多樣化種植對土壤團聚體組成及其有機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，張衛建

多樣化種植對土壤團聚體組成及其有機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，張衛建3

1養分資源高效利用全國重點實驗室/農業農村部廢棄物基質化利用重點實驗室/山東省農業科學院農業資源與環境研究所，濟南 250100；2山西農業大學高粱研究所，山西晉中 030600；3中國農業科學院作物科學研究所/農業農村部作物生理生態重點實驗室，北京 100081

【目的】闡明東北黑土區禾本科與豆科作物多樣化種植模式下土壤團聚體組成及其碳氮分布特征，為促進黑土地用養結合型種植制度優化提供理論依據與技術指導。【方法】田間試驗于2016—2020年在中國農業科學院作物科學研究所公主嶺試驗站進行，設置玉米大豆間作（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）常規種植模式為對照。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土壤團聚體及其有機碳、全氮含量的影響。【結果】多樣化種植有利于增加0—20和20—40 cm土層水穩性大團聚體（＞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聚體中有機碳和全氮含量，0—20 cm土層，M/S、M-S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團聚體有機碳含量分別比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土壤團聚體有機碳和全氮對土壤總有機碳和全氮貢獻率高于CM處理，而M/S和M-S處理＜0.053 mm土壤團聚體有機碳和全氮對總有機碳和全氮的貢獻率則低于CM處理。【結論】東北黑土區多樣化種植提高了土壤大團聚體含量，降低了黏粉粒含量，增加了土壤團聚體穩定性及有機碳和全氮含量，有利于促進農田土壤碳氮固持。

東北黑土區；輪作；間作；玉米；大豆；花生；土壤團聚體；土壤有機碳；土壤全氮

0 引言

【研究意義】多樣化種植是指通過間作、輪作和覆蓋作物的方式在農田中同時或按一定時序種植多種作物的生產方式。與集約化農業相比，多樣化種植利用生態位分化和物種互作的正效應提高糧食產量和養分利用效率，被認為是改善耕地質量和保障國家糧食安全的重要措施[1]。【前人研究進展】大量研究表明，多樣化種植可以增加農田生物多樣性和穩定性[2]，提高作物產量[3-4]，改善土壤肥力[5-6]，提高土地利用率[7]，增強作物系統對光、溫、水、肥的利用[8]。土壤有機碳與全氮作為衡量土壤肥力的重要指標，與作物養分供給、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、養分管理等均會影響土壤有機碳和氮含量[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和數量，有利于促進土壤有機碳和全氮的積累[11]。也有相關研究認為，多樣化種植體系下，進入土壤的有機碳源分解速率高，不利于土壤碳氮的固持[12]。由此可見，有關多樣化種植對土壤有機碳和全氮的影響仍存在不確定性，亟需進一步深入研究。土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，對維系土壤結構具有重要作用[13]。土壤團聚體含量及粒級分布不僅影響作物生長發育，而且對土壤的一系列物理、化學及生物學過程有重要影響。大量研究表明土壤團聚體對有機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聚體中停留[16]，土壤大團聚體更容易使微生物接觸有機物，從而導致大團聚體有機碳的礦化程度高于微團聚體。有機碳的礦化同時會釋放出氮、磷、硫等活性養分[17-18]，而微團聚體中的膠體及無機物質與有機碳緊密結合，為有機碳的固持提供了物理保護，使其成為土壤有機碳的重要固持場所[19]。已有研究表明多樣化種植可以增強土壤有機碳氮含量及土壤團聚體穩定性[5,11]，但受土壤類型、氣候特征以及作物搭配種類等影響，不同多樣化種植模式對土壤團聚體有機碳和全氮含量的影響及其差異仍需深入研究。【本研究切入點】東北黑土區作為我國最重要的糧食主產區和商品糧供應基地，玉米種植面積和產量均占全國1/3。但長期以來種植制度單一，導致農田生物多樣性下降，土壤養分消耗失衡，破壞了土壤生態系統穩定性，土壤中長期大量積累病原物，導致特定土傳病蟲害加劇，加之缺少耕地質量恢復和保護性措施，黑土耕地質量呈現逐年下降的趨勢[20-21]。近年來，隨著國家黑土地保護與利用戰略的全面實施，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與資源高效利用的同時，其對土壤團聚體結構以及土壤團聚體有機碳、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。【擬解決的關鍵問題】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，系統分析不同模式下土壤團聚體結構及其有機碳氮含量和貢獻率變化特征，以期為東北黑土區不同多樣化種植模式下土壤有機碳氮固持特征研究及多樣化種植模式推廣應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2016—2020年在中國農業科學院作物科學研究所公主嶺試驗站進行（43°31′N，124°48′E，海拔220 m）。試驗地所在區域為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.6 ℃，年平均日照時數為2 710 h，＞10 ℃積溫為3 180 ℃，年無霜期為144 d，年平均降雨量為562 mm。土壤類型為黑土，0—20 cm土層容重1.38 g·cm-3，有機碳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 試驗設計及田間管理

