辽西褐土不同耕作方式对土壤团聚体粒径分布及团聚体中有机碳氧化稳定性的影响土壤学专业.doc

辽西褐土不同耕作方式对土壤团聚体粒径分布及团聚体中有机碳氧化稳定性的影响 43 第一章 前言 1.1研究背景 近些年，快速增长的人口以及随之而产生的对生产的大量需求使得粮食价格在全球范围内普遍升高，要求政府必须高度关注日益紧张的粮食供需以及由此产生的安全问题。而我国当前正处于经济发展的关键时期，较高的人口基数使得我国面临着更为严峻的粮食需求问题，这一系列问题促使我国环境科学界、农学界以及土壤学界等学者对粮食生产以及土壤退化和环境保护等问题引起关注，我们能否在有限的土地上生产出满足国民需求的粮食已经引起全球的重视。在我国，玉米栽培历史已经470年，目前的播种面积为3亿亩，仅次于稻、麦，在粮食作物中居第三位，玉米总消费的在口粮比重大约在5%左右。而我国玉米生产主要集中于辽宁等省份，玉米的年种植面积达2000000 hm2以上, 而有2/3面积的玉米生产于辽西地区，但问题在于我国6000 kg hm–2的玉米平均单产量较发达国家单产水平还有很大差距（白伟等，2014）。除了年降雨量少且集中等自然条件外，耕作方式和管理模式也在制约着玉米的高产，农户按照各自习惯的管理方式单纯地从提高产量的目的出发，不恰当地使用农药化肥，导致肥料利用不充分，既无法提高产量，由导致了土壤环境的污染。调研过程中也发现，大多数农户为了减小成本，耕地土壤以旋耕为主，且旋耕深度受旋耕机影响，深度仅仅在12cm左右，秸秆就地几种焚烧的方式也是屡见不鲜，这都导致土壤结构性差，耕层变浅，犁底层变厚变硬，长期的旋耕未能达到打破犁底层的目的，抑制了根系的下扎，土壤的蓄水保墒能力成为问题，也难以形成土壤团聚体。 土壤结构中团聚体作为基本单元而存在，直接影响着土壤抗侵蚀能力、养分的保持及供应和转化、水热的传输、根系的发育及穿透等土壤的功能（Bronick C J等，2005）。 有机质贮藏在团聚体中，分解的缓慢，有利于腐殖质的形成，利于养分的积累。并且团聚体含量多的土壤土质疏松易于耕作，种子易于发芽出土，根系易于伸展，所以一般认为，团聚体多是土壤肥沃的重要标志。辽西地区传统耕作方式不利于团聚体的形成：由于秸秆焚烧，减少了有机物对土壤有机质的填充，导致土壤有机质贫乏；降雨量集中，土壤团聚体的“水爆”和“气爆”现象在湿化和干化过程中得以加剧；传统旋耕方式扰动土壤，降低土壤团聚体的稳定性，这些都使团聚体严重破坏。 综上所述，辽西地区的耕作方式对作物高产存在着一定的制约作用，对耕作方式进行优化，使其更加友好、稳定、高产且合理，进而对辽西地区农业和生态环境进行改善使其得以可持续发展，不仅起到改良土壤结构，增加产量，还能保护环境，减小成本。 1.2研究现状 1.2.1耕作方式对土壤理化性质及作物产量的研究进展 1.2.1.1耕作方式对物理性质的影响 土壤直接为作物提供水分供给。作物的播种、出苗及成长直接受到其所在土壤耕作层水分含量的影响，在确保水分供给适宜的前提下，进行科学的调热、调气和调肥，才能使得作物的生长和发育良好。若土壤水分供给不足就会导致作物出现干旱（刘永忠等，2005）。作为生长和发育所需水分主要来自于土壤，作物的耕作栽培及其长势都直接受到作物生长土壤的水分含量，良好的供水性、蓄水性和渗透性是高产土壤应具备的基本条件，同时，还要求土壤的非生产性消耗尽可能低，以确保作物生长的良好水分环境。采用稻杆覆盖的方法可以有效减少水分蒸发，使地表径流的水分更多的蕴藏在土壤中，是调控土壤水分极为有效的方式。雷金银等学者（2008）在研究中找到了几种增加土壤中水分的方式，称为保护性耕作，效果最佳的是稻杆覆盖，其次是免耕，最差的是翻耕。采用免耕的耕作方式，土壤越深，水分含量越高，这种方式的保墒作用在干旱的气候下显得特别重要。夏天利用田闲时进行深度的松耕，可以使土壤蓄积大量的水分，这些水分可以满足小麦全年一半以上的需水量，深松耕比传统翻耕可以多蓄76.2毫米的水分，使得土壤蓄水率超过了55%(廖允成等，2002）。