全 文 ：轮耕与施肥对渭北旱作玉米田土壤团聚体
和有机碳含量的影响*
王摇 丽1 摇 李摇 军2**摇 李摇 娟1 摇 柏炜霞2
( 1西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100; 2西北农林科技大学农学院, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 2007—2012 年在陕西合阳连作玉米田进行保护性轮耕与施肥长期定位试验,设置免
耕 /深松(NT鄄ST)、深松 /翻耕(ST鄄CT)和翻耕 /免耕(CT鄄NT)3 种隔年交替轮耕处理和连续免
耕(NT鄄NT)、连续深松(ST鄄ST)、连续翻耕(CT鄄CT)3 种连耕处理及平衡施肥、低肥和常规施肥
3 种施肥处理,分析了 0 ~ 40 cm 土壤团聚体分布、平均质量直径(MWD)、几何平均直径
(GMD)、分形维数(D)及 0 ~ 60 cm土壤有机碳(SOC)含量.结果表明: 随着耕作强度的增加,
土壤团聚体总含量减小,稳定性降低,有机碳损失增大;连续免耕和轮耕增大了土壤团聚体
MWD和 GMD,减小分形维数,增加了粒径大于 0. 25 mm团聚体(R0. 25)和 SOC含量.在相同施
肥处理下,团聚体 R0. 25表现为 NT鄄NT>NT鄄ST>NT鄄CT>ST鄄ST>CT鄄ST>CT鄄CT;在相同耕作方式
下,平衡施肥和低肥处理下土壤团聚体比常规施肥更稳定.通过对土壤团聚体分形维数进行
数学拟合,干筛法和湿筛法所测土壤团聚体的分形维数分别为 2. 247 ~ 2. 681 和 2. 897 ~
2. 976. 0 ~ 30 cm土层土壤团聚体分形维数均表现为连续免耕和轮耕显著低于连续翻耕(CT鄄
CT),随土层加深分形维数增大,在 40 cm处趋于稳定.施肥对不同土层有机碳含量的影响差
异显著(P<0. 05),随土层加深有机碳含量呈递减趋势,平衡施肥处理下有机碳积累量较常规
施肥增加了 6. 9% .土壤有机碳含量随团聚体粒径的增大而增加,0. 25 ~ 2 mm 粒径土壤团聚
体含量对有机碳积累的影响达到显著水平(P<0. 01),确定系数 R2为 0. 848.
关键词摇 渭北旱塬摇 轮耕摇 施肥摇 土壤团聚体摇 有机碳
*公益性行业(农业)科研专项(201303104)、“十一五冶国家科技支撑计划项目(2006BAD29B03)和国家自然科学基金项目(31071374)资助.
**通讯作者. E鄄mail: junli@ nwsuaf. edu. cn
2013鄄07鄄17 收稿,2013鄄12鄄19 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)03-0759-10摇 中图分类号摇 S152. 4摇 文献标识码摇 A
Effects of tillage rotation and fertilization on soil aggregates and organic carbon content in
corn field in Weibei Highland. WANG Li1, LI Jun2, LI Juan1, BAI Wei鄄xia2 (1College of Forest鄄
ry, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2College of Agronomy, Northwest
A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(3): 759-768.
Abstract: A field experiment on effects of tillage rotation and fertilization on corn continuous crop鄄
ping鄄practiced lands was carried out in Heyang of Shaanxi in 2007-2012. The tillage types included
annual rotation of no鄄tillage and subsoiling (NT鄄ST), subsoiling and conventional tillage (ST鄄CT),
or conventional tillage and no鄄tillage (CT鄄NT), and yearly practice of no tillage (NT鄄NT), subsoi鄄
ling (ST鄄ST) or conventional tillage (CT鄄CT). The fertilization treatments included balanced ferti鄄
lization, low鄄rate fertilization and conventional fertilization, which were separately practiced against
the different tillage types. The experiment investigated compositions, mean mass diameters
(MWD), geometrical mean diameters (GMD) and fraction dimension numbers (D) of soil aggre鄄
gates in 0-40 cm soil and contents of organic carbon in 0-60 cm soil. The results indicated that:
1) The increased tillage intensity caused the reduced mechanical stability and content of soil aggre鄄
gates and increased soil organic carbon loss. No鄄tillage or tillage rotation increased the MWD, GMD
and contents of soil organic carbon and soil aggregates with diameters of more than 0. 25 mm, but
decreased D. Under the same fertilization treatment, the contents of soil aggregates with diameters
of more than 0. 25 mm were ranked in the order of NT鄄NT>NT鄄ST>NT鄄CT>ST鄄ST>CT鄄ST>CT鄄CT,
and under the same tillage rotations, the soil aggregates were more stable with the balanced or low鄄
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 3 月摇 第 25 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2014, 25(3): 759-768
rate fertilization than with the conventional fertilization. 2) Mathematical fractal dimension fitting of
soil aggregates indicated that the fractal dimension numbers of soil aggregates ranged within 2. 247-
2. 681 by dry sieving and 2. 897-2. 976 by wet sieving. In 0-30 cm soil, the fractal dimension
numbers of soil aggregates were significantly lower under no鄄tillage or tillage rotation than under
conventional tillage, and in 0-40 cm soil, the fractal dimensions of soil aggregates increased with
soil depth, and tended to stabilize at the soil depth of 40 cm. 3) The different fertilization treat鄄
ments exerted significantly different influences on the contents of soil organic carbon (P<0. 05),
which tended to decline with soil depth. Compared to the conventional fertilization, the balanced
fertilization increased the content of soil organic carbon by 6. 9% , and the contents of soil organic
carbon increased as the diameters of soil aggregates increased. The correlation analysis showed that
the contents of soil aggregates with diameters of 0. 25-2 mm significantly affected the content of soil
organic carbon, with the coefficient of determination being 0. 848 (P<0. 01).
