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Effects of lucerne-crop rotation patterns on soil aggregate stabilityand soil organic carbon

苜蓿作物轮作模式对土壤团聚体稳定性及 有机碳的影响



全 文 :中国生态农业学报 2016年 1月 第 24卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2016, 24(1): 2735


* 国家科技支撑计划项目(2012BAD14B03)、国家自然科学基金项目(31171513, 41461067)、甘肃省干旱生境作物学重点实验室省部共
建国家重点实验室培育基地基金项目(GSCS-2012-08)、甘肃省科技计划项目(145RJZA208)、甘肃省财政厅高校基本科研业务费项目
(037-041014)和甘肃农业大学青年导师基金项目(gau-qnds-201402)资助
** 通讯作者: 罗珠珠, 主要从事土壤生态方面的研究。E-mail: Luozz@gsau.edu.cn
宋丽萍, 主要研究方向为土壤生态。E-mail: 1154712149@qq.com
收稿日期: 20150618 接受日期: 20151116
* This study was supported by the National Key Technologies R & D Program of China (No. 2012BAD14B03), the National Natural Science
Foundation of China (No. 31171513, 41461067), the Open Funds of Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science (No.
GSCS-2012-08), the Natural Science Foundation of Gansu Province (No. 145RJZA208), the Fundamental Research Funds of the Finance
Department of Gansu Province (No. 037-041014) and the Research Funds for Young Scholar of Gansu Agricultural University (No.
gau-qnds-201402).
** Corresponding author, E-mail: Luozz@gsau.edu.cn
Received Jun. 18, 2015; accepted Nov. 16, 2015
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150707
苜蓿作物轮作模式对土壤团聚体稳定性及
有机碳的影响*
宋丽萍1 罗珠珠1,2** 李玲玲2 蔡立群1,2 张仁陟2 牛伊宁2
(1. 甘肃农业大学资源与环境学院 兰州 730070; 2. 甘肃省干旱生境作物学省部共建国家重点实验室 兰州 730070)
摘 要 本研究以苜蓿作物轮作试验为研究对象, 探讨了苜蓿苜蓿(L-L)、苜蓿休闲(L-F)、苜蓿小麦(L-W)、
苜蓿玉米(L-C)、苜蓿马铃薯(L-P)和苜蓿谷子(L-M)6种轮作模式对陇中黄土高原雨养农田苜蓿土壤团聚体稳
定性以及土壤总有机碳含量的影响。结果表明: 不同轮作模式下土壤机械稳定性团聚体以≥0.25 mm团聚体为优
势团聚体, 均占 72.17%以上, 而土壤水稳性团聚体以<0.25 mm团聚体为优势团聚体, 均占 95.18%以上。随着土
层深度的增加, 各处理≥0.25 mm 的团聚体数量及平均重量直径(MWD)均随之增加, 而水稳性大团聚体数量及
MWD值无明显规律性。与 L-L处理相比, L-C和 L-P处理 0~30 cm耕层土壤≥0.25 mm的团聚体含量分别增加
5.94%和 1.12%, L-C处理的 MWD表现为最高, 而其他轮作处理则不同程度降低了≥0.25 mm团聚体含量及
MWD; 随着土层深度的增加, 6种不同轮作模式的土壤有机碳含量均呈现逐渐降低的趋势, 在 0~30 cm的耕层土
壤, 较之 L-L处理, L-W、L-C、L-P和 L-M处理均从不同程度上降低了土壤有机碳含量, 其中 L-P处理有机碳含
量最低, 降低了 18.68%。相关性分析表明, 土壤总有机碳分别与 2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm和 0.25~0.5 mm
粒径的水稳性团聚体比例以及 MWD 表现出极显著正相关, 而与<0.25 mm 粒径的水稳性团聚体呈极显著负相
关。综上所述, 苜蓿玉米轮作模式能明显增加土壤团聚体机械稳定性, 而不同苜蓿作物轮作模式对土壤团聚体
的水稳性影响较小, 土壤有机碳含量在很大程度上影响着土壤水稳性团粒结构的形成与稳定性, 二者密切相关。
关键词 苜蓿作物轮作 轮作模式 土壤团聚体 机械稳定性 水稳性 土壤有机碳
中图分类号: S152.4+81; S153.6+21 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)01-0027-09
Effects of lucerne-crop rotation patterns on soil aggregate stability
and soil organic carbon*
SONG Liping1, LUO Zhuzhu1,2**, LI Lingling2, CAI Liqun1,2, ZHANG Renzhi2, NIU Yining2
(1. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;
2. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Sciences, Lanzhou 730070, China)
Abstract A local experiment of lucerne-crop rotation system was conducted on dry farmlands of the Loess Plateau in Central
