全 文 ：保护性耕作对土壤交换性盐基组成的影响*
胡摇 宁1 摇 娄翼来2 摇 张晓珂2 摇 梁文举2 摇 梁摇 雷1**
( 1 辽宁大学环境学院, 沈阳 110036; 2 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016)
摘摇 要摇 以辽宁省彰武县保护性耕作示范推广基地土壤为研究对象,通过实地调查和取样分
析,对比研究了传统犁耕和 6 年保护性耕作(免耕秸秆覆盖)条件下的土壤交换性盐基组成.
结果表明:在 15 cm土层内,保护性耕作土壤的交换性 K、Ca、Mg 含量和盐基总量(SEB)较传
统犁耕均有不同程度增加,表明保护性耕作使土壤的保肥和缓冲能力增强.相关分析表明,这
与土壤的有机质和粘粒含量的变化密切相关;保护性耕作土壤的 K / SEB 和 Ca / Mg 高于传统
犁耕,而(Ca+Mg) / SEB、Ca / K和 Mg / K低于传统犁耕,说明保护性耕作对土壤交换性盐基比
例关系的影响以交换性 Ca、K特别是 K的相对富集为主要特征;保护性耕作提高了交换性 K、
Ca、Mg含量与 SEB的分层比率(0 ~ 5 cm / 5 ~ 15 cm和 0 ~ 5 cm / 15 ~ 30 cm),表明交换性盐基
在耕层剖面的垂直变异性增强.
关键词摇 保护性耕作摇 免耕摇 秸秆覆盖摇 土壤交换性盐基摇 分层
文章编号摇 1001-9332(2010)06-1492-05摇 中图分类号摇 S152. 4摇 文献标识码摇 A
Effects of conservation tillage on the composition of soil exchangeable base. HU Ning1, LOU
Yi鄄lai2, ZHANG Xiao鄄ke2, LIANG Wen鄄ju2, LIANG Lei1 ( 1College of Environment, Liaoning Uni鄄
versity, Shenyang 110036, China; 2 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, She鄄
nyang 110016, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(6): 1492-1496.
Abstract: Taking the soil in Zhangwu County of Liaoning Province as test object, a comparative
study was made to understand the composition of soil exchangeable base under traditional tillage and
6鄄year conservation tillage (no鄄tillage plus straw mulch). Comparing with traditional tillage, con鄄
servation tillage increased the total amount of exchangeable base ( SEB) and the contents of ex鄄
changeable K, Ca, and Mg in top (0-15 cm) soil, suggesting its positive effect in increasing soil
nutrient holding capacity and buffering ability. This effect had a close relationship with the changes
of soil organic matter and clay contents, according to correlation analysis. In addition, the K / SEB
and Ca / Mg ratios were higher, while the (Ca+Mg) / SEB, Ca / K, and Mg / K ratios were lower un鄄
der conservation tillage than under traditional tillage, illustrating that the effects of conservation till鄄
age on soil exchangeable base were mainly presented in the relative enrichment of soil exchangeable
Ca and K, especially K. Conservation tillage increased the stratification ratio (0-5 cm / 5-15 cm
and 0-5 cm / 15-30 cm) of soil exchangeable K, Ca, and Mg, and SEB, suggesting the increase of
the vertical variability of SEB in plough layer.
Key words: conservation tillage; no鄄tillage; straw mulch; soil exchangeable base; stratification.
*中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX2鄄YW鄄445)、国家自然
科学基金项目(30570337)和 2008 年教育部归国留学启动基金项目
(2008鄄3)资助.
**通讯作者. E鄄mail: syllshenyang@ 163. com
2009鄄09鄄04 收稿,2010鄄03鄄27 接受.
