深松與免耕頻次對黃土旱塬春玉米田土壤團聚體與土壤碳庫的影響

張琦，王淑蘭，王浩，劉朋召，王旭敏，張元紅，李昊昱，王瑞，王小利，李軍

深松與免耕頻次對黃土旱塬春玉米田土壤團聚體與土壤碳庫的影響

張琦，王淑蘭，王浩，劉朋召，王旭敏，張元紅，李昊昱，王瑞，王小利，李軍

（西北農林科技大學農學院/農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室，陜西楊凌 712100）

【】明確減少深松頻次對黃土旱塬春玉米田土壤結構與土壤碳庫的影響。2007—2019年在渭北旱塬春玉米田實施不同深松與免耕頻次的保護性耕作長期定位試驗，以連續深松（S）為對照，設置減少深松頻次的免耕與深松結合耕作模式，分別是兩年一深松（NS）和三年一深松（NNS)。分析減少深松頻次對土壤團聚體、團聚體固碳能力、土壤碳庫組成及碳庫管理指數的影響。（1）減少深松頻次提高了土壤大土壤團聚體（R0.25）含量，NNS處理下0—40 cm土層機械穩定性團聚體（DR0.25）含量提升3.8%，水穩定性團聚體（WR0.25）含量提升38.9%，NS處理下WR0.25提升41.8%。NNS處理降低了團聚體破壞率（PAD）和不穩定團粒指數（ELT），平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）顯著增加13.2%和16.6%。（2）減少深松頻次處理下團聚體總固碳能力（TOPC）得到顯著提升。NNS處理0—40 cm土層平均團聚體固碳能力提升10.8%，但20—30 cm土層團聚體固碳能力有所下降。不同粒徑團聚體固碳能力表明，＜0.25 mm粒徑團聚體固碳能力較強。（3）NNS處理對0—40 cm土層土壤總有機碳（TOC）含量無顯著影響，但增加了10—20 cm土層TOC含量，減輕了表層土壤有機碳層化效果，降低了30—40 cm土層 TOC含量，促進了深層土壤有機碳的層化。（4）NNS處理0—40 cm土層活性有機碳（EOC）含量顯著增加24.9%，EOC含量的增加提升了EOC/TOC比值，增加了碳庫活度（A）和碳庫活度指數（AI），相比于S處理，增加碳庫管理指數（CPIM）39.8%。長期連續深松不利于土壤團聚體的形成及土壤碳庫的良性循環，而三年一深松的耕作模式有助于降低土壤團聚體的破壞程度，提高碳庫管理指數，增強土壤碳庫的活度，調節土壤碳庫的更新和循環，是適合該地區的耕作模式。

黃土旱塬；春玉米；深松頻次；土壤團聚體；土壤碳庫

0 引言

【研究意義】在長期盛行翻耕的黃土旱塬農作區，土壤養分流失嚴重，土壤培肥為眾多學者的研究重點[1-3]。近年來，免耕和深松等保護性耕作技術逐漸興起。深松因其打破犁底層且不擾亂耕層而被視為保護性耕作的重點環節，但隨著深松頻次增加，深層土壤破壞程度也會加深[4-5]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，也是土壤有機碳固定的核心力量，不同耕作措施直接作用于土壤，影響團聚體的形成，改變土壤對有機碳的固存[6-7]。保護性耕作可明顯提升土壤有機碳含量，但土壤有機碳含量并不能完全表征土壤碳庫質量，碳庫管理指數可用來全面評價土壤碳庫特征，土壤耕作和秸稈還田是驅動土壤碳庫變化的關鍵因素[8-9]。因此，本研究探討減少深松頻次的深松與免耕相結合的耕作體系，利用免耕土壤自我調節作用改良長期深松的弊端，比較其對土壤團聚體及土壤碳庫特征的影響，篩選適合于黃土旱塬旱地土壤質量提升的長期保護性耕作模式。【前人研究進展】深松作為一種保護性耕作措施，通過減少擾動而增加對土壤的保護，相對于翻耕有利于促進土壤團聚體形成，增強團聚體穩定性[10-11]。但長期采用連續深松會過度增加深層土壤孔隙度，不利于土壤根系的生長，且相同深松深度下，增加深松年限會降低0—10 cm土層土壤碳庫管理指數，不利于提升耕層碳庫活度，降低表層土壤碳庫更新速度[4,12]。免耕有利于提高0—10 cm土層有機碳庫質量和碳庫管理指數，且隨著免耕年限增加，碳庫管理指數呈現報酬遞減規律[13]。因此，深松和免耕所結合的輪耕模式有助于解決長期深松所帶來的土壤碳庫抑制作用。田慎重等[14-15]研究表明，旋耕-深松配合秸稈還田模式有助于增加0—20 cm土層土壤團聚體穩定性并提升固碳能力，但旋耕轉化為深松后土壤碳庫管理指數有所降低。免耕-深松結合耕作模式可增加土壤大團聚體含量和穩定性，增加土壤有機質含量，增加表觀腐值化系數，提升土層碳庫管理指數[16-19]。【本研究切入點】針對長期連續深松所致不良后果，有關深松與免耕的耕作效應研究已取得重要進展，但減少深松頻次的耕作模式對土壤團聚體及其固碳能力和碳庫活度的研究不多。【擬解決的關鍵問題】本研究基于長期保護性耕作定位試驗，通過對增加免耕而減少深松頻次的輪耕效應進行分析，揭示減少深松頻次對土壤團聚體含量及穩定性的影響，通過團聚體有機碳固存能力明確團聚體對總有機碳的貢獻程度，利用碳庫管理指數評估減少深松頻次對土壤碳庫活度的影響，為改善長期連續深松措施的不足，提升黃土旱塬區農田土壤有機碳及其質量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗設置在渭北旱塬東部的陜西省渭南市合陽縣甘井鎮（35°19′N，110°05′E），地處典型的黃土旱塬糧食主產區，屬于暖溫帶半濕潤偏旱氣候，海拔877 m，年平均氣溫11.5℃，年平均日照時數2 528 h，多年平均降雨量 500 mm左右，且主要集中在 7—9 月，其逐月最高氣溫與最低氣溫、逐月平均降雨量分布如圖1所示。試驗地土壤類型為中壤土，土層較厚易耕作，土壤蓄水保肥能力強，種植方式為春玉米一年一熟制，試驗地初始土壤養分含量如表1所示。

