輪作模式對農(nóng)田土壤團聚體及碳氮含量的影響

黑 杰，李先德，劉吉龍，王亞非，胥佳憶，陽 祥，尹曉雷，王維奇,3?，張永勛

(1.福建師范大學地理科學學院,350007,福州；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所,100081,北京；3.福建師范大學 濕潤亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點實驗室,350007,福州)

土壤團聚體是植物與微生物共同衍生的礦物顆粒物，是土壤最基本的組成單元[1]。土壤團聚體具有保持水、肥、氣、熱，調(diào)節(jié)土壤酶種類和保持土壤疏松的作用[2]，對于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和保護土壤碳(C)、氮(N)具有重要意義。不同粒級團聚體在土壤C、N固持中扮演著不同的角色，>0.25 mm大團聚體富含更多的C、N[3]，而<0.25 mm微團聚體更利于維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]；因此，探討不同粒級土壤團聚體與C、N循環(huán)的關系有助于科學管理和調(diào)控土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

輪作通過不同的水肥管理、底物添加等措施調(diào)節(jié)土壤團聚體穩(wěn)定性、養(yǎng)分含量及利用效率，被認為是改良土壤結(jié)構(gòu)和保持肥力的重要舉措[5]。目前，國內(nèi)外關于輪作模式與土壤團聚體與C、N分布的研究主要包括常規(guī)性耕種與保護性耕作[6]、小麥-豆類連續(xù)輪作[7]、煙-稻輪作等[8]。稻田與旱地土壤C、N的周轉(zhuǎn)、穩(wěn)定機制和環(huán)境條件都深受農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的影響，表現(xiàn)出礦化速率、營養(yǎng)利用率、氧化還原過程與微生物活性方面的差異性[9]。目前水旱輪作與旱地輪作下C、N養(yǎng)分與團聚體異同的比較研究相對較少。通過對水旱與旱地輪作C、N周轉(zhuǎn)與穩(wěn)定性特征的研究，可從不同輪作模式角度下揭示土壤養(yǎng)分與穩(wěn)定性的變化特征，為科學評估銅陵市農(nóng)田養(yǎng)分固持，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及其對水土保持功能的影響提供理論支撐。

安徽省銅陵市的白姜種植歷史悠久，是中國重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)。目前，安徽銅陵的姜-稻輪作和姜-菜輪作模式正積極申報全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，篩選出更為合理的輪作模式，可為白姜(Zingiberofficinale)可持續(xù)生產(chǎn)提供理論和實踐的支撐。探究姜-稻和姜-菜輪作模式下農(nóng)田土壤團聚體及C、N特征，對以白姜為核心要素的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)保護與發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

安徽省銅陵市位于長江中下游(E 117°42′～118°10′、N 30°45′～31°07′)，屬北亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫16.4 ℃，年均日照時間為2 025 h，年日照率為43%，年均降水量1 360.3 mm[10]。采樣點土壤類型以水稻土和紅壤為主，輪作模式為姜-菜輪作和姜-稻輪作，試驗地已經(jīng)歷經(jīng)5次輪作。姜-菜輪作研究樣點位于安徽省銅陵市郊區(qū)大通鎮(zhèn)大院村(圖1)，為秋葵-白姜輪作模式，每2～3年輪作換茬1次。菜季施肥措施為復合肥100 kg/畝(N∶P∶K為18∶18∶18，1 hm2=15畝)、有機肥250 kg/畝(100 kg餅肥、150 kg商品有機肥)；姜季施肥措施為復合肥150 kg/畝(N∶P∶K為18∶18∶18)、有機肥375 kg/畝(150 kg餅肥、225 kg商品有機肥)。姜-稻輪作研究樣點位于安徽省銅陵市義安區(qū)西聯(lián)鎮(zhèn)山東村(圖1)，為水稻-白姜，每2～3年輪作換茬1次。稻季施肥措施為復合肥50 kg/畝(N∶P∶K為16∶16∶16)；姜季施肥措施為復合肥30 kg/畝(N∶P∶K為16∶16∶16)、有機肥325 kg/畝(餅肥)。2個采樣點都以平原為主，地貌類型相似，為探究姜-稻和姜-菜輪作下土壤團聚體及C、N特征提供理想的試驗地。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2020年8月，用采土器分別采集姜-菜輪作和姜-稻輪作樣地0～20 cm深度的土壤樣品，每種處理采集5個重復，部分樣品4 ℃冷藏保存，另一部分樣品挑出根系和植物殘體等雜質(zhì)后，等自然風干后，過100目篩后待用。

