连续种植不同绿肥作物的土壤团聚体稳定性及可蚀性特征

张 钦, 于恩江, 林海波, 张爱华, 陈正刚, 朱 青, 曹卫东, 姚单君

(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所/农业资源与环境研究所/农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测试验站, 贵阳 550006; 2.贵州省土壤肥料工作总站,贵阳 550003; 3.贵州大学, 贵阳 550025; 4.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所, 北京 100081)

土壤团聚体是一种介于单粒和块状之间的土壤结构[1]，在生物与非生物的单独或共同作用下，通过团聚和破碎交替过程而形成的[2]，它影响着土壤中的物质交换与能量平衡[3]，其数量和分布反映了土壤结构的机械稳定性和抗蚀性[4]，有研究认为土壤团聚体稳定性是影响侵蚀过程中土壤分离、搬运、水分入渗和结皮产生的重要因素[5-7]，土壤团聚度及团聚体的稳定性是决定和影响可蚀性最重要的土壤物理性质[8-9]，许多学者把土壤团聚体的水稳定性作为评价土壤可蚀性的重要指标，通过提高土壤水稳性团聚体的数量和质量来提高土壤的抗侵蚀能力[10-11]。而土壤团聚体主要受到施肥方式、种植制度和轮作方式等的影响[12]。研究表明添加玉米秸秆在显著增加黑土团聚体粒径>2 mm大团聚体含量的同时，还使其粒径<0.25 mm团聚体含量降低[13]。翻压绿肥后增加了土壤中>7 mm的大团聚体含量，降低了<1 mm的小团聚体的含量[14]。施有机肥可以直接促进0.5～1 mm粒径的水稳性团聚体的形成[15]。绿肥是我国农作物种植制度中重要的轮作倒茬作物，种植翻压绿肥可以提升土壤肥力、改善土壤结构，而对土壤团聚体的研究较少，因此，本次试验以几种不同的绿肥作物为研究对象，通过连续种植，分析土壤团聚体组成、直径以及稳定性、可蚀性K值特征，探讨种植不同绿肥对土壤团聚体的影响，为促进良好土壤团聚体结构，土壤资源的可持续利用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2011年起在贵州省农业科学院(106°07′E，26°11′N)内连续种植5年，该区域海拔高度1 100 m，属于亚热带湿润温和型气候，年平均气温为15.3℃，年极端最高温度为35.1℃，年极端最低温度为-7.3℃，年平均相对湿度为77%，年平均总降水量为1 129.5 mm，年平均日照时数为1 148.3 h。试验区土壤类型为黄壤，成土母质为第四纪红色黏土残积物，土壤有机质45.05 g/kg，全氮1.88 g/kg，全磷0.79 g/kg，全钾14.21 g/kg，碱解氮169.9 mg/kg，有效磷18.3 mg/kg，速效钾112.2 mg/kg，pH值5.58。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理：CK(清耕)、箭筈豌豆(ViciasativaL.)、肥田萝卜(RaphanussativusL.)、蓝花苕子(ViciacraccaL.)、毛叶苕子(ViciavillosaRoth)，种子均从国家种质资源库引进，小区面积9 m2，随机区组排列，3次重复。肥田萝卜为十字花科绿肥，其余品种为豆科绿肥，其中箭筈豌豆是野豌豆属，苕子是巢菜属。清耕为不栽种任何作物，田间管理方式与其他处理相同，绿肥以单作方式，采用点播法播种，每穴间距为20～25 cm，深度为1～3 cm，每穴为5粒种子，生长过程不施用任何肥料，每年9月间播种，次年6月收割地上部分，试验连续重复进行。

1.3 测定方法

于2016年6月待收割地上部分后在田间取样，采集0—20 cm耕层的土壤样品，每个小区分别取3个点的土壤作为该取样小区的样品。土壤基本理化性质[16]：土壤pH值采用水土比2.5∶1(pH计法)，全氮采用凯氏定氮法，全磷含量采用酸溶钼锑抗比色法，全钾采用HF—HClO4消解火焰光度法，有机质采用重铬酸钾容量法，碱解氮用碱解扩散法—标准酸滴定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑忼比色法测定，速效钾采用1.0 mol/L的NH4OAc浸提—火焰光度法测定。