圖1 2007—2019年多年平均逐月降雨量及溫度

表1 試驗前土壤理化性質

1.2 試驗設計

本試驗于2007年9月至2019年9月進行，試驗期間無灌溉措施。試驗開始前，土壤耕作方式均為傳統的翻耕措施。試驗采用單因素隨機區組設計，小區面積112.5 m2（5 m×22.5 m），重復3次。試驗以連續深松（S）為對照，設置2種減少深松頻次的深松與免耕（N）結合耕作模式：兩年一深松（NS）和三年一深松（NNS）。在每年9月下旬春玉米收獲后休閑初期實施各種耕作處理，翌年4月中下旬播種春玉米。免耕（N）處理是不采取任何土壤耕作方式，僅在秸稈全量粉碎覆蓋下度過休閑期；深松（S）處理是在秸稈全量粉碎覆蓋下采用深松機進行間隔60 cm、耕深30—35 cm的深松作業。在休閑期結束后，3種耕作方式均按照相同的施肥量（N：150 kg·hm-2，P2O5：120 kg·hm-2， K2O：90 kg·hm-2）撒施肥料，其中氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀。玉米供試品種為鄭單958，播種采用單粒點播機進行一次性播種，行距60 cm，株距30 cm。其余田間管理方式與當地大田管理措施一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 團聚體測定

（1）采樣方法

于2019年9月玉米收獲后采集 0—10、10—20、20—30和30—40 cm 4個土層土樣，每小區取3次重復，混合成一個樣品。自然風干后除去粗根及小石塊，在采集及處理過程中減少擾動，避免破壞團聚體，并將大土塊按自然裂痕剝離為1 cm3左右，小心運輸到試驗室。

（2）測定方法

土樣預處理：將風干土樣依次過孔徑為5 mm、2 mm的篩子，分為＞5 mm、5—2 mm、＜2 mm 3個級別，然后利用對角線分割法按3個級別土樣在原狀土中所占比例取混合土樣100 g（6份），用于力穩性團聚體與水穩性團聚體的測定。

力穩定性團聚體（干篩法）：將3份100 g土樣放入孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm套篩的最上層，用底盒和篩蓋密封，用震蕩式機械篩分儀進行震蕩（200次/min，2 min），得到＞5 mm、5—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、＜0.25 mm的力穩定性團聚體，分別測量6個粒徑的團聚體質量。

水穩性團聚體（濕篩法）：將3份100 g土樣放入孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm套篩的最上層，調整篩桶內水面高度使其沒過套篩土壤上表面，待土壤浸泡完全后，用團粒分析儀進行頻次振蕩（30次/min，30 min）。分別將6個粒徑大小的團聚體洗入鋁盒中，40℃烘干稱重，并留做團聚體有機碳測定[20-21]。

（3）計算方法

利用各粒級團聚體數據，計算＞0.25 mm團聚體R0.25、MWD、GMD。干篩法和濕篩法測定的R0.25含量分別用DR0.25和WR0.25表示。

R0.25=Mr>0.25/Mt

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

ELT=(Mt-WR0.25)/Mt

式中，R0.25為直徑＞0.25 mm團聚體含量，Mt為團聚體的總重量，Mr＞0.25為粒徑＞0.25 mm團聚體的重量；PAD為團聚體的破壞率；ELT為團聚體的不穩定團粒指數；MWD為團粒平均質量直徑（mm），GMD為團粒幾何平均直徑（mm）；Xi為任一級別范圍內團聚體的平均直徑（mm）；Wi為對應于等級的團聚體百分含量。

