長期免耕和深松提高了土壤團(tuán)聚體顆粒態(tài)有機碳及全氮含量

李景，吳會軍，武雪萍，王碧勝，姚宇卿，呂軍杰

長期免耕和深松提高了土壤團(tuán)聚體顆粒態(tài)有機碳及全氮含量

1河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院/河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心，石家莊 050031；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東青島 266109；4洛陽市農(nóng)林科學(xué)研究院，河南洛陽 471022

【】耕作措施對土壤有機碳（SOC）和全氮（TN）具有重要影響。本研究利用團(tuán)聚體和密度聯(lián)合分級方法，旨在揭示長期耕作對表層土壤團(tuán)聚體內(nèi)密度顆粒組分SOC及TN的影響，為深入理解黃土高原農(nóng)田土壤碳氮提升機理提供依據(jù)。長期試驗位于黃土高原東部邊緣地區(qū)，開始于1999年，共設(shè)4個處理：少耕無覆蓋（RT）、免耕覆蓋（NT）、深松覆蓋（SM）和傳統(tǒng)翻耕（CT）。于2013年7月采集0—10 cm土層樣品，首先通過干篩法篩分＞2、1—2、0.25—1和＜0.25 mm粒級團(tuán)聚體，之后利用顆粒密度分組，將團(tuán)聚體有機質(zhì)分為輕組有機質(zhì)（LF）、粗顆粒有機質(zhì)（cPOM）、細(xì)顆粒有機質(zhì)（fPOM）和礦質(zhì)結(jié)合有機質(zhì)（m-SOM）。（1）15年保護(hù)性耕作（包括NT和SM處理）顯著提高了0—10 cm土層的SOC和TN含量，與CT相比，NT和SM處理的SOC含量分別提高了22.9%和21.8%，TN含量分別提高了35.2%和42.3%。不進(jìn)行秸稈覆蓋的少耕處理（RT）對SOC和TN無顯著影響。（2）不同耕作措施改變了團(tuán)聚體質(zhì)量組成及其內(nèi)部SOC和TN含量。NT和SM處理顯著提高了1—2 mm和0.25—1 mm粒級的干篩大團(tuán)聚體含量，相對地，降低了＞2 mm和＜0.25 mm粒級團(tuán)聚體的含量。NT和SM處理不同程度提高了團(tuán)聚體的SOC和TN含量，與CT相比，團(tuán)聚體SOC平均提高了8.5%和9.5%，尤其對＞1 mm粒級團(tuán)聚體SOC含量提高幅度最大；團(tuán)聚體TN平均提高了12.2%和24.1%，尤其對＜0.25 mm微團(tuán)聚體TN含量提高幅度最大。（3）fPOM和m-SOM組分對團(tuán)聚體SOC和TN的貢獻(xiàn)最大，對SOC的貢獻(xiàn)率分別為27.3%—45.1%和25.0%—52.6%；對TN的貢獻(xiàn)率分別為23.5%—34.7%和42.2%—64.3%。不同有機質(zhì)組分對耕作的響應(yīng)不同，cPOM和fPOM組分最為敏感。與CT相比，NT和SM處理顯著提高了土壤所有粒級團(tuán)聚體的cPOM和fPOM的SOC和TN含量，尤其對＞2 mm團(tuán)聚體cPOM和＜2 mm團(tuán)聚體fPOM的SOC和TN含量提升幅度最大。長期免耕和深松提高了團(tuán)聚體中有機碳及全氮含量，尤其提高了團(tuán)聚體中顆粒有機質(zhì)的碳氮含量，有利于土壤碳氮的長效累積，是黃土高原坡耕地區(qū)值得推薦的耕作管理方式。

