免耕對土壤剖面孔隙分布特征的影響*

楊永輝, 武繼承, 毛永萍, 何 方, 張潔梅, 高翠民, 潘曉瑩, 王 越

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免耕對土壤剖面孔隙分布特征的影響*

楊永輝1,2, 武繼承1,2, 毛永萍3, 何 方1,2, 張潔梅1,2, 高翠民1,2, 潘曉瑩1,2, 王 越1,2

(1. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所 鄭州 450002; 2. 農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽科學(xué)觀測站 原陽 453514; 3. 鄭州市金水區(qū)總醫(yī)院 鄭州 450001)

探明長期免耕措施對土壤孔隙特征、土壤結(jié)構(gòu)及土壤水分參數(shù)等影響, 可為闡明在小麥、玉米輪作過程中, 長期進(jìn)行免耕對土壤剖面物理特征的改善及其作用機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。采用CT掃描法定量分析了免耕和常規(guī)耕作0~100 cm土層土壤孔隙(80~1 000 μm、>1 000 μm、>80 μm)的數(shù)目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征, 同時(shí)采用常規(guī)方法測定了土壤大團(tuán)聚體、土壤容重、有效水含量及飽和導(dǎo)水率等。結(jié)果表明: 長期免耕不僅提高了土壤>1 000 μm、80~1 000 μm、>80 μm孔隙數(shù), 且其孔隙度也相應(yīng)提高, 較常規(guī)耕作孔隙數(shù)分別提高55.3%、58.2%、57.9%, 孔隙度分別提高97.4%、39.4%、72.6%。同時(shí)土壤孔隙形態(tài)也得到了改善, 孔隙成圓率提高。對不同土層而言, 免耕更利于提高0~25 cm土層80~1 000 μm和 >80 μm孔隙數(shù)以及0~45 cm土層>1 000 μm孔隙數(shù), 且顯著提高了0~20 cm和25~40 cm土層 >1 000 μm、>80 μm及0~20 cm土層80~1 000 μm的土壤孔隙度。說明長期免耕對土壤剖面孔隙的分布產(chǎn)生一定影響。此外, 免耕提高了0~25 cm土層土壤的有效水含量、0~55 cm土層飽和導(dǎo)水率和 >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量, 降低了土壤容重, 其作用深度在55 cm以上土層。通過CT掃描測得的土壤孔隙參數(shù)與常規(guī)方法測定的土壤物理參數(shù)之間存在極好的相關(guān)性, 說明可從微觀土壤孔隙特征來表征宏觀的土壤物理性質(zhì)?？傊?長期免耕有利于改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤孔隙狀況, 提高土壤的滲透能力及土壤水分的有效性, 促進(jìn)作物的生長。

免耕; 小麥玉米輪作; CT掃描; 土壤結(jié)構(gòu); 土壤孔隙; 土壤團(tuán)聚體; 水分參數(shù)

土壤孔隙是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分, 土壤孔隙的研究能夠真實(shí)地反映土壤結(jié)構(gòu)狀況。自Petrovic等[1]首次將CT技術(shù)用來研究土體密度和土壤水分含量以來, 應(yīng)用CT技術(shù)進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)及孔隙特征方面的研究成為熱點(diǎn)。與常規(guī)土壤物理分析方法相比, CT掃描方法具有對土體非破壞性分析、分析精度較高(mm至μm尺度)[2]等優(yōu)點(diǎn)。Anderson等[3]應(yīng)用CT技術(shù)對土壤孔隙進(jìn)行研究和評價(jià)。Peyton等[4]、Zeng等[5]和Perret等[6]利用CT掃描測量了土壤的大孔隙直徑和孔隙度。相關(guān)研究[7-8]表明, 利用CT掃描圖像處理技術(shù)可以研究土壤孔隙的分布、土壤密度空間分布及大小、土壤孔隙度、孔隙表面分形維數(shù)、土壤含水量空間分布和非飽和導(dǎo)水率等土壤性質(zhì)。同時(shí), CT掃描技術(shù)可準(zhǔn)確揭示大孔隙(直徑>1 mm)的數(shù)目、大小和位置[7], 且由常規(guī)方法計(jì)算出的總孔隙度與CT法得出的結(jié)果較為一致[9]。近年來, 人們利用CT掃描法對含有各種大孔隙的原狀土柱或填充土柱進(jìn)行了研究[10-13], 從微觀上獲得了土壤孔隙的分布特征。

