• ISSN 1008-505X
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吉林省西部不同耕作模式下秸秆还田土壤团聚体特征

王俊 李强 任禾 刘春光 高洪军 张秀芝 朱平 彭畅

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吉林省西部不同耕作模式下秸秆还田土壤团聚体特征

    作者简介: 王俊 E-mail:1689776@qq.com;
    通讯作者: 彭畅, E-mail:13224412925@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0300803,2016YFD0800101);吉林省重大科技招标专项(20170203002NY)。

Soil aggregate characteristics under different tillage and in-situ straw returning methods in western Jilin, China

    Corresponding author: PENG Chang, E-mail:13224412925@163.com
  • 摘要:   【目的】  通过研究不同耕作模式下土壤团聚体特征,探明耕作模式对土壤团聚体质量指标的影响,为解决区域长期传统耕作模式所引起的土壤结构质量下降问题及构建土壤合理耕作层提供科学依据。  【方法】  从2016年10月开始,在吉林省西部松原市宁江区开展田间试验,采用随机区组设计,将耕作结合秸秆还田设置了4个处理,分别为常规耕作 (秸秆清除后进行旋耕,LR)、连续旋耕 (秸秆粉碎还田后进行旋耕,SR)、翻耕–旋耕 (秸秆粉碎还田后,轮流进行翻耕和旋耕,STR)、翻耕–免耕 (秸秆粉碎还田后,轮流进行翻耕和免耕,STN)处理。于2018年10月采集0—20和20—40 cm土层土壤样品,分析了土壤团聚体组成分布、团聚体稳定性及团聚体各粒级有机碳含量。  【结果】  与LR处理相比,秸秆还田可明显改善土壤团聚体结构及稳定性 (P < 0.05)。秸秆还田条件下,STR和STN土壤中大于0.25 mm的机械稳定性团聚体含量比连续旋耕 (SR) 处理显著增加10.6% (P < 0.05)。与LR处理相比,STR和STN处理耕层土壤机械稳定性团聚体几何平均直径 (GMD) 明显提高,而STR和STN处理土壤团聚体分形维数(D)平均降低3.9%,耕层不稳定团粒指数 (Elt) 也显著降低。STN处理 在0—20 cm土层具有较高的土壤团聚体有机碳含量。  【结论】  秸秆还田下,两种轮耕模式具有更高的团聚体稳定性,且有较小的分形维数,进而具有较好的抗蚀能力,其中翻耕–免耕轮耕模式团聚体稳定性更好,耕层土壤中团聚体有机碳含量更高。因此,翻耕–免耕轮耕模式是吉林省西部地区土壤肥力保育的有效措施和耕作模式。
  • 图 1  不同耕作模式下土壤团聚体破坏率和不稳定团粒指数

    Figure 1.  Percentage of aggregate disruption (PAD) and unstable aggregate index (Elt) in soils under different tillage methods

    图 2  各处理0—20 和 20—40 cm土层水稳性团聚体分形维数

    Figure 2.  The fractal dimension (D) of each size of water-stable aggregate in 0–20 and 20–40 cm depth of soils in different treatments

    图 3  各处理0—20和20—40 cm土壤团聚体有机碳含量

    Figure 3.  Soil aggregate organic carbon content in 0–20 and 20–40 cm depth in different treatments

    表 1  试验区耕层土壤基本理化性质

    Table 1.  Physico-chemical properties of soil in the studied area

    土层(cm)
    Soil layer
    有机质(g/kg)
    Organic matter
    全氮(g/kg)
    Total N
    全磷(g/kg)
    Total P
    全钾(g/kg)
    Total K
    容重(g/cm3)
    Bulk density
    pH
    0—2019.011.0060.43124.051.5357.36
    20—4015.390.8310.36723.401.5487.56
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    表 2  不同耕作处理土壤机械稳定性团聚体各粒级组成 (%)

    Table 2.  Composition of mechanically-stable soil aggregates under different tillage methods

    土层 (cm)
    Soil layer
    处理Treatment团聚体粒级 Aggregate size (mm)R> 0.25
    7~55~33~22~11~0.50.5~0.25 < 0.25
    0—20LR 5.97 a16.69 a6.39 a17.80 b12.69 c11.23 a29.23 a70.77 c
    SR 8.52 a18.93 a6.74 a17.77 b 14.29 bc15.69 a18.06 b81.94 b
    STR9.25 a20.60 a6.42 a21.54 a16.03 b14.97 a11.20 c88.80 a
    STN5.08 a18.51 a8.64 a23.28 a19.92 a17.32 a 7.25 c92.75 a
    20—40LR 9.67 a20.42 a6.72 a17.68 b11.64 b 9.75 b24.11 a75.89 c
    SR 5.59 a20.33 a6.73 a 19.66 ab 14.43 ab14.18 a19.08 b80.92 b
    STR7.33 a20.98 a7.83 a22.32 a15.96 a14.14 a11.44 c88.56 a
    STN6.47 a22.42 a8.40 a22.26 a16.53 a14.00 a 9.92 c90.08 a
    注(Note):LR—常规耕作模式 No straw recycling, continuous rotary tillage every year; SR—秸秆还田+连续旋耕 Straw recycling, continuous rotary tillage every year; STR—秸秆还田+翻耕–旋耕 Straw recycling, plough and rotary tillage every other year; STN—秸秆还田+翻耕–免耕 Straw recycling, plough and no-tillage every other year; R> 0.25—大于 0.25 mm 团聚体含量 The percentage of >0.25 mm aggregates. 同列数值后不同字母表示处理间差异显著 Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments (P < 0.05).
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    表 3  不同耕作处理土壤水稳性团聚体各粒级组成 (%)

