連作年限對棉田土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的影響

楊衛(wèi)君，惠 超，陳雨欣，宋世龍，史春玲，陳 磊

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830000）

0 引言

土壤團(tuán)聚體是良好的土壤結(jié)構(gòu)體，其多少決定著土壤結(jié)構(gòu)的好壞，同時也與土壤肥力、土壤“碳匯”功能等有著直接關(guān)系[1-3]。土壤團(tuán)聚體的形成必須具備一定條件，主要是土壤中的有機(jī)碳作為膠結(jié)物質(zhì)，可以促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體和單粒的凝聚，從而提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[4-6]。同時，土壤團(tuán)聚過程促進(jìn)土壤固碳，土壤團(tuán)聚體也是土壤有機(jī)碳的“軀殼”，對土壤有機(jī)碳起到保護(hù)作用[7]。研究表明，連作年限的增加會使土壤有機(jī)碳含量下降，此時土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性會受到影響[8]。農(nóng)田土壤是一種重要的土地利用類型，且農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量會隨人類耕種活動有著不同程度的改變。土壤利用方式[9-10]、耕作措施[11-12]、施肥[13-14]等均對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其有機(jī)碳分布有一定影響。

新疆因獨特的地理環(huán)境特征和人們的生產(chǎn)需求，形成了長期棉花連作的種植模式，該種植模式勢必會影響土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳分布特征。已有研究表明，連作會影響土壤團(tuán)聚體特征，促使土壤團(tuán)聚體之間相互轉(zhuǎn)化，提高各粒徑土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量[15]。新疆地處干旱半干旱區(qū)，棉花長期連作導(dǎo)致施肥量不斷增高，致使土壤貧瘠，土壤質(zhì)量日趨下降，所以分析連作對土壤結(jié)構(gòu)的影響。新疆棉田關(guān)于連作的研究主要涉及土傳病害等方面，而連作對土壤團(tuán)聚體影響鮮有研究。因此，本研究以北疆棉田為對象，對土壤團(tuán)聚體分布特征及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，揭示土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布對棉花連作的響應(yīng)，以期為該區(qū)棉田土壤質(zhì)量和固碳能力的提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在新疆維吾爾自治區(qū)中北部呼圖壁縣大豐鎮(zhèn)(86°5′—87°8′E，43°7′—45°20′N)進(jìn)行，該地屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候，每天平均日照時數(shù)10 h以上，7月可達(dá)11 h以上，光照資源充足，晝夜溫差大，年降水量167 mm。平原地區(qū)平均氣溫6.4℃，最高氣溫可達(dá)41.7℃，最低氣溫為-36℃，無霜期177天左右，有效積溫為3553℃，平均每年蒸發(fā)量達(dá)2361.1 mm，屬于典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 樣地選擇

2017年3月底，隨機(jī)選取當(dāng)?shù)夭煌r(nóng)戶連作5年(L5)、12年(L12)、17年(L17)的田塊，隨機(jī)取樣調(diào)差，并以無連作棉田為對照(CK)。樣區(qū)棉田種植方式為膜下滴灌，施肥隨水滴施，由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶統(tǒng)籌管理，肥料種類主要包括氮肥、磷肥、鉀肥及復(fù)合肥等。

1.3 樣品采集

2017年3月底，在棉花播種前采集土壤樣品。不同連作田塊隨機(jī)選取3個重復(fù)樣方，以五點取樣法分別對不同樣方土壤進(jìn)行采集(0～20、20～40 cm)。并分別將不同樣方各土層土樣混合，剔除雜草及亂根，風(fēng)干備用。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤團(tuán)聚體的篩分 五點取樣法分別采集0～20、20～40 cm土層土壤，混合裝袋帶回，在室內(nèi)風(fēng)干過程中沿土壤自然縫隙將土壤掰成小于1 cm的小塊。采用干篩法，每小區(qū)稱取風(fēng)干土樣500 g，分多次置于孔徑依次為2、0.25、0.053 mm的套篩頂部，人工搖動套篩2～3 min左右，搖篩結(jié)束后靜置1 min，收集各層篩面上的土壤團(tuán)聚體分別稱重，記錄并裝袋。大于0.25 mm的為土壤大團(tuán)聚體，小于0.25 mm的為土壤微團(tuán)聚體。

1.4.2 土壤有機(jī)碳測定 測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸稀釋熱法。

1.4.3 相關(guān)計算 相關(guān)計算如式(1)～(2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、制圖，采用SPSS 25.0進(jìn)行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同連作棉田土壤總有機(jī)碳含量變化

不同土層土壤有機(jī)碳含量對不同連作年限響應(yīng)顯著，不同土層有機(jī)碳含量分布情況為0～20 cm＞20～40 cm，且不同土層土壤有機(jī)碳含量隨連作年限變化趨勢相似（圖1）。隨著連作年限增加，土壤有機(jī)碳含量先增加后降低；與種植1年的棉田(CK)相比，連作5年土壤有機(jī)碳含量最高，不同土層有機(jī)碳含量分別較其CK顯著提高16.2%和15.1%(P＜0.05)。連作5年后，土壤有機(jī)碳含量逐漸降低，但連作5、12、17年處理間各層土壤有機(jī)碳含量差異不顯著(P＜0.05)。

