復(fù)種模式對(duì)豫西褐土團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其碳、氮分布的影響

喬鑫鑫，王艷芳，李乾云，包全發(fā)，尹 飛，焦念元，付國占，劉 領(lǐng)

（河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南洛陽 471023）

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，是農(nóng)田土壤的重要組成部分，也是土壤物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所，在協(xié)調(diào)土壤肥力狀況、改善土壤耕作性能、增強(qiáng)土壤抗侵蝕和抵抗外力破壞等方面發(fā)揮著重要的作用，常被作為衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)[1-2]。不同粒徑的團(tuán)聚體在土壤碳、氮元素的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用，其數(shù)量組成和空間分布決定了土壤孔隙度和微生物的群落分布，進(jìn)而影響土壤孔隙性、持水性及供肥性能[3]。因此，研究土壤團(tuán)聚體數(shù)量與組成比例對(duì)于改善土壤結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng)具有重大意義。土壤團(tuán)聚體大小及碳、氮分布通常會(huì)受到施肥、土地利用方式、作物布局和農(nóng)業(yè)耕作措施等因素的影響[4-6]；其中農(nóng)田作物布局能夠通過不同作物根系分泌物輸入，影響土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物群落分布和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而影響土壤微團(tuán)聚體與大團(tuán)聚體之間的轉(zhuǎn)化與再分布[7]。楊燕等[8]在西蘭花連作田上的研究表明，套作處理能有效增加土壤大團(tuán)聚體和有機(jī)碳的含量。藺芳等[9]在沙化土壤6年定位試驗(yàn)表明，混合播種模式顯著增加土壤機(jī)械性大團(tuán)聚體占比，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體(粒徑> 0.25 mm) 影響不明顯。張宏等[10]在復(fù)墾地上利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)6種種植模式下土壤團(tuán)聚體組成進(jìn)行分析，結(jié)果表明胡豆–玉米種植模式顯著增加粒徑 > 5和2～5 mm土壤團(tuán)聚體占比，而對(duì)土壤全氮和孔隙度無顯著影響。王志強(qiáng)等[11]在南方第四紀(jì)亞紅黏土母質(zhì)發(fā)育的潴育土稻田上研究表明，復(fù)種輪作種植增加土壤 > 0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體占比，而分型維數(shù)無顯著差異。張鵬等[12]也在第四紀(jì)亞紅粘土母質(zhì)發(fā)育的潴育土稻田上研究發(fā)現(xiàn)，冬季輪作種植改變了各級(jí)團(tuán)聚體含量分布，增加了土壤 > 2 mm和< 0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的占比，且增加了各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。目前，盡管一些研究報(bào)道了種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定方面的影響，但研究結(jié)果尚不明確，存在一些爭議。

豫西褐土區(qū)是河南省重要的農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)基地之一，土壤耕地面積約占總耕地面積的1/3[13]，因該地區(qū)大部分處于丘陵區(qū)，年蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量，屬于典型的半干旱區(qū)，土壤水肥利用率和抗侵蝕能力偏低；另外由于多年來長期冬小麥–夏玉米復(fù)種模式的實(shí)施和不合理的田間管理措施 (如農(nóng)藥和化肥的過度使用等)，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)板化、大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞、通氣性變差，同時(shí)農(nóng)田土壤缺乏有機(jī)質(zhì)輸入，土壤肥力下降、保水保肥性能差等一系列土壤質(zhì)量問題日漸加劇，嚴(yán)重制約了該地區(qū)作物高產(chǎn)和耕地的可持續(xù)利用[14]。因此，了解土壤結(jié)構(gòu)破壞的成因和過程，尋找改善土壤結(jié)構(gòu)、提高耕層土壤保水保肥性能的適宜復(fù)種模式對(duì)于該地區(qū)耕作性能和肥力保持至關(guān)重要。鑒于此，本研究通過5年田間定位試驗(yàn)，對(duì)比分析了冬小麥–夏玉米、冬小麥–夏花生、冬小麥–夏玉米||花生間作3種復(fù)種模式對(duì)豫西褐土土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及碳、氮分布的影響，旨在為該地區(qū)選擇適宜的復(fù)種模式和維持作物持續(xù)生產(chǎn)力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河南科技大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng) (34°38''N，112°28''E)，地處溫帶，屬半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫13.7℃，年均降雨量580 mm，年平均蒸發(fā)量 2110.3 mm，年均輻射量 480.5 kJ/cm2，10℃以上積溫3400℃～3500℃，無霜期210～218天。試驗(yàn)地土壤類型為褐土，試驗(yàn)開展前為冬小麥–夏玉米復(fù)種模式，土壤基本理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)14.5 g/kg、全氮 0.96 g/kg、堿解氮 80.09 mg/kg、有效磷 8.51 mg/kg、速效鉀 129.30 mg/kg、土壤 pH 7.08 (土水比 1∶2.5)、土壤容重 1.24 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年6月至2019年10月進(jìn)行，共設(shè)置3個(gè)處理，分別為：冬小麥–夏玉米 (T1)、冬小麥–夏花生 (T2)、冬小麥–夏玉米||花生間作 (T3)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積80 m2(長 10 m×寬 8 m)，隨機(jī)區(qū)組排列。

