• ISSN 1008-505X
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复种模式对豫西褐土团聚体稳定性及其碳、氮分布的影响

乔鑫鑫 王艳芳 李乾云 包全发 尹飞 焦念元 付国占 刘领

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复种模式对豫西褐土团聚体稳定性及其碳、氮分布的影响

    作者简介: 乔鑫鑫 E-mail:Qiaoxinxinhenan@126.com;
    通讯作者: 刘领, E-mail:liulinghenan@126.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目 (31200332,31700367);国家“十三五”重点研发计划重点专项 (2017YFD0301101);河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目 (2016GGJS-062);河南科技大学学科提升振兴A计划项目 (13660002)

Effects of multi-cropping systems on cinnamon soil aggregate stability, carbon and nitrogen distribution in western Henan Province

    Corresponding author: LIU Ling, E-mail:liulinghenan@126.com
  • 摘要:   【目的】  长期单一的玉米–小麦复种模式会引起土壤结构破坏、农田生产力下降。探究不同复种模式对农田土壤团聚体稳定性及其碳、氮分布的影响,为维持土壤结构稳定,实现农业可持续发展提供科学依据。  【方法】  定位试验在河南洛阳褐土上进行。设置冬小麦–夏玉米 (T1)、冬小麦–夏花生 (T2)、冬小麦–夏玉米||花生间作 (2行玉米间作4行花生,T3) 3个复种模式处理。试验始于2014年6月,2019年10月夏季作物收获后 (共11茬作物),采集0—20和20—40 cm土层土壤样品,利用湿筛法和干筛法分析土壤团聚体组成、团聚体稳定性、有机碳和全氮在不同粒级团聚体中的含量及分配比例。  【结果】  与T1相比,在0—20 cm土层中,T2和T3处理土壤中 > 0.25 mm粒级的机械性团聚体 (DR0.25) 占比分别增加了5.9%和9.9%,> 0.25 mm粒级的水稳性团聚体 (WR0.25) 占比分别增加了50.3%和57.9%,不稳定性团粒指数 (ELT) 分别较T1减少了33.2%和50.6%,土壤团聚体破坏率 (PAD) 分别较T1减少49.3%和51.4%,土壤团聚体平均质量直径 (MWD) 分别较T1增加36.4%和47.0%,几何平均直径 (GMD) 分别较T1增加100.0%和120.0%。在20—40 cm土层中,T2和T3处理土壤中不稳定性团粒指数 (ELT) 分别较T1减少了13.2%和18.0%,土壤团聚体破坏率 (PAD) 分别较T1减少21.4%和28.8%,土壤团聚体平均质量直径 (MWD) 分别较T1增加4.8%和6.0%,几何平均直径 (GMD) 分别较T1增加11.5%和7.7%。各粒级的有机碳和全氮含量均以2~0.25 mm粒级最高,且0—20 cm土层的有机碳和全氮含量高于20—40 cm土层。与T1处理相比,T3处理显著提高了0—20 cm土层各粒级土壤全氮的贡献率和 > 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率,降低了 < 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率;T2处理显著提高了0—20 cm土层除 >2和<0.053 mm粒级外的土壤全氮的贡献率和 > 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率,降低了0.25~0.053 mm粒级土壤有机碳的贡献率。与T1处理相比,T2和T3处理提升了0—20和20—40 cm土层土壤总有机碳、全氮、有效磷和速效钾的含量,3个处理的土壤容重和pH无显著差异。  【结论】  冬小麦–夏花生、冬小麦–夏玉米||花生复种模式较传统冬小麦–夏玉米复种模式明显增加了土壤大团聚体含量,增强了团聚体的机械稳定性和水稳定性,还可显著提高土壤团聚体 (特别是 > 0.25 mm粒级团聚体) 的碳、氮含量,提高土壤有效磷和速效钾含量,更有利于豫西褐土区农田土壤肥力保持。且冬小麦–夏玉米||花生复种的效果优于冬小麦–夏花生复种。
  • 图 1  不同复种模式下0—20和20—40 cm土层土壤各粒级机械性团聚体占比

    Figure 1.  Proportion of soil mechanical stable aggregates under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

    图 2  不同复种模式下0—20和20—40 cm土层土壤各粒级水稳性团聚体占比

    Figure 2.  Proportion of soil water stable aggregates under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

    图 3  不同复种模式土壤0—20和20—40 cm土层的WR0.25和DR0.25

    Figure 3.  WR0.25 and DR0.25 under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

    图 4  不同复种模式下土壤团聚体的MWD、GMD、ELT和PAD

    Figure 4.  MWD, GMD, ELT and PAD of soil aggregates under different rotation systems

    图 5  不同复种模式下各粒级土壤团聚体的有机碳含量

    Figure 5.  Organic carbon content of in different particle-size faractions under different rotation systems

    图 6  不同复种模式下各粒级土壤团聚体有机碳贡献率

    Figure 6.  Contribution rate of organic carbon in different particle-size faractions under different rotation systems

    图 7  不同复种模式下各粒级土壤团聚体的全氮含量

    Figure 7.  Total nitrogen content in different particle-size faractions under different rotation systems

