王夢(mèng)雪，李永梅，酒鵑鵑，趙吉霞，王自林，范茂攀

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201）

【研究意義】土壤結(jié)構(gòu)是影響土壤功能的關(guān)鍵因素［1］，而團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，可以作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量高低和土壤環(huán)境是否健康的具體指標(biāo)［2］，其含量和穩(wěn)定性對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、土壤抗蝕性和農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用等方面有著重要影響［3］。土壤團(tuán)聚體是固碳機(jī)制的核心［4］，它作為有機(jī)碳存在的場(chǎng)所保護(hù)有機(jī)碳免于降解，有機(jī)碳反過(guò)來(lái)又能起到促進(jìn)團(tuán)聚體形成的作用［5］。不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量從微觀層次上揭示了土壤有機(jī)質(zhì)的平衡和礦化速率［6］。因此，研究土壤團(tuán)聚體的組成和穩(wěn)定性以及有機(jī)碳含量對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和促進(jìn)有機(jī)碳固持等方面具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】影響土壤團(tuán)聚體固碳的因素主要包括耕作條件、施肥制度和種植方式等［5］。不同的種植模式通過(guò)植物種類(lèi)、殘?bào)w數(shù)量和植被覆蓋等方面的不同引起團(tuán)聚體及其有機(jī)碳含量的改變［7］。許多試驗(yàn)表明，合理的間作系統(tǒng)能最大限度地發(fā)揮立體種植的優(yōu)勢(shì)，在促進(jìn)養(yǎng)分吸收［8］和提高作物產(chǎn)量［9-11］方面有著良好表現(xiàn)，同時(shí)間作可以通過(guò)改變根系特征［12］、增加根系分泌物［13］和改變微生物群落組成［2］來(lái)影響土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定。有研究認(rèn)為土壤有機(jī)碳對(duì)團(tuán)聚體的數(shù)量和大小分布具有重要影響［14］，與團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系［15］。有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的分布狀況會(huì)隨試驗(yàn)條件的改變而改變，如李戀卿等［16］在研究退化紅壤在植被恢復(fù)下的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳在＜0.002 mm和＞2 mm粒徑團(tuán)聚體中含量較高，呂欣欣等［17］認(rèn)為棕壤有機(jī)碳主要富集在0.25～2 mm和＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，而張祎等［18］的研究中不同粒徑的有機(jī)碳含量變化不大。

【本研究切入點(diǎn)】近年來(lái)學(xué)者們對(duì)有機(jī)碳的研究不再局限于土壤總有機(jī)碳，更多地開(kāi)始分析團(tuán)聚體中有機(jī)碳的變化，但此類(lèi)研究多集中在不同土地利用類(lèi)型和不同施肥措施條件下，關(guān)于不同種植模式下土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的變化分析還很有限?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以玉米大豆為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)大豆單作、玉米大豆間作和裸地條件下土壤團(tuán)聚體和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，探討二者之間的相關(guān)性及對(duì)單作和間作的響應(yīng)，為進(jìn)一步探討間作系統(tǒng)團(tuán)聚體和有機(jī)碳的互動(dòng)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年5—10月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)地點(diǎn)中心地理坐標(biāo)為25°08＇18＇＇N、102°45＇58＇＇E，海拔1 950 m，屬低緯度亞熱帶高原季風(fēng)氣候，干冷同期，雨熱同季。供試土壤為紅壤，其基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量33.2 g/kg，pH值6.1，堿解氮含量123.8 mg/kg，速效磷含量15.0 mg/kg，速效鉀含量121.3 mg/kg。

供試作物為云南省農(nóng)科院糧食作物研究所培育的云瑞6號(hào)玉米、滇豆7號(hào)大豆。玉米生育期為120 d左右，大豆生育期為132 d左右。玉米、大豆于2019年5月19日播種，9月30日收獲。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置在坡度為20°的坡面上，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)7 m、寬4 m，面積28 m2。設(shè)置大豆單作、玉米大豆間作和裸地3個(gè)處理，3次重復(fù)。

