紫云英添加對土壤團聚體組成及有機碳分布的影響①

周方亮，李 峰，黃雅楠，耿明建，黃 麗

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070)

土壤團聚體廣泛地影響著土壤的性能，包括增強土壤孔隙度、緊實性，影響植物根系的分布及提高土壤抵抗水土流失的能力[1]。研究顯示，有機碳是土壤顆粒聚集效應(yīng)的重要結(jié)合劑[2]，它可以通過化學(xué)和物理過程結(jié)合土壤細(xì)顆粒[3]；團聚體還為土壤中的有機碳提供結(jié)構(gòu)保護，從而防止生物降解[4-5]。土壤團聚體作為土壤理化性質(zhì)的中心調(diào)節(jié)器，在很大程度上影響著有機碳的化學(xué)和生物化學(xué)固定，團聚體各粒級中的有機質(zhì)固存動態(tài)與團聚體自身的穩(wěn)定性息息相關(guān)[6]。因此，研究土壤團聚體及有機碳的關(guān)系對提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤碳儲量具有重要意義。

紫云英是我國稻田主要的冬季綠肥[7-8]，紫云英種植還田是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用地養(yǎng)地的重要措施[9]。近年來大量的化肥施用和較低的利用率正在造成嚴(yán)重的環(huán)境問題[10]，紫云英等有機物料的添加，可直接增加土壤中有機碳含量，提高表層土壤有機碳的累積，對土壤質(zhì)量改善和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有經(jīng)濟和實際意義[11]。紫云英種植還田可提高土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑，增加0.25 ～ 0.053、0.5 ～ 0.25 mm 團聚體的有機碳含量[12]。紫云英還田可顯著增加土壤總有機碳含量，并通過提高土壤微團聚體有機碳含量而增加土壤碳庫[13]。也有研究指出，翻壓紫云英雖未顯著提高大團聚體的含量，卻明顯提高了團聚體穩(wěn)定性，改善了土壤結(jié)構(gòu)，且高紫云英用量的處理團聚體MWD 增幅較大[14]。由于土壤團聚體結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致外源碳的可進入性不同，進而影響了有機碳組分在團聚體內(nèi)的周轉(zhuǎn)及穩(wěn)定。外源新碳前期主要分配在 ＞2 mm 粒級團聚體中，并促進原土有機碳的分解，后期主要分配在微團聚體中[15]。有研究發(fā)現(xiàn)，來源于有機物料的碳首先被存儲在大團聚體中，隨著時間的增長，以礦物結(jié)合態(tài)有機碳和細(xì)顆粒有機碳形式存在的碳儲存量逐漸增加，礦物結(jié)合態(tài)有機碳和細(xì)顆粒有機碳是微團聚體中有機碳穩(wěn)定儲存的主要機制，微團聚體可以為微生物活動提供合適的條件并促進細(xì)顆粒有機碳積累[16]。

紫云英種植還田可以增加土壤有機碳含量，提高團聚體的穩(wěn)定性[17]，但紫云英添加后團聚體組成及團聚體內(nèi)有機碳分布的動態(tài)變化尚鮮有報道。因此，本文采用添加紫云英室內(nèi)培養(yǎng)試驗，通過對土壤團聚體組成、穩(wěn)定性以及團聚體內(nèi)有機碳分布特征的研究，了解紫云英腐解過程中土壤團聚體的變化和團聚體中有機碳的儲存特征，以期為紫云英還田利用和培肥土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為第四紀(jì)沉積物發(fā)育的水稻土，采自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗基地(30°28′10″ N，114°21′21″ E)，該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.9℃，年均日照時數(shù)為1 810 ～ 2 100 h，年均降雨量為1 269 mm，年均蒸發(fā)量為 1 494 mm。供試土壤為壤質(zhì)黏土(27.70% 砂粒，43.99% 粉粒，28.31% 黏粒),土壤有機碳 5.99 g/kg，堿解氮 57.02 mg/kg，有效磷2.00 mg/kg，速效鉀99.07 mg/kg，pH 7.00。

于2018 年4 月采集表層0 ～ 20 cm 土壤樣品，5個樣點混勻后四分法取樣。將其帶回實驗室后，剔除其中石塊、植物殘體等雜質(zhì)，置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，將大土塊沿土壤自然結(jié)構(gòu)輕輕地掰碎，過2 mm篩備用。