植物生长必须重视土壤温度这一因素，土壤温度对水分和空气的含量以及变量都有重大影响，植物的根系生长以及光合作用等生长规律与土壤温度有着非常严密的关系，作物只有在合适的温度下才能正常生长。影响土壤温度的因素很多，一般来说包括大气温度，地表的空气热平衡，太阳辐射以及土壤中水分的含量等，人们一般通过不同的耕作方式来改变土壤的结构，调整土壤的物理性状，最终影响土壤温度的改变。（范爱武等，2002）。 深松耕的方式可以提升土壤的透气性，土壤通气孔越大，导热性就越强，土壤的温度就会越高。春季进行深松耕后对土壤温度进行测试，发现松耕层内的温度每天平均提高1.3摄氏度。春季土壤温度的提高有利于土壤中各种生物活动的加快，进而影响土壤中养分充分发挥其效用，深松耕与平翻耕相比，小麦和玉米的生长周期缩短5到7天，而大豆的生长期缩短4到5天（刘绪军等，2009）。刘跃光和王希昶汇总分析了玉米和大豆不同耕作方式对土壤产生的不同影响，数据来源于美国孟山都科研中心在1998年到2002年间，对13各不同的农田项目进行测定的结果，主要分析方向为玉米的常规、免耕以及带状耕三种不同方式以及大豆的常规、免耕和宽窄行耕种四种不同的方式。最终得出：采用保护性的耕作方式有利于土壤质量的改善，土壤需水量会增加，土壤中的生物会更加活跃（刘跃光等，2005）。辽宁省彰武县位于半干旱地区，张雯等通过对该地区的农业耕作方式进行研究，从水分、地温、孔隙性状、土壤养分以及容重等几个因素分析了耕作方式与植物生长因素间的相互作用，分析得出，采用保护性耕作方式可以有效蓄水保墒；通过稻杆留茬覆盖可以有效降低地温；采用保护性耕作方式还有利于土壤中空隙性状的改善，使土壤可以保存更多的水分；可以有效促进土壤中有机质和有效养分的增加，但同时也发现，不同的耕作方式并不能表现出特别明显的差异，只是土壤的容重对农作物的播种和出苗会产生比较明显的影响（张雯等，2006）。闫海丽等（2006）。通过玉米的种植，土壤温度、水分以及玉米的生长状况和最终的产量等方面与不同耕作方式之间的关系进行分析。得出，保护性耕作有利于土壤蓄水，免耕覆盖可以降低播种和出苗期的地温，而传统耕作与留茬旋耕对玉米生育期的土壤温度影响不大。 从一些研究中我们可以看出，免耕可以增加耕层的容重和紧实度，空隙变小。但是也有研究表明在玉米连续免耕体系中，免耕轮作土壤的容重最低，孔隙度最高。Dao（1998）研究发现在耕作之初，土壤容重减小，但在作物生长后期，免耕的土壤容重比耕作小。周兴祥（2001）在研究中发现，采用保护性耕作，会使土壤容重增加，但是对作物的正常生长影响不大，其中免耕的土壤容重最高，连续几年都免耕，土壤会变得非常紧实，残茬覆盖也失去了其保水的功效，这也是免耕的方式很难大面积推广的原因。（杜兵等，1997）。以前人们耕作，认为疏松的土壤更利于作物生长，但是最近的一些研究发现，很多作物其实更需要紧实的土壤才能更好生长，这样翻耕不如不耕。以前的翻耕法会破坏土壤的结构，打破土壤中的结构平衡，破坏土壤中空隙的通透，导致土壤给作物攻击水分、养分以及空气的平衡被打乱。本文所说的保护性耕作就是尽量减少扰动土壤，保持土壤性状，改善土壤结构，最终使土壤容重改变，又不会使土壤板结，作物根系的发育更好。朱文珊等（2000）的研究成果中得出，采用免耕的方式可以有效保持土壤孔隙的稳定，有利于作物生长，保持通透、连续的土壤孔隙还可以改善土壤中水分和空气的流通。严洁等通过田间定位实验，对秸秆覆盖法以及其他耕作方式进行对比，分析作物土壤的变化以及对作物生长的影响，最终得出，采用保护性耕作方式可以使土壤的结构更为合理，土壤中养分更丰富。 1.2.1.2耕作方式与土壤化学性质的关系 我们把土壤中含碳的以各种形态出现的有机化合物称之为有机质，土壤有机质的含量决定了土壤肥力的高低，是土壤可以生长农作物的基本条件。