耕作方式和秸稈還田對華北地區(qū)農田土壤水穩(wěn)性團聚體分布及穩(wěn)定性的影響

田慎重，王 瑜，李 娜，寧堂原，*，王丙文，趙紅香，李增嘉

(1.作物生物學國家重點實驗室，山東省作物生物學重點實驗室，山東農業(yè)大學農學院，泰安 271018;2.山東省水稻研究所，濟南 250100)

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，也是土壤肥力的物質基礎，其結構是作物高產所必須的土壤條件之一［1］。穩(wěn)定的土壤團聚結構對種子發(fā)芽、根系發(fā)育、作物生長以及有機碳保護有著重要的影響，而土壤的團聚過程也是固碳的最重要的途徑之一［2］。因此，團聚體的穩(wěn)定性對土壤肥力、質量和土壤的可持續(xù)利用等都有很大的影響。土壤團聚體的水穩(wěn)定性與土壤可蝕性密切相關［3］，對保持土壤結構的穩(wěn)定性具有重要意義，穩(wěn)定的土壤團聚體有利于保護受團聚體物理保護的有機碳庫免受礦化分解［2］。因而，真正認識土壤團聚體的形成和穩(wěn)定機制以及人類活動的影響，對于利用團聚體的組成與作用功能來調控管理土壤有機碳庫和控制土壤侵蝕具有十分重要的意義［4］。華北平原是我國重要的糧食產地，保護性耕作技術和秸稈還田在此地區(qū)已有了較大范圍的推廣和應用，并取得了一定的經濟和生態(tài)效益。由于不合理的耕作和管理措施會造成土壤的退化侵蝕和土壤碳庫的持續(xù)性降低［5-6］，因此，探明不同耕作措施和秸稈還田條件下農田土壤團聚體分布規(guī)律及其穩(wěn)定性對該地區(qū)農田土壤固碳減排和降低土壤侵蝕程度具有重要意義。本研究利用基于10a的不同耕作措施定位試驗，通過團聚體的質量百分數(shù)及評價其穩(wěn)定性的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)參數(shù)［7-8］，研究不同耕作措施和秸稈還田對該地區(qū)麥玉兩熟農田不同耕層土壤水穩(wěn)性團聚體分布及穩(wěn)定性的影響。

1.1 研究區(qū)概況

本試驗在山東省泰安市山東農業(yè)大學農學試驗站的不同耕作措施定位試驗地進行(始于2002年)。試驗地位于 36°09'30.78″—36°09'27.59″N，117°09'13.79″—117°09'12.02″E，屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，光照充足。該地區(qū)年平均氣溫13.6℃，年均日照時數(shù)2462.3 h，年均降雨量786.3 mm，具有華北平原的典型特點。試驗田土壤為棕壤土，土層深厚，耕層土壤有機碳7.19 g/kg，全氮0.81 g/kg，速效氮108.8 mg/kg，全磷 17.60 g/kg，速效磷 38.4 mg/kg，土壤容重 1.43 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，主區(qū)為耕作方式，分為免耕(N)、旋耕(R)、耙耕(H)、深松(S)和常規(guī)耕作(C)5種;副區(qū)為秸稈，分為秸稈全量還田(P)和無秸稈還田(A)2種。兩因素相互組合共10個處理(表1)。試驗設3次重復，小區(qū)面積15m×4m。試驗采用冬小麥-夏玉米輪作體系，各處理統(tǒng)一田間管理，小麥季基施純N 225 kg/hm2，P2O5180 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2，各處理在拔節(jié)期統(tǒng)一追施純 N 100 kg/hm2，澆拔節(jié)水 160 mm;玉米季基施純 N 120 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 100 kg/hm2，大喇叭口期追施純 N120 kg/hm2。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatments

