土壤团聚体稳定性及有机碳组分对苜蓿种植年限的响应

罗珠珠,李玲玲,牛伊宁,蔡立群,张仁陟,谢军红

(1.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃 兰州730070;2.甘肃省干旱生境作物学省部共建国家重点实验室,甘肃 兰州730070)



土壤团聚体稳定性及有机碳组分对苜蓿种植年限的响应

罗珠珠1,2,李玲玲2,牛伊宁2,蔡立群1,2,张仁陟2,谢军红2

(1.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃 兰州730070;2.甘肃省干旱生境作物学省部共建国家重点实验室,甘肃 兰州730070)

通过设置在陇中黄土高原半干旱区的长期定位试验，应用干筛法与湿筛法比较不同种植年限苜蓿地和农田土壤团聚体粒径分布、平均重量直径(mean weight diameter，MWD)以及团聚体破坏率(percentage of aggregate destruction，PAD)的差异，分析探讨了土壤团聚体稳定性与土壤有机碳组分之间的关系。结果表明，土壤机械稳定性团聚体粒径分布呈中间低两边高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm的团聚体为优势粒径；土壤水稳性团聚体以<0.25 mm的团聚体为主，平均含量达90%以上。湿筛MWD仅在0～10 cm表层土中表现为不同种植年限苜蓿显著高于农田；PAD在0～30 cm土层表现为农田显著高于不同种植年限苜蓿，且随苜蓿种植年限的延长呈降低趋势。0～50 cm剖面不同深度土壤有机碳组分在处理间存在差异，其中总有机碳(total organic carbon，TOC)、重组有机碳(heavy fraction organic carbon，HFOC)和易氧化有机碳(readily oxidized organic carbon，ROOC)在0～10 cm土层均表现为12 a>10 a>农田>3 a，说明苜蓿对土壤表层有机碳组分的提高只有达到一定种植年限之后才产生效应。相关性分析表明，与土壤TOC相比，土壤轻组有机碳(light fraction organic carbon，LFOC)和ROOC与土壤水稳性团聚体粒级分布及稳定性指标之间的相关性更为显著，说明土壤活性有机碳组分对陇中黄土高原地区土壤团聚体稳定性的贡献率比土壤总有机碳更大。

黄土高原；紫花苜蓿；土壤有机碳组分；团聚体稳定性

土壤团聚体是由矿物颗粒和有机物在土壤成分的参与下形成的不同尺度大小的多孔结构单元[1]，作为土壤养分的贮存库和各种土壤微生物的生境，其数量和大小分布影响着土壤质量，良好的土壤结构和稳定的团聚体对于提高孔隙度、改良土壤肥力和降低可蚀性具有重要作用。土壤团聚体稳定性受土地利用类型、耕作方式和施肥水平的影响显著。Pinheiro等[2]研究表明在传统农耕方式下农地比草地土壤团聚体含量明显降低；Caravaca等[3]研究认为农地土壤团聚体稳定性明显小于林地；陈山等[4]研究发现，与水田和林地相比，旱地和果园利用方式则大幅降低了土壤团聚体的稳定性。土壤有机碳一直以来被作为土壤质量或健康评价一个不可或缺的指标。人类耕种活动会对农业土壤有机碳的变化产生深刻影响，其中林地转化为农田土壤有机碳损失25%～40%[5]，草地开垦为农田土壤碳素损失30%～50%[6]。大量研究表明[7-8]，土壤总有机碳很难及时且准确反映农业管理措施改变导致土壤质量的短期变化，而土壤中活性有机碳组分：易氧化活性有机碳、轻组有机碳、颗粒有机碳等对农业管理措施的响应较总有机碳更为迅速，也更能作为反映因农业管理措施的改变而引起土壤质量早期变化的敏感性指标。同时，土壤有机碳作为土壤质量的指示标志，对形成稳定的土壤结构起到重要作用，并能影响团聚体质量以及不同直径团聚体分布状况，而团聚体的形成反过来影响土壤有机碳的分解，其中微团聚体对土壤碳具有物理保护作用，被认为是碳吸存的主要场所[9]。

