種植方式對華北平原典型農(nóng)田土壤微形態(tài)特征的影響

孫增慧 韓霽昌 劉 哲 呂貽忠

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司， 西安 710075； 2.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 北京 100093)

種植方式對華北平原典型農(nóng)田土壤微形態(tài)特征的影響

孫增慧1韓霽昌1劉 哲1呂貽忠2

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司， 西安 710075； 2.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 北京 100093)

以華北平原曲周18年長期定位試驗的農(nóng)田土壤為研究對象，利用偏光顯微鏡觀察常規(guī)種植、無公害種植和有機種植3種種植方式下的土壤薄片，研究種植方式對土壤微形態(tài)特征的影響。結(jié)果表明：3種種植方式下的土壤和土壤粗顆粒的礦物組合基本一致，主要由石英和長石組成，但顆粒的形態(tài)和粒徑有一定差別；有機種植下，土壤表層結(jié)構(gòu)由中度分離的塊狀和板狀結(jié)構(gòu)為主變?yōu)閳F粒結(jié)構(gòu)為主，發(fā)育良好的團聚體含量明顯增加，土壤容重顯著下降，有機質(zhì)顯著增加；表層土壤容重為1.19 g/cm3，有機質(zhì)含量為22.67 g/kg，總孔隙度高達32%。常規(guī)種植條件下，土壤表層結(jié)構(gòu)以中度分離的塊狀結(jié)構(gòu)為主，土壤結(jié)構(gòu)較為緊實，發(fā)育程度較低；表層土壤容重為1.30 g/cm3，有機質(zhì)含量為18.42 g/kg，表層的總孔隙度為30%。無公害種植條件下，土壤表層結(jié)構(gòu)以中度分離的團塊狀結(jié)構(gòu)和少量的高度分離的粒狀結(jié)構(gòu)為主，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育程度居于有機種植和常規(guī)種植二者之間。因此，有機種植條件下土壤結(jié)構(gòu)疏松，土壤透氣性良好，有利于作物生長。

土壤微形態(tài)； 土壤結(jié)構(gòu)； 種植方式； 農(nóng)田土壤； 華北平原

引言

土壤結(jié)構(gòu)是不斷變化的具有生命力的實體，在其中不斷進行著物質(zhì)和能量的交換過程，其自身也在運動和變化[1]。土壤的漲縮、分散和團聚等過程不僅是結(jié)構(gòu)變化的過程，也與土壤水、氣、熱運動和物質(zhì)轉(zhuǎn)化(如碳和氮)密切相關(guān)。土壤結(jié)構(gòu)是由各級土壤的組成物質(zhì)和土壤孔隙形成的三維結(jié)構(gòu)[2]，是地球上最為復(fù)雜的生物材料[3]。對其結(jié)構(gòu)的研究始終是土壤學領(lǐng)域的一個重大難題，而研究土壤微形態(tài)是研究土壤特征的一個必不可少的環(huán)節(jié)。

土地利用可以使土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一系列的變化[4-6]，不同土地利用方式的土壤微形態(tài)特征也會發(fā)生改變。土壤微形態(tài)特征及其變化規(guī)律可以反映土壤形成、發(fā)育演變及與環(huán)境的關(guān)系，這有助于更深入地了解人為因素在改變土壤結(jié)構(gòu)過程中的地位和作用[1, 7-11]。目前土壤微形態(tài)研究領(lǐng)域多集中在土壤形成分類的微形態(tài)、土壤肥力的微形態(tài)、區(qū)域土壤的微形態(tài)、古土壤微形態(tài)和土壤退化的微形態(tài)研究等方面[12]。張曉娜等[13]研究了北京地區(qū)不同土綱典型剖面的土壤微形態(tài)特征；何海燕等[14]對不同土地利用方式下的土壤微形態(tài)特征作了對比研究；鄭毅等[15]分析了自然和農(nóng)業(yè)環(huán)境土壤微形態(tài)形成過程和生態(tài)功能；聶勝委等[16]和龐獎勵等[17]報道了長期施肥和退耕還林對土壤微形態(tài)的影響；申思雨等[18]研究了不同種植方式對溫室土壤微形態(tài)的影響。

