長(zhǎng)期施用綠肥對(duì)灌漠土水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的影響

賈 宇 ，車宗賢 ，3*，包興國(guó) ，吳科生

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州730070；3.農(nóng)業(yè)部甘肅耕地與保育農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，武威733000）

引言

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，影響著土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蝕性，對(duì)調(diào)節(jié)土壤中的水、肥、氣、熱有著重要作用，其數(shù)量和大小是決定土壤侵蝕、壓實(shí)、板結(jié)等物理過(guò)程速度和幅度的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。耕作、施肥不僅影響土壤團(tuán)聚體的形成與數(shù)量，而且還對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有重要影響。土壤團(tuán)聚體由大團(tuán)聚體（＞0.25mm）和微團(tuán)聚體（＜0.25mm）組成，其中＞0.25mm 粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量是最好的結(jié)構(gòu)體，且含量越高，代表土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定和抗侵蝕能力越強(qiáng)[2-4]。土壤有機(jī)碳是團(tuán)聚體形成的主要膠結(jié)物質(zhì)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著土壤有機(jī)碳含量和微生物量的增加而增加[5，6]。

種植翻壓綠肥不僅可以活化土壤中的礦質(zhì)元素、提高土壤有機(jī)碳，還可以有效提高水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體中有機(jī)碳，進(jìn)而提升土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)[7-9]。劉小粉[10]等研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠肥能促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)。同時(shí)，植物殘?bào)w歸還的數(shù)量不同，是否有植被覆蓋的差異，也會(huì)影響團(tuán)聚體的形成、穩(wěn)定性以及有機(jī)碳的分解速率[11]。

灌漠土是甘肅河西干旱內(nèi)陸灌區(qū)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期耕灌形成的一種典型耕作土壤。雖然不同施肥對(duì)灌漠土促進(jìn)土壤團(tuán)聚方面已有些報(bào)道[12，13]，但長(zhǎng)期施用綠肥在灌漠土上進(jìn)一步細(xì)化為種植帶、過(guò)渡帶土壤團(tuán)聚體分布和有機(jī)碳研究則少見報(bào)道。因此，本研究在河西走廊武威綠洲灌區(qū)的灌漠土上，于1988～2019 年設(shè)置了31 年的長(zhǎng)期施用綠肥定位試驗(yàn)，在小麥/玉米間作體系下，來(lái)研究長(zhǎng)期施用綠肥對(duì)種植帶、過(guò)渡帶土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的影響，為該區(qū)培肥及土壤結(jié)構(gòu)改善提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)起始于1988 年，該研究區(qū)位于甘肅省農(nóng)科院土肥所武威綠洲農(nóng)業(yè)試驗(yàn)點(diǎn)（北緯38°37′，東經(jīng)102°40′），海拔 1504m。年均氣溫 7.8℃，無(wú)霜期 150 天，年降雨量150mm，年蒸發(fā)量2021mm，試驗(yàn)開始時(shí)土壤基本理化性質(zhì)為 pH8.8、有機(jī)碳9.48g·kg-1、全氮1.06g·kg-1、全磷 0.15g·kg-1、堿解氮 64.4mg·kg-1、速效磷 13.0mg·kg-1、速效鉀 180.0mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選?、偈┯镁G肥（用G 表示，綠肥壓青45000kg/hm2、②綠肥與化肥配施（用1/2GN 表示，綠肥壓青 22500kg/hm2+N 肥 187.5kg/hm2）、③施用化肥（用N 表示，N 肥 375kg/hm2、P2O5）、④CK（無(wú)肥對(duì)照）4 個(gè)處理，綠肥為毛苕子（風(fēng)干），N 肥為尿素（46%），磷肥為重過(guò)磷酸鈣（42%）。小區(qū)面積31.5m2，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，三次重復(fù)。自1988 年開始按3 年一個(gè)周期即“小麥/ 玉米間套作—小麥單作—玉米單作”方式輪作，自 1999 年至 2019 年20 年間，只進(jìn)行小麥 / 玉米間套作，小倒茬，帶幅150cm（小麥帶 70cm，玉米帶80cm），種植小麥或玉米的區(qū)域稱“種植帶”，兩個(gè)種植帶中間的區(qū)域稱“過(guò)渡帶”，如圖1 所示。在小麥的苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和玉米的吐絲期、開花期和灌漿期灌水，共灌7 次水。