黄土高原是我国乃至全球水土流失最严重的地区之一，生态环境脆弱。该地区耕地的平均侵蚀率为每年60 t/hm2，主要成因之一是传统的土地翻耕和移走作物残茬等耕作措施虽然有利于杂草控制和播种作业，但容易形成地表径流，造成水土流失，且移走全部地上生物产量的传统收获方式，减少了有机物对土壤有机质的补充，导致土壤质量退化[10]。紫花苜蓿(Medicagosativa)根系具有很强的根瘤固氮作用，其根瘤菌和大量的须根给土壤留下的腐殖质可增加土壤有机质，改善土壤团粒结构。因此，苜蓿作为退耕还林还草的主要草种，其在黄土高原地区的种植面积逐年扩大，对该区的生态修复、土壤结构改善、土壤肥力提高起到极为重要的作用。近年来，国内外关于苜蓿种植地土壤方面的研究主要集中在土壤水分方面[11-14]，而缺乏土壤结构方面的相关研究。因此，本研究针对陇中黄土高原半干旱区不同种植年限的苜蓿种植地，应用干筛法与湿筛法比较不同种植年限苜蓿种植地和农田土壤团聚体粒径分布，并通过综合应用>0.25 mm的团聚体含量(R0.25)、MWD、PAD等指标来描述土壤团聚体稳定性特征，进一步分析探讨土壤团聚体稳定性与土壤有机碳组分的关系，以期为陇中黄土高原半干旱区苜蓿草地可持续利用提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

试验设在黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西市安定区李家堡镇麻子川村。试区属中温带半干旱区，平均海拔2000 m，年均太阳辐射592.9 kJ/cm2，日照时数2476.6 h，年均气温6.4 ℃，≥0 ℃年积温2933.5 ℃，≥10 ℃年积温2239.1 ℃；无霜期140 d，年均降水量390.9 mm，年均蒸发量1531 mm，干燥度2.53，为典型的雨养农业区。土壤为典型的黄绵土，土质疏松，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好。

1.2试验设计

2014年选取种植年限分别为3、10、12年紫花苜蓿种植地和农田为研究对象，其中3 a生苜蓿于2012年4月播种；10 a生苜蓿于2005年4月播种；12 a生苜蓿于2003年7月播种；农田为当地主栽作物马铃薯地。种植面积均在100 m2以上，地块邻近，地势平坦，各处理3次重复。

1.3取样方法

2014年10月苜蓿第二次刈割后分别采集0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3个层次土样(一部分用于土壤团聚体分析，一部分用于土壤有机碳组分测定)，每小区3次重复，采集后装于硬质塑料保鲜盒带回实验室，在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动。将采集的土样带回实验室内自然风干后，沿土壤结构的自然剖面掰分成1 cm左右的团块，用于测定土壤团聚体稳定性指标。

1.4测定方法

土壤团聚体采用干筛法和湿筛法[15]测定，干筛法和湿筛法均通过孔径为5.00、2.00、1.00、0.50和0.25 mm五个筛级，并计算R0.25、MWD和PAD。

(1)

PAD=(Wd-Ww)/Wd

(2)

式中:PAD为团聚体破坏率，Wd为干筛>0.25 mm团聚体所占比例，Ww为湿筛>0.25 mm团聚体所占比例。

土壤总有机碳(TOC)的测定采用重铬酸钾外加热法[16]；易氧化有机碳(ROOC)的测定采用333 mmol/L的高锰酸钾氧化法[17]，轻组有机碳(LFOC)的测定通过浮选法进行分离[18]，重组有机碳(HFOC)则用差减法计算获得。