免耕可改善土壤結(jié)構(gòu)[14-15], 降低坡耕旱地水土流失, 增強(qiáng)土壤微生物活性, 降低作物干旱脅迫的傷害[16]。同時(shí), 可提高土壤肥力[17]和土壤孔隙度, 降低土壤容重, 促進(jìn)作物生長[18]。與傳統(tǒng)翻耕技術(shù)相比, 免耕下土壤的緊實(shí)度、孔隙度和通氣狀況等發(fā)生了根本性的變化[19-20], 免耕減小了耕層土壤總孔隙度和通氣孔隙度[21-22]。但Kay[23]指出由傳統(tǒng)耕作改為免耕后, 100~500 μm的大孔隙增加, 30~100 μm的中大孔隙減少, >500 μm的孔隙會隨著免耕時(shí)間的增加而增加。王殿武等[24]研究發(fā)現(xiàn), 免耕土壤<5 μm的小孔隙明顯增加, >50 μm的大、中孔隙明顯減少。陳學(xué)文等[25]研究發(fā)現(xiàn), 免耕增大了0~5 cm和20~30 cm土層中>100 μm大孔隙數(shù)量, 減小了耕層5~20 cm土層中30~100 μm次大孔隙。于同艷等[26]研究表明, 免耕雖不利于水分入滲, 但可有效保持土壤中的水分。楊永輝等[27]研究表明, 連續(xù)2年免耕可改善土壤結(jié)構(gòu), 降低土壤容重, 改善土壤孔隙狀況, 有利于土壤入滲能力的提高?？梢婈P(guān)于免耕對土壤孔隙分布變化的影響研究結(jié)果不盡相同, 這可能與土壤類型和種植作物類型、輪作方式及耕作年限等有關(guān)。有關(guān)這方面的研究已屢見不鮮, 以往的研究多偏重于免耕與普通耕作輪耕或與深松輪耕[28], 且研究深度為犁底層以上的土壤, 而對于長期一直免耕對土壤剖面物理特征及其作用深度等影響如何目前尚鮮見報(bào)道, 且長期免耕對土壤孔隙影響的定量分析及其分布特征以及土壤物理參數(shù)的影響研究結(jié)果存在一定的爭議。因此, 分析長期免耕對土體土壤孔隙、土壤結(jié)構(gòu)作用及水分參數(shù)的影響, 對土壤改善措施的進(jìn)一步實(shí)施和闡明其對土壤孔隙及相關(guān)物理特性影響的作用機(jī)理具有重要的科學(xué)意義。