供試玉米品種為‘鄭單958’，花生品種為‘白沙1016’，小麥品種為‘洛旱6號(hào)’。夏季作物玉米和花生于每年6月上旬播種，單作玉米行距60 cm、株距 25 cm，每穴一株，密度 6.7×104株/hm2；單作花生行距30 cm、株距20 cm，每穴2株，密度3.3×105株/hm2；玉米||花生采用2∶4模式 (2行玉米、4行花生)，玉米窄行行距40 cm、寬行行距160 cm，花生行距35 cm，玉米花生間距35 cm，間作玉米株距20 cm，間作花生株距20 cm，間作玉米密度5.0×104株/hm2，間作花生密度 2.0×104株/hm2。夏季作物各處理以尿素 (N 46%)、磷酸二銨 (P2O514%)、硫酸鉀 (K2O 45%) 為基礎(chǔ)肥料，結(jié)合整地作為底肥一次性施入土壤，氮、磷、鉀施用量分別為80、120、100 kg/hm2，單、間作玉米大喇叭口期再追施氮80 kg/hm2，單、間作花生不追肥。夏季作物收獲后于每年10月中旬播種小麥，行距20 cm，播量160 kg/hm2，施肥量為氮肥 (N) 200 kg/hm2、磷肥 (P2O5)80 kg/hm2、鉀肥 (K) 70 kg/hm2，將 60% 的氮肥和全部的磷肥、鉀肥作為基肥，剩余40%氮肥于小麥返青至拔節(jié)期追施。每季作物通過人工的方式收獲，收獲后使用秸稈粉碎還田機(jī)將地上部秸稈粉碎還田，施入基肥，通過旋耕 (深度 0—20 cm) 的方式翻入土壤，采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)模式進(jìn)行田間管理。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤樣品采集 于2019年10月夏季作物收獲后采用“S”型5點(diǎn)取樣法，使用定制的取樣環(huán)刀(直徑為 10 cm、高度為 10 cm)分別采集每個(gè)小區(qū)0—20和20—40 cm兩個(gè)土層的原狀土樣，去除植物殘?bào)w和石子雜物，將5個(gè)取樣點(diǎn)混合的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室 (盡量保持原狀土壤結(jié)構(gòu))，沿土塊天然斷裂面輕輕掰開，在通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干，隨后將其分成兩部分，一部分過10 mm篩用于土壤團(tuán)聚體組成的測(cè)定，另一部分過0.15 mm篩用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體的測(cè)定 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分別采用濕篩法和干篩法測(cè)定[15-16]：濕篩法用振動(dòng)篩對(duì)土壤團(tuán)聚體進(jìn)行分級(jí)，共分4級(jí)(粒徑> 2、2～0.25、0.25～0.053和< 0.053 mm)。稱取200 g土樣平鋪于2 mm篩面上，緩慢加入去離子水 (水剛好淹沒2 mm篩面上的團(tuán)聚體)，浸潤10 min后以30次/min的頻率上下振蕩，振蕩幅度為3 cm，振蕩結(jié)束后將各層篩面上的水穩(wěn)性團(tuán)聚體分別沖洗到事先已稱重的鋁盒中，60℃下烘干至恒重。干篩法用DM180型土壤團(tuán)粒分析儀，稱取風(fēng)干土樣500 g，放置于最大孔徑2 mm土篩上，裝好土樣后調(diào)節(jié)土壤團(tuán)粒分析儀頻率為300次/min，振蕩2 min，共分 5 級(jí) (粒徑> 2、2～1、1～0.5、0.5～0.25和 < 0.25 mm)，篩分，稱重，計(jì)算各級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分比。土壤團(tuán)聚體根據(jù)其粒徑的大小可劃分為大團(tuán)聚體 (> 0.25 mm) 和微團(tuán)聚體 (< 0.25 mm)[17]。

