深松與免耕頻次對(duì)黃土旱塬春玉米田土壤團(tuán)聚體與土壤碳庫(kù)的影響

張琦，王淑蘭，王浩，劉朋召，王旭敏，張?jiān)t，李昊昱，王瑞，王小利，李軍

深松與免耕頻次對(duì)黃土旱塬春玉米田土壤團(tuán)聚體與土壤碳庫(kù)的影響

張琦，王淑蘭，王浩，劉朋召，王旭敏，張?jiān)t，李昊昱，王瑞，王小利，李軍

（西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

【】明確減少深松頻次對(duì)黃土旱塬春玉米田土壤結(jié)構(gòu)與土壤碳庫(kù)的影響。2007—2019年在渭北旱塬春玉米田實(shí)施不同深松與免耕頻次的保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，以連續(xù)深松（S）為對(duì)照，設(shè)置減少深松頻次的免耕與深松結(jié)合耕作模式，分別是兩年一深松（NS）和三年一深松（NNS)。分析減少深松頻次對(duì)土壤團(tuán)聚體、團(tuán)聚體固碳能力、土壤碳庫(kù)組成及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響。（1）減少深松頻次提高了土壤大土壤團(tuán)聚體（R0.25）含量，NNS處理下0—40 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體（DR0.25）含量提升3.8%，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體（WR0.25）含量提升38.9%，NS處理下WR0.25提升41.8%。NNS處理降低了團(tuán)聚體破壞率（PAD）和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ELT），平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）顯著增加13.2%和16.6%。（2）減少深松頻次處理下團(tuán)聚體總固碳能力（TOPC）得到顯著提升。NNS處理0—40 cm土層平均團(tuán)聚體固碳能力提升10.8%，但20—30 cm土層團(tuán)聚體固碳能力有所下降。不同粒徑團(tuán)聚體固碳能力表明，＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體固碳能力較強(qiáng)。（3）NNS處理對(duì)0—40 cm土層土壤總有機(jī)碳（TOC）含量無(wú)顯著影響，但增加了10—20 cm土層TOC含量，減輕了表層土壤有機(jī)碳層化效果，降低了30—40 cm土層 TOC含量，促進(jìn)了深層土壤有機(jī)碳的層化。（4）NNS處理0—40 cm土層活性有機(jī)碳（EOC）含量顯著增加24.9%，EOC含量的增加提升了EOC/TOC比值，增加了碳庫(kù)活度（A）和碳庫(kù)活度指數(shù)（AI），相比于S處理，增加碳庫(kù)管理指數(shù)（CPIM）39.8%。長(zhǎng)期連續(xù)深松不利于土壤團(tuán)聚體的形成及土壤碳庫(kù)的良性循環(huán)，而三年一深松的耕作模式有助于降低土壤團(tuán)聚體的破壞程度，提高碳庫(kù)管理指數(shù)，增強(qiáng)土壤碳庫(kù)的活度，調(diào)節(jié)土壤碳庫(kù)的更新和循環(huán)，是適合該地區(qū)的耕作模式。

黃土旱塬；春玉米；深松頻次；土壤團(tuán)聚體；土壤碳庫(kù)