    图 8  不同复种模式下各粒级土壤团聚体全氮贡献率

    Figure 8.  Contribution rate of total nitrogen in different particle-size fractions under different rotation systems

    表 1  不同复种模式下土壤理化特性

    Table 1.  Soil physical and chemical properties in different rotation systems

    土层 (cm)
    Soil depth
    处理
    Treatment
    有机碳 (g/kg)
    Organic C
    全氮 (g/kg)
    Total N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    土壤容重 (g/cm3)
    Bulk density
    pH
    0—20T18.42 ± 0.29 c0.91 ± 0.04 b8.60 ± 0.35 c130.64 ± 4.03 b1.20 ± 0.02 a7.14 ± 0.02 a
    T210.02 ± 0.33 b1.05 ± 0.01 a9.01 ± 0.28 b135.80 ± 3.68 b1.18 ± 0.03 a7.12 ± 0.01 a
    T310.67 ± 0.31 a1.12 ± 0.03 a10.05 ± 0.46 a145.02 ± 5.34 a1.13 ± 0.08 a7.13 ± 0.05 a
    20—40T17.24 ± 0.26 b0.63 ± 0.05 c6.48 ± 0.58 b100.83 ± 4.35 b1.23 ± 0.08 a7.15 ± 0.02 a
    T28.83 ± 0.23 a0.80 ± 0.03 b6.79 ± 0.29 b103.55 ± 3.62 b1.25 ± 0.05 a7.13 ± 0.03 a
    T38.96 ± 0.21 a0.89 ± 0.01 a8.03 ± 0.37 a125.05 ± 4.68 a1.22 ± 0.06 a7.13 ± 0.01 a
    注(Note):T1—冬小麦–夏玉米Winter wheat-summer maize; T2—冬小麦–夏花生Winter wheat-summer peanut; T3—冬小麦–夏玉米||花生间作Winter wheat-summer maize and peanut intercropping. 表中值为平均值 ± 标准差 (n=3),同列数值后不同字母表示同一土层处理间差异显著 (P < 0.05) Values are mean ± standard deviation (n=3), and different lowercase letters in the same column represente significant difference among treatments at the same soil depth (P < 0.05).]
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    [13] 樊红柱秦鱼生陈庆瑞陈琨涂仕华 . 长期施肥紫色水稻土团聚体稳定性及其固碳特征. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1473-1480. doi: 10.11674/zwyf.2015.0612
    [14] 杨振兴周怀平解文艳关春林车丽 . 长期施肥褐土有效磷对磷盈亏的响应. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1529-1535. doi: 10.11674/zwyf.2015.0619
    [15] 谢钧宇杨文静强久次仁薛文李婕张树兰杨学云 . 长期不同施肥下塿土有机碳和全氮在团聚体中的分布. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1413-1422. doi: 10.11674/zwyf.2015.0605
    [16] 徐爽王益权* . 湿筛过程中分散液的质量对土壤团聚体稳定性影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(4): 1012-1020. doi: 10.11674/zwyf.2014.0425
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    [19] 贾伟周怀平解文艳关春林郜春花石彦琴 . 长期有机无机肥配施对褐土微生物生物量碳、氮量及酶活性的影响 . 植物营养与肥料学报, 2008, 14(4): 700-705. doi: 10.11674/zwyf.2008.0413
    [20] 张薇王子芳王辉郑杰炳鲍金星高明 . 土壤水分和植物残体对紫色水稻土有机碳矿化的影响. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(6): 1013-1019. doi: 10.11674/zwyf.2007.0605
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-10
  • 网络出版日期:  2021-04-02
  • 刊出日期:  2021-03-25

