玉米间作大豆、萝卜对红壤不同粒径水稳性团聚体碳氮分布的影响

2022-03-05李孝梅李永梅乌达木范茂攀

中国土壤与肥料 2022年1期

李孝梅，李永梅，乌达木，范茂攀

（云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201）

土壤团聚体是土壤结构的重要物质基础和肥力的重要载体，其组成和稳定性直接影响了土壤理化性质，进而影响农作物生长。以0.25 mm为界限，团聚体被分为大团聚体（Macro-aggregates）和微团聚体（Micro-aggregates）。不同粒级团聚体在养分的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用［1］。土壤团聚体通过对土壤水、肥、气、热各项土壤指标的综合影响进一步影响农业生产和生态环境，有机碳是团聚体存在的主要胶结物质，能够保护土壤结构，增加团聚体稳定性，显著改善耕地质量，提高耕地肥力，而土壤团聚体是有机碳的固存场所［2］。长期研究表明土壤团聚体对土壤有机碳具有物理保护作用，良好的团聚体结构能促进土壤有机碳的积累［3］。土壤团聚体与土壤中碳、氮含量之间相互影响［4］，土壤中碳能够提高土壤团聚体稳定性，且有利于促进土壤中微团聚体和大团聚体形成［5-6］，而土壤团聚体对土壤中氮的转化有促进作用［7］。

间作是广泛应用的传统农业种植模式，Zarea等［8］研究发现，间作能增加土壤微生物量的含量，间作不同作物根系的生长在空间与时间上的差异性，以及交互作用可诱导根系分泌功能增强，从而活化更多种类与数量的微生物。根系分泌物的种类和数量决定了土壤微生物的种类和数量［9］，根系分泌物本身作为有机胶结剂，能够增加土壤颗粒的结合强度，降低变湿速率，从而促进土壤的团聚化作用［10］。土壤微生物是形成土壤团聚体最活跃的生物因素，根系分泌物作为根际微生物的主要碳源和能源物质，在微生物活动的驱动下，间接地影响了土壤团聚体的形成和稳定［11］。Wang等［12］研究发现，间作可显著提高团聚体有机碳、氮的含量。同时有研究表明，间作模式可以显著提高水稳性大团聚体含量，间作模式下各团聚体稳定性指标均优于单作模式，说明间作模式下土壤团聚体稳定性明显强于单作模式［13-14］。但作物间作条件下，有机碳、氮在不同粒径团聚体中的含量分布状况是怎样的尚不清楚。因此，本试验以玉米间作不同的作物为研究对象，探讨其对土壤团聚体中有机碳、氮的含量分布以及微生物量碳、氮的影响，为不同种植模式改善土壤团聚体状况和肥力提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于云南省昆明市盘龙区松华乡大摆村，地理坐标为102°58′39.7″E，25°2′28.8″ N，海拔2200～2300 m，坡度8°，年平均气温16℃，年降水量900～1000 mm，属于亚热带季风气候。试验土壤为红壤，基本理化性状：有机质39.55 mg/kg，碱解氮105.00 mg/kg，有效磷26.83 mg/kg，速效钾217.00 mg/kg，土壤pH为5.20。

1.2 试验设计

试验期为2019年4～10月，在同一坡面上采取随机区组设计，各小区面积为4 m×10 m，上下、左右均间隔1 m作为人行横道，试验共设置5个处理，分别为：玉米单作（玉单）、大豆单作（豆单）、萝卜单作（萝单）、玉米大豆间作（玉//豆）、玉米萝卜间作（玉//萝），每个处理设置3个重复，共15个小区，设计玉米与大豆及萝卜的间作是因为玉米与二者的高度不同，田间小气候会产生变化，而大豆和萝卜间作则没有这种影响。前人以此种植模式已连续种植两年，本试验为第3年种植。