保護(hù)性耕作；長期耕作；團(tuán)聚體；有機碳；氮；密度分組

0 引言

【研究意義】保護(hù)性耕作有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，是一種可持續(xù)農(nóng)田管理技術(shù)[1-2]。土壤有機碳（SOC）和全氮（TN）是土壤肥力的核心，是維持土壤生產(chǎn)力的關(guān)鍵屬性。SOC和TN與團(tuán)聚作用關(guān)系密切[3]，團(tuán)聚體對有機物質(zhì)的物理保護(hù)作用是土壤有機碳穩(wěn)定性機制[4-5]。因此，研究長期不同耕作方式下土壤團(tuán)聚體內(nèi)SOC及TN變化規(guī)律，對理解土壤固碳固氮機制具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】大量研究表明，長期頻繁耕作破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[7-8]，使受保護(hù)的有機質(zhì)暴露出來，從而加速了其分解，降低土壤碳氮的含量[9]，而保護(hù)性耕作，通過秸稈覆蓋和減少耕作，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[10]，使越來越多的有機質(zhì)被包裹在團(tuán)聚體中[5,11]。WRIGHT等[12]通過20年長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，在單季小麥種植體系中，免耕提高了表層（0—5 cm）SOC及TN含量，比翻耕分別提高了47%和56%，增加的SOC主要累積于＞0.25 mm大團(tuán)聚體中，對＜0.25 mm微團(tuán)聚體影響較小。土壤團(tuán)聚體中的有機質(zhì)并不均一，不同組分來源不同，其穩(wěn)定性和功能也不同[13]。顆粒密度組分是研究團(tuán)聚體有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的常用方法[13]?；谠摲椒?，不同組分對耕作的響應(yīng)不同。SIX等[14]的研究表明0.25—2 mm大團(tuán)聚體中的細(xì)顆粒有機碳對耕作的響應(yīng)最為敏感，免耕條件下該組分碳含量是翻耕的5倍。HASSINK等[15]的研究表明，與黏粉粒結(jié)合緊密的礦質(zhì)結(jié)合有機質(zhì)易達(dá)到飽和狀態(tài)，不同管理方式對其影響較小。而另一些研究則認(rèn)為[16-17]，礦質(zhì)結(jié)合有機質(zhì)也包含生物活性成分，也可受到外界環(huán)境的影響。【本研究切入點】黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，SOC和TN長期處于較低水平[18]。目前國內(nèi)外對該地區(qū)團(tuán)聚體內(nèi)密度組分SOC及TN的研究較少，亟待探討長期保護(hù)性耕作對黃土高原團(tuán)聚體碳氮組分的影響機制?！緮M解決的關(guān)鍵問題】（1）明確15年長期耕作對黃土高原地區(qū)土壤團(tuán)聚體SOC及TN的影響；（2）通過顆粒和密度聯(lián)合分組技術(shù)，分析長期耕作下土壤團(tuán)聚體內(nèi)碳氮組分的分布規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于河南孟津縣農(nóng)業(yè)部旱地農(nóng)業(yè)野外科學(xué)觀測實驗站保護(hù)性耕作田間試驗區(qū)內(nèi)（34.80° N，112.56° E），海拔324 m，屬于黃土高原東部丘陵區(qū)。該區(qū)域土層深厚（50—100 m），土壤類型是壤質(zhì)黃土。氣候類型屬于亞熱帶向溫帶過渡地帶，年平均氣溫13.7℃，多年平均降水量為650 mm，全年平均日照時數(shù)為2 270 h，全年平均日照率為51%，平均積溫為5 046 ℃，平均無霜期為235 d。

1.2 試驗設(shè)計

耕作試驗開始于1999年，共設(shè)4個處理，少耕無覆蓋（RT）：冬小麥?zhǔn)斋@時留根茬10 cm，秸稈和麥穗帶走不還田，收獲后翻耕20 cm，之后耙耱；免耕覆蓋（NT）：冬小麥?zhǔn)斋@時留根茬30 cm，剩余秸稈及脫粒麥穗還田；深松覆蓋（SM）：冬小麥?zhǔn)斋@時留根茬30 cm，剩余秸稈及脫粒麥穗還田，收獲后間隔60 cm深松30 cm；傳統(tǒng)翻耕（CT）：冬小麥?zhǔn)斋@時留茬10 cm，秸稈和麥穗帶走不還田，收獲后翻耕20 cm，不耙耱，播種前進(jìn)行第2次耕翻、施肥、耙耱、播種。試驗小區(qū)種植的作物為冬小麥，夏季休閑。各處理施肥量相同，均為N 150 kg·hm-2，P2O5105 kg·hm-2，K2O 45 kg·hm-2。試驗前耕層（0—20 cm）土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

1.3 樣品采集與團(tuán)聚體分級

于2013年7月利用直徑為5 cm的土鉆采集各小區(qū)0—10 cm土層土樣約500 g，每個小區(qū)隨機采取5點制成混合樣裝入硬質(zhì)塑料盒內(nèi)。取土之前，清理土壤周邊表層的作物殘留物，剝除土塊外面直接與土鉆接觸而變形的土壤。樣品帶回實驗室后，分成兩份，一部分用于團(tuán)聚體分級及密度分組，另一部分在室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干，用于測定SOC和TN含量。

