种植模式对土壤团聚体稳定性和有机碳含量的影响

王梦雪，李永梅，酒鹃鹃，赵吉霞，王自林，范茂攀

（云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201）

【研究意义】土壤结构是影响土壤功能的关键因素［1］，而团聚体是土壤结构的基本单位，可以作为评价土壤质量高低和土壤环境是否健康的具体指标［2］，其含量和稳定性对作物生长发育、土壤抗蚀性和农业可持续利用等方面有着重要影响［3］。土壤团聚体是固碳机制的核心［4］，它作为有机碳存在的场所保护有机碳免于降解，有机碳反过来又能起到促进团聚体形成的作用［5］。不同粒级团聚体有机碳含量从微观层次上揭示了土壤有机质的平衡和矿化速率［6］。因此，研究土壤团聚体的组成和稳定性以及有机碳含量对改善土壤结构、提高土壤肥力和促进有机碳固持等方面具有重要意义。【前人研究进展】影响土壤团聚体固碳的因素主要包括耕作条件、施肥制度和种植方式等［5］。不同的种植模式通过植物种类、残体数量和植被覆盖等方面的不同引起团聚体及其有机碳含量的改变［7］。许多试验表明，合理的间作系统能最大限度地发挥立体种植的优势，在促进养分吸收［8］和提高作物产量［9-11］方面有着良好表现，同时间作可以通过改变根系特征［12］、增加根系分泌物［13］和改变微生物群落组成［2］来影响土壤团聚体的形成和稳定。有研究认为土壤有机碳对团聚体的数量和大小分布具有重要影响［14］，与团聚体稳定性存在极显著的正相关关系［15］。有机碳在团聚体中的分布状况会随试验条件的改变而改变，如李恋卿等［16］在研究退化红壤在植被恢复下的变化时发现有机碳在＜0.002 mm和＞2 mm粒径团聚体中含量较高，吕欣欣等［17］认为棕壤有机碳主要富集在0.25～2 mm和＞2 mm粒级团聚体中，而张祎等［18］的研究中不同粒径的有机碳含量变化不大。

【本研究切入点】近年来学者们对有机碳的研究不再局限于土壤总有机碳，更多地开始分析团聚体中有机碳的变化，但此类研究多集中在不同土地利用类型和不同施肥措施条件下，关于不同种植模式下土壤团聚体及其有机碳的变化分析还很有限。【拟解决的关键问题】本研究以玉米大豆为试验对象，通过对大豆单作、玉米大豆间作和裸地条件下土壤团聚体和团聚体有机碳含量进行分析，探讨二者之间的相关性及对单作和间作的响应，为进一步探讨间作系统团聚体和有机碳的互动机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年5—10月在云南农业大学试验农场进行。试验地点中心地理坐标为25°08＇18＇＇N、102°45＇58＇＇E，海拔1 950 m，属低纬度亚热带高原季风气候，干冷同期，雨热同季。供试土壤为红壤，其基本理化性质为：有机质含量33.2 g/kg，pH值6.1，碱解氮含量123.8 mg/kg，速效磷含量15.0 mg/kg，速效钾含量121.3 mg/kg。

供试作物为云南省农科院粮食作物研究所培育的云瑞6号玉米、滇豆7号大豆。玉米生育期为120 d左右，大豆生育期为132 d左右。玉米、大豆于2019年5月19日播种，9月30日收获。

1.2 试验方法

试验小区设置在坡度为20°的坡面上，每个小区长7 m、宽4 m，面积28 m2。设置大豆单作、玉米大豆间作和裸地3个处理，3次重复。

种植规格：采用沿等高线常规种植。大豆单作采用等行种植，行距60 cm，株距25 cm，种植密度133 600株/hm2；玉米大豆间作采用2∶2模式种植，玉米与玉米之间行距为40 cm，大豆与大豆行距为40 cm，玉米与大豆行距为50 cm，株距均为30 cm，间作时玉米种植密度为37 296株/hm2，大豆种植密度为73 926株/hm2。玉米每穴播种2粒，大豆每穴播种4粒，定植后玉米每穴留1株，大豆每穴留2株。