1.5数据处理

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行数据统计分析。

2　结果与分析

2.1不同种植年限苜蓿地土壤机械稳定性团聚体组成

干筛法较少破坏土壤中某些瞬变性、临时性有机胶结物质，其测定的是自然状态下土壤机械稳定团聚体含量，包括水稳性和非水稳性团聚体。由表1可以看出，干筛法测定得到的土壤团聚体粒径分布呈中间低两边高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm两个粒径团聚体为优势粒径，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这一粒径的团聚体含量最少，仅为10%左右。在表层0～10 cm土层，除10 a苜蓿地以>5 mm粒级的团聚体为主，且10和12 a苜蓿地5～2 mm团聚体含量略低于1～0.5 mm团聚体以外，其余各粒级百分含量分布均表现为：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土层，除12 a生苜蓿地处理2～1 mm团聚体含量略低于1～0.5 mm团聚体，其余各粒级百分含量分布均表现为：大于5 mm>小于0.25 mm>5～2 mm>2～1 mm>1～0.5 mm>0.5～0.25 mm。总体而言，干筛法获得的>0.25 mm团聚体含量(R0.25)较高，含量为69.90%～84.67%，其在0～10 cm和10～30 cm土层表现为10 a>3 a>农田>12 a，在30～50 cm土层表现为3 a>10 a>农田>12 a，且处理间差异达显著水平(P<0.05)。干筛MWD呈现出和R0.25基本一致的趋势，即表层0～10 cm和10～30 cm土层表现为10 a生苜蓿地最高，30～50 cm土层表现为3 a生苜蓿地最高，且与其他处理间差异均达显著水平(P<0.05)。

2.2不同种植年限苜蓿地土壤水稳性团聚体组成

作为土壤中的水稳性团聚体，湿筛法获得的团聚体其数量和分布状况决定着土壤结构的稳定性以及抗侵蚀的能力，特别是>0.25 mm水稳性团聚体的数量可以判别土壤结构的好坏，是判定土壤质量好坏的重要指标之一。由表2可知，随着土层深度的增加，各粒级水稳性土壤团聚体含量及其MWD均呈现递减趋势，且不同处理在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3个层次的水稳性团聚体含量均随着粒径的增大呈递减趋势，即表现为小于0.25 mm>0.5～0.25 mm>1～0.5 mm>2～1 mm>5～2 mm>大于5 mm，很明显以<0.25 mm粒级的团聚体为主，平均含量达90%以上，而>5 mm粒级的团聚体含量极少，仅在3和10 a生苜蓿两处理表层0～10 cm土壤中有少量存在。与干筛法相比，湿筛法获得R0.25含量较低，含量仅为1.19%～8.71%，其在0～10 cm土层表现为12 a>10 a>3 a>农田，在10～30 cm土层表现为10 a>3 a>12 a>农田，且处理间差异显著(P<0.05)；在30～50 cm土层处理间无显著差异。与干筛法MWD有所不同的是，湿筛法MWD仅在表层0～10 cm表现为处理间差异显著(P<0.05)，即不同种植年限苜蓿三处理均显著高于农田，在10～30 cm和30～50 cm土层处理间无显著差异。研究发现，PAD在0～10 cm和10～30 cm土层均表现为农田最大，显著高于苜蓿三处理(P<0.05)，而30～50 cm土层各处理间无显著差异。与MWD刚好相反，PAD则表现为随着土层深度的增加，呈现递增趋势。与农田相比，不同种植年限苜蓿地PAD相对较小，且表现为随种植年限的延长呈现降低趋势。

表1　不同种植年限苜蓿土壤机械稳定性团聚体粒径分布

R0.25:>0.25 mm团聚体数量 Aggregates of diameter>0.25 mm； MWD:平均重量直径 Mean weight diameter； PAD:团聚体破坏率Percentage of aggregate destruction. 同列不同小写字母表示不同处理在5%水平上差异显著。Different lowercase letters in the same column represent significant difference atP<0.05 between different treatments. 下同。The same below.

