引用本文
刘栋, 崔政军, 高玉红, 剡斌, 张中凯, 吴兵, 谢亚萍, 牛俊义. 不同轮作序列对旱地胡麻土壤有机碳稳定性的影响. 草业学报, 2018,27(12): 45-57
LIU Dong, CUI Zheng-jun, GAO Yu-hong, YAN Bin, ZHANG Zhong-kai, WU Bing, XIE Ya-ping, NIU Jun-yi. Effect of rotation sequence on stability of soil organic carbon in dry-land oil flax. Acta Prataculturae Sinica,2018,27(12): 45-57  
Doi:10.11686/cyxb2018097
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不同轮作序列对旱地胡麻土壤有机碳稳定性的影响
刘栋1,2, 崔政军1,2, 高玉红1,2,*, 剡斌1,2, 张中凯1,2, 吴兵2,3, 谢亚萍4, 牛俊义1,2
1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃 兰州 730070
2.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州 730070
3.甘肃农业大学生命科学技术学院,甘肃 兰州 730070
4.甘肃省农业科学院,甘肃 兰州 730070
*通信作者Corresponding author.E-mail: gaoyh@gsau.edu.cn

作者简介:刘栋(1982-),男,甘肃宁县人,在读博士.E-mail: 286877765@qq.com

收稿日期: 2018-02-06
基金项目:现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-17-GW-9),国家自然科学基金(31360315)和甘肃农业大学伏羲杰出人才项目(Gaufx-02J05)资助.
摘要

为了探索陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区胡麻轮作序列对土壤碳库的影响,2012-2016年通过4年定位试验,以连作为对照,研究了不同胡麻频率下的轮作序列(F:休闲;PWFW:25%Flax,马铃薯-小麦-胡麻-小麦;WFWP:25%Flax,小麦-胡麻-小麦-马铃薯;FWPF:50%Flax,胡麻-小麦-马铃薯-胡麻;WPFF:50%Flax,小麦-马铃薯-胡麻-胡麻;FFFF:100%Flax,胡麻-胡麻-胡麻-胡麻)对土壤团聚体,总有机碳(TOC),土壤颗粒有机碳(POC),土壤微生物碳(MBC)和氮(MBN)的影响.结果表明,休闲,不同轮作序列和低胡麻频率显著增加了030 cm土层<0.25 mm粒级的土壤团聚体含量,TOC和POC含量,而随胡麻频率的增加三者的含量呈下降趋势.其中,25%Flax处理下土壤团聚体含量较播前和休闲处理分别显著增加了2.02%4.04%和9.56%11.73%;土壤有机碳(SOC)较连作显著增加5.95%7.48%.50%Flax处理下胡麻位置对土壤SOC影响显著,且轮作(FWPF)显著高于连作(WPFF).060 cm土层土壤SOC含量表现为休闲>播前≈25%Flax>50%Flax>100%Flax.与连作相比,轮作显著提高了010 cm土层土壤TOC和POC含量,呈现表层富集现象.土壤POC含量表现为25%Flax≈休闲>50%Flax>100%Flax.此外,轮作换茬显著增加了土壤MBC含量,且随着胡麻频率的增加,030 cm土层土壤MBC含量逐渐降低.与播前,休闲,轮作相比,连作显著降低土壤微生物碳氮比,50%Flax(WPFF)轮作序列和土层深度对土壤有机碳和微生物量的互作效应显著.综合来看,休闲可以显著改善土壤理化性状,25%胡麻频率的轮作序列利于保持土壤团聚体稳定性,增加土壤TOC,SOC和POC含量,而50%Flax轮作序列(WPFF)能够提高土壤微生物量和微生物碳氮比.表明25%胡麻频率的轮作序列均可维持土壤有机碳的稳定性,是旱地胡麻比较理想的轮作序列.

关键词: 旱地胡麻; 轮作序列; 土壤有机碳; 土壤微生物量; 土壤团聚体
Effect of rotation sequence on stability of soil organic carbon in dry-land oil flax
LIU Dong1,2, CUI Zheng-jun1,2, GAO Yu-hong1,2,*, YAN Bin1,2, ZHANG Zhong-kai1,2, WU Bing2,3, XIE Ya-ping4, NIU Jun-yi1,2
1.Gansu Provincial Key Laboratory of Arid land Crop Science, Lanzhou 730070, China
2.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
3.College of Life Sciences and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
4.Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China
Abstract

