長期保護(hù)性耕作對(duì)坡耕地黑土有機(jī)碳組分的影響

朱 勇 ，李建業(yè) ，張程遠(yuǎn) ，張興義 ,※

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土地保護(hù)與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150081）

0 引 言

東北黑土區(qū)獨(dú)特的漫川漫崗地貌以及傳統(tǒng)順坡壟作，導(dǎo)致該地區(qū)坡耕地水土流失嚴(yán)重，水土流失面積達(dá)到21.87萬km2，黑土層以每年2.0～3.0 mm的速度變薄[1]。土壤侵蝕以及耕作導(dǎo)致水穩(wěn)性大團(tuán)聚體內(nèi)部包裹的輕質(zhì)、細(xì)顆粒有機(jī)物質(zhì)暴露加速其礦化流失，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳（soil organic carbon, SOC）減少，在漫川漫崗黑土區(qū)侵蝕嚴(yán)重的坡耕地SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)年下降速率高達(dá)13.5‰[2]，造成嚴(yán)重的土壤退化，危害了東北黑土區(qū)糧食可持續(xù)生產(chǎn)。

保護(hù)性耕作已成為遏止水土流失，促進(jìn)退化耕地恢復(fù)的重要措施，已納入了《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要(2017—2030年)》，國家為此啟動(dòng)了黑土地保護(hù)性耕作國家計(jì)劃。保護(hù)性耕作的顯著特征是秸稈覆蓋、輪作、少耕和免耕，其目的是通過增加地表覆蓋、減少濺蝕、增加土壤入滲和土壤含水率，減少地表徑流、增加地表粗糙度和加強(qiáng)表層土壤抗蝕能力[3]，故具有良好的水土保持作用。此外由于秸稈還田增加了有機(jī)物料，土壤微生物總量增加，提高了土壤中生物的活躍程度，進(jìn)而增加了SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]，改善了土壤結(jié)構(gòu)，具有提升土壤質(zhì)量的作用。

已有研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作不僅改變了SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，也對(duì)SOC組分產(chǎn)生了重要影響[5]，活性有機(jī)碳的敏感性和惰性有機(jī)碳的穩(wěn)定性對(duì)于指示侵蝕養(yǎng)分流失與土壤地力提升起到關(guān)鍵作用，長期保護(hù)性耕作條件下能表征土壤活力水平的活性SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅很大[6]。與傳統(tǒng)耕作相比，河南省砂壤質(zhì)潮土2 a免耕處理下小麥生育期的微生物量碳（microbial biomass carbon, MBC）顯著提高40.4%[7]（P<0.05）；西南丘陵區(qū)紫色土連續(xù)7 a保護(hù)性耕作下的各土層顆粒有機(jī)碳（particulate organic carbon, POC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著提高[8]（P<0.05）；黃土高原14 a保護(hù)性耕作0～5和＞5～10 cm土層的輕組有機(jī)碳（light fraction organic carbon, LFOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高了190.70%和70.27%（P<0.05）[9]；內(nèi)蒙古栗鈣土8 a保護(hù)性耕作模式在整個(gè)作物生育期可提高14.37%的可溶性有機(jī)碳（dissolved organic carbon, DOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)[10]。保護(hù)性耕作對(duì)衡量土壤固碳潛力的重要指標(biāo)的惰性碳的作用也同樣顯著。陜西黃土6 a保護(hù)性耕作可以顯著提高0～20 cm土層礦物結(jié)合態(tài)碳（mineral organic carbon,MOC）4.9%（P<0.05）[11]。長期保護(hù)性耕作對(duì)于不同土層深度的SOC組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響差異也極為顯著，在黑土區(qū)蔡麗君等研究了保護(hù)性耕作對(duì)SOC組分的影響，發(fā)現(xiàn)實(shí)行保護(hù)性耕作的＞10～15 cm土層的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)比＞15～30 cm的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高16.4%[12]。

