呂漢強,胡發(fā)龍,于愛忠,蘇向向,王玉瓏,殷 文,柴 強

(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)

土壤團聚體是表征土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和重要參數(shù),在一定程度上能反映農(nóng)田生產(chǎn)力水平,體現(xiàn)農(nóng)田質(zhì)量?？茖W(xué)評價土壤團聚體特征對農(nóng)藝技術(shù)措施的響應(yīng)及其機制,對于采取科學(xué)的土壤管理實踐,改善土壤健康狀況具有重要的理論意義。準(zhǔn)確定量團聚體參數(shù)是研究土壤團聚體結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵,相關(guān)學(xué)者對特定農(nóng)藝措施下的團聚體數(shù)量、分布及穩(wěn)定性進行了大量研究,然而這類研究所采用的方法均不能描述團聚體的結(jié)構(gòu)體征,土壤形態(tài)學(xué)的研究深入有效解決了這一問題。20世紀(jì)30年代,奧地利地質(zhì)學(xué)家Kubi?na 將偏光顯微技術(shù)應(yīng)用到土壤學(xué)研究,并發(fā)表《微土壤學(xué)》,標(biāo)志著土壤微形態(tài)學(xué)的建立,微形態(tài)學(xué)有效推動了土壤科學(xué)的發(fā)展。相對于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡下的土壤學(xué)研究方法,現(xiàn)代土壤微形態(tài)研究利用掃描電鏡(SEM)或透射電鏡(TEM)、X-ray 斷層掃描技術(shù)(CT)等從微觀-超微觀尺度定量分析、觀察和提取土壤組構(gòu)所包含的肉眼無法觀察到的特征、形成和演變規(guī)律。楊秀華等報道了施肥改土對土壤微形態(tài)的影響,表明有機肥培肥土壤的作用關(guān)鍵是促進了有機無機微團聚體和各類疏松孔隙的形成。Kravchenko 等通過CT 掃描發(fā)現(xiàn),土壤團聚體內(nèi)部大孔隙數(shù)量表現(xiàn)為免耕多于傳統(tǒng)耕作,這是因為免耕條件下根系通道與團聚體內(nèi)部的大孔隙形成有關(guān)。張曉周等通過掃描電鏡對黃土的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察,解析黃土濕陷的內(nèi)在原因。應(yīng)用掃描電鏡、CT 等技術(shù)探究土壤團聚體結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)研究已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用及生態(tài)修復(fù)等方面取得大量成果。這些研究都已證實從土壤微形態(tài)角度可揭示自然因素或人為因素造成土壤結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)機理。但是由于微形態(tài)研究技術(shù)涉及到的專業(yè)領(lǐng)域有限,加之目前對土壤結(jié)構(gòu)的研究仍停留在定性研究階段,因此在土壤學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用十分薄弱。

