年內(nèi)輪耕對(duì)小麥—玉米兩熟農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳、氮分布的影響

聶良鵬+李增嘉+寧堂原郭利偉+馮宇鵬+李娜+丁娜

摘要：在華北平原小麥—玉米兩熟區(qū)，設(shè)置6種年內(nèi)輪耕模式，即小麥季免耕玉米季免耕（WZ-MZ）、小麥季免耕玉米季深松（WZ-MS）、小麥季深松玉米季免耕（WS-MZ）、小麥季深松玉米季深松（WS-MS）、小麥季翻耕玉米季免耕（WC-MZ）、小麥季翻耕玉米季深松（WC-MS），探討年內(nèi)輪耕模式對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳、氮分布的影響。結(jié)果表明，MS的年內(nèi)輪耕模式比MZ有利于0～40 cm土層微團(tuán)聚體聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體和保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞；無(wú)論玉米季免耕還是深松條件下，與WZ、WC相比，WS能提高10～40 cm土層>0.25 mm粒級(jí)的大團(tuán)聚體含量；WZ和WS比WC能顯著提高土壤表層有機(jī)碳及全氮，使更多的碳、氮在土壤表層聚集；MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm 土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳及全氮含量；WZ能顯著提高土壤0～10 cm土壤團(tuán)聚體中C/N；無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm土層團(tuán)聚體中C/N。

關(guān)鍵詞：年內(nèi)輪耕；小麥-玉米兩熟；土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體；碳、氮分布

中圖分類號(hào)：S158.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2014）09-0063-06

團(tuán)聚體是維持土壤質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)土壤的理化性質(zhì)有著重要影響[1]。土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要因子，它影響著土壤的結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚[2]。土壤有機(jī)質(zhì)是團(tuán)聚體分級(jí)的主要膠結(jié)劑，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，必須有賴于土壤中的有機(jī)質(zhì)[3，4]，它的積累與分解是維持與提高耕地質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)[5]。土壤有機(jī)氮的礦化過(guò)程是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的核心，影響礦化過(guò)程的各種人為和自然因素都直接對(duì)土壤氮素供給和作物生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響[6]。王勇等[7]研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比，深松、旋耕、免耕措施能提高土壤0～40 cm深度大團(tuán)聚體含量及有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。劉瑋等[6]研究表明壟作免耕顯著促進(jìn)了土壤中氮素礦化作用的進(jìn)行。Angers等[8]認(rèn)為耕作方式和強(qiáng)度影響有機(jī)碳和氮素的礦化速率及碳、氮在土壤中的積累。前人對(duì)不同耕作措施對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及碳、氮的分布和穩(wěn)定性做了較多研究[9～11]。而關(guān)于小麥—玉米兩熟區(qū)年內(nèi)采用不同耕作方式組合的輪耕模式對(duì)土壤團(tuán)聚體碳、氮分布的研究較少。隨著保護(hù)性耕作技術(shù)在華北平原的應(yīng)用，多年少、免耕后，出現(xiàn)了土壤變硬、容重增大、孔隙變小等土壤質(zhì)量下降的問(wèn)題[12]。適宜的輪耕模式能改善土壤質(zhì)量[13]。因此，在華北平原小麥—玉米兩熟區(qū)開(kāi)展年內(nèi)輪耕模式試驗(yàn)研究，分析年內(nèi)輪耕對(duì)土壤團(tuán)聚體碳、氮分布的影響，為該地區(qū)選取適宜的年內(nèi)輪耕模式和提高土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2010～2012年在山東省滕州市西崗鎮(zhèn)半閣村（34°95′N， 117°04′E）進(jìn)行。研究區(qū)為華北平原典型的小麥—玉米一年兩熟區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，年均日照時(shí)數(shù)2 383.0 h，年平均氣溫13.6℃，年平均降水量 773.1 mm，且主要集中在7～9月。供試土壤為砂姜黑土，質(zhì)地粘壤，地下水在5 m以下。試驗(yàn)前 0～20 cm土壤 pH值6.77，容重1.36 g/cm3，有機(jī)質(zhì)25.08 mg/g，全氮1.48 mg/g，速效磷50.16 mg/kg，速效鉀192.33 mg/kg；20～40 cm 土壤 pH值7.48，容重1.45 g/cm3，有機(jī)質(zhì)16.87 mg/g，全氮0.96 mg/g，速效磷4.11 mg/kg，速效鉀155.67 mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為小麥季耕作，分為小麥季免耕（WZ）、小麥季深松（WS）、小麥季翻耕（WC）。副區(qū)為玉米季耕作，分為玉米季深松（MS）和玉米季免耕（MZ）兩種。兩因素相互組合共6個(gè)年內(nèi)輪耕處理（表1）。試驗(yàn)采用冬小麥—夏玉米輪作體系，各處理統(tǒng)一田間管理，小麥季基施氮磷鉀三元復(fù)混肥（18-15-12）750 kg/hm2，后期不追肥，玉米季基施氮磷鉀（30-5-5）配方肥 300 kg/hm2，大喇叭口期追施尿素 600 kg/hm2。小區(qū)面積 15 m×50 m=750 m2，重復(fù)3次。小麥玉米秸稈等量還田，小麥還田量 8 974 kg/hm2，玉米還田量9 968 kg/hm2。深松采用間隔深松，間隔60 cm，深松取樣地點(diǎn)為深松作業(yè)處，其他耕作處理為隨機(jī)取樣，重復(fù)5次。

