长期施用绿肥对灌漠土水稳性团聚体及其有机碳的影响

贾 宇 ，车宗贤 ，3*，包兴国 ，吴科生

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，兰州730070；2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州730070；3.农业部甘肃耕地与保育农业环境科学观测实验站，武威733000）

引言

土壤团聚体作为土壤结构的重要组成部分，影响着土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蚀性，对调节土壤中的水、肥、气、热有着重要作用，其数量和大小是决定土壤侵蚀、压实、板结等物理过程速度和幅度的关键指标[1]。耕作、施肥不仅影响土壤团聚体的形成与数量，而且还对团聚体的稳定性有重要影响。土壤团聚体由大团聚体（＞0.25mm）和微团聚体（＜0.25mm）组成，其中＞0.25mm 粒径的水稳性团聚体含量是最好的结构体，且含量越高，代表土壤结构越稳定和抗侵蚀能力越强[2-4]。土壤有机碳是团聚体形成的主要胶结物质，水稳性团聚体含量随着土壤有机碳含量和微生物量的增加而增加[5，6]。

种植翻压绿肥不仅可以活化土壤中的矿质元素、提高土壤有机碳，还可以有效提高水稳性大团聚体含量和团聚体中有机碳，进而提升土壤肥力、改善土壤结构[7-9]。刘小粉[10]等研究结果发现绿肥能促进微团聚体向大团聚体周转。同时，植物残体归还的数量不同，是否有植被覆盖的差异，也会影响团聚体的形成、稳定性以及有机碳的分解速率[11]。

灌漠土是甘肃河西干旱内陆灌区经过长期耕灌形成的一种典型耕作土壤。虽然不同施肥对灌漠土促进土壤团聚方面已有些报道[12，13]，但长期施用绿肥在灌漠土上进一步细化为种植带、过渡带土壤团聚体分布和有机碳研究则少见报道。因此，本研究在河西走廊武威绿洲灌区的灌漠土上，于1988～2019 年设置了31 年的长期施用绿肥定位试验，在小麦/玉米间作体系下，来研究长期施用绿肥对种植带、过渡带土壤水稳性团聚体及其有机碳的影响，为该区培肥及土壤结构改善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验起始于1988 年，该研究区位于甘肃省农科院土肥所武威绿洲农业试验点（北纬38°37′，东经102°40′），海拔 1504m。年均气温 7.8℃，无霜期 150 天，年降雨量150mm，年蒸发量2021mm，试验开始时土壤基本理化性质为 pH8.8、有机碳9.48g·kg-1、全氮1.06g·kg-1、全磷 0.15g·kg-1、碱解氮 64.4mg·kg-1、速效磷 13.0mg·kg-1、速效钾 180.0mg·kg-1。

1.2 试验设计

本研究选取①施用绿肥（用G 表示，绿肥压青45000kg/hm2、②绿肥与化肥配施（用1/2GN 表示，绿肥压青 22500kg/hm2+N 肥 187.5kg/hm2）、③施用化肥（用N 表示，N 肥 375kg/hm2、P2O5）、④CK（无肥对照）4 个处理，绿肥为毛苕子（风干），N 肥为尿素（46%），磷肥为重过磷酸钙（42%）。小区面积31.5m2，采用随机区组设计，三次重复。自1988 年开始按3 年一个周期即“小麦/ 玉米间套作—小麦单作—玉米单作”方式轮作，自 1999 年至 2019 年20 年间，只进行小麦 / 玉米间套作，小倒茬，带幅150cm（小麦带 70cm，玉米带80cm），种植小麦或玉米的区域称“种植带”，两个种植带中间的区域称“过渡带”，如图1 所示。在小麦的苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和玉米的吐丝期、开花期和灌浆期灌水，共灌7 次水。

1.3 土样样品采集及处理

在2019 年8 月份小麦收获后分别采集种植带（小麦、玉米）、过渡带0～20cm 和20～40cm 个层次原状土样，每个处理3 个重复，将采集的原状土样在室内沿自然结构轻轻掰成小土块，过10mm 筛，自然风干，备用。