在不同區(qū)域內(nèi),種植綠肥還田可促進土壤團聚體的形成與穩(wěn)定,綠肥不同還田方式對團聚體結(jié)構(gòu)特征的影響具有差異。西北內(nèi)陸干旱區(qū)小麥()、玉米()連作普遍。長期翻耕造成耕地質(zhì)量下降,該地區(qū)關(guān)于種植綠肥還田對土壤質(zhì)量的影響研究不足,對團聚體結(jié)構(gòu)的研究方法缺乏,造成對綠肥生態(tài)效應(yīng)的科學(xué)評價缺乏必要的理論支撐。本研究利用掃描電鏡(SEM)在微觀尺度下定性描述綠肥不同還田利用方式下玉米農(nóng)田土壤團聚體微結(jié)構(gòu)特征的變化,并利用Nano Measurer 粒級組成分析軟件量化土壤團聚體特征對綠肥還田利用方式的響應(yīng),以期為禾本科作物和豆科綠肥作物種植模式生態(tài)效應(yīng)評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)試驗基地(37°31′N,103°5′E)進行。試驗區(qū)位于河西走廊東端武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn),屬于寒溫帶干旱氣候區(qū),海拔1770 m,年平均氣溫7.2 ℃,常年平均降水量在160 mm左右,該區(qū)為西北典型內(nèi)陸河灌區(qū),小麥、玉米作為該區(qū)主栽作物普遍種植,一熟有余,兩熟不足,作物收獲后多采用傳統(tǒng)翻耕。土壤類型主要是粉沙壤質(zhì)荒漠灌淤土,砂粒、粉粒和黏粒含量為28.6%、65.4%和5.1%,農(nóng)田水土流失、風(fēng)蝕和沙化嚴(yán)重。本試驗田0～30 cm 土層土壤有機碳含量11.2 g·kg,土壤pH 為8.3,土壤全氮、速效磷和速效鉀含量分別為0.96 g·kg、25.4 mg·kg和135.3 mg·kg。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗布設(shè)前,試驗田長期種植模式為春小麥和玉米輪作,試驗開始于2016年3月,為長期定位試驗,當(dāng)年7月春小麥?zhǔn)斋@后翻耕復(fù)種綠肥作物箭筈豌豆(),于當(dāng)年10月綠肥盛花期采取4 種還田利用方式,翌年4月玉米播前翻壓后覆膜平作玉米,綠肥處理還田深度均為30 cm。試驗設(shè)置5 個處理,每個處理3 個重復(fù),小區(qū)面積54 m(6 m×9 m),隨機區(qū)組排列,具體試驗處理及代碼如表1所示。

表1 試驗處理及代碼Table 1 Experiment treatments and codes

為了消除年際氣候因子變異對試驗結(jié)果造成影響及縮短輪作年限,在同一試驗田設(shè)春小麥-玉米輪作和玉米-春小麥輪作雙序列。春小麥-玉米輪作序列為2016年、2018年和2020年3－7月種植春小麥,7－10月份復(fù)種箭筈豌豆,2017年、2019年 和2021年4－10月玉米播前旋耕后覆膜平作玉米。玉米-春小麥輪作序列為2016年、2018年和2020年4－10月種植玉米,2017年、2019年和2021年3－7月種植春小麥,7－10月復(fù)種箭筈豌豆。各綠肥處理條件下小麥、玉米的施肥制度和灌溉制度相同且同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田一致。玉米施純氮360 kg·hm,純磷180 kg·hm,不施鉀肥(土壤富鉀),復(fù)種綠肥不施肥。冬灌水1200 m·hm,玉米全生育期灌水4050 m·hm,綠肥灌水300 m·hm。全量還田條件下,2018年和2019年綠肥還田量(鮮草)為26 500 kg·hm和24 807 kg·hm。

1.3 測定指標(biāo)和分析方法

在經(jīng)歷了小麥-玉米兩個輪作周期后的2019年和2020年玉米抽雄吐絲期(抽雄吐絲期是玉米養(yǎng)分吸收和能量累積最重要的時期),揭開地膜,取30 cm垂直剖面土壤,從上部開始,每10 cm 作為一個層次,取土壤原狀土,每個小區(qū)隨機取5 個點,自然風(fēng)干后,將高度分離的土壤顆?；旌暇鶆?然后將各處理混合土樣用固定刻度的自制取樣針粘取相等體積的土壤顆粒,輕輕轉(zhuǎn)動使其全部粘在掃描電鏡專用導(dǎo)電膠帶上固定,保證團粒結(jié)構(gòu)不受損傷,SEM 要求整個樣品處于高真空狀態(tài)且具有良好的導(dǎo)電性,土壤樣品于膠帶固定后采用離子濺射儀(VD-MSP-1S,Japan)鍍金。鍍金后上機觀測土壤顆粒的結(jié)構(gòu)特征,量化各處理下土壤單粒及團聚體大小和數(shù)量。為防止年際間機器參數(shù)或操作人員不同帶來差異,本研究將2019年樣品于土壤儲存罐中保存并與2020年樣品在同一鏡像下觀測。

