长期连作棉田土壤团聚体有机碳及氮磷钾含量的变化

石岩松　曹晶晶　李琳琳　刘建国

摘要：依托棉花长期连作定位试验，设置秸秆还田条件下棉花连作5、10、15、20年及无秸秆还田处理下连作5、10、20年处理，对比分析不同连作年限棉田土壤水稳性团聚体中养分的变化特征，对深入认识连作棉田土壤肥力演变及对合理施肥均具有重要的理论价值。结果表明，无论是秸秆还田还是无秸秆还田土壤中有机碳和全氮在水稳性团聚体总的分布规律是一致的，各个处理团聚体中的有机碳、全氮含量由高到低的顺序依次为：>1 mm，<0.053 mm，0.25≤ 粒径≤1 mm，0.053≤粒径<0.25 mm，且各个处理团聚体中有机碳、全氮含量随着粒径的不断增大呈现先降低后增加的趋势。在秸秆还田处理中，各个粒径水稳性团聚体中有机碳、全氮含量随着连作年限的增加而增加;而无秸秆还田处理中，各个粒径水稳性团聚体中有机碳、全氮含量随着连作年限的增加而降低。土壤中全磷、全钾含量较均匀地分布在各个粒径的团聚体中，表明团聚体中全磷、全钾含量受粒径变化的影响较小。不同粒级水稳性团聚体中的养分对土壤总体养分的贡献率从高到低依次为0.25≤粒径≤1 mm、粒径<0.053 mm、0.053≤粒径<0.25 mm，粒径>1 mm团聚体。秸秆还田处理下0.25≤粒径≤1 mm团聚体对土壤养分的贡献率总体随着连作年限的增加而增加;0.053≤粒径<0.25 mm和粒径<0.053 mm团聚体对土壤养分的贡献率随着连作年限的增加逐渐减低;粒径>1 mm 团聚体对土壤养分的贡献率没有表现出明显的规律。无秸秆还田处理0.25≤粒径≤1 mm、0.053≤粒径<0.25 mm和粒径<0.053 mm团聚体对土壤养分的贡献率与秸秆还田处理呈现相反的变化规律。

关键词：棉花;连作;秸秆还田;土壤团聚体;土壤养分

中图分类号：S152.4;S153.6 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）19-0270-05

收稿日期：2018-07-09

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（编号：201503120）;国家自然科学基金（编号：31260307）。

作者简介：石岩松（1995—），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事绿洲生态与农作制度研究。E-mail：shiyansong23@163.com。

通信作者：刘建国，博士，教授，主要从事农田生态环境与农作制度研究。E-mail：l-jianguo@126.com。

土壤团聚体是土壤的基本结构单元，水稳性团聚体的数量和特征反映了土壤结构的稳定性并对于土壤结构具有重要影响[1-2]。土壤有机碳和养分与土壤团聚体密切相关，是团聚体形成和保持稳定性的重要影响因素之一，不同粒径团聚体中养分含量对于土壤养分循环、团聚体的形成和破坏以及土壤肥力的保持具有重要的意义[3-5]。不仅土壤类型、质地、成土矿物类型和气候类型会对土壤养分在团聚体中的分布状况产生影响，而且种植的植被、土地利用方式、开垦年限、肥力水平、施肥方式等也会影响团聚体的组成和养分分布情况[6-8]。不同土地利用方式下，养分在不同粒径土壤团聚体中的分布不同，有机碳、氮含量随土壤团聚体粒径的增大均减小，而全磷、全钾、碱解氮含量则较均匀地分布在各粒径团聚体中，速效钾含量随土壤团聚体粒径的增大呈先增大后降低的趋势，不同粒径团聚体对土壤养分的贡献率主要取决于该粒径团聚体含量[9]。长期连续施肥后不同粒径土壤团聚体中碳、氮、磷的含量均增加，施入土壤的养分主要进入2～10 μm 粒径的土壤颗粒中，说明该粒径对土壤养分的转运和保存起着重要作用[10-11]。长期植茶有利于土壤团聚体中全氮、碱解氮、全磷、有效磷的积累，但速效钾含量却逐年降低[12];王双磊等研究认为，棉花连作3年及秸秆还田能增加大团聚体的百分含量，降低微团聚体含量，显著提高各粒径团聚体中有机碳、碱解氮和速效钾的含量，提高大团聚体对土壤养分的贡献率[13]。