目前已有保護(hù)性耕作效應(yīng)研究多基于模擬和田間試驗(yàn)，特別是東北黑土區(qū)多以短期效應(yīng)研究為主，尚不能明確保護(hù)性耕作的長期時(shí)間效應(yīng)，經(jīng)過長期耕作后，SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、儲(chǔ)量及其碳組分變化特征對(duì)于深入理解保護(hù)性耕作長期固碳能力具有重要意義，由于土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模最大的碳庫，未來固碳潛力巨大，農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)其影響顯著，特別是長期效應(yīng)將是“雙碳”計(jì)劃關(guān)注的重點(diǎn)，為了進(jìn)一步深入闡述保護(hù)性耕作長期固碳效應(yīng)，本文建立15 a的土壤耕作長期定位試驗(yàn)，分層測定了100 cm深土層土壤有機(jī)碳組分，比較分析了保護(hù)性耕作對(duì)黑土有機(jī)碳及其組分的影響，以期為黑土地保護(hù)與可持續(xù)利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于黑龍江省海倫市光榮村中國科學(xué)院海倫水土保持監(jiān)測研究站(47°21'16.95＂N，126°49'56.43＂E)，屬東北典型黑土區(qū)中部，商品糧核心產(chǎn)區(qū)，漫川漫崗水土流失區(qū)，研究區(qū)光榮村平均坡度為2.55°，平均土壤侵蝕模數(shù)4 467 t/(km2.a)，溝壑密度2.27 km/km2，墾殖率80%，坡耕地占90%以上。研究區(qū)屬于北溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年均氣溫1.5 °C，年均降水量530 mm，其中65%降水量發(fā)生于6-8月，年均有效積溫2 450 °C，年日照時(shí)間2 600～2 800 h，無霜期120 d。地下水水位埋深20～40 m。土壤為典型黑土，分層明顯，黑土層厚度30 cm左右、過渡層厚度40 cm和母質(zhì)層深度＞2 m。試驗(yàn)前土壤的基本理化性狀見表1。

表1 試驗(yàn)前的土壤理化性質(zhì)（2006年）Table 1 Soil initial physical and chemical properties

1.2 田間長期定位試驗(yàn)

本試驗(yàn)基于2006年建設(shè)的5°坡耕地標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，小區(qū)規(guī)格20 m×4.5 m，設(shè)置免耕保護(hù)性耕作(NT)和旋耕傳統(tǒng)耕作(CT)兩種處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，2007年正式開始試驗(yàn)，2007年和2008種植大豆，2009年種植玉米，2008年到2021年均為大豆—玉米兩年輪作制。NT：作物收獲后，將秸稈粉碎全量覆蓋于地表，第二年春季用人工播種和施肥后，噴施化學(xué)除草劑，不進(jìn)行任何秋整地和中耕作業(yè)。CT：秋收后秸稈全部移除，直接旋耕起壟，播種后進(jìn)行扶壟等中耕作業(yè)。

所有小區(qū)等量施肥管理：大豆播種同步進(jìn)行人工點(diǎn)播純氮肥20.25 kg/hm2、純磷肥51.75 kg/ hm2、純鉀肥15 kg/hm2，一次完成施肥；5月初玉米播種同步進(jìn)行人工點(diǎn)播純氮肥69 kg/hm2，磷肥、純鉀肥和大豆施肥量一致，6月末進(jìn)行一次拔節(jié)期追施純氮肥69 kg/hm2。

1.3 試驗(yàn)樣品的獲取

2021年10 月玉米收獲后，試驗(yàn)小區(qū)坡上、坡中、坡下三點(diǎn)取樣，用土鉆采集0～5、＞5～10、＞10～15、＞15～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80、＞80～100 cm共8層的土壤樣品，將采集好的土樣，剔除植物凋零物、根系等雜物，塑封袋封裝，一部分土樣4 °C冰箱保存（鮮樣），用于測定微生物量碳和可溶性有機(jī)碳；另一部分土樣室內(nèi)風(fēng)干過篩，用于土壤有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、礦物結(jié)合態(tài)碳和輕組有機(jī)碳測定。使用環(huán)刀取樣測定土壤容重、含水量和孔隙度；取樣鍬取原狀土測定土壤團(tuán)聚體。

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 土壤基本物理性質(zhì)的測定

使用室內(nèi)環(huán)刀法測定土壤容重（bulk density，BD）、土壤含水率（moisture content，MC）、土壤孔隙度（porosity，Ps）和土壤非毛管孔隙度（non-capillary porosity，NCP）[13]。

