雷金銀， 何進(jìn)勤，雷曉婷，周麗娜，余建軍，紀(jì)立東，張 慧，路 芳

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002； 2.固原市原州區(qū)官?gòu)d鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，寧夏 固原 756000)

寧夏南部山區(qū)(簡(jiǎn)稱寧南山區(qū))地處黃土高原西北邊緣，氣候干旱，年內(nèi)降雨分布極為不均，農(nóng)業(yè)用地以坡耕地、梯田為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量低、水土流失較為嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，旱作耕地土壤培肥與水土流失防治、作物產(chǎn)量挖掘與降雨資源高效利用、生態(tài)環(huán)境構(gòu)建是該區(qū)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-5]。眾多研究表明，土壤團(tuán)聚體是支撐土壤肥力、健康與質(zhì)量等功能的物理基礎(chǔ)，其在土壤內(nèi)部數(shù)量分布及其結(jié)構(gòu)分布組成特征對(duì)土壤水分和養(yǎng)分蓄存、運(yùn)移和轉(zhuǎn)化、微生物活動(dòng)等能力具有重要影響。影響土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性的自然要素主要包括土壤類型、地形地貌、氣候因素、植被因素和土地覆被等，這些因素影響土壤有機(jī)碳(SOC)含量、土壤呼吸、土粒的分布等，可調(diào)控團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)[6]。因此，開(kāi)展緩坡耕地土壤團(tuán)聚體特征及其影響因子研究成為當(dāng)前旱區(qū)農(nóng)田土壤肥力建設(shè)研究的重中之重[1,7]。

眾多研究表明，土壤團(tuán)聚體與土地利用方式和田間農(nóng)業(yè)耕作措施有很大關(guān)系[8]。與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作措施通過(guò)減少對(duì)土壤的人為擾動(dòng)或改變下墊面微地形，為促進(jìn)形成良好的土壤團(tuán)聚體提供良好的物理、化學(xué)、生物環(huán)境，增加土壤有機(jī)碳的固定，提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量及穩(wěn)定性，從而提高土壤蓄水保墑能力和產(chǎn)量。楊如萍等[9]研究表明，不同耕作方式下免耕覆蓋處理和免耕處理可明顯增加土壤中大團(tuán)聚體的含量，免耕覆蓋處理有著相對(duì)更高的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，傳統(tǒng)耕作的土壤團(tuán)聚體MWD 較免耕和免耕覆蓋處理分別減少19. 5%和27. 9%。劉丹[10]研究不同種植和耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響的結(jié)果表明，免耕措施有利于土壤穩(wěn)定，同時(shí)免耕、深松、秸稈覆蓋可以增加土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的醇、酚類、芳香類、脂肪族化合物和碳水化合物的含量。劉秀[11]等研究表明，地膜覆蓋措施不僅可以改變0～10 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性，而且土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量和儲(chǔ)量也有較大的提高。

