免耕覆蓋下土壤水分、團聚體穩定性及其有機碳分布對小麥產量的協同效應

鄭鳳君，王雪，李生平，劉曉彤，劉志平，盧晉晶，，武雪萍，席吉龍，張建誠，李永山

免耕覆蓋下土壤水分、團聚體穩定性及其有機碳分布對小麥產量的協同效應

鄭鳳君1，王雪2，李生平1，劉曉彤1，劉志平4，盧晉晶1，4，武雪萍1，席吉龍3，張建誠3，李永山3

1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2北京市房山區琉璃河鎮人民政府，北京 102403；3山西農業大學棉花研究所，山西運城 044000；4山西農業大學資源環境學院，太原 030031

【】基于山西運城8年（2008—2015）長期定位試驗，研究免耕覆蓋下土壤團聚體穩定性、團聚體活性有機碳分布特征、冬小麥水分利用效率和產量變化特征，分析土壤水分、土壤團聚體穩定性及其有機碳組分對小麥籽粒產量的協同關系，為選擇適宜黃土高原旱作農業區最佳耕作模式提供理論依據。選取傳統耕作秸稈翻耕還田（CT-SP）和免耕秸稈覆蓋還田（NT-SM）兩種耕作措施，在冬小麥收獲期，利用干篩法測定土壤團聚體各粒級質量分數；測定各粒級土壤團聚體有機碳（SOC）及活性有機碳（可溶性有機碳，DOC；易氧化有機碳，EOC；微生物量碳，MBC）含量；測定土壤水分（土壤體積含水量，qv；播種前貯水量，SB；收獲后貯水量，SA；生育期耗水量，ET；降水利用效率，PUE；水分利用效率，WUE）和作物產量等關鍵指標。（1）與CT-SP處理相比，NT-SM處理顯著提高0.25—2 mm團聚體含量、>0.25 mm團聚體含量（R0.25）和幾何平均直徑（GMD），分別提升12.8%、8.6%和9.2%。（2）與CT-SP處理相比，NT-SM處理中全土SOC、＞2 mm和0.25—2 mm粒級團聚體SOC與MBC含量分別提升17.7%與23.6%、18.4%與18.2%和22.4%與39.2%。0.25—2 mm粒級團聚體對SOC和MBC的貢獻率，分別提升18.4%和28.4%。（3）與CT-SP處理相比，NT-SM處理提高了SA、PUE、WUE和小麥產量，分別提升17.7%、8.92%、14.98%和8.92%，并且SOC、WUE、R0.25、MWD和GMD等指標與小麥產量相關系數均達到0.9以上。（4）通過結構方程模型分析發現，土壤團聚體DOC和EOC通過協同效應影響MBC的變化，MBC含量對SOC的總效應為0.88，是影響SOC變化的主導因子。（5）土壤貯水量、土壤團聚體穩定性及其有機碳分布協同影響小麥產量，并且土壤團聚體穩定性對小麥產量表現為極顯著正效應。在黃土高原旱作農業區，免耕秸稈覆蓋還田可改善土壤團聚體結構，增加土壤水分含量，提高小麥水分利用效率，顯著增加耕層土壤有機碳和活性有機碳組分含量，從而實現土壤固碳保墑和作物增產的協同效應。