1.4.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體利用土壤團(tuán)粒分析儀（DIK-2001，日本）濕篩法測定[14]：土壤樣品過10 mm孔徑，在真空條件下用蒸餾水慢速浸潤2～4 min后，移至團(tuán)聚體分析儀（套篩孔徑自上而下為2、1、0.5、0.25 mm和0.053 mm），浸泡8 min，震蕩2 min，每分鐘循環(huán)30次，振動(dòng)幅度3 cm。最后將各級(jí)套篩中土樣60 °C烘干測定質(zhì)量，計(jì)算大于0.25 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（＞0.25 mm aggregate content，WR0.25）和幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）[15]。選取土壤大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和幾何平均直徑作為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)。

1.4.3 土壤碳氮組分的測定

土壤有機(jī)碳（soil organic carbon, SOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤全氮（total nitrogen, TN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定：將土壤前處理，后采用元素分析儀（EA3000）測定[16]。

土壤顆粒有機(jī)碳（particulate organic carbon, POC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（mineral organic carbon, MOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用六偏磷酸鈉分離法進(jìn)行分離提取測定[17]：使用六偏磷酸鈉處理土壤樣品，振蕩后過53um篩，沖洗后的篩上土樣為POC組分，通過篩的土樣為MOC組分，烘干磨細(xì)后采用元素分析儀（EA3000）測定；

土壤輕組有機(jī)碳（light fraction organic carbon, LFOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照有機(jī)質(zhì)密度，借助重液分離浮選法測定[18]：使用NaI溶液（1.7 g/cm3）重液處理樣品，離心處理后過0.45 μm濾膜用以區(qū)分輕重組分，用0.01M CaCl2溶液沖洗3次至無色，烘干磨細(xì)后采用元素分析儀（EA3000）測定；

土壤可溶性有機(jī)碳（dissolved organic carbon, DOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定[19]：先將土水混合樣品（土水比1∶5）震蕩離心后，過0.45 μm濾膜，最后采用自動(dòng)有機(jī)碳分析儀（型號(hào)vario TOC cube，德國Elementar）測定；

土壤微生物量碳（microbial biomass carbon, MBC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[20]：首先將測定樣品在真空干燥器中利用氯仿熏蒸，對(duì)照組不進(jìn)行熏蒸處理，再分別用40 ml 0.5 mol/L的K2SO4溶液（水土比1∶4）浸提30 min，用自動(dòng)有機(jī)碳分析儀(型號(hào)vario TOC cube，德國Elementar)測定浸提液有機(jī)碳濃度。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)（Independent Samples t-test）進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異分析。用SPSS 26.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)、雙因素方差分析(Two-way ANOVA)和pearson相關(guān)性分析；用 Origin 2022 軟件進(jìn)行部分圖型繪制與處理；運(yùn)用Amos 21進(jìn)行通徑分析，分析耕作方式下土壤物理性質(zhì)對(duì)土壤總有機(jī)碳變化的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)性耕作對(duì)SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量以及全氮和碳氮比的影響

連續(xù)實(shí)施15 a后，0～5 cm表層土壤中，保護(hù)性耕作（NT）的平均SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.70 g/kg，較CT高29.54%，達(dá)到顯著差異（P<0.05）；＞5～10 cm表層土壤中，NT的平均SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)29.50 g/kg，較CT高出22.38%，達(dá)到顯著差異（P<0.01）；＞10～20和＞20～100 cm土層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著（P<0.05）；＞10～100 cm土層NT的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖比0～5和＞5～10 cm土層有所降低，但較CT的平均SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加。NT處理SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度每厘米的下降幅度（0.25 g/kg）高于CT（0.13 g/kg）（圖1a）。SOC儲(chǔ)量與SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯示相似的分布規(guī)律，NT相比于CT在0～5和＞5～10 cm土層碳儲(chǔ)量明顯增加（P<0.05），增幅就分別達(dá)到了31.11%和27.34%。除＞15～20 cm土層外，NT處理下SOC儲(chǔ)量在各土層均高于CT處理，隨著土層加深，NT與CT間的差異逐漸減小（圖1b）。說明，保護(hù)性耕作（NT）可以顯著提高表層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量，但對(duì)深層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量影響較小。

圖1 不同耕作方式下土壤碳和氮變化Fig.1 Variation of soil carbon and nitrogen under different tillage modes