1.3 樣品采集及分析

1.3.1 土樣采集

土樣采集于2011年10月進行，用直徑為10cm的環(huán)刀(避免外力擠壓，以保持原來的結構狀態(tài))多點(3點—5點)采集有代表性的原狀耕層土壤，分0—10cm、10—20cm和20—30cm 3個層次。運回室內后(運輸時避免震動和翻倒)，沿土壤的自然結構輕輕地剝開，將原狀土剝成小土塊，同時防止外力的作用而變形，過7mm篩，并剔去粗根和小石塊。土樣攤平在透氣通風處，讓其自然風干。

1.3.2 測試方法

土壤水穩(wěn)定性團聚體含量采用濕篩法［9］。各處理取50g的土樣，用于濕篩的分析使用。濕篩分析在團聚體分析儀上進行，一次可同時分析4個土樣。套篩孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25、0.053mm。將土樣倒入套篩后，浸潤10min，開啟團聚體分析儀，使之達到20次/min(上下篩動時套篩不能露出水面)，定時2min。篩好后，將套篩拆開，留在篩子上的各級團聚體用細水流通過漏斗分別洗入鋁盒，帶澄清后倒去上面的清夜，烘箱55℃風干，在空氣中平衡2h后稱重［10］，各處理3次重復。

1.4 結果計算

(1)不同粒級水穩(wěn)性團聚體的質量百分比［11］

式中，wi為某級水穩(wěn)定性團聚體的質量分數(shù)(%);Wwi為該級水穩(wěn)定性大團聚體的風干質量(g)。

(2)水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量［11］

式中，R0.25為水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量(＞0.25mm)，Mi＞0.25大于 0.25mm 團聚體的重量，MT團聚體的總重量。(3)平均重量直徑(MWD)［10］

式中，MWD為平均重量直徑;yi為各粒級土粒的重量百分比;xi為各粒級的平均直徑。

(4)幾何平均重量(GMD)［10］

式中，GMD為幾何平均直徑;wi為各粒級土壤的重量;xi為各粒級平均直徑。

1.5 數(shù)據分析

試驗所得數(shù)據采用Excel 2003處理。數(shù)據統(tǒng)計分析采用DPS 7.05數(shù)據分析系統(tǒng)作方差分析(LSD)和回歸分析，作用力分析為兩因素隨機區(qū)組進行方差分析時，將試驗變異來源分為區(qū)組間、A因素(耕作因素)、B因素(秸稈還田)、兩因素交互效應、誤差及總變異幾部分，各部分所引起的變異大小由其所產生的平方和表示，因此耕作因素、秸稈還田因素及其交互效應作用力(各部分所引起的變異在總變異中所占的比例)可用下式計算［12］:

2 結果與分析

2.1 耕作方式及秸稈還田對農田土壤0—30cm水穩(wěn)性團聚體分布的影響

由表2可以看出，無論是秸稈還田處理還是無秸稈還田處理，不同耕作措施條件下0—10cm土層的水穩(wěn)性團聚體多集中于2—5mm，而5—7mm粒級的水穩(wěn)性團聚體最少。各處理0.05—0.5mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體分布較平均，沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。但不同耕作措施之間則反映出不同的分布特點，由于深松鏟和免耕措施對0—10cm表層擾動較小，PS和PN處理的水穩(wěn)性團聚體多集中于2—5mm，且數(shù)量顯著高于其它處理。而旋耕(PR)由于多作用于表層(0—15cm)，且擾動劇烈，其水穩(wěn)性團聚體主要分布在0.25—5mm粒級，較其它處理分布更廣泛。而通過比較秸稈還田對水穩(wěn)性團聚體數(shù)量的影響發(fā)現(xiàn)，除PN外，秸稈還田條件下＜0.05mm的水穩(wěn)性團聚體數(shù)量要顯著小于無秸稈還田處理，說明秸稈還田有利于微團聚體團聚成更大粒級的團聚體，并且秸稈還田可能會在耕作時增加擾動阻力，減少對團聚體的破壞作用。

