深松深度对灌耕灰钙土团聚体分布及稳定性的影响

李晓丽，王成宝，杨思存*，蔡立群，霍 琳，温美娟，姜万礼

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070）

引黄灌区是甘肃省重要的综合农业商品生产基地之一，由于有黄河及其众多支流水源，农田实灌面积达3.845×105hm2，极大地改善了这一区域的农业生产条件［1］。但随着农业机械化水平的提高和小型耕作机具的普及，长期单一的旋耕和浅耕作业导致耕层逐渐变浅及上层土壤结构变差，小型农机具反复碾压及大水漫灌加剧了下层土壤沉积压实，犁底层不断加厚，导致耕层深度平均只有16.5 cm、土壤容重普遍在1.4 g/cm3左右、紧实度超过1000 kPa。这种“浅、实、少”的耕层结构严重阻碍了作物根系的深层分布和水肥吸收功能，致使作物水肥资源利用率降低、抗逆减灾能力和产出能力变弱，制约了该地区作物高产稳产和耕地可持续利用［2］。因此，研究该区灌耕灰钙土的改良措施，并确定合理的耕作指标对农业可持续发展具有重要的理论和实践意义。

深松作为保护性耕作的核心技术之一［3］，在我国的应用面积已超过1000 万hm2［4］。研究表明，深松能打破犁底层，创造虚实并存的耕层结构，通过增加耕层深度、降低土壤容重、改善土壤通透性、增加水稳性团聚体含量、提升土壤蓄水保墒能力等来实现作物增产［5-7］，但关于不同深松深度的研究，国内的相关报道较少。团聚体是重要的土壤物理因子，它反映了土壤的结构状况、养分存储与供应、持水性、通透性等能力的高低［8-9］，并通过对土壤水、通气性、温度等的影响而直接影响作物生产力［10］。霍琳等［11］在该区的研究表明，与传统旋耕相比，深松35 cm 在较短时间内（4 年）使灌耕灰钙土0～40 cm 土层内＞0.25 mm 机械稳定性团聚体含量增加了4.39%、水稳性团聚体含量增加了43.97%，可见深松对该区土壤改良产生了重要影响。本研究基于多年定点试验，通过设置不同的深松深度，研究不同深松深度对甘肃引黄灌区灌耕灰钙土团聚体数量、大小、稳定性等的影响，旨在为该区水浇地土壤管理和合理耕层构建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃省白银市靖远县北滩乡景滩村（37°05′N，104°40′E），海拔1645 m，是黄河水经提升480 m 形成的新灌区，处在旱地农业向荒地牧地过渡线的北面，属于黄土高原丘陵沟壑干旱区，年平均降水量259 mm，年均蒸发量2369 mm；年平均气温6.6℃，大于0 和10℃的积温分别是3208 和2622℃，无霜期160～170 d；年日照时数2919 h，辐射量616.2 kJ/cm2。试验地土壤类型为灰钙土，质地为中壤，成土母质为洪积黄土，试验前8 年连续采用翻耕方式，种植作物均为玉米，播前耕层土壤（0～20 cm）有机质含量12.58 g/kg，全氮1.22 g/kg，全磷1.09 g/kg，全钾1.35 g/kg，碱解氮45.4 mg/kg，有效磷11.5 mg/kg，速效钾193 mg/kg，pH 值为8.25，容重1.43 g/cm3。

1.2 试验设计

试验于2013 年10 月开始，在连续翻耕8 年的玉米地上以旋耕（RT）为对照，设置5 个深松深度处理，分别为深松30 cm（ST30）、深松35 cm（ST35）、深松40 cm（ST40）、深松50 cm（ST50）、深松60 cm（ST60）。旋耕采用东方红1GQN-125型旋耕机，配置21 kW 小四轮拖拉机，每年秋季玉米收获后旋耕1 次，平均耕作深度12 cm。深松采用沃野ISQ-340 型全方位深松机，配置66 kW四轮拖拉机，每2 年在秋季玉米收获后深松1 次。每个处理重复3 次，小区面积330 m2（33 m×10 m），种植作物每年都是玉米（先玉335），密度7.5 万株/hm2。试验地采用当地生产栽培条件下已经成熟的灌溉施肥制度，施肥量为氮肥（N）375.0 kg/hm2、磷肥（P2O5）150.0 kg/hm2，40%的氮肥和全部磷肥作为基肥，于播种前结合整地施入耕层，剩余60%氮肥于玉米拔节期结合灌水追施；玉米全生育期灌水4 次，灌溉定额5400 m3/hm2，灌水分配比例为出苗-拔节16%、拔节-抽雄28%、抽雄-乳熟31%、乳熟-成熟25%。不同耕作处理实施后的耙耱、镇压、开沟覆膜等措施及田间管理同当地大田。

