保護性耕作對棕壤粒徑分形特征及碳氮比分布的影響

王少博，曹亞倩，馮倩倩，郭亮亮，梁 海，王雪潔，韓惠芳，寧堂原

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點實驗室/土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018）

粒徑分布(particle-size distribution，PSD)作為土壤的基本屬性之一，可間接表征土壤在復(fù)雜環(huán)境中的變化過程，從而反映土壤的肥力條件及侵蝕現(xiàn)狀[1]。分形理論的創(chuàng)立和應(yīng)用成為定量化研究土壤結(jié)構(gòu)與功能的有效工具[2]。分形維數(shù)可以表征PSD的自相似性，并反映土壤顆粒的均勻程度[3]。耕作方式是影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素，耕作措施是重要的耕作環(huán)節(jié)[4]。土壤管理措施對土壤結(jié)構(gòu)及其土壤物理性質(zhì)退化產(chǎn)生重要影響[5]。土壤有機質(zhì)和全氮是土壤質(zhì)量中最為重要的指標(biāo)，它們不僅反映土壤肥力水平，也表征土壤的發(fā)育狀況。它們之間的關(guān)系可以用土壤碳氮比來表示，即土壤有機碳含量(0.58 × 土壤有機質(zhì)含量)與全氮含量的比值，它是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，是衡量土壤C、N營養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)，它的演變趨勢對土壤碳、氮循環(huán)有重要影響[6]。

可見，深入研究土壤結(jié)構(gòu)對于構(gòu)建合理耕層、指導(dǎo)適宜農(nóng)田耕作措施尤為必要，特別是深入到PSD特征的細微變化及土壤肥力對合理耕作具有一定的實際意義。

保護性耕作對減輕土壤侵蝕、減少地表徑流、改善環(huán)境、增加水分入滲與土壤肥力具有重要意義[7]。耕作措施的不同會對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。劉鵬濤等[8]研究認(rèn)為，長期保護性耕作對降低表層土壤容重效果明顯。周虎等[9]研究表明不同耕作措施下免耕處理增加了孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，尤其是 10—15 cm和 20—25 cm層次下的土壤孔隙結(jié)構(gòu)。程科等[10]指出免耕與深松耕作模式能提高耕層土壤團聚體含量，對旱地土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高作用明顯。楊永輝等[11]指出不同粒級團聚體總有機碳含量呈降低趨勢，大粒級團聚體中含有較高的有機碳。保護性耕作在改善土壤物理性質(zhì)的同時，也能顯著提高土壤的肥力性質(zhì)，如土壤有機質(zhì)及養(yǎng)分含量。土壤粒徑可以作為土壤結(jié)構(gòu)的一部分來表征土壤結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，粒徑的重量分布特征可表征土壤粒徑分形特征，土粒直徑的大小和質(zhì)地組成的均勻程度可以由土壤PSD分形維數(shù)來表征[3,12]。改變土壤粘粒礦物可影響土壤肥力特征[13]。上述研究均集中在不同耕作措施對土壤結(jié)構(gòu)大尺度團聚體、容重和孔隙度研究上，對于長期定位耕作措施小尺度上的土壤粒徑分布，粘粉砂比例的占比相對研究較少，在不同耕作措施下土壤分形理論對土壤粒徑分布的影響研究缺乏，這限制了土壤微結(jié)構(gòu)研究的深入性。采用土壤分形理論中的廣義維數(shù)譜q-D(q)曲線、奇異譜函數(shù)a-f(a)指標(biāo)對土壤粒徑分布狀況和穩(wěn)定性特征進行分析，具有不可忽略的優(yōu)勢。本文以長期定位的保護性耕作農(nóng)田為研究對象，通過原位土的分層測定，比較不同土層不同耕作措施的土壤粒徑分布特征，通過分形理論中的單重分形和多重分形奇異性指數(shù)分別構(gòu)造配分函數(shù)，通過廣義維數(shù)譜D(q)確定不同耕作措施下土壤PSD的局部特征和非均勻程度，評價保護性耕作措施長期定位對土壤細微結(jié)構(gòu)以及均勻性的影響，為科學(xué)合理的耕作措施及提高農(nóng)田土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站進行，試驗站位于 117°09′E、36°10′N，四季分明，光溫充足，屬于典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候。多年平均日照時數(shù)2462.3 h，年均降水量786.3 mm，年均氣溫13.6℃。

