劉玲玲，李 超，房 煥，趙 楊，張中彬，彭新華，尹力初，周 虎?

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008；3. 湖南省土壤肥料研究所，長(zhǎng)沙 410125；4. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；5. 湖南省水稻研究所，長(zhǎng)沙 410125）

水稻是我國(guó)三大糧食作物之一，我國(guó)水稻種植面積占全國(guó)總糧食作物的1/4[1]。稻油輪作是我國(guó)南方水稻土的主要種植制度之一。近年來(lái)，水稻油菜免耕直播的種植模式迅速發(fā)展。有研究表明，稻油輪作連續(xù)免耕有利于提高作物產(chǎn)量和改善稻田表層土壤肥力[2-3]，實(shí)施稻油輪作免耕直播模式對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤結(jié)構(gòu)影響著土壤水、氣運(yùn)動(dòng)、根系生長(zhǎng)以及土壤生物的活動(dòng)[4]。合理的耕作是創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)的土壤結(jié)構(gòu)的主要措施之一[5]。免耕在改善旱地土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤生物多樣性等方面已取得顯著效果[6]，然而免耕對(duì)水稻土結(jié)構(gòu)的影響尚不清楚。黃國(guó)勤等[7]研究表明稻田實(shí)施保護(hù)性耕作后土壤容重降低，水稻產(chǎn)量顯著提高。Gao 等[8]發(fā)現(xiàn)稻油輪作系統(tǒng)下免耕提高了0～10 cm 土層土壤大團(tuán)聚體含量，促進(jìn)了有機(jī)碳在土壤表層的積累。而杭玉浩等[9]則發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期免耕導(dǎo)致表層土壤容重增加、耕層變淺、土壤結(jié)構(gòu)變差。這些差異可能是由于土壤質(zhì)地[10]、不同免耕年限[11]、輪作系統(tǒng)[12]和管理方式[13]等的差異造成的。

應(yīng)用X 射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層（CT）掃描技術(shù)可以非破壞性地研究土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)[14-15]，獲取土壤三維孔隙形態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的可視化[16]。本研究基于洞庭湖區(qū)耕作試驗(yàn)，利用X 射線(xiàn)CT 掃描等技術(shù)，研究免耕對(duì)稻油輪作系統(tǒng)水稻土結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果為該區(qū)域選擇合理的耕作方式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)田位于湖南省益陽(yáng)市南縣三仙湖鎮(zhèn)太平橋村（112°24′E，29°09′N(xiāo)）。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫16.6 ℃，年均降水量1 238 mm。土壤類(lèi)型為湖積物發(fā)育的底潛簡(jiǎn)育水耕人為土，試驗(yàn)開(kāi)始前0～20 cm 土層土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)田長(zhǎng)期水稻（6 月上旬至10 月中旬）-油菜（10月下旬至5 月中旬）輪作，耕作方式最初為旋耕，自2013 年開(kāi)始實(shí)行水稻和油菜兩季免耕。本試驗(yàn)于2016 年開(kāi)始，在實(shí)施了3 年的免耕基礎(chǔ)上設(shè)置免耕和旋耕兩個(gè)處理，采用大區(qū)設(shè)計(jì)，面積為900 m2（30 m × 30 m）。其中免耕處理兩季均開(kāi)溝分廂，一廂一溝，廂面寬1.8 m，溝的尺寸為寬30 cm × 深15 cm。旋耕處理油菜季開(kāi)溝分廂，廂面寬1.5 m，溝的尺寸同免耕處理，水稻季不開(kāi)溝。

