何紹浪, 黃尚書, 鐘義軍,2, 黃欠如,成艷紅, 張 昆, 武 琳, 李小飛, 葉 川

(1.江西省紅壤研究所, 南昌 330046; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070; 3.江西省蠶桑茶葉研究所, 南昌 330202)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量和質(zhì)量在保證和協(xié)調(diào)土壤中水肥氣熱、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化土壤營養(yǎng)元素、維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層等方面都發(fā)揮重要作用[1-2]。而穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)對種子發(fā)芽、根系發(fā)育、作物生長以及有機(jī)碳保護(hù)有著重要的影響[3-4]。近年來，眾多學(xué)者在耕作方式[3,5]、施肥[6]、秸稈還田[7]、生物炭還田[8]、土地利用方式[9-10]、種植年限[11-12]等對土壤團(tuán)聚體的影響方面也開展了大量的研究，同時也取得了豐碩的成果。因此，探討水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征對土壤肥力、耕地質(zhì)量提升和耕地的可持續(xù)高效利用等方面具有重要理論指導(dǎo)意義。

紅壤坡耕地占南方紅壤區(qū)旱地面積的70%左右，是我國經(jīng)濟(jì)作物及糧食作物的重要基地。豐富的水熱資源使得南方紅壤區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在巨大的潛力，在我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[13-14]。目前，紅壤坡耕地由于立地條件原因，農(nóng)民習(xí)慣于采用旋耕與淺翻耕相結(jié)合的作業(yè)方式，但由于耕作機(jī)具動力不足，難以保證耕作深度，使紅壤坡耕地作物生長有效耕層淺薄化問題突出，耕層土壤的蓄水保墑能力嚴(yán)重不足，加重了紅壤坡耕地的水土流失以及耕地質(zhì)量下降等生產(chǎn)障礙，導(dǎo)致作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)[15]。近年來，隨主要農(nóng)作物生產(chǎn)全程機(jī)械化推進(jìn)行動深入開展，主要糧食產(chǎn)地耕地效率及耕作深度得到極大保證，但關(guān)于紅壤坡耕地合理耕作深度的研究較少。為此，江西省紅壤研究所于2015年設(shè)置了紅壤坡耕地耕作深度定位試驗。本研究則是通過分析耕作深度對第四紀(jì)紅壤土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響，旨在從土壤物理角度為紅壤坡耕地合理耕層構(gòu)建提供科學(xué)理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究試驗地點位于距離江西省紅壤研究所10 km的溫圳茶廠(116°08′4.8″E，28°19′29.7″N)附近，該區(qū)屬于典型的低山丘陵區(qū)，坡度5°，海拔25～30 m。氣候類型為中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 200 mm，年均氣溫17.7～18.5℃，最冷月(1月)平均氣溫為4.6℃，最熱月(7月)平均氣溫28.0～29.8℃。土壤類型為第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015年開始，選取基礎(chǔ)肥力、地形條件一致的紅壤坡耕地作為試驗地，設(shè)置免耕(NT)、機(jī)械翻耕10 cm(P10)、機(jī)械翻耕20 cm(P20)、機(jī)械翻耕30 cm(P30)共4種處理，每種處理重復(fù)4次，共計16個試驗小區(qū)，小區(qū)面積為88 m2(22 m×4 m)，試驗地四周為保護(hù)行。試驗小區(qū)種植方式為花生(粵油933)/紅薯(蘇薯8號)周年輪作，一年種植一季?；ㄉ图t薯種植的施肥量相一致，各處理化肥施用量均為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥水平(總氮118.3 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O180 kg/hm2)，并按基追比7∶3施肥，花生追肥在苗期始花前進(jìn)行，而紅薯追肥在莖葉生長期進(jìn)行，且各處理增施石灰2 250 kg/hm2。2017年為連續(xù)耕作的第3年，種植作物為花生，種植密度為33 cm×15 cm。播種時間為2017年4月10日，收獲時間為2017年8月15日。

