耕作方式和秸秆还田对华北地区农田土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响

田慎重，王 瑜，李 娜，宁堂原，*，王丙文，赵红香，李增嘉

(1.作物生物学国家重点实验室，山东省作物生物学重点实验室，山东农业大学农学院，泰安 271018;2.山东省水稻研究所，济南 250100)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，也是土壤肥力的物质基础，其结构是作物高产所必须的土壤条件之一［1］。稳定的土壤团聚结构对种子发芽、根系发育、作物生长以及有机碳保护有着重要的影响，而土壤的团聚过程也是固碳的最重要的途径之一［2］。因此，团聚体的稳定性对土壤肥力、质量和土壤的可持续利用等都有很大的影响。土壤团聚体的水稳定性与土壤可蚀性密切相关［3］，对保持土壤结构的稳定性具有重要意义，稳定的土壤团聚体有利于保护受团聚体物理保护的有机碳库免受矿化分解［2］。因而，真正认识土壤团聚体的形成和稳定机制以及人类活动的影响，对于利用团聚体的组成与作用功能来调控管理土壤有机碳库和控制土壤侵蚀具有十分重要的意义［4］。华北平原是我国重要的粮食产地，保护性耕作技术和秸秆还田在此地区已有了较大范围的推广和应用，并取得了一定的经济和生态效益。由于不合理的耕作和管理措施会造成土壤的退化侵蚀和土壤碳库的持续性降低［5-6］，因此，探明不同耕作措施和秸秆还田条件下农田土壤团聚体分布规律及其稳定性对该地区农田土壤固碳减排和降低土壤侵蚀程度具有重要意义。本研究利用基于10a的不同耕作措施定位试验，通过团聚体的质量百分数及评价其稳定性的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)参数［7-8］，研究不同耕作措施和秸秆还田对该地区麦玉两熟农田不同耕层土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响。

1.1 研究区概况

本试验在山东省泰安市山东农业大学农学试验站的不同耕作措施定位试验地进行(始于2002年)。试验地位于 36°09'30.78″—36°09'27.59″N，117°09'13.79″—117°09'12.02″E，属于温带大陆性季风气候，四季分明，光照充足。该地区年平均气温13.6℃，年均日照时数2462.3 h，年均降雨量786.3 mm，具有华北平原的典型特点。试验田土壤为棕壤土，土层深厚，耕层土壤有机碳7.19 g/kg，全氮0.81 g/kg，速效氮108.8 mg/kg，全磷 17.60 g/kg，速效磷 38.4 mg/kg，土壤容重 1.43 g/cm3。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为耕作方式，分为免耕(N)、旋耕(R)、耙耕(H)、深松(S)和常规耕作(C)5种;副区为秸秆，分为秸秆全量还田(P)和无秸秆还田(A)2种。两因素相互组合共10个处理(表1)。试验设3次重复，小区面积15m×4m。试验采用冬小麦-夏玉米轮作体系，各处理统一田间管理，小麦季基施纯N 225 kg/hm2，P2O5180 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2，各处理在拔节期统一追施纯 N 100 kg/hm2，浇拔节水 160 mm;玉米季基施纯 N 120 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 100 kg/hm2，大喇叭口期追施纯 N120 kg/hm2。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatments

1.3 样品采集及分析

1.3.1 土样采集

土样采集于2011年10月进行，用直径为10cm的环刀(避免外力挤压，以保持原来的结构状态)多点(3点—5点)采集有代表性的原状耕层土壤，分0—10cm、10—20cm和20—30cm 3个层次。运回室内后(运输时避免震动和翻倒)，沿土壤的自然结构轻轻地剥开，将原状土剥成小土块，同时防止外力的作用而变形，过7mm筛，并剔去粗根和小石块。土样摊平在透气通风处，让其自然风干。

1.3.2 测试方法

土壤水稳定性团聚体含量采用湿筛法［9］。各处理取50g的土样，用于湿筛的分析使用。湿筛分析在团聚体分析仪上进行，一次可同时分析4个土样。套筛孔径依次为5、2、1、0.5、0.25、0.053mm。将土样倒入套筛后，浸润10min，开启团聚体分析仪，使之达到20次/min(上下筛动时套筛不能露出水面)，定时2min。筛好后，将套筛拆开，留在筛子上的各级团聚体用细水流通过漏斗分别洗入铝盒，带澄清后倒去上面的清夜，烘箱55℃风干，在空气中平衡2h后称重［10］，各处理3次重复。

