種植模式對土壤團聚體穩定性和有機碳含量的影響

王夢雪，李永梅，酒鵑鵑，趙吉霞，王自林，范茂攀

（云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650201）

【研究意義】土壤結構是影響土壤功能的關鍵因素［1］，而團聚體是土壤結構的基本單位，可以作為評價土壤質量高低和土壤環境是否健康的具體指標［2］，其含量和穩定性對作物生長發育、土壤抗蝕性和農業可持續利用等方面有著重要影響［3］。土壤團聚體是固碳機制的核心［4］，它作為有機碳存在的場所保護有機碳免于降解，有機碳反過來又能起到促進團聚體形成的作用［5］。不同粒級團聚體有機碳含量從微觀層次上揭示了土壤有機質的平衡和礦化速率［6］。因此，研究土壤團聚體的組成和穩定性以及有機碳含量對改善土壤結構、提高土壤肥力和促進有機碳固持等方面具有重要意義。【前人研究進展】影響土壤團聚體固碳的因素主要包括耕作條件、施肥制度和種植方式等［5］。不同的種植模式通過植物種類、殘體數量和植被覆蓋等方面的不同引起團聚體及其有機碳含量的改變［7］。許多試驗表明，合理的間作系統能最大限度地發揮立體種植的優勢，在促進養分吸收［8］和提高作物產量［9-11］方面有著良好表現，同時間作可以通過改變根系特征［12］、增加根系分泌物［13］和改變微生物群落組成［2］來影響土壤團聚體的形成和穩定。有研究認為土壤有機碳對團聚體的數量和大小分布具有重要影響［14］，與團聚體穩定性存在極顯著的正相關關系［15］。有機碳在團聚體中的分布狀況會隨試驗條件的改變而改變，如李戀卿等［16］在研究退化紅壤在植被恢復下的變化時發現有機碳在＜0.002 mm和＞2 mm粒徑團聚體中含量較高，呂欣欣等［17］認為棕壤有機碳主要富集在0.25～2 mm和＞2 mm粒級團聚體中，而張祎等［18］的研究中不同粒徑的有機碳含量變化不大。

【本研究切入點】近年來學者們對有機碳的研究不再局限于土壤總有機碳，更多地開始分析團聚體中有機碳的變化，但此類研究多集中在不同土地利用類型和不同施肥措施條件下，關于不同種植模式下土壤團聚體及其有機碳的變化分析還很有限。【擬解決的關鍵問題】本研究以玉米大豆為試驗對象，通過對大豆單作、玉米大豆間作和裸地條件下土壤團聚體和團聚體有機碳含量進行分析，探討二者之間的相關性及對單作和間作的響應，為進一步探討間作系統團聚體和有機碳的互動機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年5—10月在云南農業大學試驗農場進行。試驗地點中心地理坐標為25°08＇18＇＇N、102°45＇58＇＇E，海拔1 950 m，屬低緯度亞熱帶高原季風氣候，干冷同期，雨熱同季。供試土壤為紅壤，其基本理化性質為：有機質含量33.2 g/kg，pH值6.1，堿解氮含量123.8 mg/kg，速效磷含量15.0 mg/kg，速效鉀含量121.3 mg/kg。

供試作物為云南省農科院糧食作物研究所培育的云瑞6號玉米、滇豆7號大豆。玉米生育期為120 d左右，大豆生育期為132 d左右。玉米、大豆于2019年5月19日播種，9月30日收獲。

1.2 試驗方法

試驗小區設置在坡度為20°的坡面上，每個小區長7 m、寬4 m，面積28 m2。設置大豆單作、玉米大豆間作和裸地3個處理，3次重復。

種植規格：采用沿等高線常規種植。大豆單作采用等行種植，行距60 cm，株距25 cm，種植密度133 600株/hm2；玉米大豆間作采用2∶2模式種植，玉米與玉米之間行距為40 cm，大豆與大豆行距為40 cm，玉米與大豆行距為50 cm，株距均為30 cm，間作時玉米種植密度為37 296株/hm2，大豆種植密度為73 926株/hm2。玉米每穴播種2粒，大豆每穴播種4粒，定植后玉米每穴留1株，大豆每穴留2株。

