孫濤，馮曉敏，趙財，殷文，胡發(fā)龍，宋振偉*，張衛(wèi)建

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)重點實驗室，北京 100081；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，蘭州 730070）

改善土壤質(zhì)量、提高土地生產(chǎn)力是實現(xiàn)作物可持續(xù)生產(chǎn)的重要保障[1]。間作作為一種古老而傳統(tǒng)的種植制度，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中仍然發(fā)揮著確保糧食增產(chǎn)、維持土壤養(yǎng)分供應(yīng)、促進農(nóng)民增收等重要作用[2-3]。相關(guān)研究表明，間作可以增加作物產(chǎn)量[4]、提高土地利用率[5]、確保向市場供應(yīng)的作物品種多樣化[6]、增加農(nóng)民經(jīng)濟收入[7]、控制病蟲草害[8]以及改善土壤質(zhì)量等[9]。土壤有機碳是評價土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，與種植模式、耕作方式及養(yǎng)分管理等密切相關(guān)[10-11]。CONG 等[9]和向蕊等[12]的研究表明，間作由于增加了物種多樣性有利于土壤碳的固持，從而增加土壤有機碳含量。而張智暉[13]的研究表明玉米/大豆間作降低了土壤有機碳的含量。DIJKSTRA 等[14]同樣認(rèn)為間作體系下進入土壤的有機碳源分解速率高，不利于土壤有機碳的固定。綜上所述，目前關(guān)于間作模式對土壤有機碳的影響仍存在不確定性，亟需進一步深入研究。

土壤團聚體是土壤有機和無機礦物顆粒經(jīng)過一系列作用形成的土壤基本結(jié)構(gòu)單元，是土壤養(yǎng)分的儲存場所。土壤團聚體含量及粒徑分布不僅影響作物生長發(fā)育，而且影響土壤的一系列物理、化學(xué)及生物學(xué)過程。大量研究表明土壤團聚體對有機碳的轉(zhuǎn)化起著非常重要的作用[15]。土壤團聚體通過物理保護作用減少有機碳與微生物的接觸，進而減緩?fù)寥烙袡C碳礦化[16]。此外土壤有機碳含量與大團聚體含量密切相關(guān)[17]，而微團聚體中的膠體及無機物質(zhì)與有機碳緊密結(jié)合，可為有機碳的固定提供保護，使其成為土壤有機碳的重要固定場所[18]。種植模式、耕作措施及施肥管理等均會影響土壤團聚體及其有機碳含量。間作系統(tǒng)中，由于種植作物種類不同，土壤中作物根系和殘茬歸還的質(zhì)量和數(shù)量也不同，影響了土壤團聚體的形成及有機碳的轉(zhuǎn)化，進而導(dǎo)致土壤團聚體及有機碳的差異[19]。已有研究表明間作有增強土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳含量的作用[12，20]，但對于不同間作模式對土壤團聚體有機碳的影響及其差異仍不清楚。

西北地區(qū)光熱資源充沛，是我國高產(chǎn)農(nóng)區(qū)之一。但該地區(qū)年降水量少，潛在蒸發(fā)量大，水資源短缺是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的主要制約因素[3]。依靠過度灌溉和高量化肥投入的生產(chǎn)體系，雖然保證了作物高產(chǎn)，但同時造成了自然資源的浪費，眾多研究表明，間作模式不僅能促進作物高產(chǎn)而且可以提高水分利用效率，在西北綠洲灌溉區(qū)逐漸受到重視，并形成了玉米/小麥、玉米/豌豆等高產(chǎn)種植模式[3，21]。但間作在保障高產(chǎn)的同時，對土壤團聚體結(jié)構(gòu)、土壤有機碳含量的影響仍不清楚，不同間作模式的差異性也有待研究。因此，本研究依托2016 年在甘肅省武威市建立的間作模式定位試驗，系統(tǒng)分析不同間作模式下土壤團聚體結(jié)構(gòu)及其有機碳含量與儲量變化特征，以期為西北地區(qū)間作模式下土壤有機碳的固持機制及間作模式的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與供試材料

本試驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威試驗站（37°31′ N，103°50′ E）進行。試驗地位于河西走廊東端，屬典型大陸性干旱氣候，年平均溫度7.3 ℃，年降雨量156 mm，年蒸發(fā)量2 400 mm，年日照時數(shù)2 968 h，＞10 ℃積溫2 985 ℃·d，無霜期156 d。供試土壤為灌漠土，試驗開始前0～40 cm土壤理化性狀見表1。

