耕作方式和種植模式對(duì)黑土碳氮含量及玉米產(chǎn)量年際變化的交互效應(yīng)

高 燕，張 延，張 旸，陳學(xué)文,梁愛(ài)珍

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130102；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

土壤碳氮是土地可持續(xù)利用的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其質(zhì)量和數(shù)量影響土壤肥力的保持與提高[1]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳(SOC)與氮素動(dòng)態(tài)變化存在密切關(guān)系，SOC的增加有利于提高土壤氮素的有效性[2]。土壤碳氮變化與耕作方式和種植模式密切相關(guān)。不同耕作和種植模式可以改變土壤SOC的穩(wěn)定性及氮素供應(yīng)，并且影響微生物對(duì)土壤碳氮的利用[3-4]。免耕作為保護(hù)性耕作的主要技術(shù)之一，能夠減少SOC損失，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。大量研究表明，免耕可以顯著提高表層SOC和全氮(TN)含量，而對(duì)亞表層和深層土壤碳、氮含量變化的影響觀點(diǎn)不一致。Blanco-Canqui和Lal等[7]研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作能夠提高表層(0～10 cm)土壤有機(jī)碳含量，但對(duì)10 cm以下土層碳含量的影響不大，甚至使其降低。宋霄君等[8]通過(guò)探究長(zhǎng)期保護(hù)性耕作對(duì)不同土層土壤碳氮含量發(fā)現(xiàn)，免耕顯著降低了20～40 cm土層碳、氮含量。不同耕作方式和種植模式因作物類型、作物秸稈還田量和還田種類的差異對(duì)土壤微生物多樣性和活性也產(chǎn)生不同的刺激，從而影響土壤養(yǎng)分狀況[9]。Zhang等[10]基于12年的保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與2001年傳統(tǒng)行耕作土壤本底值相比，免耕玉米連作處理下0～30 cm土壤碳儲(chǔ)量增加速率最高，達(dá)0.8 Mg(C)·hm-2·a-1。Gregorich等[11]則通過(guò)35年的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米-大豆輪作下的土壤碳含量比玉米連作高20 Mg(C)·hm-2。郭金瑞[12]通過(guò)長(zhǎng)期研究表明，玉米連作可以顯著改變土壤物理、化學(xué)以及生物特性。以往研究大多是單一耕作方式下種植模式，或者是單一種植模式下不同耕作方式對(duì)土壤碳氮的影響，而耕作方式和種植模式結(jié)合對(duì)土壤碳氮的影響研究還很有限。因此，明確不同耕作方式和種植模式對(duì)土壤碳氮的長(zhǎng)期效應(yīng)十分必要。

東北地區(qū)因地勢(shì)平坦、土壤肥沃，是我國(guó)最重要的商品糧生產(chǎn)基地[13-14]。然而，黑土耕墾后長(zhǎng)期受到不合理耕種方式的影響，土壤肥力持續(xù)下降，嚴(yán)重影響到糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[15-16]。國(guó)內(nèi)外理論與實(shí)踐表明，保護(hù)性耕作是提高土壤肥力的重要措施。保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)起步相對(duì)較晚，長(zhǎng)期實(shí)行保護(hù)性耕作后對(duì)黑土碳氮含量的影響，進(jìn)而對(duì)玉米產(chǎn)量的影響尚缺乏長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的論證。所以，研究不同耕作方式和種植模式互作對(duì)玉米作物產(chǎn)量與土壤碳、氮的互饋關(guān)系，對(duì)東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、土壤肥力提升以及作物增產(chǎn)增收等具有非常重要的意義。

本研究以保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地土壤為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析16年的耕作方式和種植模式互作下黑土碳氮含量和玉米產(chǎn)量的年際變化，探清耕作方式和種植模式對(duì)黑土碳氮含量和玉米產(chǎn)量的長(zhǎng)期效應(yīng)，以期為東北黑土培肥提供數(shù)據(jù)支持，為玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)措施的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)基于中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)示范基地，該保護(hù)性耕作田間定位試驗(yàn)始于2001年，地點(diǎn)位于吉林省德惠市米沙子鄉(xiāng)(44°12′N，125°33′E)，試驗(yàn)開(kāi)始前，該區(qū)域已經(jīng)連續(xù)多年進(jìn)行常規(guī)耕作，即地上作物全部移除，不進(jìn)行還田，春播前進(jìn)行整地，播種后進(jìn)行鏟地、起壟等中耕作業(yè)，主要種植作物是玉米。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為4.4 ℃，生長(zhǎng)季5-10月平均溫度為17.9 ℃。年均降水量為520 mm，其中，5-10月份生長(zhǎng)季總降水為484.9 mm。降雨季節(jié)主要集中于6月、7月和8月。研究區(qū)地面坡度<1°。

