砂姜黑土麦玉农田土壤团聚体分布及碳氮含量对不同耕作方式的响应

来源:用户上传      作者:李锡锋　许丽　张守福　梁孟菊　亓硕　丁震湘　姜雯

　　 摘要：以山東砂姜黑土麦玉两熟制农田为对象，通过对秸秆还田下小麦季长期不同耕作方式（旋耕、少耕、深耕和深松）土壤水稳性团聚体组成及稳定性、土壤有机碳和全氮含量及其贡献率等相关指标的测定与分析，研究不同耕作方式对小麦玉米周年土壤团聚体及其有机碳、全氮含量与分布的影响。结果表明：①各耕作方式下土壤水稳性团聚体粒径主要集中在0.25～1 mm范围;与对照（旋耕）相比，长期深耕会显著降低小麦季20～30 cm土层>0.25 mm大团聚体含量（-18.1%）;长期深松会显著增加玉米季0～20 cm土层0.5～1 mm粒径团聚体含量（+34.48%）。②与对照相比，深耕有利于增加小麦季20～40 cm土层各粒径团聚体有机碳含量，其中20～30 cm土层2～5 mm、30～40 cm土层>0.5 mm粒径团聚体有机碳含量增加显著;而少耕、深松均不同程度地增加玉米季0～30 cm土层各粒径团聚体有机碳含量。③与对照相比，深松和少耕分别能显著增加小麦季10～30 cm土层各粒径团聚体和0～20 cm土层0.25～0.5 mm粒径团聚体全氮含量。④无论小麦季还是玉米季，总体上水稳性团聚体含量与团聚体有机碳含量呈显著负相关;小麦季平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）仅与团聚体全氮含量极显著正相关，而玉米季与团聚体全氮、有机碳含量均显著正相关，其中除>5 mm粒径团聚体有机碳含量外，与其它粒径团聚体全氮、有机碳含量均呈极显著正相关。因此秸秆还田下小麦季长期深耕虽然能显著增加小麦季深耕层土壤团聚体有机碳和全氮含量，但不利于水稳性大团聚体形成;而深松对浅耕层水稳性团聚体含量及团聚体有机碳、全氮含量均有显著促进作用;小麦播前耕作对后茬玉米季农田团聚体分级强度明显减弱。综合考虑，砂姜黑土麦玉农田应结合小麦季深松进行合理轮耕，以提高土壤各层团聚体的稳定性和有机碳、全氮含量，保障土壤良好耕性的可持续性。
　　关键词：麦玉两熟制农田;耕作方式;砂姜黑土;团聚体;有机碳;全氮
　　中图分类号：S156.4+9 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2020）03-0052-08
　　Abstract Taking lime concretion black soil farmland with wheat-corn double cropping system in Shandong Province as research object， the composition and stability of soil water-stable aggregates and the contents and contribution rates of soil organic carbon and total nitrogen under the condition of long-term different tillage modes （rotary tillage， minimal tillage， deep tillage，deep scarification） in wheat season with straw returning were determined and analyzed. The effects of tillage treatments on annual soil aggregates content and distribution of organic carbon and nitrogen in both wheat and maize season were studied. The results showed that： （1） The particle size of soil water-stable aggregates under different tillage modes were mainly concentrated in the range of 0.25～1 mm. Compared with the control （rotary tillage）， deep tillage could significantly reduce the aggregates contents of >0.25-mm particle size in 20～30-cm soil layer in wheat season with the decreasing amplitude as 18.1%. Deep scarification could significantly increase the aggregate content of 0.5～1-mm particle size in the 0～20-cm soil layer in corn season by 34.48%. （2） Deep tillage could increase the