连作年限对棉田土壤团聚体有机碳分布的影响

杨卫君，惠 超，陈雨欣，宋世龙，史春玲，陈 磊

（新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830000）

0 引言

土壤团聚体是良好的土壤结构体，其多少决定着土壤结构的好坏，同时也与土壤肥力、土壤“碳汇”功能等有着直接关系[1-3]。土壤团聚体的形成必须具备一定条件，主要是土壤中的有机碳作为胶结物质，可以促进土壤微团聚体和单粒的凝聚，从而提高土壤团聚体稳定性[4-6]。同时，土壤团聚过程促进土壤固碳，土壤团聚体也是土壤有机碳的“躯壳”，对土壤有机碳起到保护作用[7]。研究表明，连作年限的增加会使土壤有机碳含量下降，此时土壤团聚体稳定性会受到影响[8]。农田土壤是一种重要的土地利用类型，且农田土壤有机碳含量会随人类耕种活动有着不同程度的改变。土壤利用方式[9-10]、耕作措施[11-12]、施肥[13-14]等均对土壤团聚体稳定性及其有机碳分布有一定影响。

新疆因独特的地理环境特征和人们的生产需求，形成了长期棉花连作的种植模式，该种植模式势必会影响土壤团聚体及有机碳分布特征。已有研究表明，连作会影响土壤团聚体特征，促使土壤团聚体之间相互转化，提高各粒径土壤团聚体中有机碳含量[15]。新疆地处干旱半干旱区，棉花长期连作导致施肥量不断增高，致使土壤贫瘠，土壤质量日趋下降，所以分析连作对土壤结构的影响。新疆棉田关于连作的研究主要涉及土传病害等方面，而连作对土壤团聚体影响鲜有研究。因此，本研究以北疆棉田为对象，对土壤团聚体分布特征及团聚体有机碳含量进行分析，揭示土壤团聚体有机碳分布对棉花连作的响应，以期为该区棉田土壤质量和固碳能力的提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在新疆维吾尔自治区中北部呼图壁县大丰镇(86°5′—87°8′E，43°7′—45°20′N)进行，该地属温带大陆性干旱半干旱气候，每天平均日照时数10 h以上，7月可达11 h以上，光照资源充足，昼夜温差大，年降水量167 mm。平原地区平均气温6.4℃，最高气温可达41.7℃，最低气温为-36℃，无霜期177天左右，有效积温为3553℃，平均每年蒸发量达2361.1 mm，属于典型的绿洲灌溉农业区。

1.2 样地选择

2017年3月底，随机选取当地不同农户连作5年(L5)、12年(L12)、17年(L17)的田块，随机取样调差，并以无连作棉田为对照(CK)。样区棉田种植方式为膜下滴灌，施肥随水滴施，由当地农户统筹管理，肥料种类主要包括氮肥、磷肥、钾肥及复合肥等。

1.3 样品采集

2017年3月底，在棉花播种前采集土壤样品。不同连作田块随机选取3个重复样方，以五点取样法分别对不同样方土壤进行采集(0～20、20～40 cm)。并分别将不同样方各土层土样混合，剔除杂草及乱根，风干备用。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤团聚体的筛分 五点取样法分别采集0～20、20～40 cm土层土壤，混合装袋带回，在室内风干过程中沿土壤自然缝隙将土壤掰成小于1 cm的小块。采用干筛法，每小区称取风干土样500 g，分多次置于孔径依次为2、0.25、0.053 mm的套筛顶部，人工摇动套筛2～3 min左右，摇筛结束后静置1 min，收集各层筛面上的土壤团聚体分别称重，记录并装袋。大于0.25 mm的为土壤大团聚体，小于0.25 mm的为土壤微团聚体。

1.4.2 土壤有机碳测定 测定采用重铬酸钾-浓硫酸稀释热法。

1.4.3 相关计算 相关计算如式(1)～(2)。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2010进行数据处理、制图，采用SPSS 25.0进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同连作棉田土壤总有机碳含量变化

不同土层土壤有机碳含量对不同连作年限响应显著，不同土层有机碳含量分布情况为0～20 cm＞20～40 cm，且不同土层土壤有机碳含量随连作年限变化趋势相似（图1）。随着连作年限增加，土壤有机碳含量先增加后降低；与种植1年的棉田(CK)相比，连作5年土壤有机碳含量最高，不同土层有机碳含量分别较其CK显著提高16.2%和15.1%(P＜0.05)。连作5年后，土壤有机碳含量逐渐降低，但连作5、12、17年处理间各层土壤有机碳含量差异不显著(P＜0.05)。

图1 不同连作年限不同土层土壤总有机碳含量

2.2 连作棉田土壤团聚体分布

表1为长期连作棉田土壤团聚体分布特征，连作年限会影响土壤团聚体粒级分布，且不同土层，各粒级土壤团聚体分布趋势相似。不同土层中，种植1年对照CK处理土壤团聚体主要以＞2 mm及0.25～2 mm粒级为主，0～20 cm土层中分别占51.49%和34.19%，20～40 cm土层中分别占53.91%和33.03%，而＜0.25 mm粒级的土壤微团聚体分别仅占14.32%和13.07%；连作不同年限改变了土壤团聚体分布，与种植1年CK处理相比，连作12年(L12)、连作17年(L17)处理显著降低了＞2 mm粒级土壤团聚体含量(P＜0.05)，0～20 cm土层中分别降低7.6%和16.7%，20～40 cm土层中分别降低10.7%和13.2%；20～40 cm土层0.053～0.25 mm粒级土壤团聚体含量较CK处理显著提高了26.6%和27.9%(P＜0.05)。