掃描電鏡(SEM,Hitachi-S3400N,Japan)的SE 分辨率為3.0 nm (30 kV),BSE 分辨率為4.0 nm (30 kV),放大倍數(shù)為5～300 000 倍,成像富有立體感。本研究將土壤樣品放大到200 μm 尺度下掃描觀測并拍照(經(jīng)觀測土壤團聚體特征在200 μm 標(biāo)尺下清晰可見)。土壤顆粒在微觀視野中呈現(xiàn)高度分離,每個土壤樣品只顯示部分區(qū)域,因此在拍照時,逐漸移動掃描電鏡的滾動球,對每一個土壤樣品所占的所有區(qū)域進行多次拍照,保存圖片。在定量分析圖片時,采用Photoshop 軟件對采集的每份土壤樣品所有照片進行拼接,確保完整性后,將選取的圖片導(dǎo)入Nano Measurer 1.2 軟件量化計數(shù)。對土壤顆粒形態(tài)特征定性分析時,選取各處理3 個重復(fù)中具有共性的圖片進行表觀描述。在微觀視野中土壤有單粒(原生顆粒)和復(fù)粒(次生顆粒)兩種。單粒是指在土壤形成過程中,用簡單的物理或化學(xué)作用不能再細(xì)分的單個的礦質(zhì)顆粒;復(fù)粒是指可以通過進一步物理、化學(xué)、生物化學(xué)和生物作用黏結(jié)或團聚形成各種大小、形狀和性質(zhì)不同的團聚體和結(jié)構(gòu)體。

因?qū)W術(shù)界沒有建立適用于掃描電鏡的土壤顆粒和團聚體分類標(biāo)準(zhǔn),本研究對土壤質(zhì)地的研究方法與傳統(tǒng)評價體系相結(jié)合。在Nano Measurer 1.2 軟件中打開掃描電鏡中導(dǎo)出的JPEG 圖像,如圖1所示,在比例尺的下方劃線,然后選擇設(shè)置中的標(biāo)尺選項,標(biāo)尺實際長度一欄填寫該電鏡圖像中比例尺顯示的實際長度,標(biāo)尺單位也與比例尺保持一致(本研究中標(biāo)尺單位為μm,標(biāo)尺為200),在軟件中目測出土粒最大直徑后在土壤顆粒的最大直徑上依次劃線,查看統(tǒng)計報告(主要包含土粒數(shù)量和粒徑)并輸出統(tǒng)計結(jié)果,此軟件可識別的土粒最小直徑為0.01 μm,軟件識別精度可滿足試驗需求。本方法在統(tǒng)計土壤單粒和團聚體時采用人眼識別后軟件統(tǒng)計的方法。因該區(qū)土壤質(zhì)地主要為粒徑 ＜0.25 mm 的粉粒、砂粒,因此本研究土壤粒級分類采用美國制(USDA)標(biāo)準(zhǔn)分級(表2),分為＜0.05 mm、0.05～0.1 mm、0.1～0.25 mm和0.25～0.5 mm 4 個級別。在統(tǒng)計土壤顆粒質(zhì)地時將單粒和復(fù)粒(團聚體和結(jié)構(gòu)體)總數(shù)(不分別計數(shù))作為土壤顆粒計數(shù)并進行粒級分類。

圖1 Nano Measurer 土壤顆粒粒徑分析軟件Fig.1 Nano Measurer soil particle size analysis software