复种模式对豫西褐土团聚体稳定性及其碳、氮分布的影响

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目 (31200332,31700367);国家“十三五”重点研发计划重点专项 (2017YFD0301101);河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目 (2016GGJS-062);河南科技大学学科提升振兴A计划项目 (13660002)
  • 摘要:   【目的】  长期单一的玉米–小麦复种模式会引起土壤结构破坏、农田生产力下降。探究不同复种模式对农田土壤团聚体稳定性及其碳、氮分布的影响,为维持土壤结构稳定,实现农业可持续发展提供科学依据。  【方法】  定位试验在河南洛阳褐土上进行。设置冬小麦–夏玉米 (T1)、冬小麦–夏花生 (T2)、冬小麦–夏玉米||花生间作 (2行玉米间作4行花生,T3) 3个复种模式处理。试验始于2014年6月,2019年10月夏季作物收获后 (共11茬作物),采集0—20和20—40 cm土层土壤样品,利用湿筛法和干筛法分析土壤团聚体组成、团聚体稳定性、有机碳和全氮在不同粒级团聚体中的含量及分配比例。  【结果】  与T1相比,在0—20 cm土层中,T2和T3处理土壤中 > 0.25 mm粒级的机械性团聚体 (DR0.25) 占比分别增加了5.9%和9.9%,> 0.25 mm粒级的水稳性团聚体 (WR0.25) 占比分别增加了50.3%和57.9%,不稳定性团粒指数 (ELT) 分别较T1减少了33.2%和50.6%,土壤团聚体破坏率 (PAD) 分别较T1减少49.3%和51.4%,土壤团聚体平均质量直径 (MWD) 分别较T1增加36.4%和47.0%,几何平均直径 (GMD) 分别较T1增加100.0%和120.0%。在20—40 cm土层中,T2和T3处理土壤中不稳定性团粒指数 (ELT) 分别较T1减少了13.2%和18.0%,土壤团聚体破坏率 (PAD) 分别较T1减少21.4%和28.8%,土壤团聚体平均质量直径 (MWD) 分别较T1增加4.8%和6.0%,几何平均直径 (GMD) 分别较T1增加11.5%和7.7%。各粒级的有机碳和全氮含量均以2~0.25 mm粒级最高,且0—20 cm土层的有机碳和全氮含量高于20—40 cm土层。与T1处理相比,T3处理显著提高了0—20 cm土层各粒级土壤全氮的贡献率和 > 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率,降低了 < 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率;T2处理显著提高了0—20 cm土层除 >2和<0.053 mm粒级外的土壤全氮的贡献率和 > 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率,降低了0.25~0.053 mm粒级土壤有机碳的贡献率。与T1处理相比,T2和T3处理提升了0—20和20—40 cm土层土壤总有机碳、全氮、有效磷和速效钾的含量,3个处理的土壤容重和pH无显著差异。  【结论】  冬小麦–夏花生、冬小麦–夏玉米||花生复种模式较传统冬小麦–夏玉米复种模式明显增加了土壤大团聚体含量,增强了团聚体的机械稳定性和水稳定性,还可显著提高土壤团聚体 (特别是 > 0.25 mm粒级团聚体) 的碳、氮含量,提高土壤有效磷和速效钾含量,更有利于豫西褐土区农田土壤肥力保持。且冬小麦–夏玉米||花生复种的效果优于冬小麦–夏花生复种。

    English Abstract

    • 土壤团聚体是土壤结构的基本单位,是农田土壤的重要组成部分,也是土壤物质与能量转化的重要场所,在协调土壤肥力状况、改善土壤耕作性能、增强土壤抗侵蚀和抵抗外力破坏等方面发挥着重要的作用,常被作为衡量土壤肥力水平的重要指标[1-2]。不同粒径的团聚体在土壤碳、氮元素的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用,其数量组成和空间分布决定了土壤孔隙度和微生物的群落分布,进而影响土壤孔隙性、持水性及供肥性能[3]。因此,研究土壤团聚体数量与组成比例对于改善土壤结构、协调土壤养分供应具有重大意义。土壤团聚体大小及碳、氮分布通常会受到施肥、土地利用方式、作物布局和农业耕作措施等因素的影响[4-6];其中农田作物布局能够通过不同作物根系分泌物输入,影响土壤有机质含量、微生物群落分布和养分的转运,进而影响土壤微团聚体与大团聚体之间的转化与再分布[7]。杨燕等[8]在西兰花连作田上的研究表明,套作处理能有效增加土壤大团聚体和有机碳的含量。蔺芳等[9]在沙化土壤6年定位试验表明,混合播种模式显著增加土壤机械性大团聚体占比,提高土壤结构的稳定性,而对土壤水稳性团聚体 (粒径> 0.25 mm) 影响不明显。张宏等[10]在复垦地上利用灰色关联度分析法对6种种植模式下土壤团聚体组成进行分析,结果表明胡豆–玉米种植模式显著增加粒径 > 5和2~5 mm土壤团聚体占比,而对土壤全氮和孔隙度无显著影响。王志强等[11]在南方第四纪亚红黏土母质发育的潴育土稻田上研究表明,复种轮作种植增加土壤 > 0.25 mm粒级团聚体占比,而分型维数无显著差异。张鹏等[12]也在第四纪亚红粘土母质发育的潴育土稻田上研究发现,冬季轮作种植改变了各级团聚体含量分布,增加了土壤 > 2 mm和 < 0.053 mm粒级团聚体的占比,且增加了各级团聚体有机碳含量。目前,尽管一些研究报道了种植模式对土壤团聚体的形成和稳定方面的影响,但研究结果尚不明确,存在一些争议。

      豫西褐土区是河南省重要的农业粮食生产基地之一,土壤耕地面积约占总耕地面积的1/3[13],因该地区大部分处于丘陵区,年蒸发量远远大于降雨量,属于典型的半干旱区,土壤水肥利用率和抗侵蚀能力偏低;另外由于多年来长期冬小麦–夏玉米复种模式的实施和不合理的田间管理措施 (如农药和化肥的过度使用等),导致土壤结构板化、大团粒结构破坏、通气性变差,同时农田土壤缺乏有机质输入,土壤肥力下降、保水保肥性能差等一系列土壤质量问题日渐加剧,严重制约了该地区作物高产和耕地的可持续利用[14]。因此,了解土壤结构破坏的成因和过程,寻找改善土壤结构、提高耕层土壤保水保肥性能的适宜复种模式对于该地区耕作性能和肥力保持至关重要。鉴于此,本研究通过5年田间定位试验,对比分析了冬小麦–夏玉米、冬小麦–夏花生、冬小麦–夏玉米||花生间作3种复种模式对豫西褐土土壤团聚体稳定性及碳、氮分布的影响,旨在为该地区选择适宜的复种模式和维持作物持续生产力提供理论依据。