0 引言

【研究意義】在長(zhǎng)期盛行翻耕的黃土旱塬農(nóng)作區(qū)，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，土壤培肥為眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)[1-3]。近年來(lái)，免耕和深松等保護(hù)性耕作技術(shù)逐漸興起。深松因其打破犁底層且不擾亂耕層而被視為保護(hù)性耕作的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，但隨著深松頻次增加，深層土壤破壞程度也會(huì)加深[4-5]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，也是土壤有機(jī)碳固定的核心力量，不同耕作措施直接作用于土壤，影響團(tuán)聚體的形成，改變土壤對(duì)有機(jī)碳的固存[6-7]。保護(hù)性耕作可明顯提升土壤有機(jī)碳含量，但土壤有機(jī)碳含量并不能完全表征土壤碳庫(kù)質(zhì)量，碳庫(kù)管理指數(shù)可用來(lái)全面評(píng)價(jià)土壤碳庫(kù)特征，土壤耕作和秸稈還田是驅(qū)動(dòng)土壤碳庫(kù)變化的關(guān)鍵因素[8-9]。因此，本研究探討減少深松頻次的深松與免耕相結(jié)合的耕作體系，利用免耕土壤自我調(diào)節(jié)作用改良長(zhǎng)期深松的弊端，比較其對(duì)土壤團(tuán)聚體及土壤碳庫(kù)特征的影響，篩選適合于黃土旱塬旱地土壤質(zhì)量提升的長(zhǎng)期保護(hù)性耕作模式。【前人研究進(jìn)展】深松作為一種保護(hù)性耕作措施，通過(guò)減少擾動(dòng)而增加對(duì)土壤的保護(hù)，相對(duì)于翻耕有利于促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性[10-11]。但長(zhǎng)期采用連續(xù)深松會(huì)過(guò)度增加深層土壤孔隙度，不利于土壤根系的生長(zhǎng)，且相同深松深度下，增加深松年限會(huì)降低0—10 cm土層土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，不利于提升耕層碳庫(kù)活度，降低表層土壤碳庫(kù)更新速度[4,12]。免耕有利于提高0—10 cm土層有機(jī)碳庫(kù)質(zhì)量和碳庫(kù)管理指數(shù)，且隨著免耕年限增加，碳庫(kù)管理指數(shù)呈現(xiàn)報(bào)酬遞減規(guī)律[13]。因此，深松和免耕所結(jié)合的輪耕模式有助于解決長(zhǎng)期深松所帶來(lái)的土壤碳庫(kù)抑制作用。田慎重等[14-15]研究表明，旋耕-深松配合秸稈還田模式有助于增加0—20 cm土層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性并提升固碳能力，但旋耕轉(zhuǎn)化為深松后土壤碳庫(kù)管理指數(shù)有所降低。免耕-深松結(jié)合耕作模式可增加土壤大團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加表觀腐值化系數(shù)，提升土層碳庫(kù)管理指數(shù)[16-19]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】針對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)深松所致不良后果，有關(guān)深松與免耕的耕作效應(yīng)研究已取得重要進(jìn)展，但減少深松頻次的耕作模式對(duì)土壤團(tuán)聚體及其固碳能力和碳庫(kù)活度的研究不多?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究基于長(zhǎng)期保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)增加免耕而減少深松頻次的輪耕效應(yīng)進(jìn)行分析，揭示減少深松頻次對(duì)土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性的影響，通過(guò)團(tuán)聚體有機(jī)碳固存能力明確團(tuán)聚體對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)程度，利用碳庫(kù)管理指數(shù)評(píng)估減少深松頻次對(duì)土壤碳庫(kù)活度的影響，為改善長(zhǎng)期連續(xù)深松措施的不足，提升黃土旱塬區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳及其質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)設(shè)置在渭北旱塬東部的陜西省渭南市合陽(yáng)縣甘井鎮(zhèn)（35°19′N(xiāo)，110°05′E），地處典型的黃土旱塬糧食主產(chǎn)區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)偏旱氣候，海拔877 m，年平均氣溫11.5℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 528 h，多年平均降雨量 500 mm左右，且主要集中在 7—9 月，其逐月最高氣溫與最低氣溫、逐月平均降雨量分布如圖1所示。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為中壤土，土層較厚易耕作，土壤蓄水保肥能力強(qiáng)，種植方式為春玉米一年一熟制，試驗(yàn)地初始土壤養(yǎng)分含量如表1所示。

圖1 2007—2019年多年平均逐月降雨量及溫度

表1 試驗(yàn)前土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2007年9月至2019年9月進(jìn)行，試驗(yàn)期間無(wú)灌溉措施。試驗(yàn)開(kāi)始前，土壤耕作方式均為傳統(tǒng)的翻耕措施。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積112.5 m2（5 m×22.5 m），重復(fù)3次。試驗(yàn)以連續(xù)深松（S）為對(duì)照，設(shè)置2種減少深松頻次的深松與免耕（N）結(jié)合耕作模式：兩年一深松（NS）和三年一深松（NNS）。在每年9月下旬春玉米收獲后休閑初期實(shí)施各種耕作處理，翌年4月中下旬播種春玉米。免耕（N）處理是不采取任何土壤耕作方式，僅在秸稈全量粉碎覆蓋下度過(guò)休閑期；深松（S）處理是在秸稈全量粉碎覆蓋下采用深松機(jī)進(jìn)行間隔60 cm、耕深30—35 cm的深松作業(yè)。在休閑期結(jié)束后，3種耕作方式均按照相同的施肥量（N：150 kg·hm-2，P2O5：120 kg·hm-2， K2O：90 kg·hm-2）撒施肥料，其中氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀。玉米供試品種為鄭單958，播種采用單粒點(diǎn)播機(jī)進(jìn)行一次性播種，行距60 cm，株距30 cm。其余田間管理方式與當(dāng)?shù)卮筇锕芾泶胧┮恢隆?/p>