筆者對長期免耕條件下0~100 cm土層的土壤孔隙、土壤結(jié)構(gòu)、土壤水分參數(shù)及相互關(guān)系進(jìn)行了研究, 為闡明在小麥、玉米輪作過程中, 長期進(jìn)行免耕對土壤剖面物理特征的改善及其作用機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)置在河南省禹州試驗(yàn)基地(113°03′~ 113°39′E, 33°59′~34°24′N, 海拔116.1 m)進(jìn)行, 多年平均降水量674.9 mm, 其中60%以上降雨集中在夏季。土壤類型為褐土, 耕層有機(jī)質(zhì)含量12.3 g?kg-1、全氮含量0.80 g?kg-1、水解氮含量47.82 mg?kg-1、速效磷含量6.66 mg?kg-1、速效鉀含量114.8 mg?kg-1。土壤缺氮少磷富鉀。研究區(qū)為小麥()-玉米()輪作區(qū)。土壤機(jī)械組成為: 砂粒(2~0.02 mm)占59.1%, 粉粒(0.02~0.002 mm)占22.5%, 黏粒(<0.002 mm)占18.4%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長期定位試驗(yàn)于2006年10月中旬小麥播種時(shí)開始, 耕作措施在每年小麥播種時(shí)實(shí)施, 玉米均為免耕播種。于2014年10月中旬玉米收獲后小麥播種翻耕前, 在長期定位試驗(yàn)中選取常規(guī)耕作(小麥播種時(shí)進(jìn)行耕作, 耕作深度15 cm, 玉米為免耕播種)和免耕(小麥、玉米播種時(shí)均免耕)兩個(gè)處理進(jìn)行研究。小區(qū)面積為30 m2。分別從定位試驗(yàn)每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)小區(qū)中間位置分層采集0~10 cm、10~20 cm、…、90~100 cm原狀土(測定土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu))、環(huán)刀樣(測定有效含水量、土壤容重和飽和導(dǎo)水率), 同時(shí)利用原狀土柱采集器(原狀土柱的容器為內(nèi)直徑為90 mm, 厚度為2 mm, 長度為100 cm的PVC硬質(zhì)管材, 將有機(jī)玻璃管放入采集器中, 用鐵錘于采集器上方進(jìn)行豎直敲擊, 待采集器進(jìn)入土中深度110 cm時(shí), 將采集器拔出, 并從采集器的下方取出采集器內(nèi)的有機(jī)玻璃管), 采集0~100 cm原狀土柱(用于CT掃描測定土壤孔隙), 帶回室內(nèi)進(jìn)行分析。試驗(yàn)小區(qū)小麥秸稈均全部粉碎覆蓋還田, 玉米秸稈全部清離小區(qū)。

1.3 CT掃描測定方法

1.3.1 原狀土柱的采集

分別在不同長期耕作措施中取3個(gè)重復(fù)土柱帶回實(shí)驗(yàn)室, 放置于陰涼處待用。室內(nèi)準(zhǔn)備3根直徑分別為1.0 mm、2.0 mm和3.0 mm的鋼條, 直立在PVC管中, 并裝入與原狀土柱容重一致的土壤, 填滿后再將鋼條拔出, 制作3個(gè)已知直徑的大孔隙作為對照[13-14]。

1.3.2 CT掃描

本試驗(yàn)采用醫(yī)用CT掃描儀(美國GE64排128層CT)。掃描土柱前, 對醫(yī)用CT裝置掃描參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定。掃描峰值電壓為120 kV, 電流為110 mA, 掃描時(shí)間為1 s, 掃描厚度為1 mm, 土柱掃描從頂端每隔1 mm掃描一個(gè)橫截面, 每土柱共掃描1 000幅橫截面圖片, 試驗(yàn)共2個(gè)處理, 3次重復(fù), 6個(gè)土柱, 共得到6 000幅圖像。參數(shù)設(shè)定后, 將土柱放入CT掃描儀(示意圖1)中的X射線管和探測器之間進(jìn)行掃描, 獲得整個(gè)土柱不同土層的掃描圖像。由于每個(gè)土柱圖片量較大, 因此選取土柱25 mm、50 mm、75 mm、125 mm、150 mm、175 mm、…、925 mm、975 mm、975 mm處圖片進(jìn)行分析, 即每個(gè)土柱分析30幅圖片。

圖1 CT掃描土壤示意圖

1.3.3 圖像分析

將得到的土柱橫截面CT光盤上的圖片保存到計(jì)算機(jī)中, 得到JPG格式的灰度圖像。對CT圖像進(jìn)行圖像分析, 圖像處理分析采用ImageJ 1.44版本軟件[29]。選取分析圖像的尺寸為60 mm×60 mm, 面積為3 600 mm2。先將所得CT圖像轉(zhuǎn)換為8位圖像, 然后進(jìn)行圖像分割。根據(jù)已知大孔隙設(shè)定閾值, 選取分割閾值為108, 圖像分割后, 得到黑白二值圖像, 白色部分為基質(zhì), 黑色部分為土壤孔隙。分析獲得孔隙特征參數(shù)包括孔隙的數(shù)目、面積、周長、成圓率。