1.3.3 土壤理化性質(zhì)及各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量的測(cè)定 參照鮑士旦[18]的方法：采用重鉻酸鉀—外加熱氧化法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量；采用半微量凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量；采用Olsen法測(cè)定土壤有效磷；采用醋酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定土壤速效鉀；采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重；采用酸度計(jì)法測(cè)定土壤pH。

1.3.4 數(shù)據(jù)計(jì)算 利用公式計(jì)算粒徑 > 0.25 mm 的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體占比 (DR0.25)、粒徑> 0.25 mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比 (WR0.25)、平均質(zhì)量直徑 (MWD)、幾何平均直徑 (GMD)[19]、土壤團(tuán)聚體破壞率 (PAD) 和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù) (ELT)[20]，具體計(jì)算公式如下：

式中：WS>0.25和 WS分別代表粒徑 > 0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體總重量 (g)；Mr>0.25和Mr分別代表粒徑 > 0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定團(tuán)聚體和機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體總質(zhì)量 (g)；WT為供試土壤總重量 (g)；Wi為各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù) (%)；Xi為某級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑 (mm)。

利用邱莉萍等[21]的方法計(jì)算各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮的貢獻(xiàn)率：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖，采用Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，所有數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤 (Mean ± SE)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)種模式下土壤團(tuán)聚體分布特征

2.1.1 復(fù)種模式對(duì)土壤機(jī)械性團(tuán)聚體組成的影響由圖1可知，在0—20、20—40 cm土層，3個(gè)處理土壤的團(tuán)聚體粒級(jí)分布基本一致，> 2和2～1 mm兩個(gè)粒級(jí)占比較高，1～0.5和0.5～0.25 mm粒級(jí)次之，< 0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體占比最低。但是與T1處理相比，T2和T3處理下兩個(gè)土層的 > 2和2～1 mm 團(tuán)聚體占比顯著增加，1～0.5、0.5～0.25和 <0.25 mm團(tuán)聚體占比顯著降低。在0—20 cm土層，T3處理的 > 2 mm的團(tuán)聚體占比顯著高于T2處理，1～0.5、0.5～0.25和< 0.25 mm 團(tuán)聚體占比顯著低于T2處理。表明T3處理增大機(jī)械穩(wěn)定性土壤顆粒的效果好于T2、T1處理。

圖 1 不同復(fù)種模式下0—20和20—40 cm土層土壤各粒級(jí)機(jī)械性團(tuán)聚體占比Fig.1 Proportion of soil mechanical stable aggregates under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

2.1.2 復(fù)種模式對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響由圖2可知，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體在0—20、20—40 cm土層中的分布規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)2～0.25 mm團(tuán)聚體占比最高，0.25～0.053和< 0.053 mm 團(tuán)聚體占比次之，> 2 mm團(tuán)聚體占比最低。相比于T1處理，T2處理顯著提高了0—20 cm土層中2～0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比，顯著降低了0.25～0.053和 <0.053 mm的團(tuán)聚體占比，而T3處理顯著增加了0—20和20—40 cm 土層中 > 2 mm和2～0.25 mm 兩個(gè)粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比，顯著降低了兩個(gè)土層0.25 mm以下兩個(gè)粒級(jí)的團(tuán)聚體占比。表明T3處理可以顯著提高耕層和亞耕層的土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其效果顯著好于T2處理，又顯著好于T1處理。

圖 2 不同復(fù)種模式下0—20和20—40 cm土層土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比Fig.2 Proportion of soil water stable aggregates under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

