冬季不同種植模式對稻田土壤團聚體及其有機碳的影響

張 鵬 周 泉 黃國勤

(江西農業大學生態科學研究中心,江西南昌 330045)

我國南方地區,尤其是長江中下游地區是水稻(Oryza sativa)生產的重要場所[1],南方稻區氣候大多有利于冬季作物種植。目前,南方稻區約有9.3×106hm2冬閑田可以利用,其中72%的冬閑田較容易開發[2]。

水稻土是經過人為栽培管理等農藝措施長期形成的特殊土壤質地,其水、氣、熱狀況,以及土粒的膠結物質,在淹水期間與旱作土壤差異較大；水稻土的干濕交替作用更為強烈,通過改變土壤團聚體周圍的水環境及孔隙度,可影響其形成、粒徑分布、結構穩定性,而水穩性團聚體相比非水穩性團聚體對于保持土壤穩定狀態具有更重要的作用,其數量、分布狀況反映了土壤結構的穩定性和抗侵蝕能力,是評價土壤質量的重要指標[3-4]。研究表明,農作物種植制度是影響土壤質量演化及其可持續利用的農業措施之一[5],耕作方式、種植制度、秸稈還田等相關農業措施或土地利用變化均會影響土壤團聚體結構組成及其有機碳變化[6],且成土母質、土壤類型等也對土壤有機碳分布有極顯著影響[7]。稻田輪作可改善土壤的理化性狀,降低土壤容重,增加土壤孔隙度,有效阻止土壤次生潛育化和酸化[8]。針對半干旱地區,張鵬等[9]研究表明秸稈還田有利于提高土壤機械穩定性和水穩定性團聚體結構水平,改善土壤結構狀況；在秸稈全量和半量還田的農藝措施中,孫隆祥等[10]發現秸稈全量還田顯著提升了水穩性團聚體幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)和大團聚體(＞0.25 mm)含量,使得土壤結構和穩定性得到明顯改善；稻田進行綠肥作物覆蓋還田后,可增加土壤有機碳含量[11],且連續種植綠肥有利于土壤水穩性大團聚體的形成[12]。此外,土壤有機質(soil organic matter,SOM)與土壤結構相互關聯,SOM與原生礦物顆粒結合形成的穩定的土壤團聚體可為其他可礦化的SOM提供物理保護[13]。因此,明確不同冬季種植模式下土壤團聚體特征,能加強對稻田土壤結構特性的認識,為改善稻田土壤結構和土壤質量提供理論依據,使農業生產力得以持續發展。

本研究在長期定位試驗的基礎上,通過對比分析冬季不同種植模式下土壤水穩性團聚體的結構特性,旨在揭示各冬種模式下土壤團聚體的結構組成、分布狀況及其各粒級下土壤有機碳含量,為明確稻田土壤結構、合理調整及配置雙季稻的不同冬季種植模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在贛東北典型雙季稻區的江西省萬年縣農科所陳營鎮試驗田(28°41′N,116°55′E)進行。 該地區屬亞熱帶季風氣候,氣候濕潤,光熱資源豐富,氣溫季節性變化顯著；年平均氣溫 18.6℃,極端最高氣溫38.3℃,極端最低氣溫-5℃；年平均降雨量1 906 mm；年平均日照時長1 662.65 h；年平均風速1.3 m·s-1；年無霜期260 d。試驗地土壤為第四紀亞紅粘土母質發育的潴育土,0～15 cm土壤肥力狀況:全氮1.97 g·kg-1、有 效 磷 16.38 mg·kg-1、 速 效 鉀 130.00 mg·kg-1、有機碳 24.25 g·kg-1,C/N 比為 12.31,土壤pH值6.08。

