耕作措施對寧南山區緩坡地土壤團聚體及作物產量的影響

雷金銀， 何進勤，雷曉婷，周麗娜，余建軍，紀立東，張 慧，路 芳

(1.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏 銀川 750002； 2.固原市原州區官廳鎮農業服務中心，寧夏 固原 756000)

寧夏南部山區(簡稱寧南山區)地處黃土高原西北邊緣，氣候干旱，年內降雨分布極為不均，農業用地以坡耕地、梯田為主，土壤有機質含量低、水土流失較為嚴重，生態環境脆弱是制約當地農業生產與經濟發展的“瓶頸”問題。長期以來，旱作耕地土壤培肥與水土流失防治、作物產量挖掘與降雨資源高效利用、生態環境構建是該區關注的熱點問題[1-5]。眾多研究表明，土壤團聚體是支撐土壤肥力、健康與質量等功能的物理基礎，其在土壤內部數量分布及其結構分布組成特征對土壤水分和養分蓄存、運移和轉化、微生物活動等能力具有重要影響。影響土壤團聚體組成和穩定性的自然要素主要包括土壤類型、地形地貌、氣候因素、植被因素和土地覆被等，這些因素影響土壤有機碳(SOC)含量、土壤呼吸、土粒的分布等，可調控團聚體的結構[6]。因此，開展緩坡耕地土壤團聚體特征及其影響因子研究成為當前旱區農田土壤肥力建設研究的重中之重[1,7]。

眾多研究表明，土壤團聚體與土地利用方式和田間農業耕作措施有很大關系[8]。與傳統耕作相比，保護性耕作措施通過減少對土壤的人為擾動或改變下墊面微地形，為促進形成良好的土壤團聚體提供良好的物理、化學、生物環境，增加土壤有機碳的固定，提高土壤水穩性團聚體數量及穩定性，從而提高土壤蓄水保墑能力和產量。楊如萍等[9]研究表明，不同耕作方式下免耕覆蓋處理和免耕處理可明顯增加土壤中大團聚體的含量，免耕覆蓋處理有著相對更高的團聚體穩定性，傳統耕作的土壤團聚體MWD 較免耕和免耕覆蓋處理分別減少19. 5%和27. 9%。劉丹[10]研究不同種植和耕作措施對土壤團聚體的影響的結果表明，免耕措施有利于土壤穩定，同時免耕、深松、秸稈覆蓋可以增加土壤團聚體結構穩定的醇、酚類、芳香類、脂肪族化合物和碳水化合物的含量。劉秀[11]等研究表明，地膜覆蓋措施不僅可以改變0～10 cm土層土壤水穩性團聚體分布及穩定性，而且土壤團聚體有機碳的含量和儲量也有較大的提高。

隨著學科發展和相關研究的不斷深入，目前針對旱作農業區坡耕地壟溝種植為核心的耕作措施與輪作種植方式對團聚體作用或影響的研究較少，本文在寧南山區開展玉米-馬鈴薯輪作條件下不同耕作措施對土壤團聚體組成特征及作物產量的影響研究，對于提升旱區耕地質量、緩坡耕地合理耕作利用和生態環境構建具有重要的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于寧夏南部山區的固原市原州區官廳鎮程兒山(36°04′19″N，106°20′21″E)，地處黃土高原西北邊緣地帶，是寧夏南部山區土壤侵蝕嚴重的區域之一。多年平均降水量382.0 mm，且年內分布不均，其中6—9月占65.6%，降雨不足和干旱頻繁是制約當地農、林、牧業發展的主要自然障礙因素。多年平均氣溫為5.3℃，極端最低氣溫-32℃，極端最高氣溫32.6℃，最大日較差27℃，≥10℃積溫2 400℃，無霜期平均100～150 d，農作物以春小麥、玉米、馬鈴薯和秋雜糧為主。試驗地土壤屬黑壚土，砂壤土質，基本性質見表1。

表1 試驗地土壤基本性質

1.2 試驗設計

試驗在坡度約10°的緩坡耕地上進行，試驗為一年一熟，2015—2016年分別選用玉米、馬鈴薯為供試作物，2015年種植玉米，品種‘富農821’，2016年輪作種植馬鈴薯，品種‘青薯9號’。試驗共設4個不同耕作措施處理：傳統平作(CK)：不覆蓋；壟溝不覆膜(NH)：壟寬60 cm，溝寬60 cm，壟高15 cm；壟溝全覆膜(WP)：采用寬120 cm、厚0.08 mm的塑料薄膜全部覆蓋溝壟，為方便水分入滲，在兩塊薄膜接合部位用打孔器打若干孔；壟溝半覆膜(HP)：采用寬80 cm、厚0.08 mm的塑料薄膜，覆蓋壟上部位。

