玉米間作大豆、蘿卜對紅壤不同粒徑水穩性團聚體碳氮分布的影響

李孝梅，李永梅，烏達木，范茂攀

（云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650201）

土壤團聚體是土壤結構的重要物質基礎和肥力的重要載體，其組成和穩定性直接影響了土壤理化性質，進而影響農作物生長。以0.25 mm為界限，團聚體被分為大團聚體（Macro-aggregates）和微團聚體（Micro-aggregates）。不同粒級團聚體在養分的保持、供應及轉化能力等方面發揮著不同的作用［1］。土壤團聚體通過對土壤水、肥、氣、熱各項土壤指標的綜合影響進一步影響農業生產和生態環境，有機碳是團聚體存在的主要膠結物質，能夠保護土壤結構，增加團聚體穩定性，顯著改善耕地質量，提高耕地肥力，而土壤團聚體是有機碳的固存場所［2］。長期研究表明土壤團聚體對土壤有機碳具有物理保護作用，良好的團聚體結構能促進土壤有機碳的積累［3］。土壤團聚體與土壤中碳、氮含量之間相互影響［4］，土壤中碳能夠提高土壤團聚體穩定性，且有利于促進土壤中微團聚體和大團聚體形成［5-6］，而土壤團聚體對土壤中氮的轉化有促進作用［7］。

間作是廣泛應用的傳統農業種植模式，Zarea等［8］研究發現，間作能增加土壤微生物量的含量，間作不同作物根系的生長在空間與時間上的差異性，以及交互作用可誘導根系分泌功能增強，從而活化更多種類與數量的微生物。根系分泌物的種類和數量決定了土壤微生物的種類和數量［9］，根系分泌物本身作為有機膠結劑，能夠增加土壤顆粒的結合強度，降低變濕速率，從而促進土壤的團聚化作用［10］。土壤微生物是形成土壤團聚體最活躍的生物因素，根系分泌物作為根際微生物的主要碳源和能源物質，在微生物活動的驅動下，間接地影響了土壤團聚體的形成和穩定［11］。Wang等［12］研究發現，間作可顯著提高團聚體有機碳、氮的含量。同時有研究表明，間作模式可以顯著提高水穩性大團聚體含量，間作模式下各團聚體穩定性指標均優于單作模式，說明間作模式下土壤團聚體穩定性明顯強于單作模式［13-14］。但作物間作條件下，有機碳、氮在不同粒徑團聚體中的含量分布狀況是怎樣的尚不清楚。因此，本試驗以玉米間作不同的作物為研究對象，探討其對土壤團聚體中有機碳、氮的含量分布以及微生物量碳、氮的影響，為不同種植模式改善土壤團聚體狀況和肥力提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于云南省昆明市盤龍區松華鄉大擺村，地理坐標為102°58′39.7″E，25°2′28.8″ N，海拔2200～2300 m，坡度8°，年平均氣溫16℃，年降水量900～1000 mm，屬于亞熱帶季風氣候。試驗土壤為紅壤，基本理化性狀：有機質39.55 mg/kg，堿解氮105.00 mg/kg，有效磷26.83 mg/kg，速效鉀217.00 mg/kg，土壤pH為5.20。

1.2 試驗設計

試驗期為2019年4～10月，在同一坡面上采取隨機區組設計，各小區面積為4 m×10 m，上下、左右均間隔1 m作為人行橫道，試驗共設置5個處理，分別為：玉米單作（玉單）、大豆單作（豆單）、蘿卜單作（蘿單）、玉米大豆間作（玉//豆）、玉米蘿卜間作（玉//蘿），每個處理設置3個重復，共15個小區，設計玉米與大豆及蘿卜的間作是因為玉米與二者的高度不同，田間小氣候會產生變化，而大豆和蘿卜間作則沒有這種影響。前人以此種植模式已連續種植兩年，本試驗為第3年種植。

玉米單作采用寬窄行種植，寬行80 cm，窄行40 cm，株距25 cm，每行16株，共17行；大豆等行距種植，行距60 cm、株距25 cm，每行16株、共17行；蘿卜單作采用等行距種植，行距60 cm、株距30 cm，每行13株、共17行；玉米大豆間作采用2∶2種植模式（2行玉米間作2行大豆，此種植模式為當地傳統種植模式），玉米行距40 cm、株距25 cm，大豆行距40 cm、株距20 cm，玉米和大豆行距40 cm，玉米12行、每行13株，大豆11行、每行16株；玉米蘿卜間作采用2∶2種植模式（2行玉米間作2行蘿卜，此種植模式為當地傳統種植模式），玉米行距40 cm、株距25 cm，蘿卜行距40 cm、株距30 cm，玉米和蘿卜行距40 cm，玉米12行、每行13株，蘿卜11行、每行11株。

