• ISSN 1008-505X
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保护性耕作对棕壤粒径分形特征及碳氮比分布的影响

王少博 曹亚倩 冯倩倩 郭亮亮 梁海 王雪洁 韩惠芳 宁堂原

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保护性耕作对棕壤粒径分形特征及碳氮比分布的影响

    作者简介: 王少博 E-mail:wangbo284519@163.com;
    通讯作者: 韩惠芳, E-mail:hhf@sdau.edu.cn
  • 基金项目: 公益性行业(农业)科研专项(201503117);国家自然科学基金项目(31771737,31471453)资助。

Impacts of conservation tillage on soil particulate composition and distribution of soil carbon and nitrogen in brown soil

    Corresponding author: HAN Hui-fang, E-mail:hhf@sdau.edu.cn ;
  • 摘要: 【目的】分析长期不同耕作措施下棕壤土粒径分布的非均匀性和异质性变化特征,可为农田土壤发育过程以及科学合理耕作提供理论支撑。【方法】本试验基于山东农业大学农学试验站长期定位的保护性耕作试验田(始于2002),试验主要耕作措施有翻耕、免耕和深松3种,还田方式为秸秆全量还田和不还田。采用激光粒度分析仪(LS13320),测定小麦−玉米轮作系统中0—40 cm 土层中的颗粒分布,应用土壤分形理论解析土壤颗粒含量、土壤质地颗粒分布状况及耕作措施和秸秆还田调控土壤颗粒分布的作用。【结果】土壤粒径的基本特征分布中,粘粒体积百分比表现为免耕>深松>初始土样>翻耕,秸秆还田>无秸秆还田,可见长期定位保护性耕作措施下,免耕秸秆还田增加了土壤粘粒含量,降低了土壤中C/N比值,较低的C/N值促进土壤碳氮的分解从而增加土壤的C、N含量;土壤多重分形参数中,D(1)、D(1)/D(0)、D(2)、Δα值都表现为深松和免耕显著高于翻耕处理,说明深松与免耕加剧了土壤颗粒细化,增进了土壤颗粒的异质性;深松秸秆还田加剧了土壤的非均匀程度,增强土壤结构稳定性,对土壤结构有一定的改良作用。土壤粘粒体积百分比与D(1)/D(0)呈显著负相关(P<0.05),土壤粉粒体积百分比与Δf呈显著负相关(P<0.05),土壤砂粒体积百分比与Δf呈正相关(P<0.05)。表明土壤多重分形参数可作为表征土壤颗粒分布、土壤性质的潜在指标。【结论】多重分形参数中D(1)、D(1)/D(0)、D(2)、Δα各处理间表现出差异,深松秸秆还田处理在细微程度上反映了保护性耕作措施的长期影响效果,免耕秸秆还田处理中土壤粘粒与土壤C/N呈极显著负相关,免耕秸秆还田促进粘粒增加,降低了土壤的C/N值,从而增加了土壤有机质及全氮的含量。多重分形参数对表征土壤性质具有重要的指导意义。
  • 图 1  不同耕作措施下棕壤各层次粒径分布的广义维数谱曲线qD(q)图

    Figure 1.  Distribution of generalized dimension spectral curves qD(q) of various layers of brown soil under different tillage treatments

    图 2  不同耕作措施下各层次土壤粒径分布的多重分形奇异谱函数

    Figure 2.  Multifractal singular spectral function of soil particle size distribution under different tillage treatments

    图 3  长期不同耕作措施下的产量变化

    Figure 3.  Changes in yields under different tillage treatments

    表 1  不同耕作方式土壤的基本性质

    Table 1.  The soil basic characteristics of different tillage treatments

    处理
    Treatment
    有机碳 (g/kg)
    Soil organic C
    全氮 (g/kg)
    Total N
    速效氮 (mg/kg)
    Available N
    全磷 (g/kg)
    Total P
    土壤容重 (g/cm3)
    Bulk density
    翻耕秸秆还田Plough, straw returning 10.29 1.22 110.67 7.85 1.43
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 9.23 1.15 108.12 7.90 1.48
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 15.58 1.34 119.53 9.91 1.52
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 16.14 1.54 115.64 8.86 1.57
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 14.18 1.51 121.49 10.76 1.37
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 14.01 1.31 117.52 9.75 1.40
    初始土壤Initial soil 9.13 1.12 110.21 7.80 1.54
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    表 2  不同耕作措施下棕壤粘粒、粉粒和砂粒的体积百分比及分形维数(D)

    Table 2.  The percentage and fractal dimension of brown soil clay granule and granule under different tillage treatments

    土层 Soil layer (cm) 耕作措施Tillage treatment 粘粒Clay 粉粒Silt 砂粒Sand D
    0—10 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 7.71 ± 0.85 b 50.33 ± 2.31 a 41.95 ± 1.24 c 2.72
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 9.28 ± 0.52 a 51.83 ± 2.45 a 38.89 ± 2.97 c 2.78
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 7.59 ± 1.11 b 43.00 ± 6.37 b 49.41 ± 7.46 a 2.6
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 6.24 ± 0.31 c 42.22 ± 1.67 b 51.54 ± 1.95 a 2.55
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 9.96 ± 0.60 a 51.11 ± 3.61 a 38.93 ± 4.20 c 2.81
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 7.26 ± 0.44 b 44.26 ± 2.25 b 48.49 ± 2.68 ab 2.65
    初始土壤Initial soil 7.32 ± 0.06 b 47.37 ± 1.25 a 45.19 ± 2.14 b 2.67
    10—20 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 7.69 ± 0.10 bc 46.05 ± 0.53 b 46.26 ± 0.45 b 2.65
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 8.63 ± 0.02 a 53.32 ± 0.03 a 38.07 ± 0.00 c 2.78
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 7.65 ± 0.39 bc 45.00 ± 2.42 bc 47.36 ± 2.81 b 2.74
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 5.99 ± 0.48 d 41.24 ± 3.43 d 52.77 ± 3.91 a 2.61
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 9.33 ± 0.58 a 47.95 ± 3.22 b 42.71 ± 3.80 bc 2.71
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 6.82 ± 0.26 d 40.09 ± 1.22 d 53.10 ± 1.48 a 2.62
    初始土壤Initial soil 6.31 ± 0.21 d 48.71 ± 2.31 b 44.98 ± 0.36 bc 2.58
    20—40 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 7.62 ± 0.19 b 44.35 ± 0.79 b 48.03 ± 0.98 ab 2.71
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 8.90 ± 0.04 a 51.61 ± 0.89 a 39.49 ± 0.92 abc 2.83
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 8.64 ± 0.19 a 51.03 ± 0.24 a 40.33 ± 0.06 abc 2.71
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 7.92 ± 0.17 b 54.02 ± 1.02 a 38.07 ± 1.12 bc 2.76
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 9.64 ± 0.62 a 57.18 ± 1.41 a 33.18 ± 2.02 c 2.79
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 7.06 ± 0.60 c 42.99 ± 4.29 b 49.95 ± 4.88 a 2.64
    初始土壤Initial soil 7.10 ± 0.19 c 43.25 ± 2.40 b 49.65 ± 2.18 a 2.65
    注(Note):同列数值后不同字母表示同一土壤不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters indicate significant difference among different triiage froutments for the same soil layer at the 0.05 level.
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    表 3  不同耕作措施下各土层的PSD分形参数

