不同休閑期農(nóng)田管理措施下季節(jié)性凍融對土壤團(tuán)聚體的影響

張新民，高雅玉，李澤霞，張麗萍，祁懷平

（1.甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000；2.蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050；3.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，蘭州 730021）

0 引言

【研究意義】在西北干旱綠洲區(qū)，糧食作物只能進(jìn)行一季種植，因此農(nóng)田存在很長的休閑期。例如石羊河流域的民勤地區(qū)，春小麥從每年3月下旬種植，7月下旬收割，農(nóng)田休閑期長達(dá)8 個月之長，玉米從4月中下旬種植，9月下旬收割，農(nóng)田休閑期7 個月。在漫長的休閑期，農(nóng)田需根據(jù)來年種植作物種類采用不同的管理措施，如深耕、覆蓋、磨耙等，采用不同的儲水灌溉（冬灌、春灌）制度進(jìn)行灌溉，這些傳統(tǒng)措施除了增加土壤含水率以保證來年播種時土壤有較好的墑情外，對土壤的物理化學(xué)性質(zhì)也產(chǎn)生顯著影響。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，通過土壤生物的活動（如土壤微生物釋放有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)）形成，是土壤物理性質(zhì)的重要綜合指標(biāo)之一。西北干旱綠洲區(qū)農(nóng)田休閑期要經(jīng)歷一個特殊的跨年氣候變化期，即從冬季至春季土壤的凍結(jié)與融化期，使得這些田間管理措施對土壤物理化學(xué)性質(zhì)的影響更為復(fù)雜，效果評價需進(jìn)行多方位考慮。

【研究進(jìn)展】在類似地區(qū)休閑期農(nóng)田不同管理措施條件下，開展的凍融對土壤性質(zhì)影響研究的成果較少，且關(guān)注點與本研究完全不同。有學(xué)者在甘肅省黑河流域[1-4]和石羊河流域[5-6]開展了相關(guān)研究，結(jié)果表明春小麥地秸稈覆蓋免耕能明顯減少休閑期耗水，增加農(nóng)田休閑期土壤貯水量，保墑效果甚至延續(xù)到作物生長的拔節(jié)期。但這些研究僅涉及土壤水分的變化和利用，未深入研究土壤物理性質(zhì)對凍融過程的響應(yīng)。凍融過程中土壤物理性質(zhì)的響應(yīng)主要體現(xiàn)在[7-11]：土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性的改變、孔隙度和體積質(zhì)量的升降以及飽和含水率的高低。土壤平均質(zhì)量比表面積和顆粒直徑隨著凍融次數(shù)的增加呈先下降后上升的趨勢。凍融作用對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響程度主要取決于凍結(jié)溫度、速率、交替次數(shù)等環(huán)境因素和土壤含水率、體積質(zhì)量、質(zhì)地等自身性狀[11-13]。凍結(jié)土壤孔隙中冰晶膨脹破壞了顆粒之間的原有聯(lián)結(jié)狀態(tài)，大粒徑團(tuán)聚體破碎成小粒徑團(tuán)聚體，同時，細(xì)顆粒物表現(xiàn)出向中等大小顆粒物聚集的趨勢[14-17]。土壤經(jīng)歷凍融-解凍過程時，受多重因素的綜合影響，因此，不同凍融條件對土壤物理性質(zhì)的影響程度存在顯著差異。部分學(xué)者[15-18]對東北地區(qū)典型黑土耕作區(qū)土壤結(jié)構(gòu)及其對季節(jié)性凍融的響應(yīng)研究，認(rèn)為冬季的季節(jié)性凍融加劇了黑土耕作區(qū)土壤風(fēng)干團(tuán)聚體的分散，但顯著降低了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的破壞率，有促進(jìn)其團(tuán)聚的作用，這是國內(nèi)為數(shù)不多的針對耕作土壤的研究成果。凍融循環(huán)作用也是土壤侵蝕和水土流失的主要驅(qū)動因子之一，根據(jù)凍融循環(huán)作用對黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征影響的相關(guān)研究可知[19-21]，凍融循環(huán)導(dǎo)致大團(tuán)聚體破碎成小團(tuán)聚體，降低了黑土團(tuán)聚體水穩(wěn)性，凍融循環(huán)作用對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的破碎作用隨著初始含水率的增加逐漸增強(qiáng)并趨于穩(wěn)定。李強(qiáng)等[22]對黃土地區(qū)裸地和不同黑麥草密度處理試驗研究揭示，凍融使得不同處理表層土壤體積質(zhì)量增加、水穩(wěn)性團(tuán)聚體量略有下降。凍融作用對高寒草地土壤理化和生物學(xué)性質(zhì)的影響符合凍融過程中土壤物理性質(zhì)響應(yīng)的一般性規(guī)律[23-25]，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同凍融條件下土壤體積質(zhì)量均呈減小趨勢，而土壤孔隙度呈增大趨勢，但5 次循環(huán)之后，土壤體積質(zhì)量和孔隙度變化越來越小，呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的變化趨勢。趙恒策等[26]研究凍融對鹽堿地土壤理化性質(zhì)的影響表明，0～10 cm深度土壤體積質(zhì)量增加，10～20 cm 不變，且與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）?！厩腥朦c】從不同土壤和地表覆被情況下土壤物理性質(zhì)對凍融循環(huán)的響應(yīng)可以看出，凍融能使大粒徑團(tuán)聚體破碎成小粒徑團(tuán)聚體，細(xì)顆粒物表現(xiàn)出向中等大小顆粒物聚集的趨勢，水穩(wěn)性團(tuán)聚體大顆粒被拆分、破碎。但就耕地休閑期不同田間管理措施和灌溉制度對這一作用產(chǎn)生的影響是否有利于耕作，結(jié)論尚不統(tǒng)一。

