旋耕轉(zhuǎn)深松和秸稈還田增加農(nóng)田土壤團(tuán)聚體碳庫

田慎重，王 瑜，張玉鳳，邊文范，董 亮，羅加法，郭洪海

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旋耕轉(zhuǎn)深松和秸稈還田增加農(nóng)田土壤團(tuán)聚體碳庫

田慎重1，王 瑜2，張玉鳳1，邊文范1，董 亮1，羅加法3，郭洪海1※

（1. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，山東省植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，山東省環(huán)保肥料工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250100；2. 山東省水稻研究所，濟(jì)南 250100； 3. 新西蘭農(nóng)業(yè)科學(xué)院魯亞庫拉研究中心，新西蘭哈密爾頓 3240）

土壤耕作和秸稈還田能夠顯著影響土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，也是土壤團(tuán)聚體分布及更新周轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動因素。該研究基于連續(xù)9 a的旋耕-深松定位試驗，對比了長期旋耕農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏梢约敖斩掃€田對農(nóng)田土壤0～50 cm土壤團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性及團(tuán)聚體碳含量的影響，分析了團(tuán)聚體碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率及相互關(guān)系。研究結(jié)果表明，將長期旋耕農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樾?深松農(nóng)田顯著影響了0～50 cm土層的團(tuán)聚體分布及其碳含量。旋耕-深松配合秸稈還田（RTS-STS）模式能夠顯著提高表層土壤較大粒級團(tuán)聚體的比例，且顯著提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，分別比旋耕-深松無秸稈還田（RTA-STA）、旋耕秸稈還田（RTS）和旋耕無秸稈還田（RTA）處理高6.1%、65.4%和87.8%；同時，RTS-STS處理顯著提高了0～20 cm土層團(tuán)聚體碳含量和對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，雖然在20～30和30～50 cm土層之間，2個處理的團(tuán)聚體碳含量差異并不明顯，但RTS-STS處理的團(tuán)聚體碳含量對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率較0～20 cm土層和RTS處理顯著降低。通過耕作方式轉(zhuǎn)變、秸稈還田和兩者的交互作用對土壤團(tuán)聚體分布及其碳含量影響的作用力分析可看出，耕作、秸稈及其交互作用是影響不同土層中各處理在不同粒級團(tuán)聚體分布比例及碳含量差異的主要因素。通過相關(guān)分析表明，土壤有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其自身碳含量之間存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系。旋耕-深松配合秸稈還田（RTS-STS）模式促進(jìn)了0～20 cm土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，提高了土壤團(tuán)聚體碳庫和對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，對提升土壤有機(jī)碳水平具有積極意義。

土壤；有機(jī)碳；秸稈；深松；旋耕；秸稈還田；土壤團(tuán)聚體

0 引 言

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，也是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其組成及基本特性是決定土壤侵蝕、壓實、板結(jié)等物理過程及土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素之一[1]，是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）是土壤質(zhì)量和功能的核心，是影響土壤肥力的決定因子[3]，土壤有機(jī)碳作為土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，其對土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有顯著影響[4]，團(tuán)聚體的團(tuán)聚作用被認(rèn)為是土壤有機(jī)碳固定的核心機(jī)制[5]。土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對作物生長發(fā)育及有機(jī)碳有效存儲都有著重要作用[6]。而土壤耕作和秸稈還田是驅(qū)動團(tuán)聚體更新周轉(zhuǎn)的主要外部因素[7]，不同的耕作方式、頻率及秸稈還田可顯著影響土壤團(tuán)聚體數(shù)量、穩(wěn)定性等團(tuán)聚體特征，從而對土壤團(tuán)聚狀況及有機(jī)碳固定速率產(chǎn)生顯著影響[8-9]。因此，了解不同耕作方式和秸稈還田下土壤團(tuán)聚體碳庫特征對有機(jī)碳周轉(zhuǎn)機(jī)制及碳固定潛力具有重要意義。

