轮作模式对农田土壤团聚体及碳氮含量的影响

黑 杰，李先德，刘吉龙，王亚非，胥佳忆，阳 祥，尹晓雷，王维奇,3†，张永勋

(1.福建师范大学地理科学学院,350007,福州；2.中国农业科学院农业经济与发展研究所,100081,北京；3.福建师范大学 湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室,350007,福州)

土壤团聚体是植物与微生物共同衍生的矿物颗粒物，是土壤最基本的组成单元[1]。土壤团聚体具有保持水、肥、气、热，调节土壤酶种类和保持土壤疏松的作用[2]，对于提高农业产量和保护土壤碳(C)、氮(N)具有重要意义。不同粒级团聚体在土壤C、N固持中扮演着不同的角色，>0.25 mm大团聚体富含更多的C、N[3]，而<0.25 mm微团聚体更利于维持土壤结构的稳定性[4]；因此，探讨不同粒级土壤团聚体与C、N循环的关系有助于科学管理和调控土壤团聚体结构的稳定性。

轮作通过不同的水肥管理、底物添加等措施调节土壤团聚体稳定性、养分含量及利用效率，被认为是改良土壤结构和保持肥力的重要举措[5]。目前，国内外关于轮作模式与土壤团聚体与C、N分布的研究主要包括常规性耕种与保护性耕作[6]、小麦-豆类连续轮作[7]、烟-稻轮作等[8]。稻田与旱地土壤C、N的周转、稳定机制和环境条件都深受农业管理系统的影响，表现出矿化速率、营养利用率、氧化还原过程与微生物活性方面的差异性[9]。目前水旱轮作与旱地轮作下C、N养分与团聚体异同的比较研究相对较少。通过对水旱与旱地轮作C、N周转与稳定性特征的研究，可从不同轮作模式角度下揭示土壤养分与稳定性的变化特征，为科学评估铜陵市农田养分固持，土壤结构稳定及其对水土保持功能的影响提供理论支撑。

安徽省铜陵市的白姜种植历史悠久，是中国重要农业文化遗产。目前，安徽铜陵的姜-稻轮作和姜-菜轮作模式正积极申报全球重要农业文化遗产，筛选出更为合理的轮作模式，可为白姜(Zingiberofficinale)可持续生产提供理论和实践的支撑。探究姜-稻和姜-菜轮作模式下农田土壤团聚体及C、N特征，对以白姜为核心要素的农业文化遗产保护与发展具有重要意义。

1 研究区概况

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

安徽省铜陵市位于长江中下游(E 117°42′～118°10′、N 30°45′～31°07′)，属北亚热带湿润季风气候，年均气温16.4 ℃，年均日照时间为2 025 h，年日照率为43%，年均降水量1 360.3 mm[10]。采样点土壤类型以水稻土和红壤为主，轮作模式为姜-菜轮作和姜-稻轮作，试验地已经历经5次轮作。姜-菜轮作研究样点位于安徽省铜陵市郊区大通镇大院村(图1)，为秋葵-白姜轮作模式，每2～3年轮作换茬1次。菜季施肥措施为复合肥100 kg/亩(N∶P∶K为18∶18∶18，1 hm2=15亩)、有机肥250 kg/亩(100 kg饼肥、150 kg商品有机肥)；姜季施肥措施为复合肥150 kg/亩(N∶P∶K为18∶18∶18)、有机肥375 kg/亩(150 kg饼肥、225 kg商品有机肥)。姜-稻轮作研究样点位于安徽省铜陵市义安区西联镇山东村(图1)，为水稻-白姜，每2～3年轮作换茬1次。稻季施肥措施为复合肥50 kg/亩(N∶P∶K为16∶16∶16)；姜季施肥措施为复合肥30 kg/亩(N∶P∶K为16∶16∶16)、有机肥325 kg/亩(饼肥)。2个采样点都以平原为主，地貌类型相似，为探究姜-稻和姜-菜轮作下土壤团聚体及C、N特征提供理想的试验地。