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 團(tuán)聚體測(cè)定

（1）采樣方法

于2019年9月玉米收獲后采集 0—10、10—20、20—30和30—40 cm 4個(gè)土層土樣，每小區(qū)取3次重復(fù)，混合成一個(gè)樣品。自然風(fēng)干后除去粗根及小石塊，在采集及處理過(guò)程中減少擾動(dòng)，避免破壞團(tuán)聚體，并將大土塊按自然裂痕剝離為1 cm3左右，小心運(yùn)輸?shù)皆囼?yàn)室。

（2）測(cè)定方法

土樣預(yù)處理：將風(fēng)干土樣依次過(guò)孔徑為5 mm、2 mm的篩子，分為＞5 mm、5—2 mm、＜2 mm 3個(gè)級(jí)別，然后利用對(duì)角線(xiàn)分割法按3個(gè)級(jí)別土樣在原狀土中所占比例取混合土樣100 g（6份），用于力穩(wěn)性團(tuán)聚體與水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測(cè)定。

力穩(wěn)定性團(tuán)聚體（干篩法）：將3份100 g土樣放入孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm套篩的最上層，用底盒和篩蓋密封，用震蕩式機(jī)械篩分儀進(jìn)行震蕩（200次/min，2 min），得到＞5 mm、5—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、＜0.25 mm的力穩(wěn)定性團(tuán)聚體，分別測(cè)量6個(gè)粒徑的團(tuán)聚體質(zhì)量。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體（濕篩法）：將3份100 g土樣放入孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm套篩的最上層，調(diào)整篩桶內(nèi)水面高度使其沒(méi)過(guò)套篩土壤上表面，待土壤浸泡完全后，用團(tuán)粒分析儀進(jìn)行頻次振蕩（30次/min，30 min）。分別將6個(gè)粒徑大小的團(tuán)聚體洗入鋁盒中，40℃烘干稱(chēng)重，并留做團(tuán)聚體有機(jī)碳測(cè)定[20-21]。

（3）計(jì)算方法

利用各粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)據(jù)，計(jì)算＞0.25 mm團(tuán)聚體R0.25、MWD、GMD。干篩法和濕篩法測(cè)定的R0.25含量分別用DR0.25和WR0.25表示。

R0.25=Mr>0.25/Mt

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

ELT=(Mt-WR0.25)/Mt

式中，R0.25為直徑＞0.25 mm團(tuán)聚體含量，Mt為團(tuán)聚體的總重量，Mr＞0.25為粒徑＞0.25 mm團(tuán)聚體的重量；PAD為團(tuán)聚體的破壞率；ELT為團(tuán)聚體的不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)；MWD為團(tuán)粒平均質(zhì)量直徑（mm），GMD為團(tuán)粒幾何平均直徑（mm）；Xi為任一級(jí)別范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；Wi為對(duì)應(yīng)于等級(jí)的團(tuán)聚體百分含量。

1.3.2 總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的測(cè)定方法

2019年9月玉米收獲后采集 0—10、10—20、20—30和30—40 cm 4 個(gè)土層土樣，每小區(qū)3次重復(fù)，充分混勻?yàn)橐粋€(gè)樣品，自然風(fēng)干過(guò)篩留作土壤有機(jī)碳測(cè)定。團(tuán)聚體及土壤總有機(jī)碳（TOC）用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定，土壤活性有機(jī)碳（EOC）采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定[22-24]。

團(tuán)聚體固碳能力（CPCi）SSACi× Wi

式中，CPC代表第i級(jí)土壤團(tuán)聚體固碳能力；SSAC代表i級(jí)團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳含量（g·kg-1）；W代表i級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。

有機(jī)碳分層率=上一土層有機(jī)碳含量/下一土層有機(jī)碳含量；土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性系數(shù)

（KOS）=（TOC-EOC）/EOC。

本研究土壤碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算選取連續(xù)深松處理為參考土壤，具體公式如下：

