羅珠珠,李玲玲,牛伊寧,蔡立群,張仁陟,謝軍紅

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730070)

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土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳組分對(duì)苜蓿種植年限的響應(yīng)

羅珠珠1,2,李玲玲2,牛伊寧2,蔡立群1,2,張仁陟2,謝軍紅2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730070)

通過(guò)設(shè)置在隴中黃土高原半干旱區(qū)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，應(yīng)用干篩法與濕篩法比較不同種植年限苜蓿地和農(nóng)田土壤團(tuán)聚體粒徑分布、平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)以及團(tuán)聚體破壞率(percentage of aggregate destruction，PAD)的差異，分析探討了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳組分之間的關(guān)系。結(jié)果表明，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒徑分布呈中間低兩邊高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm的團(tuán)聚體為優(yōu)勢(shì)粒徑；土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體以<0.25 mm的團(tuán)聚體為主，平均含量達(dá)90%以上。濕篩MWD僅在0～10 cm表層土中表現(xiàn)為不同種植年限苜蓿顯著高于農(nóng)田；PAD在0～30 cm土層表現(xiàn)為農(nóng)田顯著高于不同種植年限苜蓿，且隨苜蓿種植年限的延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)。0～50 cm剖面不同深度土壤有機(jī)碳組分在處理間存在差異，其中總有機(jī)碳(total organic carbon，TOC)、重組有機(jī)碳(heavy fraction organic carbon，HFOC)和易氧化有機(jī)碳(readily oxidized organic carbon，ROOC)在0～10 cm土層均表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，說(shuō)明苜蓿對(duì)土壤表層有機(jī)碳組分的提高只有達(dá)到一定種植年限之后才產(chǎn)生效應(yīng)。相關(guān)性分析表明，與土壤TOC相比，土壤輕組有機(jī)碳(light fraction organic carbon，LFOC)和ROOC與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)分布及穩(wěn)定性指標(biāo)之間的相關(guān)性更為顯著，說(shuō)明土壤活性有機(jī)碳組分對(duì)隴中黃土高原地區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)率比土壤總有機(jī)碳更大。

黃土高原；紫花苜蓿；土壤有機(jī)碳組分；團(tuán)聚體穩(wěn)定性

土壤團(tuán)聚體是由礦物顆粒和有機(jī)物在土壤成分的參與下形成的不同尺度大小的多孔結(jié)構(gòu)單元[1]，作為土壤養(yǎng)分的貯存庫(kù)和各種土壤微生物的生境，其數(shù)量和大小分布影響著土壤質(zhì)量，良好的土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的團(tuán)聚體對(duì)于提高孔隙度、改良土壤肥力和降低可蝕性具有重要作用。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性受土地利用類(lèi)型、耕作方式和施肥水平的影響顯著。Pinheiro等[2]研究表明在傳統(tǒng)農(nóng)耕方式下農(nóng)地比草地土壤團(tuán)聚體含量明顯降低；Caravaca等[3]研究認(rèn)為農(nóng)地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性明顯小于林地；陳山等[4]研究發(fā)現(xiàn)，與水田和林地相比，旱地和果園利用方式則大幅降低了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。土壤有機(jī)碳一直以來(lái)被作為土壤質(zhì)量或健康評(píng)價(jià)一個(gè)不可或缺的指標(biāo)。人類(lèi)耕種活動(dòng)會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳的變化產(chǎn)生深刻影響，其中林地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田土壤有機(jī)碳損失25%～40%[5]，草地開(kāi)墾為農(nóng)田土壤碳素?fù)p失30%～50%[6]。大量研究表明[7-8]，土壤總有機(jī)碳很難及時(shí)且準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)管理措施改變導(dǎo)致土壤質(zhì)量的短期變化，而土壤中活性有機(jī)碳組分：易氧化活性有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳等對(duì)農(nóng)業(yè)管理措施的響應(yīng)較總有機(jī)碳更為迅速，也更能作為反映因農(nóng)業(yè)管理措施的改變而引起土壤質(zhì)量早期變化的敏感性指標(biāo)。同時(shí)，土壤有機(jī)碳作為土壤質(zhì)量的指示標(biāo)志，對(duì)形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)起到重要作用，并能影響團(tuán)聚體質(zhì)量以及不同直徑團(tuán)聚體分布狀況，而團(tuán)聚體的形成反過(guò)來(lái)影響土壤有機(jī)碳的分解，其中微團(tuán)聚體對(duì)土壤碳具有物理保護(hù)作用，被認(rèn)為是碳吸存的主要場(chǎng)所[9]。