团聚体[17]：在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。将采集的土样带回实验室内风干，沿土壤结构的自然剖面掰分成1 cm左右的团块，采用干筛法测定机械稳定性团聚体组成，湿筛法测定土壤水稳性团聚体组成，套筛由孔径分别为5，2，1，0.5，0.25 mm共5个筛子组成。

1.4 数据处理

(1)

式中：PAD为团聚体破坏率[18]；WSA为>0.25 mm水稳性团聚体的重量；A为>0.25 mm团聚体(干筛)的重量.

(2)

式中：MWD为平均重量直径[19]；mi为各级团聚体的重量百分含量；ri为第i个筛的孔径大小(mm)，并且，r0=r1，rn=rn+1；n为筛子的数量。

(3)

式中：GMD为几何平均直径[20]；lnri为土壤粒级的平均直径的自然对数。土壤可蚀性因子K值[20]的计算公式如下:

(4)

采用Excel 2007和SPSS 18.0软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(α=0.05)，用Pearson法进行相关分析。利用Excel 2007软件作图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥作物对土壤机械稳定性团聚体组成的影响

由图1与表1可以看出，各处理均以>0.25 mm大团聚体为主，说明土壤团聚性较好，呈现粒径减小质量减小的趋势，以>5 mm，2～5 mm粒径团聚体含量最高；>5 mm与1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm粒径的团聚体含量呈现极显著的负相关，2～5 mm与0.5～1 mm粒径的团聚体含量呈现显著的负相关，1～2 mm与0.5～1 mm粒径的团聚体含量呈现显著的正相关，0.5～1 mm与0.25～0.5 mm粒径之间的团聚体含量均呈现极显著正相关。在不同绿肥作物中比较，>5 mm粒径中，肥田萝卜最高，是蓝花苕子的1.53倍；2～5 mm粒径中，肥田萝卜最高，是箭筈豌豆的1.24倍；1～2 mm粒径、0.5～1 mm粒径、0.25～0.5 mm粒径中，毛叶苕子最高，这3个粒径中分别是肥田萝卜的1.45,1.94,1.91倍。可见，肥田萝卜主要提高>2 mm粒径的团聚体，毛叶苕子、蓝花苕子主要提高0.25～2 mm粒径的团聚体。

注：不同小写字母表示在p≤0.05水平差异显著，下图同。

图1 不同处理的土壤机械稳定性团聚体含量

注：*表示p<0.05;**表示p<0.01，下表同。

2.2 不同绿肥作物对土壤水稳性团聚体组成的影响

由图2和表2可以看出，各处理均以>0.25 mm水稳性大团聚体为主，以>5 mm粒径水稳性团聚体含量最高，呈现粒径减小质量减小的趋势；各粒径间的团聚体相关性较高，>5 mm与<5 mm粒径的团聚体含量呈现极显著负相关，而<5 mm的粒径间含量呈现显著正相关。在不同绿肥作物中比较，>5 mm粒径中，肥田萝卜最高，是蓝花苕子的2.2倍；2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm粒径中，蓝花苕子最高，这4个粒径中分别是肥田萝卜的1.4,1.9,1.7,2.0倍。可见，肥田萝卜主要提高了>5 mm粒径的水稳性团聚体，而蓝花苕子主要提高了0.25～5 mm粒径的水稳性团聚体。

表2 各粒径土壤水稳性团聚体含量相关性系数

图2 不同处理的土壤水稳性团聚体含量

图3 不同处理的土壤水稳性大团聚体含量

2.3 不同绿肥作物对土壤水稳性大团聚体含量的影响

由图3可以看出，清耕处理的水稳性大团聚体含量为85.06%，而连续种植绿肥的水稳性团聚体含量为86.12%～87.79%，毛叶苕子的土壤水稳性大团聚体含量最高，肥田萝卜次之，种植绿肥作物促进土壤水稳性大团聚体的形成。总体上看，连续种植绿肥有利于形成土壤水稳性大团聚体，由图4和表3可以看出，>5 mm土壤水稳性团聚体含量与土壤水稳性大团聚体含量极显著正相关，拟合方程为y=4.2563x-332.77，R2=0.4562，说明>5 mm粒级的土壤水稳性团聚体的增加对土壤水稳性大团聚体积累的影响较为突出。