表2　不同种植年限苜蓿土壤水稳性团聚体粒径分布

2.3不同种植年限苜蓿地土壤有机碳组分

由表3可知，除HFOC个别处理之外，不同处理土壤有机碳组分均呈现随土层深度的递增而下降的趋势。其中TOC在0～10 cm土层表现为12 a>10 a>农田>3 a，且12和10 a与3 a生苜蓿和农田之间差异显著(P<0.05)，12 a分别比3 a和农田提高了45.37%和35.79%，10 a分别比3 a和农田提高了33.36%和24.57%。10～30 cm和30～50 cm土层均表现为12 a>10 a>3 a>农田，且处理间存在显著差异(P<0.05)，其中10～30 cm土层12、10和3 a分别比农田提高了65.85%、30.91%、21.06%，30～50 cm土层12、10和3 a分别比农田提高了37.91%、33.45%、12.29%。 土壤HFOC呈现出与TOC基本一致的趋势，即在表层0～10 cm表现为12 a>10 a>农田>3 a，而在10～30 cm和30～50 cm土层表现为12 a>10 a>3 a>农田，且处理间差异显著(P<0.05)。土壤LFOC在0～10 cm土层以12 a生苜蓿最高，且与其他三处理间差异均达显著水平(P<0.05)；10～30 cm和30～50 cm土层均表现为苜蓿处理高于农田，但仅在30～50 cm土层处理间差异达显著水平(P<0.05)。土壤ROOC在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm 3个土层均表现为12 a>10 a>农田>3 a，且在0～10 cm和10～30 cm处理间存在显著差异(P<0.05)，30～50 cm土层处理间无显著差异。

表3　不同种植年限苜蓿土壤有机碳组分

TOC:总有机碳 Total organic carbon； HFOC:重组有机碳 Heavy fraction organic carbon； LFOC:土壤轻组有机碳 Light fraction organic carbon； ROOC:易氧化有机碳 Readily oxidized organic carbon.下同 The same below.

表4　土壤水稳性团聚体与有机碳组分相关分析

*：表示在0.05水平下相关显著；**：表示在0.01水平下相关显著。

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

2.4土壤团聚体稳定性与有机碳组分关系

将土壤水稳性团聚体指标和土壤有机碳组分进行相关分析，结果如表4所示。很明显各粒级水稳性土壤团聚体和土壤有机碳及组分的相关系数均随着粒级的降低呈增大趋势，其中>5 mm水稳性团聚体和土壤有机碳组分均无相关性；5～2 mm水稳性团聚体和LFOC相关性达极显著水平(P<0.01)，与TOC、HFOC和ROOC相关性达显著水平(P<0.05)；2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm水稳性团聚体均与TOC、HFOC、LFOC、ROOC呈极显著正相关(P<0.01)；<0.25 mm水稳性团聚体含量与TOC、HFOC、LFOC、ROOC则呈极显著负相关(P<0.01)。就土壤团聚体稳定性指标而言，R0.25与TOC、HFOC、LFOC、ROOC均呈极显著正相关(P<0.01)；MWD与TOC、HFOC、LFOC相关性达极显著水平(P<0.01)，与ROOC相关性达显著水平(P<0.05)；与R0.25和MWD相反，PAD与TOC、HFOC、LFOC、ROOC则表现为极显著负相关(P<0.01)。

3　讨论

3.1土壤团聚体对苜蓿种植年限的响应

土壤团聚体与土壤的物理、化学和生物学性质直接相关，其含量与粒径分布不仅影响作物生长发育，而且对土壤抗蚀性和土壤可持续利用等产生重要影响。其中干筛法反映的是原状土壤中非水稳性团聚体和水稳性团聚体的总体状况；而湿筛法反映的是水稳性团聚体的特征，能更准确地反应不同土地利用方式对土壤结构的影响。本研究干筛法测定得到的苜蓿种植地和农田土壤机械稳定性团聚体粒径分布呈中间低两边高的“V”型，其中>5 mm和<0.25 mm粒径的团聚体为优势粒径，这与以往的研究大致相同，高飞等[19]对宁南山区土壤进行干筛结果表明，土壤中的团聚体主要以>5 mm土壤团聚体为主。湿筛法测定得到的苜蓿种植地和农田土壤水稳性团聚体均以<0.25 mm粒级的团聚体为主，而水稳性大团聚体(>0.25 mm)含量均不足10%，说明黄绵土耕层土壤团聚体稳定性总体较低，很容易在水的作用下泡散，而且被水分散后较大的结构体往往崩解为微团聚体或更小的土壤颗粒。