2.1.3 復(fù)種模式對(duì)不同土層DR0.25和WR0.25的影響由圖3可知，0—20 cm土層中，相比于T1處理，T2和T3處理顯著增加了 DR0.25和WR0.25值 (P<0.05)，而T2和T3處理之間WR0.25無顯著差異，T2和T3處理下WR0.25值分別較T1增加50.3%和57.9%，DR0.25值分別較T1增加5.9%和9.9%；20—40 cm土層中，WR0.25和DR0.25值在3個(gè)處理間均未達(dá)顯著差異水平 (P> 0.05)。

圖 3 不同復(fù)種模式土壤0—20和20—40 cm土層的WR0.25和DR0.25Fig.3 WR0.25 and DR0.25 under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

2.2 復(fù)種模式對(duì)不同土層團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

由圖4a和b可知，與T1相比，T2和T3處理顯著提高兩個(gè)土層中土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD) 和平均幾何直徑 (GMD)，0—20 cm 土層中，T2和T3處理下的MWD分別較T1顯著增加36.4%和47.0%，GMD分別顯著增加100.0%和120.0%；20—40 cm土層中，T2和T3處理下的MWD分別較T1增加4.8%和6.0%，GMD分別較T1增加11.5%和7.7%。

由圖4c和d可知，0—20 cm土層中，T2和T3處理下土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù) (ELT) 和土壤團(tuán)聚體破壞率 (PAD) 顯著降低，ELT較T1分別顯著降低33.2%和50.6%，PAD分別較T1顯著降低49.3%和51.4%；20—40 cm土層中，T2和T3處理下ELT分別較T1顯著降低13.2%和18.0%，PAD分別較T1顯著降低21.4%和28.8%。

圖 4 不同復(fù)種模式下土壤團(tuán)聚體的MWD、GMD、ELT和PADFig.4 MWD, GMD, ELT and PAD of soil aggregates under different rotation systems

2.3 不同復(fù)種模式對(duì)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳分布的影響

2.3.1 各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量 由圖5可知，各處理0—20和20—40 cm土層中土壤有機(jī)碳均集中分布在2～0.25 mm粒級(jí)，0.025～0.053和 <0.053 mm 粒級(jí)次之，> 2 mm 粒級(jí)最低，0—20 cm 土層的有機(jī)碳含量顯著高于20—40 cm土層 (P<0.05)。0—20 cm 土層中，T2 處理下 > 2、2～0.25、0.25～0.053和< 0.053 mm 粒級(jí)的有機(jī)碳含量分別較T1增加43.4%、42.0%、24.4%和33.7%，T3處理下> 2、2～0.25、0.25～0.053和< 0.053 mm 粒級(jí)的有機(jī)碳含量分別較T1增加70.8%、24.3%、27.7%和25.8%；20—40 cm 土層中，T2 處理下 > 2、2～0.25、0.25～0.053和< 0.053 mm 粒級(jí)的有機(jī)碳含量分別較T1增加86.6%、13.3%、36.4%和20.4%，T3 處理下 > 2、2～0.25、0.25～0.053和< 0.053 mm粒級(jí)的有機(jī)碳含量分別較T1增加94.6%、14.1%、18.4%和32.5%。

圖 5 不同復(fù)種模式下各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量Fig.5 Organic carbon content of in different particle-size faractions under different rotation systems

2.3.2 各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率 由圖6可知，各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率在兩個(gè)土層中基本表現(xiàn)為：2～0.25 mm粒級(jí)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高，其次為 0.25～0.053和< 0.053 mm 粒級(jí)，> 2 mm粒級(jí)的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最低。0—20 cm土層中，T2和T3處理下 > 2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別較T1處理顯著增加31.8%和57.0%，2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別較T1處理顯著增加22.6%和12.2%，0.25～0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別較T1處理顯著降低15.0%和38.7%，< 0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別較T1處理降低1.8%和29.4%；20—40 cm 土層中，T2 處理下 > 2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較T1處理顯著增加72.1%，T1與T3處理無顯著差異，T2和T3處理下2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別較T1處理顯著增加22.7%和37.5%，0.25～0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別較T1處理顯著降低26.0%和30.9%，< 0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別較T1處理降低35.3%和16.3%。