【擬解決的關(guān)鍵問題】在甘肅省石羊河流域民勤紅崖山灌區(qū)，選擇小麥地、玉米地為代表，設(shè)計不同休閑期耕作措施和有無冬季儲水灌溉處理，開展冬季季節(jié)性凍融過程對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響研究，分析凍融前后土壤機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量變化和平均重量直徑（MWD）變化，評價其對改良土壤性質(zhì)的作用，對于深入研究西北干旱地區(qū)休閑期農(nóng)田不同田間管理措施在改變土壤性質(zhì)和增產(chǎn)上發(fā)揮的具體作用，制定儲水灌溉制度具有重要參考作用。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤節(jié)水農(nóng)業(yè)暨生態(tài)建設(shè)試驗示范基地進(jìn)行。該試驗基地位于民勤縣大灘鄉(xiāng)（東經(jīng)103°36′，北緯39°03′）。屬大陸性荒漠干旱區(qū)，氣候干燥，降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，日照時間長。多年平均降水量在110 mm左右，且多為作物難以利用的無效降水，7—9月的降水占全年降水的60%，年蒸發(fā)量2 644 mm。日照時間3 010 h以上，大于10 ℃的積溫3 147.8 ℃。最大凍土深度1.18 m，地下水埋深18～25 m。試驗區(qū)土壤以壤質(zhì)黏土和黏土為主，各層土壤的砂礫、粉粒和黏粒量相差不大，質(zhì)地較為類似。試驗土壤粒級組成見表1。

表1 試驗土壤質(zhì)地及粒級組成Table 1 Texture and grain size composition of test soil

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計不同的田間管理措施與灌水處理6 個，其中小麥地4 個，留茬免耕處理2 個，秋季深耕2 個，玉米地留茬免耕處理2 個。試驗設(shè)計見表2。

