干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體特征的影響

胡旭凱, 陳居田, 朱利霞, 李俐俐

(周口師范學(xué)院生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院， 河南 周口 466001)

干濕交替是指土壤經(jīng)歷多次干旱和潮濕循環(huán)的過(guò)程。降雨、地表徑流、蒸發(fā)的時(shí)空分布變化改變了土壤的水分含量，形成越來(lái)越多的干濕交替現(xiàn)象[1]，并對(duì)土壤生產(chǎn)力產(chǎn)生重要影響。土壤團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，是土壤養(yǎng)分的重要載體，其數(shù)量和質(zhì)量對(duì)土壤生產(chǎn)力起決定性作用[2]。土壤團(tuán)聚體按其粒級(jí)大小可分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)，而大團(tuán)聚體含量的高低可以代表土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的好壞[3]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，即團(tuán)聚體為了維持原有的形態(tài)抵御各種外力作用或者外界環(huán)境變化的能力，主要包含機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性[4]。影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素較多，如降水、干旱、地表水位變化經(jīng)常會(huì)使土壤處于干濕交替狀態(tài)，干濕交替不僅影響土壤的有機(jī)碳礦化和養(yǎng)分含量[5]，而且顯著影響土壤團(tuán)聚體的粒徑分布和穩(wěn)定性[2]。

由于全球氣候的變化，極端干旱和強(qiáng)降雨等極端天氣逐漸增多，這導(dǎo)致土壤經(jīng)歷強(qiáng)烈干濕交替的頻率增加。干濕交替可通過(guò)改變土壤孔隙度和水分含量，改變土壤團(tuán)聚體形成和崩解過(guò)程，從而影響大團(tuán)聚體的含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性[6]。然而，不同干濕交替循環(huán)和頻率對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布特征以及穩(wěn)定性的影響，學(xué)術(shù)界尚未得出一致的結(jié)論。Shiel等[7]發(fā)現(xiàn)，1次干濕交替后粒徑分布有明顯改變，而4次循環(huán)后土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體比例與未進(jìn)行干濕交替的土壤基本一致；但Mikha等[8]研究發(fā)現(xiàn)，前3次干濕交替后團(tuán)聚體粒徑分布沒(méi)有明顯變化，4次之后，土壤團(tuán)聚體粒徑分布有所差異。對(duì)于不同土壤類(lèi)型，干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響也不盡相同，鄔鈴莉等[9]發(fā)現(xiàn)，干濕交替破壞黃壤土團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，而干濕交替可促進(jìn)變性土團(tuán)聚體形成，增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[10]。因此，研究特定類(lèi)型土壤在干濕交替作用下的土壤團(tuán)聚體特征十分必要。近年來(lái)，關(guān)于黃淮平原潮土區(qū)的研究多集中在土壤養(yǎng)分、水分及作物產(chǎn)量等，而不同干濕交替對(duì)該區(qū)域典型農(nóng)田土壤團(tuán)聚體特征的影響研究則較少。因此，本研究以黃淮平原潮土區(qū)農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，設(shè)置不同的干濕交替循環(huán)，分析不同干濕交替循環(huán)下不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的含量，比較團(tuán)聚體的穩(wěn)定性特征，以期為土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維持和農(nóng)田土壤的可持續(xù)管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

供試土壤采自河南省周口市的長(zhǎng)期耕作農(nóng)田(N 33°38′，E 114°40′)，土壤類(lèi)型為潮土，質(zhì)地黏重，土壤剖面一般由耕作層、犁底層、心土層和底土層組成，且田間調(diào)查結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出隨土層加深而逐漸減少的趨勢(shì)，土壤顆粒組成中砂粒、粉粒和黏粒的含量在0—100 cm剖面中有明顯變化。因此，在采集土壤樣品時(shí)分為5層進(jìn)行采樣。此外，該地區(qū)位于黃淮平原，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，冬季少降雪且寒冷，夏季多降雨且炎熱，年均溫15 ℃左右，年均降水量770 mm左右，降水主要集中于每年6—8月，約占全年降水總量的56%，年均蒸發(fā)量1 780 mm左右。在冬小麥生長(zhǎng)期內(nèi)一般分冬灌、返青灌水、拔節(jié)灌水、挑旗灌水、開(kāi)花-灌漿期灌水進(jìn)行5次灌水，每次灌水后形成一個(gè)干濕交替，所以選擇0～5次干濕交替進(jìn)行采樣。灌水深度可達(dá)冬小麥根系分布的75%左右，而小麥根系的80%一般分布在100 cm以上的土層，所以采集土壤深度達(dá)到100 cm。