1.2 試驗設(shè)計

試驗基于長期定位的保護性耕作試驗田(始于2002年)，試驗田土壤類型為棕壤。試驗設(shè)置3個重復(fù)，小區(qū)面積為60 m2(15 m × 4 m) 。試驗設(shè)計分為耕作處理與秸稈還田處理兩因素相互組合，試驗為小麥-玉米輪作體系，耕作周期為一年。耕作處理分為傳統(tǒng)翻耕處理玉米機械收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，滅茬翻耕25 cm，打畦筑埂，小麥機械播種收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，玉米免耕播種。免耕處理流程為玉米機械收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，施肥小麥機械播種收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，玉米免耕播種。深松處理流程為玉米機械收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，施肥深松耕作 (耕作深度40 cm)，小麥機械播種收獲秸稈還田/人工收獲秸稈全部移走，玉米免耕播種。2016年小麥播種前試驗地0—20 cm土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.3 田間管理

試驗采用小麥-玉米一年兩熟種植模式，小麥品種為‘濟麥22號’，小麥于每年10月10日至15日播種，播量90 kg/hm2，并與第二年6月8日至15日收獲；玉米品種為‘鄭單958’，密度為6.66 ×104株/hm2，于每年6月18日至25日鐵茬播種，每年10月8日至12日收獲。

各處理統(tǒng)一田間管理，小麥季基施純N 225 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，各處理在拔節(jié)期統(tǒng)一追施純N 110 kg/hm2，澆拔節(jié)水160 mm；玉米季基施純N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，大喇叭口期追施純N 120 kg/hm2。

1.4 樣品采集

1.4.1 土樣采集 試驗于2017年6月5日(小麥?zhǔn)斋@期)進行取樣，按“S”型在每個小區(qū) 5 點布設(shè)，取原狀土層次為0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm土樣，結(jié)合2002年0—40 cm土層初始樣品進行測定，土壤樣品混合均勻后，進行風(fēng)干處理。土樣分為兩部分，一部分原狀土樣用于測定粒度分布，另一部分土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，研磨過150 μm篩，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀法進行測定；全氮含量采用全自動凱氏定氮儀進行測定。測定過程中每個樣品均設(shè)置重復(fù)樣，同時測定標(biāo)準(zhǔn)樣以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.4.2 產(chǎn)量樣品采集 小麥成熟時，各試驗小區(qū)去除邊行隨機收獲2 m2試驗田的麥穗，記錄有效穗數(shù)，試驗設(shè)3次重復(fù)計算小麥產(chǎn)量。玉米成熟時，各試驗小區(qū)去除邊行隨機收獲10 m雙行的玉米穗，記錄株數(shù)、穗數(shù)、空稈率和雙穗率，試驗設(shè)3次重復(fù)計算玉米產(chǎn)量。

1.5 土壤粒徑分布檢測

土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)測定利用美國貝克曼庫爾特公司生產(chǎn)的LS13320激光粒度儀進行，原狀風(fēng)干土樣過2 mm篩后稱取5.0 g，加入濃度15%的H2O2，放入水浴鍋中低溫加熱直至氣泡全部消失(除去有機質(zhì))，之后加入10 mL10%HCl并置于水浴鍋煮沸(除碳酸鹽)，將離子水注滿燒杯靜置過夜后抽取上層液(除酸)，以上過程均為除雜，確保粒度分析準(zhǔn)確性。加入10 mL濃度為0.5 mol/L的六偏磷酸鈉溶液均勻攪拌后浸泡過夜，測量前準(zhǔn)備使用超聲波清洗機清洗震蕩10 min，溶液充分搖勻后，立即吸取溶液到儀器的樣品池中，進行超聲處理時間為3 min，使土樣充分分散，當(dāng)遮蔽率為(28 ± 2)%時停止加樣，開始進行測定，每個樣品進行3次重復(fù)。

土壤質(zhì)地分類根據(jù)美國農(nóng)部制系統(tǒng)劃分土壤顆粒粒度：砂粒(粒徑0.05～2 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)和粘粒 (粒徑 0～0.002 mm)[14]。

1.6 土壤粒徑分形原理

1.6.1 單重分形 土壤顆粒體積分布數(shù)據(jù)利用激光粒度儀簡單便捷獲得，本研究運用土壤顆粒體積分形理論模型來計算出土壤單重分形維數(shù)D[2]，公式為：

表 1 不同耕作方式土壤的基本性質(zhì)Table 1 The soil basic characteristics of different tillage treatments

式中：λv—土壤徑粒分級中的最大粒徑2000 μm；R—某一粒徑特征尺度；VR—所有小于R的土粒的粒徑，VT—土壤顆粒的總體積；D—土壤顆粒的體積分形維數(shù)。