連續(xù)實(shí)施15 a保護(hù)性耕作后，0～5 cm表層土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，NT的平均TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.60 g/kg，較CT高53.74%，達(dá)到顯著差異（P<0.05）；＞5～10 cm表層土壤中，NT的平均TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.25 g/kg，較CT高出37.60%，達(dá)到顯著差異（P<0.05）；＞60～80 cm深層土壤中，NT的平均TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.18 g/kg，較CT高出27.91%，達(dá)到顯著差異（P<0.05）；其他土層TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著（P<0.05）；＞10～100 cm土層NT的TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖比0～5和＞5～10 cm土層有所降低，但較CT的平均NT質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加。NT處理TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度每厘米的下降幅度（0.015 g/kg）高于CT（0.007 g/kg）（圖1c）。NT相比于CT在0～5和＞5～10 cm土層土壤C/N顯著降低（P<0.05），降幅就分別為7.75%和6.25%。其他土層C/N差異不顯著（P<0.05）（圖1 d）。說明保護(hù)性耕作（NT）可以顯著提升0～5、＞5～10和＞60～80 cm土層的TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著降低0～5和＞5～10 cm土層的C/N。

2.2 保護(hù)性耕作對(duì)SOC組分的影響

在有機(jī)碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面（表2），不同耕作方式與土層交互效應(yīng)對(duì)LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響極顯著（P<0.01），對(duì)POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著(P<0.05)，對(duì)MOC、DOC、MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不顯著(P<0.05)（表2）。POC、MOC、LFOC和MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層增加而顯著降低（P<0.05），DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層增加而顯著增加（P<0.05）。相比于CT，NT顯著提高了＞5～10和＞40～60 cm土層的POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)、＞60～80 cm土層的MOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)、0～5 cm土層的LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)、＞80～100 cm土層的DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)、0～5和＞5～10 cm土層的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在＞5～10和＞40～60 cm土層的增幅分別為69.85%和192.13%，MOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在＞60～80 cm土層的增幅為38.71%，LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～5 cm土層的增幅為130.81%，DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在＞80～100 cm土層的增幅為33.02%，MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～5和＞5～10 cm土層的增幅分別為85.59%和59.53%。說明，耕作方式和土層的交互效應(yīng)對(duì)不同SOC組分的影響存在差異。

表2 不同耕作方式下土壤碳組分及其占比Table 2 Soil organic carbon contents and their proportions under different tillage modes

秸稈覆蓋與土層的交互效應(yīng)對(duì)POC/SOC、MOC/SOC、LFOC/SOC、DOC/SOC和MBC/SOC比值均無顯著影響表2）。POC/SOC、LFOC/SOC和MBC/SOC比值隨土層增加而顯著降低（P<0.05），其比值在0～5 cm土層最大；DOC/SOC比值隨土層增加而顯著增加（P<0.05），其比值在＞80～100 cm土層最大，在0～5和＞5～10 cm土層最小。不同耕作方式下，NT相較于CT顯著提高了＞5～10 cm的POC/SOC比值，顯著提高了＞80～100 cm的DOC/SOC比值（P<0.05），顯著提高了＞15～20和＞80～100 cm的MBC/SOC比值（P<0.05），并且還顯著降低了＞5～10 cm的MOC/SOC比值（P<0.05）。

2.3 土壤有機(jī)碳組分之間的相關(guān)性

土壤有機(jī)碳組分之間具有較高相關(guān)性，除DOC外，其余SOC組分都與SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)有極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.001），其中MOC與SOC的相關(guān)系數(shù)最高，高達(dá)0.91，其次為MBC、LFOC、POC。并且除DOC外，其他SOC組分之間都有極顯著的相關(guān)性（P<0.001）。DOC與SOC有極顯著的負(fù)相關(guān)性（P<0.001），并且DOC與POC，LFOC和MOC都呈極顯著的負(fù)相關(guān)（P<0.01），與MBC呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）（表3）。

表3 不同碳組分之間的相關(guān)性Table 3 Correlation among different carbon components

2.4 土壤結(jié)構(gòu)對(duì)于耕作措施的響應(yīng)及其與SOC組分的相關(guān)性

與CT相比，NT處理下0～5 cm土層土壤容重、孔隙度和非毛管孔隙度都沒有達(dá)到顯著差異（P<0.05），含水率為40.9%，相比于CT處理顯著高出8.6%（P<0.05）。相比于CT，NT處理0～5 cm的團(tuán)聚體的GMD值，提高84.67%（P<0.05）（表4）。說明保護(hù)性耕作（NT）明顯改變土壤結(jié)構(gòu)特征，利于蓄水保墑，增加土壤穩(wěn)定性與抗蝕能力。