1.3 土樣樣品采集及處理

在2019 年8 月份小麥?zhǔn)斋@后分別采集種植帶（小麥、玉米）、過(guò)渡帶0～20cm 和20～40cm 個(gè)層次原狀土樣，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，將采集的原狀土樣在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成小土塊，過(guò)10mm 篩，自然風(fēng)干，備用。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體分級(jí)采用Yoder 法[14]：將薩維諾夫法干篩得到的各級(jí)團(tuán)聚體按其質(zhì)量百分比配成質(zhì)量為50g 的土樣進(jìn)行濕篩。首先，將選取的50g 土樣在水中浸泡 10min，然后將土樣依次通過(guò) 2、0.25、0.053mm 的篩子，上下均勻震蕩5min 后，將殘留在不同篩子上的土粒用蒸餾水洗到鋁盒中，在烘箱中烘干至恒重（40℃，48h），即為不同粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（注：由于試驗(yàn)采取的是小倒茬，從長(zhǎng)期理論上來(lái)講小麥、玉米兩個(gè)條帶土壤性狀差別不大，因此，種植帶各粒徑含量即為：小麥帶、玉米帶的平均值）；土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化—油浴加熱法。

圖1 兩個(gè)種植帶中間的“過(guò)渡帶”

1.4 計(jì)算方法

團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）的計(jì)算公式如下：

Xi為團(tuán)聚體的重量百分?jǐn)?shù)；Wi為某級(jí)團(tuán)聚體平均直徑。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用 SAS V8.0 進(jìn)行方差分析、Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及回歸線方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分布的影響

耕層土壤（0～20cm）中團(tuán)聚體對(duì)耕地質(zhì)量和作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大，是土壤培肥的關(guān)鍵，長(zhǎng)期培肥對(duì)耕層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分布的影響見圖2。

圖2 長(zhǎng)期施肥對(duì)0～20cm 耕層土壤種植帶、過(guò)渡帶土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的分布

在＞2mm 粒徑中，G 處理較CK 在種植帶水穩(wěn)性團(tuán)聚體顯著提高27.3%，其他處理均不顯著；單施N 肥在過(guò)渡帶中顯著提高了11%，其他處理均不顯著。在2～0.25mm 粒徑中，1/2GN 在種植帶中表現(xiàn)最優(yōu)，與 CK處理相比較顯著提高了15.6%，其他處理均沒有明顯提高，但與N 處理相比G 和1/2GN 處理分別顯著提高了20.1%、34.8%；在過(guò)渡帶G 和1/2GN 與對(duì)照相比分別顯著提高了19.8%、16.5%，N 處理顯著降低，與N 處理相比G 和1/2GN 分別顯著提高了52.6%、48.4%。與CK 處理相比較在0.25～0.053mm 粒徑種植帶中G 處理顯著降低了28.7%，其他處理均不顯著；1/2GN 和N 處理在過(guò)渡帶分別顯著提高了35.5%、18.8%，其他處理變化不明顯。在＜0.053mm 粒徑中，G 和1/2GN 在種植帶及過(guò)渡帶與CK 處理相比均顯著降低。

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)犁底層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的分布

由于作物生長(zhǎng)后期作物根系下扎多分布于土壤下層，因此20～40cm 土壤團(tuán)聚體對(duì)作物后期生長(zhǎng)及根系發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)期施肥對(duì)犁底層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分布的影響見圖3。

與CK 處理相比較，在＞2mm 粒徑中所有均沒有提高該粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。1/2GN、N 處理與CK 處理相比較，在2～0.25mm 粒徑中種植帶分別顯著提高了19.7%、18.4%，處理間相比均不顯著；在過(guò)渡帶中所有處理均顯著提高，提高幅度為19.2%～26.3%，其中翻壓純綠肥表現(xiàn)最優(yōu)。在0.25～0.053mm 粒徑種植帶中與CK 處理相比較所有處理均顯著提高，提高幅度為：15%～65.3%，其中1/2GN 處理最優(yōu)；與CK處理相比除G 處理不顯著外，1/2GN 和N 處理分別顯著提高60.8%、60.2%。在＜0.053mm 粒徑中與CK 處理相比種植帶所有處理均不顯著，但所有處理均在過(guò)渡帶中顯著提高，提高幅度為：65.6%～98.8%。