1.6.2 多重分形 根據(jù)激光粒度儀所測的區(qū)間Ii= [0.375，2000]，將區(qū)間Ii劃分為93個小區(qū)間，Ii=[фi，фi+1]，i= 1，2，3，，93，vi表示粒徑在子區(qū)間Ii內(nèi)土壤顆粒體積百分?jǐn)?shù)，測量到的分析結(jié)果為各子區(qū)間相對應(yīng)的土壤顆粒體積百分含量。激光粒度儀測得的土壤顆粒粒徑為фi，在測定區(qū)間，Ii=[0.375，2000]內(nèi)，lg(фi+1/фi)為一個常數(shù)，利用多重分形方法分析區(qū)間I的土壤顆粒粒徑分布特征，確保各區(qū)間長度一樣，需要做變換фj=lg(фi+1/фi)，j= 1，2，，93，故構(gòu)造一個新的無量綱區(qū)間[1.273，5]，其中有 93 個距離的子區(qū)間Jj=(фi，фj+1)，j= 1，2，，93。在J區(qū)間內(nèi)，有N(ε) = 2k個相同長度的小區(qū)間，且為確保每個小區(qū)間有一個測量值，本研究中k值取1～6，故本研究中ε取值為0.078、0.156、0.312、0.625、1.25、2.5，pi(ε)表示土壤粒徑分布在每個相應(yīng)子區(qū)間上的概率密度(百分含量)，即土壤顆粒分布落在子區(qū)間Jj內(nèi)所有測量值的總和。利用pi(ε)構(gòu)造配分函數(shù)族為μi(q，ε)[15-16]。

式中:q—實數(shù)；μi(q，ε) —第i個子區(qū)間q階概率。土壤粒徑分布多重分形的廣義維數(shù)譜為：

土壤粒徑分布的多重分形奇異性指數(shù)為：

公式(3)中得到的廣義維數(shù)普D(q)曲線，用來表征土壤PSD的局部特征和非均勻性[17]。其中D(0)表示容量維數(shù)，可表征土壤粒徑的分布范圍大小，土壤粒徑范圍分布越廣泛D(0)值越大。D(1)表示信息熵維數(shù)，反映土壤粒徑分布的集中程度，D(1)越大說明土壤顆粒分布的異質(zhì)性和不均勻性越大。D(1)/D(0)表示土壤顆粒分布的異質(zhì)程度，顆粒分布主要集中在密集區(qū)時D(1)/D(0)越接近1，顆粒分布主要集中于稀疏區(qū)域時接近0。D(2)表示關(guān)聯(lián)維數(shù)，表示土壤粒徑測量間隔的均勻性，土壤粒徑測量間隔之間越均勻D(2)越大[18-19]。

多重分形奇異譜f(α)～α(q)能夠表示粒徑分布進行不同尺度的劃分，將復(fù)雜不規(guī)則的分形結(jié)構(gòu)進行定量化表示。Δα(Δα=αmax-αmin)為多重分形譜的譜寬，它反映整個分形結(jié)構(gòu)上物理量概率，可以用來測定土壤顆粒分布的不均勻程度，粒徑分布越不均勻Δα越大，Δf[Δf=f(αmin)-f(αmax)](表示譜形)為最大與最小概率的比值[20]。

1.7 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0進行統(tǒng)計與分析，用LSD法進行多重比較(α =0.05)，作圖采用SigmaPlot 10.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作措施對土壤粒徑分布基本特征的影響

土壤顆粒組成根據(jù)美國制土壤質(zhì)地劃分(表2)，供試土壤顆粒粘粒(0～0.002 mm)占比變化范圍在5.99%～9.96%，粉粒(0.002～0.05 mm)占比變化范圍在40.09%～57.18%，砂粒(0.05～2 mm)占比變化范圍在為38.07%～53.10%。與初始土壤相比，0—10 cm土層中，長期保護性深松、免耕措施下提高了土壤顆粒粘粒的含量，增加幅度為0.27%～2.64%，免耕同時提高了粉粒含量，增加幅度為6.64%，免耕降低了砂粒含量，降低幅度為6.32%，翻耕處理粘粒、粉粒含量有一定程度的降低，通過不同處理之間比較可以發(fā)現(xiàn)，土壤粘粒、粉粒含量差異顯著，免耕措施顯著高于其他處理。10—20 cm土層中，長期免耕秸稈還田措施下趨勢與0—10 cm層次相同，而免耕無秸稈還田措施除粘粒含量有一定程度增加外，粉粒、砂粒含量沒有顯著差異，翻耕秸稈還田與深松秸稈還田措施顯著提高了土壤粘粒的含量。20—40 cm土層中，免耕秸稈還田、深松秸稈還田、免耕無秸稈還田顯著提高了粘粒、粉粒的含量，增幅分別為1.54%～2.54%、7.78%～13.93%，而其他處理之間無差異。