種植規(guī)格：采用沿等高線(xiàn)常規(guī)種植。大豆單作采用等行種植，行距60 cm，株距25 cm，種植密度133 600株/hm2；玉米大豆間作采用2∶2模式種植，玉米與玉米之間行距為40 cm，大豆與大豆行距為40 cm，玉米與大豆行距為50 cm，株距均為30 cm，間作時(shí)玉米種植密度為37 296株/hm2，大豆種植密度為73 926株/hm2。玉米每穴播種2粒，大豆每穴播種4粒，定植后玉米每穴留1株，大豆每穴留2株。

施用肥料為尿素、農(nóng)用硫酸鉀和過(guò)磷酸鈣。玉米為常規(guī)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，分別占總施入氮肥量的35%、30%、35%，磷肥和鉀肥都作為基肥施入耕地。大豆施肥N 120 kg/hm2、P2O5240 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，均一次性作為基肥施用。各處理田間管理措施一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在作物成熟期，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，挖掘土壤剖面 40 cm，分兩層（0～20、20～40 cm）采集原狀土壤樣品，用四分法取出足夠的樣品，剔除石頭和植物等雜物，帶回室內(nèi)風(fēng)干備用。采用濕篩法測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量［19］：待樣品風(fēng)干后，收集50 g混合土樣，將其放置于孔徑分別為2、1、0.5、0.25、0.106 mm套篩組成的團(tuán)聚體分析儀（型號(hào)：Daiki DIK-2012）中，用上下振幅3 cm，頻率30次/min，分析5 min后將各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體洗入鋁盒中，60℃烘干稱(chēng)重，得到各個(gè)粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。將烘干后的各級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體磨碎，采用Multi N/C 2100 總有機(jī)碳分析儀（配置HT1300固體燃燒模塊）測(cè)定各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。計(jì)算粒級(jí)＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（R0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數(shù)（D）［20-21］：

式中，Mr＞0.25為粒徑＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量（g），MT為水穩(wěn)性團(tuán)聚體總質(zhì)量（g），為各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均直徑（mm），為各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（%），為某級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均直徑（mm），Rmax為水穩(wěn)性團(tuán)聚體最大粒徑（mm），M（r＜）為粒徑小于Ri的水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量（g）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016和SPSS25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素（one-way ANOVA）進(jìn)行方差分析，用Pearson法進(jìn)行相關(guān)分析。利用GraphPad Prism 8軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

由0～20、20～40 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布結(jié)果（圖1）可以看出，土壤團(tuán)聚體各個(gè)粒級(jí)組成比例在不同種植模式和土層表現(xiàn)出一定差異，但均以＜0.106 mm土壤團(tuán)聚體含量最高，占比均超過(guò)25%。在0～20 cm土層中，大豆單作＞2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于裸地和玉米大豆間作，分別增加93.52%和57.83%；與裸地相比，間作顯著增加1～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量；裸地0.25～0.106 mm和＜0.106 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量均顯著高于間作和大豆單作。在20～40 cm土層，裸地水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著粒級(jí)的減小而呈增大趨勢(shì)，間作和大豆單作則呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)，3個(gè)處理中＞2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比最低；各處理間差異不顯著。

2.2 不同種植模式土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

MWD和GMD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)，其值越大團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)［22］，D是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)，其值越低，土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)越松散，通透性越好［23］。由表1可知，土層深度增加，3個(gè)處理的R0.25、MWD和GMD值均降低，說(shuō)明上層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性高于下層土壤。在0～20 cm土層，玉米大豆間作和大豆單作的R0.25、MWD值和GMD值均顯著高于裸地，其大小關(guān)系表現(xiàn)為大豆單作＞玉米大豆間作＞裸地，間作的D值比裸地顯著降低2.33%，綜合4個(gè)指標(biāo)來(lái)看，在該土層大豆單作和玉米大豆間作比裸地均能有效提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，但是單作和間作之間無(wú)顯著差異。在20～40 cm土層，不同穩(wěn)定性指標(biāo)各處理間無(wú)顯著差異，間作的R0.25、MWD和GMD值最大，D值最低；相比單作，間作的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 不同種植模式土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

