深松深度對灌耕灰鈣土團聚體分布及穩(wěn)定性的影響

李曉麗，王成寶，楊思存*，蔡立群，霍 琳，溫美娟，姜萬禮

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070）

引黃灌區(qū)是甘肅省重要的綜合農(nóng)業(yè)商品生產(chǎn)基地之一，由于有黃河及其眾多支流水源，農(nóng)田實灌面積達3.845×105hm2，極大地改善了這一區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件［1］。但隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的提高和小型耕作機具的普及，長期單一的旋耕和淺耕作業(yè)導(dǎo)致耕層逐漸變淺及上層土壤結(jié)構(gòu)變差，小型農(nóng)機具反復(fù)碾壓及大水漫灌加劇了下層土壤沉積壓實，犁底層不斷加厚，導(dǎo)致耕層深度平均只有16.5 cm、土壤容重普遍在1.4 g/cm3左右、緊實度超過1000 kPa。這種“淺、實、少”的耕層結(jié)構(gòu)嚴重阻礙了作物根系的深層分布和水肥吸收功能，致使作物水肥資源利用率降低、抗逆減災(zāi)能力和產(chǎn)出能力變?nèi)酰萍s了該地區(qū)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和耕地可持續(xù)利用［2］。因此，研究該區(qū)灌耕灰鈣土的改良措施，并確定合理的耕作指標(biāo)對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實踐意義。

深松作為保護性耕作的核心技術(shù)之一［3］，在我國的應(yīng)用面積已超過1000 萬hm2［4］。研究表明，深松能打破犁底層，創(chuàng)造虛實并存的耕層結(jié)構(gòu)，通過增加耕層深度、降低土壤容重、改善土壤通透性、增加水穩(wěn)性團聚體含量、提升土壤蓄水保墑能力等來實現(xiàn)作物增產(chǎn)［5-7］，但關(guān)于不同深松深度的研究，國內(nèi)的相關(guān)報道較少。團聚體是重要的土壤物理因子，它反映了土壤的結(jié)構(gòu)狀況、養(yǎng)分存儲與供應(yīng)、持水性、通透性等能力的高低［8-9］，并通過對土壤水、通氣性、溫度等的影響而直接影響作物生產(chǎn)力［10］。霍琳等［11］在該區(qū)的研究表明，與傳統(tǒng)旋耕相比，深松35 cm 在較短時間內(nèi)（4 年）使灌耕灰鈣土0～40 cm 土層內(nèi)＞0.25 mm 機械穩(wěn)定性團聚體含量增加了4.39%、水穩(wěn)性團聚體含量增加了43.97%，可見深松對該區(qū)土壤改良產(chǎn)生了重要影響。本研究基于多年定點試驗，通過設(shè)置不同的深松深度，研究不同深松深度對甘肅引黃灌區(qū)灌耕灰鈣土團聚體數(shù)量、大小、穩(wěn)定性等的影響，旨在為該區(qū)水澆地土壤管理和合理耕層構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗設(shè)在甘肅省白銀市靖遠縣北灘鄉(xiāng)景灘村（37°05′N，104°40′E），海拔1645 m，是黃河水經(jīng)提升480 m 形成的新灌區(qū)，處在旱地農(nóng)業(yè)向荒地牧地過渡線的北面，屬于黃土高原丘陵溝壑干旱區(qū)，年平均降水量259 mm，年均蒸發(fā)量2369 mm；年平均氣溫6.6℃，大于0 和10℃的積溫分別是3208 和2622℃，無霜期160～170 d；年日照時數(shù)2919 h，輻射量616.2 kJ/cm2。試驗地土壤類型為灰鈣土，質(zhì)地為中壤，成土母質(zhì)為洪積黃土，試驗前8 年連續(xù)采用翻耕方式，種植作物均為玉米，播前耕層土壤（0～20 cm）有機質(zhì)含量12.58 g/kg，全氮1.22 g/kg，全磷1.09 g/kg，全鉀1.35 g/kg，堿解氮45.4 mg/kg，有效磷11.5 mg/kg，速效鉀193 mg/kg，pH 值為8.25，容重1.43 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2013 年10 月開始，在連續(xù)翻耕8 年的玉米地上以旋耕（RT）為對照，設(shè)置5 個深松深度處理，分別為深松30 cm（ST30）、深松35 cm（ST35）、深松40 cm（ST40）、深松50 cm（ST50）、深松60 cm（ST60）。旋耕采用東方紅1GQN-125型旋耕機，配置21 kW 小四輪拖拉機，每年秋季玉米收獲后旋耕1 次，平均耕作深度12 cm。深松采用沃野ISQ-340 型全方位深松機，配置66 kW四輪拖拉機，每2 年在秋季玉米收獲后深松1 次。每個處理重復(fù)3 次，小區(qū)面積330 m2（33 m×10 m），種植作物每年都是玉米（先玉335），密度7.5 萬株/hm2。試驗地采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)栽培條件下已經(jīng)成熟的灌溉施肥制度，施肥量為氮肥（N）375.0 kg/hm2、磷肥（P2O5）150.0 kg/hm2，40%的氮肥和全部磷肥作為基肥，于播種前結(jié)合整地施入耕層，剩余60%氮肥于玉米拔節(jié)期結(jié)合灌水追施；玉米全生育期灌水4 次，灌溉定額5400 m3/hm2，灌水分配比例為出苗-拔節(jié)16%、拔節(jié)-抽雄28%、抽雄-乳熟31%、乳熟-成熟25%。不同耕作處理實施后的耙耱、鎮(zhèn)壓、開溝覆膜等措施及田間管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3 取樣與測定方法