organic carbon content of aggregates in 20～40-cm soil layer in wheat season， and the value of 2～5-mm aggregates in 20～30-cm soil layer and>0.5-mm aggregates in 30～40-cm soil layer were significantly higher than that of the control. However， minimal tillage and deep scarification increased the organic carbon content of aggregates in 0～30-cm soil layer in corn season.（3） Compared with the control， deep scarification and minimal tillage could significantly increase the total nitrogen content of aggregates of 10～30-cm soil layer and 0.25～0.5 mm particle size of aggregates in 0～20-cm soil layer in wheat season， respectively. （4） There was significant negative correlation between the content of water-stable aggregates and the organic carbon content of aggregates in wheat and corn season. The MWD and GMD values were significantly positively correlated with the total nitrogen content of aggregates in wheat season， while they were significantly positively correlated with both total nitrogen and organic carbon content of aggregates in corn season， except the correlationship with the organic carbon content of >5-mm aggregates. Therefore， long-term deep tillage in wheat season with straw returning could increase the organic carbon and total nitrogen content of the aggregates， but it was not conducive to the formation of large water-stable aggregates， while the deep scarification could increase the water-stable aggregate content and aggregate organic carbon and total nitrogen content of shallow soil layer. For the corn season， the grading intensity of aggregates was significantly weakened by tillage treatments conducted before sowing wheat. Therefore， reasonable wheat-corn rotation tillage system with deep scarification in wheat season should be developed in the lime concretion black soil farmland， so as to improve the soil structure， increase the stability and organic carbon and nitrogen contents of soil aggregates， and ensure the sustainability of good tillage. 　　Keywords Wheat-corn double cropping system field; Tillage mode; Lime concretion black soil; Aggregates; Organic carbon; Total nitrogen
　　