圖1 不同土層不同種植模式土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of soil water-stable aggregates in different soil layers under different planting patterns

表1 不同種植模式土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Table 1 Indicators of soil aggregate stability under different planting patterns

圖2 不同土層不同種植模式下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量Fig. 2 Organic carbon contents of soil aggregates in different soil layers under planting patterns

由圖2可知，不同種植模式各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量各異，在0～20 cm土層，玉米大豆間作和大豆單作團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著粒級(jí)的減小呈現(xiàn)遞減的變化規(guī)律；裸地隨粒級(jí)的減小呈先增加后降低的趨勢(shì)，其中2～1 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高；各處理不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均呈玉米大豆間作＞大豆單作＞裸地，說(shuō)明間作有利于提高土壤有機(jī)碳含量，從而促進(jìn)土壤保肥能力；相比裸地，間作在＞2 mm、2～1 mm和1～0.5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別顯著增加43.97%、17.85%和23.51%，大豆單作在＞2 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量比裸地顯著增加25.02%，但顯著低于間作13.16%；在0.5～0.25 mm和0.25～0.106 mm粒級(jí)的裸地、間作和單作間差異不顯著。在20～40 cm土層，各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量比0～20 cm土層有降低的趨勢(shì)，在＞2 mm粒級(jí)裸地比大豆單作顯著增加19.07%，間作比大豆單作顯著增加31%；間作各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，但與裸地和大豆單作在 2～1 mm 、1～0.5 mm 、0.5～0.25 mm 和0.25～0.106 mm粒級(jí)處均無(wú)顯著差異?？傮w而言，間作能提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，相比大豆單作能顯著提高0～20 cm土層＞2 mm和2～1 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，20～40 cm土層＞2 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。

2.4 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的關(guān)系

由表2可知，不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳之間的相關(guān)性均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量關(guān)系密切，其中一個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化，其他不同粒級(jí)有機(jī)碳含量會(huì)有相同的變化趨勢(shì)，該研究結(jié)果與王英?。?4］等的結(jié)果一致。R0.25與＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量成極顯著正相關(guān)，與2～1、1～0.5、0.5～0.25、0.25～0.106 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量成顯著正相關(guān)；MWD和GMD與各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均成極顯著正相關(guān)；D值與各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量成不顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量關(guān)系密切，尤其是＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量越高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)。

表2 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的相關(guān)性Table 2 Correlation between soil aggregate organic carbon and aggregate stability indicators

3 討論

3.1 不同種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性的影響

濕篩法反映的是水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的特征，水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)保持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重要作用［6］，它的含量及粒徑分布能夠直接影響土壤的抗侵蝕能力［24］。一般認(rèn)為R0.25、MWD和GMD的值越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)越好［22,25］，D是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)，其值越低，土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)越松散，通透性越好也越穩(wěn)定［23］。在本試驗(yàn)中，土層深度增加，R0.25、MWD和GMD值均降低，說(shuō)明其團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨土層深度增加有降低的趨勢(shì)，這與黃澤等［24］的研究結(jié)果一致，這可能是因?yàn)樵?0 cm以下土壤中，有機(jī)質(zhì)的輸入和微生物的活動(dòng)都受到了限制。目前，多數(shù)關(guān)于間作系統(tǒng)對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的研究都認(rèn)為間作可以提高農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性［12,14,26］，但也有研究發(fā)現(xiàn)間作對(duì)根際土壤團(tuán)聚體的影響不同，間作會(huì)增加微團(tuán)聚體含量，促使MWD降低［3］，鄧超等［27］研究發(fā)現(xiàn)在20°坡地，間作的R0.25和MWD比單作低。在本試驗(yàn)中，0～20 cm土層大豆單作和間作比裸地均能提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，間作的R0.25、MWD和GMD值比大豆單作低但無(wú)顯著差異；在20～40 cm土層，間作的R0.25、MWD和GMD值比單作高，D值比單作低，但間作提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)并不明顯。植物根系可以通過(guò)纏繞土壤，使其形成較大粒級(jí)的團(tuán)聚體［12］，但是根系的穿透作用也會(huì)引起大團(tuán)聚體的減少［28］。因此，可能是由于不同種植模式下植物根系的特征不同，導(dǎo)致其對(duì)提高和破壞較大粒級(jí)團(tuán)聚體的作用強(qiáng)度不同，進(jìn)而影響了各個(gè)團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的大小。

