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作者简介:

苟宁倢(1997-),硕士研究生,主要研究方向为土壤肥力与施肥。E-mail:gouningjie@126.com。

通讯作者:

李冰,E-mail:benglee@163.com。

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目录contents

    摘要

    研究稻-蒜轮作土壤团聚体稳定性及其养分变化对种植年限的响应特征,以期为长期稻-蒜轮作土壤的施肥措施及其可持续利用提供科学依据。以成都平原稻-蒜轮作土壤为研究对象,研究分析不同稻-蒜轮作种植年限(<10、15、>20 年)对不同土层(0 ~ 20、20 ~ 40 cm)土壤机械组成、团聚体分级及其养分含量的影响。结果表明:(1)稻-蒜轮作种植年限的增加使 0 ~ 20 cm 土层粘粒含量显著增加了 28.27%,粉砂粒组分显著降低了 7.89%;(2)稻-蒜轮作的土壤均以 1 ~ 0.25 mm 团聚体为优势粒径,与稻-蒜轮作种植年限 <10 年相比,种植 >20 年显著降低了土壤 >1 mm 团聚体含量,增加了 <0.25 mm 团聚体含量,同时,种植 >20 年的土壤平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)较其余种植年限分别显著降低了 14.28% ~ 26.83% 和 21.74% ~ 37.93%; (3)稻-蒜种植 >20 年较 <10 年显著降低了不同土层土壤团聚体 C/N 和 CEC、有机碳、有效磷、速效钾含量,但显著增加了碱解氮含量;(4)不同种植年限稻-蒜轮作 >1 mm 团聚体含量与团聚体 MWD、GMD、CEC 值、C/N 和有机碳、有效磷、速效钾含量显著正相关,<0.25 mm 团聚体含量的增加与碱解氮显著正相关。综上,长期 (>20 年)稻-蒜轮作易破坏土壤大团聚体(>1 mm),形成小团聚体(<0.25 mm),降低土壤团聚体水稳定性,不利于团聚体对土壤养分的保存及稻田土壤的可持续利用。

    Abstract

    The response characteristics of rice-garlic rotation soil aggregates water stability and their nutrient changes to planting years were studied in order to provide a scientific basis for the long-term rice-garlic rotation soil fertilization measures and its sustainable utilization.Taking the rice-garlic rotation soil in Chengdu Plain as the research object,the effects of different planting years(<10,15,>20 years)on soil mechanical composition, aggregate classification and nutrients in two soil layers(0 ~ 20,20 ~ 40 cm)were studied.The results showed: (1)With the increase of planting years in the rice-garlic rotation,the clay in the cultivation layer significantly increased by 28.27% and the silt significantly decreased by 7.89% in 0 ~ 20 cm soil layer.(2)1 ~ 0.25 mm aggregates diameter was the dominant soil aggregates diameter for all years of rice-garlic rotation.Compared with <10 years,planted >20 years decreased >1 mm aggregates content and increased <0.25 mm aggregates content; Meanwhile,the mean weight diameter(MWD)and geometric mean diameter(GMD)of planting >20 years were significantly reduced by 14.28% ~ 26.83% and 21.74% ~ 37.93%,respectively,compared with the remaining years. (3)Compared with planting <10 years,when planting >20 years,the CEC,C/N and the contents of organic carbon, available phosphorus,available potassium of soil aggregates all showed a downward trend,but the contents of alkaline hydrolysis nitrogen of soil aggregates showed an increasing trend.(4)>1 mm aggregates content was significantly positively correlated with aggregate MWD,GMD,CEC value,C/N,contents of organic carbon,available phosphorus,available potassium,and <0.25 mm aggregate content increase was significantly positively correlated with alkaline hydrolysis nitrogen. In summary,long-term rice-garlic rotation(>20 years)tended to destroy large soil aggregates(>1 mm)and form small soil aggregates(<0.25 mm),which decreased the water stability of soil aggregates,and was not conducive to the conservation of soil nutrients by aggregates and the sustainable utilization of paddy soil.

