烏達(dá)木，范茂攀，趙吉霞，李孝梅，李永梅

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201）

土壤碳庫的碳儲(chǔ)量是大氣碳庫的3 倍，大約為1 580 Gt，因此其對全球碳循環(huán)至關(guān)重要[1]。土壤有機(jī)碳參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化并且比較活躍，土壤生物通過活動(dòng)將有機(jī)碳分解利用并釋放出CO2，從而對全球碳平衡產(chǎn)生重大影響[2?3]。有機(jī)碳以不同形式存在于團(tuán)聚體中而組成土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)其又受團(tuán)聚體保護(hù)而難被分解，二者之間的相互作用對促進(jìn)土壤固碳至關(guān)重要[4]。各粒徑團(tuán)聚體形成的機(jī)制、孔隙特征以及土壤微生物分解其中有機(jī)碳的難易程度的差異[4?5]，預(yù)示著不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化作用釋放CO2的機(jī)制有可能不同。因此，研究不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳的礦化特征，分析不同粒徑團(tuán)聚體在全土有機(jī)碳礦化中發(fā)揮的作用，對于進(jìn)一步理解有機(jī)碳在土壤中的轉(zhuǎn)化、定量評價(jià)土壤碳平衡具有重要意義。

坡耕地紅壤是我國重要的土壤資源，紅壤區(qū)也是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，但由于人類活動(dòng)頻繁，使農(nóng)田土壤受影響較大，加劇了水土流失的發(fā)生，制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]，因此也成為了許多學(xué)者的關(guān)注對象。近年來很多學(xué)者針對紅壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳進(jìn)行了研究。向蕊等[1]的研究發(fā)現(xiàn)，絕大部分的紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)藏在>2 mm 和2～0.25 mm 的團(tuán)聚體中，并且在低氮水平下，間作顯著增加了>2 mm 團(tuán)聚體的比例及其有機(jī)碳含量。李燕燕等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)模式下紅壤大團(tuán)聚體的比例最高，微團(tuán)聚體的比例最低，大團(tuán)聚體總有機(jī)碳的儲(chǔ)量最大。謝錦升等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)能夠顯著增加侵蝕退化紅壤大團(tuán)聚體的含量及其中有機(jī)碳的比例。以上研究較多關(guān)注的僅是團(tuán)聚體的分布特征和其中有機(jī)碳的分布特征，從團(tuán)聚體粒徑的角度考慮，也有部分學(xué)者對于紅壤團(tuán)聚體微域空間內(nèi)有機(jī)碳的礦化作用進(jìn)行了研究。陳曉芬等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理的紅壤性水稻土的有機(jī)碳累積礦化量在>2 mm 和1～2 mm 團(tuán)聚體中最高，在0.053～0.25 mm 團(tuán)聚體中最低。楊予靜等[10]對南亞熱帶馬尾松人工林土壤的研究發(fā)現(xiàn)，1～2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量最高，原狀土和＜0.25 mm 團(tuán)聚體的易礦化碳庫的礦化速率由于穿透雨減少而顯著降低。但總體而言，關(guān)于紅壤團(tuán)聚體水平上的有機(jī)碳礦化作用的研究依然少見報(bào)道，因此需要更多相關(guān)研究來豐富對紅壤團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化的認(rèn)識(shí)。

合理的作物種植模式可以實(shí)現(xiàn)對光熱水肥的高效利用，對于團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高及其中有機(jī)碳含量的提升效果顯著[1，11]。單作和間作種植模式下作物根系釋放的根系分泌物的量有差異，植物殘?bào)w的種類和歸還數(shù)量也有差異，這些改變了土壤顆粒的結(jié)合強(qiáng)度，從而影響土壤團(tuán)聚體的形成、穩(wěn)定性和有機(jī)碳的分解速率[11]。已有的研究指出，間作可以提高土壤的有機(jī)碳含量，也可以提高團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[1]。有學(xué)者研究了不同種植模式下室內(nèi)短期培養(yǎng)的土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)，如賈曼莉等[12]研究了渭北蘋果園清耕、蘋果間作白三葉、蘋果間作小冠花3 種模式下土壤有機(jī)碳的礦化動(dòng)態(tài)，結(jié)果表明兩種間作處理的土壤有機(jī)碳礦化累積量顯著高于蘋果園清耕。這些研究關(guān)注的是不同種植模式下土壤有機(jī)碳和團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布特征以及在全土水平上土壤有機(jī)碳的礦化作用，而在團(tuán)聚體水平上，種植模式對有機(jī)碳礦化的影響如何未見報(bào)道，還需進(jìn)一步研究來揭示。