    Table 3.  Different depth PSD fractal parameters of different tillage treatments

    土层 Soil layer (cm) 耕作措施Tillage treatment D(0) R2 D(1) R2 D(2) R2 D(1)/D(0)
    0—10 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9241 a 0.9992 0.9098 ab 0.9997 0.9869 b
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 0.9311 a 0.995 0.8813 b 0.9993 0.8934 b 0.9997 0.9412 c
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9132 a 0.9972 0.9207 a 0.9987 0.9807 b
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 0.9364 a 0.995 0.9183 ab 0.9986 0.8974 b 0.9995 0.9752 b
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 0.9364 a 0.995 0.9310 a 0.9996 0.9187 a 0.9987 0.9932 a
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 0.9364 a 0.995 0.9280 a 0.9996 0.9195 a 0.9996 0.9910 b
    初始土壤Initial soil 0.9364 a 0.995 0.9163 a 0.9996 0.9125 a 0.9996 0.9914 a
    10—20 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 0.9364 a 0.995 0.8996 b 0.9986 0.9088 ab 0.9991 0.9743 ab
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9071 ab 0.9996 0.9053 ab 0.9991 0.9708 b
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9149 ab 0.9992 0.9007 b 0.9993 0.9770 ab
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 0.9267 a 0.995 0.9123 ab 0.9978 0.8954 b 0.9988 0.9788 ab
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 0.9364 a 0.995 0.9258 a 0.9995 0.9221 a 0.9996 0.9919 a
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 0.9267 a 0.995 0.9288 a 0.9992 0.8933 b 0.9988 0.9887 ab
    初始土壤Initial soil 0.9363 a 0.995 0.9025 ab 0.9993 0.9904 b 0.9983 0.9801 b
    20—40 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9067 b 0.9993 0.9039 bc 0.9999 0.9993 a
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 0.9364 a 0.995 0.8993 b 0.9984 0.8906 c 0.9991 0.9710 c
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9162 ab 0.9991 0.9017 bc 0.9997 0.9832 b
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 0.9319 a 0.995 0.9092 b 0.9994 0.9125 b 0.9995 0.9704 c
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 0.9267 b 0.995 0.9357 a 0.9987 0.9317 a 0.9995 0.9999 a
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 0.9267 b 0.995 0.9354 a 0.9986 0.9047 bc 0.9988 0.9784 c
    初始土壤Initial soil 0.9264 b 0.995 0.9047 b 0.9992 0.9025 bc 0.9994 0.9731 c
    注(Note):同列数值后不同字母表示同一土层不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters indicate significant difference among different tillage treaments for the same soil layer at the 0.05 level.
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    表 4  不同耕作措施对土壤各层次碳氮比影响

    Table 4.  Effect of different tillage measures on carbon and nitrogen ratio of soil layers

    土壤层次 (cm)
    Soil layer
    处理Treatment 有机质含量 (g/kg)
    Organic matter
    全氮含量 (g/kg)
    Total N
    C/N
    0—10 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 15.61 c 1.25 c 7.24 b
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 19.81 a 1.89 a 6.07 c
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 20.79 a 1.81 a 6.66 bc
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 16.68 c 1.22 c 7.93 a
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 19.09 b 1.44 bc 7.68 a
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 18.93 b 1.52 b 7.22 b
    初始土壤Initial soil 15.03 c 1.23 c 7.09 b
    10—20 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 15.43 b 1.14 c 7.85 b
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 17.42 a 1.79 a 5.65 c
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 15.33 b 1.54 b 5.78 c
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 15.85 b 0.87 d 10.57 a
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 18.29 a 1.37 bc 7.74 b
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 17.31 a 1.33 bc 7.55 b
    初始土壤Initial soil 12.93 c 1.12 c 6.69 b
    20—40 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 7.62 b 0.68 b 6.49 a
    免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 8.26 a 0.93 a 5.15 b
    深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 8.87 a 0.93 a 5.53 b
    翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 6.69 b 0.56 b 6.93 a
    免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 7.24 b 0.74 b 5.67 b
    深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 7.54 b 0.85 a 5.14 b
    初始土壤Initial soil 6.31 b 0.69 b 5.31 b
    注(Note):同列数值后不同字母表示同一土壤不同处理间在0.05水平差异显著 Values followed by different letters indicate significant difference among different triiage froutments for the same soil layer at the 0.05 level.
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    表 5  土壤粒径分形参数与土壤C/N的相关分析

    Table 5.  Correlation analysis of soil grain size fractal parameters with soil C/N

    参数Parameter D(0) D(1) D(2) D(1)/D(0) Δα Δf 粘粒Clay 粉粒Silt 砂粒Sand C/N D
    D(0) 1
    D(1) 0.332 1
    D(2) 0.314 0.569** 1
    D(1)/D(0) 0.171 0.882** 0.529** 1
    Δa −0.099 −0.033 0.059 0.033 1
    Δf −0.018 0.013 0.133 0.035 −0.446** 1
    粘粒Clay 0.171 −0.32 −0.072 −0.486* 0.059 −0.21 1
    粉粒Silt 0.278 −0.085 0.059 −0.151 0.19 0.462* 0.634** 1
    砂粒Sand −0.261 0.163 0.02 0.229 −0.19 0.441* −0.712** −0.922** 1
    C/N 0.251 0.264 0.328 0.864** 0.634** 0.381 −0.663** −0.537* 0.196 1
    D 0.045 −0.486* −0.163 −0.451** −0.007 −0.118 0.830** 0.699** −0.725** −0.368 1
    注(Note):*—P < 0.05;**—P < 0.01.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-04
  • 网络出版日期:  2019-05-28
  • 刊出日期:  2019-05-01