將掃描電鏡圖像導(dǎo)入Nano Measurer 1.2 軟件中放大后識別并統(tǒng)計團聚體數(shù)量和粒徑。區(qū)別于傳統(tǒng)濕篩或干篩法稱重的量化方式,本研究利用微觀技術(shù)的放大特性直接通過人眼觀測團聚體數(shù)量、大小和形態(tài)結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)方法中對＜0.25 mm 粒徑團聚體細(xì)化分析的不足,其次因?qū)W術(shù)界沒有建立適用于掃描電鏡的團聚體分類標(biāo)準(zhǔn),為便于分析,本研究團聚體粒級量化分級同樣參考美國制(USDA)土壤粒級分類標(biāo)準(zhǔn)(表2),分為＜0.05 mm、0.05～0.1 mm、0.1～0.25 mm 和0.25～0.5 mm 4 個級別。參考已有的圖文信息,具體的判定標(biāo)準(zhǔn)為: 土壤顆粒表面粗糙,附著有黏粒、腐殖質(zhì)等物質(zhì),并與周邊土粒存在一定連接關(guān)系,結(jié)構(gòu)體孔隙發(fā)達(dá)、大小孔隙并存且分配合理的顆粒組團可判定為團聚體。

表2 美國制(USDA)土壤粒級分類標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of soil grain size in the United States

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本研究定量分析時所有數(shù)據(jù)均由Nano Measurer 1.2 軟件導(dǎo)出后采用Microsoft Excel 2010 整理匯總數(shù)據(jù)及圖表制作,使用SPSS 19.0 軟件進行單因素方差分析,采用Duncan 法多重比較(=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥不同還田方式下0～30 cm 土層土壤顆粒圖像定性分析

綠肥不同還田方式下玉米農(nóng)田0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm 土層土壤顆粒的掃描電鏡圖像如圖2、圖3和圖4所示。觀測土樣中含有大小形狀不一、表面凹凸不平、粒徑不同的土壤單粒和復(fù)粒。綠肥還田顯著提升玉米農(nóng)田土壤團聚體數(shù)量。不復(fù)種綠肥翻耕休閑處理(CT)中,土壤顆粒大多為粒徑在0.05～0.1 mm 之間以單粒為基礎(chǔ)的極細(xì)砂粒,多數(shù)呈橢圓形、形狀規(guī)則,表面光滑、團聚體數(shù)量較少。在0～10 cm 土層,與CT 相比,全量翻壓(TG)和地表覆蓋免耕(NTG)還田方式下,團聚體數(shù)量增加明顯,且多于根茬翻壓(T)和根茬免耕(NT)。CT、T 和NT 處理除含有少量粒徑較小的團聚體外含有大量粒徑較大、分布不均勻的土壤單粒。綠肥全量還田(TG,NTG)條件下,以單粒存在的土壤顆粒粒徑小于CT,主要為極細(xì)砂粒(0.05～0.1 mm)和粉粒和黏粒(＜0.05 mm)構(gòu)成粒徑較大的土壤團聚體,團聚體表面凹凸不平,粗糙多孔,附著有大量粉粒和黏粒。在10～20 cm 土層,團聚體粒徑多數(shù)在0.1 mm 以上,且聚集程度較高,構(gòu)成了形成大團聚體的基礎(chǔ),NTG處理有大團聚體存在(粒徑＞0.25 mm)。綠肥根茬還田(T,NT)條件下,土壤顆粒多以單粒存在,粒徑在0.05～0.1 mm 之間,為極細(xì)砂粒,團聚體含量較少,與CT 相比無明顯變化。在20～30 cm 土層,綠肥全量還田(TG,NTG)條件下,土壤單粒黏結(jié)形成粒徑為0.05～0.25 mm 的較大團聚體,單粒之間黏結(jié)緊密、表面粗糙、土壤結(jié)構(gòu)良好,且NTG 形成的團聚體組構(gòu)優(yōu)于TG,具有形成粒徑＞0.25 mm 大團聚體的構(gòu)造潛力。綠肥根茬還田(T,NT)條件下,土壤顆粒多數(shù)以單粒的形式存在,單粒粒徑較大,集中在0.05～0.1 mm 之間,單粒之間膠結(jié)薄弱,存在少量團聚體。綜上說明,與不復(fù)種綠肥翻耕休閑相比,在0～30 cm 土層范圍內(nèi),麥后復(fù)種綠肥全量還田使以單粒為基礎(chǔ)的砂粒向較小粒徑顆粒轉(zhuǎn)化,大量小粒徑的土壤單粒或粒徑較小團聚體構(gòu)成粒徑較大的蜂窩狀較大團聚體,團聚體表面粗松化程度高,結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好,可優(yōu)化土壤組構(gòu)。