土壤團聚体深刻影响着土壤碳氮分布、养分迁移与转化[14]，因此，了解养分在土壤团聚体中的分布，对调控土壤肥力和增加土壤养分储量具有重要意义。国内外众多学者对土壤团聚体养分含量在不同土地利用方式、耕作方式和施肥处理下的分布进行了较多研究[15-18]，但关于作物长期固定种植模式下各粒径土壤团聚体中养分含量的动态演变特征的研究还鲜有报道。新疆绿洲棉花生产集约化、机械化程度高，在植棉区棉花种植比重占耕地面积的55%～80%，导致棉花常年连作，同时秸秆全量粉碎还田，成为绿洲农田有机培肥的主要方式。本试验以棉花长期连作定位试验土壤为研究对象，探讨连作年限对土壤团聚体养分含量变化的影响，旨在了解在棉花连作过程中土壤肥力的演变规律，为制订科学合理的土壤培肥措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆石河子市石河子大学农学院试验站（86°03′E，45°19′N）长期连作定位试验田，地处天山北麓中段，属温带大陆性气候，光照资源丰富而降水稀少，一年一熟制，为典型的绿洲灌溉农业区。该区海拔443 m，年平均日照时数达2 865 h，大于10 ℃积温为3 480 ℃，无霜期165 d，年平均降水量208 mm，年平均蒸发量1 660 mm，温度日差较大，供试土壤为灌耕灰漠土。

1.2 田间试验设计

试验于2015年在石河子大学农学院试验站棉花长期连作定位试验田进行，选取秸秆还田模式下连作5、10、15、20年棉田小区（分别标记为5、10、15、20年），无秸秆还田模式下连作5、10、20年棉田小区（分别标记为CK5、CK10和CK20）共计7个处理，每个处理3次重复。棉花秸秆还田连作模式是每年秋季棉花收获后将全部秸秆用铡刀切成5～8 cm小段，即模拟大田生产棉花秸秆机械还田方式，入冬前结合所施化肥翻入耕层，然后冬灌;棉花无秸秆还田连作模式是棉花收获后将全部秸秆带出农田，然后施化肥、翻耕、冬灌。棉花秸秆中C、N、P、K平均含量分别约为41.3%、1.69%、0.43%、3.14%（均以干质量计），化肥施用量为氮（纯N）肥 300 kg/hm2、磷（P2O5）肥150 kg/hm2、钾（K2O）肥75 kg/hm2，氮肥的30%，磷、钾肥的100%作基肥，于棉花收获后结合翻耕施入，其余70%氮肥作追肥随水滴施。棉花品种为新陆早46号，按30 cm+60 cm+30 cm宽窄行距配置，采用膜下滴灌，每年4月20日左右播种，留苗密度为19.8万株/hm2，每年7月上旬打顶。全生育期滴灌11次，滴灌总量 5 400 m3/hm2，其他管理措施与一般大田管理一致。

1.3 样品采集与测定

土样采集：在棉花播种前按照“S”形采样方式采集3个样点剖面0～30 cm土层原状土样，每个处理3次重复。土样采集后放入塑料盒内带回实验室，在运输过程中尽量减少对土样的扰动，以避免破坏土壤的团聚体结构。然后放于实验室内自然风干并沿着土壤结构的自然剖面掰开，同时防止土壤结构因外力作用而变形，去除土壤中的植株残体、石块等杂物，让土样自然风干，备用。

土样养分含量测定：水稳性团聚体百分含量的测定采用湿筛法，通过分离出 <0.053 mm，0.053≤粒径<0.25 mm，0.25≤粒径≤1 mm，>1 mm 粒级的团聚体进行测定。土壤团聚体中有机碳、全氮、全磷、全钾含量的测定参照鲍士旦的方法[19]进行。