碳庫(kù)指數(shù)（CPI）=樣品全碳含量（g·kg-1）/參考土壤全碳含量（g·kg-1）

碳庫(kù)活度（A）=活性碳含量/非活性碳含量

碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）=樣品碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度

碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）=CPI×AI×100

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、OriginPro 2015進(jìn)行制圖，采用 SPSS（PASW Statistics 190）統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果

2.1 不同深松頻次處理下土壤大團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性

經(jīng)過(guò)12年長(zhǎng)期保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)，減少深松頻次對(duì)土壤大團(tuán)聚體含量影響顯著（＜0.05）（圖2）。干篩法數(shù)據(jù)表明，與S處理相比，NNS處理0—10、10—20和30—40 cm土層DR0.25含量顯著增加，0—40 cm土層平均DR0.25含量增加3.8 %；NS處理20—30 cm土層DR0.25含量下降8.7%，0—40 cm土層平均DR0.25與S處理無(wú)顯著差異。濕篩法數(shù)據(jù)顯示，NNS和NS處理顯著提高了0—10、10—20、20—30和30—40 cm土層WR0.25含量，0—40 cm土層平均WR0.25含量增加38.9%和41.8%。

不同字母代表不同處理間存在顯著差異P＜0.05。下同 Different letters mean significant difference at 0.05 level. The same as below

團(tuán)聚體破壞率（PAD）和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ELT)可直接評(píng)價(jià)耕作措施對(duì)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的破壞程度及其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。與S處理相比，NNS、NS處理 0—40 cm土層PAD均有所降低（圖3）。其中，0—10 cm土層PAD為表現(xiàn)為S＞NNS＞NS，10—20、20—30 cm土層PAD表現(xiàn)為S＞NS＞NNS，30—40 cm土層PAD在NNS和NS處理間無(wú)顯著差異，ELT與PAD變化規(guī)律相似。

濕篩法所測(cè)得的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）如表2所示。NNS和NS處理0—40 cm土層團(tuán)聚體平均MWD和GMD提升9.3%—16.5%（＜0.05）。0—10 cm土層團(tuán)聚體MWD、GMD表現(xiàn)為NNS＞NS＞S。與S處理相比，NS處理10—20 cm土層團(tuán)聚體MWD、GMD顯著增加6.0%、6.1%，NNS處理20—30 cm土層團(tuán)聚體MWD、GMD值顯著增加20.4%、22.7%。NNS、NS處理30—40 cm土層團(tuán)聚體MWD、GMD提升16.7%—22.2%。

圖3 不同深松頻次處理下團(tuán)聚體破壞率（PAD）及不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ELT）

表2 不同深松頻次處理下土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑

不同字母代表同一列，同一指標(biāo)不同處理間存在顯著差異＜0.05。AVG代表0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm均值。下同

Different letters in the same column mean significant difference at 0.05 level. AVG stands for average value of 0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm and30-40 cm. the same as below

2.2 不同深松頻次處理下土壤各級(jí)團(tuán)聚體固碳能力

各土層團(tuán)聚體總固碳能力為10—20 cm ≈ 0—10 cm＞20—30 cm＞30—40 cm（表3）；不同粒徑大小團(tuán)聚體以0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒徑團(tuán)聚體固碳能能力較強(qiáng)。相比于S處理，NNS和NS處理0—40 cm土層平均團(tuán)聚體總固碳能力提升0.75 g·kg-1和0.95 g·kg-1，差異顯著，0.5—0.25 mm和0.25—0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體固碳能力平均提升21.1%和25.0%?？傮w來(lái)看，NNS和NS處理均有助于提升團(tuán)聚體固碳能力，但兩者之間差異不顯著。

表3 不同深松頻次處理各粒徑土壤團(tuán)聚體固碳能力

2.3 不同深松頻次處理下土壤總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳含量和層化率

減少深松頻次0—40 cm土壤有機(jī)碳含量與連續(xù)深松無(wú)顯著差異（圖4）。與S處理相比，NNS、NS處理10—20 cm土壤有機(jī)碳含量分別增加15.1%和10.6%，NNS處理30—40 cm土層土壤有機(jī)碳含量降低了24.4%。減少深松頻次對(duì)活性有機(jī)碳含量影響差異顯著，NNS處理0—10、20—30和30—40 cm土層活性有機(jī)碳含量顯著增加25.5%、22.9%和44.9%。NS處理30—40 cm土層活性有機(jī)碳含量顯著增加43.2%。有機(jī)碳在不同土層分布造成有機(jī)碳的層化效果（表4），NNS處理有助于降低0—20 cm土層總有機(jī)碳層化率和10—40 cm土層活性有機(jī)碳層化效果。