2 材料与方法

2.1 样品采集

2020年8月，用采土器分别采集姜-菜轮作和姜-稻轮作样地0～20 cm深度的土壤样品，每种处理采集5个重复，部分样品4 ℃冷藏保存，另一部分样品挑出根系和植物残体等杂质后，等自然风干后，过100目筛后待用。

2.2 测定方法

土壤团聚体含量通过湿筛法测定[11]，土壤有机质(soil orangic matter，SOM)含量通过土壤有机碳含量转换[12]，土壤大团聚体含量(lavge aggregate content，DR0.25)与土壤团聚体稳定性指标平均质量直径(mean weight diametter，MWD)和几何平均直径(gerometric mean diametter，GMD)参照罗晓虹等[13]的方法计算得出，分形维数(fractal dimension，D)与团聚体贡献率分别参照杨培岭等[14]和邱莉萍等[15]的方法计算得出，土壤C、N采用土壤碳氮元素分析仪(Elemental Analyzer Vario EL Ⅲ，Germany)测定，土壤密度和含水量分别采用环刀法和烘干法测定[16]，土壤pH采用pH计(STARTER 300，USA)测定，水土质量比为2.5∶1，土壤电导率采用电导仪(2265FS，USA)测定。

3 结果和分析

3.1 土壤理化性质的特征

姜-稻轮作下姜季土壤密度比稻季下降17%(P<0.05)，土壤含水量比稻季下降36%(P<0.05)。姜-菜轮作下姜季土壤含水量比菜季增加37%(P<0.05)，土壤电导率比稻季增加94%(P<0.05)；姜-稻轮作下姜季SOM比菜季降低18%(P<0.05)。从2种轮作模式对比来看，姜-稻轮作下姜季土壤电导率和SOM比姜-菜轮作增加75%、12%(P<0.05)[17]。

3.2 土壤团聚体分布特征

姜-菜轮作下姜季>0.053～0.25 mm微团聚体质量分数比菜季增加53%(P<0.05)。姜-稻轮作下姜季≤0.053 mm微团聚体质量分数比稻季降低39%(P<0.05)，而>0.25～1.00 mm大团聚体质量分数比稻季增加约2倍(P<0.05)，>1.00 mm大团聚体质量分数比稻季降低37%(P<0.05)(图2)。

图2 不同轮作模式土壤团聚体质量分数Fig.2 Percentage of soil aggregate content in different rotation patterns 同一粒级下不同字母表示差异性显著(P<0.05)。GV-V为姜-菜轮作下的菜季；GV-G为姜菜-轮作下的姜季；GR-R为姜-稻轮作下的稻季；GR-G为姜-稻轮作下的姜季。下同。Different letters in the same grain size indicate significant differences (P<0.05). GV-V is the vegetable season under the ginger-vegetable rotation; GV-G is the ginger season under the ginger-vegetable rotation; GR-R is the rice season under the ginger-rice rotation; and GR-G is the ginger season under the ginger-rice rotation. The same as below.

3.3 土壤团聚体稳定性特征

如表1所示，姜-菜轮作下姜季土壤MWD、GMD、DR0.25和D比菜季差异均不显著(P>0.05)。姜-稻轮作下姜季MWD、GMD和DR0.25比稻季差异均不显著(P>0.05)，但D比稻季降低19%(P<0.05)。

3.4 土壤团聚体粒级与稳定性的关系

如图3所示，土壤稳定性参数MWD、GMD、DR0.25之间均显著正相关(P<0.01)，D与MWD显著负相关(P<0.01)。GMD和DR0.25均与>0.25～1.00 mm大团聚体显著正相关(P<0.01)。MWD与>1.00 mm大团聚体显著正相关(P<0.01)。

3.5 不同粒级土壤团聚体C、N含量特征

如图4所示，2种轮作均表现为>0.25 mm大团聚体C、N质量分数较高，≤0.25 mm微团聚体质量分数较低。姜-菜轮作下>0.25～1.00 mm 大团聚体C质量分数比菜季降低25%(P<0.05)。姜-稻轮作下姜季>0.25～1.00 mm大团聚体C、N质量分数比稻季分别增加91%与107%(P<0.05)。从2种轮作模式比较来看，姜-菜轮作下姜季≤0.053 mm微团聚体C、N质量分数分别低于姜-稻轮作32%与33%(P<0.05)，>1.00 mm团聚体C、N质量分数分别低于姜-稻轮作39%与33%(P<0.05)。