免耕覆蓋；土壤團聚體；活性有機碳；土壤貯水量；水分利用效率；小麥產量；結構方程模型

0 引言

【研究意義】表土將近90%的土壤有機碳儲存于團聚體中[1]，而不同粒級團聚體有機碳含量依賴于有機碳組分特別是活性有機碳的變化[2]，活性有機碳是土壤有機質的活性部分，是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養分供應有最直接作用的那部分有機碳。大量研究表明，不同耕作措施引起土壤有機碳和土壤水分[3]的變化，同時也顯著影響土壤團聚體結構特征，從而影響到作物產量[4]。黃土高原汾渭平原區是山西和陜西兩省小麥的主產區，由于降雨量不足、土壤干旱、肥力低，導致該區小麥產量低而不穩。因此，研究不同耕作措施下土壤水分、土壤團聚體穩定性及其有機碳組分的變化特征，探討區域適宜的增碳保墑耕作方式，對于構建良好土壤結構，實現小麥穩產高產具有重要的意義。【前人研究進展】關于免耕秸稈還田對土壤活性有機碳的研究很多，張翰林等[5]研究發現，短期和長期秸稈還田對活性有機碳的提升效果均顯著。楊敏芳等[6]研究也發現，秸稈還田配合旋耕能夠顯著增加土壤有機碳和活性有機碳含量。然而，也有研究表明，秸稈還田提高了耕層總有機碳含量，翻耕提高了活性有機碳含量，免耕則降低了活性有機碳含量[7]。可見，免耕對土壤有機碳及活性有機碳的研究報道存在分歧。大量研究[8-10]表明翻耕破壞土壤大團聚體，致使表土團聚體中有機碳暴露；然而少免耕秸稈覆蓋還田可有效抑制土壤水分損失，為有機物料的分解提供適宜的環境條件，通過提高土壤有機碳含量，增強土壤顆粒膠結作用，有利于土壤團聚體的形成[11]，進而提高土壤保水性能[12]。此外，莊恒揚等[13]研究認為少免耕與常規耕作對作物產量影響不存在差異；免耕等保護性耕作導致作物減產的研究也頗多[14-15]；張斯梅等[16]研究表明免耕秸稈機械全量原位覆蓋還田處理小麥籽粒產量最高。可見，免耕對作物產量的研究結果也存在爭議。【本研究切入點】近年來，免耕秸稈覆蓋措施已廣泛應用于黃土高原旱作農業區[10,17-18]。然而，多年連續免耕對小麥產量及土壤有機碳變化的研究結果仍存在分歧，同時免耕對于土壤水分、土壤團聚體及其有機碳的研究往往都是單一效應，關于土壤水分、土壤團聚體穩定性及其有機碳組分對小麥產量的協同效應分析較少，且不夠明確。【擬解決的關鍵問題】本研究基于山西省農業科學院牛家凹冬小麥8年長期定位試驗，研究分析不同耕作措施下土壤水分利用狀況和土壤團聚體穩定性，探討團聚體內活性有機碳分布特征及冬小麥籽粒產量變化特征，在此基礎上進一步分析冬小麥免耕覆蓋條件下土壤貯水性能、土壤團聚體穩定性及其有機碳組分變化、水分利用效率與籽粒產量之間的關系，并進一步探討其協同效應，旨在為黃土高原干旱區選擇適宜的固碳保水耕作措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

本試驗在山西省農業科學院棉花研究所牛家凹試驗基地（111°05′15.12″ E，35°11′28.33″ N）進行。試驗區地處黃土高原東部汾渭平原黃河北干流中游以東，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫13.3℃，年平均日照時數2 039 h，無霜期212 d，年平均降水量525 mm，降水集中夏秋季。2008—2015年月平均降雨和2015年月平均降雨及相關氣溫等氣象數據見圖1（降雨量和氣溫數據來源于中國氣象數據網，https:// www.nmic.cn/）。該區土壤類型為粉質壤土（黏粒17.5%，砂粒28.0%，粉粒54.5%），土壤pH為8.15。2008年試驗開始時土壤總有機碳含量為5.85 g·kg-1；土壤活性有機碳組分可溶性有機碳（DOC）、易氧化有機碳（EOC）和微生物量碳（MBC）含量分別為39.21 mg·kg-1、1.88 g·kg-1和80.29 mg·kg-1。

圖1 2008—2015年月平均降雨、2015年月平均降雨和相關氣溫

1.2 試驗設計

試驗始于2008年，種植作物冬小麥，為一年一作的旱作小麥，10月上旬播種，次年6月上旬收獲，夏季休閑，生育期不灌水。試驗采用隨機區組設計，選取傳統耕作秸稈翻耕還田（CT-SP）和免耕秸稈覆蓋還田（NT-SM）作為供試處理。每個處理設3次重復，共6個小區，每個小區面積為60 m2。CT-SP田間方案：小麥收獲后，留茬15 cm，將秸稈粉碎，伏前將麥茬及粉碎秸稈直接翻耕到土壤中，翻耕深度20 cm，8月份耙磨1次，10月上旬采用機械旋耕播種，同時施化肥；NT-SM田間方案：小麥收獲后，留高茬15 cm，將秸稈粉碎覆蓋在農田表面（6—9月），10月上旬采用小型免耕機械播種，同時施化肥。其中各處理秸稈均全量還田，化肥用量一致，純N180 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2。氮肥品種為尿素（N：46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5：18%）。

