不同耕作措施對旱作農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響*

武 均, 蔡立群,3, 張仁陟,3**, 齊 鵬, 張 軍,3, Yeboah STEPHEN

?

不同耕作措施對旱作農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響*

武 均1,2, 蔡立群1,2,3, 張仁陟1,2,3**, 齊 鵬1,2, 張 軍1,2,3, Yeboah STEPHEN4

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 蘭州 730070; 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 蘭州 730070; 3. 甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術研究中心 蘭州 730070;4. 加納作物研究所 庫馬西 3785)

為了探明隴中黃土高原旱作農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體崩解機制, 以連續(xù)進行15年的不同耕作措施長期定位試驗為研究對象, 利用LB濕篩法(快速濕潤法、慢速濕潤法和預濕潤后擾動法)和傳統(tǒng)濕篩法探索了傳統(tǒng)耕作(T)、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田(TS)、免耕(NT)、免耕+秸稈覆蓋(NTS)4種耕作措施對隴中黃土高原旱作農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響及其破壞機制。結果表明: 不同耕作措施下, 4種濕篩法處理后, <0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體含量排序為: 傳統(tǒng)濕篩法>快速濕潤法>預濕潤后擾動法>慢速濕潤法; 4種濕篩法處理后, 團聚體平均重量直徑排序為: 慢速濕潤法>預濕潤后擾動法>快速濕潤法>傳統(tǒng)濕篩法; 不同耕作措施下, 土壤團聚體相對崩解指數(shù)高于相對機械破壞指數(shù)。不同濕篩法處理后, 在0~5 cm和5~10 cm土層均以NTS的水穩(wěn)性團聚體含量和平均重量直徑最高, 且NTS處理的平均重量直徑顯著(≤5%)高于NT和T處理; 而10~30 cm土層, TS處理的水穩(wěn)性團聚體含量和平均重量直徑最高, 且顯著高于T處理的平均重量直徑, 但與NTS處理的平均重量直徑無顯著差異。不同耕作措施下的團聚體崩解指數(shù)和機械破壞指數(shù)均以T處理最高, NT次之, NTS處理最低。秸稈對0~5 cm、5~10 cm、10~30 cm土層的團聚體崩解指數(shù)和機械破壞指數(shù)的降低均具有顯著效應, 而免耕僅在0~5 cm土層具有顯著效應。因此, 該區(qū)水穩(wěn)性團聚體分散主要是由于水分入滲而引起的, 且快速濕潤時的破壞最大; 同時, NTS處理可有效提升土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性, 更有利于該區(qū)農(nóng)田水土保持。

旱作農(nóng)田; 秸稈還田; 免耕; Le Bissonnais法; 土壤水穩(wěn)性團聚體; 相對崩解指數(shù); 相對機械破壞指數(shù)

作為土壤結構基本單元的土壤團聚體, 對土壤功能的維持發(fā)揮著極其重要的作用[1], 其穩(wěn)定性與水土侵蝕過程中的土壤剝離、搬運、水分入滲和結皮產(chǎn)生均具有直接關系[2]。同時, 土壤團聚體穩(wěn)定性的提升亦可減少土壤養(yǎng)分的流失與淋溶[3]。在人為因素干擾較多的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 土壤團聚體在固碳、氮方面發(fā)揮著重要作用, 提升團聚體穩(wěn)定性可以降低水土流失、土壤結皮、板結現(xiàn)象發(fā)生的概率[4-5], 也可通過對有機碳和全氮的保護, 進而降低農(nóng)田土壤溫室氣體排放。翻耕不僅破壞了土壤結構穩(wěn)定性[6], 還加速了土壤結構重要膠結物質(zhì)有機碳的礦化, 促進了土壤團聚體的周轉(zhuǎn), 減緩了穩(wěn)定團聚體的形成, 進而影響團聚體穩(wěn)定性。

