免耕條件下蚯蚓對(duì)農(nóng)田水分及土壤物理性質(zhì)的影響

熊麗軍，馬莉，劉美澤，李亦男

（寶雞文理學(xué)院/陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西寶雞 721013）

0 引言

土壤水分是影響蚯蚓活動(dòng)的重要因素之一，蚯蚓對(duì)土壤含水量的影響也可能因土壤水分的不同而不同。土壤保水能力與蚯蚓活動(dòng)密切相關(guān)，隨著由蚯蚓形成的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加，土壤持水能力提高[1]。Hallam等[2]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓明顯增加了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分比，增加了土壤含水量。蚯蚓活動(dòng)可以顯著增加土壤＞2 mm的團(tuán)聚體量，降低＜0.053 mm的粘砂礫含量，從而提高土壤的平均直徑和重量，增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性[3]。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著蚯蚓養(yǎng)殖年限的增加，土壤容重降低，土壤涵養(yǎng)水分能力增強(qiáng)[4]。

免耕是實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作的手段之一，免耕技術(shù)具有減少地表徑流和土壤蒸發(fā)、提高土壤含水量的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，蚯蚓又被稱為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，主要通過自身的生理活動(dòng)如挖掘、進(jìn)食等行為改變土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。蚯蚓活動(dòng)能夠在土壤表面和土壤內(nèi)部形成大量的蚯蚓糞。蚯蚓糞的產(chǎn)生增加了土壤中的團(tuán)聚體數(shù)量，從而影響土壤的中等孔隙和微小孔隙，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保水和持水能力[5]。

現(xiàn)有研究大多通過添加蚯蚓糞來間接研究蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，或研究蚯蚓糞或蚯蚓對(duì)土壤蒸發(fā)、入滲及土壤理化性質(zhì)等的影響，本研究旨在通過大田試驗(yàn)的方式探明關(guān)中塿土區(qū)，免耕條件下，接種不同數(shù)量的蚯蚓來研究蚯蚓種群數(shù)量對(duì)農(nóng)田土壤含水量動(dòng)態(tài)變化特征，及土壤團(tuán)聚體、容重的影響。以期探明該區(qū)域單位面積土壤適宜接種的蚯蚓數(shù)量，尋找適合關(guān)中地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)布設(shè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，試驗(yàn)區(qū)地處黃土高原，位于渭河流域關(guān)中平原腹地，屬東亞暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱氣候區(qū)，氣候條件較好，雨熱同期，降水和氣溫年際差異較小。2020年月平均降水量4.8～266.8 mm。生育期內(nèi)降水量為798.4 mm，占全年降水量的80%。月平均氣溫為1.1～24.9℃，月平均高溫為1.6～25.6℃，月平均低溫為0.5～24.3℃（數(shù)據(jù)來源于西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)氣象觀測(cè)站）。供試土壤基本理化性質(zhì)(0～30 cm)和顆粒組成(0～100 cm)見表1。

調(diào)查員委托每個(gè)自然村的村醫(yī)作為協(xié)助者，在其協(xié)調(diào)下開展一對(duì)一、面對(duì)面的現(xiàn)場(chǎng)問答式入戶調(diào)查。承諾問卷不做單份分析。本研究共發(fā)放1100份問卷，最終保留有效問卷941份，有效回收率為85.55%。無效問卷的剔除標(biāo)準(zhǔn)：被調(diào)查者配合度較差的、未完整作答的與反聵信息存在明顯傾向性的。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)和顆粒組成

