Morphological structure, composition, and organic carbon characteristics of soil agglomerations for alfalfa and ryegrass planting patterns

试验地位于河南省新乡市洪门镇原堤村（35°16′N，113°57′E）。地处豫北地区，北临余河通道，南临黄河，属黄河冲积平原，年平均气温为14.2 ℃，年平均降水量573.4 mm，年均日照时数2 400.0 h，年平均相对湿度68%，无霜期220.0 d。试验地土壤类别为砂壤土，0~40 cm土壤基础理化性质如下：砂粒44%，粉粒38%，黏粒18%，全氮1.13 g·kg^-1，全磷0.69 g·kg^-1，全钾13.42 g·kg^-1，碱解氮31.50 mg·kg^-1，有效磷12.05 mg·kg^-1，速效钾88.02 mg·kg^-1，有机质9.08 g·kg^-1，田间持水量28.54%，土壤pH 7.94。

2012-2017年连续6 a进行试验，随机区组设计，设4个处理，即：以撂荒地为对照，设紫花苜蓿单播、无芒雀麦单播、紫花苜蓿/无芒雀麦混播3种不同的栽培模式（图 1），每个处理3次重复，共12个小区，小区面积20 m²（4 m × 5 m），总面积240 m²。2012年10月播种，紫花苜蓿的单播播量为15 kg·hm^-2，无芒雀麦的单播播量为18 kg·hm^-2，紫花苜蓿/无芒雀麦混播播量均为对应单播播量的一半。播种方式为条播，行距25 cm。试验期间免耕处理，不施用任何肥料，每年定期进行浇水与人工除草。

Figure 1.  Schematic map of the study area and quadrat

于2017年11月，以5点取样法，用土钻分别取0~10，10~20，20~30和30~40 cm 4个土层的原状土样，每个深度3个重复，将土样中的杂草剔除后，装入自封袋，用于土壤机械稳定性团聚体、水稳性团聚体和有机碳质量分数的实验室测定。

团聚体形态和表面特征观察：在风干处理并沿自然裂缝掰开的原状土样（0~40 cm）中，选择自然断面并且平整的土样，用导电胶粘于铜台上并编号，然后进行喷金处理，用SS 550型号扫描电镜进行观察。

团聚体测定步骤：按孔径大小（10.00，7.00，5.00，3.00，2.00，1.00，0.50，0.25 mm）由上至下套好筛组，将已称量（200 g）的土样倒入最上部筛子中，对筛组左右摆动进行筛分，机械稳定后分成了9个粒级（≥10.00，10.00~7.00，7.00~5.00，5.00~3.00，3.00~2.00，2.00~1.00，1.00~0.50，0.50~0.25和＜0.25 mm（上限排除法）。对各级筛子中的土样称量，计算机械稳定性团聚体组成。取机械稳定性后所得的各粒级土样50 g，将筛组（从上到下依次是5.00，3.00，2.00，1.00，0.50，0.25 mm）放入水桶中并置于振荡架上，电动振荡（30 min）后将筛组轻轻拿出水面，将各级筛上的团聚体洗入蒸发皿，烘干（60 ℃）后称量，并计算水稳性团聚体组成。

测定方法：采用总有机碳分析仪（Elementar，德国）测定土壤总有机碳质量分数。采用高锰酸钾氧化-比色法测定活性有机碳质量分数^[2]；采用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾容量法测定腐殖质碳质量分数^[2]。

土壤团聚体质量分形维数（D_m）的计算方法：D_m= 3-lg[W（δ＜i）/W_T]/lg（i/x_max）。其中：W（δ＜i）为土粒直径＜i的土壤颗粒累计质量；W_T为土粒的质量之和；i为粒级之间的平均粒径；x_max为最大粒级的平均直径。由于lg[W（δ＜i）/W₀]与lg（i/x_max）具有线性关系，因此可采用最小二乘法进行线性拟合，3-D_m即为直线斜率，由此得到D_m^[16]。

利用SPSS 19.0软件对分形维数的回归方程进行线性拟合，并对土壤团聚体结构及有机碳组分进行Pearson相关性分析（双侧检验），表中的数据以平均值来表示，并用Duncan法进行显著性分析。

通过扫描电镜对土壤团聚体的形态进行观察，紫花苜蓿与无芒雀麦不同栽培模式下的团聚体形态有明显的不同。撂荒地（图 2A）土壤团聚体外表表面孔隙较少，凝结成片。人工草地建植后的土壤团聚体大多呈现出球状或块状，表面孔隙较多且较为疏松，大多呈圆润多孔状（图 2B和图 2C）。各模式下团聚体形态从优至劣依次为紫花苜蓿/无芒雀麦混播、紫花苜蓿单播、无芒雀麦单播、撂荒地。其中，紫花苜蓿/无芒雀麦混播模式表现最为明显，团聚体凝聚程度较高。说明紫花苜蓿/无芒雀麦混播对团聚体形态改变促进作用较为明显。