  • 土壤团聚体作为土壤结构最基本的单元,在协调土壤水肥气热等方面起关键性作用,其粒径、数量及分布在一定程度上反映土壤养分保持与供应能力的强弱[1]。团聚体的水稳定性与土壤结构及抗侵蚀能力密切相关,水稳性团聚体能够表征土壤的肥力状态[2]。随着土壤团聚体稳定性的提高,土壤保肥性越好,在施入肥料后其肥力也会相应提高。有研究表明,0.5~0.25mm土壤水稳性团聚体较为稳定,对土壤基础养分(如氮、磷、钾、有机碳等)的贡献也最大[3]。此外,团聚体中的基础养分含量也会影响团聚体的组成分布,如有机碳含量是影响土壤团聚体稳定性的关键因子,同时土壤团聚状况也影响有机碳的分解。由于团聚体组成及其养分在土壤肥力形成过程中扮演着重要角色,因此,研究团聚体组成及不同粒级养分含量对土壤肥力变化的影响具有重要意义。

  • 轮作具有缓解土壤连作障碍、提高耕地利用率等作用,影响着土壤肥力质量,对耕地资源可持续发展具有重要影响。但长时间轮作模式的利用对土壤水稳性团聚体组成及其养分的影响存在争议,有研究表明,长期轮作能够显著增加表层土壤水稳性大团聚体数量,同时提高了>2、2~0.25mm粒级中的有机碳含量[4-6]。而有研究表明,长期轮作使各粒级水稳性团聚体中有机碳含量及稳定性显著降低[7-9]。此外,种植年限对土壤团聚体分布及稳定性也有显著影响[10],但不同种植系统的种植年限对土壤团聚体的影响各异,主要是因为不同种植系统作物根系分布、其分泌物种类和数量、根系周转特征等存在差异,引起土壤有机质含量的不同,从而影响其胶结作用,最终导致不同系统种植年限对团聚体有不同影响[11]。例如,在植茶土壤中,>2mm团聚体含量随种植年限延长呈先升高后降低的变化趋势,而<0.25mm团聚体比例则呈相反的变化趋势[12]。在稻-烟轮作系统中,<1mm团聚体比例与轮作年限呈显著正相关,而5~2mm团聚体比例与轮作年限呈显著负相关[13]。在长期水稻-小麦轮作中,0~5cm土壤>0.25mm团聚体含量增加,与“耕作破坏大团聚体”结果相反[14-15]。此外,种植年限对团聚体中有机碳及养分变化存在较大的影响。有研究表明,植茶年限增加会引起各粒级团聚体中有效磷含量的增加,但各粒级团聚体中有机碳、有效磷的积累速率会随着种植年限的增加而变缓[16],在水稻-油菜轮作系统中,轮作年限延长增加了团聚体中全氮和全磷的分解速率,并导致土壤pH值下降,同时增加了表层不稳定有机碳的含量[17-18]。小麦-牧草轮作中,随轮作年限增加,小麦-牧草轮作团聚体稳定性较免耕显著降低,却会使土壤团聚体有机碳及总养分储量增加[19]。在稻-麦轮作系统中,短期轮作对团聚体稳定性影响效果不显著,而随轮作年限增加,显著提高了团聚体几何平均直径(GMD)和平均重量直径(WMD)以及>0.25mm团聚体和土壤总有机碳的含量[20]。由此可见,不同轮作系统及其种植年限对团聚体稳定性和养分含量的影响存在差异。

  • 稻-蒜轮作模式在成都平原地区具有较长的种植历史,同时大蒜是成都平原地理标志产品,其种植规模及化肥施用量高于其他种植模式[21]。目前关于不同轮作年限对稻-蒜轮作模式下土壤团聚体组成及其养分含量的影响尚不明确。因此,选取成都平原稻-蒜轮作主产地区,探讨不同种植年限对土壤团聚体分布及团聚体中养分含量、理化性质变化等的影响,从土壤学角度揭示稻-蒜轮作模式土壤肥力形成与变化,为其可持续利用提供理论依据。