保护性耕作对棕壤粒径分形特征及碳氮比分布的影响

    作者简介:王少博 E-mail:wangbo284519@163.com
    通讯作者: 韩惠芳, hhf@sdau.edu.cn
  • 山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室,山东泰安 271018
  • 基金项目: 公益性行业(农业)科研专项(201503117);国家自然科学基金项目(31771737,31471453)资助。
  • 摘要: 【目的】分析长期不同耕作措施下棕壤土粒径分布的非均匀性和异质性变化特征,可为农田土壤发育过程以及科学合理耕作提供理论支撑。【方法】本试验基于山东农业大学农学试验站长期定位的保护性耕作试验田(始于2002),试验主要耕作措施有翻耕、免耕和深松3种,还田方式为秸秆全量还田和不还田。采用激光粒度分析仪(LS13320),测定小麦−玉米轮作系统中0—40 cm 土层中的颗粒分布,应用土壤分形理论解析土壤颗粒含量、土壤质地颗粒分布状况及耕作措施和秸秆还田调控土壤颗粒分布的作用。【结果】土壤粒径的基本特征分布中,粘粒体积百分比表现为免耕>深松>初始土样>翻耕,秸秆还田>无秸秆还田,可见长期定位保护性耕作措施下,免耕秸秆还田增加了土壤粘粒含量,降低了土壤中C/N比值,较低的C/N值促进土壤碳氮的分解从而增加土壤的C、N含量;土壤多重分形参数中,D(1)、D(1)/D(0)、D(2)、Δα值都表现为深松和免耕显著高于翻耕处理,说明深松与免耕加剧了土壤颗粒细化,增进了土壤颗粒的异质性;深松秸秆还田加剧了土壤的非均匀程度,增强土壤结构稳定性,对土壤结构有一定的改良作用。土壤粘粒体积百分比与D(1)/D(0)呈显著负相关(P<0.05),土壤粉粒体积百分比与Δf呈显著负相关(P<0.05),土壤砂粒体积百分比与Δf呈正相关(P<0.05)。表明土壤多重分形参数可作为表征土壤颗粒分布、土壤性质的潜在指标。【结论】多重分形参数中D(1)、D(1)/D(0)、D(2)、Δα各处理间表现出差异,深松秸秆还田处理在细微程度上反映了保护性耕作措施的长期影响效果,免耕秸秆还田处理中土壤粘粒与土壤C/N呈极显著负相关,免耕秸秆还田促进粘粒增加,降低了土壤的C/N值,从而增加了土壤有机质及全氮的含量。多重分形参数对表征土壤性质具有重要的指导意义。

    English Abstract

    • 粒径分布(particle-size distribution,PSD)作为土壤的基本属性之一,可间接表征土壤在复杂环境中的变化过程,从而反映土壤的肥力条件及侵蚀现状[1]。分形理论的创立和应用成为定量化研究土壤结构与功能的有效工具[2]。分形维数可以表征PSD的自相似性,并反映土壤颗粒的均匀程度[3]。耕作方式是影响土壤质量的关键因素,耕作措施是重要的耕作环节[4]。土壤管理措施对土壤结构及其土壤物理性质退化产生重要影响[5]。土壤有机质和全氮是土壤质量中最为重要的指标,它们不仅反映土壤肥力水平,也表征土壤的发育状况。它们之间的关系可以用土壤碳氮比来表示,即土壤有机碳含量(0.58 × 土壤有机质含量) 与全氮含量的比值,它是土壤质量的敏感指标,是衡量土壤C、N营养平衡状况的指标,它的演变趋势对土壤碳、氮循环有重要影响[6]

      可见,深入研究土壤结构对于构建合理耕层、指导适宜农田耕作措施尤为必要,特别是深入到PSD特征的细微变化及土壤肥力对合理耕作具有一定的实际意义。

      保护性耕作对减轻土壤侵蚀、减少地表径流、改善环境、增加水分入渗与土壤肥力具有重要意义[7]。耕作措施的不同会对土壤结构产生影响。刘鹏涛等[8]研究认为,长期保护性耕作对降低表层土壤容重效果明显。周虎等[9]研究表明不同耕作措施下免耕处理增加了孔隙结构的复杂程度,尤其是 10—15 cm和 20—25 cm层次下的土壤孔隙结构。程科等[10]指出免耕与深松耕作模式能提高耕层土壤团聚体含量,对旱地土壤结构稳定性提高作用明显。杨永辉等[11]指出不同粒级团聚体总有机碳含量呈降低趋势,大粒级团聚体中含有较高的有机碳。保护性耕作在改善土壤物理性质的同时,也能显著提高土壤的肥力性质,如土壤有机质及养分含量。土壤粒径可以作为土壤结构的一部分来表征土壤结构的性质,粒径的重量分布特征可表征土壤粒径分形特征,土粒直径的大小和质地组成的均匀程度可以由土壤PSD分形维数来表征[3, 12]。改变土壤粘粒矿物可影响土壤肥力特征[13]。上述研究均集中在不同耕作措施对土壤结构大尺度团聚体、容重和孔隙度研究上,对于长期定位耕作措施小尺度上的土壤粒径分布,粘粉砂比例的占比相对研究较少,在不同耕作措施下土壤分形理论对土壤粒径分布的影响研究缺乏,这限制了土壤微结构研究的深入性。采用土壤分形理论中的广义维数谱qD(q)曲线、奇异谱函数af(a)指标对土壤粒径分布状况和稳定性特征进行分析,具有不可忽略的优势。本文以长期定位的保护性耕作农田为研究对象,通过原位土的分层测定,比较不同土层不同耕作措施的土壤粒径分布特征,通过分形理论中的单重分形和多重分形奇异性指数分别构造配分函数,通过广义维数谱D(q)确定不同耕作措施下土壤PSD的局部特征和非均匀程度,评价保护性耕作措施长期定位对土壤细微结构以及均匀性的影响,为科学合理的耕作措施及提高农田土壤肥力提供科学依据。

      • 试验在山东农业大学农学试验站进行,试验站位于117°09′E、36°10′N,四季分明,光温充足,属于典型温带大陆性季风气候。多年平均日照时数2462.3 h,年均降水量786.3 mm,年均气温13.6℃。

      • 试验基于长期定位的保护性耕作试验田(始于2002年),试验田土壤类型为棕壤。试验设置3个重复,小区面积为60 m2 (15 m × 4 m) 。试验设计分为耕作处理与秸秆还田处理两因素相互组合,试验为小麦−玉米轮作体系,耕作周期为一年。耕作处理分为传统翻耕处理玉米机械收获秸秆还田/人工收获秸秆全部移走,灭茬翻耕25 cm,打畦筑埂,小麦机械播种收获秸秆还田/人工收获秸秆全部移走,玉米免耕播种。免耕处理流程为玉米机械收获秸秆还田/人工收获秸秆全部移走,施肥小麦机械播种收获秸秆还田/人工收获秸秆全部移走,玉米免耕播种。深松处理流程为玉米机械收获秸秆还田/人工收获秸秆全部移走,施肥深松耕作 (耕作深度40 cm),小麦机械播种收获秸秆还田/人工收获秸秆全部移走,玉米免耕播种。2016年小麦播种前试验地0—20 cm土壤基本理化性质见表1

        表 1  不同耕作方式土壤的基本性质

        Table 1.  The soil basic characteristics of different tillage treatments

        处理
        Treatment
        有机碳 (g/kg)
        Soil organic C
        全氮 (g/kg)
        Total N
        速效氮 (mg/kg)
        Available N
        全磷 (g/kg)
        Total P
        土壤容重 (g/cm3)
        Bulk density
        翻耕秸秆还田Plough, straw returning 10.29 1.22 110.67 7.85 1.43
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 9.23 1.15 108.12 7.90 1.48
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 15.58 1.34 119.53 9.91 1.52
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 16.14 1.54 115.64 8.86 1.57
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 14.18 1.51 121.49 10.76 1.37
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 14.01 1.31 117.52 9.75 1.40
        初始土壤Initial soil 9.13 1.12 110.21 7.80 1.54
      • 试验采用小麦−玉米一年两熟种植模式,小麦品种为‘济麦22号’,小麦于每年10月10日至15日播种,播量90 kg/hm2,并与第二年6月8日至15日收获;玉米品种为‘郑单958’,密度为6.66 × 104株/hm2,于每年6月18日至25日铁茬播种,每年10月8日至12日收获。

