全 文 ：中国生态农业学报 2011年 9月 第 19卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2011, 19(5): 1134−1142 农田氮循环与土壤肥力管理
* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2009CB118607)、国家自然科学基金项目(31000250)和中国博士后基金项目(20100470408)
资助
** 通讯作者: 任图生(1963~), 男, 教授, 主要从事土壤物理和耕作制度研究。E-mail: tsren@cau.edu.cn
杜章留(1978~), 男, 助理研究员, 主要从事土壤质量和碳氮循环研究。E-mail: duzlsd@163.com
收稿日期: 2011-03-14 接受日期: 2011-06-20
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.01134
保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响*
杜章留1 高伟达2 陈素英3 胡春胜3 任图生2**
(1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081; 2. 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193;
3. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022)
摘 要 保护性耕作被认为是华北平原农业可持续发展的重要措施, 但目前缺乏这些措施对土壤质量影响的
系统报道。本研究以长期定位试验为基础, 探讨了太行山前平原两熟制高产农田不同耕作措施对麦田土壤质
量的影响。试验始于 2001年, 设置翻耕玉米秸秆不还田(非保护性耕作对照, CK)、翻耕玉米秸秆粉碎还田(CT)、
旋耕玉米秸秆粉碎还田(RT)和免耕玉米秸秆直立还田(NT)4 个处理。2007 年冬小麦收获后分层测定土壤有机
碳(soil organic carbon, SOC)含量、容重(ρb)、水稳性团聚体、水分特征曲线、饱和导水率(Ks)和微生物量碳氮。
2008 年测定了剖面 SOC 含量、ρb和蚯蚓数量。结果表明, 连续多年保护性耕作后土壤剖面的 SOC 储量无显
著变化, 但保护性耕作(RT 和 NT)下 SOC 的层化比率(1.74~2.04)显著高于翻耕处理(CK 和 CT, 1.37~1.45); 保
护性耕作显著提高了表层微生物量碳、氮含量以及单位面积土壤中的蚯蚓数量。NT 处理导致耕层(0~20 cm)
土壤ρb增加, 但提高了土壤团聚体的稳定性。CK和 CT处理显著增加了 0~5 cm土层裂隙(>500 μm)和传输孔
隙(500~50 μm)的比例, 而 NT处理则增加储水孔隙(50~0.5 μm)的含量。另外, 保护性耕作提高了土壤的 Ks、
田间持水量和有效水含量。对土壤质量指标 S的分析结果表明, 实施保护性耕作后, 太行山前平原地区土壤质
量总体上得到改善。
关键词 保护性耕作 土壤质量 土壤有机碳层化 S指标
中图分类号: S158.2 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)05-1134-09
Effect of conservation tillage on soil quality in the piedmont plain of Mount
Taihang
DU Zhang-Liu1, GAO Wei-Da2, CHEN Su-Ying3, HU Chun-Sheng3, REN Tu-Sheng2
(1. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing
100081, China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
3. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Science,
Shijiazhuang 050022, China)
Abstract Conservation tillage is a viable option for sustainable agricultural development in the North China Plain. Yet few studies
exist on the influences of conservation tillage practices on soil quality. The objective of this study was to investigate soil quality
changes as related to the shift from moldboard plow to conservation tillage practices based on a long-term field experiment. The ex-
periment was started in 2001 and included four winter wheat tillage treatments — moldboard plow without corn residue (CK),
moldboard plow with corn residue (CT), rotary tillage with corn residue (RT), and no tillage with corn residue (NT). In 2007, the soil
organic carbon (SOC) content, bulk density (ρb), water stable aggregate, water retention curve, soil saturated hydraulic conductivity
(Ks) and soil microbial biomass C and N were measured after winter wheat harvesting. Soil samples were also collected in 2008 and
analyzed for SOC, ρb and earthworm count. The results indicated no significant (P > 0.05) differences in stored SOC among the treat-
ments. However, conservation tillage showed SOC stratification in the soil profile. This was indicated by higher SOC stratification
ratios (SR) of 1.74~2.04 for RT and NT, and 1.37~1.45 for CK and CT. Earthworm abundance and microbial biomass C and N also
increased under RT and NT treatments. Application of NT significantly (P < 0.05) increased soil ρb in the upper 0~20 cm soil layer, and
第 5期 杜章留等: 保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响 1135
also improved soil aggregate stability (measured by mean weight diameter). Whereas CT and CK treatments significantly increased the
proportions of fissures (> 500 μm) and transmission pores (500~50 μm), NT treatment increased storage pores (50~0.5 μm) in the 0~5
cm soil layer. Tillage management increased soil Ks, field water capacity and plant available water content. The S index suggested that
shift from conventional tillage to conservation tillage improved soil quality in the piedmont region of Mount Taihang.