華北平原是中國典型的小麥-玉米兩熟區(qū)，連年的旋耕及秸稈的不當(dāng)管理帶來的耕層淺薄化、土壤緊實化、養(yǎng)分利用率較低等一系列土壤健康問題逐漸顯露[10-11]，已經(jīng)成為制約糧食持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的新問題[12]。近年來，利用深松措施來改善土壤結(jié)構(gòu)、恢復(fù)耕層深度已逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用[13-15]，將長期旋耕農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樾?深松農(nóng)田不僅能夠構(gòu)建合理的耕層結(jié)構(gòu)，降低土壤亞表層容重，而且能夠提高作物產(chǎn)量、促進(jìn)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[13]。但這種將旋耕農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏傻母鞣绞阶兓厝粚υ械耐寥澜Y(jié)構(gòu)及微環(huán)境產(chǎn)生顯著影響[16]，我們通過前期的研究也表明，這種耕作方式的轉(zhuǎn)變對土壤活性有機(jī)碳、有機(jī)碳固定速率及作物產(chǎn)量均有顯著影響[17-18]。雖然目前深松及秸稈還田措施下對土壤物理性質(zhì)、有機(jī)碳含量及作物生產(chǎn)力等方面影響的研究多見報道[19-20]，但現(xiàn)有研究較少涉及這種耕作方式變化后土壤團(tuán)聚體特征及其關(guān)聯(lián)碳庫的對比研究。

因此，本研究利用轉(zhuǎn)變耕作方式長期定位試驗，通過對比長期旋耕農(nóng)田及旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏赊r(nóng)田的土壤團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性及其碳庫變化，探討轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田對土壤團(tuán)聚體碳庫的影響，對進(jìn)一步了解深松及耕作方式變化后的土壤團(tuán)聚體特征及土壤碳庫周轉(zhuǎn)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東省泰安市（36°09′N，117°09′E），屬于華北平原南部，氣候四季分明，年平均氣溫為13.8 ℃，年均降雨量710 mm。試驗地土壤為壤土，土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

表1 試驗地0~30 cm土層基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗設(shè)計

本試驗基于連續(xù)15 a的旋耕和秸稈管理長期定位試驗，該試驗始于2002年，在此長期定位試驗的基礎(chǔ)上，于2008年建立旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏啥ㄎ辉囼灒▓D1）。該耕作方式轉(zhuǎn)變試驗是將原旋耕（RT）處理一分為二，一半處理保持原旋耕措施（RT）不變作為對照（15 m× 4 m），另一半處理將耕作方式轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏桑⊿T），即旋耕-深松（RT-ST）處理（15 m×4 m），2個處理的秸稈管理方式不變（還田或不還田）。兩因素相互組合共4個處理，分別為旋耕無秸稈還田處理（RTA）、旋耕秸稈還田處理（RTS）、旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏蔁o秸稈還田處理（RTA-STA）、旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏山斩掃€田處理（RTS-STS），設(shè)3次重復(fù)。耕作方式操作均在每年10月小麥播種前進(jìn)行，整個小麥-玉米輪作周期各耕作方式的具體作業(yè)流程如下：

旋耕處理（RT）：玉米機(jī)械收獲→玉米秸稈還田或移除→滅茬機(jī)滅茬→施底肥→旋耕機(jī)旋耕（耕深10～12 cm，鄆城工力1GQN-230型旋耕機(jī)）→小麥機(jī)械播種→小麥機(jī)械收獲→小麥秸稈還田或移除→滅茬機(jī)滅茬→玉米免耕直播→玉米機(jī)械收獲。

旋耕-深松處理（RT-ST）：玉米機(jī)械收獲→玉米秸稈還田或移除→滅茬機(jī)滅茬→施底肥→震動深松鏟深松（耕深30～40 cm，鄆城工力ZS-180型震動深松機(jī)）→旋耕機(jī)淺旋整地（耕深5～10 cm，鄆城工力1GQN-230型旋耕機(jī)）→小麥機(jī)械播種→小麥機(jī)械收獲→小麥秸稈還田或移除→滅茬機(jī)滅茬→玉米免耕直播→玉米機(jī)械收獲。

試驗地采用小麥（L.）－玉米（L.）一年兩熟種植模式，小麥于每年10月12日左右播種，并于第2年6月8日左右收獲；玉米于6月20日左右播種，當(dāng)年10月8日左右收獲。各處理統(tǒng)一田間管理。小麥秸稈還田量約為10.1 t/hm2，玉米秸稈還田量約為11.0 t/hm2。小麥季基施純N 160 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，K2O 105 kg/hm2，各處理在拔節(jié)期統(tǒng)一追施純N 80 kg/hm2；玉米季基施純N 120 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 100 kg/hm2，大喇叭口期追施純N 120 kg/hm2。

