夏梓泰，趙吉霞，李永梅，王自林，范茂攀

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

土壤侵蝕已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)用地和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)一個(gè)很嚴(yán)重的全球性問題，土壤侵蝕對土壤質(zhì)量有負(fù)面影響，進(jìn)而降低作物生產(chǎn)力。在我國云南省，由于降雨和特殊的地質(zhì)地貌，坡耕地常年受到水力侵蝕的危害，特別是近些年農(nóng)民對耕地的使用強(qiáng)度和頻率越來越高，導(dǎo)致耕地產(chǎn)生土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)大幅增加，同時(shí)對土壤質(zhì)量、糧食安全以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了很大的威脅，因此，針對云南高原地區(qū)坡耕地開展土壤抗蝕機(jī)制的研究將有助于改善這一狀況。

土壤團(tuán)聚體是影響土壤侵蝕的重要物理因素，土壤團(tuán)聚體受物理、化學(xué)和生物因素的復(fù)雜動(dòng)態(tài)影響。土壤有機(jī)碳（SOC）不僅參與土壤中很多生化過程，還在團(tuán)聚體形成過程中充當(dāng)膠結(jié)劑，團(tuán)聚體不僅可以為SOC提供物理保護(hù)的作用，較高的團(tuán)聚體穩(wěn)定性還能增強(qiáng)土壤中水的流動(dòng)并提高儲(chǔ)存水的能力，降低土壤的可蝕性。球囊霉素相關(guān)土壤蛋白（GRSP）可以作為評價(jià)土壤侵蝕程度的指標(biāo)之一，其是由叢枝菌根真菌通過菌絲釋放到土壤中的一種疏水性糖蛋白，根據(jù)提取方法的不同可分為易提取球囊霉素（EEGRSP）和總球囊霉素（T-GRSP）。大量研究發(fā)現(xiàn)，GRSP存在于林地、耕地、牧場、果園、休耕地等不同土地利用方式中，而且GRSP是土壤結(jié)構(gòu)維持和形成的主要成分，可以改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，并對SOC有重要貢獻(xiàn)，占SOC的5%~13%。因此可以看出，GRSP、SOC和團(tuán)聚體之間關(guān)系密切。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中SOC會(huì)隨著耕作和種植作物大量流失，但不同的耕作頻率和種植模式會(huì)影響SOC流失的多少和速率。GRSP的含量也會(huì)受到施肥、耕作方式、種植模式、作物殘留管理等不同農(nóng)藝措施的影響。目前國內(nèi)外關(guān)于不同輪作休耕模式對GRSP分布特征的研究鮮見報(bào)道，因此，本研究以滇中坡耕地紅壤作為研究對象，開展不同輪作模式和休耕等處理的田間試驗(yàn)，探討GRSP、SOC和團(tuán)聚體穩(wěn)定性對不同種植模式的響應(yīng)，并應(yīng)用結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建并分析三者之間的路徑關(guān)系，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤碳的動(dòng)態(tài)過程及耕地土壤侵蝕提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于云南省昆明市盤龍區(qū)松華壩水源區(qū)大擺社區(qū)（25°02′28.8″N，102°58′39.7″E），坡度為10°，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔2 234 m，年降水量900~1 000 mm，年平均氣溫16℃。該試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)為：pH 6.29，有機(jī)質(zhì)30.15 g·kg，全氮1.14 g·kg，堿解氮115.3 mg·kg，速效磷6.41 mg·kg，速效鉀92.36 mg·kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物：玉米品種為云瑞“88”；苕子和豌豆分別為當(dāng)?shù)仄毡榉N植的毛葉紫花苕和白花矮莖豌豆。當(dāng)?shù)氐湫洼喿髂Ｊ街饕獮檐孀?豌豆與玉米/烤煙/馬鈴薯輪作模式，本試驗(yàn)采用的夏季作物為玉米。