3.2 不同種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)團(tuán)聚的形成，團(tuán)聚體也能反過(guò)來(lái)保護(hù)有機(jī)質(zhì)免于降解［29］。很多研究表明有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體中的分布差異較大［30］，在本試驗(yàn)中各處理的有機(jī)碳分布規(guī)律也并不統(tǒng)一。有研究表明間作可以增加土壤有機(jī)碳含量，對(duì)增強(qiáng)土壤的固碳效果有重要意義［7,31-32］，王英俊等［14］研究表明間作白三葉可顯著提高果園0～20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。本試驗(yàn)也得到了相似的結(jié)果，相比大豆單作，間作提高了各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量，顯著影響了＞2 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。一方面可能是因?yàn)殚g作可以增加新鮮的作物殘?bào)w，它是微生物活動(dòng)和生產(chǎn)微生物衍生的粘結(jié)劑的碳源［33］，另一方面間作提高玉米根系分泌的總糖含量，也能為微生物提供碳源［13］，因此間作為土壤微生物提供了更多的養(yǎng)分，提高了微生物活性，從而有利于團(tuán)聚體有機(jī)碳的積累。本研究還發(fā)現(xiàn)在0～20 cm土層，玉米大豆間作和大豆單作模式各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著粒級(jí)的減小而減小，這是因?yàn)閿_動(dòng)和微生物影響減弱。有機(jī)碳含量和團(tuán)聚體的大小存在正線(xiàn)性相關(guān)，具有更高有機(jī)碳含量的較大團(tuán)聚體可以有效地降低團(tuán)聚體在水中的崩解強(qiáng)度［34］，這表示間作對(duì)穩(wěn)定團(tuán)聚體是有積極意義的。雖然大團(tuán)聚體不能直接長(zhǎng)期保護(hù)土壤有機(jī)碳，但是它們能夠固定更多的有機(jī)碳并通過(guò)一系列的反應(yīng)促進(jìn)微團(tuán)聚體的形成，為微團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的長(zhǎng)期保護(hù)提供保障［5］。本研究結(jié)果還表明，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與R0.25、MWD和GMD成正相關(guān)關(guān)系，與D成負(fù)相關(guān)關(guān)系，其含量越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)越好。

4 結(jié)論

在0～20 cm土層，玉米大豆間作和大豆單作的R0.25、MWD和GMD均顯著高于裸地，說(shuō)明間作和大豆單作比裸地均能提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但是兩處理間無(wú)顯著差異。在20～40 cm土層，相比單作，間作的R0.25增加10.05%，MWD增加22.45%，GMD增加16.13%，D降低0.40%，但間作提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

相比大豆單作，間作顯著提高0～20 cm土層＞2 mm和2～1 mm粒級(jí)團(tuán)聚體及20～40 cm土層＞mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量。團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與R0.25、MWD和GMD成正相關(guān)關(guān)系，與D成負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明團(tuán)聚體有機(jī)碳含量越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)越好。