表2 試驗設(shè)計表Table 2 Treatment design of field test

1.3 觀測項目

小麥地試驗期為2019年7月21日—2020年4月30日，玉米地試驗期為2019年9月29日—2020年4月30日，時間涵蓋一個完整冬季。試驗觀測項目為機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體，含水率等其他物理性質(zhì)在依托項目中也進(jìn)行了測定。團(tuán)聚體量測定深度為0～10、10～20 cm 和20～40 cm，時間為2019年10月27日冬灌前和11月9日、2020年3月21日和4月30日，測定儀器為團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)分析儀。試驗所有觀測項目均在選定地點取3 個平行樣同時進(jìn)行試驗，結(jié)果采用3 個平行試樣測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 免耕覆蓋條件下凍融對團(tuán)聚體的影響

土壤團(tuán)聚體是指土粒通過各種自然過程的作用而形成的直徑＜10 mm 的結(jié)構(gòu)單位。直徑≥0.25 mm的團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)單位稱大團(tuán)聚體，直徑＜0.25 mm 的團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)單位稱微團(tuán)聚體。一般認(rèn)為，大團(tuán)聚體量大于70%、平均重量直徑（MWD）在2～3 mm 之間，土壤有較好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

式中：xi、ωi分別為粒徑＜0.25、0.25～2、2～5、5～10 mm團(tuán)聚體的平均直徑（mm）和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（%）。

2.1.1 機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體

機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體是指能夠抵抗外力破壞的團(tuán)聚體。對試驗各處理于2019年10月27日、11月9日、2020年3月21日、4月30日分別測定0～10、10～20、20～40 cm 土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體量，以小麥地免耕Txm-3 處理與玉米地免耕Tym-2 處理的測定結(jié)果為例，繪制大團(tuán)聚體量凍融過程中變化情況，結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 Txm-3 處理凍融過程中機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量變化Fig.1 Content changes of macro-aggregate with mechanical stability for treatment Txm-3 during freezing-thawing

圖2 Tym-2 處理凍融過程中機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量變化Fig.2 Content changes of macro-aggregate with mechanical stability for treatment Tym-2 during freezing-thawing

由圖1、圖2可知，機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量沿深度方向變化存在一定規(guī)律性，除Tym-2 處理2019年10月27日時間0～10 cm 小于10～20 cm 土層外，其他各時間均符合隨土層由淺變深，大團(tuán)聚體量由高降低的規(guī)律性，即0～10 cm 土層中大團(tuán)聚體量≥10～20 cm土層中大團(tuán)聚體量≥20～40 cm 土層中大團(tuán)聚體量。分析大團(tuán)聚體量隨時間的變化過程，Txm-3 處理從2019年10月27日—11月9日，不同土層的機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量均有不同程度降低，至2020年3月21日解凍后，機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量較凍結(jié)前均有所增加，從3月21日—4月30日機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量有所降低。Tym-2 處理各土層機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量從2019年10月27日—2020年3月21日一直降低，3月21日—4月30日略有升高。二者產(chǎn)生差異的可能原因為玉米收割時間晚2 個月，養(yǎng)分與微生物量均較低，土粒的膠結(jié)作用較弱，團(tuán)聚體的形成也較慢。計算各時間點各土層的MWD，結(jié)果見表3。分析其隨深度與時間的變化，存在與大團(tuán)聚體量基本一致的規(guī)律性。

從圖1、圖2及表3數(shù)值可以看出，小麥地處理0～10 cm 土層2019年11月9日凍結(jié)前機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量66.53%，2020年3月21日解凍以后達(dá)到74.78%，增加了8.23%，MWD由2.29 mm 增加到2.73 mm，增加了0.44 mm；玉米地處理0～10 cm 土層2019年11月9日凍結(jié)前機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量78.41%，2020年3月21日解凍以后達(dá)到77.02%，降低了1.39%，MWD由2.95 mm 降低到2.74 mm，降低了0.21 mm，其他土層與之規(guī)律性一致。