摇 摇 免耕与秸秆覆盖相结合的保护性耕作技术,正
被日益广泛地应用于农业生产,并逐渐成为相关领
域的研究热点[1-3],评价其土壤生态环境效应是其
中的一项重要课题[4-7] .交换性盐基(K+、Na+、Ca2+、
Mg2+)组成是土壤质量的重要方面,盐基总量在很
大程度上反映了土壤尤其是非酸性土壤的保肥、缓
冲能力.盐基中的 K、Ca、Mg是植物生长的必需营养
元素,其在土壤中的交换性含量与作物的吸收利用
有很好的相关关系,它们之间的比例关系不仅反映
土壤生态过程的变化,而且还反映养分的生物有效
性[8-11] .土壤交换性盐基组成受土壤的有机质、粘粒
含量、 pH 值以及各盐基元素输入输出状况的影
响[8-11] .研究表明,保护性耕作通常可以改变土壤的
有机质含量[12-13]和 pH 值[1-3]及风蚀土壤的粘粒含
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 6 月摇 第 21 卷摇 第 6 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 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2010,21(6): 1492-1496
量[14],还可能通过返还作物秸秆、减轻土壤侵蚀[15]
以及改变土壤水热条件等[16]影响盐基元素的输入
输出情况.因此,保护性耕作可能对土壤交换性盐基
组成产生深远的影响.已有研究表明,保护性耕作可
增加土壤交换性 K 含量[1-3, 13],但关于其对整个盐
基组成影响的系统研究至今尚未见报道.
辽宁省彰武县为典型的干旱风蚀农业区,是我
国保护性耕作技术优先和重点发展的地区之一,本
文以此为研究对象,通过实地调查和取样分析,探讨
免耕与秸秆覆盖相结合的保护性耕作措施对土壤交
换性盐基组成及其比例关系和分层特性的影响,以
期为进一步评价保护性耕作的土壤生态环境效应提
供理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
彰武县位于辽宁省西北部(42毅07忆—42毅51忆 N,
121毅53忆—122毅58忆 E),属半干旱大陆性季风气候,年
均降雨量约 510 mm,且 80%以上集中在 6—8 月,年
均气温 7郾 2 益,无霜期 152 d.该区的干旱和风蚀问
题较为严重,是我国保护性耕作研究示范地区之一,
至今推广面积达 7000 多 hm2,约占耕地总面积的
6% .该地土壤类型为褐土,表层土壤基本理化性质
为:有机质 22 g·kg-1,有效氮 36郾 4 mg·kg-1,有效
磷 8郾 52 mg·kg-1,有效钾 54郾 5 mg·kg-1,pH 7郾 4,
粘粒 12郾 2% .
1郾 2摇 样品采集与分析
在保护性耕作示范推广基地(1 hm2 ),选取已
经连续 6 年实行保护性耕作(CT)的玉米田样地 4
块(10 m伊10 m),并以邻近的长期进行传统犁耕
(PT)的 4 块玉米田样地(10 m伊10 m)为对照,所有
地块除耕作方式外的其他栽培管理制度基本一致.
传统犁耕为垄作、铧式犁翻耕(20 cm)、秸秆不还
田;保护性耕作为免耕、秸秆覆盖. 作物收获后
(2008 年 10 月),在各地块用 5 点法分别采取 0 ~ 5
cm、5 ~ 15 cm和 15 ~ 30 cm 的土壤样品,测定土壤
的有机质含量(元素分析仪法)、粘粒含量(比重计
法)、pH 值(水 颐 土为 2郾 5 颐 1,pH 计法)和交换性
K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量(NH4AC 浸提鄄原子吸收分
光光度计法) [17],所有指标的测定均重复 3 次.
1郾 3摇 数据处理
使用 SPSS 13郾 0 和 Excel 2003 软件分析数据和
作图,所有数据经单因素方差分析(ANOVA)检验,
用简单线性相关分析法分析变量间的相关关系.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 保护性耕作对土壤有机质、粘粒含量和 pH 值
的影响
由图 1 可知,与传统犁耕相比,连续 6 年保护性
耕作显著增加了 0 ~ 5 cm 和 5 ~ 15 cm 土层的有机
质含量(P<0郾 01),分别比传统犁耕提高 38郾 6%和
30郾 7% ;在 0 ~ 5 cm 和 5 ~ 15 cm 土层,保护性耕作
土壤的粘粒含量均比传统犁耕增加近 3% ( P <
0郾 05);保护性耕作表层土壤的 pH 值比传统犁耕降
低约 1郾 0 个单位(P<0郾 01),趋于中性.
2郾 2摇 保护性耕作对土壤交换性盐基组成及其比例
关系的影响
在 0 ~ 5 cm 与 5 ~ 15 cm 土层,与传统犁耕相
比,连续 6 年保护性耕作显著增加了交换性 K、Ca、
Mg含量和 SEB(P<0郾 05,表 1),而对交换性 Na 含
量无显著影响. 相关分析表明,土壤交换性 K、Ca、
Mg含量和SEB与土壤的有机质和粘粒含量之间呈
图 1摇 保护性耕作对土壤有机质、粘粒含量和 pH值的影响
Fig. 1摇 Effects of conservation tillage on soil organic matter, clay contents and pH value.
