免耕對稻油輪作系統土壤結構的影響*

劉玲玲，李 超，房 煥，趙 楊，張中彬，彭新華，尹力初，周 虎?

（1. 湖南農業大學資源與環境學院，長沙 410128；2. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008；3. 湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125；4. 河海大學農業工程學院，南京 210098；5. 湖南省水稻研究所，長沙 410125）

水稻是我國三大糧食作物之一，我國水稻種植面積占全國總糧食作物的1/4[1]。稻油輪作是我國南方水稻土的主要種植制度之一。近年來，水稻油菜免耕直播的種植模式迅速發展。有研究表明，稻油輪作連續免耕有利于提高作物產量和改善稻田表層土壤肥力[2-3]，實施稻油輪作免耕直播模式對保護生態環境和農業可持續發展具有重要意義。

土壤結構影響著土壤水、氣運動、根系生長以及土壤生物的活動[4]。合理的耕作是創造適宜作物生長的土壤結構的主要措施之一[5]。免耕在改善旱地土壤結構、增加土壤生物多樣性等方面已取得顯著效果[6]，然而免耕對水稻土結構的影響尚不清楚。黃國勤等[7]研究表明稻田實施保護性耕作后土壤容重降低，水稻產量顯著提高。Gao 等[8]發現稻油輪作系統下免耕提高了0～10 cm 土層土壤大團聚體含量，促進了有機碳在土壤表層的積累。而杭玉浩等[9]則發現長期免耕導致表層土壤容重增加、耕層變淺、土壤結構變差。這些差異可能是由于土壤質地[10]、不同免耕年限[11]、輪作系統[12]和管理方式[13]等的差異造成的。

應用X 射線計算機斷層（CT）掃描技術可以非破壞性地研究土壤內部結構[14-15]，獲取土壤三維孔隙形態參數，并進行三維結構的可視化[16]。本研究基于洞庭湖區耕作試驗，利用X 射線CT 掃描等技術，研究免耕對稻油輪作系統水稻土結構的影響，研究結果為該區域選擇合理的耕作方式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗田位于湖南省益陽市南縣三仙湖鎮太平橋村（112°24′E，29°09′N）。試驗區屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16.6 ℃，年均降水量1 238 mm。土壤類型為湖積物發育的底潛簡育水耕人為土，試驗開始前0～20 cm 土層土壤基本理化性質見表1。試驗田長期水稻（6 月上旬至10 月中旬）-油菜（10月下旬至5 月中旬）輪作，耕作方式最初為旋耕，自2013 年開始實行水稻和油菜兩季免耕。本試驗于2016 年開始，在實施了3 年的免耕基礎上設置免耕和旋耕兩個處理，采用大區設計，面積為900 m2（30 m × 30 m）。其中免耕處理兩季均開溝分廂，一廂一溝，廂面寬1.8 m，溝的尺寸為寬30 cm × 深15 cm。旋耕處理油菜季開溝分廂，廂面寬1.5 m，溝的尺寸同免耕處理，水稻季不開溝。

供試水稻品種為深兩優5814，油菜品種為華湘油16。免耕處理水稻及油菜均人工撒播，旋耕處理的水稻和油菜分別采用拋秧和人工移栽。各處理水稻季施肥量均為尿素90 kg·hm–2，復合肥（N∶P2O5∶K2O=17%∶5%∶26%）720 kg·hm–2，撒施；油菜季施肥量均為尿素195 kg·hm–2，復合肥300 kg·hm–2，穴施。水稻季免耕處理尿素于3～4 葉期一次性施用，復合肥于5～6 葉期施用5/6，1/6 用作穗肥；旋耕處理水稻拋秧前5/6 復合肥作基肥，7～10 葉期追施尿素，1/6 復合肥作穗肥。油菜季免耕處理1/5尿素拌種作促苗肥，4 葉1 心期追施4/5 尿素，6葉1 心期追施復合肥，以保證冬發壯苗；旋耕處理復合肥全部作基肥施入，9～10 葉期尿素全部作追肥施入。