2 结果与分析

2.1 长期连作棉田土壤水稳性团聚体中有机碳的分布

如图1所示，土壤水稳性团聚体中的有机碳含量因粒徑分布而异。团聚体中的有机碳主要分布在粒径>1 mm、0.25≤粒径≤1 mm和粒径<0.053 mm的团聚体中，而0.053≤粒径<0.25 mm土壤团聚体中含量相对最低。秸秆还田处理团聚体中有机碳含量在9.02～14.99 g/kg范围内，随着连作年限的增加，各个粒径团聚体内有机碳含量逐渐增加。在无秸秆还田处理下团聚体中有机碳含量随连作年限的增加呈现下降的趋势。秸秆还田处理团聚体中有机碳含量高于无秸秆还田处理。无论秸秆还田处理还是无秸秆还田处理，团聚体中有机碳的含量均随着粒径的增大呈现先降低后增加的趋势。与同一连作年限的无秸秆还田处理相比，秸秆还田处理下连作20年处理粒径<0.053 mm团聚体有机碳含量增幅最大，达47.4%;其次为秸秆还田连作20年处理粒径>1 mm团聚体，其有机碳含量较CK20处理增加了38.2%。秸秆还田连作5年处理0.053≤粒径<0.25 mm团聚体有机碳含量较CK5处理增幅最小，然后是秸秆还田连作5年处理粒径>1 mm 团聚体。秸秆还田可以提高各个粒径水稳性团聚体中有机碳的含量，且随着连作年限的增加，增幅不断增加，本试验中水稳性团聚体中有机碳的含量在连作30年达到最大。与同一连作年限的无秸秆还田处理相比，秸秆还田处理在各个粒径团聚体中有机碳含量增幅最大的是<0.053 mm 粒径，而增幅最小的是0.053≤粒径<0.25 mm 的团聚体。秸秆还田处理中各级水稳性团聚体中有机碳含量大体由高到低的顺序依次为粒径>1 mm、<0.053 mm，0.25≤粒径≤1 mm，0.053≤粒径<0.25 mm。

2.2 长期连作棉田土壤水稳性团聚体中全氮的分布

由图2可见，土壤中全氮主要分布在粒径 >1 mm 和粒径<0.053 mm水稳性团聚体中，0.053≤粒径<0.25 mm团聚体中全氮含量最少。秸秆还田处理中团聚体的全氮含量为0.58～0.82 g/kg，各个粒径团聚体中全氮含量随着连作年限的增加不断增加，其中0.053≤粒径<0.25 mm团聚体中全氮含量在各个处理间差异显著。无秸秆还田处理团聚体中全氮含量为 0.49～0.70 g/kg，随着连作年限的增加，团聚体中全氮含量不断下降。秸秆还田处理的全氮含量均显著高于无秸秆还田处理。与同一连作年限的无秸秆还田处理相比，随着秸秆还田连作年限的增加，团聚体中全氮含量增加的幅度不断增大，连作20年处理中全氮含量增幅达到最大。与同一连作年限的无秸秆还田处理相比，秸秆还田处理下不同粒径团聚体中全氮含量增幅最大的为粒径<0.053 mm的团聚体，秸秆还田5、10、20年与CK5、CK10、CK20相比团聚体全氮含量分别增加了6.5%、 29.4%、38.1%。秸秆还田处理中水稳性团聚体中全氮含量总体由高到低的顺序依次为粒径>1 mm、粒径<0.053 mm、0.25≤粒径≤1 mm，0.053≤粒径<0.25 mm。所有处理下团聚体全氮含量均随着粒径的逐渐增大呈现先降低后增加的趋势。这一变化趋势与团聚体中有机碳含量的变化趋势一致。

2.3 长期连作棉田土壤水稳性团聚体中全磷的分布

由图3可以看出，秸秆还田处理团聚体中全磷含量随着连作年限的增加而增加，至连作30年时达到最大值。无秸秆还田处理团聚体中全磷含量随着连作年限的增加也呈现增长趋势。各个粒径团聚体中，秸秆还田处理全磷含量高于无秸秆还田处理。所有处理土壤中全磷含量较均匀地分布在各个粒径的团聚体中，表明团聚体全磷含量受粒径变化的影响较小。