1.3.2 總有機碳和活性有機碳的測定方法

2019年9月玉米收獲后采集 0—10、10—20、20—30和30—40 cm 4 個土層土樣，每小區3次重復，充分混勻為一個樣品，自然風干過篩留作土壤有機碳測定。團聚體及土壤總有機碳（TOC）用重鉻酸鉀-外加熱法測定，土壤活性有機碳（EOC）采用高錳酸鉀氧化法測定[22-24]。

團聚體固碳能力（CPCi）SSACi× Wi

式中，CPC代表第i級土壤團聚體固碳能力；SSAC代表i級團聚體中土壤有機碳含量（g·kg-1）；W代表i級團聚體的質量分數（%）。

有機碳分層率=上一土層有機碳含量/下一土層有機碳含量；土壤有機碳氧化穩定性系數

（KOS）=（TOC-EOC）/EOC。

本研究土壤碳庫管理指數計算選取連續深松處理為參考土壤，具體公式如下：

碳庫指數（CPI）=樣品全碳含量（g·kg-1）/參考土壤全碳含量（g·kg-1）

碳庫活度（A）=活性碳含量/非活性碳含量

碳庫活度指數（AI）=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度

碳庫管理指數（CPMI）=CPI×AI×100

1.4 數據處理

采用 Excel 2010 軟件對數據進行整理、OriginPro 2015進行制圖，采用 SPSS（PASW Statistics 190）統計分析軟件對數據進行方差分析，LSD法進行多重比較分析。

2 結果

2.1 不同深松頻次處理下土壤大團聚體含量及其穩定性

經過12年長期保護性耕作定位試驗，減少深松頻次對土壤大團聚體含量影響顯著（＜0.05）（圖2）。干篩法數據表明，與S處理相比，NNS處理0—10、10—20和30—40 cm土層DR0.25含量顯著增加，0—40 cm土層平均DR0.25含量增加3.8 %；NS處理20—30 cm土層DR0.25含量下降8.7%，0—40 cm土層平均DR0.25與S處理無顯著差異。濕篩法數據顯示，NNS和NS處理顯著提高了0—10、10—20、20—30和30—40 cm土層WR0.25含量，0—40 cm土層平均WR0.25含量增加38.9%和41.8%。

不同字母代表不同處理間存在顯著差異P＜0.05。下同 Different letters mean significant difference at 0.05 level. The same as below

團聚體破壞率（PAD）和不穩定團粒指數（ELT)可直接評價耕作措施對水穩定性團聚體的破壞程度及其結構的穩定性。與S處理相比，NNS、NS處理 0—40 cm土層PAD均有所降低（圖3）。其中，0—10 cm土層PAD為表現為S＞NNS＞NS，10—20、20—30 cm土層PAD表現為S＞NS＞NNS，30—40 cm土層PAD在NNS和NS處理間無顯著差異，ELT與PAD變化規律相似。

濕篩法所測得的水穩定性團聚體的平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）如表2所示。NNS和NS處理0—40 cm土層團聚體平均MWD和GMD提升9.3%—16.5%（＜0.05）。0—10 cm土層團聚體MWD、GMD表現為NNS＞NS＞S。與S處理相比，NS處理10—20 cm土層團聚體MWD、GMD顯著增加6.0%、6.1%，NNS處理20—30 cm土層團聚體MWD、GMD值顯著增加20.4%、22.7%。NNS、NS處理30—40 cm土層團聚體MWD、GMD提升16.7%—22.2%。

圖3 不同深松頻次處理下團聚體破壞率（PAD）及不穩定團粒指數（ELT）

表2 不同深松頻次處理下土壤水穩定性團聚體平均質量直徑和幾何平均直徑

不同字母代表同一列，同一指標不同處理間存在顯著差異＜0.05。AVG代表0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm均值。下同

Different letters in the same column mean significant difference at 0.05 level. AVG stands for average value of 0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm and30-40 cm. the same as below

2.2 不同深松頻次處理下土壤各級團聚體固碳能力

各土層團聚體總固碳能力為10—20 cm ≈ 0—10 cm＞20—30 cm＞30—40 cm（表3）；不同粒徑大小團聚體以0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒徑團聚體固碳能能力較強。相比于S處理，NNS和NS處理0—40 cm土層平均團聚體總固碳能力提升0.75 g·kg-1和0.95 g·kg-1，差異顯著，0.5—0.25 mm和0.25—0.053 mm粒徑土壤團聚體固碳能力平均提升21.1%和25.0%。總體來看，NNS和NS處理均有助于提升團聚體固碳能力，但兩者之間差異不顯著。

表3 不同深松頻次處理各粒徑土壤團聚體固碳能力

2.3 不同深松頻次處理下土壤總有機碳與活性有機碳含量和層化率

減少深松頻次0—40 cm土壤有機碳含量與連續深松無顯著差異（圖4）。與S處理相比，NNS、NS處理10—20 cm土壤有機碳含量分別增加15.1%和10.6%，NNS處理30—40 cm土層土壤有機碳含量降低了24.4%。減少深松頻次對活性有機碳含量影響差異顯著，NNS處理0—10、20—30和30—40 cm土層活性有機碳含量顯著增加25.5%、22.9%和44.9%。NS處理30—40 cm土層活性有機碳含量顯著增加43.2%。有機碳在不同土層分布造成有機碳的層化效果（表4），NNS處理有助于降低0—20 cm土層總有機碳層化率和10—40 cm土層活性有機碳層化效果。

