绿洲灌区玉米农田土壤团聚体组成及其稳定性对绿肥还田方式的响应*

吕奕彤, 于爱忠, 吕汉强, 王玉珑, 苏向向, 柴 强

(甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070)

土壤作为作物生长的重要载体, 能够为其生长提供养分、水分及物理支撑等条件。土壤物理结构是评价土壤质量的重要内容, 良好的土壤结构能够蓄水保肥、促进水肥协调供应和为根系延伸提供有利条件[1]。研究发现, 土壤团聚体特征、容重等受管理措施、土壤有机质含量、水分条件等因素影响[2-4]。绿肥是中国传统农业的精华, 其在改善土壤理化性状方面发挥着重要作用[5-7]; 绿肥还田能促进主栽作物对养分的吸收利用, 改善土壤理化性状、蓄水保墒和固持土壤无机氮[8-10]。季节性休闲耕地种植绿肥,其发达的根系在土壤中持续活动以及还田后腐殖化作用, 可改良土壤团粒结构、增加大团聚体数量、降低土壤容重, 使土壤保持良好的通透性, 同时增加土壤有机质、矿化富集微量元素, 达到休耕养地的目的[11-12]。研究表明, 频繁耕作将破坏土壤物理结构, 同科作物长期连作致使土壤肥力失衡, 从而降低土壤质量, 导致减产[13-14]。休闲期裸露地表不仅增加无效耗水、降低利用效率, 而且加重了耕地质量恶化[15]; 将豆科(Leguminosae)绿肥与禾本科(Gramineae)作物轮作, 能有效改善农田土壤肥力[16]。豫南稻区研究发现, 绿肥还田造成团聚体分布变化,但团聚体稳定性并未改变[17]; 旱作农业区提前翻压绿肥会降低土壤水分储备, 绿肥还田利用方式对土壤团粒结构等土壤物理性状的影响因不同区域存在差异[18-21]。

西北绿洲灌区小麦(Triticum aestivumL.)、玉米(Zea mayzL.)主栽作物长期连作, 并采用铧式犁翻耕, 对土壤扰动频繁, 造成表土细碎等问题[22]。该地域关于绿肥还田利用方式对土壤质量的影响研究不足, 造成对绿肥生态效应的科学评价缺乏必要理论支撑。本研究通过分析麦后复种绿肥不同还田利用方式对翌年轮作玉米田土壤主要物理特征的影响,以期为区域内选择适宜的绿肥还田利用方式提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于甘肃农业大学武威绿洲农业综合试验站(103°5′E, 37°31′N)进行。该区属寒温带干旱气候区, 海拔接近1800 m, 平均气温约7.2 ℃, 日照时数2945 h。多年平均降水量不足160 mm, 主要集中在7—9月, 但年蒸发量接近2500 mm, 属于典型的绿洲农业灌溉区。土壤以灌漠土为主, 粉砂壤质, 结构均一。作物以玉米、小麦为主, 小麦收获后多采用传统翻耕休闲。两年(2018—2019年)玉米生育期内平均降雨量与日均气温变化如图1所示。

1.2 试验设计

田间试验始于2016年, 为了消除年际间气候因子变异对试验结果的影响, 本试验在同一试验田内采用双序列轮作设计(表1)。

表1 2016—2019年田间试验的轮作序列Table 1 Rotation sequences of the field experimental from 2016 to 2019

试验田设5个处理, 试验处理与代码如表2所示。每个处理3次重复, 随机区组排列, 小区面积54 m2(6 m×9 m)。玉米品种为‘先玉335’, 小麦品种为‘永良4号’, 绿肥为箭 筈 豌豆(Vicia sativaL.)‘兰箭2号’。玉米覆膜平作, 播种密度为8.25万株·hm-2, 行距40 cm; 春小麦条播, 播种密度为675万粒·hm-2,行距12 cm; 箭筈豌豆条播, 播量为75 kg·hm-2, 行距15 cm。作物播种时间如表3所示。

表2 不同处理代码、绿肥还田方式及作物种植方式Table 2 Codes, green manure utilization and crop planting patterns of different treatments

