基于不同深翻年限土壤團聚體空間分異與穩(wěn)定性研究

楊濟達，伏成秀，朱紅業(yè)，張 慶，馬世貴，姚巧敏

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205；2.嵩明縣農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，云南 嵩明 651700；3.祥云泰興農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責(zé)任公司，云南 祥云 672100)

【研究意義】耕作方式本質(zhì)上是通過影響耕層土壤的結(jié)構(gòu)改變其理化性狀，對土地生產(chǎn)力產(chǎn)生影響[1-3]。耕作方式是機械外力直接改變土壤結(jié)構(gòu)的物理驅(qū)動，土壤團聚體是不均勻的土壤結(jié)構(gòu)單元，耕作措施直接作用導(dǎo)致土壤原有團聚體含量、粒徑分布以及穩(wěn)定性的分異和重組，進而影響土壤的透氣性、保水性以及抗侵蝕能力。因此，研究不同深翻年限下土壤團聚體空間分異及深翻措施下土壤團聚體穩(wěn)定性對明晰深翻作用對土壤結(jié)構(gòu)的擾動機制具有現(xiàn)實意義?！厩叭搜芯窟M展】深翻措施通過機械外力直接作用導(dǎo)致土壤原有結(jié)構(gòu)的組分重組，造成其結(jié)構(gòu)組分和理化性質(zhì)的垂向空間分異[4-7]。陳洪清等[8]研究表明傳統(tǒng)旋耕直接破碎土壤團聚結(jié)構(gòu)，使團聚體暴露于干濕循環(huán)和冷熱循環(huán)中，表現(xiàn)為土壤大團聚體破碎成微團聚體或單個顆粒，并暴露出受團聚體保護的土壤有機質(zhì)，加快有機質(zhì)的礦化。同時，土壤孔隙的減少會使團聚體黏合能力下降，土壤破碎度增加，導(dǎo)致土壤團聚體抵抗機械破壞的能力下降[9-11]。王興等[12]研究表明隨著土層深度變化，土壤水分及容重對土壤結(jié)構(gòu)的影響也可能變化，表現(xiàn)為影響土壤膠體的分散從而影響土壤結(jié)構(gòu)水穩(wěn)定性。其中，不同耕作深度對土壤團聚體影響效果較大，表現(xiàn)為耕作深度和耕作制度擾動導(dǎo)致土壤黏粒分布不均，翻耕10 cm和翻耕30 cm處理下2～8 mm粒徑的土壤團聚體含量減小，微團聚體(<0.25 mm)含量在整體上呈上升趨勢，隨翻耕深度的增加，土壤團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑也隨之減小。連年淺耕的土壤常在其剖面上形成了分布位置較高的犁底層，不利于水分、養(yǎng)分的保持，產(chǎn)生“上實下虛”或“下實上虛”的不合理耕層結(jié)構(gòu)。深翻相比于淺旋耕，可以降低土壤容重，改善土壤團聚結(jié)構(gòu)性能，增加土壤有機碳含量和水分利用效率，進而提高耕地的作物產(chǎn)量，但是深耕對耕層結(jié)構(gòu)的擾動明顯加大。同時，耕翻后，土壤原有的表土、心土，甚至是底土常被混合，經(jīng)歷著人為的熟化過程和繼續(xù)作用的自然形成過程[13-14]?！颈狙芯壳腥朦c】土壤團聚體作為土壤最重要的結(jié)構(gòu)單元，深翻措施對土壤團聚體結(jié)構(gòu)性能必然產(chǎn)生影響。深翻后的土壤由于上下土層的翻動和混合，在其剖面上形成了既不同于自然土壤發(fā)生發(fā)育的層次，也不同于傳統(tǒng)淺旋耕措施下形成的耕作土壤剖面發(fā)育層次。以往大量的研究多集中于不同耕作方式下土壤物理性狀的變化。然而在同一深翻耕作方式下，基于土層深度的空間尺度與深翻年限的時間尺度、土壤團聚體的空間分布格局與動態(tài)變化特征仍鮮有研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究針對深翻措施，基于土層垂向不同土層深度，開展土壤團聚體基于不同深翻年限的空間分布格局與對時間動態(tài)變化特征研究，以期探明深翻措施對土壤團聚體在土壤層次發(fā)生和空間分異上的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省大理州祥云縣劉廠鎮(zhèn)(25°28′37″N，100°45′4″E)，屬北亞熱帶偏北高原季風(fēng)氣候區(qū)，海拔1904 m，年平均氣溫14.7 ℃，1月平均氣溫8.1 ℃，7月平均氣溫19.7 ℃；年均降雨量700～810 mm，日照時數(shù)為2030.2～2623.9 h。祥云縣2020年蔬菜種植面積為16 666 hm2，產(chǎn)鮮菜51.7×104t，實現(xiàn)綜合產(chǎn)值15億元，成為滇西北高原特色農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要蔬菜產(chǎn)區(qū)。2014—2021年在祥云泰興農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責(zé)任公司試驗基地連續(xù)開展周年試驗，以葉菜類蔬菜進行周年連茬種植，建成蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化種植示范基地273 hm2，主要種植黃白、上海青、生菜、松花、西蘭花、油麥菜等30多個特色蔬菜品種，年產(chǎn)蔬菜3.5×106t。針對長期淺旋耕和周年多茬種植造成的土壤結(jié)構(gòu)性退化，于2014年開始實施深翻60 cm+有機培肥的土壤改良措施。土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 研究區(qū)土壤性狀