試驗(yàn)小區(qū)面積為4 m×5 m，坡度為10°。如表1所示，試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，區(qū)組內(nèi)小區(qū)隨機(jī)排列。玉米采用寬窄行種植，寬行80 cm，窄行40 cm，株距25 cm。播種模式為穴播，種植時(shí)每穴兩粒，待出苗后保留其中一株，單個(gè)小區(qū)植株寬行共計(jì)4行，窄行共計(jì)9行，每行16株，每個(gè)小區(qū)保持一致。苕子和豌豆采用撒播種植方式，將種子均勻撒于種完玉米的小區(qū)中，然后結(jié)合中耕和除草微翻動(dòng)表土，播種深度（覆土厚度）為2~3 cm。玉米施肥采取單株精準(zhǔn)施肥模式，施N 315 kg·hm，PO120 kg·hm，KO 120 kg·hm，其中氮肥分兩次施用（50%基肥，50%追肥），追肥在喇叭口期進(jìn)行，磷肥和鉀肥全部作基肥施用；苕子和豌豆作為綠肥作物，不作施肥處理。玉米在播種、施肥、灌水后采用塑料透明薄膜覆蓋。在作物各生長期內(nèi)，根據(jù)作物長勢情況，適時(shí)進(jìn)行灌水。為避免擾動(dòng)土壤，原則上不做除草工作。在冬季綠肥作物苕子和豌豆成熟后對其進(jìn)行翻壓還田處理；夏季玉米成熟后一部分用于測產(chǎn)，另一部分則將玉米收獲后的秸稈還田。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及處理Table 1 Experimental design and treatment

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品的采集

在玉米成熟期采用“S”型取樣方法進(jìn)行土壤樣品采集，每個(gè)小區(qū)采集耕作層土樣，在采樣和運(yùn)輸過程中避免擠壓和擾動(dòng)，保持土壤的原狀結(jié)構(gòu)，以免破壞團(tuán)聚體。將土樣按其自然結(jié)構(gòu)掰成直徑約5 cm的土塊，剔除石塊和植物根系等雜物，實(shí)驗(yàn)室條件下風(fēng)干，用于土壤各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.3.2 指標(biāo)測定

團(tuán)聚體測定及指標(biāo)計(jì)算：采用Elliott團(tuán)聚體濕篩法測定>2、0.5~2、0.25~0.5 mm和<0.25 mm 4個(gè)粒級的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。

平均質(zhì)量直徑（MWD）：

GRSP的提取與測定：按照WRIGHT等提出的方法提取并測定土壤中EE-GRSP和T-GRSP的含量。

總有機(jī)碳及可溶性有機(jī)碳測定。總有機(jī)碳（SOC）的測定：首先進(jìn)行土壤酸化，再采用multi N/C 3100 TOC分析儀進(jìn)行測定。可溶性有機(jī)碳（DOC）的測定：稱取過2 mm篩的新鮮土樣20 g于100 mL離心管中，加入40 mL蒸餾水（水土比為2∶1），在25℃條件下，以250 r·min的速度振蕩0.5 h，然后于8 000 r·min離心10 min，上部懸浮液過0.45μm濾膜，濾液測定前需在-18℃冷凍保存，濾液中有機(jī)碳含量采用multi N/C 3100 TOC分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel和R語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)圖表繪制。數(shù)據(jù)測定結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，利用單因素方差分析（One-way ANOVA）評價(jià)不同處理間各個(gè)指標(biāo)的差異顯著性。采用Amos軟件作結(jié)構(gòu)方程模型分析，以模擬GRSP對SOC含量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，以及SOC對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性特征

不同種植模式下水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性指標(biāo)如表2所示，4種種植模式均以0.5~2 mm粒級含量最高，其次為>2 mm粒級，這兩個(gè)粒級占總團(tuán)聚體的56.50%~74.06%。F-F和F-C的>2 mm粒級的團(tuán)聚體含量顯著高于V-C（<0.05），F(xiàn)-F的0.5~2 mm粒級團(tuán)聚體含量顯著高于F-C（<0.05），0.25~0.5 mm粒級團(tuán)聚體各處理間無顯著差異，對于<0.25 mm的微團(tuán)聚體和黏粉粒，V-C中的含量顯著高于其他處理（<0.05），F(xiàn)-C和P-C顯著高于F-F（<0.05）。從≥0.25 mm粒級團(tuán)聚體來看，F(xiàn)-F、F-C和P-C分別比V-C顯著提高20.03%、10.52%和9.68%（<0.05），對于MWD值，F(xiàn)-F和F-C分別比V-C顯著高30.43%和17.39%（<0.05），P-C比V-C高15.22%，但兩者差異不顯著。因此，F(xiàn)-F處理的團(tuán)聚體穩(wěn)定性最高，V-C最低，F(xiàn)-C和P-C之間差異不顯著，說明與V-C相比，全年休閑能較大程度地提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，而F-C也能提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，但效果不及F-F。

