绿肥填闲种植对旱作冬小麦农田土壤团聚体有机碳含量的影响

李 超,王 俊,3,温萌萌,张少宏,邢文超,付 鑫

(1.西北大学城市与环境学院,陕西 西安 710127;2 陕西省地表系统与环境承载力重点实验室,陕西 西安 710127;3.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西 杨凌 712100;4 河北农业大学国土资源学院,河北 保定 071001)

土壤有机碳是土壤质量提升的核心,对农业生态系统的可持续发展至关重要[1]。土壤团聚体作为土壤结构的基本组成单元,其数量和质量影响土壤有机碳的固定与周转过程[2]。已有研究表明,土壤有机碳的固定与土壤团聚体的形成密切相关,土壤有机碳的输入可以促进微团聚体与其他较小颗粒进行结合,促进大团聚体的形成,从而提高土壤团聚体稳定性,同时土壤颗粒聚集形成团聚体可以对有机碳起到物理保护作用,有利于提高有机碳固持[3-4]。因此探索土壤有机碳组成及其在团聚体中的分布特征是土壤碳循环过程的热点领域。

已有研究发现,在粮食作物休耕期间种植豆科或非豆科作物,并留茬作为绿肥翻压还田可以为土壤输入外源有机物,提高土壤中有机碳含量、改善土壤物理结构、减少土壤有机碳矿化损失[5-7]。不同种类绿肥对有机碳固持和土壤团聚体结构的影响作用存在差异[8]。Jian等[9]通过meta分析发现,不同类型绿肥填闲作物对土壤有机碳的固持能力不同,豆科绿肥的固碳能力高于非豆科,豆科和非豆科混播绿肥的固碳能力高于单播;但de Oliveria等[10]的研究则表明绿肥填闲种植对土壤有机碳的影响并不明显,这可能与绿肥填闲作物类型在该地区的适宜性较差或种植年限过短有关。Conceicao等[11]在巴西进行的18 a长期定位试验中发现,黑麦草单播以及黑麦草和野豌豆混播可以提高表层土壤的大团聚体含量,且混播效果显著优于黑麦草单播。在黄土高原地区,Zhang等[12]发现引入豆科绿肥能显著提高土壤有机碳含量,并促进>5 mm粒级大团聚体的形成,提高团聚体稳定性。综合来看,目前关于绿肥填闲种植对土壤有机碳含量和土壤团聚体组成已有较多报道,但针对不同种类绿肥处理下土壤有机碳在不同粒级团聚体分布特征的研究尚不多见。

黄土高原是我国重要的旱作农业区,土壤质量低、水土流失严重是限制该区农业发展的重要因素,引入绿肥种植充分发挥有机物料的培肥改土作用,是改善该区土壤结构、提升固碳潜力的关键。本研究基于田间定位试验,系统分析了冬小麦夏闲期种植不同绿肥作物下土壤团聚体组成、不同组分有机碳在团聚体中的分布特征,旨在为黄土高原地区制定地力培育和提升土壤固碳潜力的填闲管理措施提供理论依据,对其在黄土高原旱作农业区的科学推广应用具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验在陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站(35°12′N,107°44′E)进行。该站属于暖温带半干旱半湿润性季风气候,平均海拔1 220 m,无霜期171 d,年均气温9.1℃,年均蒸发量1 440 mm,多年平均降水量580 mm,且季节性分布不均,多集中于6—9月。供试农田土壤为黑垆土,全剖面土质均匀疏松,通透性好,肥力中等。土壤有机质12.0 g·kg-1、全氮0.8 g·kg-1、全磷0.66 g·kg-1、矿质氮13.74 mg·kg-1、速效磷24.6 mg·kg-1、速效钾161.39 mg·kg-1、pH值8.11。该研究区属于典型雨养旱作农业区,种植制度为一年一熟或两年三熟。

1.2 试验设计

冬小麦绿肥填闲种植田间试验始于2017年6月底(前季小麦收获后),共设置4个处理,即长武怀豆单播(SB)、苏丹草单播(SG)、怀豆/苏丹草混播(Mix)和裸地休闲对照(CK)。各处理3次重复,共12个小区,小区规格为6.7 m×10 m,随机区组排列。