圖1 旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏砷L期定位試驗處理圖

1.3 土壤樣品采集與分析

1.3.1 土壤團(tuán)聚體樣品采集

土壤團(tuán)聚體樣品采集于2015年11月。用直徑為10 cm的環(huán)刀，“S”形3點采集0～10、10～20、20～30和30～50 cm 4個土層的原狀耕層土壤。帶回實驗室后，將原狀土沿土壤的自然結(jié)構(gòu)剝成小土塊，剔去粗根和小石塊，讓其自然風(fēng)干。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體分級

土壤團(tuán)聚體分級采用改進(jìn)的濕篩法[21]。濕篩分析在土壤團(tuán)聚體分析儀（TFF-100型，浙江舜龍）上進(jìn)行。套篩孔徑依次為5、2、1和0.25 mm。各處理取50 g的土樣倒入套篩，浸潤10 min之后啟動團(tuán)聚體分析儀，以20次/min幅度上下篩動10 min。篩好后，將各級套篩上的土樣全部轉(zhuǎn)移到鋁盒中，待澄清后倒去上清液，烘箱55 ℃風(fēng)干，在空氣中平衡2 h后稱質(zhì)量，各處理3次重復(fù)。土壤有機(jī)碳含量及不同粒級團(tuán)聚體碳含量采用總有機(jī)碳分析儀（TOC）進(jìn)行測定。

1.3.3 計算方法

不同粒級團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比計算[22]

式中w為某級團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；W為該級團(tuán)聚體的風(fēng)干質(zhì)量，g。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)：平均質(zhì)量直徑（MWD）[22]

式中MWD為平均質(zhì)量直徑；y為各粒級土粒的質(zhì)量百分比，%；x為各粒級的平均直徑，mm。

團(tuán)聚體碳庫對土壤有機(jī)碳庫的貢獻(xiàn)率計算（SOC）[23]

SOC=SOC×w/SOC （3）

式中SOC為第級團(tuán)聚體的SOC含量，g/kg；w為第級團(tuán)聚體的比例，%；SOC為土壤有機(jī)碳含量，g/kg。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗中，對各處理團(tuán)聚體分布及其碳庫特征差異進(jìn)行多因素方差分析時，計算耕作因素、秸稈因素及其交互效應(yīng)對團(tuán)聚體分布及其碳庫影響的作用力，即各因素及其交互作用所引起的變異在總變異中所占的比例，通過其所產(chǎn)生的平方和占總平方和的百分比表示[24]。本文中所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Sigma Plot 10.0作圖，采用SPSS 17.0進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田對團(tuán)聚體分布的影響

由表2可以看出，轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田對0～50 cm土壤團(tuán)聚體分布產(chǎn)生顯著影響。在0～10 cm土層，團(tuán)聚體以2～5 mm粒級的為主，但在不同粒級間，各處理間表現(xiàn)出明顯差異。例如，轉(zhuǎn)變耕作方式處理RTS-STS以2～5 mm粒級為主，其比例顯著高于RTS處理，但后者各粒級間的比例較為平均，其中1～2、0.25～1和<0.25 mm粒級比例顯著高于RTS-STS處理（<0.05）。通過計算土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)-平均質(zhì)量直徑（MWD）可以看出，在0～10 cm土層，RTS-STS處理的團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于RTA-STA、RTS和RTA處理，分別比3個處理高6.1%、65.4%和87.8%，說明轉(zhuǎn)變耕作方式提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但顯著降低了>30～50 cm土層較大粒級團(tuán)聚體的比例，且其團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低了41%。在>10～20 cm土層，各處理團(tuán)聚體以2～5和0.25～1 mm粒級為主，且分布規(guī)律不明顯，例如RTS-STS處理主要集中在2～5 mm粒級，RTS處理約83%團(tuán)聚體分布在0.25～5 mm之間，而RTA處理0.25～1和<0.25 mm粒級的比例分別達(dá)到35.91%和27.59%，且平均質(zhì)量直徑以RTS-STS處理最高，達(dá)到2.42 mm；各處理>20～30 cm土壤團(tuán)聚體分布狀況與>10～20 cm類似。但在>30～50 cm土層，各處理2～5 mm粒級的團(tuán)聚體比例呈逐漸降低趨勢，而1～2、0.25～1和<0.25 mm粒級比例都表現(xiàn)為不同程度的升高，例如RTS-STS處理<0.25 mm粒級的團(tuán)聚體比例較0～30 cm土層顯著升高，且顯著高于其他處理，且其團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著降低，只有1.05 mm，說明旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)樾钏珊螅^小粒級的團(tuán)聚體比例逐漸顯著提高，穩(wěn)定性降低；相反該土層RTS處理的團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于其他3個處理。

表2 轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田后土壤不同粒級團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性變化

注：表中同一土層中同列不同小寫字母表示差異顯著（<0.05），下同。

Note: Different lowercase letters in same column of one layer denote statistical differences between treatment groups (<0.05), the same as below.