Figure 2.  Morphological characteristics of soil aggregates under different planting patterns

由表 1可以看出:土壤机械稳定性团聚体组成均以5.00~3.00和3.00~2.00 mm粒径为主（比例为35.55%~57.12%）。其中：对于5.00~3.00 mm粒径的土壤团聚体而言（4个土层的均值），无芒雀麦单播、苜蓿单播和紫花苜蓿/无芒雀麦混播分别比撂荒地增加10.90%~22.55%，12.25%~27.17%和27.15%~38.14%，且与撂荒地的差异均达到显著水平（P＜0.05）。对于3.00~2.00 mm粒径的土壤团聚体而言（4个土层的均值），无芒雀麦单播、苜蓿单播和紫花苜蓿/无芒雀麦混播分别比撂荒地增加22.98%~41.64%，25.92%~45.10%和35.87%~50.38%，且与撂荒地的差异也均显著（P＜0.05）。团聚体所占比例最少的是0.50~0.25 mm粒径，占0.46%~2.66%。与撂荒地相比，单播或混播＜0.25 mm机械稳定性团聚体明显减少，5.00~3.00和3.00~2.00 mm团聚体明显增加。

分形维数是表征土壤肥力的一个定量化评价指标^[17]。分形维数越小，土壤结构良好且肥力越高^[18]。由表 1可知：各样地土壤机械稳定性团聚体分形维数值大小排序为撂荒地、无芒雀麦单播、紫花苜蓿单播、紫花苜蓿/无芒雀麦混播，变化范围为1.626~2.165。与撂荒地相应的土层相比，无芒雀麦单播（30~40 cm），紫花苜蓿单播（0~10，30~40 cm），紫花苜蓿/无芒雀麦混播（0~10，10~20，20~30和30~40 cm）的分形维数均差异显著（P＜0.05），它们的线性方程的相关系数（R²）均在0.946以上，且都达到极显著水平（P＜0.01）。

由表 2可知：各样地土壤水稳性团聚体组成以＜0.25和3.00~1.00 mm粒径为主（比例为53.47%~74.47%）。与撂荒地同一土层相比，无芒雀麦单播、紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/无芒雀麦混播＜0.25和3.00~1.00 mm团聚体的含量均显著减少（P＜0.05）。

≥0.25 mm水稳性团聚体是表征土壤生态效应的重要指标，其含量越高，土壤团聚体水稳性越强，土壤结构越稳定^[19]。对于≥0.25 mm粒径团聚体，其含量（4个土层的平均值）高低排序为紫花苜蓿/无芒雀麦混播（64.58%）、紫花苜蓿单播（57.96%）、无芒雀麦单播（56.37%）、撂荒地（40.81%），其中主要是促进了3.00~1.00和1.00~0.50 mm水稳性团聚体的形成，且无芒雀麦单播、紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/无芒雀麦混播均较撂荒地呈现显著性差异（P＜0.05）。

同机械稳定性结果一样，各样地土壤水稳性团聚体分形维数值大小排序也为撂荒地、无芒雀麦单播、紫花苜蓿单播、紫花苜蓿/无芒雀麦混播，变化范围为2.636~2.840，但各样地同一土层下的分形维数值之间并无显著性差异（P＞0.05）。与土壤机械稳定性团聚体各分形维数拟合方程的情况一样，水稳性团聚体线性拟合方程的相关系数（R²）在0.947以上，且也均达到极显著水平（P＜0.01）。

由图 3可知：各样地土壤总有机碳质量分数（4个土层的平均值）高低排序为紫花苜蓿/无芒雀麦混播（10.41 g·kg^-1）、紫花苜蓿单播（8.60 g·kg^-1）、无芒雀麦单播（8.21 g·kg^-1）、撂荒地（6.32 g·kg^-1），活性有机碳以及腐殖质碳质量分数也具有同样的变化规律。其中：土壤表层（0~20 cm）无芒雀麦单播、紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/无芒雀麦混播总有机碳、活性有机碳和腐殖质碳均较撂荒地呈现显著性差异（P＜0.05）；土壤亚表层（20~40 cm）无芒雀麦单播、紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/无芒雀麦混播总有机碳、活性有机碳均较撂荒地呈现显著性差异（P＜0.05），紫花苜蓿/无芒雀麦混播腐殖质碳较撂荒地差异显著（P＜0.05），而无芒雀麦单播和紫花苜蓿单播腐殖质碳较撂荒地差异不显著（P＞0.05）。此外，从土壤剖面来看，各种形态的有机碳质量分数均随土层的加深而降低。

