连续种植不同绿肥作物耕层的土壤团聚体特征

张 钦，于恩江，林海波，张爱华，陈正刚，朱 青*，曹卫东，朱大雁

(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所/农业资源与环境研究所/农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测试验站，贵州 贵阳 550006；2.贵州大学，贵州 贵阳 550025；3.贵州省土壤肥料工作总站，贵州 贵阳 550003；4.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

【研究意义】土壤团聚体是土壤的重要组成部分，其形成是土壤微生物、植物根系及复杂的物理化学过程的作用结果，团聚体多少决定土壤肥沃程度，不仅利于土壤通气，也使土壤有良好的供肥性[1]。土壤团聚体的形成、特征及作用功能十分复杂，既受土壤本身物质组成的影响，还受人为活动等因素的影响[2]。【前人研究进展】有研究表明，1～10 mm粒级的水稳性团聚体有利于调节土壤通气和持水间养分的释放与保持间的矛盾，而不同土地利用方式下土壤团聚体的水稳性表现不同[3-4]，保护性耕作有利于土壤团粒结构的形成，改善土壤环境[5]，施用有机肥能显著增加>0.25 mm 粒级的团聚体含量、MWD 和 GMD 值[2]，翻压绿肥后增加土壤中>7 mm 的大团聚体含量，降低<1 mm的小团聚体含量[6]。【本研究切入点】土壤团聚体在农业生产及土壤可持续发展利用方面具有重要的意义。绿肥在我国生态农业发展上具有重要的地位，种植翻压绿肥可以活化土壤中的矿质元素、提升土壤肥力、改善土壤结构，而对土壤团聚体影响的研究较少。【拟解决的关键问题】笔者等通过连续种植几种不同绿肥作物，分析机械稳定性土壤团聚体组成、水稳定性土壤团聚体组成、水稳定性土壤大团聚体含量、土壤平均重量直径、土壤几何平均直径的特征，研究连续种植不同绿肥作物对土壤团聚体的影响，为改善土壤团聚体结构和土壤资源的可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 绿肥品种 箭筈豌豆(ViciasativaL.)、肥田萝卜(RaphanussativusL.)、蓝花苕子(ViciacraccaL.)、毛叶苕子(ViciavillosaRoth)、光叶苕子(Viciavillosavar.)，种子均从国家种质资源库引进。

1.1.2 试验地概况 试验于2011年起在贵州省农业科学院(106°07′E，26°11′N)内连续种植5 a，试验地海拔1100 m，属于亚热带湿润温和型气候，年平均气温15.3 ℃，年极端最高温度35.1 ℃，年极端最低温度-7.3 ℃，年平均相对湿度77 %，年平均总降水量1129.5 mm，年平均日照时数1148.3 h。土壤为黄壤，成土母质为第四纪红色粘土残积物，土壤有机质45.05 g/kg、全氮1.88 g/kg、全磷0.79 g/kg、全钾14.21 g/kg、碱解氮169.9 mg/kg、有效磷18.3 mg/kg、速效钾112.2 mg/kg、pH 5.58。

1.2 试验设计

试验设6个处理：CK(清耕)、箭筈豌豆、肥田萝卜、蓝花苕子、毛叶苕子、光叶苕子，小区面积9 m2，3次重复，随机区组排列。清耕为不栽种任何作物，田间管理方式与其他处理相同；绿肥单作点播，每穴5粒种子，穴间距20～25 cm，深度1～3 cm，生长期间不施用任何肥料，每年9月播种，次年6月收割地上部分，试验连续重复进行。

1.3 试验方法

1.3.1 指标测定 于2016年6月收割地上部分前田间取样，采集0～20 cm土层土壤样品，每个小区分别取3个点带回实验室内风干备测。在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。

土壤基本理化性质：土壤pH采用水土比2.5∶1(pH计法)，全氮采用凯氏定氮法，全磷含量采用酸溶钼锑抗比色法，全钾采用HF-HClO4消解火焰光度法，有机质采用重铬酸钾容量法，碱解氮用碱解扩散法-标准酸滴定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑忼比色法，速效钾采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[7]。

团聚体：沿土壤结构的自然剖面掰分成1 cm 左右的团块，通过孔径依次为5、2、1、0.5、0.25 mm套筛，分别称重计算出各级干筛团聚体占土壤总量的百分率，并按干筛的比例配成50 g风干土样，然后用Elliott[8]土壤团聚体湿筛法获得不同粒径的水稳性团聚体。具体方法：将样品放置于孔径自上而下为5、2、1、0.5、0.25 mm的各级套筛之上，先用水缓慢湿润后放入水中，最顶层筛的上边缘保持低于水面，竖直上下振荡5 min；收集各级筛层团聚体并分别转移至铝盒当中，然后烘干称重，计算各级团聚体的质量百分含量[9-10]，平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)。