Gansu Province to determine the distribution characteristics of soil aggregate stability and soil organic carbon. The experiment
included six rotation patterns — lucerne-lucerne (LL), lucerne-fallow (LF), lucerne-wheat (LW), lucerne-corn (LC), lucerne-
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potato (LP) and lucerne-millet (LM). Soil aggregate characteristics and organic carbon content were investigated after crop
harvest. The results showed that ≥0.25 mm aggregate was the dominant component of the mechanically stable aggregates of
soil, which accounted for >72.17% of the mechanically stable aggregates. However, the <0.25 mm aggregates was the
dominant component of the water stable aggregates, which exceeding 95.18% of the water stable aggregates. The content of
the ≥0.25 mm aggregates of soil and its mean weight diameter (MWD) increased with increasing soil depth, while larger
water stable aggregates content and MWD were irregularly changed. Compared with LL treatment, the ≥0.25 mm aggregates
contents of LC and LP treatments increased by 5.94% and 1.12%, respectively, at soil depth of 030 cm. The MWD in LC
treatment was the highest among all treatments. Soil organic carbon (SOC) content decreased with increasing soil depth in all
rotation patterns. Compared with LL rotation pattern, SOC contents in LF, LC, LP and LM treatments all declined to different
extents at 030 cm soil depth, especially, it significantly decreased by 18.68% in LP treatment. The correlation analysis
indicated that SOC content had significantly positive relation with water stable soil aggregates of 25 mm, 12 mm, 0.51 mm,
0.250.5 mm and MWD, while it had significantly negative relation with <0.25 mm soil aggregate content. In conclusion, LC
rotation pattern significantly increased the mechanical stability of soil aggregates. However, the effect of different rotation
patterns on water stable soil aggregates was negligible. Furthermore, SOC content significantly influenced the formation and
stability of water stable aggregate.
Keywords Lucerne-crop rotation; Rotation pattern; Soil aggregate; Mechanical stability; Water stability; Soil organic carbon
土壤团聚体是土壤结构的基本单位, 其数量的
多少在一定程度上反映土壤供储养分、持水性、通
透性等能力的高低 [1]。不同粒级的团聚体在营养元
素的保持、供应和转化能力等方面有着不同的作
用 [2]。良好的土壤结构状况不仅要求有较多的土壤
团聚体及适当的粒径分配 , 还应有一定的稳定性 ,
尤其是水稳性, 才能使土壤多级孔隙状况得以保持,
在耕作、施肥、灌水、雨滴冲击等影响下不致迅速
破裂而使土壤结构状况恶化[2]。土壤团聚体揭示了
土壤的结构状况, 同时也是衡量土壤肥力状况的重
要指标。土壤团聚体的稳定性主要受到土壤有机碳
含量、施肥方式、种植制度和轮作方式等的影响[3]。
土壤团聚体和有机碳(soil organic carbon, SOC)是不
可分割的 [4], 土壤团聚作用对SOC起到了物理保护
作用[57], 同时SOC存在也能够促进团聚体的形成和
稳定 [8], 前者是后者存在的场所 , 后者是前者存在
的胶结物质 [4], 且土壤有机碳含量在很大程度上影
响着土壤水稳性团粒结构的形成与稳定性, 同时也
是土壤供肥、保肥以及耕性和缓冲性能的重要决定
因素[9]。
苜蓿(Medicago sativa)作物轮作制度是一种历
史悠久的耕作制度。黄土高原是我国乃至全球水土
流失最严重的地区之一 , 生态环境极其脆弱 [1012],
其特殊的地形以及降水特征, 使大量土壤特别是养