圖4 不同深松頻次處理土壤總有機碳（TOC）及活性有機碳（EOC）含量

表4 不同深松頻次處理土壤有機碳層化率

2.4 不同深松頻次處理土壤碳庫組成變化

如表5所示，經過12年耕作處理，NNS處理0—40 cm土層平均EOC/TOC值顯著高于S處理。NNS處理0—10、20—30和30—40 cm土層EOC/TOC值分別顯著提升23.5%、21.6%和55.7%。NS處理30—40 cm土層EOC/TOC值顯著提升46.2%。NNS和NS處理0—40 cm土層有機碳氧化穩定系數（KSO）整體小于S處理，其中NNS與S處理差異顯著。與S處理相比，NNS處理增加了10—20 cm土層Kso15.5%，但降低了0—10 cm土層及深層（20—30、30—40 cm）Kos，NS處理降低30—40 cm土層Kso142.0%。

2.5 不同深松頻次處理土壤碳庫管理指數變化

碳庫管理指數（CPMI）能全面反映外界條件對土壤碳庫影響及土壤碳庫質量更新程度。本研究以連續深松S處理為對照，分析NS和NNS處理對0—40 cm土層碳庫管理指數的影響（表6）。不同深松頻次處理0—40 cm土層各項碳庫指數均有所增加，且在NNS處理下達到顯著水平（＜0.05）。與S處理相比，NNS處理0—10 cm土層土壤CPI、A、AI和CPMI均得到顯著提升；NNS和NS處理10—20 cm土層顯著提升土壤A，但AI及CPMI均有所下降；20—30 cm土層NNS處理顯著提升土壤CPI、A、AI和CPMI，但NS處理降低CPI 6.4%；30—40 cm土層，CPI表現為S＞NS＞NNS，A，AI和CPIM表現為NNS＞NS＞S。NNS處理降低10—20 cm土層A及CPMI，增加了0—10、20—30和30—40 cm土層CPMI，有助于碳庫活化及更新。

表5 不同深松頻次處理土壤碳庫組成變化

表6 土壤碳庫管理指數

3 討論

土壤耕作直接調節土壤物理結構，影響土壤水肥氣熱狀況，是影響秸稈腐化和轉化為土壤碳庫的重要措施[25]。本研究以長期單一連續深松方式為對照，對比分析了減少深松頻次處理對土壤團聚體特性、團聚體固碳能力影響及土壤碳庫對耕作措施的響應。結果顯示，減少深松頻次提升了土壤團聚體穩定性和碳庫管理指數，可克服長期連續深松的不足。

3.1 減少深松頻次處理對土壤團聚體的影響

減少深松頻次降低了對土壤的擾動，長期不同耕作措施自身所帶來的秸稈還田量以及秸稈還田方式造成土壤團聚體組分有所差異。本研究中，NNS處理顯著增加穩定性團聚體和水穩定性團聚體的含量，這與減少土壤擾動，降低對土壤的破壞，增強了土壤聚合能力有關[26]。土壤團聚體破壞率及不穩定團粒指數在不同土層呈現不同規律，整體為深層土壤大于表層，與前人的研究相一致。連續深松破壞了深層土壤結構，而作為膠結物質的秸稈分解物無法彌補長期深松所帶來的破壞性，NNS和NS處理通過免耕措施增加了土壤的自我修復作用，較少的土壤擾動增加了土壤微生物的活性，加速了根系殘留物的分解，膠結物的形成增加了水穩定性團聚體的形成，水穩定性團聚體的形成增強了土壤團粒結構的穩定性[21,27]。利用平均質量直徑和幾何平均直徑描述團聚體的分級特征，本研究中NNS和NS處理增加團聚體平均質量直徑和幾何平均直徑，增加了團聚體的穩定性。

3.2 減少深松頻次處理對團聚體固碳能力的影響

團聚體的吸附及團聚作用可以實現農田有機碳的固存[28]。本研究表明，土壤表層團聚體有機碳固存能力大于深層，且微團聚體（＜0.25 mm）的固碳能力強于大團聚體，與前人研究有所出入[29]，可能是因為耕作措施導致微團聚體的含量增加，同時該粒級土壤的比表面積增加，雙向增加作用增強了該粒徑團聚體的固碳能力[30]。研究表明土壤＞0.25 mm團聚體固碳能力與土壤總有機碳含量呈現顯著正相關關系，表明提升農田大團聚體的含量及其固碳能力是提高農田有機碳含量的重要途經[29]。本研究中NNS和NS處理通過增加了土壤0.5—0.25 mm、0.25—0.053 mm團聚體固碳能力，增強了團聚體總固碳能力。