玉米施N 315 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，其中氮肥分2次（50%作基肥，50%作追肥），追肥在喇叭口期進行，磷肥和鉀肥全部作基肥施用；大豆施N 120 kg/hm2、P2O5240 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，全部作基肥施用；蘿卜施N 150 kg /hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，全部作基肥施用。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集

在作物成熟期進行采樣，每個小區按“S”形（三點采樣）采集0～20 cm土層行間土土樣（玉米大豆間作采集玉米大豆之間的行間土，玉米蘿卜間作采集玉米蘿卜之間的行間土），混合成一個樣品，樣品采集完成后，去除可見植物殘體及石子后立即測定土壤含水量，一部分土樣在0～4℃冷藏，以待及時測定微生物量碳、氮，另一部分土樣自然風干后，測定土壤有機碳、全氮。

1.3.2 團聚體分級

土壤水穩性團聚體的分離參照Elliott［15］的方法測定，具體操作為：稱取100 g風干土，置于2mm土篩上，蒸餾水浸泡10 min，然后將土樣依次通過2、0.25 mm的土篩。團聚體的分離通過上下移動篩子3 cm，重復50次（2 min內）進行，收集各級篩子上的團聚體并分別轉移至鋁盒中，于60℃下烘干，稱重。＜0.25 mm粒級的團聚體通過將溶液沉降、離心獲得。把＞0.25 mm粒級的團聚體稱為水穩性大團聚體（Macro-aggregate），而＜0.25 mm粒級的團聚體稱為水穩性微團聚體（Microaggregate）。團聚體樣品測定分為3個粒級：＞2、0.25～2、＜0.25 mm。

1.3.3 樣品測定

土壤全氮：凱氏定氮法測定。

土壤有機質：取0.1 g土樣倒入取樣舟，用0.1mol/L的鹽酸滴定樣品，再放進烘箱110℃烘4 h，取出取樣舟靜止24 h，用TOC儀測定。

微生物量碳（MBC）：氯仿熏蒸-K2SO4浸提法［16］。浸提液中有機碳含量用TOC有機碳分析儀測定。土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土樣濾液中碳含量之差除以轉換系數KC得到。微生物量碳的換算系數KC為0.38［17］。

微生物量氮（MBN）：微生物量氮浸提液的提取方法同微生物量碳，浸提液中的氮用凱氏定氮法測定，土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土樣濾液中氮含量之差除以轉換系數KN得到。微生物量氮的換算系數KN為0.45［17］。本試驗微生物量碳、氮的測定樣品在熏蒸前進行了預培養。用去離子水調節土壤樣品濕度至40%的田間持水量，將土壤樣品置于25℃恒溫培養箱中預培養15 d，并放置適量水以保持相對濕度，再放置一杯1 mol/L NaOH溶液以吸收釋放的CO2，此操作步驟主要為了恢復微生物的活性。