本研究以坡耕地紅壤為研究對象，研究田間不同種植模式下全土及不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳的礦化動(dòng)態(tài)，并初步分析了不同粒徑團(tuán)聚體對土壤總有機(jī)碳礦化量的貢獻(xiàn)，以進(jìn)一步闡明土壤有機(jī)碳的礦化規(guī)律，為了解坡耕地紅壤不同種植模式下不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的作用機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和作物品種

試驗(yàn)于2019 年4—10 月在云南省昆明市盤龍區(qū)松華壩水源保護(hù)區(qū)大擺社區(qū)進(jìn)行（25°02′28.8″N，102°58′39.7″E），該地坡度為10°，海拔2 234 m，年平均氣溫16.0 ℃，年均降水量900～1 000 mm，降水主要集中在5—9 月，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候。供試土壤類型為紅壤，質(zhì)地為黏土，0～20 cm 耕層土壤基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量37.02 g·kg?1，堿解氮105.00 mg·kg?1，速效磷26.83 mg·kg?1，速效鉀217.90 mg·kg?1，pH 5.20。供試玉米為“云瑞88”，大豆為“滇雜7 號(hào)”，白蘿卜為“水白晶”。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間小區(qū)定位試驗(yàn)始于2018 年。在同一坡面上采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各小區(qū)地塊規(guī)格為4 m×10 m，坡度為10°，小區(qū)與小區(qū)間均間隔1 m 作為人行過道。試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)處理，分別為：玉米單作（MM）、大豆單作（MS）、白蘿卜單作（MR）、玉米大豆間作（IMS）、玉米白蘿卜間作（IMR），每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)。玉米單作小區(qū)共計(jì)17 行，采用寬窄行種植，寬行80 cm，窄行40 cm，每行16株，株距25 cm；單作大豆小區(qū)共計(jì)17行，采用等行距種植，行距60 cm，每行32株，株距25 cm；單作白蘿卜小區(qū)共計(jì)17行，采用等行距種植，行距60 cm，每行13株，株距30 cm；間作玉米大豆采用2∶2 種植模式，小區(qū)共計(jì)玉米12 行，每行13 株，大豆11 行，玉米與玉米間、大豆與大豆間行距均為40 cm，玉米與大豆間行距50 cm，每行26株，株距均為30 cm；間作玉米白蘿卜采用2∶2種植模式，小區(qū)共計(jì)玉米12行，白蘿卜11行，玉米與玉米間、白蘿卜與白蘿卜間行距均為40 cm，玉米與白蘿卜間行距50 cm，玉米每行13 株，株距30 cm，白蘿卜每行11株，株距35 cm。

按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，玉米施N 315 kg·hm?2、P2O5120 kg·hm?2、K2O 120 kg·hm?2，其中氮肥50%作基肥施用，50%作追肥在大喇叭口期施用，磷肥和鉀肥全部作基肥施用；大豆一次性施N 120 kg·hm?2、P2O5240 kg·hm?2、K2O 180 kg·hm?2；白蘿卜一次性施N 150 kg·hm?2、P2O5150 kg·hm?2、K2O 225 kg·hm?2。所用氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O516%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O 51%）。玉米在播種、施肥、覆土后灌水并蓋塑料薄膜，在作物生長前期和中期視土壤干旱情況和雜草生長情況適時(shí)進(jìn)行灌水和除草等田間管理。