Key words: Weibei Highland; tillage rotation; fertilization; soil aggregate; organic carbon.
摇 摇 土壤团聚体是土壤结构的基本单元,对土壤理
化性质有重大影响[1],其数量多少在一定程度上反
映土壤持水性、供储养分、通透性等能力的高低;土
壤团聚体组成及其基本特性是决定土壤侵蚀、压实、
板结等物理过程与作用的关键指标之一. 是土壤肥
力的基础和评价土壤质量的重要指标[2] . 地处黄土
高原南部台塬和残塬沟壑区的渭北旱塬是我国北方
典型旱作农区,干旱胁迫和地力瘠薄导致该区粮食
产量低而不稳.传统土壤耕作方式对土壤翻动次数
过多,导致耕地退化和水土流失加剧,同时造成生产
成本增加,而保护性轮耕能够改善土壤结构,提高土
壤结构体稳定性和土壤水分入渗性能,增加土壤持
水性、抗蚀性和通透性[3] .
土壤退化已成为当今全球普遍关注的紧迫问题
之一.土壤结构退化是土壤退化最重要的过程之一,
其显著特征表现在土壤团聚体构成比例失调以及团
聚体稳定性下降. 近 20 年来,国内外有不少关于土
地利用方式对土壤团聚体及有机碳影响方面的研究
报道. Six等[4]认为,>0. 25mm的团聚体是土壤中最
好的土壤团粒结构体,其数量与土壤的肥力状况呈
正相关.耕作强度增加会促进土壤有机碳周转,而土
壤有机碳是土壤团聚体形成的重要胶结物[2],与土
壤团聚体关系密切. 李涵等[5]、王海霞等[6]通过对
渭北旱塬春玉米和冬小麦的研究表明,秸秆覆盖可
以增加 0 ~ 40 cm土层>0. 25 mm粒径土壤团聚体含
量,提高土壤有机质含量. 唐晓红等[7]认为,保护性
耕作增加了表层(0 ~ 10 cm)土壤大团聚体及其有
机碳浓度.张旭辉等[8]、李恋卿等[9]研究发现,有机
碳积累量与 0. 25 ~ 2 mm 土壤团聚体含量密切相
关.前人关于施肥对土壤性质及有机碳的影响也做
了大量研究[10],认为施肥是影响土壤质量演化及其
可持续利用最为深刻的农业措施之一.
目前,国内外对紫土和黑土类土壤团聚体结构
及稳定性的研究较多,但对黄绵土类土壤团聚体分
布及稳定性的研究较少,且大多与土壤侵蚀、养分分
布、土地利用方式等联系在一起.而将耕作方式和施
肥相结合,研究其对渭北旱塬土壤团聚体分布的影
响未见报道.本文将轮耕和不同施肥处理相结合,综
合应用干筛法和湿筛法所得团聚体 R0. 25、平均质量
直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)
以及有机碳含量等指标来描述渭北旱塬连作春玉米
田土壤团聚体的分布状况和稳定性特征,研究不同
耕作模式及施肥方式对连作春玉米田土壤团聚体分
布和稳定性特征以及有机碳含量的影响,以期为渭
北旱塬旱作玉米田选择合理的耕作和施肥方式提供
理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 试验区概况
试验在陕西省渭北旱塬东部的合阳县甘井镇西
北农林科技大学旱作农业试验站(35毅19忆54. 45义 N,
110毅05忆58. 35义 E)进行,地貌为典型黄土台塬沟壑
区,海拔为 721 m,年平均气温 11. 5 益,年降水量约
550 mm,年蒸发量约 1832. 8 mm. 降雨年际间分配
不均,主要集中在 7、8、9 月.供试土壤为黑垆土,属
中壤土,土层深厚,质地疏松,蓄水、保肥能力强.
1郾 2摇 试验设计
2007—2012 年在春玉米连作条件下实施土壤
轮耕定位试验,采用二因素裂区试验设计,平衡、低
肥和常规 3 种施肥方式为主处理,免耕、深松和翻耕
6 种耕作方式为副处理.小区面积为 22. 5 m伊5 m =
112. 5 m2,设置 3 次重复.供试玉米品种为豫玉 22,
4 月中下旬播种,9 月中下旬收获,收获后立即采集
土样.
067 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
从 2007 年玉米收后冬闲期开始实施土壤耕作
处理. 6 种耕作处理为:1)免耕 /深松轮耕(NT / ST);
2)深松 /翻耕轮耕(ST / CT);3)翻耕 /免耕轮耕(CT /
NT / );4)连续免耕(NT / NT);5)连续深松(ST / ST);
6)连续翻耕(CT / CT). 在上述各年土壤耕作处理
中,免耕处理是指在玉米收获后立即将秸秆粉碎覆
盖地表,不采取任何土壤耕作措施,地表覆盖秸秆越
过冬闲期;翻耕处理是指在玉米收获后立即将秸秆
粉碎覆盖地表,将土壤全面翻耕 20 ~ 25 cm,并全部
翻埋秸秆,地表裸露越过冬闲期;深松处理是在玉米
收获后立即将秸秆粉碎覆盖地表,每间隔 60 cm 深
松 30 ~ 35 cm,地表部分覆盖秸秆越过冬闲期.
施肥处理为:1)常规施肥(高氮高磷):N 255
kg·hm-2,P2O5 180 kg·hm-2;2)平衡施肥(氮磷钾
平衡):N 150 kg·hm-2,P2O5 120 kg·hm-2,K2O 90
kg·hm-2;3)不施肥或低肥(低氮低磷):第 1 年为
无肥处理,第 2 年起为平衡施肥处理 N、P 施肥量的
1 / 2.各处理施肥按化肥的实际有效含量换算,其中
氮肥、磷肥、钾肥分别为尿素、磷酸二铵和氯化钾.