1.4 结果计算

(1)不同粒级水稳性团聚体的质量百分比［11］

式中，wi为某级水稳定性团聚体的质量分数(%);Wwi为该级水稳定性大团聚体的风干质量(g)。

(2)水稳性大团聚体数量［11］

式中，R0.25为水稳性大团聚体数量(＞0.25mm)，Mi＞0.25大于 0.25mm 团聚体的重量，MT团聚体的总重量。(3)平均重量直径(MWD)［10］

式中，MWD为平均重量直径;yi为各粒级土粒的重量百分比;xi为各粒级的平均直径。

(4)几何平均重量(GMD)［10］

式中，GMD为几何平均直径;wi为各粒级土壤的重量;xi为各粒级平均直径。

1.5 数据分析

试验所得数据采用Excel 2003处理。数据统计分析采用DPS 7.05数据分析系统作方差分析(LSD)和回归分析，作用力分析为两因素随机区组进行方差分析时，将试验变异来源分为区组间、A因素(耕作因素)、B因素(秸秆还田)、两因素交互效应、误差及总变异几部分，各部分所引起的变异大小由其所产生的平方和表示，因此耕作因素、秸秆还田因素及其交互效应作用力(各部分所引起的变异在总变异中所占的比例)可用下式计算［12］:

2 结果与分析

2.1 耕作方式及秸秆还田对农田土壤0—30cm水稳性团聚体分布的影响

由表2可以看出，无论是秸秆还田处理还是无秸秆还田处理，不同耕作措施条件下0—10cm土层的水稳性团聚体多集中于2—5mm，而5—7mm粒级的水稳性团聚体最少。各处理0.05—0.5mm粒径的水稳性团聚体分布较平均，没有表现出明显的规律。但不同耕作措施之间则反映出不同的分布特点，由于深松铲和免耕措施对0—10cm表层扰动较小，PS和PN处理的水稳性团聚体多集中于2—5mm，且数量显著高于其它处理。而旋耕(PR)由于多作用于表层(0—15cm)，且扰动剧烈，其水稳性团聚体主要分布在0.25—5mm粒级，较其它处理分布更广泛。而通过比较秸秆还田对水稳性团聚体数量的影响发现，除PN外，秸秆还田条件下＜0.05mm的水稳性团聚体数量要显著小于无秸秆还田处理，说明秸秆还田有利于微团聚体团聚成更大粒级的团聚体，并且秸秆还田可能会在耕作时增加扰动阻力，减少对团聚体的破坏作用。

表2 不同耕作措施和秸秆还田对0—10cm土层水稳性团聚体分布的影响Table 2 Effects of different tillage and straws systems on soil water-stable aggregate distribution in 0—10 cm layer

通过表3可以看出，10—20cm土层水稳性团聚体数量多集中在以2—5mm和0.5—1mm。但不同耕作措施则表现出不同的分布趋势。PS处理水稳性团聚体主要以0.25—5mm粒级为主，分布较均匀;PH处理则以0.25—0.5mm粒级的水稳性团聚体为主。而PC处理主要集中在2—5mm粒级，由此可以看出，不同耕作措施对10—20cm水稳性团聚体的数量产生了较大的影响，使之表现出不同的分布趋势。但在该层次，秸秆还田处理和无秸秆还田处理之间并没有表现出明显的规律性。

由表4可以看出，在20—30cm土层水稳性团聚体的分布要比0—20cm更为广泛。不同耕作措施处理表现出更为明显的分布规律。PC处理水稳性团聚体主要集中在0.5—1mm粒级，PS为2—5mm和0.5—1mm粒级，PH和PR处理则广泛的分布于0.5—5mm粒级，而PN处理为2—5mm粒级。除AC和PC外，秸秆还田处理0.05—0.25mm水稳性团聚体数量要显著低于无秸秆还田处理，说明在20—30cm土层秸秆还田依然能影响到水稳性大团聚体的形成。另外，AH和AR相对于PH和PR处理水稳性团聚体在20—30cm土层多呈集中趋势。