團(tuán)聚體分級方法參考周虎等[19]的干篩法并稍作修改：將250 g鮮土（含水量10%—12%）置于套篩上（孔徑依次為2、1和0.25 mm）頂部，以30次/min手工上下振動5 min。將收集到的＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm和＜0.25 mm團(tuán)聚體稱重，并在陰涼處自然風(fēng)干，利用元素分析儀測定各級土壤團(tuán)聚體中的SOC及TN含量。為方便闡述，以0.25 mm為界，將團(tuán)聚體劃分為大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）和微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）。

1.4 土壤團(tuán)聚體的顆粒密度分組

土壤團(tuán)聚體顆粒密度分組采用SIX等[20]和CAMBARDELLA等[21]的方法，并稍作修改，具體方法如下：稱取10 g風(fēng)干團(tuán)聚體樣品放入在50 mL離心管中，加入40 mL的密度為1.85 g·cm-3聚鎢酸鈉溶液中，用手輕輕上下顛倒混勻，再用10 mL聚鎢酸鈉溶液將附著在離心管帽和管壁的物質(zhì)沖入管內(nèi)。將樣品在放于離心機中，在20℃下離心90 min。將懸濁液從離心管中輕輕倒出，在0.45 μm尼龍濾膜上進(jìn)行真空抽濾，用去離子水洗除去聚鎢酸鈉，將濾膜轉(zhuǎn)移到一個小鋁盒，濾膜上的物質(zhì)為輕組組分（LF）。離心管中的重組部分轉(zhuǎn)移到三角瓶中，進(jìn)行顆粒有機碳的分離。向盛有重組組分的離心管中加入30 mL 0.5%六偏磷酸鈉溶液，5粒直徑為5 mm的玻璃珠，往復(fù)式振蕩器上振蕩18 h，使之分散。分散溶液過0.25 mm和0.053 mm篩，將篩上保留物組分分離出＞0.25 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm 3個組分，分別為粗顆粒有機質(zhì)（cPOM）、細(xì)顆粒有機質(zhì)（fPOM）和礦質(zhì)結(jié)合有機質(zhì)（m-SOM），其分組示意圖見圖1。將分離出的各組分在55℃下烘干后稱重，之后用于測定SOC及TN濃度。

1.5 有機碳的測定及相關(guān)計算

風(fēng)干的土壤、團(tuán)聚體及烘干后的密度組分利用元素分析儀（Elementar Vario MACRO，Germany）測定土壤及各組分中的SOC及TN濃度。在測定有機碳含量之前，樣品用1 mol·L-1的鹽酸去除碳酸鹽[22]。

SOC/TN儲量采用等質(zhì)量土壤儲量法計算：

MSOC=SOC×BD×H×10-1（1）

MTN=TN×BD×H×10-1（2）

表1 試驗前土壤理化性質(zhì)

圖1 土壤團(tuán)聚體顆粒密度分組示意圖

式中，MSOC為0—10 cm土層土壤SOC儲量（t C·hm-2）；MTN為0—10 cm土層土壤TN儲量（t N·hm-2）；SOC為土壤有機碳含量（g·kg-1）；TN為土壤全氮含量（g·kg-1）；BD為0—10 cm土層容重（g·cm-3）；H為土層厚度，取10 cm。

團(tuán)聚體中各密度組分的SOC/TN含量利用該密度組分的SOC/TN濃度和質(zhì)量百分比計算而來，具體公式如下：

SOC含量（g·kg-1）= SOCC×MD（3）

TN含量（g·kg-1）= TNC×MD（4）

式中，SOCC為由元素分析儀測得的有機碳濃度（g·kg-1fraction），TNC為由元素分析儀測得的有機碳濃度（g·kg-1fraction），MD為該密度組分的質(zhì)量百分比（%）。

團(tuán)聚體中各密度組分的SOC/TN對團(tuán)聚體有機碳的貢獻(xiàn)率計算公式如下：

SOC貢獻(xiàn)率（%）=SOC含量/∑SOC （5）

TN貢獻(xiàn)率（%）=TN含量/∑TN （6）

式中，∑SOC為4種組分SOC含量之和；∑TN為4種組分TN含量之和。

1.6 統(tǒng)計分析

采用Sigmaplot 12.5作圖，利用SAS 9.2中的單因素方差分析（one-way ANOVA）進(jìn)行顯著性檢驗，采用最小顯著差數(shù)法（LSD）進(jìn)行多重比較（<0.05）。