1.3 取样与测定方法

1.3.1 采样方法

2018 年10 月玉米收获后，在每个小区按S型5 点取样法在0～10、10～20、20～30 和30～40 cm 4 个土层采集原状土样约2 kg，自然风干后除去粗根及小石块，将大土块按自然裂痕剥离为1 cm3左右。将风干土样过孔径为5、2 mm 筛，分为＞5、5～2、＜2 mm 3 个级别，然后按3 个级别土样在原状土中所占比例取混合土样200 g。

1.3.2 测定方法

机械稳定性团聚体：采用干筛法［12］。称取风干土样200 g，放入最大孔径5 mm的土筛上面，套筛自上而下孔径分别为5、2、1、0.5 和0.25 mm，底层安放底盒，以收取＜0.25 mm的土壤团聚体，套筛顶部有筛盖。装好土样后，用振荡式机械筛分仪在最大功率下振荡2 min，从上部依次取筛，将各级筛网上的土样分别收集称重，即得到＞5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 和＜0.25 mm的机械稳定性团聚体质量。

水稳性团聚体：采用湿筛法［12］。先用烘干法测定土壤含水量，再称取风干土样40 g，平铺于套筛上（从上到下的顺序为5、2、1、0.5、0.25 mm）。调整桶内水面的高度，使筛子移动到最高位置时最上一层筛子中的团聚体刚好淹没在水面以下。先在水面下浸泡10 min，然后以每分钟30 次的速度上下振荡5 min，将每个筛子上的水稳性团聚体分别冲洗入已称重的三角瓶中，105℃烘干、称重；之后再往每个瓶中加入10 mol/L 六偏磷酸钠10 mL，用玻璃棒搅拌分散，置于相应孔径的筛子上振荡45 min，收集各级筛子上的残留物，105℃烘干，再次称重，通过换算即得到＞5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 和＜0.25 mm的水稳性团聚体质量。

1.4 计算方法

利用各粒级团聚体数据，计算各粒级团聚体的含量、＞0.25 mm 团聚体含量、平均重量直径、几何平均直径、土壤团聚体破坏率和不稳定团粒指数，计算公式如下［13-14］：

式中：WSAi为各粒级机械稳定性或水稳性团聚体的含量（%），Wi为各粒级机械稳定性或水稳性团聚体质量（g），WT为供试土壤样品总重量（g）；R0.25为直径＞0.25 mm 团聚体的含量（%），Mr＞0.25为粒径＞0.25 mm 团聚体的重量（g），MT为团聚体的总重量（g）；PAD 为团聚体破坏率（%），DR0.25为＞0.25 mm 机械稳定性团聚体含量（%），WR0.25为＞0.25 mm 水稳性团聚体含量（%）；ELT为不稳定团粒指数（%），W0.25为水稳性团聚体重量（g）；MWD为团聚体平均重量直径（mm），上限设为7.15 mm，下限设为0.1375 mm［15］，GWD 为团聚体几何平均直径（mm），Xi为某一级别范围内团聚体的平均直径（mm），Wi为对应于Xi的团聚体百分含量（%）。

分形维数（D）的计算采用杨培岭等［16］推导的公式，在忽略各粒级间土粒比重差异的前提下，土壤颗粒的重量分布与平均粒径间的分形关系可用下式表示：

1.5 数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 20.0 软件进行试验数据处理和统计分析。采用单因素（one-way ANOVA）分析不同耕作处理之间的差异显著性，并采用Duncan 新复极差法（SSR）进行多重比较，显著水平取0.05。利用Excel 2016 软件作图，图表中数据为平均值。

