免耕結合覆蓋措施對渭北旱塬黑壚土結構與團聚體有機碳含量的影響

周明星，代子俊，樊軍,2，付威，郝明德,2

免耕結合覆蓋措施對渭北旱塬黑壚土結構與團聚體有機碳含量的影響

周明星1，代子俊1，樊軍1,2，付威1，郝明德1,2

1西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100

【目的】闡明長期免耕及覆蓋措施對渭北旱塬農田土壤團聚體結構和有機碳含量的影響，探索改善區域土壤的適宜耕作措施。【方法】在連續16年的黑壚土田間定位試驗中選擇傳統耕作（CT）、免耕無覆蓋（NT）、免耕+秸稈覆蓋（NS）、免耕+地膜覆蓋（NP）、免耕+秸稈覆蓋+地膜覆蓋（NSP）等共5種田間管理措施，于2019年10月春玉米收獲期采集0—40 cm土層土樣，測定容重、團聚體粒級分布及有機碳含量。【結果】（1）免耕及覆蓋措施（NT、NP、NS和NSP）影響了黑壚土容重和團聚體粒級分布。免耕及覆蓋措施均提高了耕層（0—20 cm）土壤容重，其中0—10 cm土層容重提高7.1%—17.8%，犁底層容重和孔隙度變化與耕層相反。耕層大團聚體比例顯著提高、微團聚體比例顯著降低，促進耕層微團聚體向大團聚體的轉化。各粒級團聚體重量百分比在耕層（0—20 cm）分布為：較大團聚體（0.25—2 mm）＞大團聚體（＞2 mm）＞微團聚體（0.053—0.25 mm）＞粉黏粒組分（＜0.053 mm），在犁底層（20—40 cm）為較大團聚體和粉黏粒組分顯著高于大團聚體和微團聚體。（2）免耕及覆蓋措施下有機碳含量隨團聚體粒級增大而增加。在0—40 cm土層，NT處理各粒級團聚體有機碳含量均顯著低于CT處理，而NS、NSP處理均顯著高于CT處理。（3）耕層總有機碳累積以＞0.25 mm團聚體有機碳為主，犁底層以粉黏粒組分和較大團聚體有機碳為主。【結論】長期免耕及覆蓋措施促進耕層微團聚體向大團聚體轉化。與傳統耕作相比，免耕和地膜覆蓋均降低了耕層各粒級團聚體有機碳含量。而免耕覆蓋（NS、NP和NSP）比免耕無覆蓋（NT）均增加了各粒級團聚體有機碳含量。免耕結合秸稈覆蓋（NS）顯著改善土壤容重且對各粒級團聚體有機碳含量提升幅度最大，是最佳處理。