施用肥料為尿素、農用硫酸鉀和過磷酸鈣。玉米為常規施肥：N 250 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，氮肥分基肥、小喇叭口期追肥和大喇叭口期追肥3次施入，分別占總施入氮肥量的35%、30%、35%，磷肥和鉀肥都作為基肥施入耕地。大豆施肥N 120 kg/hm2、P2O5240 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，均一次性作為基肥施用。各處理田間管理措施一致。

1.3 測定項目及方法

在作物成熟期，每個處理設置3個采樣點，挖掘土壤剖面 40 cm，分兩層（0～20、20～40 cm）采集原狀土壤樣品，用四分法取出足夠的樣品，剔除石頭和植物等雜物，帶回室內風干備用。采用濕篩法測定土壤水穩性團聚體含量［19］：待樣品風干后，收集50 g混合土樣，將其放置于孔徑分別為2、1、0.5、0.25、0.106 mm套篩組成的團聚體分析儀（型號：Daiki DIK-2012）中，用上下振幅3 cm，頻率30次/min，分析5 min后將各粒級水穩性團聚體洗入鋁盒中，60℃烘干稱重，得到各個粒級的水穩性團聚體。將烘干后的各級水穩性團聚體磨碎，采用Multi N/C 2100 總有機碳分析儀（配置HT1300固體燃燒模塊）測定各級團聚體有機碳含量。計算粒級＞0.25 mm水穩性團聚體含量（R0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數（D）［20-21］：

式中，Mr＞0.25為粒徑＞0.25 mm水穩性團聚體質量（g），MT為水穩性團聚體總質量（g），為各粒級水穩性團聚體平均直徑（mm），為各粒級水穩性團聚體質量百分數（%），為某級水穩性團聚體平均直徑（mm），Rmax為水穩性團聚體最大粒徑（mm），M（r＜）為粒徑小于Ri的水穩性團聚體質量（g）。

試驗數據采用Microsoft Excel 2016和SPSS25.0軟件進行統計分析。采用單因素（one-way ANOVA）進行方差分析，用Pearson法進行相關分析。利用GraphPad Prism 8軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式土壤水穩性團聚體分布特征

由0～20、20～40 cm土層土壤水穩性團聚體分布結果（圖1）可以看出，土壤團聚體各個粒級組成比例在不同種植模式和土層表現出一定差異，但均以＜0.106 mm土壤團聚體含量最高，占比均超過25%。在0～20 cm土層中，大豆單作＞2 mm粒級水穩性團聚體含量顯著高于裸地和玉米大豆間作，分別增加93.52%和57.83%；與裸地相比，間作顯著增加1～0.5 mm粒級團聚體含量；裸地0.25～0.106 mm和＜0.106 mm粒級團聚體含量均顯著高于間作和大豆單作。在20～40 cm土層，裸地水穩性團聚體含量隨著粒級的減小而呈增大趨勢，間作和大豆單作則呈先增大后減小再增大的趨勢，3個處理中＞2 mm粒級水穩性團聚體占比最低；各處理間差異不顯著。

2.2 不同種植模式土壤團聚體穩定性

MWD和GMD是反映土壤團聚體大小分布狀況的常用指標，其值越大團聚體穩定性越強［22］，D是反映土壤結構幾何形狀的參數，其值越低，土壤結構相對越松散，通透性越好［23］。由表1可知，土層深度增加，3個處理的R0.25、MWD和GMD值均降低，說明上層土壤水穩性團聚體的穩定性高于下層土壤。在0～20 cm土層，玉米大豆間作和大豆單作的R0.25、MWD值和GMD值均顯著高于裸地，其大小關系表現為大豆單作＞玉米大豆間作＞裸地，間作的D值比裸地顯著降低2.33%，綜合4個指標來看，在該土層大豆單作和玉米大豆間作比裸地均能有效提高團聚體的穩定性，改善土壤結構，但是單作和間作之間無顯著差異。在20～40 cm土層，不同穩定性指標各處理間無顯著差異，間作的R0.25、MWD和GMD值最大，D值最低；相比單作，間作的R0.25增加10.05%，MWD值增加22.45%，GMD值增加16.13%，D值降低0.40%。