圖4 不同深松頻次處理土壤總有機(jī)碳（TOC）及活性有機(jī)碳（EOC）含量

表4 不同深松頻次處理土壤有機(jī)碳層化率

2.4 不同深松頻次處理土壤碳庫(kù)組成變化

如表5所示，經(jīng)過(guò)12年耕作處理，NNS處理0—40 cm土層平均EOC/TOC值顯著高于S處理。NNS處理0—10、20—30和30—40 cm土層EOC/TOC值分別顯著提升23.5%、21.6%和55.7%。NS處理30—40 cm土層EOC/TOC值顯著提升46.2%。NNS和NS處理0—40 cm土層有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)（KSO）整體小于S處理，其中NNS與S處理差異顯著。與S處理相比，NNS處理增加了10—20 cm土層Kso15.5%，但降低了0—10 cm土層及深層（20—30、30—40 cm）Kos，NS處理降低30—40 cm土層Kso142.0%。

2.5 不同深松頻次處理土壤碳庫(kù)管理指數(shù)變化

碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）能全面反映外界條件對(duì)土壤碳庫(kù)影響及土壤碳庫(kù)質(zhì)量更新程度。本研究以連續(xù)深松S處理為對(duì)照，分析NS和NNS處理對(duì)0—40 cm土層碳庫(kù)管理指數(shù)的影響（表6）。不同深松頻次處理0—40 cm土層各項(xiàng)碳庫(kù)指數(shù)均有所增加，且在NNS處理下達(dá)到顯著水平（＜0.05）。與S處理相比，NNS處理0—10 cm土層土壤CPI、A、AI和CPMI均得到顯著提升；NNS和NS處理10—20 cm土層顯著提升土壤A，但AI及CPMI均有所下降；20—30 cm土層NNS處理顯著提升土壤CPI、A、AI和CPMI，但NS處理降低CPI 6.4%；30—40 cm土層，CPI表現(xiàn)為S＞NS＞NNS，A，AI和CPIM表現(xiàn)為NNS＞NS＞S。NNS處理降低10—20 cm土層A及CPMI，增加了0—10、20—30和30—40 cm土層CPMI，有助于碳庫(kù)活化及更新。

表5 不同深松頻次處理土壤碳庫(kù)組成變化

表6 土壤碳庫(kù)管理指數(shù)

3 討論

土壤耕作直接調(diào)節(jié)土壤物理結(jié)構(gòu)，影響土壤水肥氣熱狀況，是影響秸稈腐化和轉(zhuǎn)化為土壤碳庫(kù)的重要措施[25]。本研究以長(zhǎng)期單一連續(xù)深松方式為對(duì)照，對(duì)比分析了減少深松頻次處理對(duì)土壤團(tuán)聚體特性、團(tuán)聚體固碳能力影響及土壤碳庫(kù)對(duì)耕作措施的響應(yīng)。結(jié)果顯示，減少深松頻次提升了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和碳庫(kù)管理指數(shù)，可克服長(zhǎng)期連續(xù)深松的不足。

3.1 減少深松頻次處理對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

減少深松頻次降低了對(duì)土壤的擾動(dòng)，長(zhǎng)期不同耕作措施自身所帶來(lái)的秸稈還田量以及秸稈還田方式造成土壤團(tuán)聚體組分有所差異。本研究中，NNS處理顯著增加穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量，這與減少土壤擾動(dòng)，降低對(duì)土壤的破壞，增強(qiáng)了土壤聚合能力有關(guān)[26]。土壤團(tuán)聚體破壞率及不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)在不同土層呈現(xiàn)不同規(guī)律，整體為深層土壤大于表層，與前人的研究相一致。連續(xù)深松破壞了深層土壤結(jié)構(gòu)，而作為膠結(jié)物質(zhì)的秸稈分解物無(wú)法彌補(bǔ)長(zhǎng)期深松所帶來(lái)的破壞性，NNS和NS處理通過(guò)免耕措施增加了土壤的自我修復(fù)作用，較少的土壤擾動(dòng)增加了土壤微生物的活性，加速了根系殘留物的分解，膠結(jié)物的形成增加了水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成增強(qiáng)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[21,27]。利用平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑描述團(tuán)聚體的分級(jí)特征，本研究中NNS和NS處理增加團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑，增加了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

