连续种植不同绿肥作物的土壤团聚体空间分布及稳定性特征

张钦 于恩江 林海波 张爱华 陈正刚 朱青 曹卫东 姚单君 魏全全

摘 要 为探讨连续种植绿肥对土壤团聚体的影响，以箭筈豌豆（Vicia sativa L.）、肥田萝卜（Raphanus sativus L.）、蓝花苕子（Vicia cracca L.）、毛叶苕子（Vicia villosa Roth）、光叶苕子（Vicia villosa var.）为研究对象，分析了连续种植不同绿肥作物下的土壤团聚体组成、空间分布及稳定性特征。结果表明：连续种植绿肥能够提高0～40 cm土层不同粒径土壤机械稳定性团聚体、水稳性团聚体含量，不同绿肥作物显著提高的土壤团聚体在粒径大小及空间分布上不相同。并且连续种植绿肥有利于土壤水稳性大聚体（>0.25 mm）的形成，>5 mm粒级的土壤水稳性团聚体的增加对土壤水稳性大团聚体积累的影响较为突出，其中肥田萝卜的土壤水稳性大团聚体含量最高。另外，连续种植绿肥还显著降低了0～20 cm土层的土壤团聚体破坏率（9.24%～38.19%），土壤团聚体破坏率表现为毛叶苕子<肥田萝卜<蓝花苕子<箭筈豌豆<光叶苕子，而对土壤平均重量直径的影响表现不同，肥田萝卜、毛叶苕子有利于0～20 cm土壤平均重量直径的提升，蓝花苕子、肥田萝卜对20～40 cm土壤的平均重量直径有显著的提高，肥田萝卜对土壤平均重量直径的促进作用在空间上更深，而光叶苕子降低了土壤平均重量直径。

关键词 土壤团聚体；绿肥；组成；分布；稳定性

中图分类号 S152.4 文献标识码 A

Abstract To investigate the effects of continuous planting green manure on soil aggregate， six treatments were chosen for this work： Clean tillage， Vicia sativa L.， Raphanus sativus L.， Vicia cracca L.， Vicia villosa Roth， Vicia villosa var. And the constituent， spatial distribution， stability of continuous planting green manure cultivation were worked out. The results showed that the content of mechanical-stable and water stable aggregate increased under green manure cultivation in the 0–40 cm soil layer. The significant improvement of distribution and size of aggregate was different between different kinds of green manure. Continous planting cultivation of green manure is beneficial to the formation of big water stable aggregate （> 0.25 mm）， and the increase of the contents of >5 mm soil water-stable aggregates had a prominent influence on the accumulation of big water-stable aggregates. The percentage of big water-stable aggregate under the treatment of R. sativus L. was the highest. Moreover， the percentage of aggregate destruction under green manure cultivation the in 0–20 cm soil layer decreased significantly by 9.24%–38.19%. The percentage of aggregate destruction showed that V. villosa Roth

Keywords soil aggregate； green manure； constitute； distribution； stability

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.09.005

在地球表面形成1 cm厚的土壤，約需300 a甚至更长的时间[1]，因此，土壤数量以及质量不得不被重视，同时土壤资源的可持续利用能力也越来越被关注。土壤团聚体是一种介于单粒和块状之间的土壤结构[2]，是在生物与非生物的单独或共同作用下，通过团聚和破碎交替过程而形成的[3]，影响着土壤中的物质交换与能量平衡[4]。土壤团聚体作为土壤组成的基本单元，不仅是土壤养分的储存库，还是土壤碳的储存库，因为其各粒级的不同比例是造成养分产生差异的最主要内在原因，能够影响土壤肥力，而其中稳定性团聚体的数量和组成决定着土壤碳固定和储备[5-8]，固碳功能伴随着土壤团聚体的更新周转变化[9-10]。另外，土壤团聚体数量和分布还反映了土壤结构的机械稳定性和抗蚀性[11]，其稳定性在一定程度上影响着土壤抗侵蚀能力[12-13]。土壤团聚体在土壤肥力、土壤碳汇、土壤侵蚀中具有多重意义，不仅是农业生产，对减缓温室效应与土壤可持续发展利用都有着长远的影响。绿肥是我国农作物种植制度中重要的轮作倒茬作物，前人研究表明，种植翻压绿肥可以活化土壤中的矿质元素、提升土壤肥力、改善土壤结构。而目前关于土壤团聚体的研究较少，因此，本文以几种不同的绿肥作物为研究对象，通过连续种植，分析土壤团聚体组成、空间分布及稳定性特征，探讨连续种植不同绿肥对土壤团聚体的影响，为促进良好土壤团聚体结构、改善土壤环境、土壤资源的可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

