吳憲,張婷,王蕊,王欣奕,趙建寧,王麗麗,楊殿林,李剛,修偉明
農業(yè)農村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所/農業(yè)農村部產(chǎn)地環(huán)境污染防控重點實驗室/天津市農業(yè)環(huán)境與農產(chǎn)品安全重點實驗室,天津 300191
土壤團聚體作為土壤結構的重要物質基礎和肥力的重要載體,能夠協(xié)調土壤水肥氣熱之間的關系(樊紅柱等,2015),同時與土壤的抗風蝕、抗水蝕、保護有機質的分解和促進微生物活動密切相關(Wang et al.,2017)。土壤團聚體的穩(wěn)定性受多種因素的制約(Bai et al.,2019)。不穩(wěn)定團聚體可能通過產(chǎn)生較小的可遷移顆粒阻礙土壤養(yǎng)分的輸送,并加劇地表徑流和土壤侵蝕(姜燦爛等,2010)。提高土壤團聚體的穩(wěn)定性有利于減少土壤養(yǎng)分流失和水土流失,對作物生長和環(huán)境保護具有重要意義。目前,學者們對土壤團聚體穩(wěn)定性的評價主要以干篩法和濕篩法為主(武均等,2018)。干篩法獲得的機械穩(wěn)定性團聚體主要反映團聚體在田間的原有結構,濕篩法獲得的水穩(wěn)定性團聚體主要反映團聚體遇水后的分散機制(Huang et al.,2017)。團聚體的評價指標很多,粒徑>0.25 mm的大團聚體含量與土壤肥力之間存在一定的正相關關系,因此經(jīng)常用來表示良好的土壤結構,但是此方法容易忽略其他粒級的信息。有研究提出將平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(PSD)作為土壤團聚體分布及穩(wěn)定性的指標(孫隆祥等,2018),可以較好地反映土壤結構的穩(wěn)定性。
面對農業(yè)生產(chǎn)中化肥施用量不斷增加對農田土壤質量和生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅的嚴峻形勢,化肥減量與有機肥替代成為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。長期施用化肥和有機肥均能對土壤團聚體的組成與分布產(chǎn)生影響(張大庚等,2017)。有研究顯示,與不施肥相比,長期施用化肥可以提高土壤團聚體的穩(wěn)定性(Das et al.,2014),但也有報道表明單施化肥能降低土壤團聚體的穩(wěn)定性(Zhou et al.,2017)。Wang et al.(2015)在對黃土高原旱作農田進行研究時發(fā)現(xiàn)秸稈還田能夠通過改變微團聚體的粒徑分布來提高團聚體的穩(wěn)定性。張鵬等(2012)研究發(fā)現(xiàn)連續(xù) 4年的玉米秸稈還田可以提高表層土壤中機械穩(wěn)定性大團聚體(>0.25 mm)的比例。Yan et al.(2013)通過長達25年的定位試驗研究發(fā)現(xiàn),施用豬糞能夠顯著提高團聚體的穩(wěn)定性。盡管添加秸稈和配施有機肥對土壤團聚體穩(wěn)定性的提升效果已經(jīng)在紅壤(姜燦爛等,2010)、棕壤(Das et al.,2014)等多種土壤類型和水田(李文軍等,2014)、旱地(王曉娟等,2012;王碧勝等,2019)等不同土地利用類型上得到證實,但是土壤團聚效果對施肥措施的響應可能會因肥料類型和土壤性質的不同而不同(Guo et al.,2018)。目前絕大多數(shù)研究均以不施肥處理作為對照,且主要關注單一作物種植下的影響,但是在實際農業(yè)生產(chǎn)中化肥對農作物生長的重要性和不可替代性顯而易見,農業(yè)種植模式也是多種多樣。在化肥減量的基礎上通過配施有機肥和秸稈來補充土壤養(yǎng)分已逐漸成為現(xiàn)代農業(yè)生產(chǎn)的常規(guī)管理模式。有研究表明,復種輪作可以提高大團聚體比例,并且不同作物的根系可以改善土壤物理結構,利于大團聚體的形成,這說明種植制度對土壤團聚體的穩(wěn)定性也存在一定影響(劉恩科等,2010)。
