王少博，曹亞倩，馮倩倩，郭亮亮，梁 海，王雪潔，韓惠芳，寧堂原

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018）

粒徑分布(particle-size distribution，PSD)作為土壤的基本屬性之一，可間接表征土壤在復(fù)雜環(huán)境中的變化過(guò)程，從而反映土壤的肥力條件及侵蝕現(xiàn)狀[1]。分形理論的創(chuàng)立和應(yīng)用成為定量化研究土壤結(jié)構(gòu)與功能的有效工具[2]。分形維數(shù)可以表征PSD的自相似性，并反映土壤顆粒的均勻程度[3]。耕作方式是影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素，耕作措施是重要的耕作環(huán)節(jié)[4]。土壤管理措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及其土壤物理性質(zhì)退化產(chǎn)生重要影響[5]。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是土壤質(zhì)量中最為重要的指標(biāo)，它們不僅反映土壤肥力水平，也表征土壤的發(fā)育狀況。它們之間的關(guān)系可以用土壤碳氮比來(lái)表示，即土壤有機(jī)碳含量(0.58 × 土壤有機(jī)質(zhì)含量)與全氮含量的比值，它是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，是衡量土壤C、N營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)，它的演變趨勢(shì)對(duì)土壤碳、氮循環(huán)有重要影響[6]。

可見(jiàn)，深入研究土壤結(jié)構(gòu)對(duì)于構(gòu)建合理耕層、指導(dǎo)適宜農(nóng)田耕作措施尤為必要，特別是深入到PSD特征的細(xì)微變化及土壤肥力對(duì)合理耕作具有一定的實(shí)際意義。

保護(hù)性耕作對(duì)減輕土壤侵蝕、減少地表徑流、改善環(huán)境、增加水分入滲與土壤肥力具有重要意義[7]。耕作措施的不同會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。劉鵬濤等[8]研究認(rèn)為，長(zhǎng)期保護(hù)性耕作對(duì)降低表層土壤容重效果明顯。周虎等[9]研究表明不同耕作措施下免耕處理增加了孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，尤其是 10—15 cm和 20—25 cm層次下的土壤孔隙結(jié)構(gòu)。程科等[10]指出免耕與深松耕作模式能提高耕層土壤團(tuán)聚體含量，對(duì)旱地土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高作用明顯。楊永輝等[11]指出不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)，大粒級(jí)團(tuán)聚體中含有較高的有機(jī)碳。保護(hù)性耕作在改善土壤物理性質(zhì)的同時(shí)，也能顯著提高土壤的肥力性質(zhì)，如土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量。土壤粒徑可以作為土壤結(jié)構(gòu)的一部分來(lái)表征土壤結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，粒徑的重量分布特征可表征土壤粒徑分形特征，土粒直徑的大小和質(zhì)地組成的均勻程度可以由土壤PSD分形維數(shù)來(lái)表征[3,12]。改變土壤粘粒礦物可影響土壤肥力特征[13]。上述研究均集中在不同耕作措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)大尺度團(tuán)聚體、容重和孔隙度研究上，對(duì)于長(zhǎng)期定位耕作措施小尺度上的土壤粒徑分布，粘粉砂比例的占比相對(duì)研究較少，在不同耕作措施下土壤分形理論對(duì)土壤粒徑分布的影響研究缺乏，這限制了土壤微結(jié)構(gòu)研究的深入性。采用土壤分形理論中的廣義維數(shù)譜q-D(q)曲線、奇異譜函數(shù)a-f(a)指標(biāo)對(duì)土壤粒徑分布狀況和穩(wěn)定性特征進(jìn)行分析，具有不可忽略的優(yōu)勢(shì)。本文以長(zhǎng)期定位的保護(hù)性耕作農(nóng)田為研究對(duì)象，通過(guò)原位土的分層測(cè)定，比較不同土層不同耕作措施的土壤粒徑分布特征，通過(guò)分形理論中的單重分形和多重分形奇異性指數(shù)分別構(gòu)造配分函數(shù)，通過(guò)廣義維數(shù)譜D(q)確定不同耕作措施下土壤PSD的局部特征和非均勻程度，評(píng)價(jià)保護(hù)性耕作措施長(zhǎng)期定位對(duì)土壤細(xì)微結(jié)構(gòu)以及均勻性的影響，為科學(xué)合理的耕作措施及提高農(nóng)田土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)站位于 117°09′E、36°10′N，四季分明，光溫充足，屬于典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候。多年平均日照時(shí)數(shù)2462.3 h，年均降水量786.3 mm，年均氣溫13.6℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)基于長(zhǎng)期定位的保護(hù)性耕作試驗(yàn)田(始于2002年)，試驗(yàn)田土壤類型為棕壤。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為60 m2(15 m × 4 m) 。試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為耕作處理與秸稈還田處理兩因素相互組合，試驗(yàn)為小麥-玉米輪作體系，耕作周期為一年。耕作處理分為傳統(tǒng)翻耕處理玉米機(jī)械收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，滅茬翻耕25 cm，打畦筑埂，小麥機(jī)械播種收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，玉米免耕播種。免耕處理流程為玉米機(jī)械收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，施肥小麥機(jī)械播種收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，玉米免耕播種。深松處理流程為玉米機(jī)械收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，施肥深松耕作 (耕作深度40 cm)，小麥機(jī)械播種收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，玉米免耕播種。2016年小麥播種前試驗(yàn)地0—20 cm土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.3 田間管理

