有机物料深混还田对棕壤孔隙结构及玉米产量的影响.pdf

DOI：10.11689/sc.2022071101陈旭，韩晓增，王晓辉，等.有机物料深混还田对棕壤孔隙结构及玉米产量的影响J.土壤与作物，2023，12（3）：264 273.CHEN X，HAN X Z，WANG X H，et al.Inversion tillage with organic materials incorporation affects soil pore structure and maize yield in aHapli-Udic CambisolJ.Soils and Crops，2023，12（3）：264 273.有机物料深混还田对棕壤孔隙结构及玉米产量的影响陈旭1，韩晓增1，王晓辉2，郭振希3，陆欣春1，严君1，邹文秀1（1.中国科学院东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150081；2.瓦房店市农业技术推广中心,辽宁 大连 116300；3.铁岭县现代农业发展服务中心,辽宁 铁岭 112600）摘要：土壤孔隙结构在土壤水分和物质运移过程中起着重要作用，开展不同耕作方式和有机物料还田下土壤孔隙结构研究，可为耕地质量评价提供理论依据。本研究于 2018 年开始，以辽宁南部棕壤为研究对象，以常规耕作（T15）为对照，分析了秸秆浅混还田（0 15 cm）（T15+S）、秸秆深混还田（0 35 cm）（T35+S）和秸秆有机肥配施深混还田（0 35 cm）（T35+SM）对土壤孔隙结构的影响。采集 0 15 cm 和 15 35 cm 土层原状土柱，采用 CT 扫描和图像分析技术，量化土壤孔隙参数，包括孔隙分布特征、31 m 孔隙总数、31 m 孔隙度、成圆率、欧拉数、各向异性和分形维数。结果表明，T35+S 和 T35+SM 处理较 T15 处理田间持水量显著增加（P31 m 孔隙总数分别显著降低了 15.2%、54.4%和 60.5%（P31 m 孔隙度分别显著降低了 26.9%、39.7%和 55.1%（P31 m 孔隙总数、孔隙度和不同孔径孔隙数量均较 T15 处理增加。有机物料深混还田改善了上下土层孔隙连通度，促使孔隙形状趋于规则，表现为与 T15+S 和 T15 处理相比，0 15 cm 和 15 35 cm 土层下 T35+S 和 T35+SM 处理各向异性和欧拉数均显著降低（P0.05）。与 T15 处理相比，不同处理玉米产量均显著增加，其中 T35+SM 处理最高，增产了 10.4%（P31 m 孔隙总数、孔隙度和 500 1 000 m 孔隙数量与产量相关性最大，分别达到了 28.0%、32.2%和 27.1%；15 35 cm 土层 500 1 000 m 孔隙数量与产量的相关性最大，达到了 29.0%。因此，有机物料深混还田可改善土壤孔隙结构，增加土壤保水供水能力，提高了该地区农业生产能力，是较为理想的棕壤地力培育途径。关键词：耕作方式；有机物料还田；棕壤；土壤孔隙；玉米产量中图分类号：S152文献标识码：AInversion tillage with organic materials incorporation affects soil pore structure andmaize yield in a Hapli-Udic CambisolCHEN Xu1，HAN Xiaozeng1，WANG Xiaohui2，GUO Zhenxi3，LU Xinchun1，YAN Jun1，ZOU Wenxiu1（1.Key Laboratory of Mollisols Agroecology,Northeast Institute of Geography and Agroecology,Harbin 150081,China；2.Agricultural Technology Extension Center of Wafangdian City,Wafangdian 116300,China；3.Modern AgriculturalDevelopment Service Center of Tieling County,Tieling 112600,China）Abstract：Soil pore structure plays an important role in the process of soil water and mass transport,and research on soil pore struc-ture under different tillage and organic material return may provide a theoretical basis for optimizing tillage methods.We conducteda field experiment starting in 2018 in a region of northeastern China with Hapli-Udic Cambisol using four treatments:conventionaltillage(0 15 cm)without or with maize straw return(T15 and T15+S),inversion tillage(0 35 cm)with straw return(T35+S),inversion tillage(0 35 cm)with cattle manure plus maize straw(T35+SM).Synchrotron radiation CT scanning and digital imageanalysis technology were used to analyze undisturbed soil columns in 0 15 cm and 15 35 cm soil layers after maize harvest to 收稿日期：2022 07 11；修回日期：2023 02 27.