黃土高原是我國(guó)乃至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境脆弱。該地區(qū)耕地的平均侵蝕率為每年60 t/hm2，主要成因之一是傳統(tǒng)的土地翻耕和移走作物殘茬等耕作措施雖然有利于雜草控制和播種作業(yè)，但容易形成地表徑流，造成水土流失，且移走全部地上生物產(chǎn)量的傳統(tǒng)收獲方式，減少了有機(jī)物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充，導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化[10]。紫花苜蓿(Medicagosativa)根系具有很強(qiáng)的根瘤固氮作用，其根瘤菌和大量的須根給土壤留下的腐殖質(zhì)可增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。因此，苜蓿作為退耕還林還草的主要草種，其在黃土高原地區(qū)的種植面積逐年擴(kuò)大，對(duì)該區(qū)的生態(tài)修復(fù)、土壤結(jié)構(gòu)改善、土壤肥力提高起到極為重要的作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于苜蓿種植地土壤方面的研究主要集中在土壤水分方面[11-14]，而缺乏土壤結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)研究。因此，本研究針對(duì)隴中黃土高原半干旱區(qū)不同種植年限的苜蓿種植地，應(yīng)用干篩法與濕篩法比較不同種植年限苜蓿種植地和農(nóng)田土壤團(tuán)聚體粒徑分布，并通過(guò)綜合應(yīng)用>0.25 mm的團(tuán)聚體含量(R0.25)、MWD、PAD等指標(biāo)來(lái)描述土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征，進(jìn)一步分析探討土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳組分的關(guān)系，以期為隴中黃土高原半干旱區(qū)苜蓿草地可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村。試區(qū)屬中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2000 m，年均太陽(yáng)輻射592.9 kJ/cm2，日照時(shí)數(shù)2476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃年積溫2933.5 ℃，≥10 ℃年積溫2239.1 ℃；無(wú)霜期140 d，年均降水量390.9 mm，年均蒸發(fā)量1531 mm，干燥度2.53，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)疏松，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2014年選取種植年限分別為3、10、12年紫花苜蓿種植地和農(nóng)田為研究對(duì)象，其中3 a生苜蓿于2012年4月播種；10 a生苜蓿于2005年4月播種；12 a生苜蓿于2003年7月播種；農(nóng)田為當(dāng)?shù)刂髟宰魑锺R鈴薯地。種植面積均在100 m2以上，地塊鄰近，地勢(shì)平坦，各處理3次重復(fù)。

1.3取樣方法

2014年10月苜蓿第二次刈割后分別采集0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3個(gè)層次土樣(一部分用于土壤團(tuán)聚體分析，一部分用于土壤有機(jī)碳組分測(cè)定)，每小區(qū)3次重復(fù)，采集后裝于硬質(zhì)塑料保鮮盒帶回實(shí)驗(yàn)室，在采集和運(yùn)輸過(guò)程中盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng)。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干后，沿土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰分成1 cm左右的團(tuán)塊，用于測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)。

1.4測(cè)定方法

土壤團(tuán)聚體采用干篩法和濕篩法[15]測(cè)定，干篩法和濕篩法均通過(guò)孔徑為5.00、2.00、1.00、0.50和0.25 mm五個(gè)篩級(jí)，并計(jì)算R0.25、MWD和PAD。

(1)

PAD=(Wd-Ww)/Wd

(2)

式中:PAD為團(tuán)聚體破壞率，Wd為干篩>0.25 mm團(tuán)聚體所占比例，Ww為濕篩>0.25 mm團(tuán)聚體所占比例。

土壤總有機(jī)碳(TOC)的測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法[16]；易氧化有機(jī)碳(ROOC)的測(cè)定采用333 mmol/L的高錳酸鉀氧化法[17]，輕組有機(jī)碳(LFOC)的測(cè)定通過(guò)浮選法進(jìn)行分離[18]，重組有機(jī)碳(HFOC)則用差減法計(jì)算獲得。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同種植年限苜蓿地土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