2.4 长期连作棉田土壤水稳性团聚体中全钾的分布

由图4可知，秸秆还田处理不同连作年限土壤水稳性团聚体中全钾含量为18.9～23.2 g/kg，无秸秆还田处理全钾含量为18.1～21.6 g/kg;所有处理各粒径团聚体的全钾含量分布比较均匀，表明土壤团聚体全钾含量受粒径变化的影响较小。在秸秆还田处理中，除粒径>1 mm团聚体外，各粒径土壤团聚体的全钾含量随着连作年限的增加总体呈现先降低后增加的趋势。在无秸秆还田处理中，土壤团聚体的全钾含量随着连作年限的增加呈现增加趋势。与无秸秆还田处理相比，秸秆还田处理各个粒径团聚体中全钾含量较高，且随着连作年限的增加，增长幅度不断减小。秸秆还田处理大团聚体（粒径≥0.25 mm）中全钾含量高于微团聚体（粒径<0.25 mm）中的含量，说明大团聚体对土壤全钾的储存及固定有着积极的作用。

2.5 长期连作棉田土壤团聚体养分对土壤养分的贡献率

将各个粒径土壤团聚体含量与不同粒级团聚体中养分放在一起考虑，不仅能详细地反映团聚体对土壤的贡献率，也能全面和客观地反映秸秆还田对长期连作棉田的作用效果。如表1所示，不同粒级团聚体养分对土壤养分的贡献率从高到低依次为0.25≤粒径≤1 mm、粒径<0.053 mm、0.053≤粒径<0.25 mm，粒径>1 mm的团聚体。其中，有机碳含量的 37.6%～49.2%的贡献率来自于0.25≤粒径≤1 mm团聚体，其次是粒径<0.053 mm团聚体;而粒径>1 mm团聚体和0.053≤粒径<0.25 mm团聚体对土壤有机碳含量的贡献率较少，分别为6.1%～7.4% 和5.3%～15.2%。0.25≤粒径≤1 mm团聚体对土壤全氮的贡献率最大，为44.2%～58.6%;粒径>1 mm团聚体对全氮的贡献率最小，为7.4%～8.2%。在0.25≤粒径 ≤1 mm 团聚体中养分含量相对较高，而且土壤中该粒级的团聚体含量是最高的，因此它的贡献率也相对较高。在粒径>1 mm团聚体中养分含量较高，但土壤中该粒级的团聚体含量最低，因此其贡献率也是最低的。由此可见，土壤团聚体对土壤养分含量的贡献率与团聚体含量高度正相关。>1 mm粒径的团聚体百分含量最低，但是该级团聚体的养分含量却是最高的。如果想要提高土壤整体养分的含量，可通过提高土壤大团聚体养分含量或者提高大团聚体的含量实现。

秸秆还田处理下0.25≤粒径≤1 mm团聚体对土壤养分的贡献率总体随着连作年限的增加而增加;0.053≤粒径<0.25 mm 和粒径<0.053 mm团聚体对土壤养分的贡献率随着连作年限的增加逐渐减低;粒径>1 mm团聚体对土壤养分的贡献率没有表现出明显的规律。无秸秆还田处理下0.25 mm≤粒径≤1 mm团聚体对土壤养分的贡献率总体随着连作年限的增加而降低;0.053≤粒径<0.25 mm和粒径<0.053 mm团聚体对土壤养分的贡献率随着连作年限的增加逐渐增加。与无秸秆还田处理相比，在粒径>1 mm和 0.25≤粒径≤1 mm团聚体中，秸秆还田处理团聚体对土壤养分的贡献率总体高于无秸秆还田处理;在0.053 mm≤粒径<0.25 mm和<0.053 mm团聚体中，秸秆还田团聚体对土壤养分的贡献率低于无秸秆还田处理。