绿肥作物于每年6月底至7月初播种,播量参照本地绿肥常规播量,SB处理中长武怀豆播量为70 kg·hm-2,SG处理中苏丹草播量为35 kg·hm-2,Mix处理中怀豆和苏丹草播量分别为35 kg·hm-2和17.5 kg·hm-2。每年9月中旬使用旋耕机将绿肥作物地上部分直接翻压入土壤中,翻压深度约20 cm。基于2018—2020年3 a试验数据,年均绿肥翻压量如下：CK为0 kg· hm-2,SB约为3 012 kg· hm-2,SG约为3 600 kg· hm-2,Mix约为3 957 kg· hm-2。于绿肥翻压两周后播种冬小麦(品种为‘长武134’),播量为165 kg·hm-2。在小麦播种时,各处理施用N 60 kg·hm-2和P2O560 kg·hm-2,氮肥和磷肥选用尿素(46% N)和过磷酸钙(20% P2O5)。冬小麦于次年6月底收获。绿肥作物和冬小麦生长期间无灌溉,必要时进行人工除草。

1.3 测定方法

试验于2021年6月底冬小麦收获后,采用五点法分别在各小区采集0～10、10～20、20～40 cm土层土样,保持原状土壤结构带回实验室风干。在风干过程中沿土壤自然纹理轻轻掰成1 cm左右的土块,并去除石块和植物根系。

使用元素分析仪(EA3000,欧维特,意大利)测定土壤总土有机碳[13],采用六偏磷酸钠法[14]测定颗粒有机碳。采用干筛法[15]测定土壤团聚体,将孔径为5 mm、2 mm、0.25 mm的土筛按孔径由大到小叠放成一组套筛,放入机械振筛机中振动10 min,筛完后得到>5 mm、2～5 mm、0.25～2 mm和<0.25 mm粒级的团聚体,称重并计算各粒级所占重量比例。通过以下方法测算土壤团聚体平均重量直径(mm)[16]：

(1)

式中,Xi为某级别团聚体的平均直径,Wi是该级别团聚体的重量百分比。

利用邱莉萍等[17]计算方法计算各粒级土壤团聚体有机碳和颗粒有机碳在土壤中的贡献率,如式(2)所示：

某级别团聚体有机碳组分贡献率(%)=该粒级有机碳组分含量×该粒级团聚体含量/总土有机碳组分含量×100%

(2)

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件进行数据分析,采用SPSS 25软件进行统计分析,利用单因素方差分析法分析了土壤碳组分、团聚体组成及平均重量直径、团聚体碳组分含量及其贡献率在不同处理间的差异显著性,利用Pearson法分析了各组分碳之间及其与团聚体平均重量直径之间的关系,采用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成

不同绿肥种植下,土壤团聚体的组成存在显著差异。由图1可知,在0～10 cm土层,与CK处理相比,SB、SG和Mix处理>5 mm团聚体含量分别提高了45.9%、47.7%和12.5%(P<0.05),同时显著降低了<0.25 mm团聚体含量,其中,SB和SG处理>5 mm团聚体含量显著高于Mix处理。在10～20 cm土层,SG处理>5 mm团聚体含量比CK处理提高了19.5%(P<0.05),其它处理间无显著差异;绿肥种植各处理较CK处理显著降低了2～5 mm团聚体含量,且SB、SG和Mix间差异显著;SG和Mix处理较SB处理<0.25 mm团聚体含量显著降低。在20～40 cm土层,SB和SG处理较CK处理>5 mm团聚体占比分别提高了13.5%和10.6%(P<0.05),同时显著降低了其他粒级团聚体含量,而Mix处理较CK处理各粒级团聚体含量无显著差异。

2.2 土壤总有机碳和颗粒有机碳含量及团聚体平均重量直径

由表1可知,不同绿肥种植条件下,土壤总有机碳含量、颗粒有机碳含量及团聚体平均重量直径均存在显著差异,且土壤有机碳和颗粒有机碳含量之间呈显著正相关关系,而这两者与团聚体平均重量直径间呈显著负相关关系。在0～10 cm土层,SB、SG和Mix处理总土壤有机碳含量分别较CK处理提高了8.9%、4.8%和6.0%(P<0.05),颗粒有机碳含量分别提高了9.2%、5.7%和6.5%(P<0.05),团聚体平均重量直径分别提高了24.9%、25.7%和7.5%(P<0.05),其中SB处理土壤有机碳和颗粒有机碳含量显著高于SG处理,SB处理土壤有机碳含量显著高于Mix处理,SB和SG处理团聚体平均重量直径显著高于Mix处理。在10～20 cm土层,SB、SG和Mix处理总土壤有机碳含量分别较CK处理提高了7.1%、15.5%和12.4%(P<0.05),且SG显著高于SB和Mix;SG和Mix处理颗粒有机碳含量较CK处理分别提高了14.7%和10.5%(P<0.05);SG处理团聚体平均重量直径较CK处理提高了6.3%(P<0.05)。在20～40 cm土层,与CK处理相比,SB、SG和Mix处理总土壤有机碳分别提高了5.5%、5.5%和3.8%(P<0.05),不同绿肥间差异不显著;不同处理间土壤颗粒有机碳含量无显著差异;SB和SG处理土壤团聚体平均重量直径分别提高了6.2%和4.7%(P<0.05)。各处理土壤有机碳和颗粒有机碳含量均随土层的增加而降低。