    Table 3.  Composition of water-stable soil aggregates under different tillage methods

    土层 (cm)
    Soil layer
    处理Treatment团聚体粒级 Aggregate size (mm)R> 0.25
    > 22~11~0.50.5~0.250.25~0.053 < 0.053
    0—20LR 5.42 a6.38 a15.59 a25.73 a30.15 b16.73 a53.12 a
    SR 12.07 a 6.24 a11.37 b25.22 a34.06 a11.04 b54.90 a
    STR9.10 a6.11 a 9.94 b28.52 a34.82 a11.51 b53.67 a
    STN9.44 a5.65 a11.70 b27.45 a34.51 a11.25 b54.24 a
    20—40LR 8.79 a5.98 a12.52 a17.71 b37.57 a17.43 a45.00 b
    SR 9.00 a5.69 a 10.09 ab25.90 a34.27 a15.05 a50.68 a
    STR9.02 a5.16 a 10.27 ab27.27 a36.48 a11.80 b51.72 a
    STN9.64 a5.03 a 9.60 b27.94 a36.37 a11.42 b52.21 a
    注(Note):LR—常规耕作模式 No straw recycling, continuous rotary tillage every year; SR—秸秆还田+连续旋耕 Straw recycling, continuous rotary tillage every year; STR—秸秆还田+翻耕–旋耕 Straw recycling, plough and rotary tillage every other year; STN—秸秆还田+翻耕–免耕 Straw recycling, plough and no-tillage every other year; R> 0.25—大于 0.25 mm 团聚体含量 The percentage of >0.25 mm aggregates. 同列数值后不同字母表示处理间差异显著 Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments (P < 0.05).
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    表 4  不同耕作方式下土壤团聚体平均重量直径和平均几何直径

    Table 4.  Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of soil aggregates under different tillage methods

    筛分方法
    Screening method
    土层 (cm)
    Soil layer
    处理
    Treatment
    MWDGMD
    干筛法
    Dry sieving
    0—20LR1.63 ± 0.06 a0.75 ± 0.03 b
    SR1.89 ± 0.28 a 0.98 ± 0.12 ab
    STR2.05 ± 0.25 a1.20 ± 0.18 a
    STN1.83 ± 0.27 a1.17 ± 0.25 a
    20—40LR1.98 ± 0.18 a0.96 ± 0.06 b
    SR1.80 ± 0.20 a0.95 ± 0.11 b
    STR2.00 ± 0.15 a1.18 ± 0.07 a
    STN2.02 ± 0.22 a1.23 ± 0.15 a
    湿筛法
    Wet sieving
    0—20LR0.49 ± 0.01 b0.25 ± 0.09 b
    SR0.63 ± 0.18 a0.31 ± 0.07 a
    STR0.56 ± 0.04 a 0.28 ± 0.03 ab
    STN0.57 ± 0.03 a0.29 ± 0.03 a
    20—40LR0.53 ± 0.06 a0.24 ± 0.14 b
    SR0.54 ± 0.07 a0.25 ± 0.01 b
    STR0.54 ± 0.02 a0.27 ± 0.01 a
    STN0.55 ± 0.01 a0.27 ± 0.01 a
    注(Note):LR—常规耕作模式 No straw returning, continuous rotary tillage every year; SR—秸秆还田+连续旋耕 Straw returning, continuous rotary tillage every year; STR—秸秆还田+翻耕–旋耕 Straw returning, plough and rotary tillage every other year; STN—秸秆还田+翻耕–免耕 Straw returning, plough and no-tillage every other year; 同列数值后不同字母表示处理间差异显著 Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments (P < 0.05).
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    表 5  机械稳定性团聚体与土壤碳、氮含量相关性分析

    Table 5.  Correlation analysis of mechanically-stable aggregate, soil carbon and nitrogen contents

    项目ItemMWDGMDR> 0.25全氮Total N有机碳Organic C
    MWD1.000
    GMD0.822**1.000
    R> 0.250.425*0.839**1.000
    全氮Total N–0.033–0.076–0.0811.000
    有机碳Organic C–0.196–0.214–0.1840.900**1.000
    注(Note):MWD—平均重量直径 Mean weight diameter; GMD—几何平均直径 Geometric mean diameter; R> 0.25—大于 0.25 mm 团聚体含量 The percentage of >0.25 mm aggregates; *—P < 0.05;**—P < 0.01.
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    表 6  水稳性团聚体与土壤碳、氮含量的相关性分析

    Table 6.  Correlation analysis of water-stable aggregate, soil carbon and nitrogen contents