实验于 2011 年起在贵州省农业科学院内连

续种植5 a（106°07′E，26°11′N），该区域海拔高度1 100 m，属于亚热带湿润温和型气候，年平均气温为15.3 ℃，年极端最高温度为35.1 ℃，年极端最低温度为7.3 ℃，年平均相对湿度为77%，年平均总降水量为1 129.5 mm，年平均日照时数为1 148.3 h。试验区土壤类型为黄壤，成土母质为第四纪红色黏土残积物，土壤有机质为45.05 g/kg、全氮为1.88 g/kg、全磷为0.79 g/kg、全钾为14.21 g/kg、碱解氮为169.9 mg/kg、有效磷为18.3 mg/kg、速效钾为112.2 mg/kg、pH 5.58。

1.2 方法

1.2.1 实验设计 实验共设置6个处理：CK（清耕）、箭筈豌豆（Vicia sativa L.）、肥田萝卜（Raphanus sativus L.）、蓝花苕子（Vicia cracca L .）、毛叶苕子（Vicia villosa Roth）、光叶苕子（Vicia villosa var.），种子均从国家种质资源库引进，小区面积9 m2，随机区组排列，3次重复。清耕为不栽种任何作物，田间管理方式与其他处理相同，绿肥以单作方式，采用点播法播种，每穴间距为20～25 cm，深度为1～3 cm，每穴为5粒种子，生长过程不施用任何肥料，每年9月间播种，次年6月收割地上部分，试验连续重复进行。

1.2.2 测定指标及方法 于2016年6月待收割地上部分后在田间取样，分别采集0～20、20～40 cm 两个土层的土壤样品，每个小区分别取3个点的土壤作为该取样小区的样品。

土壤基本理化性质[14]：土壤pH采用水土比2.5：1（pH计法），全氮采用凯氏定氮法，全磷含量采用酸溶钼锑抗比色法，全钾采用HF-HClO4消解火焰光度法，有机质采用重铬酸钾滴定法，碱解氮用碱解扩散法-标准酸滴定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑忼比色法测定，速效钾采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

团聚体：在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。将采集的土样带回实验室内风干，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。将一定质量风干土样通过孔径依次为5、2、1、0.5、0.25 mm套筛，分别称重计算出各级干筛团聚体占土壤总量百分率，并按干筛的比例配成50 g风干土样，然后用Elliott[15]土壤团聚体湿筛法获得不同粒径的水稳性团聚体。具体方法为：将样品放置于孔径自上而下为5、2、1、0.5、0.25 mm的各级套筛之上，先用水缓慢湿润后，再放入水中；在整个套筛处于最下端时，最顶层筛的上边缘保持低于水面，竖直上下振荡5 min；收集各级筛层团聚体并分别转移至铝盒当中，然后烘干称重，计算得到各级团聚体的质量百分含量。

1.3 数据处理

团聚体破坏率[16]（percentage of aggregate

采用Excel 2007和SPSS 18.0软件对数据进行统计分析。采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan法进行方差分析和多重比较（α=0.05），用Pearson法进行相关分析。利用Excel 2007软件作图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥作物对土壤机械稳定性团聚体组成的影响

土壤机械稳定性团聚含量的高低及组成情况是评价团聚体质量的重要指标[18]，由图1与表1可看出，在0～20 cm土层，各处理均以>0.25 mm大团聚体为主，说明土壤团聚性较好，呈现粒徑减小质量减小的趋势，以>5 mm、5～2 mm粒径团聚体含量最高；>5 mm与5～0.5 mm粒径的团聚体含量呈极显著的负相关，5～2 mm与2～1 mm、2～1 mm与1～0.5 mm、1～0.5 mm与0.5～0.25 mm粒径之间的团聚体含量均呈显著正相关。在不同绿肥作物中比较，>5 mm粒径中，光叶苕子最高，是最低的蓝花苕子的2.39倍；5～2 mm粒径中，肥田萝卜最高，是最低的光叶苕子的2.31倍；在2～ 1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm粒径中，毛叶苕子最高，这3个粒径中分别是光叶苕子的1.87倍、肥田萝卜的1.94倍、肥田萝卜的1.9倍。可见，光叶苕子主要提高>5 mm粒径的团聚体，肥田萝卜主要提高5～2 mm粒径的团聚体，蓝花苕子和毛叶苕子主要提高2～0.25 mm粒径的团聚体。