1.3 樣品采集與測定

在花生收獲前(2017年8月7日)，取各小區(qū)0—15 cm和15—30 cm原狀土，沿土壤自然斷裂面將土樣掰開，過8 mm篩，并除去植物殘體、可見根系及石塊后，采用濕篩法對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體進(jìn)行測定[2]。大致步驟為：取4份約150 g鮮土樣放置于孔徑自上而下為2，0.25，0.053 mm套篩的頂層篩上，將套篩置于水桶中加水浸潤過夜，然后通過TTF-10型土壤團(tuán)聚體分析儀的上下振動使樣品震蕩過篩(振幅3 cm，頻率50 次/min)，然后收集各級網(wǎng)篩上以及桶中的團(tuán)聚體于鋁盒中，共可篩分出>2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm，<0.053 mm共4 種粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體，在105℃下烘干，分別稱重。將>0.25 mm的團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體，<0.25 mm的團(tuán)聚體稱為微團(tuán)聚體[1]。

本研究采用各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量(R0.25)、平均質(zhì)量直徑(MWD)、平均幾何直徑(GWD)和分形維數(shù)(D)等指標(biāo)描述團(tuán)聚體特征。其中R0.25，MWD和GWD的計算公式如下[16]：

(1)

(2)

(3)

式中：Mi>0.25為大于0.25 mm團(tuán)聚體的重量；MT為團(tuán)聚體的總重量；wi為各粒級顆粒的重量百分比；xi為各粒級的平均直徑。

分形維數(shù)(D)采用Katz等[17]的公式表示，具體見公式(4)，由該公式可以推導(dǎo)出土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關(guān)系式[18]，見公式(5)：

(4)

(5)

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究中所有數(shù)據(jù)采用Excel 2003和DPS 7.05軟件進(jìn)行計算和統(tǒng)計分析，用Origin 9.0軟件作圖。不同處理間各指標(biāo)的差異性檢驗采用單因素統(tǒng)計分析中多重比較法(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作深度對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量的影響

從圖1可以看出，與NT為對照，0—15 cm土層中P10，P20和P30處理下2～8 mm粒徑的團(tuán)聚體含量均顯著減少(p<0.05)，P10和P30處理下0.25～2 mm粒徑的團(tuán)聚體含量均顯著減少(p<0.05)，P10，P20和P30處理下0.053～0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體含量均顯著增加(p<0.05)，P30處理下<0.053 mm粒徑的團(tuán)聚體含量顯著增加(p<0.05)；而15—30 cm土層中，P10，P20和P30處理下2～8 mm粒徑的團(tuán)聚體含量均顯著減少(p<0.05)，P20處理下0.25～2 mm粒徑的團(tuán)聚體含量顯著增加(p<0.05)，P10，P20和P30處理下0.053～0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體含量均無顯著差異，P10和P30處理下<0.053 mm粒徑的團(tuán)聚體含量顯著增加(p<0.05)。

整體上，4種處理下土壤團(tuán)聚體含量均以0.25～2 mm粒徑最高，其次是0.053～0.25 mm粒徑。P10和P30處理減小了大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量而增加了微團(tuán)聚體(<0.25 mm)含量，而P20處理減小了2～8 mm粒徑的團(tuán)聚體含量，但對微團(tuán)聚體的影響相對較小。

