長(zhǎng)期免耕對(duì)不同土層土壤結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳分布的影響

楊永輝 武繼承 丁晉利 張潔梅 潘曉瑩 何 方

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所， 鄭州 450002； 2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)站， 原陽(yáng) 453514；3.鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院， 鄭州 450044)

長(zhǎng)期免耕對(duì)不同土層土壤結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳分布的影響

楊永輝1,2武繼承1,2丁晉利3張潔梅1,2潘曉瑩1,2何 方1,2

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所， 鄭州 450002； 2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)站， 原陽(yáng) 453514；3.鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院， 鄭州 450044)

為探明長(zhǎng)期翻耕與免耕條件下不同土層深度土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其有機(jī)碳分布特征，在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中分層(0～10 cm、10～20 cm、…、90～100 cm)采集免耕和常規(guī)耕作處理下混合土樣和原狀土樣進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳的測(cè)定，結(jié)果表明：①隨著土層的加深，0.5～2.0 mm和大于2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)，而其他粒級(jí)團(tuán)聚體含量呈增加趨勢(shì)。免耕更利于提高大粒級(jí)團(tuán)聚體(>0.5 mm)的含量，且土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性顯著提高，其作用深度在50 cm以上。②隨著土層的加深，土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳均表現(xiàn)為先增加后降低再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。免耕處理在0～80 cm土層的土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳均高于常規(guī)耕作處理。③隨著土層的加深，不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)，大粒級(jí)團(tuán)聚體中含有較高的有機(jī)碳。免耕更利于0～40 cm土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量的提高。隨著土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的降低，土壤活性有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)。與常規(guī)耕作相比，除0.053～0.250 mm粒級(jí)團(tuán)聚體外，免耕提高了0～20 cm土層各粒級(jí)團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量。④隨著土層的加深，各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為先降低后增加再降低的趨勢(shì)。不同粒級(jí)團(tuán)聚體中，大于2.0 mm和小于0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率在0～100 cm土層均低于其他粒級(jí)團(tuán)聚體。在0～20 cm、30～40 cm和90～100 cm土層，免耕處理各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳累積貢獻(xiàn)率均高于常規(guī)耕作。

常規(guī)耕作； 免耕； 土壤結(jié)構(gòu)； 土壤有機(jī)碳； 有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

引言

土壤團(tuán)聚狀況與有機(jī)碳含量可作為評(píng)價(jià)土壤肥力的綜合指標(biāo)之一[1]，其維持著土壤的生態(tài)功能[2]。土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤中各種養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫(kù)，為土壤中微生物提供了生存環(huán)境[3]。

不同的耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳的分布影響各異[4-5]，而土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體關(guān)系密切[6]，土壤有機(jī)碳對(duì)土壤團(tuán)聚體數(shù)量及大小分布等產(chǎn)生重要影響[7]，土壤有機(jī)碳含量的提高有助于土壤結(jié)構(gòu)形成，增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[8-9]，穩(wěn)定的團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)可使土壤有機(jī)碳減緩或免受礦化分解[10-11]。一旦有機(jī)碳含量降低，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性就會(huì)下降[12]，二者相互影響。頻繁的翻耕使土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤有機(jī)碳含量下降[13]，而免耕等保護(hù)性耕作因減少土壤擾動(dòng)，降低了土壤有機(jī)碳的分解，能顯著提高耕層大團(tuán)聚體的數(shù)量及其穩(wěn)定性[14]，從而促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[15-16]和土壤固碳量的增加[17]。有關(guān)保護(hù)性耕作條件下土壤團(tuán)聚體組成與有機(jī)碳含量的變化研究已很多。但以往研究多偏重于免耕與常規(guī)耕作輪耕、免耕與深松輪耕或免耕結(jié)合秸稈覆蓋等，且多偏重于耕層以上土層，研究對(duì)象多為土壤總有機(jī)碳，而對(duì)于土壤及不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的活性有機(jī)碳分布特征，長(zhǎng)期耕作與長(zhǎng)期持續(xù)免耕措施對(duì)0～100 cm土層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳、不同粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳與活性有機(jī)碳的分布特征及作用深度如何尚不清楚，需要深入研究以確定長(zhǎng)期耕作與持續(xù)免耕對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及其有機(jī)碳組分和影響因素的作用程度。