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

于2012年6月7日小麥?zhǔn)斋@后在田間用直徑10 cm環(huán)刀（避免外力擠壓，以保持原來(lái)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)）按“S”形分布5點(diǎn)分層采集有代表性的原狀耕層土壤，取樣深度分別為0～10、10～20、20～40 cm。運(yùn)回室內(nèi)后（運(yùn)輸時(shí)避免震動(dòng)和翻倒），沿土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕地剝開(kāi)，將原狀土剝成小土塊，同時(shí)防止外力的作用而變形，過(guò)7 mm篩，并剔去根茬和石塊。土樣平攤在透氣通風(fēng)處，自然風(fēng)干。

小麥季免耕玉米季免耕

（WZ-MZ）前茬玉米秸稈全部粉碎還田，2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥秸稈全部粉碎還田，2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)

小麥季免耕玉米季深松

（WZ-MS）前茬玉米秸稈全部粉碎還田，2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥秸稈全部粉碎還田，ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)

小麥季深松玉米季免耕

（WS-MZ）前茬玉米秸稈全部粉碎還田，ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥季秸稈全部粉碎還田，2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)endprint

小麥季深松玉米季深松

（WS-MS）前茬玉米秸稈全部粉碎還田，ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施底基肥、播種作業(yè)前茬小麥秸稈全部粉碎還田，ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)

小麥季翻耕玉米季免耕

（WC-MZ）前茬玉米秸稈全部粉碎還田，鏵式犁翻耕1遍（深度15-18 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥季秸稈全部粉碎還田，2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)

小麥季翻耕玉米季深松

（WC-MS）前茬玉米秸稈全部粉碎還田，鏵式犁翻耕1遍（深度15～18 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥秸稈全部粉碎還田，ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播種作業(yè)

土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量采用濕篩法[14]。將25 g風(fēng)干土樣放入水穩(wěn)性團(tuán)聚體分析儀的套篩（5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm）頂層，浸潤(rùn)10 min，開(kāi)啟團(tuán)聚體分析儀，使之達(dá)到 20次/min（上下篩動(dòng)時(shí)套篩不能露出水面），定時(shí)2 min。篩好后，將套篩拆開(kāi)，留在篩子上的各級(jí)團(tuán)聚體用細(xì)水流通過(guò)漏斗分別洗入鋁盒，待澄清后倒去上面的清液，烘箱55℃烘干，空氣中平衡2 h后稱重[15]，計(jì)算水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16]，重復(fù)3次。土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全氮的測(cè)定采用常規(guī)分析方法[17]。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 和DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤團(tuán)聚體分布狀況