1.2 供試土壤及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)主要的土壤類型為中層典型黑土，壤質(zhì)黏土，pH介于6.48～7.03。試驗(yàn)前研究區(qū)土壤基本物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示[17]。

表1 試驗(yàn)前試驗(yàn)區(qū)不同耕層土壤物理化學(xué)性質(zhì)(2001年)Table 1 The physical and chemical properties in soil profile before experiment(in 2001)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主因素為耕作方式，即免耕和傳統(tǒng)耕作；副因素為種植模式，即玉米連作和玉米-大豆輪作。試驗(yàn)共4個(gè)處理，分別為免耕玉米-大豆輪作(NTCS)、秋翻玉米-大豆輪作(MPCS)、免耕玉米連作(NTCC)、秋翻玉米連作(MPCC)。每個(gè)處理 4次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積156 m2(30 m×5.2 m)。2002-2009年耕作作業(yè)采用機(jī)械為KINZE-3000四行牽引式免耕播種機(jī)，2010-2017年采用John Deere-7200兩行牽引式免耕播種機(jī)，可以一次性完成精確播種、施肥和鎮(zhèn)壓等作業(yè)。兩種耕作方式為：秋翻即秋季收獲后進(jìn)行耕翻(翻動(dòng)土層深度約為20 cm左右)，春季再進(jìn)行整地(深度約7.5～10 cm)、播種、中耕和起壟作業(yè)；免耕即除進(jìn)行播種施肥需要擾動(dòng)土壤之外，全年不再攪動(dòng)土壤。秋收之后，玉米秸稈被切碎成30～35 cm還田并覆蓋于地表，大豆秸稈不進(jìn)行任何處理也將其全部覆蓋于地表。所有處理小區(qū)的施肥方式、施肥量保持相同。種植玉米小區(qū)，施加氮(N)肥150 kg·hm-2，分底肥和追肥兩次施入玉米地，磷(P)肥和鉀(K)肥在播種時(shí)作為底肥施入，施入量分別為：45.5 kg·hm-2和78 kg·hm-2；種植大豆小區(qū)，只需在播種時(shí)施入底肥，包括N肥 40 kg·hm-2、P肥60 kg·hm-2和K肥80 kg·hm-2。

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)定分析

1.3.1 土壤樣品。土壤樣品分別于2002-2017年每年10月作物收獲后采集樣品。利用手動(dòng)原狀土取土鉆(內(nèi)徑為2.64 cm)分別從NTCS、MPCS、NTCC、MPCC小區(qū)取土，采樣點(diǎn)分布呈“S”型，每個(gè)小區(qū)采集7個(gè)樣點(diǎn)，取樣深度分別為：0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，并將7個(gè)樣品按照相同深度分別混合為1個(gè)樣品。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分樣品在105 ℃下烘干、稱重，根據(jù)烘干土重、取土鉆內(nèi)徑和采樣深度計(jì)算土壤容重；其余樣品經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過(guò)100目篩，進(jìn)行SOC和TN的測(cè)定，測(cè)定儀器為元素分析儀(FlashEA 1112，Thermofinnigan，Italy)。因本研究供試黑土不含碳酸鹽，所以總碳含量即為SOC含量。

1.3.2 土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量計(jì)算。等質(zhì)量土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)儲(chǔ)量計(jì)算方法，參照梁愛(ài)珍等[18]的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

Mst=ρb×D×C×10

(1)

(2)

式中：Mst為單位面積有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量(Mg·hm-2)；ρb為土壤容重(Mg·m-3)；D為土壤深度(m)；C為SOC含量或者TN含量(kg·Mg-1)；Dadd為要達(dá)到等質(zhì)量土壤需要另增加的土壤深度(m);Msoil,max為最大的土壤質(zhì)量(Mg·hm-2);Msoil,surface為表層土壤質(zhì)量之和 (Mg·hm-2);ρb,subsurface為亞表層土壤容重(Mg·m-3)。