Figure 3.  Soil organic carbon content of different planting patterns

由表 3可知：土壤总有机碳、活性有机碳和腐殖质碳两两之间呈极显著正相关（P＜0.01）。其中，总有机碳与活性有机碳、腐殖质碳的相关系数分别为0.975和0.954，活性有机碳与腐殖质碳的相关系数为0.975。

土壤机械稳定性团聚体分形维数与土壤总有机碳、活性有机碳、腐殖质碳均呈负相关。土壤机械稳定性团聚体的分形维数与≥10.00，10.00~7.00，7.00~5.00，1.00~0.50，0.50~0.25和＜0.25 mm粒径团聚体呈正相关，其中与1.00~0.50，0.50~0.25和＜0.25 mm粒径团聚体呈显著或极显著正相关，相关系数分别为0.515，0.745和0.972。机械稳定性团聚体分形维数与5.00~3.00，3.00~2.00和2.00~1.00 mm粒径呈负相关，其中与2.00~1.00 mm粒径团聚体呈极显著负相关（相关系数为-0.632）。这说明机械稳定性团聚体分形维数受小粒径（1.00~0.50，0.50~0.25和＜0.25 mm）和中等粒径（5.00~3.00, 3.00~2.00和2.00~1.00 mm）含量的影响明显，即分形维数值随小粒径团聚体含量的增加而增加，随中等粒径团聚体的增加而降低。

土壤总有机碳、活性有机碳、腐殖质碳与团聚体（≥10.00，10.00~7.00，7.00~5.00，＜0.25 mm）呈负相关，其中与≥10.00，10.00~7.00 mm粒径团聚体呈极显著负相关（P＜0.01），而与团聚体（5.00~3.00，3.00~2.00，2.00~1.00，1.00~0.50，0.50~0.25 mm）呈正相关，尤其与5.00~3.00和3.00~2.00 mm团聚体呈极显著正相关（P＜0.01）。由此可见，中等粒径（5.00~3.00，3.00~2.00 mm）团聚体含量越高，大粒径（≥10.00，10.00~7.00 mm）团聚体含量越低，越有助于土壤有机碳质量分数的提高。

由表 4可知：土壤水稳性团聚体分形维数与总有机碳、活性有机碳和腐殖质碳均呈极显著负相关（P＜0.01），相关系数分别为-0.964，-0.930和-0.894。水稳性团聚体分形维数与小粒径水稳性团聚体（＜0.25 mm）呈极显著正相关（相关系数为0.980），而与中小粒径水稳性团聚体（≥5.00，5.00~3.00，3.00~1.00，1.00~0.50，0.50~0.25 mm）则基本呈显著或极显著负相关。同机械稳定性结果类似，这说明小粒径水稳性团聚体的增加有利于提高水稳性团聚体分形维数，而中小粒径水稳性团聚体的增加则会降低水稳性团聚体分形维数。

同一母质发育的土壤因栽培模式不同，土壤团聚体组成的分布特性可发生较大变化^[20]。本试验研究结果表明：土壤机械稳定性团聚体组成以中等粒径（5.00~3.00和3.00~2.00 mm）团聚体为主，这一结果与王轶浩等^[21]的研究结果一致，但宋丽萍等^[22]在对黄土高原黄绵土团聚体的研究中却发现：土壤机械稳定性团聚体以≥0.25 mm粒径为主。这是因为本试验地位于黄河冲积平原，地表多含有黄河沉沙，土壤机械组成中砂粒比例较大，因而在此基础上形成的团聚体以中等粒径居多。由此可见，土壤团聚体组成受到土壤颗粒组成的影响很大。另外，本研究中，人工草地建植6 a后，≥0.25 mm粒径土壤机械稳定性团聚体含量增加，其中又以5.00~3.00和3.00~2.00 mm粒径团聚体的增加最为明显，单播和混播模式下均有此趋势，其含量由高到低依次为紫花苜蓿/无芒雀麦混播、紫花苜蓿单播、无芒雀麦单播。这可能是因为相对于地表裸露的撂荒地，人工建植的草地由于增加了土壤表层植物残体的积累，土壤中植物根系分泌物、微生物及其代谢产物增多，提高了土壤生物活性，土壤中的有机残体、真菌菌丝体和粪便类物质增加，进而通过土壤动物吞食和排泄活动结合在一起形成较多的中等粒径团聚体^[23]，导致土壤团聚体组成发生了改变。