Key words Conservation tillage, Soil quality, Soil organic carbon stratification, S index
(Received Mar. 14, 2011; accepted Jun. 20, 2011)
土壤质量是土壤物理、化学和生物学性质, 以
及形成这些性质土壤过程的综合反映 [1−2]。土壤容
重、孔径分布、结构稳定性及水力参数(导水率和入
渗速率等)等是评价土壤物理质量的常用参数。其中,
适宜的土壤孔隙分布, 对改善土壤−作物−水分的关
系, 提高水分利用效率等方面均起着非常重要的作
用[3]。通过 10年长期定位试验, Pagliai等[4]发现相对
于传统翻耕 , 少耕和条状深松耕增加了储水孔隙
(0.5~50 μm)和连续传输孔隙(50~500 μm)的比例, 使
土壤孔隙系统得以改善。耕作措施改变孔隙大小分
布、形状及连续性, 从而影响土壤水分传输和持水性
能。有研究表明, 免耕和少耕土壤较翻耕土壤具有较
高的饱和导水率 [5], 可能与免耕和少耕能产生更多
影响水分运动的有效性大孔隙和生物通道有关[5−6]。
相反, 翻耕破坏了孔隙连续性 , 降低了土壤入渗速
率[7−8]。在众多土壤属性中, 土壤有机质(soil organic
matter, SOM)直接或间接地影响各种物理、化学和生
物特性和过程, 如土壤肥力、水分保持和传输特性等,
被视为土壤质量的核心属性[9−10], 以碳库管理为核心
的土壤功能调控机制受到国际科学界的高度重视[11]。
与 SOM密切相关的是土壤生物特性, 如土壤微生物
量常作为土壤质量和土壤肥力的重要指标[1]。此外,
蚯蚓参与有机物的分解、有效养分的矿化与释放、
土壤稳定性团聚体与孔隙结构的营造与维持, 对土
壤生态系统功能发挥也具有重要意义[12]。
近年来, 土壤学家试图寻求一些能够反映土壤综
合性状的指标来评价不同管理方式下的土壤质量[2]。
其中, Dexter[13]提出的“S指标”被视为能有效评价土
壤质量的参数。有研究证实, S理论在定量估算水力
传导, 确定适耕含水量、土壤易碎性、耕作造成的
土粒破碎程度、穿透阻力、作物有效水容量、根系
生长及土壤结构稳定性方面具有很大应用潜力[14]。
有些研究直接利用 S 理论定量评价不同耕作系统下
的土壤质量状况 [15−16]。另外, Franzluebbers[17]提出
SOM层化比率(stratification ratio, SR)可以作为评价
土壤质量的重要参数。对北美洲 3 个试验点的翻耕
和免耕处理分析结果表明, 质量较好的土壤往往具
有较高的碳氮 SR值, 并且此规律不受土壤类型和气
候状况的影响。随后的研究表明, 保护性耕作提高
了土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)的 SR值, 土
壤质量得以改善[18−19]。
由于在土壤保护、增加有机质含量和改善土壤
质量方面的效应, 保护性耕作技术在美洲和欧洲已
经得到大面积推广应用[20−21]。但国际上关于保护性
耕作与土壤质量的研究主要集中在一年一熟地区。
在我国, 由于缺乏长期定位试验, 很少有集约种植
下保护性耕作对土壤质量的系统研究。地处华北平
原的太行山前平原, 以冬小麦(Triticum aestivum L.)