干篩法較少破壞土壤中某些瞬變性、臨時(shí)性有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，其測(cè)定的是自然狀態(tài)下土壤機(jī)械穩(wěn)定團(tuán)聚體含量，包括水穩(wěn)性和非水穩(wěn)性團(tuán)聚體。由表1可以看出，干篩法測(cè)定得到的土壤團(tuán)聚體粒徑分布呈中間低兩邊高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm兩個(gè)粒徑團(tuán)聚體為優(yōu)勢(shì)粒徑，二者之和在46%以上；5～2 mm、2～1 mm和1～0.5 mm居中；0.5～0.25 mm這一粒徑的團(tuán)聚體含量最少，僅為10%左右。在表層0～10 cm土層，除10 a苜蓿地以>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體為主，且10和12 a苜蓿地5～2 mm團(tuán)聚體含量略低于1～0.5 mm團(tuán)聚體以外，其余各粒級(jí)百分含量分布均表現(xiàn)為：小于0.25 mm>大于5 mm>5～2 mm>1～0.5 mm>2～1 mm>0.5～0.25 mm。在10～30 cm和30～50 cm土層，除12 a生苜蓿地處理2～1 mm團(tuán)聚體含量略低于1～0.5 mm團(tuán)聚體，其余各粒級(jí)百分含量分布均表現(xiàn)為：大于5 mm>小于0.25 mm>5～2 mm>2～1 mm>1～0.5 mm>0.5～0.25 mm?？傮w而言，干篩法獲得的>0.25 mm團(tuán)聚體含量(R0.25)較高，含量為69.90%～84.67%，其在0～10 cm和10～30 cm土層表現(xiàn)為10 a>3 a>農(nóng)田>12 a，在30～50 cm土層表現(xiàn)為3 a>10 a>農(nóng)田>12 a，且處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。干篩MWD呈現(xiàn)出和R0.25基本一致的趨勢(shì)，即表層0～10 cm和10～30 cm土層表現(xiàn)為10 a生苜蓿地最高，30～50 cm土層表現(xiàn)為3 a生苜蓿地最高，且與其他處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.2不同種植年限苜蓿地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

作為土壤中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，濕篩法獲得的團(tuán)聚體其數(shù)量和分布狀況決定著土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及抗侵蝕的能力，特別是>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量可以判別土壤結(jié)構(gòu)的好壞，是判定土壤質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一。由表2可知，隨著土層深度的增加，各粒級(jí)水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體含量及其MWD均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且不同處理在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3個(gè)層次的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均隨著粒徑的增大呈遞減趨勢(shì)，即表現(xiàn)為小于0.25 mm>0.5～0.25 mm>1～0.5 mm>2～1 mm>5～2 mm>大于5 mm，很明顯以<0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體為主，平均含量達(dá)90%以上，而>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量極少，僅在3和10 a生苜蓿兩處理表層0～10 cm土壤中有少量存在。與干篩法相比，濕篩法獲得R0.25含量較低，含量?jī)H為1.19%～8.71%，其在0～10 cm土層表現(xiàn)為12 a>10 a>3 a>農(nóng)田，在10～30 cm土層表現(xiàn)為10 a>3 a>12 a>農(nóng)田，且處理間差異顯著(P<0.05)；在30～50 cm土層處理間無(wú)顯著差異。與干篩法MWD有所不同的是，濕篩法MWD僅在表層0～10 cm表現(xiàn)為處理間差異顯著(P<0.05)，即不同種植年限苜蓿三處理均顯著高于農(nóng)田，在10～30 cm和30～50 cm土層處理間無(wú)顯著差異。研究發(fā)現(xiàn)，PAD在0～10 cm和10～30 cm土層均表現(xiàn)為農(nóng)田最大，顯著高于苜蓿三處理(P<0.05)，而30～50 cm土層各處理間無(wú)顯著差異。與MWD剛好相反，PAD則表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。與農(nóng)田相比，不同種植年限苜蓿地PAD相對(duì)較小，且表現(xiàn)為隨種植年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

表1　不同種植年限苜蓿土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒徑分布

R0.25:>0.25 mm團(tuán)聚體數(shù)量 Aggregates of diameter>0.25 mm； MWD:平均重量直徑 Mean weight diameter； PAD:團(tuán)聚體破壞率Percentage of aggregate destruction. 同列不同小寫(xiě)字母表示不同處理在5%水平上差異顯著。Different lowercase letters in the same column represent significant difference atP<0.05 between different treatments. 下同。The same below.