　　团聚体是土壤物理结构组成的基本单位。不同粒径团聚体在土壤中发挥的作用不同。团聚体的数量及其分布对土壤理化性质以及微生物组成都有着重要影响。良好的土壤物理结构不仅需要有较多的孔隙容量、合适的孔径比例，还要有很好的稳定性，尤其是水稳性[1]。前人研究指出，不同粒径团聚体胶结物质的组成及其效果也有所不同，在微团聚体中存在的胶结物质大部分不易被微生物分解利用，而当微团聚体受胶结作用形成>0.25 mm大团聚体时，其所含胶结物质是易被利用的[2，3]。平均重量直径（MWD）是各级团聚体的综合指标，通常土壤中大粒径团聚体含量增加其MWD值也会增大，团聚体稳定性越好;几何平均直径（GMD）是对团聚体在主要粒级分布的描述，其值越大，反映土壤中大团聚体含量越多，孔隙度则越好[4-6]。
　　土壤有机碳和氮是土壤质量的两个重要指标，在全球生态系统的碳氮循环中起着重要的作用。许多研究表明有机碳和氮是土壤团聚体的主要胶结剂，团聚体的形成必须依靠土壤中的有机碳及氮，同时团聚体也有利于土壤中更多有机碳和氮保留下来，两者是相互依存关系[7-9]。有研究表明，深耕会破坏土壤大团聚体，致使团聚体中的有机碳暴露，从而导致其含量降低。李景等[10]研究表明，长期保护性耕作（免耕覆盖与深松覆盖）会显著增加小麦季浅层土壤大团聚体数量及有机碳含量。王彩霞等[11]研究表明塿土深松及旋耕均提高>5 mm团聚体的含量，且较免耕与深耕更能提高团聚体中的碳、氮含量。
　　砂姜黑土是典型低产田，黄淮海地区面积较大。通过耕作措施改善砂姜黑土物理性状、提高其保水保肥能力对于提高土壤综合生产能力具有重要意义。本试验以山东胶州典型砂姜黑土农田为对象，研究小麦、玉米秸秆全年还田下不同长期定位耕作方式对土壤大团聚体分布及其团聚体中有机碳、氮含量的影响，以期为该地区麦玉轮作砂姜黑土农田最优土壤耕作模式的确立提供技术依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验地概况
　　耕作定位试验自2010年开始，在青岛农业大学胶州现代农业科技示范基地（35.53°N，119.58°E）进行。该地属温带大陆季风气候，半湿润易旱区。试验地为砂姜黑土，2010年试验前土壤0～20 cm土层含有机质13.8 g/kg、碱解氮104.7 mg/kg、速效磷25.6 mg/kg和速效钾135 mg/kg。
　　1.2 试验设计与管理
　　试验采用随机区组设计，重复3次。小区面积65 m×5 m。小麦季播前共设4个耕作处理：旋耕2遍（12 cm，简称旋耕，为对照）、旋耕1遍（简称少耕，该处理于2015年前为免耕，后为旋耕一遍）、深松（28 cm）1遍+旋耕1遍（简称深松）、深耕（25 cm）1遍+旋耕1遍（简称深耕），玉米季均为免耕直播。两季作物秸秆均全部还田。
　　供试材料为济麦22和玉米品种郑单958。冬小麦10月中上旬播种，翌年6月中下旬收获。夏玉米6月中下旬播种，10月中上旬收获。小麦季基施复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶24∶6）750 kg/hm2，[JP]玉米季基施缓控释复合肥（N∶P2O5∶K2O=25∶12∶8）675 kg/hm2。其它田间管理措施同当地一般大田。
　　1.3 样品采集及测定方法
　　分别于2017年小麦收获期和玉米收获期采集0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层土样，原状土在风干过程中沿自然裂缝掰成1 cm左右大小颗粒保存。水稳性团聚体以湿筛法测定，即：取50 g风干土样置于套筛顶部，并将套筛按5、2、1、0.5、0.25 mm顺序从上至下放入水桶中，沿桶壁徐徐加入自来水，使水面刚好没过最上层土样，且不超过最上层筛子边缘，浸泡10 min，然后在分析仪上以每分钟30次的频率连续振动5 min，筛分好之后从上到下依次取下筛子并将筛内土样用水洗入铝盒中放入烘箱烘干称重，继而计算各粒级百分比含量及平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）。
　　团聚体有机碳及全氮含量用干筛法筛分出来的土样测定。干筛法除不加水外，其余步骤与湿筛法相同。有机碳用重铬酸钾氧化法测定，全氮用凯式定氮仪测定，并计算贡献率。
　　有机碳（全氮）贡献率（%）=该级团聚体有机碳（全氮）含量×该级团聚体的百分比/各层土壤有机碳（全氮）含量×100。
　　1.4 数据分析
　　试验数据采用Microsoft Excel和SAS软件进行统计与分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同耕作方式对土壤团聚体的影响