圖 6 不同復(fù)種模式下各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率Fig.6 Contribution rate of organic carbon in different particle-size faractions under different rotation systems

2.4 不同復(fù)種模式對(duì)土壤團(tuán)聚體中全氮分布的影響

2.4.1 各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體中的全氮含量 由圖7可知，各處理在0—20和20—40 cm土層中土壤全氮含量均以2～0.25 mm粒級(jí)最高，0.25～0.053和 <0.053 mm 粒級(jí)居中，> 2 mm 粒級(jí)最低。0—20 cm 土層的全氮含量顯著高于20—40 cm土層 (P<0.05)。0—20 cm 土層中，T2 處理下 > 2、2～0.25、0.25～0.053和 < 0.053 mm粒級(jí)的全氮含量較T1處理顯著增加24.5%、34.8%、18.6%和9.3%，T3處理下>2、2～0.25和<0.053 mm粒級(jí)的全氮含量較T1處理分別顯著增加了40.8%、55.4%和39.5%，0.25～0.053 mm粒級(jí)較 T1處理差異不顯著 (P>0.05)；20—40 cm 土層中，T2 處理下 > 2、2～0.25、0.25～0.053和< 0.053 mm 粒級(jí)的全氮含量較 T1 處理顯著增加40.0%、24.4%、56.5%和13.3%，T3處理下 > 2、2～0.25、0.25～0.053和< 0.053 mm 粒級(jí)的全氮含量較T1處理顯著增加71.4%、36.7%、49.3%和45.3%。

圖 7 不同復(fù)種模式下各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的全氮含量Fig.7 Total nitrogen content in different particle-size faractions under different rotation systems

2.4.2 各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的全氮貢獻(xiàn)率 由圖8可知，各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體全氮的貢獻(xiàn)率在兩個(gè)土層中基本表現(xiàn)為：2～0.25 mm粒級(jí)最高，其次為0.25～0.053和< 0.053 mm 粒級(jí)，> 2 mm 粒級(jí)最低。0—20 cm土層中，與T1處理相比，T2處理 >2和< 0.053 mm 團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率無顯著差異 (P>0.05)，T3 處理 > 2 mm 團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較 T1 處理顯著增加98.9%，T2和T3處理下2～0.25 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率分別較T1處理顯著增加12.8%和14.0%，0.25～0.053 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率分別較T1處理顯著增加34.4%和37.2%，T3處理 < 0.053 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較T1處理顯著增加26.0%；20—40 cm 土層中，T1、T2和T3 處理之間 > 2 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率無顯著差異 (P> 0.05)，T2 處理2～0.25 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較T1處理顯著降低9.2%，0.25～0.053 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較T1處理顯著增加22.5%，< 0.053 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較T1處理顯著降低23.4%，T3處理2～0.25 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較T1顯著增加6.7%，0.25～0.053 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率與T1處理無顯著差異，< 0.053 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較T1處理顯著增加28.4%。

圖 8 不同復(fù)種模式下各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率Fig.8 Contribution rate of total nitrogen in different particle-size fractions under different rotation systems

2.5 不同復(fù)種模式對(duì)土壤理化性狀的影響

由表1可知，相比于T1處理，T2和T3處理增加了0—20和20—40 cm土層中土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀的含量，而土壤容重和pH在3 個(gè)處理間均無顯著差異 (P> 0.05)。0—20 cm 土層中，T2和T3處理下土壤有機(jī)碳含量分別較T1處理顯著增加19.0%和26.7%，全氮含量分別較T1處理顯著增加15.4%和23.1%，有效磷含量分別較T1處理顯著增加4.8%和16.9%，T3處理下土壤速效鉀含量較T1處理顯著增加11.0%；20—40 cm土層中，T2和T3處理下土壤有機(jī)碳含量分別較T1處理顯著增加21.9%和23.8%，全氮含量分別較T1顯著增加27.0%和41.3%，T3處理下土壤有效磷和速效鉀含量分別較T1處理顯著增加23.9%和24.0%，T1和T2處理間土壤有效磷和速效鉀含量均無顯著差異(P> 0.05)。

表 1 不同復(fù)種模式下土壤理化特性Table 1 Soil physical and chemical properties in different rotation systems