表2 不同耕作措施和秸稈還田對0—10cm土層水穩(wěn)性團聚體分布的影響Table 2 Effects of different tillage and straws systems on soil water-stable aggregate distribution in 0—10 cm layer

通過表3可以看出，10—20cm土層水穩(wěn)性團聚體數(shù)量多集中在以2—5mm和0.5—1mm。但不同耕作措施則表現(xiàn)出不同的分布趨勢。PS處理水穩(wěn)性團聚體主要以0.25—5mm粒級為主，分布較均勻;PH處理則以0.25—0.5mm粒級的水穩(wěn)性團聚體為主。而PC處理主要集中在2—5mm粒級，由此可以看出，不同耕作措施對10—20cm水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量產生了較大的影響，使之表現(xiàn)出不同的分布趨勢。但在該層次，秸稈還田處理和無秸稈還田處理之間并沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

由表4可以看出，在20—30cm土層水穩(wěn)性團聚體的分布要比0—20cm更為廣泛。不同耕作措施處理表現(xiàn)出更為明顯的分布規(guī)律。PC處理水穩(wěn)性團聚體主要集中在0.5—1mm粒級，PS為2—5mm和0.5—1mm粒級，PH和PR處理則廣泛的分布于0.5—5mm粒級，而PN處理為2—5mm粒級。除AC和PC外，秸稈還田處理0.05—0.25mm水穩(wěn)性團聚體數(shù)量要顯著低于無秸稈還田處理，說明在20—30cm土層秸稈還田依然能影響到水穩(wěn)性大團聚體的形成。另外，AH和AR相對于PH和PR處理水穩(wěn)性團聚體在20—30cm土層多呈集中趨勢。

表3 不同耕作措施和秸稈還田對10—20cm土層水穩(wěn)性團聚體分布的影響Table 3 Effects of different tillage and straws systems on soil water-Sstable aggregate distribution in 10—20 cm layer

表4 不同耕作措施和秸稈還田對20—30cm土層水穩(wěn)性團聚體分布的影響Table 4 Effects of different tillage and straws systems on soil water-stable aggregate distribution in 20—30 cm layer

2.2 不同耕作方式和秸稈還田條件下農田土壤0—30cm水穩(wěn)性大團聚體的數(shù)量

土壤大團聚體是土壤結構最基本的單元，是土壤肥力的中心調節(jié)器，具有保證和協(xié)調土壤中的水肥氣熱、維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層等作用，在一定程度上表征土壤通氣性與抗蝕性［13-14］。由表5可以看出，各處理水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量表現(xiàn)出不同的趨勢，PS、PR、PH和PN處理在0—10cm土層的水穩(wěn)性大團聚體要顯著高于對照PC處理，且秸稈還田處理顯著高于無秸稈還田處理，說明保護性耕作和秸稈還田能更好的保護表層土壤的團聚體免受侵蝕。但在10—20cm土層，PS處理水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量顯著高于其它處理。20—30cm土層PN和PS處理顯著高于其它處理(除AC外)。

2.3 耕作方式與秸稈還田及其交互效應對不同耕層土壤中水穩(wěn)性大團聚體的作用力分析

通過作用力分析(表6)可以看出，在0—10cm表層，秸稈是影響水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量的主要因素(P＜0.001)，而耕作和秸稈的交互效應對水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量的作用力也達到了極顯著水平(P＜0.01)。但10—20cm土層，影響其數(shù)量分布的主要因素是不同的耕作措施及耕作和秸稈的交互效應，兩者均達到了極顯著水平(P＜0.001)。在20—30cm，秸稈因素依然能對水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量產生重要的影響(P＜0.01)，但主要作用力來自耕作措施和秸稈的交互效應(P＜0.001)。

表5 各處理土壤中水穩(wěn)性大團聚體的數(shù)量Table 5 The proportion of water-stable macroaggregate in different treatments

表6 耕作方式、秸稈還田及其交互效應對各處理土壤中水穩(wěn)性大團聚體的作用力分析Table 6 Affect force analysis of different tillage methods，straw returning and their interaction on water-stable macroaggregate