表1 0～40 cm土壤理化性狀Table 1 Soil physical and chemical properties in 0～40 cm depth

1.2 試驗設(shè)計

定位試驗始于2016 年，包括7 個處理：玉米單作（M）、豌豆單作（P）、油菜單作（R）、小麥單作（W）、玉米間作豌豆（M/P）、玉米間作油菜（M/R）和玉米間作小麥（M/W）。采用隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理3 次重復(fù)。每個小區(qū)面積為10.0 m×6.0 m=60 m2。供試玉米、豌豆、油菜和小麥品種分別為先玉335、隴豌1號、皓油4號和寧春4號。

玉米、豌豆、油菜和小麥種植密度分別為9、180、76、675 株·m-2，行距分別為40、20、20、15 cm。間作處理條帶寬度為2.0 m。其中玉米帶寬為1.2 m，包括3 行覆膜玉米；小麥（豌豆、油菜）帶寬為0.8 m，包括6（4、4）行小麥（豌豆、油菜）。間作處理中玉米與豌豆、油菜和小麥的間距均為30 cm。間作處理中作物種植密度和行距與單作處理相同。每年播種前用旋耕機進行旋耕整地，深度為15 cm。玉米、豌豆、油菜和小麥每年播種日期分別在4 月20 日、4 月1 日、4 月20 日和3 月20 日前后；收獲日期分別在9 月20 日、7 月10日、7 月5 日和7 月20 日前后。試驗地施用肥料為尿素（N-P2O5-K2O 為46-0-0）和磷酸二銨（N-P2O5-K2O為18-46-0）。其中玉米、豌豆、油菜和小麥?zhǔn)㎞ 量分別為450、225、120、225 kg·hm-2；施P2O5量分別為225、150、90、150 kg·hm-2。豌豆、油菜和小麥所有氮磷肥均作為基肥一次施入，玉米氮肥30%作為基肥，60%于拔節(jié)期追施，10%于灌漿期追施，磷肥則作為基肥一次施入。玉米、豌豆、油菜和小麥均在關(guān)鍵生育時期進行補充灌溉，年總灌溉量分別為405、165、90 mm和240 mm。

1.3 土壤樣品采集與測定方法

2019 年作物收獲后采集0～20 cm 和20～40 cm 土壤及土壤團聚體樣品。其中，土壤樣品采用直徑5 cm 的土鉆采集；土壤團聚體樣品采用半徑約8 cm 的圓形鋁盒倒扣在取樣位置，緩慢壓入土壤直至盒中完全被原狀土充滿并將外露土塊鏟除移平后，裝盒運回實驗室以備測定使用。土壤及土壤團聚體樣品在各單作小區(qū)作物行間隨機采集3點，混合為1個土樣，間作小區(qū)在每種作物行間及兩種作物行間分別隨機采集3 點，混合為1 個土樣。土壤容重采用環(huán)刀（高5 cm，直徑5 cm）法取樣測量[22]，取樣位置與土壤及土壤團聚體取樣位置相同。土壤團聚體采用SIX 等[23]的方法，將大塊按結(jié)構(gòu)剝成約1 cm3的團塊，風(fēng)干后干篩，然后按干篩百分?jǐn)?shù)之比稱取樣品，配成50 g，倒入孔徑分別為2、1、0.25 mm 和0.053 mm 的篩組中進行振蕩篩分5 min（30 次·min-1），最后將各篩子中的團聚體洗入鋁盒中，烘干稱質(zhì)量。

土壤團聚體穩(wěn)定性采用平均質(zhì)量直徑（Mean weight diameter，MWD）和平均幾何直徑（Geometric mean diameter，GMD）來衡量[24]，具體計算公式如下：

式中：Wi為各級團聚體的質(zhì)量，g；Xi為對應(yīng)各級團聚體平均直徑，mm，其中＞2、2～1、1～0.25、0.25～0.053 mm 和＜0.053 mm 粒徑的團聚體對應(yīng)的平均直徑分別為2、1.5、0.625、0.152 mm和0.053 mm。

土壤有機碳及團聚體有機碳采用重鉻酸鉀稀釋-熱法測定[25]。稱取0.250 0 g（精確到0.000 1 g）土壤樣品，加入K2CrO7-H2SO4以氧化土壤有機質(zhì)，然后用FeSO4滴定剩余的K2CrO7。

