2018, Vol. 26
2. 甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070;
3. 甘肃省节水农业工程技术研究中心 兰州 730070;
4. 加纳作物研究所 库马西 3785
2. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;
3. Gansu Engineering Research Center for Agricultural Water-saving, Lanzhou 730070, China;
4. CSIR-Crops Research Institute, Kumasi 3785, Ghana
作为土壤结构基本单元的土壤团聚体, 对土壤功能的维持发挥着极其重要的作用[1], 其稳定性与水土侵蚀过程中的土壤剥离、搬运、水分入渗和结皮产生均具有直接关系[2]。同时, 土壤团聚体稳定性的提升亦可减少土壤养分的流失与淋溶[3]。在人为因素干扰较多的农田生态系统中, 土壤团聚体在固碳、氮方面发挥着重要作用, 提升团聚体稳定性可以降低水土流失、土壤结皮、板结现象发生的概率[4-5], 也可通过对有机碳和全氮的保护, 进而降低农田土壤温室气体排放。翻耕不仅破坏了土壤结构稳定性[6], 还加速了土壤结构重要胶结物质有机碳的矿化, 促进了土壤团聚体的周转, 减缓了稳定团聚体的形成, 进而影响团聚体稳定性。
陇中黄土高原多年平均降水量不足400 mm, 且雨热不同步, 降雨多集中在7—9月, 该期降雨量占全年降雨量的60%以上[7-8]。该区农民传统观念认为将土壤翻耕、耙耱的越细越好, 当降雨后农田表层土壤会形成一层结皮, 这虽然有利于该区农田土壤纳秋水, 但是极大程度地破坏了土壤团聚体稳定性, 增加了水土侵蚀、养分流失和板结的风险, 并为下季作物的播种增加了一定难度。因此, 寻求合理耕作措施, 进而提升土壤结构稳定性, 降低该区水土侵蚀的可能性等问题亟待解决。目前, 对土壤团聚体稳定性的评价多是利用不同筛分方法和不同评价指标进行分析, 且多以干筛法和湿筛法为主[3-4, 6], 干筛法主要反映土壤团聚体在田间的原有结构, 湿筛法反映了团聚体遇水后几乎全部的分散机制, 利用干筛法和湿筛法均不能明晰团聚体的具体分散机制[9]。虽然众多学者[9-15]利用Le Bissonnais法、Emerson法等对团聚体破坏机制进行了研究, 但在黄土高原的相关研究较少, 尤其是有关农田的研究鲜见报道。为了探明陇中黄土高原旱作农田土壤团聚体遇水崩解机制, 本研究依托甘肃农业大学在定西市安定区李家堡镇自2001年布设的长期不同耕作措施定位试验, 采用Zhang等[14]的评价体系, 利用Le Bissonnais法和传统湿筛法对试区2015年土壤团聚体稳定性进行测定分析, 旨在察明不同耕作措施下土壤团聚体崩解机制, 及其抗崩解、机械扰动能力, 并为该区筛选适宜水土保持、可持续发展的耕作措施提供可靠的理论支持。
1 材料与方法 1.1 试区概况试验设于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西市李家堡镇麻子川村(35°28'N, 104°44'E)。试区干旱多灾, 属中温带半干旱区, 农田土壤为典型的黄绵土, 质地均匀、土质绵软。该区平均海拔2 000 m, 无霜期140 d, 年均日照时数2 476.6 h, 年均太阳辐射594.7 kJ·cm-2, 年均气温6.4 ℃, ≥0 ℃积温2 933.5 ℃, ≥10 ℃积温2 239.1 ℃, 干燥度2.53;多年平均降水390.9 mm, 年蒸发量1531 mm, 80%保证率的降水量为365 mm, 为典型的雨养农业区。
1.2 试验设计试验地采取春小麦(Triticum turgidum L.)、豌豆(Pisum sativum L.)轮作措施, 即小麦→豌豆。各序列分别设4个处理, 随机区组设计, 具体处理方式见表 1。各处理3次重复, 共12个小区, 小区面积20 m×4 m=80 m2。供试春小麦品种为‘定西40号’, 豌豆品种为‘绿农1号’。豌豆于2015年3月播种, 8月收获, 播种量100 kg×hm-2, 行距24 cm, 各处理均施N 20 kg×hm-2, P2O5 105 kg×hm-2(过磷酸钙+二铵)。所有试验肥料均作为基肥在播种时同时施入。覆盖处理所用秸秆为前茬作物秸秆, 收获后打碾切碎均匀撒布于小区内。试区土壤基本理化性质: pH 8.45, 有机碳8.32 g×kg-1, 全氮0.86 g×kg-1, 全磷0.82 g×kg-1, 全钾28.00 g×kg-1, 碱解氮51.10 mg×kg-1, 速效磷21.19 mg×kg-1, 速效钾100.90 mg×kg-1, 0~200 cm平均土壤容重1.17 g×cm-2。
