轮作休耕模式对土壤团聚体及有机碳含量的影响

夏梓泰, 程伟威, 李永梅, 赵吉霞, 范茂攀

(云南农业大学 资源与环境学院, 昆明 650201)

土壤团聚体是土壤结构和功能的基本单位，是农田土壤的重要组成部分[1-2]。作为衡量土壤质量的指标之一，团聚体不仅仅决定土壤结构的稳定性，还与土壤物理性质和抗侵蚀能力等有着直接联系[3-4]。土壤有机碳是陆地生态系统中最大的碳库，其含量约占陆地生物圈碳库的 2/3[5]，土壤中的有机碳轻微的变化也会对全球的碳平衡产生很大影响[6]。土壤团聚体与有机碳关系紧密。土壤表层中的有机碳约90%储存在团聚体中[7]，团聚体对有机碳提供物理保护的作用，前者能够通过调节其内外氧气和水分的流通情况来降低微生物对有机碳的矿化分解[8]。而有机碳是团聚体形成的物质基础，在土壤团聚过程中起胶结的作用[9]。

2016年6月24日，我国颁发《探索实行耕地轮作休耕制度试点方案》，轮作休耕制度能增加土壤有机质，提升土壤肥力，改善耕地质量，促进耕地永续利用[10]。在我国云南省滇中地区土壤类型主要以红壤为主，由于长期的不合理耕种和土壤管理，导致该地区土壤质量下降，水土流失严重，进而影响作物产量和土壤资源的可持续利用[11]，对当地粮食安全造成一定的隐患，云南省坡耕地所产生的土壤侵蚀量达到全省总量的40%[12]，鉴于此，本研究通过在云南省滇中红壤地区坡耕地进行田间试验，分析玉米轮作休耕体系下土壤团聚体稳定性及有机碳含量特征，旨在为当地坡耕地水土保持和农业可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于云南省昆明市盘龙区松华坝水源区大摆社区(25°2′28.8″N，102°58′39.7″E)，坡度为10°，属亚热带季风气候，海拔为2 234 m，年降水量900～1 000 mm，年平均气温16℃。该试验地土壤基本理化性质为：pH 6.29，有机质30.15 g/kg，全氮1.14 g/kg，碱解氮115.3 mg/kg，速效磷6.41 mg/kg，速效钾92.36 mg/kg。

1.2 试验材料

供试作物：玉米品种为云瑞“88”；苕子和豌豆品种为当地普遍采用的白花矮茎豌豆和毛叶紫花苕。

1.3 试验设计

本试验小区面积为4 m×5 m，坡度为10°，试验设4个处理，玉米-苕子-玉米轮作(Z-L-Z)、玉米-豌豆-玉米轮作(Z-S-Z)、玉米单作(ZZ)、休闲地(AW)，每个处理三次重复，共12个小区，区组内小区随机排列。其中，玉米-苕子-玉米轮作从2018年夏季种植玉米，冬季种植苕子，2019年夏季种植玉米；玉米-豌豆-玉米轮作从2018年夏季种植玉米，冬季种植豌豆，2019年夏季种植玉米；玉米单作从2018年夏季种植玉米，冬季休闲，2019年夏季种植玉米；休闲地则为撂荒处理，休闲地中生长的植被主要有：三叶鬼针草(Bidenspilosa)、大狗尾草(Setariafaberii)、马唐(Digitariasanguinalis)、野燕麦(Avenafatua)、异形莎草(Cyperusdifformis)、风轮(Clinopodiumchinense)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、薇甘菊(Mikaniamicrantha)、紫茎泽兰(Eupatoriumadenophorum)。