田間試驗設置玉米連作（CM，對照）、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個處理。試驗采用隨機區組設計，每個處理3次重復。每個小區面積96.0 m2（10.0 m×9.6 m）。每年播種前用旋耕機進行旋耕整地，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6.75萬株/hm2；大豆行距60 cm，株距15 cm，每穴兩粒，種植密度22.5萬株/hm2；花生行距60 cm，株距13.9 cm，種植密度12.0萬/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施用，50%氮肥在6月中下旬作為追肥施用，整個生育期不灌水，玉米、大豆和花生秸稈在收獲時均移出田外。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤樣品采集 在2020年10月，作物收獲時采集0—20和20—40 cm土層土壤和土壤團聚體樣品。土壤樣品采用土鉆采集。土壤團聚體采用直徑8 cm鋁盒采樣，將鋁盒倒扣在取樣位置，緩緩壓入土壤中，待鋁盒內土壤樣品充滿后，移出采樣鋁盒，帶回實驗室沿自然斷裂面掰成直徑1 cm土塊，在陰涼通風處自然晾干，留待團聚體粒級及有機碳和全氮含量測定。單作和輪作處理，每個小區在作物行間采集3個樣點，混為一個土樣，間作處理在每種作物行間和兩種作物行間分別采集3個樣點，混勻成為一個土樣。

1.3.2 土壤團聚體測定 土壤水穩性團聚體采用濕篩法測定。將風干后的土壤樣品干篩，然后按照干篩各粒級比例稱取土壤樣品50 g，倒入孔徑分別為2、0.25和0.053 mm的篩組中進行振蕩篩分5 min（30 次/min），將土壤團聚體分為＞2 mm、0.25—2 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm 4個粒級，最后將各篩子中的團聚體用去離子水洗入鋁盒中，60 ℃烘干至恒重后稱重，計算各粒級土壤團聚體質量百分比。土壤團聚體根據其粒級的大小可劃分為大團聚體（＞ 0.25 mm）和微團聚體（＜0.25 mm）。

1.3.3 團聚體有機碳和全氮 團聚體有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定[22]。

1.3.4 數據計算 土壤團聚體平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、平均幾何直徑（geometric mean diameter，GMD）和＞0.25 mm土壤團聚體比例計算公式如下[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土壤團聚體所占比例，M＞0.25為＞0.25 mm土壤團聚體質量，Xi為第i級團聚體的質量，Mi為第i級團聚體平均直徑，其中＞2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級的團聚體對應的平均直徑分別為2、1.125、0.1515和0.053 mm。

土壤團聚體有機碳貢獻率（WSOC）和全氮貢獻率（WTN）計算公式如下：

式中，OCi為第i級團聚體有機碳含量，Ni為第i級團聚體全氮含量，Mi為第i級團聚體所占比例，SOC為土壤有機碳含量。TN為土壤全氮含量。

1.3.5 統計分析 采用SAS 9.2軟件進行數據統計分析，各處理不同粒級土壤團聚體比例，團聚體平均重量直徑、平均幾何直徑、團聚體有機碳含量、全氮含量，貢獻率等均采用SAS軟件中的PROC GLM過程進行方差分析，其中處理為固定因子，區組為隨機因子，采用最小顯著極差法在0.05水平上進行多重比較，采用Excel 2016軟件作圖。