小麥-玉米輪作制是華北潮土區(qū)主要農業(yè)生產(chǎn)模式之一,研究輪作體系下土壤團聚體的穩(wěn)定性具有現(xiàn)實意義。前人的研究主要側重于不同耕作方式對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響(劉威等,2015),且主要采用濕篩法測定水穩(wěn)定性團聚體,但干篩法能更好地反映旱地農田的土壤結構特性。因此,本試驗以華北潮土區(qū)小麥-玉米輪作為研究對象,采用干篩法和濕篩法研究化肥減量配施有機肥和秸稈對小麥季和玉米季農田土壤團聚體穩(wěn)定性的影響,以期為農田土壤的合理利用及肥料管理提供科學依據(jù)。
試驗地位于天津市寧河區(qū)試驗基地(39°48'N,117°71'E),屬于溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫11.2 ℃,年平均降水量642 mm,全年無霜期210 d,供試土壤為潮土,是華北耕作區(qū)典型的土壤類型。
定位試驗始于2015年10月,種植制度為小麥-玉米輪作,分別設置常規(guī)施肥(100%化肥,CK)、化肥減施(70%化肥,F(xiàn))、化肥減量配施秸稈(FS)、化肥減量配施有機肥(FM)、化肥減量配施有機肥和秸稈(FSM)共 5種施肥處理。所用肥料為無機復合肥(N質量分數(shù)8%,P2O5質量分數(shù)13%,K2O質量分數(shù)5%)、磷肥(P2O5質量分數(shù)12%)、鉀肥(K2O質量分數(shù)60%)、尿素(N質量分數(shù)46%)以及有機肥(NPK總養(yǎng)分量≥5%,有機質質量分數(shù)≥40%,石家莊市希星肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn))。在連續(xù)施肥的第4年(2019年)取土樣分析。
冬小麥播種前將有機肥、磷肥、鉀肥、總氮量60%化肥(無機復合肥)作為基肥一次性施入。小麥收獲后,在玉米播種前同樣將磷肥、鉀肥和總氮量60%化肥(無機復合肥)作為基肥一次性施入。總氮量40%化肥(尿素)在小麥苗期或玉米拔節(jié)期作為追肥施入,小麥季與玉米季無機肥施用量相同,有機肥只在小麥季施入,各小區(qū)總施肥量見表1。小麥季所有處理產(chǎn)生的小麥秸稈全部粉碎后覆蓋地表還田,玉米季FS和FSM處理產(chǎn)生的玉米秸稈粉碎成小段隨土壤耕翻還田。于2019年5月小麥收獲前和9月玉米收獲前,使用直徑5 cm的土壤采樣器采集0—20 cm耕層土壤,將在每個區(qū)域隨機采集的5個土芯混合成1個土壤樣品,剔除石礫和植物殘體等雜質后裝入滅菌自封袋暫存于保溫箱中并迅速帶回實驗室。在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動,以免破壞團聚體。將每份土壤樣品分為3份子樣品,一份風干后測定土壤有機質和全氮質量分數(shù),另一份風干后用于干篩法測定,第3份于4 ℃保存用于濕篩法測定。小區(qū)面積較大(22 m×22 m),故沒有設置重復小區(qū),在取樣時將小區(qū)分為3個區(qū)域即3次假重復(王梅等,2018)。