1.3 樣品采集

1.3.1 土壤樣品采集 收獲期土壤樣品采集：于2015年6月冬小麥收獲時，在每個小區按“S”形選取 6 點，用直徑3 cm的土鉆采集0—20 cm表層土壤，每個處理3次重復。另外在相同位置采集原狀土壤樣品放入硬質塑料盒，在無擾動的情況下帶回實驗室常溫風干，當土壤含水量達到塑限時，用手把大土塊沿著其自然斷裂縫隙掰成不同大小的土塊，用8 mm篩子過濾除去植物根系、小石塊后用于進行土壤團聚體篩分。在分析土壤化學和生物學特性之前，將土壤樣品（包括全土和土壤團聚體）在室溫下風干，并分別保存在4℃的冰箱中。

生育期土壤樣品的采集：在播種前和收獲后，對0—200 cm土壤剖面進行取樣，取樣土層依次為：0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60、60—70、70—80、80—90、90—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm，重復3次。采用烘干法測定土壤質量含水量，采用環刀法測定土壤容重，并計算土壤體積含水量[19]。

1.3.2 植株樣品采集 于2015年6月冬小麥收獲時進行植株樣品采集。每小區隨機選取20株具有代表性的植株，自然風干后觀察記載每小穗結實粒數，千粒重，重復3次。每個小區隨機收獲3 m2，風干后脫粒測定產量[20]。

1.4 測定指標和方法

1.4.1 土壤團聚體篩分 小麥收獲期采集的土壤樣品，通過適宜含水量（10%—12%）干篩法進行土壤團聚體的分離測定[21]。取過8 mm篩的100 g鮮土置于自上而下依次為2、0.25 mm篩子的最上層，振動幅度為3 mm，手動上下振動5 min，30次/min。獲得＞2 mm、0.25—2 mm、＜0.25 mm共3個團聚體分組，重復3次。將收集到的各級團聚體稱重后于4℃冰箱中保存用于團聚體土壤有機碳組分的測定。

1.4.2 有機碳及其組分的測定 收獲期土壤樣品，土壤有機碳[22]采用元素分析儀（Elementar Vario MACRO，Germany）進行測定，將風干土壤過0.15 mm篩，用1 mol·L-1的鹽酸去除碳酸鹽后烘干，上機測定。土壤可溶性有機碳（DOC）[22-23]采用K2SO4溶液浸提法，利用總有機碳分析儀（Elementar Vario TOC，Germany）測定。土壤微生物量碳（MBC）[22,24]采用氯仿熏蒸提取法，利用總有機碳分析儀測定。MBC計算采用Bc= Ec/Kc，式中，Ec表示熏蒸與未熏蒸之差，Kc表示轉換系數，取值0.38。土壤易氧化有機碳（EOC）的測定[22,25]：KMnO4氧化法。

1.4.3 土壤含水量 生育期土壤質量含水量采用烘干法測定。土壤質量含水量（qm, g·g-1）=（烘干前鮮土質量-烘干后干土質量）/烘干后干土質量。土壤體積含水量（qv,cm3·cm-3）=qm×B，其中B為土壤容重（g·cm-3）。

1.4.4 水分利用效率和小麥產量 生長期的表觀用水量，以蒸散量（ET，mm）表示，根據生長期間的季節性降雨和土壤耗水量數據計算得出。假設沒有深層排水或徑流發生，使用以下簡單方程式來計算ET：

蒸散量（ET，mm）=P+W1-W2（1）

式中，P為生育期內降雨量；W1為作物播種時土壤剖面初始貯水量；W2為作物收獲后土壤剖面貯水量。

土壤貯水量W計算公式如下：

貯水量（W，mm）=∑（Ai×Bi×Ci）/10 （2）

式中，W為土壤貯水量；i為土層；A為土壤質量含水量（%）；B為土壤容重（g·cm-3）；C為土層厚度（cm）。

水分利用效率[26]（WUE，kg·hm-2·mm-1）=Y/ET（3）

小麥籽粒產量[20]（Y，kg·hm-2）=籽粒鮮重（kg）/取樣面積（m2）×[1-籽粒含水量（%）]/（1-12.5%）×10000 （4）

降水利用效率（PUE，kg·hm-2·mm-1）=Y/P （5）

1.5 數據處理與分析

1.5.1 團聚體指標相關計算 各粒級力穩性團聚體的質量分數wi（i=1、2、3，分別對應＞2 mm、0.25—2 mm和＜0.25 mm共3個粒級的團聚體）。團聚體力穩定性采用平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）和幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）[27]表示，對于＞0.25 mm的團聚體用指標R0.25[26]進行評價。團聚體對有機碳的貢獻率[28]為wc-aggregate(%)。

