杨济达，伏成秀，朱红业，张 庆，马世贵，姚巧敏
(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，昆明 650205；
2.嵩明县农业产业发展中心，云南 嵩明 651700；
3.祥云泰兴农业科技开发有限责任公司，云南 祥云 672100)
【研究意义】耕作方式本质上是通过影响耕层土壤的结构改变其理化性状，对土地生产力产生影响[1-3]。耕作方式是机械外力直接改变土壤结构的物理驱动，土壤团聚体是不均匀的土壤结构单元，耕作措施直接作用导致土壤原有团聚体含量、粒径分布以及稳定性的分异和重组，进而影响土壤的透气性、保水性以及抗侵蚀能力。因此，研究不同深翻年限下土壤团聚体空间分异及深翻措施下土壤团聚体稳定性对明晰深翻作用对土壤结构的扰动机制具有现实意义。【前人研究进展】深翻措施通过机械外力直接作用导致土壤原有结构的组分重组，造成其结构组分和理化性质的垂向空间分异[4-7]。陈洪清等[8]研究表明传统旋耕直接破碎土壤团聚结构，使团聚体暴露于干湿循环和冷热循环中，表现为土壤大团聚体破碎成微团聚体或单个颗粒，并暴露出受团聚体保护的土壤有机质，加快有机质的矿化。同时，土壤孔隙的减少会使团聚体黏合能力下降，土壤破碎度增加，导致土壤团聚体抵抗机械破坏的能力下降[9-11]。王兴等[12]研究表明随着土层深度变化，土壤水分及容重对土壤结构的影响也可能变化，表现为影响土壤胶体的分散从而影响土壤结构水稳定性。其中，不同耕作深度对土壤团聚体影响效果较大，表现为耕作深度和耕作制度扰动导致土壤黏粒分布不均，翻耕10 cm和翻耕30 cm处理下2～8 mm粒径的土壤团聚体含量减小，微团聚体(<0.25 mm)含量在整体上呈上升趋势，随翻耕深度的增加，土壤团聚体平均重量直径和几何平均直径也随之减小。连年浅耕的土壤常在其剖面上形成了分布位置较高的犁底层，不利于水分、养分的保持，产生“上实下虚”或“下实上虚”的不合理耕层结构。深翻相比于浅旋耕，可以降低土壤容重，改善土壤团聚结构性能，增加土壤有机碳含量和水分利用效率，进而提高耕地的作物产量，但是深耕对耕层结构的扰动明显加大。同时，耕翻后，土壤原有的表土、心土，甚至是底土常被混合，经历着人为的熟化过程和继续作用的自然形成过程[13-14]。【本研究切入点】土壤团聚体作为土壤最重要的结构单元，深翻措施对土壤团聚体结构性能必然产生影响。深翻后的土壤由于上下土层的翻动和混合，在其剖面上形成了既不同于自然土壤发生发育的层次，也不同于传统浅旋耕措施下形成的耕作土壤剖面发育层次。以往大量的研究多集中于不同耕作方式下土壤物理性状的变化。然而在同一深翻耕作方式下，基于土层深度的空间尺度与深翻年限的时间尺度、土壤团聚体的空间分布格局与动态变化特征仍鲜有研究。【拟解决的关键问题】本研究针对深翻措施，基于土层垂向不同土层深度，开展土壤团聚体基于不同深翻年限的空间分布格局与对时间动态变化特征研究，以期探明深翻措施对土壤团聚体在土壤层次发生和空间分异上的影响。
1.1 研究区概况
研究区位于云南省大理州祥云县刘厂镇(25°28′37″N，100°45′4″E)，属北亚热带偏北高原季风气候区，海拔1904 m，年平均气温14.7 ℃，1月平均气温8.1 ℃，7月平均气温19.7 ℃；
年均降雨量700～810 mm，日照时数为2030.2～2623.9 h。祥云县2020年蔬菜种植面积为16 666 hm2，产鲜菜51.7×104t，实现综合产值15亿元，成为滇西北高原特色农业发展的主要蔬菜产区。2014—2021年在祥云泰兴农业科技开发有限责任公司试验基地连续开展周年试验，以叶菜类蔬菜进行周年连茬种植，建成蔬菜标准化种植示范基地273 hm2，主要种植黄白、上海青、生菜、松花、西兰花、油麦菜等30多个特色蔬菜品种，年产蔬菜3.5×106t。针对长期浅旋耕和周年多茬种植造成的土壤结构性退化，于2014年开始实施深翻60 cm+有机培肥的土壤改良措施。土壤理化性质见表1。