CT: 保护性耕作 Conservation tillage; PT: 传统犁耕 Traditional plow tillage. 下同 The same below.
39416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 胡摇 宁等: 保护性耕作对土壤交换性盐基组成的影响摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 土壤交换性盐基组成
Tab. 1摇 Composition of soil exchangeable base cations (mean依SD, cmol·kg-1)
土层深度
Soil depth
(cm)
耕作方式
Tillage
pattern
K Na Ca Mg SEB
0 ~ 5 PT 0郾 10依0郾 01 0郾 04依0郾 02 17郾 70依1郾 08 1郾 67依0郾 08 19郾 52依1郾 11
CT 0郾 17依0郾 01** 0郾 04依0郾 02ns 21郾 63依1郾 33** 1郾 94依0郾 03** 23郾 77依1郾 35**
5 ~ 15 PT 0郾 08依0郾 02 0郾 04依0郾 01 15郾 05依2郾 03 1郾 62依0郾 03 16郾 79依2郾 06
CT 0郾 12依0郾 02** 0郾 03依0郾 01ns 17郾 91依2郾 69* 1郾 72依0郾 07* 19郾 78依2郾 68**
15 ~ 30 PT 0郾 05依0郾 01 0郾 04依0郾 01 10郾 56依1郾 67 1郾 26依0郾 03 11郾 92依1郾 70
CT 0郾 06依0郾 01ns 0郾 05依0郾 01ns 10郾 48依0郾 94ns 1郾 33依0郾 12ns 11郾 92依0郾 86ns
CT:保护性耕作 Conservation tillage; PT:传统犁耕 Traditional plow tillage. *P<0郾 05;**P<0郾 01;ns: 不显著 No significant. SEB: 盐基总量 To鄄
tal amount of the exchangeable base cation. 下同 The same below.
表 2摇 土壤交换性盐基与有机质、粘粒含量和 pH 值的相关
关系
Tab. 2摇 Correlation coefficients between exchangeable base
cations and organic matter, clay contents and pH
项目
Item
K Na Ca Mg SEB
K 1
Na 0郾 098 1
Ca 0郾 867** -0郾 053 1
Mg 0郾 875** 0郾 034 0郾 899** 1
SEB 0郾 874** -0郾 045 1郾 000** 0郾 910** 1
OM 0郾 918** -0郾 066 0郾 728** 0郾 769** 0郾 737**
Clay 0郾 192 0郾 091 0郾 428* 0郾 476* 0郾 431*
pH -0郾 776** -0郾 184 -0郾 646** -0郾 765** -0郾 658**
OM:有机质 Organic matter; Clay:粘粒 Clay.
显著正相关关系(除了 K 与粘粒关系外),交换性
K、Ca、Mg 含量和 SEB 与土壤 pH 值之间呈显著负
相关关系(表 2).
由表 3 可知,保护性耕作对 0 ~ 5 cm 和 5 ~ 15
cm 土层的交换性盐基比例关系有显著影响,其中
K / SEB显著提高,而(Ca+Mg) / SEB、Ca / K 和 Mg / K
显著降低(P<0郾 05),保护性耕作 0 ~ 5 cm 和 5 ~ 15
cm土层的 Ca / Mg 均较传统犁耕显著提高 ( P <
0郾 05).