2 結果

2.1 不同多樣化種植模式下土壤團聚體分級

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

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處理土壤團聚體平均幾何直徑則與CM處理無顯著差異。在20—40 cm土層，M/S、M-S和M-P處理土壤團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處理土壤團聚體平均幾何直徑則與CM處理無顯著差異。

圖2 土壤團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土壤團聚體比例則與CM處理無顯著差異。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土壤團聚體比例則與CM處理無顯著差異。

圖3 ＞0.25 mm土壤水穩性團聚體比例

2.3 不同多樣化種植模式下土壤團聚體有機碳含量

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

2.4 不同多樣化種植模式下土壤團聚體全氮含量

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土壤團聚體全氮含量則與CM處理無顯著差異。各處理0.25—2 mm土壤團聚體全氮含量與CM處理無顯著差異。M-P的處理0.053— 0.25 mm和＜0.053 mm土壤團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土壤團聚體全氮含量則與CM處理均無顯著差異。在20—40 cm土層，M-S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團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土壤團聚體全氮含量與CM處理無顯著差異。M/S、M-S、M/P和M-P處理0.053—0.25 mm和＜0.053 mm土壤團聚體全氮含量均與CM處理無顯著差異。

圖4 不同粒級土壤團聚體有機碳含量

圖5 不同粒級土壤團聚體全氮含量

2.5 多樣化種植模式下不同粒級團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率

表1顯示，在0—20 cm土層，M-S和M/P處理＞2 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率分別比CM處理高10.0和11.2個百分點，而M/S和M-P處理＞2 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率則與CM處理無顯著差異。M/S處理0.25—2 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率比CM處理高15.4個百分點，而M/S、M-S和M-P處理＞2 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率則與CM處理無顯著差異。M/S、M-S、M/P和M-P處理0.053—0.25 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳的貢獻率與CM處理無顯著差異。M/S和M-S處理＜0.053 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳的貢獻率比CM處理低16.2和17.8個百分點，而M/P和M-P處理＜0.053 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳的貢獻率則與CM處理無顯著差異。

在20—40 cm土層，M-S處理＞2 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率比CM處理高8.3個百分點，而M/S、M/P和M-P處理＞2 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率則與CM處理無顯著差異。M-P處理0.25—2 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率比CM處理高7.6個百分點，M/S、M-S和M/P處理0.25—2 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率與CM處理無顯著差異。M/S、M/P和M-P處理0.053—0.25 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率分別比CM處理低3.9、4.2和5.6個百分點，而M-S處理0.053—0.25 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率則與CM處理無顯著差異。各處理＜0.053 mm土壤團聚體有機碳對總有機碳貢獻率與CM處理均無顯著差異。

表1 不同粒級團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率

2.6 多樣化種植模式下不同粒級團聚體全氮對土壤全氮的貢獻率

表2顯示，在0—20 cm土層，M-S和M/P處理＞2 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率分別比CM處理高9.2和12.4個百分點，而M/S和M-P處理＞2 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率則與CM處理無顯著差異。M/S處理0.25—2 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率比CM處理高16.5個百分點，M-S、M/P和M-P處理0.25—2 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率則與CM處理無差異。各處理0.053—0.25 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率均無差異。M/S和M-S處理＜0.053 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻分別比CM處理低16.1和17.1個百分點，而M/P和M-P處理＜0.053 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻則與CM處理無顯著差異。在20—40 cm土層，M-S處理＞2 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率比CM處理高7.1個百分點，而M/S、M/P和M-P處理＞2 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率則與CM處理無顯著差異。M/S和M-P處理0.25—2 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率分別比CM處理高7.1和8.9個百分點，M-S和M/P處理0.25—2 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率則與CM處理無顯著差異。M/S、M-S、M/P和M-P處理0.053—0.25 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率分別比CM處理低6.2、4.4、5.9和6.7個百分點。各處理＜0.053 mm團聚體全氮含量對土壤全氮的貢獻率則無顯著差異。