和夏玉米(Zea mays L.)一年两熟集约种植为主。由于
长期高强度翻耕, 土壤普遍存在有机质含量低、结
构差和保水保肥能力低的问题。近年来, 保护性耕
作技术在太行山前平原得到广泛推广应用。然而 ,
关于传统翻耕转变为保护性耕作后土壤质量状况能
否得到改善的问题仍然缺乏科学的解答。因此, 本
研究以太行山前平原一年两熟种植下保护性耕作长
期定位试验为基础, 综合评价保护性耕作对土壤物
理、化学和生物学特性的影响。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
本研究在中国科学院栾城农业生态系统试验站
进行。试验站位于冀中平原中南部(37°53N, 114°41E),
海拔 50.1 m, 年平均气温 12.5 °C, 多年平均降水量
536 mm, 70%的降雨集中在夏季的 7~9月份, 属于暖
温带半湿润季风气候, 代表太行山前平原农业区。耕
层土壤质地为壤土。作物种植方式为冬小麦(10月初~
次年 6月初)−夏玉米(6月中旬~9月下旬)一年两熟制。
1.2 试验设计
试验开始于 2001年冬小麦播种时, 设置土壤翻
耕+玉米秸秆粉碎还田(CT)、旋耕+玉米秸秆粉碎还
田(RT)和免耕+玉米秸秆直立还田(NT)3 个耕作处
理。2004年冬小麦播种时将 CT处理的试验区根据玉
米秸秆还田管理方式的差异分为 2个子处理: 一是将
原来 CT 处理的一半保留, 即翻耕+玉米秸秆粉碎还
田(初始的CT设计); 二为翻耕+玉米秸秆不还田(CK)。
每个处理3次重复, 小区面积为1 120 m2(16 m×70 m)。
各处理具体操作如下: (1)CK, 在玉米收获后将秸秆
移出农田, 将化肥均匀撒施于地表, 先旋耕 1 次(深
1136 中国生态农业学报 2011 第 19卷
约 15~20 cm), 然后深翻 1次(约 18 cm), 耱地 1次,
最后用播种机(型号 2BX-12)播种; 宽行距约 24 cm,
窄行距约 12 cm, 播种深度约 3~5 cm, 播种量约
165.0 kg·hm−2, 播种结束后再耱地 1~2次。(2)CT, 玉
米收获后将秸秆原地粉碎一次(长约 5~10 cm), 其他
耕作、施肥和播种方式与对照一致。(3)RT, 玉米收
获后将秸秆原地粉碎 2次(长约 5~10 cm), 然后用旋
耕机旋地 2次, 深约 7~10 cm, 播种方式、播种量和
施肥情况同 CT 和 CK 处理。(4)NT, 玉米收获后在
玉米秸秆自然(直立)分布于田间的情况下, 采用免
耕播种机(型号 2BMFS-6/12A)一次性完成秸秆部分
粉碎、播种、施肥及镇压作业。免耕播种的宽行距
和窄行距分别为 20 cm和 10 cm, 播种深度约 3~5 cm,
垄沟和垄背之间的垂直高度约 15 cm, 播种量为
262.5 kg·hm−2。各处理的施肥和灌溉方式均一致。冬
小麦基肥为尿素 (75 kg·hm−2)和磷酸氢二铵 (300
kg·hm−2), 冬小麦春季返青时追施尿素 300 kg·hm−2。
灌溉量平均为 157.5 mm。夏玉米生长季各处理的耕
作栽培措施一致, 均采用免耕播种。
1.3 采样与分析
土壤剖面有机碳(SOC)含量和容重(ρb): 2007 年
和 2008 年的 6 月份冬小麦收获后, 采集土样测定
SOC含量和容重。在 2007年, 分 4个层次(0~5 cm、
5~10 cm、10~20 cm和 20~30 cm)采集表层 0~30 cm
土样。2008年, 用同样的方式分 6个土层(0~5 cm、
5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm和 40~50 cm)
采集 0~50 cm土层土样。在每个处理的每个小区中用
土钻(直径 4.1 cm)采集 3个有代表性的土样, 然后混
合在一起。一部分风干土样过 0.25 mm筛子用来测定
SOC。另外, 用不锈钢环刀(高 5 cm, 直径 5 cm)在每
个小区、每个层次采 3 个原状土样用来测定土壤容
重。将待测土样用 0.5 mmol·L−1的盐酸除去碳酸盐后,
用 CNS 分析仪(Vario Max CNS, Elementar, Hanau,
Germany)测定 SOC 含量。容重用环刀法测定, 将不
锈钢环刀中的土样转移到铝盒中, 在 105 ℃下烘 24 h
称重, 通过计算单位体积中烘干土的质量得到。
团聚体、水分特征曲线和饱和导水率: 在 2007
年冬小麦收获后, 分 3个层次(0~5 cm、5~10 cm和
10~20 cm)采集原状土样用来测定团聚体分布。实验
室内将土样过 8 mm 的土筛, 较大的土块沿着自然
裂隙轻轻破碎, 最后风干土样。将风干后土样快速
润湿后用湿筛法分离[22]。土壤水分特征曲线的土样
用小环刀(高 1 cm,直径 5.40 cm)分 0~5 cm、5~10 cm、
10~20 cm和 20~30 cm 4个层次采集原状土, 每个层
次采 2个土样。水分特征曲线在低吸力下(0 hPa、5
hPa、10 hPa、30 hPa、50 hPa、70 hPa、90 hPa)用砂