免耕；覆膜；秸稈覆蓋；有機碳；團聚體；黑壚土；渭北旱塬

0 引言

【研究意義】渭北旱塬是黃土高原典型的旱作雨養農業區，該區域地力貧瘠、降雨時空分布不均等制約著主要糧食作物春玉米產量[1-2]。因此，通過不同耕作與覆蓋措施改善土壤結構，提升土壤團聚體結構穩定性，增強土壤保肥性能是提高和穩定渭北旱塬地區春玉米產量的有效措施[3]。【前人研究進展】前人研究表明，以免耕、秸稈覆蓋為代表的保護性耕作措施有蓄水保墑、培肥地力等重要功能。免耕能降低土壤容重，為土壤提供適宜氣液比例[4]，促進作物生長發育。此外不同覆蓋措施對改善土壤水肥狀況和團聚體結構，提升地力等方面有顯著作用[5]。聚乙烯薄膜覆蓋保墑抑蒸效果較好，減少無效蒸發，還可以協同增強玉米“源-庫”生產能力，增加籽粒產量[6-7]。秸稈覆蓋具有調節土壤溫度、疏松土壤、增加外源有機碳輸入作用[5]，同時能夠顯著影響相對氣體擴散率和飽和導水率等水氣傳輸特性[8]，是旱作農田提高水肥利用效率的有效措施[9]。土壤容重和孔隙大小可以反映土壤松緊程度和肥力等狀況[4]，土壤結構相關指標與有機碳含量密切相關[10]。團聚體作為土壤結構基本單元，其數量、分布和穩定性受耕作與覆蓋措施影響顯著[11]，同時作為礦質營養轉化及微生物生存的場所，對土壤有機碳固存起物理保護作用。而有機碳作為重要的膠結物質，對團聚體的形成過程具有重要意義[12]。土壤質地、耕作方式、施肥方式等都會影響不同粒級團聚體含量，進而改變團聚體中有機碳含量，并影響其礦化速度[13]。國內外大量研究表明，大團聚體（＞2 mm）和粉黏粒（＜0.053 mm）中儲存了大量的有機碳[14]，且秸稈還田能顯著推動微團聚體向大團聚體轉化[15]。李娟等[16]針對喀斯特山區石灰土研究發現，＞0.5 mm粒級團聚體有機碳貢獻率最高，且1—5 mm粒級團聚體更有利于有機碳積累。MODAK等[17]對砂質壤土研究發現，傳統耕作比免耕處理的大團聚體有機碳含量在0—5和5—15 cm土層分別低約30%和25%。【本研究切入點】目前，渭北旱塬農業區保護性耕作研究多集中于對根外土壤短期理化性質或單一養分轉化循環[2-3,5,8-9]，而長期保護性耕作下土壤各粒級團聚體有機碳分布特征以及與土壤結構之間聯系的研究相對缺乏，同時哪一種覆蓋方式對團聚體有機碳提升作用最優尚不明確。【擬解決的關鍵問題】本研究通過探究長期免耕及覆蓋措施對不同粒級團聚體有機碳分布和土壤結構的影響，探尋適合渭北旱塬區保持良好土壤結構和肥力的耕作措施，為旱地農業生產的可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長期定位試驗位于陜西省長武縣西北農林科技大學長武農業生態試驗站（35°14′ N、107°40′ E），屬于典型旱作雨養農業區，為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均降雨量584 mm，降水年際變化較大且時空分布不均，大多集中在7—9月，平均海拔高度約1 200 m，平均日照時數2 226 h[1-3]。試驗區多年平均氣溫為9.1 ℃，1月份平均氣溫-4.7 ℃，7月平均氣溫22.1 ℃。土壤類型為黑壚土，母質類型為馬蘭黃土，土層深厚，孔隙度50%左右[8]。

1.2 試驗設計

試驗始于2004年，共設置12個處理，總面積為1 260 m2，小區采用隨機區組設計，每個小區面積為35 m2（5 m×7 m），選擇一年一熟的春玉米先玉335作為供試作物，采用寬窄行種植方式，寬行為60 cm，窄行為30 cm。本季春玉米于2019年5月10日播種，2019年10月1日收獲。本研究選取了傳統耕作（CT）、免耕無覆蓋（NT）、免耕+秸稈覆蓋（NS）、免耕+地膜覆蓋（NP）、免耕+秸稈覆蓋+地膜覆蓋（NSP）共5個處理進行研究，處理具體信息見表1。每個處理均設3次重復，試驗所用地膜為70 cm寬、0.015 mm厚的聚乙烯薄膜，每個小區均施氮肥（含N 46%）和磷肥（含P2O516%）作為基肥，氮肥施用量為150 kg N·hm-2，磷肥施用量為75 kg P2O5·hm-2，玉米生長期間不追肥[1]。

