連續種植不同綠肥作物耕層的土壤團聚體特征

張 欽，于恩江，林海波，張愛華，陳正剛，朱 青*，曹衛東，朱大雁

(1.貴州省農業科學院 土壤肥料研究所/農業資源與環境研究所/農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測試驗站，貴州 貴陽 550006；2.貴州大學，貴州 貴陽 550025；3.貴州省土壤肥料工作總站，貴州 貴陽 550003；4.中國農業科學院 農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

【研究意義】土壤團聚體是土壤的重要組成部分，其形成是土壤微生物、植物根系及復雜的物理化學過程的作用結果，團聚體多少決定土壤肥沃程度，不僅利于土壤通氣，也使土壤有良好的供肥性[1]。土壤團聚體的形成、特征及作用功能十分復雜，既受土壤本身物質組成的影響，還受人為活動等因素的影響[2]。【前人研究進展】有研究表明，1～10 mm粒級的水穩性團聚體有利于調節土壤通氣和持水間養分的釋放與保持間的矛盾，而不同土地利用方式下土壤團聚體的水穩性表現不同[3-4]，保護性耕作有利于土壤團粒結構的形成，改善土壤環境[5]，施用有機肥能顯著增加>0.25 mm 粒級的團聚體含量、MWD 和 GMD 值[2]，翻壓綠肥后增加土壤中>7 mm 的大團聚體含量，降低<1 mm的小團聚體含量[6]。【本研究切入點】土壤團聚體在農業生產及土壤可持續發展利用方面具有重要的意義。綠肥在我國生態農業發展上具有重要的地位，種植翻壓綠肥可以活化土壤中的礦質元素、提升土壤肥力、改善土壤結構，而對土壤團聚體影響的研究較少。【擬解決的關鍵問題】筆者等通過連續種植幾種不同綠肥作物，分析機械穩定性土壤團聚體組成、水穩定性土壤團聚體組成、水穩定性土壤大團聚體含量、土壤平均重量直徑、土壤幾何平均直徑的特征，研究連續種植不同綠肥作物對土壤團聚體的影響，為改善土壤團聚體結構和土壤資源的可持續利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 綠肥品種 箭筈豌豆(ViciasativaL.)、肥田蘿卜(RaphanussativusL.)、藍花苕子(ViciacraccaL.)、毛葉苕子(ViciavillosaRoth)、光葉苕子(Viciavillosavar.)，種子均從國家種質資源庫引進。

1.1.2 試驗地概況 試驗于2011年起在貴州省農業科學院(106°07′E，26°11′N)內連續種植5 a，試驗地海拔1100 m，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫15.3 ℃，年極端最高溫度35.1 ℃，年極端最低溫度-7.3 ℃，年平均相對濕度77 %，年平均總降水量1129.5 mm，年平均日照時數1148.3 h。土壤為黃壤，成土母質為第四紀紅色粘土殘積物，土壤有機質45.05 g/kg、全氮1.88 g/kg、全磷0.79 g/kg、全鉀14.21 g/kg、堿解氮169.9 mg/kg、有效磷18.3 mg/kg、速效鉀112.2 mg/kg、pH 5.58。

1.2 試驗設計

試驗設6個處理：CK(清耕)、箭筈豌豆、肥田蘿卜、藍花苕子、毛葉苕子、光葉苕子，小區面積9 m2，3次重復，隨機區組排列。清耕為不栽種任何作物，田間管理方式與其他處理相同；綠肥單作點播，每穴5粒種子，穴間距20～25 cm，深度1～3 cm，生長期間不施用任何肥料，每年9月播種，次年6月收割地上部分，試驗連續重復進行。

1.3 試驗方法

1.3.1 指標測定 于2016年6月收割地上部分前田間取樣，采集0～20 cm土層土壤樣品，每個小區分別取3個點帶回實驗室內風干備測。在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團聚體。

土壤基本理化性質：土壤pH采用水土比2.5∶1(pH計法)，全氮采用凱氏定氮法，全磷含量采用酸溶鉬銻抗比色法，全鉀采用HF-HClO4消解火焰光度法，有機質采用重鉻酸鉀容量法，堿解氮用堿解擴散法-標準酸滴定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻忼比色法，速效鉀采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[7]。

團聚體：沿土壤結構的自然剖面掰分成1 cm 左右的團塊，通過孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 mm套篩，分別稱重計算出各級干篩團聚體占土壤總量的百分率，并按干篩的比例配成50 g風干土樣，然后用Elliott[8]土壤團聚體濕篩法獲得不同粒徑的水穩性團聚體。具體方法：將樣品放置于孔徑自上而下為5、2、1、0.5、0.25 mm的各級套篩之上，先用水緩慢濕潤后放入水中，最頂層篩的上邊緣保持低于水面，豎直上下振蕩5 min；收集各級篩層團聚體并分別轉移至鋁盒當中，然后烘干稱重，計算各級團聚體的質量百分含量[9-10]，平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)。