本文擬通過(guò)研究豫西褐土區(qū)常規(guī)耕作與持續(xù)8 a免耕措施對(duì)不同土壤團(tuán)聚體含量及其分布，土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳組分含量與分布，及其對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率及土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征的影響，為闡明長(zhǎng)期常規(guī)耕作與免耕對(duì)土壤剖面結(jié)構(gòu)及有機(jī)碳組分的影響及其作用機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在河南省禹州試驗(yàn)基地(113°03′～113°39′E，33°59′～34°24′N(xiāo)，海拔116.1 m)進(jìn)行，該地多年平均降水量674.9 mm，其中60%以上降水集中在夏季；土壤類(lèi)型為褐土，耕層有機(jī)質(zhì)含量12.30 g/kg、全氮含量0.80 g/kg、水解氮含量47.82 mg/kg、速效磷含量6.66 mg/kg、速效鉀含量114.80 mg/kg。研究區(qū)為小麥-玉米輪作區(qū)。土壤機(jī)械組成為：砂粒(0.02～2 mm)占59.1%，粉粒(0.002～0.02 mm)占22.5%，黏粒(0～0.002 mm)占18.4%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)于2006年10月中旬小麥播種時(shí)開(kāi)始，耕作措施在每年小麥播種時(shí)實(shí)施，玉米均為免耕播種。于2014年10月12日在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中選取常規(guī)耕作(CK，耕作深度15 cm)和免耕(MG，小麥、玉米播種時(shí)均免耕)2個(gè)處理進(jìn)行研究。即分別從定位試驗(yàn)每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)小區(qū)中間位置分層采集0～10 cm、10～20 cm、…、90～100 cm原狀土(測(cè)定團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量)及混合土壤樣品(測(cè)定土壤有機(jī)碳含量)，帶回室內(nèi)進(jìn)行分析。開(kāi)始定位試驗(yàn)時(shí)采用S點(diǎn)法在樣地采集0～100 cm土層混合土壤樣進(jìn)行土壤總有機(jī)碳分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1團(tuán)聚體分析方法

水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用濕篩法，稱(chēng)取風(fēng)干土樣100 g，將其放置在孔徑2、0.25、0.053 mm組成的自動(dòng)振蕩套篩的最上層，在室溫條件下用蒸餾水浸潤(rùn)5 min后，以30次/min的速度和3 cm上下振幅振蕩5 min。篩分結(jié)束后，將每層篩上的團(tuán)聚體沖洗到燒杯中，獲得大于2 mm、0.5～2.0 mm、0.25～0.50 mm 和0.053～0.250 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，0～0.053 mm團(tuán)聚體在桶內(nèi)沉降48 h，棄去上清液后轉(zhuǎn)移至燒杯中。將燒杯中的團(tuán)聚體在60℃下干燥稱(chēng)量。

團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率和某粒級(jí)團(tuán)聚體含量為

(1)

(2)

式中ACC——團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Caggregate——某粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量Acontent——某粒級(jí)團(tuán)聚體含量Csoil——土壤中總有機(jī)碳含量Aquality——某粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量Squality——土壤樣品總質(zhì)量

1.3.2團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑

(1)團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MMD)[18]

(3)

(2)團(tuán)聚體幾何平均直徑(GMD)[19]

(4)

1.3.3分形維數(shù)

根據(jù)楊培嶺等[20]提出的土壤顆粒組成分形特征模型

(5)

1.3.4土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳測(cè)定

土壤總有機(jī)碳測(cè)定采用重鎘酸鉀外加熱法[21]，活性有機(jī)碳測(cè)定采用高錳酸鉀氧化法[22]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

各樣地各指標(biāo)值均為3次重復(fù)的算術(shù)平均值。分析所得的數(shù)據(jù)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)及相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分布的影響