表 2 不同耕作措施下棕壤粘粒、粉粒和砂粒的體積百分比及分形維數(shù)(D)Table 2 The percentage and fractal dimension of brown soil clay granule and granule under different tillage treatments

2.2 耕作措施對土壤粒徑分布多重分形特征的影響

2.2.1 廣義維數(shù)譜q-D(q)曲線特征 根據(jù)多重分形廣義維數(shù)譜計算方法對六種不同的耕作措施與初始土壤進行了多重分形分析，q值在[-10，10]變化范圍內(nèi)得到表示土壤顆粒粒徑分布的廣義維數(shù)譜D(q)曲線，不同耕作措施下不同層次的廣義維數(shù)譜曲線q-D(q)如圖(1)。

在-10 ≤q≤ 10的變化范圍內(nèi)，q＞ 0時D(q)的值均小于q為 ＜ 0時D(q)的值[21]，說明棕壤農(nóng)田土壤顆粒分布密集區(qū)域的標(biāo)度性高于稀疏區(qū)域。廣義譜q-D(q)曲線表現(xiàn)為土壤粒徑呈非均勻分布，具有上下限和彎曲程度，D(q)值域范圍越寬，其曲線趨勢愈陡，不同的奇異性強度分形結(jié)構(gòu)范圍與土壤徑粒分布分形結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性和非均勻性趨勢相同。不同耕作管理措施下土壤粒徑分布q-D(q)曲線都具有一定的彎曲度，均表現(xiàn)出一定的不均勻性。三個層次相比，0—10 cm層次曲線平緩，隨著土壤層次的加深，10—20 cm、20—40 cm層次各處理間差異顯著，曲線彎曲程度變大。

令q= 0、1、2時，土壤粒徑分布表現(xiàn)出的規(guī)律[22]。當(dāng)D(0) =D(1) =D(2)時，土壤PSD具有單重分形特征，其表現(xiàn)為均勻分布和自相似性；三者不等時，土壤PSD具有多重分形特征，表現(xiàn)出各異性。不同耕作措施所取土樣均表現(xiàn)為D(0) ＞D(1) ＞D(2)，表明長期定位保護性耕作下的土壤粒徑具有各異性，有必要進一步對其進行多重分析比較。

由圖1及表3看出，選取廣義維數(shù)譜D(q)中D(0)、D(1)、D(2)、D(1)/D(0)的值均可以從不同角度描述土壤異質(zhì)特征，在不同耕作措施與秸稈還田方式處理下，土壤粒徑分布范圍D(0)值各處理各層次間無差異，說明耕作措施對棕壤粒徑分布范圍影響不大。

圖 1 不同耕作措施下棕壤各層次粒徑分布的廣義維數(shù)譜曲線q-D(q)圖Fig. 1 Distribution of generalized dimension spectral curves q-D(q) of various layers of brown soil under different tillage treatments

與初始土壤相比，在長期不同耕作措施處理下，0—10 cm層次D(1)和D(2) 值深松顯著高于翻耕，免耕處理無差異，D(1)/D(0)值深松 ＞ 免耕 ＞ 初始土壤 ＞ 翻耕處理。10—20 cm和20—40 cm層次下，D(1)、D(1)/D(0)值深松處理顯著高于免耕，免耕處理顯著高于翻耕，D(2)值各處理差異不顯著，D(1)/D(0)值均接近1，說明耕作措施對土壤分布集中程度產(chǎn)生影響，且深松措施更能加劇土壤異質(zhì)性即不均勻程度。對土壤的測量間隔均勻性影響不大。

在秸稈還田處理下，D(2)值在三個土層均表現(xiàn)為秸稈還田處理顯著高于無秸稈還田處理，D(1)、D(1)/D(0)值在0—10 cm和10—20 cm層次秸稈還田處理顯著高于無秸稈還田處理；D(1)/D(0)值在20—40 cm層次中秸稈還田處理與無秸稈還田處理差異顯著。D(1)/D(0)值均接近1，說明秸稈還田措施對表層土壤的異質(zhì)性產(chǎn)生影響且加劇土壤顆粒的不均勻程度。