基金项目：中国科学院战略性先导科技专项 A 类（XDA28070100）；“财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系”（CARS-04）.第一作者简介：陈旭（1986），男，助理研究员，主要从事土壤肥力研究.E-mail：.通信作者：邹文秀（1982），女，研究员，主要从事土壤微生态研究.E-mail：.土壤与作物 2023 年 9 月 第 12 卷 第 3 期Soils and Crops,Sep.2023,12（3）：264 273quantify soil pore parameters,including pore distribution characteristics,total 31 m pore number,31 m porosity,circularity,Euler number,anisotropy and fractal dimension.The field water capacity was significantly higher in T35+S and T35+SM than that inT15.Compared with T15,the total number of 31 m pores in 0 15 cm soil layer decreased by 15.2%,54.4%and 60.5%,respectively(P31 m porosity decreased by 26.9%,39.7%and 55.1%,respectively(P31 m pore number,31 mporosity and 500 1 000 m pore number in the 0 15 cm soil layer were the most correlated with yield with 28.0%,32.2%and27.1%,respectively,while 500 m pore number in the 15 35 cm soil layer was the most correlated with yield with 29.0%(P 31 m 的孔隙。孔隙结构可视化采用 AVIZO 9.0 软件获得，孔隙体积、周长、面积和数量使用 Imagej 软件中 3D object counter 插件计算；分形维数和各向异性，使用 Bonej 插件计算；欧拉数使用 particle analyzer 计算。成圆率、孔隙度和当量孔径依据参考文献 19 20 计算：C=4A/L2（1）P=V1/V2100（2）ED=4A/（3）式中：C 为成圆率，其值介于 1 和 0 之间；A 为孔隙面积（mm2）；L 为孔隙周长（mm）。P 为孔隙度（%）；V1 孔隙体积（mm2）；V2 土体体积（mm2）。ED 为当量直径（mm）。1.5数据分析采用 JMP14.0 进行双因素方差分析（two-way ANOVA），分析不同翻耕和有机物料还田深度对土壤容重、饱和导水率和田间持水量及土壤孔隙结构参数的影响，并用 Tukey HSD 法进行多重比较。参考文献21中的方法，采用 R 软件中“psych”和“reshape2”包进行孔隙结构参数与土壤物理性质、玉米产量间的 spearman 相关性分析。使用所有孔隙结构参数，分别与每个土壤物理性质和玉米产量进行多元线性回归，以解释土壤物理性质和玉米产量的差异；通过方差分解分析的方法，评估主要的孔隙结构参数对土壤物理性质和玉米产量总方差的贡献（相对重要性），采用 R 软件中的“relaimpo”和“MASS”包实现。2结果与分析 2.1有机物料还田和耕作深度对土壤物理性质的影响有机物料还田和耕作对土壤物理性质具有显著影响（表 3）。在 0 15 cm 土层，T15+S、T35+S 和T35+SM 处理容重较 T15 处理显著降低了 10.5%、7.69%和 13.3%（P0.05）；与 T15 处理相比，T35+S 表 3有机物料还田对不同土层土壤物理性质的影响Table 3Effects of organic amendments on soil physical properties at different layers深度Soil depth/cm处理Treatment容重Bulk density/(gcm3)田间持水量Field water capacity/%饱和导水率 Saturatedhydraulic conductivity/(cmmin1)0 15T151.430.03 Ba24.90.97 Ac0.210.01 AcT15+S1.280.01 Bbc26.31.69 Abc0.500.03 AaT35+S1.320.01 Bb29.21.24 Aab0.410.01 AbT35+SM1.240.02 Bc32.11.77 Aa0.430.05 Aab15 35T151.500.01 Aa17.81.42 Bc0.040.00 BcT15+S1.540.03 Aa18.30.49 Bc0.040.01 BcT35+S1.380.02 Ab21.40.67 Bb0.060.00 BbT35+SM1.290.02 Ac27.70.68 Ba0.090.01 BaS*T*STnsnsns注：同一指标后不同字母表示不同处理间差异达显著水平（P0.05）；大写字母代表不同土层同一处理之间的比较，小写字母代表同一土层不同处理之间的比较；表中S表示有机物料还田，T表示耕作深度，ST表示有机物料还田和耕作深度的交互作用；ns代表不显著；*代表P0.05；*代表P0.01；*代表P0.001。下同。