常規(guī)耕作與免耕處理0～100 cm土層不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量如圖1所示。從圖1中可知，隨著土層的加深，0.5～2.0 mm和大于2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)，而其他粒級(jí)團(tuán)聚體含量相反。不同粒級(jí)團(tuán)聚體中，在0～30 cm土層，0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量較其他粒級(jí)高，其次為0.053～0.250 mm、0.25～0.50 mm及小于0.053 mm粒級(jí)，大于2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量最低，特別是在30 cm以下土層。免耕處理大于2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量明顯大于常規(guī)耕作處理，特別是在40 cm以上土層；免耕處理0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量明顯大于常規(guī)耕作處理，特別是在50 cm以上土層。在50 cm以下土層，仍以免耕處理0.25～0.50 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量較常規(guī)耕作處理高，而0.053～0.250 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量以常規(guī)耕作高于免耕處理。結(jié)果表明，免耕更利于提高大粒級(jí)團(tuán)聚體的含量，其作用深度在50 cm土層以上。

圖1 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體分布特征Fig.1 Distribution characteristics of different sizes aggregates

2.2 不同耕作方式對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

試驗(yàn)前、常規(guī)耕作與免耕處理0～100 cm土層土壤總有機(jī)碳分布特征如圖2所示。從圖2可知，隨著土層的加深，土壤總有機(jī)碳表現(xiàn)為0～50 cm土層間的土壤總有機(jī)碳下降幅度較大，而50 cm以下土層土壤總有機(jī)碳趨于穩(wěn)定，介于3.0～4.5 g/kg之間。在定位試驗(yàn)前，0～100 cm土層有機(jī)碳含量均低于定位試驗(yàn)實(shí)施后。經(jīng)過(guò)不同耕作措施實(shí)施后，土壤不同土層總有機(jī)碳含量均有一定的提高，而在70 cm土層以下常規(guī)耕作處理土壤總有機(jī)碳在定位試驗(yàn)前后幾乎未發(fā)生變化。常規(guī)耕作條件下，表層土壤總有機(jī)碳含量最高，為9.57 g/kg；免耕條件下，10～20 cm土層的總有機(jī)碳含量最高，為12.9 g/kg。在0～80 cm土層，免耕處理的土壤總有機(jī)碳均高于常規(guī)耕作處理，提高了16.3～39.6個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 土壤總有機(jī)碳分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil total organic carbon

2.3 不同耕作方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響

常規(guī)耕作與免耕處理0～100 cm土層土壤活性有機(jī)碳分布特征如圖3所示。從圖3中可知，隨著土層的加深，土壤活性有機(jī)碳含量表現(xiàn)為先增加再降低而后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，其中以10～20 cm土層的土壤活性有機(jī)碳含量明顯高于其他土層，為1.74 g/kg。40 cm以上土層土壤活性有機(jī)碳變化較大，說(shuō)明該層次土層更易受到外界的影響。在0～80 cm土層，免耕處理的土壤活性有機(jī)碳含量高于常規(guī)耕作處理，特別是30 cm以上土層。

綜上，長(zhǎng)期免耕不僅提高了不同土層土壤總有機(jī)碳含量，且其活性有機(jī)碳也相應(yīng)提高，其作用深度為0～80 cm，說(shuō)明免耕在提高土壤總有機(jī)碳的同時(shí)，其活性組分也相應(yīng)提高，從而有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)作物吸收。

圖3 土壤活性有機(jī)碳分布特征Fig.3 Distribution characteristics of soil active organic carbon

2.4 不同耕作方式對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

2.4.1不同耕作方式對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳的影響

不同耕作方式0～100 cm土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量如表1所示，由表1可知，隨著土層深度的加深，不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)。在0～40 cm土層，各粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量從大到小依次為：大于2 mm、0.5～2.0 mm、0.25～0.50 mm、0～0.053 mm、0.053～0.250 mm，且各粒級(jí)中均以免耕處理高于常規(guī)耕作處理。而在50～100 cm土層，各粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量仍以大于2 mm粒級(jí)最高，其次為0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，其他粒級(jí)較低，各粒級(jí)中均以常規(guī)耕作較高。結(jié)果表明，大粒級(jí)團(tuán)聚體中含有較高的有機(jī)碳，免耕更利于0～40 cm土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量的提高。