圖2 2019年和2020年綠肥不同還田方式下0～10 cm 土層土壤顆粒掃描電鏡圖像Fig.2 Scanning electron microscope images of soil particles in 0-10 cm layer under different green manure retention practices in 2019 and 2020

圖3 2019年和2020年綠肥不同還田方式下10～20 cm 土層的掃描電鏡圖像Fig.3 Scanning electron microscope images of soil particles in 10-20 cm layer under different green manure retention practices in 2019 and 2020

圖4 2019年和2020年綠肥不同還田方式下20～30 cm 土層的掃描電鏡圖像Fig.4 Scanning electron microscope images of soil particles in 20-30 cm layer under different green manure retention practices in 2019 and 2020

2.2 綠肥不同還田方式下土壤顆粒粒徑特征(含單粒和團粒)

綠肥不同還田方式下土壤顆粒粒徑與不復(fù)種綠肥翻耕休閑相比具有明顯差異,玉米農(nóng)田土壤顆粒粒徑主要在0.25 mm 以下(圖5)。不復(fù)種綠肥翻耕休閑條件下,0～30 cm 土層土壤顆粒粒徑集中在0.1 mm以下,其中60%以上為粉粒和黏粒(＜0.05 mm),20%左右為極細(xì)砂粒(0.05～0.1 mm) (美國農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn))。綠肥還田后土壤顆粒粒徑增大,而粉粒和黏粒減少,主要原因是粉粒、黏粒和部分極細(xì)砂粒膠結(jié)形成粒徑較大的土壤團聚體。兩年結(jié)果來看,0～10 cm 土層,綠肥全量還田(NTG、TG)條件下,0.1～0.25 mm 土壤顆粒較CT 高18.8%～35.7%、28.6%～39.9%,NTG 處理下,0.05～0.1 mm 土壤顆粒較CT 高13.8%～23.0%;根茬還田(NT、T)條件下,0.1～0.25 mm 土壤顆粒較CT 高11.8%～32.0%、3.1%～14.9%。10～20 cm 土層,綠肥全量還田(NTG、TG)條件下,粉粒和黏粒膠結(jié)形成0.1～0.25 mm 土壤顆粒,0.1～0.25 mm 及0.25～0.5 mm粒徑土壤顆粒較CT 高21.0%～24.6%、21.3%～52.5%,根茬還田(NT、T)條件下,0.05～0.1 mm 顆粒數(shù)量較CT高21.5%～37.6%、13.1%～16.7%。20～30 cm 土層,NTG處 理0.1～0.5 mm 粒徑顆粒較CT 高11.7%～43.2%,0.05～0.1 mm 粒徑較CT 高28.9%～32.1%,NTG 處理在0.05～0.5 mm 粒徑的土壤顆粒顯著高于其他綠肥還田處理。因此,在荒漠綠洲區(qū),與不復(fù)種綠肥翻耕休閑相比,綠肥還田均增加大了土壤顆粒粒徑,綠肥地表覆蓋免耕和全量翻壓還田后土壤單粒膠結(jié)在一起形成較大粒徑的結(jié)構(gòu)體和團聚體。

圖5 2019年和2020年綠肥不同還田方式下0～30 cm 玉米農(nóng)田土壤顆粒粒徑組成Fig.5 Distribution of soil particle number in 0-30 cm layer of maize field under different green manure retention practices in 2019 and 2020