      • 试验地位于河南科技大学试验农场 (34°38''N,112°28''E),地处温带,属半湿润、半干旱大陆性季风气候,年均气温13.7℃,年均降雨量580 mm,年平均蒸发量2110.3 mm,年均辐射量480.5 kJ/cm2,10℃以上积温3400℃~3500℃,无霜期210~218 天。试验地土壤类型为褐土,试验开展前为冬小麦–夏玉米复种模式,土壤基本理化性质如下:有机质14.5 g/kg、全氮0.96 g/kg、碱解氮80.09 mg/kg、有效磷8.51 mg/kg、速效钾129.30 mg/kg、土壤pH 7.08 (土水比1∶2.5)、土壤容重1.24 g/cm3

      • 试验于2014年6月至2019年10月进行,共设置3个处理,分别为:冬小麦–夏玉米 (T1)、冬小麦–夏花生 (T2)、冬小麦–夏玉米||花生间作 (T3),每个处理重复3次,共计9个试验小区,小区面积80 m2 (长10 m × 宽8 m),随机区组排列。

        供试玉米品种为‘郑单958’,花生品种为‘白沙1016’,小麦品种为‘洛旱6号’。夏季作物玉米和花生于每年6月上旬播种,单作玉米行距60 cm、株距25 cm,每穴一株,密度6.7 × 104株/hm2;单作花生行距30 cm、株距20 cm,每穴2株,密度3.3 × 105株/hm2;玉米||花生采用2∶4模式 (2行玉米、4行花生),玉米窄行行距40 cm、宽行行距160 cm,花生行距35 cm,玉米花生间距35 cm,间作玉米株距20 cm,间作花生株距20 cm,间作玉米密度5.0 × 104株/hm2,间作花生密度2.0 × 104株/hm2。夏季作物各处理以尿素 (N 46%)、磷酸二铵 (P2O5 14%)、硫酸钾 (K2O 45%) 为基础肥料,结合整地作为底肥一次性施入土壤,氮、磷、钾施用量分别为80、120、100 kg/hm2,单、间作玉米大喇叭口期再追施氮80 kg/hm2,单、间作花生不追肥。夏季作物收获后于每年10月中旬播种小麦,行距20 cm,播量160 kg/hm2,施肥量为氮肥 (N) 200 kg/hm2、磷肥 (P2O5) 80 kg/hm2、钾肥 (K) 70 kg/hm2,将60%的氮肥和全部的磷肥、钾肥作为基肥,剩余40%氮肥于小麦返青至拔节期追施。每季作物通过人工的方式收获,收获后使用秸秆粉碎还田机将地上部秸秆粉碎还田,施入基肥,通过旋耕 (深度0—20 cm) 的方式翻入土壤,采用当地常规模式进行田间管理。

      • 于2019年10月夏季作物收获后采用“S”型5点取样法,使用定制的取样环刀 (直径为10 cm、高度为10 cm) 分别采集每个小区0—20和20—40 cm两个土层的原状土样,去除植物残体和石子杂物,将5个取样点混合的土样带回实验室 (尽量保持原状土壤结构),沿土块天然断裂面轻轻掰开,在通风阴凉处自然风干,随后将其分成两部分,一部分过10 mm筛用于土壤团聚体组成的测定,另一部分过0.15 mm筛用于土壤理化性质的测定。

      • 土壤水稳性团聚体和机械稳定性团聚体分别采用湿筛法和干筛法测定[15-16]:湿筛法用振动筛对土壤团聚体进行分级,共分4级 (粒径> 2、2~0.25、0.25~0.053和 < 0.053 mm)。称取200 g土样平铺于2 mm筛面上,缓慢加入去离子水 (水刚好淹没2 mm筛面上的团聚体),浸润10 min后以30次/min的频率上下振荡,振荡幅度为3 cm,振荡结束后将各层筛面上的水稳性团聚体分别冲洗到事先已称重的铝盒中,60℃下烘干至恒重。干筛法用DM180型土壤团粒分析仪,称取风干土样500 g,放置于最大孔径2 mm土筛上,装好土样后调节土壤团粒分析仪频率为300次/min,振荡2 min,共分5级 (粒径> 2、2~1、1~0.5、0.5~0.25和 < 0.25 mm),筛分,称重,计算各级团聚体质量百分比。土壤团聚体根据其粒径的大小可划分为大团聚体 (> 0.25 mm) 和微团聚体 (< 0.25 mm)[17]

      • 参照鲍士旦[18]的方法:采用重铬酸钾—外加热氧化法测定土壤有机碳含量;采用半微量凯氏定氮法测定土壤全氮含量;采用Olsen法测定土壤有效磷;采用醋酸铵浸提—火焰光度法测定土壤速效钾;采用环刀法测定土壤容重;采用酸度计法测定土壤pH。

      • 利用公式计算粒径 > 0.25 mm的机械稳定性团聚体占比 (DR0.25)、粒径> 0.25 mm的水稳性团聚体占比 (WR0.25)、平均质量直径 (MWD)、几何平均直径 (GMD)[19]、土壤团聚体破坏率 (PAD) 和不稳定团粒指数 (ELT)[20],具体计算公式如下:

        $ {\rm WR}_{0.25}=\frac{{{\rm{W}}}_{{{\rm{S}}}>0.25}}{{{\rm{W}}}_{{\rm{S}}}}\times 100{\text \%} $

        $ {\rm DR}_{0.25}=\frac{{{\rm{M}}}_{{\rm{r}}>0.25}}{{{\rm{M}}}_{{\rm{r}}}}\times 100{\text \%} $

        $ {\rm E}_{\rm LT}=\frac{{({\rm{W}}}_{{\rm{T}}}-{\rm WR}_{0.25})}{{{\rm{W}}}_{{\rm{T}}}}\times 100{\text \%} $

        $ \mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{D}=\frac{\left({\rm DR}_{0.25}-{\rm WR}_{0.25}\right)}{{\rm DR}_{0.25}}\times 100{\text \%} $

        ${\rm{MWD}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{{\rm{W}}_i}} {{\rm{X}}_i}$

        ${\rm{GMD}} = {\rm{exp}}\left[ {\frac{{\displaystyle\sum\nolimits_{i = 1}^n {{{\rm{W}}_i}} ln{{\rm{X}}_i}}}{{\displaystyle\sum\nolimits_{i = 1}^n {{{\rm{W}}_i}} }}} \right]$

        式中:WS>0.25和WS分别代表粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体和水稳性团聚体总重量 (g);Mr>0.25和Mr分别代表粒径 > 0.25 mm机械稳定团聚体和机械稳定性团聚体总质量 (g);WT为供试土壤总重量 (g);Wi为各粒级水稳性团聚体质量百分数 (%);Xi为某级团聚体的平均直径 (mm)。

        利用邱莉萍等[21]的方法计算各粒级团聚体有机碳、全氮的贡献率:

        $ \begin{split} & {\text{粒级团聚体养分贡献率}}({\text \%})=\\ & \frac{{\text{粒级团聚体养分含量}}\times {\text{粒级团聚体百分含量}}}{\text{土壤养分含量}}\times 100 \end{split} $

      • 采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0软件进行数据处理和分析,Origin 9.0软件进行绘图,采用Duncan’ s新复极差法进行多重比较,所有数据均为3次重复的平均值 ± 标准误 (Mean ± SE)。

      • 图1可知,在0—20、20—40 cm土层,3个处理土壤的团聚体粒级分布基本一致,> 2和2~1 mm两个粒级占比较高,1~0.5和0.5~0.25 mm粒级次之,< 0.25 mm粒级团聚体占比最低。但是与T1处理相比,T2和T3处理下两个土层的 > 2和2~1 mm团聚体占比显著增加,1~0.5、0.5~0.25和 < 0.25 mm团聚体占比显著降低。在0—20 cm土层,T3处理的 > 2 mm的团聚体占比显著高于T2处理,1~0.5、0.5~0.25和 < 0.25 mm团聚体占比显著低于T2处理。表明T3处理增大机械稳定性土壤颗粒的效果好于T2、T1处理。

        图  1  不同复种模式下0—20和20—40 cm土层土壤各粒级机械性团聚体占比

        Figure 1.  Proportion of soil mechanical stable aggregates under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

      • 图2可知,土壤水稳性团聚体在0—20、20—40 cm土层中的分布规律基本一致,呈现2~0.25 mm团聚体占比最高,0.25~0.053和 < 0.053 mm团聚体占比次之,> 2 mm团聚体占比最低。相比于T1处理,T2处理显著提高了0—20 cm土层中2~0.25 mm的水稳性团聚体占比,显著降低了0.25~0.053和 < 0.053 mm的团聚体占比,而T3处理显著增加了0—20和20—40 cm土层中 > 2 mm和2~0.25 mm两个粒级的水稳性团聚体占比,显著降低了两个土层0.25 mm以下两个粒级的团聚体占比。表明T3处理可以显著提高耕层和亚耕层的土壤团聚体的稳定性,其效果显著好于T2处理,又显著好于T1处理。

        图  2  不同复种模式下0—20和20—40 cm土层土壤各粒级水稳性团聚体占比

        Figure 2.  Proportion of soil water stable aggregates under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

      • 图3可知,0—20 cm土层中,相比于T1处理,T2和T3处理显著增加了DR0.25和WR0.25值 (P < 0.05),而T2和T3处理之间WR0.25无显著差异,T2和T3处理下WR0.25值分别较T1增加50.3%和57.9%,DR0.25值分别较T1增加5.9%和9.9%;20—40 cm土层中,WR0.25和DR0.25值在3个处理间均未达显著差异水平 (P > 0.05)。

        图  3  不同复种模式土壤0—20和20—40 cm土层的WR0.25和DR0.25

        Figure 3.  WR0.25 and DR0.25 under different rotation systems at the 0–20 and 20–40 cm depths

      • 图4ab可知,与T1相比,T2和T3处理显著提高两个土层中土壤团聚体的平均重量直径 (MWD) 和平均几何直径 (GMD),0—20 cm土层中,T2和T3处理下的MWD分别较T1显著增加36.4%和47.0%,GMD分别显著增加100.0%和120.0%;20—40 cm土层中,T2和T3处理下的MWD分别较T1增加4.8%和6.0%,GMD分别较T1增加11.5%和7.7%。