土壤团聚体稳定性是土壤物理性质的综合体现，MWD值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强，尤其湿筛MWD更是评价土壤结构好坏的重要指标，其值愈高则土壤结构性愈好。PAD作为评价土壤团聚体稳定性的又一个重要指标，一般表现为PAD值愈大则团聚体愈容易遭到破坏，团聚体稳定性也就越低。本研究结果表明土壤团聚体机械稳定性随土层深度的增加而提高，其水稳性则随土层深度的增加而降低，这与宋丽萍等[20]的研究基本一致。因为土壤团聚体的水稳性依赖于有机物质的胶结作用，植物根系和真菌菌丝的机械绊缠作用对水稳性大团聚体的形成与稳定极为重要[21-22]，随着土壤由表层过渡到亚表层及以下土层，土壤有机质含量降低，导致其团聚体的水稳性亦随之降低。PAD在0～30 cm土层表现为农田最大，显著高于不同种植年限苜蓿种植地，这进一步表明种植苜蓿可以增强耕层土壤团聚体水稳性，因为与农田相比，未经翻耕的苜蓿土壤表层凋落物较多，微生物活性比较高，并且避免了机械以及人为对土壤的扰动，维持了团聚体数量和结构的稳定性；而农田土壤耕作频率和强度较高，导致较大粒径团聚体破坏和有机碳的分解矿化，使其土壤团聚体稳定性降低。当前国内外许多研究结果也得出类似的结论，Eynard等[23]就耕地和草地土壤比较，结果表明草地土壤团聚体稳定性比耕作土壤高17%；Barber[24]研究发现苜蓿可增加土壤水稳性团粒指数，4年试验期间土壤水稳性团粒指数随其种植年限延长而增加；陈正发等[25]在紫色土旱坡地的研究表明，与耕作用地相比，长期种植紫花苜蓿的耕地表现了较好的团聚体稳定性。

3.2土壤有机碳组分对苜蓿种植年限的响应

土地利用方式的改变将会对土壤质量产生重大影响，其中主要表现在土壤有机碳及其组分衰减和增加[8]。已有的研究表明[26-28]，将草原和林地开垦为农田后，导致土壤有机碳迅速衰减，而将农田恢复为林地和草地后，有利于土壤有机碳含量的恢复和增加。本研究发现，TOC、HFOC和ROOC在0～10 cm土层均表现为12 a>10 a>农田>3 a，这表明紫花苜蓿对表层土壤有机碳组分的提高只有到达一定的种植年限之后才明显，因为紫花苜蓿生长初期需要消耗大量土壤养分，而这段时期其生理机能很弱，基本不能固氮。随着植株进一步生长发育，其根部共生大量根瘤菌并具备了一定的固氮能力，此时虽然植株还在继续吸收土壤中的养分，但同时能将空气中的氮素固定，且根系也会产生一些有机分泌物，再加之部分地下生物死亡腐烂，可以增加土壤中有机碳含量。研究同时发现，整个0～50 cm土壤剖面各处理HFOC存在显著差异，而LFOC和ROOC仅在表层0～10 cm差异显著，这是由于苜蓿地下生物量在0～10 cm 表层聚集以及凋落物在土壤表层积累，使得土壤有机碳的生物化学循环主要发生在表层土壤，亚表层及以下土层LFOC经过较长时间的转化，形成了与粘粒结合较紧密的HFOC，但其机理有待进一步研究。

3.3土壤有机碳组分与水稳性团聚体关系

土壤团聚体的形成依赖于有机质的胶结作用，表层土壤中近90%的土壤有机碳位于团聚体内[29]。稳定的团聚体能够对赋存于其中的有机碳形成有效保护，通常大团聚体(>0.25 mm)能够储存更多的有机碳，但是容易被破坏，形成微团聚体(<0.25 mm)，微团聚体对有机碳具有较强的物理保护作用，通常被认为是碳吸存的主要场所。研究表明[30]，不同土地利用方式下有机质含量对土壤水稳性团聚体粒级分布具有重要影响，其中>5 mm水稳性团聚体数量较多时，大粒径团聚体破碎、分解为小粒径团聚体比例就低，对有机质的物理保护作用就强，湿筛MWD值也相对要高；而当1～0.5 mm，0.5～0.25 mm及<0.25 mm较小粒径水稳性团聚体的数量较多时，大粒径团聚体破碎、分解比例较高，对有机质物理保护作用下降，湿筛MWD值也就较低。本研究中，除了>5 mm水稳性团聚体以外，其余0.25～5 mm各粒级水稳性大团聚体以及团聚体稳定性指标MWD、PAD均与土壤有机碳组分呈显著或极显著正相关，而<0.25 mm粒径的水稳性团聚体与土壤有机碳组分呈极显著负相关，说明土壤中有机碳含量与土壤团聚体的水稳性密切相关，有机质物理保护机理对陇中黄土高原地区土壤团聚体稳定性具有重要影响，在团聚体形成及破碎过程中发挥重要的作用。同时本研究也发现，与土壤TOC相比，ROOC、LFOC与土壤水稳性团聚体粒级分布以及稳定性指标之间的相关性更为显著，说明土壤活性有机碳组分对土壤团聚体稳定性的贡献率比土壤总有机碳更大。