水稳性团聚体分级采用Yoder 法[14]：将萨维诺夫法干筛得到的各级团聚体按其质量百分比配成质量为50g 的土样进行湿筛。首先，将选取的50g 土样在水中浸泡 10min，然后将土样依次通过 2、0.25、0.053mm 的筛子，上下均匀震荡5min 后，将残留在不同筛子上的土粒用蒸馏水洗到铝盒中，在烘箱中烘干至恒重（40℃，48h），即为不同粒级的水稳性团聚体含量（注：由于试验采取的是小倒茬，从长期理论上来讲小麦、玉米两个条带土壤性状差别不大，因此，种植带各粒径含量即为：小麦带、玉米带的平均值）；土壤团聚体有机碳采用重铬酸钾氧化—油浴加热法。

图1 两个种植带中间的“过渡带”

1.4 计算方法

团聚体平均质量直径（MWD）的计算公式如下：

Xi为团聚体的重量百分数；Wi为某级团聚体平均直径。

1.5 统计分析

采用 SAS V8.0 进行方差分析、Excel 2003 进行数据统计及回归线方程。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对耕层土壤水稳性团聚体含量分布的影响

耕层土壤（0～20cm）中团聚体对耕地质量和作物产量贡献最大，是土壤培肥的关键，长期培肥对耕层土壤水稳性团聚体含量分布的影响见图2。

图2 长期施肥对0～20cm 耕层土壤种植带、过渡带土壤水稳性团聚体含量的分布

在＞2mm 粒径中，G 处理较CK 在种植带水稳性团聚体显著提高27.3%，其他处理均不显著；单施N 肥在过渡带中显著提高了11%，其他处理均不显著。在2～0.25mm 粒径中，1/2GN 在种植带中表现最优，与 CK处理相比较显著提高了15.6%，其他处理均没有明显提高，但与N 处理相比G 和1/2GN 处理分别显著提高了20.1%、34.8%；在过渡带G 和1/2GN 与对照相比分别显著提高了19.8%、16.5%，N 处理显著降低，与N 处理相比G 和1/2GN 分别显著提高了52.6%、48.4%。与CK 处理相比较在0.25～0.053mm 粒径种植带中G 处理显著降低了28.7%，其他处理均不显著；1/2GN 和N 处理在过渡带分别显著提高了35.5%、18.8%，其他处理变化不明显。在＜0.053mm 粒径中，G 和1/2GN 在种植带及过渡带与CK 处理相比均显著降低。

2.2 长期施肥对犁底层土壤水稳性团聚体含量的分布

由于作物生长后期作物根系下扎多分布于土壤下层，因此20～40cm 土壤团聚体对作物后期生长及根系发育起着至关重要的作用。长期施肥对犁底层土壤水稳性团聚体含量分布的影响见图3。

与CK 处理相比较，在＞2mm 粒径中所有均没有提高该粒径的水稳性团聚体含量。1/2GN、N 处理与CK 处理相比较，在2～0.25mm 粒径中种植带分别显著提高了19.7%、18.4%，处理间相比均不显著；在过渡带中所有处理均显著提高，提高幅度为19.2%～26.3%，其中翻压纯绿肥表现最优。在0.25～0.053mm 粒径种植带中与CK 处理相比较所有处理均显著提高，提高幅度为：15%～65.3%，其中1/2GN 处理最优；与CK处理相比除G 处理不显著外，1/2GN 和N 处理分别显著提高60.8%、60.2%。在＜0.053mm 粒径中与CK 处理相比种植带所有处理均不显著，但所有处理均在过渡带中显著提高，提高幅度为：65.6%～98.8%。

