耕作措施对宁南山区缓坡地土壤团聚体及作物产量的影响

雷金银， 何进勤，雷晓婷，周丽娜，余建军，纪立东，张 慧，路 芳

(1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002； 2.固原市原州区官厅镇农业服务中心，宁夏 固原 756000)

宁夏南部山区(简称宁南山区)地处黄土高原西北边缘，气候干旱，年内降雨分布极为不均，农业用地以坡耕地、梯田为主，土壤有机质含量低、水土流失较为严重，生态环境脆弱是制约当地农业生产与经济发展的“瓶颈”问题。长期以来，旱作耕地土壤培肥与水土流失防治、作物产量挖掘与降雨资源高效利用、生态环境构建是该区关注的热点问题[1-5]。众多研究表明，土壤团聚体是支撑土壤肥力、健康与质量等功能的物理基础，其在土壤内部数量分布及其结构分布组成特征对土壤水分和养分蓄存、运移和转化、微生物活动等能力具有重要影响。影响土壤团聚体组成和稳定性的自然要素主要包括土壤类型、地形地貌、气候因素、植被因素和土地覆被等，这些因素影响土壤有机碳(SOC)含量、土壤呼吸、土粒的分布等，可调控团聚体的结构[6]。因此，开展缓坡耕地土壤团聚体特征及其影响因子研究成为当前旱区农田土壤肥力建设研究的重中之重[1,7]。

众多研究表明，土壤团聚体与土地利用方式和田间农业耕作措施有很大关系[8]。与传统耕作相比，保护性耕作措施通过减少对土壤的人为扰动或改变下垫面微地形，为促进形成良好的土壤团聚体提供良好的物理、化学、生物环境，增加土壤有机碳的固定，提高土壤水稳性团聚体数量及稳定性，从而提高土壤蓄水保墒能力和产量。杨如萍等[9]研究表明，不同耕作方式下免耕覆盖处理和免耕处理可明显增加土壤中大团聚体的含量，免耕覆盖处理有着相对更高的团聚体稳定性，传统耕作的土壤团聚体MWD 较免耕和免耕覆盖处理分别减少19. 5%和27. 9%。刘丹[10]研究不同种植和耕作措施对土壤团聚体的影响的结果表明，免耕措施有利于土壤稳定，同时免耕、深松、秸秆覆盖可以增加土壤团聚体结构稳定的醇、酚类、芳香类、脂肪族化合物和碳水化合物的含量。刘秀[11]等研究表明，地膜覆盖措施不仅可以改变0～10 cm土层土壤水稳性团聚体分布及稳定性，而且土壤团聚体有机碳的含量和储量也有较大的提高。

随着学科发展和相关研究的不断深入，目前针对旱作农业区坡耕地垄沟种植为核心的耕作措施与轮作种植方式对团聚体作用或影响的研究较少，本文在宁南山区开展玉米-马铃薯轮作条件下不同耕作措施对土壤团聚体组成特征及作物产量的影响研究，对于提升旱区耕地质量、缓坡耕地合理耕作利用和生态环境构建具有重要的实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于宁夏南部山区的固原市原州区官厅镇程儿山(36°04′19″N，106°20′21″E)，地处黄土高原西北边缘地带，是宁夏南部山区土壤侵蚀严重的区域之一。多年平均降水量382.0 mm，且年内分布不均，其中6—9月占65.6%，降雨不足和干旱频繁是制约当地农、林、牧业发展的主要自然障碍因素。多年平均气温为5.3℃，极端最低气温-32℃，极端最高气温32.6℃，最大日较差27℃，≥10℃积温2 400℃，无霜期平均100～150 d，农作物以春小麦、玉米、马铃薯和秋杂粮为主。试验地土壤属黑垆土，砂壤土质，基本性质见表1。

表1 试验地土壤基本性质

1.2 试验设计

试验在坡度约10°的缓坡耕地上进行，试验为一年一熟，2015—2016年分别选用玉米、马铃薯为供试作物，2015年种植玉米，品种‘富农821’，2016年轮作种植马铃薯，品种‘青薯9号’。试验共设4个不同耕作措施处理：传统平作(CK)：不覆盖；垄沟不覆膜(NH)：垄宽60 cm，沟宽60 cm，垄高15 cm；垄沟全覆膜(WP)：采用宽120 cm、厚0.08 mm的塑料薄膜全部覆盖沟垄，为方便水分入渗，在两块薄膜接合部位用打孔器打若干孔；垄沟半覆膜(HP)：采用宽80 cm、厚0.08 mm的塑料薄膜，覆盖垄上部位。

采用完全随机区组试验设计，重复3次，各处理均为横坡等高种植，小区面积50 m2(25 m×2 m)，共计12个小区，玉米、马铃薯种植株、行距均为30 cm和25 cm。玉米、马铃薯施肥量保持一致，施肥水平参照当地常规:农家肥和磷酸二铵((NH4)2HPO4)作为种肥一次性施入，施用量分别为22 500 kg ·hm-2和375 kg ·hm-2，尿素(CO(NH2)2)分两次施入，基施150 kg ·hm-2，拔节期追施150 kg ·hm-2。