    项目ItemMWDGMDR> 0.25全氮Total N有机碳Organic C
    MWD1.000
    GMD0.852**1.000
    R> 0.250.2550.644**1.000
    全氮Total N0.031–0.184–0.2911.000
    有机碳Organic C0.065–0.176–0.3160.980**1.000
    注(Note):MWD—平均重量直径 Mean weight diameter; GMD—几何平均直径 Geometric mean diameter; R> 0.25—大于 0.25 mm 团聚体含量 The percentage of >0.25 mm aggregates; **—P < 0.01.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-18
  • 网络出版日期:  2020-05-29
  • 刊出日期:  2020-04-01

吉林省西部不同耕作模式下秸秆还田土壤团聚体特征

  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0300803,2016YFD0800101);吉林省重大科技招标专项(20170203002NY)。
  • 摘要:   【目的】  通过研究不同耕作模式下土壤团聚体特征,探明耕作模式对土壤团聚体质量指标的影响,为解决区域长期传统耕作模式所引起的土壤结构质量下降问题及构建土壤合理耕作层提供科学依据。  【方法】  从2016年10月开始,在吉林省西部松原市宁江区开展田间试验,采用随机区组设计,将耕作结合秸秆还田设置了4个处理,分别为常规耕作 (秸秆清除后进行旋耕,LR)、连续旋耕 (秸秆粉碎还田后进行旋耕,SR)、翻耕–旋耕 (秸秆粉碎还田后,轮流进行翻耕和旋耕,STR)、翻耕–免耕 (秸秆粉碎还田后,轮流进行翻耕和免耕,STN)处理。于2018年10月采集0—20和20—40 cm土层土壤样品,分析了土壤团聚体组成分布、团聚体稳定性及团聚体各粒级有机碳含量。  【结果】  与LR处理相比,秸秆还田可明显改善土壤团聚体结构及稳定性 (P < 0.05)。秸秆还田条件下,STR和STN土壤中大于0.25 mm的机械稳定性团聚体含量比连续旋耕 (SR) 处理显著增加10.6% (P < 0.05)。与LR处理相比,STR和STN处理耕层土壤机械稳定性团聚体几何平均直径 (GMD) 明显提高,而STR和STN处理土壤团聚体分形维数(D)平均降低3.9%,耕层不稳定团粒指数 (Elt) 也显著降低。STN处理 在0—20 cm土层具有较高的土壤团聚体有机碳含量。  【结论】  秸秆还田下,两种轮耕模式具有更高的团聚体稳定性,且有较小的分形维数,进而具有较好的抗蚀能力,其中翻耕–免耕轮耕模式团聚体稳定性更好,耕层土壤中团聚体有机碳含量更高。因此,翻耕–免耕轮耕模式是吉林省西部地区土壤肥力保育的有效措施和耕作模式。

    English Abstract

    • 吉林省西部地处松嫩腹地,耕地面积占总土地面积的40%,是吉林省粮食主产区。区域内光温资源丰富,雨热同季,非常适宜玉米生产。但是该地区年蒸发量远远大于年降水量,春旱发生的几率为60%~90%,属于典型半干旱区,另外由于多年来农业耕作模式较单一,长年的旋耕或免耕模式导致土壤板结、通透性变差,耕层浅薄,同时缺乏有机物料的归还投入,导致风蚀、水蚀频繁发生,土壤质量严重退化,对当地土壤资源的保护形成了严重的威胁。改善土壤结构,提高土壤保墒能力对当地农业生产至关重要。

      一方面,土壤团聚体是土壤结构的基本组成单位,是农田土壤的重要组成部分[1-2],土壤团聚体是土壤中养分交换的场所[3];另一方面,稳定性土壤团聚体可以抵抗外力破坏并维持其原有结构,土壤团聚体的稳定性可以直接影响土壤耕层的保肥保水能力[4]。因此,研究土壤团聚体组成分布、团聚体稳定性和不同粒级团聚体有机碳含量对优化土壤结构、改善土壤养分的影响具有重大意义。

      Six等[2]认为,粒级 > 0.25 mm的团聚体为土壤中最好的团聚体结构,是维持土壤结构稳定的基础,稳定性团聚体质量百分数 (R> 0.25) 是反映土壤稳定性的重要指标。稳定性团聚体数量越多,土壤保墒保水能力越强,土壤侵蚀越不容易发生,并且大团聚体对保持不同侵蚀程度的土壤结构稳定性具有重要作用[5-6]。大量研究[7-9]认为,秸秆还田可以有效增加土壤团粒胶结剂,可以促进土壤团聚体的形成。王海霞等[10]通过对春玉米和冬小麦的研究表明,秸秆覆盖还田可以增加深层土壤中粒级 > 0.25 mm稳定性团聚体百分含量,提高土壤有机质含量。Yu等[11]认为加入氨化预处理秸秆的应用不仅改善了土壤团聚体结构稳定性,还增加了作物产量。卢金伟等[12]研究表明,秸秆还田后其腐熟过程中产生的多糖等代谢物可以促进土壤团聚体的形成。另有研究[13-14]表明,少耕或免耕可以减少对土壤团聚体的扰动和破坏,使生物区和矿化区间保持着隔离,降低了微生物的分解作用,延长有机碳在土壤团聚体中的储存周期。近年对翻耕、旋耕和免耕等耕作方式对土壤团聚体结构的影响研究[15-17]也较多,不同的耕作方式会对土壤结构产生影响。Zheng等[18]认为土壤耕作可以通过破坏土壤结构来影响土壤团聚体的稳定性和形成,频繁的耕作会破坏土壤结构并阻碍土壤团聚体的形成。但在不同秸秆还田模式下,结合不同耕作措施对土壤团聚体内在影响机理,包括其组成和稳定性及各粒级团聚体土壤有机碳含量的研究较少,为此本研究选取吉林省西部旱作农田土壤为对象,对比分析在秸秆还田、秸秆离田条件下不同耕作方式对土壤团聚体平均重量直径 (MWD)、几何平均直径 (GMD)、稳定性团聚体 (R> 0.25)质量百分数、团聚体破坏率 (PAD) 和不稳定团粒指数 (Elt) 等土壤稳定性指标的影响。通过研究土壤团聚体稳定性及有机碳含量分布对耕作模式的响应特征,以提出适宜吉林省西部区域的合理耕作技术模式。