表3 2017—2019年作物播种日期(月-日)Table 3 Crop sowing date (month-day) from 2017 to 2019

玉米生育期灌水总量4050 m3·hm-2, 依次在玉米拔节期(900 m3·hm-2)、大喇叭口期(750 m3·hm-2)、抽雄吐丝期(900 m3·hm-2)、灌浆初期(750 m3·hm-2)与灌浆中期(750 m3·hm-2)灌水; 小麦生育期灌水总量2400 m3·hm-2, 依次在小麦苗期(750 m3·hm-2)、孕穗期(900 m3·hm-2)与灌浆期(750 m3·hm-2)灌水, 水表计量。玉米施肥制度与当地高产田一致, 总施氮量为360 kg·hm-2, 比例为基肥108 kg·hm-2(30%)、大喇叭口期追肥180 kg·hm-2(50%)、灌浆期追肥72 kg·hm-2(20%), 施P2O5180 kg·hm-2, 全做基肥;春小麦施氮180 kg·hm-2, P2O590 kg·hm-2, 全做基肥;复种绿肥不施肥。氮肥为尿素, 磷肥为磷酸二铵。灌水施肥采用膜下滴灌水肥一体化技术。

1.3 测定指标与计算方法

1.3.1 土壤团聚体组成

试验于2018年9月23日、2019年9月27日玉米收后在田间取0～30 cm土层土壤样品, 每10 cm为一层, 五点取样法, 3次重复。土壤团聚体组成使用土壤团粒分析仪(DM 200-II 上海)进行湿筛分级,筛径分别为2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm, 通常将粒径≥0.25 mm的团聚体划分为大团聚体。根据式(1)计算所得各粒级团聚体质量百分比[23]。

式中:Ai为某粒级团聚体的质量分数(%),Gi为该粒级团聚体的烘干质量(g),MT为团聚体总质量(g)。

1.3.2 容重

使用环刀采集土壤样品(100 cm3), 105 ℃下烘干称重, 根据式(2)计算容重[24]。

式中:P为某层土壤的容重(g·cm-3),M为质量(g),V为体积(cm3)。

1.3.3 平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)

MWD和GMD是衡量土壤团聚体稳定性的重要指标, 其值在一定程度可以体现团粒结构的团聚程度, MWD和GMD越大, 团聚体稳定性越高, 计算公式如下[25-26]:

式中: MWD和GMD单位为(mm),为某级别团聚体平均直径(mm),iW为该级别团聚体所占比例(%)。

1.3.4 土壤团聚体分形维数

分形维数(D)数值大小可用来衡量土壤紧实程度, 采用杨培岭等[27]推导出的公式:

对式(5)两侧取对数得:

式中:为某级团聚体平均直径(mm),为团聚体的最大粒径(mm),Mi为粒径小于的团聚体重量和(g),MT为团聚体总重量(g)。

1.3.5 土壤平均质量比表面积(MWSSA)

土壤平均质量比表面积基于土壤界面过程思想与平均直径方法来构建, 公式如下[28]:

式中:MWSSA为平均质量比表面积(cm2·g-1),di为某粒级的平均直径(mm),iW为与di相对应粒级的质量分数(%)。

1.4 数据处理

所有数据采用Microsoft Excel 2016记录整理、Origin 2017作图, 使用SPSS 25.0进行单因素方差分析(One Way-ANOVA)、Duncan法多重比较(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥还田方式下团聚体组成