圖1 不同連作年限不同土層土壤總有機(jī)碳含量

2.2 連作棉田土壤團(tuán)聚體分布

表1為長期連作棉田土壤團(tuán)聚體分布特征，連作年限會影響土壤團(tuán)聚體粒級分布，且不同土層，各粒級土壤團(tuán)聚體分布趨勢相似。不同土層中，種植1年對照CK處理土壤團(tuán)聚體主要以＞2 mm及0.25～2 mm粒級為主，0～20 cm土層中分別占51.49%和34.19%，20～40 cm土層中分別占53.91%和33.03%，而＜0.25 mm粒級的土壤微團(tuán)聚體分別僅占14.32%和13.07%；連作不同年限改變了土壤團(tuán)聚體分布，與種植1年CK處理相比，連作12年(L12)、連作17年(L17)處理顯著降低了＞2 mm粒級土壤團(tuán)聚體含量(P＜0.05)，0～20 cm土層中分別降低7.6%和16.7%，20～40 cm土層中分別降低10.7%和13.2%；20～40 cm土層0.053～0.25 mm粒級土壤團(tuán)聚體含量較CK處理顯著提高了26.6%和27.9%(P＜0.05)。

表1 長期膜下滴灌棉田土壤團(tuán)聚體百分含量變化 %

2.3 連作棉田土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量對連作年限的響應(yīng)顯著，且不同土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化趨勢相似（表2）。種植1年CK處理＞2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較低，分別為10.38、9.04、10.05、8.78 g/kg；連作5年處理0～20、20～40 cm土層＞2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均有所提高，分別較CK處理顯著提高了26.6%、27.9%(P＜0.05)；0.25～2 cm及＜0.053 cm粒級有機(jī)碳含量較CK處理也有所增加，但無顯著性差異。連作5年后各粒級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量逐漸下降。

表2 長期膜下滴灌棉田各級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化 g/kg

2.4 連作棉田土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

連作年限會對各粒級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率產(chǎn)生影響，且不同土層影響趨勢相似（圖2）。＞2 mm粒級團(tuán)聚體碳貢獻(xiàn)率隨連作年限的增加而降低，＜0.25 mm粒級表現(xiàn)相反趨勢。種植1年對照CK處理，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率以＞2 mm粒徑最大，占50%以上，＜0.053 mm粒徑的貢獻(xiàn)率最小，其他處理表現(xiàn)趨勢與CK處理保持一致。連作年限改變了各粒級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，與CK處理相比，連作5年處理，＞2 mm粒級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著增加了6.9%(P＜0.05)，連作5年后有機(jī)碳貢獻(xiàn)率逐漸降低。

圖2 不同處理各粒級團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

連作年限對棉田土壤結(jié)構(gòu)有重要影響，并顯著影響土壤有機(jī)碳含量。在本試驗條件下，連作顯著降低了土壤＞0.25 mm團(tuán)聚體含量，升高了＜0.25 mm團(tuán)聚體含量，嚴(yán)重?fù)p害了土壤結(jié)構(gòu)；短期連作有利于有機(jī)碳的積累，連作時間大于5年有機(jī)碳含量逐年降低。

4 討論

有機(jī)碳含量決定了土壤肥力高低，其在保持優(yōu)良土壤結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵性作用，被用做土壤質(zhì)量或健康評價不可缺少的指標(biāo)[16]。新疆水資源短缺、氣候干旱，導(dǎo)致生物積累量低，所以土壤有機(jī)碳的初始值處于較低水平，在自然條件下難以提高；連作后，灌溉及施肥使土壤肥力得到極大改善，生物量也明顯增多，土壤有機(jī)碳積累量也得到提高。土壤有機(jī)碳積累受植被生物產(chǎn)量的輸入和降解量的影響[17]。研究表明土壤結(jié)構(gòu)隨著種植年限的增加日趨穩(wěn)定，增強(qiáng)了土壤的抗侵蝕能力[18]。景峰等[19]的研究結(jié)果表明，棉花連作會增加土壤有機(jī)碳含量，短期連作（＜5年）土壤有機(jī)碳含量積累速率最快，連作多于5年后有機(jī)碳增加速率逐漸降低，且土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而降低。本試驗結(jié)果表明，連作1～5年時土壤有機(jī)碳含量顯著增加，連作5～12年緩慢降低，到17年后顯著下降；淺層土有機(jī)碳含量高于深層土，且隨著連作年限的增加，有機(jī)碳含量也逐漸下降。由于耕作初期，棉花生長期結(jié)束后，棉田表面仍附著大量的枯枝及殘茬，增加了土壤有機(jī)碳含量。而隨連作年限延長，作物生長所需營養(yǎng)增加，微生物活動減弱，致使返還到土壤的植被分解逐年降低[20]。

土壤有機(jī)碳是形成土壤團(tuán)聚體重要的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，且土壤團(tuán)聚體的形成過程也是有機(jī)碳重要的固定過程[21]。一方面，有機(jī)碳作為膠結(jié)物質(zhì)，有利于土壤中礦物和黏粒膠結(jié)形成水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體[22]；另一方面，土壤有機(jī)碳是土壤肥力的決定性因子，而團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的重要儲存場所[23]。吳雪里慧等[24]研究表明，土壤有機(jī)碳含量受0.5～1 mm團(tuán)聚體百分含量的影響較大，與0.5～1 mm粒級的團(tuán)聚體百分含量具有顯著的正相關(guān)性。王晟強(qiáng)等[25]研究表明，各種植年限土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨粒徑增大而升高，其中＞2 mm和2～1 mm粒徑團(tuán)聚體較高。本研究表明，連作5年處理0～20、20～40 cm土層＞2 mm粒級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較CK處理分別顯著提高26.6%、27.9%，0.25～2 cm及＜0.053 cm粒級有機(jī)碳含量較CK處理也有所增加，但無顯著性差異。土壤團(tuán)聚體的優(yōu)勢粒徑為＞2 mm和0.25～2 mm粒徑之間，土壤團(tuán)聚體含量隨粒徑的減小呈降低趨勢；本研究通過計算各粒級團(tuán)聚體碳貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)，大團(tuán)聚體占比較高，總體仍以大團(tuán)聚體為主，表明大團(tuán)聚體是土壤碳主要來源。