[1]Peng X H, Zhang B, Zhao Q G. A review on relationship between soil organic carbon pools and soil structure stability. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(4): 618-623.

[2]Pinheiro E F M, Pereira M G, Anjos L H C. Aggregate distribution and soil organic matter under different tillage systems for vegetable crops in a Red Latosol from Brazil. Soil Tillage Research, 2004, 77(1): 79-84.

[3]Caravaca F, Lax A, Albaladejo J. Aggregate stability and carbon characteristics of particle-size fractions in cultivated and forested soils of semiarid Spain. Soil Tillage Research, 2004, 78(1): 83-90.

[4]Chen S, Yang F, Lin S,etal. Impact of land use patterns on stability of soil aggregates in red soil region of south china. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(5): 211-216.

[5]Davidson E A, Ackeman I K. Changes in carbon inventories following cultivation of previously untilled soil. Biogeochemistry, 1993, 20: 161-193.

[6]Aguilar R, Kelly E F, Heil R D. Effects of cultivation on soils in northern Great Plains rangeland. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52: 1081-1085.

[7]Xu M G, Yu R, Wang B R. Labile organic matter and carbon management index red soil under long-term fertilization. Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(5): 273-279.

[8]Wu T Y, Schoenau J J, Li F M,etal. Effect of tillage and rotation on organic forms of chernozemic soils in Saskachwan. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2003, 166: 328- 335.

[9]Six J, Elliott E T, Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture. Soil Biological Biochemistry, 2000, 32: 2099-2103.

[10]Luk H S. Soil erosion and land management in the Loess Plateau Region, North China. Chinese Geography and Environment, 1996, 3: 3-28.

[11]McCallum M, Connor D, O’Leary G. Water use by lucerne and effect on crops in the Victorian Wimmera. Australian Journal of Soil Research, 2001, 52: 193-201.

[12]Li L L, Huang G B, Zhang R Z,etal. Effects of lucerne removal time on soil water and productivity in a lucerne-wheat rotation on the western Loess Plateau. Acta Agronomica Sinica, 2011, 37(4): 686-693.

[13]Luo Z Z, Niu Y N, Li L L,etal. Soil moisture and alfalfa productivity response from different years of growth on the Loess Plateau of central Gansu. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(1): 31-38.

[14]Luo Z Z, Li L L, Niu Y N,etal. Soil dryness characteristics of alfalfa cropland and optimal growth years of alfalfa on the Loess Plateau of central Gansu. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(10): 3059-3065.

[15]Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences. Soil Physical and Chemical Analysis[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1978: 514-518.

[16]Lu R K. Soil Agricultural Chemical Analysis Methods[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 1999: 111-119.

[17]Lefroy R D B, Blair G J, Strong W M,etal. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and13C natural isotope abundance. Plant Soil, 1993: 155-156, 399-402.

[18]Janzen H H, Campbell C A, Brandt S A,etal. Light-fraction organic matter in soils from long-term crop rotations. Soil Society of American Journal, 1992, 56: 1799-1806.

[19]Gao F, Jia Z K, Han Q F,etal. Effects of different organic fertilizer treatments on distribution and stability of soil aggregates in the semiarid area of South Ningxia. Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(3): 100-106.