        各处理统一田间管理,小麦季基施纯N 225 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2,各处理在拔节期统一追施纯N 110 kg/hm2,浇拔节水160 mm;玉米季基施纯N 120 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2,大喇叭口期追施纯N 120 kg/hm2

      • 试验于2017年6月5日(小麦收获期)进行取样,按“S”型在每个小区 5 点布设,取原状土层次为0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm土样,结合2002年0—40 cm土层初始样品进行测定,土壤样品混合均匀后,进行风干处理。土样分为两部分,一部分原状土样用于测定粒度分布,另一部分土壤样品在室内自然风干后,研磨过150 μm筛,土壤有机碳含量采用重铬酸钾法进行测定;全氮含量采用全自动凯氏定氮仪进行测定。测定过程中每个样品均设置重复样,同时测定标准样以保证数据质量。

      • 小麦成熟时,各试验小区去除边行随机收获2 m2试验田的麦穗,记录有效穗数,试验设3次重复计算小麦产量。玉米成熟时,各试验小区去除边行随机收获10 m双行的玉米穗,记录株数、穗数、空秆率和双穗率,试验设3次重复计算玉米产量。

      • 土壤颗粒体积分数测定利用美国贝克曼库尔特公司生产的LS13320激光粒度仪进行,原状风干土样过2 mm筛后称取5.0 g,加入浓度15%的H2O2,放入水浴锅中低温加热直至气泡全部消失(除去有机质),之后加入10 mL10%HCl并置于水浴锅煮沸(除碳酸盐),将离子水注满烧杯静置过夜后抽取上层液(除酸),以上过程均为除杂,确保粒度分析准确性。加入10 mL浓度为0.5 mol/L的六偏磷酸钠溶液均匀搅拌后浸泡过夜,测量前准备使用超声波清洗机清洗震荡10 min,溶液充分摇匀后,立即吸取溶液到仪器的样品池中,进行超声处理时间为3 min,使土样充分分散,当遮蔽率为(28 ± 2)%时停止加样,开始进行测定,每个样品进行3次重复。

        土壤质地分类根据美国农部制系统划分土壤颗粒粒度:砂粒(粒径0.05~2 mm)、粉粒(粒径0.002~0.05 mm)和粘粒(粒径0~0.002 mm)[14]

      • 土壤颗粒体积分布数据利用激光粒度仪简单便捷获得,本研究运用土壤颗粒体积分形理论模型来计算出土壤单重分形维数D[2],公式为:

        式中:λv—土壤径粒分级中的最大粒径2000 μm;R—某一粒径特征尺度;VR—所有小于R的土粒的粒径,VT—土壤颗粒的总体积;D—土壤颗粒的体积分形维数。

      • 根据激光粒度仪所测的区间Ii = [0.375,2000],将区间Ii划分为93个小区间,Ii = [фiфi+1],i = 1,2,3,$\cdots$,93,vi表示粒径在子区间Ii内土壤颗粒体积百分数,测量到的分析结果为各子区间相对应的土壤颗粒体积百分含量。激光粒度仪测得的土壤颗粒粒径为фi,在测定区间,Ii = [0.375,2000]内,lg(фi+1/фi)为一个常数,利用多重分形方法分析区间I的土壤颗粒粒径分布特征,确保各区间长度一样,需要做变换фj = lg(фi+1/фi),j = 1,2,$\cdots\cdots$,93,故构造一个新的无量纲区间[1.273,5],其中有93个距离的子区间Jj = (фiфj+1),j = 1,2,$\cdots\cdots$,93。在J区间内,有N(ε) = 2k个相同长度的小区间,且为确保每个小区间有一个测量值,本研究中k值取1~6,故本研究中ε取值为0.078、0.156、0.312、0.625、1.25、2.5,pi(ε)表示土壤粒径分布在每个相应子区间上的概率密度(百分含量),即土壤颗粒分布落在子区间Jj内所有测量值的总和。利用pi(ε)构造配分函数族为μi(qε)[15-16]

        式中: q—实数;μi(qε) —第i个子区间q阶概率。

        土壤粒径分布多重分形的广义维数谱为:

        土壤粒径分布的多重分形奇异性指数为:

        $\alpha\left( q \right)$相关的粒径分布多重分形谱函数为:

        公式(3)中得到的广义维数普D(q)曲线,用来表征土壤PSD的局部特征和非均匀性[17]。其中D(0)表示容量维数,可表征土壤粒径的分布范围大小,土壤粒径范围分布越广泛D(0)值越大。D(1)表示信息熵维数,反映土壤粒径分布的集中程度,D(1)越大说明土壤颗粒分布的异质性和不均匀性越大。D(1)/D(0)表示土壤颗粒分布的异质程度,颗粒分布主要集中在密集区时D(1)/D(0)越接近1,颗粒分布主要集中于稀疏区域时接近0。D(2)表示关联维数,表示土壤粒径测量间隔的均匀性,土壤粒径测量间隔之间越均匀D(2)越大[18-19]

        多重分形奇异谱f(α)~α(q)能够表示粒径分布进行不同尺度的划分,将复杂不规则的分形结构进行定量化表示。Δα(Δα = αmaxαmin)为多重分形谱的谱宽,它反映整个分形结构上物理量概率,可以用来测定土壤颗粒分布的不均匀程度,粒径分布越不均匀Δα越大,Δf[Δf = f(αmin)−f(αmax)](表示谱形)为最大与最小概率的比值[20]

      • 试验数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0进行统计与分析,用LSD法进行多重比较(α = 0.05),作图采用SigmaPlot 10.0软件。

      • 土壤颗粒组成根据美国制土壤质地划分(表2),供试土壤颗粒粘粒(0~0.002 mm)占比变化范围在5.99%~9.96%,粉粒(0.002~0.05 mm)占比变化范围在40.09%~57.18%,砂粒(0.05~2 mm)占比变化范围在为38.07%~53.10%。与初始土壤相比,0—10 cm土层中,长期保护性深松、免耕措施下提高了土壤颗粒粘粒的含量,增加幅度为0.27%~2.64%,免耕同时提高了粉粒含量,增加幅度为6.64%,免耕降低了砂粒含量,降低幅度为6.32%,翻耕处理粘粒、粉粒含量有一定程度的降低,通过不同处理之间比较可以发现,土壤粘粒、粉粒含量差异显著,免耕措施显著高于其他处理。10—20 cm土层中,长期免耕秸秆还田措施下趋势与0—10 cm层次相同,而免耕无秸秆还田措施除粘粒含量有一定程度增加外,粉粒、砂粒含量没有显著差异,翻耕秸秆还田与深松秸秆还田措施显著提高了土壤粘粒的含量。20—40 cm土层中,免耕秸秆还田、深松秸秆还田、免耕无秸秆还田显著提高了粘粒、粉粒的含量,增幅分别为1.54%~2.54%、7.78%~13.93%,而其他处理之间无差异。