2.3 不同種植模式土壤團聚體有機碳含量

圖1 不同土層不同種植模式土壤水穩性團聚體分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of soil water-stable aggregates in different soil layers under different planting patterns

表1 不同種植模式土壤團聚體穩定性指標Table 1 Indicators of soil aggregate stability under different planting patterns

圖2 不同土層不同種植模式下土壤團聚體有機碳含量Fig. 2 Organic carbon contents of soil aggregates in different soil layers under planting patterns

由圖2可知，不同種植模式各個粒級團聚體中有機碳含量各異，在0～20 cm土層，玉米大豆間作和大豆單作團聚體有機碳含量隨著粒級的減小呈現遞減的變化規律；裸地隨粒級的減小呈先增加后降低的趨勢，其中2～1 mm團聚體有機碳含量最高；各處理不同粒級團聚體有機碳含量均呈玉米大豆間作＞大豆單作＞裸地，說明間作有利于提高土壤有機碳含量，從而促進土壤保肥能力；相比裸地，間作在＞2 mm、2～1 mm和1～0.5 mm粒級的團聚體有機碳含量分別顯著增加43.97%、17.85%和23.51%，大豆單作在＞2 mm粒級的團聚體有機碳含量比裸地顯著增加25.02%，但顯著低于間作13.16%；在0.5～0.25 mm和0.25～0.106 mm粒級的裸地、間作和單作間差異不顯著。在20～40 cm土層，各個粒級團聚體有機碳含量比0～20 cm土層有降低的趨勢，在＞2 mm粒級裸地比大豆單作顯著增加19.07%，間作比大豆單作顯著增加31%；間作各個粒級團聚體有機碳含量最高，但與裸地和大豆單作在 2～1 mm 、1～0.5 mm 、0.5～0.25 mm 和0.25～0.106 mm粒級處均無顯著差異。總體而言，間作能提高土壤團聚體有機碳含量，相比大豆單作能顯著提高0～20 cm土層＞2 mm和2～1 mm的團聚體有機碳含量，20～40 cm土層＞2 mm的團聚體有機碳含量。

2.4 土壤團聚體有機碳含量與團聚體穩定性指標的關系

由表2可知，不同粒級團聚體有機碳之間的相關性均表現為極顯著正相關關系，表明不同粒級團聚體有機碳含量關系密切，其中一個粒級團聚體有機碳含量變化，其他不同粒級有機碳含量會有相同的變化趨勢，該研究結果與王英俊［14］等的結果一致。R0.25與＞2 mm粒級團聚體有機碳含量成極顯著正相關，與2～1、1～0.5、0.5～0.25、0.25～0.106 mm粒級團聚體有機碳含量成顯著正相關；MWD和GMD與各個粒級團聚體有機碳含量均成極顯著正相關；D值與各個粒級團聚體有機碳含量成不顯著負相關。說明土壤團聚體的穩定性和各個粒級團聚體的有機碳含量關系密切，尤其是＞2 mm粒級團聚體有機碳含量，團聚體有機碳含量越高，土壤團聚體穩定性越強。

表2 土壤團聚體有機碳與團聚體穩定性指標的相關性Table 2 Correlation between soil aggregate organic carbon and aggregate stability indicators