1.3.1 采樣方法

2018 年10 月玉米收獲后，在每個小區(qū)按S型5 點取樣法在0～10、10～20、20～30 和30～40 cm 4 個土層采集原狀土樣約2 kg，自然風(fēng)干后除去粗根及小石塊，將大土塊按自然裂痕剝離為1 cm3左右。將風(fēng)干土樣過孔徑為5、2 mm 篩，分為＞5、5～2、＜2 mm 3 個級別，然后按3 個級別土樣在原狀土中所占比例取混合土樣200 g。

1.3.2 測定方法

機械穩(wěn)定性團聚體：采用干篩法［12］。稱取風(fēng)干土樣200 g，放入最大孔徑5 mm的土篩上面，套篩自上而下孔徑分別為5、2、1、0.5 和0.25 mm，底層安放底盒，以收取＜0.25 mm的土壤團聚體，套篩頂部有篩蓋。裝好土樣后，用振蕩式機械篩分儀在最大功率下振蕩2 min，從上部依次取篩，將各級篩網(wǎng)上的土樣分別收集稱重，即得到＞5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 和＜0.25 mm的機械穩(wěn)定性團聚體質(zhì)量。

水穩(wěn)性團聚體：采用濕篩法［12］。先用烘干法測定土壤含水量，再稱取風(fēng)干土樣40 g，平鋪于套篩上（從上到下的順序為5、2、1、0.5、0.25 mm）。調(diào)整桶內(nèi)水面的高度，使篩子移動到最高位置時最上一層篩子中的團聚體剛好淹沒在水面以下。先在水面下浸泡10 min，然后以每分鐘30 次的速度上下振蕩5 min，將每個篩子上的水穩(wěn)性團聚體分別沖洗入已稱重的三角瓶中，105℃烘干、稱重；之后再往每個瓶中加入10 mol/L 六偏磷酸鈉10 mL，用玻璃棒攪拌分散，置于相應(yīng)孔徑的篩子上振蕩45 min，收集各級篩子上的殘留物，105℃烘干，再次稱重，通過換算即得到＞5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 和＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量。

