耕作深度对红壤坡耕地土壤水稳性团聚体特征的影响

何绍浪, 黄尚书, 钟义军,2, 黄欠如,成艳红, 张 昆, 武 琳, 李小飞, 叶 川

(1.江西省红壤研究所, 南昌 330046; 2.华中农业大学 资源与环境学院, 武汉 430070; 3.江西省蚕桑茶叶研究所, 南昌 330202)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其数量和质量在保证和协调土壤中水肥气热、供应及转化土壤营养元素、维持和稳定土壤疏松熟化层等方面都发挥重要作用[1-2]。而稳定的土壤团聚结构对种子发芽、根系发育、作物生长以及有机碳保护有着重要的影响[3-4]。近年来，众多学者在耕作方式[3,5]、施肥[6]、秸秆还田[7]、生物炭还田[8]、土地利用方式[9-10]、种植年限[11-12]等对土壤团聚体的影响方面也开展了大量的研究，同时也取得了丰硕的成果。因此，探讨水稳性团聚体分布特征对土壤肥力、耕地质量提升和耕地的可持续高效利用等方面具有重要理论指导意义。

红壤坡耕地占南方红壤区旱地面积的70%左右，是我国经济作物及粮食作物的重要基地。丰富的水热资源使得南方红壤区农业生产和经济发展存在巨大的潜力，在我国农业可持续发展中发挥着重要作用[13-14]。目前，红壤坡耕地由于立地条件原因，农民习惯于采用旋耕与浅翻耕相结合的作业方式，但由于耕作机具动力不足，难以保证耕作深度，使红壤坡耕地作物生长有效耕层浅薄化问题突出，耕层土壤的蓄水保墒能力严重不足，加重了红壤坡耕地的水土流失以及耕地质量下降等生产障碍，导致作物产量低而不稳[15]。近年来，随主要农作物生产全程机械化推进行动深入开展，主要粮食产地耕地效率及耕作深度得到极大保证，但关于红壤坡耕地合理耕作深度的研究较少。为此，江西省红壤研究所于2015年设置了红壤坡耕地耕作深度定位试验。本研究则是通过分析耕作深度对第四纪红壤土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响，旨在从土壤物理角度为红壤坡耕地合理耕层构建提供科学理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究试验地点位于距离江西省红壤研究所10 km的温圳茶厂(116°08′4.8″E，28°19′29.7″N)附近，该区属于典型的低山丘陵区，坡度5°，海拔25～30 m。气候类型为中亚热带季风气候，年均降雨量1 537 mm，年蒸发量1 100～1 200 mm，年均气温17.7～18.5℃，最冷月(1月)平均气温为4.6℃，最热月(7月)平均气温28.0～29.8℃。土壤类型为第四纪红黏土母质发育的红壤。

1.2 试验设计

试验于2015年开始，选取基础肥力、地形条件一致的红壤坡耕地作为试验地，设置免耕(NT)、机械翻耕10 cm(P10)、机械翻耕20 cm(P20)、机械翻耕30 cm(P30)共4种处理，每种处理重复4次，共计16个试验小区，小区面积为88 m2(22 m×4 m)，试验地四周为保护行。试验小区种植方式为花生(粤油933)/红薯(苏薯8号)周年轮作，一年种植一季。花生和红薯种植的施肥量相一致，各处理化肥施用量均为当地常规施肥水平(总氮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进行，而红薯追肥在茎叶生长期进行，且各处理增施石灰2 250 kg/hm2。2017年为连续耕作的第3年，种植作物为花生，种植密度为33 cm×15 cm。播种时间为2017年4月10日，收获时间为2017年8月15日。

1.3 样品采集与测定

在花生收获前(2017年8月7日)，取各小区0—15 cm和15—30 cm原状土，沿土壤自然断裂面将土样掰开，过8 mm筛，并除去植物残体、可见根系及石块后，采用湿筛法对土壤水稳性团聚体进行测定[2]。大致步骤为：取4份约150 g鲜土样放置于孔径自上而下为2，0.25，0.053 mm套筛的顶层筛上，将套筛置于水桶中加水浸润过夜，然后通过TTF-10型土壤团聚体分析仪的上下振动使样品震荡过筛(振幅3 cm，频率50 次/min)，然后收集各级网筛上以及桶中的团聚体于铝盒中，共可筛分出>2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm，<0.053 mm共4 种粒级水稳性团聚体，在105℃下烘干，分别称重。将>0.25 mm的团聚体称为大团聚体，<0.25 mm的团聚体称为微团聚体[1]。

本研究采用各粒级水稳性团聚体含量、粒径>0.25 mm水稳性团聚体的百分含量(R0.25)、平均质量直径(MWD)、平均几何直径(GWD)和分形维数(D)等指标描述团聚体特征。其中R0.25，MWD和GWD的计算公式如下[16]：

(1)

(2)

(3)