[20]Song L P, Luo Z Z, Li L L,etal. Effects of lucerne-crop rotation on soil physical properties in the semi-arid areas on the Loess Plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(7): 12-20.

[21]Rovira P, Valejo V R. Physical protection and biochemical quality of organic matter in Mediterranean calcareous forestry soil: a density fraction approach. Soil Biology Biochemistry, 2003, 35: 245-261.

[22]Rilling M C, Wright S F, Eviner V T. The role of arbuscular fungi and glomalin in soil aggregation: comparing effect of five plant species. Plant and Soil, 2002, 238: 325-333.

[23]Eynard A, Schumacher T E, Lindstrom M J,etal. Aggregate sizes and stability in cultivated south Dakota Prairie Ustolls and Usterts. Soil Science Society of American Journal, 2004, 68: 1360-1365.

[24]Barber S A. The influence of alfalfa, brome grass and corn on soil aggregation and crop yield. Soil Science of America Proceedings, 1959, 23: 258-259.

[25]Chen Z F, Shi D M, Xie J Q,etal. Aggregate stability of purple soil and its impacts on soil erosion of slope dry land. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(13): 2721-2729.

[26]Christensen B T. Physical fractionation of soil and structural and functional complexity in organic matter turnover. European Journal of Soil Science, 2001, 52: 345-353.

[27]Franzluebbers A J, Arshad M A. Particulate organic carbon content and potential mineralization as affected by tillage and texture. Soil Science Society of American Journal, 1997, 61: 1382-1386.

[28]Carter M R, Gregorich E G, Angers D A,etal. Organic C and N storage, and organic C fractions, in adjacent cultivated and forested soils of eastern Canada. Soil Tillage Research, 1998, 47: 253-261.

[29]Jastrow J D. Soil aggregate formation and the accrual of particulate and mineral-associated organic matter. Soil Biological Biochemistry, 1996, 28: 665-676.

[30]Tisdall J M, Oades J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils. Journal of Soil Science, 1982, 33: 141-163.

[1]彭新华, 张斌, 赵其国. 土壤有机碳库与土壤结构稳定性关系的研究进展. 土壤学报, 2004, 41(4): 618-623.

[4]陈山, 杨峰, 林杉, 等. 土地利用方式对红壤团聚体稳定性的影响. 水土保持学报, 2012, 26(5): 211-216.

[13]罗珠珠, 牛伊宁, 李玲玲, 等. 陇中黄土高原不同种植年限苜蓿草地土壤水分及产量响应. 草业学报, 2015, 24(1): 31-38.

[14]罗珠珠, 李玲玲, 牛伊宁, 等. 陇中黄土高原半干旱区苜蓿地土壤干燥化特征及适宜种植年限研究. 应用生态学报, 2015, 26(10): 3059-3065.

[15]中国科学院南京土壤研究所. 土壤理化分析[M]. 上海: 上海科技出版社, 1978: 514-518.

[16]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 1999: 111-119.

[19]高飞, 贾志宽, 韩清芳, 等. 有机肥不同施用量对宁南土壤团聚体粒级分布和稳定性的影响. 干旱地区农业研究, 2010, 28(3): 100-106.

[20]宋丽萍, 罗珠珠, 李玲玲, 等. 陇中黄土高原半干旱区苜蓿-作物轮作对土壤物理性质的影响. 草业学报, 2015, 24(7): 12-20.

[25]陈正发, 史东梅, 谢均强, 等. 紫色土旱坡地土壤团聚体稳定性特征对侵蚀过程的影响. 中国农业科学, 2011, 44(13):2721-2729.

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

国家自然科学基金项目(41461067,31171513)，国家科技支撑计划项目(2012BAD14B03)，甘肃省科技计划项目(145RJZA208)和甘肃省财政厅高校基本科研业务费项目(037-041014)资助。

罗珠珠(1979-)，女，甘肃天水人，副教授，博士。E-mail：luozz@gsau.edu.cn

http://cyxb.lzu.edu.cn

罗珠珠, 李玲玲, 牛伊宁, 蔡立群, 张仁陟, 谢军红. 土壤团聚体稳定性及有机碳组分对苜蓿种植年限的响应. 草业学报, 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.