可見，通過與初始土壤比較，可以發(fā)現(xiàn)耕作措施會對土壤顆粒分布產(chǎn)生影響，其中深松耕作對土壤顆粒分布集中程度影響最大，且這種分布加劇了土壤顆粒的不均勻性，同時秸稈還田措施對土壤顆粒分布的集中程度也產(chǎn)生影響，土壤顆粒不均勻程度秸稈還田大于無秸稈還田。2.2.2 奇異譜函數(shù)α-f(α) 如圖2，不同耕作措施下土壤粒徑分布奇異譜函數(shù)α-f(α)均為上凸?fàn)钋€，且不同耕作措施條件下存在差異，通過譜長和譜寬可以表明土壤具有非均勻質(zhì)的分形特征，長期不同的耕作方式使得土壤粒徑分布的局部疊加程度表現(xiàn)出不同，不規(guī)則程度出現(xiàn)差異[22]。

本研究中Δα(Δα=αmax-αmin)反映整個分形結(jié)構(gòu)物理量概率測定分布的非均勻程度。耕作措施中△α值差異顯著，在0—10 cm層次為深松 ＞ 免耕 ＞ 初始土壤 ＞ 翻耕，10—20 cm、20—40 cm 層次為深松 ＞ 翻耕 ＞ 免耕 ＞ 初始土壤，秸稈還田措施中，秸稈還田顯著高于無秸稈還田。多重譜寬△α表明三種耕作措施中深松耕作與秸稈還田措施一樣，都加劇了土壤顆粒的不均勻程度。

Δf[Δf=f(αmin)-f(αmax)]反映多重分形譜的形狀特征。0—10 cm層次中，深松秸稈還田措施下Δf值最大，免耕秸稈還田處理Δf值最小；10—20 cm土層中，Δf值呈現(xiàn)深松 ＞ 免耕 ＞ 翻耕 ＞ 初始土壤，秸稈還田措施差異不顯著；20—40 cm土層中，Δf值表現(xiàn)為免耕 ＞ 翻耕 ＞ 初始土壤 ＞ 深松，秸稈還田顯著高于無秸稈還田。說明深松加秸稈還田顯著增加了土壤異質(zhì)性和不均勻性，Δf值在各層次有所差異，但各層次中Δf值均大于0。

當(dāng)Δf＜ 0時，即土壤中小概率粒徑占主要地位，f(α)呈右鉤狀；反之，當(dāng)土壤中大概率粒徑占主要位置，即Δf＞ 0時，f(α)呈左鉤狀[21]。從圖 2中可以看出，不同耕作方式下均為Δf＞ 0，即所有的土樣都呈

左鉤狀(圖2)，說明在本研究的土樣中大概率子集占主要地位。免耕無秸稈還田處理中，雖然也是大概率子集占主導(dǎo)位置，但是其適宜作物生長的粒徑范圍高于其他處理。

表 3 不同耕作措施下各土層的PSD分形參數(shù)Table 3 Different depth PSD fractal parameters of different tillage treatments

圖 2 不同耕作措施下各層次土壤粒徑分布的多重分形奇異譜函數(shù)Fig. 2 Multifractal singular spectral function of soil particle size distribution under different tillage treatments

2.3 不同耕作措施對土壤各層次碳氮比的影響

由表4可知，耕作方式對土壤碳、氮含量，C/N值均有顯著影響，0—10 cm層次中，與初始土壤相比，免耕秸稈還田、深松秸稈還田、免耕無秸稈還田、深松無秸稈還田處理顯著提高了有機質(zhì)含量與氮含量，翻耕秸稈還田、翻耕無秸稈還田處理差異不顯著，其中免耕秸稈還田處理碳氮比顯著小于其他處理。深松秸稈還田處理有機質(zhì)與氮含量分別增加38.3%、47.1%。免耕秸稈還田處理有機質(zhì)與氮含量分別增加31.8%、56.3%。10—20 cm層次中，有機質(zhì)含量免耕秸稈還田、免耕無秸稈還田、深松無秸稈還田處理顯著高于其他處理，氮含量免耕秸稈還田顯著高于其他處理。與初始土壤相比，免耕秸稈還田與深松秸稈還田處理分別降低了碳氮比15.6%、13.6%，20—40 cm層次中，土壤有機質(zhì)含量免耕秸稈還田，深松秸稈還田處理顯著高于其他處理，土壤全氮含量免耕秸稈還田、深松秸稈還田、深松無秸稈還田處理顯著高于其他處理，與初始土壤相比，在長期的耕作中傳統(tǒng)翻耕，土壤碳氮比顯著增加，翻耕秸稈還田與翻耕無秸稈還田增加幅度分別為22.2%、30.5%，而其他處理對土壤碳氮比的影響不顯著。