表1 土壤团聚体稳定性指标Tab.1 Stability indexes of soil aggregate

3.6 不同粒级土壤团聚体C、N累积的变化特征

如图5所示，2种轮作模式都以>0.25 mm粒级大团聚体对于土壤C、N贡献率高，≤0.25 mm微团聚体贡献率较低。姜-菜轮下姜季大团聚体中>1.00 mm团聚体C、N贡献率分别比菜季降低10%与11%(P<0.05)；>0.25～1.00 mm大团聚体C、N贡献率分别比菜季降低7%与5%(P<0.05)。姜-稻轮作下姜季>0.25～1.00 mm大团聚体C、N贡献率分别比稻季增加54%与65%(P<0.05)。2种轮作对比下，姜-稻轮作下姜季>1.00 mm土壤团聚体C贡献率高于姜-菜轮作24%(P<0.05)，>0.25～1.00 mm团聚体C、N贡献率分别低于姜-菜轮作32%与25%(P<0.05)。

*和**分别表示在0.05和0.01水平上显著差异。下同。* and ** indicate significant differences at the levels of 0.05 and 0.01, respectively. The same below.图3 土壤稳定性指标与各粒级团聚体质量分数相关性分析Fig.3 Correlation analysis of soil stability index and aggregate content of each particle size

图4 不同轮作模式土壤团聚体C、N质量分数的变化Fig.4 Changes of C and N contents in soil aggregates in different rotation patterns

图5 不同粒级土壤团聚体C、N累计贡献率Fig.5 Cumulative contribution rate of carbon and nitrogen in the soil aggregates of different particle sizes

C和N代表碳和氮。C1、C2、C3、C4分别为>1.00 mm、>0.25～1.00 mm、>0.053～0.25 mm、≤0.053 mm粒级土壤团聚体C质量分数；N1、N2、N3、N4分别为>1.00 mm、 >0.25～1.00 mm、>0.053～0.25 mm、≤0.053 mm粒级土壤团聚体N质量分数。 C and N represent carbon and nitrogen. C1, C2, C3, and C4 refers to the carbon content of soil aggregates of >1.00 mm, >0.25-1.00 mm, >0.053-0.25 mm, and ≤0.053 mm, respectively. N1, N2, N3, and N4 indicates the nitrogen content of particle size soil aggregate at >1.00 mm, >0.25-1.00 mm, >0.053-0.25 mm, ≤0.053 mm, respectively.图6 土壤团聚体C、N质量分数与稳定性性指数相关性分析Fig.6 Correlation analysis of soil aggregate C, N content and stability index

3.7 土壤碳、氮含量与团聚体组成和稳定性的关系

如图6所示，MWD与>1.00 mm大团聚体C、N质量分数显著正相关(P<0.05,P<0.01)。GMD与>0.25～1.00 mm大团聚体C、N质量分数显著正相关(P<0.05,P<0.01)。DR0.25与>0.25～1.00 mm大团聚体的C、N质量分数显著正相关(P<0.01)。D与>0.25～1.00 mm大团聚体C、N质量分数显著正相关(P<0.01)。

4 讨论

4.1 对土壤团聚体分布的影响

土壤团聚体是表征土壤结构和肥力的主要指标，深刻影响土壤的物理和化学性质。其粒级变化受农田管理模式、土壤质地、土壤养分、土壤微生物的影响[18]。DR0.25可以用来反映土壤大团聚体变化状况，姜-菜轮作下姜季土壤DR0.25呈现下降趋势，主要因同处于旱作管理模式，轮作会造成大团聚体的破碎，并向微团聚体转化[19]。姜-稻轮作下姜季土壤DR0.25呈现增加趋势，说明姜-稻轮作强化姜季土壤团聚体的形成与积聚，笔者发现，姜-稻轮作下姜季土壤团聚体的增加以>0.25～1.00 mm粒级为主，说明姜-稻轮作模式改善土壤团聚体结构是渐变的过程，且DR0.25仅与>0.25～1.00 mm粒级大团聚体的正相关关系。