玉米采用宽窄行种植，宽行80 cm，窄行40 cm，株距25 cm。播种模式为穴播，种植时每穴两粒，待出苗后两株取其一，单个小区植株共计9行，每行16株。苕子和豌豆采用撒播种植方式，将种子均匀撒于种完玉米的小区里，然后结合中耕、除草稍微翻动表土，播种深度 (覆土厚度)为 2—3 cm。玉米施肥采取单株精准施肥模式，玉米施N 315 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2，其中氮肥分两次(50%做基肥，50%做追肥)，追肥在喇叭口期进行，磷肥和钾肥全部做基肥施用；苕子和豌豆作为绿肥作物，不做施肥处理。玉米在播种、施肥、灌水后采用塑料透明薄膜覆盖。在作物各个生长期内，根据作物的长势情况，适时进行灌水作业，为避免扰动土壤，原则上不做除草工作。在轮作完豌豆及苕子后对其翻压处理。休闲地小区不进行耕作等田间管理。

1.4 样品采集与处理

1.4.1 样品采集 于2019年玉米完熟期采用“S”型五点取样方法进行土壤样品采集，在每个小区分别采集0—20 cm和20—40 cm两个土层的土样，在采样和运输过程中避免挤压和扰动，保持土壤的原状结构，以免破坏团聚体。采样后将土样按其自然结构掰成直径约5 cm的土块，剔除石块和植物根系等杂物，在实验室进行风干以用于团聚体和有机碳的测定。

1.4.2 样品处理 团聚体测定[13]：将风干后的土壤样品，置于不同孔径的套筛顶部，然后安装好底盒和筛盖，再进行振荡，左右振幅为10 cm，频率为150次/min，振荡时间为2 min。随后对各粒级机械稳定性团聚体称重后计算其质量百分含量，并按各粒级质量比收集100 g混合土样。将100 g混合土样放置于团聚体分析仪中，保证水没过筛底部，且振动时不没过其顶部，进行以上下振幅3 cm，频率30次/min，20 min后将各粒级水稳性团聚体冲入铝盒中，105℃烘干12 h后计算各粒级水稳性团聚体质量。

有机碳测定[14]：首先进行土壤酸化，每次称取0.1 g(±5%)倒入取样舟，用0.1 mol/l的盐酸滴定样品；再放进烘箱将样品风干(调温105～110℃)，4 h后打开箱门，将取样舟静置24 h；随后，将静置的样品进行编号，采用multi N/C 3100 TOC总有机碳/总氮分析仪进行测定。

1.5 数据分析

平均质量直径(MWD，mm)[2]:

(1)

几何平均直径(GMD，mm)[2]:

(2)

>0.25 mm水稳性团聚体含量(R0.25)[2]：

(3)

式中:R0.25为粒径>0.25 mm水稳性团聚体含量(%);Mr>0.25为粒径>0.25 mm水稳性团聚体质量(g);MT为水稳性团聚体总质量(g)。

结构体破坏率(PAD，%)[15]：

(4)

式中:wx0.25为>0.25 mm机械稳定性团聚体质量(g);ww0.25为>0.25 mm水稳性团聚体质量(g)

使用Microsoft Excel 2010软件进行试验数据处理和图表制作，用SPSS 22.0软件进行单因素ANOVA分析以及Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 轮作休耕模式下土壤团聚体组成特征

2.1.1 土壤机械稳定性团聚体组成特征 土壤机械稳定性团聚体能抵抗机械破坏，是评价土壤结构好坏的指标之一[16]。轮作休耕模式下土壤机械稳定性团聚体组成特征见表1，从不同粒径来看，在≥0.25 mm粒径范围，随粒径的减小含量呈现先增大后减小的趋势；而在<0.25 mm粒径范围，随粒径的减小含量也随之减小。从不同土层来看，20—40 cm土层的≥0.25 mm大团聚体高于0—20 cm，说明大团聚体随土层深度增加呈增加的趋势；在0—20 cm土层，不同种植模式下粒径为≥0.25 mm大团聚体所占比例大小顺序为AW>Z-L-Z>Z-S-Z>ZZ，AW与ZZ差异显著(p<0.05)；在20—40 cm土层，不同种植模式下粒径为≥0.25 mm大团聚体所占比例大小顺序为AW>Z-S-Z>ZZ>Z-L-Z，各处理间差异不显著。