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2020 年6 月12 日，種植作物為秋玉米。2020年6月12日播種，當(dāng)年10月10日收獲，試驗(yàn)選取免耕作為供試處理，以接種蚯蚓數(shù)量為試驗(yàn)變量，設(shè)置4個(gè)蚯蚓接種水平，分別為NT0（對(duì)照，0條/m2）、NT20（2條/m2）、NT50（5 條/m2）和NT100（11 條/m2），每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)小區(qū)面積為9 m2(3 m×3 m)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，小區(qū)隨機(jī)分布。蚯蚓接種日期為2020 年6 月13日，各處理中蚯蚓接種方式為將個(gè)體大小基本一致的成年威廉腔環(huán)蚓均勻放置在樣地表面，待其自由進(jìn)入土中并進(jìn)行覓食、掘穴等活動(dòng)。為防止蚯蚓逃逸，所有樣方邊界均以可拼接無銹鋼板隔離，無銹鋼板插入土壤深度約50 cm，地表留出高度約40 cm。玉米種植行距為60 cm，每行株距為30 cm。每個(gè)小區(qū)均施氮肥和磷肥作為基肥，氮肥為尿素（含N 46%）150 kg/hm2，磷肥為過磷酸鈣（含P2O516%）75 kg/hm2，玉米生長(zhǎng)期間不施肥，除草等農(nóng)田管理措施相同，整個(gè)生育期無灌溉。

1.3 土壤取樣與處理

土壤團(tuán)聚體結(jié)果（圖2）顯示，農(nóng)田土壤主要以2～5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體為主(32.80%～36.73%)，其次為＞5 mm(26.88%～34.55%)，再次為1～2 mm(15.26%～17.22%)，然后為0.5～1 mm(8.69%～9.96%)，最后為＜0.25 mm(5.78%～9.32%)和0.25～0.5 mm(3.40%～5.10%)。與對(duì)照相比，NT20、NT50和NT100提高了＞5 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體百分占比(0.39%～5.35%)；NT20、NT50和NT100處理中＜0.25 mm 和0.25～0.5 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體百分占比也顯著高于NT0處理（0.22%～3.55%和0.91%～1.58%，P＜0.05）；NT20、NT50和NT100處理的其余3個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的團(tuán)聚體百分比則相應(yīng)低于NT0處理。即蚯蚓活動(dòng)提高了＞5、＜0.25、0.25～0.5 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體百分占比，蚯蚓活動(dòng)使＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體百分占比從60.36%提高至66.59%。

1.4 指標(biāo)計(jì)算

MWD和GMD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)，其值越大表明土壤平均粒徑團(tuán)聚度越高，抗侵蝕能力越強(qiáng)[8]。如表2 所示，收獲期各處理的MWD表現(xiàn)為NT100＞NT50＞NT0＞NT20。相比NT0，NT50和NT100的MWD增加了0.70%和6.71%，NT20的MWD降低了3.56%(P＜0.05)。各處理的GMD表現(xiàn)為NT100＞NT0＞NT50＞NT20。相比NT0，NT100的MWD顯著增加了2.76%，NT50和NT20的MWD顯著降低了1.86%和5.37%(P＜0.05)。綜合來看，NT100可提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，說明蚯蚓活動(dòng)可以提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力。

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1.4.2 土壤團(tuán)聚體指標(biāo)相關(guān)計(jì)算利用干篩法得到的＜0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2、2～5、＞5 mm6 個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量數(shù)據(jù)計(jì)算各級(jí)別機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的百分含量[6]。團(tuán)聚體的穩(wěn)定性采用平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)來描述，分別按式(2)～(3)計(jì)算。

④引導(dǎo)居民正確地選擇補(bǔ)救方式。不要因?yàn)?zāi)后損失嚴(yán)重而喪失意志或者對(duì)政府不滿，應(yīng)及時(shí)主動(dòng)向政府部門報(bào)告災(zāi)情，并關(guān)注權(quán)威機(jī)構(gòu)公布的相關(guān)信息，以降低由此產(chǎn)生的內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