隴中黃土高原多年平均降水量不足400 mm,且雨熱不同步, 降雨多集中在7—9月, 該期降雨量占全年降雨量的60%以上[7-8]。該區(qū)農(nóng)民傳統(tǒng)觀念認為將土壤翻耕、耙耱的越細越好, 當降雨后農(nóng)田表層土壤會形成一層結皮, 這雖然有利于該區(qū)農(nóng)田土壤納秋水, 但是極大程度地破壞了土壤團聚體穩(wěn)定性, 增加了水土侵蝕、養(yǎng)分流失和板結的風險, 并為下季作物的播種增加了一定難度。因此, 尋求合理耕作措施, 進而提升土壤結構穩(wěn)定性, 降低該區(qū)水土侵蝕的可能性等問題亟待解決。目前, 對土壤團聚體穩(wěn)定性的評價多是利用不同篩分方法和不同評價指標進行分析, 且多以干篩法和濕篩法為主[3-4,6], 干篩法主要反映土壤團聚體在田間的原有結構, 濕篩法反映了團聚體遇水后幾乎全部的分散機制, 利用干篩法和濕篩法均不能明晰團聚體的具體分散機制[9]。雖然眾多學者[9-15]利用Le Bissonnais法、Emerson法等對團聚體破壞機制進行了研究, 但在黃土高原的相關研究較少, 尤其是有關農(nóng)田的研究鮮見報道。為了探明隴中黃土高原旱作農(nóng)田土壤團聚體遇水崩解機制, 本研究依托甘肅農(nóng)業(yè)大學在定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)自2001年布設的長期不同耕作措施定位試驗, 采用Zhang等[14]的評價體系, 利用Le Bissonnais法和傳統(tǒng)濕篩法對試區(qū)2015年土壤團聚體穩(wěn)定性進行測定分析, 旨在察明不同耕作措施下土壤團聚體崩解機制, 及其抗崩解、機械擾動能力, 并為該區(qū)篩選適宜水土保持、可持續(xù)發(fā)展的耕作措施提供可靠的理論支持。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗設于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市李家堡鎮(zhèn)麻子川村(35°28′N, 104°44′E)。試區(qū)干旱多災, 屬中溫帶半干旱區(qū), 農(nóng)田土壤為典型的黃綿土, 質(zhì)地均勻、土質(zhì)綿軟。該區(qū)平均海拔2 000 m, 無霜期140 d, 年均日照時數(shù)2 476.6 h, 年均太陽輻射594.7 kJ·cm-2, 年均氣溫6.4 ℃,≥0 ℃積溫2 933.5 ℃, ≥10 ℃積溫2 239.1 ℃, 干燥度2.53; 多年平均降水390.9 mm, 年蒸發(fā)量1531 mm, 80%保證率的降水量為365 mm, 為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 試驗設計

試驗地采取春小麥(L.)、豌豆(L.)輪作措施, 即小麥→豌豆。各序列分別設4個處理, 隨機區(qū)組設計, 具體處理方式見表1。各處理3次重復, 共12個小區(qū), 小區(qū)面積20 m×4 m=80 m2。供試春小麥品種為‘定西40號’, 豌豆品種為‘綠農(nóng)1號’。豌豆于2015年3月播種, 8月收獲, 播種量100 kg×hm-2, 行距24 cm, 各處理均施N 20 kg×hm-2, P2O5105 kg×hm-2(過磷酸鈣+二銨)。所有試驗肥料均作為基肥在播種時同時施入。覆蓋處理所用秸稈為前茬作物秸稈, 收獲后打碾切碎均勻撒布于小區(qū)內(nèi)。試區(qū)土壤基本理化性質(zhì): pH 8.45, 有機碳8.32 g×kg-1, 全氮0.86 g×kg-1, 全磷0.82 g×kg-1, 全鉀28.00 g×kg-1, 堿解氮51.10 mg×kg-1, 速效磷21.19 mg×kg-1, 速效鉀100.90 mg×kg-1, 0~200 cm平均土壤容重1.17 g×cm-2。

表1 不同耕作處理描述

1.3 測定方法和數(shù)據(jù)處理

試驗于2015年8月作物收獲后采用5點法分別采集各小區(qū)0~5 cm、5~10 cm、10~30 cm各土層供試土樣500 g左右, 裝于硬質(zhì)塑料保鮮盒帶回實驗室風干。土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[16]。利用旋轉(zhuǎn)振篩儀獲取3~5 mm團聚體后, 利用Zhang等[14]的評價方法, 采用LB濕篩法[11-12]和傳統(tǒng)濕篩法[14]測定土壤團聚體粒徑分布特性, 具體測定步驟如下:

1)為了減少團聚體中水分含量差異, 取3~5 mm干篩團聚體100 g于40 ℃烘箱內(nèi)烘24 h后, 分別運用LB法和傳統(tǒng)濕篩法進行篩分得到4種粒級團聚體: ≥2 mm, 較大團聚體(larger aggregate, LA); 0.25~2 mm, 小團聚體(small aggregate, SA); 0.053~0.25 mm, 微型團聚體(micro-aggregate, MA); ≤0.053 mm, 黏、粉粒(silt and clay, SC)。具體操作如下:

①快速濕潤法(fast wetting, FW): 將10 g團聚體快速浸沒在去離子水中10 min后用膠頭滴管緩慢吸掉水分; ②慢速濕潤法(slow wetting, SW): 取10 g團聚體置于濾紙(張力為?0.3 kPa)上, 靜置40 min左右, 使團聚體完全濕潤; ③預濕后擾動法(wet stirring, WS): 將10 g團聚體浸沒于95%乙醇中, 浸泡10 min后用膠頭滴管緩慢吸出酒精, 將土壤轉(zhuǎn)入盛有50 mL去離子水的塑料三角瓶(500 mL)中, 加水至200 mL, 將蓋子擰緊后上下振蕩20次, 靜置30 min后用膠頭滴管緩慢吸出多余水分; ④傳統(tǒng)濕篩法(routine wet sieving, RW): 將10 g團聚體快速浸沒在去離子水中10 min后, 轉(zhuǎn)移至浸沒于去離子水中的套篩(套篩自上而下分別為2 mm、0.25 mm、0.053 mm孔徑篩)上, 上下振蕩20次(幅度2 cm)后取出套篩, 分別將各粒級篩子上的團聚體洗入鋁盒, 40 ℃下烘干48 h后稱重得到各粒級的團聚體含量。