团聚体水稳性表征的是团聚体抵抗灌水浸泡和降雨击打的能力。有研究指出：≥0.25 mm水稳性团聚体的含量与土壤生态效应呈正比^[22]。本研究表明：≥0.25 mm水稳性团聚体含量的高低排序为紫花苜蓿/无芒雀麦混播（64.58%）、紫花苜蓿单播（57.96%）、无芒雀麦单播（56.37%）、撂荒地（40.81%）。究其原因，可能是因为相对于撂荒地，人工建植的草地由于地表被植物覆盖，且地下根系密集，土壤持水性和渗透性均得到了有效改善，因而能有效拦截降雨或灌溉引起的地表径流和地下渗流对水稳性团聚体（≥0.25 mm）的冲刷和破坏作用^[21]。此外，相对于单播模式，紫花苜蓿/无芒雀麦混播模式下这种格局变化更为明显。究其原因，可能是由于混播草地地表凋落物种类增多，且豆科植物的直根系与禾本科植物的须根系相互交错，地下形成了密集网络结构^[24]，因而水稳性团聚体（≥0.25 mm）的结构更加稳定，含量最高。

土壤团聚体质量分形维数（D_m）是土壤团聚体结构的定量化反映^[25]。研究表明：土壤团聚体质量分形维数与其中的团聚体内部组成呈显著相关，表现为团聚结构粒径分布的分形维数越小，土壤越具有良好的结构与稳定性，抗蚀能力越强^[26]。目前，对于分形维数D值的评定主要是TYLER提出的分形理论体系，其中土壤质量分形维数（D_m）和体积分形维数（D_v）是该体系的重要参数。D_m较D_v可以更好地表征土壤某些属性，如土壤结构、肥力和退化程度等^[27]，特别是可以很好地反映沙漠化逆转过程中土壤颗粒物质和养分的变化状况^[28]。本研究结果表明：土壤机械稳定性和水稳性团聚体分形维数值的从大到小顺序均表现为撂荒地、无芒雀麦单播、紫花苜蓿单播、紫花苜蓿/无芒雀麦混播。这是因为本研究样地位于豫北黄河冲积平原，土壤质地类别为砂壤土，是由沙性母质发育而来，风沙化较为严重，因此沙化裸地为砂质壤土，有机质含量低，所以土壤团聚体质量分形维数相对其他3种模式最大，而人工草地建植后土壤团聚体质量分形维数随之降低，并在紫花苜蓿/多年生黑麦草混播模式下最低。由此证明：随着人工草地的建植土地沙化得到了不同程度地逆转，尤以紫花苜蓿/无芒雀麦混播模式效果最佳。

WU等^[29]认为：相对于退化草地，物种多样性越丰富的草地其土壤养分和碳含量也越高。本试验研究结果表明：土壤各有机碳质量分数从大到小排序依次是紫花苜蓿/无芒雀麦混播、紫花苜蓿单播、无芒雀麦单播、撂荒地。这主要是因为与撂荒地相比，单播或混播草地由于土壤生物活动明显，大量的植物残体进入土壤为微生物的生长与繁衍提供了充足的碳源，其中不稳定的活性有机碳作为植物营养的主要来源，可直接为植物根系所吸收和利用，而稳定的腐殖质碳又是土壤团聚体形成的核心。此外，相较于紫花苜蓿或无芒雀麦单播，紫花苜蓿/无芒雀麦混播草地由于各自产生的根系分泌物互相促进，且微生物数量及代谢产物增多，因而增加了土壤有机胶结物质，有利于混播草地土壤微环境的改善，因而土壤固碳能力更强。

土壤团聚体形成的实质是土壤有机无机体在静电引力、氢键及羟基等官能团作用下的复合过程。这些有机体无机体多少及其作用机制均会影响团聚体的形成与稳定。土壤有机碳作为团聚体的重要胶结物质，在团聚体的形成与稳定中具有极其重要的作用^[30]。本研究Pearson双侧检验结果表明：土壤各种形态的有机碳（总有机碳、活性有机碳、腐殖质碳）两两之间呈极显著正相关，且机械稳定性和水稳性团聚体的分形维数值均与各有机碳质量分数和小粒径团聚体（＜0.25 mm）呈正相关，与中等粒径团聚体（5.00~3.00，3.00~1.00 mm）呈负相关。可见，土壤小粒径团聚体的减少和中等粒径团聚体的增加有利于降低土壤团聚体质量分形维数，提高土壤稳定性与肥力。