式中，xi為第i個(gè)篩子上團(tuán)聚體直徑，wi為第i個(gè)篩子上團(tuán)聚體重量百分比[7]。

1.4.3 土壤容重土壤容重采用環(huán)刀法及烘干法測(cè)定，如式(4)。

由圖1 可知，土壤含水量變化曲線在0～100 cm 范圍內(nèi)隨深度變化情況存在差異。相比對(duì)照(NT0)處理，有接種蚯蚓的3種處理都一定程度地提高了土壤含水量。在0～40 cm 土壤深度，相比NT0同深度的土壤含水量，有接種蚯蚓的3 種處理增加了土壤含水量(0.32%～9.99%)；在40～100 cm 土壤深度，NT20、NT50增加了土壤含水量，相比NT0同深度的土壤含水量，其增加幅度分別為10.93%～20.06%、10.56%～17.24%。且NT20、NT502種處理增加土壤含水量的變化趨勢(shì)在試驗(yàn)結(jié)果中基本一致。相比NT0同深度的土壤含水量，NT100處理土壤含水量增幅為4.65%～12.36%。在0～40 cm土壤深度，相比NT0，NT0、NT20和NT100增加了0.32%～9.99%的土壤含水量。在40～100 cm 深度，相比NT0，NT0、NT20和NT100增加了1.52%～20.06%的土壤含水量。即在0～100 cm土壤深度，蚯蚓活動(dòng)提高了土壤含水量，且NT20、NT50增加土壤含水量的效果優(yōu)于NT100。

傳統(tǒng)渠道不斷被蠶食、數(shù)量銳減！中間渠道被急劇壓縮，一些傳統(tǒng)肥料企業(yè)難以招架?；ヂ?lián)網(wǎng)與電商的強(qiáng)勢(shì)襲來令人措手不及，如果傳統(tǒng)肥料企業(yè)抱殘守缺，不轉(zhuǎn)型就難以生存。一位大型復(fù)合肥企業(yè)經(jīng)理感嘆：“再不改變將被渠道邊緣化，如果還是針對(duì)經(jīng)銷商這種傳統(tǒng)渠道做營(yíng)銷，企業(yè)將很難生存，大肥企業(yè)只能下沉、下沉，做終端！”“企業(yè)要有好產(chǎn)品，還要擁抱終端渠道，重新構(gòu)架模式。如果還守著原來的傳統(tǒng)營(yíng)銷方式，你會(huì)覺得為什么銷量一天天下滑那么快？找不到原因，你下去一看，生意全部被他們做了。”“不是市場(chǎng)沒有了，市場(chǎng)還在，但是已經(jīng)成為別人的市場(chǎng)。”

1.5 數(shù)據(jù)處理

由表3可知，土壤含水量與2～5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，與土壤容重(10～20 cm)呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與其余指標(biāo)不存在顯著相關(guān)性。除土壤容重(10～20 cm)與土壤含水量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)外，土壤容重(0～10 cm)與土壤含水量不存在顯著相關(guān)性，且土壤容重與土壤團(tuán)聚體指標(biāo)間不存在顯著相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量的變化特征

式中，m為環(huán)刀內(nèi)的干土質(zhì)量，v為環(huán)刀體積。

圖1 收獲期土壤含水量深度變化曲線

2.2 蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響

2020年10月10日對(duì)各處理的重復(fù)小區(qū)進(jìn)行土壤樣品的采集，采用隨機(jī)取樣法對(duì)每個(gè)處理小區(qū)取土。采集0～10、11～20、21～30、31～40、41～50、51～60、61～70、71～80、81～90、91～100 cm的土樣測(cè)定土壤含水量和土壤團(tuán)聚體。土壤含水量采用烘干法測(cè)定，土壤團(tuán)聚體干篩法測(cè)定，采用環(huán)刀法、烘干法測(cè)定0～10 cm 和11～20 cm的土壤容重。用于測(cè)定土壤團(tuán)聚體的土樣剔除可見的根系、石礫、枯落物等雜物，置于室內(nèi)陰涼處風(fēng)干。