1.3 樣品采集與分析

于2019 年10 月13 日采集玉米、大豆、白蘿卜成熟期的土壤樣品。每一個(gè)種植小區(qū)都分別隨機(jī)選取有代表性（株高、莖稈粗細(xì)、長勢等相近）的植株并標(biāo)記好位置，待作物收獲后取土樣，具體步驟為：單作玉米和單作白蘿卜小區(qū)分別隨機(jī)選取3 株有代表性的植株；單作大豆小區(qū)隨機(jī)選取6 株（3 個(gè)點(diǎn)，1 個(gè)點(diǎn)2株）有代表性的植株；玉米大豆間作小區(qū)隨機(jī)選取3株有代表性的玉米和相對應(yīng)的6株（3個(gè)點(diǎn)）有代表性的大豆；玉米白蘿卜間作小區(qū)隨機(jī)選取3 株有代表性的玉米和相對應(yīng)的3 株有代表性的白蘿卜。收獲后以植株生長點(diǎn)為中心畫30 cm×30 cm 的正方形，在此區(qū)域內(nèi)挖取2 個(gè)0～20 cm 原狀土柱組成一個(gè)混合樣品，以確?；旌贤寥罉悠肪哂写硇?。將土壤樣品儲(chǔ)存在硬質(zhì)塑料盒中并迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室處理。用四分法選取一部分土壤在室內(nèi)剔除石礫、植物殘根等雜物，混合均勻后自然風(fēng)干，風(fēng)干土一部分供團(tuán)聚體分級(jí)使用，另一部分過2 mm 篩供全土有機(jī)碳的測定使用；剩余部分新鮮土壤樣品過2 mm 篩供全土有機(jī)碳礦化培養(yǎng)使用。

土壤團(tuán)聚體的分級(jí)采用干篩法[13]。將預(yù)處理后的風(fēng)干土壤樣品混合均勻后，過5 mm 篩備用。將過5 mm 篩后的土壤樣品置于套篩（孔徑依次為2 mm、0.25 mm）頂部并安裝底盒和篩蓋后，以頻率150 次·min?1，左右振幅10 cm，振蕩5 min。收集各粒徑團(tuán)聚體樣品稱質(zhì)量后計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將收集到的各級(jí)團(tuán)聚體一部分用于礦化培養(yǎng)試驗(yàn)，另一部分用于測定團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。

有機(jī)碳的測定采用重鉻酸鉀容量法?外加熱法[14]。

礦化培養(yǎng)試驗(yàn)采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)，堿液吸收法測定[9]。稱20.00 g新鮮全土土壤樣品和3個(gè)粒徑風(fēng)干團(tuán)聚體樣品平鋪于500 mL 培養(yǎng)瓶底部，用去離子水調(diào)節(jié)全土和各粒級(jí)團(tuán)聚體的含水量至田間飽和持水量的60%，密封并置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)一周以恢復(fù)微生物活性，然后將盛有10 mL 0.1 mol·L?1NaOH 溶液的25 mL 吸收杯懸掛于培養(yǎng)瓶中，密封好后在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)。每個(gè)培養(yǎng)裝置設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)，同時(shí)設(shè)3個(gè)無土空白對照，在培養(yǎng)的第1、3、5、7、10、14、21、28 d 進(jìn)行測定，在每次測定時(shí)采用稱質(zhì)量的方法加水以確保土壤樣品水分保持在田間持水量的60%，測定時(shí)用鑷子小心更換堿液吸收杯，向換出來的吸收杯中加入1 mol·L?1BaCl2溶液2 mL，再滴加2 滴酚酞指示劑，用0.1 mol·L?1HCl（每次滴定前用硼砂進(jìn)行標(biāo)定）滴定至紅色消失。根據(jù)HCl 滴定量計(jì)算培養(yǎng)期內(nèi)全土和團(tuán)聚體中有機(jī)碳的礦化量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳礦化量=CHCl×（V0?V1）×22/0.02（以生成的CO2量計(jì)，mg·kg?1）

式中：CHCl為鹽酸濃度，mol·L?1；V0為空白處理消耗的鹽酸體積，mL；V1為消耗鹽酸的體積，mL。

土壤有機(jī)碳礦化速率（CO2，mg·kg?1·d?1）=培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)有機(jī)碳礦化量（CO2，mg·kg?1）/培養(yǎng)天數(shù)（d）。

土壤有機(jī)碳累積礦化量指從培養(yǎng)開始至某一時(shí)間點(diǎn)土壤CO2的總釋放量，采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合[15]，即：