于2019年3月采集農(nóng)耕地0—100 cm土層的原狀土，每20 cm一層。土壤采集后裝入硬質(zhì)塑料盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，去除土壤中的植物殘?jiān)⑿∈瘔K和其他碎屑，將土樣置于陰涼干燥處，自然風(fēng)干后備用。一部分用于土壤團(tuán)聚體分級(jí)，一部分研磨后過(guò)2 mm篩，采用常規(guī)土壤分析方法[11]測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

本試驗(yàn)設(shè)定0(DW0)、1(DW1)、3(DW3)和5(DW5)次干濕交替循環(huán)，每個(gè)處理重復(fù)3次。將稱(chēng)好的土壤樣品置于濾紙上，采取快速?lài)娏苁絿娝雇寥篮垦杆龠_(dá)到田間持水量，放置過(guò)夜，模擬土壤吸水濕潤(rùn)過(guò)程；干燥過(guò)程則將濕潤(rùn)后的土壤放入40 ℃烘箱內(nèi)48 h使之干燥，如此為一個(gè)干濕交替循環(huán)。

1.2 土壤團(tuán)聚體篩選方法

分別采用干篩法和濕篩法對(duì)土壤團(tuán)聚體進(jìn)行分級(jí)，從而分析土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分布特征。

采用沙維諾夫法[12]進(jìn)行干篩，稱(chēng)取100 g風(fēng)干土樣，然后通過(guò)一套直徑20 cm、高5 cm的振蕩篩(套篩直徑為5、2、1、0.5和0.25 mm)，底層安放底盒，頂部蓋篩蓋，用振蕩式篩分儀在200次·min-1下振蕩2 min。篩取完成后土樣分成>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5和<0.25 mm團(tuán)聚體，分別收集稱(chēng)重。

采用Yoder法的改進(jìn)版[13]進(jìn)行濕篩，先將振蕩篩的各個(gè)篩面按照從上到下的順序(5、2、1、0.5和0.25 mm)放置好，然后擺放入濕篩桶，稱(chēng)取100 g風(fēng)干土樣平鋪于最上層篩面上，然后沿著桶壁緩慢加入去離子水，使最上層篩子中團(tuán)聚體剛好浸沒(méi)在水面以下，浸潤(rùn)10 min后，以30次·min-1的頻率振蕩5 min，之后將各篩面上的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分別沖洗至已稱(chēng)重的容器中，40 ℃條件下烘干，稱(chēng)重。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

1.3 團(tuán)聚體指標(biāo)計(jì)算方法

>0.25 mm團(tuán)聚體百分含量(R0.25)[14]、土壤團(tuán)聚體破壞率(percentage of aggregate destruction，PAD)[15]、土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter，MWD)[14]和幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)[14]的計(jì)算公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019、SPSS 24.0進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析，并采用Origin 9.0進(jìn)行繪圖。用單因素方差分析(One-way ANOVA)進(jìn)行數(shù)據(jù)間的比較分析，采用最小顯著差法比較其顯著性差異，顯著性水平P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征分析

不同干濕交替處理的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布結(jié)果(表2)可知，隨土壤層次的加深，各處理不同粒級(jí)團(tuán)聚體呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，DW0處理的0.5～1和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體含量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，而DW1、DW3和DW5處理的0.5～1和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體有先增加后降低的趨勢(shì)；DW0、DW3和DW5處理<0.25 mm團(tuán)聚體基本呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，DW1的<0.25 mm團(tuán)聚體含量則先降低后增加而后略微降低。

與DW0相比，干濕交替處理(DW1、DW3和DW5)顯著降低0—20 cm土層2～5、1～2、0.5～1和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體含量，對(duì)>5和<0.25 mm團(tuán)聚體的影響隨干濕交替次數(shù)的不同而不同。與DW0相比，DW1處理顯著增加0—20、20—40、40—60和80—100 cm土層中<0.25 mm團(tuán)聚體含量，其中以0—20 cm土層增幅最大，為112.9%；而DW3處理顯著降低60—80 cm及以下土層<0.25 mm團(tuán)聚體含量；DW5處理顯著增加40—60 cm及以上土層<0.25 mm團(tuán)聚體含量。與DW0相比，DW1顯著增加<0.25 mm團(tuán)聚體含量；與DW1相比，DW3處理顯著降低<0.25 mm團(tuán)聚體含量。

表2 不同干濕交替處理的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征Table 2 Proportion of different water-stable aggregate sizes under different dry-wet cycles