式中，mi為各級團聚體的重量百分含量，ri為第i個篩的孔徑大小(mm)，并且r0=r1，rn=rn+1，n為篩子的數量。

式中，mi為土壤不同粒級團聚體的重量(g)；lnri為土壤粒級平均直徑的自然對數。

按照顆粒大小，將>0.25 mm粒徑的團聚體劃為大團聚體，<0.25 mm粒徑的團聚體劃為微團聚體，大團聚體豐富是土壤良好結構特征的表現。

1.3.2 數據處理 采用EXCEL 2007和SPSS 18.0軟件對數據進行統計分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進行方差分析和多重比較，用Pearson法進行相關分析。利用EXCEL 2007軟件作圖。數據結果用平均值±標準差表示。

不同小寫字母表示在P≤0.05水平差異顯著(下同)Different lowercase letters indicate significance of difference at P ≤0.05 level. The same as below圖1 不同處理土壤機械穩定性團聚體的含量Fig.1 The contents of mechanical-stable aggregate under different treatment

2 結果與分析

2.1 土壤機械穩定性團聚體的含量

從圖1看出，各處理均以>0.25 mm粒徑大團聚體為主，說明土壤團聚性較好，隨粒徑減小質量呈減小趨勢。>5 mm與5～0.5 mm粒徑團聚體含量間極顯著負相關，5～2 mm與2～1 mm、2～1 mm與1～0.5 mm、1～0.5 mm與0.5～0.25 mm粒徑間呈顯著正相關(表1)。在不同品種中，團聚體粒徑>5 mm的以光葉苕子最高，是最低藍花苕子的2.39倍；5～2 mm粒徑的以肥田蘿卜最高，是最低光葉苕子的2.31倍；2～1 mm粒徑、1～0.5 mm粒徑、0.5～0.25 mm粒徑中均以毛葉苕子最高。

2.2 土壤水穩性團聚體的含量

圖2 不同處理土壤水穩性團聚體含量Fig.2 The contents of water-stable aggregate under different treatment

從圖2看出，各處理均以>0.25 mm粒徑大團聚體為主，除光葉苕子外，隨粒徑減小質量呈減小趨勢，以>5 mm粒徑團聚體的含量最高。各粒徑間的團聚體相關性較高，>5 mm與<5 mm粒徑的團聚體含量間極顯著負相關，5～2 mm與2～1 mm粒徑間極顯著正相關，2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒徑相互間極顯著正相關(表2)。在不同品種中，團聚體粒徑>5 mm的以肥田蘿卜最高，是最低光葉苕子的8倍；5～2 mm粒徑的以藍花苕子最高，2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm粒徑的均以光葉苕子最高。

2.3 土壤水穩性大團聚體的含量

從圖3可知，CK的水穩性大團聚體含量為85.06 %，而連續種植綠肥的為83.11 %～87.79 %，與CK間差異均不顯著。在不同綠肥作物中，毛葉苕子的土壤水穩性大團聚體含量最高，肥田蘿卜次之，兩者分別比最低的光葉苕子顯著提高5.63 %和5.42 %。總體看，連續種植綠肥有利于形成土壤水穩性大團聚體，從圖4、表3看出，>5 mm土壤水穩性團聚體含量與土壤水穩性大團聚體含量極顯著相關，擬合方程為y=5.469x-439.62，R2=0.6025，說明，>5 mm粒級土壤水穩性團聚體的增加有利于土壤水穩性大團聚體積累。

表1 各粒徑土壤機械穩定性團聚體含量的相關系數Table 1 The correlation coefficients between mechanical-stable aggregate of different sizes

注：*表示相關性顯著(P<0.05)，**表示相關性極顯著(P<0.01)，下同。
Note:* and ** indicate significance of correlation atP<0.05 andP<0.01 levels, respectively. The same as below.

表2 各粒徑土壤水穩性團聚體含量的相關系數Table 2 The correlation coefficients between water-stable aggregate of different sizes

表3 土壤水穩性大團聚體含量與各粒徑土壤水穩性團聚體含量的相關系數Table 3 The correlation coefficients between big water-stable aggregate and water-stable aggregate of different sizes

2.4 土壤平均重量直徑

從圖5看出，連續種植綠肥對土壤平均重量直徑的影響較大，土壤平均重量直徑為肥田蘿卜>毛葉苕子>CK>箭筈豌豆>藍花苕子>光葉苕子，肥田蘿卜的平均重量直徑最大，比CK高18.75 %，比光葉苕子、藍花苕子分別顯著高114.75 %和40.16 %，光葉苕子較CK顯著降低44.67 %。

圖3 不同處理的土壤水穩性大團聚體含量Fig.3 The contents of big water-stable aggregate layers under different treatment

圖4 土壤水穩性團聚體含量與水穩性大團聚體含量的線性關系Fig.4 The relationship between water-stable aggregate and big water-stable aggregate

2.5 土壤幾何平均直徑

從圖6看出，連續種植綠肥對土壤幾何平均直徑的影響較大，土壤幾何平均直徑為肥田蘿卜>毛葉苕子>CK>箭筈豌豆>藍花苕子>光葉苕子，肥田蘿卜的幾何平均直徑最大，比CK高14.16 %，比箭筈豌豆、藍花苕子、光葉苕子分別顯著高30.44 %、42.02 %和173 %，光葉苕子較CK顯著降低58.24 %。

