2024, Vol. 45
2. 中国农业大学农学院, 北京 100193
, RAO Yue-yue1,2 , MENG Yan1 , WEN Yuan2 , MENG Wei-wei1 , WANG Xu-qing1 , LI Zong-xin1 , LIU Kai-chang1
, DAI Hong⁃cui1
2. College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
免耕是保护性耕作的关键环节, 也是最常见的耕作措施之一, 全球应用面积超过1.55亿hm2[1].通常情况下, 免耕包含不耕和秸秆覆盖（> 30%）两个要点.由于能够减轻土壤扰动, 进而保持水土和抵抗侵蚀[2], 免耕被认为是维持土壤结构的良好措施.
团聚体是土壤结构的基本单元, 在调节土壤物质循环、能量转化、养分供应和生物活性等方面发挥重要作用[3 ~ 5], 优化团聚体结构、提高团聚体稳定性成为维持和提高农田生产力的重要途径.土壤耕作是影响团聚体的关键人为因素, 能够促进团聚体间的转化与再分布[6], 改变团聚体结构和抗侵蚀力[7, 8].探究免耕措施下土壤团聚体的变化特征及其影响因素, 有助于明确免耕优化土壤结构的作用机制, 推动免耕措施的合理高效应用.
团聚体的结构即为粒径组成, 自80年代, Tisdall等[9]以0.25 mm为界线对团聚体进行划分后, 团聚体的粒径分级标准逐步发展成型, 使不同大小的团聚体间有了可比性[10].不同粒级的团聚体在碳库保持、微生物活动等方面发挥的作用不同, 其分布和空间排列还决定了土壤孔隙分布和连续性, 进而决定土壤的水肥保持能力[11].团聚体稳定性则能够反映土壤结构的稳定性, 通常由其平均重量直径（MWD）来评价[12, 13].国内外学者对免耕及耕作下土壤团聚体的变化特征进行了大量研究.Papendick等[14]研究认为, 长期翻耕会降低农田表层土壤结构稳定性, 加剧土壤流失和风蚀[15], 而免耕则能够降低土壤侵蚀量, 提高团聚体稳定性, 有效恢复土壤结构[16].Weidhuner等[17]通过49 a的研究发现, 相比耕作, 免耕能提高大团聚体比例和团聚体稳定性, 促进团聚体碳固持, 但其效应主要集中于土壤表层.在旱地农田, 免耕改善团聚体结构及稳定性、提高土壤储水量及水分有效性的综合效益有助于作物生产[18, 19].但免耕并不适用于全部农田, 在排水不良和湿度较大的黏性土壤中, 免耕是否能够改善团聚体结构及稳定性仍有待研究.
目前, 关于免耕对土壤团聚体影响的研究局限于田间单点试验, 少有研究能够综合地域、环境和农田管理等因素, 解析免耕措施下团聚体的变化特征及机制.本研究采用Meta分析, 整合免耕对我国农田土壤团聚体粒径分布、稳定性和各粒级团聚体有机碳含量的影响, 并结合区域及农田管理等进行综合分析, 以期为推动免耕的适应性应用提供参考.
1 材料与方法 1.1 数据来源以“免耕（no till*；zero till*；no-plough*）”、“保护性耕作（conservation till*）”和“团聚体（aggregate*）”为关键词, 在中国知网（CNKI）和Web of Science数据库中检索公开发表的文献, 并按照以下标准对检索结果进行筛选：①试验地位于中国, 并以我国主要农作物为研究对象；②试验为包含免耕和耕作（旋耕、翻耕和深松等常见田间耕作方式）的田间对照试验；③除试验处理外, 其他田间管理措施一致；④明确说明试验数据的均值和重复数；⑤有明确的试验时间；当不同文献数据来源于同一项研究时, 仅纳入最新数据.经筛选, 共获得116篇有效文献.