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表1 不同耕作处理描述 Table 1 Description of tillage treatments in the experiment |
试验于2015年8月作物收获后采用5点法分别采集各小区0~5 cm、5~10 cm、10~30 cm各土层供试土样500 g左右, 装于硬质塑料保鲜盒带回实验室风干。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[16]。利用旋转振筛仪获取3~5 mm团聚体后, 利用Zhang等[14]的评价方法, 采用LB湿筛法[11-12]和传统湿筛法[14]测定土壤团聚体粒径分布特性, 具体测定步骤如下:
1) 为了减少团聚体中水分含量差异, 取3~5 mm干筛团聚体100 g于40 ℃烘箱内烘24 h后, 分别运用LB法和传统湿筛法进行筛分得到4种粒级团聚体: ≥2 mm, 较大团聚体(larger aggregate, LA); 0.25~2 mm, 小团聚体(small aggregate, SA); 0.053~0.25 mm, 微型团聚体(micro-aggregate, MA); ≤0.053 mm, 黏、粉粒(silt and clay, SC)。具体操作如下:
① 快速湿润法(fast wetting, FW):将10 g团聚体快速浸没在去离子水中10 min后用胶头滴管缓慢吸掉水分; ②慢速湿润法(slow wetting, SW):取10 g团聚体置于滤纸(张力为-0.3 kPa)上, 静置40 min左右, 使团聚体完全湿润; ③预湿后扰动法(wet stirring, WS):将10 g团聚体浸没于95%乙醇中, 浸泡10 min后用胶头滴管缓慢吸出酒精, 将土壤转入盛有50 mL去离子水的塑料三角瓶(500 mL)中, 加水至200 mL, 将盖子拧紧后上下振荡20次, 静置30 min后用胶头滴管缓慢吸出多余水分; ④传统湿筛法(routine wet sieving, RW):将10 g团聚体快速浸没在去离子水中10 min后, 转移至浸没于去离子水中的套筛(套筛自上而下分别为2 mm、0.25 mm、0.053 mm孔径筛)上, 上下振荡20次(幅度2 cm)后取出套筛, 分别将各粒级筛子上的团聚体洗入铝盒, 40 ℃下烘干48 h后称重得到各粒级的团聚体含量。
2) 将上述①、②、③步骤中已作湿润处理的土壤转移到浸没于95%乙醇中的0.053 mm孔径筛子上, 上下振荡20次(幅度2 cm); 然后在40 ℃烘箱中蒸干乙醇, 转入烧杯中, 40 ℃下烘干48 h, 称重后, 再过2 mm、0.25 mm、0.053 mm套筛, 称重得到各粒级的团聚体含量。
利用平均重量直径(mean weight diameter, MWD, mm)[17]表征团聚体稳定性:
| $ {\rm{MWD}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {(\overline {{R_i}} {w_i})} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{w_i}} }} $ | (1) |
式中:
利用Zhang等[14]的评价方法计算团聚体相对崩解指数(relative slaking index, RSI)和相对机械破坏指数(relative mechanical breakdown index, RMI):
| $ {\rm{RSI = }}\frac{{{\rm{MW}}{{\rm{D}}_{{\rm{SW}}}} - {\rm{MW}}{{\rm{D}}_{{\rm{FW}}}}}}{{{\rm{MW}}{{\rm{D}}_{{\rm{RW}}}}}} \times 100 $ | (2) |