2.1.2 水穩(wěn)性大團(tuán)聚體

水穩(wěn)性團(tuán)聚體是指在水中不易散碎而保持其形態(tài)和結(jié)構(gòu)能力的團(tuán)聚體，是鈣、鎂、有機(jī)質(zhì)膠結(jié)起來的土粒，在水中振蕩、浸泡、沖洗而不易崩解，一般用濕篩法測定。對試驗各處理于2019年10月27日、11月9日、2020年3月21日、4月30日分別測定0～10、10～20、20～40 cm 土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量，分析凍融過程中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量變化過程，結(jié)果表明，各處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體量沿深度方向變化規(guī)律一致，各處理在4 個測定時間均符合這一規(guī)律性，隨土層由淺變深，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量由高降低，即0～10 cm 土層大團(tuán)聚體量≥10～20 cm 土層大團(tuán)聚體量≥20～40 cm土層大團(tuán)聚體量。分析水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量隨時間的變化過程，各處理從2019年10月27日—11月9日，不同土層的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量均不斷增加，但至2020年3月21日解凍后，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量較凍結(jié)前均有所降低，從3月21日—4月30日，免耕處理進(jìn)行了旋耕，各處理也進(jìn)行了春灌，但水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量均表現(xiàn)為再次升高。整個凍融前后的變化過程中，各處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量在同一時間點上量值差別不大。Txm-3、Tym-2 處理的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量變化過程線見圖3、圖4，計算得水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑列于表3。

圖3 Txm-3 處理凍融過程中水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量變化Fig.3 Content changes of macro-aggregate with water stability for treatment Txm-3 during freezing-thawing

由圖3、圖4和表3可知，2 個處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD與其大團(tuán)聚體量變化規(guī)律完全一致，但變幅存在一定差別，小麥地處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量低于玉米地水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量，且MWD也低于玉米地。小麥地處理0～10 cm 土層2019年11月9日凍融前水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量58.03%，2020年3月21日解凍以后降為52.92%，降低了5.11%，MWD由1.66 mm 降為1.64 mm，降低了0.02 mm；玉米地處理0～10 cm 土層2019年11月9日凍融前水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量66.49%，2020年3月21日解凍以后降為53.75%，降低了12.74%，MWD由1.99 mm 降為1.72 mm，降低了0.27 mm，降幅明顯大于小麥地處理。

圖4 Tym-2 處理凍融過程中水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量變化Fig.4 Content changes of macro-aggregate with water stability for treatment Tym-2 during freezing-thawing

表3 凍融過程中機(jī)械穩(wěn)定團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 變化Table 3 Changes of mean weight diameter MWD of mechanically stable and water-stable macro-aggregates during freezing-thawing

2.2 秋耕條件下凍融對團(tuán)聚體的影響

2.2.1 機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體

秋耕會破壞土壤團(tuán)聚體，對2 個秋耕處理的機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量進(jìn)行計算，繪制凍融過程中的變化，

結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 Txm-1 處理凍融過程中機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量變化Fig.5 Content changes of macro-aggregate with mechanical stability for treatment Txm-1 during freezing-thawing

圖6 Txm-2 處理凍融過程中機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量變化Fig.6 Content changes of macro-aggregate with mechanical stability for treatment Txm-2 during freezing-thawing

對比圖5、圖6與圖1可知，秋耕處理機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量沿深度與隨時間的變化與免耕Txm-3 處理相近。隨土層由淺變深，大團(tuán)聚體量由高降低，即0～10 cm 土層大團(tuán)聚體量≥10～20 cm 土層大團(tuán)聚體量≥20～40 cm 土層大團(tuán)聚體量。分析大團(tuán)聚體量隨時間的變化過程，各處理從2019年10月27日—11月9日，不同土層的機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量均有不同程度降低，至2020年3月21日解凍后，機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量較凍結(jié)前均有所增加，3月21日—4月30日，機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量均出現(xiàn)顯著降低。2019年11月9日凍結(jié)前Txm～1 處理0～10 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量73.34%，2020年3月21日解凍以后達(dá)到74.13%，增加了0.79%，Txm-2 處理從70.52%增加到73.69%，增加了3.17%。2 個處理凍融后機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量處于同一數(shù)量水平，也與小麥地免耕處理Txm-3 處于同一數(shù)量水平。