由表2可以看出，不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)0～10 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響不同。MZ、MS條件下，小麥季三種耕作方式對(duì)5～7 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響均表現(xiàn)為WZ>WS>WC，差異顯著（P<0.05），且小麥季深松和翻耕條件下5～7 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體在總團(tuán)聚體中的分布最少。0～10 cm土層的水穩(wěn)性團(tuán)聚體多集中在2～5 mm，且數(shù)量顯著高于其他粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布，各處理之間差異不顯著。在1～2 mm粒級(jí)，WS-MS水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布與WS-MZ無(wú)顯著性差異，均顯著高于其他處理。不同年內(nèi)輪耕措施在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布表現(xiàn)為WC的年內(nèi)輪耕模式顯著高于WS和WZ。在0.05～0.25 mm粒級(jí)，玉米季免耕條件下，小麥季三種耕作方式對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布無(wú)顯著差異；玉米季深松條件下，WZ顯著高于WS和WC。在玉米季免耕條件下，小麥季三種耕作方式對(duì)<0.05 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響表現(xiàn)為WZ的年內(nèi)輪耕模式顯著高于WS和WC；玉米季深松條件下，WZ對(duì)<0.05 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布顯著大于WS。比較玉米季耕作方式對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量的影響發(fā)現(xiàn)，MS的年內(nèi)輪耕模式條件下5～7 mm和<0.05 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量小于MZ，說(shuō)明MS有利于0～10 cm土層微團(tuán)聚體團(tuán)聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體和保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞的作用。

由表3可以看出，不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)10～20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布影響不同。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，在5～7 mm和1～2 mm粒級(jí)，小麥季三種耕作方式對(duì)團(tuán)聚體數(shù)量的影響為WS>WZ>WC；而在2～5 mm、0.05～0.25 mm和<0.05 mm粒級(jí)卻表現(xiàn)為WC顯著高于WS。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，在0.5～1 mm粒級(jí)團(tuán)聚體分布中，小麥季免耕與小麥季深松的年內(nèi)輪耕模式無(wú)顯著差異，均顯著大于小麥季翻耕的年內(nèi)輪耕模式。在0.25～0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布中，玉米季免耕條件下，小麥季三種耕作方式對(duì)該粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量的影響為WS>WC>WZ，玉米季深松條件下表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。無(wú)論MZ還是MS的年內(nèi)輪耕模式下，WS比WZ、WC能降低10～20 cm土層<0.25 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體數(shù)量。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式，MS比MZ能降低2～7 mm和<0.05 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量。說(shuō)明MS有利于10～20 cm土層微團(tuán)聚體團(tuán)聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體并具保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞的作用。

不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)20～40 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布影響不同（表4）。20～40 cm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布要比0～20 cm更為廣泛。WZ處理的年內(nèi)輪耕模式水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在2～5 mm粒級(jí)，WS為2～5 mm和0.5～1 mm，而WC模式為0.5～1 mm粒級(jí)。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，在0.5～1 mm粒級(jí)，小麥季三種耕作方式對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量的影響表現(xiàn)為WC>WS>WZ；而在<0.05 mm粒級(jí)，則表現(xiàn)為WC>WZ>WS。在5～7 mm和1～2 mm粒級(jí)，無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，WZ處理的年內(nèi)輪耕模式水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量比WS和WC多；而在2～5 mm粒級(jí)，則表現(xiàn)為WS>WZ>WC，差異顯著。無(wú)論MZ還是MS的年內(nèi)輪耕模式下，WS比WZ、WC能降低20～40 cm土層<0.25 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體數(shù)量。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式，MS比MZ能降低5～7 mm和<0.05 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量，顯著降低1～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布。說(shuō)明MS有利于20～40 cm土層微團(tuán)聚體團(tuán)聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體和具保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞的作用。

2.2年內(nèi)輪耕對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

由表5可以看出，不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)0～40 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量產(chǎn)生了較大影響，使之表現(xiàn)出不同含量的分布趨勢(shì)。在0～40 cm土層，WZ和WS的年內(nèi)輪耕模式下，有機(jī)碳含量隨著土層的加深，含量逐漸降低；WC的年內(nèi)輪耕模式下，由于WC對(duì)0～18 cm土層的翻轉(zhuǎn)作用，0～20 cm土層內(nèi)有機(jī)碳含量并無(wú)顯著變化，20～40 cm土層內(nèi)有機(jī)碳含量降低。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，小麥季三種耕作方式對(duì)0～10 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳的影響表現(xiàn)為WZ>WS>WC。在10～20 cm土層，WS和WC年內(nèi)輪耕模式下有機(jī)碳含量顯著高于WZ，WS和WC之間無(wú)顯著差異。在20～40 cm土層，無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，小麥季三種耕作方式對(duì)20～40 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳的影響表現(xiàn)為WS>WC>WZ。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量，但差異不顯著。endprint