　　2.1.1 对土壤水稳性团聚体的影响 各处理不同土層水稳性团聚体粒径均主要集中在0.25～0.5、0.5～1 mm（表1）。无论小麦季还是玉米季，部分土层水稳性团聚体含量受耕作措施影响显著。其中小麦季，旋耕、少耕、深松处理20～30 cm土层>0.25 mm水稳性团聚体含量显著高于深耕处理，分别高22.15%、28.34%、23.7%;少耕处理30～40 cm土层>0.25 mm水稳性团聚体含量比深耕显著高24.29%。与深耕相比，0～10 cm土层少耕处理2～5 mm水稳性团聚体含量显著增加87.18%;10～20 cm土层旋耕、少耕、深松处理2～5 mm水稳性团聚体含量显著增加13225%、11095%、19112%，深松处理1～2 mm水稳性团聚体含量显著增加6447%，深松处理025～05 mm水稳性团聚体含量显著下降3277%。30～40 cm土层少耕处理1～2 mm水稳性团聚体含量显著高于旋耕、深耕、深松，分别高10884%、15117%、5986%。 　　玉米季，0～10 cm土层深耕处理2～5、1～2 mm水稳性团聚体含量显著低于少耕，分别低6955%、3604%;深松处理05～1 mm水稳性团聚体含量比对照显著高2884%。10～20 cm土层深松处理05～1 mm水稳性团聚体含量比对照显著高4012%。30～40 cm土层深耕处理2～5 mm团聚体含量显著高于旋耕、深松，1～2 mm团聚体含量显著高于其它处理，少耕处理025～05 mm团聚体含量显著低于旋耕、深松。
　　2.1.2对土壤团聚体稳定性的影响平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）为土壤团聚体稳定性指标。小麦季10～20 cm土层深耕处理MWD值比少耕、深松显著低26.28%、30.34%，GMD值显著低17.86%、32.35%;其余土层各处理间无显著差异（表2）。玉米季0～10 cm少耕、旋耕、深松处理MWD值均显著高于深耕，少耕处理MWD值比深松显著高52.43%;旋耕、少耕处理GMD值比深耕显著高69.70%、121.21%;其余土层各处理间无显著差异。
　　2.2不同耕作方式对土壤团聚体有机碳的影响
　　2.2.1对土壤各粒径团聚体有机碳含量的影响与旋耕比，总体上小麦季，深松处理增加10～20 cm土层团聚体有机碳含量，深耕处理增加20～40 cm土层有机碳含量（表3）。与对照旋耕相比，深松处理显著增加10～20 cm土层>5 mm及0.5～1 mm、30～40 cm土层>5 mm及2～5 mm粒径团聚体有机碳含量;深耕处理显著增加20～30 cm土层2～5 mm、30～40 cm土层>0.5 mm所有粒径团聚体有机碳含量。其余处理间比较，深松处理10～20 cm土层0.5～2 mm粒径团聚体有机碳含量显著高于少耕;深耕处理20～40 cm土层所有粒径团聚体有机碳含量显著高于少耕。
　　玉米季，与对照旋耕相比，深松处理显著增加0～10 cm土层>5 mm、10～20 cm土层>5 mm及0.25～0.5 mm、20～30 cm土层0.5～1 mm粒径团聚体有机碳含量;深耕处理显著增加20～30 cm土层>1 mm及0.25～0.5 mm粒径团聚体有机碳含量;少耕显著增加0～10 cm土层>5 mm、0.25～0.5 mm粒径团聚体有机碳含量。
　　2.2.2对土壤各粒径团聚体有机碳贡献率的影响由表4可以看出，小麦季团聚体有机碳贡献率均主要集中在>5 mm粒径团聚体中，0～10 cm和30～40 cm土层呈W型分布，10～20 cm土层则呈现随着粒径减小而减小的趋势。10～20 cm土层少耕处理>5 mm粒径的有机碳贡献率比旋耕高47.81%，深耕处理0.5～1、0.25～0.5 mm粒径显著高于少耕、深松，分别高81.69%、4530%、191.17%、188.11%。20～30 cm土层深耕处理2～5 mm粒径的有机碳贡献率显著高于其余3个处理。30～40 cm土层旋耕处理>5 mm粒径的有机碳贡献率显著低于其余3个处理，深耕处理2～5 mm粒径显著高于深松。
　　玉米季土壤团聚体有机碳贡献率均主要集中在>5 mm粒径团聚体中，且0～40 cm土层各处理团聚体有机碳含量均随粒径减小而呈减小趋势。0～10 cm土层旋耕处理0.25～0.5 mm的有机碳贡献率显著高于少耕;20～30 cm土层，深耕处理1～2 mm粒径显著高于旋耕，0.5～1 mm粒径显著高于旋耕、少耕，0.25～0.5 mm粒径显著高于旋耕、少耕、深松;30～40 cm土层深松处理0.5～1 mm粒径显著高于少耕和深耕。
　　2.3不同耕作方式对土壤团聚体全氮的影响
　　2.3.1对土壤各粒径团聚体全氮含量的影响小麦季，0～10 cm土层各处理团聚体全氮含量随着粒径的减小而增加（表5）。与对照旋耕相比，深松处理10～30 cm土层所有粒径与0～10 cm土层>2 mm、0.5～1 mm粒径团聚体全氮含量显著增加;少耕处理0～10、10～20 cm土層0.25～05 mm、20～30 cm土层>5 mm粒径团聚体全氮含量分别显著增加45.11%、27.42%、39.34%;深耕处理20～30 cm土层所有粒径团聚体全氮含量均显著增加。其余处理间比较，深松处理0～10 cm土层>5 mm、2～5 mm和10～20 cm土层>5 mm、1～2 mm粒径团聚体的全氮含量显著高于深耕、少耕;深耕处理20～30 cm土层除2～5 mm粒径外，其余粒径团聚体全氮含量均显著高于少耕。
　　玉米季，与对照旋耕相比，0～10 cm土层少耕处理0.25～0.5 mm粒径团聚体全氮含量显著增加29.41%，20～30 cm土层深耕处理>5 mm粒径团聚体显著增加59.15%。少耕处理相比于深耕，其0～10 cm土层0.25～2 mm间三个粒径团聚体全氮含量均显著增加，分别增29.2%、400%、52.31%;30～40 cm土层2～5 mm粒径团聚体显著降低36.89%。