1.4 計算方法

利用各粒級團聚體數(shù)據(jù)，計算各粒級團聚體的含量、＞0.25 mm 團聚體含量、平均重量直徑、幾何平均直徑、土壤團聚體破壞率和不穩(wěn)定團粒指數(shù)，計算公式如下［13-14］：

式中：WSAi為各粒級機械穩(wěn)定性或水穩(wěn)性團聚體的含量（%），Wi為各粒級機械穩(wěn)定性或水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量（g），WT為供試土壤樣品總重量（g）；R0.25為直徑＞0.25 mm 團聚體的含量（%），Mr＞0.25為粒徑＞0.25 mm 團聚體的重量（g），MT為團聚體的總重量（g）；PAD 為團聚體破壞率（%），DR0.25為＞0.25 mm 機械穩(wěn)定性團聚體含量（%），WR0.25為＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量（%）；ELT為不穩(wěn)定團粒指數(shù)（%），W0.25為水穩(wěn)性團聚體重量（g）；MWD為團聚體平均重量直徑（mm），上限設(shè)為7.15 mm，下限設(shè)為0.1375 mm［15］，GWD 為團聚體幾何平均直徑（mm），Xi為某一級別范圍內(nèi)團聚體的平均直徑（mm），Wi為對應(yīng)于Xi的團聚體百分含量（%）。

分形維數(shù)（D）的計算采用楊培嶺等［16］推導(dǎo)的公式，在忽略各粒級間土粒比重差異的前提下，土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關(guān)系可用下式表示：

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 和SPSS 20.0 軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。采用單因素（one-way ANOVA）分析不同耕作處理之間的差異顯著性，并采用Duncan 新復(fù)極差法（SSR）進行多重比較，顯著水平取0.05。利用Excel 2016 軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松深度對土壤團聚體數(shù)量的影響

2018 年玉米收獲后各處理干篩法得到的＞0.25 mm 團聚體含 量（DR0.25）為75.27%～92.00%（表1）。分析各土層可以看出，0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土層DR0.25含量，RT 處理分別為75.27%、80.44%、84.60%和87.81%，深松處理平均分別為82.47%、85.91%、89.51%和90.45%，不同土層深松處理比RT 增加了3.01%～9.57%，隨著土層深度的增加，各耕作處理DR0.25含量都在增加，但增幅在降低。從不同深松深度處理來看，ST60 處理在各個土層都是最高，但只有在0～10、10～20 cm 土層才顯著高于ST50 和ST40處理（P＜0.05），ST40 與ST50 處理在各層都達不到差異顯著水平，ST40 處理在0～10、10～20、20～30 cm 土層都顯著高于ST35 處理（P＜0.05），ST35 處理在各層都顯著高于ST30 處理（P＜0.05）。總體來看，深松處理0～40 cm 土層內(nèi)＞5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm 干團聚體含量平均為22.11%、16.66%、14.78%、17.86%和15.67%，分別比RT處理增加了13.15%、2.66%、7.26%、5.29%和1.04%，可見深松對增加大團聚體有促進作用。從不同耕作處理來看，0～40 cm 土層DR0.25平均含量隨深松深度的增加而增加，大小順序為ST60＞ST50＞ST40＞ST35＞ST30＞RT，深松處理的增幅為0.70%～10.11%，平均為6.16%，不同粒徑團聚體含量也有大致相同的趨勢。