| $ {\rm{RMI = }}\frac{{{\rm{MW}}{{\rm{D}}_{{\rm{SW}}}} - {\rm{MW}}{{\rm{D}}_{{\rm{WS}}}}}}{{{\rm{MW}}{{\rm{D}}_{{\rm{RW}}}}}} \times 100 $ | (3) |
式中: MWDSW代表慢速湿润法处理下的平均重量直径, MWDFW代表快速湿润法处理下的平均重量直径, MWDWS代表预湿润后扰动法处理下的平均重量直径, MWDRW代表预传统湿筛法处理下的平均重量直径。
文中数据、图表采用Microsoft Excel 2003处理, 利用SPSS 19.0软件进行统计分析, 显著性差异分析和双因素方差分析采用新复极差法, 利用Pearson法分析指标间相关性。
2 结果与分析 2.1 不同筛法下不同耕作措施的土壤团聚体组成 2.1.1 快速湿润法下不同耕作措施的土壤团聚体组成由图 1可知, 研究区不同耕作处理土壤均以≤0.053 mm黏、粉粒(SC)含量最高(变幅为28.72%~ 48.10%), 其次为0.053~0.25 mm粒级团聚体(MA)(24.19%~30.83%), ≥2 mm粒级团聚体(LA)含量最低(变幅为8.61%~17.15%)。各处理0.053~0.25 mm和≤0.053 mm两个粒级含量均随土层加深而增加, 而≥2 mm和0.25~2 mm两个粒级团聚体(大团聚体, macro-aggregate)含量均随土层加深而降低。在0~5 cm和5~10 cm土层, 各处理LA、SA、MA 3个粒级团聚体按其含量高低排序均为:免耕+秸秆覆盖(NTS)＞传统耕作+秸秆还田(TS)＞免耕(NT)＞传统耕作(T), 而各处理SC粒级团聚体按其含量高低排序则反之; 在10~30 cm土层, 各处理LA、SA、MA 3个粒级团聚体按其含量高低排序均为: TS＞NTS＞NT＞T, 而各处理黏、粉粒按其含量高低排序则反之。
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图 1 快速湿润法对不同耕作措施下不同深度土壤不同粒径土壤团聚体组成的影响 Figure 1 Effects of tillage methods on distribution of soil aggregates with different diameters in different soil depths by using fast wetting method |
由图 2可知, 不同耕作处理土壤MA和SC两个粒级含量均随土层加深而增加, 而大团聚体含量均随土层加深而降低。在0~5 cm土层, 各处理大团聚体含量以NTS处理最高, TS处理次之, T处理最低。NT和T两个无秸秆添加处理(no straw addition, NS)下不同粒级团聚体按其含量高低排序均为: SA＞MA＞LA＞SC, 而TS和NTS两个秸秆添加处理(straw addition, S)下不同粒级团聚体按其含量高低排序均为: SA＞LA＞MA＞SC。5~10 cm土层, 各处理大团聚体含量均以NTS处理最高, TS处理次之, T处理最低。T处理不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SA＞SC＞LA, NT处理不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SA＞LA＞SC, S处理下不同粒级团聚体按其含量高低排序均为: SA＞MA＞LA＞SC。在10~30 cm土层, 各处理大团聚体含量均以TS处理最高, NTS处理次之, T处理的最低。NS处理不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SC＞SA＞LA, TS处理不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SA＞LA＞SC, NTS处理下不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SC＞SA＞LA。
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图 2 慢速湿润法对不同耕作措施下不同深度不同粒径土壤团聚体组成的影响 Figure 2 Effects of tillage methods on distribution of soil aggregates with different diameters in different soil depths by using slow wetting method |