施用肥料为尿素、农用硫酸钾和过磷酸钙。玉米为常规施肥：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，分别占总施入氮肥量的35%、30%、35%，磷肥和钾肥都作为基肥施入耕地。大豆施肥N 120 kg/hm2、P2O5240 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，均一次性作为基肥施用。各处理田间管理措施一致。

1.3 测定项目及方法

在作物成熟期，每个处理设置3个采样点，挖掘土壤剖面 40 cm，分两层（0～20、20～40 cm）采集原状土壤样品，用四分法取出足够的样品，剔除石头和植物等杂物，带回室内风干备用。采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体含量［19］：待样品风干后，收集50 g混合土样，将其放置于孔径分别为2、1、0.5、0.25、0.106 mm套筛组成的团聚体分析仪（型号：Daiki DIK-2012）中，用上下振幅3 cm，频率30次/min，分析5 min后将各粒级水稳性团聚体洗入铝盒中，60℃烘干称重，得到各个粒级的水稳性团聚体。将烘干后的各级水稳性团聚体磨碎，采用Multi N/C 2100 总有机碳分析仪（配置HT1300固体燃烧模块）测定各级团聚体有机碳含量。计算粒级＞0.25 mm水稳性团聚体含量（R0.25）、平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（D）［20-21］：

式中，Mr＞0.25为粒径＞0.25 mm水稳性团聚体质量（g），MT为水稳性团聚体总质量（g），为各粒级水稳性团聚体平均直径（mm），为各粒级水稳性团聚体质量百分数（%），为某级水稳性团聚体平均直径（mm），Rmax为水稳性团聚体最大粒径（mm），M（r＜）为粒径小于Ri的水稳性团聚体质量（g）。

试验数据采用Microsoft Excel 2016和SPSS25.0软件进行统计分析。采用单因素（one-way ANOVA）进行方差分析，用Pearson法进行相关分析。利用GraphPad Prism 8软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式土壤水稳性团聚体分布特征

由0～20、20～40 cm土层土壤水稳性团聚体分布结果（图1）可以看出，土壤团聚体各个粒级组成比例在不同种植模式和土层表现出一定差异，但均以＜0.106 mm土壤团聚体含量最高，占比均超过25%。在0～20 cm土层中，大豆单作＞2 mm粒级水稳性团聚体含量显著高于裸地和玉米大豆间作，分别增加93.52%和57.83%；与裸地相比，间作显著增加1～0.5 mm粒级团聚体含量；裸地0.25～0.106 mm和＜0.106 mm粒级团聚体含量均显著高于间作和大豆单作。在20～40 cm土层，裸地水稳性团聚体含量随着粒级的减小而呈增大趋势，间作和大豆单作则呈先增大后减小再增大的趋势，3个处理中＞2 mm粒级水稳性团聚体占比最低；各处理间差异不显著。

2.2 不同种植模式土壤团聚体稳定性

MWD和GMD是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标，其值越大团聚体稳定性越强［22］，D是反映土壤结构几何形状的参数，其值越低，土壤结构相对越松散，通透性越好［23］。由表1可知，土层深度增加，3个处理的R0.25、MWD和GMD值均降低，说明上层土壤水稳性团聚体的稳定性高于下层土壤。在0～20 cm土层，玉米大豆间作和大豆单作的R0.25、MWD值和GMD值均显著高于裸地，其大小关系表现为大豆单作＞玉米大豆间作＞裸地，间作的D值比裸地显著降低2.33%，综合4个指标来看，在该土层大豆单作和玉米大豆间作比裸地均能有效提高团聚体的稳定性，改善土壤结构，但是单作和间作之间无显著差异。在20～40 cm土层，不同稳定性指标各处理间无显著差异，间作的R0.25、MWD和GMD值最大，D值最低；相比单作，间作的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 不同种植模式土壤团聚体有机碳含量