1郾 3摇 土样采集与测定
1郾 3郾 1 土壤团聚体测定摇 1)土样采集:经过 5 年轮
耕试验,于 2012 年玉米收获后,分层采集 0 ~ 10
cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm和 30 ~ 40 cm 土层土样,
除去粗根及小石块,将土样风干.采用四分法(对角
线法)分土,土壤质量不少于 1. 8 kg.采用 5 和 2 mm
的筛子将土样分成>5 cm、2 ~ 5 cm 和<2 cm 3 个级
别;然后称 3 个粒级总质量 a(kg),再分别称 3 个粒
级的质量 a1、a2和 a3(kg),然后按百分比进行分土,
最后将已经分好的土混合,放入塑封袋中,总共分 8
袋(每袋 200 g).
2)干筛法:将 4 袋分好的土样分别置于套筛
(孔径依次为 5、2、1、0. 5 和 0. 25 mm)顶部,每次两
袋,底层安放底盒,顶部盖筛盖,用振荡式机械筛分
仪,在最大运动频率 300 次·min-1准确振荡 2 min
后,从上部依次取筛,得到>5 mm、2 ~ 5 mm、1 ~ 2
mm、0. 5 ~ 1 mm、0. 25 ~ 0. 5 mm 及<0. 25 mm 的土
壤团聚体,分别收集称量,记为 4Wd i [11] .
3)湿筛法:将 4 袋分好的土样混合,置于塑料
烧杯中,先加水静置 10 min,然后将吸水饱和的土样
转移放置于室温下频率为 35 kHz的超声波仪(内加
2 / 3 高度的水)中分散 30 min,最后将分散完的土样
过筛(孔径依次为 5、2、1、0. 5 和 0. 25 mm),以 30 次
·min-1在水中上下震荡 50 次,上下移动垂直距离
约 3 cm,将各级孔径筛子上土样分别洗入铝盒,在
105 益下烘干 12 h称量,记为 4Ww i [12] .
4)计算公式:Wi为第 i 粒级团聚体质量所占的
百分比例, DR0. 25为 > 0. 25 mm 稳定性团聚体含
量[11] .
Wi =Wdi / 200伊100% (1)
Wi =Wwi / 200伊100% (2)
DR0郾 25 =移
n
i = 1
(Wi) (3)
MWD和 GWD 分别为平均质量直径和几何平
均直径,采用邱莉萍等[13]推导的公式确定:
R0郾 25 = Mr > 0郾 25 / MT = 1 - Mr < 0郾 25 / MT (4)
MWD =移
n
i = 1
(軈R iw i) /移
n
i = 1
w i (5)
GMD = exp 移
n
i = 1
w i lnR i /移
n
i = 1
w[ ]i (6)
分形维数(D)采用杨培岭等[14]推导的公式计
算:
M( r<軃xi)
MT
=
軃xi
X
æ
è
ç
ö
ø
÷
max
3-D
(7)
对公式两边取对数,可得:
lg M( r<
軈R i)
M
é
ë
êê
ù
û
úú
T
=(3-D)lg
軈R i
R
æ
è
ç
ö
ø
÷
max
(8)
式中:Wdi为干筛法各孔径筛子上团聚体质量;Wwi为
湿筛法各孔径筛子上团聚体质量;軈R i 为某级团聚体
平均直径;w i 为某级团聚体组分的干质量;軃xi 为某
级团聚体平均直径;M( r<軈R i)为粒径<軃xi 的团聚体的
质量;MT为团聚体总质量;Xmax为团聚体的最大粒
径.利用式(7)或式(8)通过数据拟合,可求得 D.
1郾 3郾 2 有机碳含量测定摇 在玉米收获后采集 0 ~ 20
cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层土样,除去粗根及小
石块,将土样风干.采用四分法(对角线法)分土,然
后将土样烘干后磨细,过 100 目筛(0. 149 mm). 采
用重铬酸钾容量法(外加热法)测定有机碳含量[15],
在油浴加热的条件下,用过量的重铬酸钾鄄硫酸
(K2Cr2O7 鄄H2SO4 )溶液氧化土壤有机质中的碳,
Cr2O7 2-等被还原成 Cr3+,剩余的重铬酸钾(K2Cr2O7)
用硫酸亚铁(FeSO4)标准溶液滴定,根据消耗的重铬
酸钾量计算出有机碳量.
1郾 4摇 数据处理
数据经 Microsoft Excel 软件整理,采用 SPSS
(PASW Statistics 16. 0)软件包进行两因素方差分
析,不同处理之间所得的均值采用 Duncan新复极差
法( SSR) 进行多重比较,然后经过 t 检验 ( 琢 =
0郾 05).
1673 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 丽等: 轮耕与施肥对渭北旱作玉米田土壤团聚体和有机碳含量的影响摇 摇 摇 摇
2摇 结果与分析
2郾 1摇 保护性轮耕和施肥对土壤团聚体分布特征的
影响
2郾 1郾 1 机械稳定性团聚体含量 摇 本研究采用>0. 25
mm团聚体(R0. 25)含量比例来说明土壤团聚体的数
量和分布变化,以反映不同耕作措施和施肥处理下
土壤肥力和稳定性状况.
通过干筛法可以获得原状土壤中团聚体的总体
数量.这些团聚体包括非水稳性团聚体和水稳性团
聚体.经过 5 年施肥和轮耕处理,不同施肥方式对机
械稳定性团聚体粒径分布影响差异达到显著水平
(P<0. 05).如图 1 所示,机械稳定性团聚体分布以
粒径>5 mm大团聚体为主,0. 25 ~ 0. 5 mm 小,团聚
体次之,随粒径减小、团聚体含量总体呈先降低后增
加趋势,大团聚体百分含量显著高于小团聚体(P<
0郾 01),0. 5 ~ 1 mm团聚体总量最少.连续免耕和轮
耕处理下 R0. 25显著高于连续翻耕处理,而 0. 25 ~ 1
mm团聚体各处理间差异不显著,说明免耕和轮耕
提高了大团聚体的数量,使土壤团粒结构体的数量
增多.