      • 试验地位于松原市宁江区大洼镇民乐村 (东经124°52′31″、北纬45°15′48″),属中温带大陆性季风气候。年平均气温4.5℃,年平均日照2900 h,无霜期135~140天,年平均降雨量350~500 mm,多集中在7−8月份,年蒸发量1500 ~1900 mm。土壤质地为壤土,土壤类型为黑钙土,其基本理化性质见表1

        表 1  试验区耕层土壤基本理化性质

        Table 1.  Physico-chemical properties of soil in the studied area

        土层(cm)
        Soil layer
        有机质(g/kg)
        Organic matter
        全氮(g/kg)
        Total N
        全磷(g/kg)
        Total P
        全钾(g/kg)
        Total K
        容重(g/cm3)
        Bulk density
        pH
        0—2019.011.0060.43124.051.5357.36
        20—4015.390.8310.36723.401.5487.56
      • 试验始于2016年9月,连续进行了3年,供试作物为玉米,品种为‘恒单188’,播种密度均为6.0万株/hm2。在轮耕模式一次周期完成之际,进行土壤团聚体测验。

        试验设置4个处理,具体如下:1) 常规耕作模式 (LR):每年农田清除秸秆后进行旋耕,翻地深度约为15 cm;2) 秸秆还田+连续旋耕 (SR):每年秸秆粉碎还田后进行旋耕,翻地深度约为15 cm;3) 秸秆还田+翻耕–旋耕 (STR):秸秆还田后,每年翻耕、旋耕轮流进行,翻耕深度约为30 cm,旋耕深度15 cm;4) 秸秆还田+翻耕–免耕 (STN):秸秆还田后,每年翻耕和免耕轮流进行。免耕不做整地处理,利用免耕机播种,每个处理设置3次重复,小区面积247.3 m2 (12垄,垄宽0.65 m、长31.7 m)。在玉米收获时利用联合收割机直接粉碎秸秆并抛洒至田间,后通过旋耕或翻耕将秸秆全量还田。为了控制施肥因素对本试验的影响,各处理播种前均施用玉米专用肥 (N-P2O5-K2O为26-12-12) 750 kg/hm2,全生育期不追肥。由于试验区春季干旱少雨,各处理采用滴灌的方式以保证出苗,并进行常规的田间管理。

      • 在2018年10月,分别采集0—20和20—40 cm的耕层原状土,在采集和运输的过程中,尽量减少对土样的扰动以保持土样的完整程度,在实验室中将原状土沿自然裂缝剥离至1 cm左右,风干后剔除土样中的石块和腐殖质残留物,取出500 g土进行土壤团聚体分析。

        土壤机械稳定性团聚体 (干筛) 采用沙维诺夫法[19],将筛组按5、3、2、1、0.5、0.25 mm 的次序套好,将土样放置于套筛的最上一层,底层放置套盒,以备收取 < 0.25 mm 团聚体,手动震荡筛组 2 min 后,从上至下依次取样,称重,得到各粒级团聚体。

        土壤水稳性团聚体 (湿筛) 采用约得法[19],将团粒分析仪的筛组按2、1、0.5、0.25、0.053 mm的次序套好放入湿筛桶,取干筛后的各级团聚体配置成4份25 g土样,将25 g土样置入最上方筛网,往湿筛桶内徐徐注水,并调整湿筛桶内水面高度,使筛子移动到最高位置时最上一层筛子中的团聚体刚好淹没在水面以下,浸泡5 min,去除团聚体中残留空气对团聚体结构的影响,之后启动分析仪2 min (上下振幅为30 mm,频率为35次/min),振筛结束后将套筛取出 (筛桶中为 < 0.053 mm粒级团聚体),将水沥干后洗入已知重量的烧杯中,再置于55℃的鼓风干燥箱中烘干至恒重,称重记录后,将各粒级土样取出标记备用。