表1 常規(guī)耕作與免耕0～100 cm土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量Tab.1 Distribution characteristics of total organic carbon of different sizes aggregates of conventional tillage and no-tillage treatments in 0～100 cm soil layers g/kg

注：同列不同小寫(xiě)字母代表在P<0.05水平上顯著，同行相同粒級(jí)團(tuán)聚體中不同大寫(xiě)字母代表在P<0.05水平上顯著，下同。

2.4.2不同耕作方式對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體活性有機(jī)碳的影響

不同耕作方式0～100 cm土層各粒級(jí)團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量如表2所示。從表2中可知，隨著土層的加深，不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量表現(xiàn)為先降低后逐漸增加的趨勢(shì)。隨著土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的降低，土壤活性有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)。在各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體中，除0～30 cm和90～100 cm土層中大于2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，0～20 cm土層和70～80 cm土層中0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，10～40 cm土層中0.25～0.50 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，20～40 cm土層中0.053～0.250 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，0～50 cm土層中小于0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體外，其他土層及粒級(jí)團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量均以常規(guī)耕作處理高于免耕處理。在20 cm以下土層大于2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量均高于其他粒級(jí)團(tuán)聚體；小于2 mm土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳主要集中于0～30 cm和60～100 cm土層。與常規(guī)耕作相比，除0.053～0.250 mm粒級(jí)團(tuán)聚體外，免耕利于提高10～20 cm土層各粒級(jí)團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量，而其他土層各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量表現(xiàn)規(guī)律并不一致。

表2 常規(guī)耕作與免耕0～100 cm土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量Tab.2 Distribution characteristics of active organic carbon of different sizes aggregates of conventional tillage and no-tillage treatments in 0～100 cm soil layers g/kg

2.5 各級(jí)團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率分析

圖4 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution rate of organic carbon in different size aggregates

不同土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量對(duì)土壤總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率如圖4所示，隨著土層的加深，各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為先降后增再降然后增加的趨勢(shì)。不同粒級(jí)團(tuán)聚體中，在0～100 cm土層，大于2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均最低，常規(guī)耕作處理為0.8%～5.4%，免耕處理為0.4%～12.5%。常規(guī)耕作處理0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率在0～30 cm土層較其他粒級(jí)團(tuán)聚體高；而免耕處理該粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率在0～50 cm土層均高于其他粒級(jí)團(tuán)聚體。不同粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳累積貢獻(xiàn)率以常規(guī)耕作處理40～50 cm土層較大，其次為免耕90～100 cm土層。在0～50 cm土層，免耕處理0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較常規(guī)耕作高。在0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體中，除40～50 cm土層外，其他土層均以免耕處理的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大。在0.053～0.250 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，除80～90 cm土層外，其他土層均以常規(guī)處理的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高。在小于0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，除90～100 cm土層外，其他土層均以常規(guī)處理的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高。結(jié)果表明，常規(guī)耕作條件下，在0～30 cm土層以0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大，在40～60 cm土層以0.25～0.50 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大；免耕條件下，在0～50 cm土層以0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大，在50～80 cm土層以0.25～0.50 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大。在0～20 cm、30～40 cm及90～100 cm土層，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳累積貢獻(xiàn)率均以免耕處理高。

2.6 不同耕作方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響

大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑及分形維數(shù)均能反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。常規(guī)耕作與免耕對(duì)不同土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)的影響如表3所示，從中可知，隨著土層的加深，常規(guī)耕作大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑均表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)，而分形維數(shù)表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)。結(jié)果表明，常年翻耕的土壤隨著土層的加深，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低。而免耕處理隨著土層的加深，大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑均表現(xiàn)為先增加(20～30 cm)，再降低(30～40 cm)，再增加(40～50 cm)，然后逐漸降低的趨勢(shì)(50～100 cm)，而分形維數(shù)則相反。與常規(guī)耕作相比，免耕有效提高了0～100 cm土層大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，且提高了0～60 cm土層的平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑，降低了0～30 cm和60～100 cm土層土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)。說(shuō)明不同土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)間存在一定差異，綜合各評(píng)價(jià)指標(biāo)，免耕較常規(guī)耕作提高了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其作用深度在50 cm以上。