1.4 數據處理與統計分析

各級團聚體的百分含量（%）=該級團聚體質量/土壤樣品總質量×100

式中，SOC為土壤有機碳含量（g/kg），TN為土壤全氮含量（g/kg）。

式中，MBC為微生物量碳（mg/kg），MBN為微生物量氮（mg/kg）。

數據用Excel 2010、SPSS 13.0進行統計分析，各處理間的比較采用One-way ANOVA分析。

2 結果與分析

2.1 土壤水穩性團聚體的分布

土壤團聚體粒徑大小、含量分布都會影響土壤的物理特性。表1為不同種植模式下土壤水穩性團聚體的百分含量。在相同種植模式或不同種植模式中，粒徑為0.25～2 mm的質量百分數大于粒徑為＜ 0.25 mm的百分含量，粒徑在＞2 mm的團聚體百分含量為三者中最低。不同的種植模式下，＞2 mm團聚體百分含量為玉米蘿卜間作最高，大豆單作最低，表現為：玉//蘿＞玉//豆＞玉單＞蘿單＞豆單，分別是22.86%、19.23%、18.20%、16.89%、15.53%。0.25～2mm粒徑團聚體百分含量為玉米大豆間作最高，玉米蘿卜間作最低，表現為：玉//豆＞豆單＞玉單＞蘿單＞玉//蘿，分別為57.13%、56.30%、56.29%、55.21%、53.27%。粒徑＜0.25 mm團聚體的百分含量為大豆單作最高，玉米大豆間作最低，表現為：豆單＞蘿單＞玉單＞玉//蘿＞玉//豆，分別是28.17%、27.90%、25.51%、23.87%、23.64%。玉米大豆間作和玉米蘿卜間作大團聚體總和的百分含量都顯著高于大豆單作和蘿卜單作，間作模式中則為玉米大豆間作高于玉米蘿卜間作，而在所有種植模式中團聚體百分含量都表現為大團聚體＞微團聚體。

表1 土壤各級水穩性團聚體的百分含量 （%）

2.2 土壤團聚體中有機碳、全氮含量的變化

不同處理土壤團聚體中有機碳的含量見圖1。由圖1可知，不同處理＞2 mm、0.25～2 mm、＜0.25 mm各粒徑土壤團聚體有機碳含量分別為16.80～18.08、16.93～18.83、16.91～18.23、17.67～18.26、16.60～18.52 g/kg，玉米大豆間作有機碳含量最高，玉米單作有機碳含量最低。同一處理中有機碳含量為0.25～2 mm＞0.25 mm以下＞2 mm以上。有機碳含量最大值出現在玉米大豆間作中的0.25～2 mm粒徑內，為18.83 g/kg，最小值在蘿卜單作＞2 mm粒徑內，為16.60 g/kg。＞2 mm粒徑團聚體有機碳與0.25～2和＜0.25 mm粒徑團聚體有機碳有顯著差異?？傮w而言，團聚體有機碳＞0.25 mm粒徑明顯高于＜0.25 mm粒徑，這就表明團聚體有機碳主要聚集在大團聚體內。

圖1 土壤團聚體中有機碳的含量

不同處理土壤團聚體全氮含量見圖2。由圖2可知，不同處理條件下，團聚體全氮含量變化范圍為：1.24～1.76、1.52～2.21、1.58～2.03、1.57～1.84、1.81～2.06 g/kg。在5個處理中，＞2 mm粒徑團聚體的全氮含量表現為蘿卜單作含量最高，為1.81 g/kg，玉米蘿卜間作含量最低，為1.24 g/kg；對于0.25～2 mm粒徑，玉米大豆間作全氮含量最高，為2.21 g/kg，大豆單作含量最低，為1.75 g/kg；對于＜0.25 mm粒徑，玉米單作全氮含量最高，為2.03 g/kg，玉米蘿卜間作含量最低，為1.75 g/kg。同一處理中團聚體全氮含量以0.25～2 mm粒徑為最高，＞2 mm粒徑含量最低。同土壤團聚體有機碳變化趨勢一致，團聚體全氮含量主要也是集中在＞ 0.25 mm粒徑的大團聚體內。

圖2 土壤團聚體中全氮的含量

2.3 土壤團聚體有機碳、全氮的C/N變化

不同處理對土壤團聚體C/N（SOC/TN）的影響見表2。由表2可知，土壤團聚體有機碳在不同的處理或同一處理的不同粒徑中都存在顯著的差異性（P＜0.05），土壤團聚體全氮含量在同一處理的不同粒徑或不同的處理中變化也都存在顯著的差異性（P＜0.05）。有機碳與全氮的C/N在不同的處理中差異顯著（P＜0.05），變化范圍為8.52～13.55。在同一處理中除蘿卜單作外，其余處理都存在差異性，土壤團聚體C/N的變化范圍從小到大依次為10.22～13.55、8.52～11.14、8.65～10.70、9.77～11.25、8.99～9.85。玉米蘿卜間作的C/N為所有處理中的最大值，最小值為蘿卜單作；間作模式處理中玉米蘿卜間作的C/N變化范圍最大，玉米大豆間作的C/N變化范圍小于玉米蘿卜間作但大于所有的單作模式；在單作模式中，除蘿卜單作C/N變化不明顯，其余兩種單作模式變化較明顯?？偟膩碚f，間作的C/N變化較單作明顯，＞2 mm粒徑團聚體的C/N較＜0.25 mm粒徑的變化明顯。