表1 不同深松深度的土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成

從表2 可以看出，濕篩處理下＞0.25 mm 團聚體含量（WR0.25）為7.64%～29.47%，遠小于機械穩(wěn)定性團聚體含量，說明灌耕灰鈣土的團聚體主要是機械穩(wěn)定性團聚體。分析各土層可以看出，各處理0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土 層WR0.25含量均有隨土層加深而遞減的趨勢，深松處理平均為26.49%、17.59%、11.68%和10.32%，分別比RT 處理增加了48.55%、54.27%、33.11%和35.11%。從不同深松深度處理來看，與機械穩(wěn)定性團聚體表現(xiàn)的趨勢一致，都是ST60 處理在各土層最高、ST30 處理最低，ST60 處理只有在0～10 cm 土層顯著高于ST50 處理（P＜0.05），ST50 處理在20～30、30～40 cm 土層顯著高于ST40 處理（P＜0.05），ST40 與ST35 處理在各層都達不到差異顯著水平，ST35 處理在各層都顯著高于ST30 處理（P＜0.05）。總體來看，深松處理0～40 cm 土層內(nèi)＞5、5～2、2～1、1～0.5 和0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量平均為0.07%、0.23%、0.85%、4.97%和6.72%，分別比RT 處理增加了28.61%、17.17%、14.83%、7.17%和15.45%，這進一步證實深松能促進土壤大團聚體的形成。從4 個土層WR0.25的平均含量來看，大小順序與DR0.25相同，為ST60＞ST50＞ST40＞ST35＞ST30＞RT，深松處理的增幅在21.08%～60.74%，平均為44.78%，顯著高于機械穩(wěn)定性團聚體的增幅，可見深松主要是增加了土壤水穩(wěn)性團聚體的含量。進一步比較不同粒徑水穩(wěn)性團聚體含量，與WR0.25有大致相同的趨勢。

表2 不同深松深度的土壤水穩(wěn)性團聚體組成

2.2 深松深度對土壤團聚體大小的影響

由表3 可知，各處理用干篩法得到的團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）遠遠高于用濕篩法得到的，說明供試土壤團聚體中水穩(wěn)性團聚體的比例較少。在干篩法下0～40 cm 土層各處 理MWD 和GMD的大小順序均為ST60＞ST50＞ST40＞ST35＞ST30＞RT，這與DR0.25平均含量大小順序一致。其中，深松的MWD 值比RT 處理增加了3.37%～12.10%，平均為8.53%，ST60 與ST50、ST35 與ST30、ST30 與RT 處理之間均有顯著差異（P＜0.05），ST50 與ST40、ST40 與ST35 處理之間差異不顯著。深松的GMD 值比RT 處理增加了2.79%～21.04%，平均為13.38%，ST60 顯著高于其它處理（P＜0.05），ST50 與ST40、ST40 與ST35、ST30 與RT 處理之間均無顯著差異。分析各土層可以看出，各處理MWD 和GMD 都有隨土層加深而遞增的趨勢，ST60 處理都是最高，但不同土層間略有差異。在0～10 cm 土層，除ST50 與ST40 處理的MWD 值差異不顯著外，其他處理MWD 和GMD也都存在顯著差異（P＜0.05）。在10～20 cm 土層，ST50、ST40、ST35 這3 個處理的MWD 和GMD 差異不顯著。在20～30 cm 土層，ST60、ST50、ST40處理之間，ST30 與RT 處理之間的MWD 和GMD 差異不顯著。在30～40 cm 土層，最顯著的變化是RT 處理的MWD 和GMD 值都顯著高于ST30 處 理（P＜0.05）。

表3 不同深松深度的土壤團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）

在濕篩法下0～40 cm 土層各處理MWD 和GMD 值較干篩法下表現(xiàn)出較大差異，均隨土層的加深而呈降低趨勢，而且MWD 和GMD 之間也表現(xiàn)出不同的趨勢。MWD 和GMD的大小順序均為ST60 ≥ST50 ≥ST40 ≥ST35＞ST30 ≥RT，各處理之間幾乎沒有差異。其中，深松的MWD 值比RT 處理增加了2.46%～15.42%，平均為10.08%；GMD 值增加了1.98%～8.59%，平均為5.81%。分析各土層可以看出，在0～10 cm 土層，各處理MWD 和GMD 值的變化趨勢相同，ST35 與ST30、ST30 與RT 處理之間均有顯著差異（P＜0.05），但到10～20、20～30、30～40 cm 土層，這種差異已經(jīng)很小，可見深松對土壤水穩(wěn)性MWD 和GMD的影響主要是在表層。