還有一道好吃的洋芋佳肴就是洋芋攪團(tuán)。把剛煮熟的洋芋趁熱剝了皮，放到石頭鑿成的砸窩里，用石頭做的砸槌反復(fù)砸爛成泥，用大勺子挖到用蔥熗熟的酸菜醬水里，拿筷子夾成小塊，調(diào)上油鹽和干辣椒面，一碗勾人魂魄的洋芋攪團(tuán)就做好了。夾一塊攪團(tuán)放到嘴里，不等你用牙齒去咀嚼，它自己就滑溜溜地跑到胃里去了！

圖2 土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布(0～30 cm)

2.3 蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和容重的影響

1.4.1 土壤含水量計(jì)算土壤含水量計(jì)算如式(1)。

表2 土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和土壤容重

在0～10 cm 土壤深度，各處理土壤容重表現(xiàn)為NT100＜NT0＜NT50＜NT20。由表2可知，相比NT0，只有NT100顯著降低了土壤容重(4.34%，P＜0.05)，其余2 種處理不同程度地增加了土壤容重(1.30%～13.50%，P＜0.05)。在此土壤深度，接種蚯蚓處理的土壤容重隨蚯蚓數(shù)量增加呈先增后減的變化。在10～20 cm 土壤深度，各處理土壤容重表現(xiàn)為NT20＜NT50＜NT100＜NT0。相比NT0，各處理均不同程度地增大了土壤容重(4.05%～11.99%，P＜0.05)。在此深度下，接種蚯蚓處理提高了土壤容重。說明在免耕條件下，接種蚯蚓達(dá)到11條/m2(NT100)時(shí)，蚯蚓活動(dòng)會(huì)降低0～10 cm深的土壤容重，接種蚯蚓會(huì)使得10～20 cm深的土壤容重增加。

2.4 土壤含水量與土壤團(tuán)聚體、容重間的相關(guān)分析

采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，采用SPSS 9.1進(jìn)行顯著性差異分析(P＜0.05)和相關(guān)分析。

跨區(qū)作業(yè)走南闖北。河南省農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)發(fā)起于1993年，至今已經(jīng)走過25個(gè)年頭，全省聯(lián)合收割機(jī)從無到有，發(fā)展到2018年的18.8萬臺(tái)，收割機(jī)作業(yè)面積達(dá)7900多萬畝，成為全國(guó)小麥機(jī)收會(huì)戰(zhàn)的“主戰(zhàn)場(chǎng)”和“首戰(zhàn)場(chǎng)”。每年河南省大面積機(jī)收作業(yè)結(jié)束后，大批收割機(jī)陸續(xù)奔赴山東、河北、內(nèi)蒙古、天津等地作業(yè)，出省作業(yè)收割機(jī)總量在3萬臺(tái)左右。小麥跨區(qū)機(jī)收作業(yè)模式開辟了農(nóng)業(yè)小規(guī)模家庭經(jīng)營(yíng)條件下農(nóng)機(jī)社會(huì)化服務(wù)的新路子，是我國(guó)現(xiàn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)體制下發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化的一大創(chuàng)舉。

表3 土壤含水量與土壤團(tuán)聚體指標(biāo)、土壤容重間的Pearson相關(guān)分析（雙尾）

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，接種不同數(shù)量的蚯蚓均可提高土壤含水量、土壤大團(tuán)聚體數(shù)量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且接種足夠數(shù)量的蚯蚓會(huì)減小表層(0～10 cm)的土壤容重，接種蚯蚓會(huì)使犁底層(10～20 cm)的土壤容重增加。從結(jié)果來看，NT20、NT50增加土壤含水量的效果優(yōu)于NT100；蚯蚓活動(dòng)提高了＞5、＜0.25、0.25～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體占比，蚯蚓活動(dòng)使＞2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體占比從60.36%提高至66.59%；NT100可提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

相關(guān)分析表明，土壤含水量與2～5 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，與土壤容重(10～20 cm)呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，土壤容重與土壤團(tuán)聚體間不存在顯著相關(guān)性。綜合來看，免耕條件下接種蚯蚓可影響土壤含水量、土壤團(tuán)聚體、土壤容重，研究結(jié)果可為改善農(nóng)作物生育期土壤含水量及農(nóng)田土壤物理性質(zhì)提供數(shù)據(jù)參考。