Note:Different letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.Uppercase letters represent comparisons among treatmentsat different soil layers,while lowercase letters represent comparisons between different treatments at the same soil layer.The abbreviations S,Tand ST indicate the individual and interactive effects of organic material amendments and tillage depth.ns indicates no significance;*indicatesP0.05,*indicates P0.01,*indicates P0.001.The same is as below.第 3 期陈旭等：有机物料深混还田对棕壤孔隙结构及玉米产量的影响267 和 T35+SM 处理田间持水量显著增加了 17.6%和 29.1%（P0.05），而 T15+S 处理则无显著变化；T15+S、T35+S 和 T35+SM 处理饱和导水率均显著高于 T15 处理，其中 T15+S 处理最高，T35+S 和 T35+SM 处理间无显著差异。在 15 35 cm 土层，与 T15 处理相比，T35+S 和 T35+SM 处理土壤容重分别显著降低了8.1%和 14.3%，田间持水量分别显著增加了 19.9%和 55.2%，饱和导水率显著增加了 50.0%和 125%（P31 m 孔隙总数和孔隙度的影响不同处理土壤31 m 孔隙总数和孔隙度如图 1 所示，在 0 15 cm 土层，T15+S、T35+S 和 T35+SM处理31 m 孔隙数量较 T15 处理分别显著降低了 15.2%、54.4%和 60.5%，31 m 孔隙度分别显著降低了 26.9%、39.7%和 55.1%（P0.05）。在 15 35 cm 土层，与 T15 处理相比，T35+S 和 T35+SM 处理孔隙数量显著增加了 96.3%和 150%，T35+SM 处理孔隙度显著增加了 27.4%（P31 m 孔隙数 31 m number of pores4.04.53.5AaT15T15+ST35+ST35+SMS*TSTAbAbAaAcBbBbBab3.02.52.01.51.00.500 1515 3031 m 孔隙度31 m porosity/%土层深度 Soil depth/cm图 1有机物料施用对 0 35 cm 土层不同土壤31 m 孔隙总数和孔隙度的影响Fig.1Effects of organic amendments on 31 m soil pore number and porosity in the 0 35 cm soil layer 2.3有机物料还田和耕作深度对土壤孔隙数量分布的影响除 T35+SM 处理外，不同处理 0 15 cm 和 15 35 cm 土层间1 000 m、500 1 000 m 和1 000 m 孔隙数量降低了 26.0%、39.6%和48.7%，500 1 000 m 孔隙数量降低了 22.4%、52.5%和 58.1%，500 m 孔隙数量降低了 10.6%、57.0%和 63.1%（P1 000 m、500 1 000 m 和500 m 孔隙数量较 T15 处理增加了 44%214%（P0.05）。2.4有机物料还田和耕作深度对土壤孔隙结构特征参数的影响在 0 15 cm 土层，T35+S 和 T35+SM 处理各向异性和欧拉数显著低于 T15+S 和 T15 处理；不同处理间分形维数和成圆率差异不显著（表 4）。在 15 35 cm 土层，与 T15 和 T15+S 处理相比，T35+S 处理各向异性分别显著降低了 66.7%和 63.6%，T35+SM 处理分别显著降低了 75.0%和 72.7%（P0.05）；欧拉数也分别显著降低了 60.9%和 49.8%，72.5%和 64.6%（P0.05）；不同处理间分形维数和成圆率与0 15 cm 土层表现相同，无显著差异。2.5有机物料还田和耕作深度对玉米产量的影响及相关因子分析有机物料还田显著增加了玉米产量（图 3），其中 T35+SM 处理最高，而 T15+S 和 T35+S 处理间无显著差异。与 T15 处理相比，T35+SM 处理玉米产量显著增加了 10.4%，T15+S 和 T35+S 处理分别显著增加了 4.5%和 7.0%（P 31 m 孔隙总数（TN）、孔隙度（TP）、不同孔径孔隙数量（LN、MN 和 SN）、欧拉数（EN）和各向异性（AN）均呈极显著（P1 000 m 孔隙数量Number of pores土层深度 Soil depth/cm25 00020 00015 00010 0005 0000AaS*nsTT15T15+ST35+ST35+SMSTAb0 15土层深度 Soil depth/cm15 35AcAcBcBdBbAa500 m 孔隙数量Number of pores10 0008 0006 5004 0002 0000AaS*nsTSTAb0 15土层深度 Soil depth/cm15 35AcAcBcBcBbAa500 1 000 m 孔隙数量Number of pores图 2有机物料施用对 0 35 cm 土层不同孔径土壤孔隙数的影响Fig.2Effects of organic amendments on different size of soil pore number in the 0 35 cm layer第 3 期陈旭等：有机物料深混还田对棕壤孔隙结构及玉米产量的影响269（P31 m 孔隙总数、孔隙度和 500 1 000 m 孔隙数量（MN）与产量相关性最大，分别达到了 27.95、32.2%和 27.1%；田间持水量（FC）和孔隙结构参数的相关关系与产量表现相同，而土壤容重（BD）和饱和导水率（HC）与孔隙结构参数均不相关。