在同一轮耕模式下,平衡施肥处理的机械稳定
性团聚体总量最高,较低肥和常规施肥处理分别提
高了 11. 7%和 18. 6% . 低肥处理中,粒径>0. 5 mm
团聚体含量显著增加,0. 25 ~ 0. 5 mm小团聚体含量
增加不显著,说明低肥处理有利于粒径较大团聚体
的形成.与低肥和常规施肥处理相比,平衡施肥处理
显著增加了粒径>2 mm 机械稳定性团聚体的含量,
所以平衡施肥和低肥处理都有助于机械稳定性大团
聚体的形成.
由图 1 可知,在相同施肥处理下,连续免耕和轮
耕处理的机械稳定性团聚体含量都显著高于常规连
续翻耕处理.在平衡施肥处理下,连续免耕的机械稳
定性团聚体 R0. 25总含量最高,免耕 /深松次之,免耕
处理使犁底层消失,显著提高其团聚体含量,而轮耕
处理下大团聚体含量也显著增加;与连续翻耕相比,
连续免耕和免耕 /深松的团聚体含量分别增加了
44. 9%和 39. 1% ,连续深松增加了 9. 0% ;与连续翻
耕相比,连续免耕、连续深松和轮耕都增加了机械稳
定性团聚体含量,但除了连续免耕和免耕 /深松外,
其他耕作处理之间的团聚体总含量差异不显著. 与
连续翻耕相比,连续免耕处理下,粒径>5 mm 的团
聚体含量增加了 41. 4% ,1 ~ 2 mm 的团聚体含量增
加了23郾 2% ,可见,粒径较大的团聚体增加比例更
图 1摇 不同轮耕模式在平衡施肥(A)、低肥(B)和常规施肥
(C)处理下的土壤机械稳定性团聚体百分含量
Fig. 1 摇 Percentage composition of mechanical stability aggre鄄
gates under different rotation patterns in balance fertilization
(A), low fertilization (B) and conventional fertilization (C).
高,说明连续免耕显著增加了粒径较大的团聚体
含量.
在低肥处理下,连续免耕机械稳定性团聚体
(R0. 25)含量最高,较连续翻耕团聚体总含量提高
6郾 6% ,与连续翻耕相比,连续免耕处理下 0. 25 ~
0郾 5 mm团聚体含量增加了 12. 2% ,0. 5 ~ 1 mm 团
聚体含量增加了 10. 2% ,1 ~ 2 mm和 2 ~ 5 mm团聚
体含量分别增加了 9. 5%和 7. 7% ,不同粒径间的团
聚体含量增加量差异并不显著;免耕 /深松较连续翻
耕处理 0. 25 ~ 0. 5 mm 团聚体含量增加了 13. 4% ,
0. 5 ~ 1 mm团聚体含量增加了 12. 6% ,1 ~ 2 mm 和
2 ~ 5 mm团聚体含量分别增加了 9. 1%和 4. 6% ;免
耕 /翻耕和连续翻耕处理间团聚体含量差异不显著.
在常规施肥下,连续翻耕土壤团聚体总含量最
少,与其他处理差异显著. 与连续翻耕相比,连续免
耕和免耕 /深松处理下团聚体含量分别增加了
267 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
8郾 4%和 16. 2% ,免耕 /翻耕增加了 10. 3% ,连续免
耕和轮耕都增加了机械稳定性团聚体含量,但各处
理间差异未达到显著水平.可见,连续翻耕下土壤团
聚体机械稳定性最低,传统的连续翻耕由于过多的
人为扰动,使机械稳定性大团聚体含量降低.
2郾 1郾 2 水稳性团聚体含量摇 湿筛法获得的水稳性团
聚体数量和分布状况反映了土壤结构的稳定性、持
水性、通透性和抗侵蚀的能力[16] . 水稳性团聚体对
保持土壤结构的稳定性有重要的贡献,比机械稳定
性团聚体更为重要. 不同粒级团聚体对土壤养分的
保持和供应、孔隙组成、水力性质和生物运动具有不
同的作用.不同轮耕模式对水稳性团聚体粒径分布
的影响差异显著(P<0. 05,图 2).
绝大多数情况下,团聚体浸水后比较容易破碎,
所以水稳性团聚体含量明显低于机械稳定性团聚体
含量.从图2可以看出,施肥对水稳性团聚体含量的
图 2摇 不同轮耕模式在平衡施肥(A)、低肥(B)和常规施肥
(C)处理下的土壤水稳性团聚体百分含量
Fig. 2摇 Percentage composition of water stable aggregates under
different rotation patterns in balance fertilization (A), low ferti鄄
lization (B) and conventional fertilization (C).
影响差异达到显著水平(P<0. 05),在相同轮耕模式
下,平衡施肥处理水稳性团聚体含量较低肥处理高
11. 6% ,较常规施肥处理高 20. 3% . 施肥对 0郾 25 ~
0. 5 mm团聚体含量的影响最显著,与常规施肥相
比,平衡施肥和低肥处理下 0. 25 ~ 0. 5 mm 团聚体
含量分别增加了 31. 2%和 14. 6% ,可见低肥和平衡
施肥促进了粒径较小水稳性团聚体的形成.
在平衡施肥处理下,免耕 /深松与免耕 /翻耕处
理的 0. 25 ~ 0. 5 mm 团聚体差异不显著,但与连续
翻耕和连续深松相比差异显著,连续免耕处理下团
聚体百分含量高达 73. 6% ,较连续翻耕处理增加了
23. 2% ,团聚体百分含量依次为:NT鄄NT >NT鄄ST >
NT鄄CT>ST鄄ST>CT鄄ST>CT鄄CT.连续免耕与连续翻耕
处理的 0. 5 ~ 5 mm团聚体差异显著,连续免耕较连
续翻耕处理的 0. 5 ~ 1 mm 团聚体含量增加了
34郾 8% ,1 ~ 2 mm 团聚体含量增加了 28. 9% ,2 ~
5 mm团聚体含量增加了 17. 8% .