表3 不同耕作措施和秸秆还田对10—20cm土层水稳性团聚体分布的影响Table 3 Effects of different tillage and straws systems on soil water-Sstable aggregate distribution in 10—20 cm layer

表4 不同耕作措施和秸秆还田对20—30cm土层水稳性团聚体分布的影响Table 4 Effects of different tillage and straws systems on soil water-stable aggregate distribution in 20—30 cm layer

2.2 不同耕作方式和秸秆还田条件下农田土壤0—30cm水稳性大团聚体的数量

土壤大团聚体是土壤结构最基本的单元，是土壤肥力的中心调节器，具有保证和协调土壤中的水肥气热、维持和稳定土壤疏松熟化层等作用，在一定程度上表征土壤通气性与抗蚀性［13-14］。由表5可以看出，各处理水稳性大团聚体数量表现出不同的趋势，PS、PR、PH和PN处理在0—10cm土层的水稳性大团聚体要显著高于对照PC处理，且秸秆还田处理显著高于无秸秆还田处理，说明保护性耕作和秸秆还田能更好的保护表层土壤的团聚体免受侵蚀。但在10—20cm土层，PS处理水稳性大团聚体数量显著高于其它处理。20—30cm土层PN和PS处理显著高于其它处理(除AC外)。

2.3 耕作方式与秸秆还田及其交互效应对不同耕层土壤中水稳性大团聚体的作用力分析

通过作用力分析(表6)可以看出，在0—10cm表层，秸秆是影响水稳性大团聚体数量的主要因素(P＜0.001)，而耕作和秸秆的交互效应对水稳性大团聚体数量的作用力也达到了极显著水平(P＜0.01)。但10—20cm土层，影响其数量分布的主要因素是不同的耕作措施及耕作和秸秆的交互效应，两者均达到了极显著水平(P＜0.001)。在20—30cm，秸秆因素依然能对水稳性大团聚体数量产生重要的影响(P＜0.01)，但主要作用力来自耕作措施和秸秆的交互效应(P＜0.001)。

表5 各处理土壤中水稳性大团聚体的数量Table 5 The proportion of water-stable macroaggregate in different treatments

表6 耕作方式、秸秆还田及其交互效应对各处理土壤中水稳性大团聚体的作用力分析Table 6 Affect force analysis of different tillage methods，straw returning and their interaction on water-stable macroaggregate

2.4 不同耕作措施和秸秆还田条件下不同耕层土壤水稳性团聚体的平均重量直径和几何平均直径

土壤团聚体指数MWD和GMD值是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，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［11，15］。本研究表明(表7)，0—10cm土层，免耕、旋耕、深松和耙耕措施的MWD和GMD值要显著高于常规耕作，说明保护性耕作措施后土壤表层的水稳性团聚体稳定性要显著高于常规耕作。但在10—20cm土层则表现出相反的趋势，常规耕作的MWD和GMD值显著高于保护性耕作处理。20—30cm土层免耕处理MWD和GMD值显著高于其它处理。但深松和常规耕作措施处理MWD和GMD值在0—30cm土层一直降低，说明这两种耕作方式对30cm左右的土壤依然有较强烈的扰动，降低了水稳性团聚体的稳定性。综合来看，免耕相对于其它耕作方式能更好的保护土壤团聚体的稳定性。

表7 不同耕作方式和秸秆还田对0—30cm土壤团聚体稳定指数的影响Table 7 Soil aggregate stability indices(MWD and GMD)under different tillage and straws systems in 0—30cm layer

2.5 0—30cm的土壤有机碳含量及其与团聚体稳定性的多元回归分析

由图1可以看出，不同耕作措施的秸秆还田处理SOC含量显著高于无秸秆还田处理，这在0—10cm土层尤其明显，说明更多的碳在土壤表层聚积，但随着土层的加深SOC含量逐渐降低，而常规耕作0—30cm土层的有机碳含量并无显著性差异。免耕和深松耕处理SOC含量显著高于其它处理。