在 15 35 cm 土层，除分形维数（FD）、成圆率（C）和各向异性外，其它孔隙结构参数均与产量和土壤物理性质呈极显著相关关系（P 31 m 孔隙总数和孔隙度均显著降低（P31 m 孔隙总数和孔隙度较 T15+S 和 T15 处理相比显著增加。有机物料深混还田在降低犁底层土壤容重的同时，也增加了31 m 孔隙总数，促进降水入渗和作物根系向下生长，防止当降水过多时表层土壤水分饱和，发生澥、涝现象。此外，与 T15 处理相比，尽管 T15+S 处理土壤物理属性和孔隙结构也得到相应改善，但秸秆还田只局限于表层土壤，在浅耕层分解缓慢，导致大量未分解秸秆在耕作层积累，造成表层与下层土壤肥力差异较大，不利于养分在下层土壤中固存26。同时，将全部或部分秸秆只还于表层土壤，一方面会增加还田难度，另一方面也不利于耕层的加厚27。有机物料还田可以改变土壤孔隙结构，促使土壤孔隙重新分布，同时有机物料分解产生的有机残体通过侵染和凝聚作用增加土壤孔隙和微团聚体数量，改善土壤结构28。本研究中，0 15 cm 土层 T15+S、T35+S 和 T35+SM 处理1 000 m、500 1 000 m 和31 m 孔隙度；TN：31 m 孔隙总数；SN：1 000 m 孔隙数；FD：分形维数；EN：欧拉数；C：成圆率；AN：各向异性；Y：产量；BD：容重；FC：田间持水量；HC：饱和导水率。Note:TP:total porosity;TN:total number of pores;SN:1 000 m pore number;FD:fractal dimension;EN:euler number;C:circularity;AN:anisotropy;Y:yield;BD:bulk density;FC:field water capacity;HC:saturated hydraulicconductivity.图 4基于相关性和多元回归模型的土壤孔隙结构参数与土壤物理性质和玉米产量的相关关系Fig.4Correlation of soil pore structure parameters wtih the dissimilarities of soil physical properties and maize yield based oncorrelation and multiple regression model第 3 期陈旭等：有机物料深混还田对棕壤孔隙结构及玉米产量的影响271 中的水、气、热更能适应作物根系生长发育的需求36，显著增加了作物产量（图 3）。腐熟的粪肥更能有效的增加棕壤作物可利用的养分，供给作物生长发育，同时添加粪肥也能够改善土壤的孔隙分布和结构，增加田间持水量，减少水分蒸发，增加降水入渗，进而增加了土壤的保水和供水能力，所以 T35+SM 处理玉米产量显著高于其它处理。此外，在 0 35 cm 土层，土壤31 m 孔隙度和孔隙总数与产量具有显著相关性，其中 500 1 000 m 孔隙数量在不同孔径孔隙中与产量的相关性最大，而31 m 孔隙度和孔隙总数与玉米产量具有显著相关性，其中 500 1 000 m 孔隙数量相关性最高，而1 000 m 孔隙数量与产量无明显相关。参考文献 (References)：SANDER T，GERKE H H，ROGASIK H.Assessment of Chinese paddy-soil structure using X-ray computed tomographyJ.Geoderma，2008，145（3/4）：303314.1 PERRET J，PRASHER S O，KANTZAS A，et al.A two-domain approach using CAT scanning to model solute transport in soilJ.Journal ofEnvironmental Quality，2000，29（3）：9951010.2 JU X T，KOU C L，CHRISTIE P，et al.Changes in the soil environment from excessive application of fertilizers and manures to two contrastingintensive cropping systems on the North China PlainJ.Environmental Pollution，2007，145（2）：497506.3 WANG Y L，ZHANG H L，TANG J W，et al.Accelerated phosphorus accumulation and acidification of soils under plastic greenhouse condi-tion in four representative organic vegetable cultivation sitesJ.Scientia Horticulturae，2015，195：6773.4 LEI B K，FAN M S，CHEN Q，et al.Conversion of wheat-maize to vegetable cropping systems changes soil organic matter characteristicsJ.Soil Science Society of America Journal，2010，74（4）：13201326.5 TIAN J，FAN M S，GUO J H，et