麦后复种绿肥不同还田利用方式对玉米田各土层各粒级团聚体含量影响显著(图2)。两年研究结果表明, 0～30 cm土层内, 大团聚体(直径≥0.25 mm)含量均随土壤深度的增加而降低, 微团聚体(直径＜0.25 mm)变化趋势相反。从不同土层来看, 各处理团聚体粒级分布均主要集中在0.25～0.5 mm粒级,占总量的37.8%～49.3%; 其次为＜0.25 mm粒径, 占总量的26.8%～44.3%; 粒级≥2.0 mm团聚体含量最少, 仅占2.3%～4.5%。与传统翻耕不复种绿肥(CT)相比, 4个绿肥还田处理均显著提高了各土层大团聚体的含量(P＜0.05); 其中绿肥地表覆盖免耕(NTG)各土层大团聚体增加量比CT处理提高15.3%～23.7%(P＜0.05)。相对于CT, NTG与根茬免耕(NT)处理在10～20 cm 土层增幅最大(23.4%～23.7%和22.5%～23.2%)。在大团聚体中, 1.0～2.0 mm粒级, 绿肥还田处理与CT相比增幅最大, 20～30 cm土层,NTG处理显著高于其他处理; 0～20 cm土层内, 2018年NTG处理显著低于NT处理, 显著高于其他处理,2019年NTG与NT处理差异不显著, 显著高于其他处理(P＜0.05)。在粒级≥2.0 mm团聚体内, NTG处理含量显著高于其他处理(P＜0.05)。绿肥还田处理均显著降低了微团聚体含量, 与CT处理相比, NTG和NT处理分别降低26.6%～31.6%和16.3%～30.9%(P＜0.05); 与TG、T处理相比, NTG处理降低8.6%～26.8% (P＜0.05)。说明相对于传统翻耕不复种绿肥, 不同绿肥还田利用方式均能提高0～30 cm土层大团聚体含量; 4种还田利用方式中, 绿肥地表覆盖免耕提高大团聚体含量的作用最大。

2.2 不同绿肥还田方式下土壤团聚体平均重量直径(MWD)与几何平均直径(GMD)

不同绿肥还田利用方式对MWD与GMD影响显著(表4)。两年研究结果表明, 与传统翻耕不复种绿肥相比, 绿肥还田处理均显著提升了MWD与GMD; MWD与GMD随土层深度增加而降低。2018年, 绿肥全量还田条件下, NTG处理土壤团聚体MWD和GMD比CT提高16.6%～25.9%和16.5%～23.2%, 同时显著高于TG和根茬还田处理(P＜0.05); 0～10 cm土层的MWD和GMD, NTG比CT提高16.6%和16.5%, 同时显著高于其他绿肥还田处理(P＜0.05); 根茬还田处理NT、T处理比CT处理分别提高14.3%、4.7%和12.1%、4.86%(P＜0.05)。10～20 cm土层的MWD和GMD, NTG处理比CT和TG处理分别提高23.0%、8.2%和23.1%、6.7%, 同时显著高于T处理(P＜0.05)。20～30 cm土层的MWD和GMD, NTG较TG、NT、T和CT分别提高9.8%、6.7%、16.7%、24.9%和7.7%、8.1%、17.4%、23.2%(P＜0.05)。2019年, 绿肥全量还田条件下NTG的MWD和GMD比CT处理分别提高17.1%～25.9%和16.9%～22.7%, 同时显著高于TG和根茬还田处理(P＜0.05); 0～10 cm土层的MWD和GMD, NTG比CT分别提高17.1%与16.9%, 同时显著高于其他绿肥还田处理(P＜0.05); 根茬还田处理NT、T比CT分别提高13.1%、4.3%和11.0%、4.4% (P＜0.05)。10～20 cm土层的MWD和GMD, NTG比CT和TG分别提高22.5%、22.7%和8.2%、6.5%, 同时显著高于根茬还田处理NT、T (P＜0.05)。20～30 cm土层的MWD和GMD, NTG比TG、NT、T和CT分别提高10.0%、6.6%、17.8%、25.9%和5.9%、5.5%、16.3%、21.6%(P＜0.05)。综合上述结果, 相对于根茬还田与传统翻耕不复种绿肥, 绿肥全量还田提高了玉米农田0～30 cm土壤团聚体稳定性, 其中麦后复种绿肥覆盖免耕效果最为明显。

表4 2018年和2019年不同绿肥还田方式下土壤不同深度团聚体平均重量直径和几何平均直径Table 4 Average weight diameter and geometric average diameter of soil aggregates at different soil depths under different green manure utilization patterns in 2018 and 2019 mm