2 结果与分析

2.1 深松深度对土壤团聚体数量的影响

2018 年玉米收获后各处理干筛法得到的＞0.25 mm 团聚体含 量（DR0.25）为75.27%～92.00%（表1）。分析各土层可以看出，0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土层DR0.25含量，RT 处理分别为75.27%、80.44%、84.60%和87.81%，深松处理平均分别为82.47%、85.91%、89.51%和90.45%，不同土层深松处理比RT 增加了3.01%～9.57%，随着土层深度的增加，各耕作处理DR0.25含量都在增加，但增幅在降低。从不同深松深度处理来看，ST60 处理在各个土层都是最高，但只有在0～10、10～20 cm 土层才显著高于ST50 和ST40处理（P＜0.05），ST40 与ST50 处理在各层都达不到差异显著水平，ST40 处理在0～10、10～20、20～30 cm 土层都显著高于ST35 处理（P＜0.05），ST35 处理在各层都显著高于ST30 处理（P＜0.05）。总体来看，深松处理0～40 cm 土层内＞5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm 干团聚体含量平均为22.11%、16.66%、14.78%、17.86%和15.67%，分别比RT处理增加了13.15%、2.66%、7.26%、5.29%和1.04%，可见深松对增加大团聚体有促进作用。从不同耕作处理来看，0～40 cm 土层DR0.25平均含量随深松深度的增加而增加，大小顺序为ST60＞ST50＞ST40＞ST35＞ST30＞RT，深松处理的增幅为0.70%～10.11%，平均为6.16%，不同粒径团聚体含量也有大致相同的趋势。

表1 不同深松深度的土壤机械稳定性团聚体组成

从表2 可以看出，湿筛处理下＞0.25 mm 团聚体含量（WR0.25）为7.64%～29.47%，远小于机械稳定性团聚体含量，说明灌耕灰钙土的团聚体主要是机械稳定性团聚体。分析各土层可以看出，各处理0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土 层WR0.25含量均有随土层加深而递减的趋势，深松处理平均为26.49%、17.59%、11.68%和10.32%，分别比RT 处理增加了48.55%、54.27%、33.11%和35.11%。从不同深松深度处理来看，与机械稳定性团聚体表现的趋势一致，都是ST60 处理在各土层最高、ST30 处理最低，ST60 处理只有在0～10 cm 土层显著高于ST50 处理（P＜0.05），ST50 处理在20～30、30～40 cm 土层显著高于ST40 处理（P＜0.05），ST40 与ST35 处理在各层都达不到差异显著水平，ST35 处理在各层都显著高于ST30 处理（P＜0.05）。总体来看，深松处理0～40 cm 土层内＞5、5～2、2～1、1～0.5 和0.5～0.25 mm水稳性团聚体含量平均为0.07%、0.23%、0.85%、4.97%和6.72%，分别比RT 处理增加了28.61%、17.17%、14.83%、7.17%和15.45%，这进一步证实深松能促进土壤大团聚体的形成。从4 个土层WR0.25的平均含量来看，大小顺序与DR0.25相同，为ST60＞ST50＞ST40＞ST35＞ST30＞RT，深松处理的增幅在21.08%～60.74%，平均为44.78%，显著高于机械稳定性团聚体的增幅，可见深松主要是增加了土壤水稳性团聚体的含量。进一步比较不同粒径水稳性团聚体含量，与WR0.25有大致相同的趋势。

表2 不同深松深度的土壤水稳性团聚体组成

2.2 深松深度对土壤团聚体大小的影响

由表3 可知，各处理用干筛法得到的团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）远远高于用湿筛法得到的，说明供试土壤团聚体中水稳性团聚体的比例较少。在干筛法下0～40 cm 土层各处 理MWD 和GMD的大小顺序均为ST60＞ST50＞ST40＞ST35＞ST30＞RT，这与DR0.25平均含量大小顺序一致。其中，深松的MWD 值比RT 处理增加了3.37%～12.10%，平均为8.53%，ST60 与ST50、ST35 与ST30、ST30 与RT 处理之间均有显著差异（P＜0.05），ST50 与ST40、ST40 与ST35 处理之间差异不显著。深松的GMD 值比RT 处理增加了2.79%～21.04%，平均为13.38%，ST60 显著高于其它处理（P＜0.05），ST50 与ST40、ST40 与ST35、ST30 与RT 处理之间均无显著差异。分析各土层可以看出，各处理MWD 和GMD 都有随土层加深而递增的趋势，ST60 处理都是最高，但不同土层间略有差异。在0～10 cm 土层，除ST50 与ST40 处理的MWD 值差异不显著外，其他处理MWD 和GMD也都存在显著差异（P＜0.05）。在10～20 cm 土层，ST50、ST40、ST35 这3 个处理的MWD 和GMD 差异不显著。在20～30 cm 土层，ST60、ST50、ST40处理之间，ST30 与RT 处理之间的MWD 和GMD 差异不显著。在30～40 cm 土层，最显著的变化是RT 处理的MWD 和GMD 值都显著高于ST30 处 理（P＜0.05）。