图4 土壤水稳性团聚体含量与水稳性大团聚体含量的关系

项目水稳性大团聚体>5 mm5～2 mm2～1 mm1～0.5 mm0.5～0.25 mm水稳性大团聚体1>5 mm0.675∗∗15～2 mm-0.363-0.911∗∗12～1 mm-0.541∗-0.972∗∗0.930∗∗11～0.5 mm-0.701∗∗-0.964∗∗0.824∗∗0.908∗∗10.5～0.25 mm-0.532∗-0.854∗∗0.816∗∗0.791∗∗0.784∗∗1

2.4 不同绿肥作物对土壤团聚体破坏率的影响

由图5可以看出，CK的土壤团聚体破坏率为12.98%，种植绿肥的土壤团聚体破坏率为8.02%～9.91%，连续种植绿肥作物能够显著降低土壤团聚体破坏率，较CK显著降低了29%～38.17%，毛叶苕子<肥田萝卜<蓝花苕子<箭筈豌豆，毛叶苕子的团聚体破坏率最低，比空白显著降低了38.17%。

2.5 不同绿肥作物对土壤平均重量直径的影响

由图6可以看出，CK的土壤平均重量直径为2.72 mm，种植绿肥的土壤平均重量直径为2.31～3.23 mm肥田萝卜>毛叶苕子>CK>箭筈豌豆>蓝花苕子，肥田萝卜的土壤平均重量直径最大，比CK高18.75%，比蓝花苕子显著高40.16%，连续种植肥田萝卜、毛叶苕子有利于耕层土壤平均重量直径的提升。

图5 不同处理的土壤团聚体破坏率

图6 不同处理的土壤平均重量直径

2.6 不同绿肥作物对土壤几何平均直径的影响

由图7可以看出，CK的土壤几何平均直径为1.08 mm，连续种植绿肥的土壤几何平均直径为0.87～1.23 mm，肥田萝卜>毛叶苕子>CK>箭筈豌豆>蓝花苕子，肥田萝卜的土壤几何平均重量直径最大，比CK高14.16%，比蓝花苕子显著高42.02%，连续种植肥田萝卜、毛叶苕子有利于耕层土壤几何平均重量直径的提升。

图7 不同处理的土壤几何平均重量直径

2.7 土壤可蚀性因子K值特征

由图8可以看出，CK的K值为0.033，连续种植绿肥的K值为0.030～0.041，连续种植绿肥对土壤可侵蚀因子(K)产生了一定的影响，但规律性不明显，不同绿肥作物之间的差异较大，肥田萝卜<毛叶苕子<箭筈豌豆<蓝花苕子，但未达到显著，肥田萝卜的K值最小，比蓝花苕子低25.97%。

2.8 土壤团聚体组成、直径与土壤稳定性、可侵蚀性之间的关系

由图9和表4可以看出，四者之间有着紧密的联系，通过数据分析发现，土壤平均重量直径与水稳性大团聚体含量之间极显著正相关，拟合方程为y=0.167x-11.701，R2=0.5443，土壤几何平均重量直径与水稳性大团聚体含量之间显著正相关，拟合方程为y=0.0511x-3.3618，R2=0.3605，土壤团聚体破坏率与水稳性大团聚体含量之间极显著负相关，拟合方程为y=-0.9155x+89.077，R2=0.7815，土壤团聚体破坏率与土壤平均重量直径显著负相关，拟合方程为y=0.0248x2-0.5915x+6.0388，R2=0.4076，团聚体破坏率与几何平均直径呈负相关但未显著，水稳性大团聚体含量与K值之间呈现负相关但差异未显著。可见，土壤水稳性大团聚体含量越高，土壤平均重量直径、几何平均直径越大，团聚体破坏率越低，土壤结构的稳定性越好，且团聚体破坏率与土壤平均重量直径的相关性更强，另外，K值与水稳性大团聚体含量呈负相关，与团聚体破坏率呈正相关未达到显著，与土壤团聚体直径(MWD，GMD)呈极显著的负相关，K值与土壤直径相关性更强。