      • 土壤团聚体稳定性的评价指标[20-21]:平均重量直径 (MWD)、几何平均直径 (GMD)、稳定性团聚体 (R> 0.25) 质量百分数、土壤团聚体破坏率 (PAD)、不稳定团粒指数 (Elt) 和分形维数 (D),具体计算公式如下:

        ${\rm{MWD}} = \sum\limits_{i = 1}^n {W_i} \overline X_i$

        ${\rm{GMD}} = \exp \left[ {\sum\limits_{i = 1}^n {W_i\ln \overline X_i} } \right]$

        式中:$\overline X_i $为第i组粒级团聚体的平均直径 (mm);Wi为第i组粒级团聚体的质量分数。

        ${\rm{R }}_{\rm{> 0.25}} = \frac{{M{\rm_{> 0.25}}}}{{M_t}}$

        式中:M> 0.25为粒级 > 0.25 mm团聚体质量总数 (g);Mt为供试土壤团聚体总质量 (g)。

        $ \mathrm{PAD}=\frac{(D R_{> 0.25}-W R_{> 0.25})}{D R_{> 0.25}} $

        式中:DR> 0.25为机械稳定性团聚体中粒级 > 0.25 mm的团聚体含量 (%);WR> 0.25为水稳性团聚体中粒级 > 0.25团聚体含量 (%)。

        $ {\rm{ E_{lt} }}=\frac{\left(W_{t}-W_{> 0.25}\right)}{W_{t}} \times 100 {\text{%}} $

        式中:Wt为供试土样总重量 (g);W> 0.25为粒级 > 0.25 mm的水稳性团聚体重量 (g)。

        $\frac{{M(\delta < \overline {X_i} )}}{{M_t}} = {\left(\frac{{\overline {X_i} }}{{\overline X_{\max} }}\right)^{3 - D}}$

        分形维数根据杨培岭等[22]推导出的公式,分别以log(Mi/Mt)、$\log \left(\overline{X}_{i} / \overline{X}_{max }\right)$为纵、横坐标得出两式的直线,可以看出,3-D是两式直线的斜率,D即为土壤的分形维数。式中$M\left(\delta < \overline{X}_{i}\right)$为小于$\overline{X}_{i}$的土粒累计质量,Mt为各粒级团聚体总质量,$\overline{X}_{max}$为最大粒级平均直径。

      • 采用WPS 2019软件进行数据处理,采用SAS 8.1进行方差及相关性分析,采用Origin 8.0进行绘图。

      • 表2表明,各处理0—20和20—40 cm土层R>0.25粒级机械稳定性团聚体均表现为:STN、STR > SR > LR (P < 0.05)。与连续旋耕(SR)处理相比,STR和STN处理>0.25 mm粒级的机械稳定性团聚体含量平均增加10.6% (P < 0.05)。两个土层各处理0—20和20—40 cm土层稳定性团聚体组成中,5~3 mm粒级贡献率为23.1%~23.6%和23.7%~26.9%,2~1 mm土壤团聚体贡献率为21.7%~25.2%和23.3%~25.2%。7~5 mm粒级团聚体在机械稳定性团聚体组成中的比例各处理间差异不显著。0—20 cm土层2~1 mm团聚体的含量STR和STN均显著高于LR和SR。

        表 2  不同耕作处理土壤机械稳定性团聚体各粒级组成 (%)

        Table 2.  Composition of mechanically-stable soil aggregates under different tillage methods

        土层 (cm)
        Soil layer
        处理Treatment团聚体粒级 Aggregate size (mm)R> 0.25
        7~55~33~22~11~0.50.5~0.25 < 0.25
        0—20LR 5.97 a16.69 a6.39 a17.80 b12.69 c11.23 a29.23 a70.77 c
        SR 8.52 a18.93 a6.74 a17.77 b 14.29 bc15.69 a18.06 b81.94 b
        STR9.25 a20.60 a6.42 a21.54 a16.03 b14.97 a11.20 c88.80 a
        STN5.08 a18.51 a8.64 a23.28 a19.92 a17.32 a 7.25 c92.75 a
        20—40LR 9.67 a20.42 a6.72 a17.68 b11.64 b 9.75 b24.11 a75.89 c
        SR 5.59 a20.33 a6.73 a 19.66 ab 14.43 ab14.18 a19.08 b80.92 b
        STR7.33 a20.98 a7.83 a22.32 a15.96 a14.14 a11.44 c88.56 a
        STN6.47 a22.42 a8.40 a22.26 a16.53 a14.00 a 9.92 c90.08 a
        注(Note):LR—常规耕作模式 No straw recycling, continuous rotary tillage every year; SR—秸秆还田+连续旋耕 Straw recycling, continuous rotary tillage every year; STR—秸秆还田+翻耕–旋耕 Straw recycling, plough and rotary tillage every other year; STN—秸秆还田+翻耕–免耕 Straw recycling, plough and no-tillage every other year; R> 0.25—大于 0.25 mm 团聚体含量 The percentage of >0.25 mm aggregates. 同列数值后不同字母表示处理间差异显著 Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments (P < 0.05).

