免耕和秸稈還田對東北黑土區(qū)土壤團聚體組成及有機碳含量的影響

閆 雷，董天浩，喇樂鵬，劉鳴一，孫小賀，孟慶堯，張鈺瑩，張乃文，孟慶峰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引 言

東北黑土區(qū)是世界四大黑土區(qū)之一[1]，也是中國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，為全國提供了三分之一以上的玉米產(chǎn)量和大約一半的大豆產(chǎn)量[2]。隨著人們對耕地的不合理開發(fā)利用，黑土區(qū)土壤結(jié)構(gòu)遭到不同程度的破壞，土壤中有機碳含量下降，造成作物產(chǎn)量降低，對中國糧食安全造成威脅[3]。在該地區(qū)探索合理有效的耕作措施，提高土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量及有機碳含量，對中國糧食安全生產(chǎn)戰(zhàn)略具有重要意義。

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，對土壤各種性質(zhì)有著重要影響。土壤有機碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)及肥力供應(yīng)的核心物質(zhì)，對土壤持水性能和作物營養(yǎng)的生物有效性有很大影響。土壤團聚體和土壤有機碳相互影響并制約[4]。團聚體是有機碳固定的重要場所，前者通過影響團聚體內(nèi)外氧氣和水分的流通情況來降低微生物對有機碳的礦化分解[5]；有機碳作為帶電膠體，可吸附周圍礦質(zhì)顆粒形成團聚體，對土壤團聚體的形成具有重要促進作用，增強土壤物理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[6-7]。

保護性耕作作為一種新型耕作方式廣泛應(yīng)用于世界各地。與常規(guī)耕作相比，免耕措施使土壤團聚體受到較少干擾，從而促進大團聚體對有機碳的保護作用[8-10]。此外，秸稈還田也是增加土壤水穩(wěn)性和土壤有機碳含量的重要手段[11]。有研究表明，在黑土區(qū)實施保護性耕作能減少土壤的水蝕、風(fēng)蝕作用，促進土壤穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的形成，有利于提高土壤肥力，可有效緩解黑土“瘦、薄、旱、硬”的問題，是遏制黑土退化的有效途徑[12-13]。

目前，國內(nèi)外對東北黑土區(qū)保護性耕作模式下不同深度土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布、團聚體有機碳含量及貢獻率的研究相對較少。因此，本研究針對東北黑土區(qū)因不合理耕作導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)性狀變差及有機碳含量下降的問題，在當?shù)亻_展長期定位試驗。通過對比分析不同耕作措施下各土層土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布及團聚體中有機碳含量，探討保護性耕作對土壤理化性質(zhì)的影響，為東北黑土的可持續(xù)利用和在當?shù)赝茝V保護性耕作提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗研究區(qū)位于黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗站（125°42'E，44°04'N，平均海拔 184 m），該地氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，光熱資源豐富，年平均日照2 500 h，平均氣溫3.9 ℃，無霜期135 d，為典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，試驗地年均降水量數(shù)據(jù)來自黑龍江省氣象局（見表1）。土壤類型為典型黑土，土壤質(zhì)地為粉壤土（砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分數(shù)為5.3%、68.5%、28.9%）。

表1 哈爾濱市年均降水量Table 1 Annual average precipitation in Harbin mm

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015年開始實施，種植制度為玉米連作（品種為合眾11號），在每年5月初進行播種，株距30 cm，行距65 cm，當年9月末進行收獲。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4個處理，如表2所示。

表2 試驗處理方式Table 2 Detail of treatments of experiment

每個處理進行 3次重復(fù)，單個小區(qū)面積為 104 m2（20 m×5.2 m），每小區(qū)相隔1 m，播種時施入穩(wěn)定性復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=27∶10∶13) 480 kg/hm2為底肥。其他按照當?shù)剞r(nóng)民常規(guī)大田生產(chǎn)和管理模式來進行。