箱法测定, 高吸力下(100 hPa、500 hPa、1 000 hPa、
5 000 hPa、7 000 hPa、10 000 hPa 和 15 000 hPa)用
压力板法测定[23]。用入渗环刀(高 4 cm, 直径 6.2 cm)
分 0~5 cm、5~10 cm和 10~20 cm 3个层次采原状土
用以土壤饱和导水率(Ks)的测定, 每个土层 2个重复,
在实验室内用定水头法测定[24]。对于上述土样, 在
每个处理中每个小区采集 2个原状土样。
土壤微生物量碳、氮测定: 用于测定土壤微生
物量(碳、氮)和潜在可矿化碳、氮的扰动土样是 2007
年冬小麦收获后用土钻(直径 4.1 cm)分 0~5 cm、5~
10 cm 2个层次采集。每个小区采 3次重复, 放在一
起配成混合土样。然后立即去除新鲜土壤样品中的
植物残体、根系和可见土壤动物(如蚯蚓)等, 过 2
mm土筛后放在低温下(4 ℃)保存, 2周内将待测定项
目测定完毕。土壤微生物量碳(soil microbial biomass
carbon, SMB-C)利用氯仿熏蒸浸提法测定[25−26]。土
壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen, SMB-N)
的测定与土壤微生物量碳的测定采用同一浸提液
(0.5 M K2SO4溶液, 1︰4土水比), 然后用茚三酮反
应-N法测定[26]。
蚯蚓样品采集: 在 2008年 6月冬小麦收获后和
2008 年 9 月玉米收获前分别采集蚯蚓样品, 采样方
法为徒手分离法[27]。采样小区面积为 25 cm×25 cm,
每种耕作处理随机取 5次重复, 用小土铲将 0~30 cm
土层分为 3层(0~10 cm、10~20 cm和 20~30 cm)取出,
用手分离比较大的土块, 收集蚯蚓样品, 记录单位
取样面积中的蚯蚓数量(条·m−2)。
1.4 参数计算
根据湿筛法分离的各级土壤团聚体比例, 计算
团聚体平均当量直径(mean weight diameter, MWD),
作为土壤结构稳定性的评价指标。计算公式如下[28]:
1
n
i i
i
MWD w x
=
= ∑ (1)
式中, MWD 为平均当量直径, ix 为 i 粒级范围内团
聚体的平均直径(mm), iw 为砂粒校正后 i 粒级团聚
体占总团聚体分布中的比例。
采用 van Genuchten[29]建立的 θ (h)函数式拟合土
壤含水量和基质势数据, 公式如下:
r s r( ) 1 ( )
mnhθ θ θ θ α −⎡ ⎤= + − +⎣ ⎦ (2)
式中, θ为含水量, θs为饱和含水量, θr为残余含水量,
h为土壤基质吸力(hPa), α 为 h 的尺度因子, m 和 n
为形状因子(α>m=1−1/n, n>1, 0
第 5期 杜章留等: 保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响 1137
命令, 求得这些参数的最优值。
利用田间持水量(field water capacity, FWC)、永
久萎蔫含水量(permanent water point, PWP)和有效
水含量(available water content, AWC)来描述不同耕
作处理下土壤的持水性能。取水分特征曲线上吸力
为 330 hPa 时的体积含水量为田间持水量, 吸力为
15 000 hPa 时的体积含水量为永久萎蔫含水量, 有
效水含量为田间持水量和永久萎蔫含水量之差[23]。
利用 Dexter[13]介绍的方法计算土壤物理质量参
数 S值, 即
1 2
s r
2 1( )
1
nnS n
n
θ θ
⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠−⎡ ⎤= − − ⎢ ⎥−⎣ ⎦ (3)
式中, θ、θs和θr为 van Genuchten[29]水分特征曲线方
程的质量含水量(kg·kg−1), h为土壤吸力(hPa), n为需
拟合的参数。在计算 S 值时, 同样用 Excel 2003 软
件中的规划求解命令, 求得参数的最优值(θs、θr、α
和 n)。利用上述公式求得的 S 值为负数, 在实际比
较中取 S的绝对值[13]。
土壤水分特征曲线可以间接反映土壤孔隙分布
情况。参考毛管上升公式, 当水分分布达到平衡以
后 , 充满水的最大孔隙的等效孔径(equivalent pore
diameter, EPD)可用下面的公式表示[30]:
4 cos 3000EPD
gh h
σ ϕ
ρ= = (4)
其中, EPD 为等效孔径(μm), σ为水的表面张力(7.36×
10−2 J·m−2, 22 ℃), ϕ为水分子与固体颗粒的接触角(一般
假设为 0), g 为重力加速度(9.8 m·s−2), ρ是水的密度
(g·m−3), h为吸力(hPa)。根据土壤孔隙的功能和 EPD的
大小 , Greenland[31]把孔隙分为以下几类 : 裂隙 (Pf,
EPD>500 μm)、传输孔隙(Pt, EPD=500~50 μm)、储水孔