2.4 長期不同耕作措施對作物產(chǎn)量影響

由圖3可知，經(jīng)過連續(xù)15年的不同耕作處理，與初始傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田相比，傳統(tǒng)翻耕秸稈還田處理小麥年均產(chǎn)量為7.5 t/hm2，增產(chǎn)幅度為3.2%。深松耕作小麥季增產(chǎn)效果顯著，其中深松加秸稈還田年均產(chǎn)量為8.0 t/hm2，深松無秸稈還田7.69 t/hm2，增產(chǎn)幅度達6.1%和5.3%。免耕處理出現(xiàn)顯著減產(chǎn)，免耕加秸稈還田年均產(chǎn)量為7.42 t/hm2，免耕無秸稈還田處理為7.01 t/hm2，減產(chǎn)幅度分別達-1.6%和-3.9%。

表 4 不同耕作措施對土壤各層次碳氮比影響Table 4 Effect of different tillage measures on carbon and nitrogen ratio of soil layers

圖 3 長期不同耕作措施下的產(chǎn)量變化Fig. 3 Changes in yields under different tillage treatments

與傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田相比，傳統(tǒng)翻耕加秸稈還田、深松加秸稈還田、免耕秸稈還田處理玉米季產(chǎn)量為11.08、11.68、11.05 t/hm2，增產(chǎn)幅度分別為5.55%、11.23%、5.23%；深松無秸稈還田、免耕無秸稈還田產(chǎn)量分別為10.43、9.43 t/hm2，減產(chǎn)幅度為-3.7% 和-10.19%。

2.5 不同耕作年限下棕壤土壤PSD分形特征與土壤C/N相關(guān)關(guān)系

表5中顯示的是不同耕作年限下棕壤土壤單重分形與多重分形參數(shù)與土壤C/N的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，棕壤經(jīng)過15年長期定位試驗，不同耕作措施及還田方式下，土壤粘粒、粉粒體積百分比與單重分形維數(shù)D值呈極顯著正相關(guān)(P＜ 0.01)，土壤砂粒體積百分比與單重分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。土壤粘粒體積百分比與D(1)/D(0)呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.05)，土壤粉粒體積百分比與Δf呈顯著正相關(guān)(P＜ 0.05)，土壤砂粒體積百分比與Δf呈正相關(guān)(P＜ 0.05)。土壤C/N與土壤粘粒體積百分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)與D(1)/D(0)及Δα呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與土壤粉粒體積百分比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.05)。其他參數(shù)與土壤的粘粒、粉粒、砂粒的相關(guān)性沒有顯著。對比各個參數(shù)之間的相關(guān)性，D(1)與D(2)、D(1)/D(0)呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，D(2)與D(1)/D(0)呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，Δα與Δf呈極顯著負(fù)相關(guān) (P＜ 0.01)，D與D(1)/D(0)呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.01)，綜合土壤顆粒體積百分比與土壤多重參數(shù)比較，可以發(fā)現(xiàn)棕壤的土壤顆粒分形特征受棕壤粘粒、粉粒、砂粒含量的影響。

表 5 土壤粒徑分形參數(shù)與土壤C/N的相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis of soil grain size fractal parameters with soil C/N

3 討論

3.1 土壤粒徑的基本分布狀況與耕作措施和秸稈還田

土壤顆粒組成影響土壤的入滲特性、肥力養(yǎng)分狀況，并與土壤侵蝕和退化直接相關(guān)，是重要的土壤物理特性之一[23]。本研究表明，在0—10 cm、10—20 cm 土層中粘粒、粉粒含量免耕處理顯著高于深松、翻耕處理，砂粒含量免耕處理顯著低于深松、翻耕處理。在20—40 cm土層土壤顆粒分布差異不顯著。這說明棕壤在長期免耕條件下能夠增加土壤的粘粒、粉粒的含量，原因可能是由于長期免耕條件下減少了土壤的翻動，植物殘體主要集中在表土層中，為微生物生長分解提供能量動力，從而使土壤微生物新陳代謝活動增強，在加劇土壤有機碳礦化、增加土壤有機碳有效性的同時，還能夠加劇土壤顆粒礦化分解，使得土壤顆粒細化。而傳統(tǒng)翻耕植物殘體、肥料投入等則分布在0—20 cm土壤耕作層中，故土壤表層中的微生物活性弱于免耕耕作[24]。

秸稈還田方式下，0—10 cm、10—20 cm 土層中秸稈還田中粉粒含量顯著高于無秸稈還田，砂粒含量顯著低于無秸稈還田；在20—40 cm 土層中秸稈還田砂粒含量也顯著低于無秸稈還田處理，秸稈翻壓處理增加了土壤的黏性程度。原因可能歸結(jié)為秸稈還田增加了土壤表層的粗糙度，減少了風(fēng)蝕對土壤細化顆粒粘粒、粉粒的風(fēng)蝕作用，同時，秸稈的分解物質(zhì)促進土壤顆粒的細化，秸稈增加的土壤表層的粗糙度對粘粒的截留起到促進作用[25]。