根據(jù)公式(1)可求得各土層土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量，再以不同耕作處理下土壤質(zhì)量最大值作為統(tǒng)一的土壤質(zhì)量，然后根據(jù)公式(2)計(jì)算其他處理中想要達(dá)到相同質(zhì)量的土壤需要增加的土壤深度，然后將公式(2)所得結(jié)果再代入公式(1)，求得需要另加的土壤深度的SOM儲(chǔ)量，并將兩者加和，得到最終SOM儲(chǔ)量。

1.4 作物測(cè)產(chǎn)

作物成熟后，每個(gè)小區(qū)取中間六壟進(jìn)行采樣，每?jī)蓧乓唤M，共三個(gè)采樣組，并呈對(duì)角線狀分布。每組兩壟玉米的測(cè)量長(zhǎng)度為3米，前一組的測(cè)量終點(diǎn)與后一組的測(cè)量起點(diǎn)垂直間隔距離為3米。人工收獲采樣區(qū)的玉米，并將所有采樣的玉米籽粒先在105 ℃下殺青，然后在70～80 ℃烘干到恒定重量，獲得籽粒的含水量，然后歸一化為14%的籽粒水分含量，計(jì)算得到各處理下每公頃的玉米產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007整理，SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，最后利用R軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)耕層土壤有機(jī)碳和全氮以及C/N的影響

由圖1可知，隨著耕作年限增加，NTCC、NTCS處理表層0～5 cm土壤SOC含量都呈持續(xù)顯著增加的趨勢(shì)(P<0.05)，與2001年初始值相比，2017年的SOC含量分別增加48.6%、48.5%；而MPCC和MPCS處理的SOC含量增幅較小，僅分別增加2.7%、6.2%。與MPCC和MPCS處理相比，NTCC和NTCS處理顯著增加了2002-2017年平均SOC含量(P<0.05，表2)。從5～10 cm土壤來(lái)看，NTCC、MPCC、MPCS處理下的SOC含量均隨著年限的增加而增加，在2015年達(dá)到最大，分別為19.0 g·kg-1、18.7 g·kg-1和18.3 g·kg-1；從10～20 cm土層來(lái)看，4個(gè)處理下SOC含量均出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，但是波動(dòng)幅度較??；對(duì)于20～30 cm土層，4個(gè)處理下的SOC含量年際變化較小，都處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)；除此之外，在5～30 cm土層，NTCS處理下的年平均SOC含量均顯著低于其他三個(gè)處理(P<0.05，表2)。

表2 不同處理方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響Table 2 Effects of different treatments on soil organic carbon contents

圖1 不同處理下的耕層SOC含量年際變化規(guī)律Fig.1 Interannual variation of SOC contents in plow layers under different treatments

不同處理下的TN含量年際變化也有所不同(圖2)。隨著耕作年限的增加，NTCC和NTCS下0～5 cm土層TN含量持續(xù)增加，2017年TN含量分別為2.3 g·kg-1、2.2 g·kg-1，與2001年TN含量相比，分別增長(zhǎng)54.7%、59.4%；MPCC、MPCS處理下的TN含量也隨著耕作年限的增加，呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但是同NTCC和NTCS相比增幅較??；由表3可知，NTCC處理下的2002-2017年平均TN含量最高為1.89 g·kg-1，顯著高于其他3個(gè)處理(P<0.05)，且呈現(xiàn)的順序?yàn)镹TCC>NTCS>MPCS≈MPCC。在5～10 cm土層，NTCC、MPCC、NTCS、MPCS 4個(gè)處理下的TN含量都呈現(xiàn)出隨著耕作年限增加而增加的趨勢(shì)；在10～20 cm土層，4個(gè)處理下的TN含量均存在先降低后增加的趨勢(shì)，并在2008年達(dá)到最低；除此之外，對(duì)于5～20 cm來(lái)說(shuō)，NTCS處理下的TN含量顯著低于其他3個(gè)處理(P<0.05，表3)。不同處理下20～30 cm土層TN含量年際變化幅度不大，處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

表3 不同處理方式對(duì)土壤全氮含量的影響Table 3 Effects of different treatments on total nitrogen contents

圖2 不同處理下的耕層土壤TN含量年際變化規(guī)律Fig.2 Interannual variation of TN contents in plow layers under different treatments