1.2 試驗設(shè)計與樣品分析

為探究不同年限深翻措施對不同土層深度團聚體分布及其穩(wěn)定性的影響，本研究以第1次進行深翻措施的年限(2014年)的土壤為對照，設(shè)置7個深翻年限(2014—2020年)進行連續(xù)采樣監(jiān)測分析。各深翻年限土壤采樣小區(qū)面積為15 m2，設(shè)置3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)進行剖面原位采樣。為降低其余耕作措施和田間管理因素差異造成的影響，試驗區(qū)耕作措施、水肥管理和田間操作均保持統(tǒng)一并按照生產(chǎn)規(guī)范管理。

1.2.1 土壤樣品采集 2021年5月按照不同深翻年限土壤區(qū)域采集土壤樣品，在各樣地內(nèi)隨機選擇5個取樣點，挖掘60 cm深垂直土壤剖面，分3個土層采集原位整塊試驗所需土壤樣品，同時采用環(huán)刀法采集對應(yīng)深度原位土壤，并將土壤置于保溫箱避免人為擾動。土樣帶回實驗室進行預(yù)處理，包括風(fēng)干、去除土樣中植物根系和碎石塊，混合后分成2份，一份用于團聚體分析，另一份用于土壤理化性質(zhì)測定。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)測定 經(jīng)過預(yù)處理后分析測定土壤各理化性質(zhì)指標(biāo)，包括土壤pH、有機質(zhì)、總氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀。pH測定采用電位測定法；有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量測定采用重鉻酸鉀—硫酸消化法；水解性氮含量測定采用堿解擴散法；全磷含量測定采用硫酸—高氯酸消煮法；速效磷含量測定采用碳酸氫鈉法；土壤全鉀含量測定采用NaOH-火焰光度計法；速效鉀含量測定采用醋酸銨—火焰光度計法。

采用干篩、濕篩法分別測定土壤機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)性團聚體。干篩法測定土壤中機械穩(wěn)定性團聚體含量，取經(jīng)過預(yù)處理后的土壤樣品200 g，使其通過干篩(孔隙：5.00、2.00、0.50、0.25 mm)，計算>5.00、5.00～2.00、2.00～0.50、0.50～0.25、<0.25 mm 的5個粒徑團聚體；濕篩法測定土壤中水穩(wěn)性團聚體含量，取50 g土樣放置于團聚體分析儀進行濕篩，烘干法測定每個粒徑水穩(wěn)性土壤團聚體的重量。

團聚體破壞率(PAD)的公式：

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

表格中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。數(shù)據(jù)分析和繪圖采用IBM SPSS 22.0 和Excel 2021軟件進行。相關(guān)性分析用于表述團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)之間的關(guān)系；單因素(One-way ANOVA)和鄧肯(Duncan)法進行方差分析和差異顯著性檢驗(P<0.05)用于比較不同土層和不同深翻年限之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深翻年限土壤團聚體含量及分布特征

2.1.1 不同深翻年限土壤團聚體的含量變化 DR0.25和WR0.25在不同深翻年限的時間尺度和不同土層深度的空間尺度，其含量差異明顯(表2)。DR0.25在不同深翻年限和不同土層深度均高于90%，介于91.90%～98.42%。DR0.25在3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)總體呈隨深翻年限增加而減小的趨勢，其中，深翻7年較深翻1年，DR0.25在3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)均顯著降低(P<0.05)，分別減少4.0%、4.8%和3.7%。