3 討論

3.1 作物多樣化種植促進了土壤大團聚體的形成

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是土壤微生物的生境及養分儲存場所[24]。土壤團聚體含量及粒級分布不僅影響作物生長發育，還對土壤的一系列物理、化學及生物學過程有著重要影響。土壤團聚體結構穩定性可以用土壤團聚體平均重量直徑和平均幾何直徑來表征，土壤團聚體平均重量直徑和幾何直徑越高，說明團聚體穩定性越強[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性大團聚體（＞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聚體平均重量直徑和平均幾何直徑，土壤團聚體結構穩定性高于玉米連作。喬鑫鑫等[26]在華北平原的研究表明，冬小麥–夏玉米||花生復種模式較傳統冬小麥–夏玉米復種模式明顯增加了土壤大團聚體含量，增強了團聚體的機械穩定性和水穩定性。白錄順等[27]在南方紅壤開展的間作模式試驗結果表明，玉米/大豆模式可以顯著提高水穩性大團聚體（1—5 mm）含量，其中對＞2 mm團聚體提高效果最明顯，玉米/大豆模式下各土層團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果表明，玉米與豆科作物輪作可明顯提高土壤水穩性大團聚體含量。LI等[11]通過在甘肅和寧夏設置的間作模式長期定位試驗表明，不同作物間作可以增加土壤大團聚體含量，提高團聚體穩定性，這與本研究的結果均一致。分析原因，一方面是由于多樣化種植模式根系分泌物種類和數量增加，根際真菌和菌絲活力增強，促進了菌絲的生長和多糖類物質的分泌，增強了微團聚體的膠結作用，從而促進微團聚體轉化為大團聚體，增強了土壤團聚體的穩定性[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，土壤碳氮轉化作用增強，產生了大量蛋白質、多糖、木質素等物質，從而間接促進了大團聚體的形成[30-32]。此外，多樣化種植（間作和輪作）模式通過間接影響土壤微生物群落組成來增強土壤的聚集性，如提高土壤和叢枝菌真菌（AMF）的相對豐度，或降低的相對豐度[33]，從而間接促進土壤團聚體的形成[34]。

表2 不同粒級團聚體全氮對土壤全氮的貢獻率

3.2 作物多樣化種植可以提高土壤團聚體有機碳氮含量及其貢獻率

土壤有機碳是土壤團聚體重要的膠結物質，對土壤團聚體的形成發揮重要作用，而土壤團聚體作為土壤有機碳的重要儲存場所，同樣對土壤有機碳起到了保護作用[35]。本研究發現，玉米與豆科作物間作、輪作增加了土壤團聚體有機碳和全氮含量。這與前人的研究結果一致[26,28,36]。喬鑫鑫等[26]在華北平原的研究表明，冬小麥–夏玉米||花生復種模式較傳統冬小麥–夏玉米復種模式可顯著提高土壤團聚體（特別是＞0.25 mm粒級團聚體）的碳、氮含量。魏艷春等[28]在黃土高原的研究結果表明，玉米與豆科作物輪作可明顯提高土壤團聚體有機碳和全氮含量。李孝梅等[36]研究發現，玉米大豆間作和玉米蘿卜間作可以增加土壤團聚體有機碳、氮含量。分析原因，一方面是由于大豆和花生均為豆科作物，具有較強的固氮功能，可以將大氣中的氮固定儲存到土壤中，不僅可以增加土壤氮含量，同時增加的土壤氮素可以促進作物生長和對碳的固定，從而可以間接增加土壤有機碳含量[37]；另一方面，由于間作和輪作促進了作物多樣性的增加，而作物多樣性的增加可導致土壤微生物活性和多樣性增加，從而對土壤碳、氮循環等產生正向影響[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構、養分供應和土壤生物功能，增強了生物-非生物相互作用，從而有利于土壤碳氮的積累[41-42]。本研究發現，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土壤團聚體有機碳和全氮含量，這與SIX等[19]提出的“大團聚體周轉”概念模型相符，即新輸入有機物在膠結物質作用下首先形成大團聚體，土壤有機碳、氮等養分首先在大團聚體中聚集，然后隨著顆粒有機物的分解，微團聚體逐漸形成，微團聚體中土壤有機碳、氮養分含量增加，由于大團聚體向微團聚體轉化需要較長時間，因此，多樣化種植模式對土壤團聚體碳氮含量的影響還需要較長的時間來驗證。