图1 不同耕作措施和秸秆还田条件下的0—30cm有机碳含量Fig.1 The content of soil organic carbon(SOC)in 0—30cm layers under different tillage and straws systems

SOC作为土壤团聚体过程中的胶结剂［16-17］，其含量显著影响着土壤团聚体的稳定性。如图2所示，在0—10cm表层，较高的SOC含量促进了较大的团聚体的稳定性(R2=0.71，P＜0.01)，但在10—30cm两个层次，SOC并不是影响团聚体稳定性的主要因素。

3 讨论与结论

本研究结果表明，不同耕作措施处理的水稳性大团聚体在0—10cm，10—20cm和20—30cm土层表现出不同的分布趋势(表2—表4)，说明不同耕作方式由于对土壤的耕作深度、扰动程度等方面的差异，造成水稳定团聚体分布的差异。随着土层的加深，水稳性团聚体的分布范围呈扩大趋势，说明各处理水稳定团聚体粒径逐渐减小，大团聚体数量逐渐降低，其中常规耕作和深松处理尤其如此，从MWD和GMD值进一步印证了此结论(表7)，说明这两种耕作方式对30cm左右的土壤扰动强烈，降低了水稳性团聚体的稳定性。另一方面，不同耕作措施的秸秆还田处理水稳性团聚体的数量显著高于无秸秆还田处理，说明秸秆还田显著影响了水稳性大团聚体的数量和稳定性(表5，表7)。作用力分析进一步说明，耕作、秸秆还田和两者交互效应是影响土壤水稳性团聚体在不同土层分布和稳定性的重要因素(表6)。

不同耕作措施对土壤水稳性团聚体的分布和稳定性已有较多的报道［18-20］。本文结果表明，免耕、耙耕和旋耕处理的MWD和GMD值在0—10cm和20—30cm高于10—20cm，说明旋耕和耙耕处理降低了10—20cm水稳性团聚体的稳定性，但这两种耕作方式产生的犁底层大致在20—30cm左右，使20—30cm的团聚体免受机械作用破坏使其稳定性增加。免耕处理更能有效地保护表层土壤水稳定团聚体的稳定性，这与梁爱珍等研究结果一致［18］。免耕条件下土壤结构受到保护，SOC含量高(图1)，土壤颗粒胶结作用增强，促进土壤的团聚作用，大粒级团聚体含量增加，稳定性也相应增强［21］。有研究表明，免耕处理不翻动土壤，秸秆还田后土壤有机质有在表层土壤富集的现象［22］，而土壤有机质是团聚体分级的主要胶结剂，水稳性团聚体的形成，必须有赖于土壤中的有机质［16-17］，免耕处理下较慢的大团聚体周转，有利于大团聚体中更多微团聚体的产生，更有利于增加土壤团聚体稳定性。但在10—20cm稳定性降低可能是由于该层根系的密集分布导致团聚体生物稳定性降低［23-24］。

图2 0—30cm各土层的有机碳含量与MWD的多元回归分析Fig.2 The multiple regression analysis between SOC and MWD in 0—30cm layer

各耕作措施处理秸秆还田后能显著提高土壤的SOC含量，且0—10cm土层的SOC含量显著高于10—30cm(图1)。而作为团聚体胶结物质的有机质含量升高，一定程度上有利于提高水稳性团聚体的稳定性［21］。多元回归分析进一步表明，0—10cm的SOC含量与水稳性团聚体的稳定性回归关系达到极显著水平(图2)，但在10—30cm两者并无显著性关系(图2)，说明秸秆还田通过影响土壤中的SOC含量来影响水稳性团聚体稳定性。但是当秸秆不是主要决定因素时，其稳定性又取决于耕作或两者的交互效应。

而两者的交互效应更多的是通过耕作作业使土壤和秸秆充分混合后，在土壤微生物作用下产生的一种综合生态效应［25］，而不同的耕作措施条件下其与秸秆在土壤中产生了不同的交互效应。例如常规耕作和免耕，常规耕作表层和30 cm左右的土壤和秸秆隔年翻换，从而使各土层有机碳含量相对均衡、稳定，但翻耕后，土壤中易矿化的SOC因不断被矿化而损失，造成含量偏低(图1)，且剧烈的扰动造成团聚体稳定性降低(表7)。而免耕保持了原有的土壤结构，SOC含量高(图1)，土壤团聚体具有较高的稳定性(表7)。由此可见，两者的相互作用不仅影响土壤中的SOC含量，而且能进一步通过微生物作用影响土壤团聚体的团聚和裂解，导致团聚体稳定性的差异［26-27］。