　　2.3.2对土壤各粒径团聚体全氮贡献率的影响小麦季，10～20 cm土层少耕处理>5 mm粒径团聚体全氮贡献率显著高于旋耕（55.85%）;深耕处理0.5～1、0.25～0.5 mm粒径团聚体显著高于少耕、深松（表6）。20～30 cm土层深耕处理2～5 mm粒径团聚体全氮贡献率显著高于其余3个处理。30～40 cm土层深耕处理2～5 mm粒径团聚体全氮贡献率显著高于深松（42.72%）。
　　玉米季，0～10 cm土层少耕处理0.5～1、025～0.5 mm粒径团聚体全氮贡献率显著低于旋耕;深耕处理0.5～1 mm粒径显著低于少耕。20～30 cm土层深耕处理1～2 mm粒径的全氮贡献率显著高于旋耕，0.5～1、0.25～0.5 mm粒径显著高于其余3个处理。30～40 cm土层少耕处理>5 mm粒径的全氮贡献率显著高于其余3个处理;深松处理1～2 mm粒径显著高于少耕和深耕。 　　2.4土壤水稳性团聚体含量及参数与碳氮的相关性
　　由表7可以看出，小麦季，除0.25～0.5 mm外，各粒径团聚体含量与各粒径团聚体全氮含量均無显著相关性。除0.25～2 mm粒径团聚体含量与0.25～1 mm粒径有机碳含量不相关外，总体上各粒径团聚体含量均与团聚体有机碳含量显著负相关。MWD、GMD值与团聚体全氮含量呈极显著正相关。
　　玉米季，各粒径团聚体含量与各粒径团聚体全氮含量也均无显著相关，但与各粒径团聚体有机碳含量均呈极显著负相关。各粒径团聚体MWD、GMD值与各粒径团聚体全氮、有机碳含量均显著正相关，其中除>5 mm粒径团聚体有机碳含量外，与其它粒径团聚体全氮和有机碳含量均达到极显著相关。
　　3讨论
　　前人研究认为，土壤中>0.25 mm大团聚体含量与土壤团聚体稳定性呈正相关[12]。本研究以砂姜黑土农田为对象，通过长期定位耕作试验发现，总体上各耕作处理土壤水稳性团聚体均主要集中在0.25～1 mm粒径（占40%以上），1～2 mm粒径团聚体数量次之。吕品衡[13]在褐土下研究也发现，土壤水稳性团聚体以0.25～2 mm粒径团聚体含量所占比重最大，与本结果基本一致。前人研究显示，土壤团聚体的稳定性受耕作措施影响显著：免耕因减少机械对土壤结构的扰动及破坏，且秸秆均集中在土壤表层，因此能增加表层胶结物质含量，使土壤团聚体能够更好地聚合成大团聚体[14];深松对各土层土壤不造成剧烈破坏，有利于促进团聚体与有机碳的胶结作用，增加大团聚体含量[15];深耕则对土壤团聚体破坏性相对较大，导致土壤大团聚体含量降低，从而减少土壤稳定性[16]。本研究也发现，与对照旋耕相比，长期少耕、深松土壤均显著增加小麦当季0～40 cm土层>0.25 mm水稳性大团聚体，而长期深耕则显著降低深土层>0.25 mm水稳性大团聚体含量，这与聂良鹏等[15]的研究结果相似。本研究同时发现，各耕作处理对玉米季团聚体粒径分布无明显影响，说明小麦播前耕作对后茬玉米季农田团聚体分级强度明显减弱。平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）作为土壤团聚体稳定性指标，其值越大，团聚体稳定性越好[17]。本研究中长期深耕显著降低小麦季10～20 cm土层MWD、GMD值，即表明长期深耕会破坏砂姜黑土农田10～20 cm土层团聚体稳定性。
　　土壤有机碳作为土壤团聚体的主要胶结物质，与团聚体含量有着密切相互影响关系。本研究结果表明，土壤有机碳与团聚体含量在小麦、玉米季均达到极显著负相关性。长期深耕使砂姜黑土农田小麦季深土层有机碳含量最高，全氮含量也高于少耕，可能是由于深耕对土壤翻动影响最大，导致表层秸秆能够翻到深土层，使得有机碳、全氮含量在深土层显著增加;但深耕的土壤结构破坏作用大于有机碳、全氮的胶结作用，使得大团聚体更易分解成微团聚体，这与前人研究结果类似[18，19]。本研究中各耕作方式0～10 cm土层小麦季不同粒径团聚体的有机碳含量均无明显差异，而李景等[10]对黄土高原的研究认为>2 mm团聚体的有机碳含量最高，对耕作措施的响应最剧烈，与本结果不一致，可能是由于土质不同，其形成的团聚体对有机碳等胶结剂的作用有所差异所致。长期少耕、深松均显著增加玉米季浅土层团聚体有机碳含量;相对于长期深耕，少耕显著增加玉米季表土层0.25～2 mm粒径团聚体全氮含量，其原因可能是少耕、深松处理在小麦季会留下更多的有机碳和全氮，使玉米季时有机碳和全氮含量也更高。各粒径团聚体有机碳、全氮贡献率在小麦及玉米季各土层中的分布无明显规律，这与武均等[20]的研究结果一样。各处理各土层除>5 mm粒径团聚体有机碳、全氮贡献率最高外，其余各粒径间无明显规律。
　　4结论
　　秸秆还田下小麦季长期深耕虽然能显著增加小麦季深耕层土壤团聚体有机碳和全氮含量，但不利于水稳性大团聚体形成，而深松对浅耕层水稳性团聚体、团聚体有机碳、团聚体全氮含量均有显著促进作用;对玉米季来说，小麦播前耕作对后茬玉米农田团聚体分级强度明显减弱。综合考虑，砂姜黑土麦玉农田应结合深松采取合理的轮耕方式以提高土壤各层团聚体的稳定性和有机碳、全氮含量，保障土壤耕性的可持续性。
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