試驗(yàn)采用小麥-玉米一年兩熟種植模式，小麥品種為‘濟(jì)麥22號(hào)’，小麥于每年10月10日至15日播種，播量90 kg/hm2，并與第二年6月8日至15日收獲；玉米品種為‘鄭單958’，密度為6.66 ×104株/hm2，于每年6月18日至25日鐵茬播種，每年10月8日至12日收獲。

各處理統(tǒng)一田間管理，小麥季基施純N 225 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，各處理在拔節(jié)期統(tǒng)一追施純N 110 kg/hm2，澆拔節(jié)水160 mm；玉米季基施純N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，大喇叭口期追施純N 120 kg/hm2。

1.4 樣品采集

1.4.1 土樣采集 試驗(yàn)于2017年6月5日(小麥?zhǔn)斋@期)進(jìn)行取樣，按“S”型在每個(gè)小區(qū) 5 點(diǎn)布設(shè)，取原狀土層次為0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm土樣，結(jié)合2002年0—40 cm土層初始樣品進(jìn)行測(cè)定，土壤樣品混合均勻后，進(jìn)行風(fēng)干處理。土樣分為兩部分，一部分原狀土樣用于測(cè)定粒度分布，另一部分土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，研磨過(guò)150 μm篩，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀法進(jìn)行測(cè)定；全氮含量采用全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定過(guò)程中每個(gè)樣品均設(shè)置重復(fù)樣，同時(shí)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.4.2 產(chǎn)量樣品采集 小麥成熟時(shí)，各試驗(yàn)小區(qū)去除邊行隨機(jī)收獲2 m2試驗(yàn)田的麥穗，記錄有效穗數(shù)，試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)計(jì)算小麥產(chǎn)量。玉米成熟時(shí)，各試驗(yàn)小區(qū)去除邊行隨機(jī)收獲10 m雙行的玉米穗，記錄株數(shù)、穗數(shù)、空稈率和雙穗率，試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)計(jì)算玉米產(chǎn)量。

1.5 土壤粒徑分布檢測(cè)

土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)測(cè)定利用美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司生產(chǎn)的LS13320激光粒度儀進(jìn)行，原狀風(fēng)干土樣過(guò)2 mm篩后稱取5.0 g，加入濃度15%的H2O2，放入水浴鍋中低溫加熱直至氣泡全部消失(除去有機(jī)質(zhì))，之后加入10 mL10%HCl并置于水浴鍋煮沸(除碳酸鹽)，將離子水注滿燒杯靜置過(guò)夜后抽取上層液(除酸)，以上過(guò)程均為除雜，確保粒度分析準(zhǔn)確性。加入10 mL濃度為0.5 mol/L的六偏磷酸鈉溶液均勻攪拌后浸泡過(guò)夜，測(cè)量前準(zhǔn)備使用超聲波清洗機(jī)清洗震蕩10 min，溶液充分搖勻后，立即吸取溶液到儀器的樣品池中，進(jìn)行超聲處理時(shí)間為3 min，使土樣充分分散，當(dāng)遮蔽率為(28 ± 2)%時(shí)停止加樣，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品進(jìn)行3次重復(fù)。

土壤質(zhì)地分類根據(jù)美國(guó)農(nóng)部制系統(tǒng)劃分土壤顆粒粒度：砂粒(粒徑0.05～2 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)和粘粒 (粒徑 0～0.002 mm)[14]。

1.6 土壤粒徑分形原理

1.6.1 單重分形 土壤顆粒體積分布數(shù)據(jù)利用激光粒度儀簡(jiǎn)單便捷獲得，本研究運(yùn)用土壤顆粒體積分形理論模型來(lái)計(jì)算出土壤單重分形維數(shù)D[2]，公式為：

表 1 不同耕作方式土壤的基本性質(zhì)Table 1 The soil basic characteristics of different tillage treatments

式中：λv—土壤徑粒分級(jí)中的最大粒徑2000 μm；R—某一粒徑特征尺度；VR—所有小于R的土粒的粒徑，VT—土壤顆粒的總體積；D—土壤顆粒的體積分形維數(shù)。