表1 試驗處理詳情

1.3 指標測定方法與數據計算

1.3.1 土壤團聚體分布與各粒級團聚體有機碳 在2019年10月春玉米收獲期間，于試驗小區挖階梯狀剖面用鋁盒分別采集0—10、10—20、20—30和30—40 cm土層土壤樣品，將0—10和10—20 cm土層歸為耕層，20—30和30—40 cm土層歸為犁底層。濕篩法中土樣預濕方式和濕篩方式是影響水穩性團聚體粒級分布的重要因素，不同的方法所得結果差異很大[18]，同時預濕過程不能保證每次土樣的濕潤速度相同，不能反映土壤的真實狀況，因此本試驗采用干篩+濕篩結合的方法[19]，篩分成7級顆粒組分，盡量減少預濕和濕篩過程中人為因素所造成的誤差對試驗結果的影響。具體步驟為待土樣自然風干后，去除掉小石塊和植物殘根，過8 mm篩，然后稱量200 g風干土樣，干篩分成＜0.053、0.053—0.25、0.25—0.5、0.5—1、1—2、2—5、5—8 mm不同粒級團聚體，稱重并計算其各組分質量比例，按照比例配50 g土樣用于濕篩測定[19]。通過濕篩法分離、取得7級顆粒組分，將5—8、2—5 mm粒級團聚體的百分比相加歸為大團聚體（＞2 mm），1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm粒級團聚體的百分比相加歸為較大團聚體（0.25—2 mm），其余粒級保持不變，分別是微團聚體（0.25—0.053 mm）和粉黏粒組分（＜0.053 mm）[14,19]。利用重鉻酸鉀-外加熱法測定各粒級水穩性團聚體有機碳含量。

團聚體有機碳貢獻率（%）=[團聚體有機碳含量（g·kg-1）×團聚體含量（%）/土壤有機碳含量]×100。

1.3.2 土壤容重與總有機碳 在階梯狀剖面每個土層的中部取環刀樣2個，用于測定土壤容重。每個小區采用5點取樣法，通過4分法處理土樣，利用重鉻酸鉀-外加熱法測定全土總有機碳含量。

1.4 數據分析與繪圖

通過Excel 2010整理和統計的基礎試驗數據進行分析，在不同處理和不同粒級之間通過SPSS 20對數據進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan法進行多重比較，對全土總有機碳和各粒級團聚體有機碳進行Pearson數據分析，并通過Origin 2018繪圖。

2 結果

2.1 耕作覆蓋措施對黑壚土團聚體結構的影響

2.1.1 團聚體分布特征 免耕及結合覆蓋措施顯著影響了黑壚土團聚體粒級分布（＜0.05），團聚體粒級分布在耕層呈現：較大團聚體＞大團聚體＞微團聚體＞粉黏粒組分；在犁底層呈現較大團聚體和粉黏粒組分數量顯著高于大團聚體和微團聚體。在耕層（圖1-a、1-b），與CT相比，其余處理均顯著提高大團聚體比例，NSP處理在0—10和10—20 cm土層分別達到最大值（35.3%、28.6%），顯著提高了17.7%和9.2%。但犁底層NS處理在20—30 cm土層大團聚體數量達到最大（19.9%）（圖1-c），免耕及覆蓋措施對30—40 cm土層大團聚體的影響未達顯著水平（圖1-d）。

方柱上不同字母表示相同粒級不同處理在0.05水平差異顯著

免耕及結合覆蓋措施下微團聚體所占比例在耕層均呈顯著降低趨勢，其中NT處理微團聚體數量在0—10、10—20 cm土層分別達到最小值（7.8%、6.2%），較CT處理分別顯著降低了12.9%、14.6%，在犁底層NT、NP處理顯著降低了微團聚體比例，但NS處理能提高微團聚體所占比例，且在30—40 cm土層差異顯著。免耕及不同覆蓋措施下粉黏粒組分逐漸向下層積累，各處理耕層粉黏粒所占比例均低于犁底層，特別在0—10 cm表層土壤差異顯著，其中NS處理0—10 cm土層粉黏粒比CT處理顯著降低了4.5%。

2.1.2 容重和總孔隙度 耕層容重均小于犁底層，整體呈隨深度增加而增加（表2）。0—10 cm土層，與CT處理相比，免耕及結合覆蓋措施均提高了耕層土壤容重，增幅顯著達7.1%—17.8%；在20—30 cm土層則相反，降幅顯著，達6.3%—10.5%。與NT處理相比，結合覆蓋措施均提高了犁底層土壤容重，且NS和NSP處理在30—40 cm土層差異顯著；NS處理0—10 cm土層的土壤容重顯著降低了6.4%，NP和NSP在耕層則差異不顯著。NP和NSP相比NS處理均提高了耕層土壤容重，且NP處理0—10 cm土層差異顯著（表2）。總孔隙度與土壤容重在耕層和犁底層所呈現的規律相反。