3 讨论

土壤中的氮、磷、钾是植被生长和恢复生长的主要影响因子，是土壤肥力的重要组成部分，不同粒径的团聚体对土壤中氮、磷、钾的保持、供应和转化能力不同[20-21]。

本研究结果表明，不同连作年限土壤中的有机碳、全氮主要集中在粒径>1 mm、0.25≤粒径≤1 mm和粒径<0.053 mm 的团聚体中。这一结果与Lee等的研究结果[22-23]一致，其中Lee等在长期施肥对水稻土壤有机碳变化及土壤物理性质影响的研究中表明，粒径<0.053 mm团聚体中有机碳含量占土壤总有机碳含量的75%。秸秆还田处理下各粒径团聚体中有机碳、全氮含量随着连作年限的增加而增加。无秸秆还田处理下各粒径团聚体中有机碳和全氮含量随着连作年限的增加而下降，且秸秆还田处理高于无秸秆还田处理。这主要是由于秸秆中含有植物所需的大量元素以及微量元素，而秸秆中的大部分养分也都归还到农田土壤中，提高农田土壤的养分和肥力[24]。在粒径≥0.25 mm团聚体中有机碳、全氮含量随着粒径的增大而增加，但在粒径<0.25 mm 微团聚体中情况相反，随着粒径的增大而减少，且大团聚体中有机碳、全氮含量高于微团聚体，这与Jastrow等的研究结论[25-26]一致。产生这种现象的原因可能有2种：一是各粒级团聚体中有机碳的矿化速度不同，二是秸秆还田后土壤中有机胶结物质增多，使得小粒级的团聚体向大粒级团聚体团聚，在这个过程中碳、氮随之迁移。而在粒径<0.053 mm团聚体中有机碳、全氮含量高的原因可能是在微团聚体中粒径越小，比表面积越大，对有机碳及全氮的吸附能力就越强[27]。徐阳春等研究表明，土壤团聚体粒径越小，对NH4+的吸附量就越多，因此小粒径团聚体全氮含量较高[28]。当然也有与之相反的结论，李玮等认为，不同植茶年限土壤较小粒径团聚体中有机碳、全氮含量高于较大粒级的团聚体，粒径 <0.25 mm 团聚体中有机碳、全氮含量最高;这可能与种植的作物和土壤的类型不同有关[29]。各个粒径團聚体中全磷、全钾含量分布较均匀，没有明显的差异，这与郑子成等的研究结果[9，27]一致。这可能是因为土壤中的磷素本身性质稳定，易被固定、吸附，不易移动流失[27]。因此，各个粒径团聚体中全磷含量无明显差异。

4 结论

秸秆还田处理下，不同粒径土壤团聚体中有机碳、全氮含量随着连作年限的增加而增加。而无秸秆还田处理下，团聚体中有机碳、全氮含量随着连作年限的增加而下降，且秸秆还田处理各粒径土壤水稳性团聚体中有机碳、全氮含量均高于无秸秆还田处理。土壤团聚体中全磷含量无论是否秸秆还田均随着连作年限的增加而增加。

连作棉田土壤团聚体中有机碳、全氮含量随粒径减小呈先下降后增加的趋势，主要分布在粒径>1 mm的大团聚体和粒径 <0.053 mm 的微团聚体中，全磷、全钾含量在不同粒径的团聚体中分布较均匀，受粒径变化的影响较小，表明不同粒径水稳性团聚体对土壤碳、氮、磷、钾的保持、供应和转化能力存在明显差异。

不同粒级团聚体对土壤养分的贡献率有37%～62%来自0.25≤粒径≤1 mm团聚体，其次是粒径<0.053 mm团聚体，占13.7%～34.0%。秸秆还田处理下0.25 mm≤粒径≤1.00 mm团聚体对土壤养分的贡献率总体随着连作年限的增加而增加;0.053≤粒径<0.25 mm和粒径<0.053 mm团聚体对土壤养分的贡献率随着连作年限的增加逐渐减低，在无秸秆还田处理下变化相反。

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