表1 供試土壤基本理化性質Table1 Basic physical and chemical properties of the studied soil

1.2 樣品采集與處理

于2018 年5 月水稻播種前采集土壤樣品，每個大區內采用五點取樣法，用PVC 環刀（高5 cm、內徑4.8 cm）采集5 個層次（0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm，15～20 cm，20～25 cm）的原狀土柱，用保鮮膜包裹防止水分蒸發。同時采集5 個層次的混合土壤樣品，每個大區內按S 形線路采集9 個點，混合后放入塑料盒中帶回實驗室。原狀土柱飽和48 h 后置于壓力膜儀中，保持–33 kPa，平衡后取出進行CT 掃描。混合土壤樣品自然風干，在風干過程中將土樣掰成小于10 mm 的小塊。風干土樣一部分用于土壤團聚體分析，一部分過2 mm 或0.15 mm篩用于土壤理化性質測定。

1.3 CT 掃描與圖像處理

利用X 射線顯微CT（Phenix Nanotom S，GE，USA）掃描原狀土柱，掃描電壓為110 kV，電流為110 μA，曝光時間為1.25 s，分辨率為25 μm。將樣品固定于樣品臺上，從0 到360°勻速旋轉，在此過程中采集1 200 幅投影圖像。利用Datosx2｜Rec軟件進行圖像重建，重建后生成2 100 幅2 284×2 304 體元的8 位灰度圖像，存儲為tif 格式。利用ImageJ 軟件進行圖像預處理，包括增加對比度和中值濾波。為了避免采樣過程對樣品邊界的影響，選取樣品中間部分的1 200×1 200×1 200 體元作為感興趣區域進行圖像分析。采用Default 閾值分割法[17]對圖像進行分割得到二值圖像，孔隙度利用Volume Fraction 插件計算，孔隙大小分布利用Thickness 插件計算。

1.4 土壤容重、有機碳含量、團聚體分布及穩定性

CT 掃描后的樣品于105℃下烘干24 h 至恒重，測定土壤容重。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定[18]。團聚體的穩定性采用 Le Bissonnias 快速濕潤法[19]。首先將3～5 mm 團聚體置于40℃烘箱烘干24 h，然后稱取5 g 烘干后的團聚體，放入裝有50 mL 去離子水的100 mL 燒杯中浸泡10 min，之后用移液管移去燒杯中的水，將團聚體轉移至浸沒在酒精中的篩子（孔徑為50 μm），將篩子向左右各轉動3 圈，然后將篩子中的土用酒精小心洗入鋁盒并于40 ℃烘箱中烘干48 h。烘干后土樣置于套篩（孔徑依次為3、2、1、0.5、0.25和0.05 mm）上篩分，并將每一級篩子上土樣稱重記錄，根據以下公式計算平均質量直徑（Mean weight diameter，MWD）

式中，n 為篩子的個數，ri為第i 個篩子的孔徑（mm），mi為第i 個篩子上的團聚體質量百分比（%）。

1.5 統計分析方法

采用RStudio 1.1.456 對實驗數據進行統計分析。團聚體穩定性和孔隙大小分布等指標的同一土層不同處理間的方差分析采用t.test（數據符合正態分布）和wilcox.test（數據不符合正態分布），土壤有機碳和土壤大孔隙度的同一處理不同個土層間的方差分析采用one-way ANOVA，數據的正態性檢驗采用 Shapiro-Wilk test ， 方差齊性檢驗采用leveneTest，并用TukeyHSD 進行多重比較，顯著性水平為0.05。

2 結果與討論

2.1 耕作方式對水稻土容重及有機碳的影響

免耕和旋耕處理下土壤容重如圖1 所示。免耕處理的土壤容重隨著土壤深度的增加而增大，且0～25 cm 各土層間均存在顯著性差異（P＜0.05）。旋耕處理0～15 cm 各土層間土壤容重均無顯著差異，但在15～20 cm 土層時容重顯著增大，這是由于耕作形成的犁底層所致。與旋耕相比，免耕處理0～5 cm土層的土壤容重降低了5.1%，但兩處理間未達到顯著性差異；10～15 cm 土層免耕顯著高于旋耕處理（P＜0.05），其他土層兩處理間無顯著差異。Denardin等[20]通過對免耕14 年的稻田研究發現，免耕處理顯著降低了表層土壤容重，對5～20 cm 土層作用不顯著。馮躍華等[21]研究也表明，免耕兩年后稻田0～5 cm土層容重較翻耕處理降低了3.55%，與本研究結果一致，由于免耕處理未受到機械的擾動，前茬秸稈殘留物易堆積在土壤表層，經土壤動物及微生物作用，從而降低了表層土壤的容重。10～15 cm 土層土壤容重免耕高于旋耕處理，其原因是旋耕擾動了耕層土壤，導致容重低于免耕處理。