玉米单作采用宽窄行种植，宽行80 cm，窄行40 cm，株距25 cm，每行16株，共17行；大豆等行距种植，行距60 cm、株距25 cm，每行16株、共17行；萝卜单作采用等行距种植，行距60 cm、株距30 cm，每行13株、共17行；玉米大豆间作采用2∶2种植模式（2行玉米间作2行大豆，此种植模式为当地传统种植模式），玉米行距40 cm、株距25 cm，大豆行距40 cm、株距20 cm，玉米和大豆行距40 cm，玉米12行、每行13株，大豆11行、每行16株；玉米萝卜间作采用2∶2种植模式（2行玉米间作2行萝卜，此种植模式为当地传统种植模式），玉米行距40 cm、株距25 cm，萝卜行距40 cm、株距30 cm，玉米和萝卜行距40 cm，玉米12行、每行13株，萝卜11行、每行11株。

玉米施N 315 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，其中氮肥分2次（50%作基肥，50%作追肥），追肥在喇叭口期进行，磷肥和钾肥全部作基肥施用；大豆施N 120 kg/hm2、P2O5240 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，全部作基肥施用；萝卜施N 150 kg /hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，全部作基肥施用。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集

在作物成熟期进行采样，每个小区按“S”形（三点采样）采集0～20 cm土层行间土土样（玉米大豆间作采集玉米大豆之间的行间土，玉米萝卜间作采集玉米萝卜之间的行间土），混合成一个样品，样品采集完成后，去除可见植物残体及石子后立即测定土壤含水量，一部分土样在0～4℃冷藏，以待及时测定微生物量碳、氮，另一部分土样自然风干后，测定土壤有机碳、全氮。

1.3.2 团聚体分级

土壤水稳性团聚体的分离参照Elliott［15］的方法测定，具体操作为：称取100 g风干土，置于2mm土筛上，蒸馏水浸泡10 min，然后将土样依次通过2、0.25 mm的土筛。团聚体的分离通过上下移动筛子3 cm，重复50次（2 min内）进行，收集各级筛子上的团聚体并分别转移至铝盒中，于60℃下烘干，称重。＜0.25 mm粒级的团聚体通过将溶液沉降、离心获得。把＞0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性大团聚体（Macro-aggregate），而＜0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性微团聚体（Microaggregate）。团聚体样品测定分为3个粒级：＞2、0.25～2、＜0.25 mm。

1.3.3 样品测定

土壤全氮：凯氏定氮法测定。

土壤有机质：取0.1 g土样倒入取样舟，用0.1mol/L的盐酸滴定样品，再放进烘箱110℃烘4 h，取出取样舟静止24 h，用TOC仪测定。

微生物量碳（MBC）：氯仿熏蒸-K2SO4浸提法［16］。浸提液中有机碳含量用TOC有机碳分析仪测定。土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土样滤液中碳含量之差除以转换系数KC得到。微生物量碳的换算系数KC为0.38［17］。

微生物量氮（MBN）：微生物量氮浸提液的提取方法同微生物量碳，浸提液中的氮用凯氏定氮法测定，土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土样滤液中氮含量之差除以转换系数KN得到。微生物量氮的换算系数KN为0.45［17］。本试验微生物量碳、氮的测定样品在熏蒸前进行了预培养。用去离子水调节土壤样品湿度至40%的田间持水量，将土壤样品置于25℃恒温培养箱中预培养15 d，并放置适量水以保持相对湿度，再放置一杯1 mol/L NaOH溶液以吸收释放的CO2，此操作步骤主要为了恢复微生物的活性。