  • 1 研究地区与研究方法

  • 1.1 研究区概况

  • 成都平原(103°~104°E,29°~31°N)地处四川盆地西南缘,地势自西北向东南倾斜,属亚热带湿润季风气候区,全年气候温和,土壤类型以冲积物发育而来的水稻土为主。水稻-蔬菜轮作模式自1980年代开始,秋冬季以大蒜、青菜、芥菜、芹菜等为主要轮作蔬菜。近20年来成都平原农业结构发生了重大调整,水稻-蔬菜轮作由1997年的6834hm2 增加到2007年的10516hm2,再增加至2017年的13243hm2 (四川省统计年鉴, 1990~2017年)。稻-蒜轮作模式在成都平原地区具有较长的种植历史,其生产规模及效率也高于其他种植模式,更具典型性与代表性。

  • 1.2 样点选取与土样采集

  • 在成都平原中选取成土母质相同、土壤类型一致的稻-蒜不同种植年限(<10、15、>20年)的代表性区域,每种种植年限共设有3个采样区域。每个采样区域内的土壤母质均为灰色冲积物,土壤类型为渗育性水稻土。3种种植年限的采样区域施肥情况如表1所示。

  • 表1 采样区域施肥情况

  • 注:数据来源于四川省统计年鉴(1990~2017年)。

  • 样品采集:于2018年土壤淹水种稻前(4月底)进行土样采集,分别在种植<10、15、>20年的稻-蒜轮作土壤采样区域内选3个代表性样点,每个代表性样点3个重复,即每个种植年限各有9个采样点位(图1)。由于大蒜为弦线状浅根性根系,无主根,根系长度多为25~40cm,主要根群分布于5~20cm耕层土壤中,同时随种植年限不同土层性质也有差异[22],因此采用梅花式多点采样法采集0~20和20~40cm土层土壤,共计54个土壤样品。土壤样品去除其中可见的动植物残体、石块等杂物后,部分土样在通风阴凉处风干、研磨、过筛(0.02、2mm),用于土壤理化性质等指标的测定;另取部分土壤样品在低温条件下(4℃)风干,当土壤含水量降低到塑限时,在室内沿自然结构将土块掰成约1cm的小块,采用湿筛法获取土壤团聚体[23]。表2为样点基本信息。

  • 1.3 测定项目及方法

  • 土壤颗粒组成采用比重计法,质地分类采用国际制[24]。团聚体采用湿筛法测定[23],测定团聚体粒径分别为>2、2~1、1~0.25、0.25~0.053、<0.053mm的质量,计算各级团聚体的质量百分比。

  • 图1 稻-蒜轮作采样区域分布

  • 表2 样点基本信息

  • 土壤pH用电位法测定[25],阳离子交换量 (CEC)采用乙酸铵浸提法测定[26],有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定[25],碱解氮用碱解扩散法测定[25],有效磷用化学浸提法测定[25],速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度法测定[25]

  • 1.4 数据处理及分析

  • 团聚体的稳定性用平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD) 表示,MWD和GMD越大,表示土壤团聚度越高,团聚体稳定性越好。

  • 根据式(1)(2)进行计算[27]

  • MWD=i=1n xiwi÷in wi
    (1)
  • GWD=expi=1n wi×lnxi÷i=1n wi
    (2)
  • 式中,xi 为第 i 个筛子的团聚体平均直径,mm;wi 为第 i 个筛子的团聚体质量分数,%。

  • 采用Excel 2010制图,SPSS 19.0进行相关性分析,并用LSD法(P<0.05)进行多重比较。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 稻-蒜轮作不同种植年限土壤机械组成特征

  • 采用国际制进行土壤质地分类,分析稻-蒜不同种植年限的土壤质地。从表3可以看出,0~20cm土层中,稻-蒜轮作3个种植年限土壤均为粘壤土,种植>20年粘粒含量显著较其他种植年限增加了14.84%~28.29%,而粉砂粒含量显著下降了4.15%~7.89%。20~40cm土层中,不同种植年限的稻-蒜轮作的土壤质地均为粘土,其中种植年限>20年的粉砂粒含量显著低于其他种植年限,减少了7.30%~7.98%。由此可见,不同种植年限可以显著改变0~20cm土壤的机械组成,尤其是稻-蒜种植年限超过20年,但对20~40cm土壤质地的影响不显著。