2.4 不同耕作措施和秸稈還田條件下不同耕層土壤水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑

土壤團聚體指數(shù)MWD和GMD值是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，MWD和GMD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強［11，15］。本研究表明(表7)，0—10cm土層，免耕、旋耕、深松和耙耕措施的MWD和GMD值要顯著高于常規(guī)耕作，說明保護性耕作措施后土壤表層的水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性要顯著高于常規(guī)耕作。但在10—20cm土層則表現(xiàn)出相反的趨勢，常規(guī)耕作的MWD和GMD值顯著高于保護性耕作處理。20—30cm土層免耕處理MWD和GMD值顯著高于其它處理。但深松和常規(guī)耕作措施處理MWD和GMD值在0—30cm土層一直降低，說明這兩種耕作方式對30cm左右的土壤依然有較強烈的擾動，降低了水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。綜合來看，免耕相對于其它耕作方式能更好的保護土壤團聚體的穩(wěn)定性。

表7 不同耕作方式和秸稈還田對0—30cm土壤團聚體穩(wěn)定指數(shù)的影響Table 7 Soil aggregate stability indices(MWD and GMD)under different tillage and straws systems in 0—30cm layer

2.5 0—30cm的土壤有機碳含量及其與團聚體穩(wěn)定性的多元回歸分析

由圖1可以看出，不同耕作措施的秸稈還田處理SOC含量顯著高于無秸稈還田處理，這在0—10cm土層尤其明顯，說明更多的碳在土壤表層聚積，但隨著土層的加深SOC含量逐漸降低，而常規(guī)耕作0—30cm土層的有機碳含量并無顯著性差異。免耕和深松耕處理SOC含量顯著高于其它處理。

圖1 不同耕作措施和秸稈還田條件下的0—30cm有機碳含量Fig.1 The content of soil organic carbon(SOC)in 0—30cm layers under different tillage and straws systems

SOC作為土壤團聚體過程中的膠結劑［16-17］，其含量顯著影響著土壤團聚體的穩(wěn)定性。如圖2所示，在0—10cm表層，較高的SOC含量促進了較大的團聚體的穩(wěn)定性(R2=0.71，P＜0.01)，但在10—30cm兩個層次，SOC并不是影響團聚體穩(wěn)定性的主要因素。

3 討論與結論

本研究結果表明，不同耕作措施處理的水穩(wěn)性大團聚體在0—10cm，10—20cm和20—30cm土層表現(xiàn)出不同的分布趨勢(表2—表4)，說明不同耕作方式由于對土壤的耕作深度、擾動程度等方面的差異，造成水穩(wěn)定團聚體分布的差異。隨著土層的加深，水穩(wěn)性團聚體的分布范圍呈擴大趨勢，說明各處理水穩(wěn)定團聚體粒徑逐漸減小，大團聚體數(shù)量逐漸降低，其中常規(guī)耕作和深松處理尤其如此，從MWD和GMD值進一步印證了此結論(表7)，說明這兩種耕作方式對30cm左右的土壤擾動強烈，降低了水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。另一方面，不同耕作措施的秸稈還田處理水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量顯著高于無秸稈還田處理，說明秸稈還田顯著影響了水穩(wěn)性大團聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性(表5，表7)。作用力分析進一步說明，耕作、秸稈還田和兩者交互效應是影響土壤水穩(wěn)性團聚體在不同土層分布和穩(wěn)定性的重要因素(表6)。