1.2 試驗設(shè)計

培養(yǎng)試驗共設(shè)3 個處理，分別為不添加紫云英(CK)，添加2% 土壤質(zhì)量的紫云英(G1)，添加4% 土壤質(zhì)量的紫云英(G2)。每個處理設(shè)置3 個取樣時期，每個時期各3 個重復(fù)，共36 盆。土樣風(fēng)干后過2 mm篩，每個塑料杯中裝入 200 g 土樣(容重為1.30 g/cm3)，將新鮮的紫云英植株剪成1 ～ 2 cm 大小，按上述比例與風(fēng)干土樣充分混勻。在25℃下進行干濕交替培養(yǎng)，加蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含量水量為田間持水量的60%，保持15 d(培養(yǎng)過程中用稱重法補充水份)，然后自然落干15 d 為一個周期。分別在培養(yǎng)60、120、180 d 采用破壞性取樣，用于測定土壤團聚體穩(wěn)定性和有機碳含量。

1.3 樣品測定

將100 g 風(fēng)干土樣通過孔徑依次為2、0.25、0.053 mm 的套篩，分別稱重計算出各級干篩團聚體占土壤總量的百分率。然后按干篩法測定的各級團聚體比例配制60 g 風(fēng)干土樣，用Elliott[18]的土壤團聚體濕篩法獲得不同粒徑水穩(wěn)性團聚體：將樣品放置于孔徑自上而下為2、0.25、0.053 mm 的套篩上，先用水浸潤10 min，接著開啟團聚體分析儀豎直上下振蕩10 min，收集各級篩子上的團聚體并分別轉(zhuǎn)移至鋁盒，依次得到 ＞2、2 ～ 0.25、0.25 ～ 0.053、＜0.053 mm水穩(wěn)性團聚體，烘干稱重。稱重后樣品磨細(xì)過0.15 mm 篩，采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定其有機碳含量[19]。

另外，分別稱取 5.00 g 烘干后的大團聚體(＞0.25 mm)和微團聚體(0.25 ～ 0.053 mm)樣品進行密度分組[20]：用密度為1.85 g/cm3NaI 溶液分離得到游離態(tài)輕組(fLF)和重組(HF)。向重組中加入0.5%(m/V)六偏磷酸鈉(HMP)溶液，振蕩18 h，依次通過0.25 mm和0.053 mm 篩，分別得到粗顆粒有機碳(cPOC，＞0.25 mm)、細(xì)顆粒有機碳(fPOC，0.25 ～ 0.053 mm)、礦物結(jié)合態(tài)有機碳(mSOC；＜0.053 mm)，各組分在40℃下烘干、稱重，計算各有機碳組分在土壤中的相對含量。

水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)使用平均重量直徑(MWD)表示：

式中：為某級團聚體的平均直徑；Wi為該級團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 和Excel 2003 進行統(tǒng)計分析，使用Origin 8.0 軟件進行繪圖，數(shù)據(jù)差異顯著性分析采用Duncan 法(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團聚體的分布

在添加紫云英培養(yǎng)期間，不同處理的團聚體分布相似(表1)，水穩(wěn)性團聚體含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)由高到低依次為，＜0.053、2 ～ 0.25、0.25 ～ 0.053、＞2 mm。＜0.053 mm 粒級團聚體含量最高，為35.77% ～53.32%，＞2 mm 團聚體含量僅有2.49% ～ 5.43%。在培養(yǎng)60 d 時，與CK 處理相比，G1 和G2 處理 ＞2、0.25 ～ 0.053 mm 團聚體的含量分別提高了53.77% ～78.08%、1.22% ～ 39.45%，其中G1 處理 ＞2 mm 團聚體含量顯著增加，增幅為78.08%；＜0.053 mm 團聚體含量降低了3.58% ～ 17.05%。在培養(yǎng)120 d 時，相比于CK 處理，G1 和G2 處理 ＞2、2 ～ 0.25 mm 團聚體的含量分別提高了51.15% ～ 77.31%、16.14% ～17.79%，其中G2 處理顯著增加 ＞2 mm 團聚體含量；＜0.053 mm團聚體含量相比于CK處理降低了12.80% ～31.70%。在培養(yǎng)180 d 時，G1 和G2 處理2 ～ 0.25 mm團聚體的含量分別提高了1.07% 和7.52%，但不同處理各粒級團聚體的含量均無顯著變化。與培養(yǎng)60 d相比，培養(yǎng)180 d 時CK 處理 ＞2、2 ～ 0.25 mm 團聚體含量有所降低，分別降低了16.39%、21.98%，0.25 ～0.053 mm 團聚體含量增加了48.30%。添加紫云英后，在整個培養(yǎng)時期，＞2 mm 團聚體在培養(yǎng)60 d 時含量最高，隨著培養(yǎng)時間的增加而減少，＜0.053 mm 團聚體隨著培養(yǎng)時間的增加先減少后增加，在培養(yǎng)180 d時含量最高。