2.3 不同绿肥还田方式下土壤团聚体分形维数

两年研究结果表明, 绿肥还田对0～30 cm土层土壤团聚体分形维数影响显著(P＜0.05); 除绿肥覆盖免耕外, 4个处理分形维数值均随土层深度增加而增加(图3)。2018年, 绿肥全量还田条件下, NTG处理分形维数较CT降低0.8%～2.8%, 同时显著低于TG和T处理(P＜0.05); 在0～10 cm土层, 绿肥全量还田NTG、TG处理比T和CT降低1.8%、2.5%和0.7%、1.5%, NTG比TG处理降低1.0%, 与NT处理差异不显著(P＞0.05); 根茬还田处理NT和T较CT降低2.7%和0.8% (P＜0.05)。10～20 cm土层, NTG、TG处理比CT和T处理分别降低2.5%、1.6%和0.5%、1.5%, NTG比TG处理低1.0%, NTG与NT差异不显著(P＜0.05)。20～30 cm土层, TG、T、NTG与NT比CT处理分别降低1.4%、0.9%、2.8%和2.5%,NTG比TG、T处理分别降低1.4%、2.0% (P＜0.05)。2019年, 绿肥免耕还田条件下NTG和NT处理分形维数较CT降低2.5%～2.9%和2.3%～2.4%, NTG与NT处理分形维数显著低于TG和T处理(P＜0.05);0～10 cm土层, 绿肥全量还田处理NTG、TG比T和CT处理降低1.9%、2.6%和0.9%、1.6%, NTG比TG处理降低 1.0%, 与根茬免耕处理差异不显著(P＜0.05); 翻耕还田处理TG、T较CT降低1.6%和0.6% (P＜0.05)。10～20 cm土层, NTG较CT、TG和T降低2.5%、1.1%和1.8%, 与根茬免耕处理差异不显著(P＜0.05)。20～30 cm土层, NTG、NT比TG、T和CT降低1.4%、2.1%、2.9%和0.9%、1.6%、2.4%,NTG比NT处理降低0.6% (P＜0.05)。说明不同绿肥还田利用方式均能降低分形维数, 能够显著增加土壤团聚体稳定性; 其中绿肥覆盖免耕效果最显著。

2.4 不同绿肥还田方式下土壤团聚体平均质量比表面积(MWSSA)

如图4所示, MWSSA受不同绿肥还田利用方式影响显著。两年研究结果表明, 绿肥还田显著提高0～30 cm土层内MWSSA, MWSSA均随土壤深度的增加而降低(P＜0.05)。2018年, 绿肥免耕还田条件下NTG和NT处理平均质量比表面积显著高于CT、TG和T处理。在0～10 cm土层, NTG、NT处理比TG、T和CT提高7.0%、9.0%、13.0%和5.7%、7.7%、11.6%, NTG处理比NT处理提高1.2% (P＜0.05); TG和T处理较CT提高5.6%和3.6% (P＜0.05)。10～20 cm土层, NTG、NT处理较CT、TG和T提高17.3%、7.0%、9.1%和15.7%、5.6%、7.7%, 同时NTG处理显著高于NT处理(P＜0.05)。20～30 cm土层, NTG、NT比TG、T和CT提高8.3%、12.3%、19.0%和3.1%、6.9%、13.2%, NTG处理比NT处理提高5.1%(P＜0.05)。2019年, 绿肥全量还田条件下NTG和NT处理MWSSA较CT提高13.3%～19.7%和10.6%～14.5%, 同时显著高于TG和T处理(P＜0.05);在0～10 cm土层, 绿肥免耕还田处理NTG、NT比TG、T和CT处理提高6.6%、9.7%、13.3%和4.0%、7.0%、10.6%, NTG处理比NT处理提高2.5%(P＜0.05); 绿肥翻压还田处理TG、T较CT提高6.3%和3.3%(P＜0.05)。10～20 cm土层, NTG、NT处理比CT、TG和T提高16.9%、7.0%、10.3%和14.5%、4.8%、8.1%, NTG处理比NT处理提高2.1%(P＜0.05)。20～30 cm土层, NTG、NT处理比TG、T和CT提高8.5%、13.1%、19.7%和3.2%、7.7%、13.9%,NTG处理比NT处理提高5.1%(P＜0.05)。说明不同绿肥还田利用方式均能够增加土壤团聚体平均质量比表面积, 其中绿肥覆盖免耕提升效果最显著, 是提升平均质量比表面积较优的还田利用方式。