計算各時間點各土層的MWD，結(jié)果見表3。分析其隨深度和時間的變化，存在與大團(tuán)聚體量完全一致的規(guī)律性。Txm-1 處理0～10 cm 土層2019年11月9日凍融前至2020年3月21日解凍以后，MWD由2.70 mm 增加到2.74 mm，略有增加；Txm-2 處理0～10 cm 土層MWD由2.52 mm 增加到2.78 mm，增加了0.26 mm，增加幅度較大。

2.2.2 水穩(wěn)性大團(tuán)聚體

水穩(wěn)性團(tuán)聚體受秋耕的影響與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體明顯不同。根據(jù)2 個秋耕處理于不同時間點、不同土層深度水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量測定結(jié)果，分析凍融過程中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量變化過程，見圖7、圖8。結(jié)果表明，水穩(wěn)性團(tuán)聚體量在4 個測定時間均符合隨土層由淺變深，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量由高降低的規(guī)律，即0～10 cm 土層大團(tuán)聚體量≥10～20 cm 土層大團(tuán)聚體量≥20～40 cm 土層大團(tuán)聚體量。隨時間的變化過程為，從2019年10月27日—11月9日，不同土層的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量均有不同程度增加，但至2020年3月21日解凍后，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量較凍結(jié)前均有所降低，從3月21日—4月30日，免耕處理進(jìn)行了旋耕和春灌，但水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量均表現(xiàn)為再次升高。2019年11月9日凍結(jié)前Txm-1 處理0～10 cm 土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量為63.77%，2020年3月21日解凍以后降為54.87%，降低了8.90%；2019年11月9日凍結(jié)前Txm-2 處理0～10 cm 土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量為62.84%，2020年3月21日解凍以后降為54.25%，降低了8.59%，二者降低幅度接近，解凍以后大團(tuán)聚體量十分接近，與免耕Txm-3 處理（52.92%）差別不大。

圖7 Txm-1 處理凍融過程中水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量變化Fig.7 Content changes of macro-aggregate with water stability for treatment Txm-1 during freezing-thawing

圖8 Txm-2 處理凍融過程中水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量變化Fig.8 Content changes of macro-aggregate with water stability for treatment Txm-2 during freezing-thawing

2 個處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值列于表3。從表可知MWD在1.20～1.85 之間變化，變化規(guī)律與水穩(wěn)性團(tuán)聚體量基本一致。以0～10 cm 土層為例分析凍融前后的變化，2019年11月9日凍結(jié)前Txm-1 處理MWD為1.84 mm 至2020年3月21日解凍以后降為1.72 mm，降低了0.12 mm；2019年11月9日凍結(jié)前Txm-2 處理MWD為1.74 mm 至2020年3月21日解凍后增至1.77 mm，略有增加，但2 個處理均高于免耕Txm-3 處理（1.64 mm）。

2.3 冬季儲水灌溉條件下凍融對團(tuán)聚體的影響

2.3.1 機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體

灌水增加土壤濕度，影響土壤水熱運移，也影響土壤凍結(jié)及融化。仍以免耕處理為例分析其對凍融過程及土壤團(tuán)聚體的影響。試驗表明，灌水并未影響到機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量沿深度的分布規(guī)律。采用SPSS 軟件分析4 個免耕處理凍融前后大團(tuán)聚體量與MWD的變化，P=0.05 水平下，各處理凍融前后的差異顯著性結(jié)果見表4。

表4 免耕處理凍融前后機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量及MWD 變化Table 4 Changes of macro-aggregate content and average weight diameter MWD with mechanical stability before and after freezing-thawing for no-tillage treatments

由表4可知，凍融后與凍結(jié)前相比，Txm-3 處理0～10 cm 大團(tuán)聚體量發(fā)生了顯著變化，由66.53%增加至74.78%，增加8.25%，20～40 cm 土層MWD發(fā)生了顯著變化，由2.05 mm 增加至2.35 mm，增加了0.30 mm，其他土層大團(tuán)聚體量與MWD變化不顯著。Txm-4 處理各土層大團(tuán)聚體量與MWD變化均不顯著。