        图  4  不同复种模式下土壤团聚体的MWD、GMD、ELT和PAD

        Figure 4.  MWD, GMD, ELT and PAD of soil aggregates under different rotation systems

        图4cd可知,0—20 cm土层中,T2和T3处理下土壤不稳定团粒指数 (ELT) 和土壤团聚体破坏率 (PAD) 显著降低,ELT较T1分别显著降低33.2%和50.6%,PAD分别较T1显著降低49.3%和51.4%;20—40 cm土层中,T2和T3处理下ELT分别较T1显著降低13.2%和18.0%,PAD分别较T1显著降低21.4%和28.8%。

      • 图5可知,各处理0—20和20—40 cm土层中土壤有机碳均集中分布在2~0.25 mm粒级,0.025~0.053和 < 0.053 mm粒级次之,> 2 mm粒级最低,0—20 cm土层的有机碳含量显著高于20—40 cm土层 (P<0.05)。0—20 cm土层中,T2处理下 > 2、2~0.25、0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级的有机碳含量分别较T1增加43.4%、42.0%、24.4%和33.7%,T3处理下 > 2、2~0.25、0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级的有机碳含量分别较T1增加70.8%、24.3%、27.7%和25.8%;20—40 cm土层中,T2处理下 > 2、2~0.25、0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级的有机碳含量分别较T1增加86.6%、13.3%、36.4%和20.4%,T3处理下 > 2、2~0.25、0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级的有机碳含量分别较T1增加94.6%、14.1%、18.4%和32.5%。

        图  5  不同复种模式下各粒级土壤团聚体的有机碳含量

        Figure 5.  Organic carbon content of in different particle-size faractions under different rotation systems

      • 图6可知,各粒级土壤团聚体有机碳的贡献率在两个土层中基本表现为:2~0.25 mm粒级有机碳贡献率最高,其次为0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级,> 2 mm粒级的有机碳贡献率最低。0—20 cm土层中,T2和T3处理下 > 2 mm团聚体有机碳贡献率分别较T1处理显著增加31.8%和57.0%,2~0.25 mm团聚体有机碳贡献率分别较T1处理显著增加22.6%和12.2%,0.25~0.053 mm团聚体有机碳贡献率分别较T1处理显著降低15.0%和38.7%,< 0.053 mm团聚体有机碳贡献率分别较T1处理降低1.8%和29.4%;20—40 cm土层中,T2处理下 > 2 mm团聚体有机碳贡献率较T1处理显著增加72.1%,T1与T3处理无显著差异,T2和T3处理下2~0.25 mm团聚体有机碳贡献率分别较T1处理显著增加22.7%和37.5%,0.25~0.053 mm团聚体有机碳贡献率分别较T1处理显著降低26.0%和30.9%,< 0.053 mm团聚体有机碳贡献率分别较T1处理降低35.3%和16.3%。

        图  6  不同复种模式下各粒级土壤团聚体有机碳贡献率

        Figure 6.  Contribution rate of organic carbon in different particle-size faractions under different rotation systems

      • 图7可知,各处理在0—20和20—40 cm土层中土壤全氮含量均以2~0.25 mm粒级最高,0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级居中,> 2 mm粒级最低。0—20 cm土层的全氮含量显著高于20—40 cm土层 (P<0.05)。0—20 cm土层中,T2处理下 > 2、2~0.25、0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级的全氮含量较T1处理显著增加24.5%、34.8%、18.6%和9.3%,T3处理下>2、2~0.25和<0.053 mm粒级的全氮含量较T1处理分别显著增加了40.8%、55.4%和39.5%,0.25~0.053 mm粒级较T1处理差异不显著 (P>0.05);20—40 cm土层中,T2处理下 > 2、2~0.25、0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级的全氮含量较T1处理显著增加40.0%、24.4%、56.5%和13.3%,T3处理下 > 2、2~0.25、0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级的全氮含量较T1处理显著增加71.4%、36.7%、49.3%和45.3%。

        图  7  不同复种模式下各粒级土壤团聚体的全氮含量

        Figure 7.  Total nitrogen content in different particle-size faractions under different rotation systems

      • 图8可知,各粒级土壤团聚体全氮的贡献率在两个土层中基本表现为:2~0.25 mm粒级最高,其次为0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级,> 2 mm粒级最低。0—20 cm土层中,与T1处理相比,T2处理 > 2和 < 0.053 mm团聚体全氮贡献率无显著差异 (P > 0.05),T3处理 > 2 mm团聚体全氮贡献率较T1处理显著增加98.9%,T2和T3处理下2~0.25 mm团聚体全氮贡献率分别较T1处理显著增加12.8%和14.0%,0.25~0.053 mm团聚体全氮贡献率分别较T1处理显著增加34.4%和37.2%,T3处理 < 0.053 mm团聚体全氮贡献率较T1处理显著增加26.0%;20—40 cm土层中,T1、T2和T3处理之间 > 2 mm团聚体全氮贡献率无显著差异 (P > 0.05),T2处理2~0.25 mm团聚体全氮贡献率较T1处理显著降低9.2%,0.25~0.053 mm团聚体全氮贡献率较T1处理显著增加22.5%,< 0.053 mm团聚体全氮贡献率较T1处理显著降低23.4%,T3处理2~0.25 mm团聚体全氮贡献率较T1显著增加6.7%,0.25~0.053 mm团聚体全氮贡献率与T1处理无显著差异,< 0.053 mm团聚体全氮贡献率较T1处理显著增加28.4%。