2.2 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征分析

不同干濕交替處理的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體結(jié)果(表3)顯示，各干濕交替處理下各土層團(tuán)聚體粒級(jí)分布基本一致，即>5 mm團(tuán)聚體所占比例最高(均在41%以上)，其次是2～5和1～2 mm團(tuán)聚體，0.25～0.5與<0.25 mm團(tuán)聚體所占比例較低。隨土壤層次的加深，>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有逐漸增加的趨勢(shì)，2～5和1～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有逐漸降低的趨勢(shì)。

與DW0相比，干濕交替處理(DW1、DW3和DW5)顯著增加各土層>5 mm團(tuán)聚體含量而顯著降低1～2和0.5～1 mm團(tuán)聚體含量；干濕交替則顯著降低0—20、20—40、60—80和80—100 cm土層的2～5 mm團(tuán)聚體含量。與DW0相比，干濕交替處理顯著降低0—20 cm土層0.25～0.5 mm團(tuán)聚體含量(P<0.05)，DW1和DW3的降幅分別為78.1%和58.5%。與DW0相比，DW1處理顯著降低各土層<0.25 mm團(tuán)聚體含量，而DW5處理顯著增加各土層<0.25 mm團(tuán)聚體含量，DW3處理對(duì)<0.25 mm團(tuán)聚體含量的影響則隨土層的變化而不同。

2.3 土壤團(tuán)聚體的數(shù)量穩(wěn)定性分析

濕篩條件下，不同處理的R0.25有明顯差別(表4)。與DW0相比，DW1處理顯著降低土壤各土層的水穩(wěn)定性R0.25，其中0—20 cm土層R0.25降幅最大，達(dá)到62%。與DW0相比，DW3處理顯著降低0—20 cm土層水穩(wěn)定性R0.25，而顯著增加60—80和80—100 cm土層水穩(wěn)定性R0.25，在20—40和40—60 cm土層DW3和DW0處理間的水穩(wěn)定性R0.25無(wú)顯著差異。與DW0相比，DW5處理顯著降低60—80 cm土層及以上土層的水穩(wěn)定性R0.25，而顯著增加60—80 cm土層R0.25，對(duì)80—100 cm土層R0.25無(wú)顯著影響。

表3 不同干濕交替處理的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征Table 3 Proportion of different mechanical-stable aggregate sizes under different dry-wet cycles

干篩法獲得團(tuán)聚體R0.25均在85%以上。與DW0相比，DW1和DW3顯著增加0—20和60—80 cm土層R0.25；DW3處理對(duì)20—40、40—60和60—80 cm土層R0.25無(wú)顯著影響，但顯著增加0—20和80—100 cm土層R0.25。與DW0相比，DW5處理顯著降低各土層R0.25。

團(tuán)聚體破壞率(PAD)表示濕篩法相比干篩法破碎的團(tuán)聚體比例，數(shù)值越小代表土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[16]。由表4可知，不同干濕交替處理對(duì)團(tuán)聚體破壞率的影響差異較大，DW1處理的PAD值最高，均在60%以上，在40—60 cm土層達(dá)到80%，DW0和DW3處理在不同土層呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。與DW0相比，DW1處理顯著增加0—20、20—40、40—60和80—100 cm土層的PAD值，而對(duì)60—80 cm土層PAD值無(wú)顯著影響；DW3處理顯著增加0—20 cm土層PAD值，而顯著降低60—80 cm土層PAD值，DW3和DW5處理對(duì)20—40、40—60和80—100 cm土層PAD值無(wú)顯著影響。

2.4 土壤團(tuán)聚體的直徑穩(wěn)定性分析

由圖1可知，在濕篩條件下，各處理的MWD值在各土層中有明顯差異。與DW0相比，DW1處理顯著降低各土層的MWD值，其中80—100 cm土層降低幅度最大，為66.7%。與DW0相比，DW3和DW5處理顯著增加40—60和60—80 cm土層的MWD值，而對(duì)0—20、20—40和80—100 cm土層的MWD值無(wú)顯著影響。在干篩條件下，各土層不同處理的MWD值介于4.38～7.20 mm之間。與DW0相比，DW1、DW3和DW5處理均顯著增加各土層的MWD值，且DW3處理的MWD值在0—20、20—40、60—80和80—100 cm土層均顯著高于DW1和DW5處理。

在濕篩條件下，干濕交替顯著影響土壤團(tuán)聚體的GMD值。與DW0相比，DW1處理顯著降低各土層GMD值，其中以0—20 cm土層降幅最大，為55.1%；DW3處理顯著降低0—20 cm土層GMD值而顯著增加80—100 cm土層GMD值；DW5處理顯著降低0—20、20—40、40—60和80—100 cm土層GMD值。在干篩條件下，與DW0相比，DW1和DW3處理均顯著增加各土層土壤團(tuán)聚體GMD值，增幅均在20%以上；DW5處理顯著增加0—20、20—40和80—100 cm土層GMD值而對(duì)40—60和60—80 cm土層GMD值無(wú)顯著影響。