2)將上述①、②、③步驟中已作濕潤處理的土壤轉(zhuǎn)移到浸沒于95%乙醇中的0.053 mm孔徑篩子上, 上下振蕩20次(幅度2 cm); 然后在40 ℃烘箱中蒸干乙醇, 轉(zhuǎn)入燒杯中, 40 ℃下烘干48 h, 稱重后, 再過2 mm、0.25 mm、0.053 mm套篩, 稱重得到各粒級的團聚體含量。

利用平均重量直徑(mean weight diameter, MWD, mm)[17]表征團聚體穩(wěn)定性:

利用Zhang等[14]的評價方法計算團聚體相對崩解指數(shù)(relative slaking index, RSI)和相對機械破壞指數(shù)(relative mechanical breakdown index, RMI):

式中: MWDSW代表慢速濕潤法處理下的平均重量直徑, MWDFW代表快速濕潤法處理下的平均重量直徑, MWDWS代表預濕潤后擾動法處理下的平均重量直徑, MWDRW代表預傳統(tǒng)濕篩法處理下的平均重量直徑。

文中數(shù)據(jù)、圖表采用Microsoft Excel 2003處理, 利用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析, 顯著性差異分析和雙因素方差分析采用新復極差法, 利用Pearson法分析指標間相關性。

2 結果與分析

2.1 不同篩法下不同耕作措施的土壤團聚體組成

2.1.1 快速濕潤法下不同耕作措施的土壤團聚體組成

由圖1可知, 研究區(qū)不同耕作處理土壤均以≤0.053 mm黏、粉粒(SC)含量最高(變幅為28.72%~ 48.10%), 其次為0.053~0.25 mm粒級團聚體(MA)(24.19%~30.83%), ≥2 mm粒級團聚體(LA)含量最低(變幅為8.61%~17.15%)。各處理0.053~0.25 mm和≤0.053 mm兩個粒級含量均隨土層加深而增加, 而≥2 mm和0.25~2 mm兩個粒級團聚體(大團聚體, macro-aggregate)含量均隨土層加深而降低。在0~5 cm和5~10 cm土層, 各處理LA、SA、MA 3個粒級團聚體按其含量高低排序均為: 免耕+秸稈覆蓋(NTS)>傳統(tǒng)耕作+秸稈還田(TS)>免耕(NT)>傳統(tǒng)耕作(T), 而各處理SC粒級團聚體按其含量高低排序則反之; 在10~30 cm土層, 各處理LA、SA、MA 3個粒級團聚體按其含量高低排序均為: TS>NTS>NT>T, 而各處理黏、粉粒按其含量高低排序則反之。

圖1 快速濕潤法對不同耕作措施下不同深度土壤不同粒徑土壤團聚體組成的影響

2.1.2 慢速濕潤法下不同耕作措施的土壤團聚體組成

由圖2可知, 不同耕作處理土壤MA和SC兩個粒級含量均隨土層加深而增加, 而大團聚體含量均隨土層加深而降低。在0~5 cm土層, 各處理大團聚體含量以NTS處理最高, TS處理次之, T處理最低。NT和T兩個無秸稈添加處理(no straw addition, NS)下不同粒級團聚體按其含量高低排序均為: SA>MA>LA>SC, 而TS和NTS兩個秸稈添加處理(straw addition, S)下不同粒級團聚體按其含量高低排序均為: SA>LA>MA>SC。5~10 cm土層, 各處理大團聚體含量均以NTS處理最高, TS處理次之, T處理最低。T處理不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SA>SC>LA, NT處理不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SA>LA>SC, S處理下不同粒級團聚體按其含量高低排序均為: SA>MA>LA>SC。在10~30 cm土層, 各處理大團聚體含量均以TS處理最高, NTS處理次之, T處理的最低。NS處理不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SC>SA>LA, TS處理不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SA>LA>SC, NTS處理下不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SC>SA>LA。

圖2 慢速濕潤法對不同耕作措施下不同深度不同粒徑土壤團聚體組成的影響

2.1.3 預濕潤后擾動法下不同耕作措施的土壤團聚 體組成

由圖3可知, 不同耕作處理土壤MA和SC兩個粒級含量均隨土層加深而增加, 而大團聚體含量均隨土層加深而降低, 且NS處理下團聚體含量均隨粒徑減小而增加。在0~5 cm土層, 各處理大團聚體和微團聚體含量均以NTS處理最高, TS處理次之, T處理最低。傳統(tǒng)耕作+秸稈還田措施下不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SA>SC>LA, NTS處理下不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SA>LA>SC。5~10 cm土層, 各處理大團聚體含量均以NTS處理最高, TS處理次之, T處理的最低。TS措施下不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SC>SA>LA, NTS處理下不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SA>SC>LA。10~30 cm土層, 各處理大團聚體含量以TS處理最高, NTS處理次之, T處理最低。TS措施下不同粒級團聚體按其含量高低排序為: MA>SC>SA>LA, NTS處理下不同粒級團聚體按其含量高低排序為: SC>MA>SA>LA。