表3 常規(guī)耕作與免耕對(duì)不同土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)的影響Tab.3 Effects of conventional tillage and no-tillage on soil structure stability indexes

2.7土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)與不同粒級(jí)團(tuán)聚體及有機(jī)碳組分相關(guān)性分析

平均質(zhì)量直徑(Mean weight diameter，WMD)、幾何平均直徑(Geometric mean diameter，GMD)及分形維數(shù)(Fractal dimension，D)均能夠反映土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其與不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量、全土總有機(jī)碳含量、活性有機(jī)碳含量及不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量和活性有機(jī)碳含量之間存在一定的相關(guān)性，如表4所示。從表4中可知，WMD與大于2 mm、0.5～2.0 mm團(tuán)聚體含量及全土總有機(jī)碳含量、活性有機(jī)碳含量、不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量、0.053～0.25 mm土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與0.25～0.5 mm、0.053～0.250 mm和0～0.053 mm團(tuán)聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P>0.01)。GMD與WMD和不同粒級(jí)團(tuán)聚體含量及有機(jī)碳組分等相關(guān)性基本一致。D與WMD、GMD等指標(biāo)相反。

表4 土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)與不同粒級(jí)團(tuán)聚體及有機(jī)碳組分相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis among soil structure stability index and different particle sizeaggregates and organic carbon fractions

注：*表示P<0.05，** 表示P<0.01。

3 討論

3.1 長(zhǎng)期免耕對(duì)土體土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響

長(zhǎng)期不同耕作處理會(huì)對(duì)表層乃至更深層次土壤結(jié)構(gòu)及其有機(jī)碳產(chǎn)生重要影響，且隨著年限的增加，其影響深度更為深遠(yuǎn)。李景等[23]研究表明，免耕顯著提高了0～20 cm土層大于2.0 mm團(tuán)聚體含量，降低了0.053～0.250 mm團(tuán)聚體含量。張先鳳等[24]也研究表明，長(zhǎng)期免耕可使0～10 cm土層粗大團(tuán)聚體和10～20 cm 土層細(xì)大團(tuán)聚體含量顯著提高。而對(duì)于更深土層而言，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土層的加深，大于0.5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)，而其他粒級(jí)團(tuán)聚體含量則呈增加趨勢(shì)。免耕更利于提高大于0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量，且在50 cm以上土層更為顯著。相關(guān)研究表明[1，25]，大于0.25 mm大團(tuán)聚體含量越多，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，但其忽略了其它粒級(jí)的信息。VAN[18]和MAZURAK[19]分別用平均質(zhì)量直徑與幾何平均直徑對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行描述，其能夠準(zhǔn)確反映不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的狀態(tài)及土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。平均質(zhì)量直徑與幾何平均直徑越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。幾何分形維數(shù)也是評(píng)價(jià)各項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)的重要工具，團(tuán)聚體分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期免耕顯著提高了大于0.25 mm大團(tuán)聚體含量、平均質(zhì)量直徑及幾何平均直徑，降低了分形維數(shù)，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了提高，其作用深度在50 cm土層以上。而高建華等[28]研究結(jié)論與之并不一致，這可能與耕作年限或土壤類(lèi)型有關(guān)，需要進(jìn)一步研究。

3.2 長(zhǎng)期免耕對(duì)土體土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤質(zhì)量的核心[29]。頻繁的翻耕土地加劇了土壤有機(jī)碳的分解，土壤質(zhì)量下降[3]。而保護(hù)性耕作因減少了土地的翻耕強(qiáng)度，從而降低土壤有機(jī)碳的分解，促進(jìn)土壤有機(jī)碳含量的提高。國(guó)內(nèi)外研究表明，免耕條件下僅能提高0～10 cm土層土壤的有機(jī)碳[3，15，30]。梁愛(ài)珍等[31]研究表明，免耕5 a后才能明顯提高0～30 cm土層有機(jī)碳的含量。李景等[23]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)13 a免耕覆蓋后，0～10 cm土層土壤有機(jī)碳逐漸提高。但對(duì)于更深土層而言，本研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期免耕(8 a)有效地提高了80 cm以上土層的土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量，從而有利于改善土體土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水分與養(yǎng)分的傳輸，提高了土壤供給作物水分與養(yǎng)分的能力。這與張國(guó)盛等[32]和JACINTHE等[33]研究結(jié)果一致。但也有研究顯示，短期免耕[34]或長(zhǎng)期免耕[35]會(huì)增加土壤容重，影響作物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收，這可能與土壤類(lèi)型有關(guān)。