式中：Mi>0.25为大于0.25 mm团聚体的重量；MT为团聚体的总重量；wi为各粒级颗粒的重量百分比；xi为各粒级的平均直径。

分形维数(D)采用Katz等[17]的公式表示，具体见公式(4)，由该公式可以推导出土壤颗粒的重量分布与平均粒径间的分形关系式[18]，见公式(5)：

(4)

(5)

1.4 数据分析

本研究中所有数据采用Excel 2003和DPS 7.05软件进行计算和统计分析，用Origin 9.0软件作图。不同处理间各指标的差异性检验采用单因素统计分析中多重比较法(LSD)。

2 结果与分析

2.1 不同耕作深度对土壤水稳性团聚体数量的影响

从图1可以看出，与NT为对照，0—15 cm土层中P10，P20和P30处理下2～8 mm粒径的团聚体含量均显著减少(p<0.05)，P10和P30处理下0.25～2 mm粒径的团聚体含量均显著减少(p<0.05)，P10，P20和P30处理下0.053～0.25 mm粒径的团聚体含量均显著增加(p<0.05)，P30处理下<0.053 mm粒径的团聚体含量显著增加(p<0.05)；而15—30 cm土层中，P10，P20和P30处理下2～8 mm粒径的团聚体含量均显著减少(p<0.05)，P20处理下0.25～2 mm粒径的团聚体含量显著增加(p<0.05)，P10，P20和P30处理下0.053～0.25 mm粒径的团聚体含量均无显著差异，P10和P30处理下<0.053 mm粒径的团聚体含量显著增加(p<0.05)。

整体上，4种处理下土壤团聚体含量均以0.25～2 mm粒径最高，其次是0.053～0.25 mm粒径。P10和P30处理减小了大团聚体(>0.25 mm)含量而增加了微团聚体(<0.25 mm)含量，而P20处理减小了2～8 mm粒径的团聚体含量，但对微团聚体的影响相对较小。

2.2 不同耕作深度对土壤水稳性团聚体稳定性的影响

土壤水稳性团聚体的R0.25，MWD，GMD和D等是反映土壤结构和土壤团聚体稳定性的重要指标。土壤团聚体的R0.25，MWD，GMD值越大或D值越小，土壤团聚体越稳定，土壤抗侵蚀能力越强[6,11,19]。由表1可以看出，0—15 mm土层中NT处理下土壤团聚体的R0.25，MWD，GWD值均显著高于其他3种处理(P10，P20，P30)(p<0.05)，且土壤团聚体的D值显著高于P20而低于P30处理(p<0.05)；P20处理下土壤团聚体的R0.25值显著高于P10和P30(p<0.05)，土壤团聚体的MWD，GWD值显著高于P30处理(p<0.05)而与P10无显著差异，且土壤团聚体的D值在4种处理中最低。15—30 mm土层中NT和P20处理下土壤团聚体的R0.25和GWD值均显著高于P30和P10处理(p<0.05)，各处理下土壤团聚体的MWD值依次为NT>P20>P30>P10，而土壤团聚体的D值依次为P20>NT>P30>P10。因此，在整体上NT和P20处理的土壤团聚体稳定性比P10和P30处理更好。

2.3 土壤水稳性团聚体组成、稳定性指标及花生产量的相关分析

表2为4种处理下各粒级土壤团聚体含量与土壤团聚体的R0.25，MWD，GMD，D值及花生产量(见黄尚书等[20])之间的相关性。由表2可知，土壤团聚体的R0.25，MWD和GMD值之间均呈极显著正相关(p<0.01)，且三者均与2～8 mm，0.25～2 mm粒径的土壤团聚体含量呈极显著正相关(p<0.01)，而与0.053～0.25 mm、<0.053 mm粒径的土壤团聚体含量和土壤团聚体的D值呈极显著负相关(p<0.01)。同时，土壤团聚体的D值与0.25～2 mm粒径的土壤团聚体含量呈极显著负相关(p<0.01)，而与<0.053 mm粒径的土壤团聚体含量呈显著正相关(p<0.01)。此外，花生产量与2～8 mm粒径的土壤团聚体含量呈极显著负相关(p<0.01)。

注：不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著(p<0.05)。
图1 不同耕作深度下0-15 cm和15-30 cm土壤水稳性团聚体含量分布

表1 不同耕作深度0-15 cm和15-30 cm土壤水稳性团聚体评价参数

注：不同字母表示处理之间差异显著(p<0.05)。

表2 各粒级水稳性团聚体含量与R0.25，MWD，GMD，D值及花生产量的相关性(n=24)