2 結(jié)果

2.1 長期不同耕作措施對土壤有機碳及全氮含量的影響

連續(xù)15年保護(hù)性耕作（包括NT和SM處理）顯著提高了0—10 cm表層的SOC含量和儲量（表2）。同CT處理相比，NT和SM處理的SOC含量分別提高了22.9%和21.8%，SOC儲量分別提高了21.8%和16.7%。與試驗開始前相比，15年的NT和SM處理下SOC儲量呈增加趨勢，年固碳速率分別為0.094和0.061 t C·hm-2·a-1。

相似的，長期保護(hù)性耕作提高了TN含量及儲量，與CT相比，NT和SM處理的TN含量分別提高了35.2%和42.3%，TN儲量分別提高了34.0%和36.3%。不同處理的年固氮速率均為負(fù)值，說明試驗所在區(qū)域土壤氮素流失較為嚴(yán)重，而NT和SM的變化速率顯著小于RT和CT，可見保護(hù)性耕作可以一定程度緩解氮素流失。

表2 不同耕作處理下土壤表層（0—10 cm）有機碳及全氮的含量及年固定率

試驗開始初期SOC儲量為9.55 t C·hm-2，初始TN 儲量為1.57 t N·hm-2。數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同耕作處理間差異顯著（0.05）。下同

The initial SOC stock is 9.55 t C·hm-2, TN stock is 1.57 t N·hm-2. Different lowercase letters mean significant difference among different tillage treatment (0.05). The same as below

2.2 長期不同耕作措施對不同粒級土壤團(tuán)聚體組成的影響

總的來看，干篩團(tuán)聚體更多分布在＞2 mm、0.25—1 mm和＜0.25 mm粒級，共占團(tuán)聚體質(zhì)量總量的89.9%—85.1%，在1—2 mm粒級團(tuán)聚體分布較少，僅占11.1%—14.9%（表3）。與CT相比，15年的NT處理顯著（＜0.05）提高了1—2 mm和0.25—1 mm粒級的大團(tuán)聚體含量，提高幅度分別為25.2%和16.7%，相對地，降低了＞2 mm和＜0.25 mm粒級的團(tuán)聚體含量。相似的，SM處理也提高了1—2 mm和0.25—1 mm粒級的大團(tuán)聚體含量，分別提高9.1%和16.8%，降低了＜0.25 mm粒級的團(tuán)聚體含量。RT處理僅提高了＞2 mm大團(tuán)聚體的含量，較CT處理提高了19.7%。

2.3 長期不同耕作措施對土壤團(tuán)聚體有機碳及全氮含量的影響

總體來看（圖2-a），大團(tuán)聚體的SOC含量高于微團(tuán)聚體，＞2 mm、1—2 mm和0.25—1 mm團(tuán)聚體SOC含量平均為5.7、6.0和5.4 g·kg-1，分別比＜0.25 mm微團(tuán)聚體高出4.8%、9.8%和9.5%。與CT相比，NT處理提高了所有粒級團(tuán)聚體的SOC含量，平均提高了8.5%，對1—2 mm粒級團(tuán)聚體提高幅度最大，達(dá)15.0%。SM處理也提高了所有粒級團(tuán)聚體的SOC含量，平均提高了9.5%，對＞2 mm團(tuán)聚體SOC含量的提高幅度最大，達(dá)13.6%。RT處理對所有粒級團(tuán)聚體SOC均無顯著影響。

表3 不同耕作處理下干篩團(tuán)聚體的質(zhì)量百分含量

團(tuán)聚體的TN含量受耕作和粒級的雙重影響。對于CT處理，1—2 mm團(tuán)聚體的TN含量最高，而對于NT和SM，＜0.25 mm微團(tuán)聚體的TN含量最高（圖2-b）。與CT相比，NT和SM顯著提高了＞2 mm和＜0.25 mm粒級團(tuán)聚體的TN含量，尤其對＜0.25 mm粒級提高幅度最大，分別達(dá)到35.3%和47.1%。RT處理顯著降低了＞2 mm、1—2 mm和0.25—1 mm粒級大團(tuán)聚體的TN含量，與CT相比，分別降低了21.1%、20.3%和21.1%。