2.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞0.25mm）含量的分布

連續(xù)31 年試驗(yàn)結(jié)果如圖4，長(zhǎng)期施肥在0～20cm土層中，G、1/2GN 較CK 均顯著提高了種植帶、過(guò)渡帶水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞0.25mm）的含量，其中種植帶分別提高 17%、10.6%，過(guò)渡帶分別提高4.69%、3.4%；G 處理在種植帶、過(guò)渡帶比1/2GN 顯著提高了6%、3.3%，同時(shí)與CK 相比提高幅度比過(guò)渡帶的提高幅度高211.8%、262.5%。N 處理降低了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量，但差異不顯著；在20～40cm 土層中，所有處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量均顯著低于CK 處理，處理間相比，G 處理在兩個(gè)條帶均顯著高于1/2GN、N 處理。由此得出G 和1/2GN 能顯著提高耕作層水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，對(duì)犁底層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體無(wú)影響。

2.4 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）的影響

團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)。一般認(rèn)為MWD 值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[14]。連續(xù)31 年試驗(yàn)結(jié)果如圖5。在0～20cm 耕層土壤中，在種植帶中G 處理較CK 顯著提高了23.7%，在過(guò)渡帶中N處理較CK 顯著提高了7.3%，其他處理均不顯著。在20～40cm 犁底層土壤中團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）在種植帶中G 處理較N 處理顯著提高，在過(guò)渡帶中G較1/2GN 顯著提高。所有處理無(wú)論是種植帶還是過(guò)渡帶團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）均顯著低于CK。

圖3 長(zhǎng)期施肥對(duì)犁底層土壤種植帶、過(guò)渡帶土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分布的影響

圖4 長(zhǎng)期施肥對(duì)種植帶、過(guò)渡帶水穩(wěn)性大團(tuán)聚體0～40cm 土層含量分布的影響

圖5 長(zhǎng)期施肥對(duì)種植帶、過(guò)渡帶土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的影響

2.5 長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的影響

有機(jī)碳的積累在耕層土壤表現(xiàn)最為明顯，并對(duì)團(tuán)聚體的影響最大，長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響見圖6。

團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在種植帶和過(guò)渡帶均在粒徑2～0.25mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體中含量最高，G、1/2GN 較 CK各粒徑有機(jī)碳含量極顯著提高，種植帶中G 較CK 增加團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最多，增加21.74%～68.15%；在過(guò)渡帶中1/2GN 較CK 增加團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最多，增加19.88%～45.6%；G、1/2GN 較N 各粒徑有機(jī)碳含量亦極顯著增加。N 較CK 在種植帶、過(guò)渡帶中粒徑＞0.25mm 的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著性增加。2.6 耕層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體相關(guān)性分析

圖7 分析了耕層土壤種植帶、過(guò)渡帶團(tuán)聚體中有機(jī)碳與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量的關(guān)系。結(jié)果表明，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（n=12、r=0.729**），團(tuán)聚體有機(jī)碳每提高 0.1g·kg-1，種植帶和過(guò)渡帶水穩(wěn)性大團(tuán)聚體分別提高0.4%和0.25%，說(shuō)明團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的提高有利于水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤種植帶和過(guò)渡帶土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量水平分布。團(tuán)聚體的形成、空間分布除了受土壤本身物質(zhì)的影響外，也受施肥、種植制度等人為因素的影響[15，16]。本項(xiàng)研究結(jié)果，在小麥/玉米間作體系下，連續(xù)32 年試驗(yàn)耕層土壤種植帶和過(guò)渡帶空間分中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，G 較CK，粒徑＞2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量種植帶顯著提高了27.3%，種植帶較過(guò)渡帶提高了23.6%；粒徑2～0.25mm 過(guò)渡帶顯著提高了19.8%；粒徑0.25～0.053mm 團(tuán)聚體種植帶顯著降低，過(guò)渡帶差異顯著,種植帶與過(guò)渡帶水穩(wěn)性團(tuán)聚體差異不顯著，同時(shí)MWD 也顯著提高了23.7%。由此認(rèn)為，施用綠肥對(duì)0～20mm 耕作層土壤，可促進(jìn)種植帶、過(guò)渡帶微團(tuán)聚體（＜0.25mm）向＞2mm 大粒徑團(tuán)聚體形成。1/2GN 種植帶與過(guò)渡帶團(tuán)聚體由微團(tuán)聚體（＜0.25mm）向2～0.25mm 小團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變。增施綠肥可大大提高土壤有機(jī)質(zhì)的積累，從而起到有機(jī)碳對(duì)團(tuán)聚體膠結(jié)作用，提高大團(tuán)聚體。謝凱[17]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著綠肥施用量的增加，有機(jī)碳迅速提高，大顆粒團(tuán)聚體明顯增多，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈現(xiàn)明顯升高的趨勢(shì)。