3 討論

3.1 不同種植模式對土壤團聚體及其穩定性的影響

濕篩法反映的是水穩定性團聚體的特征，水穩性團聚體對保持土壤結構穩定性有重要作用［6］，它的含量及粒徑分布能夠直接影響土壤的抗侵蝕能力［24］。一般認為R0.25、MWD和GMD的值越高，團聚體穩定性越強，土壤結構越好［22,25］，D是反映土壤結構幾何形狀的參數，其值越低，土壤結構相對越松散，通透性越好也越穩定［23］。在本試驗中，土層深度增加，R0.25、MWD和GMD值均降低，說明其團聚體穩定性隨土層深度增加有降低的趨勢，這與黃澤等［24］的研究結果一致，這可能是因為在20 cm以下土壤中，有機質的輸入和微生物的活動都受到了限制。目前，多數關于間作系統對土壤團聚體影響的研究都認為間作可以提高農田土壤團聚體的穩定性［12,14,26］，但也有研究發現間作對根際土壤團聚體的影響不同，間作會增加微團聚體含量，促使MWD降低［3］，鄧超等［27］研究發現在20°坡地，間作的R0.25和MWD比單作低。在本試驗中，0～20 cm土層大豆單作和間作比裸地均能提高土壤團聚體的穩定性，間作的R0.25、MWD和GMD值比大豆單作低但無顯著差異；在20～40 cm土層，間作的R0.25、MWD和GMD值比單作高，D值比單作低，但間作提高團聚體穩定性的優勢并不明顯。植物根系可以通過纏繞土壤，使其形成較大粒級的團聚體［12］，但是根系的穿透作用也會引起大團聚體的減少［28］。因此，可能是由于不同種植模式下植物根系的特征不同，導致其對提高和破壞較大粒級團聚體的作用強度不同，進而影響了各個團聚體穩定性指標的大小。

3.2 不同種植模式對土壤團聚體有機碳含量的影響

土壤有機質可以促進團聚的形成，團聚體也能反過來保護有機質免于降解［29］。很多研究表明有機碳在土壤團聚體中的分布差異較大［30］，在本試驗中各處理的有機碳分布規律也并不統一。有研究表明間作可以增加土壤有機碳含量，對增強土壤的固碳效果有重要意義［7,31-32］，王英俊等［14］研究表明間作白三葉可顯著提高果園0～20 cm土層水穩性團聚體有機碳含量。本試驗也得到了相似的結果，相比大豆單作，間作提高了各個粒級團聚體有機碳的含量，顯著影響了＞2 mm粒級的團聚體有機碳含量。一方面可能是因為間作可以增加新鮮的作物殘體，它是微生物活動和生產微生物衍生的粘結劑的碳源［33］，另一方面間作提高玉米根系分泌的總糖含量，也能為微生物提供碳源［13］，因此間作為土壤微生物提供了更多的養分，提高了微生物活性，從而有利于團聚體有機碳的積累。本研究還發現在0～20 cm土層，玉米大豆間作和大豆單作模式各粒級團聚體有機碳含量隨著粒級的減小而減小，這是因為擾動和微生物影響減弱。有機碳含量和團聚體的大小存在正線性相關，具有更高有機碳含量的較大團聚體可以有效地降低團聚體在水中的崩解強度［34］，這表示間作對穩定團聚體是有積極意義的。雖然大團聚體不能直接長期保護土壤有機碳，但是它們能夠固定更多的有機碳并通過一系列的反應促進微團聚體的形成，為微團聚體對有機碳的長期保護提供保障［5］。本研究結果還表明，團聚體有機碳含量與R0.25、MWD和GMD成正相關關系，與D成負相關關系，其含量越高，團聚體穩定性越強，土壤結構越好。

4 結論

在0～20 cm土層，玉米大豆間作和大豆單作的R0.25、MWD和GMD均顯著高于裸地，說明間作和大豆單作比裸地均能提高土壤團聚體的穩定性，但是兩處理間無顯著差異。在20～40 cm土層，相比單作，間作的R0.25增加10.05%，MWD增加22.45%，GMD增加16.13%，D降低0.40%，但間作提高團聚體穩定性的優勢并不明顯。

相比大豆單作，間作顯著提高0～20 cm土層＞2 mm和2～1 mm粒級團聚體及20～40 cm土層＞mm粒級土壤團聚體的有機碳含量。團聚體有機碳含量與R0.25、MWD和GMD成正相關關系，與D成負相關關系，說明團聚體有機碳含量越高，團聚體穩定性越強，土壤結構越好。