在低肥处理下,连续免耕较连续翻耕处理的
0郾 25 ~ 0. 5 mm 团聚体含量增加了 27. 2% ,0. 5 ~ 1
mm团聚体含量增加了 18. 3% ,1 ~ 2 mm 团聚体含
量增加了 21. 9% ,2 ~ 5 mm 团聚体含量增加了
17郾 3% ;免耕 /深松较连续翻耕处理的 0. 25 ~ 0. 5
mm团聚体含量增加了 24. 3% ,0. 5 ~ 1 mm 团聚体
含量增加了 22. 5% ,1 ~ 2 mm 团聚体含量增加了
19郾 4% ,2 ~ 5 mm 团聚体含量增加了 14. 3% ;免耕 /
翻耕和连续翻耕的差异不显著.可见,连续免耕和免
耕 /深松显著增加了水稳性小团聚体含量,而粒径较
大团聚体含量增加并不显著.
在常规施肥处理下,连续翻耕处理的 2 ~ 5 mm
团聚体含量最低,仅占 4. 2% ,连续免耕较连续翻耕
处理的 0. 25 ~ 0. 5 mm 团聚体含量增加了 38. 7% ,
0. 5 ~ 1 mm团聚体含量增加了 21. 4% ,1 ~ 2 mm 团
聚体含量增加了 20. 2% ,2 ~ 5 mm 团聚体含量增加
了 16. 3% .可见,由于耕作处理的强度增加,破坏了
粒径较大的水稳性团聚体.
2郾 2摇 保护性轮耕和施肥对土壤团聚体稳定性的
影响
土壤团聚体平均质量直径(MWD)和平均几何
直径(GMD)是反映土壤团聚体大小分布状况的常
用指标,MWD 和 GMD 值越大,表示团聚体的平均
粒径团聚度越高,稳定性越强.不同粒级团聚体对土
壤养分的保持与供应、改善孔隙组成、水力学性质和
生物学性质的作用不同,因此,团聚体大小分布状况
与土壤质量的关系密切.本研究用粒径>0. 25 mm
3673 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 丽等: 轮耕与施肥对渭北旱作玉米田土壤团聚体和有机碳含量的影响摇 摇 摇 摇
表 1摇 不同轮耕模式在平衡施肥(A)、低肥(B)和常规施肥(C)处理下的土壤团聚体平均质量直径(MWD)和平均几何直径
(GMD)
Table 1摇 Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of soil aggregates under different rotation
patterns in the balance fertilization (A), low fertilization (B) and conventional fertilization (C)
方法
Method
指标
Parameter
施肥
Fertilization
耕作方式 Tillage pattern
NT鄄ST ST鄄CT CT鄄NT NT鄄NT ST鄄ST CT鄄CT
干筛法 MWD A 3. 32b 2. 72c 3. 10bc 3. 46b 2. 84a 2. 17c
Dry sieving B 3. 18b 2. 02c 3. 20b 3. 30b 2. 52a 2. 16c
C 2. 21a 2. 23a 2. 24a 2. 63b 2. 07a 2. 29c
GMD A 3. 13a 2. 51b 3. 05a 3. 33c 2. 59c 2. 47b
B 2. 94ab 2. 35ab 2. 61a 3. 38b 2. 27bc 2. 15c
C 2. 27a 2. 30ab 2. 37a 2. 57c 2. 25a 1. 89a
湿筛法 MWD A 0. 69b 0. 63b 0. 72a 0. 89c 0. 74a 0. 42a
Wet sieving B 0. 58a 0. 58ab 0. 45ab 0. 59b 0. 47ab 0. 55a
C 0. 51b 0. 58a 0. 56a 0. 67c 0. 58a 0. 5cb
GMD A 0. 76a 0. 76c 0. 61b 0. 78c 0. 69a 0. 61b
B 0. 53b 0. 53a 0. 53a 0. 62c 0. 56a 0. 48b
C 0. 47a 0. 47a 0. 42b 0. 51c 0. 42b 0. 45bc
A: 平衡施肥 Balance fertilization; B:低肥 Low fertilization; C:常规施肥 Conventional fertilization.同列不同字母表示同一耕作方式不同施肥处理
间差异显著(P<0. 05) Different letters in the same column meant significant difference among fertilization treatments under the same tillage pattern at 0.
05 level. 下同 The same below.
团聚体 MWD和 GMD 作为评价土壤团聚体稳定性
的参数.
摇 摇 经过连续 5 年不同轮耕处理,不同轮耕模式对
土壤团聚体稳定性的影响差异显著(表 1). 干筛法
所得机械稳定性团聚体的 MWD 和 GMD 都明显高
于湿筛法,在水分浸泡下大量非水稳性团聚体会分
解,说明该土壤中团聚体大多数是机械稳定性团聚
体.在干筛法所得的机械稳定性团聚体中,平衡施肥
处理下的团聚体稳定性高于低肥处理,低肥处理又
高于常规施肥处理;平衡施肥处理下团聚体 MWD
较低肥和常规施肥处理提高了 11. 4%和 53. 7% ,
GMD提高了 10. 5%和 22. 6% ;在湿筛法所得的水
稳性团聚体中,平衡施肥处理的团聚体 MWD 较低
肥和常规施肥处理提高了 36. 7%和 28. 0% ,GMD
提高了 21. 6%和 43. 8% . 在平衡施肥和低肥处理
下,机械稳定性团聚 MWD和 GMD增大,可见,平衡
施肥和低肥处理有助于团聚体的稳定性,低肥处理
团聚体稳定性比常规施肥处理高,说明不合理的施
肥会破坏团聚体的稳定性.