al.Effects of land use intensity on dissolved organic carbon properties and microbial communitystructureJ.European Journal of Soil Biology，2012，52：6772.6 PIRES L F，BORGES J A R，ROSA J A，et al.Soil structure changes induced by tillage systemsJ.Soil and Tillage Research，2017，165：6679.7 GITHINJI L.Effect of biochar application rate on soil physical and hydraulic properties of a sandy loamJ.Archives of Agronomy and SoilScience，2014，60（4）：457470.8 GB T，CIGALSKA B，ABUZ B.Effect of crop rotations with triticale(Triticosecale Wittm.)on soil pore characteristicsJ.Geoderma，2013，202/203：17.9 DIM P E，FLETCHER R S，RIGBY S P.Improving the accuracy of catalyst pore size distributions from mercury porosimetry usingmercury thermoporometryJ.Chemical Engineering Science，2016，140：291298.10 RACHMAN A，ANDERSON S H，GANTZER C J.Computedtomographic measurement of soil macroporosity parameters as affected bystiffstemmed grass hedgesJ.Soil Science Society of America Journal，2005，69（5）：16091616.11 李华，逄焕成，任天志，等.深旋松耕作法对东北棕壤物理性状及春玉米生长的影响J.中国农业科学，2013，46（3）：647656.LI H，PANG H C，REN T Z，et al.Effects of deep rotary-subsoiling tillage method on brown physical properties and maize growth in north-east of ChinaJ.Scientia Agricultura Sinica，2013，46（3）：647656.12 GETAHUN G T，KTTERER T，MUNKHOLM L J，et al.Short-term effects of loosening and incorporation of straw slurry into the uppersubsoil on soil physical properties and crop yieldJ.Soil and Tillage Research，2018，184：6267.13 解宏图，刘华，张旭东，等.辽宁省推广保护性耕作的思考J.农业机械，2019（6）：6668.XIE H T，LIU H，ZHANG X D，et al.Thoughts on popularizing conservation tillage in Liaoning ProvinceJ.Farm Machinery，2019（6）：6668.14 陈欣，张旭东，宇万太，等.坚持土肥高效管理 促进区域农田生态系统可持续发展J.中国科学院院刊，2018，33（9）：992999.CHEN X，ZHANG X D，YU W T，et al.Efficient management on soil and fertilizer to promote sustainable development of localagro-ecosystems in Liaohe plain,ChinaJ.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2018，33（9）：992999.15 邹文秀，韩晓增，严君，等.耕翻和秸秆还田深度对东北黑土物理性质的影响J.农业工程学报，2020，36（15）：918.ZOU W X，HAN X Z，YAN J，et al.Effects of incorporation depth of tillage and straw returning on soil physical properties of black soil in16272土 壤 与 作 物第 12 卷Northeast ChinaJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2020，36（15）：918.韩晓增，邹文秀，严君，等.农田生态学和长期试验示范引领黑土地保护和农业可持续发展J.中国科学院院刊，2019，34（3）：362370.HAN X Z，ZOU W X，YAN J，et al.Ecology in agriculture and long-term research guide protection of black soil and agricultural sustainabledevelopment in northeast ChinaJ.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2019，34（3）：362370.17 依艳丽.