表2　不同種植年限苜蓿土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布

2.3不同種植年限苜蓿地土壤有機(jī)碳組分

由表3可知，除HFOC個(gè)別處理之外，不同處理土壤有機(jī)碳組分均呈現(xiàn)隨土層深度的遞增而下降的趨勢(shì)。其中TOC在0～10 cm土層表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，且12和10 a與3 a生苜蓿和農(nóng)田之間差異顯著(P<0.05)，12 a分別比3 a和農(nóng)田提高了45.37%和35.79%，10 a分別比3 a和農(nóng)田提高了33.36%和24.57%。10～30 cm和30～50 cm土層均表現(xiàn)為12 a>10 a>3 a>農(nóng)田，且處理間存在顯著差異(P<0.05)，其中10～30 cm土層12、10和3 a分別比農(nóng)田提高了65.85%、30.91%、21.06%，30～50 cm土層12、10和3 a分別比農(nóng)田提高了37.91%、33.45%、12.29%。 土壤HFOC呈現(xiàn)出與TOC基本一致的趨勢(shì)，即在表層0～10 cm表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，而在10～30 cm和30～50 cm土層表現(xiàn)為12 a>10 a>3 a>農(nóng)田，且處理間差異顯著(P<0.05)。土壤LFOC在0～10 cm土層以12 a生苜蓿最高，且與其他三處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)；10～30 cm和30～50 cm土層均表現(xiàn)為苜蓿處理高于農(nóng)田，但僅在30～50 cm土層處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。土壤ROOC在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3個(gè)土層均表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，且在0～10 cm和10～30 cm處理間存在顯著差異(P<0.05)，30～50 cm土層處理間無(wú)顯著差異。

表3　不同種植年限苜蓿土壤有機(jī)碳組分

TOC:總有機(jī)碳 Total organic carbon； HFOC:重組有機(jī)碳 Heavy fraction organic carbon； LFOC:土壤輕組有機(jī)碳 Light fraction organic carbon； ROOC:易氧化有機(jī)碳 Readily oxidized organic carbon.下同 The same below.

表4　土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體與有機(jī)碳組分相關(guān)分析

*：表示在0.05水平下相關(guān)顯著；**：表示在0.01水平下相關(guān)顯著。

*: Correlation is significant at the 0.05 level; **: Correlation is significant at the 0.01 level.

2.4土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與有機(jī)碳組分關(guān)系

將土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)和土壤有機(jī)碳組分進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表4所示。很明顯各粒級(jí)水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體和土壤有機(jī)碳及組分的相關(guān)系數(shù)均隨著粒級(jí)的降低呈增大趨勢(shì)，其中>5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和土壤有機(jī)碳組分均無(wú)相關(guān)性；5～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和LFOC相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)，與TOC、HFOC和ROOC相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)；2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體均與TOC、HFOC、LFOC、ROOC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；<0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與TOC、HFOC、LFOC、ROOC則呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。就土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)而言，R0.25與TOC、HFOC、LFOC、ROOC均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；MWD與TOC、HFOC、LFOC相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)，與ROOC相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)；與R0.25和MWD相反，PAD與TOC、HFOC、LFOC、ROOC則表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

3　討論

3.1土壤團(tuán)聚體對(duì)苜蓿種植年限的響應(yīng)