1.2 数据获取分别选取免耕、耕作处理下的土壤团聚体相关指标进行分析, 纳入指标包括土壤团聚体粒径分布、MWD以及各粒级团聚体有机碳含量.由于不同研究中团聚体的粒径分级标准不一, 因此, 提取原始数据后, 将团聚体粒径统一划分为大团聚体（> 0.25 mm）、微团聚体（0.25 ~ 0.053 mm）和黏粉粒（< 0.053 mm）[20], 并整理和计算了相应粒径的团聚体有机碳含量.此外, 试验位置、土壤性状、田间管理、取样土层和团聚体筛分方法等信息也被纳入数据集.文献中以文字或表格形式展示的数据直接获取, 图形格式的数据通过Plot Digitizer软件获取.共获得2 506组数据用于Meta分析.
1.3 数据分析使用随机效应模型来评估免耕对纳入指标的影响, 通过自然对数响应比ln R计算效应值[21]：
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(1) |
式中, xt 和xc 分别表示免耕和耕作处理下的数据平均值.由于对不同团聚体粒径进行了划分和计算, 标准偏差在汇总的数据集中不适用.因此, 本研究使用试验重复数来计算各数据对的权重[22]：
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(2) |
式中, wi 表示各数据对的权重, nt 和nc 分别表示免耕和耕作处理下的试验重复数.通过64 999次迭代bootstrapping得到加权平均效应值（lnR+）和95%置信区间（95% CI）.
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(3) |
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(4) |
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(5) |
若95% CI不与0重叠[23], 则表示：相比耕作, 免耕处理下各指标显著增加（> 0）或减少（< 0）, （P < 0.05）.将lnR+转换为平均变化率（E）, 以便于解释变化程度[24]：
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(6) |
为分析不同试验条件下免耕对土壤团聚体的影响效应, 对各研究的试验区域（东北、西北、华北、东南、西南）、土壤质地[25]（壤土、黏壤土、黏土）、土地利用方式（旱作、水旱轮作、水田）、秸秆还田状况（秸秆还田、秸秆移除）、试验持续时间（< 5 a、5 ~ 10 a、> 10 a）、对照耕作方式（旋耕、翻耕、深松）、取样土层（0 ~ 20 cm、> 20 cm）以及团聚体筛分方法（湿筛法、干筛法）等分类变量进行亚组分析.对试验地年平均温度、年平均降雨量、土壤pH以及土壤有机碳含量等连续变量进行Meta回归分析.
1.4 统计分析使用Excel 2016进行数据整理；使用MetaWin 2.1进行Meta分析和分类变量亚组分析；使用R语言“metafor”包进行连续变量的Meta回归分析；使用Origin 2021绘图.
2 结果与分析 2.1 免耕措施下土壤团聚体的整体变化本研究结果表明, 相比耕作, 免耕显著影响土壤团聚体的粒径分布及其稳定性（图 1）.免耕显著提高大团聚体占比10.9%（P < 0.05）, 降低黏粉粒占比15.5%（P < 0.05）, 但对微团聚体占比没有影响.在团聚体稳定性方面, 相比耕作, 免耕显著提高团聚体MWD（12.8%；P < 0.05）.在团聚体有机碳含量方面, 相比耕作, 免耕下各粒级团聚体有机碳含量呈增加趋势, 但效果不显著.
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红色线条表示免耕相比耕作对团聚体粒径分布等指标具有显著正效应, 蓝色线条表示具有显著负效应, 黑色线条表示效应不显著；n表示样本数 图 1 免耕对土壤团聚体粒径分布、MWD及团聚体碳含量的影响 Fig. 1 Effects of no-tillage on aggregate size distribution, MWD, and aggregate-associated C |
对分类变量进行Meta亚组分析.组间异质性检验结果表明（表 1）, 免耕对土壤微团聚体的效应受土层深度的影响显著（P < 0.05）；免耕对土壤黏粉粒的效应受团聚体筛分方法的影响达到极显著水平（P < 0.001）.