表2 不同種植模式下團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性指標(biāo)Table 2 Aggregate composition and stability indicators under different planting patterns

2.2 不同種植模式下各粒級團(tuán)聚體中GRSP、SOC和DOC的分布特征

不同種植模式下土壤各團(tuán)聚體粒級中EEGRSP、T-GRSP、SOC和DOC的含量如表3所示。不同處理土壤中EE-GRSP的含量為0.15~0.32 mg·g，其中，與F-C相比，F(xiàn)-F處理在>2、0.5~2、0.25~0.5 mm和<0.25 mm 4個(gè)粒級下分別顯著提高71.35%、78.61%、79.87%和90.54%（<0.05）；V-C處理在4個(gè)粒級下分別顯著提高45.95%、58.96%、53.89%和70.95%（<0.05）；P-C處理在4個(gè)粒級下分別提高34.59%、45.09%、38.96%和39.19%，且在0.5~2 mm粒級下差異顯著（<0.05）。不同處理土壤中T-GRSP的含量為1.22~1.88 mg·g，其中，與F-C相比，F(xiàn)-F處理在>2、0.5~2、0.25~0.5 mm和<0.25 mm 4個(gè)粒級下分別提高16.99%、36.23%、25.55%和50.00%，且在0.5~2、0.25~0.5 mm和<0.25 mm 3個(gè)粒級下差異顯著（<0.05）；V-C處理在4個(gè)粒級下分別提高15.69%、21.01%、17.52%和33.61%，且在<0.25 mm粒級下差異顯著（<0.05）；P-C處理在4個(gè)粒級下分別提高11.11%、21.74%、20.44%和33.61%，且在0.25~0.5 mm和<0.25 mm兩個(gè)粒級下差異顯著（<0.05）。不同團(tuán)聚體粒級之間GRSP的含量則無明顯規(guī)律。從EEGRSP和T-GRSP綜合來看，F(xiàn)-F處理GRSP含量最高，F(xiàn)-C處理最低。

表3 不同種植模式下各粒級團(tuán)聚體中GRSP和SOC含量（mg·g-1）Table 3 Contents of GRSPand SOCin aggregates of each size under different planting patterns（mg·g-1）

不同處理土壤中SOC的含量為12.93~23.57 mg·g，并且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即同一粒級不同處理SOC含量由大到小依次為F-F、P-C、V-C、F-C。在>2、0.25~0.5 mm和<0.25 mm 3個(gè)粒級下，與F-C相比，F(xiàn)-F分別顯著提高66.76%、16.90%和64.50%（<0.05），P-C在>2 mm和0.25~0.5 mm兩個(gè)粒級下顯著高于F-C（<0.05），V-C只在>2 mm粒級下顯著高于F-C（<0.05）。同一處理不同粒級間SOC含量沒有明顯規(guī)律。不同處理土壤中DOC的含量為62.27~134.37 mg·kg，F(xiàn)-F處理只在部分粒級高于其他處理。在>2 mm粒級下，F(xiàn)-F顯著高于其他3種處理（<0.05），P-C顯著高于F-C（<0.05）；在其他3個(gè)粒級下各處理間則沒有顯著差異。從不同粒級團(tuán)聚體中DOC的含量來看，<0.25 mm粒級中DOC含量最少，說明本試驗(yàn)土壤中≥0.25 mm粒級團(tuán)聚體更利于DOC的保存。

2.3 GRSP、SOC和團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)方程模型分析

為明確GRSP對SOC和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，通過建立結(jié)構(gòu)方程模型（圖1）對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，/、值、RMSEA、CFI、TLI和GFI表明，該模型適配良好，能代表自變量和因變量的關(guān)系。該模型解釋了T-GRSP對SOC和DOC都有直接的正面影響，路徑系數(shù)分別為0.76和0.50；SOC對>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體（WSA）和MWD有直接正面影響，路徑系數(shù)分別為0.23和0.15；EE-GRSP對T-GRSP的路徑系數(shù)為0.90、DOC對WSA的路徑系數(shù)為0.83，WSA對MWD的路徑系數(shù)為0.96，這些自變量對因變量均有直接的正面影響。從土壤各因子對MWD的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)看（表4），各因子對MWD的總效應(yīng)由大到小依次為WSA>DOC>T-GRSP>SOC>EEGRSP。