2.4 長期不同耕作對團(tuán)聚體內(nèi)有機碳組分含量的影響

不同密度組分的SOC含量由該組分的濃度和質(zhì)量含量計算而來（公式3）。由圖3-a、3-b、3-c、3-d可見，fPOM和m-SOM組分的SOC含量較高，分別為1.2—1.8和1.3—1.8 g·kg-1，這兩種組分的SOC含量且隨團(tuán)聚體粒級減小而增加，而LF和cPOM的SOC含量較低，分別為0.5—1.2和0.7—1.3 g·kg-1。NT和SM處理提高了所有粒級團(tuán)聚體中LF-C、cPOM-C和fPOM-C的含量，對m-SOM-C影響較小。不同團(tuán)聚體來看，對于＞2 mm團(tuán)聚體，NT和SM處理對cPOM-C含量的提升幅度最大，分別為81.0%和57.0%；對于1—2 mm、0.25—1 mm和＜0.25 mm團(tuán)聚體，NT和SM處理對fPOM-C的提升幅度最大，在1—2 mm團(tuán)聚體中分別提高了39.2%和30.7%，在0.25—1 mm團(tuán)聚體中提高了28.7%和26.6%，在＜0.25 mm團(tuán)聚體中提高了44.4%和51.1%。

小寫字母表示相同團(tuán)聚體粒級不同耕作處理間的比較，大寫字母代表相同耕作處理不同團(tuán)聚體粒級間的比較。不同字母表示差異顯著（P<0.05）。下同

不同密度組分SOC含量占團(tuán)聚體總SOC含量的比例，可以衡量各組分對團(tuán)聚體SOC的貢獻(xiàn)程度?？傮w來看，fPOM-C和m-SOM-C對團(tuán)聚體SOC的貢獻(xiàn)較高，分別達(dá)到27.3%—45.1%和25.0%—52.6%。從不同團(tuán)聚體來看，＞0.25 mm團(tuán)聚體的SOC以LF-C、cPOM-C和fPOM-C為主，占到團(tuán)聚體SOC總量的66.3%—75.0%（圖3-e、3-f、3-g）；＜0.25 mm團(tuán)聚體的SOC以m-SOM-C為主，所占比例為40.0%—52.6%（圖3-h）。與CT相比，NT和SM處理提高了所有粒級團(tuán)聚體中LF-C、cPOM-C和fPOM-C所占比例，尤其是＞2 mm團(tuán)聚體cPOM-C所占比例和＜2 mm團(tuán)聚體fPOM-C所占比例；同時降低了m-SOM-C的比例。

圖3 不同耕作措施下土壤密度組分有機碳含量及對團(tuán)聚體有機碳的貢獻(xiàn)率

2.5 長期不同耕作對團(tuán)聚體內(nèi)氮組分含量的影響

由圖4-a、4-b、4-c、4-d可見，m-SOM組分中的TN含量最高（0.30—0.45 g·kg-1），其次為fPOM（0.14— 0.32 g·kg-1），LF（0.05—0.14 g·kg-1）和cPOM中的TN含量（0.07—0.12 g·kg-1）最低。與CT相比，NT和SM處理對fPOM-N含量的提高幅度最高，分別為59.2%和60.7%，其次為cPOM-N，提高幅度分別為48.3%和64.6%，對m-SOM-N的提高幅度最小，僅為6.0%和7.6%。從不同團(tuán)聚體來看，對于＞2 mm團(tuán)聚體，NT和SM處理對cPOM-N含量提升幅度最大，分別為91.0%和80.6%；對于1—2 mm、0.25—1 mm和＜0.25 mm團(tuán)聚體，NT和SM處理對fPOM-N含量提升幅度最大，在1—2 mm團(tuán)聚體中分別提高了57.8%和48.9%，在0.25—1 mm團(tuán)聚體中提高了39.3%和49.8%，在＜0.25 mm團(tuán)聚體中提高了111.6%和127.1%。

耕作處理改變了有機質(zhì)各組分中TN在團(tuán)聚體中的分布。m-SOM-N所占比例最高，占到團(tuán)聚體TN含量的42.2%—64.3%，并在微團(tuán)聚體中所占比例最高；其次是fPOM-N，占到團(tuán)聚體TN含量23.5%—34.7%（圖4-e、4-f、4-g、4-h）。與CT相比，NT和SM處理不同程度地提高了所有粒級團(tuán)聚體的LF-N、cPOM-N和 fPOM-N所占的比例，尤其是＞2 mm團(tuán)聚體cPOM-N所占比例和＜2 mm團(tuán)聚體fPOM-N所占比例；同時降低了m-SOM-N的比例。

圖4 不同耕作措施下土壤密度組分全氮含量及對團(tuán)聚體全氮的貢獻(xiàn)率

2.6 不同團(tuán)聚體有機質(zhì)組分的碳氮比

總體來看（圖5），LF和cPOM組分的C/N比較高，其次為fPOM，m-SOM的C/N比最低。LF組分的C/N比隨團(tuán)聚體粒級減小而減小，其他組分隨團(tuán)聚體粒級變化較小。與CT相比，NT和SM處理降低了各組分的C/N比，尤其是cPOM和fPOM組分降低幅度最大，cPOM組分平均降低14.6%和22.8%，fPOM組分平均降低15.9%和16.7%。