2.2 轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田對團(tuán)聚體碳庫的影響

耕作方式的變化和秸稈還田顯著影響土壤團(tuán)聚體碳含量變化（表3）。除RTS 2～5 mm和0.25～1 mm外，秸稈還田處理RTS-STS和RTS在4個土層的有機(jī)碳含量和各粒級團(tuán)聚體碳對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均顯著高于其無秸稈還田處理，說明秸稈還田有利于提高土壤團(tuán)聚體碳含量。但各處理的有機(jī)碳含量、不同粒級間的團(tuán)聚體碳和貢獻(xiàn)率表現(xiàn)趨勢不一。在0～10 cm土層，RTS-STS處理各粒級的團(tuán)聚體碳含量均顯著高于其他3個處理，這與其土壤有機(jī)碳含量趨勢一致，通過計算團(tuán)聚體碳對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率可以看出，RTS-STS處理的貢獻(xiàn)率達(dá)到87.89%，較RTS、RTA-STA和RTA處理分別高4.9%、10.3%和18.6%，說明轉(zhuǎn)變耕作方式促進(jìn)了團(tuán)聚體碳庫對有機(jī)碳庫貢獻(xiàn)，顯著提高了其在土壤有機(jī)碳庫中的比例。>10～20 cm土層，RTS-STS處理各粒級團(tuán)聚體碳含量、有機(jī)碳含量和貢獻(xiàn)率顯著高于其他3個處理。而>20～30 cm，RTS處理土壤有機(jī)碳含量和貢獻(xiàn)率顯著高于其他3個處理，而RTS-STS處理0.25～2 mm各粒級的團(tuán)聚體碳含量較高，但其團(tuán)聚體碳對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率顯著降低，分別比0～10和>10～20 cm降低29.9%和25.8%，說明旋耕-深松對下層土壤團(tuán)聚體碳庫產(chǎn)生顯著影響。在>30～50 cm，雖然RTS-STS處理的有機(jī)碳含量和團(tuán)聚體碳含量最高，但其團(tuán)聚體碳對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率只有76.05%，比貢獻(xiàn)最高的RTS處理低7.7%。

表3 轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田后土壤不同粒級團(tuán)聚體碳含量及貢獻(xiàn)率變化

2.3 轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田對團(tuán)聚體分布及其碳含量影響的影響力分析

通過耕作方式變化、秸稈還田和兩者的交互作用對土壤團(tuán)聚體分布及其碳含量影響的影響力分析可知（表4），在0～10 cm土層中，耕作、秸稈還田和兩者的交互作用對土壤團(tuán)聚體分布的影響均達(dá)到了極顯著水平（<0.01），但耕作因素的影響占到82.98%～98.12%，說明耕作是影響土壤表層團(tuán)聚體分布的主要決定因子；但在>10～20 cm土層，耕作因素雖然也達(dá)到了顯著水平（<0.01），其作用力較0～10 cm土層顯著降低，而秸稈因素對土壤團(tuán)聚體分布影響的作用力達(dá)到60.66～87.64%，說明秸稈因素對>10～20 cm土層的團(tuán)聚體分布的影響較0～10 cm表層顯著升高，且高于耕作因素在該土層的作用力；在>20～30 cm土層，耕作、秸稈及兩者的交互作用均極顯著的影響不同粒級團(tuán)聚體的分布（<0.01）；但在>30～50 cm土層，團(tuán)聚體分布受耕作因素的影響作用力顯著高于>20～30 cm。