華北平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，但該地區(qū)土壤質(zhì)量下降問題已成為威脅該區(qū)糧食生產(chǎn)的一個重要問題[19-20]，而目前從微形態(tài)學角度對該地區(qū)土壤質(zhì)量的研究鮮見報道。通過對土壤微形態(tài)的研究，可以了解土壤骨骼顆粒、細粒物質(zhì)、土壤形成物等的形態(tài)和土壤顆粒的組配與空間分布、形態(tài)、結(jié)構(gòu)，并分析微觀形態(tài)的發(fā)生，從而了解土壤中進行的各種過程以及成土母質(zhì)礦物與有機體之間的關(guān)系[21-22]。土壤結(jié)構(gòu)對于農(nóng)田土壤保水保肥至關(guān)重要，研究種植方式對土壤微形態(tài)特征的影響對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、土壤改良有著重要的意義。長期定位施肥試驗是研究土壤質(zhì)量演變的重要方法和手段，能夠?qū)ν寥蕾|(zhì)量演變規(guī)律與趨勢、養(yǎng)分循環(huán)與平衡等問題進行系統(tǒng)研究[23]。因此，本文研究農(nóng)田土壤中不同種植方式下的土壤微形態(tài)，試圖從微形態(tài)的角度闡明華北平原典型農(nóng)田中不同種植方式對土壤的影響，以期為該區(qū)土壤改良及可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點設(shè)在中國農(nóng)業(yè)大學曲周長期定位試驗站(36°52′N、115°01′E)，全區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫13.1℃，年均無霜期210 d，多年平均降水量604 mm。根據(jù)中國土壤系統(tǒng)分類該地土壤為鹽化潮褐土。長期定位施肥試驗開始于1994年，到2012年已進行了18年。不同處理間的施肥方式及施肥量見表1。

表1 不同處理施肥方式及施肥量Tab.1 Fertilization methods and amount of fertilizer used for different treatments

1.2 研究方法

1.2.1 采樣方法

在長期定位試驗田中，于2012年9月下旬，在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm 3個土層分別采集混合土樣和原狀土樣，每個小區(qū)設(shè)置3個重復(fù)。在采集和運輸過程中盡量減少對土壤的擾動，以免破壞團聚體。

1.2.2 試驗分析方法

土壤容重采用環(huán)刀法[24]，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法[24]。顏色描述、粒度、總有機碳含量(TOC)和CaCO3含量測定參照文獻[25]。土壤微形態(tài)樣品的固化參照文獻[26]方法，土壤薄片(32 mm×24 mm)在Leica-DMRX偏光顯微鏡下觀察，有關(guān)微形態(tài)參數(shù)的定量測量在SISCIASV 8.0金相圖像處理分析軟件下完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面特征及理化性質(zhì)

從剖面實際觀察和樣品分析結(jié)果看，3個處理下土壤剖面的分異均較清楚，剖面構(gòu)型也相似，均為Ap1-Ap2-AB，但各發(fā)生層的理化性質(zhì)存在差異(表2)。

表2 不同種植方式下土壤剖面特征Tab.2 Pedological description of soil under different planting patterns

注：土壤發(fā)生層中，A為淋溶層；B為淀積層；p為經(jīng)耕作或其他措施擾動的土層；AB為過渡土層。

2.2 種植方式對土壤容重和有機質(zhì)含量的影響

有機種植較常規(guī)種植和無公害種植顯著降低了土壤容重(表3)。其中，在0～10 cm土層中，有機種植的土壤容重較常規(guī)種植和無公害種植的土壤容重分別降低了8.5%和7.0%；10～20 cm土層中，分別降低了2.6%和2.0%；20～40 cm土層中，分別降低了5.8%和4.6%。說明長期有機種植方式下的土壤緊實度降低，且表層容重小于底層。

有機種植較常規(guī)種植和無公害種植顯著增加了土壤有機質(zhì)含量(表3)。其中，在0～10 cm土層中，有機種植的土壤有機質(zhì)含量較常規(guī)種植和無公害種植有機質(zhì)含量分別增加了23.1%和15.0%；10～20 cm土層中，分別增加了26.8%和24.4%；20～40 cm土層中，分別增加了18.9%和6.6%。

表3 不同種植方式下土壤容重和有機質(zhì)含量Tab.3 Soil bulk density (BD) and organic matter (OM) content under different planting patterns

注：數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值，同一行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.3 不同種植方式對土壤微形態(tài)的影響