玉米免耕處理中，凍融后與凍結(jié)前相比，Tym-1處理20～40 cm 大團(tuán)聚體量發(fā)生了顯著變化，由73.18%降低至62.91%，降低10.27%，Tym-2 處理0～10 cm 土層MWD發(fā)生了顯著變化，由2.95 mm 降低至2.74 mm，降低了0.21 mm，其他土層大團(tuán)聚體量與MWD變化不顯著。說明冬季儲水灌溉沒有對凍融過程中土壤機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體變化帶來顯著影響。

2.3.2 水穩(wěn)性大團(tuán)聚體

凍融能破壞水穩(wěn)性團(tuán)聚體，從而使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量降低，粒徑變得均一。試驗表明，灌水處理的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量沿深度的分布規(guī)律與未灌水處理一致。采用SPSS 軟件分析4 個免耕處理凍融前后大團(tuán)聚體量與MWD的變化，P=0.05 水平下，各處理凍融前后的差異顯著性結(jié)果見表5。

表5 免耕處理凍融前后水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量與MWD 變化Table 5 Changes of macro-aggregate content and MWD with water stability before and after freezing-thawing for no-tillage treatments

由表5看出，凍融后與凍結(jié)前相比，Txm-3 處理20～40 cm 土層大團(tuán)聚體量發(fā)生了極顯著變化，由48.56%降至39.30%，降低了9.26%，10～20、20～40 cm 土層MWD發(fā)生了顯著變化，分別由1.64 mm 降至1.42 mm，1.47 mm 降至1.28 mm，降低0.22、0.19 mm，其他土層大團(tuán)聚體量與MWD變化不顯著。Txm-4 處理10～20、20～40 cm 土層大團(tuán)聚體量分別發(fā)生了顯著變化、極顯著變化，分別由53.15%降至38.61%，51.04%降至36.18%，降低14.54%、14.86%；20～40 cm 土層MWD發(fā)生了顯著變化，由1.50 mm 降至1.18 mm，降低0.32 mm。

玉米免耕處理中，凍融后與凍結(jié)前相比，Tym-1處理10～20 cm 土層大團(tuán)聚體量、MWD發(fā)生了顯著變化，分別由62.71%降至45.38%，1.85 mm 降至1.43 mm；20～40 cm 土層大團(tuán)聚體量、MWD發(fā)生了極顯著變化，分別由59.32%降至38.28%，1.75 mm 降至1.24 mm。Tym-2 處理20～40 cm 土層大團(tuán)聚體量發(fā)生了極顯著變化，由52.61%降至37.51%，降低15.10%，MWD發(fā)生了顯著變化，由1.67 mm 降至1.14 mm，降低0.53 mm。可見灌水處理比未灌水處理變化劇烈，變幅大，影響的土層范圍更廣。

進(jìn)一步分析含水率與凍融后大團(tuán)聚體量、MWD變幅之間關(guān)系，未灌水處理存在線性負(fù)相關(guān)，灌水處理規(guī)律性不明顯。對3 個未灌水處理各土層的凍前土壤含水率與凍融前后大團(tuán)聚體量、MWD變幅之間關(guān)系做相關(guān)分析，結(jié)果見表6及圖9、圖10。

表6 未灌水處理凍結(jié)前含水率與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量變幅、MWD 變幅關(guān)系Table 6 Relationship between water content and variation of water-stable macro-aggregate content andvariation of MWD before freezing without irrigation treatment

圖9 未灌水處理凍融前后水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量變幅與含水率相關(guān)關(guān)系Fig.9 Relationship between water content and variation of water-stable macro-aggregate content before freezing without irrigation treatment

圖10 未灌水處理凍融前后水穩(wěn)性團(tuán)聚體WMD 變幅與含水率相關(guān)關(guān)系Fig.10 Relationship between water content and variation of MWD before freezing without irrigation treatment