从整体来看，4种种植模式下的土壤≥0.25 mm大团聚体含量占比都在80.68%以上，其中，AW高于其他处理至少4.1%，并且AW处理下，>5 mm粒径的大团聚体显著高于其他处理64.5%～77.9%(p<0.05)，另外，除了AW外，其余3种种植模式下团聚体组成中皆为2～5 mm占比最高，由此可知，不同处理下土壤中≥0.25 mm大团聚体占主要比例，且AW处理高于其他处理。

表1 轮作休耕模式下不同土层机械稳定性团聚体粒级分布

2.1.2 土壤水稳定性团聚体组成特征 相对于机械稳定性团聚体，土壤水稳定性团聚体更能在降雨条件下表征土壤质量状况[17]。轮作休耕模式下土壤水稳定性团聚体组成特征见表2，从不同土层来看，在0—20 mm土层，粒径为≥0.25 mm的大团聚体以AW种植方式最高，与ZZ差异显著(p<0.05)，但与Z-L-Z和Z-S-Z差异不显著，>2 mm的团聚体则以Z-L-Z种植方式最高，与AW差异显著(p<0.05)，但与Z-S-Z和ZZ差异不显著；而在20—40 cm土层，粒径为≥0.25 mm的大团聚体以AW种植方式最高，与ZZ和Z-L-Z差异显著(p<0.05)，但与Z-S-Z差异不显著，>2 mm的团聚体以Z-S-Z种植方式最高，和AW差异显著(p<0.05)，但与Z-S-Z和ZZ差异不显著。

从整体来看，4种种植模式下土壤各粒径团聚体占总团聚体的比例均以≥0.25 mm的含量最大，比例达到了77.05%～88.32%，且≥0.25 mm团聚体所占比例大小顺序为AW>Z-S-Z>Z-L-Z>ZZ，另外，Z-L-Z，Z-S-Z和ZZ3种种植模式的团聚体含量随粒径的减小呈现先减少后增多的规律，而AW则是先增大后减小。

表2 轮作休耕模式下不同土层水稳性团聚体粒级分布

2.2 轮作休耕模式下土壤团聚体稳定指数分析

由图1可知，轮作休耕模式下土壤团聚体稳定指数呈现一定的规律，从不同指数来看，各处理土壤团聚体的MWD的大小顺序为AW>Z-S-Z>Z-L-Z>ZZ，与玉米单作ZZ相比，AW，Z-S-Z和Z-L-Z分别显著提高了46.3%，40.1%，29.8%(p<0.05)；GMD的大小顺序为AW>Z-L-Z>Z-S-Z>ZZ，与玉米单作ZZ相比，AW，Z-L-Z和Z-S-Z分别显著提高了26.9%，17.1%，15.9%(p<0.05)；R0.25的大小顺序为AW>Z-S-Z>Z-L-Z>ZZ，与玉米单作ZZ相比，AW，Z-S-Z和Z-L-Z分别显著提高了29.7%，14.7%，13.8%(p<0.05)；PAD的大小顺序为ZZ>Z-S-Z>Z-L-Z>AW，与玉米单作ZZ相比，AW，Z-L-Z和Z-S-Z分别显著降低了53.1%，21.2%，17.1%(p<0.05)。从总体来看，不同处理稳定性参数变化基本一致，休闲地团聚体稳定性最高，Z-S-Z与Z-L-Z两种轮作模式团聚体稳定性差异不显著，与玉米单作相比，休闲和轮作能显著提高团聚体稳定性，且差异性显著(p<0.05)。