表2 不同耕作覆蓋措施下0—40 cm土層的容重

同列數據后不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著，同行數據后不同大寫字母表示同一處理在不同土層間差異顯著(＜0.05)

Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between treatments in the same soil layer, and different capital letters after the data in the same column indicate significant differences between treatments in the same soil layer (＜0.05)

2.2 耕作覆蓋措施對黑壚土有機碳分布特征的影響

免耕及結合覆蓋措施對黑壚土剖面土壤有機碳含量有一定影響（表3），各處理有機碳含量呈現隨土層由淺向深遞減。與CT相比，NT處理在0—40 cm土層有機碳含量降低了1.6%—12.5%，NS和NSP處理均提高了各土層有機碳含量，其中NS處理各土層有機碳含量顯著提高了17.1%—24.9%，但NP處理提高了犁底層、降低了耕層有機碳含量。

相同粒級團聚體有機碳分布在免耕及結合覆蓋措施下差異顯著（＜0.05）（圖2）。不同處理同粒級團聚體有機碳含量在耕層（0—20 cm）呈現：NS＞NSP＞CT＞NP＞NT。與CT處理相比，NS（17.5%—41.3%）和NSP（2.8%—11.87%）處理各粒級團聚體有機碳含量在耕層均顯著提高，NT、NP處理均顯著降低。與NS處理相比，NP（14.4%—31.0%）和NSP（7.7%—21.0%）處理使耕層各粒級團聚體有機碳含量顯著下降。在犁底層（20—40 cm）中（圖2-c、2-d），NS、NSP處理的各粒級團聚體有機碳含量均顯著高于CT處理。與NT處理相比，結合覆蓋措施（NS、NP和NSP）均增加了0—40 cm土層各粒級團聚體有機碳含量，其中NS和NSP處理差異顯著。在0—40 cm土層同處理不同粒級團聚體下有機碳含量均隨著團聚體粒級增大而增加，且各處理中大團聚體有機碳含量與微團聚體和粉黏粒有機碳含量差異顯著（圖2）。

表3 不同耕作覆蓋措施下0—40 cm土層總有機碳含量分布

同列數據后不同小寫字母表示相同土層不同處理間總有機碳含量在0.05水平下差異顯著

Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences in total organic carbon content between different treatments in the same soil layer at the 0.05 level

方柱上不同大寫字母表示不同處理下相同粒級團聚體有機碳含量在0.05水平上差異顯著，不同小寫字母表示相同處理下不同粒級團聚體有機碳含量在0.05水平上差異顯著

2.3 不同耕作覆蓋措施下土壤總有機碳與團聚體有機碳含量的相關性

土壤總有機碳與各粒級團聚體有機碳含量表現出正相關關系（圖3）。耕層（0—20 cm）大團聚體、較大團聚體有機碳與總有機碳含量呈極顯著正相關（＜0.01），微團聚體有機碳含量與總有機碳含量呈顯著正相關（＜0.05），2值分別為0.954、0.989和0.904。在犁底層，土壤總有機碳含量與各粒級團聚體有機碳含量表現出正相關關系，其中較大團聚體和粉黏粒有機碳含量與總有機碳含量呈極顯著正相關（＜0.01），2值分別為0.984和0.996。大團聚體和微團聚體有機碳含量與總有機碳含量呈顯著正相關（＜0.05），2值分別為0.868和0.809。

2.4 耕作覆蓋措施對團聚體有機碳貢獻率的影響

免耕及結合覆蓋措施影響了各粒級團聚體有機碳貢獻率（圖4），不同粒級團聚體有機碳貢獻率與粒級分布規律相同。具體而言，免耕及結合覆蓋措施均增加了耕層大團聚體有機碳貢獻率，但犁底層與耕層不同，30—40 cm土層差別不大，而20—30 cm土層大團聚體有機碳貢獻率均增加，其中NS、NSP處理增加了12.9%、13.1%。免耕及免耕結合覆蓋措施均降低了耕層微團聚體有機碳貢獻率，其中NT（12.5%—14.2%）和NS（5.2%—8.9%）處理降幅顯著。NT、NP處理微團聚體有機碳貢獻率在20—30和30—40 cm土層則分別降低了5.3%、4.0%和13.7%、8.3%。