图1 不同土层不同种植模式土壤水稳性团聚体分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of soil water-stable aggregates in different soil layers under different planting patterns

表1 不同种植模式土壤团聚体稳定性指标Table 1 Indicators of soil aggregate stability under different planting patterns

图2 不同土层不同种植模式下土壤团聚体有机碳含量Fig. 2 Organic carbon contents of soil aggregates in different soil layers under planting patterns

由图2可知，不同种植模式各个粒级团聚体中有机碳含量各异，在0～20 cm土层，玉米大豆间作和大豆单作团聚体有机碳含量随着粒级的减小呈现递减的变化规律；裸地随粒级的减小呈先增加后降低的趋势，其中2～1 mm团聚体有机碳含量最高；各处理不同粒级团聚体有机碳含量均呈玉米大豆间作＞大豆单作＞裸地，说明间作有利于提高土壤有机碳含量，从而促进土壤保肥能力；相比裸地，间作在＞2 mm、2～1 mm和1～0.5 mm粒级的团聚体有机碳含量分别显著增加43.97%、17.85%和23.51%，大豆单作在＞2 mm粒级的团聚体有机碳含量比裸地显著增加25.02%，但显著低于间作13.16%；在0.5～0.25 mm和0.25～0.106 mm粒级的裸地、间作和单作间差异不显著。在20～40 cm土层，各个粒级团聚体有机碳含量比0～20 cm土层有降低的趋势，在＞2 mm粒级裸地比大豆单作显著增加19.07%，间作比大豆单作显著增加31%；间作各个粒级团聚体有机碳含量最高，但与裸地和大豆单作在 2～1 mm 、1～0.5 mm 、0.5～0.25 mm 和0.25～0.106 mm粒级处均无显著差异。总体而言，间作能提高土壤团聚体有机碳含量，相比大豆单作能显著提高0～20 cm土层＞2 mm和2～1 mm的团聚体有机碳含量，20～40 cm土层＞2 mm的团聚体有机碳含量。

2.4 土壤团聚体有机碳含量与团聚体稳定性指标的关系

由表2可知，不同粒级团聚体有机碳之间的相关性均表现为极显著正相关关系，表明不同粒级团聚体有机碳含量关系密切，其中一个粒级团聚体有机碳含量变化，其他不同粒级有机碳含量会有相同的变化趋势，该研究结果与王英俊［14］等的结果一致。R0.25与＞2 mm粒级团聚体有机碳含量成极显著正相关，与2～1、1～0.5、0.5～0.25、0.25～0.106 mm粒级团聚体有机碳含量成显著正相关；MWD和GMD与各个粒级团聚体有机碳含量均成极显著正相关；D值与各个粒级团聚体有机碳含量成不显著负相关。说明土壤团聚体的稳定性和各个粒级团聚体的有机碳含量关系密切，尤其是＞2 mm粒级团聚体有机碳含量，团聚体有机碳含量越高，土壤团聚体稳定性越强。

表2 土壤团聚体有机碳与团聚体稳定性指标的相关性Table 2 Correlation between soil aggregate organic carbon and aggregate stability indicators