1.3 樣品采集與測定

于2018、2019年玉米收獲前采集土壤樣本。每個試驗小區(qū)采用“S”形布點法隨機取多個點混合，采集0～10、＞10～20 cm處原狀土樣，樣品剔除植物根系和小石塊，置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，一部分用于水穩(wěn)性團聚體測定，另一部分過篩備用。在采集土樣時對各處理每個小區(qū)隨機采集15株玉米，對產(chǎn)量進行測定。

土壤水穩(wěn)性團聚體含量的測定采用濕篩法[14]，具體步驟：稱取50 g風(fēng)干土樣置于團聚體分析儀套篩頂部（套篩孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm），浸泡、潤濕后上下振動 5 min，收集各級篩層團聚體分別轉(zhuǎn)移至鋁盒中，60 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量烘干后各粒徑團聚體質(zhì)量，每個樣品 3次重復(fù)。對烘干后的各粒徑團聚體研磨過0.15 mm篩以測定團聚體內(nèi)有機碳含量，土壤及各粒徑團聚體有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15]，每個樣品3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

采用式（1）[16]計算各粒級水穩(wěn)性團聚體含量Wi：

式中Mi為篩后對應(yīng)第i級團聚體的質(zhì)量，g；M為測定團聚體總質(zhì)量，g。

計算各粒徑團聚體含量后，采用式（2）[17]計算各土樣平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）：

式中Xi為聚集在每個尺寸篩子的土壤團聚體平均直徑，mm；Wi為該粒徑范圍內(nèi)土壤團聚體百分含量，%；n為分離出的團聚體份數(shù)；i為第i個團聚體。

采用式（3）[18]計算各粒徑團聚體有機碳貢獻率Y：

式中Ci為該級團聚體中有機碳含量，g/kg；CW為土壤中有機碳含量，g/kg；Wi為該級團聚體含量，%。

試驗數(shù)據(jù)采用 Microsoft Office Excel 2007 進行整理；使用SPSS 24.0作單因素方差分析，采用Duncan 法對各項測定數(shù)據(jù)進行多重比較，采用線性回歸法對 2018和2019年0～10 、＞10～20 cm土層土壤有機碳含量與土壤團聚體MWD值進行線性相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施下土壤團聚體粒徑分布

如表3所示，2018和2019年0～10 cm土層，NTS處理＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量顯著高于其他3種處理（P＜0.05），2018年0～10 cm土層4種處理＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量從大到小順序為NTS、NT、CTS和CT，NTS、NT和CTS處理分別比CT高226.76%、106.86%、46.15%；2019年0～10 cm土層NTS及NT處理＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量分別比 CT高159.04%、87.65%。NTS處理在2018和2019年＞10～20 cm土層＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量顯著高于其他3種處理（P＜0.05），CTS與CT處理差異不顯著。與2018年相比，2019年NTS及NT處理＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量有不同程度的提高。2018年 0～10、＞10～20 cm土層CT處理＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量顯著高于其他3 種處理（P＜0.05），NTS及NT處理差異不顯著；2019年0～10 cm土層4種處理＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量從大到小順序為CT、CTS、NT和NTS，＞10～20 cm土層NT處理＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量顯著高于NTS（P＜0.05），CT處理與CTS差異不顯著。與翻耕相比，免耕與秸稈還田配施可顯著提高＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量并顯著降低＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量，土壤大團聚體含量增加，使土壤結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。

表3 不同耕作措施下土壤團聚體粒徑分布Table 3 Distribution of soil aggregates under different tillages %

2.2 耕作措施對土壤MWD值的影響

如圖1所示為4種處理對土壤MWD值的影響。2018年0～10 cm土層MWD值從大到小為NTS、NT、CTS和 CT，2019年 0～10 cm土層 NTS處理顯著高于 NT（P＜0.05），CTS處理與 CT處理差異不顯著；2018和2019年＞10～20 cm土層MWD值從大到小順序為NTS、NT、CT和CTS，處理間差異顯著（P＜0.05）。2018年0～10 cm 土層NTS處理MWD值比NT處理高27.45%，2019年0～10 cm 土層NTS處理MWD值比NT處理高23.03%。NTS及NT處理MWD值在2018和2019年均隨土層深度增加而增加，CTS處理MWD值隨土層深度增加而減小，CT處理在2018年隨深度增加而增加，在2019年呈減小趨勢。2018年 MWD值范圍為 0.81～2.09 mm，2019年MWD值范圍為0.92～2.55 mm，2019年較2018年整體有所提高。2019年4種處理下0～10 cm處MWD值分別較2018年增加40.74%、11.93%、16.34%、12.31%。