2.2 不同耕作深度對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的R0.25，MWD，GMD和D等是反映土壤結(jié)構(gòu)和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。土壤團(tuán)聚體的R0.25，MWD，GMD值越大或D值越小，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)[6,11,19]。由表1可以看出，0—15 mm土層中NT處理下土壤團(tuán)聚體的R0.25，MWD，GWD值均顯著高于其他3種處理(P10，P20，P30)(p<0.05)，且土壤團(tuán)聚體的D值顯著高于P20而低于P30處理(p<0.05)；P20處理下土壤團(tuán)聚體的R0.25值顯著高于P10和P30(p<0.05)，土壤團(tuán)聚體的MWD，GWD值顯著高于P30處理(p<0.05)而與P10無顯著差異，且土壤團(tuán)聚體的D值在4種處理中最低。15—30 mm土層中NT和P20處理下土壤團(tuán)聚體的R0.25和GWD值均顯著高于P30和P10處理(p<0.05)，各處理下土壤團(tuán)聚體的MWD值依次為NT>P20>P30>P10，而土壤團(tuán)聚體的D值依次為P20>NT>P30>P10。因此，在整體上NT和P20處理的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性比P10和P30處理更好。

2.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性指標(biāo)及花生產(chǎn)量的相關(guān)分析

表2為4種處理下各粒級土壤團(tuán)聚體含量與土壤團(tuán)聚體的R0.25，MWD，GMD，D值及花生產(chǎn)量(見黃尚書等[20])之間的相關(guān)性。由表2可知，土壤團(tuán)聚體的R0.25，MWD和GMD值之間均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，且三者均與2～8 mm，0.25～2 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，而與0.053～0.25 mm、<0.053 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量和土壤團(tuán)聚體的D值呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。同時，土壤團(tuán)聚體的D值與0.25～2 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，而與<0.053 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量呈顯著正相關(guān)(p<0.01)。此外，花生產(chǎn)量與2～8 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。

注：不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(p<0.05)。
圖1 不同耕作深度下0-15 cm和15-30 cm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分布

表1 不同耕作深度0-15 cm和15-30 cm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體評價參數(shù)

注：不同字母表示處理之間差異顯著(p<0.05)。

表2 各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與R0.25，MWD，GMD，D值及花生產(chǎn)量的相關(guān)性(n=24)

注：*，**分別表示p<0.05，p<0.01水平顯著性差異(下同)。

由于免耕條件下一方面花生成活率有所下降，另一方面土壤容重增加不利于根系正常生長發(fā)育，從而導(dǎo)致產(chǎn)量明顯減小[21]。這一定程度上會影響各粒級土壤團(tuán)聚體含量和土壤團(tuán)聚體的R0.25，MWD，GMD，D值與花生產(chǎn)量的相關(guān)分析。表3為耕作擾動下(P10，P20，P30)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性指標(biāo)及花生產(chǎn)量的相關(guān)性。從表3可知，花生產(chǎn)量與0.25～2 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與土壤團(tuán)聚體的R0.25和GMD值呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。

表3 耕作擾動下各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和R0.25，MWD，GMD，D值與花生產(chǎn)量的相關(guān)性(n=18)

3 討 論

本試驗研究經(jīng)三年后，由于不同處理對土壤的耕作深度、擾動程度等方面的差異，造成各處理之間的土壤水穩(wěn)定團(tuán)聚體特征存在一定差異。尤其對2～8 mm粒徑的團(tuán)聚體含量影響較為明顯，與NT相比均顯著下降(p<0.05)。這與Sodhi等[22]研究發(fā)現(xiàn)耕作后土壤大團(tuán)聚體更容易破裂，耕作優(yōu)先降低了2～8 mm團(tuán)聚體含量的結(jié)果相一致。本研究中P10和P30處理下2～8 mm粒徑的團(tuán)聚體含量減小的同時微團(tuán)聚體(<0.25 mm)含量在整體上呈上升趨勢。這可能是水穩(wěn)性大團(tuán)聚體是由微團(tuán)聚體和各種黏合劑膠結(jié)而成，當(dāng)土壤在耕翻作用下水穩(wěn)性大團(tuán)聚體遭受破裂，釋放出原先被大團(tuán)聚體包裹的新及老的微團(tuán)聚體后，微團(tuán)聚體數(shù)量就會相應(yīng)增加[23]。此外，P10處理下15—30 cm土層可能會受到耕犁的壓實以及0—15 cm土壤黏粒向下淋溶而沉積，甚至是土壤犁底層上移，使得15—30 cm土層微團(tuán)聚體增加。P30處理則對20—30 cm的土壤擾動強(qiáng)烈，20—30 cm的土壤位于犁底層之下，由于長期受耕犁、機(jī)械擠壓，黏粒下移，較緊實，粘重，使得微團(tuán)聚體含量增加。而P20處理下微團(tuán)聚體含量在整體上變化較小，可能是P20處理有利于新的大團(tuán)聚體的形成，從而使得微團(tuán)聚體變化較小。這具體的原因有待于深入研究。