表4 不同處理土壤大團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體破壞率Table 4 Content of soil macro-aggregate (>0.25 mm) and percentage of aggregate destruction

3 討論

良好的土壤結(jié)構(gòu)需要有較高含量的土壤團(tuán)聚體和適當(dāng)?shù)牧椒峙?，尤其是水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性。本研究中干篩法和濕篩法所得土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性有所差異，這主要是由于干篩法反映的是原狀土中非水穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的總體狀況，而濕篩法所反映的是土壤中水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分布狀況。經(jīng)過(guò)濕篩后土壤中非水穩(wěn)定性團(tuán)聚體容易通過(guò)外力(水)的擠壓作用破碎成更小的團(tuán)聚體。因此濕篩法獲得的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體，更能真實(shí)表現(xiàn)出團(tuán)聚體分布特征以及穩(wěn)定性[17]。

干濕交替通過(guò)影響膠結(jié)劑的穩(wěn)定性以及團(tuán)聚體膨脹和收縮，改變土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性[2]。由于土壤類(lèi)型、肥力及處理方法的不同，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性結(jié)果也會(huì)有所差異。Bravo-Garza等[10]研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)干濕交替會(huì)增加變性土>2 mm團(tuán)聚體的數(shù)量，促進(jìn)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成；而Denef等[18]研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)干濕交替會(huì)減少粉砂壤土>2 mm團(tuán)聚體的數(shù)量，抑制水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成；在人工模擬降雨條件下，紅壤中>0.25 mm團(tuán)聚體含量明顯降低，團(tuán)聚體破壞率增加[17]。本研究中，在干篩條件下，不同土層、不同處理間R0.25均以DW5處理最小，DW1、DW3和DW5處理則顯著增加團(tuán)聚體MWD值，DW1和DW3處理顯著增加土壤團(tuán)聚體GMD值，DW5處理顯著增加0—20、20—40和80—100 cm土層GMD值。這些結(jié)果表明，干濕交替會(huì)在一定程度上增加土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性，這可能是由于試驗(yàn)所用土壤質(zhì)地較為黏重，在干濕交替處理下土壤易結(jié)塊，導(dǎo)致土壤機(jī)械穩(wěn)定性增加[19]。濕篩法所得的大團(tuán)聚體含量均在70%以下，表明供試土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量較低，土壤可蝕性較強(qiáng)[12]。在遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，土壤流失的可能性較大，在今后的耕作管理中應(yīng)注意改良土壤提高土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體比例。因此，在耕作過(guò)程中應(yīng)注意通過(guò)土壤管理改善土壤結(jié)構(gòu)。濕篩條件下，在不同土層，DW1處理顯著降低土壤水穩(wěn)定性R0.25、MWD和GMD值，而DW1處理的PAD值最高；DW3處理顯著降低0—20 cm土層GMD值而對(duì)20—40和40—60 cm土層GMD值無(wú)顯著影響，DW3顯著增加60—80和80—100 cm土層GMD值；除60—80 cm土層外，DW5顯著降低團(tuán)聚體GMD值。這表明3次干濕交替可以促進(jìn)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，尤其是下層土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，但1和5次干濕交替不利于土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的維持。Bravo-Garza等[10]也得到類(lèi)似結(jié)果，即在一定干濕交替范圍內(nèi)，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨干濕交替次數(shù)的增加而增加。然而，鄔鈴莉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替次數(shù)的增加導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體MWD明顯下降，干濕交替作用破壞了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。因此，干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，可能與土壤類(lèi)型、干濕交替強(qiáng)度及具體試驗(yàn)方法等有關(guān)。

注：同一土層不同小寫(xiě)字母表示不同處理間在P<0.05水平差異具有顯著性。Note: Different small letters of the same soil layer indicate significant difference at P<0.05 level.圖1 不同干濕交替處理的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)參數(shù)Fig.1 Evaluation parameters of soil aggregates under different dry-wet cycles

對(duì)于水穩(wěn)定性團(tuán)聚體而言，不同處理的大團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性在0—60 cm土層隨土層加深逐漸降低，這主要是由于表層土壤有大量的有機(jī)物質(zhì)輸入，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，且土壤微生物活性較高，而隨著土層的加深，有機(jī)質(zhì)含量及微生物活性逐漸降低，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)作用降低，進(jìn)而土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低[20-21]；在60 cm土層以下，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低而鐵鋁硅氧化物含量較高，促進(jìn)土壤顆粒的團(tuán)聚作用，從而增加下層土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[22]。