  • 表3 稻-蒜不同种植年限土壤机械组成

  • 注:同列不同小写字母表示不同种植年限间差异显著(P<0.05)。下同。

  • 2.2 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体组成特征

  • 从表4可以看出,在0~40cm土层中,3个年限下优势粒径均为1~0.25mm粒径团聚体,占比40.73%~51.28%。0~20cm土层中,稻-蒜种植年限>20年的<0.053mm团聚体含量较<10和15年分别显著增加了96.11%和29.37%,0.25~0.053mm团聚体含量显著增加了42.90%和17.35%;同时种植>20年的2~1mm团聚体含量较<10年降低了26.51%,>2mm团聚体含量降低了25.29%。20~40cm土层中,不同种植年限的稻-蒜轮作团聚体组成变化与0~20cm类似,种植年限>20年的<0.053和0.25~0.053mm团聚体含量较<10年显著增加173.68%和31.48%,而1~0.25、2~1、>2mm团聚体含量显著降低了15.68%、24.27%、73.74%。由此可见,特别是在稻-蒜轮作超过20年,显著影响0~40cm土层水稳性团聚体组成,减少了>1mm大粒径团聚体,增加了<0.25mm小粒径团聚体。

  • 从表4可以看出,0~20cm土层MWD和GMD均高于20~40cm土层。种植>20年较种植15和<10年显著降低了0~20cm土层MWD和GMD,分别显著降低了9.09%~16.67%和13.04%~25.00%。在20~40cm土层中,种植年限对MWD和GMD的影响与0~20cm相同,>20年的MWD较其余年限显著降低14.28%~26.83%,GMD显著降低21.74%~37.93%。从土壤团聚体稳定性角度来看,稻-蒜轮作体系下0~20cm土层较20~40cm土层团聚体稳定性更好,而种植年限的延长不利于0~40cm土层土壤团聚体的稳定。

  • 表4 稻-蒜不同种植年限土壤水稳性团聚体组成含量

  • 2.3 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体阳离子交换量的差异

  • 从图2可以看出,0~20cm土层中,稻-蒜轮作随种植年限延长降低了土壤各粒径团聚体CEC,其中种植>20年的土壤各粒级团聚体CEC较<10年显著下降了32.49%~41.49%,尤其是2~1mm团聚体CEC降幅最大,达41.49%。20~40cm土层中,稻-蒜轮作团聚体CEC也随年限增加而降低,其中1~0.25mm为降幅最大粒径,种植>20年较<10年显著降低了33.64%。在0~40cm土层中>0.25mm粒径团聚体的CEC高于<0.25mm团聚体。由此可见,种植年限降低了各粒级团聚体的CEC,但不同年限>0.25mm团聚体的CEC均较大。

  • 2.4 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体养分特征

  • 2.4.1 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体有机碳含量的差异

  • 如图3所示,0~20cm土层中,稻-蒜种植年限>20年各粒径团聚体有机碳含量分别较<10和15年显著降低33.20%~38.41%和13.01%~16.59%。 20~40cm土层中,种植>20年各粒径团聚体有机碳含量较<10年显著减少21.58%~41.32%。0~40cm土层中>0.25mm团聚体有机碳含量均高于<0.25mm团聚体。因此,种植年限的延长显著降低了0~40cm土层有机碳含量。

  • 图2 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体阳离子交换量

  • 注:小写字母表示同粒径不同种植年限间差异显著,上标大写字母表示同种植年限不同粒径间差异显著(P<0.05),下同。

  • 图3 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体有机碳含量

  • 2.4.2 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体碱解氮含量差异

  • 0~20cm土层中,种植>20年各粒径团聚体碱解氮含量较其他种植年限显著增加了10.06%~17.60%,不同种植年限<0.25mm团聚体碱解氮含量均高于>0.25mm(图4)。20~40cm土层中团聚体碱解氮含量随年限变化规律与0~20cm土层一致,种植>20年较其他年限显著增加4.76%~34.44%。因此,种植年限显著增加了0~40cm土层团聚体碱解氮含量,但>0.25mm团聚体碱解氮较高。