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表 1 分类变量对土壤团聚体影响的组间异质性检验显著性（PQ-val）1） Table 1 Intergroup heterogeneity test for the effect of classification variables on soil aggregates (PQ-val) |
亚组分析结果显示, 不同试验区域中, 免耕相比耕作对土壤团聚体粒径分布及MWD的影响效应不同（图 2）.在西北地区, 免耕显著提高大团聚体占比, 增幅17.6%（P < 0.05）；在华北地区, 免耕降低黏粉粒占比（-15.9%；P < 0.05）, 并提高团聚体MWD（15.4%；P < 0.05）；在西南地区, 免耕能够提高团聚体MWD（63.2%；P < 0.05）；而在东北地区和东南地区, 免耕对团聚体的影响均不显著.
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红色线条表示免耕相比耕作对团聚体粒径分布等指标具有显著正效应, 蓝色线条表示具有显著负效应, 黑色线条表示效应不显著；n表示样本数 图 2 不同试验区域下, 免耕对土壤团聚体组成及稳定性影响的效应值 Fig. 2 Effect size of no-tillage on soil aggregate composition and stability under different regions |
不同土壤质地下, 免耕相比耕作对团聚体的影响效应存在差异（图 3）.免耕显著降低黏壤土的黏粉粒占比19.8%（P < 0.05）, 并提高黏壤土团聚体MWD（18.4%；P < 0.05）.而在壤土及黏土中, 免耕对团聚体粒径分布和MWD没有影响.
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红色线条表示免耕相比耕作对团聚体粒径分布等指标具有显著正效应, 蓝色线条表示具有显著负效应, 黑色线条表示效应不显著；n表示样本数 图 3 不同土壤质地及土地利用方式下, 免耕对土壤团聚体组成及稳定性影响的效应值 Fig. 3 Effect size of no-tillage on soil aggregate composition and stability under different soil textures and land uses |
在土地利用方式方面（图 3）, 与耕作相比, 免耕显著提高旱作农田土壤大团聚体占比10.9%（P < 0.05）, 降低黏粉粒占比15.4%（P < 0.05）, 同时提高团聚体MWD（12.6%；P < 0.05）.而在水旱轮作田及水田中, 免耕未能改善团聚体粒径分布及稳定性.
以秸秆管理、试验持续时间和对照耕作方式为分类变量, 进行Meta亚组分析, 结果显示（图 4）：秸秆还田时, 与耕作相比, 免耕显著提高土壤大团聚体占比9.6%（P < 0.05）, 降低黏粉粒占比15.9%（P < 0.05）, 并显著提高团聚体MWD 11.6%（P < 0.05）.秸秆移除后, 免耕下的团聚体结构及稳定性与耕作相比没有差异.
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红色线条表示免耕相比耕作对团聚体粒径分布等指标具有显著正效应, 蓝色线条表示具有显著负效应, 黑色线条表示效应不显著；n表示样本数 图 4 不同田间管理措施下, 免耕对土壤团聚体组成及稳定性影响的效应值 Fig. 4 Effect size of no-tillage on soil aggregate composition and stability under different field management practices |
免耕对土壤团聚体的影响效应在不同试验持续时间下存在差异（图 4）.试验持续时间 < 5 a时, 相比耕作, 免耕显著提高大团聚体占比, 增幅12.8%（P < 0.05）；试验持续5 ~ 10 a时, 免耕处理下的土壤黏粉粒占比降低20.7%（P < 0.05）；当试验持续时间 < 5 a或 > 10 a时, 免耕均能提高团聚体MWD（13.1%、13.5%；P < 0.05）, 有效增强土壤团聚体的稳定性.
本研究以土壤耕作为对照, 对照的耕作措施不同, 免耕对团聚体的影响效应不同（图 4）.相比翻耕, 免耕显著提升大团聚体占比11.4%（P < 0.05）, 降低黏粉粒占比21.9%（P < 0.05）, 并提高团聚体MWD（13.5%；P < 0.05）.以旋耕和深松为对照时, 免耕对土壤团聚体各指标影响的效应均不显著.