土壤團(tuán)聚體碳含量在0～10 cm土層主要受秸稈因素、耕作與秸稈交互作用影響（<0.01），耕作因素作用力并沒有達(dá)到顯著水平，說明耕作方式變化并沒有主導(dǎo)土壤表層（0～10 cm）團(tuán)聚體碳含量發(fā)生明顯變化，其含量差異主要來自秸稈還田因素及兩者的交互作用；而在>10～20 cm土層的結(jié)果相反，秸稈因素并沒有達(dá)到顯著水平，團(tuán)聚體碳含量大小主要受耕作及耕作和秸稈交互作用影響（<0.01），說明耕作或秸稈還田的單一因素在不同土層表現(xiàn)出了顯著差異，但兩因素的交互作用是0～20 cm土層影響土壤團(tuán)聚體碳含量的主要因子；>20～30 cm土層趨勢與>10～20 cm土層類似，而在>30～50 cm土層，耕作、秸稈及兩者的交互作用是造成各處理土壤團(tuán)聚體碳含量差異的主要原因（<0.01）。

表4 耕作方式和秸稈還田對土壤不同粒級團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性影響的作用力分析

注：*代表<0.05；**代表<0.01，下同。

Note: * and ** indicate<0.05 and<0.01 in table, respectively, the same as below.

2.4 土壤有機(jī)碳含量與MWD、團(tuán)聚體碳庫的相互關(guān)系

由表5可知，土壤有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)平均質(zhì)量直徑（MWD，=0.75，<0.01）、大團(tuán)聚體（= 0.84，<0.01）和微團(tuán)聚體碳含量（=0.74，<0.01）之間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系；而土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性（MWD）與大團(tuán)聚體（=0.65，<0.05）顯著相關(guān)，與微團(tuán)聚體碳含量（=0.81，<0.01）極顯著相關(guān)；大團(tuán)聚體碳含量和微團(tuán)聚體碳含量也表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系（=0.95，<0.01）。

表5 土壤有機(jī)碳與MWD、大團(tuán)聚體碳、微團(tuán)聚體碳之間的相關(guān)性

3 討 論

本研究結(jié)果表明，耕作方式的變化和秸稈還田顯著影響了不同土層、不同粒級土壤團(tuán)聚體的分布比例和穩(wěn)定性（表2）。例如，在0～10 cm土層中，2個耕作方式變化處理RTS-STS和RTA-STA以2～5 mm粒級的團(tuán)聚體為主，而對照RTS和RTA處理的團(tuán)聚體比例較為平均，且秸稈還田的RTS-STS處理的團(tuán)聚體比例要顯著高于無秸稈還田處理RTA-STA。但在>30～50 cm土層，RTS-STS和RTA-STA處理的較大粒級的團(tuán)聚體比例顯著降低，微團(tuán)聚體比例顯著升高；而相反，RTS處理隨著土層的加深其1～5 mm間各粒級團(tuán)聚體比例逐漸升高。已有研究表明，旋耕對耕層土壤團(tuán)聚體具有強烈影響，特別是在土壤表層，各粒級間的團(tuán)聚體比例分布更為均勻[25]，本研究也得到了類似結(jié)果，而深松配合秸稈還田可在短期內(nèi)促進(jìn)0～10 cm土層的大團(tuán)聚體形成[1]。通過各處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)平均質(zhì)量直徑的變化也可看出，RTS-STS和RTA-STA處理的團(tuán)聚體穩(wěn)定性要顯著高于對照RTS和RTA處理，但RTS處理的MWD值在隨土層的加深呈升高趨勢，而RTS-STS和RTA-STA處理團(tuán)聚體穩(wěn)定性在>30～50 cm土層顯著降低，說明耕作方式由旋耕（RT）轉(zhuǎn)變?yōu)樾?深松（RT-ST）后促進(jìn)了表層土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但顯著降低了>30～50 cm土壤團(tuán)聚體比例和穩(wěn)定性，而旋耕措施顯著降低了表層土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。周虎等[22]研究結(jié)果也表明，由于旋耕處理對土壤的強烈擾動，會降低耕作深度內(nèi)土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度和穩(wěn)定性。通過耕作方式變化、秸稈還田和兩者的交互作用對土壤團(tuán)聚體分布影響的作用力分析可知（表4），耕作因素是影響表層土壤團(tuán)聚體分布的主要作用力，隨著土層的加深，在>10～30 cm土層，其對土壤團(tuán)聚體分布的作用力逐漸減弱，但在>30～50 cm土層，耕作因素作用力顯著增大（68.76%～82.74%），說明耕作方式變化顯著改變了該土層土壤團(tuán)聚體的分布狀況。由于深松主要作用于下層土壤，對>20～50 cm土層的耕層構(gòu)造產(chǎn)生顯著影響，從而改善土壤結(jié)構(gòu)[26]。因此，相對于主要作用于0～15 cm土壤表層的旋耕措施，耕作方式轉(zhuǎn)變后促進(jìn)了表層土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，但顯著改變了下層土壤團(tuán)聚體的分布狀況和穩(wěn)定性，因此，耕作和秸稈還田在不同程度上驅(qū)動了各處理不同土層及粒級間團(tuán)聚體的更新變化[7,27]。