本研究中所能辨別的最小當(dāng)量孔徑為80 μm。通常認(rèn)為 >1 000 μm孔隙為大孔隙[30], 因此, 本試驗(yàn)孔隙結(jié)果分為當(dāng)量直徑 >1 000 μm孔隙和當(dāng)量直徑80~1 000 μm孔隙兩類。CT測定的總孔隙數(shù)(>80 μm)為 >1 000 μm孔隙數(shù)和80~1 000 μm孔隙數(shù)之和。CT測定的 >1 000 μm孔隙度或80~1 000 μm孔隙度為 >1 000 μm孔隙或80~1 000 μm孔隙的面積占圖像面積的百分?jǐn)?shù), 總孔隙度(>80 μm)為 >1 000 μm孔隙度與80~1 000 μm孔隙度之和?？紫兜某蓤A率采用如下公式計(jì)算得到:

=4π/2(1)

式中:為成圓率, 其值介于1和0之間;為孔隙面積, mm2;為孔隙周長, mm。

1.4 田間持水量、土壤容重和水穩(wěn)性團(tuán)聚含量測定

有效含水量和土壤容重采用環(huán)刀法[31], 飽和導(dǎo)水率采用恒定水頭法[32], 水穩(wěn)性團(tuán)聚含量測定采用濕篩法[33]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

各處理的各指標(biāo)值均為3次重復(fù)的算術(shù)平均值。分析所得的數(shù)據(jù)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)及相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施對土壤孔隙特征的影響

不同措施不同土層的平均孔隙數(shù)目、孔隙度及孔隙成圓率如圖2。從圖中可知, 免耕處理>1 000 μm孔隙數(shù)及80~1 000 μm孔隙數(shù)均顯著高于常規(guī)耕作處理, 分別較常規(guī)耕作處理提高55.3%和58.2%。免耕在提高了土體孔隙數(shù)目的同時(shí), 其土壤孔隙度也顯著提高97.4%和39.4%。說明免耕有利于改善土體孔隙狀況, 促進(jìn)孔隙數(shù)目與孔隙度的提高。

孔隙成圓率可表征孔隙的形態(tài)特征, 其值越大, 則孔隙越接近于圓形, 說明其孔隙越規(guī)則。從圖2可知, 80~1 000 μm孔隙成圓率較大, >1 000 μm孔隙成圓率較小。說明孔隙越小, 其孔隙越接近于圓形。與常規(guī)耕作相比, 免耕處理的孔隙成圓率顯著提高。

圖2 不同耕作措施對0~100 cm土體>1 000 μm和80~1 000 μm孔隙數(shù)目、孔隙度及孔隙成圓率的影響

不同小寫字母表示不同耕作措施間差異顯著。Different lowercase letters show significant differences between two tillage treatments.

綜上, 進(jìn)行免耕有利于改善土壤的孔隙狀況及其孔隙形態(tài), 從而有利于土壤水分的供應(yīng)與儲存。

2.2 不同耕作措施對0~100 cm土柱不同當(dāng)量直徑土壤孔隙數(shù)目的影響

由圖3可知, 隨著土層深度的增加, 不同類型土壤孔隙數(shù)目均表現(xiàn)為先增加再降低, 而30 cm后趨于穩(wěn)定的趨勢。說明不同耕作措施對土壤孔隙的改善主要集中在30 cm以上土層, 但對下層土壤的也有一定的作用。在0~25 cm土層, 免耕處理>80 μm的孔隙數(shù)目明顯高于常規(guī)耕作處理。在25~65 cm土層, 免耕處理與常規(guī)耕作處理>80 μm的孔隙數(shù)目差異不顯著, 而其在65~75 cm土層低于常規(guī)耕作處理。在85~100 cm土層, 免耕處理>80 μm的孔隙數(shù)目明顯高于常規(guī)耕作處理。對于大孔隙(>1 000 μm)數(shù)目而言, 在0~10 cm、15~45 cm、50~55 cm和80~100 cm, 免耕處理均高于常規(guī)耕作處理, 特別是在0~45 cm土層效果更為顯著。對80~1 000 μm土壤孔隙數(shù)目而言, 免耕處理在0~25 cm和85~100 cm土層明顯高于常規(guī)耕作處理。在45~55 cm土層, 免耕處理80~1 000 μm土壤孔隙數(shù)目較常規(guī)耕作處理高, 但差異不顯著。而在其他土層免耕處理80~1 000 μm土壤孔隙數(shù)目較少。

