連續(xù)深松對(duì)黑土結(jié)構(gòu)特性和有機(jī)碳及碳庫(kù)指數(shù)影響

張博文，楊彥明*，張興隆，李金龍，陳新宇，李志新

（1．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2．阿榮旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 162750；3．扎賚特旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 興安盟 137600）

黑土地耕作特性好，是優(yōu)質(zhì)且珍貴的不可再生資源［1-3］。由于連續(xù)高度集約化生產(chǎn)，加之缺乏用養(yǎng)結(jié)合的保護(hù)意識(shí)，黑土地逐漸退化，如容重增加、硬度增大、耕層變薄、犁底層上移等問題凸現(xiàn)，從而制約了黑土地的可持續(xù)生產(chǎn)能力。深松對(duì)黑土物理結(jié)構(gòu)改善具有積極影響，程思賢研究表明，相較于旋耕，深松可降低15～60 cm土層土壤容重、10～45 cm土層土壤緊實(shí)度，深松60 cm效果最優(yōu)［4］。王萬寧等研究認(rèn)為，深松可降低玉米各生育時(shí)期0～40 cm土層土壤容重，提高土壤孔隙度，顯著降低拔節(jié)期20～40 cm土層土壤緊實(shí)度［5］。張麗等在壤土及黏土開展試驗(yàn)表明，深松較旋耕顯著降低兩種土壤10～30 cm土層土壤容重，提高土壤孔隙度，深松對(duì)黏土改良效果優(yōu)于壤土［6］。土壤有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，其含量直接決定了黑土地養(yǎng)分狀況。姬強(qiáng)等［7］和王淑蘭等［8］研究表明，深松可提高耕層土壤有機(jī)碳含量。王勇等［9］和Valboa等［10］研究表明，不同耕作方式顯著影響土壤有機(jī)碳垂直分布及穩(wěn)定性，尤以深松處理固碳潛力最大。Tian等研究表明，耕作方式由旋耕改為深松可提高土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量，而免耕向深松轉(zhuǎn)變顯著降低10～30 cm土層土壤有機(jī)碳含量，碳儲(chǔ)量下降41.7%［11］。土壤碳庫(kù)管理指數(shù)是評(píng)價(jià)土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化的重要指標(biāo)，可靈敏地反映農(nóng)藝措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響［12］。田慎重等研究表明，秸稈還田條件下，長(zhǎng)期旋耕處理轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏煽娠@著降低土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI），而長(zhǎng)期免耕處理轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏煽娠@著提高10～30 cm土層土壤碳庫(kù)活度［13］。張霞研究認(rèn)為，在秸稈還田條件下，深松較翻耕可提高0～50 cm土層土壤CPMI［14］。目前，關(guān)于黑土深松的相關(guān)研究多集中于旋耕、免耕、深松等不同耕作方式之間的比較。關(guān)于不同深松年限及深度對(duì)黑土結(jié)構(gòu)特性、碳庫(kù)特征等方面的研究較少。本研究通過連續(xù)兩年不同深松深度處理，闡明土壤緊實(shí)度、容重、孔隙度、總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳的時(shí)空變化及作用機(jī)制，以期為黑土地創(chuàng)建合理耕層結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)黑土地有機(jī)碳轉(zhuǎn)化提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步為黑土地可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016～2017年在內(nèi)蒙古興安盟扎賚特旗農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)進(jìn)行。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫5.0 ℃，年均降水量432.8 mm，年均日照時(shí)數(shù) 2 855 h，無霜期 126 ～ 154 d。試驗(yàn)地土壤類型為黑土，pH值8.22，有機(jī)碳和養(yǎng)分值見表1。

表1 試驗(yàn)地有機(jī)碳和養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016～2017年，設(shè)置不同深松深度和深松年限處理共7個(gè)（表2）。試驗(yàn)小區(qū)面積10 m×13.2 m=132 m2，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次。于5月10日播種，作物為玉米（恒育498），播前深松作業(yè)，播種機(jī)起壟播種，壟高25 cm，播種量37.5 kg·hm-2，行距 66 cm，株距 25 cm，保苗數(shù)60 000株·hm-2； 尿 素（N 46%）、 磷 酸 二 銨（N 18%、P2O546%）施用量分別為 150、225 kg·hm-2，隨播種機(jī)做種肥施入；2016～2017年5月26日、7月13日各灌水1次，灌水量900 m3/hm2；10月10日收獲測(cè)產(chǎn)。