  • 图4 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体碱解氮含量

  • 2.4.3 有效磷及速效钾

  • 有效磷、钾养分含量在种植年限的影响下变化不同。从图5可知,各种植年限下0~20cm土层团聚体有效磷含量高于20~40cm,且<0.25mm团聚体有效磷含量均高于>0.25mm。0~20cm土层,种植>20年的各粒级团聚体有效磷含量较<10年显著减少了10.66%~24.19%,其中>2mm团聚体有效磷含量降幅最大,而<0.053mm团聚体有效磷含量降幅最小。20~40cm土层中,有效磷含量均低于20mg·kg-1,其中种植>20年的各粒级有效磷含量(除1~0.25mm外)显著低于其他两种种植年限,减少了26.50%~55.64%。由此可知,种植年限的延长降低了0~40cm土层团聚体的有效磷含量,尤其是稻-蒜轮作种植年限超过20年。

  • 图5 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体有效磷含量

  • 由图6可知,0~20cm土层中,种植>20年各粒径团聚体速效钾含量均显著低于其他种植年限,降低了17.27%~45.36%。20~40cm土层中,种植>20年的>2mm团聚体速效钾含量显著低于其余两种年限,降低了6.63%~19.88%。在0~40cm土层中速效钾在>0.25mm团聚体分布高于<0.25mm团聚体。由此可知,稻-蒜轮作种植年限>20年显著降低了0~40cm土层各粒径团聚体速效钾含量。

  • 图6 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体速效钾含量

  • 2.5 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体碳氮比

  • 土壤团聚体C/N随稻-蒜轮作种植年限延长其变化范围为4.84~13.98。从图7可以看出,0~20cm土层中,土壤稻-蒜种植>20年各粒径团聚体C/N较其他种植年限显著降低了14.36%~41.44%,不同种植年限>0.25mm团聚体C/N均高于<0.25mm。20~40cm土层中,不同种植年限的稻-蒜轮作团聚体C/N与0~20cm基本一致,但种植>20年的2~1mm团聚体C/N较15年变化不显著,种植15年的<0.053mm团聚体C/N较<10年变化不显著。由此可见,稻-蒜轮作种植年限会显著降低0~40cm土层团聚体的C/N,尤其是稻-蒜种植年限超过20年,其C/N处于较低水平。

  • 2.6 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体稳定性与养分相关分析

  • 土壤水稳性团聚体可影响土壤养分含量。从表5可以看出,0~20cm土层,随年限变化团聚体MWD和GMD与土壤有机碳、速效钾以及C/N呈极显著正相关关系,与有效磷呈显著正相关关系,而与碱解氮呈极显著负相关关系,与土壤pH相关性不显著。 20~40cm土层相关性与0~20cm一致,其中MWD和GMD与有效磷含量的变化呈极显著正相关关系。可见,随稻-蒜轮作种植年限增加,土壤团聚体稳定性与有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾含量及C/N有关。

  • 进一步分析团聚体粒径含量与土壤团聚体养分相关性发现(表6),在0~20cm土层中,随年限变化,>2和2~1mm团聚体含量与团聚体水稳定性、团聚体CEC、有机碳含量、有效磷含量、速效钾含量、团聚体C/N均呈显著正相关关系,与碱解氮含量呈显著负相关关系,而0.25~0.053和<0.053mm团聚体含量与>2和2~1mm相反,与团聚体水稳定性、团聚体CEC、有机碳含量、有效磷含量、速效钾含量、团聚体C/N均呈显著负相关关系,与碱解氮含量呈极显著正相关关系, 1~0.25mm与各项指标相关性不明显。20~40cm土层各团聚体与养分含量相关性与0~20cm一致,但其中1~0.25mm团聚体含量与团聚体MWD、GMD、CEC、有机碳含量、有效磷含量、速效钾含量呈显著正相关关系,而与团聚体碱解氮呈显著负相关关系。由此可见,随稻-蒜轮作种植年限变化,团聚体粒径含量与团聚体水稳定性及其养分含量有关,其中>1mm团聚体含量增加有利于团聚体的稳定,也有利于CEC的提高及有机碳、有效磷、速效钾养分的积累。