2.3 深松深度對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

由圖1 可見，各處理團聚體破壞率（PAD）和不穩(wěn)定團粒指數(shù)（ELT）在0～40 cm 土層內(nèi)表現(xiàn)出相同的趨勢，即隨著土層的加深而增加，大致順序均為RT＞ST30＞ST35＞ST40＞ST50＞ST60，深松處理的PAD 值 為66.13%～89.93%，ELT值 為70.53%～91.28%，分別比RT 處理降低了3.28%～7.28%和2.71%～7.82%，平均為5.77%和5.88%。分析各土層，同一土層不同處理的變化趨勢與剖面平均值基本一致，只是隨著土層的加深，PAD 和ELT降低的幅度越來越小。在0～10 和10～20 cm土層，ST35、ST40、ST50、ST60 這4 個處理的PAD和ELT平均比RT 處理降低了12.66%和12.04%，比ST30 處理降低了7.59%和7.89%，ST30的PAD 和ELT也 比RT 處理降低5.49%和4.51%。在20～30 和30～40 cm 土 層，ST35 與ST40、ST50與ST60、ST30 與RT 處理的PAD 和ELT變化不大。進一步分析PAD、ELT與WR0.25之間的關(guān)系可以看出，它們都呈線性負相關(guān)關(guān)系，說明WR0.25越高，土壤團聚體穩(wěn)定性越強，土壤結(jié)構(gòu)越不容易被破壞。

2.4 深松深度對土壤團聚體分形特征的影響

從圖2 可以看出，干篩法和濕篩法的分形維數(shù)（D）在土壤剖面中呈截然相反的趨勢，機械穩(wěn)定性團聚體的分形維數(shù)在2.30～2.60 之間，0～10 cm 土層高于其他3 個土層，隨土層加深而降低（圖2a），降幅在2.21%～6.92%之間，20～30 和30～40 cm 土層之間變化不大，但都低于10～20 cm 土層。各處理0～40 cm 土層平均值的大小順序為RT ≥ST30＞ST35＞ST40＞ST50＞ST60，深松處理的降幅在0.13%～6.74%之間，平均為3.81%。分析各土層，在0～10 cm 土層，RT 處理均高于其他處理。10～20 cm 土層與0～10 cm 土層的變化趨勢基本一致，各處理之間的差異進一步縮小。在20～30 和30～40 cm 土 層，ST60、ST50、ST40、ST35 處理均低于ST30、RT 處理。

水穩(wěn)性團聚體的分形維數(shù)在2.88～2.98 之間，0～10 cm 土層低于其他3 個土層，隨土層加深而增加（圖2b），增幅在1.13%～1.98%之間，20～30 和30～40 cm 土層高 于10～20 cm土層。各處理0～40 cm 土層平均值的大小順序為RT＞ST30＞ST35 ≥ST40＞ST50＞ST60，深松處理的降幅為0.25%～0.90%，平均為0.63%。從各土層來看，RT 處理在4 個土層都最高，ST60 處理都最低。