在20～40 cm土层，与上层土壤规律类似，以>5 mm粒径团聚体含量最高。在不同绿肥作物中比较，>5 mm粒径中，光叶苕子最高，是最低的蓝花苕子的1.75倍；5～2 mm粒径中，肥田萝卜最高，是光叶苕子的1.6倍；2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm粒径中，蓝花苕子最高，这3个粒径中分别是毛叶苕子的1.95倍，箭筈豌豆的2.24倍和2.8倍。可见，光叶苕子主要是提高了>5 mm粒径的团聚体，肥田萝卜主要提高了5～2 mm粒径的团聚体，蓝花苕子主要是提高了2 mm以下粒径的团聚体。

2.2 不同绿肥作物对土壤水稳性团聚体组成的影响

土壤水稳性团聚体数量反映了土壤结构的稳定性、持水性、通透性和抗侵蚀的能力[12]，是评价团聚体抵抗外力破坏能力的重要指标[2]。由图2和表2可看出，在0～20 cm土层，各处理均以>0.25 mm大团聚体为主，在各粒径范围的分布不均匀，呈现一定的规律性，除了光叶苕子外，呈现粒径减小质量减小的趋势，以>5 mm粒径团聚体含量最高；各粒径间的团聚体相关性较高，其中>5 mm与<5 mm粒径的团聚体含量呈极显著负相关，5～2 mm与2～1 mm粒径的团聚体含量呈极显著正相关，2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm以及<0.25 mm粒径的团聚体含量相互之间呈极显著正相关。在不同绿肥作物中比较，>5 mm粒径中，肥田萝卜最高，是最低的光叶苕子的8倍；5～2 mm粒径中，蓝花苕子最高，比肥田萝卜显著高36.34%；2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm粒径中，光叶苕子最高，各粒径中分别是肥田萝卜的1.5、1.6、1.8倍。由此可见，肥田萝卜主要提高了>5 mm粒径的团聚体，而光叶苕子主要提高了2～0.25 mm粒径的团聚体。

在20～40 cm土层，与上层土壤规律类似，但以2～1 mm粒径团聚体含量最高。在不同绿肥作物中比较，>5 mm粒径中，蓝花苕子最高，是最低的毛叶苕子的10倍；5～2 mm粒径中，肥田萝卜最高，是光叶苕子的1.58倍；2～1 mm粒径中，CK高于其他处理，其次是箭筈豌豆，几乎是蓝花苕子的1.65倍；1～0.5 mm粒径中，光叶苕子最高，几乎是肥田萝卜的0.74倍；0.5～0.25 mm粒径中，蓝花苕子最高，几乎是肥田萝卜的1.4倍。可见，蓝花苕子主要提高了>5 mm粒径的团聚体，肥田萝卜主要提高了5～2 mm粒径的团聚体，箭筈豌豆、毛叶苕子主要提高了2～1 mm粒径的团聚体，光叶苕子主要提高了1～0.5 mm粒径的团聚体。

2.3 不同绿肥作物对土壤水稳性大团聚体含量的影响

按照颗粒大小，将>0.25 mm粒径的团聚体分为大团聚体，<0.25 mm粒径的团聚体分为微团聚体[19]，直径>0.25 mm 的团粒结构是由许多土粒多层次凝聚和多次胶结形成的，调节着土壤的水、肥、气、热[6]，其与土壤肥力之间存在一定的正比例关系，大团聚体丰富是土壤良好结构特征的表现[19]，衡量土壤结构性好坏和抗侵蚀性的一个最重要的指标就是大团聚体的含量。由图3可看出，在0～20 cm土层，清耕处理的水稳性团聚体含量为85.06%，而连续种植绿肥的水稳性团聚体含量为83.11%～87.79%，差异不显著。不同绿肥作物之间相比，毛叶苕子的土壤水稳性团聚体最高，肥田萝卜次之，两者分别比最低的光叶苕子显著高了5.63%、5.42%。

在20～40 cm土层，清耕处理的水稳性团聚体含量为85.10%，而连续种植绿肥的水稳性团聚体含量为81.44%～88.44%，差异不显著。不同绿肥作物之间相比，肥田萝卜最高，比蓝花苕子、光叶苕子显著高了8.47%、8.59%。在空间分布上，蓝花苕子的土壤水稳性团聚体随着土层的加深呈现了下降的趋势，而其他处理在空间上变化不大。