  • 图7 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体碳、氮计量特征

  • 表5 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体水稳定性与土壤养分含量相关性

  • 注:* 表示显著相关(P<0.05,双侧);** 表示极显著相关(P<0.01,双侧)。下同。

  • 表6 稻-蒜轮作不同种植年限土壤团聚体粒径含量与团聚体养分含量相关性

  • 3 讨论

  • 3.1 稻-蒜轮作不同年限土壤团聚体组成与稳定性

  • 稻-蒜轮作种植年限会造成土壤团聚体组成及稳定性产生差异,从而引起土壤养分的变化。水稳性大团聚体通常指粒径>0.25mm的团聚体,其具有较强的抗侵蚀能力,是土壤中结构较好的团聚体[28]。在本研究中,1~0.25mm粒径为优势粒径,在水稻-油菜轮作、油菜-玉米轮作体系中也有相同结果[429],但与连作种植体系的研究结果不同[30],这说明轮作体系可以改变团聚体优势粒径。本研究中,与种植<10年相比,稻-蒜种植15和>20年显著增加了<0.25mm粒径团聚体含量,但显著降低了>1mm粒径团聚体含量,即随种植年限的增加土壤团聚体呈现由大粒径向小粒径转变的趋势,这一研究结果与前人相似[1031]。一方面,人为因素包括耕作以及施肥会破坏土壤团聚体结构,且随耕作年限的增加,团聚体受干扰的程度越大[32-33]。另一方面,土壤机械组成与团聚体组成密切相关; 有研究表明,粉砂粒和粘粒含量与<0.25mm粒径团聚体含量显著正相关[34-35],尤其是土壤粘粒的增加会增加<0.25mm团聚体含量[36]。本研究中稻-蒜种植年限改变了土壤的机械组成,其中稻-蒜种植超过20年0~20cm土层粘粒含量显著增加,即土壤质地变粘重,有利于<0.25mm团聚体的形成。

  • MWD和GMD被广泛用于评价土壤团聚体稳定性,MWD和GMD越大表明土壤结构越稳定[37]。虽然0~20cm土层由于作物根系分泌物产生的多糖、有机酸等胶结物质的积累使土壤结构更稳定,抗侵蚀能力更强,但长期耕作导致的破坏效应高于上述积极效应,即胶结作用[38],从而降低了土壤团聚体的稳定性。此外,本研究通过实地调研发现,稻-蒜轮作种植过程中,水稻收获后水稻秸秆主要通过直接覆盖的方式还田,而这种方式不利于团聚体稳定性的提高[39-40]。因此,本研究稻-蒜种植年限的增加降低了0~20cm土层的MWD和GMD即团聚体稳定性。但本研究中0~20cm团聚体稳定性仍高于20~40cm,这与前人研究结果类似[3141],这可能与稻-蒜轮作体系0~20cm土层中>1mm团聚体含量高于20~40cm土层的结果有关,因为>1mm团聚体含量的增加有助于提高团聚体稳定性[42-43]

  • 3.2 稻-蒜轮作不同年限土壤团聚体养分特征

  • 有机碳含量是影响团聚体聚集的重要因素之一。本研究发现在不同种植年限下>0.25mm团聚体有机碳含量均较<0.25mm升高,表明在稻-蒜轮作体系下,>0.25mm团聚体是土壤有机碳的主要载体。在本研究中,轮作种植年限超过10年显著降低了土壤团聚体有机碳含量,这可能是因为稻-蒜轮作的植被覆盖率低,降雨时大团聚体易被溅散,使其内部有机质矿化[44]。同时,随着种植年限的增加,作为土壤有机碳主要载体的>0.25mm团聚体含量呈下降趋势,从而减少了团聚体有机碳含量。此外,土壤CEC的增加有利于提高有机质含量[45],但本研究中种植超过20年的土壤团聚体CEC显著下降,这可能也是有机碳含量降低的一个原因。