1.6.2 多重分形 根據(jù)激光粒度儀所測(cè)的區(qū)間Ii= [0.375，2000]，將區(qū)間Ii劃分為93個(gè)小區(qū)間，Ii=[фi，фi+1]，i= 1，2，3，，93，vi表示粒徑在子區(qū)間Ii內(nèi)土壤顆粒體積百分?jǐn)?shù)，測(cè)量到的分析結(jié)果為各子區(qū)間相對(duì)應(yīng)的土壤顆粒體積百分含量。激光粒度儀測(cè)得的土壤顆粒粒徑為фi，在測(cè)定區(qū)間，Ii=[0.375，2000]內(nèi)，lg(фi+1/фi)為一個(gè)常數(shù)，利用多重分形方法分析區(qū)間I的土壤顆粒粒徑分布特征，確保各區(qū)間長(zhǎng)度一樣，需要做變換фj=lg(фi+1/фi)，j= 1，2，，93，故構(gòu)造一個(gè)新的無(wú)量綱區(qū)間[1.273，5]，其中有 93 個(gè)距離的子區(qū)間Jj=(фi，фj+1)，j= 1，2，，93。在J區(qū)間內(nèi)，有N(ε) = 2k個(gè)相同長(zhǎng)度的小區(qū)間，且為確保每個(gè)小區(qū)間有一個(gè)測(cè)量值，本研究中k值取1～6，故本研究中ε取值為0.078、0.156、0.312、0.625、1.25、2.5，pi(ε)表示土壤粒徑分布在每個(gè)相應(yīng)子區(qū)間上的概率密度(百分含量)，即土壤顆粒分布落在子區(qū)間Jj內(nèi)所有測(cè)量值的總和。利用pi(ε)構(gòu)造配分函數(shù)族為μi(q，ε)[15-16]。

式中:q—實(shí)數(shù)；μi(q，ε) —第i個(gè)子區(qū)間q階概率。土壤粒徑分布多重分形的廣義維數(shù)譜為：

土壤粒徑分布的多重分形奇異性指數(shù)為：

公式(3)中得到的廣義維數(shù)普D(q)曲線，用來(lái)表征土壤PSD的局部特征和非均勻性[17]。其中D(0)表示容量維數(shù)，可表征土壤粒徑的分布范圍大小，土壤粒徑范圍分布越廣泛D(0)值越大。D(1)表示信息熵維數(shù)，反映土壤粒徑分布的集中程度，D(1)越大說(shuō)明土壤顆粒分布的異質(zhì)性和不均勻性越大。D(1)/D(0)表示土壤顆粒分布的異質(zhì)程度，顆粒分布主要集中在密集區(qū)時(shí)D(1)/D(0)越接近1，顆粒分布主要集中于稀疏區(qū)域時(shí)接近0。D(2)表示關(guān)聯(lián)維數(shù)，表示土壤粒徑測(cè)量間隔的均勻性，土壤粒徑測(cè)量間隔之間越均勻D(2)越大[18-19]。

多重分形奇異譜f(α)～α(q)能夠表示粒徑分布進(jìn)行不同尺度的劃分，將復(fù)雜不規(guī)則的分形結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量化表示。Δα(Δα=αmax-αmin)為多重分形譜的譜寬，它反映整個(gè)分形結(jié)構(gòu)上物理量概率，可以用來(lái)測(cè)定土壤顆粒分布的不均勻程度，粒徑分布越不均勻Δα越大，Δf[Δf=f(αmin)-f(αmax)](表示譜形)為最大與最小概率的比值[20]。

1.7 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，用LSD法進(jìn)行多重比較(α =0.05)，作圖采用SigmaPlot 10.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作措施對(duì)土壤粒徑分布基本特征的影響

土壤顆粒組成根據(jù)美國(guó)制土壤質(zhì)地劃分(表2)，供試土壤顆粒粘粒(0～0.002 mm)占比變化范圍在5.99%～9.96%，粉粒(0.002～0.05 mm)占比變化范圍在40.09%～57.18%，砂粒(0.05～2 mm)占比變化范圍在為38.07%～53.10%。與初始土壤相比，0—10 cm土層中，長(zhǎng)期保護(hù)性深松、免耕措施下提高了土壤顆粒粘粒的含量，增加幅度為0.27%～2.64%，免耕同時(shí)提高了粉粒含量，增加幅度為6.64%，免耕降低了砂粒含量，降低幅度為6.32%，翻耕處理粘粒、粉粒含量有一定程度的降低，通過(guò)不同處理之間比較可以發(fā)現(xiàn)，土壤粘粒、粉粒含量差異顯著，免耕措施顯著高于其他處理。10—20 cm土層中，長(zhǎng)期免耕秸稈還田措施下趨勢(shì)與0—10 cm層次相同，而免耕無(wú)秸稈還田措施除粘粒含量有一定程度增加外，粉粒、砂粒含量沒(méi)有顯著差異，翻耕秸稈還田與深松秸稈還田措施顯著提高了土壤粘粒的含量。20—40 cm土層中，免耕秸稈還田、深松秸稈還田、免耕無(wú)秸稈還田顯著提高了粘粒、粉粒的含量，增幅分別為1.54%～2.54%、7.78%～13.93%，而其他處理之間無(wú)差異。

