耕作深度對紅壤坡耕地土壤水穩性團聚體特征的影響

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.華中農業大學 資源與環境學院, 武漢 430070; 3.江西省蠶桑茶葉研究所, 南昌 330202)

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其數量和質量在保證和協調土壤中水肥氣熱、供應及轉化土壤營養元素、維持和穩定土壤疏松熟化層等方面都發揮重要作用[1-2]。而穩定的土壤團聚結構對種子發芽、根系發育、作物生長以及有機碳保護有著重要的影響[3-4]。近年來，眾多學者在耕作方式[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，探討水穩性團聚體分布特征對土壤肥力、耕地質量提升和耕地的可持續高效利用等方面具有重要理論指導意義。

紅壤坡耕地占南方紅壤區旱地面積的70%左右，是我國經濟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農業生產和經濟發展存在巨大的潛力，在我國農業可持續發展中發揮著重要作用[13-14]。目前，紅壤坡耕地由于立地條件原因，農民習慣于采用旋耕與淺翻耕相結合的作業方式，但由于耕作機具動力不足，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重不足，加重了紅壤坡耕地的水土流失以及耕地質量下降等生產障礙，導致作物產量低而不穩[15]。近年來，隨主要農作物生產全程機械化推進行動深入開展，主要糧食產地耕地效率及耕作深度得到極大保證，但關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紅壤土壤水穩性團聚體分布及穩定性的影響，旨在從土壤物理角度為紅壤坡耕地合理耕層構建提供科學理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

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，該區屬于典型的低山丘陵區，坡度5°，海拔25～30 m。氣候類型為中亞熱帶季風氣候，年均降雨量1 537 mm，年蒸發量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℃。土壤類型為第四紀紅黏土母質發育的紅壤。

1.2 試驗設計

試驗于2015年開始，選取基礎肥力、地形條件一致的紅壤坡耕地作為試驗地，設置免耕(NT)、機械翻耕10 cm(P10)、機械翻耕20 cm(P20)、機械翻耕30 cm(P30)共4種處理，每種處理重復4次，共計16個試驗小區，小區面積為88 m2(22 m×4 m)，試驗地四周為保護行。試驗小區種植方式為花生(粵油933)/紅薯(蘇薯8號)周年輪作，一年種植一季。花生和紅薯種植的施肥量相一致，各處理化肥施用量均為當地常規施肥水平(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行，而紅薯追肥在莖葉生長期進行，且各處理增施石灰2 250 kg/hm2。2017年為連續耕作的第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性團聚體進行測定[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)，然后收集各級網篩上以及桶中的團聚體于鋁盒中，共可篩分出>2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm，<0.053 mm共4 種粒級水穩性團聚體，在105℃下烘干，分別稱重。將>0.25 mm的團聚體稱為大團聚體，<0.25 mm的團聚體稱為微團聚體[1]。

本研究采用各粒級水穩性團聚體含量、粒徑>0.25 mm水穩性團聚體的百分含量(R0.25)、平均質量直徑(MWD)、平均幾何直徑(GWD)和分形維數(D)等指標描述團聚體特征。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團聚體的重量；MT為團聚體的總重量；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(D)采用Katz等[17]的公式表示，具體見公式(4)，由該公式可以推導出土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關系式[18]，見公式(5)：

(4)

(5)

1.4 數據分析

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

2 結果與分析

2.1 不同耕作深度對土壤水穩性團聚體數量的影響

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粒徑的團聚體含量均顯著增加(p<0.05)，P30處理下<0.053 mm粒徑的團聚體含量顯著增加(p<0.05)；而15—30 cm土層中，P10，P20和P30處理下2～8 mm粒徑的團聚體含量均顯著減少(p<0.05)，P20處理下0.25～2 mm粒徑的團聚體含量顯著增加(p<0.05)，P10，P20和P30處理下0.053～0.25 mm粒徑的團聚體含量均無顯著差異，P10和P30處理下<0.053 mm粒徑的團聚體含量顯著增加(p<0.05)。

