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第二部 保护性耕作 · CA23

从地表到根际:微观世界怎样变化

23.1 结构变化先看孔道,不只看土壤是否松软

土体由固体颗粒、孔隙水和孔隙气组成。根系生长受机械阻力、氧气、水分和养分共同限制。大而连通的孔道利于入渗、排气和部分根系伸展;较小孔隙储水,但其中的水未必都能被作物吸收。不能用“孔隙越大越好”解释所有情况:过大且贯通的旁路也可能让水和溶质绕过根区。

轮胎载荷可使土粒重新排列、压缩或截断孔道;湿土更容易发生塑性变形。反复扰土也可能切断旧根孔和菌丝网络。保护性耕作的目的,是保住种植带的功能结构,而不是让轮道、种床和整个土层都变成相同的松软程度。[I04][I14]

图23-A 随机碾压与固定通道的剖面比较。原创机制示意,不按比例;箭头表示可能的水、气、根通路,不表示实测流速或压实范围。(节位校正版) · 示意土壤受力位置,不模拟真实应力场或固定增产率。
N14 · 图23-A 随机碾压与固定通道的剖面比较。原创机制示意,不按比例;箭头表示可能的水、气、根通路,不表示实测流速或压实范围。(节位校正版) · 示意土壤受力位置,不模拟真实应力场或固定增产率。
精确位置结构示意;来源:B01、B02;本版按器官位置绘制 · 点击查看原尺寸

23.2 看真实土壤CT:同样容重也可能有不同网络

图23-B 广西甘蔗田0—40厘米总大孔隙CT三维重建,原论文图7。[I14] 左NT为免耕,右T为粉垄,1—3为独立土柱;从PDF原图区域渲染,保留深度与处理标识。
CA_int_ct_total · 图23-B 广西甘蔗田0—40厘米总大孔隙CT三维重建,原论文图7。[I14] 左NT为免耕,右T为粉垄,1—3为独立土柱;从PDF原图区域渲染,保留深度与处理标识。
继承图片,性质见原图注;来源:保护性耕作原文及国际图源I01-I28;本版保留归属 · 点击查看原尺寸
图23-C 同一研究分离出的生物孔隙,原论文图9。[I14] 孔道由图像形态分类识别,并非逐个证明由某一种动物或根系形成。
CA_int_ct_bio · 图23-C 同一研究分离出的生物孔隙,原论文图9。[I14] 孔道由图像形态分类识别,并非逐个证明由某一种动物或根系形成。
继承图片,性质见原图注;来源:保护性耕作原文及国际图源I01-I28;本版保留归属 · 点击查看原尺寸

读图时看连续性、方向、分叉和不同土层连接,不只看黑色多少。这一例子中T孔道更纵向且较连通,因此不能用它证明“免耕永远比扰土好”。原研究体素约0.47×0.47×0.625毫米,图像面向大孔隙,不能显示细菌、根毛或所有微小储水孔。所谓“微观结构”包含不同尺度,CT图不是微生物显微照片。

23.3 团聚体:有机物、矿物和生物共同组织土粒

团聚体是土粒通过有机胶结、矿物结合、根系和菌丝作用形成的结构单元。残体分解产生的有机物与生物活动可参与结合;反复耕作、雨滴冲击和快速湿润也可能使其破裂。团聚体稳定性应以标准化湿筛或其他明确方法测定,不能凭干土块大小判断。[I10]

图23-D 团聚体形成与破裂的结构示意。原创概念图:外部残体、菌丝和根系参与结构维持;圈内孔隙示意尺度不同,不是扫描电镜照片。
CA_int_aggregate · 图23-D 团聚体形成与破裂的结构示意。原创概念图:外部残体、菌丝和根系参与结构维持;圈内孔隙示意尺度不同,不是扫描电镜照片。
继承图片,性质见原图注;来源:保护性耕作原文及国际图源I01-I28;本版保留归属 · 点击查看原尺寸

有机碳浓度提高,与每公顷土壤碳库增加不是同一件事。碳库估算要考虑采样深度、容重和粗颗粒;耕作改变容重时,宜采用等质量土壤比较。土壤碳增加也不等于农场净负排放,还需核算燃油、投入品和其他温室气体。[I03]

23.4 残体如何进入微生物与养分循环

蔗叶先提供地表覆盖,随后经过破碎、溶出及微生物分解。碳的一部分进入微生物及其残体,一部分成为较稳定的土壤有机物,另一部分以二氧化碳返回大气。高碳氮比材料分解时,微生物可能暂时竞争无机氮;以后再矿化释放,因此不应把蔗叶总氮全部计作当季可利用肥料。[7][12]