wi=mi/ 100×100% （6）

wc-aggregate=Caggregatewi/Csoil×100% （10）

1.5.2 數據處理 采用Microsoft Excel 2010進行處理數據和相關圖形的繪制。數據測定結果均以平均值±標準差的形式表示，利用SAS 9.1軟件單因素方差分析（One-way ANOVA）評價不同粒級處理間的差異顯著性（α=0.05），平均值多重比較檢驗采用最小顯著極差法（LSD）。對經過正態性檢驗的數據，采用Pearson法對作物產量與土壤團聚體穩定性指標進行相關分析。利用Amos軟件作結構方程模型（SEM），SEM模擬傳統耕作秸稈翻耕還田和免耕秸稈覆蓋還田田間措施下，團聚體活性有機碳組分對土壤有機碳變化的影響，以及土壤團聚體穩定性及其有機碳分布和土壤貯水量對作物產量的影響。

2 結果

2.1 免耕對土壤干篩團聚體穩定性的影響

土壤干篩團聚體3個粒級組分在不同耕作處理間的分布存在顯著差異（表1）。CT-SP和NT-SM兩個處理間＞2 mm粒級團聚體的質量分數差異不顯著；NT-SM處理0.25—2 mm粒級團聚體的質量分數較CT-SP處理顯著提升12.8%；而NT-SM處理＜0.25 mm粒級團聚體的質量分數顯著低于CT-SP處理。土壤團聚體穩定性指標除MWD外，R0.25和GMD在兩個處理間均差異顯著，NT-SM處理的R0.25和GMD較CT-SP處理分別提升8.6%和9.2%。

表1 不同耕作處理下土壤團聚體穩定性分析

w＞2mm, w0.25-2mm, w＜0.25mm: Mean ＞2 mm, 0.25-2 mm, ＜0.25 mmaggregate fraction; R0.25:Mean ＞0.25 mmaggregate fraction; MWD: Weight diameter; GMD: Geometric mean diameter

2.2 免耕對土壤水分及冬小麥產量的影響

播種前和收獲后不同層次土壤體積含水量存在較大差異（圖2）。播種前NT-SM和CT-SP兩個處理在2 m土層內土壤體積含水量在0.18—0.26 cm3·cm-3之間。其中，除10—20 cm和60—70 cm兩個土層外，在其他土層NT-SM處理土壤體積含水量均高于CT-SP處理。收獲后NT-SM和CT-SP兩個處理含水量在0.08—0.16 cm3·cm-3之間。0—60 cm土層，NT-SM處理土壤體積含水量高于CT-SP處理；60—90 cm土層，NT-SM處理土壤體積含水量與CT-SP處理不存在顯著差異；100—200 cm土層，NT-SM處理土壤體積含水量均高于CT-SP處理。

播種前與收獲后0—200 cm土層貯水量，NT-SM處理較CT-SP處理分別提升5.3%和17.7%（表 2）。冬小麥生育期兩個處理耗水量在統計學上雖然不存在顯著差異，但NT-SM處理耗水量較CT-SP處理降低了5.2%。NT-SM處理冬小麥產量較CT-SP處理顯著提升8.9%。降雨利用效率和水分利用效率均表現為NT-SM處理顯著高于CT-SP處理，分別提升了9.1%和15.4%。

