田間試驗，對比研究玉米單作(MM)、小麥||綠肥–玉米輪作(WMR)和油菜–玉米輪作(RMR)對土壤團聚體組成及有機碳的影響。結果表明：各處理機械穩定性團聚體和水穩性團聚體均以大團聚體(>0.25 mm的團聚體)為優勢團聚體，占比高達93.04% 和74.59% 以上；WMR和RMR處理較MM處理顯著提高了5 ~ 2 mm和2 ~ 1 mm機械穩定性團聚體含量及>5 mm和5 ~ 2 mm水穩性團聚體含量；WMR處理的水穩性團聚體MWD(平均重量直徑)較MM處理顯著增加了50%；WMR、RMR處理的PAD(團聚體破壞率)和LT(土壤團聚體不穩定團粒指數)較MM處理分別顯著降低了31.32%、25.97% 和35.90%、30.65%；不同粒級水穩性團聚體中均以WMR處理的有機碳含量最高，>5、1 ~ 0.5、0.5 ~ 0.25 mm粒級團聚體的有機碳含量比MM處理顯著增加了17.60%、34.41%、45.67%；土壤團聚體有機碳主要集中在>0.25 mm的大團聚體中，而在微團聚體中含量較少，輪作主要提高了>5 mm水穩性團聚體中有機碳的貢獻率，WMR、RMR處理較MM處理分別提高了23.18和9.16個百分點。小麥||綠肥–玉米輪作能有效改善土壤團聚體組成，提高團聚體穩定性和有機碳含量，可作為貴州黃壤旱地較佳的輪作模式。

輪作模式；土壤團聚體；穩定性；土壤有機碳

近年來，隨著農業集約化程度不斷提高，長期高強度利用和不合理的土壤耕作方式導致土壤結構破壞、肥力下降等耕地土壤質量問題凸顯。為恢復和提高土壤地力，實現“藏糧于地”戰略目標，2016年農業部出臺了《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》[1]。輪作是一定地塊在一定耕作周期內以種類多樣性和轉換性種植農作物的耕作方式，也是促使土地利用自身的“內源技術”來增加土壤肥力的生態方式[2]。輪作通過不同作物之間的時序和空間配置，更好地利用不同作物對環境、水分和養分等生態因素需求的差異性，以改善土壤結構、均衡利用土壤養分、提高土壤肥力，從而提高生態效益和經濟效益[3]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元[4]，其形成是土壤微生物、植物根系及復雜的物理化學過程的共同作用結果，它的數量和分布反映了土壤結構的穩定性和抗蝕性[5]，主要受到土壤有機碳含量、種植制度和輪作模式等的影響[6]。土壤有機碳是土壤養分轉化的重要參與者，也是土壤環境質量演變的核心。研究表明，疏松熟化層表土中近90% 的土壤有機碳存在于團聚體內[7]。土壤團聚體和有機碳相互作用[8]，土壤團聚體為有機碳提供物理保護[9]，有機碳促進團聚體的形成和穩定[10]。

貴州是全國唯一沒有平原支撐的典型喀斯特省份，人均耕地面積少且土壤質量低[11]，合理的輪作技術在保持土壤養分的前提下提高有限耕地的生產力對貴州糧食安全和農業可持續發展意義重大。研究表明，不同輪作模式會對不同粒級團聚體之間的轉化和再分布造成不同程度的影響[12]，進而影響有機碳分布、土壤結構穩定性和抗侵蝕能力，且不同作物輪作下水穩性大團聚體含量、平均重量直徑、各粒級團聚體有機碳含量高于單一作物種植。關于土壤有機碳在團聚體中的分布研究結果不盡一致，一部分研究認為土壤有機碳主要分布在 >0.25 mm的大團聚體中[13-14]，另一部分研究則認為土壤有機碳主要分布在 <0.25 mm的微團聚體中[15-16]。黃壤是貴州分布最廣且面積最大的耕地土壤，玉米是貴州旱地種植面積最大的農作物，玉米單作或者與油菜、小麥輪作是農業生產中最主要的種植模式。目前，關于施肥對黃壤養分影響的研究較多[17-20]，而關于不同輪作模式對黃壤養分，尤其是對黃壤團聚體影響的研究鮮見報道。因此，本研究依托國家黃壤肥力與肥效長期定位試驗平臺，分析比較不同輪作模式對土壤團聚體穩定性及有機碳含量的影響，旨在探尋有效改善土壤結構、維持土壤質量的輪作模式，為貴州黃壤旱地的可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于貴州省貴陽市花溪區貴州省農業科學院內(106°39′52″ E、26°29′49″ N)，地處黔中黃壤丘陵區，海拔1 071 m，年均氣溫15.3℃，年均降雨量1 100 ~ 1 200 mm，年均日照時數1 354 h，相對濕度75.5%，全年無霜期270 d左右。試驗地土壤為黃壤土類黃泥土土種，成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖殘積物，耕層(0 ~ 20 cm)基礎土樣有機質36.2 g/kg、全氮1.96 g/kg、全磷0.96 g/kg、全鉀10.5 g/kg、pH 6.87。