分含量相对较高的表层土壤最先流失。苜蓿根系具
有很强的固氮能力, 而且苜蓿种植后, 其根瘤菌和
大量的须根给土壤留下的腐殖质可增加土壤有机质,
改善土壤团粒结构[1315], 是一种良好的轮作倒茬和
种地养地的豆科植物, 适合与粮食作物轮作, 并提
高其品质和产量[1617]。在作物栽培上, 如能以苜蓿
草地为前茬, 利用不同种类作物的茬口特性合理轮
作, 可以改善土壤中的水、肥、气、热等环境状况, 既
能维持土壤肥力, 又能防止病虫草的危害, 获得增
产养地之效[18]。研究表明, 在苜蓿作物草田轮作系
统中, 由于苜蓿的生物固氮作用, 由农田轮作为苜
蓿草地一般不会存在土壤肥力障碍, 并会不断提高
土壤肥力水平[1921]。由苜蓿草地轮作为农田, 土壤
肥力一般下降。目前, 对于苜蓿作物轮作系统的研
究结果较多, 但主要围绕着苜蓿土壤干层的形成、
水分恢复效应、水分利用效率及对产量和土壤养分
的影响 [16,2223], 而对于土壤团聚体以及有机碳的影
响研究较少。本文以典型的水土流失较为严重的陇
中黄土高原半干旱雨养农业区苜蓿作物轮作试验
为研究对象 , 探讨了不同苜蓿作物轮作模式对土
壤团聚体稳定性和土壤有机碳含量的影响, 旨在探
寻合理的苜蓿作物轮作模式, 有效改善土壤质量,
减少水土流失, 维持土壤持续生产力, 为黄土高原
半干旱区苜蓿草地的可持续利用和旱地作物稳产提
供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验设在陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区甘肃
省定西市安定区李家堡镇麻子川村。该区平均海拔
2 000 m, 年均太阳辐射 592.9 kJcm2, 日照时数
2 476.6 h, 年均气温 6.4 ℃, ≥0 ℃年积温 2 933.5 ℃,
≥10 ℃年积温 2 239.1 ℃, 无霜期 140 d。年平均降
水 390.9 mm, 年蒸发量 1 531 mm, 干燥度 2.53, 保
证率的降水量为 365 mm, 变异系数为 24.3%, 属于
典型的雨养旱作农业区。土壤为典型的黄绵土, 土
第 1期 宋丽萍等: 苜蓿作物轮作模式对土壤团聚体稳定性及有机碳的影响 29


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质绵软 , 土层深厚 , 质地均匀 , 贮水性能良好 ;
0~200 cm土壤容重平均为 1.17 gcm3, 凋萎含水率
7.3%, 饱和含水率 21.9%。
1.2 试验设计
本试验选取苜蓿作物轮作试验田为研究对象,
试验共设 6个处理, 3次重复, 小区面积 3.0 m×7.0 m,
随机区组排列。供试作物为紫花苜蓿、春小麦
(Triticum aestivuml)、玉米 (Zea mays)、马铃薯
(Solanum tuberosum)和谷子(Setaria italica)。各处理
详细描述见表 1。
表 1 试验不同轮作模式处理描述
Table 1 Descriptions of different rotation patterns in the experiment
轮作模式
Rotation pattern
代码
Code
操作方式 Description
苜蓿苜蓿
Lucerne-lucerne
L-L 2003年开始连续种植苜蓿至 2015年。
Lucerne was planted from 2003 to 2015.
苜蓿休闲
Lucerne-free
L-F
2003年开始连续种植苜蓿 8年, 2012年 3月份(雨季前)挖除苜蓿保持耕地休闲至 2015年。
Lucerne was planted for 8 years from 2003, then was grubbed up in March (before rainy season), 2012. After that,
the filed was kept leisure until 2015.
苜蓿小麦
Lucerne-wheat
L-W
2003年开始连续种植苜蓿 8年, 2012年 3月份(雨季前)挖除苜蓿, 一直休闲至 2013年春季开始种植春小麦,
2014年继续种植春小麦。
Lucerne was planted for 8 years from 2003, then was grubbed up in March (before rainy season), 2012. After that,
the spring wheat was planted in the spring of 2013 until 2015.
苜蓿玉米
Lucerne-corn
L-C
2003 年开始连续种植苜蓿 8 年, 2012 年 3 月份(雨季前)挖除苜蓿, 一直休闲至 2013 年春季开始种植玉米,
2014年继续种植玉米。
Lucerne was planted for 8 years from 2003, then was grubbed up in March (before rainy season), 2012. After that,
corn was planted in the spring of 2013 until 2015.
苜蓿马铃薯
Lucerne-potato
L-P
2003年开始连续种植苜蓿 8年, 2012年 3月份(雨季前)挖除苜蓿, 5月份种植马铃薯, 2014年继续种植马铃薯。
Lucerne was planted for 8 years from 2003, then was grubbed up in March (before rainy season), 2012. After that,
potato was planted in May of 2012 until 2015.
苜蓿谷子
Lucerne-millet
L-M
2003年开始连续种植苜蓿 8年, 2012年 3月份(雨季前)挖除苜蓿, 4月份种植谷子, 2014年继续种植谷子。
Lucerne was planted for 8 years from 2003, then was grubbed up in March (before rainy season), 2012. After that,
millet was planted in April of 2012 until 2015.