许多团聚体稳定性研究由于过多注重耕作因素的扰动造成的差异，而忽视了秸秆因素在团聚体稳定性方面的重要作用，秸秆还田后不但可以显著提高土壤耕层的SOC含量，还能增加耕作对土壤过度干扰的阻力［10］，影响真菌等微生物的活性而影响团聚体的生物稳定性［27］。了解耕作因素、秸秆因素及两者的交互作用对团聚体稳定性的多重影响，对研究农田土壤团聚体的分布和稳定机制以及土壤团聚体碳库具有重要意义。不同耕作措施对土壤有机质和团聚体的强烈影响仍是目前影响农田土壤固碳减排的主要因素，针对稳定的团聚体对有机碳物理保护作用以及有机质作为土壤团聚体的重要胶结剂，结合目前的研究现状，需进一步研究和阐明不同耕作措施和秸秆还田及其交互效应下土壤团聚体和土壤有机碳的相互作用及土壤固碳机制，这对于不同地区的农田土壤固碳减排研究具有十分重要的意义。

［1］Peng X H，Zhang B，Zhao Q G.A review on relationship between soil organic carbon pools and soil structure stability.Acta Pedologica Sinica，2004，41(4):618-623.

［2］Lal R，Kimble JM.Conservation tillage for carbon sequestration.Nutrient Cycling in Agroecosystems，1997，49:243-253.

［3］Madari B，Machado P L O A，Tortes E，Torres L，Andrade A G，Valencia L I O.No tillage and crop rotation effects on soil aggregation and organic carbon in a Rhodic Ferralsol from southern Brazil.Soil＆ Tillage Research，2005，80:185-200.

［4］Wang Q K，Wang SL.Forming and stable mechanism of soil aggregate and influencing factors.Acta Pedologica Sinica，2005，36(3):415-421.

［5］Elliott E T.Aggregate structure and carbon，nitrogen，and phosphorus in native and cultivated soils.Soil Science Society of America Journal，1986，50:627-633.

［6］Mbagwu J SC，Bazzoffi P.Effect of tillage measure on soil aggregate properties.Soil Use and Management，1989，5(4):180-187.

［7］Salako F K，Hauser S.Influence of different fallow management systems on stability of soil aggregates in Southern Nigeria.Communications in Soil Science and Plant Analysis，2001，32:1483-1498.

［8］Perfect E，Kay B D.Fractal theory applied to soil aggregation.Soil Science Society of America Journal，1991，55:1552-1558.

［9］Cambardella C A，Elliott E T.Carbon and nitrogen dynamics of soil organic matter fractions from cultivated grassland soils.Soil Science Society of America Journal，1994，58(1):123-130.

［10］Barreto R C，Madari B E，Maddock JE L，Machado P L OA，Torres E，Franchini J，Costa A R.The impact of soil management on aggregation，carbon stabilization and carbon loss as CO2in the surface layer of a Rhodic Ferralsol in Southern Brazil.Agriculture，Ecosystems ＆ Environment，2009，132:243-251.

［11］Zhou H，Lu Y Z，Yang Z C，Li B G.Effects of conservation tillage on soil aggregates in Huabei Plain，China.Scientia Agricultura Sinica，2007，40(9):1973-1979.

［12］Du R Q.Biostatistics.Beijing:Higher education press，2003:124-126.

［13］Shi Y，Chen X，Shen SM.Stablemechanisms of soil aggregate and effects of human activities.China Journal of Applied Ecology，2002，13(11):1491-1494.

［14］Li Y B，Wei CF，Xie D T，Gao M.The features of soil water-stable aggregate before and after vegetation destruction in Karst Mountains.Chinese Agricultural Science Bulletin，2005，21(10):232-234.

［15］Nimmo J R，Perkins K S.Aggregates stability and size distribution//Methods of Soil Analysis，Part 4-Physical Methods.Soil Science Society of America，Inc.Madison，Wisconsin，USA，2002:317-328.