2.2 測定方法

土壤團聚體含量通過濕篩法測定[11]，土壤有機質(zhì)(soil orangic matter，SOM)含量通過土壤有機碳含量轉(zhuǎn)換[12]，土壤大團聚體含量(lavge aggregate content，DR0.25)與土壤團聚體穩(wěn)定性指標平均質(zhì)量直徑(mean weight diametter，MWD)和幾何平均直徑(gerometric mean diametter，GMD)參照羅曉虹等[13]的方法計算得出，分形維數(shù)(fractal dimension，D)與團聚體貢獻率分別參照楊培嶺等[14]和邱莉萍等[15]的方法計算得出，土壤C、N采用土壤碳氮元素分析儀(Elemental Analyzer Vario EL Ⅲ，Germany)測定，土壤密度和含水量分別采用環(huán)刀法和烘干法測定[16]，土壤pH采用pH計(STARTER 300，USA)測定，水土質(zhì)量比為2.5∶1，土壤電導率采用電導儀(2265FS，USA)測定。

3 結(jié)果和分析

3.1 土壤理化性質(zhì)的特征

姜-稻輪作下姜季土壤密度比稻季下降17%(P<0.05)，土壤含水量比稻季下降36%(P<0.05)。姜-菜輪作下姜季土壤含水量比菜季增加37%(P<0.05)，土壤電導率比稻季增加94%(P<0.05)；姜-稻輪作下姜季SOM比菜季降低18%(P<0.05)。從2種輪作模式對比來看，姜-稻輪作下姜季土壤電導率和SOM比姜-菜輪作增加75%、12%(P<0.05)[17]。

3.2 土壤團聚體分布特征

姜-菜輪作下姜季>0.053～0.25 mm微團聚體質(zhì)量分數(shù)比菜季增加53%(P<0.05)。姜-稻輪作下姜季≤0.053 mm微團聚體質(zhì)量分數(shù)比稻季降低39%(P<0.05)，而>0.25～1.00 mm大團聚體質(zhì)量分數(shù)比稻季增加約2倍(P<0.05)，>1.00 mm大團聚體質(zhì)量分數(shù)比稻季降低37%(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同輪作模式土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)Fig.2 Percentage of soil aggregate content in different rotation patterns 同一粒級下不同字母表示差異性顯著(P<0.05)。GV-V為姜-菜輪作下的菜季；GV-G為姜菜-輪作下的姜季；GR-R為姜-稻輪作下的稻季；GR-G為姜-稻輪作下的姜季。下同。Different letters in the same grain size indicate significant differences (P<0.05). GV-V is the vegetable season under the ginger-vegetable rotation; GV-G is the ginger season under the ginger-vegetable rotation; GR-R is the rice season under the ginger-rice rotation; and GR-G is the ginger season under the ginger-rice rotation. The same as below.

3.3 土壤團聚體穩(wěn)定性特征

如表1所示，姜-菜輪作下姜季土壤MWD、GMD、DR0.25和D比菜季差異均不顯著(P>0.05)。姜-稻輪作下姜季MWD、GMD和DR0.25比稻季差異均不顯著(P>0.05)，但D比稻季降低19%(P<0.05)。

3.4 土壤團聚體粒級與穩(wěn)定性的關系

如圖3所示，土壤穩(wěn)定性參數(shù)MWD、GMD、DR0.25之間均顯著正相關(P<0.01)，D與MWD顯著負相關(P<0.01)。GMD和DR0.25均與>0.25～1.00 mm大團聚體顯著正相關(P<0.01)。MWD與>1.00 mm大團聚體顯著正相關(P<0.01)。

3.5 不同粒級土壤團聚體C、N含量特征

如圖4所示，2種輪作均表現(xiàn)為>0.25 mm大團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)較高，≤0.25 mm微團聚體質(zhì)量分數(shù)較低。姜-菜輪作下>0.25～1.00 mm 大團聚體C質(zhì)量分數(shù)比菜季降低25%(P<0.05)。姜-稻輪作下姜季>0.25～1.00 mm大團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)比稻季分別增加91%與107%(P<0.05)。從2種輪作模式比較來看，姜-菜輪作下姜季≤0.053 mm微團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)分別低于姜-稻輪作32%與33%(P<0.05)，>1.00 mm團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)分別低于姜-稻輪作39%與33%(P<0.05)。