表1 各試驗小區(qū)總施肥量Table 1 Fertilizer application in test plots
1.3.1 測定方法
采用干篩法測定土壤團聚體的機械穩(wěn)定性和濕篩法測定土壤團聚體的水穩(wěn)定性。試驗前將兩種方法所使用的土樣根據(jù)水分含量折合成同一標準。干篩法:取100 g風干土樣置于套篩(孔徑依次為5.0、2.0、1.0、0.5、0.25、0.125、0.05 mm)頂部,用自動篩分機(型號DM185,浙江正泰電器股份有限公司生產(chǎn))震蕩5 min,測定各孔徑篩子上土樣質量。濕篩法(戴玨等,2012):取100 g新鮮土樣,在蒸餾水中浸泡5 min,依次通過0.25 mm和0.05 mm篩子,分別得到>0.25 mm和0.05—0.25 mm粒級團聚體;將濾出的懸濁液在4 ℃下離心(150×g,5 min),重復此步驟3次,即得到<0.05 mm粒級團聚體。最后將稱取不同粒級團聚體質量并測定含水量。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定;全氮采用半微量開氏法測定。
1.3.2 數(shù)據(jù)處理
參照李文軍等(2014)和崔榮美等(2011)對團聚體各指標的計算方法處理數(shù)據(jù)。