3.3 減少深松頻次處理對土壤碳庫的影響

深松措施不擾亂耕層，相比于傳統翻耕降低土壤有機碳礦化的可能性。本研究中，3種耕作處理對0—40 cm土層總有機碳含量無顯著差異，但NNS和NS處理增加10—20 cm土層有機碳含量，減少30—40 cm土層總有機碳含量。深松鏟會將部分秸稈帶入深層土壤，且減少深松措施的根系生物量優勢無法彌補秸稈量的減少，減少了深層土壤的外來有機物來源，增加了深層土壤總有機碳的層化率，以NNS處理下20—30/30—40 cm土層尤為顯著。表層有機碳含量無顯著差異主要由于秸稈覆蓋增加了有機碳輸入，且3種耕作措施均不擾亂耕層，土壤有機碳礦化率低造成[31]。本研究中，NNS處理顯著提升了土壤活性有機碳的含量，NNS處理減少了土壤擾動，秸稈覆蓋避免了土壤與空氣的直接接觸，降低了水分蒸散，所形成的土壤環境有利于微生物活性的提升，加速了秸稈及根系殘留物的分解，腐殖質的形成增加了活性炭的含量，免耕措施的增加使得土壤孔隙度有所降低，使得這部分活性較強的有機碳得以儲存，而連續深松措施增加土壤孔隙度，增大了土壤與空氣的接觸面積，造成了活性碳的礦化和流失[32]。

3.4 減少深松頻次處理對土壤碳庫管理指數的影響

不同耕作措施所形成的土壤有機碳和活性有機碳含量對土壤碳庫活性及其管理指數有著重要的影響。NNS處理顯著增加了0—40 cm土層EOC/TOC比值，增強了土壤碳庫有機碳活性，提升了10—20 cm的Kso，增加了碳庫穩定性。碳庫管理指數能系統、敏感地監測有機碳變化，其值的升高表明土壤耕作方式有利于土壤碳庫的良性發展。本研究中，NNS處理能顯著提升土壤0—40土層A、AI和CPMI，CPI與SS處理相比無差異，說明NNS處理主要通過提升土壤中活性碳的含量來提高土壤質量碳庫活度和碳庫活度指數，碳庫活度及碳庫活度指數的增加提升了碳庫管理指數，增強了碳庫的循環及更新。10—20 cm土層總有機碳含量提升和活性有機碳相對穩定造成NNS處理下該土層A、AI和CPMI有所降低。

4 結論

長達12年的保護性耕作定位試驗表明，連續深松不利于長期土壤質量的提升，三年一深松的耕作模式增加土壤團聚體含量，降低長期深松對土壤的破壞程度，增加了團聚體穩定性和其固碳能力。三年一深松在增加0—40 cm土層總有機碳含量方面與連續深松無顯著差異，但增加了活性有機碳的含量，改變了土壤碳庫組成，提升了土壤碳庫管理指數，有助于活化土壤碳庫，增強土壤碳庫的循環能力，是適合黃土旱塬土壤碳庫良性循環和更新的耕作方式。

[1] 薛建福, 趙鑫, Shadrack B D, 陳阜, 張海林. 保護性耕作對農田碳、氮效應的影響研究進展. 生態學報, 2013, 33(19): 6006-6013.

XUE J F, ZHAO X, Shadrack B D, CHEN F, ZHANG H L. Advances in effects of conservation tillage on soil organic carbon and nitrogen., 2013, 33(19): 6006-6013. (in Chinese)

[2] 孔維萍, 成自勇, 張芮, 何釗全, 何正乾, 張曉霞, 劉靜霞, 高陽. 保護性耕作在黃土高原的應用和發展. 干旱區研究, 2015, 32(2): 240-250.

KONG W P, CHENG Z Y, ZHANG R, HE Z Q, HE Z Q, ZHANG X X, LIU J X, GAO Y.Application and development of conservation tillage techniques in the Loess Plateau., 2015, 32(2): 240-250. (in Chinese)

[3] 王碧勝, 蔡典雄, 武雪萍, 李景, 梁國鵬, 于維水, 王相玲, 楊毅宇, 王小彬. 長期保護性耕作對土壤有機碳和玉米產量及水分利用的影響. 植物營養與肥料學報, 2015, 21(6): 1455-1464.

WANG B S, CAI D X, WU X P, LI J, LIANG G P, YU W S, WANG X L, YANG Y Y, WANG X B.Effects of long-term conservation tillage on soil organic carbon, maize yield and water utilization., 2015, 21(6): 1455-1464. (in Chinese)

[4] Xu J, Han H F, Ning T y,Li Z J, Lai R. Long-term effects of tillage and straw management on soil organic carbon, crop yield, and yield stability in a wheat-maize system., 2019, 233: 33-40.

[5] 何明, 高煥文, 董培巖, 崔德杰, 趙文閣. 一年兩熟地區保護性耕作深松試驗. 農業機械學報, 2018, 49(7): 58-63.