3 討論

3.1 復(fù)種模式對(duì)土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其組成和分布與作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成密切相關(guān)。土壤團(tuán)聚體分布常受有機(jī)質(zhì)含量、作物布局、田間管理措施等因素的影響[22]。本研究結(jié)果顯示，與冬小麥–夏玉米 (T1) 處理相比，冬小麥–夏花生 (T2) 和冬小麥–夏玉米||花生間作 (2 行玉米間作4行花生，T3) 處理提高了0—20，20—40 cm土層 > 2和2～1 mm粒級(jí)的土壤機(jī)械性團(tuán)聚體占比，降低了 1～0.5、0.5～0.25 和< 0.25 mm 粒級(jí)的土壤機(jī)械性團(tuán)聚體占比；對(duì)于水穩(wěn)性團(tuán)聚體而言，冬小麥–夏花生 (T2) 和冬小麥–夏玉米||花生間作 (T3)處理提高了 0—20、20—40 cm 土層 > 2、2～0.25 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比，降低了0.25～0.053、< 0.053 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比，說明不同復(fù)種模式影響了土壤團(tuán)聚體分布特征，其中冬小麥–夏玉米||花生間作 (T3) 處理效果明顯。白錄順等[23]研究表明，大豆單作和玉米大豆間作種植模式均顯著增加土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的占比，提高M(jìn)WD和GMD值，提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。李景等[24]研究發(fā)現(xiàn)，小麥–花生耕作處理可顯著提高 > 2、2～1、2～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的相對(duì)占比，減少 <0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的相對(duì)占比。向蕊等[25]研究也表明，間作種植模式提高了土壤 > 2、2～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體的比例，這與我們的研究結(jié)果相同。冬小麥–夏玉米||花生復(fù)種模式能夠提高農(nóng)田耕層土壤中 >0.25 mm粒級(jí)的機(jī)械性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，分析原因可能一方面是由于間作通過改變地上部作物布局提升了玉米和花生群體的光合利用效率，增強(qiáng)土壤氮磷鉀養(yǎng)分的吸收利用，加快作物碳氮代謝，促進(jìn)植株的生長，導(dǎo)致輸入土壤的新鮮有機(jī)物 (如根殘茬、植株凋落物殘?bào)w等) 增多[26]；另一方面間作種植模式促進(jìn)植株根系分泌物 (如總糖、總有機(jī)酸等) 的分泌量，提高根際細(xì)菌和真菌的活力，促進(jìn)細(xì)菌釋放多糖等物質(zhì)，促進(jìn)菌絲生長和多糖分泌，從而增強(qiáng)對(duì)微團(tuán)聚體的纏繞和膠黏作用，這有利于微團(tuán)聚體向大顆粒團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化[27]。

土壤MWD、GMD、土壤ELT和PAD常被作為反映土壤團(tuán)聚體大小分布和評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，土壤MWD和GMD值越大，表明土壤穩(wěn)定性和抗侵蝕能力越強(qiáng)，土壤ELT和PAD值越小，表明其土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好[28-29]。本研究結(jié)果表明，與T1處理相比，T2和T3處理均顯著降低土壤ELT值，增加土壤MWD和GMD值，其中T3處理表現(xiàn)尤其突出，說明T3處理使土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，這一研究結(jié)論與向蕊等[25]、劉棟等[30]研究結(jié)果相似，這主要是因?yàn)橛衩着c花生間作使土壤大團(tuán)聚體占比增多的緣故，由于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與大團(tuán)聚體占比呈顯著正相關(guān)，與土壤ELT和PAD呈顯著負(fù)相關(guān)，大團(tuán)聚體數(shù)量越多，土壤MWD和GMD值越大，土壤ELT和PAD值越小[31]。

3.2 復(fù)種模式對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量及其貢獻(xiàn)率的影響