式中:wi為i粒級團聚體質量所占比例,干篩法和濕篩法分別按公式(1)和(2)計算。Wdi和Wwi分別為干篩法和濕篩法各粒級團聚體質量。
利用各粒級團聚體數(shù)據(jù),計算R0.25、MWD、GMD和PSD。

式中:mr>0.25為粒徑大于0.25 mm團聚體的質量,mr<0.25為粒徑小于0.25 mm團聚體的質量,mT為團聚體總質量。

分形維數(shù)PSD的計算公式為:

采用Excel 2018處理數(shù)據(jù),并采用SPSS 23.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA),相關圖采用Origin 2018繪圖。
不同施肥處理改變了土壤有機質和全氮含量(圖 1)。小麥季,化肥減量配施有機肥和秸稈處理(FS、FM 和 FSM)的有機質和全氮含量顯著高于CK處理。與F處理相比,F(xiàn)S和FM處理顯著提高了有機質含量,F(xiàn)M 處理顯著提高了全氮含量。玉米季,F(xiàn)M處理有機質質量分數(shù)最高,較CK和F處理分別顯著提高了21.3%和20.1%。玉米季各處理全氮質量分數(shù)沒有顯著差異。

圖1 土壤有機質和全氮質量分數(shù)Fig. 1 Soil organic matter and total nitrogen mass fraction
2.2.1 機械穩(wěn)定性團聚體組成變化
干篩法獲得的機械穩(wěn)定性團聚體粒徑分布如圖2所示。從各級團聚體總體分布來看,化肥減量配施有機肥和秸稈對土壤團聚體分布影響各不相同。小麥季時,機械穩(wěn)定性團聚體多集中于 0.5—1.0 mm粒級,約占20%,其次是1.0—2.0、0.25—0.5、2.0—5.0 mm粒級,占比均約為16%—18%,而>5.0 mm和0.05—0.125 mm粒級的機械穩(wěn)定性團聚體占比較低,均約為 10%,質量分數(shù)最低的是0.125—0.25 mm和<0.05 mm粒級。與小麥季不同的是,玉米季機械穩(wěn)定性團聚體粒徑分布情況大致為:>5.0 mm、2.0—5.0 mm和1.0—2.0 mm粒級團聚體的質量分數(shù)均超過了 20%,顯著高于其它粒級,且顯著高于小麥季相應粒級的質量分數(shù),而其它5個粒級團聚體質量分數(shù)均顯著低于小麥季。
小麥季和玉米季F處理與CK相比各個粒級之間差異均不顯著。小麥季時,F(xiàn)S處理顯著增加了粒徑>5.0 mm團聚體含量,1.0—2.0、0.5—1.0、0.05—0.125 mm和<0.05 mm粒徑的土壤團聚體含量顯著下降。FM處理顯著增加了2.0—5.0 mm粒級團聚體含量,0.25—0.5 mm和0.05—0.125 mm粒級團聚體含量顯著下降。FSM 處理顯著提高粒徑>5.0 mm團聚體含量,顯著降低粒徑0.5—1.0 mm團聚體含量。玉米季時,F(xiàn)S、FM和FSM處理的0.5—1.0、0.25—0.5、0.125—0.25 mm粒級團聚體含量均顯著低于 CK,而其它粒級團聚體含量之間的差異均未達到顯著水平,無明顯規(guī)律性。在化肥減量的基礎上進行秸稈還田或配施有機肥均可提高較大粒級機械穩(wěn)定性團聚體含量,在小麥季表現(xiàn)出的團聚作用要優(yōu)于玉米季,但從整體上看玉米季施肥處理對粒徑>1.0 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量的提高發(fā)揮的作用要高于小麥季。
2.2.2 水穩(wěn)定性團聚體組成變化
小麥季和玉米季水穩(wěn)定性團聚體組成整體上均呈現(xiàn)“逐漸下降”的趨勢,即粒徑>0.25 mm大團聚體含量最高,0.05—0.25 mm粒級團聚體次之,<0.05 mm的微團聚體含量最低(圖3)。
濕篩法獲得的水穩(wěn)定性團聚體粒級分布結果與干篩法一致,在F與CK之間差異不顯著。FS、FM和FSM中,>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體含量均顯著高于CK,小麥季<0.05 mm粒級和玉米季0.05—0.25 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量均顯著低于CK,說明在化肥減量的基礎上進行秸稈還田和配施有機肥有利于促進土壤水穩(wěn)定性小團聚體聚合成大團聚體。但是從整體來看,有機肥和秸稈添加處理對粒徑>0.25 mm團聚體含量增幅的影響小于對0.05—0.25 mm和<0.05 mm粒級降幅的影響,表明大團聚體的形成是一個緩慢的過程,需要從小團聚體逐級聚合成大團聚體。
玉米季干篩法獲得的機械穩(wěn)定性團聚體R0.25顯著高于小麥季,而濕篩法獲得的水穩(wěn)定性團聚體R0.25在兩個作物類型之間無顯著差異(表2)。