采取免耕與秸稈還田結(jié)合措施，可顯著增加粘、粉粒顆粒含量，減低農(nóng)田土壤風(fēng)蝕[25]。土壤中的粘粒富含作物生長所需的養(yǎng)分與肥力[26]。本研究表明免耕秸稈還田效果優(yōu)于其他處理，增加了土壤粘粒、粉粒含量，因此免耕、秸稈還田與翻耕耕作措施相比，在增加土壤抗侵蝕程度的同時，也能增加土壤肥力。

3.2 土壤顆粒的多重分形特征與耕作措施和秸稈還田

廣義維數(shù)可以表征土壤PSD非均勻程度和異質(zhì)性[27]。本研究表明，各處理D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值均有差異，深松顯著提高了D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值，表明深松增加土壤粒徑的局部集中程度，促進土壤的不均勻性。秸稈還田措施更加劇了這種不均勻性。原因為傳統(tǒng)翻耕過程中，土壤可蝕性高的心土或亞表土層露出地表，加速了土壤風(fēng)蝕和水蝕等一系列問題，而深松在不翻轉(zhuǎn)土壤的情況下，能夠打破犁底層[28]，形成虛實并存的土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤的氣體交換，能夠為作物的根系創(chuàng)造出疏松且深厚的土壤環(huán)境，促進好氣性微生物的活化和礦物質(zhì)分解，促進土壤顆粒的不均勻性[29]。

奇異譜函數(shù)α-f(α)中，Δα反映整個分形結(jié)構(gòu)物理量概率測定分布的非均勻程度，可描述分形結(jié)構(gòu)不同區(qū)域、不同層次、不同局域條件下的土壤顆粒分布特性，可顯示土壤屬性的空間異質(zhì)性與不均勻程度[22]。粒徑的組成越均勻，其穩(wěn)定性越差，粒徑的組成越不均勻，即均勻系數(shù)越大，則越穩(wěn)定[30]。本研究表明，深松秸稈還田措施下，Δα值顯著高于其他處理，說明深松秸稈還田加劇了土壤顆粒的不均勻程度，從而促進了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這與上述研究的廣義維數(shù)譜q-D(q)中D(q)反映土壤顆粒情況一致。

3.3 土壤C/N與作物產(chǎn)量

土壤C/N通常被認(rèn)為是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志，低的C/N可以加快微生物的分解和氮的礦化速率[31]。土壤顆粒分布在土壤發(fā)育過程中受到各種因素的相互作用，本研究中種植方式、肥料投入與管理措施一致的基礎(chǔ)上，不同的耕作措施成為影響土壤顆粒分布的唯一關(guān)鍵因素。本研究表明，在不同耕作措施下免耕與深松加秸稈還田措施與初始土壤和傳統(tǒng)耕作相比，均在一定程度上提高了土壤有機質(zhì)和土壤全氮含量。一般認(rèn)為傳統(tǒng)耕作方式降低了土壤微生物多樣性，不利于土壤微生物活動，對土壤碳氮分解礦化能力弱，而長期保護性耕作(免耕和深松)等有利于提高土壤微生物多樣性[32]。田慎重等[33]研究表明長期免耕能有效提高土壤SOC庫水平，特別是土壤表層。分析認(rèn)為免耕、深松技術(shù)減少了土壤擾動，降低了碳、氮損失，同時加上有機物質(zhì)(秸稈)的輸入，促進了土壤團聚體對有機碳的保護作用，提高了土壤大團聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性，從而有效增加了有機碳儲量。深松耕作在改善土壤性質(zhì)的同時，能夠較好地調(diào)節(jié)土壤小氣候，避免土壤生物退化，激發(fā)土壤固定氮的能力與潛力，促進作物根系生長及其對氮素的吸收，深松加秸稈還田措施對土壤生態(tài)環(huán)境具有調(diào)控效應(yīng)和對作物生長發(fā)育有促進效應(yīng)，從而合理調(diào)節(jié)土壤碳氮比[34]。

土壤碳氮作為作物生長必需的養(yǎng)分，對作物產(chǎn)量構(gòu)成因素有重要影響[34]，本研究在長期定位的不同耕作措施下發(fā)現(xiàn)，深松耕作對作物產(chǎn)量提高較為顯著，尤其是深松配以秸稈還田措施下，這可能歸結(jié)為深松秸稈還田措施下為作物生長不僅提供了高于其他耕作方式的碳氮等養(yǎng)分，同時提供了較好的空間環(huán)境等物理因素；免耕措施下秸稈還田與無秸稈還田處理均出現(xiàn)了減產(chǎn)狀況，可能是因為長期的免耕措施土壤盡管能夠積累較多的碳氮養(yǎng)分，但容重、透氣性等土壤物理性狀[34]不如其他耕作方式。