2.3 免耕對土壤團聚體有機碳及活性有機碳組分的影響

SOC和MBC含量在CT-SP處理中表現為隨團聚體粒級的減小呈逐漸降低的趨勢，在NT-SM處理中表現為隨團聚體粒級的減小呈現先升高后降低的趨勢；兩個處理的DOC含量均表現為隨團聚體粒級的減小呈逐漸降低的趨勢；EOC含量在兩個處理間則均表現為隨團聚體粒級的減小呈現先升高后降低的趨勢（圖3）。在全土中，NT-SM處理較CT-SP處理SOC、EOC和MBC含量分別提升17.7%、10.8%和23.6%，而DOC含量在兩個處理間差異不顯著。在＞2 mm粒級中，與CT-SP相比，NT-SM處理SOC、EOC和MBC含量分別提升18.4%、25.0%和18.2%，DOC含量在兩個處理間差異不顯著。在0.25—2 mm粒級中，SOC、DOC和MBC含量NT-SM處理較CT-SP處理分別提升22.4%、26.5%和39.2%。在＜0.25 mm粒級中，EOC含量NT-SM處理較CT-SP處理則顯著降低20.1%，而SOC、DOC和MBC含量兩處理間則不存在顯著差異。

圖2 不同耕作處理播前與收獲后土壤體積含水量變化（0—200 cm）

表2 不同耕作處理對冬小麥產量和水分利用的影響

SB: Soil water storage before sowing; SA: Soil water storage after harvesting; ET: Water consumption during growing period; PUE: Precipitation use efficiency; WUE: Water use efficiency

＞2 mm粒級團聚體對SOC和活性有機碳組分的貢獻率在兩個處理間均不存在顯著差異；0.25—2 mm粒級團聚體對SOC、DOC和MBC的貢獻率，NT-SM處理較CT-SP處理分別提升18.4%、29.2%和28.4%，該粒級對EOC的貢獻率在兩處理間不存在顯著差異；＜0.25 mm粒級團聚體對SOC、EOC和MBC的貢獻率，NT-SM處理較CT-SP處理分別降低15.1%、40.4%和24.8%，該粒級對DOC的貢獻率在兩處理間不存在顯著差異（圖4）。

2.4 土壤團聚體內活性有機碳與SOC關系分析

土壤團聚體活性有機碳組分與SOC的結構模型方程樣本多變量正態性檢驗指標c.r.＜1.96；CMIN/DF介于1—3之間；＞0.05；RMSEA＜0.05[29]，表明該模型整體擬合效果可接受。土壤團聚體活性有機碳對SOC的影響表現為（圖5）：MBC對團聚體SOC表現出最大直接效應（0.88），然而EOC則表現負效應作用。EOC對MBC總效應為0.84。DOC和EOC之間表現極顯著協同效應（標準化回歸權重值：0.73）。

柱上a, b字母表示同一團聚體粒級不同處理間存在顯著差異。圖4同

圖4 不同耕作處理各粒級團聚體對SOC、DOC、EOC和MBC的貢獻率

實線和虛線分別表示顯著正效應和負效應。箭頭的寬度與強度的關系呈正比。線條附近的數字是標準路徑系數，該系數顯示了模型中的變量關系。圖6同

2.5 土壤有機碳、土壤貯水量、團聚體穩定性與小麥產量之間的相關關系

冬小麥產量與SOC、活性有機碳組分、WUE、R0.25、MWD、GMD均呈顯著相關關系（表3）。SOC與活性有機碳組分、WUE、R0.25、GMD相關性均達到了0.85以上。DOC與WUE、GMD相關性達到0.8以上；EOC與WUE、R0.25、GMD相關性均達到0.9以上；MBC則與收獲后土壤貯水量、WUE、R0.25、GMD相關性均達到0.85以上。播種前土壤貯水量與收獲后土壤貯水量、R0.25顯著性均達到了0.85以上。收獲后土壤貯水量與WUE、R0.25、GMD呈顯著正相關關系。WUE與R0.25、GMD呈顯著相關關系。團聚體穩定性指標中，R0.25和MWD與GMD分別呈極顯著和顯著相關關系。

GMD對小麥產量表現出最大直接效應（0.98），SOC和播前土壤貯水量對產量表現正效應作用（圖6）。GMD對SA總效應為0.83。GMD和SOC之間表現極顯著協同效應（0.93）。