采用完全隨機區組試驗設計，重復3次，各處理均為橫坡等高種植，小區面積50 m2(25 m×2 m)，共計12個小區，玉米、馬鈴薯種植株、行距均為30 cm和25 cm。玉米、馬鈴薯施肥量保持一致，施肥水平參照當地常規:農家肥和磷酸二銨((NH4)2HPO4)作為種肥一次性施入，施用量分別為22 500 kg ·hm-2和375 kg ·hm-2，尿素(CO(NH2)2)分兩次施入，基施150 kg ·hm-2，拔節期追施150 kg ·hm-2。

1.3 觀測指標與計算方法

1.3.1 土壤樣品采集 分別在壟背0～20、20～40 cm 土層采取混合土壤樣品，測定土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀采用1 mol·L-1NH4OAC浸提火焰光度計法測定。

1.3.2 土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體測定 每個試驗季分別在作物播種前和收獲后采集原狀土樣，采樣深度分別為0～20 cm和20～40 cm兩層，用一次性硬質飯盒帶回實驗室風干以備土壤團聚體測定。

土壤機械穩定性團聚體測定采用干篩法[12]，待測各層土樣均分為3份，套篩孔徑由上至下依次為10、7、5、3、2、1、0.5 mm和0.25 mm。振蕩式機械篩分儀在最大功率下振蕩2 min，分級收集土樣稱重后計算團聚體占比。

水穩性團聚體測定采用濕篩法[13]，按照干篩各級別團聚體的質量比例配成50 g風干土樣，沉降后將飽和土樣轉移至裝滿去離子水水桶的套篩(孔徑依次為 5、 2、 1、0.5 mm和0.25 mm)的頂部，將篩組整體在水中慢慢升降處理5 min，將各級篩子上的團聚體小心洗入鋁盒，低溫烘箱烘干并在空氣中平衡 2 h 后稱重得到濕篩后各級團聚體的百分含量。

1.3.3 產量及其組成 在各試驗小區內實測產量。

1.4 數據分析與計算

1.4.1 土壤團聚體穩定率(WSAR)計算[12]：

(1)

式中,WSA為>0.25 mm水穩性團聚體的質量(濕篩)；A為>0.25 mm機械團聚體的質量(干篩)。

1.4.2 土壤團聚體平均重量直徑(MWD)計算[12]：

(2)

式中，Xi為某一粒級團聚體的重量百分數(%)，Wi為某一粒級團聚體的平均直徑(mm)。

1.4.3 土壤團聚體分形維數計算：

采用楊培嶺等推導的公式[14]:

(3)

本文試驗數據均采用Excel和SPSS 16.0軟件進行統計處理及方差分析(LSD)。

2 結果與分析

2.1 不同耕作措施下土壤團聚體的組成特征

耕作措施是影響土壤團聚體形成與組成變化的重要因素之一。不同耕作措施對土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體組成影響顯著(表2，表3)，且主要表現在表層0～20 cm范圍內，各處理對底

表3 土壤水穩性團聚體組成

表2 土壤機械穩定性團聚體組成

層20～40 cm土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體組成均影響不顯著。CK、WP 和HP處理下0～20 cm土層范圍內均以>5 mm和2～5 mm土壤機械穩定性團聚體最高，而NH處理下1～2 mm和0.5～1 mm土壤機械穩定性團聚體最高,分別為16.25%、13.38%。其中CK處理下>5 mm土壤機械穩定團聚體占比為30.99%，明顯高于其他3種耕作方式，且差異顯著，而NH處理1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤機械穩定性團聚體含量高于其他三種耕作方式且差異顯著。

水穩性團聚體則表現為各處理>5mm所占比例急劇下降，均以1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm為主。CK處理下>5 mm水穩性團聚體含量為1.96%，顯著低于NH、WP 和HP。

2.2 不同耕作措施下土壤團聚體的大小及其穩定性

土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和穩定率是評價土壤團聚體穩定性的重要指標，不同耕作措施對土壤團聚體MWD和穩定率影響顯著。由表4可知，0～20 cm土壤機械穩定性團聚體MWD表現為CK>WP>HP >NH，而土壤水穩性團聚MWD表現為HP>NH>WP>CK。各處理土壤穩定率與土壤水穩性團聚體表現出一致性，而與土壤機械穩定性團聚體相反。20～40 cm土壤表現出相同的規律。由此可知，在選擇土壤機械穩定性團聚體作為評估土壤穩定性指標時要慎重考慮，而MWD可用于評價土壤結構的穩定性。

表4 土壤團聚體平均重量直徑及穩定率

2.3 不同耕作措施下土壤團聚體的分形特征

自分形理論應用于土壤結構研究以來，土壤分形維數成為評價土壤結構穩定性的一個重要綜合指標，反映著土壤團聚體大小及分布情況。同等類型土壤，分形維數越大，土壤結構組成越合理[15]。 如圖1所示，不同耕作措施對表層0～20 cm土壤機械穩定性團聚體的分形維數低于水穩性團聚體分形維數，且均表現為NH處理分形維數顯著高于HP、WP和CK，由低到高的順序均為：CK

注：同一土層不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercase of the same soil depth indicate significant difference at P<0.05.圖1 土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體分形特征Fig.1 Fractal dimension of mechanically stable soil aggregates and water-stable aggregates

