基于不同深翻年限土壤團聚體空間分異與穩定性研究

楊濟達，伏成秀，朱紅業，張 慶，馬世貴，姚巧敏

(1.云南省農業科學院農業環境資源研究所，昆明 650205；2.嵩明縣農業產業發展中心，云南 嵩明 651700；3.祥云泰興農業科技開發有限責任公司，云南 祥云 672100)

【研究意義】耕作方式本質上是通過影響耕層土壤的結構改變其理化性狀，對土地生產力產生影響[1-3]。耕作方式是機械外力直接改變土壤結構的物理驅動，土壤團聚體是不均勻的土壤結構單元，耕作措施直接作用導致土壤原有團聚體含量、粒徑分布以及穩定性的分異和重組，進而影響土壤的透氣性、保水性以及抗侵蝕能力。因此，研究不同深翻年限下土壤團聚體空間分異及深翻措施下土壤團聚體穩定性對明晰深翻作用對土壤結構的擾動機制具有現實意義。【前人研究進展】深翻措施通過機械外力直接作用導致土壤原有結構的組分重組，造成其結構組分和理化性質的垂向空間分異[4-7]。陳洪清等[8]研究表明傳統旋耕直接破碎土壤團聚結構，使團聚體暴露于干濕循環和冷熱循環中，表現為土壤大團聚體破碎成微團聚體或單個顆粒，并暴露出受團聚體保護的土壤有機質，加快有機質的礦化。同時，土壤孔隙的減少會使團聚體黏合能力下降，土壤破碎度增加，導致土壤團聚體抵抗機械破壞的能力下降[9-11]。王興等[12]研究表明隨著土層深度變化，土壤水分及容重對土壤結構的影響也可能變化，表現為影響土壤膠體的分散從而影響土壤結構水穩定性。其中，不同耕作深度對土壤團聚體影響效果較大，表現為耕作深度和耕作制度擾動導致土壤黏粒分布不均，翻耕10 cm和翻耕30 cm處理下2～8 mm粒徑的土壤團聚體含量減小，微團聚體(<0.25 mm)含量在整體上呈上升趨勢，隨翻耕深度的增加，土壤團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑也隨之減小。連年淺耕的土壤常在其剖面上形成了分布位置較高的犁底層，不利于水分、養分的保持，產生“上實下虛”或“下實上虛”的不合理耕層結構。深翻相比于淺旋耕，可以降低土壤容重，改善土壤團聚結構性能，增加土壤有機碳含量和水分利用效率，進而提高耕地的作物產量，但是深耕對耕層結構的擾動明顯加大。同時，耕翻后，土壤原有的表土、心土，甚至是底土常被混合，經歷著人為的熟化過程和繼續作用的自然形成過程[13-14]。【本研究切入點】土壤團聚體作為土壤最重要的結構單元，深翻措施對土壤團聚體結構性能必然產生影響。深翻后的土壤由于上下土層的翻動和混合，在其剖面上形成了既不同于自然土壤發生發育的層次，也不同于傳統淺旋耕措施下形成的耕作土壤剖面發育層次。以往大量的研究多集中于不同耕作方式下土壤物理性狀的變化。然而在同一深翻耕作方式下，基于土層深度的空間尺度與深翻年限的時間尺度、土壤團聚體的空間分布格局與動態變化特征仍鮮有研究。【擬解決的關鍵問題】本研究針對深翻措施，基于土層垂向不同土層深度，開展土壤團聚體基于不同深翻年限的空間分布格局與對時間動態變化特征研究，以期探明深翻措施對土壤團聚體在土壤層次發生和空間分異上的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于云南省大理州祥云縣劉廠鎮(25°28′37″N，100°45′4″E)，屬北亞熱帶偏北高原季風氣候區，海拔1904 m，年平均氣溫14.7 ℃，1月平均氣溫8.1 ℃，7月平均氣溫19.7 ℃；年均降雨量700～810 mm，日照時數為2030.2～2623.9 h。祥云縣2020年蔬菜種植面積為16 666 hm2，產鮮菜51.7×104t，實現綜合產值15億元，成為滇西北高原特色農業發展的主要蔬菜產區。2014—2021年在祥云泰興農業科技開發有限責任公司試驗基地連續開展周年試驗，以葉菜類蔬菜進行周年連茬種植，建成蔬菜標準化種植示范基地273 hm2，主要種植黃白、上海青、生菜、松花、西蘭花、油麥菜等30多個特色蔬菜品種，年產蔬菜3.5×106t。針對長期淺旋耕和周年多茬種植造成的土壤結構性退化，于2014年開始實施深翻60 cm+有機培肥的土壤改良措施。土壤理化性質見表1。