表2 土壤團聚體有機碳、全氮的C/N

2.4 土壤團聚體微生物量碳、氮的含量變化

不同處理對土壤團聚體微生物量碳的影響見圖3。由圖3可知，不同處理微生物量碳的變化范圍依次為283.65～313.38、297.65～369.36、234.26～308.80、222.91～284.32、171.14～279.36 mg/kg，在不同的處理中，玉米蘿卜間作、玉米大豆間作的微生物量碳含量明顯高于玉米、大豆、蘿卜單作，而間作模式中玉米大豆間作的微生物量碳含量高于玉米蘿卜間作。單作模式中微生物量碳的含量變化表現為玉單＞豆單＞蘿單。微生物量碳的最大值出現在玉米大豆間作的0.25～2 mm粒徑團聚體內，最小值出現在蘿卜單作的＜0.25 mm粒徑團聚體內。同一處理中，團聚體微生物量碳主要聚集在大團聚體（＞0.25 mm）內，其含量明顯高于微團聚體（＜0.25 mm）。所有處理中＞2 mm粒徑團聚體的微生物量碳差異不顯著，0.25～2 mm、＜0.25 mm粒徑團聚體的微生物量碳存在顯著差異性（P＜0.05）。

圖3 土壤團聚體微生物量碳的含量

土壤團聚體微生物量氮的含量見圖4。由圖4可知，不同處理微生物量氮的變化范圍分別為72.88～93.18、98.34～105.53、63.06～110.31、37.09～90.30、34.16～58.75 mg/kg，在不同處理中，玉米大豆間作微生物量氮的含量最高，其次是玉米蘿卜間作，這兩種種植模式的微生物量氮含量明顯高于單作模式；在單作種植模式中，微生物量氮含量表現為玉單＞豆單＞蘿單。微生物量氮的最大值出現在玉米單作＞2 mm粒徑的團聚體內，最小值出現在蘿卜單作＜0.25 mm粒徑的團聚體內。同一處理中，微生物量氮的含量主要聚集在大團聚體（＞0.25 mm）內，且含量明顯高于微團聚體（＜0.25 mm）。所有處理中，＞2 mm、0.25～2 mm、＜0.25 mm粒徑的微生物量氮都存在顯著性差異（P＜0.05）。

圖4 土壤團聚體微生物量氮的含量

2.5 土壤團聚體微生物量碳、氮的C/N變化

不同處理土壤團聚體微生物量碳、氮的C/N見表3。由表3可知，不同處理中微生物量碳、氮的C/N存在差異性，土壤團聚體微生物量碳、氮的C/N總變化范圍為2.80～6.01，不同處理的微生物量碳、氮的C/N從小到大依次為3.04～4.30、3.03～3.50、2.80～3.71、3.15～6.01、4.76～6.00。在同一處理中團聚體粒徑內微生物量碳、氮的C/N也存在差異性。大豆單作＜0.25 mm粒徑團聚體的C/N為所有處理中的最大值，最小值則為玉米單作＞2 mm粒徑團聚體的C/N，單作模式處理中大豆單作的微生物量碳、氮的C/N變化范圍最大，變化最小的為間作模式中的玉米大豆間作。整體來說，單作的C/N變化比間作明顯，＜0.25 mm粒徑團聚體的C/N變化比＞2 mm粒徑的變化明顯，2～0.25 mm粒徑的C/N與＜0.25 mm粒徑的變化一致。

表3 土壤團聚體微生物量碳、氮的C/N

3 討論

3.1 不同處理對紅壤水穩性團聚體分布的影響

土壤團聚體是土壤結構的物質基礎，良好的土壤結構需要有較多的大團聚體存在，尤其是水穩性大團聚體的數量和分布對土壤的持水性和抗侵蝕性等都有很大的影響［18-19］，穩定的土壤結構可以使得受團聚體物理保護的有機碳免受礦化分解。土壤水穩性團聚體的數量和分布狀況更是反映了土壤結構的穩定性、持水性和抗侵蝕等能力［20-21］。此前，對間作系統的研究發現，間作可提高農田土壤團聚體穩定性及其團聚體有機碳含量，玉米大豆間作增加了土壤中粒徑＞0.25 mm團聚體的含量［22-23］；這與本研究結果一致，玉米大豆間作、玉米蘿卜間作處理中大團聚體的含量高于單作處理，可能原因是間作促進作物根系分泌物的分泌量，根系分泌物的增加主要影響以其為底物的細菌和真菌的數量［24］，根際細菌的活力提高，促進細菌釋放多糖等物質，成為土粒間有效的膠黏物質，有利于單個土粒轉化為微團聚體；而根際真菌的活力提高，促進其菌絲生長，對微團聚體具有纏繞作用，有利于微團聚體轉化為大團聚體［25］。