2.3 耕作措施對各粒徑團聚體有機碳的影響

如表4所示，不同耕作措施對不同深度土壤濕篩團聚體內(nèi)有機碳含量影響存在較大差異，2018和2019年團聚體內(nèi)有機碳含量總體隨土層深度增加而降低。2018年0～10 cm土層中，CTS處理1～2 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳含量顯著高于CT（P＜0.05），其他5個粒徑團聚體有機碳含量與CT處理差異不顯著；NTS處理2～5、1～2、0.5～1、＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳含量顯著高于NT處理（P＜0.05）。2019 年 0～10 cm 土層中，0.5～1、0.25～0.5 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳含量從大到小為NTS、NT、CT和CTS，各處理間差異顯著（P＜0.05），CTS處理其他 4個粒徑團聚體有機碳含量與 CT處理差異不顯著；NTS處理＞5、1～2 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳含量顯著高于 NT（P＜0.05），2～5、＜0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體有機碳含量與NT處理差異不顯著。2018和2019年0～10、＞10～20 cm土層4種處理各粒徑水穩(wěn)性團聚體有機碳含量峰值大部分出現(xiàn)在1～2 mm處，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳含量總是最低。

圖1 不同耕作措施下土壤平均重量直徑（MWD）Fig.1 Mean Weight Diameter（MWD） of soil under different tillages

表4 各粒徑團聚體中有機碳含量Table 4 Organic carbon content in different aggregates (g·kg-1)

2.4 耕作措施對土壤有機碳含量的影響

2018年和2019年結(jié)果表明，除2019年CTS處理外，其他處理下土壤有機碳含量隨土壤深度增加而降低（圖2）。2018年0～10 、＞10～20 cm土層NTS及NT處理土壤有機碳含量顯著高于CTS及CT處理（P＜0.05），NTS與NT、CTS與CT處理差異不顯著，NTS處理在0～10、＞10～20 cm土層比CT處理高26.33%、32.49%。2019年0～10 cm土層，CT處理土壤有機碳與CTS差異不顯著，NTS處理比 NT處理高 6.10%，兩者差異顯著（P＜0.05），NTS及NT處理土壤有機碳含量分別較CT增加了27.67%、20.34%；2019年＞10～20 cm土層NTS土壤有機碳含量與NT處理差異不顯著，CTS處理顯著高于CT（P＜0.05）。免耕耕作下土壤有機碳含量總體高于翻耕耕作，免耕耕作下施加秸稈效果最佳，這與前人研究結(jié)果類似[19-20]。與2018年相比，2019年各處理有機碳含量總體上有不同程度的提高，其中 CTS處理在＞10～20 cm土層增長幅度最大，達到14.85%。

2.5 土壤有機碳含量與MWD值相關(guān)性

如圖3所示，土壤有機碳含量與水穩(wěn)性團聚體MWD值呈線性正相關(guān)關(guān)系，R2= 0.62，達極顯著（P＜0.01）。表明二者之間存在相互促進作用，土壤有機碳含量增加有利于土壤水穩(wěn)性團聚體 MWD值增加，土壤有機碳含量與 MWD值回歸關(guān)系表明，在本試驗條件下，土壤有機碳含量每增加1 g/kg，土壤水穩(wěn)性團聚體MWD值可增加0.35 mm。