        表 2  不同耕作措施下棕壤粘粒、粉粒和砂粒的体积百分比及分形维数(D)

        Table 2.  The percentage and fractal dimension of brown soil clay granule and granule under different tillage treatments

        土层 Soil layer (cm) 耕作措施Tillage treatment 粘粒Clay 粉粒Silt 砂粒Sand D
        0—10 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 7.71 ± 0.85 b 50.33 ± 2.31 a 41.95 ± 1.24 c 2.72
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 9.28 ± 0.52 a 51.83 ± 2.45 a 38.89 ± 2.97 c 2.78
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 7.59 ± 1.11 b 43.00 ± 6.37 b 49.41 ± 7.46 a 2.6
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 6.24 ± 0.31 c 42.22 ± 1.67 b 51.54 ± 1.95 a 2.55
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 9.96 ± 0.60 a 51.11 ± 3.61 a 38.93 ± 4.20 c 2.81
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 7.26 ± 0.44 b 44.26 ± 2.25 b 48.49 ± 2.68 ab 2.65
        初始土壤Initial soil 7.32 ± 0.06 b 47.37 ± 1.25 a 45.19 ± 2.14 b 2.67
        10—20 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 7.69 ± 0.10 bc 46.05 ± 0.53 b 46.26 ± 0.45 b 2.65
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 8.63 ± 0.02 a 53.32 ± 0.03 a 38.07 ± 0.00 c 2.78
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 7.65 ± 0.39 bc 45.00 ± 2.42 bc 47.36 ± 2.81 b 2.74
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 5.99 ± 0.48 d 41.24 ± 3.43 d 52.77 ± 3.91 a 2.61
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 9.33 ± 0.58 a 47.95 ± 3.22 b 42.71 ± 3.80 bc 2.71
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 6.82 ± 0.26 d 40.09 ± 1.22 d 53.10 ± 1.48 a 2.62
        初始土壤Initial soil 6.31 ± 0.21 d 48.71 ± 2.31 b 44.98 ± 0.36 bc 2.58
        20—40 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 7.62 ± 0.19 b 44.35 ± 0.79 b 48.03 ± 0.98 ab 2.71
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 8.90 ± 0.04 a 51.61 ± 0.89 a 39.49 ± 0.92 abc 2.83
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 8.64 ± 0.19 a 51.03 ± 0.24 a 40.33 ± 0.06 abc 2.71
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 7.92 ± 0.17 b 54.02 ± 1.02 a 38.07 ± 1.12 bc 2.76
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 9.64 ± 0.62 a 57.18 ± 1.41 a 33.18 ± 2.02 c 2.79
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 7.06 ± 0.60 c 42.99 ± 4.29 b 49.95 ± 4.88 a 2.64
        初始土壤Initial soil 7.10 ± 0.19 c 43.25 ± 2.40 b 49.65 ± 2.18 a 2.65
        注(Note):同列数值后不同字母表示同一土壤不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters indicate significant difference among different triiage froutments for the same soil layer at the 0.05 level.
      • 根据多重分形广义维数谱计算方法对六种不同的耕作措施与初始土壤进行了多重分形分析,q值在[−10,10]变化范围内得到表示土壤颗粒粒径分布的广义维数谱D(q)曲线,不同耕作措施下不同层次的广义维数谱曲线qD(q)如图(1)。

        在−10 ≤ q ≤ 10的变化范围内,q > 0时D(q)的值均小于q为 < 0时D(q)的值[21],说明棕壤农田土壤颗粒分布密集区域的标度性高于稀疏区域。广义谱qD(q)曲线表现为土壤粒径呈非均匀分布,具有上下限和弯曲程度,D(q)值域范围越宽,其曲线趋势愈陡,不同的奇异性强度分形结构范围与土壤径粒分布分形结构的异质性和非均匀性趋势相同。不同耕作管理措施下土壤粒径分布qD(q)曲线都具有一定的弯曲度,均表现出一定的不均匀性。三个层次相比,0—10 cm层次曲线平缓,随着土壤层次的加深,10—20 cm、20—40 cm层次各处理间差异显著,曲线弯曲程度变大。

        q = 0、1、2时,土壤粒径分布表现出$D\left( 0 \right) \geqslant$$D\left( 1 \right) \geqslant D\left( 2 \right)$的规律[22]。当D(0) = D(1) = D(2)时,土壤PSD具有单重分形特征,其表现为均匀分布和自相似性;三者不等时,土壤PSD具有多重分形特征,表现出各异性。不同耕作措施所取土样均表现为D(0) > D(1) > D(2),表明长期定位保护性耕作下的土壤粒径具有各异性,有必要进一步对其进行多重分析比较。

        图1表3看出,选取广义维数谱D(q)中D(0)、D(1)、D(2)、D(1)/D(0)的值均可以从不同角度描述土壤异质特征,在不同耕作措施与秸秆还田方式处理下,土壤粒径分布范围D(0)值各处理各层次间无差异,说明耕作措施对棕壤粒径分布范围影响不大。

        图  1  不同耕作措施下棕壤各层次粒径分布的广义维数谱曲线qD(q)图

        Figure 1.  Distribution of generalized dimension spectral curves qD(q) of various layers of brown soil under different tillage treatments

        表 3  不同耕作措施下各土层的PSD分形参数

        Table 3.  Different depth PSD fractal parameters of different tillage treatments

        土层 Soil layer (cm) 耕作措施Tillage treatment D(0) R2 D(1) R2 D(2) R2 D(1)/D(0)
        0—10 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9241 a 0.9992 0.9098 ab 0.9997 0.9869 b
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 0.9311 a 0.995 0.8813 b 0.9993 0.8934 b 0.9997 0.9412 c
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9132 a 0.9972 0.9207 a 0.9987 0.9807 b
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 0.9364 a 0.995 0.9183 ab 0.9986 0.8974 b 0.9995 0.9752 b
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 0.9364 a 0.995 0.9310 a 0.9996 0.9187 a 0.9987 0.9932 a
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 0.9364 a 0.995 0.9280 a 0.9996 0.9195 a 0.9996 0.9910 b
        初始土壤Initial soil 0.9364 a 0.995 0.9163 a 0.9996 0.9125 a 0.9996 0.9914 a
        10—20 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 0.9364 a 0.995 0.8996 b 0.9986 0.9088 ab 0.9991 0.9743 ab
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9071 ab 0.9996 0.9053 ab 0.9991 0.9708 b
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9149 ab 0.9992 0.9007 b 0.9993 0.9770 ab
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 0.9267 a 0.995 0.9123 ab 0.9978 0.8954 b 0.9988 0.9788 ab
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 0.9364 a 0.995 0.9258 a 0.9995 0.9221 a 0.9996 0.9919 a
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 0.9267 a 0.995 0.9288 a 0.9992 0.8933 b 0.9988 0.9887 ab
        初始土壤Initial soil 0.9363 a 0.995 0.9025 ab 0.9993 0.9904 b 0.9983 0.9801 b
        20—40 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9067 b 0.9993 0.9039 bc 0.9999 0.9993 a
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 0.9364 a 0.995 0.8993 b 0.9984 0.8906 c 0.9991 0.9710 c
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 0.9364 a 0.995 0.9162 ab 0.9991 0.9017 bc 0.9997 0.9832 b
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 0.9319 a 0.995 0.9092 b 0.9994 0.9125 b 0.9995 0.9704 c
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 0.9267 b 0.995 0.9357 a 0.9987 0.9317 a 0.9995 0.9999 a
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 0.9267 b 0.995 0.9354 a 0.9986 0.9047 bc 0.9988 0.9784 c
        初始土壤Initial soil 0.9264 b 0.995 0.9047 b 0.9992 0.9025 bc 0.9994 0.9731 c
        注(Note):同列数值后不同字母表示同一土层不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters indicate significant difference among different tillage treaments for the same soil layer at the 0.05 level.