在相同施肥处理下,连续免耕处理的机械稳定
性团聚体和水稳性团聚体 MWD 最高,连续翻耕处
理稳定性最低.在干筛法中,与常规连续翻耕处理相
比,连续免耕和翻耕 /免耕团聚体 MWD 分别提高了
41. 8%和 29. 0% ;翻耕 /深松、连续深松和免耕 /深
松分别提高了 5. 3% 、12. 2%和 30. 4% .连续免耕对
团聚体稳定性的影响最显著,免耕 /深松次之.
在湿筛法中,与连续翻耕处理相比,连续免耕和
翻耕 /免耕团聚体 MWD 分别提高了 46. 3% 和
17郾 7% ;翻耕 /深松和连续深松分别提高了 21. 8%
和 12. 2% ;免耕 /深松提高了 10. 1% .与连续翻耕处
理相比,连续免耕和翻耕 /免耕团聚体 GMD 分别提
高了 24. 0%和 3. 0% ,翻耕 /深松和连续深松分别提
高了 14. 3%和 8. 4% ;免耕 /深松提高了 8. 7% . 可
见,轮耕和连续免耕、连续深松都在不同程度上提高
了团聚体的稳定性.
2郾 3摇 保护性轮耕和施肥对土壤团聚体分维特征的
影响
按照式(8)对各处理土壤团聚体分形维数进行
数学拟合(R2值>0. 91),结果表明(图 3),在不同施
肥处理和耕作处理下,干筛法和湿筛法测定的土壤
团聚体分形维数分别为 2. 247 ~ 2. 681 和 2. 897 ~
2. 976.在 0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm土层,土
壤团聚体分形维数均表现为连续免耕显著低于连续
翻耕,说明免耕降低了土壤团聚体分形维数.在不同
耕作处理及施肥方式下,团聚体分形维数均表现为
随土层加深而增大,最后在 40 cm处趋于稳定.
在相同耕作处理下,比较不同施肥处理同一土
层团聚体分形维数,结果表现为:平衡施肥<低肥<
常规施肥,说明平衡施肥处理的团聚体具有良好的
结构与稳定性.在相同施肥处理下,连续免耕处理的
机械稳定性团聚体的分形维数均表现为:0 ~ 10 cm
土层最小,10 ~ 30 cm土层逐渐增大,30 cm以下土
467 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 3摇 不同耕作方式在平衡施肥(A)、低肥(B)和常规施肥(C)处理下的土壤团聚体分形维数
Fig. 3摇 Fractal dimension of soil aggregates under different rotation patterns in balance fertilization (A), low fertilization (B) and con鄄
ventional fertilization (C).
层又开始减小,表明 30 cm 以下土层团聚体受人为
耕作干扰较小,团聚体结构较好,稳定性更强. 相同
施肥处理下,由于表层受机具的扰动较大,连续深松
和连续翻耕处理的团聚体分形维数较高,但随着土
层加深,干扰减小,分形维数均表现为下降趋势. 由
于免耕 /深松、免耕 /翻耕和深松 /翻耕等轮耕处理的
干扰,其表层分形维数均高于连续免耕,但随着土层
加深变化趋势与连续免耕相同,说明在一定程度上,
轮耕处理也降低了团聚体的稳定性,但与连续翻耕
和连续深松相比,其分形维数仍然较低,可见轮耕处
理团聚体仍具有较高的稳定性.
在相同施肥处理下,连续免耕处理的水稳性团
聚体也表现为:0 ~ 10 cm 土层分形维数最小,10 ~
20 cm土层增大,20 ~ 30 cm土层减小,30 ~ 40 cm土
层团聚体分形维数反而增大. 这与试验所得水稳性
团聚体组成含量有关,大团聚体含量越高,分形维数
会越高.本试验轮耕和施肥处理下水稳性团聚体以
0. 25 ~ 0. 5 mm含量最多,黏粒含量较高、质地细、粗
细不均匀,所以团聚体分形维数较高.免耕 /深松、免
耕 /翻耕和翻耕 /深松等轮耕处理变化趋势与连续免
耕相似(图 3),但轮耕处理下团聚体分形维数比连
续免耕高,是由于轮耕对土壤干扰程度较连续免耕
大.从图 3 可以看出,轮耕处理和连续免耕处理
20 ~ 30 cm 土层分形维数有交叉点,表明在一定深
度连续免耕和轮耕有相同的处理效应,虽然连续免
耕减小了对土壤的干扰,可以减小分形维数,但多年
连续免耕会使表层土壤紧实度增加,大团聚体比例
增加,所以分形维数增大.
