根系活动对黑土团聚体形成与稳定性的影响机制

Soil aggregate is the material foundation of soil structure. Plant root is one of the key factors in the formation and stabilization of aggregates. Structure of Mollisols in Northeast China has degraded due to its high clay content and plough pan, and it can be improved through the role of plant root in soil aggregation. Based on the long-term field experiment, combined with pot and laboratory experiment, we study the effect of roots of plant in alpline meadow grassland and roots of soybean, maize and wheat in cropland on the formation and stabilization of aggregates through the techniques of aggregate separation, computed tomography (CT), and collection of root exudates, and etc. It is aimed to reveal aggregate size distribution and aggregate stability under different vegetation types; to explore the response of aggregate size distribution and aggregate stability to crop roots and their root exudates, and to elucidate the effect of main organic binding agents on the formation and stabilization of aggregates. Such information is invaluable for optimizing cropping rotation systems, improving the structure and fertility of Mollisols in Northeast China.

土壤团聚体是土壤结构的物质基础，根系活动是影响团聚体形成与稳定的关键因子。东北黑土由于黏粒含量高和犁底层的存在，土壤结构不良问题突出，而利用植物根系对土壤的团聚化作用，是解决黑土结构问题的重要措施之一。本项目采用长期定位试验、盆栽和室内模拟试验相结合的方法，应用土壤团聚体分组、CT扫描和根系分泌物收集等技术，研究自然生态系统中草甸化草原植被根系及农田生态系统中大豆、玉米和小麦根系对黑土团聚体形成与稳定性的影响及其机制。其目的在于揭示长期不同植被类型影响下黑土团聚体组成与稳定性的垂直分异规律；阐明黑土团聚体组成与稳定性对不同作物根系及其分泌物的响应；明确作物根系及其分泌物驱动下主要有机胶结物质对土壤团聚体的调控作用。研究将为优化作物轮作模式，改善黑土结构及培育垂直肥力提供理论依据。

本项目研究根系活动对黑土团聚体形成与稳定性的影响及其机制，旨在揭示长期不同植被类型影响下黑土团聚体组成与稳定性的分异规律，明确作物根系及其分泌物驱动下主要有机胶结物质对土壤团聚体的调控作用。主要结果如下：传统耕作和秸秆移除管理措施下，农田土壤有机碳和团聚体稳定性（MWD）均高于裸地，表明根系及其分泌物作为土壤团聚体胶结物质的主要来源，对土壤团聚体形成与稳定具有重要的驱动作用。草地土壤以大团聚体占有绝对优势，尤其＞2000 μm 团聚体含量显著高于农田和裸地，这与草被植物根系的作用直接相关，草地根密度显著高于农田，为农田的23 倍，而无根系作用的裸地不存在＞2000 μm 团聚体。农田不同种植模式对土壤团聚体的组成与稳定性的影响各处理间差异不够明显，但长期小麦连作土壤大团聚体含量和团聚体稳定性显著低于大豆连作、玉米连作和米-豆-麦轮作。传统耕作体系下，与无肥相比，有机培肥显著促进了农田黑土的团聚化作用，这与有机肥施用及根茬输入量增加有关。随着有机肥施用量的增加，250—2000 µm团聚体含量增加，土壤团聚体的稳定性增强，但与中量有机肥处理相比，高量有机肥输入对土壤团聚化的作用并不明显。表明，传统耕作体系下土壤团聚体稳定性（MWD）并不是随着外源有机碳输入量的增加而无限增加，很可能存在一个阈值。黑土母质经过8年不同熟化处理后，自然恢复草地土壤有机碳含量和团聚体稳定性均显著低于有机培肥处理，而对于成熟黑土，长期自然恢复草地尽管有机碳水平低于有机培肥土壤，但土壤团聚体稳定性（MWD）是农田耕作土壤的3.2倍。表明，土壤团聚体的形成与稳定不仅与土壤有机碳的数量有关，同时受土壤有机碳的质量（即有机胶结剂的类型）调控。在基础有机碳水平较高的成熟黑土中，根系作为土壤大团聚体的重要胶结剂，其对土壤团聚体形成与稳定的作用更为突出，也更易受耕作措施的影响。