表2 各處理實(shí)施方案

1.3 測(cè)定方法

于2016～2017年玉米小喇叭口期（6月20日）、抽雄期（7月20日）、開花期（8月20日）、成熟期（9月20日）使用美國(guó)SPECTRUM SC-900緊實(shí)度儀測(cè)定土壤緊實(shí)度。于成熟期分0～ 10、10～20、20～40 cm土層，使用環(huán)刀法［15］測(cè)定容重，并采集土樣。其余指標(biāo)測(cè)定方法及計(jì)算公式如下：

土壤總孔隙度：（1-土壤容重/土壤比重）×100%［15］

土壤毛管孔隙度：土壤毛管含水量×土壤容重［15］

土壤充氣孔隙度：土壤總孔隙度-土壤體積含水量［15］

土壤總有機(jī)碳：重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法［16］活性有機(jī)碳：高錳酸鉀氧化法［17］碳庫(kù)活度（A）=活性有機(jī)碳/穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳［17］碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）=農(nóng)田碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度［17］

碳庫(kù)指數(shù)（CPI）=農(nóng)田土壤有機(jī)碳/參考農(nóng)田土壤有機(jī)碳［17］

碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）=碳庫(kù)活度指數(shù)×碳庫(kù)指數(shù) ×100［17］

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007處理，顯著性分析采用 SAS 9.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深松方式對(duì)土壤緊實(shí)度影響

由圖1可知，在玉米小喇叭口期至開花期，隨土層深度增加，CK土壤緊實(shí)度先升高后降低，深度在15 cm左右緊實(shí)度達(dá)到極大值。各深松處理緊實(shí)度與CK變化不一致，表現(xiàn)為隨土層加深土壤緊實(shí)度逐漸提高，未出現(xiàn)明顯“單峰曲線”變化趨勢(shì)。深松可顯著降低玉米開花期前后土壤緊實(shí)度，其中10～30 cm土層差異最顯著，表明深松降低了犁底層附近土壤緊實(shí)度及土壤容重。玉米成熟期SS1、SS2均可不同程度增加10～20 cm土層土壤緊實(shí)度，小喇叭口期至開花期SS1、SS2可使0～10 cm土層土壤緊實(shí)度降低，土壤質(zhì)地松散，利于儲(chǔ)存更多水分。

深松1年各處理0～20 cm土層土壤緊實(shí)度在小喇叭口期、抽雄期小于深松2年各處理，20～30 cm土層深松1年與2年各處理均大于CK，但差異不顯著。CS2在開花期至成熟期土壤緊實(shí)度均低于其他處理，且差異顯著。在玉米成熟期，SS2、CS2土壤緊實(shí)度分別較SS1、CS1降低5.31%～ 69.23%、2.68%～ 26.14%，QS2較QS1降低了0～10 cm土層土壤緊實(shí)度。深松處理可直接破壞土壤原有結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤緊實(shí)度大小具有直接作用，隨著生育時(shí)期推進(jìn)，在不同深松方式下土壤孔隙狀況、水分和氣體運(yùn)移原有規(guī)律被打破，進(jìn)一步對(duì)土壤緊實(shí)度產(chǎn)生了影響。

圖1 不同深松處理對(duì)土壤緊實(shí)度影響

2.2 不同深松方式對(duì)土壤容重及孔隙度的影響

圖2可見，各處理各土層土壤容重與總孔隙度變化呈相反趨勢(shì)，隨著土層深度增加土壤容重提高，而總孔隙度、充氣孔隙度、毛管孔隙度則降低。其中0～10、20～40 cm土層，深松處理土壤容重分別較CK顯著降低了14.92%～27.66%、6.64%～15.11%，以SS2、CS1降幅最大。