不同耕作措施對土壤水穩(wěn)性團聚體的分布和穩(wěn)定性已有較多的報道［18-20］。本文結果表明，免耕、耙耕和旋耕處理的MWD和GMD值在0—10cm和20—30cm高于10—20cm，說明旋耕和耙耕處理降低了10—20cm水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性，但這兩種耕作方式產生的犁底層大致在20—30cm左右，使20—30cm的團聚體免受機械作用破壞使其穩(wěn)定性增加。免耕處理更能有效地保護表層土壤水穩(wěn)定團聚體的穩(wěn)定性，這與梁愛珍等研究結果一致［18］。免耕條件下土壤結構受到保護，SOC含量高(圖1)，土壤顆粒膠結作用增強，促進土壤的團聚作用，大粒級團聚體含量增加，穩(wěn)定性也相應增強［21］。有研究表明，免耕處理不翻動土壤，秸稈還田后土壤有機質有在表層土壤富集的現(xiàn)象［22］，而土壤有機質是團聚體分級的主要膠結劑，水穩(wěn)性團聚體的形成，必須有賴于土壤中的有機質［16-17］，免耕處理下較慢的大團聚體周轉，有利于大團聚體中更多微團聚體的產生，更有利于增加土壤團聚體穩(wěn)定性。但在10—20cm穩(wěn)定性降低可能是由于該層根系的密集分布導致團聚體生物穩(wěn)定性降低［23-24］。

圖2 0—30cm各土層的有機碳含量與MWD的多元回歸分析Fig.2 The multiple regression analysis between SOC and MWD in 0—30cm layer

各耕作措施處理秸稈還田后能顯著提高土壤的SOC含量，且0—10cm土層的SOC含量顯著高于10—30cm(圖1)。而作為團聚體膠結物質的有機質含量升高，一定程度上有利于提高水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性［21］。多元回歸分析進一步表明，0—10cm的SOC含量與水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性回歸關系達到極顯著水平(圖2)，但在10—30cm兩者并無顯著性關系(圖2)，說明秸稈還田通過影響土壤中的SOC含量來影響水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性。但是當秸稈不是主要決定因素時，其穩(wěn)定性又取決于耕作或兩者的交互效應。

而兩者的交互效應更多的是通過耕作作業(yè)使土壤和秸稈充分混合后，在土壤微生物作用下產生的一種綜合生態(tài)效應［25］，而不同的耕作措施條件下其與秸稈在土壤中產生了不同的交互效應。例如常規(guī)耕作和免耕，常規(guī)耕作表層和30 cm左右的土壤和秸稈隔年翻換，從而使各土層有機碳含量相對均衡、穩(wěn)定，但翻耕后，土壤中易礦化的SOC因不斷被礦化而損失，造成含量偏低(圖1)，且劇烈的擾動造成團聚體穩(wěn)定性降低(表7)。而免耕保持了原有的土壤結構，SOC含量高(圖1)，土壤團聚體具有較高的穩(wěn)定性(表7)。由此可見，兩者的相互作用不僅影響土壤中的SOC含量，而且能進一步通過微生物作用影響土壤團聚體的團聚和裂解，導致團聚體穩(wěn)定性的差異［26-27］。

許多團聚體穩(wěn)定性研究由于過多注重耕作因素的擾動造成的差異，而忽視了秸稈因素在團聚體穩(wěn)定性方面的重要作用，秸稈還田后不但可以顯著提高土壤耕層的SOC含量，還能增加耕作對土壤過度干擾的阻力［10］，影響真菌等微生物的活性而影響團聚體的生物穩(wěn)定性［27］。了解耕作因素、秸稈因素及兩者的交互作用對團聚體穩(wěn)定性的多重影響，對研究農田土壤團聚體的分布和穩(wěn)定機制以及土壤團聚體碳庫具有重要意義。不同耕作措施對土壤有機質和團聚體的強烈影響仍是目前影響農田土壤固碳減排的主要因素，針對穩(wěn)定的團聚體對有機碳物理保護作用以及有機質作為土壤團聚體的重要膠結劑，結合目前的研究現(xiàn)狀，需進一步研究和闡明不同耕作措施和秸稈還田及其交互效應下土壤團聚體和土壤有機碳的相互作用及土壤固碳機制，這對于不同地區(qū)的農田土壤固碳減排研究具有十分重要的意義。

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