注：*，**分别表示p<0.05，p<0.01水平显著性差异(下同)。

由于免耕条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长发育，从而导致产量明显减小[21]。这一定程度上会影响各粒级土壤团聚体含量和土壤团聚体的R0.25，MWD，GMD，D值与花生产量的相关分析。表3为耕作扰动下(P10，P20，P30)土壤水稳性团聚体组成、稳定性指标及花生产量的相关性。从表3可知，花生产量与0.25～2 mm粒径的土壤团聚体含量呈极显著正相关(p<0.01)，与土壤团聚体的R0.25和GMD值呈显著正相关(p<0.05)。

表3 耕作扰动下各粒级水稳性团聚体含量和R0.25，MWD，GMD，D值与花生产量的相关性(n=18)

3 讨 论

本试验研究经三年后，由于不同处理对土壤的耕作深度、扰动程度等方面的差异，造成各处理之间的土壤水稳定团聚体特征存在一定差异。尤其对2～8 mm粒径的团聚体含量影响较为明显，与NT相比均显著下降(p<0.05)。这与Sodhi等[22]研究发现耕作后土壤大团聚体更容易破裂，耕作优先降低了2～8 mm团聚体含量的结果相一致。本研究中P10和P30处理下2～8 mm粒径的团聚体含量减小的同时微团聚体(<0.25 mm)含量在整体上呈上升趋势。这可能是水稳性大团聚体是由微团聚体和各种黏合剂胶结而成，当土壤在耕翻作用下水稳性大团聚体遭受破裂，释放出原先被大团聚体包裹的新及老的微团聚体后，微团聚体数量就会相应增加[23]。此外，P10处理下15—30 cm土层可能会受到耕犁的压实以及0—15 cm土壤黏粒向下淋溶而沉积，甚至是土壤犁底层上移，使得15—30 cm土层微团聚体增加。P30处理则对20—30 cm的土壤扰动强烈，20—30 cm的土壤位于犁底层之下，由于长期受耕犁、机械挤压，黏粒下移，较紧实，粘重，使得微团聚体含量增加。而P20处理下微团聚体含量在整体上变化较小，可能是P20处理有利于新的大团聚体的形成，从而使得微团聚体变化较小。这具体的原因有待于深入研究。

本研究中NT和P20处理的土壤水稳定团聚体稳定性比P10和P30处理更好，其中，NT处理下土壤团聚体稳定性好，这与田慎重等[3]、梁爱珍等[23]研究结果相似。究其原因，可能是免耕处理不翻动土壤，土壤大团聚体周转较慢，有利于大团聚体中更多微团聚体的产生，更有利于增加土壤团聚体稳定性[3]。而P20处理下土壤团聚体稳定性好，一方面是P20处理下花生根系生长及活力较好[20]，而根系可以作为暂时的土壤团聚体粘结介质，有利于大团聚体的恢复[24]。另一方面可能是由于P20耕作下土壤中有机质整体上得到提高，而有机质是土壤团聚体胶结物质，有利于提高水稳性团聚体的稳定性[23]。

表2也体现了土壤团聚体的各特征值与土壤各粒径团聚体含量间存在极显著相关关系，这与黄欠如等[6]、安婉丽等[17]的研究结果相一致。这也表明土壤团聚体的R0.25，MWD，GMD和D值均是各粒径土壤团聚体含量的综合反映，某一粒径团聚体的变化对土壤团聚体的特征都可能产生重要影响。耕作扰动下(P10，P20，P30)花生产量与0.25～2 mm粒径的土壤团聚体含量表现出极显著的线性关系，表明红壤坡耕地0.25～2 mm粒径的土壤水稳性团聚体含量能为土壤肥力的表征提供物理性诊断指标；而花生产量与土壤团聚体的R0.25和GMD值表现出显著的线性关系，这一定程度上说明土壤团聚体的R0.25和GMD值均可以反映土壤肥力的水平。

综合考虑土壤水稳性团聚体稳定性和作物产量，红壤坡耕地耕作深度为20 cm比较合适。当然，红壤坡耕地合理耕层的构建还应结合坡耕地区位、剖面形状、理化形状土壤管理等多因素作进一步研究。

4 结 论

(1) 红壤坡耕地经过3 a的花生/红薯周年轮作后，NT，P10，P20和P30共4种试验处理下土壤团聚体含量均以0.25～2 mm粒径最高，其次是0.053～0.25 mm粒径。P10，P20，P30处理均减小2～8 mm粒径的土壤团聚体含量，P10和P30处理会增加微团聚体(<0.25 mm)含量，而P20处理对微团聚体的影响较小。

(2) 土壤团聚体的R0.25，MWD，GMD和D值均是各粒径土壤团聚体含量的综合反映，某一粒径团聚体的变化对土壤团聚体的特征都可能产生重要影响。NT和P20处理下土壤团聚体稳定性比P10和P30处理更好。

(3) 相关分析表明，红壤坡耕地0.25～2 mm粒径的土壤团聚体含量以及土壤团聚体的R0.25和GMD值的提高有助于作物产量形成。该结果可为红壤坡耕地土壤结构改良、合理耕层构建提供重要科学理论支撑。