1.3 测定方法
1.3.1 土壤团聚体
团聚体土样在作物收获后(2014 年 10 月)采集,
采用五点法用铲子分别取 0~10 cm、10~30 cm 和
30~50 cm 3个层次的原状土样, 每个层次 3个重复,
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。将采集的土样带回实验室内风干, 沿
土壤结构的自然剖面掰分成 1 cm左右的团块, 用于
测定土壤团聚体稳定性指标。采用人工干筛法和湿
筛法[2425]获得各级别团聚体的含量, 干筛法和湿筛法
均通过孔径为 5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和 0.25 mm
5 个筛级, 并计算≥0.25 mm 的团聚体含量(R0.25)和
土壤平均重量直径(mean weight diameter, MWD)。
1.3.2 土壤有机碳
有机碳土样在作物收获后 (2014年10月 )采集 ,
采用S型取样法用土钻分别取0~10 cm、10~30 cm和
30~50 cm 3个层次的土样, 并剔除石块、植物残根等
杂物, 混合后四分法留土样1 kg左右, 每处理3次重
复, 装袋带回实验室, 风干研磨过1 mm筛, 供测定
用。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定[26]。
1.4 数据处理与分析
分别采用各级别团聚体百分含量、R0.25和MWD
表示团聚体组成、结构性及其稳定性 , MWD反映
了土壤团聚体大小分布状况, 其值越大表征团聚体
的平均团聚度越高 [27]。土壤团聚体MWD计算方法
如下:
 1
1
MWD
n
i ii
n
ii
x w
w


  (1)
式中: MWD为团聚体平均重量直径, ix 为i级团聚体
平均直径 , iw 为i粒级团聚体重量所占的比例 , i ix w
指 i 级团聚体的平均重量直径。
2 结果与分析
2.1 不同苜蓿作物轮作模式下土壤机械稳定性团
聚体组成
通过干筛法可以获得原状土壤中团聚体的总体
数量。常用干筛法所测得的各粒级团聚体的含量反
映团聚体的机械稳定性。
由表2可知, 在0~10 cm土层, 干筛法所测得的
团聚体除L-C处理以>5 mm粒级的团聚体为主 , 其
次为<0.25 mm粒级的团聚体 , 其他不同处理均以
<0.25 mm粒级的团聚体为主, 且均占27%以上, 其次
为>5 mm粒级的团聚体; 而在10~30 cm土层, 6种不
同轮作处理干筛法所测得的团聚体中均以>5 mm粒级
的团聚体为主, 平均含量为28.34%, 其次为<0.25 mm
粒级的团聚体, 平均含量占20.12%; 在30~50 cm土
30 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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层 , 6种不同轮作处理干筛法所测得的团聚体中均
以>5 mm粒级的团聚体为主 , 平均含量占36.75%,
而0.25~0.5 mm粒级的土壤团聚体均在3个层次内
比例最小 , 平均不到10%。相比其他处理 , L-C处理
在耕层0~30 cm土层内>5 mm粒级的团聚体含量比
例最大 , 为29.51%。就0~30 cm耕层范围内 , 干筛
条件下不同处理≥0.25 mm土壤团聚体比例大小
顺序为L-C>L-P>L-L>L-F>L-M>L-W, L-C处理最
大 , 其中L-C和L-M处理差异较显著(P≤0.05)。平
均重量直径大小顺序为L-C>L-P>L-L>L-F>L-M>
L-W, L-C处理和L-M处理差异显著(P≤0.05)。整体
而言 , 不同轮作模式下土壤机械稳定性团聚体以
≥0.25 mm团聚体为优势团聚体 , 均占72.17%以上 ,
随着土层深度的增加 , 各处理≥0.25 mm的团聚体
数量及MWD均随之增加 , 土壤稳定性增大。较之
L-L处理 , L-C和L-P处理均增加了0~30 cm耕层土
壤≥0.25 mm的团聚体含量 , 分别增加了5.94%和
1.12%, L-C处理的MWD表现为最高 , 而其他轮作
处理则不同程度降低了≥0.25 mm团聚体含量及
MWD。
表 2 不同轮作模式下不同土层土壤机械稳定性团聚体粒径分布
Table 2 Composition of mechanical-stable aggregates in different soil layers under different rotation patterns
土壤团聚体组成 Composition of soil aggregates (%) 土层
Soil layer
(cm)
轮作模式
Rotation
pattern >5 mm 2~5 mm 1~2 mm 0.5~1 mm 0.25~0.5 mm <0.25 mm ≥0.25 mm
均重直径
Mean weight
diameter (mm)
L-L 20.47±9.24ab 14.18±1.50a 11.93±0.90a 14.88±2.20a 10.78±2.13a 27.76±5.22ab 72.24±5.22ab 2.40±0.69ab
L-F 20.53±5.05ab 14.70±1.14a 11.99±0.88a 14.23±1.64a 10.35±1.44a 28.20±1.37ab 71.80±1.37ab 2.41±0.35ab
L-W 16.66±1.00ab 13.95±1.69a 12.28±0.69a 15.16±0.53a 11.21±0.27a 30.74±1.35a 69.26±1.34b 2.12±0.03ab
L-C 27.21±7.47a 15.30±2.44a 12.22±0.12a 14.22±1.53a 9.76±1.80a 21.29±6.58b 78.71±6.57a 2.93±0.62a
L-P 20.77±4.31ab 14.47±1.54a 12.00±1.11a 14.71±0.86a 10.53±0.49a 27.53±3.52ab 72.47±3.52ab 2.43±0.30ab
0~10