表4 不同耕作措施下各土層的土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)Table 4 Soil structure of different soil layers under different tillage managements

對(duì)于兩個(gè)耕作處理中土壤0～5、＞5～10、＞10～15、＞15～20和＞20～40 cm土層的碳組分與土壤結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤容重與DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與POC、LFOC、MOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)（P<0.05）；土壤含水率與SOC、LFOC和MOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；孔隙度對(duì)于POC、LFOC、MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），卻與DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)（P<0.05）。GMD與土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.001），與土壤SOC、POC、LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與土壤MOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）（表5）。說明，土壤結(jié)構(gòu)影響土壤功能，進(jìn)而會(huì)影響SOC組分。

表5 不同碳組分與土壤結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性Table 5 Correlation between different carbon components and soil aggregate stability index

3 討 論

3.1 保護(hù)性耕作對(duì)于SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量的影響

本研究中，NT顯著提高0～5和＞5～10 cm土層的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量，和李景等[21]在黃土高原15 a連續(xù)保護(hù)性耕作研究一致，郭孟潔等[22]在東北黑土區(qū)平地實(shí)施16 a保護(hù)性耕作模式也得到相似的結(jié)果，即0～5 cm土層保護(hù)性耕作下的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于傳統(tǒng)旋耕，說明NT可以有效提高土壤表層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其原因主要包括兩個(gè)方面：首先保護(hù)性耕作，增加SOC的外來輸入量，為微生物提供可便于腐解的來源，微生物表現(xiàn)活躍，有利于SOC的積累[23]；其次免耕減少人為擾動(dòng)，避免SOC礦化損失，減少碳損失[24]。NT處理除＞15～20和＞80～100 cm這兩個(gè)土層外，其他土層平均SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于CT，說明隨著免耕年限的增加，NT處理不僅對(duì)于表層土壤SOC會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)于深層土壤SOC增量也產(chǎn)生了一定影響。保護(hù)性耕作出現(xiàn)了SOC逐漸向更深土層的積累效應(yīng)，但這種深層SOC的增量相比于CT并不顯著，可能是由于保護(hù)性耕作年限還遠(yuǎn)不夠長，這與閆雷等[25]的論點(diǎn)一致。并且在＞80～100 cm土層中，無論是DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)還是DOC/SOC，NT都顯著高于CT。其原因主要是：NT有效增加了各種生物類群的物種豐富度、群落數(shù)量和生物量，進(jìn)而提高了食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及各營養(yǎng)級(jí)之間的有效連通性，有效促進(jìn)了土壤碳固存的可持續(xù)性[26]；其次，DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加而增加，說明土壤淋溶作用也是影響SOC遷移的重要因素，深層DOC的來源主要包括根系分泌物，微生物和壤中流搬運(yùn)，但隨著土層增加，根系和微生物來源都會(huì)減少，說明壤中流搬運(yùn)的DOC是深層土壤DOC的主要來源[27]。不同來源的DOC通過生物降解和化學(xué)降解而進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化，現(xiàn)階段DOC的化學(xué)降解大多為光降解研究[28]。NT通過影響水分下滲來影響深層DOC積累，深層對(duì)于DOC的光降解能起到顯著阻礙作用，深層土壤微生物表現(xiàn)沒有土壤表層活躍，所以深層DOC受生物降解作用沒有表層頻繁，也進(jìn)一步說明NT處理下土壤淋溶DOC對(duì)于深層SOC積累做出了積極貢獻(xiàn)。