土壤及土壤團聚體有機碳儲量采用下式計算：

式中：SOCS 為某粒徑中有機碳儲量，t·hm-2；Ci為第i層土壤有機碳含量，g·kg-1；BDi為第i層土容重，g·cm-3；Zi為第i層土層深度，m。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SAS 9.2 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，各處理土壤團聚體粒徑分級、平均質(zhì)量直徑、平均幾何直徑以及土壤有機碳含量、儲量均采用SAS 中的PROC GLM過程進行方差分析，其中處理為固定因子，區(qū)組為隨機因子。采用最小顯著極差法（LSD）在α=0.05 水平下進行多重比較。采用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間作模式對土壤團聚體粒徑分級的影響

由圖1可見，0～20 cm土層中，M/P、M/R和M/W 處理的1～2 mm土壤水穩(wěn)性團聚體含量分別比M處理高0.14、0.33 個百分點和0.61 個百分點，且差異顯著（P＜0.05）。M/R、M/W 處理0.25～1 mm 和0.053～0.25 mm土壤水穩(wěn)性團聚體含量分別比M 處理高5.3、4.3 個百分點和3.4、11.2 個百分點。M/R 和M/W 處理＜0.053 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體含量比M 處理低9.0、16.3 個百分點。其中M/P 處理0.25～1、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體含量與M 處理無顯著差異，且各處理＞2 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體含量間無顯著差異（P＞0.05）。在20～40 cm 土層，M/P、M/R 和M/W 處理1～2 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體含量分別比M處理高0.21、0.38 和0.67 個百分點。M/R 和M/W 處理0.25～1 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體含量分別比M 處理高7.0、6.4 個百分點。M/W 處理＜0.053 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體含量比M 處理低14.8 個百分點。其中M/P 處理0.25～1、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體含量與M 處理無顯著差異，且各處理＞2 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體含量無顯著差異（P＞0.05）。

圖1 不同間作模式下土壤團聚體粒徑分級Figure 1 The particle size classification of soil aggregates under different intercropping patterns

2.2 不同間作模式對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

如圖2 所示，在0～20 cm 土層，M/R、M/W 處理土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和平均幾何直徑分別比M 處理顯著提高25.6%、31.3%和19.3%、28.6%（P＜0.05），而M/P 處理土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和平均幾何直徑則與M 處理無顯著差異（P＞0.05）。在20～40 cm 土層，M/R、M/W 處理土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和平均幾何直徑分別比M 處理顯著提高50.4%、48.2%和27.9%、33.0%（P＜0.05），而M/P 處理土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和平均幾何直徑則與M 處理無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同間作模式下土壤團聚體穩(wěn)定性Figure 2 The stability of soil aggregates under different intercropping patterns

2.3 不同間作模式對土壤有機碳含量的影響

間作模式對土壤有機碳含量存在影響（圖3）。其中，M/W 處理0～20 cm 土壤有機碳含量比M 處理顯著提高11.5%（P＜0.05），M/R 和M/W 處理20～40 cm 土壤有機碳含量分別比M 處理顯著提高4.3%和9.6%（P＜0.05），而M/P 處理0～20 cm 和20～40 cm 土壤有機碳含量則與M處理無顯著差異（P＞0.05）。在0～20 cm和20～40 cm 土層，M/P、M/R 以及M/W 處理土壤有機碳含量與P、R以及W處理均無顯著差異（P＞0.05）。

圖3 不同間作模式下土壤有機碳含量Figure 3 The soil organic carbon content under different intercropping patterns

2.4 不同間作模式對土壤團聚體有機碳含量的影響

圖4 所示為不同間作模式下土壤團聚體有機碳含量差異。在0～20 cm 土層，M/W 處理＜0.053 mm 土壤團聚體有機碳含量比M 處理顯著提高17.5%，0.053～0.25 mm 土壤團聚體有機碳含量比M 處理顯著提高19.9%，而＞0.25 mm 土壤團聚體有機碳含量則比M 處理顯著降低12.1%（P＜0.05）；M/R 處理＜0.053 mm土壤團聚體有機碳含量比M 處理顯著提高16.0%，＞0.25 mm 土壤團聚體有機碳含量則比M 處理顯著降低21.5%（P＜0.05）；M/P 處理＜0.053 mm土壤團聚體有機碳含量與M處理無顯著差異（P＞0.05），而＞0.25 mm土壤團聚體有機碳含量則比M 處理顯著提高39.3%（P＜0.05）。