隙(Ps, EPD=50~0.5 μm)和残余孔隙(Pr, EPD<0.5 μm)。
1.5 数据统计分析
方差和相关性分析用 SPSS 11.0进行。在没有特
殊说明下, 处理之间的显著性分析均在 P<0.05水平
下 , 平均值比较采用最小显著差异法(least signifi-
cant difference, LSD)。
2 结果与分析
2.1 土壤有机碳储量与层化比率
关于不同耕作和秸秆管理措施下土壤剖面中
SOC 储量及其 SR 的变化, Du 等[32]已经做了详细报
道。首先, 无论是 0~30 cm(2007 年)还是 0~50 cm
(2008年), CT、RT和 NT处理的 SOC储量均无显著
差异, 但都显著高于 CK。其次, 耕作方式对 SOC的
影响仅出现在 0~20 cm土层, 在大于 20 cm土层, 不
同耕作措施之间无显著差异。总体而言, RT 和 NT
处理在 0~10 cm土层中的 SOC储量较高, 而 CT处
理在 10~20 cm土层 SOC储量较高。NT、RT和 CT
的最高 SOC 储量分别出现在 0~5 cm、5~10 cm 和
10~20 cm土层。另外, NT和 RT处理间的显著差异
仅表现在 0~5 cm土层, NT处理 SOC储量比 RT高
5.7%~8.4%。比较 2种翻耕方式, CT处理的 SOC储
量在各土层均高于 CK, 但二者差异仅在 2008 年的
5~20 cm土层达到显著。
本研究中, 土壤剖面 SOC的层化比率 SR表示为
表层(0~5 cm或 5~10 cm)SOC浓度与下层(10~20 cm
或 20~30 cm)相应 SOC浓度的比率[32]。结果表明, 在
0~20 cm土层, CT和 CK处理的 SR大约为 1.0, 而 RT
和 NT处理的 SR值在 1.3~1.6。在 0~30 cm土层, SR
值较 0~20 cm土层显著增加: CT和 CK的 SR值约为
1.3~1.4, 而 RT和 NT的 SR值高达 1.7~2.0。特别是
NT处理, 其 SR值甚至大于临界值 2.0[17]。比较各个
处理, 无论是 0~20 cm还是 0~30 cm土层, CK和 CT
处理 SOC的 SR值均在统计上不显著; RT处理 SOC
的 SR值在表层(0~5 cm和 10~20 cm)显著低于NT, 但
在其他土层与 NT的差异未达到显著水平。显然, 传
统翻耕处理 SOC浓度在 0~20 cm土层分布相对均匀,
而保护性耕作处理的 SOC在该层出现高度层化。
2.2 土壤微生物量(碳、氮)
经过 6 年试验处理后, 耕作和秸秆管理措施对
土壤微生物量碳和微生物量氮呈现出显著效应(图
1)。在土壤表层(0~5 cm), NT和 RT处理的土壤微生
物量碳浓度较CT处理分别增加了 44%和 31%, 即保
护性耕作处理的土壤微生物量碳浓度显著高于传统
翻耕。尽管 NT处理的土壤微生物量碳浓度高于 RT
处理, 但两者之间的差异不显著(P>0.05)。在 5~10
cm土层, 各处理间土壤微生物量碳浓度的差异性与
0~5 cm土层的趋势一致。另外, 0~5 cm土层的土壤
微生物量碳浓度高于 5~10 cm土层。
连续实施保护性耕作也显著提高了土壤微生物
量氮的浓度(图 1)。在 0~5 cm土层, 微生物量氮浓度
的变化趋势为 NT>RT>CT>CK, 除 RT和 CT之间差
异不显著外, 其他处理之间差异均达到显著水平。
在 5~10 cm 土层, 不同耕作方式对土壤微生物量氮
的影响与 0~5 cm土层相似。
2.3 蚯蚓数量
从传统翻耕转变为保护性耕作后, 土壤中蚯蚓
数量显著增加(图 2)。在小麦收获后, NT处理的蚯蚓
数量达到 72条·m−2, 显著高于 RT、CT和 CK处理;
RT 处理的蚯蚓数量也达到 48 条·m−2, 显著高于 CT
1138 中国生态农业学报 2011 第 19卷
图 1 耕作和秸秆管理措施对表层土壤微生物量碳和微生物量氮浓度的影响(2007年)
Fig. 1 Effects of tillage and crop residue management on soil microbial biomass C and N concentrations in surface layers (0~5 cm
and 5~10 cm) in 2007
CK: 翻耕秸秆不还田 Moldboard plow without corn residue; CT: 翻耕秸秆还田 Moldboard plow with crushed corn residue; RT: 旋耕加粉碎
秸秆还田 Rotary tillage with crushed corn residue; NT: 免耕加秸秆直立还田 No tillage with standing corn residue; 不同字母代表不同耕作处理
之间差异显著(P<0.05),下同。Different letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same below.