表3 不同深松深度的土壤团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）

在湿筛法下0～40 cm 土层各处理MWD 和GMD 值较干筛法下表现出较大差异，均随土层的加深而呈降低趋势，而且MWD 和GMD 之间也表现出不同的趋势。MWD 和GMD的大小顺序均为ST60 ≥ST50 ≥ST40 ≥ST35＞ST30 ≥RT，各处理之间几乎没有差异。其中，深松的MWD 值比RT 处理增加了2.46%～15.42%，平均为10.08%；GMD 值增加了1.98%～8.59%，平均为5.81%。分析各土层可以看出，在0～10 cm 土层，各处理MWD 和GMD 值的变化趋势相同，ST35 与ST30、ST30 与RT 处理之间均有显著差异（P＜0.05），但到10～20、20～30、30～40 cm 土层，这种差异已经很小，可见深松对土壤水稳性MWD 和GMD的影响主要是在表层。

2.3 深松深度对土壤团聚体稳定性的影响

由图1 可见，各处理团聚体破坏率（PAD）和不稳定团粒指数（ELT）在0～40 cm 土层内表现出相同的趋势，即随着土层的加深而增加，大致顺序均为RT＞ST30＞ST35＞ST40＞ST50＞ST60，深松处理的PAD 值 为66.13%～89.93%，ELT值 为70.53%～91.28%，分别比RT 处理降低了3.28%～7.28%和2.71%～7.82%，平均为5.77%和5.88%。分析各土层，同一土层不同处理的变化趋势与剖面平均值基本一致，只是随着土层的加深，PAD 和ELT降低的幅度越来越小。在0～10 和10～20 cm土层，ST35、ST40、ST50、ST60 这4 个处理的PAD和ELT平均比RT 处理降低了12.66%和12.04%，比ST30 处理降低了7.59%和7.89%，ST30的PAD 和ELT也 比RT 处理降低5.49%和4.51%。在20～30 和30～40 cm 土 层，ST35 与ST40、ST50与ST60、ST30 与RT 处理的PAD 和ELT变化不大。进一步分析PAD、ELT与WR0.25之间的关系可以看出，它们都呈线性负相关关系，说明WR0.25越高，土壤团聚体稳定性越强，土壤结构越不容易被破坏。

2.4 深松深度对土壤团聚体分形特征的影响

从图2 可以看出，干筛法和湿筛法的分形维数（D）在土壤剖面中呈截然相反的趋势，机械稳定性团聚体的分形维数在2.30～2.60 之间，0～10 cm 土层高于其他3 个土层，随土层加深而降低（图2a），降幅在2.21%～6.92%之间，20～30 和30～40 cm 土层之间变化不大，但都低于10～20 cm 土层。各处理0～40 cm 土层平均值的大小顺序为RT ≥ST30＞ST35＞ST40＞ST50＞ST60，深松处理的降幅在0.13%～6.74%之间，平均为3.81%。分析各土层，在0～10 cm 土层，RT 处理均高于其他处理。10～20 cm 土层与0～10 cm 土层的变化趋势基本一致，各处理之间的差异进一步缩小。在20～30 和30～40 cm 土 层，ST60、ST50、ST40、ST35 处理均低于ST30、RT 处理。

水稳性团聚体的分形维数在2.88～2.98 之间，0～10 cm 土层低于其他3 个土层，随土层加深而增加（图2b），增幅在1.13%～1.98%之间，20～30 和30～40 cm 土层高 于10～20 cm土层。各处理0～40 cm 土层平均值的大小顺序为RT＞ST30＞ST35 ≥ST40＞ST50＞ST60，深松处理的降幅为0.25%～0.90%，平均为0.63%。从各土层来看，RT 处理在4 个土层都最高，ST60 处理都最低。