表2 不同深翻年限下各土層的DR0.25和WR0.25

WR0.25明顯低于DR0.25，介于50.62%～80.20%。WR0.25在同一深翻年限，總體表現(xiàn)為隨土層深度增加而降低的趨勢，其中，深翻7年后，WR0.25在20～40、40～60 cm 土層較0～20 cm土層分別降低4.8%、7.7%；深翻作用下，WR0.25在3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)總體表現(xiàn)為隨深翻年限增加而增加的趨勢，其中深翻7年后較深翻1年，3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)分別顯著增加22.4%、25.5%和44.3%。綜上結(jié)果表明，WR0.25較DR0.25對深翻作用的響應(yīng)更為敏感，受深翻作用影響，不同土層WR0.25明顯低于DR0.25。

2.1.2 不同深翻年限土壤水穩(wěn)性團聚體的分布特征 基于水穩(wěn)性團聚體對深翻作用的敏感性，進一步分析水穩(wěn)性團聚體各粒徑在不同深翻年限后各土層深度的分布。由圖1～3可知，0～20 cm土層水穩(wěn)性團聚體深翻7年后較深翻1年，>5.00 mm和<0.25 mm粒徑團聚體數(shù)量分別減少34.4%和30.4%；0.5～2.0 mm粒徑團聚體數(shù)量增加46.7%。20～40 cm土層各粒徑分布隨深翻年限增加并未呈現(xiàn)規(guī)律性變化，深翻7年后，水穩(wěn)性團聚體主要以>5.00 mm和0.50～2.00 mm粒徑分布為主，占比分別高達34.64%和35.03%。40～60 cm土層在深翻1年，主要以<0.25 mm和0.50～2.00 mm粒徑分布為主，占比分別為49.38%和29.94%，>5.00 mm粒徑占比最低，僅有3.24%；深翻7年后，水穩(wěn)性團聚體主要以>5.00 mm和<0.25 mm粒徑分布為主，占比分別為28.72%和26.95%；同時，各粒徑分布差異明顯降低，占比介于10.57%～28.72%。

圖1 不同深翻年限0～20 cm土層土壤團聚體分布Fig.1 Distribution of soil aggregates in 0-20 cm soil layer in different deep turning years

圖2 不同深翻年限20～40 cm土層土壤團聚體分布Fig.2 Distribution of soil aggregates in 20-40 cm soil layer in different deep turning years

圖3 不同深翻年限40～60 cm土層土壤團聚體分布Fig.3 Distribution of soil aggregates in 40-60 cm soil layer in different deep turning years

表3 不同深翻年限下各土層MWD變化

2.2 不同深翻年限土壤團聚體穩(wěn)定性

2.2.1 土壤團聚體平均重量直徑MWD變化 由表3可知，MWD在0～20 cm土層隨深翻年限增加總體變化不明顯，除深翻3年后(1.64 mm)顯著低于其余年限外，其余年限間差異不顯著(介于2.09～2.63 mm)；20～40 cm土層MWD隨深翻年限增加，總體表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢，深翻7年后較深翻1年，MWD顯著增加161.5%；40～60 cm土層MWD在深翻1～7年總體表現(xiàn)為隨深翻年限增加而先增加后降低的趨勢，深翻5年較深翻1年，MWD顯著增加196.1%；深翻6～7年 MWD逐漸降低，較深翻5年分別降低14.2%和9.9%，但與深翻5年相比差異不顯著(P>0.05)。綜上，深翻作用下，土壤表層與底層進行翻耕混勻，并隨深翻年限增加團聚體趨于逐漸穩(wěn)定的趨勢，其中，深翻4～7年，各土層深度團聚體穩(wěn)定性差異均不顯著(P>0.05)。

2.2.2 土壤團聚體破壞率PAD變化 由圖4可知，深翻前4年各土層深度PAD表現(xiàn)為40～60 cm>20～40 cm>0～20 cm；各土層PAD隨深翻年限增加總體呈降低趨勢，其中0～20 cm土層PAD變化波動較小，介于18.18%～28.18%；20～40 cm土層深翻7年后較深翻1年P(guān)AD降低48.2%；40～60 cm土層深翻7年后較深翻1年P(guān)AD降低53.0%。綜上，深翻作用下，PAD的變化總體呈隨土層深度增加而增大，隨深翻年限增加而降低的趨勢。

圖4 不同深翻年限各土層土壤團聚體破壞率Fig.4 The PAD of soil aggregates of each soil layer in different deep ploughing years