表1 研究区土壤性状
1.2 试验设计与样品分析
为探究不同年限深翻措施对不同土层深度团聚体分布及其稳定性的影响，本研究以第1次进行深翻措施的年限(2014年)的土壤为对照，设置7个深翻年限(2014—2020年)进行连续采样监测分析。各深翻年限土壤采样小区面积为15 m2，设置3个土层深度(0～20、20～40、40～60 cm)进行剖面原位采样。为降低其余耕作措施和田间管理因素差异造成的影响，试验区耕作措施、水肥管理和田间操作均保持统一并按照生产规范管理。
1.2.1 土壤样品采集 2021年5月按照不同深翻年限土壤区域采集土壤样品，在各样地内随机选择5个取样点，挖掘60 cm深垂直土壤剖面，分3个土层采集原位整块试验所需土壤样品，同时采用环刀法采集对应深度原位土壤，并将土壤置于保温箱避免人为扰动。土样带回实验室进行预处理，包括风干、去除土样中植物根系和碎石块，混合后分成2份，一份用于团聚体分析，另一份用于土壤理化性质测定。
1.2.2 土壤理化性质测定 经过预处理后分析测定土壤各理化性质指标，包括土壤pH、有机质、总氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾。pH测定采用电位测定法；
有机质含量测定采用重铬酸钾容量法；
全氮含量测定采用重铬酸钾—硫酸消化法；
水解性氮含量测定采用碱解扩散法；
全磷含量测定采用硫酸—高氯酸消煮法；
速效磷含量测定采用碳酸氢钠法；
土壤全钾含量测定采用NaOH-火焰光度计法；
速效钾含量测定采用醋酸铵—火焰光度计法。
采用干筛、湿筛法分别测定土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体。干筛法测定土壤中机械稳定性团聚体含量，取经过预处理后的土壤样品200 g，使其通过干筛(孔隙：5.00、2.00、0.50、0.25 mm)，计算>5.00、5.00～2.00、2.00～0.50、0.50～0.25、<0.25 mm 的5个粒径团聚体；
湿筛法测定土壤中水稳性团聚体含量，取50 g土样放置于团聚体分析仪进行湿筛，烘干法测定每个粒径水稳性土壤团聚体的重量。
团聚体破坏率(PAD)的公式：
PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%。
1.3 数据分析
表格中数据以平均值±标准误表示。数据分析和绘图采用IBM SPSS 22.0 和Excel 2021软件进行。相关性分析用于表述团聚体稳定性指标之间的关系；
单因素(One-way ANOVA)和邓肯(Duncan)法进行方差分析和差异显著性检验(P<0.05)用于比较不同土层和不同深翻年限之间的差异显著性。
2.1 不同深翻年限土壤团聚体含量及分布特征
2.1.1 不同深翻年限土壤团聚体的含量变化 DR0.25和WR0.25在不同深翻年限的时间尺度和不同土层深度的空间尺度，其含量差异明显(表2)。DR0.25在不同深翻年限和不同土层深度均高于90%，介于91.90%～98.42%。DR0.25在3个土层深度(0～20、20～40、40～60 cm)总体呈随深翻年限增加而减小的趋势，其中，深翻7年较深翻1年，DR0.25在3个土层深度(0～20、20～40、40～60 cm)均显著降低(P<0.05)，分别减少4.0%、4.8%和3.7%。
表2 不同深翻年限下各土层的DR0.25和WR0.25
WR0.25明显低于DR0.25，介于50.62%～80.20%。WR0.25在同一深翻年限，总体表现为随土层深度增加而降低的趋势，其中，深翻7年后，WR0.25在20～40、40～60 cm 土层较0～20 cm土层分别降低4.8%、7.7%；