The aim of this study was to determine the effects of the flax rotation sequence on the soil carbon pool in a dry-land oil flax cropping area. A field experiment was conducted in a typical semiarid gully area of the Loess Plateau from 2012 to 2016 to study the effects of six rotation sequences with different flax frequencies (fallow; PWFW: 25% flax, potato-wheat-flax-wheat; WFWP: 25% flax, wheat-flax-wheat-potato; FWPF: 50% flax, flax-wheat-potato-flax; WPFF: 50% flax, wheat-potato-flax-flax; FFFF: 100% flax, flax-flax-flax-flax). We measured soil aggregates, total organic carbon (TOC), particulate organic carbon (POC), microbial biomass carbon (MBC), and nitrogen (MBN) in all the treatments. A continuous cropping treatment served as the control. The results showed that the fallow treatment and a lower frequency of flax significantly increased the <0.25 mm soil aggregate content, TOC content, and POC content in the 0-30 cm soil layer. All of these parameters decreased with increasing flax frequency. The soil aggregate contents in the 25% flax treatments were 2.02%-4.04% higher and 9.56%-11.73% than those pre-sowing and in the fallow treatment, respectively. The SOC was 5.95%-7.48% higher in the 25% flax treatments than in the continuous cropping treatment. In the 50% flax treatments, the timing of the flax crop in the rotation sequence significantly affected soil SOC. The SOC content was significantly higher in the FWPF treatment than in the WPFF treatment. The treatments could be ranked, from highest soil SOC content in the 0-60 cm layer to lowest, as follows: fallow>pre-sowing≈25% flax>50% flax>100% flax. Compared with continuous cropping, rotation significantly increased the soil TOC and POC contents in the 0-10 cm soil layer, consistent with the phenomenon of surface enrichment. The treatments could ranked, from highest soil POC content to lowest, as follows: 25% flax≈fallow>50% flax>100% flax. In addition, crop rotation treatments significantly increased the soil MBC content. The soil MBC content in the 0-30 cm layer decreased gradually with increasing flax frequency. Compared with pre-sowing, fallow, and crop rotation treatments, continuous cropping significantly reduced the ratio of soil microbial C/N. The SOC and microbial biomass were significantly affected by the interaction between the 50% flax rotation sequence and soil depth. These results indicated that a fallow treatment could significantly improve the soil physical and chemical properties. The 25% flax rotation sequence could maintain the stability of soil aggregates and increase soil TOC, SOC, and POC contents. The 50% flax rotation sequence could improve the soil microbial biomass and the ratio of soil microbial C/N. Because the rotation sequence with 25% flax frequency could maintain the stability of SOC, it was identified as the ideal rotation sequence for dry-land oil flax crops.

Keyword: dry-land oil flax; crop rotation sequence; soil organic carbon; microbial biomass; soil aggregate

土壤团聚体是土壤结构的基本单元[1], 不同粒级土壤团聚体在养分的保持, 供应及转化能力等方面发挥着不同的作用[2, 3], 良好的土壤结构和稳定的团聚体对于提高土壤孔隙度, 改良土壤肥力, 降低可蚀性具有重要作用.土壤有机碳的稳定性通常与稳定性团聚体的数量相联系, 而土壤团聚体的稳定性受土地利用方式, 耕作方式和施肥水平的影响[4].田间耕作管理改变了土壤结构, 从而改变了土壤水分, 温度等环境因子, 影响了微生物数量和活性, 继而影响了作物根系呼吸和有机质的分解作用, 表观上引起了土壤呼吸的变化.干湿交替条件下土壤团聚体破碎, 土壤可溶性有机碳含量增加, 微生物活性增强, 土壤呼吸加快[5].金雯晖等[6]研究发现, 水旱轮作和旱旱轮作均能显著增加土壤有机碳, 在施等量氮肥情况下, 水旱轮作010 cm 土壤有机碳增长高于旱旱轮作75%, 而在不施肥情况下, 水旱轮作高出约83%.在水分受限制的土壤中, 由微生物参与的有机碳转化主要受到微生物所利用的有机底物的碳氮比的调控[7], 同时还受到微生物生长效率的影响[8].长期保护性耕作可显著提高表层土壤大团聚体含量, 降低微团聚体含量, 增加土壤团聚体有机碳含量[9].虽然大团聚体不能直接长期保护土壤有机碳, 但是它们能够固定更多的有机碳, 并且通过与有机物和土壤环境相互作用促进了微团聚体的形成, 从而为微团聚体对有机碳的长期保护提供了条件[10].土壤有机碳, 微生物量和酶活性是评价土壤肥力的重要指标[11], 土壤有机碳在一定程度上影响着土壤结构及其微生物多样性, 同时又是土壤肥力和基础地力的最重要的物质基础, 在调节土壤水, 肥, 热状况等方面起到较好的维持作用, 进而影响着耕地生产力及稳定性[12].李慧瑛等[13]在麦-玉轮作, 麦-豆轮作, 麦-夏闲轮作模式的研究中发现, 麦-豆轮作表层土壤有机碳的质量分数高于麦-玉轮作和麦-夏闲轮作模式.戴建军等[14]研究发现, 大豆(Glycine max)连作和玉米(Zea mays)连作的土壤微生物量碳, 氮均高于大豆-玉米轮作.前人关于轮作模式对土壤有机碳和团聚体的研究主要集中在小麦(Triticum aestivum), 苜蓿(Medicago sativa), 玉米和药材等作物, 关于旱作区胡麻不同频率下的轮作序列的相关研究未见报道.