2.3 土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)相關(guān)性分析

由表4可知，WR0.25、PAD、MWD 3個指標(biāo)相關(guān)系數(shù)呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其中WR0.25與PAD呈顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=-0.750，WR0.25與MWD呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.866，PAD與MWD呈顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=-0.795。

表4 土壤團聚體各指標(biāo)的相關(guān)性分析

進一步分析WR0.25與深翻年限的關(guān)系，由圖5可知，不同土層WR0.25均呈隨深翻年限增加而逐漸增加的趨勢，表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，其中40～60 cm土層表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)R=0.767。進一步分析PAD與深翻年限的關(guān)系，由圖6可知，不同土層PAD隨深翻年限增加均呈逐漸降低的趨勢，表現(xiàn)負相關(guān)線性關(guān)系，其中0～20 cm和40～60 cm土層表現(xiàn)為顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.651和0.757；同時PAD隨土層深度增加呈明顯增加的趨勢。

圖5 不同深翻年限WR0.25的變化Fig.5 Variation of WR0.25 in different deep turning years

圖6 不同深翻年限PAD的變化Fig.6 Variation of PAD in different deep turning years

3 討 論

3.1 深翻作用對土壤團聚體含量的影響

土壤中粒徑>0.25 mm的團聚體含量和平均重量直徑MWD越高，說明團聚體穩(wěn)定性越強，土壤的結(jié)構(gòu)性能越好。不同土層深度機械穩(wěn)定性團聚體DR0.25均高于90%，但水穩(wěn)性團聚體WR0.25較DR0.25變化更加明顯，介于50.62%～80.20%，表明深翻作用下，機械外力直接作用土壤原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致團聚體含量的組分重組，表現(xiàn)為水穩(wěn)性團聚體組分變異較大，WR0.25較DR0.25對深翻作用的響應(yīng)更為敏感。深翻作用破壞土壤團聚體間的孔隙，土壤孔隙的減少導(dǎo)致團聚體黏合能力下降，土壤抗破碎強度隨之下降，通過土壤膠體的分散從而影響土壤結(jié)構(gòu)水穩(wěn)定性[15-18]。

3.2 深翻作用對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

深翻作用下，PAD表現(xiàn)為隨土層深度增加而增大，隨深翻年限增加而降低的趨勢。傳統(tǒng)旋耕對土壤的表層長期耕翻，直接破碎表層土壤團聚結(jié)構(gòu)[19]。深翻作用下，其原有的表土、心土有時甚至是底土常被混合，表層和深層土壤出現(xiàn)了空間位移，原表層土壤大團聚體破碎成微團聚體或單個顆粒經(jīng)深翻作用置于深層，深層通氣通水較差，冷熱變化較小，生物尤其是微生物活動弱，養(yǎng)分物質(zhì)缺乏或轉(zhuǎn)化較慢，微團聚體或單個顆粒團聚能力受限，隨深翻年限增加，呈現(xiàn)為土壤深層結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性下降[20-21]。另一方面，深層土壤深翻后空間位移至表層，使團聚體暴露于干濕循環(huán)和冷熱循環(huán)中，受地表生物氣候的影響較大，通氣通水性高，物質(zhì)轉(zhuǎn)化較快，水分養(yǎng)分供應(yīng)較多，隨深翻年限增加，導(dǎo)致大團聚體破碎程度增加[22-24]。深翻作用打破土壤原有團聚體分布格局，土壤表層和底層水穩(wěn)性團聚體含量和穩(wěn)定性較低，表現(xiàn)為明顯的兩極分化[25-27]，但深翻作用使得整個0～60 cm土層深度通氣通水性能提高，表層底層冷熱差異較小，土壤縱向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)差異減小，隨深翻年限增加，土壤水穩(wěn)性團聚體分布兩極分化逐漸趨同，穩(wěn)定性逐漸增加。

4 結(jié) 論

(1)深翻措施直接作用于土壤團聚體結(jié)構(gòu)，團聚體含量組分重組導(dǎo)致原生耕作土壤層次分異，層次分異表現(xiàn)為表層和底層兩級分化，水穩(wěn)性團聚體組分變異較大，層次發(fā)生響應(yīng)更為敏感。

(2)深翻作用使土壤表層與底層實現(xiàn)空間位移、混勻，致使各土層原有層次分異趨于同質(zhì)化，隨深翻年限增加，土壤團聚體分布格局逐漸趨同，穩(wěn)定性逐漸增加。