1.4 数据处理与统计分析

各级团聚体的百分含量（%）=该级团聚体质量/土壤样品总质量×100

式中，SOC为土壤有机碳含量（g/kg），TN为土壤全氮含量（g/kg）。

式中，MBC为微生物量碳（mg/kg），MBN为微生物量氮（mg/kg）。

数据用Excel 2010、SPSS 13.0进行统计分析，各处理间的比较采用One-way ANOVA分析。

2 结果与分析

2.1 土壤水稳性团聚体的分布

土壤团聚体粒径大小、含量分布都会影响土壤的物理特性。表1为不同种植模式下土壤水稳性团聚体的百分含量。在相同种植模式或不同种植模式中，粒径为0.25～2 mm的质量百分数大于粒径为＜ 0.25 mm的百分含量，粒径在＞2 mm的团聚体百分含量为三者中最低。不同的种植模式下，＞2 mm团聚体百分含量为玉米萝卜间作最高，大豆单作最低，表现为：玉//萝＞玉//豆＞玉单＞萝单＞豆单，分别是22.86%、19.23%、18.20%、16.89%、15.53%。0.25～2mm粒径团聚体百分含量为玉米大豆间作最高，玉米萝卜间作最低，表现为：玉//豆＞豆单＞玉单＞萝单＞玉//萝，分别为57.13%、56.30%、56.29%、55.21%、53.27%。粒径＜0.25 mm团聚体的百分含量为大豆单作最高，玉米大豆间作最低，表现为：豆单＞萝单＞玉单＞玉//萝＞玉//豆，分别是28.17%、27.90%、25.51%、23.87%、23.64%。玉米大豆间作和玉米萝卜间作大团聚体总和的百分含量都显著高于大豆单作和萝卜单作，间作模式中则为玉米大豆间作高于玉米萝卜间作，而在所有种植模式中团聚体百分含量都表现为大团聚体＞微团聚体。

表1 土壤各级水稳性团聚体的百分含量（%）

2.2 土壤团聚体中有机碳、全氮含量的变化

不同处理土壤团聚体中有机碳的含量见图1。由图1可知，不同处理＞2 mm、0.25～2 mm、＜0.25 mm各粒径土壤团聚体有机碳含量分别为16.80～18.08、16.93～18.83、16.91～18.23、17.67～18.26、16.60～18.52 g/kg，玉米大豆间作有机碳含量最高，玉米单作有机碳含量最低。同一处理中有机碳含量为0.25～2 mm＞0.25 mm以下＞2 mm以上。有机碳含量最大值出现在玉米大豆间作中的0.25～2 mm粒径内，为18.83 g/kg，最小值在萝卜单作＞2 mm粒径内，为16.60 g/kg。＞2 mm粒径团聚体有机碳与0.25～2和＜0.25 mm粒径团聚体有机碳有显著差异。总体而言，团聚体有机碳＞0.25 mm粒径明显高于＜0.25 mm粒径，这就表明团聚体有机碳主要聚集在大团聚体内。

图1 土壤团聚体中有机碳的含量

不同处理土壤团聚体全氮含量见图2。由图2可知，不同处理条件下，团聚体全氮含量变化范围为：1.24～1.76、1.52～2.21、1.58～2.03、1.57～1.84、1.81～2.06 g/kg。在5个处理中，＞2 mm粒径团聚体的全氮含量表现为萝卜单作含量最高，为1.81 g/kg，玉米萝卜间作含量最低，为1.24 g/kg；对于0.25～2 mm粒径，玉米大豆间作全氮含量最高，为2.21 g/kg，大豆单作含量最低，为1.75 g/kg；对于＜0.25 mm粒径，玉米单作全氮含量最高，为2.03 g/kg，玉米萝卜间作含量最低，为1.75 g/kg。同一处理中团聚体全氮含量以0.25～2 mm粒径为最高，＞2 mm粒径含量最低。同土壤团聚体有机碳变化趋势一致，团聚体全氮含量主要也是集中在＞ 0.25 mm粒径的大团聚体内。

图2 土壤团聚体中全氮的含量

2.3 土壤团聚体有机碳、全氮的C/N变化

不同处理对土壤团聚体C/N（SOC/TN）的影响见表2。由表2可知，土壤团聚体有机碳在不同的处理或同一处理的不同粒径中都存在显著的差异性（P＜0.05），土壤团聚体全氮含量在同一处理的不同粒径或不同的处理中变化也都存在显著的差异性（P＜0.05）。有机碳与全氮的C/N在不同的处理中差异显著（P＜0.05），变化范围为8.52～13.55。在同一处理中除萝卜单作外，其余处理都存在差异性，土壤团聚体C/N的变化范围从小到大依次为10.22～13.55、8.52～11.14、8.65～10.70、9.77～11.25、8.99～9.85。玉米萝卜间作的C/N为所有处理中的最大值，最小值为萝卜单作；间作模式处理中玉米萝卜间作的C/N变化范围最大，玉米大豆间作的C/N变化范围小于玉米萝卜间作但大于所有的单作模式；在单作模式中，除萝卜单作C/N变化不明显，其余两种单作模式变化较明显。总的来说，间作的C/N变化较单作明显，＞2 mm粒径团聚体的C/N较＜0.25 mm粒径的变化明显。