注：同种颜色不同小写字母表示同一土层不同绿肥填闲处理间达到显著差异(P<0.05)。下同。Note：Different lowercase letters of the same color indicate significant differences among different green manure treatments in the same soil layer (P<0.05).The same below.图1 不同绿肥处理各粒级土壤团聚体百分含量Fig.1 Percentage contents of soil aggregates with different sizes under different green manure treatments

表1 不同绿肥种植条件下不同土层土壤总有机碳含量、团聚体平均重量直径及其相关性Table 1 Total soil carbon contents,aggregate mean weight diameter and their correlation in different soil layers under different green manure cover cropping

2.3 土壤团聚体碳组分及其贡献率

2.3.1 土壤团聚体有机碳含量及其贡献率 由表2可知,在0～10 cm土层中,与CK处理相比,SB和Mix处理可提高各粒级团聚体有机碳含量,SG处理可提高2～5 mm和<0.25 mm团聚体中有机碳含量(P<0.05);SB处理<0.25 mm团聚体有机碳含量显著高于SG和Mix处理。在10～20 cm土层,SG处理各粒级团聚体有机碳含量均显著高于CK,SB和Mix处理2～5 mm、0.25～2 mm、<0.25 mm团聚体有机碳含量均显著高于CK处理。在20～40 cm土层,SB处理2～5 mm和0.25～2 mm团聚体有机碳含量显著高于CK处理(P<0.05),SG处理可显著提高<0.25 mm团聚体有机碳含量(P<0.05),Mix处理0.25～2 mm团聚体有机碳含量显著高于CK处理。各处理不同粒级团聚体中<0.25 mm团聚体有机碳含量最高,其他粒级团聚体有机碳含量无明显差异。

表2 不同绿肥处理不同粒级土壤团聚体有机碳含量Table 2 Soil organic carbon contents associated to soil aggregate size classes under different green manure treatments

不同处理下的各粒级团聚体有机碳贡献率基本均以>5 mm团聚体有机碳贡献率最高,2～5 mm、0.25～2 mm团聚体有机碳贡献率相近,<0.25 mm团聚体有机碳贡献率最低(图2)。各绿肥处理之间团聚体有机碳贡献率的分布与土壤团聚体含量的规律基本一致。在0～10 cm土层,与CK相比,SB、SG和Mix处理>5 mm团聚体有机碳贡献率分别提高39.6%、40.9%和9.5%(P<0.05),其中SB和SG处理显著高于Mix处理;同时3种绿肥处理显著降低了<0.25 mm团聚体有机碳贡献率。在10～20 cm土层,与CK处理相比,SG处理>5 mm和<0.25 mm团聚体有机碳贡献率分别提高了14.4%和17.5%(P<0.05),但显著降低了2～5 mm团聚体有机碳贡献率;SB和Mix处理显著降低了>5 mm和2～5 mm团聚体有机碳贡献率,显著提高了<0.25 mm团聚体有机碳贡献率。在20～40 cm土层,SB和SG处理较CK处理显著提高了>5 mm和<0.25 mm团聚体有机碳贡献率,显著降低了0.25～2 mm团聚体有机碳贡献率;Mix处理较CK处理各粒级团聚体有机碳贡献率无显著差异。

图2 不同绿肥处理不同粒级土壤团聚体有机碳贡献率Fig.2 Contribution of soil organic carbon associated to soil aggregate size classes under different green manure treatments

