长期连作棉田不同种植模式下土壤团聚体组成及其有机碳分布特征

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,对土壤的物理化学性质均具有重大影响[1-2]。

土壤团聚体通常被划分为大团聚体（＞250um）和微团聚体（＜250um）[3]，不同粒级团聚体在土壤结构的改善和有机碳的固定中的作用不同。

耕作措施对土壤团聚体的影响主要是改变了土壤有机碳的分布和微生物的活动生境，为土壤有机物质的分解转化创造条件，从而造成了团聚体的变化[4]。

许多研究认为，耕作方式通过影响大团聚体与微团聚体之间的转化和再分布[5]，进而影响土壤结构稳定性和抗侵蚀能力[6]。

免耕和少耕等保护性耕作措施有利于团聚体含量的增加，表层土壤结构的改善[7-9]，但耕作方式对团聚体的土壤物理性质的影响会因气候条件、土壤质地和植被类型等的变化而不一样。

合理的耕作措施，对于增加土壤有机碳的固定，提高土壤肥力具有重要的理论和实践意义。

新疆北疆地区玛纳斯河流域棉花面积从1978年的14.97×103ha发展至2010年的176.25×103ha，部分区域棉田占总播种面积的70%[10]。

由于棉田面积的不断扩大，农业生产结构趋于单调，轮作倒茬困难，棉田大面积长期连作现象普遍，短则8～10年，长则15～20年，甚至更长。

大面积棉田多年连作的结果，使土壤肥力消耗很快，地力明显下降，对农田生态系统产生重要影响。

本研究以长期连作棉田为对象，分析大豆轮作、玉米轮作、玉米/大豆间作和休闲免耕种植模式对土壤有机碳团聚体组成及有机碳分布的影响，并运用土壤团粒指数（ELT）指标分析不同种植模式对长期棉田连作土壤团聚体稳定性的影响。

研究结果明确不同轮作模式对长期连作棉田土壤质量的变化，为采用有效的土壤管理措施以提高新疆棉田土壤质量提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验始于2012年4月，在新疆石河子地区西古城镇选择长期连作棉田（20年），试验田的位置是北纬45°06′99″，东经86°13′56″，高程328m。

年平均气温为6.1℃，年较差为 75.01℃，月较差为17.2℃。

极端最高气温为43.1℃，极端最低气温为-42.8℃。

各季的平均气温为:春季9.7℃，夏季24.3℃，秋季6.6℃，冬季-16.5℃，≥0℃积温为3990.9℃，≥10℃积温为3693.8℃。

试验土壤为砂壤土，土壤（0~20cm）基本基本理化性质见表1。

长期连作棉田不同种植模式下土壤团聚体组成
及其有机碳分布特征
摘　要：以新疆绿洲玛纳斯河流域连作20年棉田土壤为研究对象，采用微区控制试验，分析连作棉田
(CM)、轮作玉米（YL）、轮作大豆（DL）、玉米/大豆间作（YDJ）和休闲免耕(XX)5种植模式对土壤团聚体组成及有机碳分布特征的影响，结果表明：土壤粒径在53～250u m机械稳定性团聚体含量在5种植模式中均为最高，所占比列为39%～53%，而粒径53～250um的水稳性团聚体含量最少。