表2 土壤团聚体有机碳、全氮的C/N

2.4 土壤团聚体微生物量碳、氮的含量变化

不同处理对土壤团聚体微生物量碳的影响见图3。由图3可知，不同处理微生物量碳的变化范围依次为283.65～313.38、297.65～369.36、234.26～308.80、222.91～284.32、171.14～279.36 mg/kg，在不同的处理中，玉米萝卜间作、玉米大豆间作的微生物量碳含量明显高于玉米、大豆、萝卜单作，而间作模式中玉米大豆间作的微生物量碳含量高于玉米萝卜间作。单作模式中微生物量碳的含量变化表现为玉单＞豆单＞萝单。微生物量碳的最大值出现在玉米大豆间作的0.25～2 mm粒径团聚体内，最小值出现在萝卜单作的＜0.25 mm粒径团聚体内。同一处理中，团聚体微生物量碳主要聚集在大团聚体（＞0.25 mm）内，其含量明显高于微团聚体（＜0.25 mm）。所有处理中＞2 mm粒径团聚体的微生物量碳差异不显著，0.25～2 mm、＜0.25 mm粒径团聚体的微生物量碳存在显著差异性（P＜0.05）。

图3 土壤团聚体微生物量碳的含量

土壤团聚体微生物量氮的含量见图4。由图4可知，不同处理微生物量氮的变化范围分别为72.88～93.18、98.34～105.53、63.06～110.31、37.09～90.30、34.16～58.75 mg/kg，在不同处理中，玉米大豆间作微生物量氮的含量最高，其次是玉米萝卜间作，这两种种植模式的微生物量氮含量明显高于单作模式；在单作种植模式中，微生物量氮含量表现为玉单＞豆单＞萝单。微生物量氮的最大值出现在玉米单作＞2 mm粒径的团聚体内，最小值出现在萝卜单作＜0.25 mm粒径的团聚体内。同一处理中，微生物量氮的含量主要聚集在大团聚体（＞0.25 mm）内，且含量明显高于微团聚体（＜0.25 mm）。所有处理中，＞2 mm、0.25～2 mm、＜0.25 mm粒径的微生物量氮都存在显著性差异（P＜0.05）。

图4 土壤团聚体微生物量氮的含量

2.5 土壤团聚体微生物量碳、氮的C/N变化

不同处理土壤团聚体微生物量碳、氮的C/N见表3。由表3可知，不同处理中微生物量碳、氮的C/N存在差异性，土壤团聚体微生物量碳、氮的C/N总变化范围为2.80～6.01，不同处理的微生物量碳、氮的C/N从小到大依次为3.04～4.30、3.03～3.50、2.80～3.71、3.15～6.01、4.76～6.00。在同一处理中团聚体粒径内微生物量碳、氮的C/N也存在差异性。大豆单作＜0.25 mm粒径团聚体的C/N为所有处理中的最大值，最小值则为玉米单作＞2 mm粒径团聚体的C/N，单作模式处理中大豆单作的微生物量碳、氮的C/N变化范围最大，变化最小的为间作模式中的玉米大豆间作。整体来说，单作的C/N变化比间作明显，＜0.25 mm粒径团聚体的C/N变化比＞2 mm粒径的变化明显，2～0.25 mm粒径的C/N与＜0.25 mm粒径的变化一致。