表1 土壤團聚體穩(wěn)定性指標Tab.1 Stability indexes of soil aggregate

3.6 不同粒級土壤團聚體C、N累積的變化特征

如圖5所示，2種輪作模式都以>0.25 mm粒級大團聚體對于土壤C、N貢獻率高，≤0.25 mm微團聚體貢獻率較低。姜-菜輪下姜季大團聚體中>1.00 mm團聚體C、N貢獻率分別比菜季降低10%與11%(P<0.05)；>0.25～1.00 mm大團聚體C、N貢獻率分別比菜季降低7%與5%(P<0.05)。姜-稻輪作下姜季>0.25～1.00 mm大團聚體C、N貢獻率分別比稻季增加54%與65%(P<0.05)。2種輪作對比下，姜-稻輪作下姜季>1.00 mm土壤團聚體C貢獻率高于姜-菜輪作24%(P<0.05)，>0.25～1.00 mm團聚體C、N貢獻率分別低于姜-菜輪作32%與25%(P<0.05)。

*和**分別表示在0.05和0.01水平上顯著差異。下同。* and ** indicate significant differences at the levels of 0.05 and 0.01, respectively. The same below.圖3 土壤穩(wěn)定性指標與各粒級團聚體質(zhì)量分數(shù)相關性分析Fig.3 Correlation analysis of soil stability index and aggregate content of each particle size

圖4 不同輪作模式土壤團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.4 Changes of C and N contents in soil aggregates in different rotation patterns

圖5 不同粒級土壤團聚體C、N累計貢獻率Fig.5 Cumulative contribution rate of carbon and nitrogen in the soil aggregates of different particle sizes

C和N代表碳和氮。C1、C2、C3、C4分別為>1.00 mm、>0.25～1.00 mm、>0.053～0.25 mm、≤0.053 mm粒級土壤團聚體C質(zhì)量分數(shù)；N1、N2、N3、N4分別為>1.00 mm、 >0.25～1.00 mm、>0.053～0.25 mm、≤0.053 mm粒級土壤團聚體N質(zhì)量分數(shù)。 C and N represent carbon and nitrogen. C1, C2, C3, and C4 refers to the carbon content of soil aggregates of >1.00 mm, >0.25-1.00 mm, >0.053-0.25 mm, and ≤0.053 mm, respectively. N1, N2, N3, and N4 indicates the nitrogen content of particle size soil aggregate at >1.00 mm, >0.25-1.00 mm, >0.053-0.25 mm, ≤0.053 mm, respectively.圖6 土壤團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)與穩(wěn)定性性指數(shù)相關性分析Fig.6 Correlation analysis of soil aggregate C, N content and stability index

3.7 土壤碳、氮含量與團聚體組成和穩(wěn)定性的關系

如圖6所示，MWD與>1.00 mm大團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)顯著正相關(P<0.05,P<0.01)。GMD與>0.25～1.00 mm大團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)顯著正相關(P<0.05,P<0.01)。DR0.25與>0.25～1.00 mm大團聚體的C、N質(zhì)量分數(shù)顯著正相關(P<0.01)。D與>0.25～1.00 mm大團聚體C、N質(zhì)量分數(shù)顯著正相關(P<0.01)。

4 討論

4.1 對土壤團聚體分布的影響

土壤團聚體是表征土壤結(jié)構(gòu)和肥力的主要指標，深刻影響土壤的物理和化學性質(zhì)。其粒級變化受農(nóng)田管理模式、土壤質(zhì)地、土壤養(yǎng)分、土壤微生物的影響[18]。DR0.25可以用來反映土壤大團聚體變化狀況，姜-菜輪作下姜季土壤DR0.25呈現(xiàn)下降趨勢，主要因同處于旱作管理模式，輪作會造成大團聚體的破碎，并向微團聚體轉(zhuǎn)化[19]。姜-稻輪作下姜季土壤DR0.25呈現(xiàn)增加趨勢，說明姜-稻輪作強化姜季土壤團聚體的形成與積聚，筆者發(fā)現(xiàn)，姜-稻輪作下姜季土壤團聚體的增加以>0.25～1.00 mm粒級為主，說明姜-稻輪作模式改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)是漸變的過程，且DR0.25僅與>0.25～1.00 mm粒級大團聚體的正相關關系。