表1 长期膜下滴灌棉田土壤团聚体百分含量变化 %

2.3 连作棉田土壤团聚体有机碳含量

土壤团聚体有机碳含量对连作年限的响应显著，且不同土层土壤团聚体有机碳含量变化趋势相似（表2）。种植1年CK处理＞2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒级土壤团聚体有机碳含量较低，分别为10.38、9.04、10.05、8.78 g/kg；连作5年处理0～20、20～40 cm土层＞2 mm土壤团聚体有机碳含量均有所提高，分别较CK处理显著提高了26.6%、27.9%(P＜0.05)；0.25～2 cm及＜0.053 cm粒级有机碳含量较CK处理也有所增加，但无显著性差异。连作5年后各粒级土壤团聚体有机碳含量逐渐下降。

表2 长期膜下滴灌棉田各级土壤团聚体有机碳含量变化 g/kg

2.4 连作棉田土壤团聚体有机碳贡献率

连作年限会对各粒级土壤团聚体有机碳贡献率产生影响，且不同土层影响趋势相似（图2）。＞2 mm粒级团聚体碳贡献率随连作年限的增加而降低，＜0.25 mm粒级表现相反趋势。种植1年对照CK处理，土壤团聚体有机碳贡献率以＞2 mm粒径最大，占50%以上，＜0.053 mm粒径的贡献率最小，其他处理表现趋势与CK处理保持一致。连作年限改变了各粒级土壤团聚体有机碳贡献率，与CK处理相比，连作5年处理，＞2 mm粒级土壤团聚体有机碳贡献率显著增加了6.9%(P＜0.05)，连作5年后有机碳贡献率逐渐降低。

图2 不同处理各粒级团聚体中土壤有机碳贡献率

3 结论

连作年限对棉田土壤结构有重要影响，并显著影响土壤有机碳含量。在本试验条件下，连作显著降低了土壤＞0.25 mm团聚体含量，升高了＜0.25 mm团聚体含量，严重损害了土壤结构；短期连作有利于有机碳的积累，连作时间大于5年有机碳含量逐年降低。

4 讨论

有机碳含量决定了土壤肥力高低，其在保持优良土壤结构中起着关键性作用，被用做土壤质量或健康评价不可缺少的指标[16]。新疆水资源短缺、气候干旱，导致生物积累量低，所以土壤有机碳的初始值处于较低水平，在自然条件下难以提高；连作后，灌溉及施肥使土壤肥力得到极大改善，生物量也明显增多，土壤有机碳积累量也得到提高。土壤有机碳积累受植被生物产量的输入和降解量的影响[17]。研究表明土壤结构随着种植年限的增加日趋稳定，增强了土壤的抗侵蚀能力[18]。景峰等[19]的研究结果表明，棉花连作会增加土壤有机碳含量，短期连作（＜5年）土壤有机碳含量积累速率最快，连作多于5年后有机碳增加速率逐渐降低，且土壤有机碳含量随着土层深度的增加而降低。本试验结果表明，连作1～5年时土壤有机碳含量显著增加，连作5～12年缓慢降低，到17年后显著下降；浅层土有机碳含量高于深层土，且随着连作年限的增加，有机碳含量也逐渐下降。由于耕作初期，棉花生长期结束后，棉田表面仍附着大量的枯枝及残茬，增加了土壤有机碳含量。而随连作年限延长，作物生长所需营养增加，微生物活动减弱，致使返还到土壤的植被分解逐年降低[20]。

土壤有机碳是形成土壤团聚体重要的有机胶结物质，且土壤团聚体的形成过程也是有机碳重要的固定过程[21]。一方面，有机碳作为胶结物质，有利于土壤中矿物和黏粒胶结形成水稳定性大团聚体[22]；另一方面，土壤有机碳是土壤肥力的决定性因子，而团聚体是土壤有机碳的重要储存场所[23]。吴雪里慧等[24]研究表明，土壤有机碳含量受0.5～1 mm团聚体百分含量的影响较大，与0.5～1 mm粒级的团聚体百分含量具有显著的正相关性。王晟强等[25]研究表明，各种植年限土壤团聚体有机碳含量随粒径增大而升高，其中＞2 mm和2～1 mm粒径团聚体较高。本研究表明，连作5年处理0～20、20～40 cm土层＞2 mm粒级土壤团聚体有机碳含量较CK处理分别显著提高26.6%、27.9%，0.25～2 cm及＜0.053 cm粒级有机碳含量较CK处理也有所增加，但无显著性差异。土壤团聚体的优势粒径为＞2 mm和0.25～2 mm粒径之间，土壤团聚体含量随粒径的减小呈降低趋势；本研究通过计算各粒级团聚体碳贡献率发现，大团聚体占比较高，总体仍以大团聚体为主，表明大团聚体是土壤碳主要来源。