图23-E 从蔗叶到微生物、矿物结合有机质及作物吸收的过程图。原创机制示意;箭头表示过程方向,不代表通量大小、固定比例或完全闭合的养分预算。
CA_int_carbon_flow · 图23-E 从蔗叶到微生物、矿物结合有机质及作物吸收的过程图。原创机制示意;箭头表示过程方向,不代表通量大小、固定比例或完全闭合的养分预算。
继承图片,性质见原图注;来源:保护性耕作原文及国际图源I01-I28;本版保留归属 · 点击查看原尺寸

表层覆盖通常改变温度波动和水分条件,进而筛选不同微生物群体。水分过多并长期缺氧时,过程可能转向与良好通气时不同的分解和氮转化路径。不能把“残体分解越快”作为唯一目标:过快损失地表保护,过慢又可能影响萌芽和管理,应结合气候和农事时点判断。

23.5 细菌和真菌的变化怎样读

图23-F 广西设施试验的细菌属水平相对组成,原论文图2。[I13] R为ROC22不覆盖,RR为ROC22加自身秸秆,RZ为ROC22加中蔗9秸秆;Z为中蔗9不覆盖,ZZ为中蔗9加自身秸秆,ZR为中蔗9加ROC22秸秆。各柱总和为1。
CA_china_microbes · 图23-F 广西设施试验的细菌属水平相对组成,原论文图2。[I13] R为ROC22不覆盖,RR为ROC22加自身秸秆,RZ为ROC22加中蔗9秸秆;Z为中蔗9不覆盖,ZZ为中蔗9加自身秸秆,ZR为中蔗9加ROC22秸秆。各柱总和为1。
继承图片,性质见原图注;来源:保护性耕作原文及国际图源I01-I28;本版保留归属 · 点击查看原尺寸

这是测序群落图,不是细菌的显微照片。某颜色比例升高可能来自该类群增加,也可能来自其他类群减少;要判断绝对量,需要配合qPCR、内标或其他定量方法。属名也不能简单分成“全是益菌”与“全是病菌”,相同属内的功能可能不同。[I13][I15]

Shannon指数综合反映相对组成的丰富度与均匀度,Chao1偏重估计丰富度;两者都不是“肥力值”。微生物量碳反映活性生物库的一部分,呼吸反映活动及碳释放,酶活性测定则受实验底物、温度和方法影响。不同指标回答不同问题,不能用其中一项替代全部土壤健康。

23.6 根毛、菌根与旧根孔如何配合

根毛扩大根与邻近土壤的接触,菌根真菌的根外菌丝可延伸至根直接接触范围外;共生依赖植物供碳及环境条件。丛枝菌根属于真菌共生,不应称作根瘤,也不能单凭菌根侵染率推断它在固定大气氮。旧根腐解留下的孔道可以被新根利用,前提是孔道未被压断、填塞或长期缺氧。[I26][I04]

图23-G 根毛、根外菌丝与旧根孔的概念剖面。原创示意;不同尺度为教学放大,未按比例;绿色箭头为植物供碳,蓝色为水与矿质养分的示意运输。
CA_int_root_network · 图23-G 根毛、根外菌丝与旧根孔的概念剖面。原创示意;不同尺度为教学放大,未按比例;绿色箭头为植物供碳,蓝色为水与矿质养分的示意运输。
继承图片,性质见原图注;来源:保护性耕作原文及国际图源I01-I28;本版保留归属 · 点击查看原尺寸

巴西首次收获研究中,根系菌根侵染率已经改变,土中孢子群落多样性却未显著改变(T14)。这正说明需要把“活跃根际过程”与“土壤繁殖体库”分开观测。保留残体并不等于必须购买菌剂;菌剂是否有效需要产品质量、定殖、土壤养分和田间对照证据。

23.7 变化的时间尺度与可能的不利路径

尺度可能较快出现的变化需要更长跟踪或额外验证的变化
一次作业后至数周覆盖率、轮迹、表层水温、残体分布不能据此宣布有机碳库或土壤生态已恢复
数周至一个生长季出苗、根量、部分微生物和酶活指标与糖产量的因果关系、病虫风险
数个宿根季缺株累积、产量稳定性、结构与根系分布是否延长经济宿根寿命及年均利润
多年或更久碳库、稳定性及长期群落差异等土质量核算、气候年份变化和更新代价

这些是监测安排的经验尺度,不是保证每项指标到期就改变。厚湿覆盖可能延迟冷凉季萌芽,残体可能改变害虫栖息环境,错误施肥位置可能增加养分损失,固定通道若设计不当可能汇集径流。应同时记录好处与代价,不把所有问题都归咎于“微生物还没培养起来”。

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