張 欽, 于恩江, 林海波, 張愛華, 陳正剛, 朱 青, 曹衛(wèi)東, 姚單君

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測試驗站, 貴陽 550006; 2.貴州省土壤肥料工作總站,貴陽 550003; 3.貴州大學, 貴陽 550025; 4.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081)

土壤團聚體是一種介于單粒和塊狀之間的土壤結(jié)構(gòu)[1]，在生物與非生物的單獨或共同作用下，通過團聚和破碎交替過程而形成的[2]，它影響著土壤中的物質(zhì)交換與能量平衡[3]，其數(shù)量和分布反映了土壤結(jié)構(gòu)的機械穩(wěn)定性和抗蝕性[4]，有研究認為土壤團聚體穩(wěn)定性是影響侵蝕過程中土壤分離、搬運、水分入滲和結(jié)皮產(chǎn)生的重要因素[5-7]，土壤團聚度及團聚體的穩(wěn)定性是決定和影響可蝕性最重要的土壤物理性質(zhì)[8-9]，許多學者把土壤團聚體的水穩(wěn)定性作為評價土壤可蝕性的重要指標，通過提高土壤水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和質(zhì)量來提高土壤的抗侵蝕能力[10-11]。而土壤團聚體主要受到施肥方式、種植制度和輪作方式等的影響[12]。研究表明添加玉米秸稈在顯著增加黑土團聚體粒徑>2 mm大團聚體含量的同時，還使其粒徑<0.25 mm團聚體含量降低[13]。翻壓綠肥后增加了土壤中>7 mm的大團聚體含量，降低了<1 mm的小團聚體的含量[14]。施有機肥可以直接促進0.5～1 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體的形成[15]。綠肥是我國農(nóng)作物種植制度中重要的輪作倒茬作物，種植翻壓綠肥可以提升土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)，而對土壤團聚體的研究較少，因此，本次試驗以幾種不同的綠肥作物為研究對象，通過連續(xù)種植，分析土壤團聚體組成、直徑以及穩(wěn)定性、可蝕性K值特征，探討種植不同綠肥對土壤團聚體的影響，為促進良好土壤團聚體結(jié)構(gòu)，土壤資源的可持續(xù)利用提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2011年起在貴州省農(nóng)業(yè)科學院(106°07′E，26°11′N)內(nèi)連續(xù)種植5年，該區(qū)域海拔高度1 100 m，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫為15.3℃，年極端最高溫度為35.1℃，年極端最低溫度為-7.3℃，年平均相對濕度為77%，年平均總降水量為1 129.5 mm，年平均日照時數(shù)為1 148.3 h。試驗區(qū)土壤類型為黃壤，成土母質(zhì)為第四紀紅色黏土殘積物，土壤有機質(zhì)45.05 g/kg，全氮1.88 g/kg，全磷0.79 g/kg，全鉀14.21 g/kg，堿解氮169.9 mg/kg，有效磷18.3 mg/kg，速效鉀112.2 mg/kg，pH值5.58。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置5個處理：CK(清耕)、箭筈豌豆(ViciasativaL.)、肥田蘿卜(RaphanussativusL.)、藍花苕子(ViciacraccaL.)、毛葉苕子(ViciavillosaRoth)，種子均從國家種質(zhì)資源庫引進，小區(qū)面積9 m2，隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)。肥田蘿卜為十字花科綠肥，其余品種為豆科綠肥，其中箭筈豌豆是野豌豆屬，苕子是巢菜屬。清耕為不栽種任何作物，田間管理方式與其他處理相同，綠肥以單作方式，采用點播法播種，每穴間距為20～25 cm，深度為1～3 cm，每穴為5粒種子，生長過程不施用任何肥料，每年9月間播種，次年6月收割地上部分，試驗連續(xù)重復(fù)進行。

1.3 測定方法

于2016年6月待收割地上部分后在田間取樣，采集0—20 cm耕層的土壤樣品，每個小區(qū)分別取3個點的土壤作為該取樣小區(qū)的樣品。土壤基本理化性質(zhì)[16]：土壤pH值采用水土比2.5∶1(pH計法)，全氮采用凱氏定氮法，全磷含量采用酸溶鉬銻抗比色法，全鉀采用HF—HClO4消解火焰光度法，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，堿解氮用堿解擴散法—標準酸滴定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻忼比色法測定，速效鉀采用1.0 mol/L的NH4OAc浸提—火焰光度法測定。