圖2 小麥季(A)和玉米季(B)機械穩(wěn)定性團聚體組成Fig. 2 Composition of mechanical stable aggregates in wheat season (A) and maize season (B)

圖3 小麥季(A)和玉米季(B)水穩(wěn)定性團聚體組成Fig. 3 Composition of water stable aggregates in wheat season (A) and maize season (B)

表2 不同施肥處理下干篩法和濕篩法中>0.25 mm團聚體質量分數(shù)Table 2 Mass fraction of >0.25 mm aggregate in dry and wet sieving methods under different fertilization treatments
無論小麥季還是玉米季,F(xiàn)處理中的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體R0.25與CK相比差異不顯著。在干篩法中,與CK相比,小麥季FS、FM和FSM處理中的團聚體R0.25顯著提高了 6.03%、5.87%和4.54%,玉米季FSM處理顯著提高了6.63%,F(xiàn)S和FM處理較CK沒有顯著差異,但表現(xiàn)出比例上升的趨勢。在化肥減量的基礎上進行秸稈還田和配施有機肥均能提高表層土壤>0.25 mm的機械穩(wěn)定性團聚體的數(shù)量,使土壤團粒結構的數(shù)量增多,小麥季比玉米季表現(xiàn)得更為明顯。濕篩法結果與干篩法基本一致,小麥季和玉米季均表現(xiàn)出秸稈還田和配施有機肥處理(FS、FM 和 FSM)的團聚體R0.25顯著高于 CK,分別提高了 21.88%、26.09%和18.99%以及5.73%、7.90%和7.58%。FM處理水穩(wěn)定性團聚體R0.25在小麥季和玉米季均表現(xiàn)最高,且小麥季比玉米季表現(xiàn)得更為明顯。化肥減量配施有機肥更有利于表層土壤水穩(wěn)定性團聚體的形成,提高土壤結構的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。小麥季濕篩處理下的R0.25在 59.89%—75.52%之間,干篩處理下在 81.95%—86.89%之間,而玉米季濕篩處理下的R0.25在64.09%—71.86%之間,干篩處理下在92.09%—97.42%之間。可以看出該土壤的水穩(wěn)定性大團聚體的數(shù)量較多,且小麥季水穩(wěn)定性大團聚體的比例要高于玉米季。在化肥減量的基礎上進行秸稈還田和配施有機肥均會導致土壤大團聚體的含量增加,有利于表層土壤大團聚體的形成。
干篩法下,小麥季的MWD和GMD值均呈現(xiàn)FS>FSM>FM>F>CK的變化趨勢,且FS、FM和FSM處理均顯著高于CK,但3個處理之間差異不顯著(表3)。玉米季的MWD和GMD值均呈現(xiàn)FSM>FS>FM>F>CK的變化趨勢,僅FSM處理顯著高于CK,F(xiàn)S、FM和FSM 3個處理之間差異不顯著。玉米季的MWD和GMD顯著高于小麥季,說明玉米季土壤團聚體的機械穩(wěn)定性優(yōu)于小麥季。這進一步說明長期施用有機物料可以提高土壤的團聚程度,改善土壤結構。濕篩法結果同干篩法一致,小麥季FS、FM和FSM的MWD和GMD均顯著高于CK,但三者之間差異不顯著。玉米季各處理之間MWD和GMD差異均不顯著。進一步分析發(fā)現(xiàn),小麥季時,F(xiàn)S處理干篩法的MWD和GMD顯著高于F,F(xiàn)M處理濕篩法的MWD和GMD顯著高于F。
土壤團聚體分形維數(shù)可作為評價土壤肥力水平的綜合性定量指標,分形維數(shù)越小,團粒結構越好(林清美等,2018)。小麥季和玉米季各處理土壤的機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)定性團聚體的分形維數(shù)PSD變化范圍分別為2.16—2.36(小麥季)和2.16—2.57(小麥季)以及1.89—2.15(玉米季)和2.18—2.33(玉米季,圖 4)。小麥季和玉米季各處理機械穩(wěn)定性團聚體分形維數(shù)之間差異不顯著。小麥季FS、FM和FSM處理的水穩(wěn)定性團聚體分形維數(shù)均顯著低于CK。玉米季只有FM顯著低于CK,但是FS、FM和FSM均顯著低于F,這表明秸稈和有機肥的施入對土壤結構的穩(wěn)定性發(fā)揮了積極作用。從整體來看,玉米季機械穩(wěn)定性團聚體分形維數(shù)PSD低于小麥季,這與“2.3”節(jié)中玉米季干篩法獲得的機械穩(wěn)定性團聚體R0.25顯著高于小麥季和2.4中干篩處理下玉米季的MWD和GMD整體顯著高于小麥季的結果相一致。

表3 不同施肥處理土壤團聚體穩(wěn)定性指標Table 3 Stability indicators of soil aggregates under different fertilization treatments

圖4 機械穩(wěn)定性團聚體(A)和水穩(wěn)定性團聚體(B)分形維數(shù)Fig. 4 Particle-sized dimension of mechanical stable aggregates (A) and water stable aggregates (B)
小麥季和玉米季分形維數(shù) PSD與土壤團聚體R0.25的相關性分析表明(表 4),小麥季時,PSD與>0.25 mm機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體含量存在顯著負相關關系(P<0.05);玉米季時,PSD與>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量呈顯著負相關關系(P<0.05),與水穩(wěn)定性團聚體含量達到了極顯著負相關關系(P<0.01)。土壤分形維數(shù)越大,粒徑>0.25 mm團聚體含量越低。粒徑>0.25 mm大團聚體含量的增加有利于提高土壤團聚體的穩(wěn)定性,進一步改善了土壤結構性。