        图  8  不同复种模式下各粒级土壤团聚体全氮贡献率

        Figure 8.  Contribution rate of total nitrogen in different particle-size fractions under different rotation systems

      • 表1可知,相比于T1处理,T2和T3处理增加了0—20和20—40 cm土层中土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾的含量,而土壤容重和pH在3个处理间均无显著差异 (P > 0.05)。0—20 cm土层中,T2和T3处理下土壤有机碳含量分别较T1处理显著增加19.0%和26.7%,全氮含量分别较T1处理显著增加15.4%和23.1%,有效磷含量分别较T1处理显著增加4.8%和16.9%,T3处理下土壤速效钾含量较T1处理显著增加11.0%;20—40 cm土层中,T2和T3处理下土壤有机碳含量分别较T1处理显著增加21.9%和23.8%,全氮含量分别较T1显著增加27.0%和41.3%,T3处理下土壤有效磷和速效钾含量分别较T1处理显著增加23.9%和24.0%,T1和T2处理间土壤有效磷和速效钾含量均无显著差异 (P > 0.05)。

        表 1  不同复种模式下土壤理化特性

        Table 1.  Soil physical and chemical properties in different rotation systems

        土层 (cm)
        Soil depth
        处理
        Treatment
        有机碳 (g/kg)
        Organic C
        全氮 (g/kg)
        Total N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        土壤容重 (g/cm3)
        Bulk density
        pH
        0—20T18.42 ± 0.29 c0.91 ± 0.04 b8.60 ± 0.35 c130.64 ± 4.03 b1.20 ± 0.02 a7.14 ± 0.02 a
        T210.02 ± 0.33 b1.05 ± 0.01 a9.01 ± 0.28 b135.80 ± 3.68 b1.18 ± 0.03 a7.12 ± 0.01 a
        T310.67 ± 0.31 a1.12 ± 0.03 a10.05 ± 0.46 a145.02 ± 5.34 a1.13 ± 0.08 a7.13 ± 0.05 a
        20—40T17.24 ± 0.26 b0.63 ± 0.05 c6.48 ± 0.58 b100.83 ± 4.35 b1.23 ± 0.08 a7.15 ± 0.02 a
        T28.83 ± 0.23 a0.80 ± 0.03 b6.79 ± 0.29 b103.55 ± 3.62 b1.25 ± 0.05 a7.13 ± 0.03 a
        T38.96 ± 0.21 a0.89 ± 0.01 a8.03 ± 0.37 a125.05 ± 4.68 a1.22 ± 0.06 a7.13 ± 0.01 a
        注(Note):T1—冬小麦–夏玉米Winter wheat-summer maize; T2—冬小麦–夏花生Winter wheat-summer peanut; T3—冬小麦–夏玉米||花生间作Winter wheat-summer maize and peanut intercropping. 表中值为平均值 ± 标准差 (n=3),同列数值后不同字母表示同一土层处理间差异显著 (P < 0.05) Values are mean ± standard deviation (n=3), and different lowercase letters in the same column represente significant difference among treatments at the same soil depth (P < 0.05).]
      • 土壤团聚体是土壤结构的基本单元,是土壤肥力的物质基础,其组成和分布与作物的生长发育及产量形成密切相关。土壤团聚体分布常受有机质含量、作物布局、田间管理措施等因素的影响[22]。本研究结果显示,与冬小麦–夏玉米 (T1) 处理相比,冬小麦–夏花生 (T2) 和冬小麦–夏玉米||花生间作 (2行玉米间作4行花生,T3) 处理提高了0—20,20—40 cm土层 > 2和2~1 mm粒级的土壤机械性团聚体占比,降低了1~0.5、0.5~0.25和< 0.25 mm粒级的土壤机械性团聚体占比;对于水稳性团聚体而言,冬小麦–夏花生 (T2) 和冬小麦–夏玉米||花生间作 (T3) 处理提高了0—20、20—40 cm土层 > 2、2~0.25 mm粒级的水稳性团聚体占比,降低了0.25~0.053、< 0.053 mm粒级的水稳性团聚体占比,说明不同复种模式影响了土壤团聚体分布特征,其中冬小麦–夏玉米||花生间作 (T3) 处理效果明显。白录顺等[23]研究表明,大豆单作和玉米大豆间作种植模式均显著增加土壤水稳性大团聚体的占比,提高MWD和GMD值,提高了土壤团聚体稳定性。李景等[24]研究发现,小麦–花生耕作处理可显著提高 > 2、2~1、2~0.25 mm粒级团聚体的相对占比,减少 < 0.053 mm粒级团聚体的相对占比。向蕊等[25]研究也表明,间作种植模式提高了土壤 > 2、2~0.25 mm粒级团聚体的比例,这与我们的研究结果相同。冬小麦–夏玉米||花生复种模式能够提高农田耕层土壤中 > 0.25 mm粒级的机械性团聚体和水稳性团聚体占比,促进大团聚体的形成,分析原因可能一方面是由于间作通过改变地上部作物布局提升了玉米和花生群体的光合利用效率,增强土壤氮磷钾养分的吸收利用,加快作物碳氮代谢,促进植株的生长,导致输入土壤的新鲜有机物 (如根残茬、植株凋落物残体等) 增多[26];另一方面间作种植模式促进植株根系分泌物 (如总糖、总有机酸等) 的分泌量,提高根际细菌和真菌的活力,促进细菌释放多糖等物质,促进菌丝生长和多糖分泌,从而增强对微团聚体的缠绕和胶黏作用,这有利于微团聚体向大颗粒团聚体的转化[27]