        与初始土壤相比,在长期不同耕作措施处理下,0—10 cm层次D(1)和D(2) 值深松显著高于翻耕,免耕处理无差异,D(1)/D(0)值深松 > 免耕 > 初始土壤 > 翻耕处理。10—20 cm和20—40 cm层次下,D(1)、D(1)/D(0)值深松处理显著高于免耕,免耕处理显著高于翻耕,D(2)值各处理差异不显著,D(1)/D(0)值均接近1,说明耕作措施对土壤分布集中程度产生影响,且深松措施更能加剧土壤异质性即不均匀程度。对土壤的测量间隔均匀性影响不大。

        在秸秆还田处理下,D(2)值在三个土层均表现为秸秆还田处理显著高于无秸秆还田处理,D(1)、D(1)/D(0)值在0—10 cm和10—20 cm层次秸秆还田处理显著高于无秸秆还田处理;D(1)/D(0)值在20—40 cm层次中秸秆还田处理与无秸秆还田处理差异显著。D(1)/D(0)值均接近1,说明秸秆还田措施对表层土壤的异质性产生影响且加剧土壤颗粒的不均匀程度。

        可见,通过与初始土壤比较,可以发现耕作措施会对土壤颗粒分布产生影响,其中深松耕作对土壤颗粒分布集中程度影响最大,且这种分布加剧了土壤颗粒的不均匀性,同时秸秆还田措施对土壤颗粒分布的集中程度也产生影响,土壤颗粒不均匀程度秸秆还田大于无秸秆还田。

      • 图2,不同耕作措施下土壤粒径分布奇异谱函数αf(α)均为上凸状曲线,且不同耕作措施条件下存在差异,通过谱长和谱宽可以表明土壤具有非均匀质的分形特征,长期不同的耕作方式使得土壤粒径分布的局部叠加程度表现出不同,不规则程度出现差异[22]

        图  2  不同耕作措施下各层次土壤粒径分布的多重分形奇异谱函数

        Figure 2.  Multifractal singular spectral function of soil particle size distribution under different tillage treatments

        本研究中Δα(Δα = αmaxαmin)反映整个分形结构物理量概率测定分布的非均匀程度。耕作措施中α值差异显著,在0—10 cm层次为深松 > 免耕 > 初始土壤 > 翻耕,10—20 cm、20—40 cm层次为深松 > 翻耕 > 免耕 > 初始土壤,秸秆还田措施中,秸秆还田显著高于无秸秆还田。多重谱宽α表明三种耕作措施中深松耕作与秸秆还田措施一样,都加剧了土壤颗粒的不均匀程度。

        Δf[Δf = f(αmin)−f(αmax)]反映多重分形谱的形状特征。0—10 cm层次中,深松秸秆还田措施下Δf值最大,免耕秸秆还田处理Δf值最小;10—20 cm土层中,Δf值呈现深松 > 免耕 > 翻耕 > 初始土壤,秸秆还田措施差异不显著;20—40 cm土层中,Δf值表现为免耕 > 翻耕 > 初始土壤 > 深松,秸秆还田显著高于无秸秆还田。说明深松加秸秆还田显著增加了土壤异质性和不均匀性,Δf值在各层次有所差异,但各层次中Δf值均大于0。

        Δf < 0时,即土壤中小概率粒径占主要地位,f(α)呈右钩状;反之,当土壤中大概率粒径占主要位置,即Δf > 0时,f(α)呈左钩状[21]。从图2中可以看出,不同耕作方式下均为Δf > 0,即所有的土样都呈左钩状(图2),说明在本研究的土样中大概率子集占主要地位。免耕无秸秆还田处理中,虽然也是大概率子集占主导位置,但是其适宜作物生长的粒径范围高于其他处理。

      • 表4可知,耕作方式对土壤碳、氮含量,C/N值均有显著影响,0—10 cm层次中,与初始土壤相比,免耕秸秆还田、深松秸秆还田、免耕无秸秆还田、深松无秸秆还田处理显著提高了有机质含量与氮含量,翻耕秸秆还田、翻耕无秸秆还田处理差异不显著,其中免耕秸秆还田处理碳氮比显著小于其他处理。深松秸秆还田处理有机质与氮含量分别增加38.3%、47.1%。免耕秸秆还田处理有机质与氮含量分别增加31.8%、56.3%。10—20 cm层次中,有机质含量免耕秸秆还田、免耕无秸秆还田、深松无秸秆还田处理显著高于其他处理,氮含量免耕秸秆还田显著高于其他处理。与初始土壤相比,免耕秸秆还田与深松秸秆还田处理分别降低了碳氮比15.6%、13.6%,20—40 cm层次中,土壤有机质含量免耕秸秆还田,深松秸秆还田处理显著高于其他处理,土壤全氮含量免耕秸秆还田、深松秸秆还田、深松无秸秆还田处理显著高于其他处理,与初始土壤相比,在长期的耕作中传统翻耕,土壤碳氮比显著增加,翻耕秸秆还田与翻耕无秸秆还田增加幅度分别为22.2%、30.5%,而其他处理对土壤碳氮比的影响不显著。

        表 4  不同耕作措施对土壤各层次碳氮比影响

        Table 4.  Effect of different tillage measures on carbon and nitrogen ratio of soil layers