L-M 15.56±1.22b 13.95±2.55a 11.82±0.51a 15.43±0.71a 11.48±0.61a 31.77±2.50a 68.2±2.503b 2.03±0.02b
L-L 29.08±5.58a 16.33±1.33a 12.19±0.38a 13.56±0.81a 8.68±1.19ab 20.16±5.19a 79.84±5.19a 3.09±0.45a
L-F 26.07±2.63a 16.22±0.72a 12.05±0.86a 14.59±1.83a 9.91±0.96ab 21.17±1.12a 78.83±1.12a 2.88±0.17a
L-W 24.39±7.73a 15.47±1.23a 12.61±1.38a 15.06±2.55a 10.10±1.45a 22.37±2.07a 77.63±2.07a 2.74±0.50a
L-C 31.82±1.64a 17.07±0.89a 11.86±0.74a 13.30±0.42a 8.12±0.28b 17.83±3.41a 82.17±3.41a 3.32±0.16a
L-P 29.23±2.49a 16.78±0.96a 12.73±0.43a 13.94±0.48a 8.69±0.94ab 18.63±1.94a 81.37±1.94a 3.13±0.20a
10~30
L-M 29.49±8.84a 15.12±1.42a 12.21±1.96a 13.64±2.73a 8.98±1.59ab 20.56±1.60a 79.44±1.60a 3.09±0.56a
L-L 32.00±6.20a 15.40±1.32a 12.62±0.71a 13.25±0.88a 8.09±1.33a 18.63±5.78a 81.37±5.78a 3.28±0.49a
L-F 42.77±7.31a 16.14±1.71a 12.41±1.33a 11.24±1.62a 6.12±1.29a 11.34±2.07a 88.67±2.07a 4.08±0.47a
L-W 32.72±11.55a 16.38±1.05a 13.14±1.63a 13.76±3.03a 8.15±2.14a 15.86±3.77a 84.14±3.77a 3.38±0.77a
L-C 35.85±12.45a 15.17±1.64a 12.40±0.73a 12.65±2.18a 7.35±2.29a 16.59±9.18a 83.42±9.19a 3.55±0.95a
L-P 40.43±2.99a 15.91±0.22a 12.86±0.42a 11.93±0.20a 6.56±0.56a 12.31±2.39a 87.69±2.39a 3.91±0.22a
30~50
L-M 36.73±7.58a 14.45±0.36a 12.45±0.60a 12.80±1.35a 7.14±1.00a 16.43±5.16a 83.57±5.16a 3.59±0.55a
表中同列不同小写字母表示相同土层不同处理间在 P≤5%水平差异显著, 下同。Different lowercase letters in the same column represent
significant difference among different treatments at the same soil depth at P≤5% level. The same below.

2.2 不同苜蓿作物轮作模式下土壤水稳性团聚体
组成
团聚体水稳性是团聚体抵抗灌水浸泡和降雨击
打的能力, 是土壤团聚体的主要质量指标。湿筛法
获得的团聚体是土壤中的水稳性团聚体, 水稳性团
聚体对保持土壤结构的稳定性有重要贡献。其中 ,
水稳性团聚体的数量和分布状况决定着土壤结构的
稳定性以及抗侵蚀的能力, 特别是≥0.25 mm水稳
性团聚体的数量可以判别土壤结构的好坏, 是判定
土壤质量好坏的重要指标之一[28]。
由表 3 可知, 整体来看, 随着土层深度的增加,
水稳性大团聚体数量及 MWD 值无明显规律性。不
同处理在 0~10 cm、10~30 cm和 30~50 cm 3个层次
的水稳性团聚体组成均以<0.25 mm的团聚体为优势
团聚体, 平均含量达 95.18%以上, 0.25~0.5 mm粒级
的含量比例次之, 而>5 mm粒级的团聚体含量极少,
仅在 0~10 cm的一些处理中出现。说明不同轮作模
式对土壤水稳性团聚体组成的影响较小, 且 6 种不
同轮作处理的水稳性大团聚体含量较少, 不足 6%。
随着土层深度的增加, 各粒级水稳性土壤团聚体含
量比例以及 MWD 均呈现递减趋势, 其中不同轮作
处理≥0.25 mm水稳性团聚体含量在 0~10 cm的比
例顺序表现为 L-L>L-C>L-M>L-W>L-P>L-F, 在
10~30 cm表现为 L-F>L-W>L-M>L-P>L-L>L-C, 而
在 30~50 cm 土层表现为 L-W>L-C=L-P>L-L>L-F=
L-M, 不同轮作处理的MWD差异不明显。就 0~30 cm
第 1期 宋丽萍等: 苜蓿作物轮作模式对土壤团聚体稳定性及有机碳的影响 31


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表 3 不同轮作模式下不同土层土壤水稳性团聚体粒径分布
Table 3 Composition of water-stable aggregates in different soil layers under different rotation patterns
土壤团聚体组成 Composition of soil aggregates (%) 土层
Soil layer
(cm)
轮作模式
Rotation
pattern >5 mm 2~5 mm 1~2 mm 0.5~1 mm 0.25~0.5 mm <0.25 mm ≥0.25 mm
均重直径
Mean weight
diameter (mm)
L-L 0.00±0.00b 0.43±0.15a 0.83±0.28a 1.85±1.02a 2.87±0.54a 94.02±1.97a 5.98±1.97a 0.05±0.01a