本研究中NT和P20處理的土壤水穩(wěn)定團(tuán)聚體穩(wěn)定性比P10和P30處理更好，其中，NT處理下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性好，這與田慎重等[3]、梁愛珍等[23]研究結(jié)果相似。究其原因，可能是免耕處理不翻動土壤，土壤大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)較慢，有利于大團(tuán)聚體中更多微團(tuán)聚體的產(chǎn)生，更有利于增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[3]。而P20處理下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性好，一方面是P20處理下花生根系生長及活力較好[20]，而根系可以作為暫時的土壤團(tuán)聚體粘結(jié)介質(zhì)，有利于大團(tuán)聚體的恢復(fù)[24]。另一方面可能是由于P20耕作下土壤中有機(jī)質(zhì)整體上得到提高，而有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)，有利于提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[23]。

表2也體現(xiàn)了土壤團(tuán)聚體的各特征值與土壤各粒徑團(tuán)聚體含量間存在極顯著相關(guān)關(guān)系，這與黃欠如等[6]、安婉麗等[17]的研究結(jié)果相一致。這也表明土壤團(tuán)聚體的R0.25，MWD，GMD和D值均是各粒徑土壤團(tuán)聚體含量的綜合反映，某一粒徑團(tuán)聚體的變化對土壤團(tuán)聚體的特征都可能產(chǎn)生重要影響。耕作擾動下(P10，P20，P30)花生產(chǎn)量與0.25～2 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量表現(xiàn)出極顯著的線性關(guān)系，表明紅壤坡耕地0.25～2 mm粒徑的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量能為土壤肥力的表征提供物理性診斷指標(biāo)；而花生產(chǎn)量與土壤團(tuán)聚體的R0.25和GMD值表現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系，這一定程度上說明土壤團(tuán)聚體的R0.25和GMD值均可以反映土壤肥力的水平。

綜合考慮土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性和作物產(chǎn)量，紅壤坡耕地耕作深度為20 cm比較合適。當(dāng)然，紅壤坡耕地合理耕層的構(gòu)建還應(yīng)結(jié)合坡耕地區(qū)位、剖面形狀、理化形狀土壤管理等多因素作進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 紅壤坡耕地經(jīng)過3 a的花生/紅薯周年輪作后，NT，P10，P20和P30共4種試驗處理下土壤團(tuán)聚體含量均以0.25～2 mm粒徑最高，其次是0.053～0.25 mm粒徑。P10，P20，P30處理均減小2～8 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量，P10和P30處理會增加微團(tuán)聚體(<0.25 mm)含量，而P20處理對微團(tuán)聚體的影響較小。

(2) 土壤團(tuán)聚體的R0.25，MWD，GMD和D值均是各粒徑土壤團(tuán)聚體含量的綜合反映，某一粒徑團(tuán)聚體的變化對土壤團(tuán)聚體的特征都可能產(chǎn)生重要影響。NT和P20處理下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性比P10和P30處理更好。

(3) 相關(guān)分析表明，紅壤坡耕地0.25～2 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量以及土壤團(tuán)聚體的R0.25和GMD值的提高有助于作物產(chǎn)量形成。該結(jié)果可為紅壤坡耕地土壤結(jié)構(gòu)改良、合理耕層構(gòu)建提供重要科學(xué)理論支撐。