隨著學(xué)科發(fā)展和相關(guān)研究的不斷深入，目前針對(duì)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)坡耕地壟溝種植為核心的耕作措施與輪作種植方式對(duì)團(tuán)聚體作用或影響的研究較少，本文在寧南山區(qū)開(kāi)展玉米-馬鈴薯輪作條件下不同耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體組成特征及作物產(chǎn)量的影響研究，對(duì)于提升旱區(qū)耕地質(zhì)量、緩坡耕地合理耕作利用和生態(tài)環(huán)境構(gòu)建具有重要的實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏南部山區(qū)的固原市原州區(qū)官?gòu)d鎮(zhèn)程兒山(36°04′19″N，106°20′21″E)，地處黃土高原西北邊緣地帶，是寧夏南部山區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域之一。多年平均降水量382.0 mm，且年內(nèi)分布不均，其中6—9月占65.6%，降雨不足和干旱頻繁是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)、林、牧業(yè)發(fā)展的主要自然障礙因素。多年平均氣溫為5.3℃，極端最低氣溫-32℃，極端最高氣溫32.6℃，最大日較差27℃，≥10℃積溫2 400℃，無(wú)霜期平均100～150 d，農(nóng)作物以春小麥、玉米、馬鈴薯和秋雜糧為主。試驗(yàn)地土壤屬黑壚土，砂壤土質(zhì)，基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在坡度約10°的緩坡耕地上進(jìn)行，試驗(yàn)為一年一熟，2015—2016年分別選用玉米、馬鈴薯為供試作物，2015年種植玉米，品種‘富農(nóng)821’，2016年輪作種植馬鈴薯，品種‘青薯9號(hào)’。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)不同耕作措施處理：傳統(tǒng)平作(CK)：不覆蓋；壟溝不覆膜(NH)：壟寬60 cm，溝寬60 cm，壟高15 cm；壟溝全覆膜(WP)：采用寬120 cm、厚0.08 mm的塑料薄膜全部覆蓋溝壟，為方便水分入滲，在兩塊薄膜接合部位用打孔器打若干孔；壟溝半覆膜(HP)：采用寬80 cm、厚0.08 mm的塑料薄膜，覆蓋壟上部位。

采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，各處理均為橫坡等高種植，小區(qū)面積50 m2(25 m×2 m)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，玉米、馬鈴薯種植株、行距均為30 cm和25 cm。玉米、馬鈴薯施肥量保持一致，施肥水平參照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī):農(nóng)家肥和磷酸二銨((NH4)2HPO4)作為種肥一次性施入，施用量分別為22 500 kg ·hm-2和375 kg ·hm-2，尿素(CO(NH2)2)分兩次施入，基施150 kg ·hm-2，拔節(jié)期追施150 kg ·hm-2。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與計(jì)算方法

1.3.1 土壤樣品采集 分別在壟背0～20、20～40 cm 土層采取混合土壤樣品，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀采用1 mol·L-1NH4OAC浸提火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.3.2 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定 每個(gè)試驗(yàn)季分別在作物播種前和收獲后采集原狀土樣，采樣深度分別為0～20 cm和20～40 cm兩層，用一次性硬質(zhì)飯盒帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干以備土壤團(tuán)聚體測(cè)定。

土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體測(cè)定采用干篩法[12]，待測(cè)各層土樣均分為3份，套篩孔徑由上至下依次為10、7、5、3、2、1、0.5 mm和0.25 mm。振蕩式機(jī)械篩分儀在最大功率下振蕩2 min，分級(jí)收集土樣稱重后計(jì)算團(tuán)聚體占比。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定采用濕篩法[13]，按照干篩各級(jí)別團(tuán)聚體的質(zhì)量比例配成50 g風(fēng)干土樣，沉降后將飽和土樣轉(zhuǎn)移至裝滿去離子水水桶的套篩(孔徑依次為 5、 2、 1、0.5 mm和0.25 mm)的頂部，將篩組整體在水中慢慢升降處理5 min，將各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體小心洗入鋁盒，低溫烘箱烘干并在空氣中平衡 2 h 后稱重得到濕篩后各級(jí)團(tuán)聚體的百分含量。

1.3.3 產(chǎn)量及其組成 在各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

1.4.1 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定率(WSAR)計(jì)算[12]：

(1)

式中,WSA為>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量(濕篩)；A為>0.25 mm機(jī)械團(tuán)聚體的質(zhì)量(干篩)。

1.4.2 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)計(jì)算[12]：

(2)

式中，Xi為某一粒級(jí)團(tuán)聚體的重量百分?jǐn)?shù)(%)，Wi為某一粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑(mm)。

1.4.3 土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)計(jì)算：

采用楊培嶺等推導(dǎo)的公式[14]:

(3)

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理及方差分析(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施下土壤團(tuán)聚體的組成特征

耕作措施是影響土壤團(tuán)聚體形成與組成變化的重要因素之一。不同耕作措施對(duì)土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成影響顯著(表2，表3)，且主要表現(xiàn)在表層0～20 cm范圍內(nèi)，各處理對(duì)底