2.3.2 土壤团聚体颗粒有机碳含量及贡献率 与土壤有机碳分布特征相似,各土层中各粒级团聚体颗粒有机碳的含量均以<0.25 mm团聚体最高(表3)。在0～10 cm土层,SB和Mix处理各粒级团聚体颗粒有机碳含量均显著高于CK处理,SG处理较CK处理2～5 mm和<0.25 mm团聚体颗粒有机碳含量分别提高了13.1%和10.9%(P<0.05)。在10～20 cm土层,与CK处理相比,SB处理2～5 mm团聚体颗粒有机碳含量提高10.9%(P<0.05),SG处理>5 mm、2～5 mm、<0.25 mm团聚体颗粒有机碳含量分别提高了12.0%、10.9%和26.6%(P<0.05),Mix处理2～5 mm和<0.25 mm团聚体颗粒有机碳含量分别提高了15.6%和33.3%(P<0.05)。在20～40 cm土层,与CK处理相比,SB处理2～5 mm和0.25～2 mm团聚体颗粒有机碳含量分别提高了12.3%和9.0%(P<0.05),SG处理0.25～2 mm团聚体颗粒有机碳含量提高了33.0%(P<0.05),Mix处理2～5 mm团聚体颗粒有机碳含量提高了7.6%(P<0.05)。

表3 不同绿肥处理不同粒级团聚体颗粒有机碳含量Table 3 Particulate organic carbon contents associated to soil aggregate size classes under different green manure treatments

由图3可知,在0～10 cm土层,各处理中各粒级团聚体均以<0.25 mm团聚体颗粒有机碳贡献率最低;且各处理间不同粒级团聚体颗粒有机碳的贡献率分布规律与土壤有机碳贡献率规律基本一致。

图3 不同绿肥处理不同粒级土壤团聚体颗粒有机碳贡献率Fig.3 Contribution of soil particle organic carbon associated to soil aggregate size classes under different green manure treatments

在0～10 cm土层,与CK处理相比,SB、SG和Mix处理>5 mm团聚体颗粒有机碳贡献率分别显著提高了40.0%、41.8%和10.2%(P<0.05),其中SB和SG处理显著高于Mix处理,各绿肥处理同时显著降低了<0.25 mm团聚体颗粒有机碳贡献率。在10～20 cm土层,与CK处理相比,SG处理>5 mm和<0.25 mm团聚体颗粒有机碳贡献率分别提高了16.6%和21.5%(P<0.05),同时显著降低了2～5 mm团聚体颗粒有机碳贡献率;Mix处理显著降低了2～5 mm团聚体颗粒有机碳贡献率,显著提高了<0.25 mm团聚体颗粒有机碳贡献率。在20～40 cm土层,SB和SG处理较CK处理>5 mm团聚体颗粒有机碳贡献率分别提高了11.5%和7.7%(P<0.05),显著降低了0.25～2 mm团聚体颗粒有机碳贡献率;Mix处理较CK处理各粒级团聚体颗粒有机碳贡献率无显著差异。

3 讨 论

3.1 不同绿肥填闲种植对土壤团聚体的影响

土壤各粒级团聚体的分布特征可以反映土壤存储养分和抗侵蚀的能力[18]。图1表明,3种绿肥种植均显著提高了表层土壤>5 mm团聚体的含量,同时还降低了<0.25 mm团聚体的含量;此外,本研究结果(表1)表明,与裸地休闲相比,3种绿肥填闲种植对表层土壤团聚体平均重量直径均有显著提升。这是由于在小麦夏闲期播种覆盖作物并将之翻覆入地,提高了土壤有机碳水平,残茬经微生物分解为有机质和腐殖质,增强了土壤颗粒间的结合力,有利于大团聚体的形成,改善了土壤物理结构[19],这与周方亮等[20]的研究结果一致。也有研究表明,绿肥根系的活动是增加土壤中大团聚体的重要原因[21]。此外,Cotrufo等[22]研究表明,新鲜植物残茬还田能作为微生物的能量来源,并产生有利于土壤团聚的有机胶结物质。相反,夏季休耕会减弱这些效应,并促进大团聚体内<0.25 mm团聚体的崩解[12]。本研究结果还显示,不同绿肥种植所提高表层土壤>5 mm团聚体含量的效果存在差异,尽管豆科单播与非豆科单播之间无显著差异,但两者单播效果显著优于混播,这与Domagala-Swiatkiewicz等[23]的研究结果基本一致。Ontl等[24]认为,大团聚体的形成可能是未来碳稳定性的一个良好指标,因为它们对保护新鲜沉积的土壤有机质和帮助形成稳定的有机-矿物复合体具有重要意义。