圖4 不同間作模式下土壤團聚體有機碳含量Figure 4 The organic carbon content of soil aggregates under different intercropping patterns

在20～40 cm 土層，M/W 處理＜0.053 mm 土壤團聚體有機碳含量比M 處理顯著提高23.0%，而0.053～0.25 mm 和＞0.25 mm 土壤團聚體有機碳含量與M 處理無顯著差異（P＞0.05）；M/R 處理＜0.053 mm 土壤團聚體有機碳含量比M 處理顯著提高21.4%，而0.053～0.25 mm 土壤團聚體有機碳含量則與M 處理無顯著差異（P＞0.05）；M/P 處理＜0.053 mm 和0.053～0.25 mm土壤團聚體有機碳含量與M 處理無顯著差異（P＞0.05），而＞0.25 mm 土壤團聚體有機碳含量比M 處理顯著提高39.5%（圖4）。

2.5 不同間作模式對土壤團聚體有機碳儲量的影響

由表2可知，在0～20 cm土層，M/W處理土壤有機碳總儲量比M 處理顯著提高11.0%，而M/P 和M/R 處理0～20 cm 土壤有機碳儲量與相應(yīng)單作處理均無顯著差異（P＞0.05）。M/W 處理有機碳儲量的增加主要是由于0.053～0.25 mm 土壤團聚體有機碳儲量的增加，在本試驗中，M/W 處理0～20 cm 土層0.053～0.25 mm 土壤團聚體有機碳儲量比M 處理顯著提高105.4%（P＜0.05）。在20～40 cm土層，M/P、M/R和M/W處理土壤有機碳儲量與相應(yīng)單作處理均無顯著差異（P＞0.05），僅M/W 和M/R 處理＞0.25 mm 土壤團聚體有機碳儲量比M處理顯著提高87.6%和59.3%。

表2 不同間作模式下土壤團聚體有機碳儲量（t·hm-2）Table 2 The organic carbon storage of soil aggregates under different intercropping patterns（t·hm-2）

在0～40 cm 土層，M/W 處理土壤有機碳總儲量與M 處理相比顯著提高10.2%，而M/P 和M/R 處理0～40 cm 土壤有機碳總儲量與相應(yīng)單作處理均無顯著差異（P＞0.05）。M/W 處理＞0.25 mm 和0.053～0.25 mm 土壤團聚體有機碳儲量分別比M 處理顯著提高55.5%和56.8%，而＜0.053 mm 土壤團聚體有機碳儲量則與M 處理無顯著差異（P＞0.05）；M/R 處理＞0.25 mm 土壤團聚體有機碳儲量比M 處理顯著提高39.1%（P＜0.05），而0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 土壤團聚體有機碳儲量則與M 處理無顯著差異（P＞0.05）；M/P 處理＞0.25、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 土壤團聚體有機碳儲量與M處理均無顯著差異（P＞0.05）。

3 討論

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，也是土壤質(zhì)量的重要評價指標(biāo)[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，間作模式可以增加土壤團聚體穩(wěn)定性，其中M/W和M/R處理0～20 cm和20～40 cm土層土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和平均幾何直徑均顯著高于M處理（圖2），這主要是由于M/W和M/R處理增加了土壤水穩(wěn)性大團聚體（＞0.25 mm）和微團聚體（0.053～0.25 mm）含量，降低了黏粉粒（＜0.053 mm）含量（圖1）。向蕊等[12]和白錄順等[20]的研究結(jié)果同樣表明，間作可以增加土壤大團聚體和微團聚體的占比，提高土壤團聚體穩(wěn)定性。間作增加土壤團聚體穩(wěn)定性的原因可能是間作模式作物根系較為發(fā)達，通過根系纏繞和固結(jié)作用使土壤更容易形成較大粒級的團聚體；同時，間作模式增加了不同作物間根系的交互作用，促使根系分泌物增加和微生物活力增強，植物根系和真菌菌絲分泌多糖及其他有機復(fù)合物促進了土壤顆粒和微團聚體的黏結(jié)，這有利于微團聚體轉(zhuǎn)化為大顆粒團聚體[27-28]。