圖3 不同耕作覆蓋措施下土壤總有機碳含量與各粒級團聚體中有機碳含量相關性

圖4 不同耕作覆蓋措施下0—40 cm土層各粒級團聚體有機碳貢獻率

不同耕作與覆蓋措施下粉黏粒有機碳貢獻率呈現耕層小于犁底層（圖4），特別是0—10 cm土層顯著低于犁底層。與CT處理相比，NP（4.7%—7.8%）和NS（5.6%—6.5%）處理粉黏粒有機碳貢獻率在犁底層均提高，而NT處理降低了1.4%和4%，且NT處理耕層粉黏粒有機碳貢獻率與犁底層相反，在0—10、10—20 cm土層分別提高了1.5%和5.4%。

3 討論

3.1 保護性耕作措施下的土壤結構

長期免耕及結合覆蓋措施（NT、NP、NS和NSP）對土壤容重和不同粒級團聚體的分布有顯著影響，促進耕層微團聚體向大團聚體轉化，其中以秸稈覆蓋效果最顯著，這與閆雷[11]、高洪軍等[15]研究結果一致。可能由于免耕結合覆蓋措施導致團聚體內部機械組成、菌絲膠結狀況發生改變[14,16]。覆蓋的秸稈能夠促進蛋白質、多糖等土壤黏合劑的產生[20]，有助于腐殖質和腐殖酸增加[21-23]，更適于微生物生長，從而利于土壤微小顆粒包裹，促進耕層微團聚體向大團聚體轉化。本研究結果顯示長期保護性耕作降低犁底層容重但提高耕層容重，這與KETEMA等[24]對深色淋溶土的研究結果一致。主要因為免耕導致凋落物分解率降低、土壤擾動減少[25]。此外本研究顯示粉黏粒（＜0.053 mm）在0—10 cm表層積聚較少，逐漸向下層積累。在干旱半干旱區，土壤容重會影響水分自然耗散[26]，團聚體形成過程受容重、孔隙度和土壤水分等因素的影響，劉萌等[8]研究發現，免耕覆蓋措施能顯著提高犁底層飽和導水率和導氣率，因此耕作與覆蓋措施對容重等土壤結構的改變能顯著影響水氣傳輸特性，也是造成粉黏粒數量向下層累積、對30—40 cm土層大團聚體比例提高效果不顯著的原因之一。土壤抗剪強度也會顯著影響團聚體中黏粒含量動態變化[27]，相對下層土壤，表層（0—10 cm）土壤更易受人為擾動，也會造成粉黏粒向下層累積。

土壤質地是影響水穩性團聚體分布的重要因素之一。前人針對亞熱帶地區黃壤土[28]、黃土高原東部丘陵區壤質黃土[29]開展了長期試驗，結果一致表明不同施肥和保護性耕作下以＞0.25 mm團聚體為主，這與本研究結果相似。武均等[25]對黃土高原半干旱丘陵溝壑區黃綿土研究發現免耕各土層均以＜0.25 mm團聚體含量居多，≥5 mm團聚體次之。MODAK[17]對砂壤土研究發現傳統耕作微團聚體比例比免耕處理高約51%，均與本研究結果不同。

3.2 保護性耕作措施下土壤有機碳分布特征

作為土壤有機物質平衡狀態和轉化速率的微觀表征，各粒級團聚體中有機碳含量對于調控土壤肥力和土壤碳匯具有重要意義[30]。本研究結果顯示NP、NS和NSP處理0—40 cm各土層有機碳含量均呈現大團聚體顯著高于微團聚體和粉黏粒組分，與MESSIGA等[31]研究結果一致。大團聚體周轉速度較慢，以及秸稈和地膜對土壤的物理保護造成大團聚體有機碳含量較高[25]；另一方面有機物質與土壤礦物結合[32]，二者表面形成的強鍵降低了微生物對有機碳的可用性，顯著降低大團聚體有機碳礦化率[27]。有機碳濃度與土壤容重、滲透阻力和團聚體穩定性等土壤結構的變化密切相關且主要集中于0—10 cm表層土壤[10]。本研究發現秸稈覆蓋比無覆蓋能顯著降低 0—10 cm土層的土壤容重，并且該層土壤總有機碳含量和各粒級團聚體有機碳含量提高效果最優，從而驗證了土壤物理結構的變化與有機碳含量密切相關這一觀點。