3 討論

3.1 長期保護(hù)性耕作對土壤有機碳及全氮的影響

保護(hù)性耕作一方面通過秸稈覆蓋增加了外源秸稈碳投入，一方面通過減少耕作頻率，降低SOC的分解速率，最終達(dá)到提高SOC水平的目的[23-24]。我們的研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)耕作相比，經(jīng)過15年以秸稈覆蓋為主要特征的免耕和深松處理顯著提高了SOC含量，而無秸稈還田的少耕處理對SOC無顯著影響。王成己等[25]的研究結(jié)果也表明，保護(hù)性耕作通過秸稈還田增加土壤碳投入是維持和提高SOC的有效途徑，不進(jìn)行秸稈還田的減少耕作措施相對于對照SOC增加效果甚微。將土壤容重考慮在內(nèi)的等質(zhì)量土壤碳儲量計算方法可以更準(zhǔn)確地反映耕作對土壤碳庫的影響[26]。保護(hù)性耕作對SOC儲量的影響在不同區(qū)域差別較大。李倩等[27]比較了不同土壤類型下免耕對碳儲量的影響，與傳統(tǒng)耕作相比，在黃土高原東部的砂壤質(zhì)褐土（壽陽）和粉砂壤質(zhì)黃土（臨汾）、華北砂質(zhì)潮土（廊坊），免耕下0—80 cm土層SOC儲量分別提高了74.6%、109.4%、66.1%，并指出SOC儲量受氣候因子、土壤持水能力、土壤緊實度的影響顯著。本次試驗地位于坡度為8°的黃土高原坡耕地上，在該地區(qū)實施免耕覆蓋和深松覆蓋雖提高了0—10 cm土層的SOC儲量，但固碳速率較低，這可能與該地區(qū)水土流失嚴(yán)重，土壤礦化強烈有關(guān)[6]。結(jié)合我們之前發(fā)表的文章對固碳速率及碳投入的分析，總結(jié)出在該地區(qū)實施保護(hù)性耕作，秸稈還田的作用更加突出，需要投入大量的外源碳才能使土壤擁有較好的固碳效果[6]。

土壤全氮是反映土壤總氮庫的重要指標(biāo)。已有研究結(jié)果普遍認(rèn)為，保護(hù)性耕作可通過秸稈覆蓋直接增加土壤氮素固持，減少氮素流失，也可通過間接作用，增加微生物活性，從而將作物秸稈中的氮素更多地轉(zhuǎn)移到土壤中[28]。我們的研究表明，與試驗開始時期相比，所有處理的TN含量均呈下降趨勢，土壤TN總體呈流失狀態(tài)。每年投入的150 kg·hm-2氮素并不能夠維持土壤原有的氮素含量。處在較低水平的土壤TN對耕作的反應(yīng)更加敏感，15年的NT和SM處理均顯著增加了土壤TN含量，且提高幅度高于SOC，但保護(hù)性耕作增加的這部分TN并不能夠抵消TN的總體流失。

圖5 不同耕作措施下土壤密度組分的碳氮比

3.2 長期保護(hù)性耕作對土壤團(tuán)聚體有機碳及全氮的影響

本研究發(fā)現(xiàn)NT和SM處理提高了1—2 mm和0.25—1 mm大團(tuán)聚體的含量，降低了＜0.25 mm微團(tuán)聚體的含量。周虎等[19]等的研究也有相似的結(jié)論，免耕顯著提高了0—10 cm土層＞0.25 mm干篩大團(tuán)聚體的含量。本研究也發(fā)現(xiàn)，NT和SM處理并不能提高＞2 mm大團(tuán)聚體的含量，這說明＞2 mm干篩大團(tuán)聚體的形成可能還受到其他因素的影響。本研究的土壤CaCO3含量為113 g·kg-1，屬于弱堿性的鈣鹽基飽和土壤。XIE等[29]在關(guān)中平原的研究也發(fā)現(xiàn)壤質(zhì)褐土團(tuán)聚體形成的主要膠結(jié)物質(zhì)可能為CaCO3。DENEF等[30]發(fā)現(xiàn)干濕交替可以促進(jìn)大團(tuán)聚體的破裂和形成，從而加速大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)速率。翻耕處理由于頻繁耕作和缺少秸稈覆蓋，干濕交替會更加劇烈，可能一定程度的促進(jìn)了＞2 mm大團(tuán)聚體的形成。