式中：Ct為經(jīng)過t時(shí)間后土壤有機(jī)碳的累積礦化量，g·kg?1；C0為土壤潛在可礦化有機(jī)碳量，g·kg?1；k為有機(jī)碳庫的周轉(zhuǎn)速率常數(shù)，d?1；t為培養(yǎng)天數(shù)，d。半周轉(zhuǎn)期T1/2=ln2/k。

各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)率（%）的計(jì)算公式[9]為：某一粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)率=該粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化量×該粒級(jí)團(tuán)聚體含量/全土有機(jī)碳礦化量×100%。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0 進(jìn)行單因素方差分析（One?way ANOVA）和Duncan 差異顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）；用Excel 2016 作圖，Origin Pro 2019b 進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下土壤團(tuán)聚體粒徑分布

從表1可以看出，不同種植模式下團(tuán)聚體粒徑分布表現(xiàn)為2～0.25 mm 團(tuán)聚體含量最高，其次是>2 mm 團(tuán)聚體，<0.25 mm團(tuán)聚體的含量最低。MM處理>2 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較MS、MR、IMS 和IMR 處理分別顯著降低了4.95、8.62、6.34 和6.11 個(gè)百分點(diǎn)（P<0.05）。MM 處理<0.25 mm 的團(tuán)聚體含量較MS、MR、IMS 和IMR 處理分別顯著提高了0.28、0.51、0.25倍和0.37倍（P<0.05）。

表1 不同種植模式下團(tuán)聚體粒徑分布Table 1 The content distribution of soil aggregates under different planting patterns

2.2 不同種植模式下土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳

研究結(jié)果顯示（表2），在相同種植模式下，土壤有機(jī)碳在<0.25 mm 團(tuán)聚體中的含量高于在全土、>2 mm 和2～0.25 mm 團(tuán)聚體的含量。在不同種植模式下，對于全土而言，MS 處理的有機(jī)碳含量較IMS 處理顯著增加了0.14 倍。在>2 mm、2～0.25 mm 和<0.25 mm 團(tuán)聚體中，IMS 和IMR 處理的有機(jī)碳含量與相對應(yīng)的單作處理間未達(dá)到顯著差異水平（P>0.05）。

表2 不同種植模式下全土及不同粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量（g·kg?1）Table 2 The content of SOC in soil and soil aggregates with different diameters under different planting patterns（g·kg?1）

2.3 土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)

全土和各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化速率均隨培養(yǎng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢（圖1）。全土有機(jī)碳礦化速率在整個(gè)培養(yǎng)過程中呈波動(dòng)式緩慢遞減趨勢，在培養(yǎng)的前14 d CO2的產(chǎn)生速度相對較快，5個(gè)處理峰值平均為57.49 mg·kg?1·d?1。>2 mm 團(tuán)聚體的有機(jī)碳礦化速率在培養(yǎng)后的第1 d排序?yàn)镸S>IMS>MM>MR>IMR，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)有機(jī)碳礦化速率平均為培養(yǎng)最初的30.28%。2～0.25 mm 團(tuán)聚體的有機(jī)碳礦化速率在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)平均為培養(yǎng)最初的18.52%。<0.25 mm 團(tuán)聚體的有機(jī)碳礦化速率在開始培養(yǎng)后的第3 d 平均為41.39 mg·kg?1·d?1，第14 d 快速下降，平均為16.91 mg·kg?1·d?1，隨后逐漸趨于穩(wěn)定直至培養(yǎng)結(jié)束。在培養(yǎng)開始后的第1 d，2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化速率平均最高，其次為全土，再次為>2 mm 團(tuán)聚體，最低為<0.25 mm 團(tuán)聚體。在整個(gè)培養(yǎng)期，全土及不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化速率隨培養(yǎng)時(shí)間的延長不斷波動(dòng)變化，因此并不能明顯區(qū)分不同種植模式之間的差異。