表1 不同培養(yǎng)時期土壤水穩(wěn)性團聚體的分布(%)Table 1 Distribution of soil water stable aggregates in different culture periods

2.2 土壤團聚體穩(wěn)定性的變化

由圖1 可知，團聚體的MWD 為0.45 ～ 0.65 mm。在培養(yǎng)60 d 時，添加紫云英處理的MWD 有所增高，相比于CK 處理，G1 和G2 處理的MWD 分別增加了16.07% 和8.93%，其中G1 處理團聚體的MWD 最高，為0.65 mm。在培養(yǎng)120 d 時，相比于CK 處理，G1和G2 處理顯著增加了團聚體的MWD，增幅分別為21.15% 和23.08%，G2 處理團聚體MWD 最高，為0.64 mm。在培養(yǎng)180 d 時，不同處理團聚體的MWD由大到小依次為G2＞CK＞G1，G2 處理相比于CK 增加了4.35%，但各處理間均無顯著差異。在整個培養(yǎng)時期，CK 和G1 處理的MWD 隨著培養(yǎng)時間的增加而降低，相比于培養(yǎng)60 d，培養(yǎng)180 d 時分別下降17.86% 和30.77%；G2 處理的MWD 隨著培養(yǎng)時間的增加表現(xiàn)為先增加后降低，在培養(yǎng)120 d 時達到最大，與此相比，培養(yǎng)180 d 時顯著下降25%。紫云英添加提高了前期土壤團聚體的穩(wěn)定性，尤其是在培養(yǎng)120 d 時效果最為顯著，但培養(yǎng)180 d 后不同處理無明顯差異。

圖1 不同培養(yǎng)時期土壤團聚體MWD 的變化Fig. 1 MWD of soil aggregates in different culture periods

2.3 土壤和團聚體中有機碳的分布

培養(yǎng)期間，土壤有機碳含量為6.97 ～ 8.39 g/kg(圖2)，添加紫云英后土壤有機碳含量有所提升，在不同培養(yǎng)時期均表現(xiàn)為G2＞G1＞CK，這與前人的研究結(jié)果相似[21]。在培養(yǎng)60 d 時，相比于CK 處理，G1 和G2 處理的土壤有機碳含量顯著增加，增幅分別為6.27% 和10.72%。在培養(yǎng)120 d 時，G1 和G2處理的有機碳含量相比于CK 處理分別顯著增加6.59% 和17.67%，且G2 處理相比于G1 處理土壤有機碳含量顯著增加7.98%。在培養(yǎng)180 d 時，與CK處理相比，G2 處理的有機碳含量增加6.17%。在整個培養(yǎng)過程中，CK 處理有機碳含量隨著培養(yǎng)時間的增加而降低，添加紫云英各處理隨著培養(yǎng)時間的增加有機碳含量先增加后降低，在120 d 時達到最大值，這可能是由于新鮮紫云英含氮量較高，還田后易引起“激發(fā)效應(yīng)”，促進土壤有機碳礦化分解，使土壤有機碳含量有所降低[22-23]。

圖2 不同培養(yǎng)時期土壤有機碳的含量Fig. 2 Soil organic carbon contents in different culture periods