像POC、MBC這些土壤活性有機(jī)碳作為土壤碳組分中最活躍的成分，其對(duì)耕作管理措施的反應(yīng)會(huì)更加靈敏。本研究發(fā)現(xiàn)，免耕顯著提高了表層POC、MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。與武均等[29]研究保護(hù)性耕作顯著提高表層土壤POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)論一致，說明外源碳輸入會(huì)促進(jìn)POC在土壤中的固持，但與其保護(hù)性耕作顯著提高表層土壤MOC的結(jié)論有所差異。MOC作為與礦物表面的相互作用而形成的惰性有機(jī)碳，對(duì)SOC的貢獻(xiàn)大且周轉(zhuǎn)時(shí)間長，是土壤SOC穩(wěn)定性最重要的定量指標(biāo)[30]。本研究對(duì)于表層惰性碳組分MOC提高不顯著，可能由于地域和溫度差異導(dǎo)致結(jié)果的不同，根據(jù)WIESMEIER等[31]發(fā)現(xiàn)，氣候?qū)ν寥赖墓烫寄芰τ绊懞艽?。土壤微生物生物量是土壤有機(jī)質(zhì)中最為活躍的組分，其中，MBC是其重要的組成部分，用以表征微生物活體碳庫。MBC是土壤中易于利用的養(yǎng)分庫以及有機(jī)物分解的能量來源，與土壤中碳循環(huán)密切相關(guān)，本研究中NT顯著提高了表層0～10 cm的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這與孫冰潔等[32]研究保護(hù)性耕作表層土壤MBC的積累明顯的結(jié)果一致。其原因主要是由于秸稈還田，導(dǎo)致土壤中供微生物利用的養(yǎng)分增多，微生物活躍程度高；其次由于免耕減少土壤擾動(dòng)，微生物群落破壞較小，對(duì)于優(yōu)勢菌群的保持具體一定的積極作用。深層的微生物活動(dòng)沒有表層活躍，主要是由于保護(hù)性耕作對(duì)微生物生物量，包括對(duì)微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響具有明顯的土層效應(yīng)。相比于表層，深層土壤的外源碳輸入量更少，養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低，微生物表現(xiàn)不活躍[33]。

3.2 土壤物理性質(zhì)與碳組分之間的關(guān)聯(lián)及主控因素分析

本研究發(fā)現(xiàn)，在東北典型黑土區(qū)實(shí)驗(yàn)地實(shí)行長期保護(hù)性耕作對(duì)于土壤物理性質(zhì)有明顯改善，其原因主要分為兩點(diǎn)：一是秸稈還田顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，有機(jī)質(zhì)對(duì)于土壤顆粒的膠結(jié)作用增大，利于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體發(fā)育；二是秸稈覆蓋免耕能削減雨滴動(dòng)能以及減少人為擾動(dòng)，保護(hù)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)不被破壞，有利于團(tuán)聚體的穩(wěn)定。由于團(tuán)聚體的復(fù)合結(jié)構(gòu)單元能包裹住有機(jī)碳，對(duì)有機(jī)碳形成物理保護(hù)，防止其與微生物接觸，減緩分解速度[34]，團(tuán)聚體穩(wěn)定性對(duì)于有機(jī)碳的穩(wěn)定極為重要，因此，GMD對(duì)于土壤SOC、POC、MBC、LFOC和MOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著的正相關(guān)。土壤孔隙度和土壤容重的大小可以直接影響到多種SOC組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤孔隙度大，說明土壤容重越小，具有良好通氣透水性質(zhì)，能促進(jìn)微生物活動(dòng)和凋落物分解，進(jìn)而促進(jìn)SOC積累[35]。反之土壤孔隙度越小，土壤容重越大，土壤緊實(shí)度越高，越不利于有機(jī)碳的形成與積累；非毛管孔隙度對(duì)多種碳組分都沒有顯著相關(guān)性，也同樣可以說明總孔隙度對(duì)于碳組分的影響主要是通過毛管孔隙度完成的。其中DOC主要通過地上徑流和土壤大孔隙的優(yōu)先流組合輸出[36]，土壤孔隙度的降低，反而限制了DOC隨優(yōu)先流的運(yùn)移量，不利于DOC的積累。

根據(jù)圖2所示，根據(jù)不同土層深度的通徑分析可知，在0～20 cm土層中，耕作管理效應(yīng)主要通過GMD來影響土壤POC、LFOC和MBC等活性碳組分，進(jìn)而影響SOC，說明土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)對(duì)于活性碳組分的保護(hù)，是影響SOC積累的關(guān)鍵因素。

圖2 不同土層下土壤有機(jī)碳（SOC）的通徑分析Fig.2 Path analysis of soil organic carbon (SOC) under different soil layers