土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤固碳和土壤肥力的發(fā)揮作用顯著[36-37]。長(zhǎng)期免耕會(huì)對(duì)不同土層不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體中的有機(jī)碳產(chǎn)生一定的影響。本研究結(jié)果表明，隨著土層深度的加深，不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)。不同粒級(jí)團(tuán)聚體中，大粒級(jí)團(tuán)聚體中含有較高的有機(jī)碳，這與黃丹丹等[38]研究結(jié)果相反，而與張先鳳等[24]研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)榇髨F(tuán)聚體由微團(tuán)聚體形成，微團(tuán)聚體的比表面積大，吸附了更多的有機(jī)碳，而大團(tuán)聚體內(nèi)部微團(tuán)聚體中有機(jī)碳與微生物相隔絕，從而減緩了有機(jī)碳的分解，因此大團(tuán)聚體中含有較高的有機(jī)碳[39]。本研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)耕作相比，免耕更利于提高0～40 cm土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。長(zhǎng)期耕作改變了土壤有機(jī)碳的分布和微生物的生活環(huán)境，加快了團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分解，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量降低[40-42]。而免耕使得土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定[43-44]，利于降低微生物的活動(dòng)，減緩了土壤有機(jī)碳的分解速率，土壤固碳能力增強(qiáng)[45]。此外，不同耕作方式對(duì)不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳也產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳存在上(0～40 cm)、下(80～100 cm)土層高，中間(40～80 cm)土層低的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樯蠈痈导巴寥郎锘顒?dòng)頻繁，根系和土壤生物分泌物及其殘?bào)w中的活性成分相對(duì)較多所致；而下層土壤由于淋溶作用，活性有機(jī)碳組分容易隨水分進(jìn)入下層土壤。此外，更多的活性有機(jī)碳集中于大粒級(jí)團(tuán)聚體中，這是因?yàn)榇髨F(tuán)聚體形成過(guò)程中包裹并物理保護(hù)了更多活性有機(jī)碳所致。

3.3 長(zhǎng)期免耕對(duì)土體土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

土壤中近90%的有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)[46]，團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量及其質(zhì)量決定了各級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳積累的相對(duì)貢獻(xiàn)[47]。表層土壤總有機(jī)碳增加的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于細(xì)大團(tuán)聚體[41]。而對(duì)于更深土層而言，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土層的加深，大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率逐漸降低。與常規(guī)耕作相比，免耕更利于提高表層、犁底層及底層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。主要是因?yàn)槊飧纱龠M(jìn)作物根系生物量的提高，降低土壤呼吸強(qiáng)度，并提高土壤團(tuán)聚體的數(shù)量，從而有利于有機(jī)碳在土壤中的固持[48]。

4 結(jié)論

(1)長(zhǎng)期常規(guī)耕作的土壤隨著土層的加深，大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量降低、平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑變小，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低。而免耕處理有效提高了0～100 cm土層大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，且0～60 cm土層的團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑均顯著提高，且降低了0～30 cm和60～100 cm土層土壤的分形維數(shù)，提高了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(2)隨著土層的加深，常年常規(guī)耕作導(dǎo)致土壤總有機(jī)碳趨于降低，而免耕處理則表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢(shì)，且以10～20 cm土層的有機(jī)碳含量最高。與常規(guī)耕作相比，免耕處理明顯提高了0～80 cm土層的土壤總有機(jī)碳含量。作為土壤有機(jī)碳中活躍成分——土壤活性有機(jī)碳，隨著土層的加深，均表現(xiàn)為先增后降而趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，以10～20 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量最高。免耕處理明顯提高了0～80 cm土層的土壤活性有機(jī)碳含量。與常規(guī)耕作相比，除0.053～0.250 mm粒級(jí)團(tuán)聚體外，免耕更利于提高10～20 cm土層中各粒級(jí)團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量。