圖6 長(zhǎng)期施肥對(duì)種植帶、過(guò)渡帶0～20cm 土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分布的影響

圖7 耕層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量的關(guān)系

種植帶對(duì)于形成大團(tuán)聚體效果大于過(guò)渡帶，這可能與種植帶長(zhǎng)期種植作物，使作物根系的分泌物產(chǎn)生了膠結(jié)作用，促進(jìn)了小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體形成有關(guān)。王婷[18]曾報(bào)道指出根系分泌物能夠通過(guò)刺激微生物生長(zhǎng)，起到活化作用，從而增加土壤中＞2mm 粒級(jí)團(tuán)聚體的含量，進(jìn)而提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。白錄順等[19-21]曾報(bào)道指出新鮮的作物根系分泌物能快速黏結(jié)土壤顆粒，避免遭水破壞，保護(hù)團(tuán)聚體，從而使團(tuán)聚體更加穩(wěn)定。

連續(xù)32 年施用化肥在種植帶對(duì)微團(tuán)聚體的形成無(wú)影響，過(guò)渡帶在粒徑＞2mm、0.25～0.053mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著提高，分別提高11%、18.8%，MWD顯著提高了7.3%。施用化肥過(guò)渡帶較種植帶大團(tuán)聚體效果明顯，可能是因?yàn)槭┯玫试斐煞N植帶的土壤溶液濃度過(guò)高，滲透阻力增大，根系分泌物的膠結(jié)作用發(fā)揮不足，從而影響了團(tuán)聚體的形成[21]。

3.1.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤種植帶、過(guò)渡帶團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響。土壤團(tuán)聚體碳是土壤碳蓄積與轉(zhuǎn)化的重要機(jī)制之一，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳平衡與礦化速率的微觀表征[22-24]。有研究表明生草栽培可提高果園土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量[25]。本項(xiàng)研究結(jié)果表明：G 和1/2GN 施較CK各粒徑有機(jī)碳含量極顯著提高，種植帶中G 較CK 增加團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最多，增加21.74%～68.15%；在過(guò)渡帶中1/2GN 較CK 增加團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最多，增加 19.88%～45.6%；G 和 1/2GN 較 CK 各粒級(jí)有機(jī)碳含量亦極顯著增加。

3.1.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與有機(jī)碳相關(guān)性。在各施肥處理下，灌漠土各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與不施肥處理相比均有所提高，并且呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。其中，2～0.25mm 粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量最高[12]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在耕層土壤中G 和1/2GN 均顯著提高了種植帶、過(guò)渡帶水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量；有機(jī)碳含量主要富集在2～0.25mm 粒徑中，并與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān)。這與5 年前的研究結(jié)果相一致，更加明確了在穩(wěn)定灌漠土上土壤有機(jī)碳對(duì)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的促進(jìn)作用。

3.2 結(jié)論

3.2.1 在小麥/玉米長(zhǎng)期定位間作體系中，連續(xù)32 年施用綠肥45000kg/hm2能促進(jìn)種植帶中微團(tuán)聚體 ＞0.25 向大團(tuán)聚體＞2mm 的轉(zhuǎn)移；施用綠肥45000kg/hm2和減半施用綠肥與氮肥配合，均能顯著促進(jìn)過(guò)渡帶微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)移。

3.2.2 長(zhǎng)期施肥耕作層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體效果優(yōu)于犁底層。

3.2.3 在耕層（0～20cm）中，長(zhǎng)期施用綠肥能顯著提高＞0.25mm 粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，其中種植帶提升了17%，過(guò)渡帶提升4.69%；與CK 相比，種植帶提高幅度比過(guò)渡帶的提高幅度高211.8%、262.5%。

3.2.4 耕作層G、1/2GN 較CK 各粒徑有機(jī)碳含量極顯著提高，種植帶中G 較CK 增加團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最多，增加21.74%～68.15%；在過(guò)渡帶中1/2GN 較CK增加團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最多，增加19.88%～45.6%。耕層團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳含量與＞0.25mm 粒徑水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)，種植帶的高于過(guò)渡帶。有機(jī)碳每提高0.1g·kg-1，種植帶和過(guò)渡帶水穩(wěn)性大團(tuán)聚體分別提高0.4%和0.25%。