3 討論

3.1 免耕覆蓋顯著改善了土壤團聚體組成和穩定性

本文研究結果表明，與傳統耕作秸稈翻耕還田相比，免耕覆蓋措施顯著提高0.25—2 mm粒級團聚體的含量、R0.25和GMD，分別提升12.8%、8.6%和9.2%。可見，免耕秸稈覆蓋較傳統耕作秸稈翻耕還田，提升＞0.25 mm土壤大團聚體[30]含量；同時，GMD含量的提升表明免耕秸稈覆蓋措施提高了土壤的團聚度和穩定性。免耕秸稈覆蓋改善土壤團聚體穩定性一方面因為秸稈還田外源易分解有機物料的添加，刺激了土壤微生物酶活性，在為土壤提供有機質的同時，對團聚體的形成和穩定性具有增加作用[31-33]。另一方面，傳統耕作秸稈翻耕還田措施，土壤擾動程度大，秸稈與土壤顆粒接觸面積增大，同時減弱了土壤團聚體的聚合度；然而免耕覆蓋條件下，土壤擾動程度減少，在各種自然因素作用下形成各粒級土壤團聚體，并且活性較高的顆粒態有機碳則更多地賦存在大團聚體內（圖3），增加了土壤的有機膠結物質[34]，提高了團聚體的穩定性。

表3 不同耕作處理SOC、小麥產量和土壤團聚體穩定性指標的相關關系

“*”表示在0.05水平上顯著相關；“**”表示在0.01水平上顯著相關

“*” Indicate significant different at α=0.05; “**”Indicate significant different at α=0.01

圖6 土壤有機碳、團聚體穩定性、土壤貯水量對小麥產量影響的結構方程模型

3.2 免耕覆蓋顯著提升了團聚體微域環境中活性有機碳含量

土壤活性有機碳（DOC，EOC，MBC）作為土壤碳組分中最活躍的部分，與SOC相比，其對耕作措施的反應更為靈敏[35]。本研究發現，與傳統耕作秸稈翻耕還田相比，免耕覆蓋措施中全土的SOC、EOC和MBC含量分別提升17.7%、10.8%和23.6%，而DOC含量在兩個處理間差異不顯著。兩種耕作措施SOC的變化來源于傳統翻耕表層土壤結構遭到破壞，使原本包含在大團聚體中的有機碳更容易被分解礦化，加速SOC的礦化速率[36]；免耕能夠減少對土壤團聚體的干擾與破壞，保持礦化作用區與生物聚集區的空間隔離，延長有機碳在團聚體中的貯存周期[37]。然而，耕層土壤可溶性有機碳含量受秸稈添加的影響大于耕作[6]，引起了兩個處理間全土的DOC無顯著差異。同時，本研究也發現，免耕覆蓋措施顯著提升＞2 mm和0.25—2 mm兩個粒級團聚體SOC和活性有機碳含量及其貢獻率，這主要是因為，傳統耕作土壤擾動刺激了土壤有機碳的氧化，外源秸稈的添加與土壤耕作結合加速土壤原有有機質的分解[38-39]；免耕覆蓋措施通過減少土壤擾動和增加外源秸稈，減少原有有機質的分解；同時，在外界降雨、氣溫的綜合作用下，作為主要膠結物質的有機質將土壤顆粒和小粒級團聚體膠結成大團聚體，大團聚體中MBC明顯高于微團聚體（圖3），進而增加了大團聚體中SOC含量[40]。然而，兩個處理＜0.25 mm團聚體SOC和活性有機碳組分（除EOC外）均無顯著差異，這與微團聚體中較小的比表面積，較少的活性位點，對有機物質較弱的吸附能力有關[41]。

3.3 免耕覆蓋改善了土壤團聚體結構、固碳保墑，提高小麥產量

土壤團聚體活性有機碳的增加有利于改善土壤團聚體結構。相關性分析研究發現，R0.25和GMD與SOC相關系數均大于0.85；SOC含量與GMD之間呈顯著協同效應（圖6）。這主要因為免耕覆蓋減少了土壤擾動，且田間殘留的秸稈等有機物的降解，有利于增加土壤大團聚體SOC含量，主要表現在0.25—2 mm粒級團聚體對SOC和活性有機碳的貢獻率影響顯著（圖4）增加；而翻耕處理農田土壤結構遭到破壞，由于土壤暴露于空氣中，土壤通透性增加，微生物活性提高，加速土壤有機碳的氧化[42]。通過結構方程模型分析土壤團聚體活性有機碳對SOC的影響發現，土壤團聚體MBC是影響SOC變化的主導因子，其對SOC的總效應為0.88，一方面，這一結果與免耕措施提高0.25—2 mm粒級團聚體對SOC和MBC貢獻率，降低＜0.25 mm粒級團聚體對SOC和MBC貢獻率相一致（圖4）；另一方面，免耕覆蓋可使土壤保持良好的結構，利于土壤有機質的積累，為微生物提供良好的水、熱條件和活動空間，團聚體的物理保護作用是土壤有機碳穩定性的重要機制[43]。同時秸稈還田也為微生物提供了大量營養物質，加速微生物生長繁殖，使得MBC含量顯著提高[17]。