2.4 土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量

不同種植模式下，培養(yǎng)28 d時(shí)全土和團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量情況見圖2。在相同的種植模式下，全土及不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量整體表現(xiàn)為全土最高，其次為2～0.25 mm 團(tuán)聚體，再次為<0.25 mm團(tuán)聚體，>2 mm團(tuán)聚體最低。不同種植模式下，對于全土，MS 處理的有機(jī)碳累積礦化量較MM 和IMS處理分別顯著增加了14.09%和6.97%，IMS 處理較MM 處理顯著增加了6.66%（P<0.05）。對于>2 mm 團(tuán)聚體，MS處理的有機(jī)碳累積礦化量較IMS處理顯著增加了25.21%，MM 處理較IMR 處理顯著增加了6.00%（P<0.05）。對于2～0.25 mm團(tuán)聚體，MS處理的有機(jī)碳累積礦化量較IMS處理顯著增加了9.84%，MM處理的有機(jī)碳累積礦化量較IMS和IMR處理分別顯著增加了6.34%和21.36%（P<0.05）。對于<0.25 mm 團(tuán)聚體，各處理間有機(jī)碳累積礦化量差異均不顯著。

2.5 不同種植模式下土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化參數(shù)

本研究土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量與培養(yǎng)天數(shù)之間的動(dòng)態(tài)變化采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程Ct=C0（1?e?kt）進(jìn)行擬合（P<0.01），且該模型的擬合效果較好，決定系數(shù)R2>0.99（表3）。結(jié)果表明，在相同種植模式下，C0和C0/SOC 值在全土中最高，且顯著高于其他3個(gè)粒徑團(tuán)聚體（P<0.05）。<0.25 mm 團(tuán)聚體的C0和C0/SOC 值最低，2～0.25 mm 團(tuán)聚體的k值最高，>2 mm 團(tuán)聚體的T1/2最高。在不同種植模式下，MS處理的C0在全土和3 個(gè)粒徑團(tuán)聚體中都顯著高于IMS 處理（P<0.05）。在全土、>2 mm 團(tuán)聚體和<0.25 mm 團(tuán)聚體中，IMS 處理的k值都顯著高于MM 處理（P<0.05）。對于>2 mm 和<0.25 mm 團(tuán)聚體，MM 和MS 處理的T1/2顯著高于IMS處理，在2～0.25 mm 團(tuán)聚體中，IMS和IMR 處理的T1/2分別較MM 處理顯著提高了6.75%和10.74%（P<0.05）。另外，在全土中，MM 處理的C0/SOC 值較IMR 處理顯著提高了18.53%，IMR 處理較MR 處理顯著提高了13.41%（P<0.05）。對于>2mm 團(tuán)聚體，MM處理的C0/SOC 值較IMS 和IMR 處理分別顯著提高了50.93%和13.02%（P<0.05）。在2～0.25mm 團(tuán)聚體中，MM 處理的C0/SOC 值較IMR 處理顯著提高了14.25%（P<0.05）。

表3 培養(yǎng)28 d時(shí)土壤及團(tuán)聚體礦化動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)Table 3 The parameters of kinetic equations of bulk soils and aggregate fractions after 28 days of incubation

2.6 團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)

研究結(jié)果顯示（表4），各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化對全土有機(jī)碳礦化貢獻(xiàn)率的總和在各處理中依次為MM（82.77%）>MS（78.09%）>MR（74.05%）>IMS（73.62%）>IMR（70.26%）。2～0.25 mm團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)率最高，范圍在38.80%～48.67%，其次是>2 mm 團(tuán)聚體，范圍在17.93%～23.01%，貢獻(xiàn)率最低的是<0.25 mm團(tuán)聚體，范圍在10.17%～16.18%。

表4 不同種植模式下各粒徑團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)率（%）Table 4 Contributions of aggregate fractions to soil organic carbon mineralization under different planting patterns（%）