总体上看，连续种植绿肥有利于形成土壤水稳性大聚体，由图4和表3可以看出，>5 mm土壤水稳性团聚体含量与土壤水稳性大团聚体含量极显著相关，拟合方程为y=5.469x–439.62，R2=0.602 5，说明>5 mm粒级的土壤水稳性团聚体的增加对土壤水稳性大团聚体积累的影响较为突出。

2.4 不同綠肥作物对土壤团聚体破坏率的影响

团聚体破坏率表示土壤团聚体在水蚀作用下的分散程度，其值越小，土壤团聚体的稳定性越高，是表征团聚体稳定性的一个重要指标[20]。由图5可以看出，在0～20 cm土层，种植绿肥较CK显著地降低了土壤团聚体破坏率9.24%～38.19%，毛叶苕子<肥田萝卜<蓝花苕子<箭筈豌豆<光叶苕子，毛叶苕子的团聚体破坏率最低，比空白显著降低了38.17%，比光叶苕子显著低了31.90%。在20～40 cm土层，种植绿肥较CK的团聚体破坏率有低有高，但差异不显著，肥田萝卜的团聚体破坏率最小，比空白降低了31.27%，比种植光叶苕子显著低了46.85%。在空间分布上，CK与肥田萝卜随着土层的加深破坏率降低，而其他处理则呈上升的趋势。

2.5 不同绿肥作物对土壤平均重量直径的影响

土壤平均重量直径反映了土壤团聚体大小分布状况，其值越大表征团聚体的平均团聚度越高，其稳定性也越好，是表征团聚体稳定性的一个重要指标[17， 21]。由图6可以看出，连续种植绿肥对土壤平均重量的影响差异较大，在0～20 cm土层，肥田萝卜>毛叶苕子>CK>箭筈豌豆>蓝花苕子>光叶苕子，肥田萝卜的平均重量直径最大，比空白高18.75%，比光叶苕子、蓝花苕子分别显著高了114.75%、40.16%，光叶苕子较CK显著降低了44.67%。在20～40 cm土层，蓝花苕子>肥田萝卜>箭筈豌豆>CK>毛叶苕子>光叶苕子，蓝花苕子最大，肥田萝卜次之，分别比空白显著增高了33.43%、27.47%，分别比平均重量直径最小的光叶苕子显著高了59.31%、52.19%。可见，连续种植肥田萝卜、毛叶苕子有利于耕层土壤平均重量直径的提升，蓝花苕子、肥田萝卜对深层土壤的平均重量直径有显著的提高，肥田萝卜对土壤平均重量直径的促进作用在空间上更深，而光叶苕子降低了土壤平均重量直径。

2.6 土壤水稳性大团聚体含量与土壤稳定性之间的关系

水稳性大团聚体含量、土壤平均重量直径、土壤团聚体破坏率是表征土壤团聚程度以及稳定性的重要指标，由图7和表4可以看出，三者之间存在着紧密的联系，通过数据分析结果发现，土壤平均重量直径与>0.25 mm的水稳性大团聚体含量之间呈现极显著正相关，其拟合方程为y=0.220 3x–16.397，R?=0.662 6，土壤团聚体破坏率与>0.25 mm的水稳性大团聚体含量之间呈现极显著负相关，拟合方程为y=–0.804 8x+79.356，R?=0.739 1。可见，土壤水稳性大团聚体含量越高， 土壤平均重量直径越大，团聚体破坏率越小，土壤结构的稳定性越好。

3 讨论

良好的土壤结构需要较多且粒径分配比例适当的土壤团聚体，有一定的稳定性，尤其是水稳性，这样拥有合理的土壤多级孔隙状况，在耕作、施肥、灌水、雨滴冲击等影响下不致土壤团聚体迅速破裂而使土壤结构遭到破坏[22]。土壤团聚体主要受到施肥方式、种植制度和轮作方式等的影响[23]。有研究表明，秸秆覆盖能增加>0.25 mm土壤机械稳定性团聚体含量13.0%～26.4%，增加