2郾 3摇 保护性耕作对土壤交换性盐基分层比率的影响
从图2可以看出 ,传统犁耕0 ~ 5 cm与5 ~
表 3摇 土壤交换性盐基的比例关系
Tab. 3摇 Proportions among soil exchangeable base cations (mean依SD)
土层深度
Soil depth
(cm)
耕作方式
Tillage
pattern
K / SEB
(% )
(Ca+Mg) / SEB
(% )
Ca / K Mg / K Ca / Mg
0 ~ 5 PT 0郾 50依0郾 05 99郾 29依0郾 13 180郾 87依17郾 80 17郾 16依2郾 35 10郾 59依0郾 68
CT 0郾 70依0郾 02** 99郾 11依0郾 09* 129郾 51依3郾 39** 11郾 63依0郾 65** 11郾 16依0郾 62*
5 ~ 15 PT 0郾 47依0郾 11 99郾 29依0郾 17 199郾 01依46郾 60 21郾 63依5郾 68 9郾 27依1郾 10
CT 0郾 62依0郾 15* 99郾 22依0郾 16ns 151郾 53依30郾 87* 14郾 62依2郾 87** 10郾 43依1郾 74*
15 ~ 30 PT 0郾 46依0郾 08 99郾 22依0郾 17 198郾 02依31郾 48 23郾 20依2郾 97 8郾 35依1郾 12
CT 0郾 52依0郾 09ns 99郾 08依0郾 14ns 174郾 92依35郾 16ns 21郾 87依1郾 27ns 7郾 97依1郾 34ns
图 2摇 土壤交换性盐基及其总量的分层比率
Fig. 2摇 Stratification ratios of soil exchangeable base cations and SEB.
SEB: 盐基总量 Total amount of the exchangeable base cation. a)0-5 cm / 5-15 cm; b)0-5 cm / 15-30 cm.
4941 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 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 21 卷
15 cm土层之间的交换性 K、Na、Ca、Mg 含量和 SEB
比率分别为 1郾 26、1郾 01、1郾 18、1郾 03 和 1郾 16,明显低
于 0 ~ 5 cm 与 15 ~ 30 cm 土层之间的相应比率
(1郾 83、1郾 09、1郾 68、1郾 33 和 1郾 64),除 Na外差异均达
显著水平(P<0郾 05).保护性耕作 0 ~ 5 cm 与 5 ~ 15
cm土层之间的交换性 K、Na、Ca、Mg 含量和 SEB 比
率均较传统犁耕显著(P<0郾 05)提高,分别提高了
10% 、34% 、3% 、9%和 3% ,0 ~ 5 cm 与 15 ~ 30 cm
土层之间的比率除 Na 外也分别显著(P<0郾 05)提
高.
3摇 讨摇 摇 论
研究表明,保护性耕作可通过秸秆归还增加有
机质输入,并通过减少干扰压实改善土壤结构,使有
机质免遭分解损失,从而提高土壤有机质含
量[1-3,12] .在本研究中,与传统犁耕相比,保护性耕
作显著增加了 15 cm以上土层的有机质含量.在 15
cm以上土层,保护性耕作土壤的粘粒含量比传统犁
耕显著增加,这可能是因为研究区土壤风蚀问题较
为严重,风蚀主要侵蚀携带小于 0郾 05 mm 的细小土
壤颗粒,进而造成土壤粘粒含量的下降[13],而保护
性耕作通过秸秆覆盖保护和改善土壤结构可以减轻
土壤风蚀[14-15],从而减少土壤粘粒的损失. 本研究
中,由于秸秆腐解产生有机酸[1,3],使保护性耕作表
层土壤的 pH值显著降低.
在 15 cm以上土层,与传统犁耕相比,保护性耕
作不同程度地增加了交换性 K、Ca、Mg 含量和 SEB.
其原因包括:1)保护性耕作提高了 15 cm 以上土层
的有机质含量,这可能增加了土壤的负电荷密度和
交换点位,从而增加对 K、Ca、Mg盐基离子的吸附保
护,减少其淋溶损失;2)保护性耕作通过秸秆还田
直接增加了 K、Ca、Mg 元素的输入.有研究表明,温
室蔬菜施用高量有机肥可显著增加 20 cm以上土层
的交换性 K、Ca、Mg 含量和 SEB[10];3)保护性耕作
通过秸秆覆盖保护和改善土壤结构可能会减少因侵
蚀造成的 K、Ca、Mg 盐基损失. 其中,关于交换性 K
含量增加还可能有以下两个方面的原因:1)保护性
耕作促进了土壤有机质含量的提高,这可能增加了
土壤交换点位,促使土壤中的非交换性 K 向交换态
平衡转移,从而增加交换性 K 含量[18];2)保护性耕
作可能增加了土壤的 NH4 +含量[1,3],从而阻碍交换
性 K的固定而使其含量增加. 相关分析表明,土壤
交换性 K、Ca、Mg含量和 SEB 与土壤的有机质和粘
粒含量之间具有显著的正相关关系(除了 K 与粘粒
关系外).交换性 K、Ca、Mg 含量和 SEB 与土壤 pH
值之间呈显著的负相关关系,这可能是有机质、粘粒
等因素干扰的结果.由于研究土壤呈中性至弱碱性,
所以 SEB在很大程度上代表了阳离子交换量,SEB
增加表明保护性耕作土壤的保肥、缓冲能力增强.保
护性耕作尽管增加了土壤的有机质和粘粒含量,但
并未提高土壤交换性 Na 含量,这可能与以下几点
因素有关:1)Na 离子的交换能力相对较弱,因此受
可能增多的吸附点位的保护相对有限;2)Na 元素的
秸秆输入相对较少;3)土壤 pH值的降低;4)保护性
耕作增加了土壤的保水渗水性能,在高温季节缓解
了土温升高[1-3,12],从而可能相对促进了 Na 离子的
淋溶损失.