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

2.2 不同耕作深度對土壤水穩性團聚體穩定性的影響

土壤水穩性團聚體的R0.25，MWD，GMD和D等是反映土壤結構和土壤團聚體穩定性的重要指標。土壤團聚體的R0.25，MWD，GMD值越大或D值越小，土壤團聚體越穩定，土壤抗侵蝕能力越強[6,11,19]。由表1可以看出，0—15 mm土層中NT處理下土壤團聚體的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處理下土壤團聚體的R0.25值顯著高于P10和P30(p<0.05)，土壤團聚體的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)，各處理下土壤團聚體的MWD值依次為NT>P20>P30>P10，而土壤團聚體的D值依次為P20>NT>P30>P10。因此，在整體上NT和P20處理的土壤團聚體穩定性比P10和P30處理更好。

2.3 土壤水穩性團聚體組成、穩定性指標及花生產量的相關分析

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

表1 不同耕作深度0-15 cm和15-30 cm土壤水穩性團聚體評價參數

注：不同字母表示處理之間差異顯著(p<0.05)。

表2 各粒級水穩性團聚體含量與R0.25，MWD，GMD，D值及花生產量的相關性(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育，從而導致產量明顯減小[21]。這一定程度上會影響各粒級土壤團聚體含量和土壤團聚體的R0.25，MWD，GMD，D值與花生產量的相關分析。表3為耕作擾動下(P10，P20，P30)土壤水穩性團聚體組成、穩定性指標及花生產量的相關性。從表3可知，花生產量與0.25～2 mm粒徑的土壤團聚體含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與土壤團聚體的R0.25和GMD值呈顯著正相關(p<0.05)。

表3 耕作擾動下各粒級水穩性團聚體含量和R0.25，MWD，GMD，D值與花生產量的相關性(n=18)

3 討 論

本試驗研究經三年后，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定團聚體特征存在一定差異。尤其對2～8 mm粒徑的團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]研究發現耕作后土壤大團聚體更容易破裂，耕作優先降低了2～8 mm團聚體含量的結果相一致。本研究中P10和P30處理下2～8 mm粒徑的團聚體含量減小的同時微團聚體(<0.25 mm)含量在整體上呈上升趨勢。這可能是水穩性大團聚體是由微團聚體和各種黏合劑膠結而成，當土壤在耕翻作用下水穩性大團聚體遭受破裂，釋放出原先被大團聚體包裹的新及老的微團聚體后，微團聚體數量就會相應增加[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土層微團聚體增加。P30處理則對20—30 cm的土壤擾動強烈，20—30 cm的土壤位于犁底層之下，由于長期受耕犁、機械擠壓，黏粒下移，較緊實，粘重，使得微團聚體含量增加。而P20處理下微團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聚體的形成，從而使得微團聚體變化較小。這具體的原因有待于深入研究。

本研究中NT和P20處理的土壤水穩定團聚體穩定性比P10和P30處理更好，其中，NT處理下土壤團聚體穩定性好，這與田慎重等[3]、梁愛珍等[23]研究結果相似。究其原因，可能是免耕處理不翻動土壤，土壤大團聚體周轉較慢，有利于大團聚體中更多微團聚體的產生，更有利于增加土壤團聚體穩定性[3]。而P20處理下土壤團聚體穩定性好，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聚體粘結介質，有利于大團聚體的恢復[24]。另一方面可能是由于P20耕作下土壤中有機質整體上得到提高，而有機質是土壤團聚體膠結物質，有利于提高水穩性團聚體的穩定性[23]。

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

綜合考慮土壤水穩性團聚體穩定性和作物產量，紅壤坡耕地耕作深度為20 cm比較合適。當然，紅壤坡耕地合理耕層的構建還應結合坡耕地區位、剖面形狀、理化形狀土壤管理等多因素作進一步研究。

4 結 論

(1) 紅壤坡耕地經過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粒徑的土壤團聚體含量，P10和P30處理會增加微團聚體(<0.25 mm)含量，而P20處理對微團聚體的影響較小。

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

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