土壤有機碳是土壤肥力的表征，種植方式、耕作措施和養(yǎng)分管理均會影響土壤有機碳的含量[10-11]。本研究發(fā)現(xiàn)，間作模式可以增加土壤有機碳含量，其中，M/W 處理0～20 cm和20～40 cm土壤有機碳含量分別比M 處理顯著提高11.5%和9.6%，0～40 cm 土層土壤有機碳總儲量比M處理顯著提高10.2%，CONG等[9]同樣發(fā)現(xiàn)間作模式0～20 cm 土壤有機碳含量顯著高于單作處理。分析其原因，一方面間作模式具有顯著的生物量和產(chǎn)量優(yōu)勢，其根系生物量明顯高于單作處理，使得更多的殘留碳通過根系輸入土壤[29-30]；另一方面，間作模式中不同作物根系的交互作用使根系分泌物增加，土壤微生物活性增強，而土壤微生物活性與土壤有機碳的固持與礦化密切相關(guān)[31]。此外，間作模式有利于大團聚體的形成和微團聚體的穩(wěn)定，而土壤團聚體能夠阻止有機碳與礦物顆粒的相互作用，減緩?fù)寥烙袡C碳的降解，從而增加土壤有機碳含量[12，16]。在本研究中，M/W 處理土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和平均幾何直徑均顯著高于M 處理，且M/W 處理0～40 cm 土層＞0.25 mm 和0.053～0.25 mm 土壤團聚體有機碳儲量分別比M 處理顯著高55.5%和56.8%，這一結(jié)果也充分印證了上述觀點。M/P 和M/R 處理中僅M/R 處理20～40 cm 土壤有機碳含量比M 處理高4.3%，這可能是由于豌豆和油菜為C3作物，與玉米相比，其根系生物量較小，導(dǎo)致輸入到土壤中的根系碳較少[6]。

由于表層有機碳有90%存在于團聚體中，明確表土各粒級團聚體中有機碳含量對于揭示不同間作模式對土壤有機碳的影響意義重大[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，間作模式增加了土壤團聚體有機碳含量。其中，M/P處理0～20 cm和20～40 cm土層＞0.25 mm土壤團聚體有機碳含量均顯著高于M 和P處理（圖4），而M/W 處理0～20 cm土層0.053～0.25 mm土壤團聚體有機碳含量顯著高于M處理，且0～20 cm和20～40 cm土層＜0.053 mm土壤團聚體有機碳含量也均顯著高于M 處理。這與SIX[33]提出的“大團聚體周轉(zhuǎn)”模型相符，即新輸入有機物首先在微生物及根系分泌物作用下膠結(jié)為大團聚體，且伴隨顆粒有機物的分解，微團聚體逐漸形成并隨著大團聚體的破碎而被釋放，而微團聚體對土壤有機碳的保護作用更強。微團聚體中土壤有機碳含量比大團聚體高，是更長時間的儲存和較少的干擾所致[34]。大團聚體促使更多的土壤有機碳儲存，但這種儲存是暫時的，而微團聚體促使土壤有機碳長期固定[35]。這也為M/P 處理0～20 cm 和20～40 cm 土層土壤有機碳含量與M和P處理無顯著差異，而M/W處理0～20 cm 和20～40 cm 土層土壤有機碳含量顯著高于M 處理的結(jié)果提供了理論依據(jù)。由于土壤團聚體的形成是個長期過程，有機碳在大團聚體內(nèi)可以存在幾年，而在微團聚體內(nèi)可能達到一個世紀(jì)[36]。

本研究結(jié)果是基于4 年的田間試驗得出的結(jié)論，對于不同間作模式下土壤團聚體有機碳影響的長期結(jié)果可能有所欠缺，后續(xù)還需基于長期定位試驗進行進一步研究。

4 結(jié)論

（1）西北綠洲灌區(qū)間作種植模式（玉米/油菜和玉米/小麥）增加了0～20 cm 和20～40 cm 土壤水穩(wěn)性大團聚體（＞0.25 mm）和微團聚體（0.053～0.25 mm）的含量，降低了黏粉粒（＜0.053 mm）的含量。

（2）玉米/油菜和玉米/小麥間作種植模式土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和平均幾何直徑均高于玉米單作處理。玉米/小麥間作種植模式可以增加土壤及土壤黏粉粒團聚體有機碳含量，有利于土壤有機碳儲量的提升，其中0～40 cm 土壤有機碳儲量比玉米單作處理高4.54 t·hm-2，有機碳儲量的增加是由于0～40 cm 土層＞0.25 mm 和0.053～0.25 mm 土壤團聚體有機碳儲量顯著增加。