2.3.1 種植方式對土壤微結(jié)構(gòu)特性的影響

土壤微形態(tài)描述按照STOOPS[27]于2003年修訂的標準進行描述，具體見表4。不同種植方式下土壤微結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，在常規(guī)種植下，上層土壤為中度分離的塊狀結(jié)構(gòu)和中度分離的板狀結(jié)構(gòu)，孔隙類型主要為裂隙和簡單堆積孔隙(圖1a)，孔隙壁相對較粗糙(R=1.96)，單個孔隙相對較小(D=10.2 μm)。土壤中新鮮植物殘體及有機質(zhì)含量較少，且土壤生物活動痕跡較弱。下層土壤結(jié)構(gòu)緊實，土壤微結(jié)構(gòu)主要類型為弱分離的塊狀微結(jié)構(gòu)(圖1d)和致密的弱分離塊狀結(jié)構(gòu)(圖1g)，孔隙壁較粗糙(R=1.69)，單個孔隙較小(D=8.7 μm)。在薄片中沒有發(fā)現(xiàn)有新鮮的有機質(zhì)和土壤生物活動的痕跡(圖1g)，表明該土壤不利于土壤團聚體的形成。

無公害種植下，上層土壤為中度分離的團塊狀結(jié)構(gòu)和少量高度分離的粒狀結(jié)構(gòu)(圖1b)，孔隙壁相對較光滑(R=2.14),單個孔隙相對較大(D=11.9 μm)，土壤中有少量的新鮮植物殘體和土壤生物活動的痕跡。下層土壤微結(jié)構(gòu)主要類型為中度分離的塊狀微結(jié)構(gòu)和中度分離的板狀微結(jié)構(gòu)(圖1e)和弱分離的塊狀結(jié)構(gòu)和少量的板狀微結(jié)構(gòu)(圖1h)，孔隙壁相對較粗糙(R=1.98)，單個孔隙相對較小(D=9.7 μm)。說明在該條件下，土壤生物活性增強，有機質(zhì)含量升高。

表4 不同種植方式下土壤微形態(tài)特性Tab.4 Soil micro morphological characteristics under different planting patterns

注：R為孔隙壁光滑的程度；D為與孔隙面積相等的圓的直徑，μm。

圖1 不同種植方式下土壤微結(jié)構(gòu)特征(圖像尺寸：1.10 mm×0.76 mm)Fig.1 Micro structure characteristics under different planting conditions

有機種植下，上層土壤結(jié)構(gòu)主要為比較松散的團粒狀結(jié)構(gòu)，孔隙壁較光滑(R=2.46)單個孔隙較大(D=16.4 μm)，新鮮的植物殘體含量較大，在新鮮的植物殘體附近可以看到一些土壤生物的排泄物，也觀察到土壤生物活動的痕跡(圖1c)。下層土壤微結(jié)構(gòu)主要類型是中度分離的團粒狀結(jié)構(gòu)和中度分離棱角塊狀微結(jié)構(gòu)，也可以觀察到一定量的新鮮有機質(zhì)和土壤生物活動的糞便(圖1f)，孔隙壁相對較光滑(R=2.12)，單個孔隙相對較大(D=11.3 μm)，在20～40 cm土層中也觀察到少量土壤生物活動的痕跡和未完全分解的植物殘體(圖1i)。說明在該種植方式下有助于發(fā)育良好的團聚體的形成，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育良好。

顯微鏡下觀察到的有機質(zhì)主要是植物殘體、腐殖質(zhì)凝團和蚯蚓糞粒。3種處理中有機質(zhì)種類基本相似，但數(shù)量上有差異。土壤有機質(zhì)主要來源于植物、土壤生物殘體和動物的排泄物，排泄物與土壤中生物活動和生物量有著直接的關(guān)系[17]。有機種植中有相對較多的蚯蚓糞粒，且有較高的總有機碳(表2)，說明有機種植中生物活動較其他種植方式活躍強烈。這可能是因為有機種植中施入較多的有機肥，有利于土壤生物的生存和繁殖，因而造成了土壤微結(jié)構(gòu)的差異。

2.3.2 種植方式對土壤孔隙類型的影響

常規(guī)種植下的土壤面狀裂隙(圖2a)、簡單堆集性孔隙較多。無公害處理的土壤切片孔洞(圖2b)、孔道(圖2c)、樹枝狀孔隙較多，囊孔(圖2d)和復(fù)合堆集性孔隙相對較少。有機肥處理的土壤切片中樹枝狀孔隙(圖2e)和復(fù)合堆集性孔隙(圖2f)較多，孔道和孔洞次之，裂隙和根孔較少。