        土壤MWD、GMD、土壤ELT和PAD常被作为反映土壤团聚体大小分布和评价土壤团聚体稳定性的重要指标,土壤MWD和GMD值越大,表明土壤稳定性和抗侵蚀能力越强,土壤ELT和PAD值越小,表明其土壤结构稳定性越好[28-29]。本研究结果表明,与T1处理相比,T2和T3处理均显著降低土壤ELT值,增加土壤MWD和GMD值,其中T3处理表现尤其突出,说明T3处理使土壤团聚体的稳定性增强,这一研究结论与向蕊等[25]、刘栋等[30]研究结果相似,这主要是因为玉米与花生间作使土壤大团聚体占比增多的缘故,由于土壤团聚体稳定性与大团聚体占比呈显著正相关,与土壤ELT和PAD呈显著负相关,大团聚体数量越多,土壤MWD和GMD值越大,土壤ELT和PAD值越小[31]

      • 土壤有机碳是土壤团聚体形成过程中重要的胶结物质,而团聚体对土壤有机碳具有保护作用,二者相辅相成,密不可分[32]。本研究结果表明,与T1相比,T2和T3处理可显著提高各粒级有机碳和全氮含量,0—20 cm土层有机碳和全氮含量显著高于20—40 cm土层 (P<0.05),这与郭金瑞等[33]在东北黑土区21年的长期定位试验研究结果类似。在本研究中,土壤团聚体中有机碳、全氮含量提高的原因:首先,花生属豆科植物,拥有大量的固氮菌种群,加快土壤养分的吸收及转化,极大地促进土壤菌根的生长,增强其对微团聚体的胶黏和缠绕作用,起到土壤固氮的作用[34];其次,间作处理增加物种的多样性,使得玉米和花生根系微生物群落结构更加丰富,提高抑制病原菌的能力,降低作物地下部病虫害的发生,增强植株根系代谢和活力,加快植株对养分的吸收和固持,有利于根系特征值 (如根表面积、根体积、根尖数) 的增加[35];最后,由于土壤大团聚体的“吸附保护”作用,降低了土壤微生物对有机碳和全氮的分解,从而使土壤有机碳、全氮的淋失量减少[36]。本试验增加土壤大团聚体含量的比例及分布的结果与邱晓蕾等[32]在黄棕壤发育演变的菜园土上的研究结果不一致,这可能与试验条件、土壤肥力、酸碱度和试验年限等因素有关。本研究发现,与T1处理相比,T2和T3处理显著增加 > 2和2~0.25 mm粒级土壤有机碳在土壤养分中的贡献率,降低0.25~0.053和 < 0.053 mm粒级土壤有机碳在土壤养分中的贡献率,增加了0—20和20—40 cm土层中土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾的含量,说明T2和T3处理在一定程度上改变了农田土壤结构,提升了土壤养分含量,改善了土壤性质,致使土壤养分向大团聚体转化,提高了土壤肥力。这可能是因为T2和T3处理下作物减弱了旱作区褐土土壤水分的耗竭,提升了表层土壤的温度,致使地表微生物活动增强,真菌、细菌等微生物通过分解作用产生的有机物优先分配进入大团聚体[37]。另外,本课题组前期研究表明花生和玉米在土壤元素根际活化 (如花生分泌质子活化土壤中难溶性磷,玉米分泌铁载体提高土壤中活性铁含量) 和光能 (强弱光) 吸收方面存在差异,且利用玉米和花生种间的竞争和互补效应,在褐土区表现出明显的间作优势[38-39],夏季作物根茬和秸秆周年输入的差异,也可能是不同复种模式影响豫西褐土团聚体有机碳、全氮含量及其贡献率差异的原因。

      • 与长期冬小麦–夏玉米复种相比,冬小麦–夏花生复种、冬小麦–夏玉米||花生复种可以显著增加耕层土壤中 > 0.25 mm的团聚体的数量,增加土壤颗粒的平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD),降低ELT和PAD值,加快土壤微团聚体向大团聚体的转化,增强土壤团聚体的稳定性,改善了土壤结构。长期冬小麦–夏花生复种、冬小麦–夏玉米||花生复种可显著提高土壤中有机碳和全氮含量,增加有机碳在 > 2 mm和2~0.25 mm团聚体中的贡献率及2~0.25 mm (0—20 cm土层) 粒级全氮的贡献率,同时还提高了土壤中的有效磷和速效钾含量。冬小麦–夏玉米||花生复种模式提高土壤肥力的效果好于冬小麦–夏花生复种模式,可显著提高土壤肥力及土壤团聚体稳定性。

    参考文献 (39)

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