式中，mi为各级团聚体的重量百分含量，ri为第i个筛的孔径大小(mm)，并且r0=r1，rn=rn+1，n为筛子的数量。

式中，mi为土壤不同粒级团聚体的重量(g)；lnri为土壤粒级平均直径的自然对数。

按照颗粒大小，将>0.25 mm粒径的团聚体划为大团聚体，<0.25 mm粒径的团聚体划为微团聚体，大团聚体丰富是土壤良好结构特征的表现。

1.3.2 数据处理 采用EXCEL 2007和SPSS 18.0软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较，用Pearson法进行相关分析。利用EXCEL 2007软件作图。数据结果用平均值±标准差表示。

不同小写字母表示在P≤0.05水平差异显著(下同)Different lowercase letters indicate significance of difference at P ≤0.05 level. The same as below图1 不同处理土壤机械稳定性团聚体的含量Fig.1 The contents of mechanical-stable aggregate under different treatment

2 结果与分析

2.1 土壤机械稳定性团聚体的含量

从图1看出，各处理均以>0.25 mm粒径大团聚体为主，说明土壤团聚性较好，随粒径减小质量呈减小趋势。>5 mm与5～0.5 mm粒径团聚体含量间极显著负相关，5～2 mm与2～1 mm、2～1 mm与1～0.5 mm、1～0.5 mm与0.5～0.25 mm粒径间呈显著正相关(表1)。在不同品种中，团聚体粒径>5 mm的以光叶苕子最高，是最低蓝花苕子的2.39倍；5～2 mm粒径的以肥田萝卜最高，是最低光叶苕子的2.31倍；2～1 mm粒径、1～0.5 mm粒径、0.5～0.25 mm粒径中均以毛叶苕子最高。

2.2 土壤水稳性团聚体的含量

图2 不同处理土壤水稳性团聚体含量Fig.2 The contents of water-stable aggregate under different treatment

从图2看出，各处理均以>0.25 mm粒径大团聚体为主，除光叶苕子外，随粒径减小质量呈减小趋势，以>5 mm粒径团聚体的含量最高。各粒径间的团聚体相关性较高，>5 mm与<5 mm粒径的团聚体含量间极显著负相关，5～2 mm与2～1 mm粒径间极显著正相关，2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒径相互间极显著正相关(表2)。在不同品种中，团聚体粒径>5 mm的以肥田萝卜最高，是最低光叶苕子的8倍；5～2 mm粒径的以蓝花苕子最高，2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm粒径的均以光叶苕子最高。

2.3 土壤水稳性大团聚体的含量

从图3可知，CK的水稳性大团聚体含量为85.06 %，而连续种植绿肥的为83.11 %～87.79 %，与CK间差异均不显著。在不同绿肥作物中，毛叶苕子的土壤水稳性大团聚体含量最高，肥田萝卜次之，两者分别比最低的光叶苕子显著提高5.63 %和5.42 %。总体看，连续种植绿肥有利于形成土壤水稳性大团聚体，从图4、表3看出，>5 mm土壤水稳性团聚体含量与土壤水稳性大团聚体含量极显著相关，拟合方程为y=5.469x-439.62，R2=0.6025，说明，>5 mm粒级土壤水稳性团聚体的增加有利于土壤水稳性大团聚体积累。

表1 各粒径土壤机械稳定性团聚体含量的相关系数Table 1 The correlation coefficients between mechanical-stable aggregate of different sizes

注：*表示相关性显著(P<0.05)，**表示相关性极显著(P<0.01)，下同。
Note:* and ** indicate significance of correlation atP<0.05 andP<0.01 levels, respectively. The same as below.

表2 各粒径土壤水稳性团聚体含量的相关系数Table 2 The correlation coefficients between water-stable aggregate of different sizes

表3 土壤水稳性大团聚体含量与各粒径土壤水稳性团聚体含量的相关系数Table 3 The correlation coefficients between big water-stable aggregate and water-stable aggregate of different sizes

2.4 土壤平均重量直径

从图5看出，连续种植绿肥对土壤平均重量直径的影响较大，土壤平均重量直径为肥田萝卜>毛叶苕子>CK>箭筈豌豆>蓝花苕子>光叶苕子，肥田萝卜的平均重量直径最大，比CK高18.75 %，比光叶苕子、蓝花苕子分别显著高114.75 %和40.16 %，光叶苕子较CK显著降低44.67 %。

图3 不同处理的土壤水稳性大团聚体含量Fig.3 The contents of big water-stable aggregate layers under different treatment

图4 土壤水稳性团聚体含量与水稳性大团聚体含量的线性关系Fig.4 The relationship between water-stable aggregate and big water-stable aggregate

2.5 土壤几何平均直径

从图6看出，连续种植绿肥对土壤几何平均直径的影响较大，土壤几何平均直径为肥田萝卜>毛叶苕子>CK>箭筈豌豆>蓝花苕子>光叶苕子，肥田萝卜的几何平均直径最大，比CK高14.16 %，比箭筈豌豆、蓝花苕子、光叶苕子分别显著高30.44 %、42.02 %和173 %，光叶苕子较CK显著降低58.24 %。