粒径>250um机械稳定性团聚体含量为DL>YL>XX>CM>YDJ，水稳性团聚体为CM>YL>DL>YDJ>XX。

作物收获期DL和YDJ的团粒指数比生长前期分别减少18.7%和16.6%。

土壤团聚体有机碳主要集中在粒径>250u m的大团聚体中，而<250u m微团聚体中含量较少。

不同模式中土壤有机碳含量为DL>YL>CM>XX>YDJ。

比较4种轮作模式，大豆轮作和玉米轮作有利于团聚体的形成和稳定，可作为轮作倒茬的种植模式。

关键词：种植模式；土壤团聚体；有机碳；连作作者：
王建军 张凤华*康明德 张爱霞 宫雪
石河子大学/新疆兵团绿洲生态
农业重点实验室
表 1 研究区土壤的基本理化性质
含水量（%）
容重
（g/cm3）
pH
电导率
（ms/cm)
有机质
（g/kg）
全磷
（g/kg）
全钾
（g/kg）
15.10 1.59 7.950.226 6.60 0.56822.677
1.2 试验设计
本试验选择长期连作棉田（20年）为样地，采用不同种植模式进行小区试验，共设五个处理，分别为长期棉田种植（c m），玉米轮作(YL)，大豆轮作(DL)，休闲免耕(XX)和玉米/大豆间作(YDJ)。

每个小区面积为6.5m×44m，田间管理为统一管理。

1.3 样品采集和测定分析
本实验样品采集在春季播种时和秋季收获时进行田间采样，在五个处理中分别挖取土壤剖面（30cm宽40cm深），采集土壤表层（0～0cm）大小一致的原状土样，装入方形塑料盒带回实验室；同时用自封袋采集5点土样混合，混合土样采用“四分法”，保留1kg，每种模式按照同样的方法采取3个重复。

将方形塑料盒中土样过8mm的土筛，最后风干土样，以便保存进行土壤团聚体及其他稳定性分析，自封袋土壤样品带回实验室，置于通风、阴凉、干燥的室内风干，分别过1和0.25mm筛孔以供测定。

机械稳定性团聚体采用人工筛分法，水稳性团聚体采用改进的 Yoder 湿筛法进行测定，共分三个粒级[>250um(D250)，53~250um(D53-250)和<53um（D53）]；计算各粒级团聚体含量百分数。

土壤团聚体中有机碳含量采用外加热重铬酸钾氧化法[11]进行测定。

土壤团粒指数（ELT）:
式中：W T 为供试土壤总质量，W 0.25 为水稳性团聚体质量[11]。

实验数据采用SPSS11.5数据处理系统进行处理。

2 结果与分析
2.1 种植模式对土壤机械稳定性团聚体组成的影响
从表2中可看出：在作物生育前期（春季）及作物收获期（秋季），粒径53～250um的团聚体含量在各种植模式中均为最高，所占比列范围在39%～53%之间。

粒径>250um团聚体在不同种植模式差异极显著，相对春季作物生育前期，秋季作物收获期含量均有增加，其中，作物生育长期，YL的含量最多，为30.1%，最少的是YDJ，含量为19.9%；在秋季作物收获期，DL的含量最多为34.0%，而YDJ含量依然最少，为28.5%，但也较春季时上升了18.6%。

粒径<53um团聚体在从春季到秋季，是呈下降趋势的，但减少幅度不大；在春季时，YL中含量最多，CM最少，在秋季时，DL最多，CM最少。

表明大豆和玉米轮作对长期棉田连作土壤有很好的改良作用，休闲地和玉米/大豆间作也可提升连作土壤向良好结构形成的潜在能力。

表2 干筛法测定的各级团聚体的含量（%）
不同种植模式团聚体含量（干筛法）（%）Cropping patterns
>250um 53～250um <53um CM
22.7c 51.3a 26.0a 生育前期
YL 30.1a 40.0c 30.7a DL 26.2b 47.6ab 26.1a YDJ 19.9d 53.6a 26.5a XX 22.2c 49.6ab 28.1a CM
29.0ab 49.4a 21.6b 收获期
YL 31.2ab 43.1c 25.8a DL 34.0a 39.2d 26.7a YDJ 28.5b 48.1ab 23.4ab XX
29.5ab
45.3bc
25.3a
2.2 种植模式对土壤水稳性团聚体组成的影响
由表3可以看出：水稳性团聚体的分布规律与干筛的机械稳定性团聚体相比有所不同，粒径53～250um的团聚体含量最少；而>250um和<53um团聚体在不同种植模式中的表现不同。