團聚體[17]：在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團聚體。將采集的土樣帶回實驗室內(nèi)風干，沿土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰分成1 cm左右的團塊，采用干篩法測定機械穩(wěn)定性團聚體組成，濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團聚體組成，套篩由孔徑分別為5，2，1，0.5，0.25 mm共5個篩子組成。

1.4 數(shù)據(jù)處理

(1)

式中：PAD為團聚體破壞率[18]；WSA為>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的重量；A為>0.25 mm團聚體(干篩)的重量.

(2)

式中：MWD為平均重量直徑[19]；mi為各級團聚體的重量百分含量；ri為第i個篩的孔徑大小(mm)，并且，r0=r1，rn=rn+1；n為篩子的數(shù)量。

(3)

式中：GMD為幾何平均直徑[20]；lnri為土壤粒級的平均直徑的自然對數(shù)。土壤可蝕性因子K值[20]的計算公式如下:

(4)

采用Excel 2007和SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進行方差分析和多重比較(α=0.05)，用Pearson法進行相關(guān)分析。利用Excel 2007軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠肥作物對土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成的影響

由圖1與表1可以看出，各處理均以>0.25 mm大團聚體為主，說明土壤團聚性較好，呈現(xiàn)粒徑減小質(zhì)量減小的趨勢，以>5 mm，2～5 mm粒徑團聚體含量最高；>5 mm與1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm粒徑的團聚體含量呈現(xiàn)極顯著的負相關(guān)，2～5 mm與0.5～1 mm粒徑的團聚體含量呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)，1～2 mm與0.5～1 mm粒徑的團聚體含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，0.5～1 mm與0.25～0.5 mm粒徑之間的團聚體含量均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。在不同綠肥作物中比較，>5 mm粒徑中，肥田蘿卜最高，是藍花苕子的1.53倍；2～5 mm粒徑中，肥田蘿卜最高，是箭筈豌豆的1.24倍；1～2 mm粒徑、0.5～1 mm粒徑、0.25～0.5 mm粒徑中，毛葉苕子最高，這3個粒徑中分別是肥田蘿卜的1.45,1.94,1.91倍?？梢?，肥田蘿卜主要提高>2 mm粒徑的團聚體，毛葉苕子、藍花苕子主要提高0.25～2 mm粒徑的團聚體。

注：不同小寫字母表示在p≤0.05水平差異顯著，下圖同。

圖1 不同處理的土壤機械穩(wěn)定性團聚體含量

注：*表示p<0.05;**表示p<0.01，下表同。

2.2 不同綠肥作物對土壤水穩(wěn)性團聚體組成的影響

由圖2和表2可以看出，各處理均以>0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體為主，以>5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量最高，呈現(xiàn)粒徑減小質(zhì)量減小的趨勢；各粒徑間的團聚體相關(guān)性較高，>5 mm與<5 mm粒徑的團聚體含量呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)，而<5 mm的粒徑間含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。在不同綠肥作物中比較，>5 mm粒徑中，肥田蘿卜最高，是藍花苕子的2.2倍；2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm粒徑中，藍花苕子最高，這4個粒徑中分別是肥田蘿卜的1.4,1.9,1.7,2.0倍。可見，肥田蘿卜主要提高了>5 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體，而藍花苕子主要提高了0.25～5 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體。

表2 各粒徑土壤水穩(wěn)性團聚體含量相關(guān)性系數(shù)

圖2 不同處理的土壤水穩(wěn)性團聚體含量

圖3 不同處理的土壤水穩(wěn)性大團聚體含量

2.3 不同綠肥作物對土壤水穩(wěn)性大團聚體含量的影響

由圖3可以看出，清耕處理的水穩(wěn)性大團聚體含量為85.06%，而連續(xù)種植綠肥的水穩(wěn)性團聚體含量為86.12%～87.79%，毛葉苕子的土壤水穩(wěn)性大團聚體含量最高，肥田蘿卜次之，種植綠肥作物促進土壤水穩(wěn)性大團聚體的形成?？傮w上看，連續(xù)種植綠肥有利于形成土壤水穩(wěn)性大團聚體，由圖4和表3可以看出，>5 mm土壤水穩(wěn)性團聚體含量與土壤水穩(wěn)性大團聚體含量極顯著正相關(guān)，擬合方程為y=4.2563x-332.77，R2=0.4562，說明>5 mm粒級的土壤水穩(wěn)性團聚體的增加對土壤水穩(wěn)性大團聚體積累的影響較為突出。