圖2 不同耕作措施土壤有機碳含量Fig.2 Organic carbon content of soil under different tillages

2.6 不同耕作措施下各粒徑團聚體有機碳貢獻率

表5為不同耕作措施對各粒徑團聚體有機碳貢獻率的影響，由表可知，各處理間有機碳貢獻率存在較大差異。2018年0～10 cm土層＞5、2～5 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率從大到小為 NTS、NT、CTS和 CT，各處理間差異顯著（P＜0.05）；＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率從大到小為 CT、CTS、NTS，NT與NTS處理差異不顯著。2018年＞10～20 cm土層＞5 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率從大到小為NT、CT、CTS，各處理間差異顯著（P＜0.05）；＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率從大到小為CT、NTS、NT，各處理間差異顯著（P＜0.05），CT與CTS處理差異不顯著。2019年0～10、＞10～20 cm土層＞5 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率從大到小為 NTS、NT、CTS，各處理間差異顯著（P＜0.05），CTS 及 CT 處理差異不顯著；＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率從大到小為CT、CTS、NT和NTS，各處理間差異顯著（P＜0.05）。2018和2019年 0～10、＞10～20 cm 土層 NTS 及 NT 處理＞5、2～5、1～2 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率整體高于CTS及CT處理，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率整體小于CTS及CT處理。比較同一土樣間不同粒徑團聚體有機碳貢獻率大小，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率總是最大。

圖3 土壤有機碳含量與MWD值相關(guān)性Fig.3 Correlation between soil organic carbon content and MWD

表5 各粒徑團聚體有機碳貢獻率Table 5 Contribution rate of organic carbon in different aggregates (%)

2.7 不同耕作措施下玉米產(chǎn)量

如表6所示，2018年4種處理玉米產(chǎn)量差異不顯著，產(chǎn)量范圍在12 793.86～13 585.85 kg/hm2之間；2019年4種處理玉米產(chǎn)量同樣差異不顯著，產(chǎn)量范圍在6 760.83～7 531.82 kg/hm2之間。2019年4種處理玉米產(chǎn)量較2018年均有明顯降低，CT、CTS、NT、NTS處理產(chǎn)量分別下降了44.56%、44.08%、49.94%、43.18%。

表6 不同耕作措施玉米產(chǎn)量Table 6 Maize yield under different tillages （kg·hm-2）

3 討 論

土壤團聚體是土壤的重要結(jié)構(gòu)單元，其穩(wěn)定性是衡量團聚體抵抗外力作用而保持原有形態(tài)能力的重要指標，穩(wěn)定性評價指標一般用MWD值表示[21-22]。2018和2019年免耕耕作下土壤＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量總體顯著高于翻耕耕作，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量總體顯著低于翻耕耕作。這是由于免耕耕作僅對表層土壤部分土面有一定擾動，對土壤的結(jié)構(gòu)改變很小，有效減少對土壤大團聚體結(jié)構(gòu)的破壞。2018和2019年免耕耕作下土壤 MWD值顯著高于翻耕耕作，這與薛斌等研究結(jié)果一致[23]，土壤中大團聚體百分比含量越高，MWD值越大[24]。2018年0～10 cm土層NTS及CTS處理＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量總體顯著高于各自對照組，秸稈分解時產(chǎn)生的土壤腐殖物質(zhì)使表層土壤顆粒周圍的有機結(jié)合物增加，有利于形成大團聚體[25]。分析年際間土壤MWD值變化，2019年4種處理下0～10 cm處土壤MWD值分別較2018年增加40.74%、11.93%、16.34%、12.31%，CT處理土壤MWD值在年際間變化遠高于其他 3種處理，這可能是由于免耕及秸稈還田使其他 3種處理的表層土壤對農(nóng)機耕作時造成的耕作侵蝕有較強抵抗作用，年際間波動更穩(wěn)定，CT處理則更易收到耕作侵蝕影響。