有机质来源于动植物残体，很大一部分是生长其上的植物的根系分泌物或者植物残体。因此，秸秆还田可以有效增加土壤中有机质的含量，提高土壤肥力。还田后的稻杆被微生物分解后其中的有机质可以直接提供给作物生长所需。但是采用保护性耕作方式会造成特殊的土壤环境，一定程度上提高腐殖质系数，提高有机无机的复合度，同时也会降低有机质的矿化，导致土壤出现特殊的养分变化规律。 实践证明，稻杆覆盖的耕作方式可以使土壤表层的有机质含量大幅度提高，罗珠珠等（2010）在研究中指出，通过田间定位试验可以看出，秸秆覆盖以及免耕法可以让土壤中的有机质含量至少提高十分之一，土壤肥力增强；李艳（2008）详细记录了连续几年秸秆覆盖耕作的土壤有机质含量增长数据，免耕法为18.9%，条带覆盖31.2%，浅耕覆盖34.8%。而张志国等（1998）的研究数据则表明，连续多年采用稻杆覆盖免耕法的土壤，有机质可以保持基本平衡。刘鹏涛等（2009）探索了黄土高原春玉米区免耕和秸秆还田耕作对农田土壤理化特性的影响，得出这样的结果，除了全憐，在秸秆还田及免耕法耕作下的土壤，养分都稳步上升，其中速效钾和全钾的含量也有了显著提高。 稳定的土壤值对作物的生长非常有利。采用保护性耕作方式，可以让土壤值更适合作物生长，使土壤的PH缓冲力也不断增强，土壤PH值更为稳定，更有利于土壤中养分的循环使用以及作物的生长。采用稻杆覆盖和免耕法可以使土壤保持相对稳定，土壤的PH值会下降，但是如果一直采用混合翻转的方式耕作，反而会增加二氧化碳的逸出，土壤的PH值会上升（雷金银，2008）。 1.2.1.3耕作方式与农作物产量变化的关系 耕作方式好与坏，最终还得通过作物产量来表现。但是保护性耕作方式是否能真正增加作物的产量呢，因为研究条件不同，研究者不同以及研究对象作物不同等因素的影响，得出了不同的研究结果。吕军杰等（2009）的研究结果表明，采用保护性耕作可以提高土壤水分、养分含量，土壤的肥力也有明显提高，有利于农作物的生长，也有利于作物产量结构的调整，可以明显提高作物产量。在提高小麦产量方面，免耕覆盖和深松覆盖都有显著的功效。王育红（2009）发现，小麦的千粒重和粒数在采用深松覆盖后明显增加。李成军等（2010）则认为，只要是稻杆覆盖，采用传统旋耕也可以提高产量。赵小蓉等（2010）对四川丘陵地区的小麦和油菜在采用保护性耕作方式后产量变化做了研究分析，与传统耕作方式相比，稻杆覆盖后的小麦成穗数增加10%，油菜单株角果数增加8%。但是也有人提出，并不是所有采用保护性耕作都能使作物增产，不同条件下的保护性耕作对不同作物的增产效果存在很大差异。陈素英（2002）研究发现，最初实施免耕法时，作物产量会下降，但是连续采用免耕法可以逐步提高产量，杜冰（2000）提出免耕法短时间内无法提高产量，甚至会减产，只有在连续几年后才能与传统耕作法处理的作物产量持平。 1.2.2土壤团聚体研究概述 彭新华等（2004）提出土壤团聚体的概念中指出，土壤最初是由基本矿物颗粒构成，在自然的分化过程，会有丰富的有机无机物胶结质融入其中，在干湿冷暖的作用下，二者相互作用，形成大小不一的多孔结构聚集体。土壤中的团聚体越多，土质更利于作物的生根发芽，更利于作物的生长，另外，土壤团聚体还能使土壤的透水和透气性更好，自然降水或者灌溉的时候可以充分吸收水分，避免出现土壤侵蚀的状况，干旱时又能有效隔离土壤中的水分与地表空气接触，保持水分，此外，土壤团聚体还能让土壤的温度更稳定，适合作物生长。由于数量和空间分布的不同，土壤团聚体形成了不同的土壤孔隙，改善土壤的物理性状。土壤团聚体还有积累和共赢养分的作用，土壤团聚体与土壤水稳性和有机碳有着紧密的关联（潘根兴等，2003；彭新华等,2004）。 1.2.2.1团聚体的形成与稳定机制研究 土壤团聚体的形成、稳定、转化、分解和各级团聚体的结构、特性、功能十分复杂，包括一系列的物理、化学以及生物作用，既受到土壤本身特性、物质组成以及外界环境因素的影响，又受到人为扰动因素的影响