通過測定耕作方式轉(zhuǎn)變后各處理不同粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量變化也可以看出（表3），在0～20 cm土層，耕作方式轉(zhuǎn)變后RTS-STS處理各粒級團(tuán)聚體碳含量和對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均顯著高于RTS處理，而在>20～30和>30～50 cm土層之間，2個處理的團(tuán)聚體碳含量差異顯著，但RTS-STS處理的團(tuán)聚體碳含量對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率顯著低于RTS處理，說明轉(zhuǎn)變耕作方式顯著提高了0～20 cm土層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳中來自團(tuán)聚體碳庫的比例，促進(jìn)了有機(jī)碳的有效積累和固定，進(jìn)而使更多的碳儲存在土壤中[28]。在本研究中，秸稈還田顯著提高了RTS-STS和RTS處理團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量，這與王勇等[29]研究結(jié)果一致。秸稈還田等有機(jī)物質(zhì)的輸入一方面增加了土壤有機(jī)質(zhì)，另一方面這種新鮮有機(jī)質(zhì)作為團(tuán)聚體形成的膠結(jié)物質(zhì)也促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成[30]，促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定。通過土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)、團(tuán)聚體碳含量的相關(guān)性分析也表明，土壤有機(jī)碳與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其碳庫（包括大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體碳）之間有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明土壤團(tuán)聚體碳對有機(jī)碳庫的貢獻(xiàn)顯著影響了土壤有機(jī)碳庫的大小。Six等[31]研究結(jié)果也表明，穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體可將更多的有機(jī)碳保護(hù)起來，進(jìn)而促進(jìn)土壤碳的固定和存儲。而本研究中，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與其自身的含碳量之間也表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳不僅促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成，也能夠顯著促進(jìn)其自身穩(wěn)定性[32]，而且穩(wěn)定的團(tuán)聚體也能夠顯著提高對有機(jī)碳的物理保護(hù)作用，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的有效固定[8]。

4 結(jié) 論

1）耕作方式轉(zhuǎn)變和秸稈還田顯著影響了0～50 cm土層土壤團(tuán)聚體的分布及其碳含量大小。轉(zhuǎn)變耕作方式后，旋耕-深松配合秸稈還田（RTS-STS）處理0～10 cm土層的團(tuán)聚體穩(wěn)定性比旋耕-深松無秸稈還田（RTA-STA）、旋耕秸稈還田（RTS）和旋耕無秸稈還田（RTA）處理提高6.1%、65.4%和87.8%，顯著促進(jìn)了表層土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定，但顯著降低了>30～50 cm土層較大粒級團(tuán)聚體的比例，且其團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低了41%。

2）轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田（RTS-STS）處理顯著提高了0～10 cm各粒級團(tuán)聚體碳含量和對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，較RTS、RTA-STA和RTA處理分別高4.9%、10.3%和18.6%，轉(zhuǎn)變耕作方式和秸稈還田顯著提高了團(tuán)聚體碳庫在土壤有機(jī)碳庫中的比例。但RTS-STS處理對下層土壤團(tuán)聚體碳庫也產(chǎn)生顯著影響，在>20～30 cm土層的貢獻(xiàn)率較0～10和>10～20 cm分別降低了29.9%和25.8%，在>30～50 cm，RTS-STS處理的有機(jī)碳含量和團(tuán)聚體碳含量最高，但其團(tuán)聚體碳對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率只有76.05%。

土壤團(tuán)聚體碳含量顯著影響土壤有機(jī)碳水平，土壤有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)平均質(zhì)量直徑、大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體碳含量之間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，且土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體碳含量均顯著相關(guān)，其自身碳含量顯著影響土壤團(tuán)聚體自身的穩(wěn)定性。

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Residue returning with subsoiling replacing rotary tillage improving aggregate and associated carbon

Tian Shenzhong1, Wang Yu2, Zhang Yufeng1, Bian Wenfan1, Dong Liang1, Luo Jiafa3, Guo Honghai1※