圖2 土壤孔隙類型的微形態(tài)特征(圖像尺寸：1.10 mm×0.76 mm)Fig.2 Morphological characteristics of soil gap type

在0～40 cm土層中有機種植孔隙度最高，約為28%～32%；無公害種植次之，約為26%～31%；常規(guī)種植最低，約為26%～30%(表4)。與申思雨等[18]在溫室土壤中所得出的結(jié)果相似。這主要是由于常規(guī)施肥區(qū)長年施用化肥，留在土壤中的植物殘體較少，土壤有機質(zhì)含量低，土壤結(jié)構(gòu)體和孔隙發(fā)育差，導(dǎo)致孔隙度較低。有機種植中每年有大量的有機物質(zhì)施入土壤中，使得土壤中的有機質(zhì)含量增加，微生物和酶的活性相應(yīng)提高，動物活動也增強，促使土壤結(jié)構(gòu)體和孔隙發(fā)育良好，孔隙度較高。而且3種處理中的孔隙面積百分比都是隨著深度的增加而逐漸減小，這可能是由于人為耕作的影響。

2.4 種植方式對土壤粗顆粒分布特征的影響

土壤中的礦物種類及其含量主要由母巖決定。根據(jù)不同種植方式下土壤切片的觀察，不同處理下土壤礦物組成基本相似。主要以石英、長石、云母為主，粗粒物質(zhì)主要是石英。星散斑點狀均勻分布著大量石英顆粒(圖3a)，邊緣不規(guī)則，棱角突出；也有少量粒徑較大的石英顆粒(圖3b)；還觀察到橄欖石(圖3c)和斜長石(圖3d)，橄欖石出現(xiàn)在巖屑中的頻率比在基質(zhì)中的頻率高；在土壤切片中還發(fā)現(xiàn)有少量的巖屑(圖3e)和黃鐵礦(圖3f)。巖屑呈橢圓形或圓形，邊緣很平滑，巖屑中間往往有邊緣不規(guī)則的石英。黃鐵礦在正交偏光下呈現(xiàn)黃銅色，具有金屬光澤。

3個處理的粗顆粒形態(tài)有明顯差異(表5)。0～40 cm土層中粗顆粒的平均粒徑由小到大排序均為：有機種植、無公害種植、常規(guī)種植；球度平均值由小到大排序為：有機種植、無公害種植、常規(guī)種植；圓度平均值由小到大排序為：常規(guī)種植、無公害種植、有機種植。常規(guī)種植僅在20～40 cm土層有明顯定向性，值為57.89%；無公害種植僅在20～40 cm土層有弱的定向性，值為49.62%?？紫兜男螤詈蛿?shù)量在一定程度上反映土壤結(jié)構(gòu)的改良程度、土壤變異程度和土壤水分運動的狀態(tài)[28]。在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層中，常規(guī)種植下的礦物面積百分比要低于無公害種植和有機種植。在常規(guī)種植下礦物面積百分比變化范圍為12%～18%，無公害種植下變化范圍為17%～22%，有機種植下變化范圍為17%～21%。這可能由于常規(guī)種植下，土壤中的有機質(zhì)含量和酶活性都較低，土壤微生物和土壤動物活性也較低，作物根系生長受到一定的影響，根系分泌物減少，對礦物的風化和土壤的發(fā)育產(chǎn)生了一定的影響。

圖3 土壤礦質(zhì)組分微形態(tài)特征(圖像尺寸：1.10 mm×0.76 mm)Fig.3 Morphological characteristics of soil mineral component

表5 不同種植方式下土壤粗顆粒特征Tab.5 Features of coarse particles of soil under different planting patterns

注：顆粒數(shù)，土壤薄片中參與統(tǒng)計的粗顆粒數(shù)；礦物組合中：Q，石英；Fs，長石；Mica，云母；Ol，橄欖石；Py，黃鐵礦；Op，不透明礦物。++表示含量為2%～4%；+表示含量為1%～2%；± 表示含量小于1%；-表示含量為未見或缺少；球度，粗顆粒長與寬的比值；定向性，長軸與水平夾角為0°的顆粒所占的比例；圓度，粗顆粒邊沿圓滑的程度。