3 討論

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量和質(zhì)量決定土壤理化性狀及其協(xié)調(diào)狀況[4]。本研究對團(tuán)聚體的分級(jí)采用干篩法，因?yàn)楦珊Y法較濕篩法降低了水分張力等因素對土壤結(jié)構(gòu)的干擾，減少了對土壤中某些易變性有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的破壞，也減少了對團(tuán)聚體中微生物群落物理生境的破壞，對于旱地紅壤，干篩分離出的團(tuán)聚體更接近田間實(shí)際[16]。本研究中，各種植模式下>2 mm 和2～0.25 mm 團(tuán)聚體含量較高，這與張鵬等[17]的研究結(jié)果相似。這是因?yàn)殍F鋁氧化物是南方紅壤地區(qū)微團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)，70%以上的土壤有機(jī)碳存在于粉?黏團(tuán)聚體中，而大團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)是有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)將微團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體[1，4]，并且由于新鮮有機(jī)物質(zhì)的輸入，作物根系、土壤動(dòng)物、微生物及他們的代謝產(chǎn)物增多，同時(shí)土壤中有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)和載體介質(zhì)的量也增多[18]，從而促進(jìn)了>0.25 mm 團(tuán)聚體的形成。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，MM處理中>2 mm團(tuán)聚體含量最低，而<0.25 mm團(tuán)聚體含量最高（P<0.05），這可能是因?yàn)橛衩棕S富的根系對土壤的擾動(dòng)更大，大顆粒團(tuán)聚體中的顆粒有機(jī)物有助于微團(tuán)聚體的形成，由于玉米根系的擾動(dòng)和顆粒有機(jī)物的分解，大顆粒團(tuán)聚體破碎使得微團(tuán)聚體被釋放出來[1，19]，因此大團(tuán)聚體比例減少，微團(tuán)聚體比例增加。

有機(jī)碳的含量是有機(jī)物質(zhì)輸入和礦化分解動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在相同種植模式下<0.25 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最高（P<0.05）。這是因?yàn)槲F(tuán)聚體內(nèi)的孔隙極小，微生物分解有機(jī)碳耗能很多，從而使有機(jī)碳的分解降低，微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳受到的干擾較少，所以儲(chǔ)存的時(shí)間更長[4]。前人的研究發(fā)現(xiàn)，玉米馬鈴薯[1]、蘋果白三葉[18]、蠶豆玉米、小麥玉米、小麥蠶豆[21]的間作體系均能提高土壤有機(jī)碳含量。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果不同，本研究結(jié)果表明，IMS 使全土的有機(jī)碳含量呈現(xiàn)虧損的狀態(tài)（P<0.05），其他各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在單作與間作之間并沒有顯著差異，間作可提高有機(jī)質(zhì)的相對分解速率，但有機(jī)質(zhì)快速分解并未使土壤有機(jī)碳含量得到提高[22]。間作系統(tǒng)的根系發(fā)達(dá)，凋落物更具多樣性，土壤微生物也增多，這使得碳分解大于碳輸入[23?24]。另外，本研究結(jié)果與種植年限短有關(guān)，上述研究結(jié)果是基于多年的田間定位試驗(yàn)，而本研究所在的田間小區(qū)定位試驗(yàn)始于2018 年，土壤還具有較好的緩沖能力，這使得有機(jī)碳含量因種植模式發(fā)生變化具有了一定的滯后性，所以本研究中單作與間作模式團(tuán)聚體有機(jī)碳含量沒有顯著差異，這還需要通過進(jìn)一步的長期定位試驗(yàn)來驗(yàn)證。

土壤有機(jī)碳礦化是土壤碳庫平衡的重要過程，其速率的大小表示有機(jī)碳分解的快慢程度[9]，對其進(jìn)行研究有助于揭示土壤碳庫的動(dòng)態(tài)機(jī)理[3]。本研究中，團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化與全土有機(jī)碳礦化的變化規(guī)律一致?？傮w上，全土及不同粒徑團(tuán)聚體在培養(yǎng)前期的有機(jī)碳礦化速率大，并且呈現(xiàn)快速下降趨勢，后期有機(jī)碳礦化速率，隨培養(yǎng)時(shí)間推移逐漸減慢并保持相對穩(wěn)定，這與土壤微生物活性和有機(jī)碳礦化難易程度有關(guān)。有機(jī)碳是由容易礦化和不易礦化兩部分組成的，室內(nèi)培養(yǎng)28 d所分解的有機(jī)碳多為易礦化有機(jī)碳。培養(yǎng)前期，土壤及團(tuán)聚體樣品加水到田間持水量的60%激發(fā)了微生物的活性，土壤中容易礦化的活性有機(jī)碳（如糖類和蛋白質(zhì)等）較多，微生物將其迅速分解利用后釋放出大量的CO2，因此有機(jī)碳礦化速率較高；培養(yǎng)時(shí)間越長，土壤中的活性有機(jī)碳被消耗得越多，微生物可利用的有效碳源越來越少，所以有機(jī)碳礦化速率逐漸降低并表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的趨勢[15，25]。