圖2 為不同耕作方式下不同土層的土壤有機碳含量。旋耕與免耕處理表層土壤有機碳含量均較高，分別為34.3 g·kg–1和34.4 g·kg–1。隨著深度的增加，土壤有機碳含量逐漸降低。除表層外，其他土層免耕處理的有機碳含量均顯著低于旋耕處理（P＜0.05）。結果表明稻油輪作區免耕處理未提高土壤有機碳含量。許多研究表明免耕能夠提高土壤有機碳的含量[7，22]，與本研究結果不一致。張錫洲等[11]研究發現土壤有機碳的含量與免耕年限有關，隨著免耕年限的增加，土壤有機質含量逐漸增加。為了更加準確地評價不同耕作方式對土壤結構的影響，今后仍需開展土壤有機碳的動態研究。

圖1 不同耕作方式對不同土層土壤容重的影響Fig. 1 Effects of tillage on soil bulk density relative to tillage method and soil layer

圖2 不同耕作方式對不同土層土壤有機碳含量的影響Fig. 2 Effects of tillage on soil organic carbon content relative to tillage method and soil layer

2.2 耕作方式對水稻土團聚體穩定性的影響

不同耕作方式對0～25 cm 土層土壤團聚體大小分布的影響如表2 所示。隨著土層深度的增加，旋耕和免耕兩個處理＞2 mm 的大團聚體含量降低，0.25～0.053 和＜0.053 mm 的微團聚體含量增加。0～20 cm 土層均以＞2 mm 的大團聚體居多，特別是在0～5 和5～10 cm，旋耕處理＞2 mm 團聚體含量分別為72.0%、64.0%，免耕處理分別為87.0%、77.0%。與旋耕處理相比，免耕處理提高了0～20 cm 土層＞2 mm 粒級土壤團聚體的含量，尤其是在0～5 和5～10 cm 土層，免耕較旋耕處理分別提高了19.8%、19.4%，達到了顯著性水平（P ＜ 0.05）。不同處理土壤團聚體的平均質量直徑（MWD）隨著土層深度的增加逐漸降低（表2）。與旋耕相比，免耕處理顯著提高了0～5 cm 和5～10 cm 土層團聚體的MWD，提高幅度分別為14.6%和14.1%（P ＜ 0.05），表明免耕處理能顯著提高0～10 cm 土層大團聚體含量以及土壤團聚體的穩定性，這與唐曉紅等[23]和王志強等[12]研究結果一致。稻田免耕減少了土壤的耕作次數，也就減少了對土壤結構的破壞，有利于形成穩定的土壤結構，促使微團聚體向大團聚體團聚[22]。此外，由于未受到人為擾動，免耕可以促進土壤表層的生物活性[24]，土壤動物的豐富度和數量增加，有助于在大團聚體內部結合形成微團聚體，增加其結構穩定性。而耕作擾動破壞土壤結構，降低團聚體穩定性[9]。

表2 不同耕作措施對不同土層水穩性團聚體分布和穩定性的影響Table2 Effects of tillage on water stable aggregate size distribution relative to tillage mode and soil layer

2.3 耕作方式對水稻土大孔隙的影響

圖 3 為不同處理各個土層的二維灰度圖像（ 30 mm×30 mm ） 和 三 維 孔 隙 結 構 圖 像（30 mm×30 mm×30 mm）。本研究的圖像獲取的孔隙均為大于圖像分辨率（25 μm）的孔隙。從灰度圖中可以看到，兩個處理0～10 cm 土層孔隙較大，數量多；10 cm 以下土層的孔隙相對較少，隨深度的增加，孔隙數量減少。三維圖像顯示，旋耕和免耕處理在0～5 和5～10 cm 土層孔隙結構更為復雜。與0～10 cm 土層相比，兩個處理在10～15 cm 土層土壤孔隙明顯減少；在15～25 cm 土層的孔隙以根孔為主。

定量分析結果表明，旋耕和免耕處理土壤大孔隙度（＞25 μm）均隨著土層深度的增加而降低（圖4）。在0～5 和5～10 cm 土層免耕處理的土壤大孔隙度均顯著高于旋耕處理（P＜0.05），分別提高了78%和115%；10～25 cm 間各個土層兩處理土壤大孔隙度均沒有顯著差異。有研究發現免耕處理下土壤表層蚯蚓較翻耕多[25]，蚯蚓在某一土層數量的多少取決于土層中可食性有機碎屑的多少以及根系的數量和類型[26]。免耕由于不受機械擾動，枯枝落葉大量等有機物料聚集在土壤表層增加了表層土壤的動物種群數量，土壤動物通過生物擾動增加了土壤大孔隙度。