本研究對黑壚土長期（16年）定位研究發現免耕無覆蓋措施比傳統耕作顯著降低0—40 cm土層有機碳含量，但結合覆蓋措施均能增加0—40 cm土層各粒級團聚體有機碳含量，且以秸稈覆蓋提升效果最優。但有研究表明，與傳統耕作相比，免耕無覆蓋能夠顯著提高0—40 cm土層潴育型水稻壤土[33]和褐土[34]的各粒級團聚體有機碳含量。李琳等[35]對河北地區潮褐土研究認為免耕秸稈還田只提高0—10 cm土層有機碳含量，這均與本研究結果不同。在給定的氣候區域內，控制土壤有機碳水平的關鍵因素是土壤質地[14]，質地決定了土壤通氣性，進而影響微生物和酶活性，另外免耕能通過礦物的化學吸附與團聚體的物理保護降低本底碳的激發效應[29]，從而導致了有機碳含量不同。地膜覆蓋導致耕層地表溫度顯著提高，使有機質的分解速度加快[8]，顯著降低耕層（0—20 cm）土壤有機碳含量。此外覆膜提高了耕層土壤容重，影響了有機碳轉化的微環境，從而改變微生物多樣性和關鍵類群[36]。趙晶等[37]在本試驗田的前期研究發現，免耕不覆蓋比傳統耕作生物產量降低了1.4%，而免耕配合覆蓋措施（NP、NS和NPS）生物產量平均提高了5.0%—39.4%。因此針對渭北旱塬地區黑壚土而言，免耕配合覆蓋才是提升作物產量的有效措施。綜上所述，針對提升黑壚土有機碳含量、玉米產量及改良土壤結構而言，免耕秸稈覆蓋是最佳處理。

3.3 保護性耕作措施下團聚體對有機碳累積的影響

各粒級團聚體含量變化是引起團聚體養分貢獻率變化的主導因素[38]。本研究結果顯示，在耕層土壤總有機碳累積主要受較大和大團聚體有機碳含量的影響，而犁底層主要受較大團聚體與粉黏粒組分有機碳的影響，這與李娟等[16]研究結果相似。保護性耕作措施改變土壤環境條件（總孔隙度、容重等），通過微生物群落組成[32]和酶活性[38]來影響有機碳累積。有機碳含量可以顯著影響不同粒級團聚體的轉化[39]。孫天聰等[40]研究表明，在黃土高原地區2—5 mm團聚體是土壤礦質營養成分的主要載體，各粒級團聚體有機碳含量可以作為指示因子判斷渭北旱塬地區團聚體有機碳的變化。加強對各粒級團聚體分布特征和團聚體有機碳含量的研究，可以進一步了解渭北旱塬土壤碳素循環與轉化及其穩定性。而且有機質的重要組分土壤腐殖物質（胡敏酸、富里酸、胡敏素等）與水穩性團聚體有著密切聯系，因此今后應開展相關試驗，探究各粒級團聚體內部腐殖物質的含量及結構的關系，為渭北旱塬地區黑壚土的耕地質量提升提供理論支撐。

4 結論

4.1 免耕及結合覆蓋措施影響了黑壚土容重和團聚體的分布。長期免耕及結合覆蓋措施（NT、NP、NS和NSP）均提高了耕層（0—20 cm）土壤容重，其中0—10 cm土壤容重顯著提高7.1%— 17.8%，促進耕層土壤微團聚體向大團聚體的轉化，其中免耕秸稈覆蓋大團聚體數量在0—10和10—20 cm土層增幅分別為11.9%和4.8%，其微團聚體數量的降幅為4.7%和9.2%。