3.3 土壤團聚體有機碳氮含量與作物產量的關系

土壤有機碳是評價土壤肥力的重要指標，在一定范圍內，土壤有機碳的數量和固存狀態與作物生產力存在顯著相關性[43]。前人研究表明，作物產量隨土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量的增加而呈線性增加的趨勢[44]。本研究發現多樣化種植模式增加了土壤團聚體穩定性，進而促進了有機碳和全氮含量的增加。本試驗的前期結果也表明，多樣化種植同樣有增加作物產量的趨勢[45]。分析其增產機制可能是多樣化種植通過增加根系分泌物，促進了土壤團聚體膠結，增加土壤團聚體穩定性，有利于土壤團聚體有機碳和全氮的固持[46-47]。而作物多樣化種植下土壤微生物活動顯著增加，促進了土壤團聚體養分的儲存和釋放[40]，增加了養分利用率，從而提高作物產量。

本研究重點分析了短期多樣化種植對土壤團聚體及碳氮的影響，其長期效應仍有待長期監測與深入分析，此外，多樣化種植模式下土壤團聚體碳氮特征與其他土壤指標及作物生產指標間的關系需要進一步探究。

4 結論

東北黑土區短期禾本科與豆科作物多樣化種植有增加土壤水穩性大團聚體含量，降低黏粉粒含量的趨勢，＞0.25 mm土壤水穩性團聚體含量顯著高于玉米連作。多樣化種植可以增加土壤團聚體穩定性，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碳和全氮含量，主要得益于>2 mm土壤水穩性團聚體有機碳和全氮對土壤總有機碳和總氮的貢獻率增加。

[1] TILMAN D, BALZER C, HILL J, BEFORT B L. Global food demand and the sustainable intensification of agriculture. PNAS, 2011, 108(50): 20260-20264.

[2] MESSéAN A, VIGUIER L, PARESYS L, AUBERTOT J N, CANALI S, IANNETTA P, JUSTES E, KARLEY A, KEILLOR B, KEMPER L, MUEL F, PANCINO B, STILMANT D, WATSON C, WILLER H, ZORNOZA R. Enabling crop diversification to support transitions toward more sustainable European agrifood systems. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 2021: 8(3): 474-480.

[3] ZHAO J, YANG Y D, ZHANG K, JEONG J, ZENG Z H, ZANG H D. Does crop rotation yield more in China? A meta-analysis. Field Crops Research, 2020, 245: 107659.

[4] RENARD D, TILMAN D. National food production stabilized by crop diversity. Nature, 2019, 571(7764): 257-260.

[5] CONG W F, HOFFLAND E, LI L, SIX J, SUN J H, BAO X G, ZHANG F S, VAN DER WERF W. Intercropping enhances soil carbon and nitrogen. Global Change Biology, 2015, 21(4): 1715-1726.

[6] OELBERMANN M, ECHARTE L. Evaluating soil carbon and nitrogen dynamics in recently established maize-soybean inter- cropping systems. European Journal of Soil Science, 2011, 62(1): 35-41.

[7] LIU X, RAHMAN T, SONG C, YANG F, SU B Y, CUI L, BU W Z, YANG W Y. Relationships among light distribution, radiation use efficiency and land equivalent ratio in maize-soybean strip intercropping. Field Crops Research, 2018, 224: 91-101.

[8] 楊歡, 周穎, 陳平, 杜青, 鄭本川, 蒲甜, 溫晶, 楊文鈺, 雍太文. 玉米-豆科作物帶狀間套作對養分吸收利用及產量優勢的影響. 作物學報, 2022, 48(6): 1476-1487.

YANG H, ZHOU Y, CHEN P, DU Q, ZHENG B C, PU T, WEN J, YANG W Y, YONG T W. Effects of nutrient uptake and utilization on yield of maize-legume strip intercropping system. Acta Agronomica Sinica, 2022, 48(6): 1476-1487. (in Chinese)

[9] VIRK A L, LIN B J, KAN Z R, QI J Y, DANG Y P, LAL R, ZHAO X, ZHANG H L. Simultaneous effects of legume cultivation on carbon and nitrogen accumulation in soil. Advances in Agronomy. Amsterdam: Elsevier, 2022, 171: 75-110.