深翻作用下，WR0.25在3个土层深度(0～20、20～40、40～60 cm)总体表现为随深翻年限增加而增加的趋势，其中深翻7年后较深翻1年，3个土层深度(0～20、20～40、40～60 cm)分别显著增加22.4%、25.5%和44.3%。综上结果表明，WR0.25较DR0.25对深翻作用的响应更为敏感，受深翻作用影响，不同土层WR0.25明显低于DR0.25。
2.1.2 不同深翻年限土壤水稳性团聚体的分布特征 基于水稳性团聚体对深翻作用的敏感性，进一步分析水稳性团聚体各粒径在不同深翻年限后各土层深度的分布。由图1～3可知，0～20 cm土层水稳性团聚体深翻7年后较深翻1年，>5.00 mm和<0.25 mm粒径团聚体数量分别减少34.4%和30.4%；
0.5～2.0 mm粒径团聚体数量增加46.7%。20～40 cm土层各粒径分布随深翻年限增加并未呈现规律性变化，深翻7年后，水稳性团聚体主要以>5.00 mm和0.50～2.00 mm粒径分布为主，占比分别高达34.64%和35.03%。40～60 cm土层在深翻1年，主要以<0.25 mm和0.50～2.00 mm粒径分布为主，占比分别为49.38%和29.94%，>5.00 mm粒径占比最低，仅有3.24%；
深翻7年后，水稳性团聚体主要以>5.00 mm和<0.25 mm粒径分布为主，占比分别为28.72%和26.95%；
同时，各粒径分布差异明显降低，占比介于10.57%～28.72%。
图1 不同深翻年限0～20 cm土层土壤团聚体分布Fig.1 Distribution of soil aggregates in 0-20 cm soil layer in different deep turning years
图2 不同深翻年限20～40 cm土层土壤团聚体分布Fig.2 Distribution of soil aggregates in 20-40 cm soil layer in different deep turning years
图3 不同深翻年限40～60 cm土层土壤团聚体分布Fig.3 Distribution of soil aggregates in 40-60 cm soil layer in different deep turning years
表3 不同深翻年限下各土层MWD变化
2.2 不同深翻年限土壤团聚体稳定性
2.2.1 土壤团聚体平均重量直径MWD变化 由表3可知，MWD在0～20 cm土层随深翻年限增加总体变化不明显，除深翻3年后(1.64 mm)显著低于其余年限外，其余年限间差异不显著(介于2.09～2.63 mm)；
20～40 cm土层MWD随深翻年限增加，总体表现为逐渐增大的趋势，深翻7年后较深翻1年，MWD显著增加161.5%；
40～60 cm土层MWD在深翻1～7年总体表现为随深翻年限增加而先增加后降低的趋势，深翻5年较深翻1年，MWD显著增加196.1%；
深翻6～7年 MWD逐渐降低，较深翻5年分别降低14.2%和9.9%，但与深翻5年相比差异不显著(P>0.05)。综上，深翻作用下，土壤表层与底层进行翻耕混匀，并随深翻年限增加团聚体趋于逐渐稳定的趋势，其中，深翻4～7年，各土层深度团聚体稳定性差异均不显著(P>0.05)。
2.2.2 土壤团聚体破坏率PAD变化 由图4可知，深翻前4年各土层深度PAD表现为40～60 cm>20～40 cm>0～20 cm；
各土层PAD随深翻年限增加总体呈降低趋势，其中0～20 cm土层PAD变化波动较小，介于18.18%～28.18%；
20～40 cm土层深翻7年后较深翻1年PAD降低48.2%；
40～60 cm土层深翻7年后较深翻1年PAD降低53.0%。综上，深翻作用下，PAD的变化总体呈随土层深度增加而增大，随深翻年限增加而降低的趋势。