圖3 不同耕作措施對不同土層水稻土二維（30 mm×30 mm）和三維結構（30 mm×30 mm×30 mm）的影響Fig. 3 Effects of tillage on 2D（30 mm×30 mm）and 3D（30 mm×30 mm×30 mm）structure of paddy soil relative to tillage method and soil layer

圖4 不同耕作方式對不同土層土壤大孔隙度的影響Fig. 4 Effects of tillage on soil macroporosity relative to tillage method and soil layer

從土壤大孔隙分布圖（圖5）可以看出，0～25 cm間各土層均以25～300 μm 孔徑的大孔隙居多，且隨著孔徑的增大，大孔隙度逐漸降低。與旋耕相比，免耕處理增加了0～5 和5～10 cm 土層各個孔徑范圍內的大孔隙度，0～5 cm 土層300～500 μm 孔徑的大孔隙增加了70.5%，5～10 cm 土層25～300和300～500 μm 孔徑的大孔隙分別增加了82.8%和167.2%，均達到了顯著性差異水平。不同土層＞2 000 μm 的土壤大孔隙在不同處理間差異很大，免耕處理＞2 000 μm 大孔隙主要存在于0～5 和5～10 cm 土層，大孔隙度分別為1.10×10–2m3·m–3、1.20×10–3m3·m–3，而旋耕處理＞2 000 μm 孔徑的大孔隙在0～5、5～10、10～15 和15～20 cm 土層均有分布，孔隙度分別為3.60×10–3m3·m–3、1.00×10–3m3·m–3、4.00×10–4m3·m–3、1.30×10–3m3·m–3。旋耕與免耕處理10 cm 土層以下各個孔徑的大孔隙度沒有顯著性差異（15～20 cm 土層500～1 000 μm 孔徑除外）。總體而言，免耕提高了0～10 cm 土層各個孔徑的大孔隙，從而使0～10 cm 土層具有更好的孔隙系統。免耕可以保持土壤結構，使土壤動物（蚯蚓）和前茬作物根系形成的大孔隙不受破壞，構成了上下連通的體系[27]。Gao 等[28]通過對旱地沙壤土的研究表明，免耕影響了土壤孔隙大小分布，增加了大孔隙的數量，具有更多連接的孔隙；郭亞飛[29]對黑土的研究也表明，免耕具有更好的土壤孔隙結構。本研究結果還顯示，免耕顯著提高了0～10 cm 土層300～500 μm 孔徑的大孔隙度，這與許多旱地研究結果一致。Kay 和VandenBygaart[30]指出，與傳統耕作相比，免耕增加了100～500 μm 的大孔隙，隨著免耕年限的增加，＞500 μm 的生物性孔隙也增加。陳學文等[31]研究也表明在大豆-玉米輪作下免耕秸稈還田增加了0～5 cm 土層＞100 μm 的大孔隙，其原因為免耕土壤表層秸稈和根茬增加了有機質含量，形成了通氣孔隙良好的團粒結構。但本研究免耕處理下并沒有提高土壤有機碳含量，因而土壤大孔隙系統的改善主要歸因于免耕后土壤動物的活動和未受到耕作的擾動。

圖5 不同耕作方式對不同土層土壤孔隙大小分布的影響Fig. 5 Effects of tillage on pore size distribution relative to tillage method and soil layer

3 結 論

通過洞庭湖區4a 稻油輪作系統的耕作試驗對土壤物理結構的研究表明，免耕雖然未顯著改變0～5 cm 土層土壤有機碳含量和土壤容重，但顯著提高了0～10 cm 土層土壤大孔隙度和團聚體的水穩性；此外，免耕改變了土壤孔隙大小分布，顯著提高了0～10 cm 土層各個孔徑的大孔隙，顯著提高了0～10 cm 土層300～500 μm 以及5～10 cm 土層25～300 μm 孔徑的大孔隙度。總體而言，免耕使0～10 cm 土層具有更好土壤孔隙系統，改善了水稻土表層土壤結構，這對在農業生產實踐中制定合理的耕作方式提供了一定的理論依據。