從表6和圖9、圖10可以看出，在8.13%～17.62%的區(qū)間內(nèi)隨著土壤含水率增加，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量與MWD下降，降幅平均值分別為20.59%和15.50%。而3 個灌水處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量與MWD的降幅平均值分別為23.54%與15.16%，對應(yīng)的土壤含水率平均值為31%，降幅與含水率之間相關(guān)性不強(qiáng)。說明當(dāng)土壤含水率增加至較高水平時，將不再成為影響凍融后水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與MWD變化的主要因素。

3 討論

3.1 凍融對團(tuán)聚體的影響

凍融作用對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響程度主要取決于凍結(jié)溫度、速率、交替次數(shù)等環(huán)境因素和土壤含水、體積質(zhì)量、質(zhì)地等自身性狀[7]。目前，針對凍融作用對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響的研究較多，但結(jié)論不一。一般認(rèn)為，凍結(jié)土壤孔隙中冰晶膨脹破壞了顆粒之間的原有聯(lián)結(jié)狀態(tài)，大粒徑團(tuán)聚體破碎成小粒徑團(tuán)聚體，同時，細(xì)顆粒物表現(xiàn)出向中等顆粒物聚集的趨勢。隨著凍融交替次數(shù)的增加，壤土、砂壤土中＞1 mm 粒級團(tuán)聚體占比迅速降低，相應(yīng)＜0.5 mm粒級團(tuán)聚體占比逐漸升高。團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨凍融次數(shù)的增加呈下降趨勢或先上升后下降的趨勢[8-9]。有學(xué)者[13-16]研究認(rèn)為，季節(jié)性凍融加劇了黑土耕作區(qū)土壤風(fēng)干團(tuán)聚體的分散，但顯著降低了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的破壞率（P＜0.05），表現(xiàn)出促進(jìn)其團(tuán)聚的作用。顧汪明等[17-19]對東北典型黑土區(qū)耕作層的研究認(rèn)為，土壤凍融循環(huán)導(dǎo)致大團(tuán)聚體破碎成小團(tuán)聚體，降低了黑土團(tuán)聚體水穩(wěn)性。凍融循環(huán)作用對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的破碎作用隨著初始含水率的增加逐漸增強(qiáng)并趨于穩(wěn)定。土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加顯著下降，10次凍融循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定。梁運江等針對季節(jié)性凍融對延邊地區(qū)蘋果梨園棵間休閑地土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的影響研究表明，0～20 cm 土層經(jīng)凍融后大團(tuán)聚體量增加、小團(tuán)聚體量減少[33-35]。

本次研究是農(nóng)田耕作地休閑期的季節(jié)性凍融問題，免耕處理凍結(jié)前從2019年10月27日—11月9日，試驗土層0～40 cm 內(nèi)土壤機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量均有不同程度降低，至2020年3月21日解凍后，小麥地較凍結(jié)前有所增加，與文獻(xiàn)[34]研究結(jié)果基本一致，玉米地與小麥地不同，大團(tuán)聚體量繼續(xù)減小，可能原因是玉米收割時間晚，地力恢復(fù)與微生物活動程度低有關(guān)。各土層的MWD隨時間的變化規(guī)律與大團(tuán)聚體量變化規(guī)律一致，說明大團(tuán)聚體量高低決定于大直徑顆粒量。水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的變化與之相反，從2019年10月27日—11月9日，各試驗處理0～40 cm 土層內(nèi)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量均表現(xiàn)出增加，但至2020年3月21日解凍后，其量有所降低。MWD與其變化規(guī)律一致，解凍以后較凍結(jié)前有一定程度降低，甚至是明顯降低。對比分析試驗結(jié)果中MWD的變化，可能是凍融過程中破碎作用起了主導(dǎo)作用，因此結(jié)論與文獻(xiàn)[17-19]基本一致。