團(tuán)聚體有機碳可作為預(yù)測農(nóng)田土壤有機碳變化的重要工具[31]。本研究發(fā)現(xiàn)NT和SM處理提高了所有粒級團(tuán)聚體SOC的含量，尤其是＞1 mm的別大團(tuán)聚體，這與很多已有結(jié)果一致[11,32]。根據(jù)經(jīng)典的團(tuán)聚體等級模型[5]，免耕覆蓋和深松覆蓋處理增加了新鮮植物殘體有機碳，更多的有機碳被團(tuán)聚體保護(hù)起來。邸佳穎等[33]的研究表明秸稈還田增加的SOC主要累積于較大團(tuán)聚體中，對較小粒級的團(tuán)聚體影響較小。本研究發(fā)現(xiàn)，NT和SM處理提高了所有粒級團(tuán)聚體TN的含量。值得注意的是，微團(tuán)聚體TN含量的提高幅度高于大團(tuán)聚體。這說明保護(hù)性耕作下，氮素的累積可能更依賴于微團(tuán)聚體。

3.3 長期保護(hù)性耕作對土壤團(tuán)聚體內(nèi)碳氮組分的影響

新鮮有機殘體經(jīng)過微生物的作用，逐漸被降解，同時，與土壤中的黏粒結(jié)合得越來越緊密，最終形成較為穩(wěn)定的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)[34]。團(tuán)聚體SOC及TN主要分布在fPOM和m-SOM組分。這與GAO等[24]的研究結(jié)果相似，其結(jié)果表明，fPOM和m-SOM對SOC的貢獻(xiàn)率最高，總貢獻(xiàn)率約為60%。我們還發(fā)現(xiàn)，大團(tuán)聚體的SOC和TN主要分布在LF、cPOM和fPOM組分，而微團(tuán)聚體的SOC和TN主要分布在m-SOM組分。LI等[35]發(fā)現(xiàn)在大團(tuán)聚體或cPOM中，來源于植物殘體的烷氧基比例更多，更容易被微生物和植物分解利用；而微團(tuán)聚體內(nèi)主要以烷基碳、芳香族碳和羰基碳為主，這部分碳來源于微生物活動的代謝產(chǎn)物，有機質(zhì)的穩(wěn)定化程度較高。

保護(hù)性耕作提高了所有粒級團(tuán)聚體的LF、cPOM和fPOM組分中的SOC及TN含量，尤其對cPOM和fPOM組分提升幅度最大，對m-SOM組分影響較小。黃雅楠等[36]研究表明，閉蓄態(tài)有機碳對不同耕作方式敏感性最強，變化幅度最大，與常規(guī)翻耕相比，免耕秸稈覆蓋處理的閉蓄態(tài)有機碳含量分別提高144.0%。YAMASHITA等[37]的數(shù)據(jù)表明，各密度組分有機碳的變化主要取決于該組分的干物質(zhì)量的變化。免耕覆蓋和深松覆蓋處理下＜0.25 mm微團(tuán)聚體fPOM組分氮提高了111.6%和127.1%，遠(yuǎn)高于其他粒級的團(tuán)聚體，可見保護(hù)性耕作下微團(tuán)聚體氮的提高主要依賴于fPOM的增加，相比于有機碳，氮的周轉(zhuǎn)速率更快，使越來越多的氮素以fPOM的形式被固定在微團(tuán)聚體中。同時，保護(hù)性耕作改變了團(tuán)聚體中不同有機質(zhì)組分的碳氮分布。NT和SM處理提高了＞2 mm團(tuán)聚體cPOM組分中SOC和TN所占比例，及＜2 mm各粒級別團(tuán)聚體中fPOM組分的SOC和TN所占比例，可見保護(hù)性耕作促進(jìn)了＞2 mm團(tuán)聚體碳氮從LF組分向cPOM組分轉(zhuǎn)化，＜2 mm團(tuán)聚體碳氮從cPOM組分向fPOM組分轉(zhuǎn)化。因此，保護(hù)性耕作促進(jìn)了各級團(tuán)聚體碳氮向更穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化，有利于土壤碳氮的長效累積。