土壤有機碳在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中起核心作用[26]，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有重要意義。結(jié)果顯示，2018和2019年0～10、＞10～20 cm NTS及NT處理土壤有機碳含量顯著高于CTS及CT處理，相對于翻耕耕作，免耕耕作降低了對土壤的擾動，降低土壤有機碳消耗速度，使有機碳含量提高。2019年NTS處理土壤有機碳含量在0～10 cm土層比NT處理高6.10%，兩者差異顯著；在＞10～20 cm土層兩者差異不顯著，這與胡寧等[27]研究結(jié)果相近。由于免耕秸稈覆蓋，對土壤的擾動降到最低，顯著增加表層大團聚體含量，進而明顯提高了土壤表層有機碳儲量，深層土壤有機碳含量變化較小，使NTS處理發(fā)生明顯的有機碳分層、表聚現(xiàn)象。分析年際間土壤有機碳變化，2019年各處理有機碳含量總體比2018年有不同程度的提高，其中 CTS處理在＞10～20 cm土層增長了14.85%，表現(xiàn)出了秸稈在深層還田對土壤有機碳含量的時間累積效應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳含量與 MWD值呈顯著線性正相關(guān)，這與Jiang等[28]研究結(jié)果一致，有機碳作為帶電膠體，在團聚體形成過程中起到重要作用。

為深入了解保護性耕作下土壤有機碳的貯存規(guī)律，要對不同粒徑團聚體有機碳含量進行研究。Six等[29]研究認為，有機碳含量隨團聚體粒徑的增大而增大。但也有一些研究表明[18,30]，并非土壤團聚體粒徑越大越有利于土壤有機碳固存。本研究結(jié)果顯示，團聚體有機碳含量總體在1～2 mm粒徑中達到最大，團聚體有機碳峰值位置與粒徑劃分大小有關(guān)。土壤團聚體有機碳貢獻率由該團聚體百分比含量及該團聚體有機碳含量共同決定。本研究發(fā)現(xiàn)，與CT處理相比，NTS處理顯著提高了＞5 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率，顯著降低了＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率，NTS處理主要通過提高＞5 mm水穩(wěn)性團聚體百分比含量來提高該粒徑團聚體對有機碳的貢獻率。

2019年4 種處理玉米產(chǎn)量較2018年大幅下降，由表1可知，2019年6、7月降水量較異常，遠低于2018年6、7月降水量。對于北方玉米種植來說，6-7月的降水對玉米產(chǎn)量影響顯著，此時玉米需水量在整個生育期中最高，降水多有利于玉米產(chǎn)量的提高[31]。2018和2019年的試驗結(jié)果均顯示，連續(xù)耕作4 a后，保護性耕作與傳統(tǒng)耕作產(chǎn)量差異不顯著。

綜上，在東北黑土區(qū)進行免耕配施秸稈還田的保護性耕作可提高土壤團聚體穩(wěn)定性，有利于各粒級下團聚體有機碳的積累，是實現(xiàn)該地區(qū)土壤可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。隨著試驗?zāi)晗薜脑黾樱Ｗo性耕作對土壤結(jié)構(gòu)及有機碳含量將呈正面的時間累積效應(yīng)，在長期年限內(nèi)總體表現(xiàn)為增長趨勢直至穩(wěn)定，而對玉米產(chǎn)量的影響還有待在更長的年限中進行研究。

4 結(jié) 論

1）免耕耕作和秸稈還田措施可顯著增加土壤中＞5 mm 水穩(wěn)性團聚體百分比含量和土壤平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD），免耕+秸稈還田（NTS）及免耕（NT）處理MWD值隨土層深度增加而增加；免耕耕作和秸稈還田措施使表層土壤及各粒級團聚體中有機碳含量有所提高，其中以NTS處理效果最佳。

2）土壤團聚體與土壤有機碳兩者關(guān)系密切，相關(guān)性分析可知土壤 MWD值與土壤有機碳含量呈顯著線性正相關(guān)。

3）NTS及NT處理下＞5 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率高于翻耕+秸稈還田（CTS）及翻耕（CT）處理，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體有機碳貢獻率低于CTS及CT處理；NTS及NT處理下有機碳貢獻率以＞5、＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體為主，CTS及CT處理下以＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體最高。

4）2019年4 種處理玉米產(chǎn)量較2018年大幅下降，2018和2019年保護性耕作與傳統(tǒng)耕作產(chǎn)量差異不顯著。