表 2 不同耕作措施下棕壤粘粒、粉粒和砂粒的體積百分比及分形維數(shù)(D)Table 2 The percentage and fractal dimension of brown soil clay granule and granule under different tillage treatments

2.2 耕作措施對(duì)土壤粒徑分布多重分形特征的影響

2.2.1 廣義維數(shù)譜q-D(q)曲線特征 根據(jù)多重分形廣義維數(shù)譜計(jì)算方法對(duì)六種不同的耕作措施與初始土壤進(jìn)行了多重分形分析，q值在[-10，10]變化范圍內(nèi)得到表示土壤顆粒粒徑分布的廣義維數(shù)譜D(q)曲線，不同耕作措施下不同層次的廣義維數(shù)譜曲線q-D(q)如圖(1)。

在-10 ≤q≤ 10的變化范圍內(nèi)，q＞ 0時(shí)D(q)的值均小于q為 ＜ 0時(shí)D(q)的值[21]，說(shuō)明棕壤農(nóng)田土壤顆粒分布密集區(qū)域的標(biāo)度性高于稀疏區(qū)域。廣義譜q-D(q)曲線表現(xiàn)為土壤粒徑呈非均勻分布，具有上下限和彎曲程度，D(q)值域范圍越寬，其曲線趨勢(shì)愈陡，不同的奇異性強(qiáng)度分形結(jié)構(gòu)范圍與土壤徑粒分布分形結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性和非均勻性趨勢(shì)相同。不同耕作管理措施下土壤粒徑分布q-D(q)曲線都具有一定的彎曲度，均表現(xiàn)出一定的不均勻性。三個(gè)層次相比，0—10 cm層次曲線平緩，隨著土壤層次的加深，10—20 cm、20—40 cm層次各處理間差異顯著，曲線彎曲程度變大。

令q= 0、1、2時(shí)，土壤粒徑分布表現(xiàn)出的規(guī)律[22]。當(dāng)D(0) =D(1) =D(2)時(shí)，土壤PSD具有單重分形特征，其表現(xiàn)為均勻分布和自相似性；三者不等時(shí)，土壤PSD具有多重分形特征，表現(xiàn)出各異性。不同耕作措施所取土樣均表現(xiàn)為D(0) ＞D(1) ＞D(2)，表明長(zhǎng)期定位保護(hù)性耕作下的土壤粒徑具有各異性，有必要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行多重分析比較。

由圖1及表3看出，選取廣義維數(shù)譜D(q)中D(0)、D(1)、D(2)、D(1)/D(0)的值均可以從不同角度描述土壤異質(zhì)特征，在不同耕作措施與秸稈還田方式處理下，土壤粒徑分布范圍D(0)值各處理各層次間無(wú)差異，說(shuō)明耕作措施對(duì)棕壤粒徑分布范圍影響不大。

圖 1 不同耕作措施下棕壤各層次粒徑分布的廣義維數(shù)譜曲線q-D(q)圖Fig. 1 Distribution of generalized dimension spectral curves q-D(q) of various layers of brown soil under different tillage treatments

與初始土壤相比，在長(zhǎng)期不同耕作措施處理下，0—10 cm層次D(1)和D(2) 值深松顯著高于翻耕，免耕處理無(wú)差異，D(1)/D(0)值深松 ＞ 免耕 ＞ 初始土壤 ＞ 翻耕處理。10—20 cm和20—40 cm層次下，D(1)、D(1)/D(0)值深松處理顯著高于免耕，免耕處理顯著高于翻耕，D(2)值各處理差異不顯著，D(1)/D(0)值均接近1，說(shuō)明耕作措施對(duì)土壤分布集中程度產(chǎn)生影響，且深松措施更能加劇土壤異質(zhì)性即不均勻程度。對(duì)土壤的測(cè)量間隔均勻性影響不大。

在秸稈還田處理下，D(2)值在三個(gè)土層均表現(xiàn)為秸稈還田處理顯著高于無(wú)秸稈還田處理，D(1)、D(1)/D(0)值在0—10 cm和10—20 cm層次秸稈還田處理顯著高于無(wú)秸稈還田處理；D(1)/D(0)值在20—40 cm層次中秸稈還田處理與無(wú)秸稈還田處理差異顯著。D(1)/D(0)值均接近1，說(shuō)明秸稈還田措施對(duì)表層土壤的異質(zhì)性產(chǎn)生影響且加劇土壤顆粒的不均勻程度。