供試水稻品種為深兩優(yōu)5814，油菜品種為華湘油16。免耕處理水稻及油菜均人工撒播，旋耕處理的水稻和油菜分別采用拋秧和人工移栽。各處理水稻季施肥量均為尿素90 kg·hm–2，復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=17%∶5%∶26%）720 kg·hm–2，撒施；油菜季施肥量均為尿素195 kg·hm–2，復(fù)合肥300 kg·hm–2，穴施。水稻季免耕處理尿素于3～4 葉期一次性施用，復(fù)合肥于5～6 葉期施用5/6，1/6 用作穗肥；旋耕處理水稻拋秧前5/6 復(fù)合肥作基肥，7～10 葉期追施尿素，1/6 復(fù)合肥作穗肥。油菜季免耕處理1/5尿素拌種作促苗肥，4 葉1 心期追施4/5 尿素，6葉1 心期追施復(fù)合肥，以保證冬發(fā)壯苗；旋耕處理復(fù)合肥全部作基肥施入，9～10 葉期尿素全部作追肥施入。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table1 Basic physical and chemical properties of the studied soil

1.2 樣品采集與處理

于2018 年5 月水稻播種前采集土壤樣品，每個(gè)大區(qū)內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法，用PVC 環(huán)刀（高5 cm、內(nèi)徑4.8 cm）采集5 個(gè)層次（0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm，15～20 cm，20～25 cm）的原狀土柱，用保鮮膜包裹防止水分蒸發(fā)。同時(shí)采集5 個(gè)層次的混合土壤樣品，每個(gè)大區(qū)內(nèi)按S 形線(xiàn)路采集9 個(gè)點(diǎn)，混合后放入塑料盒中帶回實(shí)驗(yàn)室。原狀土柱飽和48 h 后置于壓力膜儀中，保持–33 kPa，平衡后取出進(jìn)行CT 掃描?；旌贤寥罉悠纷匀伙L(fēng)干，在風(fēng)干過(guò)程中將土樣掰成小于10 mm 的小塊。風(fēng)干土樣一部分用于土壤團(tuán)聚體分析，一部分過(guò)2 mm 或0.15 mm篩用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。

1.3 CT 掃描與圖像處理

利用X 射線(xiàn)顯微CT（Phenix Nanotom S，GE，USA）掃描原狀土柱，掃描電壓為110 kV，電流為110 μA，曝光時(shí)間為1.25 s，分辨率為25 μm。將樣品固定于樣品臺(tái)上，從0 到360°勻速旋轉(zhuǎn)，在此過(guò)程中采集1 200 幅投影圖像。利用Datosx2｜Rec軟件進(jìn)行圖像重建，重建后生成2 100 幅2 284×2 304 體元的8 位灰度圖像，存儲(chǔ)為tif 格式。利用ImageJ 軟件進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括增加對(duì)比度和中值濾波。為了避免采樣過(guò)程對(duì)樣品邊界的影響，選取樣品中間部分的1 200×1 200×1 200 體元作為感興趣區(qū)域進(jìn)行圖像分析。采用Default 閾值分割法[17]對(duì)圖像進(jìn)行分割得到二值圖像，孔隙度利用Volume Fraction 插件計(jì)算，孔隙大小分布利用Thickness 插件計(jì)算。

1.4 土壤容重、有機(jī)碳含量、團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性

CT 掃描后的樣品于105℃下烘干24 h 至恒重，測(cè)定土壤容重。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定[18]。團(tuán)聚體的穩(wěn)定性采用 Le Bissonnias 快速濕潤(rùn)法[19]。首先將3～5 mm 團(tuán)聚體置于40℃烘箱烘干24 h，然后稱(chēng)取5 g 烘干后的團(tuán)聚體，放入裝有50 mL 去離子水的100 mL 燒杯中浸泡10 min，之后用移液管移去燒杯中的水，將團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至浸沒(méi)在酒精中的篩子（孔徑為50 μm），將篩子向左右各轉(zhuǎn)動(dòng)3 圈，然后將篩子中的土用酒精小心洗入鋁盒并于40 ℃烘箱中烘干48 h。烘干后土樣置于套篩（孔徑依次為3、2、1、0.5、0.25和0.05 mm）上篩分，并將每一級(jí)篩子上土樣稱(chēng)重記錄，根據(jù)以下公式計(jì)算平均質(zhì)量直徑（Mean weight diameter，MWD）