图 2 耕作和秸秆管理措施对蚯蚓数量的影响
Fig. 2 Abundance of earthworms as influenced by tillage and
crop residue management
和CK处理; 但CT与CK处理间无显著差异(P>0.05)。
与小麦收获后相比, 在玉米收获前, 各处理蚯蚓数
量的差异与小麦收获后有些不同。蚯蚓数量最高的
是 RT处理, 达到 84条·m−2, 显著高于 CT和 CK处
理, 而 NT 处理的蚯蚓数量由 72 条·m−2 减少到 60
条·m−2, 但 RT与 NT处理之间的差异不显著。
2.4 土壤容重
耕作措施对土壤ρb的影响主要表现在 0~20 cm
土层(图 3)。以 2007 年为例, 在 0~20 cm 土层, CT
和 CK 的ρb值变化范围为 1.22~1.37 g·cm−3, RT 为
1.22~1.41 g cm−3, 而 NT处理为 1.33~1.51 g cm−3。
尽管 2008 年冬小麦收获后土壤容重稍高于 2007 年
结果, 但各处理在 0~20 cm 土层的变化趋势基本一
致。显然, 免耕处理下土壤容重显著大于其他处理。
2.5 土壤团聚体平均当量直径
基于土壤团聚体粒级分布结果, 本研究计算了
团聚体的平均当量直径(MWD)(图 4), 并利用该参数
反映土壤结构稳定性。在 0~5 cm和 5~10 cm土层,
NT 处理的 MWD 显著高于 RT 处理(P<0.05), 而 RT
又高于 CT和 CK处理。在 10~20 cm土层, CK、CT
和 RT处理的 MWD值没有显著差异, 但均显著低于
图 3 耕作和秸秆管理措施对土壤剖面容重(ρb)的影响
Fig. 3 Bulk density (ρb) profile as influenced by tillage and
crop residue management
水平线为最小显著差异(LSD, P<0.05) (引自 Du等[32]) Error bars
represent LSD (P < 0.05) for comparison among tillage treatments at the
same depth (adapted from Du, et al[32]).
图 4 耕作和秸秆管理措施对不同层次土壤团聚体平均
当量直径(MWD)的影响
Fig. 4 Mean weight diameter (MWD) of soil aggregates in differ-
ent soil layers as influenced by tillage and crop residue manage-
ment
第 5期 杜章留等: 保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响 1139
NT处理。显然, 免耕处理提高了土壤 0~20 cm土层
的 MWD, 即增加了团聚体的稳定性, 旋耕处理也有
类似效果, 但增幅低于免耕处理。
2.6 土壤孔隙分布
土壤孔隙分布可以反映土壤导水和贮水能力。
图 5 是不同耕作措施下各土层孔径分布的比较。可
以看出 , 耕作措施对土壤孔径分布的影响主要在
0~5 cm土层, 而对 5 cm以下土层的孔隙分布影响不
大。在 0~5 cm土层, 裂隙(Pf)和传输孔隙(Pt)值的变
化趋势均为 NT
裂隙和传输孔隙所占比例。例如, CT处理 Pf和 Pt分
别比 NT处理增加了 88%和 29%。与大孔隙和传输孔
隙的变化趋势相反, 0~5 cm土层储水孔隙(Ps)的变化
趋势为 NT(0.520)>RT(0.479)>CT(0.469)>CK(0.425),
即保护性耕作技术增加了土壤中 Ps的比例。耕作
和秸秆管理措施对土壤残余孔隙比例 (Pr)的影响
不显著。
图 5 耕作和秸秆管理措施对不同层次土壤剖面各种孔隙分布的影响
Fig. 5 Pore size distribution in soil profile in different soil layers as influenced by tillage and crop residue management
2.7 土壤饱和导水率
图 6 表示耕作和秸秆管理措施对土壤饱和导水
率 Ks的影响。在 0~5 cm 土层, 不同处理下的 Ks值
图 6 耕作和秸秆管理措施对土壤饱和导水率的影响
Fig. 6 Saturated hydraulic conductivity (Ks) of different soil
layers as influenced by tillage and crop residue management
随着土壤扰动程度的增加而降低, 即 NT>RT>CT>
CK。其中, NT处理的 Ks(1.82 cm·h−1)比 CT和 RT处
理分别增加 28%和 25%。然而, 由于 Ks测定值的变