由圖4可知，0～5 cm土層C/N隨著耕作年限增加，整體呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，其中NTCC和MPCC處理下的C/N年際變化比較穩(wěn)定，沒(méi)有大的波動(dòng)，同時(shí)，NTCC處理下的C/N顯著低于其他處理(P<0.05，表4)。5～10 cm土層C/N年際變化同0～5 cm耕層相似，而且4個(gè)處理間的年平均C/N無(wú)顯著差異。10～20 cm和20～30 cm 土層C/N年際變化波動(dòng)較小，隨著耕作年限增加，保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)，而且四個(gè)處理間的年平均C/N也無(wú)顯著差異(P<0.05)。

表4 不同處理方式對(duì)土壤C/N值的影響Table 4 Effects of different treatments on soil carbon-nitrogen ratios

2.2 不同處理對(duì)耕層土壤碳、氮儲(chǔ)量的影響

與2001年初始碳儲(chǔ)量相比，2017年4個(gè)處理下的碳儲(chǔ)量都顯著增加(P<0.05,圖3)。NTCC(75.7 Mg(C)·hm-2)、NTCS(73.9 Mg(C)·hm-2)、MPCC(68.9 Mg(C)·hm-2)、MPCS(71.0 Mg(C)·hm-2)處理分別顯著增加18.6%、15.9%、8.1%和11.2%。其中MPCC處理下的土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量顯著低于其它3個(gè)處理(P<0.05)，其他3個(gè)處理之間沒(méi)有顯著性差異，但是NTCC處理下的碳儲(chǔ)量最大，其次為NTCS和MPCS處理。

與2001年初始值相比，經(jīng)過(guò)16年處理的0～30 cm耕層氮儲(chǔ)量均顯著增加(P<0.05，圖3)：NTCC和NTCS處理下的氮庫(kù)儲(chǔ)量經(jīng)過(guò)16年的保護(hù)性耕作措施之后，分別顯著增加20.4%、9.5%(P<0.05)。MPCC和MPCS處理下的氮庫(kù)儲(chǔ)量均顯著增加11.1%、4.0%。連續(xù)實(shí)施16年的NTCC其氮庫(kù)儲(chǔ)量最高為7.0 Mg(N)·hm-2，其他處理依次為MPCC≈NTCS>MPCS。

2.3 不同處理對(duì)玉米作物產(chǎn)量的影響及其與土壤碳氮的相關(guān)關(guān)系

由圖5可知，經(jīng)過(guò)16年的不同耕作和種植方式互作，玉米的年平均產(chǎn)量在4種處理下表現(xiàn)出NTCS>MPCS>MPCC>NTCC，分別為10 111 kg·hm-2、9 828 kg·hm-2、9 296 kg·hm-2、9 143 kg·hm-2。統(tǒng)計(jì)分析表明，影響玉米產(chǎn)量的主要因素為種植模式(P)(P<0.01)，而耕作方式(T)、耕作和種植方式互作(T×P)沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響，玉米-大豆輪作下的玉米產(chǎn)量高于玉米連作下的玉米產(chǎn)量。相關(guān)分析表明，4種處理下土壤SOC、TN、C/N與玉米產(chǎn)量均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系(圖7)。

注：其中(a)(b)(c)為玉米連作下土壤碳、氮與產(chǎn)量之間的關(guān)系；(d)(e)(f)為玉米-大豆輪作下土壤碳、氮與產(chǎn)量之間的關(guān)系。Note:(a)(b)(c) is the relationship between soil carbon,nitrogen and yield under corn continuous production,and(d)(e)(f) under corn-soybean rotation,respectively.圖6 土壤碳、氮與玉米作物產(chǎn)量的關(guān)系Fig.6 Relationships between soil carbon,nitrogen and corn yields