HE M, GAO H W, DONG P Y, CUI D J, ZHAO W G.Sub-soiling experiment on double cropping and conservation tillage adopted area., 2018, 49(7): 58-63. (in Chinese)

[6] 王峻, 薛永, 潘劍君, 鄭憲清, 秦秦, 孫麗娟, 宋科. 耕作和秸稈還田對土壤團聚體有機碳及其作物產量的影響. 水土保持學報, 2018, 32(5): 121-127.

WANG J, XUE Y, PAN J J, ZHENG X Q, QIN Q, SUN L J, SONG K. Effect of tillage and straw incorporation on sequestration of organic carbon and crop yield., 2018, 32(5): 121-127. (in Chinese)

[7] 趙富王, 王寧, 蘇雪萌, 李秋嘉. 黃土丘陵區主要植物根系對土壤有機質和團聚體的影響. 水土保持學報, 2019, 33(5):105-113.

ZHAO F W, WANG N, SU X M, LI Q J. Effect of main plant roots on soil organic matter and aggregates in Loses Hilly Region., 2019, 33(5): 105-113. (in Chinese)

[8] 楊思存, 王成寶, 霍琳, 姜萬禮, 溫美娟. 不同耕作措施對甘肅引黃灌區耕地土壤有機碳的影響. 農業工程學報, 2019, 35(02): 114-121.

YANG S C, WANG C B, HUO L, JIANG W L, WEN M J. Effects of different tillage practices on soil organic carbon of cultivated land in Gansu Yellow River irrigation district., 2019, 35(2): 114-121. (in Chinese)

[9] 于維水, 王碧勝, 王士超, 孟繁華, 盧昌艾. 長期不同施肥下我國4種典型土壤活性有機碳及碳庫管理指數的變化特征. 中國土壤與肥料, 2018(2): 29-34.

YU W S, WANG B S, WANG S C, MENG F H, LU C A. Characteristics of soil labile organic carbon and carbon management index under different long-term fertilization systems in four typical soils of China., 2018(2): 29-34. (in Chinese)

[10] 李景, 吳會軍, 武雪萍, 蔡典雄, 姚宇卿, 呂軍杰, 鄭凱, 劉志平. 長期保護性耕作提高土壤大團聚體含量及團聚體有機碳的作用.植物營養與肥料學報, 2015, 21(2):378-386.

LI J, WU H J, WU X P, CAI D X, YAO Y Q, Lü J J, ZHENG K, LIU Z P.Impact of long-term conservation tillage on soil aggregate formation and aggregate organic carbon contents., 2015, 21(2): 378-386. (in Chinese)

[11] 王勇, 姬強, 劉帥, 孫漢印, 王旭東. 耕作措施對土壤水穩性團聚體及有機碳分布的影響. 農業環境科學學報, 2012, 31(7): 1365-1373.

WANG Y, JI Q, LIU S, SUN H Y, WANG X D.Effects of tillage practices on water-stable aggregation and aggregate-associated organic C in soils., 2012, 31(7): 1365-1373. (in Chinese)

[12] 張博文, 楊彥明, 張興隆, 李金龍, 陳新宇, 李志新. 連續深松對黑土結構特性和有機碳及碳庫指數影響. 中國土壤與肥料, 2019(2): 6-13.

ZHANG B W, YANG Y M, ZHANG X L, LI J L, CHEN X Y, LI Z X. Effects of continuous deep loosening on soil physical characteristics, organic carbon content and carbon pool index in black soil., 2019(2): 6-13. (in Chinese)

[13] 蔡太義, 黃耀威, 黃會娟, 賈志寬, 李立科, 楊寶平, 韓思明. 不同年限免耕秸稈覆蓋對土壤活性有機碳和碳庫管理指數的影響. 生態學雜志, 2011, 30(9): 1962-1968.

CAI T Y, HUANG Y W, HUANG H J, JIA Z K, LI L K, YANG B P, HAN S M.Soil labile organic carbon and carbon pool management index as affected by different years no-tilling with straw mulching., 2011, 30(9): 1962-1968. (in Chinese)

[14] 田慎重, 王瑜, 張玉鳳, 邊文范, 董亮, 羅加法, 郭洪海. 旋耕轉深松和秸稈還田增加農田土壤團聚體碳庫. 農業工程學報, 2017, 33(24): 133-140.

TIAN S Z, WANG Y, ZHANG Y F, BIAN W F, DONG L, LUO J F, GUO H H. Residue returning with subsoiling replacing rotary tillage improving aggregate and associated carbon., 2017, 33(24): 133-140. (in Chinese)

[15] 田慎重, 郭洪海, 董曉霞, 董亮, 鄭東峰, 孫澤強, 王學君, 劉盛林. 耕作方式轉變和秸稈還田對土壤活性有機碳的影響. 農業工程學報, 2016, 32(S2): 39-45.

TIAN S Z, GUO H H, DONG X X, DONG L, ZHENG D F, SUN Z Q, WANG X J, LIU S L. Effect of tillage method change and straw return on soil labile organic carbon., 2016, 32(S2): 39-45. (in Chinese)

[16] 張霞, 杜昊輝, 王旭東, 李軍. 不同耕作措施對渭北旱塬土壤碳庫管理指數及其構成的影響. 自然資源學報, 2018, 33(12): 2223-2237.