3.2 不同绿肥填闲种植对土壤有机碳组分的影响

本研究表明,与裸地休闲相比,各绿肥种植方式均能显著提高0～40 cm各层土壤总有机碳,且在0～10 cm土层,豆科绿肥提高土壤有机碳含量的效果优于非豆科绿肥及混播,豆科绿肥提高颗粒有机碳含量的效果优于非豆科。在粮食作物休闲期间引种填闲作物作为绿肥,为土壤投入了额外的植物残茬,因此对土壤有机碳的固存有积极影响[5,9]。豆科绿肥固碳效果最优,这可能是由于豆科绿肥除了为土壤投入植物残茬外,还通过生物固氮提供氮源,这可能增加了随后的地上和地下植物的生物量,从而更有利于增加表层土壤有机碳含量[25]。但如Sainju等[26]研究表明,较裸地休闲,野豌豆单播及野豌豆和黑麦草混播显著提高了土壤中的土壤有机碳含量,而黑麦草单播较其他处理均无显著差异。Mazzoncini等[27]研究同样表明,豆科绿肥较裸地休闲可以提高土壤有机碳含量,而非豆科绿肥无显著差异。与土壤有机碳相似,本研究中绿肥种植有利于土壤颗粒有机碳含量的提高,这与Beehler等[28]研究结果一致。前人发现引入豆科与禾草科混播类绿肥较纯豆科或纯禾草科可以提高土壤有机碳和颗粒有机碳的含量[29]。而本研究中混播提高土壤有机碳含量的效果与豆科绿肥和非豆科绿肥单播无显著差异,这可能与豆科与非豆科混播比例有关。刘明健等[30]研究发现,在0～15 cm土层当混播比达到2∶1(豆科∶非豆科)时,其土壤全碳含量显著低于单播处理,这可能是由于豆科固氮促进了非豆科植物生长,豆科与非豆科绿肥的竞争作用加剧了土壤中养分的消耗。本文结果还表明,土壤有机碳组分与团聚体平均重量直径呈显著负相关关系,这是由于土壤碳组分随土层加深而减少,而土壤大团聚体含量随土层加深而增多。

3.3 不同绿肥填闲种植对团聚体碳组分的影响

本研究中,长武怀豆单播及其与苏丹草混播较裸地休闲显著提高了0～10 cm土层土壤中>5 mm团聚体的有机碳含量和颗粒有机碳含量,3种绿肥均显著降低了土壤<0.25 mm团聚体的有机碳含量和颗粒有机碳含量。这表明绿肥生长4 a后,有机碳和颗粒有机碳均被固存在大团聚体中,并由微团聚体中向大团聚体重新分配[12]。本研究中<0.25 mm团聚体有机碳和颗粒有机碳均显著高于其他粒级,这与马瑞萍等[31]和武均等[32]在黄土高原地区所取得的研究结果基本一致。这可能是由于大团聚体主要由富含有机碳的年轻植物残体形成[31],这部分有机碳容易分解和矿化,而微团聚体中以惰性的腐殖质碳占主要优势[33],这部分碳不断积累,导致微团聚体的有机碳和颗粒有机碳含量高于其它粒级[32]。尽管<0.25 mm团聚体的有机碳和颗粒有机碳含量均高于其他粒级,但<0.25 mm团聚体含量占比很低,导致该粒级的有机碳含量贡献率低于其他粒级。土壤中>5 mm团聚体有机碳贡献率最大,3种绿肥显著提高了>0.25 mm团聚体的有机碳贡献率和颗粒有机碳贡献率,其中长武怀豆单播和苏丹草单播的效果显著优于两者混播,这与团聚体占比的规律基本一致,表明各粒级团聚体占比是决定不同粒级团聚体有机碳贡献率的主要因素,这与张少宏等[34]研究结果相一致。

4 结 论

本研究表明,黄土高原地区在冬小麦夏季休耕期引入长武怀豆单播、苏丹草单播以及长武怀豆和苏丹草混播均可以促进大团聚体的形成,提高土壤有机碳含量、颗粒有机碳含量和团聚体平均重量直径,其中长武怀豆单播更有利于表层土壤碳组分的固存。土壤微团聚体有机碳和颗粒有机碳含量均显著高于其他粒级团聚体,但该粒级团聚体含量较低,因此微团聚体有机碳组分的贡献率较低。与裸地休闲相比,长武怀豆单播、长武怀豆和苏丹草混播可显著提高土壤各粒级团聚体有机碳和颗粒有机碳含量,而苏丹草单播更有利于提高<5 mm粒级团聚体有机碳组分。3种绿肥均显著提高了大团聚体的有机碳贡献率和颗粒有机碳贡献率,其中长武怀豆单播和苏丹草单播的效果较优。综合来看,在黄土高原旱作农业区,豆科作物较非豆科作物更有利于土壤团聚体形成及有机碳固定,而豆科与非豆科绿肥混播方式具有一定的固碳效果,但对土壤团聚结构的改良效果较差。

致谢：感谢中国科学院长武生态试验站的工作人员对于本研究试验田工作过程中的帮助。