可見(jiàn)，通過(guò)與初始土壤比較，可以發(fā)現(xiàn)耕作措施會(huì)對(duì)土壤顆粒分布產(chǎn)生影響，其中深松耕作對(duì)土壤顆粒分布集中程度影響最大，且這種分布加劇了土壤顆粒的不均勻性，同時(shí)秸稈還田措施對(duì)土壤顆粒分布的集中程度也產(chǎn)生影響，土壤顆粒不均勻程度秸稈還田大于無(wú)秸稈還田。2.2.2 奇異譜函數(shù)α-f(α) 如圖2，不同耕作措施下土壤粒徑分布奇異譜函數(shù)α-f(α)均為上凸?fàn)钋€，且不同耕作措施條件下存在差異，通過(guò)譜長(zhǎng)和譜寬可以表明土壤具有非均勻質(zhì)的分形特征，長(zhǎng)期不同的耕作方式使得土壤粒徑分布的局部疊加程度表現(xiàn)出不同，不規(guī)則程度出現(xiàn)差異[22]。

本研究中Δα(Δα=αmax-αmin)反映整個(gè)分形結(jié)構(gòu)物理量概率測(cè)定分布的非均勻程度。耕作措施中△α值差異顯著，在0—10 cm層次為深松 ＞ 免耕 ＞ 初始土壤 ＞ 翻耕，10—20 cm、20—40 cm 層次為深松 ＞ 翻耕 ＞ 免耕 ＞ 初始土壤，秸稈還田措施中，秸稈還田顯著高于無(wú)秸稈還田。多重譜寬△α表明三種耕作措施中深松耕作與秸稈還田措施一樣，都加劇了土壤顆粒的不均勻程度。

Δf[Δf=f(αmin)-f(αmax)]反映多重分形譜的形狀特征。0—10 cm層次中，深松秸稈還田措施下Δf值最大，免耕秸稈還田處理Δf值最小；10—20 cm土層中，Δf值呈現(xiàn)深松 ＞ 免耕 ＞ 翻耕 ＞ 初始土壤，秸稈還田措施差異不顯著；20—40 cm土層中，Δf值表現(xiàn)為免耕 ＞ 翻耕 ＞ 初始土壤 ＞ 深松，秸稈還田顯著高于無(wú)秸稈還田。說(shuō)明深松加秸稈還田顯著增加了土壤異質(zhì)性和不均勻性，Δf值在各層次有所差異，但各層次中Δf值均大于0。

當(dāng)Δf＜ 0時(shí)，即土壤中小概率粒徑占主要地位，f(α)呈右鉤狀；反之，當(dāng)土壤中大概率粒徑占主要位置，即Δf＞ 0時(shí)，f(α)呈左鉤狀[21]。從圖 2中可以看出，不同耕作方式下均為Δf＞ 0，即所有的土樣都呈

左鉤狀(圖2)，說(shuō)明在本研究的土樣中大概率子集占主要地位。免耕無(wú)秸稈還田處理中，雖然也是大概率子集占主導(dǎo)位置，但是其適宜作物生長(zhǎng)的粒徑范圍高于其他處理。

表 3 不同耕作措施下各土層的PSD分形參數(shù)Table 3 Different depth PSD fractal parameters of different tillage treatments

圖 2 不同耕作措施下各層次土壤粒徑分布的多重分形奇異譜函數(shù)Fig. 2 Multifractal singular spectral function of soil particle size distribution under different tillage treatments

2.3 不同耕作措施對(duì)土壤各層次碳氮比的影響

由表4可知，耕作方式對(duì)土壤碳、氮含量，C/N值均有顯著影響，0—10 cm層次中，與初始土壤相比，免耕秸稈還田、深松秸稈還田、免耕無(wú)秸稈還田、深松無(wú)秸稈還田處理顯著提高了有機(jī)質(zhì)含量與氮含量，翻耕秸稈還田、翻耕無(wú)秸稈還田處理差異不顯著，其中免耕秸稈還田處理碳氮比顯著小于其他處理。深松秸稈還田處理有機(jī)質(zhì)與氮含量分別增加38.3%、47.1%。免耕秸稈還田處理有機(jī)質(zhì)與氮含量分別增加31.8%、56.3%。10—20 cm層次中，有機(jī)質(zhì)含量免耕秸稈還田、免耕無(wú)秸稈還田、深松無(wú)秸稈還田處理顯著高于其他處理，氮含量免耕秸稈還田顯著高于其他處理。與初始土壤相比，免耕秸稈還田與深松秸稈還田處理分別降低了碳氮比15.6%、13.6%，20—40 cm層次中，土壤有機(jī)質(zhì)含量免耕秸稈還田，深松秸稈還田處理顯著高于其他處理，土壤全氮含量免耕秸稈還田、深松秸稈還田、深松無(wú)秸稈還田處理顯著高于其他處理，與初始土壤相比，在長(zhǎng)期的耕作中傳統(tǒng)翻耕，土壤碳氮比顯著增加，翻耕秸稈還田與翻耕無(wú)秸稈還田增加幅度分別為22.2%、30.5%，而其他處理對(duì)土壤碳氮比的影響不顯著。