圖4 土壤水穩(wěn)性團聚體含量與水穩(wěn)性大團聚體含量的關(guān)系

項目水穩(wěn)性大團聚體>5 mm5～2 mm2～1 mm1～0.5 mm0.5～0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體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 不同綠肥作物對土壤團聚體破壞率的影響

由圖5可以看出，CK的土壤團聚體破壞率為12.98%，種植綠肥的土壤團聚體破壞率為8.02%～9.91%，連續(xù)種植綠肥作物能夠顯著降低土壤團聚體破壞率，較CK顯著降低了29%～38.17%，毛葉苕子<肥田蘿卜<藍花苕子<箭筈豌豆，毛葉苕子的團聚體破壞率最低，比空白顯著降低了38.17%。

2.5 不同綠肥作物對土壤平均重量直徑的影響

由圖6可以看出，CK的土壤平均重量直徑為2.72 mm，種植綠肥的土壤平均重量直徑為2.31～3.23 mm肥田蘿卜>毛葉苕子>CK>箭筈豌豆>藍花苕子，肥田蘿卜的土壤平均重量直徑最大，比CK高18.75%，比藍花苕子顯著高40.16%，連續(xù)種植肥田蘿卜、毛葉苕子有利于耕層土壤平均重量直徑的提升。

圖5 不同處理的土壤團聚體破壞率

圖6 不同處理的土壤平均重量直徑

2.6 不同綠肥作物對土壤幾何平均直徑的影響

由圖7可以看出，CK的土壤幾何平均直徑為1.08 mm，連續(xù)種植綠肥的土壤幾何平均直徑為0.87～1.23 mm，肥田蘿卜>毛葉苕子>CK>箭筈豌豆>藍花苕子，肥田蘿卜的土壤幾何平均重量直徑最大，比CK高14.16%，比藍花苕子顯著高42.02%，連續(xù)種植肥田蘿卜、毛葉苕子有利于耕層土壤幾何平均重量直徑的提升。

圖7 不同處理的土壤幾何平均重量直徑

2.7 土壤可蝕性因子K值特征

由圖8可以看出，CK的K值為0.033，連續(xù)種植綠肥的K值為0.030～0.041，連續(xù)種植綠肥對土壤可侵蝕因子(K)產(chǎn)生了一定的影響，但規(guī)律性不明顯，不同綠肥作物之間的差異較大，肥田蘿卜<毛葉苕子<箭筈豌豆<藍花苕子，但未達到顯著，肥田蘿卜的K值最小，比藍花苕子低25.97%。

2.8 土壤團聚體組成、直徑與土壤穩(wěn)定性、可侵蝕性之間的關(guān)系

由圖9和表4可以看出，四者之間有著緊密的聯(lián)系，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，土壤平均重量直徑與水穩(wěn)性大團聚體含量之間極顯著正相關(guān)，擬合方程為y=0.167x-11.701，R2=0.5443，土壤幾何平均重量直徑與水穩(wěn)性大團聚體含量之間顯著正相關(guān)，擬合方程為y=0.0511x-3.3618，R2=0.3605，土壤團聚體破壞率與水穩(wěn)性大團聚體含量之間極顯著負相關(guān)，擬合方程為y=-0.9155x+89.077，R2=0.7815，土壤團聚體破壞率與土壤平均重量直徑顯著負相關(guān)，擬合方程為y=0.0248x2-0.5915x+6.0388，R2=0.4076，團聚體破壞率與幾何平均直徑呈負相關(guān)但未顯著，水穩(wěn)性大團聚體含量與K值之間呈現(xiàn)負相關(guān)但差異未顯著?？梢姡寥浪€(wěn)性大團聚體含量越高，土壤平均重量直徑、幾何平均直徑越大，團聚體破壞率越低，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好，且團聚體破壞率與土壤平均重量直徑的相關(guān)性更強，另外，K值與水穩(wěn)性大團聚體含量呈負相關(guān)，與團聚體破壞率呈正相關(guān)未達到顯著，與土壤團聚體直徑(MWD，GMD)呈極顯著的負相關(guān)，K值與土壤直徑相關(guān)性更強。