        不稳定团粒 (粒级 < 0.25 mm) LR处理显著高于其他处理,0—20和20—40 cm土层比其他3个处理平均高184%和78.9% (P < 0.05)。

        基于湿筛法分析 (表3),0—20 cm土层中各处理稳定性团聚体百分含量差异不显著,STN和SR处理R> 0.25高于其他处理,稳定性团聚体中1~0.5和0.5~0.25 mm粒级团聚体贡献率较高;20—40 cm土层中LR处理R> 0.25百分含量显著低于其他处理,平均减少12.7% (P < 0.05),STN处理R> 0.25为各处理中最高值,稳定性团聚体同样为1~0.5和0.5~0.25 mm粒级贡献率最高。

        表 3  不同耕作处理土壤水稳性团聚体各粒级组成 (%)

        Table 3.  Composition of water-stable soil aggregates under different tillage methods

        土层 (cm)
        Soil layer
        处理Treatment团聚体粒级 Aggregate size (mm)R> 0.25
        > 22~11~0.50.5~0.250.25~0.053 < 0.053
        0—20LR 5.42 a6.38 a15.59 a25.73 a30.15 b16.73 a53.12 a
        SR 12.07 a 6.24 a11.37 b25.22 a34.06 a11.04 b54.90 a
        STR9.10 a6.11 a 9.94 b28.52 a34.82 a11.51 b53.67 a
        STN9.44 a5.65 a11.70 b27.45 a34.51 a11.25 b54.24 a
        20—40LR 8.79 a5.98 a12.52 a17.71 b37.57 a17.43 a45.00 b
        SR 9.00 a5.69 a 10.09 ab25.90 a34.27 a15.05 a50.68 a
        STR9.02 a5.16 a 10.27 ab27.27 a36.48 a11.80 b51.72 a
        STN9.64 a5.03 a 9.60 b27.94 a36.37 a11.42 b52.21 a
        注(Note):LR—常规耕作模式 No straw recycling, continuous rotary tillage every year; SR—秸秆还田+连续旋耕 Straw recycling, continuous rotary tillage every year; STR—秸秆还田+翻耕–旋耕 Straw recycling, plough and rotary tillage every other year; STN—秸秆还田+翻耕–免耕 Straw recycling, plough and no-tillage every other year; R> 0.25—大于 0.25 mm 团聚体含量 The percentage of >0.25 mm aggregates. 同列数值后不同字母表示处理间差异显著 Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments (P < 0.05).

        结合表2表3可以看出,各土层内土壤机械稳定性土壤团聚体的R> 0.25明显高于水稳性土壤团聚体,原因是在水中振筛的过程中机械稳定性团聚体被水流冲散,导致其含量明显降低。

      • 表4可知,基于干筛法分析,在0—20 cm土层内,4种耕作模式下机械稳定性土壤团聚体MWD差异不显著;GMD值以STR、STN处理较高,LR处理比其他3个处理减少23.5%~37.5%。20—40 cm土层中,4个处理间MWD值也没有显著性差异,SR和LR处理GMD值显著低于STR和STN两种处理 (P < 0.05),STR较LR和SR处理分别提高22.9%、24.2%,STN较LR和SR处理分别提高28.1%、29.5%。

        表 4  不同耕作方式下土壤团聚体平均重量直径和平均几何直径

        Table 4.  Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of soil aggregates under different tillage methods

        筛分方法
        Screening method
        土层 (cm)
        Soil layer
        处理
        Treatment
        MWDGMD
        干筛法
        Dry sieving
        0—20LR1.63 ± 0.06 a0.75 ± 0.03 b
        SR1.89 ± 0.28 a 0.98 ± 0.12 ab
        STR2.05 ± 0.25 a1.20 ± 0.18 a
        STN1.83 ± 0.27 a1.17 ± 0.25 a
        20—40LR1.98 ± 0.18 a0.96 ± 0.06 b
        SR1.80 ± 0.20 a0.95 ± 0.11 b
        STR2.00 ± 0.15 a1.18 ± 0.07 a
        STN2.02 ± 0.22 a1.23 ± 0.15 a
        湿筛法
        Wet sieving
        0—20LR0.49 ± 0.01 b0.25 ± 0.09 b
        SR0.63 ± 0.18 a0.31 ± 0.07 a
        STR0.56 ± 0.04 a 0.28 ± 0.03 ab
        STN0.57 ± 0.03 a0.29 ± 0.03 a
        20—40LR0.53 ± 0.06 a0.24 ± 0.14 b
        SR0.54 ± 0.07 a0.25 ± 0.01 b
        STR0.54 ± 0.02 a0.27 ± 0.01 a
        STN0.55 ± 0.01 a0.27 ± 0.01 a
        注(Note):LR—常规耕作模式 No straw returning, continuous rotary tillage every year; SR—秸秆还田+连续旋耕 Straw returning, continuous rotary tillage every year; STR—秸秆还田+翻耕–旋耕 Straw returning, plough and rotary tillage every other year; STN—秸秆还田+翻耕–免耕 Straw returning, plough and no-tillage every other year; 同列数值后不同字母表示处理间差异显著 Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments (P < 0.05).