圖3 預濕后擾動法對不同耕作措施下不同深度不同粒徑土壤團聚體組成的影響

2.1.4 傳統(tǒng)濕篩法下不同耕作措施的土壤團聚體組成

由圖4可知, 不同耕作處理土壤均以SC粒級含量最高(變幅為37.47%~54.68%), 其次為0.053~0.25 mm粒級團聚體(21.01%~28.60%), ≥2 mm粒級團聚體含量最低(變幅為6.22%~12.88%)。各處理0.053~0.25 mm和≤0.053 mm兩個粒級含量均隨土層加深而增加, 而大團聚體含量隨土層加深而降低。在0~5 cm和5~10 cm土層, 各處理LA、SA、MA 3個粒級團聚體按其含量高低排序均為: NTS>TS>NT>T, 而各處理黏、粉粒按其含量高低排序則反之; 在10~30 cm土層, 各處理LA、SA、MA 3個粒級團聚體按其含量高低排序均為: TS>NTS>NT>T, 而各處理黏、粉粒按其含量高低排序則反之。

圖4 傳統(tǒng)濕篩法對不同耕作措施下不同深度不同粒徑土壤團聚體組成的影響

2.2 不同篩法下不同耕作措施的土壤團聚體穩(wěn)定性

由表2可知, 不同濕篩法處理后, 慢速濕潤法下不同耕作處理土壤團聚體平均重量直徑(MWD)最高, 其次為預濕后擾動法, 傳統(tǒng)濕篩法最低, 但傳統(tǒng)濕篩法和快速濕潤法的MWD較為接近, 同時, 各處理MWD均隨土層加深而降低。在0~5 cm和5~10 cm土層, 不同濕篩法下各耕作措施處理MWD按其大小排序均為: NTS>TS>NT>T。在10~30 cm土層, 不同濕篩法下各耕作措施處理MWD按其大小排序均為: TS>NTS>NT>T, 但TS和NTS處理間差異并未達顯著水平。

2.3 不同篩法下不同耕作措施的土壤團聚體相對崩解指數(shù)和相對機械破壞指數(shù)

相對崩解指數(shù)(RSI)和相對機械破壞指數(shù)(RMI)越低, 則團聚體遇水崩解和受外力破壞的敏感性越低, 穩(wěn)定性越高。由表3可知, 不同耕作處理土壤RSI和RMI均隨土層增加而增加。在0~5 cm土層, 傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)(T和TS處理)下的RSI和RMI均值分別高于免耕系統(tǒng)(NT和NTS處理)的11.16%和6.48%; 無秸稈還田系統(tǒng)(T和NT處理)下的RSI和RMI均值分別高于秸稈還田系統(tǒng)(TS和NTS處理)15.15%和57.12%。在5~10 cm土層, 傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)下的RSI和RMI均值分別高于免耕系統(tǒng)的5.37%和5.38%; NS系統(tǒng)下的RSI和RMI均值分別高于S系統(tǒng)的13.14%和46.24%。在10~30 cm土層, 傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)下的RSI和RMI均值分別高于免耕系統(tǒng)的0.95%和9.22%; 無秸稈還田系統(tǒng)下的RSI和RMI均值分別高于秸稈還田系統(tǒng)的6.24%和35.45%。免耕僅在0~5 cm土層對RSI的降低有顯著效應(≤0.1%), 而秸稈還田對3個土層的RSI和RMI均具有顯著降低效應。

表2 不同濕篩方法對不同耕作措施下不同深度土壤團聚體平均重量直徑的影響

同列不同小寫字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among treatments at 0.05 level.

2.4 不同耕作措施的土壤有機碳含量

由圖5可知, 不同耕作處理土壤有機碳(SOC)含量均隨土層加深而降低。在0~5 cm土層, NTS處理下SOC含量分別顯著高于T、NT、TS處理22.96%、13.69%和8.19%。在5~10 cm土層, NTS處理的SOC含量分別顯著高于T和NT處理24.93%和18.73%, TS處理的SOC含量分別顯著高于T和NT處理23.15%和17.04%。在10~30 cm土層, NTS處理的SOC含量分別顯著高于T和NT處理 13.86%和15.01%, TS處理的SOC含量分別顯著高于T和NT處理9.36%和10.46%。

表3 不同耕作措施下不同深度土壤團聚體相對崩解指數(shù)和相對機械破壞指數(shù)

同列不同小寫字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。*、**、***分別表示在0.05、0.01和0.001水平下有顯著效應, n.s.表示在0.05水平下無顯著效應; *、**、***和n.s.前的數(shù)值為檢驗值。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among treatments at 0.05 level. *, ** and *** indicate significant differences at 0.05, 0.01 and 0.001, respectively. n.s. indicates no significantdifference at 0.05The values represent-statistic values in front of n.s.,*, ** and ***.

圖5 不同耕作措施下不同深度土壤有機碳(SOC)含量

圖中不同小寫字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at 0.05 level.