本Meta分析中, 各研究选取的土层深度不一致.将不同层深的土壤样品按统一标准分析, 其结果可能存在偏差.因此, 本研究将取样土层统一划分为耕层土壤（0 ~ 20 cm）和深层土壤（> 20 cm）.亚组分析结果显示（图 5）：相比耕作, 免耕能够改善耕层土壤团聚体的结构和稳定性.免耕处理下耕层的大团聚体占比提高12.6%（P < 0.05）, 微团聚体和黏粉粒占比降低13.8%和20.5%（P < 0.05）；团聚体MWD提高15.6%（P < 0.05）, 增强了团聚体稳定性.而在深层土壤, 免耕对团聚体结构及稳定性没有影响.
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红色线条表示免耕相比耕作对团聚体粒径分布等指标具有显著正效应, 蓝色线条表示具有显著负效应, 黑色线条表示效应不显著；n表示样本数 图 5 不同土层及筛分方法下, 免耕对土壤团聚体组成及稳定性影响的效应值 Fig. 5 Effect size of no-tillage on soil aggregate composition and stability under different soil layers and aggregate sieving methods |
常规的土壤团聚体筛分方法分为干筛法与湿筛法.不同筛分方法下, 免耕对团聚体粒径分布的影响存在差异（图 5）.本研究结果表明, 使用湿筛法时, 免耕相比耕作显著提高大团聚体占比, 增幅14.2%（P < 0.05）, 而使用干筛法时两者差异不显著.不同筛分方法下, 免耕相比耕作对黏粉粒的影响差异达到极显著水平（P < 0.001, 表 1）.使用干筛法时, 免耕显著降低黏粉粒占比39.8%（P < 0.05）, 而使用湿筛法时两者差异不显著.在团聚体稳定性方面, 免耕对团聚体MWD的效应不受筛分方法影响, 干筛法、湿筛法下, 免耕均显著提高团聚体MWD（12.6%、12.8%；P < 0.05）.
2.3 免耕对土壤团聚体影响的Meta回归分析对试验区域的年平均温度、年平均降雨量, 试验地初始土壤pH、初始土壤有机碳含量（SOC）和全氮含量（TN）等连续变量进行Meta回归分析, 探究不同环境因子下对免耕对团聚体粒径分布及MWD的影响.本研究发现, 初始土壤pH与土壤大团聚体效应值呈线性相关（P < 0.05）, 而其他变量与土壤团聚体粒径分布及MWD间均无显著的相关关系.Meta回归结果表明（图 6）, 初始土壤pH越高, 免耕提高大团聚体占比的效应值越高（P < 0.05, R2 = 0.676）.这意味着, 在偏碱性土壤中, 免耕改善大团聚体占比的效果更好.
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虚线范围表示95% CI；n表示用于Meta回归分析的样本数 图 6 土壤pH与团聚体粒径分布的Meta回归分析 Fig. 6 Meta regression analysis of soil pH and aggregate distribution |
Meta分析结果显示, 相比耕作, 免耕显著提高土壤大团聚体占比, 降低黏粉粒占比, 并提高团聚体MWD（P < 0.05, 图 1）, 增强团聚体稳定性.但免耕未显著增加各粒级团聚体有机碳含量（图 1）.通常认为, 团聚体是土壤颗粒粘连团聚与破坏崩解两个过程共同作用的结果.团聚体的聚合和稳定通常与有机质含量、微生物以及土壤物理等因素有关[26], 多糖、胡敏酸等有机胶结剂能够将不同大小的土壤颗粒胶结起来, 形成体积更大的团粒结构, 推动团聚体的形成与稳定[27], 在这个过程中, 团聚体也包裹了更多的碳[28]；微生物则可以通过菌根菌丝（来自真菌及放线菌）将土壤颗粒机械缠绕在一起, 或通过分泌多糖等代谢产物促进团聚体的胶结和碳固定[29]；铁铝氧化物是团聚体的有效结合剂, 其与有机质结合形成的有机-无机复合体是团聚体形成的重要机制[30], 因此, 土壤矿质类型及含量等物理性质也是影响团聚体的主要因素之一.团聚体的破坏通常与土壤扰动、土壤质地以及水分变化等因素有关.本研究中, 免耕显著增加大团聚体比例, 却未能增加其碳含量, 说明增加的大团聚体可能不是通过有机胶结形成的, 而是因为免耕减少了对团聚体的扰动破坏, 形成土壤颗粒的“假性团聚”, 因此, 免耕未能增加团聚体碳含量.也有研究认为免耕条件下丰富的真菌[31, 32]可以形成大量菌丝及分泌物, 促进微团聚体和黏粉粒向大团聚体的转化.大团聚体的胶结程度更高[33], 因此, 免耕可能通过提高大团聚体占比的方式来增加大团聚体碳总量, 但未能提高其碳含量.关于免耕对农田土壤团聚体形成和碳含量变化的影响机制有待进一步研究.