        土壤层次 (cm)
        Soil layer
        处理Treatment 有机质含量 (g/kg)
        Organic matter
        全氮含量 (g/kg)
        Total N
        C/N
        0—10 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 15.61 c 1.25 c 7.24 b
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 19.81 a 1.89 a 6.07 c
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 20.79 a 1.81 a 6.66 bc
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 16.68 c 1.22 c 7.93 a
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 19.09 b 1.44 bc 7.68 a
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 18.93 b 1.52 b 7.22 b
        初始土壤Initial soil 15.03 c 1.23 c 7.09 b
        10—20 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 15.43 b 1.14 c 7.85 b
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 17.42 a 1.79 a 5.65 c
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 15.33 b 1.54 b 5.78 c
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 15.85 b 0.87 d 10.57 a
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 18.29 a 1.37 bc 7.74 b
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 17.31 a 1.33 bc 7.55 b
        初始土壤Initial soil 12.93 c 1.12 c 6.69 b
        20—40 翻耕秸秆还田Plough, straw returning 7.62 b 0.68 b 6.49 a
        免耕秸秆还田No-tillage, straw returning 8.26 a 0.93 a 5.15 b
        深松秸秆还田Deep loosing, straw returning 8.87 a 0.93 a 5.53 b
        翻耕无秸秆还田Plough, no straw returning 6.69 b 0.56 b 6.93 a
        免耕无秸秆还田No-tillage, no straw returning 7.24 b 0.74 b 5.67 b
        深松无秸秆还田Deep loosing, no straw returning 7.54 b 0.85 a 5.14 b
        初始土壤Initial soil 6.31 b 0.69 b 5.31 b
        注(Note):同列数值后不同字母表示同一土壤不同处理间在0.05水平差异显著 Values followed by different letters indicate significant difference among different triiage froutments for the same soil layer at the 0.05 level.
      • 图3可知,经过连续15年的不同耕作处理,与初始传统翻耕无秸秆还田相比,传统翻耕秸秆还田处理小麦年均产量为7.5 t/hm2,增产幅度为3.2%。深松耕作小麦季增产效果显著,其中深松加秸秆还田年均产量为8.0 t/hm2,深松无秸秆还田7.69 t/hm2,增产幅度达6.1%和5.3%。免耕处理出现显著减产,免耕加秸秆还田年均产量为7.42 t/hm2,免耕无秸秆还田处理为7.01 t/hm2,减产幅度分别达−1.6%和−3.9%。

        图  3  长期不同耕作措施下的产量变化

        Figure 3.  Changes in yields under different tillage treatments

        与传统翻耕无秸秆还田相比,传统翻耕加秸秆还田、深松加秸秆还田、免耕秸秆还田处理玉米季产量为11.08、11.68、11.05 t/hm2,增产幅度分别为5.55%、11.23%、5.23%;深松无秸秆还田、免耕无秸秆还田产量分别为10.43、9.43 t/hm2,减产幅度为−3.7% 和−10.19%。

      • 表5中显示的是不同耕作年限下棕壤土壤单重分形与多重分形参数与土壤C/N的相关关系。结果表明,棕壤经过15年长期定位试验,不同耕作措施及还田方式下,土壤粘粒、粉粒体积百分比与单重分形维数D值呈极显著正相关(P < 0.01),土壤砂粒体积百分比与单重分形维数呈极显著负相关(P < 0.01)。土壤粘粒体积百分比与D(1)/D(0)呈显著负相关(P < 0.05),土壤粉粒体积百分比与Δf呈显著正相关(P < 0.05),土壤砂粒体积百分比与Δf呈正相关(P < 0.05)。土壤C/N与土壤粘粒体积百分数呈极显著负相关关系(P < 0.01)与D(1)/D(0)及Δα呈极显著正相关关系(P < 0.01),与土壤粉粒体积百分比呈显著负相关关系(P < 0.05)。其他参数与土壤的粘粒、粉粒、砂粒的相关性没有显著。对比各个参数之间的相关性,D(1)与D(2)、D(1)/D(0)呈极显著正相关(P < 0.01),D(2)与D(1)/D(0)呈极显著正相关(P < 0.01),ΔαΔf呈极显著负相关(P < 0.01),DD(1)/D(0)呈显著负相关(P < 0.01),综合土壤颗粒体积百分比与土壤多重参数比较,可以发现棕壤的土壤颗粒分形特征受棕壤粘粒、粉粒、砂粒含量的影响。

        表 5  土壤粒径分形参数与土壤C/N的相关分析

        Table 5.  Correlation analysis of soil grain size fractal parameters with soil C/N

        参数Parameter D(0) D(1) D(2) D(1)/D(0) Δα Δf 粘粒Clay 粉粒Silt 砂粒Sand C/N D
        D(0) 1
        D(1) 0.332 1
        D(2) 0.314 0.569** 1
        D(1)/D(0) 0.171 0.882** 0.529** 1
        Δa −0.099 −0.033 0.059 0.033 1
        Δf −0.018 0.013 0.133 0.035 −0.446** 1
        粘粒Clay 0.171 −0.32 −0.072 −0.486* 0.059 −0.21 1
        粉粒Silt 0.278 −0.085 0.059 −0.151 0.19 0.462* 0.634** 1
        砂粒Sand −0.261 0.163 0.02 0.229 −0.19 0.441* −0.712** −0.922** 1
        C/N 0.251 0.264 0.328 0.864** 0.634** 0.381 −0.663** −0.537* 0.196 1
        D 0.045 −0.486* −0.163 −0.451** −0.007 −0.118 0.830** 0.699** −0.725** −0.368 1
        注(Note):*—P < 0.05;**—P < 0.01.
      • 土壤颗粒组成影响土壤的入渗特性、肥力养分状况,并与土壤侵蚀和退化直接相关,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 土层中粘粒、粉粒含量免耕处理显著高于深松、翻耕处理,砂粒含量免耕处理显著低于深松、翻耕处理。在20—40 cm土层土壤颗粒分布差异不显著。这说明棕壤在长期免耕条件下能够增加土壤的粘粒、粉粒的含量,原因可能是由于长期免耕条件下减少了土壤的翻动,植物残体主要集中在表土层中,为微生物生长分解提供能量动力,从而使土壤微生物新陈代谢活动增强,在加剧土壤有机碳矿化、增加土壤有机碳有效性的同时,还能够加剧土壤颗粒矿化分解,使得土壤颗粒细化。而传统翻耕植物残体、肥料投入等则分布在0—20 cm土壤耕作层中,故土壤表层中的微生物活性弱于免耕耕作[24]

        秸秆还田方式下,0—10 cm、10—20 cm 土层中秸秆还田中粉粒含量显著高于无秸秆还田,砂粒含量显著低于无秸秆还田;在20—40 cm 土层中秸秆还田砂粒含量也显著低于无秸秆还田处理,秸秆翻压处理增加了土壤的黏性程度。原因可能归结为秸秆还田增加了土壤表层的粗糙度,减少了风蚀对土壤细化颗粒粘粒、粉粒的风蚀作用,同时,秸秆的分解物质促进土壤颗粒的细化,秸秆增加的土壤表层的粗糙度对粘粒的截留起到促进作用[25]

        采取免耕与秸秆还田结合措施,可显著增加粘、粉粒颗粒含量,减低农田土壤风蚀[25]。土壤中的粘粒富含作物生长所需的养分与肥力[26]。本研究表明免耕秸秆还田效果优于其他处理,增加了土壤粘粒、粉粒含量,因此免耕、秸秆还田与翻耕耕作措施相比,在增加土壤抗侵蚀程度的同时,也能增加土壤肥力。