2郾 4摇 保护性轮耕和施肥对土壤总有机碳的影响
不同施肥处理的土壤有机碳(SOC)含量差异达
到显著水平(P<0. 05)(表 2),低肥处理土壤有机碳
含量最高,平衡施肥次之,常规施肥最低. 与常规施
肥相比,平衡施肥和低肥处理土壤有机碳含量分别
增加 6. 9%和 7. 2% .各处理不同土层土壤有机碳质
量分数自上而下呈下降趋势,0 ~ 20 cm 土层土壤有
机碳平均含量为9郾 42 g·kg-1 ,20 ~ 40 cm土层为
5673 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 丽等: 轮耕与施肥对渭北旱作玉米田土壤团聚体和有机碳含量的影响摇 摇 摇 摇
表 2摇 不同轮耕及施肥处理对 0-60 cm 土层土壤有机碳含
量的影响
Table 2摇 Effects of different rotational tillage and fertiliza鄄
tion treatments on soil organic carbon content in 0-60 cm
layer (g·kg-1)
施肥
Fertili鄄
zation
土层
Soil depth
(cm)
土壤有机碳 Soil organic carbon
NT鄄ST ST鄄CT CT鄄NT NT鄄NT ST鄄ST CT鄄CT
A 0 ~20 8. 29Bb 7. 91Bb 8. 93Cc 8. 09Ab 7. 31Ca 7. 40BCa
20 ~40 8. 18Cb 7. 38Aa 7. 80Ba 7. 19Aa 6. 42Ca 7. 13Aa
40 ~60 7. 55Ca 6. 94Aa 7. 06Aa 7. 10Aa 6. 00Ca 6. 40Bb
B 0 ~20 8. 35Bb 7. 98Ab 7. 88Aab 8. 03Aa 7. 29Bb 8. 23Bb
20 ~40 7. 15ABa 7. 34Aa 7. 32Aa 7. 81Ba 7. 22Aa 7. 81Aa
40 ~60 6. 86Aab 6. 71Aab 6. 50Ab 7. 70Ba 6. 73Aa 6. 58Ab
C 0 ~20 8. 06Bb 7. 71Aa 7. 75Aa 7. 98Bb 7. 20Ba 7. 24Ba
20 ~40 7. 00Aa 6. 68Aa 6. 54BCb 7. 34Ba 6. 97Aa 7. 02Aa
40 ~60 5. 85Bc 5. 92Ab 6. 29Abc 7. 11Cab 5. 61Bbc 6. 26Ac
同行不同大写字母表示相同施肥处理同一深度各粒级团聚体含量差
异显著; 同列不同小写字母表示同一耕作处理下不同深度和施肥处
理间差异显著 ( P < 0. 05 ) Different capital letters in the same row
showed significant difference among different size aggregates at the same
depth under the same fertilization treatment at 0. 05 level; different small
letters in the same column showed significant difference among treatments
under the same tillage pattern at 0. 05 level.
8郾 68 g·kg-1,40 ~ 60 cm 土层为 7. 94 g·kg-1 . 0 ~
20、20 ~ 40和 40 ~ 60 cm 土层有机碳含量的差异均
达显著水平(P<0. 05).
在平衡施肥处理下,免耕 /深松处理土壤有机碳
含量最高,连续免耕次之,免耕 /深松较翻耕 /免耕高
1郾 0% ,较深松 /翻耕高 8郾 1% , 较连续深松高
21郾 7% ,较连续翻耕高 14. 7% .在低肥处理下,连续
免耕处理有机碳含量最高,免耕 /深松次之,前者较
后者高 5. 3% ,较翻耕 /免耕、深松 /翻耕、连续深松
和连续翻耕分别高 8. 5% 、6. 9% 、10. 9%和 9. 7% .
有机碳对水稳性团聚体形成的贡献最大. 作为团聚
体形成过程中重要的胶结物,有机碳含量的减少会
导致大团聚体数量的减少和土壤质量的下降. 与常
规耕作相比,免耕显著提高了表层土壤有机碳含量,
具有明显的固碳效应. 连续翻耕和深松处理增加了
对土壤的扰动,致使土壤有机碳分解损失.
摇 摇 随土壤团聚体直径的逐渐增大,其有机碳含量
呈现逐渐增加趋势,说明土壤团聚体的形成与土壤
有机碳有直接关系. 土壤有机碳含量与土壤团聚体
MWD和 GMD以及>0. 25 mm团聚体含量呈极显著
正相关,表明土壤有机碳影响土壤团聚体的形成和
稳定性.与机械稳定性团聚体相比,土壤有机碳对水
稳性团聚体的影响更显著. 水稳性团聚体更能准确
反映有机碳与团聚体之间的关系.
对不同粒径水稳性土壤团聚体和有机碳含量进
行相关性分析,结果表明(表3) ,随团聚体粒径增
表 3摇 有机碳含量与不同粒径土壤团聚体含量的相关性
Table 3摇 Correlation of organic carbon content with water
stable soil aggregates with different sizes
粒径
Size (mm)
回归方程
Regress equation
R2
>5 y=16. 411+(-0. 014)x2 0. 172
2 ~ 5 y= 9. 658 +5. 999x-5. 397x2 +
2. 350x3
0. 368*
1 ~ 2 y=11. 260+2. 167x-0. 698x2 +
0. 056x3
0. 781**
0. 5 ~ 1 y= 3. 734 +3. 909x-0. 503x2 +
0. 019x3
0. 808**
0. 25 ~ 0. 5 y= 9. 359 +0. 679x-0. 036x2 +
0. 001x3
0. 848**
y: 土壤有机碳含量 Content of soil organic carbon; x:不同粒径水稳性
团聚体含量 Content of water stable soil aggregates with different sizes.
大,有机碳含量增加,但不呈直线分布. 通过比较相
关系数的平方值(R2)得出最优拟合模型为三次多
项式曲线.根据相关分析,粒径在 0. 25 ~ 2 mm 的土
壤团聚体百分含量对有机碳含量的影响达到极显著
水平(P<0. 01),所以可通过测定 0. 25 ~ 2 mm 水稳
性团聚体数量来衡量土壤有机碳含量.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 保护性轮耕和施肥对土壤团聚体分布特征的
影响
影响土壤团聚体含量和稳定性的内在因素是形
成土壤团聚体的胶结物质,土壤团聚体的主要胶结
剂是有机质(含有机残体和菌丝等粗有机质)、粘粒
和氧化物(主要是无定形 Fe2O3、Al2O3 ) [17] . 因此,
能够影响土壤有机质和粘粒含量的土地利用方式、
耕作管理、施肥等措施都会影响土壤团聚体含量及
其组成和稳定[18-19] .有研究表明,深松、旋耕和免耕
措施均能显著提高 0 ~ 40 cm 土层中粒级>2 mm、
0. 2 ~ 2 mm土壤团聚体含量和团聚体 MMD[20] . 本
研究表明,不同耕作处理对土壤团聚体含量、粒级分
布及稳定性均有明显影响,免耕和轮耕较连续翻耕
提高了 0 ~ 30 cm土层土壤大团聚体含量,主要原因
是免耕和轮耕通过改变土壤湿度和温度、作物根系
生长状况、残茬数量和质量,最终影响土壤团聚体及
有机碳含量.免耕有利于增加作物残体输入量,增加
土壤生物的数量与活动,降低大团聚体周转速度,通
过自然压实使土壤粘粒胶结和形成稳定土块. 频繁
翻耕易导致土壤团聚体受到破坏,稳定的大团聚体
数量减少,土壤有机碳矿化速率加快,使团聚体稳定
胶结物质减少,导致耕层大团聚体比例降低. 此外,
耕作方式影响小团聚体与大团聚体之间的转化和再
分布,进而影响土壤结构的稳定性及抗侵蚀能
667 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
力[21] . Six等[4]研究认为,水稳定性大团聚体的稳定
性低于水稳定性微团聚体,所以传统耕作后大团聚
体更容易破裂.本研究中连续免耕和轮耕较连续翻
耕能显著增加机械稳定性大团聚体数量,且翻耕导
致>2 mm水稳性大团聚体含量显著下降,这与前人
研究结果一致.