4.2 对土壤团聚体稳定性的影响

图7 不同轮作模式土壤养分与团聚体变化概念模型图Fig.7 Conceptual model diagram of changes in soil nutrients and aggregates in different crop rotation patterns

MWD、GMD和D表示土壤团聚体结构稳定性的重要指标，其与土壤团聚体积聚能力和稳定性程度呈正相关，而D值越小表示团聚体团聚效果和稳定性越强[18]。姜-菜轮作下姜季的DR0.25、MWD和GMD均降低，D显著增加，表明土壤团聚体稳定性和团聚效果在下降，主要因生姜播种前需要翻耕细耙，会对表层土壤团聚体进行干扰和破坏[20]。姜-稻轮作下姜季的GMD和DR0.25增加，这表明姜-稻轮作土壤团聚体的稳定性增强，主要原因是：在干湿交替模式下土壤水分的变化会影响土壤理化性质和土壤结构，提高微生物的活性与数量，加速有机质的分解[21]。特别是在轮作下的旱季，干燥环境会促使原来在水中的悬浮物质与可溶性物质之间的螯合，促进土壤团聚体的形成[22]。此外，姜-稻轮作属于水旱交替作用下的耕作地，稻季长期处于厌氧的淹水环境下，微生物分解过程缓慢，进而使得腐殖质与有机质得以保留[9]，这为姜季提供更多的有机物质，并在微生物的作用下促进姜季大团聚体的形成。

4.3 对土壤C、N含量的影响

笔者发现，姜-菜轮作和姜-稻轮作下姜季土壤C、N的含量均低于菜季和稻季，可能与轮作年限和作物类型有关(图7)。相关研究表明轮作对土壤有机物和C、N含量的增加可能由于轮作年限和作物类型在初期表现的不明显，但经过一定的年限这种情况会有所改善[23]；另外，轮作模式下姜季对土壤肥力需求量大，加上翻耕土壤造成表层C、N含量的损失，导致姜季土壤C、N含量偏低[20]。但轮作模式是基于生态学原理，根据作物对养分需求的差异，以及根系分布层次的不同，进行因地制宜的施肥和补肥，有利于土壤结构的稳定。作物类型和根系的不同，会影响微生物种类和数量，有利于维持土壤养分含量和微生物群落的多样性[24]。此外，姜-稻轮作下姜季C、N含量较姜-菜轮作高，表明姜-稻轮作固存C、N含量的能力较姜-菜轮作更好，这与水稻和白姜生长阶段的管理模式相关。相对于水稻田的秸秆还田，菜地植物残体还地程度相对较低，进而使姜-菜轮作土壤肥力低于姜-稻轮作。此外，与旱地土壤相比，稻田土壤微生物周转速率慢、厌氧环境和铁锰氧化物的氧化还原都会减缓微生物的分解，稳定土壤C、N含量的累积[9]。金雯晖等[5]也得出相似的结论，认为水旱轮作相对于旱地轮作固C、N含量的效果更好。综上，基于C、N等养分利用和固持的视角，姜-稻轮作是更为合理的模式。

5 结论

通过水旱与旱地轮作模式异同的比较，姜-菜轮作下姜季微团聚体含量增加显著(P<0.05)；姜-稻轮作下姜季>0.25～1.00 mm粒级大团聚体含量显著增加约2倍(P<0.05)。姜-稻轮作下姜季比姜-菜轮作土C、N含量高。2种轮作均表明>0.25 mm粒级大团聚体具有更多的C、N。并且>0.25 mm粒级大团聚体C、N含量均与GMD、MWD和DR0.25显著正相关(P<0.05)，说明大团聚体对于保持土壤养分含量和维系白姜可持续生产更具有实践指导意义。特别是水旱轮作模式下的姜-稻轮作，其土壤肥力与结构稳定性的保护效果更优于姜-菜轮作，是铜陵市白姜可持续发展中可选择的轮作模式。