3.2 影响免耕对土壤团聚体效应的因素 3.2.1 地域特性不同试验区域下, 免耕对团聚体影响的效应不同.本研究表明, 免耕提高西北地区大团聚体占比的效果最为显著.西北地区水资源稀缺, 风沙较大, 传统耕作以犁耕为主[34].免耕措施能够降低西北地区耕作对土壤团聚体的破坏, 减轻风蚀造成的土壤损失, 从而维持良好的土壤结构.在华北地区, 免耕相比耕作显著降低黏粉粒占比15.9%, 提高团聚体MWD（15.4%；P < 0.05）, 增强团聚体稳定性.这可能是因为高强度的集约化生产模式下, 华北平原农田耕作频繁, 土壤结构破坏严重.而免耕减少了耕作带来的扰动破坏, 提高大团聚体占比, 增强土壤稳定性[35].
免耕对团聚体的影响在不同质地的土壤中存在差异.本研究结果表明, 相比耕作, 在黏壤土中实行免耕能够降低黏粉粒占比, 提高团聚体稳定性；而在黏土和壤土中, 免耕改善土壤团聚体结构及稳定性的效果逐步降低.前人研究认为, 通过无机矿物或有机-无机复合体聚集的团粒结构更具稳定性[27], 黏壤土中铁铝氧化物、层状硅酸盐及黏土含量丰富[36], 能够通过物理或化学的方式增强土壤颗粒之间的相互作用, 形成稳定的大团聚体.另外, 相比黏土, 黏壤土的土壤质地更为疏松透气, 利于微生物活动, 有助于促进黏粉粒向大团聚体转化.因此, 在黏壤土中, 免耕改善团聚体稳定性的效应更明显.
在土地利用方式方面, 旱田、水旱轮作田以及水田中, 免耕仅能显著改善旱田土壤的团聚体粒径分布及稳定性.这可能是因为旱田土壤的耕作强度大, 团聚体破坏程度高[37], 旱地免耕更有利于发挥其保持水土的作用.而在水旱轮作田及水田中, 土壤处于季节性或全年淹水状态, 加剧了大团聚体向微团聚体或更小颗粒的崩解[38], 免耕优化团聚体结构及稳定性的效应不明显.
本研究发现, 土壤pH与大团聚体效应值间存在显著的线性关系（P < 0.05）, 初始土壤pH值越高, 免耕相对耕作提高大团聚体占比的效果越好.碱性土壤有机质含量低且含盐量高[39].由于缺乏有机胶结物质, 碱性土壤颗粒的聚集能力不强；高pH条件下, 土壤矿质凝聚程度降低, 同样限制土壤颗粒间的化学结合；碱性土壤富含的交换性Na+还是公认的团聚体结构“分散剂”, 会加剧大团聚体的分解[40].本研究发现, 相比耕作, 免耕能够影响碱性土壤团聚体的结构变化.免耕不仅减少对碱土大团聚体的扰动破坏, 还能降低水分蒸发量, 抑制盐分在土壤表层聚集, 进而减轻由盐分引起的团聚体解聚, 提高大团聚体占比.免耕条件下, 表土覆盖的作物残茬能够增加土壤有机质输入, 残茬腐解产生的有机酸还具有降低土壤pH的作用[41, 42], 有利于碱性土壤物理结构的改良.