土壤物理研究法 M.北京:北京大学出版社,2009.YI Y L.Soil physics research method M.Beijing:Peking University Press,2009.18 陈晓侠.东北黑土团聚体的结构特征研究 D.哈尔滨:中国科学院研究生院(东北地理与农业生态研究所),2013.CHEN X X.Study on structural characteristics of black soil aggregates in Northeast China D.Harbin:Northeast Institute of Geography andAgroecology,Chinese Academy of Sciences,2013.19 杨永辉，武继承，毛永萍，等.利用计算机断层扫描技术研究土壤改良措施下土壤孔隙J.农业工程学报，2013，29（23）：99108.YANG Y H，WU J C，MAO Y P，et al.Using computed tomography scanning to study soil pores under different soil structure improvementmeasuresJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（23）：99108.20 JIAO S，YANG Y F，XU Y Q，et al.Balance between community assembly processes mediates species coexistence in agricultural soilmicrobiomes across Eastern ChinaJ.The ISME Journal，2020，14（1）：202216.21 HAYNES R J，NAIDU R.Influence of lime,fertilizer and manure applications on soil organic matter content and soil physical conditions:areviewJ.Nutrient Cycling in Agroecosystems，1998，51（2）：123137.22 王秋菊，高中超，常本超，等.有机物料深耕还田改善石灰性黑钙土物理性状J.农业工程学报，2015，31（10）：161166.WANG Q J，GAO Z C，CHANG B C，et al.Deep tillage with organic materials returning to field improving soil physical characters ofcalcic chernozemJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2015，31（10）：161166.23 赵丽丽，李陆生，蔡焕杰，等.有机物料还田对土壤导水导气性的综合影响J.中国农业科学，2019，52（6）：10451057.ZHAO L L，LI L S，CAI H J，et al.Comprehensive effects of organic materials incorporation on soil hydraulic conductivity and air perme-abilityJ.Scientia Agricultura Sinica，2019，52（6）：10451057.24 PARIHAR C M，YADAV M R，JAT S L，et al.Long term effect of conservation agriculture in maize rotations on total organic carbon,physical and biological properties of a sandy loam soil in north-western Indo-Gangetic PlainsJ.Soil and Tillage Research，2016，161：116128.25 KOGA N，HAYASHI K，SHIMODA S.Differences in CO2 and N2O emission rates following crop residue incorporation with or withoutfield burning:a case study of adzuki bean residue and wheat strawJ.Soil Science and Plant Nutrition，2016，62（1）：5256.26 LIU N,LI Y Y,PING C,et al.Depth of straw incorporation significantly alters crop yield,soil organic carbon and total nitrogen in the NorthChina PlainJ.Soil and Tillage Research,2021,205.27 高子勤，安桂茹.东北几种耕作土壤的微形态特征J.土壤学报，1982，19（1）：8591+99.GAO Z Q，AN G R.Micromorphological characteristics of some cultivated soils in north-eastern ChinaJ.Acta Pedologica Sinica，1982，19（1）：8591+99.28 PAPADOPOULOS A，BIRD N R A，WHITMORE A P，et al.Investigatin