2.3 綠肥不同還田方式下土壤團聚體特征的定量分析

如圖6所示,綠肥還田增加玉米農(nóng)田0～30 cm 土壤團聚體數(shù)量。綠肥全量還田較根茬還田有效促進了非團聚體向團聚體轉(zhuǎn)化。兩年結(jié)果來看,0～10 cm土層,綠肥全量還田(TG、NTG)條件下團聚體數(shù)量較CT 提高33.1%～63.2%、46.5%～52.3%,根茬還田(NT、T)較CT 提高10.7%～14.7%、13.2%～14.8%。10～20 cm 土層,綠肥全量還田(TG、NTG)條件下,團聚體數(shù)量較CT 提高12.6%～57.4%、22.6%～26.7%,T 較CT 提高23.8%～24.9%。20～30 cm 土層,綠肥全量還田(TG、NTG)條件下,團聚體數(shù)量較CT 提高31.6%～32.1%、35.0%～51.1%,根茬還田(NT、T)較CT 提高18.4%～19.4%、6.1%～12.1%。綜上表明,與不復(fù)種綠肥翻耕休閑相比,綠肥全量還田條件下,綠肥地表覆蓋免耕或全量翻壓均可提高玉米農(nóng)田0～30 cm土壤團聚體數(shù)量,且效果優(yōu)于根茬還田。

圖6 2019年和2020年綠肥不同還田方式下0～30 cm 玉米農(nóng)田土壤團聚體數(shù)量分布Fig.6 Distribution of soil aggregates number in 0-30 cm layer of maize field under different green manure retention practices in 2019 and 2020

土壤團聚體粒徑特征與土壤養(yǎng)分基礎(chǔ)和理化性質(zhì)緊密相關(guān)。如圖7所示,CT 條件下,玉米農(nóng)田團聚體粒徑基本＜0.25 mm,為小團聚體。綠肥還田處理有效促進了較大粒徑團聚體形成。在2019年,NTG和TG 均有少量大團聚體形成。CT 條件下,團聚體粒徑主要集中在0.05～0.1 mm,在20～30 cm 土層有少量0.1～0.25 mm 粒徑團聚體;綠肥還田處理主要提高了0.1～0.25 mm 粒徑團聚體數(shù)量。兩年結(jié)果表明,0～10 cm 土層,綠肥全量還田(NTG、TG)較CT 增加0.1～0.25 mm 粒徑團聚體33.3%～62.5%、30.8%～50.0%;NT 較CT 提高0.1～0.25 mm 粒徑團聚體50.0%～75.0%;10～20 cm 土層,綠肥全量還田(NTG、TG)下,0.1～0.25 mm 團聚體數(shù)量較CT 提高32.1%～83.3%、41.7%～50.0%,T 較CT 提高42.9%～75%;20～30 cm 土層,NTG 在0.1～0.5 mm 團聚體數(shù)量較CT 提高33.3%～38.3%,TG 較CT 無顯著差異,NT 較CT 提高13.3%～66.7%。綜上表明,在荒漠綠洲農(nóng)業(yè)區(qū),與傳統(tǒng)不復(fù)種綠肥相比,綠肥全量翻壓或地表覆蓋免耕有效提高玉米農(nóng)田0～30 cm 土層土壤0.1～0.25 mm 粒徑較大團聚體數(shù)量。

圖7 2019年和2020年綠肥不同還田方式下0～30 cm 玉米農(nóng)田土壤團聚體粒徑組成Fig.7 Distribution of soil aggregates particle number in 0-30 cm layer of maize field under different green manure retention practices in 2019 and 2020