L-F 0.06±0.10ab 0.47±0.20a 0.58±0.12a 1.05±0.29a 1.82±0.02a 96.02±0.20a 3.98±0.20a 0.05±0.01a
L-W 0.28±0.25a 0.46±0.12a 0.68±0.07a 1.33±0.52a 1.85±0.43a 95.40±0.74a 4.60±0.74a 0.06±0.01a
L-C 0.00±0.00b 0.55±0.32a 0.85±0.29a 1.88±1.09a 2.26±1.51a 94.46±3.06a 5.54±3.06a 0.05±0.03a
L-P 0.02±0.03ab 0.49±0.24a 0.69±0.28a 1.13±0.33a 2.03±0.58a 95.64±1.04a 4.36±1.04a 0.04±0.00a
0~10
L-M 0.18±0.20ab 0.68±0.17a 0.63±0.17a 1.22±0.26a 2.05±0.42a 95.23±0.63 a 4.77±0.63a 0.05±0.01 a
L-L — 0.35±0.07a 0.43±0.15a 0.77±0.22a 1.01±0.08a 97.44±0.47a 2.56±0.47a 0.03±0.01 a
L-F — 0.25±0.25a 0.38±0.12a 0.93±0.27a 1.47±0.13a 96.97±0.57a 3.03±0.57a 0.03±0.00a
L-W — 0.21±0.13a 0.34±0.07a 0.68±0.20a 1.57±0.65a 97.19±1.03a 2.81±1.03a 0.02±0.01a
L-C — 0.21±0.09a 0.35±0.04a 0.68±0.07a 1.09±0.16a 97.67±0.17a 2.33±0.17a 0.02±0.01a
L-P — 0.18±0.02a 0.31±0.07a 0.75±0.04a 1.51±0.43a 97.26±0.44a 2.74±0.44a 0.02±0.01a
10~30
L-M — 0.19±0.16a 0.35±0.15a 0.79±0.09a 1.45±0.55a 97.21±0.95a 2.79±0.95a 0.03±0.01a
L-L — 0.13±0.12a 0.14±0.03a 0.28±0.04a 0.59±0.20a 98.85±0.34a 1.15±0.34a 0.01±0.00a
L-F — 0.05±0.01a 0.14±0.10a 0.25±0.02a 0.64±0.16a 98.91±0.12a 1.09±0.12a 0.01±0.01a
L-W — 0.12±0.09a 0.17±0.06a 0.31±0.06a 0.71±0.14a 98.68±0.33a 1.32±0.33a 0.01±0.00a
L-C — 0.07±0.08a 0.15±0.03a 0.29±0.06a 0.77±0.39a 98.73±0.36a 1.27±0.36a 0.01±0.01a
L-P — 0.12±0.02a 0.15±0.01a 0.29±0.11a 0.71±0.09a 98.73±0.23a 1.27±0.23a 0.01±0.01a
30~50
L-M — 0.03±0.05a 0.11±0.09a 0.27±0.07a 0.57±0.08a 98.91±0.10a 1.09±0.10a 0.02±0.01a

耕层范围内 , 不同处理≥0.25 mm的土壤团聚体比
例顺序为L-C>L-P>L-L>L-F>L-M>L-W, L-C处理
最大。
2.3 不同苜蓿作物轮作模式下土壤总有机碳
土壤有机碳是陆地碳储量的主要库, 在保持土
壤质量方面有重要作用, 其含量受气候、植被覆盖
和土壤耕作方式等因素的影响[29]。由图1可知, 土壤
有机碳含量因不同的轮作方式有所差异, 且轮作方
式对不同耕层土壤有机碳分布的影响程度不同。6
种轮作模式的土壤总有机碳含量均随土层深度的增
加而降低。其中在0~10 cm土层, 不同轮作模式下土
壤有机碳含量表现为L-L>L-F>L-C>L-M>L-W>L-P,
其中L-L处理与L-P、L-W和L-M处理差异显著; 10~
30 cm土层中土壤有机碳含量表现为L-F>L-L>
L-W>L-C>L-M>L-P, 其中L-F处理与L-P处理差异显
著 ; 在30~50 cm土层 , 土壤有机碳含量表现为
L-F>L-L>L-M>L-C>L-P>L-W, L-F处理与L-W有显
著性差异。说明不同苜蓿作物轮作模式对不同层次
的土壤有机碳含量影响程度不同, 其中在0~10 cm
的土壤耕层, L-L处理的土壤有机碳含量最高, 分别
比L-P、L-W、L-M、L-C处理提高32.0%、25.7%、
20.0%和10.9%。在10~30 cm土层, L-F处理的土壤有
机碳含量最高, 分别比L-P、L-W、L-M、L-C处理提
高27.0%、22.0%、24.5%和22.0%。在30~50 cm土层,
L-F处理的土壤有机碳含量最高, 分别比L-P、L-W、
L-M、L-C处理提高15.0%、31.4%、1.0%和5.0%。
整体上 , 在0~30 cm的耕层土壤 , 较之L-L处理 ,
L-W、L-C、L-P和L-M处理均从不同程度上降低了
土壤有机碳含量, 其中L-P处理有机碳含量最低, 降
低了18.68%, L-F处理在0~10 cm土层降低了土壤有
机碳含量, 而在10~30和30~50 cm土层增加了土壤
有机碳含量 , 由于苜蓿休闲处理的土壤没有作物
的吸收, 且避免了作物根系的穿插, 从而土壤结构

图 1 不同轮作模式下不同土层土壤有机碳含量
Fig. 1 Contents of soil organic carbon in different soil layers
under different rotation patterns
图中不同小写字母表示同一土层不同处理间在 P≤0.05水
平差异显著。In the figure, different small letters mean significant
difference at P≤0.05 among treatments at the same soil layer.