(3)在不同層次土壤中，大于2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均最低，其次為小于0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，中間粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較大。在常規(guī)耕作條件下，在0～30 cm土層以0.5～2.0 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大，而免耕處理中該粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的作用深度為0～50 cm；常規(guī)耕作處理在40～60 cm土層以0.25～0.50 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大，免耕處理該粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的作用深度為50～80 cm土層。在0～20 cm、30～40 cm及90～100 cm土層，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳累積貢獻(xiàn)率均以免耕處理高。

(4)合理的長(zhǎng)期保護(hù)性耕作措施能夠提高土壤剖面中的有機(jī)碳含量，提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，促進(jìn)水肥的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換，從而有利于提高土壤的生產(chǎn)能力，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。與常規(guī)耕作相比，免耕更利于有機(jī)碳的提升和土壤結(jié)構(gòu)的改善。

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EffectsofLong-termNo-tillageonSoilStructureandOrganicCarbonDistributioninDifferentSoilLayers

YANG Yonghui1,2WU Jicheng1,2DING Jinli3ZHANG Jiemei1,2PAN Xiaoying1,2HE Fang1,2

(1.InstituteofPlantNutritionandResourceEnvironment,HenanAcademyofAgriculturalSciences,Zhengzhou450002,China2.YuanyangExperimentalStationofCropWaterUse,MinistryofAgriculture,Yuanyang453514,China3.CollegeofGeographyandTourism,ZhengzhouNormalUniversity,Zhengzhou450044,China)

In order to investigate the stability of soil structure and the distribution characteristics of organic carbon in different soil depths (0～10 cm, 10～20 cm,…, 90～100 cm) under long-term conventional tillage and no-tillage conditions, mixed soil samples and undisturbed soil samples collected from no-tillage and conventional tillage treatments were designed to measure soil structure and soil organic carbon content. The results indicated that with the increase of soil depth, the contents of aggregates with diameter of 0.5～2.0 mm and greater than 2.0 mm were gradually decreased, while other particle agglomerates were increased. No-tillage treatment could improve the large aggregates (greater than 0.5 mm) content, and significantly improve the stability of soil structure, the effect of depth was more than 60 cm. With the increase of soil depth, soil organic carbon and active organic carbon content were increased firstly and then decreased, and then trended to be stable. Soil carbon and active organic carbon of no-tillage treatment in 0～80 cm soil layer were higher than that of conventional tillage. With the increase of soil depth, soil aggregates organic carbon content was decreased, while organic carbon content of large aggregates was higher than other size aggregates. No-tillage was more conducive to increase soil organic carbon content of different size aggregates under 0～40 cm soil depth. With the decrease of soil aggregates, soil active organic carbon content was decreased. Compared with conventional tillage, except 0.053～0.250 mm size aggregate, no-tillage increased active organic carbon content in 0～20 cm soil layer of various aggregates. With the increase of soil depth, the contribution rate of organic carbon to soil total organic carbon in different size fractions showed the trend of decreasing first, then increasing and then decreasing. In different aggregates, contribution rate of organic carbon of aggregates with diameter greater than 2.0 mm and less than 0.053 mm in the 0～100 cm soil layer was lower than those of other size aggregates. In 0～20 cm, 30～40 cm and 90～100 cm soil layers, accumulation contribution rate of different aggregates organic carbon of no-tillage treatment was higher than that of conventional tillage.

conventional tillage; no-tillage; soil structure; soil organic carbon; contribution rate of organic carbon

S152.4; S156

A

1000-1298(2017)09-0173-10

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.022

2017-05-03

2017-07-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1404404)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0301102)和河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院優(yōu)秀青年科技基金項(xiàng)目(2016YQ12)

楊永輝(1978—)，男，副研究員，博士，主要從事土壤物理與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究，E-mail： yangyongh@mails.gucas.ac.cn