土壤有機(jī)碳礦化與團(tuán)聚體密切相關(guān)，團(tuán)聚體粒徑的大小能夠影響土壤有機(jī)碳的礦化速率，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的累積礦化量[5，9]。本研究中，除全土外，2～0.25 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量最高（P<0.05），這是由于2～0.25 mm 團(tuán)聚體穩(wěn)定性低，其含有的活性有機(jī)碳較多并且易分解[4?5]，有機(jī)碳礦化速率較高，因此其累積礦化量也高。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，全土中IMS處理的有機(jī)碳累積礦化量顯著高于MM（P<0.05），這可能與凋落物的性質(zhì)和數(shù)量有關(guān)。有研究[26]表明凋落物進(jìn)入土壤后可以促進(jìn)有機(jī)碳的礦化，由于凋落物作為外源有機(jī)物質(zhì)輸入到土壤中的有機(jī)碳的質(zhì)量和數(shù)量不同，從而使含有不同凋落物的土壤有機(jī)碳礦化也不同[27?28]。賈曼莉等[12]對渭北生草果園土壤有機(jī)碳礦化的研究表明，果園生草間作顯著提升了礦化率，證實(shí)了上述觀點(diǎn)。除此之外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在全土、>2 mm 團(tuán)聚體和2～0.25 mm 團(tuán)聚體中，與間作處理相比，有機(jī)碳累積礦化量在某些單作處理中顯著提高（P<0.05），并且在MS處理中有機(jī)碳累積礦化量最高。產(chǎn)生這種不同差異的原因很復(fù)雜，除了受作物凋落物的性質(zhì)和數(shù)量的影響外[27?28]，土壤微生物活性、種類和數(shù)量的不同[29?30]，作物根系以及根系分泌物的不同也都會(huì)影響有機(jī)碳的含量和穩(wěn)定性[11]。本課題組前期[11]的研究發(fā)現(xiàn)，間作會(huì)促進(jìn)根系總糖和總有機(jī)酸的分泌，增強(qiáng)根際細(xì)菌的活力，促進(jìn)多糖分泌與菌絲生長，對微團(tuán)聚體的膠黏作用和纏繞作用也得到增強(qiáng)，這些有利于微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化為大顆粒的團(tuán)聚體，使間作更能儲(chǔ)存碳，因此，使得單作處理比間作處理的有機(jī)碳礦化作用更強(qiáng)。

本研究利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合了土壤和團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)過程，其中，C0表示在理想情況下有機(jī)碳礦化釋放的CO2的量，C0/SOC 值則表示土壤有機(jī)碳礦化分解作用消耗土壤中有機(jī)碳的比例，可反映土壤固碳能力的強(qiáng)弱，該比例越低，表明土壤的固碳能力越強(qiáng)，反之，則固碳能力越弱[31]。本研究中，在相同種植模式下，<0.25 mm 團(tuán)聚體的C0和C0/SOC 值最低（P<0.05），說明<0.25 mm團(tuán)聚體較其他兩種粒徑團(tuán)聚體的固碳能力更強(qiáng)。這是由于團(tuán)聚體團(tuán)聚過程中膠結(jié)物質(zhì)的差異，使有機(jī)碳受到的物理保護(hù)程度各異。大粒徑團(tuán)聚體中是易分解的瞬變膠結(jié)有機(jī)物，微團(tuán)聚體中則多是持久性膠結(jié)劑[32]。大團(tuán)聚體中含有較多易分解的活性有機(jī)碳，微團(tuán)聚體中則含有高度腐殖化的惰性有機(jī)碳[33]。本研究還發(fā)現(xiàn)，在相同種植模式下，>2 mm 團(tuán)聚體的T1/2最高（P<0.05）。這是由于大團(tuán)聚體與空氣接觸的表面積小，其表面的有機(jī)碳（包括有機(jī)膠結(jié)劑）被分解的幾率也小，而且大團(tuán)聚體形成后其內(nèi)部的孔隙降低，孔隙間的空氣和水分相應(yīng)減少，使有機(jī)碳與礦物顆粒的結(jié)合更加緊密，從而降低了其中有機(jī)碳的分解[4，32]。另外，本研究中2～0.25 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳庫的k值在相同種植模式下最高（P<0.05）。這是由于2～0.25 mm 大團(tuán)聚體顆粒組中聚集了大量易氧化態(tài)有機(jī)碳，所以該粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳穩(wěn)定性較低，周轉(zhuǎn)快[34?35]。