表6 2016年不同耕作措施對馬鈴薯產量的影響

2.4 不同耕作措施下作物產量及其構成因素

耕作措施對作物產量的影響顯著。由表5可知，2015年相對于CK，HN、HP和WP分別增加玉米產量10.5%、13.3%和39.2%，且增加玉米株高，改善產量構成因素，如：穗粒數、百粒重等指標。2016年種植馬鈴薯也表現出相同的影響特征。綜上所述，NH對土壤團聚體特征的影響與其增產作用表現出不同步性，其深層次的土壤團聚體對作物產量的影響機制本文未涉及，尚須進一步深入研究。

表5 2015年保護性耕作試驗玉米產量及構成因素

3 討 論

耕地土壤水穩性團聚體含量高低能夠更好地反映土壤保持和供應養分能力的強弱[16]。耕地土壤團聚體結構不僅受土壤類型、氣候條件等自然因素的影響，而且受施肥方式、耕作措施等田間種植管理模式的影響。本研究結果表明，CK處理下0～20 cm處>5mm水穩性團聚體所占比例急劇下降，顯著低于NH、WP 和HP。同樣地，NH處理1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤穩定性團聚體含量高于其他三種耕作方式且差異顯著。值得注意的是WP與CK之間沒有顯著性差異，這與劉秀[10]得出的覆膜能夠改善土壤團聚體分布與穩定性不一致，主要是因為覆膜方式不同導致的差異。本試驗WP采用耕地地表面全地膜覆蓋，不同于傳統的半膜覆蓋[7]。目前，MWD、穩定率、分形維數是評價土壤團聚體穩定性的重要指標，但是，本研究結果表明機械穩定性團聚體MWD與土壤穩定率、分析維數相悖，而土壤水穩性MWD與土壤穩定率、分形維數表現出一致性。

大量研究表明，土壤團聚體形成與土壤有機碳含量及分布密切相關，土壤有機碳在土壤團聚體的形成和穩定性中起到重要作用，可作為膠結劑促進團聚體形成，農田土壤水穩性團聚體內的有機碳主要富集在2～0.25 mm粒級[17-19]。>0.25 mm 水穩性團聚體有機碳含量高于<0.25 mm團聚體有機碳含量[20]。合理的農業耕作措施可以提高土壤有機物質的輸入量，減少土壤有機質的礦化分解，增加土壤有機碳含量。深松、旋耕、免耕并結合秸稈還田等管理措施可以通過改變土壤的濕度和溫度、根系生長狀況、作物殘茬的數量和質量，影響土壤微生物量及其活性，最終影響土壤團聚體及有機碳的動態。劉丹[10]研究表明土壤水穩性團聚體MWD與土壤有機碳含量呈線性相關，但是深層土壤團聚體與有機碳關系復雜。劉秀[11]研究表明，深松、旋耕、免耕措施能提高耕層0～10 cm 各級別團聚體有機碳含量，而在其他土層無此變化規律，主要是因為大量的植物殘體輸入和受到擾動影響較小使有機碳趨向于表層富集。本研究結果顯示0～20 cm土層土壤水穩性團聚體MWD與土壤有機碳含量線性相關。20～40 cm土層兩者相關性不明顯(見圖2)。

圖2 土壤水穩性團聚體MWD與土壤有機碳含量的關系Fig.2 Relationship between soil water stable aggregate MWD and soil organic carbon content

耕作措施是影響土壤特性與作物產量重要的因素。諸多研究表明免耕、覆膜可以提高玉米產量[21-22]。本研究表明耕作措施對玉米產量的影響顯著。相對于CK，HN、HP和WP顯著提高玉米株高、產量，并改善產量構成因素，如穗粒數、百粒重等，三處理分別比CK分別增加產量10.5%、13.3%和39.2%。而本研究發現耕作措施對土壤團聚體及作物產量的影響表現出不一致性。但是關于土壤團聚體結構及穩定性與土壤水分、作物產量的內在關系方面的研究還較為缺乏，今后應進一步深層次探討耕作措施下土壤團聚體構建的物理、化學、生物機理及其增產作用機制。

4 結 論

1)不同耕作措施顯著影響土壤團聚體分布狀況。土壤機械穩定性團聚體CK處理下表層0～20 cm以>5 mm為主，而NH、WP 和HP 1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤穩定性團聚體分布較多。水穩性團聚體CK處理下>5 mm顯著低于NH、WP 和HP。

2) 不同耕作措施對土壤水穩性團聚體MWD和穩定率影響顯著，NH、 HP和WP表層0～20 cm和底層20～40 cm土壤水穩性性團聚體MW和穩定率均高于CK。

3) 不同耕作措施對表層0～20 cm土壤機械穩定性分形維數高于水穩性團聚體分形維數，且均表現為NH處理分形維數顯著低于HP、WP和CK，由低到高順序均為：NH

4)不同耕作措施能夠增加作物產量及其構成因素。相對于CK，NH、HP和WP分別增加玉米產量10.5%、13.3%和39.2%。馬鈴薯也表現出相同的規律。