3 讨论

3.1 不同种植模式对土壤团聚体及其稳定性的影响

湿筛法反映的是水稳定性团聚体的特征，水稳性团聚体对保持土壤结构稳定性有重要作用［6］，它的含量及粒径分布能够直接影响土壤的抗侵蚀能力［24］。一般认为R0.25、MWD和GMD的值越高，团聚体稳定性越强，土壤结构越好［22,25］，D是反映土壤结构几何形状的参数，其值越低，土壤结构相对越松散，通透性越好也越稳定［23］。在本试验中，土层深度增加，R0.25、MWD和GMD值均降低，说明其团聚体稳定性随土层深度增加有降低的趋势，这与黄泽等［24］的研究结果一致，这可能是因为在20 cm以下土壤中，有机质的输入和微生物的活动都受到了限制。目前，多数关于间作系统对土壤团聚体影响的研究都认为间作可以提高农田土壤团聚体的稳定性［12,14,26］，但也有研究发现间作对根际土壤团聚体的影响不同，间作会增加微团聚体含量，促使MWD降低［3］，邓超等［27］研究发现在20°坡地，间作的R0.25和MWD比单作低。在本试验中，0～20 cm土层大豆单作和间作比裸地均能提高土壤团聚体的稳定性，间作的R0.25、MWD和GMD值比大豆单作低但无显著差异；在20～40 cm土层，间作的R0.25、MWD和GMD值比单作高，D值比单作低，但间作提高团聚体稳定性的优势并不明显。植物根系可以通过缠绕土壤，使其形成较大粒级的团聚体［12］，但是根系的穿透作用也会引起大团聚体的减少［28］。因此，可能是由于不同种植模式下植物根系的特征不同，导致其对提高和破坏较大粒级团聚体的作用强度不同，进而影响了各个团聚体稳定性指标的大小。

3.2 不同种植模式对土壤团聚体有机碳含量的影响

土壤有机质可以促进团聚的形成，团聚体也能反过来保护有机质免于降解［29］。很多研究表明有机碳在土壤团聚体中的分布差异较大［30］，在本试验中各处理的有机碳分布规律也并不统一。有研究表明间作可以增加土壤有机碳含量，对增强土壤的固碳效果有重要意义［7,31-32］，王英俊等［14］研究表明间作白三叶可显著提高果园0～20 cm土层水稳性团聚体有机碳含量。本试验也得到了相似的结果，相比大豆单作，间作提高了各个粒级团聚体有机碳的含量，显著影响了＞2 mm粒级的团聚体有机碳含量。一方面可能是因为间作可以增加新鲜的作物残体，它是微生物活动和生产微生物衍生的粘结剂的碳源［33］，另一方面间作提高玉米根系分泌的总糖含量，也能为微生物提供碳源［13］，因此间作为土壤微生物提供了更多的养分，提高了微生物活性，从而有利于团聚体有机碳的积累。本研究还发现在0～20 cm土层，玉米大豆间作和大豆单作模式各粒级团聚体有机碳含量随着粒级的减小而减小，这是因为扰动和微生物影响减弱。有机碳含量和团聚体的大小存在正线性相关，具有更高有机碳含量的较大团聚体可以有效地降低团聚体在水中的崩解强度［34］，这表示间作对稳定团聚体是有积极意义的。虽然大团聚体不能直接长期保护土壤有机碳，但是它们能够固定更多的有机碳并通过一系列的反应促进微团聚体的形成，为微团聚体对有机碳的长期保护提供保障［5］。本研究结果还表明，团聚体有机碳含量与R0.25、MWD和GMD成正相关关系，与D成负相关关系，其含量越高，团聚体稳定性越强，土壤结构越好。

4 结论

在0～20 cm土层，玉米大豆间作和大豆单作的R0.25、MWD和GMD均显著高于裸地，说明间作和大豆单作比裸地均能提高土壤团聚体的稳定性，但是两处理间无显著差异。在20～40 cm土层，相比单作，间作的R0.25增加10.05%，MWD增加22.45%，GMD增加16.13%，D降低0.40%，但间作提高团聚体稳定性的优势并不明显。

相比大豆单作，间作显著提高0～20 cm土层＞2 mm和2～1 mm粒级团聚体及20～40 cm土层＞mm粒级土壤团聚体的有机碳含量。团聚体有机碳含量与R0.25、MWD和GMD成正相关关系，与D成负相关关系，说明团聚体有机碳含量越高，团聚体稳定性越强，土壤结构越好。