异很大, 各处理在统计上无显著差异。在 5~10 cm
和 10~20 cm土层也存在同样变化趋势。
2.8 土壤持水参数与质量指标 S
表 1 是根据土壤水分特征曲线得到的土壤田间
持水量、有效水含量和 S指标的结果。在 0~5 cm土
层, 田间持水量(FWC)变化趋势为 NT>RT>CT>CK,
其中 NT和 RT比 CT分别增加了 25%和 8%, 但 CT
和 CK 之间的差异不显著。在 5~10 cm土层也存在
类似趋势, NT、RT和 CT的 FWC均显著高于 CK, 但
CT 与 RT 处理间差异不显著。在 10~20 cm 土层,
FWC在各处理间差异未达到显著水平。在 20~30 cm
土层, CT处理的 FWC高于其他处理。
1140 中国生态农业学报 2011 第 19卷
表 1 耕作和秸秆管理措施对田间持水量、作物有效水含
量及土壤物理质量参数 S指标的影响
Table 1 Field water capacity (FWC), plant available water
content (AWC) and soil physical quality index S as influenced
by tillage and crop residue management
土层
Soil layer
(cm)
处理
Treatment
田间持水量
FWC
(m3·m−3)
有效水含量
AWC
(m3·m−3)
S指标
S index
CK 0.250c 0.125c 0.054 7b
CT 0.257c 0.131c 0.054 8b
RT 0.277b 0.157b 0.058 8a
0~5
NT 0.321a 0.185a 0.059 4a
CK 0.265c 0.136a 0.043 1c
CT 0.282b 0.142a 0.044 1bc
RT 0.281b 0.144a 0.049 4a
5~10
NT 0.298a 0.155a 0.046 9ab
CK 0.262a 0.127ab 0.038 6c
CT 0.272a 0.138a 0.040 2b
RT 0.268a 0.119b 0.041 2ab
10~20
NT 0.274a 0.123ab 0.042 2a
CK 0.280c 0.135b 0.037 6b
CT 0.314a 0.153a 0.039 7b
RT 0.301ab 0.151a 0.042 7a
20~30
NT 0.296bc 0.136a 0.044 3a
CK 0.264c 0.131c 0.043 5c
CT 0.281b 0.141b 0.044 7b
RT 0.282b 0.143b 0.048 1a
平均 Average
(0~30 cm)
NT 0.297a 0.150a 0.048 2a
同列同一土层不同字母代表不同耕作处理之间差异显著(P < 0.05)
Values followed by different lowercase letters within a depth are sig-
nificantly different (P < 0.05).
有效水含量(AWC)在 0~5 cm土层的变化趋势为
NT>RT>CT>CK, 但 CK和 CT之间的差异不显著。
在 5~10 cm 土层, 变化趋势为 NT>RT>CT>CK, 但
差异未达到显著水平。在 10~20 cm土层, CT处理的
AWC高于其他 3个处理。而在 20~30 cm土层, 4个
处理的 AWC在统计上差异不显著。从 0~30 cm土层
的平均有效水含量来看, NT、RT、CT和 CK处理分
别为 0.150 m3·m−3、0.143 m3·m−3、0.141 m3·m−3和
0.131 m3·m−3, NT 显著高于其他处理, 而 RT 和 CT
之间差异不显著。因此, 免耕处理提高了土壤有效
水含量, 而传统翻耕加秸秆不还田处理显著降低了
土壤有效水含量。
土壤物理质量参数 S在 0~5 cm土层的变化趋势
为 NT>RT>CT>CK, 即保护性耕作的 S 值显著高于
传统翻耕, 但是 NT 和 RT 以及 CT 和 CK 之间的差
异未达显著水平。S 值在 5~10 cm 土层的变化趋势
为 RT>NT>CT>CK。在 10~20 cm和 20~30 cm土层,
S 值的变化趋势均为 NT>RT>CT>CK。从 0~30 cm
土层的平均 S 值来看, 不同处理下 S 值的变化趋势
表现为 NT>RT>CT>CK, NT和 RT处理的 S值分别
比 CT处理增加了 7.8%和 7.6%, 但 NT和 RT之间的
S 值差异不显著。值得指出的是, CT 处理的 S 值显
著高于 CK, 表明在相同耕作方式下, 秸秆还田增加
了土壤的 S值, 改善了土壤物理质量。
3 讨论
在太行山前平原, 传统翻耕转变为保护性耕作
没有显著改变土壤剖面的 SOC储量。3 个秸秆还田
处理(NT、RT、CT)的 SOC 储量均显著高于 CK 处