2.5 土壤有機碳和土壤團聚體穩(wěn)定性各指標間相關性

由表4可知, 土壤有機碳和4種篩法處理下的MWD均呈極顯著正相關關系, 與RSI和RMI均呈極顯著負相關關系。4種篩法處理下的MWD與RSI和RMI均呈極顯著負相關關系。RSI和RMI呈極顯著正相關關系。

3 討論

快速濕潤法主要用于模擬暴雨、連陰雨條件下, 當水分快速入滲時, 團聚體中空氣被迅速密封, 團聚體中原本為空氣所占據(jù)的部分孔隙被水替代, 而空氣不能迅速排出, 致使剩余孔隙中空氣的密度發(fā)生明顯變化, 形成壓力差, 最終引起團聚體的破裂和崩解, 即“氣爆”[11,18]。慢速入滲法主要用于模擬小雨條件下, 當水分慢速入滲時土壤團聚體中的膨脹性礦物快速膨脹, 使得土壤團聚體粒徑明顯增大, 并且在入滲鋒面處形成一個剪切面, 破壞了團聚體內(nèi)部原有膠結情況, 致使團聚體快速崩解, 即“水爆”[10,12]。預濕后擾動法處理主要反映了團聚體在受雨滴打擊等機械擾動下的崩解作用[18-19]。本研究發(fā)現(xiàn), 不同LB濕潤法處理后, 快速濕潤法和預濕后擾動法處理下研究區(qū)各耕作處理水穩(wěn)性團聚體均以非水穩(wěn)性團聚體(微團聚體和黏、粉粒)含量居高, 其中快速濕潤法的非水穩(wěn)性團聚體含量最高, 預濕后擾動法下的次之, 且快速濕潤法下的平均重量直徑最低, 慢速濕潤法最高。這表明由水分快速入滲時發(fā)生的“氣爆”對土壤團聚體的破壞作用最大, 當發(fā)生“氣爆”時, 大團聚體會崩解為粒級更小的團聚體或黏、粉粒。由于快速濕潤法下的非水穩(wěn)性團聚體含量高于慢速濕潤法下的含量, 表明由團聚體內(nèi)部產(chǎn)生的“氣爆”作用力大于雨滴打擊力。趙玉明等[20]研究發(fā)現(xiàn), 快速濕潤處理下水穩(wěn)性團聚體含量最低。曾全超等[10]在黃土高原森林植被帶研究發(fā)現(xiàn)快速濕潤處理對土壤團聚體結構的破壞程度最大, 土壤團聚體主要以<0.2 mm非水穩(wěn)性團聚體為主, 慢速濕潤法處理對土壤團聚體的破壞最小, 預濕后擾動法處理居中。以上研究發(fā)現(xiàn)均與本研究結果一致。但是劉雷等[19]在黃土高原丘陵區(qū)森林、森林草原帶研究發(fā)現(xiàn), 預濕后擾動處理對土壤團聚體結構的破壞程度最大, 這與本研究結果不同; Yang等[13]研究發(fā)現(xiàn), 土壤有機碳與土壤團聚體的抗分散性和抗崩解性關系密切, 因此, 這可能是由于森林、森林草原帶土壤有機質(zhì)含量較高, 其土壤團聚體具有較高的疏水性和發(fā)達的孔隙度而降低了水分對團聚體的崩解和消散作用。本研究結果顯示, MWDSW>MWDWS>MWDFW>MWDRW, 這與Yang等[13]、Zhang等[14]的研究結果不同, 可能是由于土壤理化性質(zhì)、研究區(qū)域等因素的差異而引起, 但也說明本研究區(qū)農(nóng)田水穩(wěn)性團聚體的分散作用綜合了“氣爆”、“水爆”以及機械擾動, “氣爆”作用對團聚體崩解的貢獻最大, 其次為機械擾動作用, “水爆”作用的貢獻最低。

表4 土壤有機碳與不同濕篩法處理后團聚體穩(wěn)定性間的關系

MWDFW、MWDSW、MWDWS、MWDRW分別代表快速濕潤法、慢速濕潤法、擾動后濕潤處理法和傳統(tǒng)濕篩法下的團聚體平均重量直徑, RSI 和RMI為團聚體相對崩解指數(shù)和相對機械破壞指數(shù); **指在≤ 0.01水平顯著相關。MWDFW, MWDSW, MWDWSand MWDRWindicate the mean weight diameter (MWD) of soil aggregates by using fast wetting, slow wetting, wet stirring and routine wet sieving methods, respectively. RSI and RMI are relative slaking index and relative mechanical breakdown index of soil aggregates, respectively. ** means significant correlation at≤ 0.01 level.

免耕、秸稈還田均可不同程度提升土壤團聚體穩(wěn)定性[21-23]。本研究發(fā)現(xiàn), 不同濕篩法處理后, 較之傳統(tǒng)耕作措施, 免耕、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田、免耕+秸稈覆蓋均可不同程度提升土壤團聚體穩(wěn)定性。這主要是由于: 1)免耕減少了因翻耕而引起的團聚體破壞, 且可以提升土壤自身的恢復能力[3]; 2)農(nóng)田中秸稈覆蓋可以有效緩沖因雨滴打擊對土壤結構的破壞, 同時, 也可降低因頻繁干濕交替和凍融交替對團聚體的破壞[21]; 3)土壤有機碳是土壤團聚體重要的膠結物質(zhì)[24-25], 免耕和秸稈還田均可提升土壤有機碳; 4)免耕、秸稈還田處理均可提升土壤水分入滲速率[7],提升土壤蓄水容量[23], 降低了土壤團聚體因水分入滲而引起的“水爆”和“氣爆”現(xiàn)象發(fā)生的概率。