1.2 試驗材料與試驗設計

試驗開始于2012年4月,采取單因素隨機區組設計,共設置5 個處理:T0(CK)、T1、T2、T3、T4(詳見表1),紫云英由鄧家埠水稻原種場提供,油菜和大蒜購自當地農貿市場。每個處理3次重復,小區面積66.0 m2,小區周圍設置寬1.5 m的保護帶進行保護行隔離。早、晚稻施肥一致:尿素(N,46%)153.33 kg·hm-2、過磷酸鈣(P2O5,12%)50.91 kg·hm-2、氯化鉀(K2O,60%)122.73 kg·hm-2,其中磷肥全部作基肥在水稻移栽前一次性施入,鉀、氮肥分基肥、蘗肥、穗肥3次撒施,施用比例為基肥∶分蘗肥∶穗肥=2∶2∶1,分蘗肥在移栽后5～7 d施用,穗肥在主莖幼穗長1～2 cm時施用。

冬季作物品種、播種量及施肥量見表2,冬作物施用復合肥(其中 N ∶P2O5∶K2O=15% ∶15% ∶15%)。 紫云英、油菜、大蒜的播種時間分別為2017年9月30日、2017年10月29日、2017年11月2日,種植前開溝、作畦、耙碎,株行距18 cm×5 cm,冬季種植后覆蓋部分晚稻秸稈,保證其正常生長。所有冬作物均在4月15日收獲并將秸稈翻壓還田。早稻收獲后秸稈切碎翻壓全部還田,晚稻收獲后秸稈覆蓋半量還田,其他田間管理措施同一般大田栽培。早稻于2018年5月3日移栽,7月10日成熟；晚稻于7月13日移栽,10月15日成熟。

表1 試驗設計Table1 Experimental design

1.3 測定項目與方法

試驗于2018年10月25日晚稻收獲后,在每個小區進行隨機“五點”取樣,采集 0～10、10～20、20～30 cm土層的土樣,并在運輸過程中盡量保證土壤的原狀,將其帶回實驗室后挑去動植物殘體、根系及石粒,然后置于陰涼通風處自然風干,再進行后續測定。其中,土壤水穩性團聚體含量的測定采用濕篩法[14],每個處理3次重復,具體步驟:稱取約50 g風干土,潤濕5 min后將其置于套篩上,然后放入桶中浸泡10 min,采用TPF-100型土壤團聚體/團粒分析儀(浙江托普儀器有限公司)上下振動5 min(振幅4 cm,頻率40次·min-1)分篩(上下篩動時套篩不能露出水面),最后收集各級篩子上的團聚體并分別轉移至鋁盒中,60℃烘干,稱重。將＞0.25 mm粒級的團聚體稱為水穩性大團聚體(macroaggregates),而＜0.25 mm粒級的團聚體稱為水穩性微團聚體(microaggregates)；土壤團聚體有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[15],每個處理 3 次重復,將＞2、1～2、0.5～1、0.25～0.5、0.53～0.25 mm粒級的烘干土樣過稱取約0.1 g(精確至0.000 1 g)土樣用于聚體有機碳的測定。

表2 不同試驗處理的作物、品種及施肥、還田情況(2017年冬季)Table2 The crops， varieties， fertilization and field return under different experimental treatments(In the winter of 2017)

1.4 數據計算與分析

土壤水穩性團聚體計算[16]:計算各粒級水穩性團聚體的質量分數Wi,i=1、2、3、4、5 和 6,分別對應＞2、1～2、0.5～1、0.25～0.5、0.053～0.250、＜0.053 mm 6 個粒級的團聚體:

式中,Mi為篩后對應第i級團聚體的質量,Mt為測定團聚體的總質量。

利用各粒級團聚體百分數含量,計算＞0.25 mm水穩性大團聚體的含量(WR0.25)、水穩性團聚體平均質量直徑(mean weight diameter,MWD)、水穩性團聚體平均幾何直徑(geometric mean diameter,GMD):

分形維數(D)的計算采用楊培嶺[17]推導的公式:

對上述公式兩邊取對數,可得公式:

式中,M(r＜)為粒徑小于的團聚體的質量,Xmax為團聚體的最大粒徑,最后利用公式(5)或公式(6),通過最小二乘法進行直線回歸數據擬合,求得D值。

土壤有機碳的計算公式如下[15]:

式中,C為硫酸亞鐵標準溶液濃度,mol·L-1；V0為空白滴定用去體積,mL；V為樣品滴定用去體積,mL；3.0表示1/4碳原子的摩爾質量,g·mol-1；1.1表示氧化校正系數；M為所稱土壤質量,g。

試驗數據采用Microsoft Office Excel 2010整理；不同處理間各指標分別采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(Duncan法對各項測定數據進行多重比較)；采用Origin 9.0制圖。

2 結果與分析

2.1 冬季不同種植模式對土壤水穩性團聚體質量的影響

總體來看,在0～30 cm土層深度(表3),各處理表現趨勢為＞2 mm粒級土壤團聚體含量最高,其次是＜0.053 mm 粒級土壤團聚體含量,而 1～2、0.5～1、0.25～0.05、0.053～0.250 mm粒級土壤團聚體含量相近。在進行冬季作物種植后,0～30 cm土層中＞2 mm粒級土壤的水穩性團聚體含量除T3外,其余處理均與CK差異顯著(P＜0.05),而對于＜0.053 mm粒級土壤團聚體來說,CK與其他各處理間均差異顯著(P＜0.05)。由圖1可知,不同土層土壤水穩性團聚體含量表現不一,在10～20 cm土層深度,各處理＞2 mm粒級的土壤團聚體含量均顯著高于CK(P＜0.05)。除＞2 mm粒級的土壤團聚體,其余各粒級的土壤團聚體含量隨著土層深度的加深,大體呈增加趨勢。在0～30 cm土層深度,不同冬季種植模式顯著增加了稻田土壤水穩性大團聚體(＞0.25 mm)含量,降低了土壤水穩性微團聚體(＜0.25 mm)含量(P＜0.05)。

圖1 稻田土壤水穩性團聚體含量分布Fig.1 Content distribution of soil water-stable aggregates in paddy fields

表3 稻田土壤水穩性團聚體含量分布(0～30 cm)Table3 Content distribution of soil water-stable aggregates in paddy fields(0-30 cm) /%

2.2 冬季不同種植模式對土壤水穩性團聚體MWD和GMD的影響

由表4可知,總體來看,相比于CK,其他4種冬季不同種植模式均有利于提高土壤水穩性團聚體的MWD與GMD。隨著土層深度的增加,MWD與GMD呈下降趨勢；從所有土層的平均值來看,各處理水穩性團聚體的 MWD 大小順序為 T2＞T4＞T1＞T3＞CK,且T2、T4、T1分別較 CK顯著提高 21.50%、21.16%、16.32%(P＜0.05),T3較CK提高10.59%,但差異不顯著；同樣在0～30 cm土層,T2和T4水穩性團聚體的GMD分別較CK顯著提高83.3%、62.50%(P＜0.05)。在0～10 cm土層中,與CK相比,其余各處理均提高了稻田土壤水穩性團聚體的MWD和GMD,且T2與CK差異顯著(P＜0.05)；在10～20 cm土層中,T2、T4土壤水穩性團聚體MWD和GMD均與CK差異顯著(P＜0.05)；在20～30 cm土層中,T1土壤水穩性團聚體MWD和GMD均與CK差異顯著(P＜0.05)。