3 討論

3.1 微觀尺度下綠肥還田對土壤團聚體形成的影響

理解土壤團聚體形成機理是改良土壤質(zhì)量的前提。土壤團聚體微結(jié)構(gòu)研究技術(shù)是獲取土壤團聚體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。將豆科綠肥納入?yún)^(qū)域典型禾本科作物種植模式中,利用掃描電鏡在超微觀尺度探究綠肥還田后土壤團聚體特征變化。研究結(jié)果表明,與不復(fù)種綠肥翻耕休閑相比,綠肥全量還田條件下,全量翻壓或地表覆蓋免耕可促進以單粒為基礎(chǔ)的砂粒向小型化發(fā)展,形成較小粒徑的粉粒和黏粒,再由較小粒徑的粉粒和黏粒膠結(jié)形成粒徑較大的蜂窩狀團聚體,團聚體表面凹凸不平,附著大量黏粒,構(gòu)成形成更大團聚體的基礎(chǔ)。李景等研究發(fā)現(xiàn),豆科和禾本科作物輪作可促進土壤微團聚體與大團聚體之間的轉(zhuǎn)化,提高土壤大團聚體的比例,有利于土壤良好團粒結(jié)構(gòu)的形成。土壤團聚體形成的過程可分為兩個階段: 第一階段是礦物質(zhì)和次生黏土礦物顆粒通過各種外力或植物根系擠壓相互默結(jié),凝聚成復(fù)?；驁F聚體;第二階段是團聚體或復(fù)粒再經(jīng)過膠結(jié),通過根毛和菌絲體的固定作用形成團聚體。豆科綠肥發(fā)達(dá)的根系系統(tǒng)與土壤微生物相互作用,加快土壤中真菌菌絲體生長和其他微生物產(chǎn)生胞外多糖的分解活動,導(dǎo)致大量有機酸等根系分泌物的形成,同時在微生物的驅(qū)動下加速了土壤有機質(zhì)的分解產(chǎn)生了大量的多糖、木質(zhì)素和蛋白質(zhì),從而使土壤團聚體、真菌菌絲體與礦物質(zhì)三者更易結(jié)合在一起,有利于耕層土壤大團聚體的形成。土壤中的有機質(zhì)、微生物、離子和黏土等對土壤團聚體形成過程有重要的調(diào)節(jié)作用。綠肥還田增加土壤有機質(zhì)以及土壤微生物豐度和活性,加速土壤中有機物質(zhì)向無機物質(zhì)的礦化,不僅如此,綠肥還田土壤顆粒表面分布有大量的黏粒和根系有機分泌物使大量單粒膠結(jié)在一起,形成大量粒徑較大的團聚體。隨著有機質(zhì)含量的提高,土壤中腐殖質(zhì)中富里酸和胡敏酸的含量也相應(yīng)增加。Edwards 等認(rèn)為團聚體形成的本質(zhì)是黏粒通過多價金屬陽離子的連接而吸附極性有機分子的過程(黏?；蛄u基聚合物表面和有機聚合物配位基團之間的多價陽離子橋鍵合),即有機無機的復(fù)合過程。土壤顆粒表面粗糙可為微生物提供較為穩(wěn)定的附著位點,增加了團聚體構(gòu)造性能。李裕瑞等利用掃描電鏡研究表明,農(nóng)田土壤顆粒表面分布有大量黏粒,土壤顆粒在黏粒的膠結(jié)下連接在一起,形成較大的團聚體,大大增加了土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,這與本研究結(jié)果相似。由此可見,綠肥全量還田條件下,無論是盛花期全量翻壓還是地表覆蓋免耕均能改良農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)和提高農(nóng)田生態(tài)服務(wù)功能。