Yang等[13]和Zhang等[14]的研究結果顯示, 相對崩解指數(shù)高于相對機械破壞指數(shù), 這與本研究結果一致。表明該區(qū)水穩(wěn)性團聚體崩解主要是由于水分入滲而引起, 加之快速濕潤法下團聚體穩(wěn)定性最差, 所以, 該區(qū)農(nóng)田水穩(wěn)性團聚體崩解主要是由于水分快速入滲時空氣不能迅速排出, 形成壓力差而引起團聚體的破裂和崩解。不同處理下, 免耕+秸稈覆蓋的RSI和RMI均最低, 傳統(tǒng)耕作的最高, 且秸稈還田系統(tǒng)低于無秸稈還田系統(tǒng)。這主要是由于添加有機物料可以降低土壤團聚體單位體積重量, 提升團聚體孔隙度[13], 當毛管濕化時, 團聚體中的閉蓄態(tài)空氣可以從更多的孔隙中緩慢釋放, 以使團聚體破壞最小化; 加之, 發(fā)達的孔隙可以提升團聚體含水量。Cernuda等[26]指出含水量低時, 團聚體更易受雨滴的破壞。同時, 有機質(zhì)的增加也可以提升團聚體的疏水性[13], 其耐濕化能力更強[12]。也有研究[13,27-28]指出, 提升土壤有機質(zhì)可以提高團聚體堅硬度。因此, 為了更加全面、精準、客觀地分析該區(qū)農(nóng)田水穩(wěn)性團聚體, 還應對其自身物理特征進行分析、評價。

4 結論

隴中黃土高原旱作農(nóng)田水穩(wěn)性團聚體主要是由于水分快速入滲引起的崩解, 快速濕潤法對團聚體分散作用最大, 即“氣爆”的破壞作用最大, 雨滴打擊力次之, 但傳統(tǒng)濕篩法下團聚體穩(wěn)定性低于其他3種篩分方法, 因此, 為綜合評價該區(qū)水穩(wěn)性團聚體崩解機制, 應使用LB法進行全面、客觀的分析。同時, 較之傳統(tǒng)耕作, NTS和TS均可顯著提升各土層團聚體穩(wěn)定性和有機質(zhì)含量; 免耕系統(tǒng)(NT和NTS處理)下的團聚體穩(wěn)定性和有機質(zhì)含量高于傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)(T和TS處理)下的含量, 秸稈還田系統(tǒng)(TS和NTS)下的高于無秸稈還田系統(tǒng)(T和NT)下的。因此, 免耕+秸稈還田處理更有利于隴中黃土高原旱作農(nóng)田的土壤團聚體穩(wěn)定性和有機質(zhì)的提升, 進而提升土壤抗侵蝕性, 可被篩選為該區(qū)環(huán)境友好型耕作模式。

[1] BRONICK C J, LAL R. Soil structure and management: A review[J]. Geoderma, 2005, 124(1/2): 3–22

[2] ABU-HAMDEH N H, ABO-QUDAIS S A, OTHMAN A M. Effect of soil aggregate size on infiltration and erosion characteristics[J]. European Journal of Soil Science, 2006, 57(5): 609–616

[3] 武均, 蔡立群, 齊鵬, 等. 不同耕作措施下旱作農(nóng)田土壤團聚體中有機碳和全氮分布特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2015, 23(3): 276–284WU J, CAI L Q, QI P, et al. Distribution characteristics of organic carbon and total nitrogen in dry farmland soil aggregates under different tillage methods in the Loess Plateau of central Gansu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(3): 276–284

[4] ERKTAN A, CéCILLON L, GRAF F, et al. Increase in soil aggregate stability along a Mediterranean successional gradient in severely eroded gully bed ecosystems: Combined effects of soil, root traits and plant community characteristics[J]. Plant and Soil, 2016, 398(1/2): 121–137

[5] VALMIS S, DIMOYIANNIS D, DANALATOS N G. Assessing interrill erosion rate from soil aggregate instability index, rainfall intensity and slope angle on cultivated soils in central Greece[J]. Soil and Tillage Research, 2005, 80(1/2): 139–147

[6] 姜學兵, 李運生, 歐陽竹, 等. 免耕對土壤團聚體特征以及有機碳儲量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2012, 20(3): 270–278 JIANG X B, LI Y S, OUYANG Z, et al. Effect of no-tillage on soil aggregate and organic carbon storage[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(3): 270–278

[7] 張仁陟, 黃高寶, 蔡立群, 等. 幾種保護性耕作措施在黃土高原旱作農(nóng)田的實踐[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2013, 21(1): 61?69 ZHANG R Z, HUANG G B, CAI L Q, et al. Dry farmland practice involving multi-conservation tillage measures in the Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(1): 61–69

[8] HUANG G B, ZHANG R Z, LI G D, et al. Productivity and sustainability of a spring wheat-field pea rotation in a semi-arid environment under conventional and conservation tillage systems[J]. Field Crops Research, 2008, 107(1): 43–55