理, 表明秸秆还田是决定该地区 SOC储量的关键因
子。本研究在 0~30 cm和 0~50 cm采样得到了同样
的结论, 不支持所谓“浅层采样方案”(即土壤 SOC储
量分析局限在 0~30 cm土层)导致不同耕作方式 SOC
储量差异的假设[33]。
耕作方式的转变导致了 SOC在土壤剖面的层次
性分布, 即翻耕土壤耕作层中 SOC的分布比较均匀,
而保护性耕作下 SOC出现了显著的层化现象。比较
不同处理对 SOC的 SR的影响可以看出, SOC的 SR
值变化与玉米秸秆的位置密切相关。在翻耕系统中
(CK和 CT), 玉米秸秆在耕层(约 18 cm)的分布较为
均匀, SOC层化现象几乎不存在(其 SR约为 1)。对于
RT 处理, 由于旋耕机作业深度约为 7~10 cm, 玉米秸
秆还田的位置被限制在约 10 cm的表层。而在 NT系
统下, 仅在小麦播种时土壤受到轻微扰动(约为 5 cm),
大量秸秆在表层积累。SOC 的 SR 可以更好地反映保
护性耕作系统中玉米秸秆的分布状况。分析表层与耕
层的 SR值(0~5 cm/10~20 cm和 5~10 cm/10~20 cm)可
以看出, 免耕措施导致有机碳在 0~5 cm 高度层化,
旋耕次之。而在 5~10 cm土层, RT处理的 SR在数值
上高于 NT, 表明在该土层旋耕积累了较多的玉米秸
秆。显然, SOC的 SR值能够有效地反映土壤有机碳
的层化度。从翻耕转变为保护性耕作后, 随着 SOC
的 SR 值增加, 土壤质量得到一定改善, 与其他一些
研究的结果类似[17−19,34]。
土壤微生物量碳在土壤碳库中比例很小, 却是
影响土壤结构的重要因子[25]。本研究表明, 耕作和
秸秆管理措施显著影响了 0~10 cm(尤其是 0~5 cm)
土层的微生物量碳、氮浓度。本研究未测定 10 cm
以下土层中的微生物量碳、氮含量, 但从微生物量
碳、氮含量 0~5 cm到 5~10 cm土层快速降低的趋势
中可以预测 , 耕作方式对下层微生物量的影响较
小。类似的研究指出, 在 0~10 cm土层, 10年免耕后
比传统翻耕处理的微生物量碳浓度增加 80%, 微生
物量氮浓度增加 65%, 但是在 10 cm以下土层, 处理
间差异不显著(P>0.05)[35]。
第 5期 杜章留等: 保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响 1141
耕作和秸秆管理措施对土壤表层的孔隙分布影
响较大。翻耕处理 CT和 CK的裂隙和传输孔隙比例
较高, 可能与土壤扰动大、容重较小有关。大孔隙
比例增加提高了土壤的导水率 , 有利于水分入渗 ,
但也增加了土壤养分淋失的风险。NT处理的储水孔
隙比例显著高于 CT 处理, 有利于提高土壤持水力,
增加水分的有效性。相关性分析表明, 0~5 cm土层
的储水孔隙比例与田间持水量(r=0.919, P=0.081)和
有效水含量(r=0.922, P=0.078)密切相关。
尽管 NT 处理下 0~20 cm 土层的容重增加, 其
Ks数值却大于其他耕作处理。因此, 本研究推测, 免
耕种植下土壤孔隙连续性可能高于其他耕作技术 ,
弥补了导水能力强的大孔隙的损失。Warkentin[6]指
出, 少耕会产生较多的有利于水分运动和有效性的
大孔隙和生物通道。另外, RT和 NT处理下, 单位面
积土壤中的蚯蚓数量显著高于传统耕作, 蚯蚓活动
产生的孔洞也可能是免耕系统 Ks较高的原因[10]。
耕作和秸秆还田措施对土壤持水能力的影响主
要表现在表层。在 0~30 cm 土层, 由于免耕处理储
水孔隙的比例较高, 其 AWC 平均值也显著高于其
他处理 , 而翻耕秸秆不还田处理的有效水含量最
低。这些结果也印证了其他学者的结论[36]。
保护性耕作处理的 S 值显著高于传统翻耕。随
土层深度增加, S值逐渐降低, 传统翻耕处理的降低
幅度比保护性耕作更为明显。就 0~30 cm剖面而言,
各处理的 S值均大于Dexter[13]提出的临界值(S=0.035),
表明试验田土壤的物理质量整体处于较高水平。
4 结论
本研究探讨了保护性耕作技术对太行山前平原
麦田土壤质量性状的影响。经过 6 年保护性耕作处
理后, 土壤剖面的 SOC 储量在 CT、RT 和 NT 处理
之间没有显著差异, 但均显著高于 CK处理, 表明秸
秆还田是决定 SOC储量的关键因子。从土壤质量性
状来看, 保护性耕作导致 SOC 在土壤剖面中层化,
提高了土壤生物量碳、氮, 增加了单位面积土壤中
蚯蚓的数量。虽然免耕显著增加了 0~20 cm土层容
重, 但提高了土壤结构的稳定性和土壤储水孔隙的
比例, 增加了土壤饱和导水率。土壤物理质量指标 S
分析表明, 传统翻耕转变为保护性耕作 6 年后, 土
壤质量总体上得到改善。
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