土壤中不穩(wěn)定礦物的含量與其受到的風化程度有關(guān)，受到土壤含水率及運移過程、土壤溫度、土壤生物、pH值等土壤內(nèi)部條件的制約[29]。3個處理的土壤在未進行長期定位試驗前，土地的利用方式基本一致，作物品種、施肥類型、土壤翻耕的方式和強度都相同。顯然，3種處理土壤粗顆粒的差異主要歸因于施肥類型不同。由于有機種植長期施用有機肥，土壤比較疏松，土壤環(huán)境和生物活動等條件更有利于礦物的風化和分解，即有利于顆粒變小變圓。因此，有機種植下粗顆粒形態(tài)特征參數(shù)的分異程度降低(表5)。

3 結(jié)論

(1)有機種植下，土壤容重顯著下降，表層土壤容重僅為1.19 g/cm3，且土壤有機質(zhì)含量增加顯著，表明有機種植方式有利于顯著疏松土壤。

(2)3種種植方式中土壤粗顆粒的礦物組合基本一致，主要由石英和長石組成。經(jīng)過長期的有機種植，土壤表層結(jié)構(gòu)由中度分離的塊狀和板狀結(jié)構(gòu)為主變?yōu)閳F粒結(jié)構(gòu)為主，發(fā)育良好的團聚體含量明顯增加，且土壤中新鮮生物排泄物含量增加。施用有機肥有利于增加土壤團聚體含量，促進團聚體結(jié)構(gòu)的發(fā)育。

(3)有機種植下的孔隙由簡單堆積孔隙為主轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合堆疊孔隙和面狀孔隙為主，孔隙壁較光滑，R范圍為2.12～2.46，單個孔隙較大、D范圍為11.3～16.4 μm；與常規(guī)種植相比，無公害種植和有機種植均明顯的提高了孔隙壁的光滑度和單個孔隙的直徑。有機種植下的土壤孔隙面積百分比要大于常規(guī)種植和無公害種植，表層的總孔隙度高達32%。因此長期有機種植條件下，土壤的結(jié)構(gòu)疏松、透氣性良好，有利于作物生長。

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Effect of Planting Patterns on Soil Micro Structure in Typical Farmland of Huabei Plain

SUN Zenghui1HAN Jichang1LIU Zhe1Lü Yizhong2
(1.ShaanxiProvinceLandEngineeringConstructionGroup,Xi’an710075,China2.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100093,China)

Based on an 18-year experiment with different planting patterns in Quzhou County of Huabei Plain, the farmland soils under the conventional cultivation, pollution-free cultivation and organic planting conditions were used to investigate the effects of planting patterns on soil micro morphological characteristics. Soil samples under the three planting conditions were collected and then soil thin sections were made. Soil micro morphological characteristics in soil thin sections were segmented from cross plain light photographs by image analysis. Results showed that the three soils were quite similar in mineral composition under three planting patterns. Their coarse granules were mainly formed of quartz and feldspar, but there was somewhat difference in size and shape of particles. The soil matrix and soil aggregates were well developed and soil organic matters were increased by about 25% under the organic planting condition, compared with conventional cultivation. The organic planting led to the highest soil pore area and soil surface porosity was up to 32%, the bulk density was the lowest with value of 1.19 g/cm3and the organic matter was the highest of 22.67 g/kg. Under the conventional cultivation condition, the bulk density of topsoil was 1.30 g/cm3, the organic matter was 18.42 g/kg, the soil surface porosity was 30%, and soil structure was tight and under-developed. Under the pollution-free cultivation condition, the development degree of soil structure was bigger than that under the conventional cultivation condition, but it was less than that under organic planting condition. Therefore, soil structure was loose and well developed under the organic cultivation condition for plant growth.

soil micro morphology; soil structure; planting pattern; farmland soil; Huabei Plain

2016-08-23

2016-11-14

國家自然科學基金項目(41571317)、“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B01)、環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(2013467036)和陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目(2016KCT-23)

孫增慧(1987—)，男，工程師，博士，主要從事土地工程和土壤物理研究，E-mail: sunzenghui061@126.com

呂貽忠(1965—)，男，教授，博士，主要從事土壤化學研究，E-mail: lyz@cau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.035

S152.2

A

1000-1298(2017)05-0282-08