[9] 郭軍玲, 王虹艷, 盧升高. 亞熱帶土壤團聚體測定方法的比較研究[J]. 土壤通報, 2010, 41(3): 542–546GUO J L, WANG H Y, LU S G. Comparative studies on measurement methods for aggregate stability of subtropical soils[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2010, 41(3): 542–546

[10] 曾全超, 董揚紅, 李鑫, 等. 基于Le Bissonnais法對黃土高原森林植被帶土壤團聚體及土壤可蝕性特征研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2014, 22(9): 1093–1101 ZENG Q C, DONG Y H, LI X, et al. Soil aggregate stability and erodibility under forest vegetation in the Loess Plateau using the Le Bissonnais method[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(9): 1093–1101

[11] LE BISSONNAIS Y. Aggregate stability and assessment of soil crustability and erodibility: Ⅰ. Theory and methodology[J]. European Journal of Soil Science, 2016, 67(1): 11–21

[12] KEMPER W D, ROSENAU R C. Aggregate stability and size distribution [M]//KLUTE A. Methods of Soil Analysis. Part 1: Physical and Mineralogical Methods. Madision, WI: ASA, 1986: 425–442

[13] YANG W, LI Z X, CAI C F, et al. Mechanical properties and soil stability affected by fertilizer treatments for an Ultisol in subtropical China[J]. Plant and Soil, 2013, 363(1/2): 157–174

[14] ZHANG B, HORN R. Mechanisms of aggregate stabilization in Ultisols from subtropical China[J]. Geoderma, 2001, 99(1/2): 123–145

[15] BESALATPOUR A A, AYOUBI S, HAJABBASI M A, et al. Estimating wet soil aggregate stability from easily available properties in a highly mountainous watershed[J]. CATENA, 2013, 111: 72–79

[16] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2005: 25–48 BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis[M]. Beijing: Chinese Agriculture Press, 2005: 25–48

[17] VAN BAVEL C H M. Mean weight-diameter of soil aggregates as a statistical index of aggregation[J]. Soil Science Society of America Journal, 1949, 14: 20–23

[18] 李婭蕓, 劉雷, 安韶山, 等. 應用Le Bissonnais法研究黃土丘陵區(qū)不同植被區(qū)及坡向?qū)ν寥缊F聚體穩(wěn)定性和可蝕性的影響[J]. 自然資源學報, 2016, 31(2): 287–298 LI Y Y, LIU L, AN S S, et al. Research on the effect of vegetation and slope aspect on the stability and erodibility of soil aggregate in Loess Hilly region based on Le Bissonnais method[J]. Journal of Natural Resources, 2016, 31(2): 287–298

[19] 劉雷, 安韶山, 黃華偉. 應用Le Bissonnais法研究黃土丘陵區(qū)植被類型對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響[J]. 生態(tài)學報, 2013, 33(20): 6670–6680 LIU L, AN S S, HUANG H W. Application of Le Bissonnais method to study soil aggregate stability under different vegetation on the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(20): 6670–6680

[20] 趙玉明, 高曉飛, 劉瑛娜, 等. 不同水穩(wěn)性團聚體測定方法的對比研究[J]. 水土保持通報, 2013, 33(2): 138–143 ZHAO Y M, GAO X F, LIU Y N, et al. Comparison of different pre-wetting strategies in wet aggregate stability determination[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2013, 33(2): 138–143

[21] SONG K, YANG J J, XUE Y, et al. Influence of tillage practices and straw incorporation on soil aggregates, organic carbon, and crop yields in a rice-wheat rotation system[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 36602

[22] FUENTES M, HIDALGO C, ETCHEVERS J, et al. Conservation agriculture, increased organic carbon in the top-soil macro-aggregates and reduced soil CO2emissions[J]. Plant and Soil, 2011, 355(1/2): 183–197

[23] 楊永輝, 武繼承, 張潔梅, 等. 耕作方式對土壤水分入滲、有機碳含量及土壤結構的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2017, 25(2): 258–266YANG Y H, WU J C, ZHANG J M, et al. Effect of tillage method on soil water infiltration, organic carbon content and structure[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(2): 258–266

[24] MENG Q F, SUN Y T, ZHAO J, et al. Distribution of carbon and nitrogen in water-stable aggregates and soil stability under long-term manure application in solonetzic soils of the Songnen Plain, Northeast China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2014, 14(6): 1041–1049

[25] WANG Q, WANG D, WEN X F, et al. Differences in SOM decomposition and temperature sensitivity among soil aggregate size classes in a temperate grasslands[J]. PLoS One, 2015, 10(2): e0117033

[26] CERNUDA C F, SMITH R M, VICENTE-CHANDLER J. Influence of initial soil moisture condition on resistance of macroaggregates to slaking and to water-drop impact[J]. Soil Science, 1954, 77(1): 19–28

[27] GUIMAR?ES R M L, TORMENA C A, ALVES S J, et al. Tensile strength, friability and organic carbon in an Oxisol under a crop-livestock system[J]. Scientia Agricola, 2009, 66(4): 499–505

[28] TORMENA C A, ARAúJO M A, FIDALSKI J, et al. Quantification of tensile strength and friability of an Oxisol (Acrudox) under no-tillage[J]. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 2008, 32(3): 943–952