      • 广义维数可以表征土壤PSD非均匀程度和异质性[27]。本研究表明,各处理D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值均有差异,深松显著提高了D(1)、D(2)、D(1)/D(0)值,表明深松增加土壤粒径的局部集中程度,促进土壤的不均匀性。秸秆还田措施更加剧了这种不均匀性。原因为传统翻耕过程中,土壤可蚀性高的心土或亚表土层露出地表,加速了土壤风蚀和水蚀等一系列问题,而深松在不翻转土壤的情况下,能够打破犁底层[28],形成虚实并存的土壤结构,有利于土壤的气体交换,能够为作物的根系创造出疏松且深厚的土壤环境,促进好气性微生物的活化和矿物质分解,促进土壤颗粒的不均匀性[29]

        奇异谱函数αf(α)中,Δα反映整个分形结构物理量概率测定分布的非均匀程度,可描述分形结构不同区域、不同层次、不同局域条件下的土壤颗粒分布特性,可显示土壤属性的空间异质性与不均匀程度[22]。粒径的组成越均匀,其稳定性越差,粒径的组成越不均匀,即均匀系数越大,则越稳定[30]。本研究表明,深松秸秆还田措施下,Δα值显著高于其他处理,说明深松秸秆还田加剧了土壤颗粒的不均匀程度,从而促进了土壤结构的稳定性。这与上述研究的广义维数谱qD(q)中D(q)反映土壤颗粒情况一致。

      • 土壤C/N通常被认为是土壤氮素矿化能力的标志,低的C/N可以加快微生物的分解和氮的矿化速率[31]。土壤颗粒分布在土壤发育过程中受到各种因素的相互作用,本研究中种植方式、肥料投入与管理措施一致的基础上,不同的耕作措施成为影响土壤颗粒分布的唯一关键因素。本研究表明,在不同耕作措施下免耕与深松加秸秆还田措施与初始土壤和传统耕作相比,均在一定程度上提高了土壤有机质和土壤全氮含量。一般认为传统耕作方式降低了土壤微生物多样性,不利于土壤微生物活动,对土壤碳氮分解矿化能力弱,而长期保护性耕作(免耕和深松)等有利于提高土壤微生物多样性[32]。田慎重等[33]研究表明长期免耕能有效提高土壤SOC库水平,特别是土壤表层。分析认为免耕、深松技术减少了土壤扰动,降低了碳、氮损失,同时加上有机物质(秸秆)的输入,促进了土壤团聚体对有机碳的保护作用,提高了土壤大团聚体数量及其稳定性,从而有效增加了有机碳储量。深松耕作在改善土壤性质的同时,能够较好地调节土壤小气候,避免土壤生物退化,激发土壤固定氮的能力与潜力,促进作物根系生长及其对氮素的吸收,深松加秸秆还田措施对土壤生态环境具有调控效应和对作物生长发育有促进效应,从而合理调节土壤碳氮比[34]

        土壤碳氮作为作物生长必需的养分,对作物产量构成因素有重要影响[34],本研究在长期定位的不同耕作措施下发现,深松耕作对作物产量提高较为显著,尤其是深松配以秸秆还田措施下,这可能归结为深松秸秆还田措施下为作物生长不仅提供了高于其他耕作方式的碳氮等养分,同时提供了较好的空间环境等物理因素;免耕措施下秸秆还田与无秸秆还田处理均出现了减产状况,可能是因为长期的免耕措施土壤尽管能够积累较多的碳氮养分,但容重、透气性等土壤物理性状[34]不如其他耕作方式。

      • 为进一步明确土壤颗粒分布及土壤分形参数与土壤性质的关系,本文对各参数进行了相关性分析。本研究表明,免耕秸秆还田措施下土壤粘粒的体积百分比显著高于其他处理,土壤C/N与土壤的粘粒体积百分比呈极显著负相关。表明较低的碳氮比有利于土壤粘粒的形成。可见,长期免耕秸秆还田措施下,由于作物秸秆的增加,微生物活动增强,不仅需要更多的碳源,也需要更多的氮源作为补充[31],同时伴随着土壤表层中有机碳、全氮含量的增加,也加剧了土壤颗粒的矿化,促使土壤细化,土壤粘粒比例增加。本研究结果中的土壤C/N与土壤多重分形参数Δα呈极显著负相关关系,Δα用来反映土壤颗粒不均匀程度,土壤碳氮比的降低会加剧土壤颗粒的不均匀性,与本研究结果深松秸秆还田措施能增加土壤颗粒的不均匀性,且降低土壤C/N相一致。

        棕壤在各耕作措施下土壤颗粒组成、单重分形维数与粘粒粉粒体积百分比含量呈显著正相关关系,与土壤砂粒百分比含量呈负相关关系,这与管孝艳等[27]研究结果一致。利用广义维数普D(q)来描述土壤PSD分布的均匀性和质异性的研究已经相对较多,报道中显示不同土壤质地、不同土壤利用方式下D(q)中的D(0)、D(1)、D(2) 、D(1)/D(0)与土壤颗粒分布有一定的相关关系,研究结果有所差异[35]。本研究中棕壤在15年的不同耕作措施下,土壤粘粒与D(1)/D(0)呈显著负相关关系,表明土壤粘粒的增加,会促使土壤异质性程度加剧,这与王德等[12]研究结果相反。说明虽土壤类型一致,但土地利用方式的对土壤颗粒分布也有影响,林地相比,耕地土壤利用效率更高,对土壤颗粒分布影响更大,Δf与土壤粉粒体积含量呈正相关,与土壤砂粒体积含量呈负相关。表明土壤颗粒分布与多重分形曲线有一定的相关性。相关研究表明了多重分形参数在表征土壤PSD方面具有较高的灵敏性与精准度,王德等[12]研究表明D(1)/D(0)与土壤细颗粒含量和有机质含量呈显著的正相关关系。本研究进一步研究表明D(1)/D(0)与Δα与土壤C/N呈显著正相关。本研究是基于同类型土壤棕壤不同利用方式下土壤颗粒分布的研究,但迄今为止同种土地利用方式下,不同土壤类型土壤颗粒的多重分形特征研究相对较少,还需要进一步对深入研究。

      • 棕壤在长期定位保护性耕作措施下,免耕秸秆还田能够增加土壤0—20 cm土层的土壤粘粒含量,土壤粘粒的增加从而降低了土壤中C/N的值,较低的C/N值促进土壤碳氮的分解,增加了土壤中的有机质及全氮的含量,从而增加了土壤肥力。

        研究棕壤土样具有多重分形的特征,广义维数谱qD(q)表明棕壤农田土壤颗粒分布密集区域的标度性要比稀疏区域好。DD(1)/D(0)、ΔαΔf均可以从不同角度出发来描述长期不同耕作措施下土壤的异质性。长期不同耕作措施下,深松秸秆还田处理中D(1)/D(0)、D(1)、D(2)值显著高于其他处理,表明深松秸秆还田处理加剧了土壤的非均匀程度,土壤颗粒分布越不均匀,土壤结构稳定性越强,深松秸秆还田促进土壤结构的稳定性。

        长期不同耕作措施、还田方式影响棕壤颗粒分布,通过多重分形参数中的土壤颗粒分布变化,DD(1)/D(0)、ΔαΔf的值在各处理间表现出显著差异,从而这些参数在细微程度上反映了保护性耕作措施对土壤长期的影响效果。

    参考文献 (35)

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