胡麻(Linum usitatissimum), 又称油用亚麻, 生育期短, 适应性广, 是西北和华北地区重要的油料作物和经济作物, 也是甘肃省中部半干旱区, 高寒区的主要油料作物[15].胡麻油因富含α -亚麻酸, 木酚素等营养成分, 而引起了医疗, 食品, 农业等许多领域的关注.尤其以胡麻为原料进行油脂, 药品, 保健食品以及化妆品的加工已成国际上研究的热点[16, 17].近年来, 随着胡麻高附加值产品的研发, 市场需求逐年增加, 种植面积不断扩大, 造成种植结构单一, 倒茬困难, 连作普遍, 引起胡麻病虫害加剧, 产量和品质大幅下降等一系列问题[18].科学合理的轮作是解决连作障碍的有效措施[19, 20], 合理的茬口更换, 不仅可以协调作物与土壤的关系, 还能降低有害微生物在土壤中的累积[21], 在改善土壤微生态环境的同时, 促进农作物高产稳产[20], 实现农业生产的可持续发展.本研究利用2012-2016年长期定位试验, 对陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区不同胡麻频率的轮作序列下0150 cm土壤有机碳, 030 cm微生物量, 土壤团聚体进行分析, 探讨不同胡麻频率轮作序列下土壤有机碳, 微生物碳氮含量和土壤团聚体差异, 以期筛选出适合旱地胡麻生产的高效种植模式, 为该区土壤质量改良和生态农业的可持续健康发展提供科学依据.

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的定西市农业科学院西寨油料试验站.试验区属中温带偏旱区, 平均海拔2050 m, 年均太阳辐射592.9 kJ· cm-2, 日照时数2453 h, 年平均气温6 ℃ , 无霜期213 d, 年降水量390 mm.试区农田土壤为黄绵土, 土质绵软, 土层深厚, 质地均匀, 试验初期0150 cm平均土壤容重为1.18 g· cm-3.供试土壤基础养分见表1.

表1 供试土壤含量养分 Table 1 The chemical properties of soil
1.2 试验设计

试验共设6个模式, 3次重复, 小区面积为3.0 m× 5.0 m, 随机区组排列.供试作物为胡麻, 春小麦和马铃薯(Solanum tuberosum), 前茬为胡麻.各处理详细描述见表2.

其中, 胡麻品种为陇亚10号, 种植密度为7.50× 106株· hm-2; 马铃薯品种为新大平, 种植密度为5.25× 104株· hm-2; 小麦品种为甘春25号, 种植密度为3.75× 106株· hm-2.各小区施肥量分别为胡麻:112.5 kg N hm-2, 75 kg P2O5 hm-2; 马铃薯:225 kg N hm-2, 150 kg P2O5 hm-2; 小麦:150 kg N hm-2, 112.5 kg P2O5 hm-2; 氮, 磷均全部作为基肥施用, 生育期不再追肥.

1.3 土样采集

土壤取样方法及样品保存:播前(Pre-planting, P)(2013年4月)和作物收获后(小麦2016年6月, 胡麻2016年8月, 马铃薯2016年10月)对0150 cm土层分5个层次采样, 分别为010 cm, 1030 cm, 3060 cm, 6090 cm和90150 cm, 同一小区同一深度采集的土样, 剔除石砾和植物残茬等杂物, 混合制样, 无菌塑料袋包装, 一部分土样4 ℃ 冰箱保存, 测定微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC), 微生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN), 另一部分土样室内风干过0.25 mm筛, 用于总有机碳(total organic carbon, TOC)和土壤颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)测定.

1.4 测定项目与方法

土壤容重采用环刀法测定; TOC 测定采用重铬酸钾外加热法; POC测定:称取过2 mm筛的风干土20 g, 放入三角瓶中, 加入100 mL 5 g· L-1的六偏磷酸钠溶液, 在往复振荡器振荡18 h.把土壤悬液过0.05 mm筛, 反复用蒸馏水冲洗, 以筛POC, 在 60 ℃ 下过夜烘干称量(> 12 h), 计算颗粒有机质中的有机碳含量[22]; MBC, MBN用氯仿熏蒸法测定[23]; 土壤团聚体采用湿筛法测定[24], 将样品分离出> 2.00 mm, 1.002.00 mm, 0.501.00 mm, 0.250.50 mm及< 0.25 mm的各级团聚体.