[10] MIKHA M M, RICE C W. Tillage and manure effects on soil and aggregate-associated carbon and nitrogen. Soil Science Society of America Journal, 2004, 68(3): 809-816.

[11] LI X F, WANG Z G, BAO X G, SUN J H, YANG S C, WANG P, WANG C B, WU J P, LIU X R, TIAN X L, WANG Y, LI J P, WANG Y, XIA H Y, MEI P P, WANG X F, ZHAO J H, YU R P, ZHANG W P, CHE Z X, GUI L G, CALLAWAY R M, TILMAN D, LI L. Long-term increased grain yield and soil fertility from intercropping. Nature Sustainability, 2021, 4(11): 943-950.

[12] DIJKSTRA F A, HOBBIE S E, REICH P B, KNOPS J M H. Divergent effects of elevated CO2, N fertilization, and plant diversity on soil C and N dynamics in a grassland field experiment. Plant and Soil, 2005, 272(1): 41-52.

[13] BRONICK C J, LAL R. Soil structure and management: A review. Geoderma, 2005, 124(1/2): 3-22.

[14] GUNINA A, KUZYAKOV Y. Pathways of litter C by formation of aggregates and SOM density fractions: Implications from13C natural abundance. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 71: 95-104.

[15] XIE J, PENG B, WANG R, BATBAYAR J, HOOGMOED M, YANG Y, ZHANG S, YANG X, SUN B. Responses of crop productivity and physical protection of organic carbon by macroaggregates to long-term fertilization of an Anthrosol. European Journal of Soil Science, 2018, 69(3): 555-567.

[16] NYAWADE S O, KARANJA N N, GACHENE C K K, GITARI H I, SCHULTE-GELDERMANN E, PARKER M L. Short-term dynamics of soil organic matter fractions and microbial activity in smallholder potato-legume intercropping systems. Applied Soil Ecology, 2019, 142: 123-135.

[17] BIMüLLER C, KREYLING O, K?LBL A, VON LüTZOW M, K?GEL-KNABNER I. Carbon and nitrogen mineralization in hierarchically structured aggregates of different size. Soil and Tillage Research, 2016, 160: 23-33.

[18] 張維理, KOLBE H, 張認連. 土壤有機碳作用及轉化機制研究進展.中國農業科學, 2020, 53(2): 317-331. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752. 2020.02.007.

ZHANG W L, KOLBE H, ZHANG R L. Research progress of SOC functions and transformation mechanisms. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(2): 317-331. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.02.007. (in Chinese)

[19] SIX J, ELLIOTT E T, PAUSTIAN K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: a mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(14): 2099-2103.

[20] 趙蘭坡, 王鴻斌, 劉會青, 王艷玲, 劉淑霞, 王宇. 松遼平原玉米帶黑土肥力退化機理研究. 土壤學報, 2006, 43(1): 79-84.

ZHAO L P, WANG H B, LIU H Q, WANG Y L, LIU S X, WANG Y. Mechanism of fertility degradation of black soil in corn belt of Songliao plain. Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(1): 79-84. (in Chinese)

[21] 于磊, 張柏. 中國黑土退化現狀與防治對策. 干旱區資源與環境, 2004, 18(1): 99-103.

YU L, ZHANG B. The degradation situations of black soil in China and its prevention and counter measures. Journal of Arid Land Resources & Environment, 2004, 18(1): 99-103. (in Chinese)

[22] 鮑士旦. 土壤農化分析. 3版. 北京: 中國農業出版社, 2000.

BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis. 3rd ed. Beijing: China Agriculture Press, 2000. (in Chinese)

[23] KEMPER W D, ROSENAU R C. Aggregate stability and size distribution//KLUTE A, CAMPBELL G S, JACKSON R D. Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and Mineralogical Methods. Madison: WI, 1986: 425-442.

[24] WANG F, ZHANG X X, NEAL A L, CRAWFORD J W, MOONEY S J, BACQ-LABREUIL A. Evolution of the transport properties of soil aggregates and their relationship with soil organic carbon following land use changes. Soil and Tillage Research, 2022, 215: 105226.