且在土壤耕層，SOC的增加主要與MBC相關(guān)。說明土壤表層主要受微生物生物量的影響進(jìn)而影響SOC。耕作管理效應(yīng)對(duì)通過影響NCP，進(jìn)而影響POC和LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但NCP對(duì)于POC的影響是負(fù)面的，對(duì)于LFOC的影響是正面的，說明土壤大孔隙越多，與空氣接觸面積越大，微生物活動(dòng)越活躍，POC作為供微生物活動(dòng)、提供能量的主要碳源之一，易被微生物分解，不易積累。但LFOC組分的主要來源是秸稈和作物根系以及根系分泌物，大孔隙增多后，微生物活躍，對(duì)于秸稈的轉(zhuǎn)化也會(huì)相應(yīng)增多，加之根際的激發(fā)效應(yīng)[37]，所以LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會(huì)相應(yīng)增多，利于SOC積累。在＞20～40土層中，耕作管理效應(yīng)也主要通過團(tuán)聚體穩(wěn)定性GMD來影響土壤POC、MBC，進(jìn)而影響SOC，土壤非毛管孔隙不再受到耕作效應(yīng)的影響。

3.3 長期保護(hù)性耕作的增碳效應(yīng)

與試驗(yàn)初始時(shí)SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，經(jīng)過15 a的連續(xù)保護(hù)性耕作，0～20 cm土層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長5.76%，年平均增速達(dá)0.38%；＞40～60 cm土層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長29.05%，年平均增速達(dá)1.94%。經(jīng)過15 a的連續(xù)傳統(tǒng)耕作，0～20 cm土層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低12.95%，年平均降幅達(dá)0.86%；＞20～40 cm土層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低19.97%，年平均降幅達(dá)1.33%。這說明長期保護(hù)性耕作不僅僅對(duì)于表層SOC影響大，也對(duì)于其他土層同樣有著一定的影響。

長期保護(hù)性耕作的增碳速率也是目前研究人員關(guān)注的重要問題，QI等[38]在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站發(fā)現(xiàn)實(shí)施保護(hù)性耕作（秸稈覆蓋免耕、水稻單作）5 a可增加表層40%的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，年增速達(dá)到8%。蔡太義等[39]在渭北旱塬地區(qū)發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作（秸稈覆蓋免耕、玉米單作）實(shí)施5 a較實(shí)施1 a在0～10 cm土層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高16.6%，年均增速4.15%；保護(hù)性耕作實(shí)施8 a較實(shí)施1 a在0～10 cm土層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高38.0%，年均增速5.43%；保護(hù)性耕作實(shí)施10 a較實(shí)施1 a在0～10 cm土層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高66.4%，年均增速7.38%。在10 a間SOC增速不斷提高。但王琳等[40]在黃土高原西部旱農(nóng)區(qū)比較實(shí)行保護(hù)性耕作（秸稈覆蓋免耕、春小麥豌豆輪作）發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作實(shí)施2 a、4 a、6 a、8 a和10 a較保護(hù)性耕作實(shí)施1 aSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高9.5%、13.2%、21.5%、1.1%、2.7%?；诒狙芯拷Y(jié)果，結(jié)合上述研究結(jié)果分析表明，長期保護(hù)性耕作的增碳速率受限于研究區(qū)域的氣候、土壤、種植方式等因素，呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，其內(nèi)在的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

1）長期保護(hù)性耕作相比于傳統(tǒng)耕作可以分別顯著提高0～5和＞5～10 cm土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（29.54%和22.38%）（P<0.05），碳儲(chǔ)量（31.11%和27.34%）（P<0.05），全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（53.74%和37.60%）（P<0.05），表層土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升顯著（P<0.05），深層土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不顯著。

2）長期保護(hù)性耕作增加的土壤有機(jī)碳主要以＞5～10 cm土層土壤顆粒有機(jī)碳（69.85%）、0～5 cm土層的土壤輕組有機(jī)碳（130.81%）和0～5、＞5～10 cm土層土壤微生物量碳（85.59%和59.53%）為主，并且對(duì)深層土壤有機(jī)碳組分也產(chǎn)生一定的積極影響。

3）長期保護(hù)性耕作對(duì)于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)影響顯著（P<0.05），并且土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)對(duì)于SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升也起到了關(guān)鍵作用。