2.3 冬季不同種植模式對土壤團聚體分維特征的影響

冬季不同種植模式下各土層水穩性團聚體分形維數D如圖2所示。通過多年冬季不同種植模式下秸稈還田處理后,隨著土層的加深分形維數大體呈遞增的趨勢。在0～10 cm與20～30 cm土層深度,T1與CK差異顯著(P＜0.05),與CK相比,其余處理雖未達到顯著水平(P＞0.05),但各處理下分形維數D都低于CK；10～20 cm土層,各處理下分形維數D表現為T4＜T3＜T2＜T1＜CK,分別較 CK 低 2.39%、1.10%、1.01%、0.12%,但各處理間差異不顯著(P＞0.05)。綜合考量,與 CK相比,T1、T2、T4顯著降低了0～30 cm土壤水穩性團聚體的分形維數(P＜0.05),這一變化與0～30 cm土壤水穩性團聚體數量變化一致,而與水穩性大團聚體數量變化相反。

圖2 冬季不同種植模式下土壤團聚體分形維數Fig.2 Fractal dimension of soil aggregates under different winter planting patterns

2.4 冬季不同種植模式對土壤團聚體有機碳含量的影響

由表5可知,各粒級下土壤有機碳變化不一,綜合0～30 cm土層深度:團聚體粒徑在0.053～2 mm范圍內總體呈現出隨著粒徑的減小,土壤團聚體有機碳含量也相應下降的趨勢,且與CK相比,除T1在1～2 mm粒徑外,其余處理不同粒級下有機碳的含量均有所增加；隨著土層深度的增加,各粒級下土壤有機碳含量呈下降趨勢。在0～10 cm土層深度,T4與CK在＞2 mm粒徑的土壤團聚體有機碳含量差異顯著；10～20 cm土層深度,T4除在0.5～1 mm粒徑有機碳含量低于CK外,其余各處理均在一定程度提高了相應粒級下的有機碳含量；在20～30 cm土層深度,T4中0.053～0.250 mm粒級團聚體有機碳含量較CK顯著增加72.71%(P＜0.05)?？傮w來看,在0～30 cm土層深度,各處理在1～2、0.5～1、0.25～0.5 mm 粒級下的有機碳含量變化不顯著,但T4在＞2 mm與0.053～0.250 mm粒級下有機碳含量均顯著高于 CK,分別增加了19.46%、22.11%(P＜0.05)。

表5 冬季不同種植模式下土壤團聚體有機碳含量Table5 The soil organic carbon content of aggregates under different winter planting patterns /(g·kg-1)

3 討論

土壤結構是土壤肥力的綜合反映,是鑒定土壤肥力的標志之一。王麗等[18]研究表明土壤團聚體構成比例失調及團聚體穩定性下降是土壤結構退化的主要表現,對農業的可持續生產具有重要影響；劉中良等[19]研究表明不同粒徑的團聚體在營養元素的保持、供應及轉化能力等方面發揮著不同的作用。本試驗結果表明,經過多年的冬季不同種植模式,在0～30 cm土層深度,T1、T2、T3、T4較 CK均增加了＞2 mm粒級的水穩性團聚體含量,降低了＜0.053 mm粒級的水穩性團聚體含量(P＜0.05),而1～2 mm與0.25～0.5 mm粒級的土壤團聚體含量差異不顯著,這與Six等[20]的土壤大團聚體周轉及SOM變化的胚胎發育模型相符合。本研究中,不僅水稻秸稈向稻田土壤輸入,且各冬季作物秸稈均相應輸入土壤,新的植物殘體促進了團聚體中顆粒有機質的形成,顆粒有機質被黏土礦物和微生物分泌的粘液包裹,進而形成新團聚體的核心,在土壤有機質膠結作用的影響下,微團聚體、礦物質和顆粒有機質結合形成大團聚體,促進土壤大團聚體數量的增加。在0～30 cm土層深度,＞2 mm土壤團聚體含量以T2最佳,其次是T4,這2種冬季種植模式與CK差異顯著,此外,T1、T2、T3和T4較CK顯著增加稻田土壤水穩性大團聚體(＞0.25 mm)含量,降低了土壤水穩性微團聚體含量(P＜0.05),說明冬季不同種植模式有利于土壤水穩性團聚體的形成,提高土壤團聚體穩定性,這與Yang等[21]的研究結果一致。