表1 研究區土壤性狀

1.2 試驗設計與樣品分析

為探究不同年限深翻措施對不同土層深度團聚體分布及其穩定性的影響，本研究以第1次進行深翻措施的年限(2014年)的土壤為對照，設置7個深翻年限(2014—2020年)進行連續采樣監測分析。各深翻年限土壤采樣小區面積為15 m2，設置3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)進行剖面原位采樣。為降低其余耕作措施和田間管理因素差異造成的影響，試驗區耕作措施、水肥管理和田間操作均保持統一并按照生產規范管理。

1.2.1 土壤樣品采集 2021年5月按照不同深翻年限土壤區域采集土壤樣品，在各樣地內隨機選擇5個取樣點，挖掘60 cm深垂直土壤剖面，分3個土層采集原位整塊試驗所需土壤樣品，同時采用環刀法采集對應深度原位土壤，并將土壤置于保溫箱避免人為擾動。土樣帶回實驗室進行預處理，包括風干、去除土樣中植物根系和碎石塊，混合后分成2份，一份用于團聚體分析，另一份用于土壤理化性質測定。

1.2.2 土壤理化性質測定 經過預處理后分析測定土壤各理化性質指標，包括土壤pH、有機質、總氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀。pH測定采用電位測定法；有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量測定采用重鉻酸鉀—硫酸消化法；水解性氮含量測定采用堿解擴散法；全磷含量測定采用硫酸—高氯酸消煮法；速效磷含量測定采用碳酸氫鈉法；土壤全鉀含量測定采用NaOH-火焰光度計法；速效鉀含量測定采用醋酸銨—火焰光度計法。

采用干篩、濕篩法分別測定土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體。干篩法測定土壤中機械穩定性團聚體含量，取經過預處理后的土壤樣品200 g，使其通過干篩(孔隙：5.00、2.00、0.50、0.25 mm)，計算>5.00、5.00～2.00、2.00～0.50、0.50～0.25、<0.25 mm 的5個粒徑團聚體；濕篩法測定土壤中水穩性團聚體含量，取50 g土樣放置于團聚體分析儀進行濕篩，烘干法測定每個粒徑水穩性土壤團聚體的重量。

團聚體破壞率(PAD)的公式：

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%。

1.3 數據分析

表格中數據以平均值±標準誤表示。數據分析和繪圖采用IBM SPSS 22.0 和Excel 2021軟件進行。相關性分析用于表述團聚體穩定性指標之間的關系；單因素(One-way ANOVA)和鄧肯(Duncan)法進行方差分析和差異顯著性檢驗(P<0.05)用于比較不同土層和不同深翻年限之間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同深翻年限土壤團聚體含量及分布特征

2.1.1 不同深翻年限土壤團聚體的含量變化 DR0.25和WR0.25在不同深翻年限的時間尺度和不同土層深度的空間尺度，其含量差異明顯(表2)。DR0.25在不同深翻年限和不同土層深度均高于90%，介于91.90%～98.42%。DR0.25在3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)總體呈隨深翻年限增加而減小的趨勢，其中，深翻7年較深翻1年，DR0.25在3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)均顯著降低(P<0.05)，分別減少4.0%、4.8%和3.7%。