SOC 储量计算如下[22]:SOCs= ∑i=1n(Ci×ρi×Ti)×10-1

式中:SOCs为特定深度的土壤有机碳储量(t· hm-2); Ci为第i层土壤的SOC含量(g· kg-1); ρ i为第i层土壤容重(g· cm-3); Ti为第i层土壤厚度(cm); n为土层数.

表2 试验处理描述 Table 2 Treatments description
1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 24.0软件处理和分析数据, 用LSD法进行多重比较.

2 结果与分析
2.1 不同胡麻轮作序列对030 cm土壤团聚体的影响

研究分析了4年试验后不同胡麻轮作序列下土壤团聚体的分布情况(图1).可以看出, 030 cm土层各轮作序列均以微团聚体含量(< 0.25 mm)最多, 占团聚体总量的60%以上, 而以> 2.00 mm的大团聚体含量最低, 与播前相比, 轮作序列显著影响了010 cm土层土壤微团聚体组成.从不同胡麻轮作序列来看, 休闲模式下< 0.25 mm微团聚体含量低于播前, 25%Flax处理与播前无显著差异, 50%Flax和100%Flax处理显著降低了010 cm土层土壤微团聚体含量.010 cm土层, 25%Flax处理土壤微团聚体含量最高, 达80%以上, 较播前, 休闲, 50%Flax和100%Flax分别显著增加了0.97%2.68%, 10.81%12.69%, 22.45%26.33%和23.80%25.90%; 播前和休闲处理的土壤微团聚体含量分别较100%Flax处理显著增加了22.61%和11.72%.50%Flax与100%Flax处理间无显著差异.25%Flax处理下0.250.50 mm和0.501.00 mm团聚体含量均显著低于其他处理, 分别占团聚体总量的10%和3%左右.0.250.50 mm团聚体含量表现为休闲较25%Flax处理显著高48.18%, 50%Flax和100%Flax处理分别较25%Flax处理显著高出1和2倍.1030 cm土层, 连作处理(100%Flax)下, < 0.25 mm土壤微团聚体含量最低, 较播前, 休闲, 25%Flax和50%Flax分别显著低15.04%, 9.49%, 16.58%23.33%和12.80%15.69%; 0.250.50 mm土壤团聚体以连作处理最高, 较休闲, 25%Flax, 50%Flax分别显著高出34.77%, 40.63%69.21%和34.86%35.78%, 不同处理间> 0.50 mm土壤团聚体质量分数无显著差异.

从030 cm土壤团聚体质量分数可以看出, 不同轮作序列对土壤团聚体的影响主要表现在0.250.50 mm团聚体上, 25%Flax处理与播前无显著差异.与播前相比, 50%Flax和100%Flax胡麻轮作序列显著降低了010 cm土层土壤微团聚体含量.在不同轮作序列中, 随着胡麻频率的增加, 0.250.50 mm土壤团聚体逐渐增加, 休闲处理在25%Flax和50%Flax之间, 相同胡麻频率不同轮作序列对土壤团聚体无显著影响.表明030 cm土层≤ 0.50 mm土壤团聚体含量主要受胡麻在轮作序列中所占频率的影响.

图1 不同胡麻轮作序列下030 cm土层土壤团聚体
P:播前 Pre-planting; F:休闲 Fallow.不同小写字母表示同一粒级处理间差异显著(P< 0.05).Fig.1 Aggregates fractions in 0-30 cm soil depth under different crop rotation treatments
Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at the same granularity at 0.05 level.