由图 3可知, 不同耕作处理土壤MA和SC两个粒级含量均随土层加深而增加, 而大团聚体含量均随土层加深而降低, 且NS处理下团聚体含量均随粒径减小而增加。在0~5 cm土层, 各处理大团聚体和微团聚体含量均以NTS处理最高, TS处理次之, T处理最低。传统耕作+秸秆还田措施下不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SA＞SC＞LA, NTS处理下不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SA＞LA＞SC。5~10 cm土层, 各处理大团聚体含量均以NTS处理最高, TS处理次之, T处理的最低。TS措施下不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SC＞SA＞LA, NTS处理下不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SA＞SC＞LA。10~30 cm土层, 各处理大团聚体含量以TS处理最高, NTS处理次之, T处理最低。TS措施下不同粒级团聚体按其含量高低排序为: MA＞SC＞SA＞LA, NTS处理下不同粒级团聚体按其含量高低排序为: SC＞MA＞SA＞LA。
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图 3 预湿后扰动法对不同耕作措施下不同深度不同粒径土壤团聚体组成的影响 Figure 3 Effects of tillage methods distribution of soil aggregates with different diameters in different soil depths by using wetting stirring method |
由图 4可知, 不同耕作处理土壤均以SC粒级含量最高(变幅为37.47%~54.68%), 其次为0.053~0.25 mm粒级团聚体(21.01%~28.60%), ≥2 mm粒级团聚体含量最低(变幅为6.22%~12.88%)。各处理0.053~0.25 mm和≤0.053 mm两个粒级含量均随土层加深而增加, 而大团聚体含量随土层加深而降低。在0~5 cm和5~10 cm土层, 各处理LA、SA、MA 3个粒级团聚体按其含量高低排序均为: NTS＞TS＞NT＞T, 而各处理黏、粉粒按其含量高低排序则反之; 在10~30 cm土层, 各处理LA、SA、MA 3个粒级团聚体按其含量高低排序均为: TS＞NTS＞NT＞T, 而各处理黏、粉粒按其含量高低排序则反之。
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图 4 传统湿筛法对不同耕作措施下不同深度不同粒径土壤团聚体组成的影响 Figure 4 Effects of tillage methods on distribution of soil aggregates with different diameters in different soil depths by using routine wet sieving method |
由表 2可知, 不同湿筛法处理后, 慢速湿润法下不同耕作处理土壤团聚体平均重量直径(MWD)最高, 其次为预湿后扰动法, 传统湿筛法最低, 但传统湿筛法和快速湿润法的MWD较为接近, 同时, 各处理MWD均随土层加深而降低。在0~5 cm和5~10 cm土层, 不同湿筛法下各耕作措施处理MWD按其大小排序均为: NTS＞TS＞NT＞T。在10~30 cm土层, 不同湿筛法下各耕作措施处理MWD按其大小排序均为: TS＞NTS＞NT＞T, 但TS和NTS处理间差异并未达显著水平。
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表2 不同湿筛方法对不同耕作措施下不同深度土壤团聚体平均重量直径的影响 Table 2 Effects of tillage methods on mean weight diameter (MWD) of soil aggregates in different soil depths by using different sieving methods |