4.2 與傳統耕作相比，免耕無覆蓋和免耕地膜覆蓋分別降低了黑壚土0—40 cm土層和耕層（0—20 cm）各粒級團聚體有機碳含量。但與免耕無覆蓋相比，結合覆蓋措施（NS、NP和NSP）均增加了0—40 cm土層各粒級團聚體有機碳含量。覆蓋措施中，單獨秸稈覆蓋對0—40 cm土層各粒級團聚體中有機碳含量提高效果最優（10.4%—41.3%），且0—10 cm土層的土壤容重顯著降低了6.4% ，是免耕不同覆蓋措施中改善土壤結構和提高土壤有機碳含量的最佳處理。

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Effect of No-Tillage Combined with Mulching on the Structure and Organic Carbon Content of Aggregates in Heilu Soil of the Weibei Dry Plateau

ZHOU MingXing1, DAI ZiJun1, FAN Jun1, 2, FU Wei1, HAO MingDe1, 2

1State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi;2Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, Shaanxi

【Objective】The aim of this study was to clarify the effects of long-term no-tillage and mulching measures on soil aggregate structure and organic carbon content in Weibei dry plateau farmland, and to explore suitable tillage measures to improve the local soil.【Method】On the basis of continuous 16-year field positioning experiments, a total of 5 field management measures were selected as experiment treatments, including traditional tillage (CT), no-tillage and no mulch (NT), no-tillage + straw mulch (NS), no-tillage + plastic film mulching (NP), and no-tillage + straw + plastic film mulching (NSP). The 0-40 cm ring knife and profile soil samples were collected during the spring maize harvest in October 2019, and the bulk density, aggregate particle size distribution and organic carbon content were determined.【Result】(1) No-tillage and mulching measures (NT, NP, NS and NSP) affected the bulk density and aggregate size distribution of Heilu soil. No-tillage and mulching measures both increased the soil bulk density of the plough layer (0-20 cm), of which 0-10 cm increased significantly (6.8%-17.8%). The changes of bulk density and porosity of the plough layer were opposite to those of the plough layer. The proportion of micro-aggregates was significantly reduced, which promoted the transformation of micro-aggregates into macro-aggregates. The weight percentage of aggregates of each particle size in the plough layer (0-20 cm) was distributed as follows: larger aggregates (0.25-2 mm)＞large aggregates (＞2 mm)＞micro aggregates (0.053-0.25 mm)＞powder. The clay fraction (＜0.053 mm), the larger aggregates and silty clay fractions in the plow bottom layer (20-40 cm) were significantly higher than the macroaggregates and microaggregates. (2) Under no-tillage and mulching measures, the organic carbon content increased with the increase of aggregate particle size. In the 0-40 cm soil layer, the organic carbon content of the aggregates of each particle size under NT treatment was significantly lower than that under CT treatment, while the NS and NSP treatments were significantly higher than those under CT treatment. (3) The particle size distribution of aggregates was the dominant factor causing the change of the nutrient contribution rate of aggregates. The total organic carbon accumulation in the plough layer was dominated by aggregates＞0.25 mm, and the plough layer was mainly composed of silty clay components and organic carbon in larger aggregates. 【Conclusion】Long-term no-tillage and mulching measures promoted the transformation of micro-aggregates into macro-aggregates in the plough layer. Compared with traditional tillage, no-tillage and plastic film mulching decreased the organic carbon content of aggregates of various particle sizes in Heilong soil and in the plough layer, respectively. However, no-tillage mulching (NS, NP and NSP) increased the organic carbon content of aggregates of each particle size compared with no mulching. Straw mulching alone had the best effect, and significantly improved the bulk density and the organic carbon content of each particle size aggregate increased the most, which was the best treatment in this study.

no-tillage; coated; straw mulching; organic carbon; aggregate; Helu soil; Weibei dry plateau

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.12.008

2022-05-05；

2022-08-09

中國科學院戰略性先導科技專項（XDA23070202）、國家自然科學基金項目（41830754）

周明星，E-mail：zmx19980407@163.com。通信作者樊軍，E-mail：fanjun@ms.iswc.ac.cn

（責任編輯 李云霞）