32 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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相对保持了较好的稳定性, 土壤有机碳的损失相对
较小。这说明较之苜蓿苜蓿连作模式, 对多年种植
苜蓿地进行翻耕后轮作小麦、玉米、马铃薯和谷子4
种作物均在一定程度上降低了0~50 cm土层的土壤
有机碳含量, 而翻耕后保持休闲有机碳含量较高。
2.4 土壤有机碳含量与水稳性团聚体的关系
土壤团聚体的形成依赖于有机质的胶结作用[30]。
稳定的团聚体能够对赋存于其中的有机碳形成有效
保护, 通常大团聚体(≥0.25 mm)能够储存更多的有
机碳, 但是容易被破坏, 形成微团聚体(<0.25 mm),
微团聚体对有机碳具有较强的物理保护作用, 通常
被认为是碳吸存的主要场所[31]。
如表4所示, 不同苜蓿作物轮作模式下土壤有
机碳含量与各粒径土壤团聚体比例有一定程度的相
关关系, 其中与2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~
0.5 mm粒径的水稳性团聚体比例表现出线性正相关,
且相关性达极显著(P≤0.01), 而与<0.25 mm粒径的
水稳性团聚体呈极显著负相关(P≤0.01), 这表明土
壤总有机碳对土壤各个粒径分布含量的反映程度不
同, 即土壤总有机碳含量越大, 土壤大团聚体含量
越高, 微团聚体的含量越低。土壤有机碳与MWD表
现出极显著正相关(P≤0.01), 说明土壤有机碳含量
越高, 土壤团聚体的平均重量直径越大, 水稳定性
越好。可以看出, 土壤有机碳含量的高低与各粒级
水稳性土壤团聚体分布以及稳定性密切相关。
表 4 土壤有机碳含量与各粒级水稳性土壤团聚体组成
及稳定性(均重直径, MWD)的关系
Table 4 Correlations between total soil organic carbon and
composition and mean weight diameter (MWD) of water-stable
aggregate with different sizes
粒级
Aggregate size
(mm)
回归方程
Regression equation
R2
2~5 Y=6.131X+8.360 0.487**
1~2 Y=6.537X+6.802 0.551**
0.5~1 Y=2.664X+7.875 0.655**
0.25~0.5 Y=2.004X+7.276 0.628**
<0.25 Y=–0.848X+92.368 0.645**
≥0.25 Y=0.848X+7.577 0.645**
MWD Y=78.254X+7.798 0.621**
Y 代表土壤有机碳含量, X 分别表示各粒级团聚体含量以及
MWD, 样本数 n=6, **表示相关性达极显著水平(P≤0.01)。Y
stands for soil organic carbon content, X stands for soil aggregate
content of each grade and mean weight diameter (MWD). The
number of samples is six. “**” indicates significant correlation at
0.01 level.