图4 不同深翻年限各土层土壤团聚体破坏率Fig.4 The PAD of soil aggregates of each soil layer in different deep ploughing years
2.3 土壤团聚体稳定性指标相关性分析
由表4可知，WR0.25、PAD、MWD 3个指标相关系数呈显著相关关系(P<0.05)，其中WR0.25与PAD呈显著负相关关系，相关系数R=-0.750，WR0.25与MWD呈显著正相关关系，相关系数R=0.866，PAD与MWD呈显著负相关关系，相关系数R=-0.795。
表4 土壤团聚体各指标的相关性分析
进一步分析WR0.25与深翻年限的关系，由图5可知，不同土层WR0.25均呈随深翻年限增加而逐渐增加的趋势，表现为正相关关系，其中40～60 cm土层表现为显著正相关关系(P<0.05)，相关系数R=0.767。进一步分析PAD与深翻年限的关系，由图6可知，不同土层PAD随深翻年限增加均呈逐渐降低的趋势，表现负相关线性关系，其中0～20 cm和40～60 cm土层表现为显著负相关关系(P<0.05)，相关系数分别为0.651和0.757；
同时PAD随土层深度增加呈明显增加的趋势。
图5 不同深翻年限WR0.25的变化Fig.5 Variation of WR0.25 in different deep turning years
图6 不同深翻年限PAD的变化Fig.6 Variation of PAD in different deep turning years
3.1 深翻作用对土壤团聚体含量的影响
土壤中粒径>0.25 mm的团聚体含量和平均重量直径MWD越高，说明团聚体稳定性越强，土壤的结构性能越好。不同土层深度机械稳定性团聚体DR0.25均高于90%，但水稳性团聚体WR0.25较DR0.25变化更加明显，介于50.62%～80.20%，表明深翻作用下，机械外力直接作用土壤原有结构，导致团聚体含量的组分重组，表现为水稳性团聚体组分变异较大，WR0.25较DR0.25对深翻作用的响应更为敏感。深翻作用破坏土壤团聚体间的孔隙，土壤孔隙的减少导致团聚体黏合能力下降，土壤抗破碎强度随之下降，通过土壤胶体的分散从而影响土壤结构水稳定性[15-18]。
3.2 深翻作用对土壤团聚体稳定性的影响
深翻作用下，PAD表现为随土层深度增加而增大，随深翻年限增加而降低的趋势。传统旋耕对土壤的表层长期耕翻，直接破碎表层土壤团聚结构[19]。深翻作用下，其原有的表土、心土有时甚至是底土常被混合，表层和深层土壤出现了空间位移，原表层土壤大团聚体破碎成微团聚体或单个颗粒经深翻作用置于深层，深层通气通水较差，冷热变化较小，生物尤其是微生物活动弱，养分物质缺乏或转化较慢，微团聚体或单个颗粒团聚能力受限，随深翻年限增加，呈现为土壤深层结构水稳性下降[20-21]。另一方面，深层土壤深翻后空间位移至表层，使团聚体暴露于干湿循环和冷热循环中，受地表生物气候的影响较大，通气通水性高，物质转化较快，水分养分供应较多，随深翻年限增加，导致大团聚体破碎程度增加[22-24]。深翻作用打破土壤原有团聚体分布格局，土壤表层和底层水稳性团聚体含量和稳定性较低，表现为明显的两极分化[25-27]，但深翻作用使得整个0～60 cm土层深度通气通水性能提高，表层底层冷热差异较小，土壤纵向层次结构差异减小，随深翻年限增加，土壤水稳性团聚体分布两极分化逐渐趋同，稳定性逐渐增加。
(1)深翻措施直接作用于土壤团聚体结构，团聚体含量组分重组导致原生耕作土壤层次分异，层次分异表现为表层和底层两级分化，水稳性团聚体组分变异较大，层次发生响应更为敏感。
(2)深翻作用使土壤表层与底层实现空间位移、混匀，致使各土层原有层次分异趋于同质化，随深翻年限增加，土壤团聚体分布格局逐渐趋同，稳定性逐渐增加。
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