[25] LIU Z X, CHEN X M, JING Y, LI Q X, ZHANG J B, HUANG Q R. Effects of biochar amendment on rapeseed and sweet potato yields and water stable aggregate in upland red soil. Catena, 2014, 123: 45-51.

[26] 喬鑫鑫, 王艷芳, 李乾云, 包全發, 尹飛, 焦念元, 付國占, 劉領. 復種模式對豫西褐土團聚體穩定性及其碳、氮分布的影響. 植物營養與肥料學報, 2021, 27(3): 380-391.

QIAO X X, WANG Y F, LI Q Y, BAO Q F, YIN F, JIAO N Y, FU G Z, LIU L. Effects of multi-cropping systems on cinnamon soil aggregate stability, carbon and nitrogen distribution in western Henan Province. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(3): 380-391. (in Chinese)

[27] 白錄順, 范茂攀, 王自林, 王婷, 鄧超, 李永梅. 間作模式下玉米/大豆的根系特征及其與團聚體穩定性的關系. 水土保持研究, 2019, 26(1): 124-129.

BAI L S, FAN M P, WANG Z L, WANG T, DENG C, LI Y M. Relationship between root characteristics and aggregate stability in the field with maize and soybean intercropping. Research of Soil and Water Conservation, 2019, 26(1): 124-129. (in Chinese)

[28] 魏艷春, 馬天娥, 魏孝榮, 王昌釗, 郝明德, 張萌. 黃土高原旱地不同種植系統對土壤水穩性團聚體及碳氮分布的影響. 農業環境科學學報, 2016, 35(2): 305-313.

WEI Y C, MA T E, WEI X R, WANG C Z, HAO M D, ZHANG M. Effects of cropping systems on distribution of water-stable aggregates and organic carbon and nitrogen in soils in semiarid farmland of the Loess Plateau. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(2): 305-313. (in Chinese)

[29] 王婷, 李永梅, 王自林, 肖靖秀, 白錄順, 范茂攀. 間作對玉米根系分泌物及團聚體穩定性的影響. 水土保持學報, 2018, 32(3): 185-190.

WANG T, LI Y M, WANG Z L, XIAO J X, BAI L S, FAN M P. Effects of intercropping on maize root exudates and soil aggregate stability. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(3): 185-190. (in Chinese)

[30] 向蕊, 伊文博, 趙薇, 王頂, 趙平, 龍光強, 湯利. 間作對土壤團聚體有機碳儲量的影響及其氮調控效應. 水土保持學報, 2019, 33(5): 303-308.

XIANG R, YI W B, ZHAO W, WANG D, ZHAO P, LONG G Q, TANG L. Effects of intercropping on soil aggregate-associated organic carbon storage and nitrogen regulation. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(5): 303-308. (in Chinese)

[31] FREIXO A A, DE A MACHADO P L O, DOS SANTOS H P, SILVA C A, DE S FADIGAS F. Soil organic carbon and fractions of a Rhodic Ferralsol under the influence of tillage and crop rotation systems in southern Brazil. Soil and Tillage Research, 2002, 64(3/4): 221-230.

[32] WEI X R, SHAO M G, GALE W J, ZHANG X C, LI L H. Dynamics of aggregate-associated organic carbon following conversion of forest to cropland. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57: 876-883.

[33] TIAN X L, WANG C B, BAO X G, WANG P, LI X F, YANG S C, DING G C, CHRISTIE P, LI L. Crop diversity facilitates soil aggregation in relation to soil microbial community composition driven by intercropping. Plant and Soil, 2019, 436(1): 173-192.

[34] GUPTA V V S R, GERMIDA J J. Distribution of microbial biomass and its activity in different soil aggregate size classes as affected by cultivation. Soil Biology and Biochemistry, 1988, 20(6): 777-786.

[35] 邱曉蕾, 宗良綱, 劉一凡, 杜霞飛, 羅敏, 汪潤池. 不同種植模式對土壤團聚體及有機碳組分的影響. 環境科學, 2015, 36(3): 1045-1052.

QIU X L, ZONG L G, LIU Y F, DU X F, LUO M, WANG R C. Effects of different cultivation patterns on soil aggregates and organic carbon fractions. Environmental Science, 2015, 36(3): 1045-1052. (in Chinese)

[36] 李孝梅, 李永梅, 烏達木, 范茂攀. 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. 中國土壤與肥料, 2022(1): 104-111.