3.2 秋耕對凍融及團(tuán)聚體的影響

機(jī)械作業(yè)對黑土區(qū)耕地土壤結(jié)構(gòu)存在正負(fù)兩方面效應(yīng)，即對表層耕作區(qū)土壤的疏松改良效果和對耕作層下土壤的積累壓實作用，少耕、免耕為代表的各種保護(hù)性耕作措施在增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體量，增加土壤持水性能、抗蝕性和通透性等方面具有明顯效果[36]。王恩姮等[14]的研究認(rèn)為，少次壓實具有促進(jìn)土壤團(tuán)聚體團(tuán)聚的作用，但同等負(fù)荷下多次積累壓實會降低土壤的水穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。

本次研究試驗地均為熟耕地，與同是小麥地茬的免耕處理所不同的是在8月中旬進(jìn)行了大型機(jī)械秋耕，翻耕深度30 cm。將2 種處理凍融前后機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量、MWD的變化對比分析發(fā)現(xiàn)，沿深度與隨時間的變化規(guī)律完全一致，但數(shù)值上秋耕處理在耕作之后高于免耕處理，凍結(jié)前二者十分接近，凍融后處于同一平。秋耕對水穩(wěn)性團(tuán)體的影響與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體大致相同。這樣的一個結(jié)論與文獻(xiàn)[14,33]的研究成果略有不同，但由于本研究所設(shè)計的免耕與秋耕處理地塊相距較遠(yuǎn)，存在試驗地本底值差異的影響，所以尚不能形成結(jié)論。

3.3 儲水灌溉對凍融及團(tuán)聚體的影響

土壤含水率決定著凍融土壤的固、液、氣相比，進(jìn)而影響到凍融后的土壤水力特性。室內(nèi)人工控溫凍融試驗探討土壤含水率對凍融理化效應(yīng)的影響，結(jié)果表明：隨著凍融次數(shù)的增加，0.05～0.25 mm 粒級團(tuán)聚體量變化受土壤含水率影響較為明顯，低含水率表現(xiàn)為增加趨勢，而高含水率表現(xiàn)為降低趨勢[9]。文獻(xiàn)[17]認(rèn)為，無水凍融循環(huán)顯著降低＞5 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體量，促進(jìn)大團(tuán)聚體的破碎作用，有水凍融循環(huán)則顯著增加＜0.5 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體量，加劇水穩(wěn)性團(tuán)聚體拆分的作用，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的破碎效應(yīng)有所增強(qiáng)。凍融循環(huán)作用對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的破碎作用隨著初始含水率的增加逐漸增強(qiáng)并趨于穩(wěn)定。

從本次試驗中的結(jié)果可見，機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體受冬季儲水灌溉的影響無規(guī)律可循，其MWD增大減小均有存在，無法證明與灌水有關(guān)；但對水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量產(chǎn)生顯著影響，凍結(jié)前土壤含水率增加加劇凍融對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的拆分，含水率較大或接近飽和時，將不再是影響水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的主要因素，結(jié)論與前述文獻(xiàn)的結(jié)論一致，說明灌水有降低水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量和減小MWD的作用。

4 結(jié)論

1）土壤機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體剖面分布基本符合表層高，底層低的規(guī)律，MWD表層最大，隨著土層深度增加逐漸變小。冬季季節(jié)性凍融對耕層土壤的機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量與MWD的作用尚無法確定，但可使耕層土壤的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量顯著降低，MWD變小。

2）秋耕對機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量和MWD在凍融過程中的變化規(guī)律不產(chǎn)生顯著影響，秋耕對團(tuán)聚體的破壞在凍結(jié)前已經(jīng)修復(fù)。

3）冬季儲水灌溉對機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量及水穩(wěn)性團(tuán)聚體量沿深度分布規(guī)律不產(chǎn)生顯著影響，對機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量及其MWD的影響無規(guī)律可循，對水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體量產(chǎn)生顯著影響，0～40 cm 土層剖面大團(tuán)聚體量減小幅度明顯大于無灌水處理，MWD的降幅也有明顯增大。