表4 PSD與土壤團聚體R0.25的相關分析Table 4 Correlation analysis between PSD and soil aggregate R0.25
土壤團聚體的粒徑分布和穩(wěn)定性是衡量土壤質量的重要指標。本研究發(fā)現(xiàn)在化肥減量的基礎上進行秸稈還田和配施有機肥均有利于土壤團聚體的形成并提高其穩(wěn)定性,這與李銳等(2017)的研究結果相一致。但是僅減少30%的化肥施用量對土壤團聚體的穩(wěn)定性并沒有顯著影響,這與崔江輝等(2018)的研究結果基本一致。
作物秸稈還田能增加土壤有機質含量,提高農業(yè)生產(chǎn)體系的穩(wěn)定性,對土壤團聚體結構的形成具有重要作用(Malhi et al.,2012)。本研究結果表明FS處理顯著提高了小麥季粒徑>0.25 mm團聚體的含量、MWD和GMD值,顯著降低了水穩(wěn)定性團聚體 PSD;玉米季水穩(wěn)定性團聚體R0.25值差異明顯,但趨勢與小麥季一致,說明化肥減量配施秸稈有利于土壤團粒結構的形成并降低不穩(wěn)定團粒指數(shù),提高團聚體的穩(wěn)定性,改善土壤抗侵蝕能力。這與先前的研究結果秸稈還田能有效提高旱作土壤大團聚體的形成,明顯改善鹽漬土團聚體的穩(wěn)定性(王會等,2019)相一致。秸稈隨耕作進入土壤后可能成為大團聚體形成的核心物質,吸附細小顆粒聚合形成大團聚體(王碧勝等,2019)。本研究顯示,玉米季干篩團聚體>1.0 mm的3個粒級含量顯著高于小麥季相應粒級的含量,而其它5個粒級團聚體含量均顯著低于小麥季。這可能是因為小麥收獲后,小麥秸稈就地覆蓋還田能夠減少地表裸露,減緩雨滴對土壤的打擊力,緩解外力對土壤結構的影響(Peng et al.,2016)。進一步來看可能是玉米根系發(fā)達,根系分泌物較多,根系分泌物產(chǎn)生的有機酸和多糖類物質能夠增強土壤顆粒之間的團聚化作用(周蕓等,2019)。北方地區(qū)冬季寒冷晝夜溫差較大,小麥秸稈覆蓋和玉米秸稈還田降低了小麥季因凍融交替和玉米季因干濕交替對土壤團聚體的破壞(楊永輝等,2017)。
本研究結果表明化肥減量配施秸稈和有機肥可提高土壤粒徑>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體含量、MWD和GMD值,降低PSD值,這與周蕓等(2019)和李建華等(2018)研究結果相似。有機肥與化肥配施能夠為土壤提供豐富的外源有機質,直接向土壤中補充大量的活性有機物質,這些有機物質在微生物的分解下為團聚體的形成提供了所需的有機無機膠結物質,同時還會激發(fā)土壤生物活性(Zhang et al.,2019),從而使小粒級團聚體膠結形成大團聚體,提高了土壤的團聚程度,進而提高大團聚體含量,并增強其穩(wěn)定性(李文軍等,2014)。秸稈的施入使土壤中存在更多的新鮮根茬和根系分泌物,化肥施入土壤后會通過增加植物枯枝落葉、根系等有機物料促進土壤團粒結構的形成,增加土壤中大團聚的含量,大團聚體更易受微生物和根系的影響(Wang et al.,2018)。
本研究小麥季配施有機物料的3個處理(FS、FM、FSM)對干篩大團聚體的含量具有顯著變化,而玉米季無明顯規(guī)律,這可能是小麥前茬作物玉米收獲后秸稈還田和施入有機肥導致土壤有機質含量增加,使得小麥季土壤大團聚體含量提高。濕篩團聚體FS、FM和FSM處理的R0.25均顯著高于CK,這與土壤中有機質含量的增加有關,并且秸稈還田可能會在耕作時增加擾動阻力,減少對團聚體的破壞作用(姜燦爛等,2010)。小麥季水穩(wěn)定性大團聚體的比例要略高于玉米季。這可能與冬小麥種植周期較長,夏季降雨量較多有關。
小麥-玉米輪作體系下,減量化肥配施秸稈和有機肥均顯著提高>0.25 mm粒級機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體含量,提高MWD和GMD,降低PSD,團聚體穩(wěn)定性增強,土壤結構得到改善。添加秸稈和配施有機肥對小麥季濕篩團聚體的水穩(wěn)定性的影響高于玉米季,玉米季干篩團聚體的機械穩(wěn)定性要優(yōu)于小麥季。