土壤團(tuán)聚體與土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)，其含量與粒徑分布不僅影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，而且對(duì)土壤抗蝕性和土壤可持續(xù)利用等產(chǎn)生重要影響。其中干篩法反映的是原狀土壤中非水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的總體狀況；而濕篩法反映的是水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征，能更準(zhǔn)確地反應(yīng)不同土地利用方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響。本研究干篩法測(cè)定得到的苜蓿種植地和農(nóng)田土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒徑分布呈中間低兩邊高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體為優(yōu)勢(shì)粒徑，這與以往的研究大致相同，高飛等[19]對(duì)寧南山區(qū)土壤進(jìn)行干篩結(jié)果表明，土壤中的團(tuán)聚體主要以>5 mm土壤團(tuán)聚體為主。濕篩法測(cè)定得到的苜蓿種植地和農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以<0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體為主，而水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量均不足10%，說(shuō)明黃綿土耕層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性總體較低，很容易在水的作用下泡散，而且被水分散后較大的結(jié)構(gòu)體往往崩解為微團(tuán)聚體或更小的土壤顆粒。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤物理性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，MWD值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)，尤其濕篩MWD更是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)好壞的重要指標(biāo)，其值愈高則土壤結(jié)構(gòu)性愈好。PAD作為評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的又一個(gè)重要指標(biāo)，一般表現(xiàn)為PAD值愈大則團(tuán)聚體愈容易遭到破壞，團(tuán)聚體穩(wěn)定性也就越低。本研究結(jié)果表明土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性隨土層深度的增加而提高，其水穩(wěn)性則隨土層深度的增加而降低，這與宋麗萍等[20]的研究基本一致。因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體的水穩(wěn)性依賴于有機(jī)物質(zhì)的膠結(jié)作用，植物根系和真菌菌絲的機(jī)械絆纏作用對(duì)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定極為重要[21-22]，隨著土壤由表層過(guò)渡到亞表層及以下土層，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，導(dǎo)致其團(tuán)聚體的水穩(wěn)性亦隨之降低。PAD在0～30 cm土層表現(xiàn)為農(nóng)田最大，顯著高于不同種植年限苜蓿種植地，這進(jìn)一步表明種植苜蓿可以增強(qiáng)耕層土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性，因?yàn)榕c農(nóng)田相比，未經(jīng)翻耕的苜蓿土壤表層凋落物較多，微生物活性比較高，并且避免了機(jī)械以及人為對(duì)土壤的擾動(dòng)，維持了團(tuán)聚體數(shù)量和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；而農(nóng)田土壤耕作頻率和強(qiáng)度較高，導(dǎo)致較大粒徑團(tuán)聚體破壞和有機(jī)碳的分解礦化，使其土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外許多研究結(jié)果也得出類(lèi)似的結(jié)論，Eynard等[23]就耕地和草地土壤比較，結(jié)果表明草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性比耕作土壤高17%；Barber[24]研究發(fā)現(xiàn)苜?？稍黾油寥浪€(wěn)性團(tuán)粒指數(shù)，4年試驗(yàn)期間土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒指數(shù)隨其種植年限延長(zhǎng)而增加；陳正發(fā)等[25]在紫色土旱坡地的研究表明，與耕作用地相比，長(zhǎng)期種植紫花苜蓿的耕地表現(xiàn)了較好的團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

3.2土壤有機(jī)碳組分對(duì)苜蓿種植年限的響應(yīng)

土地利用方式的改變將會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，其中主要表現(xiàn)在土壤有機(jī)碳及其組分衰減和增加[8]。已有的研究表明[26-28]，將草原和林地開(kāi)墾為農(nóng)田后，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳迅速衰減，而將農(nóng)田恢復(fù)為林地和草地后，有利于土壤有機(jī)碳含量的恢復(fù)和增加。本研究發(fā)現(xiàn)，TOC、HFOC和ROOC在0～10 cm土層均表現(xiàn)為12 a>10 a>農(nóng)田>3 a，這表明紫花苜蓿對(duì)表層土壤有機(jī)碳組分的提高只有到達(dá)一定的種植年限之后才明顯，因?yàn)樽匣ㄜ俎ＩL(zhǎng)初期需要消耗大量土壤養(yǎng)分，而這段時(shí)期其生理機(jī)能很弱，基本不能固氮。隨著植株進(jìn)一步生長(zhǎng)發(fā)育，其根部共生大量根瘤菌并具備了一定的固氮能力，此時(shí)雖然植株還在繼續(xù)吸收土壤中的養(yǎng)分，但同時(shí)能將空氣中的氮素固定，且根系也會(huì)產(chǎn)生一些有機(jī)分泌物，再加之部分地下生物死亡腐爛，可以增加土壤中有機(jī)碳含量。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)0～50 cm土壤剖面各處理HFOC存在顯著差異，而LFOC和ROOC僅在表層0～10 cm差異顯著，這是由于苜蓿地下生物量在0～10 cm 表層聚集以及凋落物在土壤表層積累，使得土壤有機(jī)碳的生物化學(xué)循環(huán)主要發(fā)生在表層土壤，亞表層及以下土層LFOC經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)化，形成了與粘粒結(jié)合較緊密的HFOC，但其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3.3土壤有機(jī)碳組分與水穩(wěn)性團(tuán)聚體關(guān)系