圖8 不同處理的可侵蝕性K值

項目水穩(wěn)性大團聚體PADMWDGMDK水穩(wěn)性大團聚體1PAD-0.884??1MWD0.738??-0.515?1GMD0.599?-0.3730.980??1K-0.4650.269-0.912??-0.963??1

注：PAD為土壤團聚體破壞率；MWD為土壤平均重量直徑；GMD為土壤幾何平均直徑；K為土壤可蝕性因子K值。

3 討 論

土壤團聚體主要受到施肥方式、種植制度和輪作方式等的影響[12]。土壤機械穩(wěn)定性團聚含量的高低及組成情況是評價團聚體質(zhì)量的重要指標[21]，而土壤水穩(wěn)性團聚體數(shù)量反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、持水性、通透性和抗侵蝕的能力，是評價團聚體抵抗外力破壞能力的重要指標[22]。有研究表明，秸稈覆蓋使>0.25 mm的土壤機械穩(wěn)定性團聚體含量增加13.0%～26.4%，>0.25 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體含量增加8.6%～45.7%[23]。本次研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植綠肥能夠提高不同粒徑土壤機械穩(wěn)定性、水穩(wěn)性團聚體含量，肥田蘿卜主要提高>2 mm粒徑的機械穩(wěn)定性團聚體含量，毛葉苕子、藍花苕子主要提高0.25～2 mm粒徑的機械穩(wěn)定性團聚體含量。同時，肥田蘿卜主要提高了>5 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量，藍花苕子主要提高了0.25～5 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量。

圖9 土壤團聚體與土壤穩(wěn)定性之間的關(guān)系

按照顆粒大小，將>0.25 mm粒徑的團聚體分為大團聚體[24]，它是由許多土粒多層次凝聚和多次膠結(jié)形成的，調(diào)節(jié)著土壤的水、肥、氣、熱[25]，其含量豐富是土壤良好結(jié)構(gòu)特征的表現(xiàn)，衡量土壤結(jié)構(gòu)性好壞和抗侵蝕性的一個最重要的指標就是大團聚體的含量。有研究表明，化肥與有機肥配施有利于大團聚體的形成，對0.25～5 mm水穩(wěn)性大團聚體的促進作用最明顯[26]。本次研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植綠肥有利于形成土壤水穩(wěn)性大團聚體，>5 mm粒級的土壤水穩(wěn)性團聚體的增加對土壤水穩(wěn)性大團聚體積累的影響較為突出。不同綠肥作物間比較，毛葉苕子的土壤水穩(wěn)性大團聚體含量最高，肥田蘿卜次之。

另外，土壤平均重量直徑、幾何平均直徑反映了土壤團聚體大小分布狀況，其值越大表征團聚體的平均團聚度越高，其穩(wěn)定性也越好，是表征團聚體穩(wěn)定性的一個重要指標[27-28]。有研究表明，紫花苜蓿和冰草均能顯著提高土壤水穩(wěn)性團聚體平均質(zhì)量直徑，高羊茅的作用不明顯，總體表現(xiàn)為紫花苜蓿>冰草>高羊茅[29]。本次研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植綠肥對土壤平均重量直徑、幾何平均直徑的影響差異較大，連續(xù)種植肥田蘿卜、毛葉苕子有利于土壤平均重量直徑和幾何平均直徑的提升，肥田蘿卜>毛葉苕子>CK>箭筈豌豆>藍花苕子，肥田蘿卜的土壤平均重量直徑、幾何平均直徑分別比藍花苕子顯著高40.16%，42.02%。