表3 土壤团聚体微生物量碳、氮的C/N

3 讨论

3.1 不同处理对红壤水稳性团聚体分布的影响

土壤团聚体是土壤结构的物质基础，良好的土壤结构需要有较多的大团聚体存在，尤其是水稳性大团聚体的数量和分布对土壤的持水性和抗侵蚀性等都有很大的影响［18-19］，稳定的土壤结构可以使得受团聚体物理保护的有机碳免受矿化分解。土壤水稳性团聚体的数量和分布状况更是反映了土壤结构的稳定性、持水性和抗侵蚀等能力［20-21］。此前，对间作系统的研究发现，间作可提高农田土壤团聚体稳定性及其团聚体有机碳含量，玉米大豆间作增加了土壤中粒径＞0.25 mm团聚体的含量［22-23］；这与本研究结果一致，玉米大豆间作、玉米萝卜间作处理中大团聚体的含量高于单作处理，可能原因是间作促进作物根系分泌物的分泌量，根系分泌物的增加主要影响以其为底物的细菌和真菌的数量［24］，根际细菌的活力提高，促进细菌释放多糖等物质，成为土粒间有效的胶黏物质，有利于单个土粒转化为微团聚体；而根际真菌的活力提高，促进其菌丝生长，对微团聚体具有缠绕作用，有利于微团聚体转化为大团聚体［25］。

3.2 不同处理对红壤团聚体有机碳、氮分布及C/N的影响

土壤团聚体是维持土壤质量的重要物质基础，通常认为有机质是土壤团聚体形成的重要胶结物，有机碳较高的土壤团聚体更为稳定［26-27］。反之，稳定的团聚体结构能够保护有机碳、氮，使其免受矿化分解，增加在团聚体内的富集量。江春玉等［28］研究表明，有机碳、氮在团聚体内表现为1～2 mm粒径最高，0.25～1 mm次之，0.053～0.25 mm最低，大团聚体中有机碳、氮含量显著高于微团聚体；本研究结果与其一致，在所有处理中，有机碳、氮在团聚体内表现为0.25～2 mm粒径最高，大团聚体中有机碳、氮含量高于微团聚体。这一结果与团聚体等级发育模型理论［29］相吻合，一方面有机质把微团聚体胶结成大团聚体，另一方面处于分解状态的植物根系和微生物菌丝可以通过缠绕作用直接形成大团聚体，并增加其中有机碳的浓度。在本试验的所有处理中，0.25～2 mm粒径团聚体数量占比较高，且有机碳、氮的含量也表现出在此粒径中最高。微团聚体（＜0.25 mm）的数量低于0.25～2 mm粒径团聚体的数量，其有机碳、氮的含量也低于0.25～2 mm粒径，＞2 mm粒径团聚体占比最低，其有机碳、氮的含量也最低。＜0.25 mm粒径团聚体有机碳、氮的含量稍高的原因可能是微团聚体黏粒含量较高，有机碳易吸附到黏土矿物表面形成稳定的复合体［30］，成为土壤有机碳中极稳定的碳库。土壤C/N是土壤营养状况的重要指标［31］，较低的C/N意味着土壤有机碳矿化快，有机物腐解程度高，土壤养分有效性高［32］；较高的C/N意味着有机碳稳定，利于其在土壤中积累。土壤中与微团聚体结合的碳是形成时间较长的碳，由于碳的分解，降低了微团聚体中的C/N［33］。本试验中微团聚体的C/N小于其余两种粒径的C/N，与其结果一致。

3.3 不同处理对红壤团聚体微生物量碳、氮分布的影响

作为土壤结构的基本单位，团聚体同时也是微生物活动的主要场所，土壤物质与能量的循环转化主要发生在团聚体内。土壤微生物生物量作为反映土壤肥力变化和扰动的一个重要指标，与团聚体数量及质量之间也存在密切联系［34］。有研究表明，微生物量碳、氮的含量与水稳性团聚体的含量呈显著的正相关，大团聚体的微生物量碳、氮含量高于微团聚体［35］。本试验中，不同的处理条件下微生物量碳、氮的含量表现出明显的差异，微生物量碳、氮的C/N也随之变化，微生物量碳、氮在＞2 mm和0.25～2 mm粒径中的含量明显高于＜0.25 mm粒径的含量，间作模式显著高于单作，可能原因为间作条件下，根系分泌物的种类和数量高于单作，以根系分泌物为底物的微生物的种类和活性也相应增加。土壤中微生物群落不同，土壤的微生物量碳、氮的C/N也不同［36］。单、间作条件下，微生物量碳、氮的C/N变化范围为2.80～6.01，这说明不同种植模式对微生物的生长环境有影响。