4 討論

4.1 蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

本研究結(jié)果顯示，土壤中＞2 mm 的大團(tuán)聚體從60.36%增加至66.59%。且土壤大團(tuán)聚體含量隨著蚯蚓數(shù)量增加而增加，土壤小團(tuán)聚體含量則隨蚯蚓數(shù)量增加而減小，與已有研究結(jié)果一致[9]。于建光等[10]研究發(fā)現(xiàn)，接種蚯蚓顯著降低土壤粘粒及粘粉粒分散率，同時(shí)增加＞2 mm大團(tuán)聚體數(shù)量，故蚯蚓活動(dòng)可以增加土壤大團(tuán)聚體數(shù)量。一般來說，土壤大團(tuán)聚體數(shù)量越多，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高。于建光等[10]研究發(fā)現(xiàn)接種蚯蚓可顯著增加MWD；在本試驗(yàn)中，與對(duì)照相比，接種蚯蚓處理提高了土壤團(tuán)聚體MWD和GMD值，從而提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

土壤容重是反映土壤緊實(shí)程度、孔隙狀況等結(jié)構(gòu)性特征的重要指標(biāo)[11]。本研究結(jié)果顯示，0～10 cm土壤深度，相比NT0，只有NT100顯著降低了土壤容重；10～20 cm 土壤深度，接種蚯蚓處理的土壤容重始終高于對(duì)照處理。蚯蚓活動(dòng)在多數(shù)情況下傾向于降低土壤容重，但少數(shù)情況下也會(huì)提高土壤容重[12]。土壤容重變化受眾多因素影響，如土壤類型、接種蚯蚓類型等。本研究供試土壤為塿土，黏粒含量高，土壤緊實(shí)[13]。且在免耕條件下設(shè)置了不同蚯蚓接種水平，與其他研究試驗(yàn)條件存在一定差異。劉武仁等[14]研究表明，長(zhǎng)期免耕使得表層0～20 cm 土壤容重增大，免耕一定程度上導(dǎo)致了土壤容重的增加。

4.2 蚯蚓活動(dòng)影響的土壤性質(zhì)對(duì)土壤含水量的影響

本研究中，蚯蚓活動(dòng)增加了土壤含水量。相較于NT100，NT20、NT50提高土壤含水量作用更為明顯。蚯蚓活動(dòng)使土壤中大團(tuán)聚增多，團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)。而土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性是影響土壤水分狀況最重要的因素，對(duì)土壤滲透性和保水能力有直接影響[15]，穩(wěn)定的團(tuán)聚體為土壤傳輸養(yǎng)分水分和空氣提供良好的運(yùn)移通道[16]。團(tuán)聚體數(shù)量、粒級(jí)分布影響土壤孔隙、土壤水分的分布和連續(xù)性，并最終使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[17]。大團(tuán)聚體更容易保持土壤水分，從而增加土壤的含水量[18]。已有研究證實(shí)，蚯蚓糞在水分入滲過程中，蚯蚓糞層會(huì)蓄積大量水分，延緩水分入滲。同時(shí)蚯蚓糞作為保水劑可以抑制土壤水分蒸發(fā)，增加表層以下土壤的含水量[5]。

已有研究表明，土壤容重和含水量?jī)烧咧g呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著土層加深，含水量減少，土壤容重增大[19]。本試驗(yàn)中，蚯蚓活動(dòng)對(duì)0～20 cm 土層土壤容重表現(xiàn)為增大作用，僅有NT100在0～10 cm土層表現(xiàn)為土壤容重降低。土壤含水量在該土層表現(xiàn)為相比NT0其余接種蚯蚓處理提高了土壤含水量。土壤容重與含水量變化情況相反，與前人研究結(jié)果一致。