Effect of tillage practices on soil water-stable aggregate stability in dry farmlands in the Loess Plateau, Central Gansu Province*

WU Jun1,2, CAI Liqun1,2,3, ZHANG Renzhi1,2,3**, QI Peng1,2, ZHANG Jun1,2,3, Yeboah STEPHEN4

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu EngineeringResearch Center for Agricultural Water-saving, Lanzhou 730070, China; 4. CSIR-Crops Research Institute, Kumasi 3785, Ghana)

The semiarid western Loess Plateau is characterized by hilly landscape that is severely prone to soil erosion. Stability and distribution of soil water-stable aggregates could be affected by soil tillage methods in dry land areas. An improved understanding of the effect on soil and water erosion associated with the production of land is required for enhancement of agricultural sustainability in semiarid areas. A 15-year local field experiment was carried out to study the effects of different tillage methods and straw applications on soil water-stable aggregates and aggregate destruction mechanisms under spring-wheat/pea rotation using three Le Bissonnais (LB) and routine wet sieving (RW) methods. Three LB wet sieving methods used in the experiment were slow wetting sieving (SW) method simulating light rains (micro-cracking), fast-wetting sieving (FW) method simulating heavy rains (slaking), and wet stirring sieving (WS) method simulating disturbance (mechanical breakdown). Four aggregate size ranges were obtained by the sieving methods: 2–5 mm (larger aggregate, LA); 0.25–2 mm (small aggregate, SA); 0.053–0.25 mm (micro-aggregate, MA); and <0.053 mm (slit plus clay, SC). The results of the three LB methods and RW method were then compared and the mean weight diameter (MWD), relative slaking index (RSI) and relative mechanical breakdown index (RMI) of soil aggregates were calculated. The field experiment was located in the Rainfed Agricultural Experimental Station (35°28′N, 104°44′E) which belongs to Gansu Agricultural University in Dingxi, Gansu Province, China. The experimental work included the following tillage and straw mulching treatments: conventional tillage (T), no tillage (NT), no tillage with straw mulching (NTS), and conventional tillage with straw incorporation (TS). The treatments were arranged in a complete randomized block design with three replications. The soil samples were taken at three soil depths (0-5 cm, 5-10 cm and 10-30 cm). The results showed that after wetting treatments except the slow wetting method, the dominant fraction of fragments in each soil layer was < 0.25 mm under all four tillage treatments. The order of sieving method as for < 0.25 mm non water-stable aggregates content was RW > FW > WS > SW. MWD of soil aggregates for four sieving methods was in the order of SW > WS > FW > RW under all the four tillage treatments. This trend indicated that aggregate breakdown mechanism was in the order of: slaking > mechanical breakdown > micro-cracking. While NTS treated soils exhibited the highest MWD and water-stable aggregates content for all wet sieving methods in the 0-5 cm and 5-10 cm soil layers. MWD for NTS treatment was significantly greater (≤ 5%) than T and NT treatments. Also TS treatment showed the highest MWD and water-stage aggregates content in the 10-30 cm soil layer, but with no significant difference in MWD from NTS. Compared with T treatment, TS treated soils significantly improved MWD. RSI and RMI of soil aggregates were suppressed by NTS, TS and NT treatments, and NTS treatment had the highest effect. Straw addition significantly suppressed RSI and RMI of soil aggregates in all three observed soil layers. No tillage significantly suppressed RSI of soil aggregate in the 0-5 cm soil layer. The results suggested that heavy rain was the main factor destroying soil aggregates in rainfed farmlands in the Loess Plateau region in Central Gansu Province. NTS treatment performed best for sustainable agricultural development and soil and water conservation in the Loess Plateau region in Central Gansu Province.

Dry farmland; Straw retention; No tillage; Le Bissonnais method; Soil water-stable aggregates; Relative slaking index; Relative mechanical breakdown index

, E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn

10.13930/j.cnki.cjea.171094

S152.4+5

A

1671-3990(2018)03-0329-09

張仁陟, 主要從事保護性耕作、節(jié)水農(nóng)業(yè)及土壤生態(tài)學方面的教學與研究。E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn 武均, 主要研究方向為保護性耕作、土壤生態(tài)學。E-mail: wujun210@126.com

2017-11-27

2017-12-09

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31571594, 41661049), the “National Twelfth Five-Year Plan” Circular Agricultural Science and Technology Project of China (2012BAD14B03) and the Natural Science Foundation of Gansu Province (1606RJZA076).

* 國家自然科學基金項目(31571594, 41661049)、“十二·五”《循環(huán)農(nóng)業(yè)科技工程》項目(2012BAD14B03)和甘肅省自然科學基金項目 (1606RJZA076)資助

Nov. 27, 2017; accepted Dec. 9, 2017

武均, 蔡立群, 張仁陟, 齊鵬, 張軍, Yeboah STEPHEN. 不同耕作措施對旱作農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2018, 26(3): 329-337

WU J, CAI L Q, ZHANG R Z, QI P, ZHANG J, STEPHEN Y. Effect of tillage practices on soil water-stable aggregate stability in dry farmlands in the Loess Plateau, Central Gansu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(3): 329-337