图8 不同处理的可侵蚀性K值

项目水稳性大团聚体PADMWDGMDK水稳性大团聚体1PAD-0.884∗∗1MWD0.738∗∗-0.515∗1GMD0.599∗-0.3730.980∗∗1K-0.4650.269-0.912∗∗-0.963∗∗1

注：PAD为土壤团聚体破坏率；MWD为土壤平均重量直径；GMD为土壤几何平均直径；K为土壤可蚀性因子K值。

3 讨 论

土壤团聚体主要受到施肥方式、种植制度和轮作方式等的影响[12]。土壤机械稳定性团聚含量的高低及组成情况是评价团聚体质量的重要指标[21]，而土壤水稳性团聚体数量反映了土壤结构的稳定性、持水性、通透性和抗侵蚀的能力，是评价团聚体抵抗外力破坏能力的重要指标[22]。有研究表明，秸秆覆盖使>0.25 mm的土壤机械稳定性团聚体含量增加13.0%～26.4%，>0.25 mm的土壤水稳性团聚体含量增加8.6%～45.7%[23]。本次研究发现，连续种植绿肥能够提高不同粒径土壤机械稳定性、水稳性团聚体含量，肥田萝卜主要提高>2 mm粒径的机械稳定性团聚体含量，毛叶苕子、蓝花苕子主要提高0.25～2 mm粒径的机械稳定性团聚体含量。同时，肥田萝卜主要提高了>5 mm粒径的水稳性团聚体含量，蓝花苕子主要提高了0.25～5 mm粒径的水稳性团聚体含量。

图9 土壤团聚体与土壤稳定性之间的关系

按照颗粒大小，将>0.25 mm粒径的团聚体分为大团聚体[24]，它是由许多土粒多层次凝聚和多次胶结形成的，调节着土壤的水、肥、气、热[25]，其含量丰富是土壤良好结构特征的表现，衡量土壤结构性好坏和抗侵蚀性的一个最重要的指标就是大团聚体的含量。有研究表明，化肥与有机肥配施有利于大团聚体的形成，对0.25～5 mm水稳性大团聚体的促进作用最明显[26]。本次研究发现，连续种植绿肥有利于形成土壤水稳性大团聚体，>5 mm粒级的土壤水稳性团聚体的增加对土壤水稳性大团聚体积累的影响较为突出。不同绿肥作物间比较，毛叶苕子的土壤水稳性大团聚体含量最高，肥田萝卜次之。

另外，土壤平均重量直径、几何平均直径反映了土壤团聚体大小分布状况，其值越大表征团聚体的平均团聚度越高，其稳定性也越好，是表征团聚体稳定性的一个重要指标[27-28]。有研究表明，紫花苜蓿和冰草均能显著提高土壤水稳性团聚体平均质量直径，高羊茅的作用不明显，总体表现为紫花苜蓿>冰草>高羊茅[29]。本次研究发现，连续种植绿肥对土壤平均重量直径、几何平均直径的影响差异较大，连续种植肥田萝卜、毛叶苕子有利于土壤平均重量直径和几何平均直径的提升，肥田萝卜>毛叶苕子>CK>箭筈豌豆>蓝花苕子，肥田萝卜的土壤平均重量直径、几何平均直径分别比蓝花苕子显著高40.16%，42.02%。