2.2 不同胡麻轮作序列下土壤总有机碳含量的垂直分布

轮作序列对010 cm土层土壤TOC含量影响最为显著(图2), 且呈表层富集现象, 各轮作序列下不同土层间均以休闲处理下土壤TOC含量最高(P< 0.05).与播前相比, 休闲显著提高了土壤TOC含量, 50%Flax和100%Flax处理显著降低了土壤TOC含量, 而25%Flax与播前处理相比无显著差异.从不同土层来看, 在010 cm土层, 与100%Flax相比, 休闲, 25%Flax和50%Flax处理土壤TOC含量分别显著增加了25.53%, 6.69%8.20%和3.05%; 与50%Flax相比, 25%Flax 处理土壤TOC含量显著增加了3.93%9.80%, 25%Flax处理间无显著差异; 而50%Flax处理中, 两年胡麻连作的土壤TOC含量较轮作显著低4.58%.1090 cm土层, 轮作与连作处理间土壤TOC含量无显著差异, 但仍表现出休闲> 25%Flax> 50%Flax> 100%Flax处理.就0150 cm总有机碳含量而言, 与1090 cm土层土壤TOC含量表现一致.休闲, 25%Flax和50%Flax处理的土壤TOC含量分别较胡麻连作增加了21.81%, 5.52%7.11%和1.66%3.60%; 25%Flax与50%Flax相比, 土壤TOC含量增加了1.86%5.36%.表明当胡麻所占比率相同时, 轮作序列对土壤TOC含量的影响较小, 胡麻所占比率越大, 土壤TOC含量越低.休闲显著增加土壤TOC含量, 50%Flax和100%Flax处理显著降低了土壤TOC含量.

2.3 不同轮作序列对0150 cm土壤有机碳储存量的影响

由表3可见, 随土层深度的增加, SOC储量逐渐下降.休闲能够显著提高土壤有机碳储存量(SOC储量), 连作(100%Flax)处理土壤SOC储量最低.不同轮作序列以25%Flax处理土壤SOC储量最高.从不同土层来看, 010 cm土层, 与连作相比, 休闲, 25%Flax, 50%Flax处理的SOC储量分别显著增加了31.71%, 10.71%13.62%和2.40%6.68%, 25%Flax处理间, 50%Flax处理间土壤SOC储量无明显差异.1030 cm土层, 与播前, 休闲, 25%Flax, 50%Flax处理相比, 100%Flax土壤SOC储量分别下降了4.67%, 14.15%, 3.55%4.37%, -0.30%4.50%; 3060 cm土层, 土壤SOC储量表现为休闲> 播前> 25%Flax≈ 50%Flax> 100%Flax; 25%Flax处理下6090 cm和90150 cm土层土壤SOC储量较100%Flax分别高出7.29%12.30%和8.54%13.52%; 50%Flax较100%Flax分别高出2.99%5.06%和7.06%15.84%; 25%Flax处理间无显著差异, 50%Flax处理间存在差异, 因为FWPF(50%Flax)胡麻没有连作, 而WPFF(50%Flax)胡麻存在连作, 说明胡麻连作显著降低土壤SOC储量, 不同轮作序列显著影响土壤SOC储量.

图2 不同轮作序列下土壤总有机碳含量
不同小写字母表示同一土层深度处理间差异显著(P< 0.05), 下同.Fig.2 The TOC contents from 0 to 150 cm soil depths under different crop rotations
Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at the same soil depth at 0.05 level, the same below.

表3 不同轮作序列下0150 cm土壤有机碳(SOC)储量(平均值± 标准偏差) Table 3 Soil organic carbon (SOC) storage in 0-150 cm under different crop rotation treatments (means± SD) (t· hm-2)
2.4 不同轮作序列下土壤颗粒有机碳含量的垂直分布

由图3可以看出, 不同轮作序列对土壤颗粒有机碳(POC)含量的影响主要集中在060 cm土层, 对60 cm以下土层土壤POC含量影响较小, 且随着土层的加深, POC含量逐渐下降.在030 cm, 播前土壤POC含量显著高于休闲; 30 cm以下土层, 土壤POC含量休闲大于播前.从不同土层来看, 010 cm土层, 与播前, 休闲, 25%Flax和50%Flax处理相比, 100%Flax处理土壤POC含量分别降低了17.00%, 5.81%, 9.19%11.72%和2.00%6.82%; 25%Flax处理土壤POC含量较休闲, 50%Flax和100%Flax分别显著增加了3.73%6.68%, 2.62%11.00%和10.13%13.26%; 25%Flax处理间土壤POC含量无显著差异, 当胡麻频率为50%时, 连作处理下土壤POC含量显著低于轮作.说明不同轮作序列显著影响表层(010 cm)土壤POC含量, 随着胡麻频率的增加, 土壤POC含量逐渐下降, 当胡麻频率为25%时, 胡麻在轮作系统中出现的顺序对土壤POC含量无显著影响, 当胡麻频率为50%时, 胡麻在轮作系统中出现的顺序显著影响POC含量, 且胡麻轮作较连作土壤POC含量显著高5.17%.1030 cm 土层, 25%Flax 处理土壤POC含量显著高于休闲, 50%Flax和100%Flax, 50% Flax显著高于100%Flax, 与播前无显著差异; 25%Flax较休闲, 50%Flax和100%Flax分别显著高13.46%15.07%, 7.77%10.86%和21.81%23.54%; 休闲和50%Flax较100%Flax分别显著高7.36%和11.44%13.06%.3060 cm土层, 土壤POC含量仍表现为25%Flax显著高于其他处理; 50%Flax与休闲无显著差异; 25%Flax处理间无显著差异; 而50%Flax处理中, WPFF显著低于FWPF.010 cm, 3060 cm土壤POC含量表现为25%Flax> 休闲> 50%Flax> 100%Flax, 而1030 cm土壤POC含量表现为25%Flax> 50%Flax> 休闲> 100%Flax, 不同轮作序列对60 cm以下土层土壤POC含量影响较小.