土壤團(tuán)聚體的形成依賴于有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用，表層土壤中近90%的土壤有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)[29]。穩(wěn)定的團(tuán)聚體能夠?qū)x存于其中的有機(jī)碳形成有效保護(hù)，通常大團(tuán)聚體(>0.25 mm)能夠儲(chǔ)存更多的有機(jī)碳，但是容易被破壞，形成微團(tuán)聚體(<0.25 mm)，微團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳具有較強(qiáng)的物理保護(hù)作用，通常被認(rèn)為是碳吸存的主要場(chǎng)所。研究表明[30]，不同土地利用方式下有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)分布具有重要影響，其中>5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量較多時(shí)，大粒徑團(tuán)聚體破碎、分解為小粒徑團(tuán)聚體比例就低，對(duì)有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)作用就強(qiáng)，濕篩MWD值也相對(duì)要高；而當(dāng)1～0.5 mm，0.5～0.25 mm及<0.25 mm較小粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量較多時(shí)，大粒徑團(tuán)聚體破碎、分解比例較高，對(duì)有機(jī)質(zhì)物理保護(hù)作用下降，濕篩MWD值也就較低。本研究中，除了>5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體以外，其余0.25～5 mm各粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)MWD、PAD均與土壤有機(jī)碳組分呈顯著或極顯著正相關(guān)，而<0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤有機(jī)碳組分呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明土壤中有機(jī)碳含量與土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性密切相關(guān)，有機(jī)質(zhì)物理保護(hù)機(jī)理對(duì)隴中黃土高原地區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有重要影響，在團(tuán)聚體形成及破碎過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。同時(shí)本研究也發(fā)現(xiàn)，與土壤TOC相比，ROOC、LFOC與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)分布以及穩(wěn)定性指標(biāo)之間的相關(guān)性更為顯著，說(shuō)明土壤活性有機(jī)碳組分對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)率比土壤總有機(jī)碳更大。

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Response of soil aggregate stability and soil organic carbon fractions to different growth years of alfalfa

LUO Zhu-Zhu1,2, LI Ling-Ling2, NIU Yi-Ning2, CAI Li-Qun1,2, ZHANG Ren-Zhi2, XIE Jun-Hong2

1.College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2.Gansu Key Laboratory of Aridland Crop Science, Lanzhou 730070, China

This study used dry and wet sieving methods to investigate the distribution and stability of soil aggregates, their mean weight diameter (MWD) and the percentage of aggregate destruction (PAD) in land that had been planted with alfalfa (Medicagosativa) for a range of different growth years (3, 10, and 12 years), and compares these results with those for cropland from a long-term experiment. The relationships between soil aggregates and both stability and soil organic carbon fractions were also studied. The results showed that soil aggregates had a “V”-shaped distribution under the different treatments. With dry sieving, the aggregates primarily involved small (<0.25 mm) and large (>5 mm) particle sizes, while with wet sieving they were dominated by <0.25 mm particles. The MWD of the alfalfa soils was significantly higher than that of the cropland soils at 0-10 cm depth. The PAD of alfalfa soils was significantly lower than that of cropland and it decreased with the increasing number of alfalfa growth years. Soil organic carbon fractions diverged greatly in the different treatments. The order of TOC (total organic carbon), HFOC (heavy fraction organic carbon) and ROOC (readily oxidized organic carbon) in 0-10 cm topsoil was 12 yrs>10 yrs>cropland>3 yrs, indicating that improvement in the organic carbon of alfalfa field topsoils is associated with the number of growth years. Correlation analysis returned the highest coefficients between water-stable aggregates and LFOC (light fraction organic carbon) and ROOC, suggesting that LFOC and ROOC rather than TOC play a vital role in maintaining soil aggregate stability on the Loess Plateau.

Loess Plateau; alfalfa; soil organic carbon fractions; soil aggregate stability

10.11686/cyxb2015585

2015-12-31；改回日期：2016-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41461067,31171513)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B03)，甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目(145RJZA208)和甘肅省財(cái)政廳高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(037-041014)資助。

羅珠珠(1979-)，女，甘肅天水人，副教授，博士。E-mail：luozz@gsau.edu.cn

http://cyxb.lzu.edu.cn

羅珠珠, 李玲玲, 牛伊寧, 蔡立群, 張仁陟, 謝軍紅. 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳組分對(duì)苜蓿種植年限的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(10): 40-47.

LUO Zhu-Zhu, LI Ling-Ling, NIU Yi-Ning, CAI Li-Qun, ZHANG Ren-Zhi, XIE Jun-Hong. Response of soil aggregate stability and soil organic carbon fractions to different growth years of alfalfa. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(10): 40-47.