式中，n 為篩子的個(gè)數(shù)，ri為第i 個(gè)篩子的孔徑（mm），mi為第i 個(gè)篩子上的團(tuán)聚體質(zhì)量百分比（%）。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用RStudio 1.1.456 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。團(tuán)聚體穩(wěn)定性和孔隙大小分布等指標(biāo)的同一土層不同處理間的方差分析采用t.test（數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布）和wilcox.test（數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布），土壤有機(jī)碳和土壤大孔隙度的同一處理不同個(gè)土層間的方差分析采用one-way ANOVA，數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)采用 Shapiro-Wilk test ， 方差齊性檢驗(yàn)采用leveneTest，并用TukeyHSD 進(jìn)行多重比較，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 耕作方式對(duì)水稻土容重及有機(jī)碳的影響

免耕和旋耕處理下土壤容重如圖1 所示。免耕處理的土壤容重隨著土壤深度的增加而增大，且0～25 cm 各土層間均存在顯著性差異（P＜0.05）。旋耕處理0～15 cm 各土層間土壤容重均無(wú)顯著差異，但在15～20 cm 土層時(shí)容重顯著增大，這是由于耕作形成的犁底層所致。與旋耕相比，免耕處理0～5 cm土層的土壤容重降低了5.1%，但兩處理間未達(dá)到顯著性差異；10～15 cm 土層免耕顯著高于旋耕處理（P＜0.05），其他土層兩處理間無(wú)顯著差異。Denardin等[20]通過(guò)對(duì)免耕14 年的稻田研究發(fā)現(xiàn)，免耕處理顯著降低了表層土壤容重，對(duì)5～20 cm 土層作用不顯著。馮躍華等[21]研究也表明，免耕兩年后稻田0～5 cm土層容重較翻耕處理降低了3.55%，與本研究結(jié)果一致，由于免耕處理未受到機(jī)械的擾動(dòng)，前茬秸稈殘留物易堆積在土壤表層，經(jīng)土壤動(dòng)物及微生物作用，從而降低了表層土壤的容重。10～15 cm 土層土壤容重免耕高于旋耕處理，其原因是旋耕擾動(dòng)了耕層土壤，導(dǎo)致容重低于免耕處理。

圖2 為不同耕作方式下不同土層的土壤有機(jī)碳含量。旋耕與免耕處理表層土壤有機(jī)碳含量均較高，分別為34.3 g·kg–1和34.4 g·kg–1。隨著深度的增加，土壤有機(jī)碳含量逐漸降低。除表層外，其他土層免耕處理的有機(jī)碳含量均顯著低于旋耕處理（P＜0.05）。結(jié)果表明稻油輪作區(qū)免耕處理未提高土壤有機(jī)碳含量。許多研究表明免耕能夠提高土壤有機(jī)碳的含量[7，22]，與本研究結(jié)果不一致。張錫洲等[11]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳的含量與免耕年限有關(guān)，隨著免耕年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加。為了更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)不同耕作方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響，今后仍需開(kāi)展土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)研究。

圖1 不同耕作方式對(duì)不同土層土壤容重的影響Fig. 1 Effects of tillage on soil bulk density relative to tillage method and soil layer

圖2 不同耕作方式對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳含量的影響Fig. 2 Effects of tillage on soil organic carbon content relative to tillage method and soil layer