相对崩解指数(RSI)和相对机械破坏指数(RMI)越低, 则团聚体遇水崩解和受外力破坏的敏感性越低, 稳定性越高。由表 3可知, 不同耕作处理土壤RSI和RMI均随土层增加而增加。在0~5 cm土层, 传统耕作系统(T和TS处理)下的RSI和RMI均值分别高于免耕系统(NT和NTS处理)的11.16%和6.48%;无秸秆还田系统(T和NT处理)下的RSI和RMI均值分别高于秸秆还田系统(TS和NTS处理)15.15%和57.12%。在5~10 cm土层, 传统耕作系统下的RSI和RMI均值分别高于免耕系统的5.37%和5.38%; NS系统下的RSI和RMI均值分别高于S系统的13.14%和46.24%。在10~30 cm土层, 传统耕作系统下的RSI和RMI均值分别高于免耕系统的0.95%和9.22%;无秸秆还田系统下的RSI和RMI均值分别高于秸秆还田系统的6.24%和35.45%。免耕仅在0~5 cm土层对RSI的降低有显著效应(P≤0.1%), 而秸秆还田对3个土层的RSI和RMI均具有显著降低效应。
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表3 不同耕作措施下不同深度土壤团聚体相对崩解指数和相对机械破坏指数 Table 3 Effects of tillage methods on relative slaking index (RSI) and relative mechanical breakdown index (RMI) of soil aggregates in different soil depths |
由图 5可知, 不同耕作处理土壤有机碳(SOC)含量均随土层加深而降低。在0~5 cm土层, NTS处理下SOC含量分别显著高于T、NT、TS处理22.96%、13.69%和8.19%。在5~10 cm土层, NTS处理的SOC含量分别显著高于T和NT处理24.93%和18.73%, TS处理的SOC含量分别显著高于T和NT处理23.15%和17.04%。在10~30 cm土层, NTS处理的SOC含量分别显著高于T和NT处理13.86%和15.01%, TS处理的SOC含量分别显著高于T和NT处理9.36%和10.46%。
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图 5 不同耕作措施下不同深度土壤有机碳(SOC)含量 Figure 5 Effects of tillage methods on soil organic carbon (SOC) concentrations in different soil depths 图中不同小写字母表示不同处理间在0.05水平差异显著。 Different lowercase letters mean significant differences among treatments at 0.05 level. |
由表 4可知, 土壤有机碳和4种筛法处理下的MWD均呈极显著正相关关系, 与RSI和RMI均呈极显著负相关关系。4种筛法处理下的MWD与RSI和RMI均呈极显著负相关关系。RSI和RMI呈极显著正相关关系。
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表4 土壤有机碳与不同湿筛法处理后团聚体稳定性间的关系 Table 4 Correlation between soil organic carbon (SOC) concentration and soil aggregates stability by using different sieving methods |
快速湿润法主要用于模拟暴雨、连阴雨条件下, 当水分快速入渗时, 团聚体中空气被迅速密封, 团聚体中原本为空气所占据的部分孔隙被水替代, 而空气不能迅速排出, 致使剩余孔隙中空气的密度发生明显变化, 形成压力差, 最终引起团聚体的破裂和崩解, 即"气爆"[11, 18]。慢速入渗法主要用于模拟小雨条件下, 当水分慢速入渗时土壤团聚体中的膨胀性矿物快速膨胀, 使得土壤团聚体粒径明显增大, 并且在入渗锋面处形成一个剪切面, 破坏了团聚体内部原有胶结情况, 致使团聚体快速崩解, 即"水爆"[10, 12]。预湿后扰动法处理主要反映了团聚体在受雨滴打击等机械扰动下的崩解作用[18-19]。