        基于湿筛法分析,0—20 cm土层LR处理的水稳性团聚体MWD值显著低于其他3个处理,GMD值显著低于SR和STN处理,MWD和GMD值相比其他处理平均降低16.5%和14.7%;20—40 cm土层各处理的MWD没有显著性差异,STR和STN处理的GMD值相同,均显著高于LR和SR处理 (P < 0.05)。

      • 不同耕作模式下,水稳性土壤团聚体破坏率 (PAD) 基本随着土层深度的增加而增大 (图1)。0—20 cm土层水稳性土壤团聚体破坏率变化范围为20.4%~40.6%,其中LR处理PAD值显著低于其他处理 (P < 0.05),STN和STR处理PAD值较高,LR处理PAD值相比其他3种处理平均降低了34.5%;20—40 cm土层各处理PAD值变化范围为35.1%~46.4%,SR处理比STN处理的PAD值降低了11.1%。

        图  1  不同耕作模式下土壤团聚体破坏率和不稳定团粒指数

        Figure 1.  Percentage of aggregate disruption (PAD) and unstable aggregate index (Elt) in soils under different tillage methods

        不稳定团粒指数 (Elt) 随着土层深度的增加而增大 (图1)。0—20 cm各处理土壤不稳定团粒指数变化范围在43.9%~48.4%,各处理间没有显著性差异。20—40 cm土层中各处理Elt值变化范围在45.3%~57.3%,LR处理 Elt值显著高于 SR、STR和STN处理,平均增加13.4% (P < 0.05)。

      • 不同土壤深度下各处理水稳性团聚体分形维数 (D) 变化范围在2.5~2.7 (图2),0—20 cm土层各处理间分形维数没有显著差异;20—40 cm土层中各处理D值表现为LR和SR显著高于STR和 STN。与SR相比,STR和STN处理D值平均降低3.9%。

        图  2  各处理0—20 和 20—40 cm土层水稳性团聚体分形维数

        Figure 2.  The fractal dimension (D) of each size of water-stable aggregate in 0–20 and 20–40 cm depth of soils in different treatments

      • 图3可知,0—20 cm土壤团聚体有机碳含量随着粒级的降低而减小,稳定性团聚体 (粒级 > 0.25 mm) 中有机碳含量整体趋势为SR和STN 显著高于STR和LR处理 (P < 0.05)。20—40 cm稳定性团聚体有机碳含量基本随着粒级的降低而减小,LR处理整体土壤团聚体有机碳含量明显低于其他3个秸秆还田处理。

        图  3  各处理0—20和20—40 cm土壤团聚体有机碳含量

        Figure 3.  Soil aggregate organic carbon content in 0–20 and 20–40 cm depth in different treatments

      • 表5可以看出,干筛处理条件下,MWD值和GMD值呈极显著相关关系 (P < 0.01),MWD值与R < 0.25值呈显著相关关系 (P < 0.05),GMD值与R < 0.25值呈极显著相关关系 (P < 0.01);干筛条件下土壤团聚体稳定性指标与土壤碳氮含量间没有明显相关性,而土壤中的全氮和有机碳含量呈极显著正相关关系 (P < 0.01)。

        表 5  机械稳定性团聚体与土壤碳、氮含量相关性分析

        Table 5.  Correlation analysis of mechanically-stable aggregate, soil carbon and nitrogen contents

        项目ItemMWDGMDR> 0.25全氮Total N有机碳Organic C
        MWD1.000
        GMD0.822**1.000
        R> 0.250.425*0.839**1.000
        全氮Total N–0.033–0.076–0.0811.000
        有机碳Organic C–0.196–0.214–0.1840.900**1.000
        注(Note):MWD—平均重量直径 Mean weight diameter; GMD—几何平均直径 Geometric mean diameter; R> 0.25—大于 0.25 mm 团聚体含量 The percentage of >0.25 mm aggregates; *—P < 0.05;**—P < 0.01.

        表6可知,在湿筛处理条件下,MWD和GMD值、R> 0.25和GMD值、全氮和有机碳含量呈极显著相关关系 (P < 0.01)。结合表5表6来看,MWD值、GMD值和R < 0.25值这3个指标在表示土壤机械团聚体稳定性和水稳性团聚体稳定性方面所得到的结果基本一致。土壤中碳氮循环是重要的土壤物质循环与能量交换过程,养分指标碳氮在两种筛法下均为正相关关系。

        表 6  水稳性团聚体与土壤碳、氮含量的相关性分析

        Table 6.  Correlation analysis of water-stable aggregate, soil carbon and nitrogen contents