CK處理充氣孔隙度隨土層加深表現(xiàn)為先降低后升高，而各深松處理呈逐漸降低趨勢(shì)，且在0～20 cm土層顯著高于CK。10～20 cm土層，CK土壤緊實(shí)度較高，總孔隙度降低，同時(shí)土壤導(dǎo)水能力較差，水分不能及時(shí)下滲，導(dǎo)致該土層土壤充氣孔隙度處于較低水平。深松處理較CK顯著提高了各土層土壤總孔隙度及毛管孔隙度，表明深松可增加土壤孔隙度，并促進(jìn)了水分及時(shí)下滲，使土壤充氣孔隙度處于較高水平。QS1、SS2處理較CK降低了20～40 cm土層土壤充氣孔隙度，SS2與CK差異顯著，這可能是由于深松促進(jìn)水分向下運(yùn)移導(dǎo)致的。

相同深松深度，深松2年各處理較深松1年可提高20～40 cm土層土壤容重，QS1、QS2間差異顯著。土壤孔隙度方面，QS2較QS1顯著降低20～40 cm土層土壤總孔隙度，但顯著提高充氣孔隙度；CS2較CS1顯著降低0～10 cm土層土壤毛管孔隙度、充氣孔隙度，但顯著提高了20～40 cm土層土壤毛管孔隙度。

圖2 各處理玉米成熟期土壤容重及孔隙度

相同深松年限，深松1年，20～40 cm土層CS1土壤總孔隙度、充氣孔隙度顯著高于其它處理；深松2年，20～40 cm土層QS2充氣孔隙度顯著高于SS2、CS2。

2.3 不同深松方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量影響

圖3 各處理玉米成熟期土壤有機(jī)碳及碳庫(kù)活度

由圖3可知，隨著土層深度增加，各處理土壤總有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)，而活性有機(jī)碳變幅較小；除SS1、SS2外，各處理碳庫(kù)活度均呈上升趨勢(shì)。各處理較CK降低了0～20 cm土層土壤總有機(jī)碳含量，以0～10 cm土層最顯著，其中CS1較CK顯著降低44.23%。各處理0～10 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量高于CK，20～40 cm土層，除SS1外也高于CK；QS1、CS1處理20～40 cm土層的土壤活性有機(jī)碳含量較CK分別提高1.60%、1.36%，0～10 cm土層差異不顯著。深松提高了0～10 cm土層土壤碳庫(kù)活度，SS1、CS1與CK差異顯著。深松可改善土壤結(jié)構(gòu)，優(yōu)化土壤水氣交換條件，加速土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化分解，進(jìn)而降低了表層土壤有機(jī)碳含量，提高土壤活性有機(jī)碳含量及碳庫(kù)活度。深松可有效改善犁底層附近土壤狀況，降低土壤容重，促進(jìn)根系向下生長(zhǎng)，同時(shí)較好的土壤環(huán)境也更有利于土壤微生物活動(dòng)，進(jìn)而促進(jìn)深層土壤有機(jī)碳的積累。

連續(xù)深松提高0～10 cm土層土壤總有機(jī)碳含量，CS2、QS2分別顯著高于CS1、QS1，10～20、20～40 cm土層各處理間差異不顯著。隨深松深度增加，0～10 cm土層土壤總有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)，20～40 cm土層呈上升趨勢(shì)。深松年限對(duì)土壤活性有機(jī)碳含量無顯著影響，但0～10 cm土層深松2年各處理低于深松1年，20～40 cm土層高于深松1年。10～20、20～40 cm土層SS1、SS2土壤活性有機(jī)碳含量較低，10～20 cm土層SS2顯著低于CS2，20～40 cm土層SS1顯著低于QS1、CS1。

由圖4可知，深松處理較CK可提高0～10 cm土層土壤CPMI。20～40 cm土層SS2土壤CPMI較CK低，其余處理均高于CK。深松2年各處理10～20 cm土層土壤CPMI高于CK，且高于深松1年各處理。0～20 cm土層，深松主要通過提高土壤 AI、CPMI，降低土壤 CPI。20～ 40 cm 土層QS1、QS2土壤AI、CPI均高于CK，而其他處理降低土壤AI，提高土壤CPI、CPMI。相同深松年限 下，0～ 10 cm土層SS1、SS2土壤CPMI較高，10～20 cm土層SS2仍然處于較高水平，但20～40 cm土層SS1、SS2較低。