1.2 試驗設計

黃壤肥力與肥效長期定位試驗始于1995年，共設12個處理，本研究選取其中3個處理作為研究對象，分別是：玉米單作(maize monoculture system，MM)；小麥||綠肥–玉米輪作(wheat (intercropping green manure)-maize rotation，WMR)；油菜–玉米輪作(rape-maize rotation，RMR)。采用大區對比試驗，每處理小區面積340 m2，未設重復，無灌溉設施。試驗用氮肥為尿素(含N 460 g/kg)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O5160 g/kg)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 600 g/kg)。玉米季每年施N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2、K2O582.5 kg/hm2，小麥季作物每年施N 82.5 kg/hm2、P2O541.3 kg/hm2、K2O541.3 kg/hm2。小麥和油菜每年10月播種，4月初收獲。綠肥品種為光葉苕子，盛花期干物質量為1 200 kg/hm2，每年10月播種，小麥收獲后翻壓還田。玉米每年4月播種，9月底收獲。玉米、小麥、油菜秸稈地上部分均移除，根茬還田。

1.3 樣品采集和分析

由于歷史原因，長期定位試驗小區面積較大未設置重復，本研究將試驗地延長邊三等分，設置3個調查取樣重復小區，于2017年玉米收獲后采用梅花形5點取樣法采集0 ~ 20 cm土層土樣，帶回實驗室去除肉眼可見的植物殘體和石塊，再將大土塊沿其自然結構掰開至1 cm左右，自然風干備用。

機械穩定性團聚體測定：干篩法[12-15]。取400 g混合土樣置于套篩(孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 mm)頂部，用振動篩分儀(GRINDER SS200)進行振蕩篩分，振幅2.0 mm，篩分時長為10 min，測定各孔徑篩分后的土壤質量。

水穩性團聚體測定：濕篩法[12-15]。按照干篩后土壤各粒級質量比稱取50 g混合土樣，將其置于套篩(孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 mm)頂部，放于恒溫土壤團粒分析儀(Daiki DIK-2012)的配套桶內，沿邊緣緩慢加入去離子水至刻度線，確保最頂層篩的上邊緣低于水面，靜置10 min后開啟振蕩開關，以30次/min的頻率振蕩10 min。收集各級篩層團聚體并分別轉移至鋁盒中，烘干稱重。

有機碳測定：重鉻酸鉀容量法(外加熱法)[12-15]。

1.4 計算公式

利用各粒級團聚體數據，計算平均重量直徑(mean weight diameter, MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter, GMD)、>0.25 mm團聚體質量分數(0.25)[5,14]。