表4 土壤各因子對MWD的直接和間接效應(yīng)Table 4 Direct and indirect effects of various soil factors on MWD

圖1 GRSP、SOC和團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)方程模型Figure 1 Structural equation model of GRSP，SOCand aggregate

2.4 GRSP與SOC的相關(guān)性

線性回歸表明（圖2和圖3），不同團(tuán)聚體粒級下EE-GRSP與SOC呈正相關(guān)關(guān)系，但不同粒級下的相關(guān)系數(shù)大小有所差異，>2、0.5~2 mm和<0.25 mm 3個(gè)粒級下的相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.69、0.62和0.73，達(dá)顯著水平，在0.25~0.5 mm中相關(guān)系數(shù)則較低。不同團(tuán)聚體粒級下T-GRSP與SOC均呈正相關(guān)關(guān)系，但不同粒級下的相關(guān)系數(shù)大小有所差異，在0.5~2 mm和<0.25 mm兩個(gè)粒級下的相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.84和0.76，達(dá)顯著水平，在>2 mm和0.25~0.5 mm兩個(gè)粒級下相關(guān)系數(shù)則較低。從GRSP和SOC數(shù)值的分布情況看，在0.5~2 mm粒級下GRSP和SOC的含量比在其他粒級下高。

圖2 不同團(tuán)聚體粒級下EE-GRSP與SOC的關(guān)系Figure 2 The relationship between EE-GRSPand SOCat different aggregate size

圖3 不同團(tuán)聚體粒級下T-GRSP與SOC的關(guān)系Figure 3 The relationship between T-GRSPand SOCat different aggregate size

3 討論

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單位，是土壤養(yǎng)分存在的主要場所，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土壤可以大幅提高土壤水的滲透性、土壤穩(wěn)定性并能提高防止自然侵蝕的能力。同時(shí)，土壤團(tuán)聚體合理的多孔結(jié)構(gòu)也為作物的生長提供了必要的空間和良好的通風(fēng)通道。土壤團(tuán)聚體也是SOC的重要載體和維持土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎(chǔ)，穩(wěn)定的團(tuán)聚體可以為其中存在的有機(jī)物提供有效的保護(hù)。休耕是提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性行之有效的方法，與種植作物相比，休耕能提高SOC和全氮的含量，同時(shí)，輪作也可以提高SOC含量、改善土壤物理性質(zhì)、提高作物生產(chǎn)力。本試驗(yàn)測定了不同種植模式下水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成特征，以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)MWD，與其他3種種植模式相比，全年休耕能顯著增加土壤中大團(tuán)聚體（>0.25 mm）含量，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。該結(jié)果與前人研究規(guī)律一致，其原因在于，種植玉米時(shí)的機(jī)械耕作會(huì)增加耕作層土壤的擾動(dòng)，破壞團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的恢復(fù)，因此，短期休耕能在一定程度上提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，并減少土壤養(yǎng)分的流失，從而恢復(fù)由于長期高強(qiáng)度耕作而損失的地力。

叢枝菌根真菌與其他土壤微生物可起到對土壤碳周轉(zhuǎn)的作用。不同土壤耕作方式對土壤條件的改變會(huì)對土壤特性產(chǎn)生復(fù)雜影響，從而改變土壤環(huán)境、影響土壤中微生物多樣性和活性，最終對土壤中GRSP含量產(chǎn)生影響。相較于種植大田作物，短期休耕能夠提高土壤中T-GRSP的含量，作物輪作和殘留物管理能顯著提高農(nóng)耕地土壤GRSP含量。本試驗(yàn)測定了不同種植模式下團(tuán)聚體粒級中的GRSP及SOC的含量，相比F-C，P-C和F-F能在一定程度上提高GRSP和SOC的含量，研究結(jié)果與前人一致。休耕是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用的重要措施，其不僅能改善土壤質(zhì)量，而且有助于土壤中SOC更好地儲(chǔ)存，一方面，因?yàn)樾莞麥p少土壤的翻動(dòng)，降低了SOC的礦化；另一方面，作物生長需要各種養(yǎng)分，除了從人工施肥中獲取，也會(huì)從土壤中吸收一部分養(yǎng)分，從而導(dǎo)致種植作物的土壤養(yǎng)分含量降低，而休耕地中的土壤養(yǎng)分則不會(huì)被作物所吸收，所以休耕相比輪作能提高土壤養(yǎng)分含量。綠肥-輪作模式中，綠肥成熟后將之翻壓到地里，其根系及有機(jī)體能夠增加土壤微生物多樣性，進(jìn)而改善土壤質(zhì)量，有利于土壤固碳和GRSP的累積。因此，合理的輪作休耕模式能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)，提升土地生產(chǎn)力，從而達(dá)到更好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