3.2 減少深松頻次處理對(duì)團(tuán)聚體固碳能力的影響

團(tuán)聚體的吸附及團(tuán)聚作用可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田有機(jī)碳的固存[28]。本研究表明，土壤表層團(tuán)聚體有機(jī)碳固存能力大于深層，且微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）的固碳能力強(qiáng)于大團(tuán)聚體，與前人研究有所出入[29]，可能是因?yàn)楦鞔胧?dǎo)致微團(tuán)聚體的含量增加，同時(shí)該粒級(jí)土壤的比表面積增加，雙向增加作用增強(qiáng)了該粒徑團(tuán)聚體的固碳能力[30]。研究表明土壤＞0.25 mm團(tuán)聚體固碳能力與土壤總有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，表明提升農(nóng)田大團(tuán)聚體的含量及其固碳能力是提高農(nóng)田有機(jī)碳含量的重要途經(jīng)[29]。本研究中NNS和NS處理通過(guò)增加了土壤0.5—0.25 mm、0.25—0.053 mm團(tuán)聚體固碳能力，增強(qiáng)了團(tuán)聚體總固碳能力。

3.3 減少深松頻次處理對(duì)土壤碳庫(kù)的影響

深松措施不擾亂耕層，相比于傳統(tǒng)翻耕降低土壤有機(jī)碳礦化的可能性。本研究中，3種耕作處理對(duì)0—40 cm土層總有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異，但NNS和NS處理增加10—20 cm土層有機(jī)碳含量，減少30—40 cm土層總有機(jī)碳含量。深松鏟會(huì)將部分秸稈帶入深層土壤，且減少深松措施的根系生物量?jī)?yōu)勢(shì)無(wú)法彌補(bǔ)秸稈量的減少，減少了深層土壤的外來(lái)有機(jī)物來(lái)源，增加了深層土壤總有機(jī)碳的層化率，以NNS處理下20—30/30—40 cm土層尤為顯著。表層有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異主要由于秸稈覆蓋增加了有機(jī)碳輸入，且3種耕作措施均不擾亂耕層，土壤有機(jī)碳礦化率低造成[31]。本研究中，NNS處理顯著提升了土壤活性有機(jī)碳的含量，NNS處理減少了土壤擾動(dòng)，秸稈覆蓋避免了土壤與空氣的直接接觸，降低了水分蒸散，所形成的土壤環(huán)境有利于微生物活性的提升，加速了秸稈及根系殘留物的分解，腐殖質(zhì)的形成增加了活性炭的含量，免耕措施的增加使得土壤孔隙度有所降低，使得這部分活性較強(qiáng)的有機(jī)碳得以?xún)?chǔ)存，而連續(xù)深松措施增加土壤孔隙度，增大了土壤與空氣的接觸面積，造成了活性碳的礦化和流失[32]。

3.4 減少深松頻次處理對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

不同耕作措施所形成的土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量對(duì)土壤碳庫(kù)活性及其管理指數(shù)有著重要的影響。NNS處理顯著增加了0—40 cm土層EOC/TOC比值，增強(qiáng)了土壤碳庫(kù)有機(jī)碳活性，提升了10—20 cm的Kso，增加了碳庫(kù)穩(wěn)定性。碳庫(kù)管理指數(shù)能系統(tǒng)、敏感地監(jiān)測(cè)有機(jī)碳變化，其值的升高表明土壤耕作方式有利于土壤碳庫(kù)的良性發(fā)展。本研究中，NNS處理能顯著提升土壤0—40土層A、AI和CPMI，CPI與SS處理相比無(wú)差異，說(shuō)明NNS處理主要通過(guò)提升土壤中活性碳的含量來(lái)提高土壤質(zhì)量碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)，碳庫(kù)活度及碳庫(kù)活度指數(shù)的增加提升了碳庫(kù)管理指數(shù)，增強(qiáng)了碳庫(kù)的循環(huán)及更新。10—20 cm土層總有機(jī)碳含量提升和活性有機(jī)碳相對(duì)穩(wěn)定造成NNS處理下該土層A、AI和CPMI有所降低。