除此之外，团聚体破坏率表示土壤团聚体在水蚀作用下的分散程度，其值越小，土壤团聚体的稳定性越高，是表征团聚体稳定性的一个重要指标[27]。本次研究发现，连续种植绿肥作物能够显著降低土壤团聚体破坏率，较CK显著降低了29%～38.17%，毛叶苕子<肥田萝卜<蓝花苕子<箭筈豌豆，毛叶苕子的团聚体破坏率比空白显著降低了38.17%。而土壤团聚体稳定性与土壤侵蚀密切相关，是侵蚀的有效指示因子，可间接量化土壤可蚀性[30-31]。土壤可蚀性(K)，是通用土壤流失方程[32]和修正通用土壤流失方程[33]中的重要因子，反映土壤对侵蚀外营力剥离和搬运的敏感性[34]，是评价土壤对侵蚀敏感程度和进行土壤侵蚀预报的重要参数[35]。本次研究表明，连续种植绿肥对K值产生了一定的影响，但规律性不明显，不同绿肥作物之间的差异较大，但未达到显著，肥田萝卜<毛叶苕子<箭筈豌豆<蓝花苕子，肥田萝卜的K值比蓝花苕子低25.97%。虽然K值与不同绿肥作物间的规律不明显，但是其与土壤团聚体的关系很密切，有研究认为，湿筛团聚体指标MWD，WSA0.25值与侵蚀量和径流强度之间均呈显著负相关，可用该指标衡量土壤可蚀性[30,36]，并且MWD能更好反映土壤团聚体稳定性与侵蚀产沙和产流间的关系[37]。本次研究发现，土壤水稳性大团聚体含量越高，土壤平均重量直径、几何平均直径越大，团聚体破坏率越低，土壤结构的稳定性越好，且团聚体破坏率与土壤平均重量直径的相关性更强，另外，K值与水稳性大团聚体含量呈负相关、与团聚体破坏率呈正相关未达到显著、与土壤团聚体直径(MWD，GMD)呈极显著的负相关，可见K值与土壤直径相关性更强。

4 结 论

(1) 在土壤团聚体的组成上，连续种植绿肥能够提高不同粒径土壤机械稳定性、水稳性团聚体含量，肥田萝卜主要提高>2 mm粒径的机械稳定性团聚体含量、>5 mm粒径的水稳性团聚体含量，毛叶苕子、蓝花苕子主要提高0.25～2 mm粒径的机械稳定性团聚体含量，蓝花苕子主要提高了0.25～5 mm粒径的水稳性团聚体含量。同时，连续种植绿肥有利于形成土壤水稳性大团聚体(>0.25 mm)，>5 mm粒级的土壤水稳性团聚体的增加对土壤水稳性大团聚体积累的影响较为突出。不同绿肥作物间比较，毛叶苕子的土壤水稳性大团聚体含量最高，肥田萝卜次之。

(2) 在土壤团聚体的直径上，连续种植绿肥对土壤平均重量直径、几何平均直径的影响差异较大，连续种植肥田萝卜、毛叶苕子有利于土壤平均重量直径和几何平均直径的提升，不同绿肥作物间比较，肥田萝卜>毛叶苕子>箭筈豌豆>蓝花苕子。

(3) 在土壤团聚体的稳定性上，连续种植绿肥作物能够显著降低土壤团聚体破坏率，较CK显著降低了29%～38.17%，不同绿肥作物间比较，毛叶苕子<肥田萝卜<蓝花苕子<箭筈豌豆。

(4) 在土壤可侵蚀性上，连续种植绿肥对土壤可侵蚀因子K值产生了一定的影响，但规律性不明显，不同绿肥作物之间的差异较大，但末达到显著，肥田萝卜<毛叶苕子<箭筈豌豆<蓝花苕子，肥田萝卜的K值比蓝花苕子低25.97%。

(5) 在土壤团聚体与土壤稳定性、可蚀性的相关性上，土壤水稳性大团聚体含量越高，土壤平均重量直径、几何平均直径越大，团聚体破坏率越低，土壤结构的稳定性越好，且团聚体破坏率与土壤平均重量直径的相关性更强，另外，可蚀性K值与水稳性大团聚体含量呈负相关、与团聚体破坏率呈正相关未达到显著、与土壤团聚体直径(MWD，GMD)呈极显著的负相关，可见可蚀性K值与土壤直径相关性更强。