2.4 長(zhǎng)期不同耕作措施對(duì)作物產(chǎn)量影響

由圖3可知，經(jīng)過(guò)連續(xù)15年的不同耕作處理，與初始傳統(tǒng)翻耕無(wú)秸稈還田相比，傳統(tǒng)翻耕秸稈還田處理小麥年均產(chǎn)量為7.5 t/hm2，增產(chǎn)幅度為3.2%。深松耕作小麥季增產(chǎn)效果顯著，其中深松加秸稈還田年均產(chǎn)量為8.0 t/hm2，深松無(wú)秸稈還田7.69 t/hm2，增產(chǎn)幅度達(dá)6.1%和5.3%。免耕處理出現(xiàn)顯著減產(chǎn)，免耕加秸稈還田年均產(chǎn)量為7.42 t/hm2，免耕無(wú)秸稈還田處理為7.01 t/hm2，減產(chǎn)幅度分別達(dá)-1.6%和-3.9%。

表 4 不同耕作措施對(duì)土壤各層次碳氮比影響Table 4 Effect of different tillage measures on carbon and nitrogen ratio of soil layers

圖 3 長(zhǎng)期不同耕作措施下的產(chǎn)量變化Fig. 3 Changes in yields under different tillage treatments

與傳統(tǒng)翻耕無(wú)秸稈還田相比，傳統(tǒng)翻耕加秸稈還田、深松加秸稈還田、免耕秸稈還田處理玉米季產(chǎn)量為11.08、11.68、11.05 t/hm2，增產(chǎn)幅度分別為5.55%、11.23%、5.23%；深松無(wú)秸稈還田、免耕無(wú)秸稈還田產(chǎn)量分別為10.43、9.43 t/hm2，減產(chǎn)幅度為-3.7% 和-10.19%。

2.5 不同耕作年限下棕壤土壤PSD分形特征與土壤C/N相關(guān)關(guān)系

表5中顯示的是不同耕作年限下棕壤土壤單重分形與多重分形參數(shù)與土壤C/N的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，棕壤經(jīng)過(guò)15年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，不同耕作措施及還田方式下，土壤粘粒、粉粒體積百分比與單重分形維數(shù)D值呈極顯著正相關(guān)(P＜ 0.01)，土壤砂粒體積百分比與單重分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。土壤粘粒體積百分比與D(1)/D(0)呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.05)，土壤粉粒體積百分比與Δf呈顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)，土壤砂粒體積百分比與Δf呈正相關(guān)(P＜ 0.05)。土壤C/N與土壤粘粒體積百分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)與D(1)/D(0)及Δα呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與土壤粉粒體積百分比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.05)。其他參數(shù)與土壤的粘粒、粉粒、砂粒的相關(guān)性沒(méi)有顯著。對(duì)比各個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性，D(1)與D(2)、D(1)/D(0)呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，D(2)與D(1)/D(0)呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，Δα與Δf呈極顯著負(fù)相關(guān) (P＜ 0.01)，D與D(1)/D(0)呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.01)，綜合土壤顆粒體積百分比與土壤多重參數(shù)比較，可以發(fā)現(xiàn)棕壤的土壤顆粒分形特征受棕壤粘粒、粉粒、砂粒含量的影響。

表 5 土壤粒徑分形參數(shù)與土壤C/N的相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis of soil grain size fractal parameters with soil C/N

3 討論

3.1 土壤粒徑的基本分布狀況與耕作措施和秸稈還田

土壤顆粒組成影響土壤的入滲特性、肥力養(yǎng)分狀況，并與土壤侵蝕和退化直接相關(guān)，是重要的土壤物理特性之一[23]。本研究表明，在0—10 cm、10—20 cm 土層中粘粒、粉粒含量免耕處理顯著高于深松、翻耕處理，砂粒含量免耕處理顯著低于深松、翻耕處理。在20—40 cm土層土壤顆粒分布差異不顯著。這說(shuō)明棕壤在長(zhǎng)期免耕條件下能夠增加土壤的粘粒、粉粒的含量，原因可能是由于長(zhǎng)期免耕條件下減少了土壤的翻動(dòng)，植物殘?bào)w主要集中在表土層中，為微生物生長(zhǎng)分解提供能量動(dòng)力，從而使土壤微生物新陳代謝活動(dòng)增強(qiáng)，在加劇土壤有機(jī)碳礦化、增加土壤有機(jī)碳有效性的同時(shí)，還能夠加劇土壤顆粒礦化分解，使得土壤顆粒細(xì)化。而傳統(tǒng)翻耕植物殘?bào)w、肥料投入等則分布在0—20 cm土壤耕作層中，故土壤表層中的微生物活性弱于免耕耕作[24]。

秸稈還田方式下，0—10 cm、10—20 cm 土層中秸稈還田中粉粒含量顯著高于無(wú)秸稈還田，砂粒含量顯著低于無(wú)秸稈還田；在20—40 cm 土層中秸稈還田砂粒含量也顯著低于無(wú)秸稈還田處理，秸稈翻壓處理增加了土壤的黏性程度。原因可能歸結(jié)為秸稈還田增加了土壤表層的粗糙度，減少了風(fēng)蝕對(duì)土壤細(xì)化顆粒粘粒、粉粒的風(fēng)蝕作用，同時(shí)，秸稈的分解物質(zhì)促進(jìn)土壤顆粒的細(xì)化，秸稈增加的土壤表層的粗糙度對(duì)粘粒的截留起到促進(jìn)作用[25]。