ZHANG X, DU H H, WANG X D, LI J. Effects of different tillage methods on soil organic carbon pool management index and its composition in Weibei Highland., 2018, 33(12): 2223-2237. (in Chinese)

[17] 程科, 李軍, 毛紅玲. 不同輪耕模式對黃土高原旱作麥田土壤物理性狀的影響.中國農業科學, 2013, 46(18): 3800-3808.

CHENG K, LI J, MAO H L.Effects of different rotational tillage patterns on soil physical properties in rainfed wheat fields of the Loess Plateau., 2013, 46(18): 3800-3808. (in Chinese)

[18] 侯賢清, 李榮, 賈志寬, 韓清芳. 不同農作區土壤輪耕模式與生態效應研究進展. 生態學報, 2016, 36(5):1215-1223.

HOU X Q, LI R, JIA Z K, HAN Q F.Research progress on ecological effects under the rotational tillage patterns in agricultural regions of China., 2016, 36(5): 1215-1223. (in Chinese)

[19] 孔凡磊, 張海林, 孫國峰, 黃光輝, 陳阜. 輪耕措施對小麥玉米兩熟制農田土壤碳庫特性的影響. 水土保持學報, 2010, 24(2): 150-154, 183.

KONG F L, ZHANG H L, SUN G F, HUANG G H, CHEN F. Rotational tillage effects on characteristics of soil carbon pool for the wheat-corn system., 2010, 24(2):150-154, 183. (in Chinese)

[20] 王麗, 李軍, 李娟, 柏煒霞. 輪耕與施肥對渭北旱作玉米田土壤團聚體和有機碳含量的影響. 應用生態學報, 2014, 25(3): 759-768.

WANG L, LI J, LI J, BAI W X. Effects of tillage rotation and fertilization on soil aggregates and organic carbon content in corn field in Weibei Highland., 2014, 25(3): 759-768. (in Chinese)

[21] 陳寧寧, 李軍, 呂薇, 王淑蘭. 不同輪耕方式對渭北旱塬麥玉輪作田土壤物理性狀與產量的影響. 中國生態農業學報, 2015, 23(9): 1102-1111.

CHEN N N, LI J, Lü W, WANG S L.Effects of different rotational tillage patterns on soil physical properties and yield of winter wheat-spring maize rotation field in Weibei highland., 2015, 23(9): 1102-1111. (in Chinese)

[22] 陳源泉, 隋鵬, 嚴玲玲, 龍攀, 李柘錦, 王彬彬. 有機物料還田對華北小麥玉米兩熟農田土壤有機碳及其組分的影響. 農業工程學報, 2016, 32(S2): 94-102.

CHEN Y Q, SUI P, YAN L L, LONG P, LI Z J, WANG B B.Effects of different organic wastes incorporation on soil organic carbon and its fraction under wheat-maize cropping system in North China Plain., 2016, 32(S2): 94-102. (in Chinese)

[23] 李瑋, 鄭子成, 李廷軒, 王永東. 退耕植茶對川西低山丘陵區土壤有機碳庫的影響. 中國農業科學, 2014, 47(8): 1642-1651.

LI W, ZHENG Z C, LI T X, WANG Y D.Effects of returning farmland to tea on soil organic carbon pool of hilly region in the western Sichuan., 2014, 47(8): 1642-1651. (in Chinese)

[24] Wang H, Wang S L, Zhang Y J, Wang x l, wang r, li jTillage system change affects soil organic carbon storage and benefits land restoration on loess soil in North China., 2018, 29: 2880-2887.

[25] 李玉潔, 王慧, 趙建寧, 皇甫超河, 楊殿林. 耕作方式對農田土壤理化因子和生物學特性的影響. 應用生態學報, 2015, 26(3): 939-948.

LI Y J, WANG H, ZHAO J N, HUANGFU C H, YANG D L.Effects of tillage methods on soil physicochemical properties and biological characteristics in farmland: A review., 2015, 26(3): 939-948. (in Chinese)

[26] 李愛宗, 張仁陟, 王晶. 耕作方式對黃綿土水穩定性團聚體形成的影響. 土壤通報, 2008(3): 480-484.

LI A Z, ZHANG R Z, WANG J.Effect of tillage methods on the formation of water-stable aggregates in loess soil., 2008(3): 480-484. (in Chinese)

[27] 黃炳林, 王孟雪, 金喜軍, 胡國華, 張玉先. 不同耕作處理對土壤微生物、酶活性及養分的影響. 作物雜志, 2019(6): 104-113.

HUANG B L, WANG M X, JIN X J, HU G H, ZHANG Y X. Effect of different tillage treatment on soil microorganisms, enzyme activities and nutrients.,2019(6): 104-113. (in Chinese)

[28] 張藝, 尹力初, 戴齊. 后續施肥措施改變對紅壤性水稻土團聚體有機碳組分的影響. 水土保持學報, 2016, 30(6): 278-283, 324.