2.3 长期施肥对土壤水稳性大团聚体（＞0.25mm）含量的分布

连续31 年试验结果如图4，长期施肥在0～20cm土层中，G、1/2GN 较CK 均显著提高了种植带、过渡带水稳性大团聚体（＞0.25mm）的含量，其中种植带分别提高 17%、10.6%，过渡带分别提高4.69%、3.4%；G 处理在种植带、过渡带比1/2GN 显著提高了6%、3.3%，同时与CK 相比提高幅度比过渡带的提高幅度高211.8%、262.5%。N 处理降低了水稳性大团聚体的含量，但差异不显著；在20～40cm 土层中，所有处理水稳性大团聚体的含量均显著低于CK 处理，处理间相比，G 处理在两个条带均显著高于1/2GN、N 处理。由此得出G 和1/2GN 能显著提高耕作层水稳性团聚体含量，对犁底层水稳性大团聚体无影响。

2.4 长期施肥对土壤团聚体平均质量直径（MWD）的影响

团聚体平均质量直径（MWD）是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标。一般认为MWD 值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强[14]。连续31 年试验结果如图5。在0～20cm 耕层土壤中，在种植带中G 处理较CK 显著提高了23.7%，在过渡带中N处理较CK 显著提高了7.3%，其他处理均不显著。在20～40cm 犁底层土壤中团聚体平均质量直径（MWD）在种植带中G 处理较N 处理显著提高，在过渡带中G较1/2GN 显著提高。所有处理无论是种植带还是过渡带团聚体平均质量直径（MWD）均显著低于CK。

图3 长期施肥对犁底层土壤种植带、过渡带土壤水稳性团聚体含量分布的影响

图4 长期施肥对种植带、过渡带水稳性大团聚体0～40cm 土层含量分布的影响

图5 长期施肥对种植带、过渡带土壤团聚体平均质量直径的影响

2.5 长期施肥对耕层土壤水稳性团聚体中有机碳含量的影响

有机碳的积累在耕层土壤表现最为明显，并对团聚体的影响最大，长期施肥对耕层土壤团聚体有机碳的影响见图6。

团聚体有机碳含量在种植带和过渡带均在粒径2～0.25mm 水稳性团聚体中含量最高，G、1/2GN 较 CK各粒径有机碳含量极显著提高，种植带中G 较CK 增加团聚体有机碳含量最多，增加21.74%～68.15%；在过渡带中1/2GN 较CK 增加团聚体有机碳含量最多，增加19.88%～45.6%；G、1/2GN 较N 各粒径有机碳含量亦极显著增加。N 较CK 在种植带、过渡带中粒径＞0.25mm 的水稳性大团聚体中有机碳含量显著性增加。2.6 耕层土壤团聚体有机碳与水稳性大团聚体相关性分析

图7 分析了耕层土壤种植带、过渡带团聚体中有机碳与水稳性大团聚体含量的关系。结果表明，水稳性大团聚体含量与团聚体有机碳呈极显著正相关关系（n=12、r=0.729**），团聚体有机碳每提高 0.1g·kg-1，种植带和过渡带水稳性大团聚体分别提高0.4%和0.25%，说明团聚体有机碳含量的提高有利于水稳性大团聚体的形成。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 长期施肥对耕层土壤种植带和过渡带土壤水稳性团聚体含量水平分布。团聚体的形成、空间分布除了受土壤本身物质的影响外，也受施肥、种植制度等人为因素的影响[15，16]。本项研究结果，在小麦/玉米间作体系下，连续32 年试验耕层土壤种植带和过渡带空间分中土壤水稳性团聚体含量，G 较CK，粒径＞2mm水稳性团聚体含量种植带显著提高了27.3%，种植带较过渡带提高了23.6%；粒径2～0.25mm 过渡带显著提高了19.8%；粒径0.25～0.053mm 团聚体种植带显著降低，过渡带差异显著,种植带与过渡带水稳性团聚体差异不显著，同时MWD 也显著提高了23.7%。由此认为，施用绿肥对0～20mm 耕作层土壤，可促进种植带、过渡带微团聚体（＜0.25mm）向＞2mm 大粒径团聚体形成。1/2GN 种植带与过渡带团聚体由微团聚体（＜0.25mm）向2～0.25mm 小团聚体转变。增施绿肥可大大提高土壤有机质的积累，从而起到有机碳对团聚体胶结作用，提高大团聚体。谢凯[17]研究结果发现，随着绿肥施用量的增加，有机碳迅速提高，大颗粒团聚体明显增多，土壤团聚体稳定性呈现明显升高的趋势。