3 讨论

土壤耕作的目的是建立适宜作物生长的土壤环境条件，而土壤团聚体作为土壤肥力的物质基础，是确保作物高产所必须的土壤条件之一。目前，国际上关于耕作方式影响土壤团聚体的研究主要集中在以少免耕和秸秆还田为主要内容的保护性耕作方面，国内的研究主要集中在翻耕、旋耕、免耕、深松等几种方式的对比上，普遍认为深松能够打破犁底层，为作物提供良好的水分条件，减小根系下穿阻力，扩大根系延展范围，是构建合理耕层最有效的方法［17］，以深松为核心的保护性耕作能增加土壤团聚体含量和稳定性，改善表层土壤结构［18-22］，而翻耕和旋耕对土壤扰动大，直接或非直接地造成土壤团聚体被破坏［23-27］。也有一些学者研究了不同深松深度对土壤结构、保水保肥性能和作物产量等的影响，认为深松50～60 cm 对土壤的改良效果优于深松30 cm，能显著降低土壤容重、紧实度和三相比值，促进了作物根系的生长发育，进而增加作物产量，提高水分利用效率［28-30］，但上述研究都没有涉及深松深度对土壤团聚体的影响。＞0.25 mm 大团聚体被认为是土壤中最好的结构体，其含量越多，说明土壤的团聚性越好，结构越稳定［31］。MWD 和GMD 是反映土壤团聚体大小分布状况和稳定性特征的常用指标，其值越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强［32］。本研究表明，不同深松深度处理在较短时间内对土壤团聚体特性产生了明显影响，深松处理0～40 cm 土层DR0.25、WR0.25、MWD 和GMD 都显著高于RT 处理，且随着深松深度的增加而增加，这与程思贤等［28］、栗维等［29］、张凤杰等［30］的研究结论一致，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，为玉米生长提供了更加合理的土壤环境，增强了作物根系活性和土壤微生物活力，有助于团聚体的形成和微团聚体向大团聚体的转化。

PAD 和ELT可以较好地反映土壤结构的稳定性，值越小表明团聚体越稳定［33-34］。本研究表明，深松处理的PAD 和ELT分别比RT 处理降低了5.77%和5.88%，这也充分说明深松能增加土壤团聚体的稳定性。但具体到每一个深松处理，在0～20 和20～40 cm 土层内所表现的差异显著性不同，这可能有三方面原因：一是试验周期内RT处理每年都要旋耕，而深松作业只进行了3 次；二是RT 处理的影响范围在0～20 cm，而深松处理的影响范围在0～60 cm；三是虽然深松深度达到了60 cm，但取样深度只达到40 cm，深松对土壤结构的影响没有得到充分展现，由此导致0～20 cm 土层内ST35、ST40、ST50、ST60 4 个处理之间差异不显著，20～40 cm 土层内ST35 与ST40、ST50 与ST60、ST30 与RT 处理之间差异不显著。

D 作为一个评价土壤结构分布的新型综合指标，不仅描述了土壤颗粒的大小及分布，而且反映了土壤质地的均一程度，其值越高，表明土壤质地越黏重，通透性越差［35-36］。本研究表明，D 能较好地反映土壤团聚体的分布情况，并且能反映出不同深松深度对土壤团聚体的影响情况。随着深松深度的增加，干筛法和湿筛法的D 值都有明显降低的趋势，这可能是由于不同深松深度下，不同土层内作物根系下扎的数量、根粗、根表面积等都不同，根系分泌的胶结物质数量也不同，进而导致土壤中大团聚体的增加量不同。

4 结论

通过对灌耕灰钙土R0.25、MWD、GMD、PAD、ELT、D 等土壤团聚体分布和稳定性参数分析表明，深松有利于提高土壤机械稳定性和水稳定性团聚体结构水平，增加土壤稳定性，改善土壤结构状况。随着深松深度的增加，深松对0～40 cm 土层团聚体的改良效果越好，以深松60 cm的改良效果最显著。若综合考虑深松效益和机械动力配置，建议至少深松35 cm 以上。