4 結(jié)論

長(zhǎng)達(dá)12年的保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)表明，連續(xù)深松不利于長(zhǎng)期土壤質(zhì)量的提升，三年一深松的耕作模式增加土壤團(tuán)聚體含量，降低長(zhǎng)期深松對(duì)土壤的破壞程度，增加了團(tuán)聚體穩(wěn)定性和其固碳能力。三年一深松在增加0—40 cm土層總有機(jī)碳含量方面與連續(xù)深松無(wú)顯著差異，但增加了活性有機(jī)碳的含量，改變了土壤碳庫(kù)組成，提升了土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，有助于活化土壤碳庫(kù)，增強(qiáng)土壤碳庫(kù)的循環(huán)能力，是適合黃土旱塬土壤碳庫(kù)良性循環(huán)和更新的耕作方式。

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Effects of Subsoiling and No-Tillage Frequencies on Soil Aggregates and Carbon Pools in the Loess Plateau

ZHANG Qi, WANG ShuLan, WANG Hao, LIU PengZhao, WANG XuMin, ZHANG YuanHong, LI HaoYu, WANG Rui, WANG XiaoLi, LI Jun

(College of Agronomy, Northwest A&F University/Key Laboratory of Crop Physi-ecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shannxi)

【】This study was aimed to clarify the effects of reducing the frequencies of subsoiling on the soil structures and soil carbon pool in spring maize fields on the Loess Plateau. 【】A long-term positioning experiment of conservation tillage with different frequencies of subsoiling and no-tillage was carried out in spring maize fields on Weibei dryland from 2007 to 2019, with continuous subsoiling (S) as the contrast, which set up combination tillage modes of no-tillage and subsoiling to reduce the frequency of subsoiling: subsoiling once two years (NS) and subsoiling once three years (NNS). The effects of reducing the frequency of subsoiling on soil aggregates, carbon preservation capacity of soil aggregates, soil carbon pool composition and carbon pool management index under different tillage treatments were observed after 12 year continuous experiment. 【】(1) Decreasing the frequency of subsoiling improved the content of macroaggregates (R0.25), the content of 0-40 cm soil layer mechanical-stability aggregates (DR0.25) increased by 3.8% and water-stable aggregates (WR0.25) increased by 38.9% under NNS treatment, respectively. NS treatment increased the WR0.25by 41.8%. Meanwhile, NNS decreased the destruction rate (PAD) and unstable aggregate index (ELT) of aggregates, with the mean weight diameter (MWD) and geometrical mean diameter (GMD) significantly increased by 13.3% and 16.6%. (2) The total carbon preservation capacity (TOPC) of the aggregates under NNS and NS was significantly increased. The average carbon sequestration capacity of aggregates in 0-40 cm soil layer under NNS was increased by 10.8%, whereas it was decreased in 20-30 cm soil layer. The carbon preservation ability of aggregates in different sizes indicated that the carbon preservation ability of aggregates with particle size of <0.25 mm was stronger. (3) NNS treatment had no significant effect on the total organic carbon (TOC) content in 0-40 cm soil layer, but increased the TOC content in the 10-20 cm soil layer, reduced stratification effect of surface soil organic carbon, and decreased the TOC content in 30-40 cm soil layer and caused the effect of organic carbon layering in deep soil. (4) The content of active organic carbon (EOC) in the 0-40 cm soil layer under NNS treatment obviously increased by 24.9%. Furthermore, the increase of EOC content lead to higher EOC/TOC ratio, carbon pool activity (A) and carbon pool activity index (AI), with the carbon pool management index (CPIM) increased by 39.8% compared to S. 【】Long-term continuous subsoiling was not conducive to the formation of soil aggregates and the cycle of soil carbon pools. While subsoiling once three years tillage mode helped to reduce the degree of damage about soil aggregates, improve the carbon pool management index and adjust the renewal and cycling of soil carbon pool, which was a suitable tillage model for the region.

Loess plateau; spring maize; subsoiling frequency; soil aggregates; soil carbon pool

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.008

2019-12-23；

2020-02-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（31671641，31571620）、國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAD22B02）

張琦，E-mail：17835424993@163.com。通信作者王小利，E-mail：nwwanxl@nwsuaf.edu.cn。通信作者李軍，E-mail：junli@nwsuaf.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）