2.5 不同绿肥还田方式下土壤容重的变化

不同绿肥还田方式对土壤容重影响显著(图5)。两年研究结果表明, 各处理土壤容重均随土层深度的增加而升高。2018年, 绿肥翻压还田容重显著低于绿肥免耕还田与传统翻耕不复种绿肥。在0～10 cm土层, TG、T处理较NTG、NT和CT处理分别降低3.2%、4.2%、2.9%和1.0%、2.0%、0.7%, TG处理显著低于T处理, NTG处理与CT处理差异不显著,NT处理显著高于CT处理(P＜0.05)。10～20 cm土层,TG、T处理较NTG、NT和CT处理分别降低2.5%、4.0%、2.2%和1.6%、3.2%、1.4%, TG处理显著低于T处理, NTG处理与CT处理差异不显著, NT处理显著高于CT处理(P＜0.05)。20～30 cm土层, TG、T处理较NTG、NT和CT处理降低4.6%、6.4%、4.1%和3.4%、5.2%、2.9%, TG处理显著低于T处理(P＜0.05), NTG处理与CT处理差异不显著(P＞0.05),NT处理容重显著高于CT处理(P＜0.05)。2019年,0～10 cm土层, TG、T处理较NTG、NT和CT处理降低3.2%、4.9%、4.1%和0.5%、2.2%、1.4%, TG处理显著低于T处理(P＜0.05); NTG处理比CT和NT处理分别降低0.9%和1.7%, NT处理比CT处理提高0.9%(P＜0.05)。10～20 cm土层, TG、T处理较NTG、NT和CT处理分别降低2.2%、3.8%、2.4%和1.6%、3.2%、1.8%, TG处理显著低于T处理, NTG处理与CT处理差异不显著(P＞0.05), NT处理比CT处理提高1.4%(P＜0.05)。20～30 cm土层, TG、T处理较NTG、NT和CT处理分别降低4.1%、6.1%、4.7%和3.4%、5.4%、4.0%, TG处理显著低于T处理(P＜0.05), NTG处理比CT和NT处理分别降低0.6%和2.1%, NT处理比CT处理提高1.5%(P＜0.05)。与传统翻耕不复种绿肥相比, 绿肥翻压还田能够降低0～30 cm土壤容重; 绿肥覆盖免耕具有降低土壤容重的潜质, 能够在一定程度上缓解免耕造成土壤耕层紧实问题。

3 讨 论

3.1 土壤团聚体组成对绿肥还田的响应

土壤团聚体组成及其稳定性决定了土壤养分存储、蓄水保墒与抗侵蚀等能力高低[29], 大团聚体(直径≥0.25 mm)含量在一定程度上可作为评价土壤结构特征的指标。本研究发现, 绿肥还田能够提高土壤大团聚体含量, 4种还田利用方式中以绿肥免耕覆盖效果最为显著; 1.0～2.0 mm团粒增幅最高; 绿肥覆盖免耕对＞2.0 mm粒级团聚体提升最大。前人研究结果表明, 绿肥还田能够改善土壤状况, 归因于绿肥根系的活动, 根系有机体有利于土壤结构的形成, 种植绿肥能够增加土壤大团聚体含量, 而土壤大团聚体有利于C的富集, 对于C、N的固持速率高于矿化损失, 同时绿肥还田为土壤提供的有机质是团粒结构形成过程中优良的黏合剂[1,6,30]; 与绿肥还田相似的秸秆还田也能够增加土壤有机质、促进水稳性团聚体的形成[31-32]。此外, 耕作方式是影响土壤团聚体形成的另一因素, 免耕能够显著提升土壤大团聚体含量、土壤含水量和改良土壤结构[33]。其主要原因在于, 与免耕相比, 传统翻耕加剧了对耕层土壤的扰动, 破坏了土壤大团聚体结构, 导致土壤团聚体重新分布, 加速团聚体周转, 阻碍土壤自身的调节作用与恢复过程, 进而破坏了土壤结构的稳定性和连续性[15]。河西绿洲灌区降水多集中在小麦收后的8月、9月, 复种绿肥与刈割覆盖不仅能够减缓土壤裸露导致的风蚀水蚀, 而且能够阻止水分无效损失, 使大量降水保蓄在土壤内[34]。