圖4 玉米成熟期各處理土壤碳庫(kù)管理指數(shù)

3 討論

土壤緊實(shí)度提高，可導(dǎo)致土壤蓄水保墑能力降低，氣體流通情況變差，不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育［18］。蘇有健等研究證實(shí)，深松、旋耕以及免耕等耕作方式下，0～30 cm土層土壤緊實(shí)度隨土層深度加深而逐漸增加，且深松處理土壤緊實(shí)度低于旋耕處理［19］。程思賢研究表明，深松較旋耕可降低10～45 cm土層土壤緊實(shí)度，且隨著深松深度增加，降幅增大［4］。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果具有一定差異，其中在玉米小喇叭口期至開花期，隨土層深度增加，旋耕后0～30 cm土層的土壤緊實(shí)度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，而深松處理則呈持續(xù)上升趨勢(shì)。分析原因，可能由于犁底層較淺或上移，導(dǎo)致犁底層附近土壤緊實(shí)度較大所致。玉米抽雄前，深松可降低10～20 cm土層土壤緊實(shí)度，且在玉米開花期左右降幅最大；成熟期，深松、旋耕間差異減小，深松35 cm可較旋耕提高15～30 cm土層土壤緊實(shí)度，這與王慧杰等研究結(jié)果一致［20］。耕層土壤緊實(shí)度與土壤濕度、碾壓次數(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械類型及作業(yè)方式等因素相關(guān)，與土壤濕度相關(guān)性最高［21］，黑土的土壤結(jié)構(gòu)較好，深松后土壤持水能力進(jìn)一步提升，進(jìn)入雨季后，土壤濕度增加，土壤緊實(shí)度進(jìn)一步降低，且隨玉米生育時(shí)期推進(jìn)，土壤受降雨、自然重力產(chǎn)生的沉降作用，也導(dǎo)致土壤緊實(shí)度增大。本研究進(jìn)一步證實(shí)，在玉米成熟期，深松1年，深松25 cm土壤緊實(shí)度最低，深松2年，深松45 cm表現(xiàn)最佳。

土壤容重是表征土壤固相存在狀況的重要指標(biāo)之一，土壤孔隙是土壤水分、空氣的主要貯存空間，其數(shù)量及質(zhì)量，對(duì)土壤持水能力、水分及氣體的流通與交換具有重要意義。孔曉民等［22］、葛超等［23］和王萬寧等［5］研究均表明，深松對(duì)比旋耕、免耕、翻耕等耕作方式，可顯著降低各土層的土壤容重，對(duì)犁底層影響尤為顯著。上述研究結(jié)論與本研究結(jié)果基本一致，在玉米收獲期，深松顯著降低了各土層土壤容重，提高了土壤總孔隙度、毛管孔隙度與0～20 cm土層充氣孔隙度。本研究進(jìn)一步表明，隨著深松深度增加，0～20 cm土層毛管孔隙度、充氣孔隙度及20～40 cm土層土壤容重進(jìn)一步降低，20～40 cm土層土壤總孔隙度及充氣孔隙度顯著增加。連續(xù)深松提高20～40 cm土層土壤容重，降低土壤總孔隙度，尤以連續(xù)深松25 cm處理差異最顯著。