本研究发现, 不同LB湿润法处理后, 快速湿润法和预湿后扰动法处理下研究区各耕作处理水稳性团聚体均以非水稳性团聚体(微团聚体和黏、粉粒)含量居高, 其中快速湿润法的非水稳性团聚体含量最高, 预湿后扰动法下的次之, 且快速湿润法下的平均重量直径最低, 慢速湿润法最高。这表明由水分快速入渗时发生的"气爆"对土壤团聚体的破坏作用最大, 当发生"气爆"时, 大团聚体会崩解为粒级更小的团聚体或黏、粉粒。由于快速湿润法下的非水稳性团聚体含量高于慢速湿润法下的含量, 表明由团聚体内部产生的"气爆"作用力大于雨滴打击力。赵玉明等[20]研究发现, 快速湿润处理下水稳性团聚体含量最低。曾全超等[10]在黄土高原森林植被带研究发现快速湿润处理对土壤团聚体结构的破坏程度最大, 土壤团聚体主要以 < 0.2 mm非水稳性团聚体为主, 慢速湿润法处理对土壤团聚体的破坏最小, 预湿后扰动法处理居中。以上研究发现均与本研究结果一致。但是刘雷等[19]在黄土高原丘陵区森林、森林草原带研究发现, 预湿后扰动处理对土壤团聚体结构的破坏程度最大, 这与本研究结果不同; Yang等[13]研究发现, 土壤有机碳与土壤团聚体的抗分散性和抗崩解性关系密切, 因此, 这可能是由于森林、森林草原带土壤有机质含量较高, 其土壤团聚体具有较高的疏水性和发达的孔隙度而降低了水分对团聚体的崩解和消散作用。本研究结果显示, MWDSW＞MWDWS＞MWDFW＞MWDRW, 这与Yang等[13]、Zhang等[14]的研究结果不同, 可能是由于土壤理化性质、研究区域等因素的差异而引起, 但也说明本研究区农田水稳性团聚体的分散作用综合了"气爆"、"水爆"以及机械扰动, "气爆"作用对团聚体崩解的贡献最大, 其次为机械扰动作用, "水爆"作用的贡献最低。
免耕、秸秆还田均可不同程度提升土壤团聚体稳定性[21-23]。本研究发现, 不同湿筛法处理后, 较之传统耕作措施, 免耕、传统耕作+秸秆还田、免耕+秸秆覆盖均可不同程度提升土壤团聚体稳定性。这主要是由于: 1)免耕减少了因翻耕而引起的团聚体破坏, 且可以提升土壤自身的恢复能力[3]; 2)农田中秸秆覆盖可以有效缓冲因雨滴打击对土壤结构的破坏, 同时, 也可降低因频繁干湿交替和冻融交替对团聚体的破坏[21]; 3)土壤有机碳是土壤团聚体重要的胶结物质[24-25], 免耕和秸秆还田均可提升土壤有机碳; 4)免耕、秸秆还田处理均可提升土壤水分入渗速率[7], 提升土壤蓄水容量[23], 降低了土壤团聚体因水分入渗而引起的"水爆"和"气爆"现象发生的概率。
Yang等[13]和Zhang等[14]的研究结果显示, 相对崩解指数高于相对机械破坏指数, 这与本研究结果一致。表明该区水稳性团聚体崩解主要是由于水分入渗而引起, 加之快速湿润法下团聚体稳定性最差, 所以, 该区农田水稳性团聚体崩解主要是由于水分快速入渗时空气不能迅速排出, 形成压力差而引起团聚体的破裂和崩解。不同处理下, 免耕+秸秆覆盖的RSI和RMI均最低, 传统耕作的最高, 且秸秆还田系统低于无秸秆还田系统。这主要是由于添加有机物料可以降低土壤团聚体单位体积重量, 提升团聚体孔隙度[13], 当毛管湿化时, 团聚体中的闭蓄态空气可以从更多的孔隙中缓慢释放, 以使团聚体破坏最小化; 加之, 发达的孔隙可以提升团聚体含水量。Cernuda等[26]指出含水量低时, 团聚体更易受雨滴的破坏。同时, 有机质的增加也可以提升团聚体的疏水性[13], 其耐湿化能力更强[12]。也有研究[13, 27-28]指出, 提升土壤有机质可以提高团聚体坚硬度。因此, 为了更加全面、精准、客观地分析该区农田水稳性团聚体, 还应对其自身物理特征进行分析、评价。
4 结论陇中黄土高原旱作农田水稳性团聚体主要是由于水分快速入渗引起的崩解, 快速湿润法对团聚体分散作用最大, 即"气爆"的破坏作用最大, 雨滴打击力次之, 但传统湿筛法下团聚体稳定性低于其他3种筛分方法, 因此, 为综合评价该区水稳性团聚体崩解机制, 应使用LB法进行全面、客观的分析。同时, 较之传统耕作, NTS和TS均可显著提升各土层团聚体稳定性和有机质含量; 免耕系统(NT和NTS处理)下的团聚体稳定性和有机质含量高于传统耕作系统(T和TS处理)下的含量, 秸秆还田系统(TS和NTS)下的高于无秸秆还田系统(T和NT)下的。因此, 免耕+秸秆还田处理更有利于陇中黄土高原旱作农田的土壤团聚体稳定性和有机质的提升, 进而提升土壤抗侵蚀性, 可被筛选为该区环境友好型耕作模式。
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