3.2 微觀尺度下綠肥還田對土壤團聚體特征的影響

本研究對土壤團聚體的粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)方法結(jié)合,在土壤顆粒相對定量的條件下,采用Nano Measurer 軟件量化綠肥還田后玉米農(nóng)田土壤團聚體數(shù)量。此方法彌補了傳統(tǒng)宏觀篩分法對＜0.25 mm 粒徑團聚體細(xì)化分析的不足以及應(yīng)用掃描電鏡量化團聚體特征方法的缺失。本研究表明,地上部收獲后根茬免耕和根茬翻壓土壤顆粒為大量粒徑在0.05～0.1 mm 的極細(xì)砂粒,且多以單粒的形式存在,團聚體數(shù)量分別提高10.1%～23.3%和14.4%～17.3%。綠肥全量翻壓和地表覆蓋免耕團聚體粒徑主要集中在0.1～0.25 mm,團聚體數(shù)量分別提高25.8%～50.9%和34.1%～43.4%。呂奕彤等采用傳統(tǒng)濕篩法得出與本研究相同的結(jié)論。李清華等采用傳統(tǒng)方法研究發(fā)現(xiàn)有機肥無機肥料配施增加了粒徑為0.25～2 mm大團聚體的比例,且提高了該粒徑土壤團聚體中碳氮含量。孫經(jīng)偉等在偏光顯微鏡下研究表明,有機物料投入土壤后,土壤微結(jié)構(gòu)特征發(fā)育最好。有機物料可促進土壤微生物繁殖生長,在土壤微生物的分解礦化作用下,與土壤形成有機-無機復(fù)合體,從而改善土壤團粒結(jié)構(gòu)。秦魚生等采用偏光顯微鏡研究表明,長期施用有機肥或有機無機配施能夠顯著增加土壤粗顆粒數(shù)量,且團聚體發(fā)育良好。這主要是因為豆科綠肥為土壤微生物繁殖提供有益的環(huán)境,土壤微生物分解礦化作用改良土壤團粒結(jié)構(gòu)。Puget 等發(fā)現(xiàn)粒徑越大的土壤顆粒含有更多的碳、氮以及有機質(zhì),并表明有機質(zhì)是保持土壤穩(wěn)定的原因。Christensen則表明,有機碳和氮素主要分布于小粒徑的土壤顆粒中,說明不同區(qū)域及不同土地利用方式下土壤粒徑和養(yǎng)分含量具有差異。綠肥還田顯著影響土壤基底膠結(jié)形式、孔隙發(fā)育狀況和土壤結(jié)構(gòu)體,對水土流失、風(fēng)化侵蝕以及生態(tài)脆弱的地區(qū)具有重要意義。綜上表明,麥后復(fù)種綠肥全量翻壓或地表覆蓋免耕能增加翌年玉米農(nóng)田團聚體含量,改良團聚體組構(gòu),對農(nóng)田水土保持和土壤肥力具有重要作用。由于本研究輪作周期較短,干旱內(nèi)陸氣候區(qū)種植綠肥還田條件下土壤團聚體形成機制尚需進一步探索。

4 結(jié)論

本研究基于掃描電鏡(SEM),從微觀尺度上觀測并量化麥后復(fù)種綠肥還田方式對內(nèi)陸干旱區(qū)玉米農(nóng)田土壤團聚體微結(jié)構(gòu)特征的影響。定性分析表明,與不復(fù)種綠肥翻耕休閑相比,地上部收獲后根茬還田玉米農(nóng)田土壤顆粒為大量粒徑在0.05～0.1 mm 的極細(xì)砂粒。綠肥全量還田可促進玉米農(nóng)田以單粒為基礎(chǔ)的砂粒粒徑減小,由小粒徑單粒構(gòu)成大量表面粗糙多孔、凹凸不平,附著有大量粉粒和黏粒的較大團聚體。其中,綠肥地表覆蓋免耕處理具有形成粒徑＞0.25 mm 大團聚體的構(gòu)造潛力。定量分析表明,地上部收獲后根茬免耕和根茬翻壓團聚體數(shù)量提高10.1%～23.3%和14.4%～17.3%。綠肥盛花期全量翻壓和地表覆蓋免耕條件下團聚體粒徑主要集中在0.1～0.25 mm,團聚體數(shù)量提高25.8%～50.9%和34.1%～43.4%。因此,在荒漠綠洲區(qū),綠肥全量翻壓或地表覆蓋免耕可優(yōu)化區(qū)域典型種植模式下的土壤團聚體組構(gòu)。