［16］Tisdall J M，Oedes JM.Organic matter and water stable aggregates in soils.Journal of Soil Science，1982，33:141-163.

［17］Oades J M，Waters J M.Aggregate hierarchy in soils.Australian Journal of Soil Research，1991，29:815-828.

［18］Liang A Z，Zhang X P，Yang X M，McLaughlin N，Shen Y L，Li W F.Short-term effects of tillage on soil aggregate size distribution and stability in black soil in Northeast China.Acta Pedologica Sinica，2009，46(1):154-158.

［19］Zhang G，Cao Z P，Hu C J.Soil organic carbon fractionation methods and their applications in farmland ecosystem research:A review.Chinese Journal of Applied Ecology，2011，22(7):1921-1930.

［20］Lopez M V，Blanco-Moure N，Limon M A，Gracia R.No tillage in rainfed Aragon(NE Spain):Effect on organic carbon in the soil surface horizon.Soil＆ Tillage Reseach，2012，118:61-65.

［21］Dai J，Hu JL，Lin X G，Zhu A N，Yin R，Zhang H Y，Wang J H.Effects of non-tillage on content of organic carbon and microbial carbolic metabolism of soil aggregates in a fluvo—aquic soil.Acta Pedologica Sinic，2010，47(5):923-930.

［22］Tian SZ，Ning T Y，Wang Y，Li H J，Zhong WL，Li ZJ.Effects of different tillage methods and returning straw on soil organic carbon content in wheat field.Chinese Journal of Applied Ecology，2010，21(2):373-378.

［23］Angers D A，Samson D，Legeged A.Early change in water-stable aggregation induced by rotation and tillage in a soil under barley production.Canada Journal of Soil Science，1993，73:51-59.

［24］Huang C Y.Soil Science.Beijing:China Agriculture Press，2000:50-65.

［25］Freebairn D M，Loch R J，Silburn D M.Soil erosion and soil conservation for vertisols//Ahmad N and Mermut A，eds.Developments in Soil Science，1996，24:303-362.

［26］Martins M R，Cora J E，Jorge R F，Marcelo A V.Crop type influences soil aggregation and organic matter under no-tillage.Soil＆ Tillage Research，2009，104:22-29.

［27］Pramod J，Nikita G，Lakaria B L，Biswas A K，Rao A S.Soil and residue carbon mineralization as affected by soil aggregate size.Soil＆ Tillage Research，2012，121:57-62.

参考文献:

［1］彭新华，张斌，赵其国.土壤有机碳库与土壤结构稳定性关系的研究进展.土壤学报，2004，41(4):618-623.

［4］王清奎，汪思龙.土壤团聚体形成与稳定机制及影响因素.土壤通报，2005，36(3):415-421.

［10］周虎，吕贻忠，杨志臣，李保国.保护性耕作对华北平原土壤团聚体特征的影响.中国农业科学，2007，40(9):1973-1979.

［12］杜荣骞.生物统计学(第二版).北京:高等教育出版社，2003:124-126.

［13］史奕，陈欣，沈善敏.土壤团聚体的稳定机制及人类活动的影响.应用生态学报，2002，13(11):1491-1494.

［14］李阳兵，魏朝富，谢德体，高明.岩溶山区植被破坏前后土壤团聚体稳定性研究.中国农学通报，2005，21(10):232-234.

［18］梁爱珍，张晓平，杨学明，Neff McLaughlin，申艳，李文凤.耕作对东北黑土团聚体粒级分布及其稳定性的短期影响.土壤学报，2009，46(1):154-158.

［21］戴珏，胡君利，林先贵，朱安宁，尹睿，张华勇，王俊华.免耕对潮土不同粒级团聚体有机碳含量及微生物碳代谢活性的影响.土壤学报，2010，47(5):924-930.

［22］田慎重，宁堂原，王瑜，李洪杰，仲惟磊，李增嘉.不同耕作方式和秸秆还田对麦田土壤有机碳含量的影响.应用生态学报，2010，21(2):373-378.

［24］黄昌勇.土壤学.北京:中国农业出版社，2000:50-65.