>0.25 mm土壤水稳性团聚体含量8.6%～45.7%[24]。添加玉米秸秆显著增加黑土团聚体粒径>2 mm大团聚体含量，同时还使粒径<0.25 mm团聚体含量降低[25]。施用牛粪和绿肥分别增加了<0.01 mm和1～0.05 mm粒径的团聚体比例[26]。翻压绿肥后增加了土壤中>7 mm的大团聚体含量，但降低了<1 mm的小团聚体的含量[27]。本研究结果发现，连续种植绿肥能够提高0～40 cm土层不同粒径土壤机械稳定性团聚体、水稳性团聚体含量，光叶苕子主要提高了>5 mm粒径的机械稳定性团聚体，2～0.25 mm粒径（0～20 cm）和1～0.5 mm粒径（20～40 cm）的水稳定性团聚体，肥田萝卜主要提高了5～2 mm粒径的机械稳定性团聚体、>5 mm粒径（0～20 cm）和5～2 mm粒径（20～40 cm）的水稳定性团聚体，蓝花苕子主要提高了<2 mm粒径的机械稳定性团聚体、>5 mm粒径（20～40 cm）的水稳定性团聚体，毛叶苕子主要是提高了2～0.25 mm粒径（0～20 cm）的机械稳定性团聚体。

另外，良好的土壤团聚结构除了合理的粒径比例分配，土壤水稳性大团聚体的含量也具有重要作用，有研究表明，化肥与有机肥配施有利于大团聚体的形成，对5～0.25 mm水稳性大团聚体的促进作用最明显[28]。施有机肥可以直接促进了1～0.5 mm粒径的水稳性团聚体的形成[29]。本研究表明，连续种植绿肥有利于土壤水稳性大聚体的形成，其中肥田萝卜的土壤水稳性大团聚体含量最高，>5 mm粒级的土壤水稳性团聚体的增加对土壤水稳性大团聚体积累的影响较为突出。

除此之外，良好的土壤团聚体具有较高的稳定性，具体表现为团聚体破坏率较低，土壤团聚体平均质量直径较高。有研究表明，传统耕作下的土壤水稳性团聚体平均质量直径较免耕和免耕覆盖处理分别减少19.5%和27.9%[30]。紫花苜蓿和冰草均能显著提高土壤水稳性团聚体平均质量直径，高羊茅的作用不明显，总体表现为紫花苜蓿>冰草>高羊茅[31]。本次研究发现，连续种植绿肥显著降低了0～20 cm土层的土壤团聚体破坏率9.24%～38.19%，不同绿肥作物间比较，毛叶苕子<肥田萝卜<蓝花苕子<箭筈豌豆<光叶苕子，毛叶苕子的团聚体破坏率最低，比空白显著降低了38.17%，比光叶苕子显著低了31.90%。但是，连续种植绿肥对土壤平均重量直径的影响表现不同，肥田萝卜、毛叶苕子有利于耕层土壤平均重量直径的提升，蓝花苕子、肥田萝卜对深层土壤的平均重量直径有显著的提高，肥田萝卜对土壤平均重量直径的促进作用在空间上更深，而光叶苕子降低了土壤平均重量直径。

4 结论

（1）连续种植绿肥能够提高不同粒径土壤机械稳定性团聚体含量，在0～40 cm土层，光叶苕子主要提高>5 mm粒径的机械稳定性团聚体，肥田萝卜主要提高5～2 mm粒径的团聚体，蓝花苕子主要提高2 mm以下粒径的团聚体，毛叶苕子主要是提高0～20 cm土层中2～0.25 mm粒径的团聚体。

（2）连续种植绿肥提高了不同粒径的土壤水稳性团聚体含量，在0～20 cm土層，肥田萝卜主要提高>5 mm粒径的团聚体，光叶苕子主要提高2～0.25 mm粒径的团聚体。在20～40 cm土层，蓝花苕子主要提高>5 mm粒径的团聚体，肥田萝卜主要是提高5～2 mm粒径的团聚体，光叶苕子主要是提高1～0.5 mm粒径的团聚体。

（3）连续种植绿肥有利于土壤水稳性大聚体（>0.25 mm）的形成，>5 mm粒级的土壤水稳性团聚体的增加对土壤水稳性大团聚体积累的影响较为突出。在不同绿肥作物中比较，肥田萝卜的土壤水稳性大团聚体含量最高。

（4）连续种植绿肥显著降低了耕层土壤的土壤团聚体破坏率9.24%～38.19%，不同绿肥作物间比较，毛叶苕子<肥田萝卜<蓝花苕子<箭筈豌豆<光叶苕子。

（5）连续种植绿肥对土壤平均重量直径的影响表现不同，肥田萝卜、毛叶苕子有利于耕层土壤平均重量直径的提升，蓝花苕子、肥田萝卜对深层土壤的平均重量直径有显著的提高，肥田萝卜对土壤平均重量直径的促进作用在空间上更深，而光叶苕子降低了土壤平均重量直径。

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