式中：X為第級團聚體平均直徑(mm)；m為第級團聚體質量(g)，t為供試土壤總質量(g)，0.25為 >0.25 mm團聚體質量。

土壤團聚體破壞率(PAD)[21]：

式中：DR0.25為 >0.25 mm機械穩定性團聚體質量分數(%)；WR0.25為 >0.25 mm水穩性團聚體質量分數(%)。

土壤團聚體不穩定團粒指數(LT)[22]：

式中：0.25、t意義同前。

團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率()[22]：

式中：為團聚體中有機碳對土壤中有機碳的貢獻率(%)；OC為第級團聚體中有機碳含量(g/kg)；SOC為土壤中有機碳含量(g/kg)；m、t意義同前。

1.5 統計分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0進行數據處理和作圖，采用一般線性模型進行方差分析，最小顯著極差法(Duncan法)進行多重比較，顯著性水平<0.05，文中數據為平均值±標準差(=3)。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式下土壤機械穩定性團聚體組成

各輪作模式機械穩定性團聚體均以>5 mm的團聚體為主，且表現出隨粒級減小含量(以質量分數計，下同)減少的趨勢(表1)。與MM處理相比，WMR和RMR處理>5 mm的團聚體含量顯著降低了20.7% 和29.0%，而5 ~ 2 mm的團聚體含量顯著增加了62.67% 和64.18%，2 ~ 1 mm的團聚體含量顯著增加了35.74% 和41.28%。此外，WMR和RMR處理<0.25 mm的團聚體含量均比MM處理降低了54.17%。。

表1 不同輪作模式下土壤機械穩定性團聚體組成

注：同列數據后不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)；下同。

2.2 不同輪作模式下土壤水穩定性團聚體組成

不同處理各粒級水穩性團聚體分布特征不盡相同(表2)，MM處理以<0.25 mm及1 ~ 0.5 mm的團聚體為主，>5 mm的團聚體含量最少；WMR處理以>5 mm的團聚體為主，其他各粒級團聚體含量相當；RMR處理各粒級團聚體含量相當。與MM處理相比，除WMR處理>5 mm的團聚體含量顯著增加468.98%，1 ~ 0.5 mm的團聚體含量顯著降低40.5% 外，不同輪作模式間其他各粒級團聚體含量無顯著差異。WMR和RMR處理<0.25 mm的團聚體含量均比MM處理降低了35.89% 和31.25%。

表2 不同輪作模式下土壤水穩性團聚體組成

2.3 不同輪作模式下土壤團聚體穩定性

MWD和GMD可表征土壤團聚體穩定性，其值越大表示平均粒徑團聚度越高，穩定性越強。不同輪作模式下土壤機械穩定性顯示，WMR處理GMD和0.25含量均較MM處理大(表3)。水穩性團聚體MWD值以WMR處理最高，比MM處理顯著提高了50%，各處理之間GMD和0.25值差異不顯著。不同輪作模式下PAD和LT規律基本一致(圖1)，與MM處理相比，WMR和RMR處理的團聚體PAD分別顯著降低了31.32% 和25.97%，LT分別顯著降低了35.90% 和30.65%。可見，輪作尤其是小麥||綠肥–玉米輪作能有效提高土壤團聚體穩定性，降低土壤團聚體破壞率和不穩定團粒指數。

表3 不同輪作模式對土壤機械穩定性/水穩性團聚體穩定指數的影響

2.4 不同輪作模式下水穩性團聚體中有機碳分布

本研究各處理耕層有機碳含量為WMR(26.21 g/kg)> RMR(21.29 g/kg)>MM(19.26 g/kg)，且水穩性團聚體有機碳回收率均在95% 以上。不同耕作模式下土壤有機碳在不同團聚體粒徑中分布存在差異(圖2)，不同輪作能不同程度地提高團聚體中有機碳含量。不同粒級團聚體中均以WMR處理的有機碳含量最高。與MM處理相比，WMR處理 >5、1 ~ 0.5、0.5 ~ 0.25 mm團聚體有機碳含量分別顯著提高了17.60%、34.41%、45.67%；RMR處理0.5 ~ 0.25 mm團聚體有機碳含量顯著增加了41.32%，其他各粒級團聚體中有機碳含量無顯著變化。可見，兩種輪作模式均能增加各粒徑團聚體尤其是大團聚體中有機碳含量，尤以小麥||綠肥–玉米輪作增幅最大。