图1 轮作休耕模式下土壤团聚体稳定指数变化情况

2.3 轮作休耕模式下土壤各粒径团聚体有机碳含量

由图2可知，轮作休耕模式下团聚体有机碳含量大小顺序为Z-L-Z>Z-S-Z>AW>ZZ，其中，Z-L-Z和AW两种种植模式下有机碳含量最高分布于0.5～1 mm粒径中，而Z-S-Z和ZZ的种植模式下最高含量分布于0.25～0.5 mm粒径中，这说明相比其他两种处理，轮作能提高团聚体有机碳含量，且Z-L-Z轮作模式效果最佳。有机碳在各粒径团聚体中分布呈(0.5～1 mm)>(0.25～0.5 mm)>(0.106～0.25 mm)>(>1 mm)>(<0.106 mm)，总体来说，>0.25 mm大团聚体的有机碳含量高于<0.25 mm的微团聚体39.9%，其中，4种不同处理Z-L-Z，Z-S-Z，ZZ和AW大团聚体中有机碳含量分别比微团聚体中高41.5%，40.4%，42.6%，34.9%，这说明>0.25 mm大团聚体更有利于有机碳的储存。

图2 轮作休耕模式下土壤各粒径团聚体有机碳含量

2.4 土壤水稳性团聚体稳定指数与土壤有机碳的相关性分析

本文将轮作休耕模式下不同团聚体稳定指数与有机碳含量进行相关性分析(表3)，结果发现，R0.25与有机碳成极显著正相关(p<0.01)，与PAD成极显著负相关(p<0.01)；PAD与有机碳成极显著负相关(p<0.01)；MWD与GMD、有机碳成极显著正相关(p<0.01)；GMD与有机碳成极显著正相关(p<0.01)。说明有机碳含量与R0.25，PAD，MWD，GMD关系密切，相关程度的大小顺序为：R0.25>PAD>GMD>MWD。

表3 土壤水稳性团聚体各参数与土壤有机碳之间的相关性

3 讨 论

本研究采用干筛法和湿筛法对轮作休耕模式下土壤机械稳定性和水稳定性团聚体的组成特征进行分析，发现在两种方法下，4种处理下的土壤都以大团聚体为主，相比玉米单作，轮作休耕能增加土壤中≥0.25 mm粒径团聚体含量，说明短期休闲和轮作有利于提高大团聚体含量，改善土壤结构。土壤团聚体平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)，>0.25 mm水稳性团聚体含量(R0.25)和结构体破坏率(PAD)都是评价团聚体分布情况和稳定性的重要参数。一般来说，MWD，GMD，R0.25值越大，PAD值越小，说明土壤团聚体稳定性更好[18]。本研究通过对MWD，GMD、R0.25和PAD指数进行团聚体稳定性分析发现，与玉米单作相比，轮作和休闲地能提高了土壤团聚体稳定性，这是由于轮作比单作物种多样性丰富，使根系分泌物种类增加，从而形成了不一样的土壤微环境，特别是微生物产生的胶结物质和菌丝体对大团聚体的形成有积极作用[19]，而休闲地相比其他种植方式没有进行频繁的农艺措施，所以减少了团聚体的机械破坏。从而增加了大团聚体的数量[20]，而微团聚体比大团聚体更稳定不易受到耕作及其他扰动的影响[21]，本研究结果与前人一致[22-24]。连续种植绿肥能够促进大团聚体的形成[25]，本次研究还进一步对两种绿肥-玉米轮作模式(玉米-苕子-玉米和玉米-豌豆-玉米)对于团聚体稳定性的影响进行探索，发现两种绿肥作物对于团聚体稳定性的影响差异不明显。原因可能是两种绿肥翻耕进去土壤的生物量对于土壤的改善作用没有形成大的差异，未来还需增加试验年限以进一步观测其变化特征。