3.4 土壤顆粒分布及土壤分形參數(shù)與土壤C/N的相關(guān)關(guān)系

為進一步明確土壤顆粒分布及土壤分形參數(shù)與土壤性質(zhì)的關(guān)系，本文對各參數(shù)進行了相關(guān)性分析。本研究表明，免耕秸稈還田措施下土壤粘粒的體積百分比顯著高于其他處理，土壤C/N與土壤的粘粒體積百分比呈極顯著負(fù)相關(guān)。表明較低的碳氮比有利于土壤粘粒的形成。可見，長期免耕秸稈還田措施下，由于作物秸稈的增加，微生物活動增強，不僅需要更多的碳源，也需要更多的氮源作為補充[31]，同時伴隨著土壤表層中有機碳、全氮含量的增加，也加劇了土壤顆粒的礦化，促使土壤細化，土壤粘粒比例增加。本研究結(jié)果中的土壤C/N與土壤多重分形參數(shù)Δα呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Δα用來反映土壤顆粒不均勻程度，土壤碳氮比的降低會加劇土壤顆粒的不均勻性，與本研究結(jié)果深松秸稈還田措施能增加土壤顆粒的不均勻性，且降低土壤C/N相一致。

棕壤在各耕作措施下土壤顆粒組成、單重分形維數(shù)與粘粒粉粒體積百分比含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤砂粒百分比含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與管孝艷等[27]研究結(jié)果一致。利用廣義維數(shù)普D(q)來描述土壤PSD分布的均勻性和質(zhì)異性的研究已經(jīng)相對較多，報道中顯示不同土壤質(zhì)地、不同土壤利用方式下D(q)中的D(0)、D(1)、D(2) 、D(1)/D(0)與土壤顆粒分布有一定的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果有所差異[35]。本研究中棕壤在15年的不同耕作措施下，土壤粘粒與D(1)/D(0)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤粘粒的增加，會促使土壤異質(zhì)性程度加劇，這與王德等[12]研究結(jié)果相反。說明雖土壤類型一致，但土地利用方式的對土壤顆粒分布也有影響，林地相比，耕地土壤利用效率更高，對土壤顆粒分布影響更大，Δf與土壤粉粒體積含量呈正相關(guān)，與土壤砂粒體積含量呈負(fù)相關(guān)。表明土壤顆粒分布與多重分形曲線有一定的相關(guān)性。相關(guān)研究表明了多重分形參數(shù)在表征土壤PSD方面具有較高的靈敏性與精準(zhǔn)度，王德等[12]研究表明D(1)/D(0)與土壤細顆粒含量和有機質(zhì)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。本研究進一步研究表明D(1)/D(0)與Δα與土壤C/N呈顯著正相關(guān)。本研究是基于同類型土壤棕壤不同利用方式下土壤顆粒分布的研究，但迄今為止同種土地利用方式下，不同土壤類型土壤顆粒的多重分形特征研究相對較少，還需要進一步對深入研究。

4 結(jié)論

棕壤在長期定位保護性耕作措施下，免耕秸稈還田能夠增加土壤0—20 cm土層的土壤粘粒含量，土壤粘粒的增加從而降低了土壤中C/N的值，較低的C/N值促進土壤碳氮的分解，增加了土壤中的有機質(zhì)及全氮的含量，從而增加了土壤肥力。

研究棕壤土樣具有多重分形的特征，廣義維數(shù)譜q-D(q)表明棕壤農(nóng)田土壤顆粒分布密集區(qū)域的標(biāo)度性要比稀疏區(qū)域好。D、D(1)/D(0)、Δα和Δf均可以從不同角度出發(fā)來描述長期不同耕作措施下土壤的異質(zhì)性。長期不同耕作措施下，深松秸稈還田處理中D(1)/D(0)、D(1)、D(2)值顯著高于其他處理，表明深松秸稈還田處理加劇了土壤的非均勻程度，土壤顆粒分布越不均勻，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強，深松秸稈還田促進土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

長期不同耕作措施、還田方式影響棕壤顆粒分布，通過多重分形參數(shù)中的土壤顆粒分布變化，D、D(1)/D(0)、Δα和Δf的值在各處理間表現(xiàn)出顯著差異，從而這些參數(shù)在細微程度上反映了保護性耕作措施對土壤長期的影響效果。