不同處理土壤團聚體中有機碳含量均隨著粒級的減小而降低，由高到低依次為 ＞2、2 ～ 0.25、0.25 ～0.053、＜0.053 mm。＞2、2 ～ 0.25 mm 團聚體的有機碳含量高于原土，0.25 ～ 0.053、＜0.053 mm 團聚體的有機碳含量則低于原土。大團聚體的穩(wěn)定性在很大程度上取決于植物根系和菌絲，紫云英的添加首先作用在大團聚體上，而小粒徑團聚體中的有機碳則維持在較穩(wěn)定的水平[24]。培養(yǎng)60 d 時，不同處理各粒級團聚體的有機碳含量無顯著差異。培養(yǎng)120 d 時，除G2 處理0.25 ～ 0.053 mm 團聚體外，添加紫云英后土壤各粒級團聚體的有機碳含量均有所提升，相比CK 處理，G2處理顯著增加了 ＞2 mm 團聚體的有機碳含量，增幅為48.82%。培養(yǎng)180 d 時，G1 和G2 處理均提高了各粒級團聚體的有機碳含量，顯著增加了＞2 mm 團聚體的有機碳含量，增幅分別為17.17% 和43.67%，G1處理0.25 ～ 0.053 mm 團聚體的有機碳含量顯著增加了6.93%。在整個培養(yǎng)過程中，G1 和G2 處理 ＞2、2 ～0.25 mm 團聚體的有機碳含量隨著培養(yǎng)時間的增加而增加，＜0.053 mm 團聚體的有機碳含量則與原土有相似的變化規(guī)律，隨著培養(yǎng)時間的增加先增加后降低。

表2 不同培養(yǎng)時期土壤團聚體中有機碳的含量(g/kg)Table 2 Organic carbon contents in soil aggregates in different culture periods

2.4 團聚體內(nèi)有機碳組分的分布

在團聚體內(nèi)，各有機碳組分的相對含量以礦物結(jié)合態(tài)有機碳為主，粗顆粒有機碳次之，細(xì)顆粒有機碳和輕組有機碳含量最低(表3)。在培養(yǎng)的120 d 內(nèi)，與CK 處理相比，G1 和G2 處理均增加了大團聚體(＞0.25 mm)內(nèi)各有機碳組分的相對含量。培養(yǎng)180 d時，G2 處理增加了微團聚體(0.25 ～ 0.053 mm)內(nèi)細(xì)顆粒有機碳和礦物結(jié)合態(tài)有機碳的相對含量。與培養(yǎng)60 d 時相比，在培養(yǎng)180 d 時CK 處理大團聚體內(nèi)粗顆粒和細(xì)顆粒有機碳的相對含量有所下降，礦物結(jié)合態(tài)有機碳和微團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳的相對含量有所上升；G1 和G2 處理則除輕組有機碳含量外，大團聚體內(nèi)各有機碳組分的相對含量均有降低，微團聚體內(nèi)各有機碳組分的相對含量有不同程度的增加。

表3 不同培養(yǎng)時期土壤團聚體中有機碳組分的相對含量(%)Table 3 Relative contents of organic carbon fractions in soil aggregates in different culture periods

不同培養(yǎng)時期，團聚體內(nèi)各組分有機碳含量有著相似的分布規(guī)律(圖3)。在大團聚體中，輕組和細(xì)顆粒有機碳的含量較高，粗顆粒有機碳和礦物結(jié)合態(tài)有機碳的含量較低；在微團聚體中，除CK 處理培養(yǎng)180 d 時的樣品外，其余樣品的各組分有機碳含量由高到低依次為輕組＞細(xì)顆粒有機碳＞礦物結(jié)合態(tài)有機碳。培養(yǎng)60 d 時，相比于CK 處理，G2 處理顯著提升了大團聚體內(nèi)礦物結(jié)合態(tài)有機碳的含量，增幅為10.70%，微團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳、礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量均有下降，降幅分別為 7.37%、60.51%。在培養(yǎng)120 d 時，與CK 處理相比，G1 和G2 處理顯著降低了大團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳的含量，分別降低了4.12% 和41.01%。培養(yǎng)180 d 時，添加紫云英降低了大團聚體內(nèi)粗顆粒有機碳、細(xì)顆粒有機碳的含量以及微團聚體內(nèi)礦物結(jié)合態(tài)有機碳的含量；與CK 處理相比，G1 和G2 處理大團聚體內(nèi)礦物結(jié)合態(tài)有機碳和微團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳分別增加37.31% ～ 49.75%、5.85% ～ 8.88%。這與前人的研究結(jié)果一致[25-26]，來源于有機物料的碳首先以顆粒有機碳形式儲存在大團聚體中，隨著培養(yǎng)時間的增加外源新碳逐步趨向儲存于粒徑較小的微團聚體，導(dǎo)致培養(yǎng)180 d 時微團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳含量的增加。