3 討 論

3.1 耕作方式和種植模式對(duì)耕層土壤SOC、TN及C/N的影響

經(jīng)過(guò)16年保護(hù)性耕作試驗(yàn)，土壤有機(jī)碳與氮素動(dòng)態(tài)變化存在密切關(guān)系，不僅體現(xiàn)在SOC、TN含量的年際變化，土壤碳庫(kù)、氮庫(kù)儲(chǔ)量也呈現(xiàn)出一致的表現(xiàn)。隨著年限的增加，NTCC、NTCS處理下的0～5cm土層SOC、TN含量均呈顯著增加的趨勢(shì)，這與Beare等[19]研究結(jié)果一致，保護(hù)性耕作顯著增加土壤表層SOC、TN含量，并隨耕作年限增加而增加，并且年平均SOC、TN含量顯著高于MPCC、MPCS處理。這可能是免耕下土壤全年未進(jìn)行擾動(dòng)，土壤碳、氮礦化減少，而且持續(xù)不斷添加有機(jī)物料，使得土壤表層有機(jī)質(zhì)不斷累積，而與此相反，耕作對(duì)土壤的物理干擾通常會(huì)增加微生物活性和SOM分解，從而減少SOC和TN的積累。該研究結(jié)果同范如芹等[20]的研究結(jié)論一致。而在土壤10～20 cm耕層，4個(gè)處理SOC、TN含量變化均為先降低后增加，使得SOC和TN含量在剖面上的層化現(xiàn)象(即表層含量高，亞表層含量低)也相應(yīng)出現(xiàn)先明顯后減弱的趨勢(shì)。原因主要有兩個(gè)方面：一是秸稈還田主要集中在表層，尤其免耕下秸稈覆蓋還田，秸稈中的碳氮元素向深層土壤輸入需要時(shí)間；二是秸稈還田后在最初的年份會(huì)出現(xiàn)“激發(fā)效應(yīng)”或者秸稈分解過(guò)程中需要消耗氮素，而氮素在供給植物生長(zhǎng)和秸稈分解過(guò)程中會(huì)因二者的競(jìng)爭(zhēng)而受限，所以出現(xiàn)先降低的趨勢(shì)；而后隨著秸稈逐漸分解轉(zhuǎn)化并向土壤下層運(yùn)移，土壤有機(jī)質(zhì)含量得以補(bǔ)充，從而出現(xiàn)后增加的趨勢(shì)。層化現(xiàn)象的產(chǎn)生則主要是由于土壤表面接收大量施用于農(nóng)田的秸稈，并且還會(huì)接受降雨、降雪的強(qiáng)烈影響，從而使得土壤表面和下層的有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)明顯差異。在20～30 cm土層，4個(gè)處理下的SOC、TN含量的年際變化不大，其原因可能是該土層并未受到耕作和種植方式的影響。許多研究也證明了保護(hù)性耕作能夠提高表層土壤SOC、TN含量，但對(duì)深層土壤碳、氮含量的影響不大[6,21]。除此之外，NTCS處理在5～30 cm耕層的年平均SOC、TN含量均顯著低于其它3個(gè)處理。主要是因?yàn)椋?1) NTCS處理不擾動(dòng)土壤，下層土壤比較緊實(shí)，通氣性差，而土壤中大部分微生物都是好氧的，因此降低了微生物的數(shù)量和活性，從而減少微生物對(duì)土壤碳氮組分的儲(chǔ)存能力[22-23]；(2)較玉米連作，玉米-大豆輪作減少了地上部分還田量、作物根系還田量和根系分泌物的殘留量，因此其SOC、TN積累量也相應(yīng)降低[24]，其研究結(jié)果同Lund等研究[25]類似。在所有處理中，NTCC顯著增加0～30cm耕層土壤碳庫(kù)、氮庫(kù)儲(chǔ)量，且儲(chǔ)量達(dá)到最高。該研究結(jié)果同Zhang等的結(jié)論一致[9]。這主要是因?yàn)樵撎幚硐掠衩捉斩掃€田量高，而玉米秸稈在土壤中的降解速率又低[26]，因此總體碳投入較大，故而顯著增加SOC儲(chǔ)量。

土壤C/N被認(rèn)為是土壤質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，可以用于衡量土壤碳、氮平衡狀況[27]，而且還可以提供關(guān)于土壤儲(chǔ)存和回收能源和養(yǎng)分的信息[28]。不同處理方式對(duì)土壤C/N年際變化也產(chǎn)生一定影響。根據(jù)圖4和表4可以看出，4個(gè)處理下的土壤C/N隨年限的增加而降低，即4個(gè)處理中的TN含量增加速率要高于SOC含量。其中NTCC處理在0～5 cm耕層的C/N值最小，顯著低于其它處理，說(shuō)明NTCC處理更有利于氮素積累，防止土壤養(yǎng)分流失。也有研究表明，土壤有機(jī)碳礦化量會(huì)隨著土壤C/N降低而降低，本研究中隨著年限增加，土壤C/N降低，也間接說(shuō)明了4個(gè)處理秸稈還田后有機(jī)碳礦化減少，從而提高了土壤固碳能力[29]。