2.6 土壤水稳性大团聚体含量与土壤稳定性的关系

从图7、表4看出，水稳性大团聚体含量与土壤平均重量直径、土壤几何平均直径间具有线性关系，土壤平均重量直径与水稳性大团聚体含量间极显著正相关，拟合方程为y=0.2203x-16.397，R2=0.6626，土壤几何平均直径与水稳性大团聚体含量间极显著正相关，拟合方程为y=0.0856x-6.3969，R2=0.5295。表明，水稳性大团聚体含量越高，土壤平均重量直径、几何平均直径越大，土壤结构的团聚度越高。

图5 不同处理土层的土壤平均重量直径Fig.5 The mean mass diameter in different soil layers under different treatment

图6 不同处理的土壤几何平均直径Fig.6 The geometric mean diameter under different treatment

图7 土壤水稳性大团聚体含量与土壤直径的线性关系Fig.7 The relationship between big water-stable aggregate and diameter

3 讨 论

良好的土壤结构需要较多且粒径分配比例适当的土壤团聚体[11]，土壤团聚体主要受施肥方式、种植制度和轮作方式等影响[12]。土壤机械稳定性团聚含量高低及组成是评价团聚体质量的重要指标[13]，土壤水稳性团聚体数量反映土壤结构的稳定性、持水性、通透性和抗侵蚀能力[14]，是评价团聚体抵抗外力破坏能力的重要指标[15]。有研究表明，秸秆覆盖能增加>0.25 mm土壤机械稳定性团聚体13.0 %～26.4 %，增加>0.25 mm土壤水稳性团聚体18.6 %～45.7 %[16]。研究发现，连续种植光叶苕子的耕层土壤主要提高>5 mm粒径的机械稳定性团聚体含量和0.25～2 mm粒径的水稳性团聚体含量，肥田萝卜主要提高5～2 mm粒径的机械稳定性团聚体含量、>5 mm粒径的水稳性团聚体含量，蓝花苕子和毛叶苕子主要提高0.25～2 mm粒径的机械稳定性团聚体含量。这可能与不同绿肥作物的根系分布、生物量相关，根系的活动以及根系分泌物、根际微生物、根瘤菌等都会不同程度影响土壤团聚体的形成与结构，从而产生差异性，因此，今后将结合绿肥根系方面的试验做进一步探讨。

良好的土壤团聚结构除有合理的粒径比例分配外，土壤水稳性大团聚体的含量也具有重要作用，直径>0.25 mm 的团粒结构是由许多土粒多层次凝聚和多次胶结形成，调节土壤水、肥、气和热[17]，与土壤肥力之间存在一定的正比例关系，大团聚体丰富是土壤良好结构特征的表现[18]。有研究表明，化肥与有机肥配施有利于大团聚体的形成，对0.25～5 mm粒径水稳性大团聚体的促进作用最明显[19]。研究发现，连续种植绿肥有利于土壤水稳性大聚体的形成，其中肥田萝卜的土壤水稳性大团聚体含量最高，>5 mm粒级土壤水稳性团聚体的增加有利于土壤水稳性大团聚体的积累。

平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)常被用来反映土壤团聚体的稳定性，GMD是对土壤团聚体在主要粒级分布的描述，而MWD为各级团聚体的综合指标，两者值越大团聚体稳定性越好[2]。一般认为，大团聚体含量、MWD和GMD越大，土壤团聚体分布状况与稳定性越好[20]。研究表明，连续种植绿肥对土壤团聚体直径的影响不同，肥田萝卜、毛叶苕子有利于耕层土壤平均重量直径、几何平均直径的提升，而光叶苕子降低土壤团聚体的直径。土壤团聚体的组成与直径是表征土壤团聚程度的重要指标，两者有紧密联系，通过相关性分析发现，土壤水稳性团聚体含量越高，MWD和GMD越大，土壤结构的团聚度越高。

表4 各粒径土壤水稳性团聚体含量相关性系数Table 4 The correlation coefficients between big water-stable aggregate and diameter

4 结 论

连续种植光叶苕子的耕层土壤主要提高>5 mm粒径的机械稳定性团聚体含量、0.25～2 mm粒径的水稳性团聚体含量，肥田萝卜主要提高2～5 mm粒径的机械稳定性团聚体含量、>5 mm粒径的水稳性团聚体含量，蓝花苕子和毛叶苕子主要提高0.25～2 mm粒径的机械稳定性团聚体含量；连续种植绿肥有利于土壤水稳性大聚体的形成，其中肥田萝卜的土壤水稳性大团聚体含量最高，>5 mm粒级的土壤水稳性团聚体增加有利于水稳性大团聚体的积累；连续种植肥田萝卜、毛叶苕子有利于耕层土壤平均重量直径、几何平均直径的提升，而光叶苕子降低土壤团聚体的直径。