4 結(jié)論

15年保護(hù)性耕作（包括NT和SM處理）顯著提高了0—10 cm土層的SOC和TN含量，與CT相比，NT和SM處理的SOC含量分別提高了22.9%和21.8%，TN含量分別提高了35.2%和42.3%。NT和SM處理提高了所有粒級團(tuán)聚體內(nèi)SOC和TN含量，對＞1 mm粒級團(tuán)聚體的SOC含量和＜0.25 mm微團(tuán)聚體的TN含量提高幅度最大。不同有機質(zhì)組分對耕作的響應(yīng)不同，cPOM和fPOM組分最為敏感。與CT相比，NT和SM顯著提高了土壤所有粒級團(tuán)聚體的cPOM組分和fPOM組分的SOC和TN含量，尤其對＞2 mm團(tuán)聚體cPOM組分和＜2 mm團(tuán)聚體fPOM的提升幅度最大。因此，長期免耕和深松提高了干篩團(tuán)聚體有機碳及全氮含量，尤其提高了團(tuán)聚體中粗顆粒有機質(zhì)和細(xì)顆粒有機質(zhì)的碳氮含量，有利于土壤碳氮的長效累積，是黃土高原坡耕地區(qū)值得推薦的耕作管理方式。

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Long-Term Conservation Tillage Enhanced Organic Carbon and Nitrogen Contents of Particulate Organic Matter in Soil Aggregates

1School of Water Resources and Environment, Hebei GEO University/Hebei Province Collaborative Innovation Center for Sustainable Utilization of Water Resources and Optimization of Industrial Structure, Shijiazhuang 050031;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;3College of Agronomy, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong;4Luoyang Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Luoyang 471022, Henan

【】Tillage management has essential effects on soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN). Based on a combined soil aggregate size, particle density and size fractionation method, the study aimed at revealing effects of different tillage treatments on SOC and TN of physical fractions within different sizes of aggregates. This study provided theoretical basis for understanding mechanisms soil carbon and nitrogen sequestration and selecting optimized tillage management for loess hilly region of China.】 The long-term tillage experiment, started in 1999, was used for the study. The tillage treatments included: reduced tillage without mulch (RT), no-tillage (NT), sub-soiling with mulch (SM), and conventional tillage (CT). The soil samples from the 0-10 cm layer were collected to obtain physical fractions, including free light fraction (LF), coarse and fine particulate organic matter (cPOM and fPOM) and mineral associated organic matter (m-SOM) within four dry-sieving aggregate sizes (>2 mm, 1-2 mm, 0.25-1 mm and <0.25 mm), by applying a combined soil aggregate size, and particle density and size fractionation procedure.【】(1) 15 years application of conservation tillage (including NT and SM) significantly increased SOC and TN contents in 0-10 cm layer. Compared to CT, NT and SM increased SOC content by 22.9% and 21.8%, and increased TN content by 35.2% and 42.3%, respectively. However, RT had no significant effects on SOC and TN contents. (2) Different tillage practices changed the mass distribution, SOC and TN contents of aggregates. Compared to CT, NT and SM improved the mass percentage of 1-2 mm and 0.25-1 mm size aggregates, relatively, increased the mass percentage of ＞2 mm and＜0.25 mm aggregates. Moreover, conservation tillage enhanced SOC and TN contents across four sizes aggregates. Compared to CT, NT and SM averagely increased SOC content in aggregates by 8.5% and 9.5% and increased TN contents by 12.2% and 24.1%, respectively. The fPOM and m-SOM stored largest parts of aggregate SOC and TN, constituting 27.3%-45.1% and 25.0%-52.6% of aggregate SOC, 23.5%-34.7% and 42.2%-64.3% of aggregate TN. Different physical fractions had different reflects to tillage managements. The cPOM and fPOM were the most sensitive fractions. Compared to CT, NT and SM led to higher contents of SOC and TN accumulated in cPOM and fPOM in all aggregates, especially cPOM in ＞2 mm aggregates and fPOM in ＜2 mm aggregates.【】The long-term conservation tillage (included no-tillage and sub-soiling and mulch management) promoted SOC and TN sequestration in aggregates by increasing the storage of physical protected particulate organic matter in aggregates. Thus, the conservation tillage was a sustainable soil carbon and nitrogen enhancement management for dryland soils for the loess hilly region of China.

conservation tillage; long-term tillage; soil aggregate; organic carbon; nitrogen; density fraction

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.02.009

2020-04-27；

2020-07-21

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0200408、2016YFD0300804）、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（1610132019034、1610132019033）、河北地質(zhì)大學(xué)博士科研啟動基金（BQ2019039）、國家科技支撐計劃（2015BAD22B03）

李景，E-mail：lijing315666@163.com。通信作者吳會軍，E-mail：wuhuijun@caas.cn。通信作者武雪萍，E-mail：wuxueping@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）