表2 不同深翻年限下各土層的DR0.25和WR0.25

WR0.25明顯低于DR0.25，介于50.62%～80.20%。WR0.25在同一深翻年限，總體表現為隨土層深度增加而降低的趨勢，其中，深翻7年后，WR0.25在20～40、40～60 cm 土層較0～20 cm土層分別降低4.8%、7.7%；深翻作用下，WR0.25在3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)總體表現為隨深翻年限增加而增加的趨勢，其中深翻7年后較深翻1年，3個土層深度(0～20、20～40、40～60 cm)分別顯著增加22.4%、25.5%和44.3%。綜上結果表明，WR0.25較DR0.25對深翻作用的響應更為敏感，受深翻作用影響，不同土層WR0.25明顯低于DR0.25。

2.1.2 不同深翻年限土壤水穩性團聚體的分布特征 基于水穩性團聚體對深翻作用的敏感性，進一步分析水穩性團聚體各粒徑在不同深翻年限后各土層深度的分布。由圖1～3可知，0～20 cm土層水穩性團聚體深翻7年后較深翻1年，>5.00 mm和<0.25 mm粒徑團聚體數量分別減少34.4%和30.4%；0.5～2.0 mm粒徑團聚體數量增加46.7%。20～40 cm土層各粒徑分布隨深翻年限增加并未呈現規律性變化，深翻7年后，水穩性團聚體主要以>5.00 mm和0.50～2.00 mm粒徑分布為主，占比分別高達34.64%和35.03%。40～60 cm土層在深翻1年，主要以<0.25 mm和0.50～2.00 mm粒徑分布為主，占比分別為49.38%和29.94%，>5.00 mm粒徑占比最低，僅有3.24%；深翻7年后，水穩性團聚體主要以>5.00 mm和<0.25 mm粒徑分布為主，占比分別為28.72%和26.95%；同時，各粒徑分布差異明顯降低，占比介于10.57%～28.72%。

圖1 不同深翻年限0～20 cm土層土壤團聚體分布Fig.1 Distribution of soil aggregates in 0-20 cm soil layer in different deep turning years

圖2 不同深翻年限20～40 cm土層土壤團聚體分布Fig.2 Distribution of soil aggregates in 20-40 cm soil layer in different deep turning years

圖3 不同深翻年限40～60 cm土層土壤團聚體分布Fig.3 Distribution of soil aggregates in 40-60 cm soil layer in different deep turning years

表3 不同深翻年限下各土層MWD變化

2.2 不同深翻年限土壤團聚體穩定性

2.2.1 土壤團聚體平均重量直徑MWD變化 由表3可知，MWD在0～20 cm土層隨深翻年限增加總體變化不明顯，除深翻3年后(1.64 mm)顯著低于其余年限外，其余年限間差異不顯著(介于2.09～2.63 mm)；20～40 cm土層MWD隨深翻年限增加，總體表現為逐漸增大的趨勢，深翻7年后較深翻1年，MWD顯著增加161.5%；40～60 cm土層MWD在深翻1～7年總體表現為隨深翻年限增加而先增加后降低的趨勢，深翻5年較深翻1年，MWD顯著增加196.1%；深翻6～7年 MWD逐漸降低，較深翻5年分別降低14.2%和9.9%，但與深翻5年相比差異不顯著(P>0.05)。綜上，深翻作用下，土壤表層與底層進行翻耕混勻，并隨深翻年限增加團聚體趨于逐漸穩定的趨勢，其中，深翻4～7年，各土層深度團聚體穩定性差異均不顯著(P>0.05)。

2.2.2 土壤團聚體破壞率PAD變化 由圖4可知，深翻前4年各土層深度PAD表現為40～60 cm>20～40 cm>0～20 cm；各土層PAD隨深翻年限增加總體呈降低趨勢，其中0～20 cm土層PAD變化波動較小，介于18.18%～28.18%；20～40 cm土層深翻7年后較深翻1年PAD降低48.2%；40～60 cm土層深翻7年后較深翻1年PAD降低53.0%。綜上，深翻作用下，PAD的變化總體呈隨土層深度增加而增大，隨深翻年限增加而降低的趨勢。

圖4 不同深翻年限各土層土壤團聚體破壞率Fig.4 The PAD of soil aggregates of each soil layer in different deep ploughing years