图3 不同轮作序列下不同土层土壤颗粒有机碳含量Fig.3 The POC contents from 0 to 150 cm soil depths under different crop rotation treatments

2.5 不同轮作序列下030 cm土壤微生物量含量

2.5.1 不同轮作序列下030 cm土层土壤微生物量碳含量 由图4可以看出, 不同轮作序列对030 cm土层土壤微生物碳(MBC)含量影响显著, 且均以胡麻频率为50%的轮作处理(FWPF)土壤MBC含量最高.从不同土层来看, 010 cm土层, 50%Flax轮作处理土层MBC含量显著高于其他处理, 25%Flax处理显著高于休闲和100%Flax处理, 与播前, 50%Flax(WPFF)和连作处理间无显著差异, 休闲和100%Flax处理间差异不显著; 播前, 25%Flax和50%Flax处理土壤MBC含量与分别较100%Flax处理显著增加26.72%, 30.06%32.95%和21.39%60.40%; 50%Flax轮作处理的土壤MBC含量较25%Flax显著增加20.65%23.33%.1030 cm土层, FWPF(50%Flax)和PWFW(25%Flax)处理土壤MBC含量差异不显著, 二者显著高于其他处理; 播前, 25%Flax和50%Flax处理下土壤MBC含量分别较100%Flax显著增加9.23%, 12.50%29.81%和12.50%33.56%.表明当胡麻频率占50%时, 土壤MBC含量连作处理显著低于轮作, 100%Flax土壤MBC含量最低, 与休闲处理差异不显著, 显著低于其他处理.由此可见, 随着胡麻频率的增加, 030 cm土层土壤MBC含量逐渐降低, 说明轮作换茬在一定程度上能够显著增加土壤MBC含量.

图4 不同轮作序列下不同土层土壤微生物量碳含量
不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05), 下同.Fig.4 Soil microbial biomass carbon contents at 0-30 cm soil depths under different crop rotation treatments
Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at 0.05 level, the same below.

2.5.2 不同轮作序列对030 cm土层土壤微生物量氮影响 由图5可知, 不同轮作序列对030 cm土层土壤微生物氮(MBN)含量的影响较大.连作显著增加了土壤MBN含量, 其中连作(100%Flax)处理下土壤MBN含量最高, 50%Flax连续两年连作土壤MBN含量最低.从不同土层来看, 010 cm土层, 100%Flax处理土壤MBN含量较播前, 休闲, 25%Flax, 50%Flax(WPFF)和50%Flax(FWPF)分别增加了66.05%, 100%, 41.87%98.42%, 200%和1.26%.不同轮作序列对1030 cm土层土壤MBN含量的影响表现为100%Flax最高, 显著高于其他处理, 25%Flax处理间差异不显著, 休闲, 25%Flax, 50%Flax(WPFF)和50%Flax(FWPF)土壤MBN含量分别较100%Flax显著降低了35.35%, 50.35%56.17%, 69.23%和26.45%; 胡麻连作4年后土壤MBN含量较第一年播前显著增加了123.79%.

图5 不同轮作序列下不同土层土壤微生物量氮含量Fig.5 Soil microbial biomass nitrogen contents at 0-30 cm soil depths under different crop rotation treatments

图6 不同轮作序列下不同土层土壤微生物量C/NFig.6 Soil microbial biomass carbon/nitrogen at 0-30 cmsoil depths under different crop rotation treatments

2.6 不同轮作序列下土壤微生物C/N

不同轮作序列下030 cm 土壤微生物C/N表现为100%Flax最低, 50%Flax连作最高(P> 0.05), 除播前外, 其他处理均表现为010 cm土壤微生物C/N低于1030 cm(图6).从不同土层来看, 010 cm土层, 播前, 休闲, 25%Flax, 50%Flax(WPFF)和50%Flax(FWPF)土壤微生物C/N分别较100%Flax显著高出110.54%, 83.14%, 84.51%163.80%, 300%和62.43%.1030 cm土层, 土壤微生物C/N与010 cm土层一致, 休闲显著高于100%Flax, 与25%Flax(WFWP)和50%Flax(FWPF)处理间差异不显著, 100%Flax较休闲, 25%Flax, 50%Flax(WPFF)和50%Flax(FWPF)分别显著低35.04%, 55.87%66.23%, 72.65%和44.93%.说明胡麻持续连作显著降低030cm土层土壤微生物C/N, 轮作倒茬或者休闲均能显著提高土壤微生物C/N, 以50%Flax(WPFF)处理下增加最多.