保护性耕作对 15 cm以上土层的交换性盐基组
成比例具有显著影响,其中 K / SEB 显著提高,而
(Ca+Mg) / SEB、Ca / K 和 Mg / K 明显降低,表明交换
性 K在土壤中相对富集,这主要是由秸秆源 K、Ca、
Mg输入的相对比例不同造成的.此外,也可能与上
文讨论的导致交换性 K 增多的另外两点因素有关.
土壤交换性 Ca / Mg 的大小不仅反映了土壤生态过
程的变化及 Ca和 Mg的生物有效性,还会对 K等其
他养分的生物有效性产生影响[8-11] .本研究表明,保
护性耕作 15 cm 以上土层的 Ca / Mg 较传统犁耕显
著提高,说明交换性 Ca 在土壤中相对富集,这可能
与 Ca、Mg 的吸附竞争能力和随秸秆输入的相对比
例不同以及作物选择性吸收有关[8-11] .
有关保护性耕作条件下土壤性质的分层化已经
受到人们的广泛关注[12,19] .传统犁耕的翻耕匀土过
程通常有利于土壤性质在耕层剖面的均匀分布,而
保护性耕作因没有这些过程,则可使某些土壤性质
的垂直变异性加强. Melero 等[19]研究发现,保护性
耕作提高了土壤有机碳的分层比率,促进了其在 30
cm土层范围内的分层化和表聚性.土壤交换性盐基
特别是 K、Ca、Mg 在根层范围内的垂直分布在很大
程度上决定了各自的空间有效性.本研究发现,传统
犁耕 0 ~ 5 cm 与 5 ~ 15 cm 土层之间的交换性 K、
Na、Ca、Mg含量和 SEB比率均接近于 1,并明显低于
0 ~ 5 cm 与 15 ~ 30 cm 土层之间的相应比率,表明
盐基离子随毛管水上升向地表迁移聚集的过程导致
较深层土壤的盐基离子含量较低,而传统犁耕的翻
耕匀土作用则有助于减弱盐基离子在 20 cm耕层内
的分层性.连续实行 6 年保护性耕作后,0 ~ 5 cm 与
5 ~ 15 cm 土层之间的交换性 K、Na、Ca、Mg 含量和
SEB比率均较传统犁耕显著增加,0 ~ 5 cm 与 15 ~
59416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 胡摇 宁等: 保护性耕作对土壤交换性盐基组成的影响摇 摇 摇 摇 摇
30 cm土层之间的比率除 Na离子外也分别提高,表
明交换性 K、Ca、Mg含量和 SEB 在研究深度内的分
层化和表聚性增强.究其原因,一方面是由于保护性
耕作秸秆源盐基元素首先进入并积累在表层土壤,
导致其分层.此外,保护性耕作改变了作物根系密度
的垂直分布,与传统犁耕相比,其上层密度较高,下
层密度较低[20],这也会加强作物根系源盐基元素的
垂直分层性;另一方面,保护性耕作避免了翻耕匀土
过程,与传统犁耕相比维持了盐基离子的分层特征.
可见,保护性耕作促进了耕层土壤交换性盐基 K、
Ca、Mg的垂直异质性,这对于保护性耕作土壤的精
细管理具有很好的指导意义.
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作者简介摇 胡摇 宁,女,1983 年生,硕士研究生.主要从事土
壤生态学和土壤环境化学研究. E鄄mail: ningningh2009@ ya鄄
hoo. cn
责任编辑摇 张凤丽
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