        项目ItemMWDGMDR> 0.25全氮Total N有机碳Organic C
        MWD1.000
        GMD0.852**1.000
        R> 0.250.2550.644**1.000
        全氮Total N0.031–0.184–0.2911.000
        有机碳Organic C0.065–0.176–0.3160.980**1.000
        注(Note):MWD—平均重量直径 Mean weight diameter; GMD—几何平均直径 Geometric mean diameter; R> 0.25—大于 0.25 mm 团聚体含量 The percentage of >0.25 mm aggregates; **—P < 0.01.
      • 土壤团聚体是土壤结构形成的基础,团聚体的粒级组成状况是反映土壤优劣的重要指标[23],不同粒级的土壤团聚体分布状况及其稳定性是反映土壤结构状况的重要因素[24]。本研究结果表明,基于干筛方法的土壤团粒结构随着粒级的减小呈“M”状分布,大团聚体占主导地位,STR和STN两种轮耕处理明显增加了1~2 mm粒级的较大团聚体和土壤稳定性团聚体含量,说明结合翻耕的轮耕处理可以促进耕层土壤中团聚体的形成,这与冀保毅等[25]研究结果一致,其原因为翻耕将耕层上部土壤翻入耕层下部,耕层上部较高的有机质含量促进了下部土壤团聚体的形成。湿筛条件下,各处理团聚体含量随着粒级的减小呈“∧”状分布,与干筛不同的是微团聚体占主导地位,罗珠珠等[26]研究认为湿筛法处理粒级 < 0.25 mm团聚体占水稳性团聚体的90%左右,这与本研究结果不同,可能与土壤样品类型和振筛力度有关,也说明土壤由于水不稳定性更易发生水蚀的风险,对土壤进行长期的培肥和轮耕,形成良好的水稳性团粒结构是改善土壤结构及稳定性的主要途径。从团聚体稳定性指标与R> 0.25的相关性可以看出,MWD值和GMD值具有正相关关系,本研究表明,干筛和湿筛两种条件下,秸秆还田条件下翻耕结合轮耕处理土壤团聚体稳定性较强,秸秆离田不利于土壤团聚体稳定,这与田慎重等[27]得出秸秆还田措施可以有效提高水稳性团聚体比例及稳定性的结果相似。

      • 土壤是一种多孔隙介质,具有明显的分型特征[28],土壤团聚体的分形维数可以表达土壤充实空间的能力,反映土壤结构的均匀度及稳定性[29]。分型维数D值越大说明土壤分型特征越松散,土壤的稳定性也较差。本研究结果表明秸秆还田处理D值均小于秸秆离田处理,说明秸秆还田可以有效增加土壤抗侵蚀能力,刘晶等[30]研究认为D值与粒级 > 0.25 mm 团聚体和水稳性团聚体含量、平均重量直径、几何平均直径呈显著负相关,D值越小土壤的团聚体稳定性越强,本研究认为STN和STR处理D值较低且土壤团聚体稳定性较好,与前人研究结果一致。0—20 cm土层各轮耕模式、秸秆还田处理对土壤的扰动强度均高于秸秆离田处理,对土壤的破坏率较高,刘威等[15]研究结果也表明,对土壤的强烈扰动,会降低耕层土壤团聚体的团聚度与稳定性。但本研究认为秸秆还田可以增加团聚体的稳定性指数,耕作后通过土壤与秸 秆进行充分混合,使秸秆新鲜有机质归还土壤,促使秸秆中有机酸等胶结物质的释放,从而改善了土壤有机质含量,进而增加了土壤团聚体的稳定性[31]。STR和STN轮耕模式,既可以避免连续单一耕作对土壤结构的破坏,同时也可以实现秸秆有机物料归还培肥土壤的作用,较好地解决了土壤质量退化的突出问题。从保护耕层土壤团聚体角度出发,两种轮耕模式中,STN分形维数最低,具有更好的团聚体稳定性,是吉林省西部区域内较好的轮耕模式。

      • 土壤团聚体是土壤中有机碳形成和转化的重要载体。团聚体结构对土壤有机碳的固定起到保护及稳定的作用;而且不同数量和质量的有机碳组分也对团聚体的形成和结构产生影响。不同的土地耕作模式和管理方式对土壤团聚体粒级分布与土壤固碳水平都会产生重要影响[32]。前人[33-35]研究表明,各个方式下秸秆还田都可以增加土壤中碳库储备。本研究基于水稳性团聚体的土壤,有机碳分析结果表明,在0—20 cm土壤中,SR处理和STN处理土壤有机碳含量较高,其原因是生物碳的输入,其中旋耕结合秸秆还田将秸秆翻进15 cm左右深度土壤,STN处理中免耕条件下作物根系残留都是直接增加了生物碳源。STR处理秸秆还田较深,在20—40 cm中可以体现出有机碳含量较高,秸秆离田处理团聚体有机碳含量在两个土层均为最低。各处理有机碳的分布状况均为粒级 > 0.25 mm团聚体中较高,这与李晓东[36]研究结果一致。但不同耕作方式结合秸秆还田交互作用下,土壤团聚体及有机碳的相互作用及固碳机理还需进一步研究。

        综合土壤团聚体稳定性和养分状况可以看出,秸秆还田处理土壤团聚体结构优于秸秆离田处理,秸秆还田条件下,轮耕处理有更好的土壤团聚体稳定性。

      • 秸秆还田条件下,相比连续旋耕模式,轮耕模式可以增加土壤粒级 > 0.25 mm稳定性团聚体含量、团聚体平均重量直径 (MWD) 和团聚体几何平均直径 (GMD),并且具有较小的分形维数,有更好的土壤团聚体稳定性,以秸秆还田结合翻耕–免耕轮耕效果更好。另外,还可以增加表层土壤团聚体的有机碳含量。因此,秸秆还田条件下的翻耕–免耕轮耕模式适合在吉林省西部地区推广。

    参考文献 (36)

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