土壤有机碳对于土壤健康、作物生长和产量具有积极作用，而短期农业管理对有机碳动态变化的影响是复杂多变的[26]，并且会受气候、土壤质地和作物类型的不同而发生变化。本研究分析了团聚体有机碳含量对轮作休耕模式的响应，结果表明粒径范围为0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的团聚体为有机碳储存的主要载体，与张旭辉等[27]的研究结果相似。另外，玉米轮作模式下有机碳含量显著高于玉米单作，究其原因，一方面是因为轮作过程中种植苕子和豌豆产生的根系分泌物、根茬和枯枝落叶对土壤输入大量有机碳。另一方面，作物种类会影响土壤结构和有机碳含量[28]，这种影响取决于很多因素，其中包括不同的根系生理特征和功能，残留物的生物化学特征不同，玉米残渣含有高浓度的苯酚，促进土壤水稳性团聚体的形成及有机碳浓度的提高[29]，而一些豆科植物的根系密度较高，通过增加微生物的活性，而从促进团聚体的形成，本研究通过轮作休耕增加作物产量，从而提高残渣量，从这方面也有益于提高团聚体有机碳。另外，豆科植物的可水萃取有机碳浓度高于禾本科植物[30]，这也说明了不同作物根系分泌物不同，豆科植物可能比禾本科分泌更多的可溶性分子。因此，本研究进一步比较了苕子和豌豆与玉米轮作中土壤有机碳含量的差异，结果可以看出，玉米-苕子-玉米轮作比玉米-豌豆-玉米轮作含量更高，这与两种作物的地上生物量大小有关，苕子的生物量高于豌豆，从而使其利用光合作用固定的碳更多，土壤中通过作物输送的碳也会更多[31]。

根据水稳性团聚体稳定指数与土壤有机碳的相关性分析可知，土壤有机碳含量与R0.25，PAD，MWD，GMD成极显著相关关系，并且与R0.25相关程度最高，而这些指数都用于表征团聚体稳定性，说明有机碳含量和团聚体稳定性成正相关关系，该结果与其他区域的规律性基本一致[2, 13, 32]。轮作休耕模式相比单作有利于提高土壤团聚体稳定性，从而能增加土壤固碳水平，且轮作条件下作物通过光合作用固定大量的碳通过根系输送到土壤，所以轮作比其他种植模式能显著增加土壤有机碳含量。总之，玉米与绿肥作物轮作有利于土壤团聚体稳定性，改善土壤质量，增加土壤肥力，从而提高作物产量[33]。另外，绿肥作物不仅可以增加土壤有机碳含量，增强土壤微生物活性，还能增加地表覆盖，增加土壤水分入渗，减少径流的产生，有利于山区坡耕地水土保持[34]，因此，玉米与绿肥轮作对于提高农业的生态效益和经济效益有重要意义，是一种值得推广的种植模式。良好的土壤管理措施还有益于防治土壤侵蚀，从而避免有机碳的流失，本研究已经明确轮作休耕模式对于改善土壤团聚体稳定性和提高有机碳含量的积极作用，但未来还需要更多的研究来验证根系对有机碳的周转及盈亏平衡。

4 结 论

(1) 不同种植模式下土壤机械稳定性团聚体组成以≥0.25 mm粒径占比最高，都在80.68%以上，水稳定性团聚体≥0.25 mm粒径比例达到了77.05%～88.32%，且≥0.25 mm团聚体所占比例大小顺序为：AW>Z-S-Z>Z-L-Z>ZZ。说明，与玉米单作相比，休闲地和轮作处理能提高土壤中大团聚体含量。

(2) 根据不同团聚体稳定指数(MWD，GMD，R0.25和PAD)显示，休闲地的团聚体稳定性最好，且休闲地和玉米轮作两种模式下团聚体稳定性均优于玉米单作。

(3) 玉米单作土壤团聚体有机碳含量最低，玉米轮作和休闲地能显著提高有机碳含量，并且玉米-苕子-玉米轮作效果最优；≥0.25 mm粒径范围的团聚体储存的有机碳含量最高。

(4) 通过对土壤水稳性团聚体稳定指数与有机碳含量的相关性分析表明，4个不同团聚体稳定指数与有机碳含量都成极显著正相关关系，与R0.25相关程度最高。