2.5 不同輪作模式下各粒級水穩性團聚體中有機碳貢獻率

不同輪作模式下不同粒級團聚體的有機碳貢獻率差異較大(圖3)，其中 >0.25 mm大團聚體中有機碳對土壤有機碳貢獻率均較高，高達78% 以上，這與團聚體含量分布特征相似。>0.25 mm大團聚體中，MM處理2 ~ 1 mm和1 ~ 0.5 mm團聚體中有機碳貢獻率較高，為23.35% 和21.70%，而>5 mm團聚體中有機碳貢獻率僅為5.55%；WMR處理>5 mm團聚體中有機碳貢獻率高達28.73%，其他各粒級團聚體中有機碳貢獻率為11.45% ~ 16.38%；RMR處理各粒級團聚體中有機碳貢獻率相當，為12.29% ~ 18.93%。<0.25 mm微團聚體中，WWR和RMR處理有機碳貢獻率比MM處理降低了8.29和6.98個百分點。可見，輪作有利于提高大團聚體中尤其是>5 mm團聚體中有機碳貢獻率，其中小麥||綠肥–玉米輪作增幅最大。

3 討論

土壤學將當量粒徑10 ~ 0.25 mm的團聚體稱為大團聚體，其含量越高，說明土壤團聚性越好；<0.25 mm的團聚體稱為微團聚體，其是機械穩定性較差的團聚體，這一級別團聚體所占比重越高，表明土壤愈分散[23]。MWD和GMD常用來反映土壤團聚體大小分布狀況，GMD是對土壤團聚體主要粒級分布的描述，而MWD為各級團聚體的綜合指標[24]。一般認為，大團聚體含量、MWD和GMD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，團聚體穩定性越強[25]。本研究結果表明，各輪作模式機械穩定性團聚體和水穩性團聚體均以大團聚體為優勢團聚體，占比分別高達93.04% 及74.59% 以上；而水穩性微團聚體中< 0.25 mm 的團聚體含量比機械穩定性中<0.25 mm的團聚體含量高13.10 ~ 18.45個百分點，這與張欽等[23]在黃壤上的研究結果一致。油菜–玉米輪作和小麥||綠肥–玉米輪作較玉米單作能顯著提高5 ~ 2 mm和2 ~ 1 mm機械穩定性團聚體含量及>5 mm水穩定團聚體含量，并顯著降低PAD和LT，尤以小麥||綠肥–玉米輪作效果更佳，說明輪作能改善團聚體組成，提高土壤團聚體穩定性，這與其他研究[23,26-30]結果一致。可見，黃壤上不同作物與綠肥間套輪作可在常規輪作模式的基礎上進一步改善土壤團聚體組成并提高團聚體穩定性。李陽兵等[31]研究表明，團聚體穩定性下降和水穩性團聚體減少的主要原因是有機質含量下降，而本研究中土壤的有機碳含量表現為小麥||綠肥–玉米輪作>油菜–玉米輪作>玉米單作，故土壤團聚體的穩定性也呈現出一致的規律。

土壤有機質與團聚體關系密切[32-33]，其含量的提高有利于土壤結構形成，增強土壤結構穩定性，而團聚體形成反過來影響土壤有機碳分解[34-35]。本研究結果表明，不同處理 >0.25 mm的水穩性團聚體中有機碳對土壤有機碳貢獻率高達78% 以上，說明土壤有機碳主要集中在 >0.25 mm的水穩性團聚體中，微團聚體中含量較少，這與張鳳華等[36]研究結果一致。小麥||綠肥–玉米輪作和油菜–玉米輪作中，各粒級團聚體有機碳含量基本都高于玉米單作，尤以小麥||綠肥–玉米輪作增幅較大，說明玉米與其他作物輪作尤其是小麥季作物間套作綠肥有利于土壤團聚體的養分積累。這可能是因為不同輪作系統作物的根系分布、根系分泌物種類和數量、根系周轉特征等存在差異，當不同的植物殘茬增加時，可促進團聚體中顆粒有機質的形成，在有機質膠結作用下，微團聚體、顆粒有機質等相結合形成大團聚體，從而促進土壤大團聚體數量的增加并提高有機質含量[37-40]。本研究中，輪作的冬季作物(小麥和油菜)根茬還田，增加了外源有機物的投入，從而增加了土壤有機質含量。小麥||綠肥–玉米輪作中，由于綠肥翻壓還田進一步增加了外源有機物的投入，因而有機碳含量最高。另外，本研究中輪作顯著提高了>5 mm的水穩性團聚體含量及其對土壤有機碳的貢獻率，降低了土壤團聚體破壞率并提高了團聚體穩定性，穩定的團聚體能夠對儲存于其中的有機碳形成有效保護，且通常大團聚體能夠儲存更多的有機碳，故輪作可提高土壤團聚體中有機碳含量。