图6 长期施肥对种植带、过渡带0～20cm 土层水稳性团聚体有机碳含量分布的影响

图7 耕层土壤团聚体有机碳含量与水稳性大团聚体含量的关系

种植带对于形成大团聚体效果大于过渡带，这可能与种植带长期种植作物，使作物根系的分泌物产生了胶结作用，促进了小团聚体向大团聚体形成有关。王婷[18]曾报道指出根系分泌物能够通过刺激微生物生长，起到活化作用，从而增加土壤中＞2mm 粒级团聚体的含量，进而提高团聚体的稳定性。白录顺等[19-21]曾报道指出新鲜的作物根系分泌物能快速黏结土壤颗粒，避免遭水破坏，保护团聚体，从而使团聚体更加稳定。

连续32 年施用化肥在种植带对微团聚体的形成无影响，过渡带在粒径＞2mm、0.25～0.053mm 的水稳性团聚体含量显著提高，分别提高11%、18.8%，MWD显著提高了7.3%。施用化肥过渡带较种植带大团聚体效果明显，可能是因为施用氮肥造成种植带的土壤溶液浓度过高，渗透阻力增大，根系分泌物的胶结作用发挥不足，从而影响了团聚体的形成[21]。

3.1.2 长期施肥对耕层土壤种植带、过渡带团聚体有机碳含量的影响。土壤团聚体碳是土壤碳蓄积与转化的重要机制之一，各粒级团聚体有机碳含量是土壤有机碳平衡与矿化速率的微观表征[22-24]。有研究表明生草栽培可提高果园土壤有机质含量，增加团聚体有机碳的含量[25]。本项研究结果表明：G 和1/2GN 施较CK各粒径有机碳含量极显著提高，种植带中G 较CK 增加团聚体有机碳含量最多，增加21.74%～68.15%；在过渡带中1/2GN 较CK 增加团聚体有机碳含量最多，增加 19.88%～45.6%；G 和 1/2GN 较 CK 各粒级有机碳含量亦极显著增加。

3.1.3 长期施肥对耕层土壤水稳性大团聚体含量与有机碳相关性。在各施肥处理下，灌漠土各粒级团聚体有机碳含量与不施肥处理相比均有所提高，并且呈现出相同的变化趋势。其中，2～0.25mm 粒径团聚体有机碳的含量最高[12]。试验结果表明，在耕层土壤中G 和1/2GN 均显著提高了种植带、过渡带水稳性大团聚体含量；有机碳含量主要富集在2～0.25mm 粒径中，并与水稳性大团聚体呈极显著正相关。这与5 年前的研究结果相一致，更加明确了在稳定灌漠土上土壤有机碳对水稳性大团聚体的促进作用。

3.2 结论

3.2.1 在小麦/玉米长期定位间作体系中，连续32 年施用绿肥45000kg/hm2能促进种植带中微团聚体 ＞0.25 向大团聚体＞2mm 的转移；施用绿肥45000kg/hm2和减半施用绿肥与氮肥配合，均能显著促进过渡带微团聚体向大团聚体的转移。

3.2.2 长期施肥耕作层土壤水稳性大团聚体效果优于犁底层。

3.2.3 在耕层（0～20cm）中，长期施用绿肥能显著提高＞0.25mm 粒径的水稳性团聚体含量，其中种植带提升了17%，过渡带提升4.69%；与CK 相比，种植带提高幅度比过渡带的提高幅度高211.8%、262.5%。

3.2.4 耕作层G、1/2GN 较CK 各粒径有机碳含量极显著提高，种植带中G 较CK 增加团聚体有机碳含量最多，增加21.74%～68.15%；在过渡带中1/2GN 较CK增加团聚体有机碳含量最多，增加19.88%～45.6%。耕层团聚体土壤有机碳含量与＞0.25mm 粒径水稳性大团聚体含量呈极显著正相关，种植带的高于过渡带。有机碳每提高0.1g·kg-1，种植带和过渡带水稳性大团聚体分别提高0.4%和0.25%。