全土有機(jī)碳礦化表現(xiàn)出不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化的總體特征。本研究中，2～0.25 mm 團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)最大，其次是>2 mm團(tuán)聚體，<0.25 mm 團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)最小，這與陳曉芬等[9]在紅壤性水稻土中發(fā)現(xiàn)的>0.25 mm 大團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)高的研究結(jié)果相類似。有學(xué)者研究證明大粒徑團(tuán)聚體對土壤碳排放的貢獻(xiàn)最大與大粒徑團(tuán)聚體含量占主要優(yōu)勢有關(guān)[5]。綜上所述，大粒徑團(tuán)聚體在土壤有機(jī)碳礦化中是發(fā)揮主導(dǎo)作用的。另外，本研究中對全土的礦化培養(yǎng)采用的是鮮土，團(tuán)聚體的礦化培養(yǎng)采用的是風(fēng)干土，即使有1 周的預(yù)培養(yǎng)緩沖期以恢復(fù)微生物活性，風(fēng)干土壤微生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)以及代謝能力等也會(huì)發(fā)生變化[36]，這可能是導(dǎo)致各粒徑團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)率總和不高的原因。

由于試驗(yàn)條件的限制，本研究采用堿液吸收法在室內(nèi)恒溫條件下模擬不同種植模式下坡耕地紅壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的礦化特征，采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合礦化過程并根據(jù)擬合出的相關(guān)參數(shù)在一定程度上預(yù)測田間土壤有機(jī)碳礦化的動(dòng)態(tài)變化趨勢。但是在田間條件下影響土壤有機(jī)碳礦化的環(huán)境因素非常復(fù)雜，如水分、溫度、土壤受擾動(dòng)程度等都會(huì)影響土壤有機(jī)碳礦化，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)過程是在培養(yǎng)瓶中進(jìn)行，通氣狀況、溫度、水分等與田間實(shí)際環(huán)境有所不同，從而會(huì)對有機(jī)碳的礦化過程產(chǎn)生影響。因此，本研究結(jié)果與田間條件下多因素綜合作用的結(jié)果可能存在差異，今后仍需加強(qiáng)相關(guān)控制試驗(yàn)的研究以及土壤有機(jī)碳礦化的田間原位試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

（1）不同種植模式下2～0.25 mm 團(tuán)聚體含量最高，<0.25 mm 團(tuán)聚體含量最低。玉米單作后土壤>2 mm 團(tuán)聚體比例有所下降，<0.25 mm 團(tuán)聚體比例有所增加。在相同種植模式下，<0.25 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于全土、>2 mm 團(tuán)聚體和2～0.25 mm 團(tuán)聚體。全土中玉米大豆間作處理的土壤有機(jī)碳含量顯著低于大豆單作處理，不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量在單作處理與相對應(yīng)間作處理之間沒有顯著差異。

（2）不同種植模式下全土與各粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳礦化速率均隨培養(yǎng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，培養(yǎng)前期波浪式遞減，培養(yǎng)后期逐漸趨于穩(wěn)定?？傮w上，不同種植模式下全土和團(tuán)聚體中有機(jī)碳礦化作用的強(qiáng)弱大致表現(xiàn)為單作處理比相對應(yīng)的間作處理更強(qiáng)，并且大豆單作處理的有機(jī)碳礦化作用最強(qiáng)。在相同種植模式下，2～0.25 mm 團(tuán)聚體中的有機(jī)碳礦化速率最快、更易礦化，因此其有機(jī)碳累積礦化量顯著高于其他兩種粒徑團(tuán)聚體。<0.25 mm 團(tuán)聚體的潛在可礦化有機(jī)碳量與C0/SOC 值最低，說明其固碳能力最強(qiáng)。>2 mm 和2～0.25 mm 團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)最大。