3.2 土壤团聚体稳定性对绿肥还田的响应

土壤团聚体稳定性能够直接反映土壤的退化程度。平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是衡量土壤团聚体稳定性的指标, 其值越高, 表示粒径团聚度越高, 稳定性越强, 反之越差[25-26]。土壤分形维数是反映土壤颗粒与微团聚体组成的参数, 可作为评价土壤结构质量的综合指标, 数值越小表明土壤质量越高, 常与平均质量比表面积同时用来表征土壤结构受破坏程度与分散性[24]。本研究发现,绿肥还田能够提升各个土层MWD、GMD值, 其中以绿肥覆盖免耕的提升最为明显; 所有处理MWD与GMD值均随土壤深度增加而降低, 这与其他研究者所做秸秆覆盖免耕研究的变化趋势不一致, 可能是覆盖方式不同导致, 小麦收后仅将秸秆覆盖在地表, 而绿肥在小麦收后(7月)至盛花期翻压(10月)约有3个月的生长期, 对土壤的影响更为立体与长远[35-36]。同时绿肥还田降低了土壤团聚体的分形维数, 增加了平均质量比表面积(MWSSA), 以绿肥免耕覆盖改变最为有效, 而且减缓了10～30 cm土层团聚体稳定性降低的趋势, 可能由于绿肥还田能够有效增加土壤有机质, 间接增加了大团聚体含量, 从而影响了分形维数。有研究发现, 灌木丛土壤由于长期演替向土壤归还大量凋落物, 腐殖质积累较多,增加有机质的同时形成物理保护, 还能够较好地留存蓄积水分, 绿肥覆盖能够减缓雨滴冲击, 减小了由大团聚体破碎造成的微团聚体增加[37-38]。本研究中所设对土壤结构具有保护作用的绿肥覆盖免耕与根茬免耕措施下, MWSSA值较高, 但有研究者认为MWSSA值越低, 土壤结构越好[39], 说明MWSSA在评价土壤质量时存在不确定性[40]。

3.3 土壤容重对绿肥还田的响应

土壤容重是评价土壤质量的另一重要指标, 反映土壤紧实程度。过于疏松的土壤不能为植株根系提供足够的物理支撑, 蓄水保墒能力差, 养分易随降水或灌水流失; 过于紧实的土壤也不利于植株根系伸长生长, 土壤通气性差, 易产生地表径流[41]。本研究发现, 相较于传统翻耕, 绿肥全量翻压还田能够降低各土层土壤容重; 而绿肥覆盖免耕措施下, 与传统翻耕相比, 各土层容重基本保持不变或降低。已有研究表明, 小麦秸秆、玉米秸秆与绿肥等有机物还田能够提升土壤孔隙度, 降低土壤容重[42-43]。与翻耕相比,免耕减少了对土壤的扰动, 使表层土壤容重增加,绿肥与秸秆类似, 是一种密度较低的生物炭源, 还入土壤后会起到‘稀释作用’, 从而降低土壤密度, 增加水分渗入土壤的速率, 进而改善土壤质量[4,44]。总的来说, 在禾本科作物连作频繁、土壤压力较大的内陆干旱灌区, 绿肥覆盖免耕措施能够在不增加土壤容重的前提下提升土壤大团聚体含量, 改善土壤质量。

综上所述, 本研究发现, 绿肥覆盖免耕相对于其他还田利用方式更能有效改善土壤团聚体特性。然而, 进入土壤中的植物有机残体在土壤中的腐殖化过程受诸多因素影响, 同时其对土壤结构的影响亦需要较长时间才能显现出来[45]。因此, 干旱内陆气候背景下, 不同绿肥还田方式对农田土壤团聚体组成及其稳定性的影响与机制仍需长期观测探究。

4 结论

与传统翻耕不复种绿肥相比, 不同绿肥还田利用方式均提高了0～30 cm土层大团聚体含量与土壤团聚体稳定性, 其中绿肥覆盖免耕提升最为显著;翻压还田降低了土壤容重。相较于其他3种还田方式, 绿肥覆盖免耕在具有保留并增加土壤大团聚体优点的同时, 具有降低土壤容重的潜力。麦后复种绿肥地表覆盖免耕是增加绿洲灌区土壤团聚体稳定性及大团聚体形成, 降低土壤容重, 改善土壤质量的适宜措施。