表4 不同轮作序列和土层对土壤有机碳, 微生物量的影响(F值) Table 4 Effects of the crop rotation and soil depth on soil organic carbon, microbial biomass (F value)

* P< 0.05, * * P< 0.01.

2.7 轮作序列与土层深度对土壤有机碳, 微生物量的影响

对不同轮作序列与土层深度的土壤TOC, POC, MBC, MBN和MBC/MBN进行方差分析表明(表4), 轮作序列对土壤MBC, MBN, 微生物量C/N, POC及TOC含量影响显著; 土层深度对土壤MBC, MBN, MBC/MBN, POC及TOC含量的影响极显著; 轮作序列与土层的交互作用对土壤MBC, 微生物量C/N和TOC影响显著, 对土壤MBN和POC影响不显著, 其主要原因是轮作方式与土层的交互作用对MBN和POC的贡献小于对其他生化指标的贡献.表明轮作序列和土层对土壤有机碳, 微生物量有显著的影响, 通过合理轮作序列可以提高土壤有机碳及微生物量, 从而改善土壤肥力.

3 讨论
3.1 轮作方式对030 cm土层土壤团聚体的影响

土壤团聚体不仅是指示土壤肥力状况的重要表征指标, 而且是形成土壤结构的基础和物质基础, 显著影响土壤中的许多理化性质及生物学性质[24], 其稳定性对土壤肥力, 土壤养分循环和土壤的可持续利用有很大的影响[25].土壤有机碳与土壤团聚程度关系密切[26, 27], 团聚体形成作用被认为是土壤固碳的最重要机制[9], 不同粒级团聚体在养分的保持, 供应及转化能力等方面发挥着不同的作用[2, 3], 良好的土壤团聚体结构可以贮存更多SOC[28].李婕等[29]在18年冬小麦, 夏玉米长期定位试验中研究发现, 不同组分有机物与氮肥配施增加了土壤大团聚体的比例, 但不同施肥管理措施之间无差异.高会议等[30]研究发现, 黑垆土有机碳含量与粒径> 5.00 mm和2.005.00 mm的团聚体含量呈显著正相关关系, 与< 0.125 mm的团聚体含量呈极显著负相关.本研究通过对4年试验后不同轮作序列土壤团聚体的分布情况进行分析, 结果发现, 030 cm土层不同轮作序列均以微团聚体含量(< 0.25 mm)最多, 占团聚体总量的60%以上, 而以> 2.00 mm的细大团聚体含量最低, 不同轮作序列对土壤团聚体的影响主要表现在对< 0.25 mm和0.250.50 mm微团聚体的影响上, 25%Flax处理与播前相比无显著差异, 而50%Flax和100%Flax处理显著降低了土壤微团聚体含量.

3.2 轮作序列对0150 cm土层土壤有机碳含量, 储量及分布的影响

土壤有机碳作为衡量土壤质量的重要指标, 根据第二次全国土壤肥力分级标准, 有机碳含量越高则意味着土壤肥力质量越好, 对评价土壤发展具有重要意义, 是土壤团聚体形成的重要基础[31, 32, 33].植物在生长过程中所需要的营养都来自土壤本身, 每年从农田移出大量农产品, 使土壤有效养分大量亏损, 导致有机质的形成量小于矿化量[13].轮作改变了作物残体或根系的数量, 种类, 从而影响到土壤有机碳的固定, 矿化, 以及土壤有机碳的数量[34].赵靖静等[35]认为, 与苜蓿连作模式相比, 苜蓿轮作[小麦, 玉米, 马铃薯, 谷子(Setaria italica)]的土壤TOC含量分别降低了17.44%, 9.25%, 18.40%和9.34%.本研究表明, 不同轮作序列能够显著提高土壤耕层 TOC含量, 轮作序列对010 cm土层土壤TOC含量影响最为显著, 呈现表层富集现象, 各处理不同土层间均以休闲处理土壤TOC含量显著高于其他处理.土壤POC的含量表现为当胡麻占25%时, 胡麻位置对土壤POC含量无显著影响; 当胡麻占50%时, 胡麻位置显著影响土壤POC含量; 胡麻轮作较连作土壤POC含量显著高5.17%.不同轮作序列改变了田间微生物环境, 由于不同的作物改变了土壤结构和土壤理化性状, 提高了土壤通透性, 进而提高了土壤有机碳含量.轮作序列下不同作物的根系及落叶残茬等有机物质不断归还于耕作层, 且耕作层水热条件较好, 有机质分解状况良好, 有利于碳的固定, 因此, 土壤TOC及POC均呈现出了表层富集的现象, 这与陈娟等[22]研究结果一致.胡麻连作下土壤TOC及POC含量均低于轮作, 这与连作障碍有密切关系, 因为连作可导致土壤养分及土壤酶活失调, 化感物质累积和土壤微生物群失调等一系列问题, 致使土壤的生物和非生物环境因子显著恶化, 进而影响土壤有机碳含量[36].