表3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

表2 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

層20～40 cm土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成均影響不顯著。CK、WP 和HP處理下0～20 cm土層范圍內(nèi)均以>5 mm和2～5 mm土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體最高，而NH處理下1～2 mm和0.5～1 mm土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體最高,分別為16.25%、13.38%。其中CK處理下>5 mm土壤機(jī)械穩(wěn)定團(tuán)聚體占比為30.99%，明顯高于其他3種耕作方式，且差異顯著，而NH處理1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量高于其他三種耕作方式且差異顯著。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體則表現(xiàn)為各處理>5mm所占比例急劇下降，均以1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm為主。CK處理下>5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為1.96%，顯著低于NH、WP 和HP。

2.2 不同耕作措施下土壤團(tuán)聚體的大小及其穩(wěn)定性

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和穩(wěn)定率是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，不同耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體MWD和穩(wěn)定率影響顯著。由表4可知，0～20 cm土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD表現(xiàn)為CK>WP>HP >NH，而土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚MWD表現(xiàn)為HP>NH>WP>CK。各處理土壤穩(wěn)定率與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體表現(xiàn)出一致性，而與土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體相反。20～40 cm土壤表現(xiàn)出相同的規(guī)律。由此可知，在選擇土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體作為評(píng)估土壤穩(wěn)定性指標(biāo)時(shí)要慎重考慮，而MWD可用于評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表4 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑及穩(wěn)定率

2.3 不同耕作措施下土壤團(tuán)聚體的分形特征

自分形理論應(yīng)用于土壤結(jié)構(gòu)研究以來(lái)，土壤分形維數(shù)成為評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個(gè)重要綜合指標(biāo)，反映著土壤團(tuán)聚體大小及分布情況。同等類型土壤，分形維數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)組成越合理[15]。 如圖1所示，不同耕作措施對(duì)表層0～20 cm土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分形維數(shù)低于水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)，且均表現(xiàn)為NH處理分形維數(shù)顯著高于HP、WP和CK，由低到高的順序均為：CK

注：同一土層不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercase of the same soil depth indicate significant difference at P<0.05.圖1 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形特征Fig.1 Fractal dimension of mechanically stable soil aggregates and water-stable aggregates

表6 2016年不同耕作措施對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

2.4 不同耕作措施下作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

耕作措施對(duì)作物產(chǎn)量的影響顯著。由表5可知，2015年相對(duì)于CK，HN、HP和WP分別增加玉米產(chǎn)量10.5%、13.3%和39.2%，且增加玉米株高，改善產(chǎn)量構(gòu)成因素，如：穗粒數(shù)、百粒重等指標(biāo)。2016年種植馬鈴薯也表現(xiàn)出相同的影響特征。綜上所述，NH對(duì)土壤團(tuán)聚體特征的影響與其增產(chǎn)作用表現(xiàn)出不同步性，其深層次的土壤團(tuán)聚體對(duì)作物產(chǎn)量的影響機(jī)制本文未涉及，尚須進(jìn)一步深入研究。

表5 2015年保護(hù)性耕作試驗(yàn)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素

3 討 論

耕地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量高低能夠更好地反映土壤保持和供應(yīng)養(yǎng)分能力的強(qiáng)弱[16]。耕地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)不僅受土壤類型、氣候條件等自然因素的影響，而且受施肥方式、耕作措施等田間種植管理模式的影響。本研究結(jié)果表明，CK處理下0～20 cm處>5mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例急劇下降，顯著低于NH、WP 和HP。同樣地，NH處理1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量高于其他三種耕作方式且差異顯著。值得注意的是WP與CK之間沒(méi)有顯著性差異，這與劉秀[10]得出的覆膜能夠改善土壤團(tuán)聚體分布與穩(wěn)定性不一致，主要是因?yàn)楦材し绞讲煌瑢?dǎo)致的差異。本試驗(yàn)WP采用耕地地表面全地膜覆蓋，不同于傳統(tǒng)的半膜覆蓋[7]。目前，MWD、穩(wěn)定率、分形維數(shù)是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，但是，本研究結(jié)果表明機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD與土壤穩(wěn)定率、分析維數(shù)相悖，而土壤水穩(wěn)性MWD與土壤穩(wěn)定率、分形維數(shù)表現(xiàn)出一致性。