(1.,250100; 2.250100,; 3.3240,)

Soil tillage and residue returning could exert significant impact on soil structure and nutrient turnover, which were also important driving factors for the distribution and update of soil aggregate. The objectives of this study were to estimate the effects of rotary tillage converting to subsoiling on distribution, stability and associated-C content of soil aggregate based on the 8-year experiment, which included rotary tillage with residue returning (RTS), rotary tillage with residue removing (RTA), rotary tillage converting to subsoiling with residue returning (RTS-STS) and rotary tillage converting to subsoiling with residue removing (RTA-STA). The contribution rate of aggregate-C to soil organic carbon (SOC) and their interaction during rotary tillage converting to subsoiling were also analyzed in this study. The results showed that, the distribution, stability and associated-C of soil aggregate fractions were significantly affected by rotary tillage converting to subsoiling combined with the returning of residue, which not only significantly increased the proportion of soil macroaggregate, but also promoted the stability of aggregate. For example, the aggregate fraction proportions of 1-2, 0.25-1 and <0.25 mm under RTS-STS treatment were significantly higher than those of other 3 treatments in the soil depth of 0-10 cm, and the mean weight diameter (MWD) for stability index of soil aggregate under RTS-STS treatment was also 6.1%, 65.4% and 87.8% higher than RTA-STA, RTS and RTA treatments respectively in this study. And the aggregate fraction proportions of 1-2, 0.25-1 and <0.25 mm under 4 treatments were increased in the soil depth of >30-50 cm compared with that in the soil depth of 0-30 cm. Whereas, the MWD values were significantly decreased under the RTS-STS and RTA-STA treatments in the soil depth of 30-50 cm, and the opposite result was found under RTS and RTA treatments. Meanwhile, RTS-STS treatment significantly increased aggregate associated-C and its contribution rate to SOC in the depth of 0-20 cm. Although there was no significant difference for aggregate associated-C between RTS-STS and RTS treatments in the depth of >20-30 and >30-50 cm, the contribution rate of aggregate associated-C to SOC was decreased under the RTS-STS treatment compared with that in >20-50 cm depth. In comparison to the residue removing, rotary tillage and rotary tillage converting to subsoiling combined with the returning of residue increased the contents of SOC and aggregate associated-C in the soil depth of 0-50 cm. The contribution rate of aggregate associated-C to SOC under RTS-STS treatment was 87.89%, which was 4.9%, 10.3% and 18.6% higher than RTS, RTA-STA and RTA treatments respectively in this study. Tillage method, residue returning and their interaction were important effect factors on the distribution and associated-C of soil aggregate under 4 treatments in the different soil depths according to the force analysis in this study. Additionally, there was significant positive correlation between the SOC and the stability and associated-C(<0.01) of aggregate by the correlation analysis. The tillage converting combined with residue returning (RTS-STS) can improve the aggregate gathering and stabilizing in the 0-20 cm soil depth, and also increase the contribution rate of soil aggregate associated-C to SOC, which would significantly improve the SOC level in this region.

soils; organic carbon; straw; subsoiling; rotary tillage; residue returning; soil aggregate

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.018

S343.1

A

1002-6819(2017)-24-0133-08

2017-07-12

2017-11-30

國家自然科學(xué)基金（41701337）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503121）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2015CQ007）；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科研基金（2015YQN37）；山東省科技發(fā)展計劃（2016STS001）；“海外泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項經(jīng)費；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程（CXGC2016A12）共同資助。

田慎重，男，山東濟(jì)寧人，博士，助理研究員。研究方向為土壤耕作與農(nóng)業(yè)生態(tài)。Email：tiansz1616@163.com

郭洪海，男，山東菏澤人，研究員。研究方向為循環(huán)農(nóng)業(yè)。 Email：honghaig@163.com

田慎重，王 瑜，張玉鳳，邊文范，董 亮，羅加法，郭洪海. 旋耕轉(zhuǎn)深松和秸稈還田增加農(nóng)田土壤團(tuán)聚體碳庫[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(24)：133－140. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.018 http://www.tcsae.org

Tian Shenzhong, Wang Yu, Zhang Yufeng, Bian Wenfan, Dong Liang, Luo Jiafa, Guo Honghai. Residue returning with subsoiling replacing rotary tillage improving aggregate and associated carbon[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 133－140. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.018 http://www.tcsae.org