3 討論

研究結(jié)果顯示，在培養(yǎng)120 d 內(nèi)，添加紫云英處理 ＞2 mm 團聚體的含量相比CK 均有所增加，且培養(yǎng)120 d 時團聚體的穩(wěn)定性顯著提升。培養(yǎng)180 d 時，不同處理各粒級團聚體含量無顯著變化。Oades 和Waters[27]試驗研究表明，不同粒級團聚體的穩(wěn)定性受各個粒級團聚體中有機質(zhì)含量的影響，有機膠結(jié)物質(zhì)在水穩(wěn)性團聚體形成過程中起著重要的作用。紫云英添加后直接增加了土壤有機碳的含量，提高土壤中微生物的活性[28]，而干濕交替的過程會導(dǎo)致土壤中氧化還原電位以及不同類型微生物群落的交替，為有機物質(zhì)的腐殖化提供條件[29-30]，促進有機膠結(jié)物質(zhì)的形成。隨著培養(yǎng)時間的增加，土壤顆粒在有機膠結(jié)物質(zhì)的作用下不斷粘結(jié)形成大團聚體，并在120 d 時團聚體穩(wěn)定性達到最大。研究指出，紫云英還田在前20 d腐解最快，100 d 時紫云英累積腐解率達74.5%，有機碳累積腐解率為70.1%[31]。本試驗培養(yǎng)120 d 后紫云英基本腐解完全，受激發(fā)效應(yīng)的影響土壤有機碳的含量不斷降低，這可能引起180 d 時團聚體穩(wěn)定性下降。

圖3 不同培養(yǎng)時期土壤團聚體中各組分有機碳含量Fig. 3 Contents of organic carbon fractions in soil aggregates in different culture periods

相比于CK 處理，紫云英添加180 d 后顯著增加了微團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳的含量，這與前人的研究結(jié)果相似[32]。Li 等[16]通過兩年的原位培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，植物殘體的碳主要貯存在細(xì)顆粒有機碳中，輕組和粗顆粒有機碳則會隨著培養(yǎng)時間的增加而減少。研究顯示，植物殘體中含有較大比例的粗顆粒有機質(zhì)，這些會作為團聚體的“核”在微生物分泌物等膠結(jié)物的作用下與土壤顆粒粘結(jié)形成大團聚體，隨著時間的增加粗顆粒有機碳不斷地破碎分解形成細(xì)顆粒有機碳[33]。因此，添加紫云英各處理培養(yǎng)后團聚體內(nèi)粗顆粒有機碳含量有所增加，但隨著紫云英腐解速度變緩，培養(yǎng)180 d 時粗顆粒有機碳不斷破碎分解，使微團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳含量不斷增加。相比培養(yǎng)120 d 時，培養(yǎng)180 d 時G1 和G2 處理土壤的大團聚體含量分別下降了28.68% 和24.54%，大團聚體的破碎也導(dǎo)致了大團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳分離進入微團聚體，導(dǎo)致微團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳含量的增加。

4 結(jié)論

培養(yǎng)120 d 內(nèi)，添加紫云英處理均提高了 ＞2 mm團聚體的含量與團聚體的MWD。在整個培養(yǎng)時期，＞2 mm 團聚體在60 d 時含量最高，隨著培養(yǎng)時間的增加而減少，＜0.053 mm 團聚體隨著培養(yǎng)時間的增加先減少后增加，在180 d 時含量最高。紫云英的添加提高了土壤有機碳的含量，4% 土壤質(zhì)量的紫云英添加量效果更好，團聚體中有機碳主要儲存在 ＞2、2 ～0.25 mm 團聚體中。紫云英添加180 d 時，顯著降低大團聚體內(nèi)粗顆粒有機碳和細(xì)顆粒有機碳的含量，顯著增加微團聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機碳的含量，促進微團聚體內(nèi)有機碳的累積，添加4% 土壤質(zhì)量的紫云英處理變化幅度最大。