綜上, 長期免耕更利于改善0~20 cm土層的孔隙狀況, 且對20 cm以下土層也產(chǎn)生一定影響。而對于85~100 cm而言, 雖然免耕處理的不同當(dāng)量直徑孔隙度均高于常規(guī)耕作, 這可能是土壤本身的分異特征所致, 需要進(jìn)一步研究。

2.3 不同耕作措施對0~100 cm土柱不同當(dāng)量直徑土壤孔隙度的影響

0~100 cm土層不同大小土壤孔隙度如圖4。隨土層的加深, 土壤 >80 μm孔隙度表現(xiàn)為先增加后降低進(jìn)而趨于穩(wěn)定的趨勢。10~20 cm土層的土壤 >80 μm孔隙度較其他土層最高。在0~100 cm土層中, 除55~65 cm土層外, 常規(guī)耕作處理 >0.08 mm孔隙度均較低。在0~20 cm、25~40 cm、45~50 cm和75~100 cm土層, 免耕處理 >80 μm孔隙度均高于常規(guī)耕作處理。大孔隙(>1 000 μm)的孔隙度隨土層的加深表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢。不同處理在20 cm土層以下土層孔隙度均低于3%。在0~20 cm土層, 免耕處理土壤 >1 000 μm孔隙度明顯高于常規(guī)耕作處理。在25~40 cm、45~50 cm及65~100 cm土層, 均以免耕處理土壤 >1 000 μm孔隙度較常規(guī)耕作處理高, 但兩處理間的差異顯著性不同。對于更小級別的孔隙而言, 土壤80~1 000 μm孔隙度隨土層的加深表現(xiàn)為先增加后降低再增加最后趨于穩(wěn)定的趨勢。在0~20 cm土層, 免耕處理土壤80~1 000 μm孔隙度均高于常規(guī)耕作處理, 其他土層二者表現(xiàn)規(guī)律不一致。

圖3 不同耕作措施下不同土層>80 mm、>1 000 mm和80~1 000 mm孔隙的數(shù)目

綜上, 長期免耕改善了不同土層的土壤孔隙狀況, 提高了土壤總孔隙度、大孔隙度和小孔隙度, 有利于作物根系的生長和水分利用, 其主要影響深度在0~50 cm土層, 特別對0~20 cm土層影響更為顯著。

圖4 不同耕作措施不同土層>80 mm、>1 000 mm和80~1 000 mm孔隙的孔隙度

2.4 不同耕作措施對0~100 cm土層>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及土壤容重的影響

由圖5可知, 隨土層的加深, >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢。在0~55 cm和90~100 cm土層, >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為: 免耕>常規(guī)耕作。在55~85 cm土層, 常規(guī)耕作處理 >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較免耕處理高。說明長期進(jìn)行免耕促進(jìn)了作物根系的生長, 減少了因耕作對土壤結(jié)構(gòu)的破壞, 從而提高了土壤剖面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 尤其是55 cm以上土層。

土壤容重反映了土壤緊實(shí)度、孔隙及結(jié)構(gòu)特征。由圖5可知, 隨土層的加深, 土壤容重表現(xiàn)為先增加而后趨于穩(wěn)定的趨勢。而不同土層中以0~20 cm土層的土壤容重明顯小于其他土層。在0~20 cm和30~60 cm土層, 常規(guī)耕作處理的容重明顯高于免耕處理。而在70 cm以下土層二者差異不顯著。

圖5 不同耕作措施對不同土層土壤>0.25 mm團(tuán)聚體含量及容重的影響

綜上, 長期免耕更利于改善0~55 cm土層的土壤結(jié)構(gòu), 提高該土層的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 有利于作物根系的生長。