LI X M, LI Y M, WU D M, FAN M P. Effects of maize//soybean and maize//radish inter-cropping on the carbon and nitrogen distribution of water-stable aggregates in red soil. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2022(1): 104-111. (in Chinese)

[37] QUINN THOMAS R, CANHAM C D, WEATHERS K C, GOODALE C L. Increased tree carbon storage in response to nitrogen deposition in the US. Nature Geoscience, 2010, 3(1): 13-17.

[38] JIA Y F, ZHAI G Q, ZHU S S, LIU X J, SCHMID B, WANG Z H, MA K P, FENG X J. Plant and microbial pathways driving plant diversity effects on soil carbon accumulation in subtropical forest. Soil Biology and Biochemistry, 2021, 161: 108375.

[39] LANGE M, EISENHAUER N, SIERRA C A, BESSLER H, ENGELS C, GRIFFITHS R I, MELLADO-VáZQUEZ P G, MALIK A A, ROY J, SCHEU S, STEINBEISS S, THOMSON B C, TRUMBORE S E, GLEIXNER G. Plant diversity increases soil microbial activity and soil carbon storage. Nature Communications, 2015, 6: 6707.

[40] MCDANIEL M D, TIEMANN L K, GRANDY A S. Does agricultural crop diversity enhance soil microbial biomass and organic matter dynamics? A meta-analysis. Ecological Applications, 2014, 24(3): 560-570.

[41] PROMMER J, WALKER T W N, WANEK W, BRAUN J, ZEZULA D, HU Y T, HOFHANSL F, RICHTER A. Increased microbial growth, biomass, and turnover drive soil organic carbon accumulation at higher plant diversity. Global Change Biology, 2020, 26(2): 669-681.

[42] ZHANG K L, MALTAIS-LANDRY G, LIAO H L. How soil biota regulate C cycling and soil C pools in diversified crop rotations. Soil Biology and Biochemistry, 2021, 156: 108219.

[43] LAL R. Beyond Copenhagen: mitigating climate change and achieving food security through soil carbon sequestration. Food Security, 2010, 2(2): 169-177.

[44] 曹寒冰, 謝鈞宇, 強久次仁, 郭璐, 洪堅平, 荊耀棟, 孟會生. 施肥措施對復墾土壤團聚體碳氮含量和作物產量的影響. 農業工程學報, 2020, 36(18): 135-143.

CAO H B, XIE J Y, QIANGJIU C R, GUO L, HONG J P, JING Y D, MENG H S. Effects of fertilization regimes on carbon and nitrogen contents of aggregates and maize yield in reclaimed soils. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(18): 135-143. (in Chinese)

[45] SUN T, FENG X M, LAL R, CAO T H, GUO J R, DENG A X, ZHENG C Y, ZHANG J, SONG Z W, ZHANG W J. Crop diversification practice faces a tradeoff between increasing productivity and reducing carbon footprints. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2021, 321: 107614.

[46] JOSEPH U E, TOLUWASE A O, KEHINDE E O, OMASAN E E, TOLULOPE A Y, GEORGE O O, ZHAO C S, WANG H Y. Effect of biochar on soil structure and storage of soil organic carbon and nitrogen in the aggregate fractions of an Albic soil. Archives of Agronomy and Soil Science, 2020, 66(1): 1-12.

[47] 張賀, 楊靜, 周吉祥, 李桂花, 張建峰. 連續施用土壤改良劑對砂質潮土團聚體及作物產量的影響. 植物營養與肥料學報, 2021, 27(5): 791-801.

ZHANG H, YANG J, ZHOU J X, LI G H, ZHANG J F. Effects of organic and inorganic amendments on aggregation and crop yields in sandy fluvo-aquic soil. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(5): 791-801. (in Chinese)

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

中國農業科學院科技創新工程聯合攻關重大科研任務（CAAS-ZDRW202202）、國家綠肥產業技術體系（CARS-22-G-16）、國家自然科學基金（31671642）、山東省農業科學院農業科技創新工程（CXGC2022E03）

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

（責任編輯 李云霞）