3郾 2摇 保护性轮耕和施肥对土壤团聚体稳定性的
影响
土壤作为一种多孔介质,具有明显的分形特征.
土壤粒径分布分形维数反映了土粒对空间的填充能
力,描述了土壤系统物质组成的分形结构,是土壤结
构评价的一个新指标. 土壤分形维数与土壤大团聚
体含量呈显著正相关关系,大团聚体含量越高,分形
维数越高,团聚体稳定性越低[22] .刘云鹏[23]研究表
明,陕西 4 种土壤的粒径分布分形维数在 2. 63 ~
2郾 87,理想结构土壤的粒径分布分形维数应在 2. 75
左右.本研究表明,干筛法和湿筛法所测的土壤团聚
体分形维数变化范围分别为 2. 247 ~ 2. 681 和
2郾 897 ~ 2. 976,其数值变化范围较大,说明耕作和施
肥处理对团聚体稳定性影响较大. 土壤分形维数变
化特征与土壤质地组成和水稳性团聚体组成含量有
关.渭北土壤黏粒含量较高,导致大团聚体含量高,
所以团聚体分形维数较高,稳定性较低,在轮耕和施
肥处理下粒径 0. 25 ~ 0. 5 mm 水稳性团聚体含量较
高,在 0 ~ 40 cm 土层分形维数呈倒“S冶型分布,与
刘梦云等[24]的研究结果一致.
此外,土壤中的钾能够增大土壤中小团聚体含
量和稳定性,并且能够增大土壤的剪切力;增大土壤
溶液中的钾浓度,有利于土壤中较小团聚体的形成,
且能够增加团聚体稳定性[25] . 本试验中,平衡施肥
和低肥处理的 N、P、K均衡施用,有助于小团聚体的
形成及增强其稳定性,常规施肥处理偏施氮肥、低磷
肥,不施用钾肥,不利于土壤结构及团聚体的稳定
性.化学氮肥溶液对大团聚体具有破坏作用,会分散
颗粒絮凝[26] .本研究中常规施肥处理下高量氮肥也
可能破坏了团聚体的稳定性. 土壤团聚体破坏率与
有机质含量呈负相关关系[27],即土壤有机质含量越
高,团聚体破坏率越低.本研究中平衡施肥处理下有
机质含量最高,其团聚体破坏率最低,有利于团聚体
的形成和稳定.
3郾 3摇 保护性轮耕对土壤总有机碳的影响
土壤有机碳是土壤团聚体的主要胶结剂,对土
壤团聚体的数量和大小分布有重要影响. 耕作使土
壤中碳含量较高的大团聚体比例减少,碳含量较低
的微团聚体比例增加. Six 等[4]研究指出,耕作引起
土壤大团聚体转化加快是造成土壤碳损失的首要原
因,耕作强度增加可使土壤大团聚体破碎,促进土壤
有机碳周转矿化,并形成新的小团聚体而稳定下来.
与连续翻耕土壤相比,轮耕处理下土壤团聚体含量
增加,是因为水稳性大团聚体破裂,释放出原先被大
团聚体包裹的新、老微团聚体,使水稳性微团聚体含
量相应增加[28] . Puget 等[29]发现,小团聚体中的有
机碳较大团聚体中有机碳老化,不易被利用方式改
变,而有机碳含量尤其是新形成有机碳更易受利用
方式的影响.新形成的有机碳主要集中在大团聚体
中,连续翻耕土壤导致团聚体破碎,尤其是粒径较大
团聚体更易破碎,造成大量有机碳矿化损失,所以连
续翻耕处理下有机碳含量明显较低. 增加有机碳含
量有利于土壤结构形成及增强土壤结构的稳定性,
而团聚体的形成反过来可影响土壤有机碳的分解.
团聚体是保存土壤有机质的主要场所,表土中
近 90%的土壤有机碳位于团聚体内[26] . 小粒级团
聚体中有机碳分解慢,有利于长期保存;而大粒级团
聚体中植物来源的有机质较多,周转较快,且对管理
措施反应敏感.耕作土壤中小团聚体碳含量较高,粒
径在 0. 25 ~ 2 mm土壤团聚体含量对有机碳含量的
积累影响显著,这与张旭辉等[8]、李恋卿等[9]的研
究结果相一致,所以可通过测定 0. 25 ~ 2 mm 团聚
体数量来衡量土壤有机碳含量. 经过长期耕种的土
地,土壤有机碳含量动态很大程度上受耕作等管理
措施的影响.连续免耕和轮耕处理较连续翻耕土壤
有机碳含量高,可能是由于支撑大团聚体的根系和
菌丝向小团聚体重新分配和转移[20],为土壤中较小
的颗粒胶结成较大的水稳性团聚体创造了有利条
件.两者之间的关系及相互影响机理,有待于进一步
研究.
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作者简介摇 王摇 丽,女,1984 年生,硕士.主要从事旱区农业
生态、高效农作制度研究. E鄄mail: wangli8780@ nwsuaf. edu.
cn
责任编辑摇 张凤丽
867 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