2.5 不同耕作措施對0~100 cm土層土壤有效水含量及土壤飽和導(dǎo)水率的影響

由圖6可知, 常規(guī)耕作處理不同土層的有效水含量介于6.0%~8.0%, 在25 cm以下土層, 其有效水含量介于6.5%~7.5%。而免耕處理不同土層的土壤有效水含量變幅較大。免耕處理在0~100 cm土層土壤有效水含量均高于常規(guī)耕作處理, 特別在0~20 cm土層效果最顯著。

不同處理25~35 cm土層的土壤飽和導(dǎo)水率最低。免耕0~20 cm的土壤飽和導(dǎo)水率明顯高于常規(guī)耕作, 這是由于常規(guī)耕作在小麥播種進(jìn)行耕作時(shí)破壞了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)所致。在25~45 cm土層, 免耕與常規(guī)耕作處理之間差異較小。隨土層的進(jìn)一步加深, 二者的差異逐漸加大, 免耕45~55 cm土層的土壤飽和導(dǎo)水率仍高于常規(guī)耕作, 這可能是免耕后土壤水分較為充足, 促進(jìn)了作物根系生長和蚯蚓活動頻繁所致。但在65 cm土層以下, 二者的差異逐漸減小。說明經(jīng)過長期免耕措施后, 由于土壤結(jié)構(gòu)得到了改善, 土壤剖面導(dǎo)水性能提高, 尤其是0~20 cm以上土層效果更為顯著。

2.6 不同土壤物理特征相關(guān)性分析

對土壤孔隙特征參數(shù)及>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量等進(jìn)行相關(guān)性分析得出(表1): >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、飽和導(dǎo)水率及有效水含量與不同孔徑的孔隙度(數(shù)目)均呈極顯著(<0.01)正相關(guān), 而土壤容重與不同孔徑的孔隙度(數(shù)目)均呈極顯著(<0.01)負(fù)相關(guān)。說明不同土壤物理特性之間存在極好的相關(guān)性, 可選取其中1個(gè)指標(biāo)來表征其他指標(biāo)。

3 討論與結(jié)論

長期進(jìn)行不同耕作會對耕層乃至深層土壤產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響, 主要表現(xiàn)為土體團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、土壤孔隙及土壤水分參數(shù)等的變化。土壤孔隙結(jié)構(gòu)及在土體的分布影響水分在土體中的遷移, 與土壤表面徑流及滲透性之間具有密切關(guān)系[34], 對土壤肥力也有多方面的影響[35]。土壤孔隙的數(shù)目、大小、形狀、方向及空間分布等, 決定著土壤中水分的流量、流速、流態(tài)及持水性能[36]。大孔隙既利于水分的滲透, 又是土壤空氣與大氣交換的直接通道, 中等孔隙適合根的生長, 小孔隙有保持和運(yùn)行土壤水分和養(yǎng)分的功能。