土壤團聚體結構改善有利于提高土壤蓄水保墑性能。本研究發現，土壤團聚體穩定性指標GMD對土壤貯水性表現出顯著正效應作用（圖6）；土壤團聚體穩定性指標R0.25、GMD、0.25—2 mm團聚體質量分數與收獲后SA、WUE均呈顯著相關關系。其作用機理主要包含：免耕秸稈覆蓋還田措施，秸稈含有大量的有機碳和作物生長所需的氮磷鉀等營養元素，由于秸稈碳源等大量有機物料添加帶來的疏水性，降低了團聚體可濕性，使其更難被礦化，促進大團聚體的形成[44]，并提高了土壤的貯水能力。免耕覆蓋措施較少的土壤擾動可提高土壤團聚體穩定性，改善土壤結構，創建良好的土壤水熱狀態，進而提高土壤剖面的土壤體積含水量（圖2）和土壤的貯水能力（表2）。秸稈覆蓋還田可有效抑制土壤水分損失，維持并提升表層土壤含水量，為有機物料的分解提供適宜的環境條件，通過提高SOC含量，改善土壤團聚體穩定性，進而提高土壤保水性能[37]，緩解干旱對作物生長的不良影響。

免耕覆蓋改善了土壤團聚體結構、固碳保墑，從而協同提高小麥產量。少免耕等農業耕作措施，由于不需翻耕整地，在保證下茬作物適時播種的同時，有利于充分利用光溫資源，提高抗災應變能力，增產效應優勢明顯。本研究也表明，與傳統耕作秸稈翻耕還田相比，免耕措施小麥產量提升8.9%。這與不同耕作措施在黃土高原不同區域適應性存在差異有關，同時，相關meta-analysis研究表明，在年降雨量≤500 mm地區和年均溫度≤10℃地區采用免耕更有利于作物產量和水分利用效率的增加[45]；并且，冬小麥生育期需水與黃土高原季節降雨嚴重錯位，冬小麥生育期降雨極少，而免耕措施保蓄水分的作用凸顯，因此產量得到顯著提升。土壤水分、土壤團聚體穩定性及其有機碳協同影響小麥產量，土壤團聚體穩定性對小麥產量表現為極顯著正效應（圖6）。并且，免耕覆蓋措施相比傳統耕作秸稈翻耕還田改善了土壤團粒結構，具體表現在GMD提升了9.2%。但是，兩種耕作措施耕作方式、秸稈還田方法與還田量的差異，勢必會引起土壤水分和有機碳含量的變化。免耕覆蓋措施較少的土壤擾動，利于提升土壤＞0.25 mm團聚體含量，改善土壤團聚體穩定性；秸稈覆蓋還田阻擋了部分太陽輻射，降低了土壤溫度和土表水分蒸發，進而減少了水分的無效損耗[46]，進而提高土壤的保水蓄水能力。常規耕作頻繁的土壤擾動加速土壤有機質的礦化和地表蒸發，小麥對土壤水分的吸收利用進一步引起表層土壤含水量降低，導致小麥根系阻抗增加，是傳統耕作較免耕減產的一個主要原因[47]。

綜上分析，不同耕作措施下土壤有機碳、活性有機碳組分、土壤團聚體穩定性和土壤水分等土壤特性指標都顯著影響小麥籽粒產量，表明不同耕作措施影響土壤水分和土壤團聚體穩定性的同時，提高了有機碳及其活性有機碳組分含量，最終直接影響小麥籽粒產量，反映了不同耕作措施下土壤結構穩定性與小麥籽粒產量的內在聯系，免耕覆蓋條件下土壤團聚體結構改善、土壤活性有機碳增加、土壤保水性能的改善，協同提高了小麥產量。