采取免耕與秸稈還田結(jié)合措施，可顯著增加粘、粉粒顆粒含量，減低農(nóng)田土壤風(fēng)蝕[25]。土壤中的粘粒富含作物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分與肥力[26]。本研究表明免耕秸稈還田效果優(yōu)于其他處理，增加了土壤粘粒、粉粒含量，因此免耕、秸稈還田與翻耕耕作措施相比，在增加土壤抗侵蝕程度的同時(shí)，也能增加土壤肥力。

3.2 土壤顆粒的多重分形特征與耕作措施和秸稈還田

廣義維數(shù)可以表征土壤PSD非均勻程度和異質(zhì)性[27]。本研究表明，各處理D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值均有差異，深松顯著提高了D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值，表明深松增加土壤粒徑的局部集中程度，促進(jìn)土壤的不均勻性。秸稈還田措施更加劇了這種不均勻性。原因?yàn)閭鹘y(tǒng)翻耕過(guò)程中，土壤可蝕性高的心土或亞表土層露出地表，加速了土壤風(fēng)蝕和水蝕等一系列問(wèn)題，而深松在不翻轉(zhuǎn)土壤的情況下，能夠打破犁底層[28]，形成虛實(shí)并存的土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤的氣體交換，能夠?yàn)樽魑锏母祫?chuàng)造出疏松且深厚的土壤環(huán)境，促進(jìn)好氣性微生物的活化和礦物質(zhì)分解，促進(jìn)土壤顆粒的不均勻性[29]。

奇異譜函數(shù)α-f(α)中，Δα反映整個(gè)分形結(jié)構(gòu)物理量概率測(cè)定分布的非均勻程度，可描述分形結(jié)構(gòu)不同區(qū)域、不同層次、不同局域條件下的土壤顆粒分布特性，可顯示土壤屬性的空間異質(zhì)性與不均勻程度[22]。粒徑的組成越均勻，其穩(wěn)定性越差，粒徑的組成越不均勻，即均勻系數(shù)越大，則越穩(wěn)定[30]。本研究表明，深松秸稈還田措施下，Δα值顯著高于其他處理，說(shuō)明深松秸稈還田加劇了土壤顆粒的不均勻程度，從而促進(jìn)了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這與上述研究的廣義維數(shù)譜q-D(q)中D(q)反映土壤顆粒情況一致。

3.3 土壤C/N與作物產(chǎn)量

土壤C/N通常被認(rèn)為是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志，低的C/N可以加快微生物的分解和氮的礦化速率[31]。土壤顆粒分布在土壤發(fā)育過(guò)程中受到各種因素的相互作用，本研究中種植方式、肥料投入與管理措施一致的基礎(chǔ)上，不同的耕作措施成為影響土壤顆粒分布的唯一關(guān)鍵因素。本研究表明，在不同耕作措施下免耕與深松加秸稈還田措施與初始土壤和傳統(tǒng)耕作相比，均在一定程度上提高了土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量。一般認(rèn)為傳統(tǒng)耕作方式降低了土壤微生物多樣性，不利于土壤微生物活動(dòng)，對(duì)土壤碳氮分解礦化能力弱，而長(zhǎng)期保護(hù)性耕作(免耕和深松)等有利于提高土壤微生物多樣性[32]。田慎重等[33]研究表明長(zhǎng)期免耕能有效提高土壤SOC庫(kù)水平，特別是土壤表層。分析認(rèn)為免耕、深松技術(shù)減少了土壤擾動(dòng)，降低了碳、氮損失，同時(shí)加上有機(jī)物質(zhì)(秸稈)的輸入，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用，提高了土壤大團(tuán)聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性，從而有效增加了有機(jī)碳儲(chǔ)量。深松耕作在改善土壤性質(zhì)的同時(shí)，能夠較好地調(diào)節(jié)土壤小氣候，避免土壤生物退化，激發(fā)土壤固定氮的能力與潛力，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)及其對(duì)氮素的吸收，深松加秸稈還田措施對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境具有調(diào)控效應(yīng)和對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)效應(yīng)，從而合理調(diào)節(jié)土壤碳氮比[34]。

土壤碳氮作為作物生長(zhǎng)必需的養(yǎng)分，對(duì)作物產(chǎn)量構(gòu)成因素有重要影響[34]，本研究在長(zhǎng)期定位的不同耕作措施下發(fā)現(xiàn)，深松耕作對(duì)作物產(chǎn)量提高較為顯著，尤其是深松配以秸稈還田措施下，這可能歸結(jié)為深松秸稈還田措施下為作物生長(zhǎng)不僅提供了高于其他耕作方式的碳氮等養(yǎng)分，同時(shí)提供了較好的空間環(huán)境等物理因素；免耕措施下秸稈還田與無(wú)秸稈還田處理均出現(xiàn)了減產(chǎn)狀況，可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期的免耕措施土壤盡管能夠積累較多的碳氮養(yǎng)分，但容重、透氣性等土壤物理性狀[34]不如其他耕作方式。