除此之外，團聚體破壞率表示土壤團聚體在水蝕作用下的分散程度，其值越小，土壤團聚體的穩(wěn)定性越高，是表征團聚體穩(wěn)定性的一個重要指標[27]。本次研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植綠肥作物能夠顯著降低土壤團聚體破壞率，較CK顯著降低了29%～38.17%，毛葉苕子<肥田蘿卜<藍花苕子<箭筈豌豆，毛葉苕子的團聚體破壞率比空白顯著降低了38.17%。而土壤團聚體穩(wěn)定性與土壤侵蝕密切相關(guān)，是侵蝕的有效指示因子，可間接量化土壤可蝕性[30-31]。土壤可蝕性(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，反映土壤對侵蝕外營力剝離和搬運的敏感性[34]，是評價土壤對侵蝕敏感程度和進行土壤侵蝕預(yù)報的重要參數(shù)[35]。本次研究表明，連續(xù)種植綠肥對K值產(chǎn)生了一定的影響，但規(guī)律性不明顯，不同綠肥作物之間的差異較大，但未達到顯著，肥田蘿卜<毛葉苕子<箭筈豌豆<藍花苕子，肥田蘿卜的K值比藍花苕子低25.97%。雖然K值與不同綠肥作物間的規(guī)律不明顯，但是其與土壤團聚體的關(guān)系很密切，有研究認為，濕篩團聚體指標MWD，WSA0.25值與侵蝕量和徑流強度之間均呈顯著負相關(guān)，可用該指標衡量土壤可蝕性[30,36]，并且MWD能更好反映土壤團聚體穩(wěn)定性與侵蝕產(chǎn)沙和產(chǎn)流間的關(guān)系[37]。本次研究發(fā)現(xiàn)，土壤水穩(wěn)性大團聚體含量越高，土壤平均重量直徑、幾何平均直徑越大，團聚體破壞率越低，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好，且團聚體破壞率與土壤平均重量直徑的相關(guān)性更強，另外，K值與水穩(wěn)性大團聚體含量呈負相關(guān)、與團聚體破壞率呈正相關(guān)未達到顯著、與土壤團聚體直徑(MWD，GMD)呈極顯著的負相關(guān)，可見K值與土壤直徑相關(guān)性更強。

4 結(jié) 論

(1) 在土壤團聚體的組成上，連續(xù)種植綠肥能夠提高不同粒徑土壤機械穩(wěn)定性、水穩(wěn)性團聚體含量，肥田蘿卜主要提高>2 mm粒徑的機械穩(wěn)定性團聚體含量、>5 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量，毛葉苕子、藍花苕子主要提高0.25～2 mm粒徑的機械穩(wěn)定性團聚體含量，藍花苕子主要提高了0.25～5 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量。同時，連續(xù)種植綠肥有利于形成土壤水穩(wěn)性大團聚體(>0.25 mm)，>5 mm粒級的土壤水穩(wěn)性團聚體的增加對土壤水穩(wěn)性大團聚體積累的影響較為突出。不同綠肥作物間比較，毛葉苕子的土壤水穩(wěn)性大團聚體含量最高，肥田蘿卜次之。

(2) 在土壤團聚體的直徑上，連續(xù)種植綠肥對土壤平均重量直徑、幾何平均直徑的影響差異較大，連續(xù)種植肥田蘿卜、毛葉苕子有利于土壤平均重量直徑和幾何平均直徑的提升，不同綠肥作物間比較，肥田蘿卜>毛葉苕子>箭筈豌豆>藍花苕子。

(3) 在土壤團聚體的穩(wěn)定性上，連續(xù)種植綠肥作物能夠顯著降低土壤團聚體破壞率，較CK顯著降低了29%～38.17%，不同綠肥作物間比較，毛葉苕子<肥田蘿卜<藍花苕子<箭筈豌豆。

(4) 在土壤可侵蝕性上，連續(xù)種植綠肥對土壤可侵蝕因子K值產(chǎn)生了一定的影響，但規(guī)律性不明顯，不同綠肥作物之間的差異較大，但末達到顯著，肥田蘿卜<毛葉苕子<箭筈豌豆<藍花苕子，肥田蘿卜的K值比藍花苕子低25.97%。

(5) 在土壤團聚體與土壤穩(wěn)定性、可蝕性的相關(guān)性上，土壤水穩(wěn)性大團聚體含量越高，土壤平均重量直徑、幾何平均直徑越大，團聚體破壞率越低，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好，且團聚體破壞率與土壤平均重量直徑的相關(guān)性更強，另外，可蝕性K值與水穩(wěn)性大團聚體含量呈負相關(guān)、與團聚體破壞率呈正相關(guān)未達到顯著、與土壤團聚體直徑(MWD，GMD)呈極顯著的負相關(guān)，可見可蝕性K值與土壤直徑相關(guān)性更強。