3 讨论与结论
土壤学中将当量粒径在10~0.25 mm的团聚体称
为大团聚体 , 其含量越高 , 说明土壤团聚性越好 ,
而<0.25 mm的团聚体, 是机械稳定性较差的团聚体,
这一级别团聚体所占比重越高 , 表明土壤愈分散 ,
它不仅在降雨和灌溉期间会堵塞孔隙, 影响水分入
渗 , 易产生地面径流 , 增加土壤的侵蚀 , 还容易形
成沙尘天气[28]。土壤MWD是反映土壤团聚体大小分
布状况的常用指标, 其值随大粒径团聚体含量的增
大而增大, 其值越大表示团聚体的平均粒径团聚度
越高, 团聚体稳定性就越强[32]。
本研究结果表明, 各轮作模式处理干筛法所获
得的土壤团聚体均以大团聚体(≥0.25 mm 的团聚体)
为主, 而湿筛法获得的则以微团聚体(<0.25 mm 的
团聚体)为主, 随土层深度增加, 不同轮作模式在干
筛条件下≥0.25 mm 的土壤团聚体和 MWD 值均逐
渐增大, 而<0.25 mm 的团聚体逐渐减少, 这与武均
等[3334]的研究结果相似; 而在湿筛条件下≥0.25 mm
的土壤团聚体和 MWD 值逐渐减小, 各粒径团聚体
随土层的变化并无明显规律, 这与蔡立群等 [1]研究
结果相似。说明该土壤团聚体的机械稳定性随土层
深度的增加逐渐增强, 而团聚体的水稳性随土层深
度的增加而减弱。较之苜蓿苜蓿(L-L)处理, 苜蓿
玉米(L-C)轮作处理显著增大了 0~30 cm 耕层土壤
≥0.25 mm土壤团聚体含量以及MWD值, 这可能是
由于苜蓿玉米轮作模式由于有地膜覆盖 , 在保持
充足的土壤水分的同时又避免了过多的人为干扰和
雨水的直接冲刷, 且能够有效防止土壤结皮, 土壤
结构性能较好。然而在 0~10 cm耕层土壤, 较之苜蓿
苜蓿处理, 其他轮作处理均不同程度降低了≥0.25 mm
水稳性土壤团聚体含量 , 其中苜蓿休闲表现为最
低, 而不同轮作处理对水稳性团聚体的 MWD 值影
响不显著, 无明显规律性。Barber[35]在威斯康星州研
究发现, 苜蓿可增加土壤水稳性团粒指数, 4年试验
期间土壤水稳性团粒指数随其种植年限延长而增
加。这说明较之未经翻耕的苜蓿苜蓿土壤, 其他轮
作处理加剧了对耕层土体的扰动, 这不但破坏了土
壤大团聚体, 引起土壤团聚体重新分布, 加快团聚
体周转速率, 还减缓了土壤自身调节作用和恢复过
程, 破坏土体稳定性和连续性。苜蓿苜蓿模式较其
他轮作模式而言, 虽保持了较高的水稳定性, 但机
械稳定性却没有苜蓿玉米模式高 , 这可能是由于
不同的作物对土壤质量的影响不同, 且由于受微生
物、酶以及根系分泌物等的影响, 还需要进一步进
行探讨和研究。
土壤有机碳含量因轮作方式和土层深度的不同
表现出显著的差异性, 在 0~50 cm 的土层范围内,
第 1期 宋丽萍等: 苜蓿作物轮作模式对土壤团聚体稳定性及有机碳的影响 33


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随着土层深度的增加, 6种不同模式的土壤有机碳含
量均呈现逐渐降低的趋势, 较之苜蓿苜蓿处理, 多
年种植苜蓿地进行翻耕后, 轮作小麦、玉米、马铃
薯和谷子 4 种作物均在一定程度上降低了土壤有机
碳含量, 其中在 0~30 cm土层内, 苜蓿马铃薯轮作
模式有机碳含量最低 , 而未翻耕的苜蓿苜蓿模式
和翻耕后的苜蓿休闲模式在一定程度上维持了较
高的土壤有机碳含量, 一方面, 这是因为苜蓿根系
具有很强的根瘤固氮作用, 其根瘤菌和大量的须根
给土壤留下的腐殖质可增加土壤有机碳含量 [1314],
而苜蓿休闲模式的土壤由于没有其他作物的消耗,
表现出较高的有机碳含量, 从另一个角度出发, 苜
蓿苜蓿模式的土壤由于多年未翻耕 , 土壤团聚体
受到的破坏相对较少 , 从而保持了较高的稳定性 ,
稳定的团聚体能够对储存于其中的有机碳形成有效
保护, 通常大团聚体能够储存更多的有机碳[30]。张
春霞等[36]通过试验认为, 有豆科牧草苜蓿参与的轮
作系统, 土壤有机碳的储量增加, 土壤有机质得到
活化, 能更好地培肥地力。但也有研究表明, 由于耕
作过程增加了对土壤的干扰, 苜蓿草地轮作为农田
后土壤全氮和有机质会迅速下降, 土壤退化过程加
速[37], 这与本研究结果相似。土壤有机碳位于团聚
体内, 土壤有机碳含量在很大程度上影响着土壤团粒
结构的形成与稳定性, 由本试验结果显示, 有机碳含
量与其中 2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm
和≥ 0.25 mm 粒径的水稳性大团聚体比例以及
MWD 呈极显著正相关, 而与<0.25 mm 粒径的水稳
性团聚体比例呈极显著负相关, 说明土壤中有机碳
含量与土壤团聚体的水稳性密切相关, 且随着水稳
性大团聚体比例的增大而增大, 这与姜学兵等[37]和
陈山等[30]的研究结果相似。因此, 有必要选择合适
的轮作方式来提高土壤质量的同时维持土壤肥力平
衡。由于本试验存在一定的局限性, 只能够为今后
选择合理的轮作模式提供一些宏观的理论基础, 缺
乏对于苜蓿作物轮作系统水肥效应机制以及微观
层面的探究。
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