  • 本研究中种植年限超过20年促进了各土层 (0~20和20~40cm)各粒级团聚体碱解氮的累积,且无论稻-蒜轮作种植年限怎样变化,土壤<0.25mm团聚体均为碱解氮主要载体。碱解氮的积累主要是因为稻-蒜种植年限的增加提高了土壤粘粒含量,有利于碱解氮的累积[46],虽然种植>20年较15和<10年氮肥施用量少,但其土壤团聚体碱解氮含量增加,由此可见,种植超过20年可适当减少氮肥投入而不影响土壤氮素养分含量。此外,因为稻-蒜轮作增加了<0.25mm团聚体含量,而<0.25mm团聚体有较大比表面积及较多的粘粒矿物与铁铝氧化物,对碱解氮有强烈的吸附与保持作用[47-48],因而稻-蒜轮作系统<0.25mm团聚体是碱解氮的主要载体。对有效磷和速效钾而言,种植>20年降低了其在各粒级团聚体中的含量,有效磷的降低是由于稻-蒜轮作体系相比其他轮作体系需要更多的有效磷养分供给[49];而速效钾的降低与土壤质地[50]、降雨淋溶[51]有关。本研究区位于我国西南地区,降雨量大且土壤砂粒含量高,大量的降雨及较砂的土壤质地使速效钾易淋失,造成速效钾的降低。另外,团聚体有效磷含量在0~20cm土层高于20~40cm土层,可能是因为0~20cm土层的>0.25mm团聚体含量高,而>0.25mm团聚体有利于有效磷的积累[52]。本研究在不同轮作种植年限下>0.25mm团聚体均为速效钾的主要载体,这是因为CEC在>0.25mm团聚体中高,而CEC在很大程度上代表速效钾含量的变化[53]。通过相关性分析发现,MWD、GMD均与土壤有机碳、有效磷及速效钾含量呈显著正相关关系(P<0.05),与碱解氮含量呈显著负相关关系(P<0.05),可见,在稻-蒜轮作不同年限土壤中,土壤养分与团聚体稳定性密切相关,团聚体稳定性越高,碳、磷、钾养分越易保持,而碱解氮越易流失。

  • 此外,通过对比其他水-旱轮作[6],如稻-麦轮作[19]、稻-烟轮作[12]及稻-紫云英轮作[54]土壤团聚体及养分的变化情况,发现轮作年限的增加提高了稻-麦和稻-紫云英轮作团聚体的稳定性,同时也增加了团聚体养分含量,而稻-烟轮作团聚体稳定性降低,养分含量呈先降低后上升的趋势。这可能与不同水-旱轮作系统的土壤有机质含量存在差异有关。本研究中,稻-蒜轮作体系的土壤有机质含量(7.58~44.39g·kg-1)随着种植年限增加呈下降趋势,低于稻-油(50.15g·kg-1)、稻-紫云英轮作(47.34g·kg-1[49] 等体系。同时,大蒜的施肥量(N 147.1kg·hm-2、P2O5 90.0kg·hm-2、K2O 90.0kg·hm-2) 高于油菜(N 95kg·hm-2、P2O5 90.0kg·hm-2、K2O 90.0kg·hm-2) 和紫云英(N 8.0kg·hm-2[4954],导致稻-蒜轮作体系的秸秆还田与氮、磷、钾的配合尚未达到土壤养分平衡的比例[55],从而降低了土壤有机质含量和大团聚体占比。但本研究中秸秆还田与施肥的交互作用对有机质的影响还有待进一步分析。因此,在稻-蒜轮作体系中,随种植年限的增加,大粒径团聚体含量减少、有机质含量降低这一现象仅靠农耕措施(如秸秆还田)不足以改善,可通过适当减少氮肥施用、调整秸秆还田量及有机无机肥配施的方式予以改善。

  • 4 结论

  • 长期稻-蒜轮作易破坏土壤大团聚体,形成小团聚体,降低土壤团聚体稳定性,其中轮作超过20年,>1mm团聚体含量显著降低,<0.25mm团聚体含量显著增加,MWD和GMD显著降低。轮作超过20年显著降低了土壤团聚体CEC及有机碳、有效磷、速效钾的含量,显著增加了团聚体碱解氮含量。稻-蒜轮作不同年限下>1mm团聚体对碳、磷、钾养分的保持有积极作用,而<0.25mm团聚体对氮素养分的保存有积极作用。因此稻-蒜轮作种植年限>20年降低了团聚体水稳定性,不利于团聚体对土壤养分的保存及稻田土壤的可持续利用,通过适当减少氮肥施用、调整秸秆还田量及有机无机肥配施的方式可改善此现象。

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