3.2 耕作方式和種植模式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

眾多研究表明，影響作物產(chǎn)量的因素很多，主要包括耕作方式、作物種植模式、土壤類型及其性狀、氣象因素等[30-31]。其中，耕作方式和種植模式對(duì)作物產(chǎn)量的影響存在一定爭(zhēng)議。有一些研究表明，耕作方式會(huì)顯著改變作物產(chǎn)量。He和Zhang等[32-33]研究發(fā)現(xiàn)，與翻耕相比，長(zhǎng)期免耕顯著增加了作物產(chǎn)量；也有研究表明免耕降低或者對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著影響[34-35]。本研究16年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)則發(fā)現(xiàn)，耕作方式(免耕和秋翻)對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著影響，這與Wang等[35]研究結(jié)果一致，而種植模式則顯著影響玉米作物產(chǎn)量，玉米-大豆輪作玉米產(chǎn)量顯著高于玉米連作，這與Mahdi得到的研究結(jié)果一致[36]。Crookston等[37]的研究表明，輪作可以將玉米產(chǎn)量提高5%～30%。本研究16年的試驗(yàn)結(jié)果表明，免耕條件下采取玉米-大豆輪作方式，玉米產(chǎn)量較其他處理提高2.88%～10.7%。其原因可能在于玉米-大豆輪作方式下，通過(guò)在不同年際間更換種植作物，改變了微生物區(qū)系的定向惡性發(fā)展，從而形成有利于玉米生長(zhǎng)的環(huán)境；除此之外，大豆作為固氮作物之一，可以為玉米提供更多可利用的氮素，從而增加玉米產(chǎn)量[38-39]。

3.3 土壤耕層SOC、TN 含量和C/N與玉米作物產(chǎn)量的關(guān)系

研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)是決定作物產(chǎn)量最重要的因素之一[40]。其原因可能在于增加土壤有機(jī)碳積累可以通過(guò)維持土壤結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)土壤微生物活性從而間接影響作物產(chǎn)量[41-42]。例如，俄勝哲等[43]通過(guò)探究長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤碳氮關(guān)系發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量隨土壤有機(jī)質(zhì)的增加而增加。然而，土壤有機(jī)質(zhì)并不是決定產(chǎn)量的唯一因素。我們經(jīng)過(guò)16年的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層不同耕作方式下的SOC、TN含量和C/N與玉米產(chǎn)量間無(wú)顯著相關(guān)性，與Yang等[44]的研究結(jié)果一致。Xu等認(rèn)為高有機(jī)質(zhì)含量并不一定能夠確保高的產(chǎn)量[45]，只能部分說(shuō)明增加土壤有機(jī)質(zhì)固存，可能有助于提高作物產(chǎn)量，減少作物產(chǎn)量的不確定性[46]。也有研究表明，土壤C/N的改變可以調(diào)節(jié)土壤與作物對(duì)無(wú)機(jī)氮的競(jìng)爭(zhēng)能力，從而影響作物產(chǎn)量的形成。因此，土壤有機(jī)質(zhì)與作物產(chǎn)量的關(guān)系會(huì)因研究區(qū)域、土壤類型、氣候條件不同而異，尚需要在特定區(qū)域結(jié)合更多影響作物產(chǎn)量的因素系統(tǒng)全面的分析。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)達(dá)16年的耕作方式與種植模式相互作用下土壤碳、氮含量表現(xiàn)出相似的年際變化。隨著年限增加，表層0～5 cm土壤碳、氮含量持續(xù)顯著增加，而且亞表層含量也由虧損轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾印Ｅc2001年初始值相比，免耕玉米連作在整個(gè)耕層0～30 cm的土壤碳、氮儲(chǔ)量顯著高于其他處理。各處理下土壤C/N均呈下降趨勢(shì)，其中NTCC處理降低最為明顯。耕作方式對(duì)玉米產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響，而種植模式顯著影響玉米產(chǎn)量，免耕玉米-大豆輪作下的玉米產(chǎn)量最高，免耕玉米連作下的產(chǎn)量保持穩(wěn)定。綜上所述，東北黑土區(qū)免耕玉米連作可以顯著增加土壤有機(jī)碳含量與氮素養(yǎng)分有效性，提高土壤固碳、固氮潛力，但未顯著增產(chǎn)。相比較而言，免耕玉米-大豆輪作雖然土壤碳氮儲(chǔ)量低于免耕玉米連作，但顯著高于傳統(tǒng)性耕作，有助于培肥地力，而且其增產(chǎn)效果明顯，是東北黑土區(qū)較適宜的耕作措施。