肖玖軍等基于結(jié)構(gòu)方程模型對SOC、GRSP和團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行建模分析，發(fā)現(xiàn)EE-GRSP、T-GRSP和SOC對團(tuán)聚體穩(wěn)定性均有積極的影響，EE-GRSP是主要驅(qū)動(dòng)因子，T-GRSP是團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要影響因子。本研究通過構(gòu)建EE-GRSP、TGRSP、DOC、SOC和MWD的結(jié)構(gòu)方程模型，解釋了T-GRSP對SOC和DOC都有直接的正面影響，而SOC對WSA和MWD有直接正面影響，盡管該模型能解釋一些自變量對因變量的作用，但某些路徑系數(shù)值并不理想，故未來還需建立更合適的模型繼續(xù)探索GRSP、SOC、DOC與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系。線性回歸進(jìn)一步表明，GRSP和SOC之間存在高度的正相關(guān)性，但不同粒級下的相關(guān)系數(shù)大小有所差異。該結(jié)果與FRANZLUEBBERS等、HE等的結(jié)果一致。其原因在于：GRSP是有機(jī)碳含量的一部分，所以能夠參與有機(jī)碳的封存，提高有機(jī)碳含量；另外，可能是因?yàn)镚RSP和SOC參與相似的生態(tài)過程而形成的高度相關(guān)，如兩者都在土壤團(tuán)聚體形成中起到重要的膠結(jié)作用。

綜上所述，團(tuán)聚體穩(wěn)定性是評價(jià)土壤抗蝕性的指標(biāo)之一，穩(wěn)定的團(tuán)聚體能夠保護(hù)碳庫，減少由于土壤侵蝕造成的SOC流失，SOC又進(jìn)一步參與形成團(tuán)聚體，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，兩者相輔相成。GRSP不僅有利于SOC在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的積累和循環(huán)，還能夠促進(jìn)團(tuán)聚體的形成。合理的輪作和休耕模式能夠提高坡耕地GRSP和SOC含量，通過其膠結(jié)作用促進(jìn)土壤團(tuán)聚作用，從而提高坡耕地抗侵蝕能力。土壤團(tuán)聚體進(jìn)一步提高養(yǎng)分儲(chǔ)存能力和微生物多樣性，最終能夠提高土壤肥力并改善土壤健康狀況，這對于土壤侵蝕、氣候變化和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)都具有積極意義。

4 結(jié)論

（1）相比其他處理，全年休閑能顯著增加大團(tuán)聚體（>0.25 mm）含量，且全年休閑的MWD值顯著高于苕子-玉米輪作，說明休閑能提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

（2）與休閑-玉米相比，豌豆-玉米輪作、苕子-玉米輪作和全年休閑均能有效增加EE-GRSP和TGRSP的儲(chǔ)量，且全年休閑效果更佳。不同處理SOC含量由大到小依次為全年休閑、豌豆-玉米輪作、苕子-玉米輪作、休閑-玉米，且全年休閑的SOC顯著高于休閑-玉米種植模式（<0.05）。從不同處理看DOC的含量，全年休閑只在部分粒級下高于其他種植模式；從不同粒級團(tuán)聚體中DOC看，≥0.25 mm大團(tuán)聚體有利于DOC的儲(chǔ)存。

（3）通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型解釋了GRSP對SOC和DOC都有直接的正面影響，且對MWD有間接影響，各因子對MWD的總效應(yīng)由大到小依次為WSA>DOC>T-GRSP>SOC>EE-GRSP。相關(guān)性分析表明，不同團(tuán)聚體粒級下GRSP與SOC呈線性正相關(guān)關(guān)系，但不同粒級下的相關(guān)系數(shù)大小有所差異。