大量研究表明，土壤團(tuán)聚體形成與土壤有機(jī)碳含量及分布密切相關(guān)，土壤有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性中起到重要作用，可作為膠結(jié)劑促進(jìn)團(tuán)聚體形成，農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)碳主要富集在2～0.25 mm粒級(jí)[17-19]。>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高于<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[20]。合理的農(nóng)業(yè)耕作措施可以提高土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入量，減少土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解，增加土壤有機(jī)碳含量。深松、旋耕、免耕并結(jié)合秸稈還田等管理措施可以通過(guò)改變土壤的濕度和溫度、根系生長(zhǎng)狀況、作物殘茬的數(shù)量和質(zhì)量，影響土壤微生物量及其活性，最終影響土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)。劉丹[10]研究表明土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD與土壤有機(jī)碳含量呈線性相關(guān)，但是深層土壤團(tuán)聚體與有機(jī)碳關(guān)系復(fù)雜。劉秀[11]研究表明，深松、旋耕、免耕措施能提高耕層0～10 cm 各級(jí)別團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，而在其他土層無(wú)此變化規(guī)律，主要是因?yàn)榇罅康闹参餁報(bào)w輸入和受到擾動(dòng)影響較小使有機(jī)碳趨向于表層富集。本研究結(jié)果顯示0～20 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD與土壤有機(jī)碳含量線性相關(guān)。20～40 cm土層兩者相關(guān)性不明顯(見(jiàn)圖2)。

圖2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil water stable aggregate MWD and soil organic carbon content

耕作措施是影響土壤特性與作物產(chǎn)量重要的因素。諸多研究表明免耕、覆膜可以提高玉米產(chǎn)量[21-22]。本研究表明耕作措施對(duì)玉米產(chǎn)量的影響顯著。相對(duì)于CK，HN、HP和WP顯著提高玉米株高、產(chǎn)量，并改善產(chǎn)量構(gòu)成因素，如穗粒數(shù)、百粒重等，三處理分別比CK分別增加產(chǎn)量10.5%、13.3%和39.2%。而本研究發(fā)現(xiàn)耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體及作物產(chǎn)量的影響表現(xiàn)出不一致性。但是關(guān)于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性與土壤水分、作物產(chǎn)量的內(nèi)在關(guān)系方面的研究還較為缺乏，今后應(yīng)進(jìn)一步深層次探討耕作措施下土壤團(tuán)聚體構(gòu)建的物理、化學(xué)、生物機(jī)理及其增產(chǎn)作用機(jī)制。

4 結(jié) 論

1)不同耕作措施顯著影響土壤團(tuán)聚體分布狀況。土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體CK處理下表層0～20 cm以>5 mm為主，而NH、WP 和HP 1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布較多。水穩(wěn)性團(tuán)聚體CK處理下>5 mm顯著低于NH、WP 和HP。

2) 不同耕作措施對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和穩(wěn)定率影響顯著，NH、 HP和WP表層0～20 cm和底層20～40 cm土壤水穩(wěn)性性團(tuán)聚體MW和穩(wěn)定率均高于CK。

3) 不同耕作措施對(duì)表層0～20 cm土壤機(jī)械穩(wěn)定性分形維數(shù)高于水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)，且均表現(xiàn)為NH處理分形維數(shù)顯著低于HP、WP和CK，由低到高順序均為：NH

4)不同耕作措施能夠增加作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。相對(duì)于CK，NH、HP和WP分別增加玉米產(chǎn)量10.5%、13.3%和39.2%。馬鈴薯也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。