2.3 土壤團聚體穩定性指標相關性分析

由表4可知，WR0.25、PAD、MWD 3個指標相關系數呈顯著相關關系(P<0.05)，其中WR0.25與PAD呈顯著負相關關系，相關系數R=-0.750，WR0.25與MWD呈顯著正相關關系，相關系數R=0.866，PAD與MWD呈顯著負相關關系，相關系數R=-0.795。

表4 土壤團聚體各指標的相關性分析

進一步分析WR0.25與深翻年限的關系，由圖5可知，不同土層WR0.25均呈隨深翻年限增加而逐漸增加的趨勢，表現為正相關關系，其中40～60 cm土層表現為顯著正相關關系(P<0.05)，相關系數R=0.767。進一步分析PAD與深翻年限的關系，由圖6可知，不同土層PAD隨深翻年限增加均呈逐漸降低的趨勢，表現負相關線性關系，其中0～20 cm和40～60 cm土層表現為顯著負相關關系(P<0.05)，相關系數分別為0.651和0.757；同時PAD隨土層深度增加呈明顯增加的趨勢。

圖5 不同深翻年限WR0.25的變化Fig.5 Variation of WR0.25 in different deep turning years

圖6 不同深翻年限PAD的變化Fig.6 Variation of PAD in different deep turning years

3 討 論

3.1 深翻作用對土壤團聚體含量的影響

土壤中粒徑>0.25 mm的團聚體含量和平均重量直徑MWD越高，說明團聚體穩定性越強，土壤的結構性能越好。不同土層深度機械穩定性團聚體DR0.25均高于90%，但水穩性團聚體WR0.25較DR0.25變化更加明顯，介于50.62%～80.20%，表明深翻作用下，機械外力直接作用土壤原有結構，導致團聚體含量的組分重組，表現為水穩性團聚體組分變異較大，WR0.25較DR0.25對深翻作用的響應更為敏感。深翻作用破壞土壤團聚體間的孔隙，土壤孔隙的減少導致團聚體黏合能力下降，土壤抗破碎強度隨之下降，通過土壤膠體的分散從而影響土壤結構水穩定性[15-18]。

3.2 深翻作用對土壤團聚體穩定性的影響

深翻作用下，PAD表現為隨土層深度增加而增大，隨深翻年限增加而降低的趨勢。傳統旋耕對土壤的表層長期耕翻，直接破碎表層土壤團聚結構[19]。深翻作用下，其原有的表土、心土有時甚至是底土常被混合，表層和深層土壤出現了空間位移，原表層土壤大團聚體破碎成微團聚體或單個顆粒經深翻作用置于深層，深層通氣通水較差，冷熱變化較小，生物尤其是微生物活動弱，養分物質缺乏或轉化較慢，微團聚體或單個顆粒團聚能力受限，隨深翻年限增加，呈現為土壤深層結構水穩性下降[20-21]。另一方面，深層土壤深翻后空間位移至表層，使團聚體暴露于干濕循環和冷熱循環中，受地表生物氣候的影響較大，通氣通水性高，物質轉化較快，水分養分供應較多，隨深翻年限增加，導致大團聚體破碎程度增加[22-24]。深翻作用打破土壤原有團聚體分布格局，土壤表層和底層水穩性團聚體含量和穩定性較低，表現為明顯的兩極分化[25-27]，但深翻作用使得整個0～60 cm土層深度通氣通水性能提高，表層底層冷熱差異較小，土壤縱向層次結構差異減小，隨深翻年限增加，土壤水穩性團聚體分布兩極分化逐漸趨同，穩定性逐漸增加。

4 結 論

(1)深翻措施直接作用于土壤團聚體結構，團聚體含量組分重組導致原生耕作土壤層次分異，層次分異表現為表層和底層兩級分化，水穩性團聚體組分變異較大，層次發生響應更為敏感。

(2)深翻作用使土壤表層與底層實現空間位移、混勻，致使各土層原有層次分異趨于同質化，隨深翻年限增加，土壤團聚體分布格局逐漸趨同，穩定性逐漸增加。