2.2 耕作方式對(duì)水稻土團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

不同耕作方式對(duì)0～25 cm 土層土壤團(tuán)聚體大小分布的影響如表2 所示。隨著土層深度的增加，旋耕和免耕兩個(gè)處理＞2 mm 的大團(tuán)聚體含量降低，0.25～0.053 和＜0.053 mm 的微團(tuán)聚體含量增加。0～20 cm 土層均以＞2 mm 的大團(tuán)聚體居多，特別是在0～5 和5～10 cm，旋耕處理＞2 mm 團(tuán)聚體含量分別為72.0%、64.0%，免耕處理分別為87.0%、77.0%。與旋耕處理相比，免耕處理提高了0～20 cm 土層＞2 mm 粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的含量，尤其是在0～5 和5～10 cm 土層，免耕較旋耕處理分別提高了19.8%、19.4%，達(dá)到了顯著性水平（P ＜ 0.05）。不同處理土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑（MWD）隨著土層深度的增加逐漸降低（表2）。與旋耕相比，免耕處理顯著提高了0～5 cm 和5～10 cm 土層團(tuán)聚體的MWD，提高幅度分別為14.6%和14.1%（P ＜ 0.05），表明免耕處理能顯著提高0～10 cm 土層大團(tuán)聚體含量以及土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，這與唐曉紅等[23]和王志強(qiáng)等[12]研究結(jié)果一致。稻田免耕減少了土壤的耕作次數(shù)，也就減少了對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，有利于形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)，促使微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚[22]。此外，由于未受到人為擾動(dòng)，免耕可以促進(jìn)土壤表層的生物活性[24]，土壤動(dòng)物的豐富度和數(shù)量增加，有助于在大團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)合形成微團(tuán)聚體，增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而耕作擾動(dòng)破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性[9]。

表2 不同耕作措施對(duì)不同土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性的影響Table2 Effects of tillage on water stable aggregate size distribution relative to tillage mode and soil layer

2.3 耕作方式對(duì)水稻土大孔隙的影響

圖 3 為不同處理各個(gè)土層的二維灰度圖像（ 30 mm×30 mm ） 和 三 維 孔 隙 結(jié) 構(gòu) 圖 像（30 mm×30 mm×30 mm）。本研究的圖像獲取的孔隙均為大于圖像分辨率（25 μm）的孔隙。從灰度圖中可以看到，兩個(gè)處理0～10 cm 土層孔隙較大，數(shù)量多；10 cm 以下土層的孔隙相對(duì)較少，隨深度的增加，孔隙數(shù)量減少。三維圖像顯示，旋耕和免耕處理在0～5 和5～10 cm 土層孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。與0～10 cm 土層相比，兩個(gè)處理在10～15 cm 土層土壤孔隙明顯減少；在15～25 cm 土層的孔隙以根孔為主。

定量分析結(jié)果表明，旋耕和免耕處理土壤大孔隙度（＞25 μm）均隨著土層深度的增加而降低（圖4）。在0～5 和5～10 cm 土層免耕處理的土壤大孔隙度均顯著高于旋耕處理（P＜0.05），分別提高了78%和115%；10～25 cm 間各個(gè)土層兩處理土壤大孔隙度均沒(méi)有顯著差異。有研究發(fā)現(xiàn)免耕處理下土壤表層蚯蚓較翻耕多[25]，蚯蚓在某一土層數(shù)量的多少取決于土層中可食性有機(jī)碎屑的多少以及根系的數(shù)量和類(lèi)型[26]。免耕由于不受機(jī)械擾動(dòng)，枯枝落葉大量等有機(jī)物料聚集在土壤表層增加了表層土壤的動(dòng)物種群數(shù)量，土壤動(dòng)物通過(guò)生物擾動(dòng)增加了土壤大孔隙度。

圖3 不同耕作措施對(duì)不同土層水稻土二維（30 mm×30 mm）和三維結(jié)構(gòu)（30 mm×30 mm×30 mm）的影響Fig. 3 Effects of tillage on 2D（30 mm×30 mm）and 3D（30 mm×30 mm×30 mm）structure of paddy soil relative to tillage method and soil layer

圖4 不同耕作方式對(duì)不同土層土壤大孔隙度的影響Fig. 4 Effects of tillage on soil macroporosity relative to tillage method and soil layer