1.3 观测指标与计算方法

1.3.1 土壤样品采集 分别在垄背0～20、20～40 cm 土层采取混合土壤样品，测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提钼锑抗比色法；速效钾采用1 mol·L-1NH4OAC浸提火焰光度计法测定。

1.3.2 土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体测定 每个试验季分别在作物播种前和收获后采集原状土样，采样深度分别为0～20 cm和20～40 cm两层，用一次性硬质饭盒带回实验室风干以备土壤团聚体测定。

土壤机械稳定性团聚体测定采用干筛法[12]，待测各层土样均分为3份，套筛孔径由上至下依次为10、7、5、3、2、1、0.5 mm和0.25 mm。振荡式机械筛分仪在最大功率下振荡2 min，分级收集土样称重后计算团聚体占比。

水稳性团聚体测定采用湿筛法[13]，按照干筛各级别团聚体的质量比例配成50 g风干土样，沉降后将饱和土样转移至装满去离子水水桶的套筛(孔径依次为 5、 2、 1、0.5 mm和0.25 mm)的顶部，将筛组整体在水中慢慢升降处理5 min，将各级筛子上的团聚体小心洗入铝盒，低温烘箱烘干并在空气中平衡 2 h 后称重得到湿筛后各级团聚体的百分含量。

1.3.3 产量及其组成 在各试验小区内实测产量。

1.4 数据分析与计算

1.4.1 土壤团聚体稳定率(WSAR)计算[12]：

(1)

式中,WSA为>0.25 mm水稳性团聚体的质量(湿筛)；A为>0.25 mm机械团聚体的质量(干筛)。

1.4.2 土壤团聚体平均重量直径(MWD)计算[12]：

(2)

式中，Xi为某一粒级团聚体的重量百分数(%)，Wi为某一粒级团聚体的平均直径(mm)。

1.4.3 土壤团聚体分形维数计算：

采用杨培岭等推导的公式[14]:

(3)

本文试验数据均采用Excel和SPSS 16.0软件进行统计处理及方差分析(LSD)。

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施下土壤团聚体的组成特征

耕作措施是影响土壤团聚体形成与组成变化的重要因素之一。不同耕作措施对土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体组成影响显著(表2，表3)，且主要表现在表层0～20 cm范围内，各处理对底

表3 土壤水稳性团聚体组成

表2 土壤机械稳定性团聚体组成

层20～40 cm土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体组成均影响不显著。CK、WP 和HP处理下0～20 cm土层范围内均以>5 mm和2～5 mm土壤机械稳定性团聚体最高，而NH处理下1～2 mm和0.5～1 mm土壤机械稳定性团聚体最高,分别为16.25%、13.38%。其中CK处理下>5 mm土壤机械稳定团聚体占比为30.99%，明显高于其他3种耕作方式，且差异显著，而NH处理1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤机械稳定性团聚体含量高于其他三种耕作方式且差异显著。

水稳性团聚体则表现为各处理>5mm所占比例急剧下降，均以1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm为主。CK处理下>5 mm水稳性团聚体含量为1.96%，显著低于NH、WP 和HP。

2.2 不同耕作措施下土壤团聚体的大小及其稳定性

土壤团聚体平均重量直径(MWD)和稳定率是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，不同耕作措施对土壤团聚体MWD和稳定率影响显著。由表4可知，0～20 cm土壤机械稳定性团聚体MWD表现为CK>WP>HP >NH，而土壤水稳性团聚MWD表现为HP>NH>WP>CK。各处理土壤稳定率与土壤水稳性团聚体表现出一致性，而与土壤机械稳定性团聚体相反。20～40 cm土壤表现出相同的规律。由此可知，在选择土壤机械稳定性团聚体作为评估土壤稳定性指标时要慎重考虑，而MWD可用于评价土壤结构的稳定性。

表4 土壤团聚体平均重量直径及稳定率

2.3 不同耕作措施下土壤团聚体的分形特征

自分形理论应用于土壤结构研究以来，土壤分形维数成为评价土壤结构稳定性的一个重要综合指标，反映着土壤团聚体大小及分布情况。同等类型土壤，分形维数越大，土壤结构组成越合理[15]。 如图1所示，不同耕作措施对表层0～20 cm土壤机械稳定性团聚体的分形维数低于水稳性团聚体分形维数，且均表现为NH处理分形维数显著高于HP、WP和CK，由低到高的顺序均为：CK

注：同一土层不同小写字母表示在0.05水平差异显著。Note: Different lowercase of the same soil depth indicate significant difference at P<0.05.图1 土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体分形特征Fig.1 Fractal dimension of mechanically stable soil aggregates and water-stable aggregates