3 討論

土壤耕作的目的是建立適宜作物生長的土壤環(huán)境條件，而土壤團聚體作為土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是確保作物高產(chǎn)所必須的土壤條件之一。目前，國際上關(guān)于耕作方式影響土壤團聚體的研究主要集中在以少免耕和秸稈還田為主要內(nèi)容的保護性耕作方面，國內(nèi)的研究主要集中在翻耕、旋耕、免耕、深松等幾種方式的對比上，普遍認為深松能夠打破犁底層，為作物提供良好的水分條件，減小根系下穿阻力，擴大根系延展范圍，是構(gòu)建合理耕層最有效的方法［17］，以深松為核心的保護性耕作能增加土壤團聚體含量和穩(wěn)定性，改善表層土壤結(jié)構(gòu)［18-22］，而翻耕和旋耕對土壤擾動大，直接或非直接地造成土壤團聚體被破壞［23-27］。也有一些學(xué)者研究了不同深松深度對土壤結(jié)構(gòu)、保水保肥性能和作物產(chǎn)量等的影響，認為深松50～60 cm 對土壤的改良效果優(yōu)于深松30 cm，能顯著降低土壤容重、緊實度和三相比值，促進了作物根系的生長發(fā)育，進而增加作物產(chǎn)量，提高水分利用效率［28-30］，但上述研究都沒有涉及深松深度對土壤團聚體的影響。＞0.25 mm 大團聚體被認為是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其含量越多，說明土壤的團聚性越好，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定［31］。MWD 和GMD 是反映土壤團聚體大小分布狀況和穩(wěn)定性特征的常用指標(biāo)，其值越大，表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強［32］。本研究表明，不同深松深度處理在較短時間內(nèi)對土壤團聚體特性產(chǎn)生了明顯影響，深松處理0～40 cm 土層DR0.25、WR0.25、MWD 和GMD 都顯著高于RT 處理，且隨著深松深度的增加而增加，這與程思賢等［28］、栗維等［29］、張鳳杰等［30］的研究結(jié)論一致，其原因可能是更深的深松深度使得土壤通透性更好，更有利于作物根系下扎，為玉米生長提供了更加合理的土壤環(huán)境，增強了作物根系活性和土壤微生物活力，有助于團聚體的形成和微團聚體向大團聚體的轉(zhuǎn)化。

PAD 和ELT可以較好地反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，值越小表明團聚體越穩(wěn)定［33-34］。本研究表明，深松處理的PAD 和ELT分別比RT 處理降低了5.77%和5.88%，這也充分說明深松能增加土壤團聚體的穩(wěn)定性。但具體到每一個深松處理，在0～20 和20～40 cm 土層內(nèi)所表現(xiàn)的差異顯著性不同，這可能有三方面原因：一是試驗周期內(nèi)RT處理每年都要旋耕，而深松作業(yè)只進行了3 次；二是RT 處理的影響范圍在0～20 cm，而深松處理的影響范圍在0～60 cm；三是雖然深松深度達到了60 cm，但取樣深度只達到40 cm，深松對土壤結(jié)構(gòu)的影響沒有得到充分展現(xiàn)，由此導(dǎo)致0～20 cm 土層內(nèi)ST35、ST40、ST50、ST60 4 個處理之間差異不顯著，20～40 cm 土層內(nèi)ST35 與ST40、ST50 與ST60、ST30 與RT 處理之間差異不顯著。

D 作為一個評價土壤結(jié)構(gòu)分布的新型綜合指標(biāo)，不僅描述了土壤顆粒的大小及分布，而且反映了土壤質(zhì)地的均一程度，其值越高，表明土壤質(zhì)地越黏重，通透性越差［35-36］。本研究表明，D 能較好地反映土壤團聚體的分布情況，并且能反映出不同深松深度對土壤團聚體的影響情況。隨著深松深度的增加，干篩法和濕篩法的D 值都有明顯降低的趨勢，這可能是由于不同深松深度下，不同土層內(nèi)作物根系下扎的數(shù)量、根粗、根表面積等都不同，根系分泌的膠結(jié)物質(zhì)數(shù)量也不同，進而導(dǎo)致土壤中大團聚體的增加量不同。

4 結(jié)論

通過對灌耕灰鈣土R0.25、MWD、GMD、PAD、ELT、D 等土壤團聚體分布和穩(wěn)定性參數(shù)分析表明，深松有利于提高土壤機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體結(jié)構(gòu)水平，增加土壤穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)狀況。隨著深松深度的增加，深松對0～40 cm 土層團聚體的改良效果越好，以深松60 cm的改良效果最顯著。若綜合考慮深松效益和機械動力配置，建議至少深松35 cm 以上。