有機肥促進了作物根系的生長,進而根系分泌物促進微生物的繁衍,微生物旺盛的生命活動將導致微生物群落豐富度和多樣性的增加[22]。本研究中,T1、T2、T3、T4各處理稻田土壤水穩性大團聚體(＞0.25 mm)含量在0～30 cm土層深度均與CK差異顯著,T1、T2、T3、T4 分別較 CK 增加 9.12%、9.41%、6.14%、10.97%,除了稻田秸稈還田之外,這還可能與長期不同冬季作物根系所形成微生物的數量和種類有關,長期周年連作形成的微生物數量和種類較單一,而長期輪作措施形成的微生物數量和種類較連作措施豐富。隨著土層深度的增加,各粒級水穩性團聚體含量變化不明顯,這可能與微生物在不同深度土壤的分布有關。

與傳統耕作相比,保護性耕作(包括少免耕和秸稈覆蓋等)可以有效地減少土壤擾動和土壤團聚體結構破壞,但長期采用單一的耕作措施會導致對作物生長不利的土壤條件的形成[23]。水穩性土壤團聚體結構具有抗水力分散的作用,穩定性團聚體的形成有助于改變土壤結構,一般用MWD和GMD表征土壤團聚體的穩定性,其中MWD越大,表示大團聚體的百分比越高,GMD越大則表示團聚體越穩定[24]；用分形維數D反映土壤結構的變化[25-26],其值越小則表明土壤團粒結構越穩定、通透性越好。本研究結果表明,隨著土層深度的增加,MWD和GMD呈下降趨勢,且T1、T2、T3、T4各處理的MWD和GMD均高于CK,其中在0～30 cm土層,T1、T4的 MWD較 CK分別顯著提高16.32%、21.16%(P＜0.05),T2和 T4的 GMD 較 CK分別顯著提高 83.31%、62.50%(P＜0.05),與張欽等[27]的研究結果一致。此外,與CK相比,T1、T2、T3、T4均降低了土壤的分形維數,且顯著降低了0～30 cm土壤水穩性團聚體的分形維數(P＜0.05),其中T1最低。綜上所述,冬種油菜(T2)和冬季輪作(T4)種植模式顯著提高土壤團聚體穩定性的效果優于其他種植模式。

冬種綠肥可以增加早稻產量[28],提高土壤有機質含量[29],改善土壤理化性狀[30],是一種優質的生物肥料[31],秸稈還田對有機碳的增加以及土壤質量的改善等方面具有重要影響[32-34]。本試驗結果表明,隨著土層深度的增加,各粒級下土壤團聚體有機碳含量呈下降趨勢。在0～30 cm土層深度,不同冬季種植模式在1～2、0.5～1、0.25～0.5 mm 粒級下的有機碳含量變化不顯著,但T4在＞2 mm與0.053～0.250 mm粒級下有機碳含量顯著高于 CK,且分別增加了 19.46%、22.11%(P＜0.05),這種顯著差異可能與長期多年輪作所造成的碳氮代謝和土壤微生物有關,其余各粒級下團聚體有機碳變化不顯著,但T1、T2、T3、T4對各粒級下土壤團聚體有機碳的含量較CK均有增加的趨勢。

4 結論

冬季不同種植模式可以提高稻田土壤團聚體有機碳含量,顯著增加稻田土壤水穩性大團聚體(＞0.25 mm)含量,顯著降低土壤水穩性微團聚體含量(P＜0.05),有利于提高土壤質量,其中冬種油菜和冬季輪作種植模式顯著提高土壤團聚體穩定性,效果優于其他種植模式。在0～30 cm土層深度,與CK相比,馬鈴薯、紫云英、油菜三者冬季輪作種植模式顯著提高了＞2 mm和0.053～0.25 mm粒級團聚體有機碳含量。