表6 2016年不同耕作措施对马铃薯产量的影响

2.4 不同耕作措施下作物产量及其构成因素

耕作措施对作物产量的影响显著。由表5可知，2015年相对于CK，HN、HP和WP分别增加玉米产量10.5%、13.3%和39.2%，且增加玉米株高，改善产量构成因素，如：穗粒数、百粒重等指标。2016年种植马铃薯也表现出相同的影响特征。综上所述，NH对土壤团聚体特征的影响与其增产作用表现出不同步性，其深层次的土壤团聚体对作物产量的影响机制本文未涉及，尚须进一步深入研究。

表5 2015年保护性耕作试验玉米产量及构成因素

3 讨 论

耕地土壤水稳性团聚体含量高低能够更好地反映土壤保持和供应养分能力的强弱[16]。耕地土壤团聚体结构不仅受土壤类型、气候条件等自然因素的影响，而且受施肥方式、耕作措施等田间种植管理模式的影响。本研究结果表明，CK处理下0～20 cm处>5mm水稳性团聚体所占比例急剧下降，显著低于NH、WP 和HP。同样地，NH处理1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤稳定性团聚体含量高于其他三种耕作方式且差异显著。值得注意的是WP与CK之间没有显著性差异，这与刘秀[10]得出的覆膜能够改善土壤团聚体分布与稳定性不一致，主要是因为覆膜方式不同导致的差异。本试验WP采用耕地地表面全地膜覆盖，不同于传统的半膜覆盖[7]。目前，MWD、稳定率、分形维数是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，但是，本研究结果表明机械稳定性团聚体MWD与土壤稳定率、分析维数相悖，而土壤水稳性MWD与土壤稳定率、分形维数表现出一致性。

大量研究表明，土壤团聚体形成与土壤有机碳含量及分布密切相关，土壤有机碳在土壤团聚体的形成和稳定性中起到重要作用，可作为胶结剂促进团聚体形成，农田土壤水稳性团聚体内的有机碳主要富集在2～0.25 mm粒级[17-19]。>0.25 mm 水稳性团聚体有机碳含量高于<0.25 mm团聚体有机碳含量[20]。合理的农业耕作措施可以提高土壤有机物质的输入量，减少土壤有机质的矿化分解，增加土壤有机碳含量。深松、旋耕、免耕并结合秸秆还田等管理措施可以通过改变土壤的湿度和温度、根系生长状况、作物残茬的数量和质量，影响土壤微生物量及其活性，最终影响土壤团聚体及有机碳的动态。刘丹[10]研究表明土壤水稳性团聚体MWD与土壤有机碳含量呈线性相关，但是深层土壤团聚体与有机碳关系复杂。刘秀[11]研究表明，深松、旋耕、免耕措施能提高耕层0～10 cm 各级别团聚体有机碳含量，而在其他土层无此变化规律，主要是因为大量的植物残体输入和受到扰动影响较小使有机碳趋向于表层富集。本研究结果显示0～20 cm土层土壤水稳性团聚体MWD与土壤有机碳含量线性相关。20～40 cm土层两者相关性不明显(见图2)。

图2 土壤水稳性团聚体MWD与土壤有机碳含量的关系Fig.2 Relationship between soil water stable aggregate MWD and soil organic carbon content

耕作措施是影响土壤特性与作物产量重要的因素。诸多研究表明免耕、覆膜可以提高玉米产量[21-22]。本研究表明耕作措施对玉米产量的影响显著。相对于CK，HN、HP和WP显著提高玉米株高、产量，并改善产量构成因素，如穗粒数、百粒重等，三处理分别比CK分别增加产量10.5%、13.3%和39.2%。而本研究发现耕作措施对土壤团聚体及作物产量的影响表现出不一致性。但是关于土壤团聚体结构及稳定性与土壤水分、作物产量的内在关系方面的研究还较为缺乏，今后应进一步深层次探讨耕作措施下土壤团聚体构建的物理、化学、生物机理及其增产作用机制。

4 结 论

1)不同耕作措施显著影响土壤团聚体分布状况。土壤机械稳定性团聚体CK处理下表层0～20 cm以>5 mm为主，而NH、WP 和HP 1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的土壤稳定性团聚体分布较多。水稳性团聚体CK处理下>5 mm显著低于NH、WP 和HP。

2) 不同耕作措施对土壤水稳性团聚体MWD和稳定率影响显著，NH、 HP和WP表层0～20 cm和底层20～40 cm土壤水稳性性团聚体MW和稳定率均高于CK。

3) 不同耕作措施对表层0～20 cm土壤机械稳定性分形维数高于水稳性团聚体分形维数，且均表现为NH处理分形维数显著低于HP、WP和CK，由低到高顺序均为：NH

4)不同耕作措施能够增加作物产量及其构成因素。相对于CK，NH、HP和WP分别增加玉米产量10.5%、13.3%和39.2%。马铃薯也表现出相同的规律。