3.4 土壤顆粒分布及土壤分形參數(shù)與土壤C/N的相關(guān)關(guān)系

為進(jìn)一步明確土壤顆粒分布及土壤分形參數(shù)與土壤性質(zhì)的關(guān)系，本文對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析。本研究表明，免耕秸稈還田措施下土壤粘粒的體積百分比顯著高于其他處理，土壤C/N與土壤的粘粒體積百分比呈極顯著負(fù)相關(guān)。表明較低的碳氮比有利于土壤粘粒的形成?？梢?jiàn)，長(zhǎng)期免耕秸稈還田措施下，由于作物秸稈的增加，微生物活動(dòng)增強(qiáng)，不僅需要更多的碳源，也需要更多的氮源作為補(bǔ)充[31]，同時(shí)伴隨著土壤表層中有機(jī)碳、全氮含量的增加，也加劇了土壤顆粒的礦化，促使土壤細(xì)化，土壤粘粒比例增加。本研究結(jié)果中的土壤C/N與土壤多重分形參數(shù)Δα呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Δα用來(lái)反映土壤顆粒不均勻程度，土壤碳氮比的降低會(huì)加劇土壤顆粒的不均勻性，與本研究結(jié)果深松秸稈還田措施能增加土壤顆粒的不均勻性，且降低土壤C/N相一致。

棕壤在各耕作措施下土壤顆粒組成、單重分形維數(shù)與粘粒粉粒體積百分比含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤砂粒百分比含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與管孝艷等[27]研究結(jié)果一致。利用廣義維數(shù)普D(q)來(lái)描述土壤PSD分布的均勻性和質(zhì)異性的研究已經(jīng)相對(duì)較多，報(bào)道中顯示不同土壤質(zhì)地、不同土壤利用方式下D(q)中的D(0)、D(1)、D(2) 、D(1)/D(0)與土壤顆粒分布有一定的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果有所差異[35]。本研究中棕壤在15年的不同耕作措施下，土壤粘粒與D(1)/D(0)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤粘粒的增加，會(huì)促使土壤異質(zhì)性程度加劇，這與王德等[12]研究結(jié)果相反。說(shuō)明雖土壤類型一致，但土地利用方式的對(duì)土壤顆粒分布也有影響，林地相比，耕地土壤利用效率更高，對(duì)土壤顆粒分布影響更大，Δf與土壤粉粒體積含量呈正相關(guān)，與土壤砂粒體積含量呈負(fù)相關(guān)。表明土壤顆粒分布與多重分形曲線有一定的相關(guān)性。相關(guān)研究表明了多重分形參數(shù)在表征土壤PSD方面具有較高的靈敏性與精準(zhǔn)度，王德等[12]研究表明D(1)/D(0)與土壤細(xì)顆粒含量和有機(jī)質(zhì)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。本研究進(jìn)一步研究表明D(1)/D(0)與Δα與土壤C/N呈顯著正相關(guān)。本研究是基于同類型土壤棕壤不同利用方式下土壤顆粒分布的研究，但迄今為止同種土地利用方式下，不同土壤類型土壤顆粒的多重分形特征研究相對(duì)較少，還需要進(jìn)一步對(duì)深入研究。

4 結(jié)論

棕壤在長(zhǎng)期定位保護(hù)性耕作措施下，免耕秸稈還田能夠增加土壤0—20 cm土層的土壤粘粒含量，土壤粘粒的增加從而降低了土壤中C/N的值，較低的C/N值促進(jìn)土壤碳氮的分解，增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)及全氮的含量，從而增加了土壤肥力。

研究棕壤土樣具有多重分形的特征，廣義維數(shù)譜q-D(q)表明棕壤農(nóng)田土壤顆粒分布密集區(qū)域的標(biāo)度性要比稀疏區(qū)域好。D、D(1)/D(0)、Δα和Δf均可以從不同角度出發(fā)來(lái)描述長(zhǎng)期不同耕作措施下土壤的異質(zhì)性。長(zhǎng)期不同耕作措施下，深松秸稈還田處理中D(1)/D(0)、D(1)、D(2)值顯著高于其他處理，表明深松秸稈還田處理加劇了土壤的非均勻程度，土壤顆粒分布越不均勻，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)，深松秸稈還田促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

長(zhǎng)期不同耕作措施、還田方式影響棕壤顆粒分布，通過(guò)多重分形參數(shù)中的土壤顆粒分布變化，D、D(1)/D(0)、Δα和Δf的值在各處理間表現(xiàn)出顯著差異，從而這些參數(shù)在細(xì)微程度上反映了保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤長(zhǎng)期的影響效果。