3.2.2 农田管理秸秆还田能够培肥地力, 改善土壤结构.本研究结果表明, 秸秆还田条件下, 免耕显著提高土壤大团聚体比例, 具有优化团聚体结构, 提高团聚体稳定性的效果, 而秸秆移除后, 免耕改善团聚体的效果便不再显著.秸秆还田时, 免耕优化团聚体的原因可能有3个方面：秸秆覆盖在土壤表层, 能够为土壤提供大量新鲜有机质[43], 团聚体在有机质的胶结作用下向大团聚体聚集转化；秸秆覆盖减少土壤水分散失[44], 有助于维持适宜土壤微生物生存的土壤生境[45], 微生物的丰度及活性提高, 能够通过菌丝缠绕及分泌有机质推动团聚体的优化稳定；秸秆腐解释放氮、磷等养分, 促进作物生长, 作物凋落物、分泌物及细根的机械缠绕均有助于大团聚体形成, 并提高团聚体稳定性.而秸秆移除后, 土壤处于贫瘠、干旱状态, 限制了团聚体的胶结转化及微生物、植物的物理团聚, 不利于提高团聚体稳定性.
从试验持续时间角度分析, 免耕对团聚体影响的效应存在差异.本试验开展初期（< 5 a）, 免耕显著提高大团聚体占比, 可能主要是因为减少了对大团聚体的破坏.当试验持续5 ~ 10 a, 免耕下的土壤黏粉粒占比显著降低20.7%（P < 0.05）.在这一阶段, 免耕可能通过有机质胶结、物理缠绕等方式促进了黏粉粒向微团聚体和大团聚体的聚集转化.试验持续10 a以上时, 免耕下的团聚体粒径变化不显著, 但其稳定性显著提升13.5%（P < 0.05）, 可能是因为长期免耕下的土壤相对紧实, 进而提升团聚体结构稳定性.
从土壤深度角度分析, 免耕下的土壤团聚体各指标均存在显著差异.免耕能优化耕层团聚体结构, 提高耕层团聚体稳定性, 而对深层土壤没有作用.农田系统中, 耕层（0 ~ 20 cm）受到的耕作扰动最频繁.相比耕作, 免耕最大程度地减少了耕层土壤团聚体的扰动破坏, 改善团聚体的效果明显.而深层土壤（> 20 cm）本身受到的扰动较少, 有机质及养分含量低[46], 微生物丰度、活性及群落特征也与耕层存在较大差异[47].因此, 很难用耕层土壤的理论机制来解释深层土壤.参照团聚体形成机制, 若在减轻深层土壤扰动的同时增加外源有机质及养分输入, 提高微生物活性, 则有助于优化深层土壤的团聚体结构及稳定性.
3.2.3 筛分方法土壤团聚体筛分主要有干筛法和湿筛法.湿筛法下免耕提高水稳性大团聚体占比的效果显著, 但对黏粉粒占比没有显著影响, 而干筛法下免耕显著降低黏粉粒占比.前人研究认为, 湿筛法易对团聚体结构产生一定程度的破坏；干筛法受限于筛分强度, 可能削弱处理之间的差异[48].因此, 两种筛分方式均有一定的局限性.本研究发现, 团聚体平均重量直径不受筛分方法的影响, 因此, 相比团聚体粒级分布, 评估团聚体的平均重量直径可能更为客观.
4 结论（1）相比耕作, 免耕能够增加农田土壤大团聚体占比, 提高团聚体稳定性, 但未显著提高各粒级团聚体有机碳含量.
（2）免耕对团聚体结构和稳定性的改良效果受区域、农田类型、土壤类型及农田管理方式等多重因素影响.
（3）未来应结合区域特征及秸秆还田等措施, 进一步优化耕作方式, 实现土壤团聚体结构优化和团聚体固碳增效的协同提升, 综合提升农田土壤质量.
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