作物根系、殘茬及微生物是農(nóng)田土壤有機(jī)碳主要來源［24］。王旭東等在秸稈還田條件下開展的研究表明，連年深松促進(jìn)根系向下伸展，提高下層土壤根茬殘留量，增加土壤表層及35～50 cm土層土壤有機(jī)碳含量［25］。呂瑞珍等的研究結(jié)果與上述基本一致，深松覆蓋較翻耕覆蓋提高、較旋耕覆蓋降低0～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量［26］。本研究結(jié)果表明，在沒有秸稈覆蓋的條件下，深松處理較旋耕顯著降低0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量（下降2.57%～19.12%），顯著提高20～40 cm土層有機(jī)碳含量（增加2.56%～44.23%），這與姬強(qiáng)等［7］、Angers等［27］研究結(jié)果一致。在缺少外源碳輸入情況下，深松后土壤物理環(huán)境較好，加速有機(jī)碳分解。隨著深松年限增加，表層（0～10 cm）土壤有機(jī)碳含量呈上升趨勢(shì)，表明增加年限可一定程度上促進(jìn)表層土壤有機(jī)碳積累。

土壤易氧化有機(jī)碳可反應(yīng)不穩(wěn)定土壤碳庫(kù)的變化情況，受不同農(nóng)藝措施影響顯著［28］。Valboa等［10］和王彩霞等［29］研究認(rèn)為，深松和旋耕相較翻耕均增加了表土活性有機(jī)碳含量，旋耕優(yōu)于深松。呂貽忠等研究認(rèn)為，深松耕作降低20 cm以下土層土壤活性有機(jī)碳含量［30］。本研究結(jié)果表明，各深松處理較旋耕降低10～20 cm土層，提高20～40 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量，0～10 cm土層與CK差異不顯著，但均高于旋耕。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果并不一致。深松可增加土壤孔隙度，改善土壤通氣情況，加速土壤有機(jī)碳礦化，短期內(nèi)降低土壤有機(jī)碳含量，提高土壤活性有機(jī)碳含量。隨時(shí)期推進(jìn)，加之腐殖質(zhì)補(bǔ)充不足，土壤有機(jī)碳含量進(jìn)一步下降［31］，活性有機(jī)碳含量隨之降低。本研究中，不同深松深度對(duì)20～40 cm土層擾動(dòng)強(qiáng)度不同，深松45、35 cm對(duì)土壤擾動(dòng)相對(duì)25 cm較大，可能促進(jìn)了作物根系及微生物活動(dòng)，有機(jī)碳的積累大于消耗，活性有機(jī)碳含量提高，但碳庫(kù)活度呈下降趨勢(shì)。

0～20 cm土層，深松主要通過提高土壤AI，從而提高土壤CPMI，土壤CPI基本上呈下降趨勢(shì)。深松后土壤碳庫(kù)活化，周轉(zhuǎn)速度快，損耗也隨之提高，黑土地土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤活性有機(jī)碳具有更多的來源，短期內(nèi)維持在較高水平，但緊靠作物根茬不足以彌補(bǔ)土壤惰性碳庫(kù)的消耗，土壤總有機(jī)碳含量下降，碳庫(kù)指數(shù)下降。研究表明，深松條件下進(jìn)行秸稈、有機(jī)肥還田，土壤碳庫(kù)依然可以保持較高的活度及管理指數(shù)［5］，利用深松與秸稈還田相配合的模式將更有利于黑土地可持續(xù)利用。

4 結(jié)論

深松較旋耕顯著降低犁底層附近的土壤緊實(shí)度，深松2年各處理較深松1年可降低土壤緊實(shí)度，超深松2年表層土壤緊實(shí)度最低，土壤板結(jié)、緊實(shí)嚴(yán)重地區(qū)適當(dāng)增加深松深度及年限更為合適。深松較旋耕顯著降低土壤容重，提高土壤總孔隙度、毛管孔隙度、充氣孔隙度；深松2年各處理較深松1年可提高20～40 cm土層土壤容重、降低土壤孔隙度。深松較旋耕可降低0～10 cm、提高20～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量，深松2年各處理較深松1年可提高0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量。隨深松深度增加至45 cm，0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量較深松25 cm顯著降低，但10～40 cm土層有機(jī)碳含量高于深松25 cm。深松較旋耕可促進(jìn)土壤碳庫(kù)活化，提高0～10、20～40 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量，但降低10～20 cm土壤活性有機(jī)碳含量。深松較旋耕提高土壤CPMI，有利于土壤培肥，增加深松年限可彌補(bǔ)深松1年各處理降低10～20 cm土層土壤CPMI的缺陷。