粒
表3 不同种植模式水稳性团聚体含量和团粒指数（%）
不同种植模式水稳性团聚体（%）
Cropping patterns
>250um 53～250um <53um CM
33.1ab 31.0a 35.9ab 生育前期
YL 54.0a 23.7a 22.3b DL 24.5b 16.7a 58.8a YDJ 24.8b 21.3a 54.9a XX 37.3ab 20.3a 42.4ab CM
50.4a 23.4a 26.2b 收获期
YL 45.9a 20.7a 33.4b DL 43.2a 23.3a 33.5b YDJ 40.4ab 19.1a 40.5ab XX
23.5b
25.2a
51.3a
径>250u m团聚体含量与春季相比，秋季中除休闲农田和轮作玉米外，均有很大的提高，轮作大豆模式增加了18.7%，玉米大豆间作模式增加了18.6%；而在粒径<53u m中，X X和Y L的含量上升，分别为22.4%和13.4%，变化很大，而其它模式的含量均呈下降趋势。

2.3 种植模式对团聚体稳定性影响土壤团粒指数和水稳性团聚体含量是表达土壤团聚体稳定性的重要指标。

团聚体E L T 的值越低表明团聚体结构越稳定[11]。

由表3可见，在春季时，团聚体团粒指数（E L T ）为Y L <X X <C M <Y D J <D L ，而到秋季则为C M<Y L<D L<Y D J<X X。

从春季到秋季，X X和Y L的团粒指数有所升高，分别为17.8%和18.1%；DL和YDJ的团粒指数是下降的，分别为18.7%和16.6%。

说明DL增加了土壤大团聚体的含量，有利于团聚体的形成和稳定。

2.4 种植模式对不同粒径团聚体中有机碳含量的影响
由图1可见，团聚体的有机碳主要集中在粒径>250um的大团聚体中，而微团聚体中含量较少，这与袁颖红[13]研究结果一致。

团聚
体中有机碳含量在三个粒径中差异均显著，其大小顺序为：D250>D53>D53～250。

在不同轮作模式中，大豆轮作模式土壤有机碳在三个团聚体粒径中含量均为最高，其次是玉米轮作和连作棉田，最少的是玉米大豆间作模式，说明长期连作棉田采用轮作大豆和轮作玉米模式对土壤团聚体的养分积累有
一定作用。

图1 不同种植模式团聚体中有机碳的含量
基金项目：国家自然科学基金（31171507）国际科技合作专项项目（2011DFA93140）高等学校博士学科点专项科研基金（20126518110002）作者简介：王建军（1988—），男，在读研究生，主要从事农业资源高效利用，E-mail: ******************通讯作者：张凤华（1970—），女，教授，主要从事干旱区资源与环境研究。

E-mail: ***************
3 结论
长期连作棉田采用不同轮作模式对土壤机械稳定性团聚体、水稳性团聚体含量、水稳性团聚体的有机碳含量产生明显影响。

土壤粒径53～250u m机械稳定性团聚体含量在各种植模式中均为最高，所占比列为39%-53%，粒径>250u m机械稳定性团聚体在不同种植模式差异极显著，为DL>YL>XX>CM>YDJ；水稳性团聚体为CM>YL>DL>YDJ>XX。

大豆轮作（DL），玉米轮作（Y L）方式可以促进团聚体形成，改
善土壤结构，增加土壤肥力。

相比连作棉田，大豆和玉米轮作的团聚体机械稳定性增强。

作物生长前期，土壤团聚体团粒指数（E L T）为Y L<X X<C M<Y D J<D L，作物收获期，则为CM<YL<DL<YDJ<XX。

在不同轮作模式中，大豆轮作模式土壤有机碳在三个团聚体粒径中含量均为最高，其次是玉米轮作和连作棉田，最少的是玉米/大豆间作模式。

本研究表明长期连作棉田可选择短期大豆轮作和玉米轮作为更加合理的轮作倒茬模式。

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