4 結論

輪作在改善土壤團聚體組成、提高土壤團聚體穩定性和團聚體中有機碳含量方面具有良好效果，小麥||綠肥–玉米輪作效果尤為顯著。貴州冬綠肥資源豐富，在農業生產實踐中，應選擇合適的綠肥品種進行間套作輪作，充分發揮綠肥的培肥改土作用，提高土壤質量。小麥||綠肥–玉米輪作可作為貴州黃壤旱地較佳的輪作模式。

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Effects of Different Long-term Rotation Patterns on Aggregate Composition and Organic Carbon in Yellow Soil

BAI Yijing1,2, LIU Yanling1,2*, LI Yu1,2, HUANG Xingcheng1,2, ZHANG Yarong1,2, JIANG Taiming2,3, QIN Song1

(1Institute of Soil and Fertilizer, Guizhou Academy of Agriculture Sciences, Guiyang 550006, China; 2 Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Agricultural Environment (Guizhou), Ministry of Agriculture, Guiyang 550006, China; 3 Institute of Tea, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, China)

The effects of rotation patterns on soil aggregate composition and soil organic carbon were studied in this paper in order to setup rational rotation pattern in yellow soil based on a successive 23-year field experiment, in which three treatments were chosen: maize monoculture system (MM), wheat (intercropping green manure)-maize rotation (WMR) and rape-maize rotation (RMR). The results showed that >0.25 mm aggregates were the dominant component of the mechanically stable and water stable aggregates with the proportion beyond 93.04% and 74.59% respectively. Compared with MM treatment, WMR and RMR treatments significantly improved the contents of 5–2 mm, 2–1 mm mechanical stability aggregates and the contents of >5 mm, 5–2 mm water stable aggregates; WMR treatment significantly increased MWD (mean weight diameter) of water stable aggregates by 50%; WMR and RMR treatments significantly decreased PAD (percentage of aggregate destruction) andLT(soil aggregates unstable mass index) by 31.32%, 25.97% and 35.90%, 30.65% respectively. WMR treatment had the highest organic carbon content in different size levels of water stable aggregates, and organic carbon contents in >5, 1–0.5, 0.5–0.25 mm aggregates increased by 17.60%, 34.41% and 45.67% respectively compared with MM treatment. The contents of soil aggregate organic carbon was mainly in >0.25 mm aggregates, higher than that in microaggregate (<0.25 mm). Rotation measures mainly increased the contribution rate of organic carbon in >5 mm water stable aggregates, WMR and RMR treatments increased 23.18 and 9.16 percentage points respectively compared with MM treatment. In summary, wheat (intercropping green manure)-maize rotation can effectively improve the composition of soil aggregates, improve the stability of soil aggregates and organic carbon content, thus, is a reasonable rotation pattern in the yellow soil of Guizhou.

Rotation pattern; Soil aggregate; Stability; Soil organic carbon

S152.4；S156.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.022

白怡婧, 劉彥伶, 李渝, 等. 長期不同輪作模式對黃壤團聚體組成及有機碳的影響. 土壤, 2021, 53(1): 161–167.

國家自然科學基金項目(32060302)、貴州省科技創新人才團隊建設項目(黔科合平臺人才[2018]5604)和中央引導地方科技發展專項(黔科中引地[2019]4003)資助。

(lyl890615@163.com)

白怡婧(1994—)，女，貴州江口人，碩士研究生，研究方向為耕地保育。E-mail: baiyijing7@163.com