2.3年內(nèi)輪耕對(duì)團(tuán)聚體全氮的影響

由表6可以看出，不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)0～40 cm土層團(tuán)聚體中全氮含量影響不同。在0～10 cm土層，無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，WZ和WS的年內(nèi)輪耕模式比WC能顯著提高團(tuán)聚體中全氮含量，WZ和WS兩者之間無(wú)顯著性差異。在10～20 cm土層，各種年內(nèi)輪耕模式對(duì)團(tuán)聚體中全氮含量影響無(wú)顯著差異。在20～40 cm 土層，無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，WS和WC的年內(nèi)輪耕模式比WZ能顯著提高團(tuán)聚體中全氮含量。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm 土層團(tuán)聚體中全氮含量，但差異不顯著。

2.4年內(nèi)輪耕對(duì)土壤團(tuán)聚體C/N的影響

不同年內(nèi)輪耕對(duì)0～40 cm土層團(tuán)聚體中C/N影響不同（表7）。在0～10 cm土層，無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，小麥季三種耕作方式對(duì)C/N的影響表現(xiàn)為WZ>WS>WC，三者之間差異顯著。在10～20 cm土層，無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，WS和WC的年內(nèi)輪耕模式比WZ顯著提高團(tuán)聚體中C/N，WS和WC之間無(wú)顯著差異。在20～40 cm土層，各年內(nèi)輪耕措施對(duì)團(tuán)聚體中C/N無(wú)顯著差異。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm土層團(tuán)聚體中C/N，但差異不顯著。

3結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，不同年內(nèi)輪耕措施處理的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體在0～40 cm土層表現(xiàn)出不同的分布趨勢(shì)（表2～表4），這可能是不同耕作方式對(duì)土壤的耕作深度、擾動(dòng)程度等方面的差異，造成水穩(wěn)定團(tuán)聚體分布的差異[18]。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式，MS的年內(nèi)輪耕模式比MZ有利于0～40 cm土層微團(tuán)聚體聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體和保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞。王勇等[7]研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比，深松能提高土壤0～40 cm深度大團(tuán)聚體含量。本研究表明，無(wú)論玉米季免耕還是深松條件下，WS比WZ、WC能降低10～40 cm土層<0.25 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體數(shù)量，說(shuō)明與WZ、WC相比，WS能提高10～40 cm土層>0.25 mm粒級(jí)的大團(tuán)聚體含量。

土壤團(tuán)聚體和不同土層中的有機(jī)碳、全氮含量在免耕處理中都顯著高于傳統(tǒng)耕作，且免耕對(duì)土壤碳、氮的分布產(chǎn)生分層現(xiàn)象，使碳、氮主要集中在0～10 cm土層，而傳統(tǒng)耕作使土壤碳、氮在0～30 cm均勻分布[19]。本研究表明，年內(nèi)輪耕能顯著影響0～40 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量及C/N。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式，WZ和WS比WC能顯著提高土壤表層有機(jī)碳及全氮，使更多的碳、氮在土壤表層聚集，但隨著土層的加深，有機(jī)碳、全氮含量逐漸降低（表5，表6），這可能是由于免耕、深松處理不翻動(dòng)土壤，秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)及全氮在表層土壤富集。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全氮含量及C/N，這可能是由于MS能增加根系等殘留物在10～40 cm的分布。前人研究表明，不同耕作措施不僅對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮影響的機(jī)理不同，而且不同生態(tài)環(huán)境條件下所得結(jié)論不完全一致[20，21]。結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀，需要進(jìn)一步研究和闡明不同環(huán)境條件下年內(nèi)輪耕對(duì)土壤團(tuán)聚體的作用及土壤固碳減排增效機(jī)制。

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