3.2 不同處理對紅壤團聚體有機碳、氮分布及C/N的影響

土壤團聚體是維持土壤質量的重要物質基礎，通常認為有機質是土壤團聚體形成的重要膠結物，有機碳較高的土壤團聚體更為穩定［26-27］。反之，穩定的團聚體結構能夠保護有機碳、氮，使其免受礦化分解，增加在團聚體內的富集量。江春玉等［28］研究表明，有機碳、氮在團聚體內表現為1～2 mm粒徑最高，0.25～1 mm次之，0.053～0.25 mm最低，大團聚體中有機碳、氮含量顯著高于微團聚體；本研究結果與其一致，在所有處理中，有機碳、氮在團聚體內表現為0.25～2 mm粒徑最高，大團聚體中有機碳、氮含量高于微團聚體。這一結果與團聚體等級發育模型理論［29］相吻合，一方面有機質把微團聚體膠結成大團聚體，另一方面處于分解狀態的植物根系和微生物菌絲可以通過纏繞作用直接形成大團聚體，并增加其中有機碳的濃度。在本試驗的所有處理中，0.25～2 mm粒徑團聚體數量占比較高，且有機碳、氮的含量也表現出在此粒徑中最高。微團聚體（＜0.25 mm）的數量低于0.25～2 mm粒徑團聚體的數量，其有機碳、氮的含量也低于0.25～2 mm粒徑，＞2 mm粒徑團聚體占比最低，其有機碳、氮的含量也最低。＜0.25 mm粒徑團聚體有機碳、氮的含量稍高的原因可能是微團聚體黏粒含量較高，有機碳易吸附到黏土礦物表面形成穩定的復合體［30］，成為土壤有機碳中極穩定的碳庫。土壤C/N是土壤營養狀況的重要指標［31］，較低的C/N意味著土壤有機碳礦化快，有機物腐解程度高，土壤養分有效性高［32］；較高的C/N意味著有機碳穩定，利于其在土壤中積累。土壤中與微團聚體結合的碳是形成時間較長的碳，由于碳的分解，降低了微團聚體中的C/N［33］。本試驗中微團聚體的C/N小于其余兩種粒徑的C/N，與其結果一致。

3.3 不同處理對紅壤團聚體微生物量碳、氮分布的影響

作為土壤結構的基本單位，團聚體同時也是微生物活動的主要場所，土壤物質與能量的循環轉化主要發生在團聚體內。土壤微生物生物量作為反映土壤肥力變化和擾動的一個重要指標，與團聚體數量及質量之間也存在密切聯系［34］。有研究表明，微生物量碳、氮的含量與水穩性團聚體的含量呈顯著的正相關，大團聚體的微生物量碳、氮含量高于微團聚體［35］。本試驗中，不同的處理條件下微生物量碳、氮的含量表現出明顯的差異，微生物量碳、氮的C/N也隨之變化，微生物量碳、氮在＞2 mm和0.25～2 mm粒徑中的含量明顯高于＜0.25 mm粒徑的含量，間作模式顯著高于單作，可能原因為間作條件下，根系分泌物的種類和數量高于單作，以根系分泌物為底物的微生物的種類和活性也相應增加。土壤中微生物群落不同，土壤的微生物量碳、氮的C/N也不同［36］。單、間作條件下，微生物量碳、氮的C/N變化范圍為2.80～6.01，這說明不同種植模式對微生物的生長環境有影響。

4 結論

玉//豆、玉//蘿水穩性大團聚體含量比玉米、大豆、蘿卜單作水穩性大團聚體含量高，間作模式更有利于水穩性大團聚體的形成。

玉//豆、玉//蘿、玉米單作、大豆單作、蘿卜單作有機碳、氮主要分布在0.25～2 mm粒徑的水穩性大團聚體中。

與玉米單作、大豆單作、蘿卜單作相比，玉//豆、玉//蘿顯著提高了土壤團聚體中微生物量碳、氮的含量，0.25～2 mm粒徑的微生物量碳、氮的含量高于其余兩種粒徑。水穩性大團聚體為有機碳、氮和微生物量碳、氮的主要載體。