2.6 土壤水穩性大團聚體含量與土壤穩定性的關系

從圖7、表4看出，水穩性大團聚體含量與土壤平均重量直徑、土壤幾何平均直徑間具有線性關系，土壤平均重量直徑與水穩性大團聚體含量間極顯著正相關，擬合方程為y=0.2203x-16.397，R2=0.6626，土壤幾何平均直徑與水穩性大團聚體含量間極顯著正相關，擬合方程為y=0.0856x-6.3969，R2=0.5295。表明，水穩性大團聚體含量越高，土壤平均重量直徑、幾何平均直徑越大，土壤結構的團聚度越高。

圖5 不同處理土層的土壤平均重量直徑Fig.5 The mean mass diameter in different soil layers under different treatment

圖6 不同處理的土壤幾何平均直徑Fig.6 The geometric mean diameter under different treatment

圖7 土壤水穩性大團聚體含量與土壤直徑的線性關系Fig.7 The relationship between big water-stable aggregate and diameter

3 討 論

良好的土壤結構需要較多且粒徑分配比例適當的土壤團聚體[11]，土壤團聚體主要受施肥方式、種植制度和輪作方式等影響[12]。土壤機械穩定性團聚含量高低及組成是評價團聚體質量的重要指標[13]，土壤水穩性團聚體數量反映土壤結構的穩定性、持水性、通透性和抗侵蝕能力[14]，是評價團聚體抵抗外力破壞能力的重要指標[15]。有研究表明，秸稈覆蓋能增加>0.25 mm土壤機械穩定性團聚體13.0 %～26.4 %，增加>0.25 mm土壤水穩性團聚體18.6 %～45.7 %[16]。研究發現，連續種植光葉苕子的耕層土壤主要提高>5 mm粒徑的機械穩定性團聚體含量和0.25～2 mm粒徑的水穩性團聚體含量，肥田蘿卜主要提高5～2 mm粒徑的機械穩定性團聚體含量、>5 mm粒徑的水穩性團聚體含量，藍花苕子和毛葉苕子主要提高0.25～2 mm粒徑的機械穩定性團聚體含量。這可能與不同綠肥作物的根系分布、生物量相關，根系的活動以及根系分泌物、根際微生物、根瘤菌等都會不同程度影響土壤團聚體的形成與結構，從而產生差異性，因此，今后將結合綠肥根系方面的試驗做進一步探討。

良好的土壤團聚結構除有合理的粒徑比例分配外，土壤水穩性大團聚體的含量也具有重要作用，直徑>0.25 mm 的團粒結構是由許多土粒多層次凝聚和多次膠結形成，調節土壤水、肥、氣和熱[17]，與土壤肥力之間存在一定的正比例關系，大團聚體豐富是土壤良好結構特征的表現[18]。有研究表明，化肥與有機肥配施有利于大團聚體的形成，對0.25～5 mm粒徑水穩性大團聚體的促進作用最明顯[19]。研究發現，連續種植綠肥有利于土壤水穩性大聚體的形成，其中肥田蘿卜的土壤水穩性大團聚體含量最高，>5 mm粒級土壤水穩性團聚體的增加有利于土壤水穩性大團聚體的積累。

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)常被用來反映土壤團聚體的穩定性，GMD是對土壤團聚體在主要粒級分布的描述，而MWD為各級團聚體的綜合指標，兩者值越大團聚體穩定性越好[2]。一般認為，大團聚體含量、MWD和GMD越大，土壤團聚體分布狀況與穩定性越好[20]。研究表明，連續種植綠肥對土壤團聚體直徑的影響不同，肥田蘿卜、毛葉苕子有利于耕層土壤平均重量直徑、幾何平均直徑的提升，而光葉苕子降低土壤團聚體的直徑。土壤團聚體的組成與直徑是表征土壤團聚程度的重要指標，兩者有緊密聯系，通過相關性分析發現，土壤水穩性團聚體含量越高，MWD和GMD越大，土壤結構的團聚度越高。

表4 各粒徑土壤水穩性團聚體含量相關性系數Table 4 The correlation coefficients between big water-stable aggregate and diameter

4 結 論

連續種植光葉苕子的耕層土壤主要提高>5 mm粒徑的機械穩定性團聚體含量、0.25～2 mm粒徑的水穩性團聚體含量，肥田蘿卜主要提高2～5 mm粒徑的機械穩定性團聚體含量、>5 mm粒徑的水穩性團聚體含量，藍花苕子和毛葉苕子主要提高0.25～2 mm粒徑的機械穩定性團聚體含量；連續種植綠肥有利于土壤水穩性大聚體的形成，其中肥田蘿卜的土壤水穩性大團聚體含量最高，>5 mm粒級的土壤水穩性團聚體增加有利于水穩性大團聚體的積累；連續種植肥田蘿卜、毛葉苕子有利于耕層土壤平均重量直徑、幾何平均直徑的提升，而光葉苕子降低土壤團聚體的直徑。