4 結論

免耕秸稈覆蓋還田明顯改善了土壤團聚體穩定性，主要表現在0.25—2 mm粒級團聚體含量的增加、R0.25和GMD的提升；增加了全土、＞2 mm和0.25—2 mm粒級團聚體的SOC和MBC含量；提高了冬小麥土壤貯水量、水分利用效率、降雨利用效率，從而實現了土壤固碳保墑和作物增產的協同效應。

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Synergistic Effects of Soil Moisture, Aggregate Stability and Organic Carbon Distribution on Wheat Yield Under No-Tillage Practice

ZHENG FengJun1, WANG Xue2, LI ShengPing1, LIU XiaoTong1, LIU ZhiPing4, LU JinJing1, 4, WU XuePing1, XI JiLong3, ZHANG JianCheng3, LI YongShan3

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2People’s Government of Fangshan District Liulihetown, Beijing 102403;3Institute of Cotton, Shanxi Agricultural University, Yuncheng 044000, Shanxi;4Institute of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031

【】Based on an 8 year (2008-2015) long-term field experiment in Yuncheng, Shanxi Province, the characteristics of stability and active organic carbon contents in soil dry aggregate, water use efficiency and winter wheat yield under no-tillage with straw mulching were studied, and the synergistic effect among soil moisture, the stability and organic carbon components of soil aggregates and wheat grain yield were analyzed, so as to provide a theoretical basis for the best tillage practice in the dry farming area of the Loess Plateau in China.【】In this study, two tillage treatments in the long-term field experiment were selected, including CT-SP (convention tillage with straw plowing) and NT-SM (no-tillage with straw mulching). During the winter wheat harvest period, the soil aggregate fractions were measured by dry-sieving method, the contents soil organic carbon (SOC) and active organic carbon (dissolved organic carbon, DOC; easily oxidized organic carbon, EOC; microbial biomass carbon MBC) in soil dry aggregates were determined, and soil moisture (soil volumetric water content,qv; soil water storage before sowing, SA; soil water storage after harvesting, SB; water consumption during growing period, ET; precipitation use efficiency, PUE; water use efficiency, WUE) and crop yield were investigated too.【】(1) Compared with CT-SP treatment, NT-SM treatment significantly increased the proportions of aggregate 0.25-2 mm, the contents of macro-aggregates (R0.25) and geometric mean diameter (GMD) by 12.8%, 8.6% and 9.2%, respectively. (2) Compared with CT-SP treatment, the contents of SOC and MBC in bulk soil, ＞2 mm and 0.25-2 mm in NT-SM treatment, increased by 17.7% and 23.6%, 18.4% and 18.2%, 22.4% and 39.2%, respectively. The contribution rates of 0.25-2 mm soil aggregate-associated carbons to SOC and MBC increased by 18.4% and 28.4%, respectively. (3) Compared with CT-SP treatment, NT-SM treatment increased the SA, PUE, WUE and wheat yield by 17.7%, 8.92%, 14.98% and 8.92%, respectively, and the Pearson correlation coefficients between yield and SOC, WUE, R0.25, MWD, GMD reached above 0.9. (4) By structural equation model analysis, it was found DOC and EOC affected MBC change by a synergistic in soil aggregates, and also the total effect of MBC content on SOC was 0.88, suggesting it was the dominant factor affecting SOC change. (5) The water storage, soil aggregate stability and SOC distribution affected wheat yield by a synergistic effect. Moreover, soil aggregates stability had a significant positive effect on winter wheat yield.【】In the dry farming area of the Loess Plateau in China, the no-tillage with straw mulching could improve the stability of soil aggregates and the soil water environment, the contents of organic carbon and active organic carbon fractions in the topsoil, and increase soil carbon sequestration, water retention and crop yield.

no-tillage with straw mulching; soil aggregates; active organic carbon; soil water storage; WUE; winter yield; SEM

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.03.013

2020-05-04；

2020-07-29

國家重點研發計劃（2018YFD0200408，2016YFD0300804）、國家科技支撐計劃（2015BAD22B03）、中央級公益性科研院所基本科研業務費專項（1610132019033）

鄭鳳君，E-mail：zfengjunhn@163.com；王雪，E-mail：snow13366038169@163.com。鄭鳳君和王雪為同等貢獻作者。通信作者武雪萍，E-mail：wuxueping@caas.cn。通信作者張建誠，E-mail：zhangjc@126.com

（責任編輯 李云霞）