4.2 對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

圖7 不同輪作模式土壤養(yǎng)分與團聚體變化概念模型圖Fig.7 Conceptual model diagram of changes in soil nutrients and aggregates in different crop rotation patterns

MWD、GMD和D表示土壤團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標，其與土壤團聚體積聚能力和穩(wěn)定性程度呈正相關，而D值越小表示團聚體團聚效果和穩(wěn)定性越強[18]。姜-菜輪作下姜季的DR0.25、MWD和GMD均降低，D顯著增加，表明土壤團聚體穩(wěn)定性和團聚效果在下降，主要因生姜播種前需要翻耕細耙，會對表層土壤團聚體進行干擾和破壞[20]。姜-稻輪作下姜季的GMD和DR0.25增加，這表明姜-稻輪作土壤團聚體的穩(wěn)定性增強，主要原因是：在干濕交替模式下土壤水分的變化會影響土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)，提高微生物的活性與數(shù)量，加速有機質(zhì)的分解[21]。特別是在輪作下的旱季，干燥環(huán)境會促使原來在水中的懸浮物質(zhì)與可溶性物質(zhì)之間的螯合，促進土壤團聚體的形成[22]。此外，姜-稻輪作屬于水旱交替作用下的耕作地，稻季長期處于厭氧的淹水環(huán)境下，微生物分解過程緩慢，進而使得腐殖質(zhì)與有機質(zhì)得以保留[9]，這為姜季提供更多的有機物質(zhì)，并在微生物的作用下促進姜季大團聚體的形成。

4.3 對土壤C、N含量的影響

筆者發(fā)現(xiàn)，姜-菜輪作和姜-稻輪作下姜季土壤C、N的含量均低于菜季和稻季，可能與輪作年限和作物類型有關(圖7)。相關研究表明輪作對土壤有機物和C、N含量的增加可能由于輪作年限和作物類型在初期表現(xiàn)的不明顯，但經(jīng)過一定的年限這種情況會有所改善[23]；另外，輪作模式下姜季對土壤肥力需求量大，加上翻耕土壤造成表層C、N含量的損失，導致姜季土壤C、N含量偏低[20]。但輪作模式是基于生態(tài)學原理，根據(jù)作物對養(yǎng)分需求的差異，以及根系分布層次的不同，進行因地制宜的施肥和補肥，有利于土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。作物類型和根系的不同，會影響微生物種類和數(shù)量，有利于維持土壤養(yǎng)分含量和微生物群落的多樣性[24]。此外，姜-稻輪作下姜季C、N含量較姜-菜輪作高，表明姜-稻輪作固存C、N含量的能力較姜-菜輪作更好，這與水稻和白姜生長階段的管理模式相關。相對于水稻田的秸稈還田，菜地植物殘體還地程度相對較低，進而使姜-菜輪作土壤肥力低于姜-稻輪作。此外，與旱地土壤相比，稻田土壤微生物周轉(zhuǎn)速率慢、厭氧環(huán)境和鐵錳氧化物的氧化還原都會減緩微生物的分解，穩(wěn)定土壤C、N含量的累積[9]。金雯暉等[5]也得出相似的結(jié)論，認為水旱輪作相對于旱地輪作固C、N含量的效果更好。綜上，基于C、N等養(yǎng)分利用和固持的視角，姜-稻輪作是更為合理的模式。

5 結(jié)論

通過水旱與旱地輪作模式異同的比較，姜-菜輪作下姜季微團聚體含量增加顯著(P<0.05)；姜-稻輪作下姜季>0.25～1.00 mm粒級大團聚體含量顯著增加約2倍(P<0.05)。姜-稻輪作下姜季比姜-菜輪作土C、N含量高。2種輪作均表明>0.25 mm粒級大團聚體具有更多的C、N。并且>0.25 mm粒級大團聚體C、N含量均與GMD、MWD和DR0.25顯著正相關(P<0.05)，說明大團聚體對于保持土壤養(yǎng)分含量和維系白姜可持續(xù)生產(chǎn)更具有實踐指導意義。特別是水旱輪作模式下的姜-稻輪作，其土壤肥力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保護效果更優(yōu)于姜-菜輪作，是銅陵市白姜可持續(xù)發(fā)展中可選擇的輪作模式。