圖6 不同耕作措施對不同土層土壤有效水含水量及飽和導(dǎo)水率的影響

表1 土壤孔隙特征與土壤團(tuán)聚體含量及容重和含水量間的相關(guān)性

**表示相關(guān)性達(dá)顯著水平<0.01。** indicates significantcorrelation at 0.01 level (LSD test).

免耕能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤孔隙, 增加土壤水分入滲[37], 提高土壤持水性能, 防治土壤質(zhì)量退化[38]。陳學(xué)文等[25]研究認(rèn)為, 免耕使得土壤自然沉實(shí), 土壤容重增大, 孔隙度降低。而楊永輝等[27]應(yīng)用CT掃描法研究發(fā)現(xiàn), 免耕可有效提高表層土壤的孔隙度, 這可能與免耕年限有關(guān)。Asare等[39]應(yīng)用CT掃描技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)大孔隙度隨著深度增加有明顯減少的趨勢, 并認(rèn)為大孔隙的形成機(jī)理與地上殘留物、植物根系類型及土壤動物等因素有關(guān)。甘磊等[40]研究發(fā)現(xiàn), 在0~30 cm土層中, 隨土層的加深, 免耕的孔隙數(shù)目有增加的趨勢。本研究發(fā)現(xiàn), 隨土層的加深, 孔隙數(shù)目及孔隙度呈現(xiàn)先增加(0~20 cm)再降低而后趨于穩(wěn)定的趨勢。通過長期免耕不僅提高了表層土壤的總孔隙數(shù)(>80 μm)、大孔隙數(shù)(>1 000 μm)及80~1 000 μm孔隙數(shù), 且不同類型的孔隙度也相應(yīng)增加。與常規(guī)耕作相比, 免耕更利于提高0~25 cm土層80~1 000 μm和 >80 μm孔隙數(shù)目和0~45 cm土層 >1 000 μm孔隙數(shù)目。同時(shí), 免耕提高了0~20 cm和25~40 cm土層 >1 000 μm、>80 μm與0~20 cm土層80~1 000 μm的土壤孔隙度。說明, 耕作對下層土壤的壓實(shí)作用, 尤其在犁底層附近, 引起土壤容重增加, 孔隙度減少[41], 而免耕處理的土壤結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定, 利于孔隙數(shù)目及孔隙度的提高, 這與Kay等[42]的研究結(jié)果一致, 而與Carter[43]的研究結(jié)果相反。這可能與土壤類型或氣候等條件不同有關(guān), 需要進(jìn)一步深入研究。

長期免耕會對土壤的其他物理特性產(chǎn)生重要影響[44]。田效琴等[45]研究表明, 長期免耕可顯著降低0~20 cm土層的容重, 提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和土壤孔隙度, 而對于20~40 cm土層效果不明顯。Hammel[46]和Hatfield等[47]研究表明, 長期免耕導(dǎo)致表層土壤容重增加、耕層變淺、結(jié)構(gòu)變差。而余海英等[48]、Gao等[49]和Huang等[50]均研究表明, 免耕覆蓋可降低土壤容重、提高土壤孔隙度、促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。而對于更深層次土層, 本研究發(fā)現(xiàn), 長期免耕在改善了土體土壤孔隙狀況的同時(shí), 提高了0~55 cm土層 >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、0~60 cm土層的土壤飽和導(dǎo)水率、0~25 cm土層的有效水含量, 降低了0~65 cm土層的土壤容重, 從而改善了剖面土壤物理環(huán)境, 有利于作物的生長, 其作用深度在0~55 cm土層。但也有研究[51-52]表明, 長期免耕導(dǎo)致土壤緊實(shí), 容重增加。這可能與土壤質(zhì)地有關(guān)。如, 劉威等[53]研究不同質(zhì)地土壤時(shí)發(fā)現(xiàn), 免耕增加了壤土的土壤容重, 降低了其土壤孔隙度, 而提高了粉質(zhì)壤土的孔隙度, 降低了土壤容重。說明免耕對不同質(zhì)地土壤的作用效果存在一定的差異,需要進(jìn)一步研究。

綜上, 通過CT掃描測得的土壤孔隙參數(shù)與常規(guī)方法測定的土壤物理參數(shù)之間存在極好的相關(guān)性,可從微觀土壤孔隙特征來表征宏觀的土壤物理性質(zhì)。在褐土旱作區(qū)進(jìn)行長期免耕, 有利于改善土體土壤結(jié)構(gòu)和土壤孔隙狀況, 提高土壤的滲透能力及土壤水分的有效性, 促進(jìn)作物的生長。其對不同土壤物理參數(shù)的作用深度存在一定的差異, 其綜合作用深度在55 cm以上土層, 而繼續(xù)進(jìn)行免耕的結(jié)果如何, 還有待下一步研究。

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Effect of no-tillage on pore distribution in soil profile*

YANG Yonghui1,2, WU Jicheng1,2, MAO Yongping3, HE Fang1,2, ZHANG Jiemei1,2, GAO Cuimin1,2, PAN Xiaoying1,2, WANG Yue1,2