土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成過程中重要的膠結(jié)物質(zhì)，而團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳具有保護(hù)作用，二者相輔相成，密不可分[32]。本研究結(jié)果表明，與T1相比，T2和T3處理可顯著提高各粒級(jí)有機(jī)碳和全氮含量，0—20 cm土層有機(jī)碳和全氮含量顯著高于 20—40 cm 土層 (P<0.05)，這與郭金瑞等[33]在東北黑土區(qū)21年的長期定位試驗(yàn)研究結(jié)果類似。在本研究中，土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全氮含量提高的原因：首先，花生屬豆科植物，擁有大量的固氮菌種群，加快土壤養(yǎng)分的吸收及轉(zhuǎn)化，極大地促進(jìn)土壤菌根的生長，增強(qiáng)其對(duì)微團(tuán)聚體的膠黏和纏繞作用，起到土壤固氮的作用[34]；其次，間作處理增加物種的多樣性，使得玉米和花生根系微生物群落結(jié)構(gòu)更加豐富，提高抑制病原菌的能力，降低作物地下部病蟲害的發(fā)生，增強(qiáng)植株根系代謝和活力，加快植株對(duì)養(yǎng)分的吸收和固持，有利于根系特征值 (如根表面積、根體積、根尖數(shù)) 的增加[35]；最后，由于土壤大團(tuán)聚體的“吸附保護(hù)”作用，降低了土壤微生物對(duì)有機(jī)碳和全氮的分解，從而使土壤有機(jī)碳、全氮的淋失量減少[36]。本試驗(yàn)增加土壤大團(tuán)聚體含量的比例及分布的結(jié)果與邱曉蕾等[32]在黃棕壤發(fā)育演變的菜園土上的研究結(jié)果不一致，這可能與試驗(yàn)條件、土壤肥力、酸堿度和試驗(yàn)?zāi)晗薜纫蛩赜嘘P(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，與T1處理相比，T2和T3處理顯著增加 >2和2～0.25 mm粒級(jí)土壤有機(jī)碳在土壤養(yǎng)分中的貢獻(xiàn)率，降低 0.25～0.053和< 0.053 mm 粒級(jí)土壤有機(jī)碳在土壤養(yǎng)分中的貢獻(xiàn)率，增加了0—20和20—40 cm土層中土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀的含量，說明T2和T3處理在一定程度上改變了農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)，提升了土壤養(yǎng)分含量，改善了土壤性質(zhì)，致使土壤養(yǎng)分向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，提高了土壤肥力。這可能是因?yàn)門2和T3處理下作物減弱了旱作區(qū)褐土土壤水分的耗竭，提升了表層土壤的溫度，致使地表微生物活動(dòng)增強(qiáng)，真菌、細(xì)菌等微生物通過分解作用產(chǎn)生的有機(jī)物優(yōu)先分配進(jìn)入大團(tuán)聚體[37]。另外，本課題組前期研究表明花生和玉米在土壤元素根際活化 (如花生分泌質(zhì)子活化土壤中難溶性磷，玉米分泌鐵載體提高土壤中活性鐵含量) 和光能 (強(qiáng)弱光) 吸收方面存在差異，且利用玉米和花生種間的競(jìng)爭和互補(bǔ)效應(yīng)，在褐土區(qū)表現(xiàn)出明顯的間作優(yōu)勢(shì)[38-39]，夏季作物根茬和秸稈周年輸入的差異，也可能是不同復(fù)種模式影響豫西褐土團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量及其貢獻(xiàn)率差異的原因。

4 結(jié)論

與長期冬小麥–夏玉米復(fù)種相比，冬小麥–夏花生復(fù)種、冬小麥–夏玉米||花生復(fù)種可以顯著增加耕層土壤中 > 0.25 mm的團(tuán)聚體的數(shù)量，增加土壤顆粒的平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)，降低ELT和PAD值，加快土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改善了土壤結(jié)構(gòu)。長期冬小麥–夏花生復(fù)種、冬小麥–夏玉米||花生復(fù)種可顯著提高土壤中有機(jī)碳和全氮含量，增加有機(jī)碳在 > 2 mm和2～0.25 mm 團(tuán)聚體中的貢獻(xiàn)率及2～0.25 mm (0—20 cm 土層) 粒級(jí)全氮的貢獻(xiàn)率，同時(shí)還提高了土壤中的有效磷和速效鉀含量。冬小麥–夏玉米||花生復(fù)種模式提高土壤肥力的效果好于冬小麥–夏花生復(fù)種模式，可顯著提高土壤肥力及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。