研究结果表明, 0150 cm土层土壤有机碳含量随土层深度的增加不断增加, 而土壤TOC和POC含量则随土层深度的增加逐渐下降.主要是因为随着土层深度的增加, 作物落叶残茬, 根系及根系分泌物等有机质投入减少, 降低了土壤有机碳的循环与转化[37].长期连作能够导致土壤有机质中稳定性结构减少, 而易分解结构增加, 有机质结构趋于简单化, 易被分解, 碳含量降低[38].本研究表明, 试验实施4年后, 休闲处理土壤SOC储量最高, 轮作序列以25%Flax处理SOC储量最高, 以100%Flax最低, 当胡麻占25%时, 胡麻位置对土壤SOC储量无显著影响, 当胡麻占50%时, 胡麻位置对土壤SOC储量存在影响, 轮作较连作有利于提高土壤SOC储量.

3.3 轮作序列对030 cm土层土壤微生物量及分布的影响

土壤微生物生物量是土壤微生物活性的一个总的指标[39], 不仅参与土壤中有机质的分解, 腐殖质的形成, 土壤养分的转化循环等多个生化过程, 而且作为土壤有机质的降解者和植物营养物质的活性库, 在土壤和植物群落内部及全球物质循环中发挥着重要的作用[40].人们常将土壤微生物量碳, 氮视为直观反映土壤微生物活性及土壤肥力状况的重要指标[41], 能非常灵敏地反映环境因子的变化, 较其他土壤理化指标对土壤肥力变化的响应更为迅速[42].Collins等[43]研究认为, 有苜蓿参与的轮作农田中, 土壤微生物生物量碳和氮含量比连作玉米田或连作大豆田的高.本研究结果发现, 不同轮作序列对土壤微生物量碳含量影响较大, 连作处理下土壤MBC含量最高, 50%Flax连续两年连作最低.而对土壤微生物量氮含量影响表现为连作处理最高, 50%Flax连续两年连作最低.通过对微生物碳氮比的分析发现, 胡麻持续连作显著降低了030 cm土层土壤 MBC/MBN, 不同的轮作倒茬方式或者休闲均能显著提高土壤MBC/MBN, 其中以50%Flax连作增幅最大.

4 结论

1)探明了不同胡麻频率及轮作序列下土壤团聚体的空间分布情况.030 cm土层各轮作序列均以微团聚体含量最多, 占团聚体总量的60%以上, 大团聚体含量最低, ≤ 0.50 mm土壤团聚体含量主要受胡麻在轮作序列中所占频率的影响.不同轮作序列和胡麻频率显著影响土壤微团聚体含量, 相同胡麻频率下胡麻所处位置对其无显著影响, 25%胡麻频率利于保持土壤团聚体稳定性.

2)轮作较连作显著提高了010 cm土层土壤TOC和POC含量, 呈现表层富集现象.胡麻频率是影响土壤SOC储量的关键因素.胡麻频率相同时轮作序列对土壤TOC含量的影响较小, 50%Flax处理下, 胡麻位置对土壤SOC影响显著, 且轮作显著高于连作.25%Flax处理显著增加了土壤TOC和SOC含量, 有利于土壤养分的保持.

3)随着胡麻连作比率的增加, 030 cm土层土壤MBC含量逐渐降低, 轮作换茬在一定程度上能够显著增加MBC含量, 与播前, 休闲, 轮作相比, 连作显著降低土壤微生物碳氮比, 50%Flax轮作序列(WPFF)显著增加了土壤微生物碳氮比.

4)轮作序列和土层对土壤有机碳, 微生物量有显著的互作效应, 合理轮作序列可以提高土壤有机碳及微生物量, 从而改善土壤肥力.25%胡麻频率的轮作序列均可维持土壤有机碳的稳定性, 是旱地胡麻比较理想的轮作序列.

The authors have declared that no competing interests exist.

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