(1. Institute of Plant Nutrition & Resource Environment, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China; 2. Yuanyang Experimental Station of Crop Water Use, Ministry of Agriculture, Yuanyang 453514, China; 3. Jinshui District General Hospital, Zhengzhou 450001, China)

Soil pore structure plays an important role in soil water movement in both topsoil and subsoil, and it is closely related to soil surface runoff and permeability. CT scanning has accurately revealed the number, size and location of macro-pores (>1 mm in diameter). Long-term tillage can greatly influence the physical properties of soil profile, while non-tillage can improve soil structure, increase soil fertility and soil porosity, and thereby decrease soil bulk density and promote crop growth. Studies of non-tillage effects on soil pore have mostly been focused on the ploughed layer. Further study is needed to determine the impact of long-term non-tillage on soil pore volume, size and distribution along soil profile by using the CT scanning method and combining with soil structure, soil bulk density and soil moisture parameters investigation by using conventional method, especiallyfor the deep soil (0–100 cm) layer. Thus in order to determine the effect of long-term no-tillage measure on pore characteristics, structure and water parameters of soil, CT scanning was used to quantitatively analyze soil pore volume (80–1 000 μm, >1 000 μm and >80 μm), porosity, and pore distribution of the 0–100 cm soil profile under long-term no-tillage and conventional tillage conditions in this study. A conventional method was adopted to determine macro-aggregate amount, bulk density, field water capacity, effective water content and saturated hydraulic conductivity. The results showed that no-tillage treatment increased numbers and porosities of soil pores >1 000 μm, 80–1 000 μm and >80 μm. The numbers increased respectively by 55.3%, 58.2% and 57.9%, while porosities increased by 97.4%, 39.4% and 72.6% of >1 000 μm, 80–1 000 μm and >80 μm pores under non-tillage treatment compared with the conventional tillage treatment. It was also found that pore shape and pore circularity improved under non-tillage treatment. For different soil layers, no-tillage treatment increased numbers of 80–1 000 μm pores and >80 μm pores in the 0–25 cm and 80–100 cm soil layers, and number of >1 000 μm soil pore in the 0–45 cm soil layer. Furthermore, there were significantly increases in porosities >1 000 μm and >80 μm soil pores in the 0–20 cm and 25–40 cm soil layers, and porosity of 80–1 000 μm soil pores in the 0–20 cm soil layer under non-tillage treatment compared with those under conventional tillage treatment. In addition, long-term no-tillage increased water content in the 0–25 cm soil layer, saturated hydraulic conductivity and content of water stable aggregates (>0.25 mm) in the 0–55 cm soil layer. Then long-term no-tillage treatment reduced soil bulk density in the 0–55 cm soil layer compared with conventional tillage treatment. Correlation analysis showed that CT scanning well showed soil pore characteristics, which was related with soil physical parameters measured by conventional method. Also micro-cosmic soil pore characteristics could be used to characterize macroscopic physical properties of the soil. In summary, long-term non-tillage practice was beneficial for improvement of soil structure and pore, and increased soil water availability.

No-tillage; Wheat-maize rotation; CT scanning; Soil structure; Soil pore; Soil aggregates; Water parameter

, YANG Yonghui, E-mail: yangyongh@mails.gucas.ac.cn

Nov. 27, 2017;

Feb. 22, 2018

S152.5

A

1671-3990(2018)07-1019-10

10.13930/j.cnki.cjea.171093

2017-11-27

2018-02-22

* This study was supported by the National Key R&D Project of China (2017YFD0301102), the National Natural Science Foundation of China (U1404404), the Excellent Youth Science and Technology Fund of Henan Academy of Agricultural Sciences (2016YQ12) and Henan Province Key R&D and Extension Project (182102110060).

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0301102)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1404404)、河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院優(yōu)秀青年科技基金項(xiàng)目(2016YQ12)和河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)(182102110060)資助

楊永輝, 主要研究方向?yàn)橥寥牢锢砼c節(jié)水農(nóng)業(yè)。E-mail: yangyongh@mails.gucas.ac.cn

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