從土壤大孔隙分布圖（圖5）可以看出，0～25 cm間各土層均以25～300 μm 孔徑的大孔隙居多，且隨著孔徑的增大，大孔隙度逐漸降低。與旋耕相比，免耕處理增加了0～5 和5～10 cm 土層各個(gè)孔徑范圍內(nèi)的大孔隙度，0～5 cm 土層300～500 μm 孔徑的大孔隙增加了70.5%，5～10 cm 土層25～300和300～500 μm 孔徑的大孔隙分別增加了82.8%和167.2%，均達(dá)到了顯著性差異水平。不同土層＞2 000 μm 的土壤大孔隙在不同處理間差異很大，免耕處理＞2 000 μm 大孔隙主要存在于0～5 和5～10 cm 土層，大孔隙度分別為1.10×10–2m3·m–3、1.20×10–3m3·m–3，而旋耕處理＞2 000 μm 孔徑的大孔隙在0～5、5～10、10～15 和15～20 cm 土層均有分布，孔隙度分別為3.60×10–3m3·m–3、1.00×10–3m3·m–3、4.00×10–4m3·m–3、1.30×10–3m3·m–3。旋耕與免耕處理10 cm 土層以下各個(gè)孔徑的大孔隙度沒(méi)有顯著性差異（15～20 cm 土層500～1 000 μm 孔徑除外）?？傮w而言，免耕提高了0～10 cm 土層各個(gè)孔徑的大孔隙，從而使0～10 cm 土層具有更好的孔隙系統(tǒng)。免耕可以保持土壤結(jié)構(gòu)，使土壤動(dòng)物（蚯蚓）和前茬作物根系形成的大孔隙不受破壞，構(gòu)成了上下連通的體系[27]。Gao 等[28]通過(guò)對(duì)旱地沙壤土的研究表明，免耕影響了土壤孔隙大小分布，增加了大孔隙的數(shù)量，具有更多連接的孔隙；郭亞飛[29]對(duì)黑土的研究也表明，免耕具有更好的土壤孔隙結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果還顯示，免耕顯著提高了0～10 cm 土層300～500 μm 孔徑的大孔隙度，這與許多旱地研究結(jié)果一致。Kay 和VandenBygaart[30]指出，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕增加了100～500 μm 的大孔隙，隨著免耕年限的增加，＞500 μm 的生物性孔隙也增加。陳學(xué)文等[31]研究也表明在大豆-玉米輪作下免耕秸稈還田增加了0～5 cm 土層＞100 μm 的大孔隙，其原因?yàn)槊飧寥辣韺咏斩捄透缭黾恿擞袡C(jī)質(zhì)含量，形成了通氣孔隙良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。但本研究免耕處理下并沒(méi)有提高土壤有機(jī)碳含量，因而土壤大孔隙系統(tǒng)的改善主要?dú)w因于免耕后土壤動(dòng)物的活動(dòng)和未受到耕作的擾動(dòng)。

圖5 不同耕作方式對(duì)不同土層土壤孔隙大小分布的影響Fig. 5 Effects of tillage on pore size distribution relative to tillage method and soil layer

3 結(jié) 論

通過(guò)洞庭湖區(qū)4a 稻油輪作系統(tǒng)的耕作試驗(yàn)對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的研究表明，免耕雖然未顯著改變0～5 cm 土層土壤有機(jī)碳含量和土壤容重，但顯著提高了0～10 cm 土層土壤大孔隙度和團(tuán)聚體的水穩(wěn)性；此外，免耕改變了土壤孔隙大小分布，顯著提高了0～10 cm 土層各個(gè)孔徑的大孔隙，顯著提高了0～10 cm 土層300～500 μm 以及5～10 cm 土層25～300 μm 孔徑的大孔隙度。總體而言，免耕使0～10 cm 土層具有更好土壤孔隙系統(tǒng)，改善了水稻土表層土壤結(jié)構(gòu)，這對(duì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中制定合理的耕作方式提供了一定的理論依據(jù)。