ZHANG Y, YIN L C, DAI Q. Effect of following-up reforming on the fractions of aggregate-associated organic carbon in red paddy soils., 2016, 30(6): 278-283, 324. (in Chinese)

[29] 李昊昱, 孟兆良, 龐黨偉, 陳金, 侯永坤, 崔海興, 金敏, 王振林, 李勇. 周年秸稈還田對農田土壤固碳及冬小麥-夏玉米產量的影響. 作物學報, 2019, 45(6): 893-903.

LI H Y, MENG Z L, PANG D W, CHEN J, HOU Y K, CUI H X, JIN M, WANG Z L, LI Y.Effect of annual straw return model on soil carbon sequestration and crop yields in winter wheat-summer maize rotation farmland., 2019, 45(6): 893-903. (in Chinese)

[30] 梁偉, 崔德杰, 柳新偉, 蔣帥, 郭曉冬. 一年兩作栽培模式下保護性耕作對土壤團聚體及微生物的影響. 山東農業科學, 2019, 51(1): 98-103, 127.

LIANG W, CUI D J, LIU X W, JIANG S, GUO X D. Effect of conservation tillage on soil aggregates and microorganism under double cropping cultivation mode., 2019, 51(1): 98-103, 127. (in Chinese)

[31] 金鑫鑫, 汪景寬, 孫良杰, 王帥, 裴久渤, 安婷婷, 丁凡, 高曉丹, 徐英德. 穩定13C同位素示蹤技術在農田土壤碳循環和團聚體固碳研究中的應用進展. 土壤, 2017, 49(2): 217-224.

JIN X X, WANG J K, SUN L J, WANG S, PEI J B, AN T T, DING F, GAO X D, XU Y D.Progress of carbon cycle in farmland and sequestration in soil aggregates revealed by stable13C isotope., 2017, 49(2): 217-224. (in Chinese)

[32] 傅敏, 郝敏敏, 胡恒宇, 丁文超, 翟明振, 張海依. 土壤有機碳和微生物群落結構對多年不同耕作方式與秸稈還田的響應. 應用生態學報, 2019, 30(9): 3183-3194.

FU M, HAO M M, HU H Y, DING W C, ZHAI M Z, ZHANG H Y. Responses of soil organic carbon and microbial community structure to different tillage patterns and straw returning for multiple years., 2019, 30(9): 3183-3194. (in Chinese)

Effects of Subsoiling and No-Tillage Frequencies on Soil Aggregates and Carbon Pools in the Loess Plateau

ZHANG Qi, WANG ShuLan, WANG Hao, LIU PengZhao, WANG XuMin, ZHANG YuanHong, LI HaoYu, WANG Rui, WANG XiaoLi, LI Jun

(College of Agronomy, Northwest A&F University/Key Laboratory of Crop Physi-ecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shannxi)

【】This study was aimed to clarify the effects of reducing the frequencies of subsoiling on the soil structures and soil carbon pool in spring maize fields on the Loess Plateau. 【】A long-term positioning experiment of conservation tillage with different frequencies of subsoiling and no-tillage was carried out in spring maize fields on Weibei dryland from 2007 to 2019, with continuous subsoiling (S) as the contrast, which set up combination tillage modes of no-tillage and subsoiling to reduce the frequency of subsoiling: subsoiling once two years (NS) and subsoiling once three years (NNS). The effects of reducing the frequency of subsoiling on soil aggregates, carbon preservation capacity of soil aggregates, soil carbon pool composition and carbon pool management index under different tillage treatments were observed after 12 year continuous experiment. 【】(1) Decreasing the frequency of subsoiling improved the content of macroaggregates (R0.25), the content of 0-40 cm soil layer mechanical-stability aggregates (DR0.25) increased by 3.8% and water-stable aggregates (WR0.25) increased by 38.9% under NNS treatment, respectively. NS treatment increased the WR0.25by 41.8%. Meanwhile, NNS decreased the destruction rate (PAD) and unstable aggregate index (ELT) of aggregates, with the mean weight diameter (MWD) and geometrical mean diameter (GMD) significantly increased by 13.3% and 16.6%. (2) The total carbon preservation capacity (TOPC) of the aggregates under NNS and NS was significantly increased. The average carbon sequestration capacity of aggregates in 0-40 cm soil layer under NNS was increased by 10.8%, whereas it was decreased in 20-30 cm soil layer. The carbon preservation ability of aggregates in different sizes indicated that the carbon preservation ability of aggregates with particle size of <0.25 mm was stronger. (3) NNS treatment had no significant effect on the total organic carbon (TOC) content in 0-40 cm soil layer, but increased the TOC content in the 10-20 cm soil layer, reduced stratification effect of surface soil organic carbon, and decreased the TOC content in 30-40 cm soil layer and caused the effect of organic carbon layering in deep soil. (4) The content of active organic carbon (EOC) in the 0-40 cm soil layer under NNS treatment obviously increased by 24.9%. Furthermore, the increase of EOC content lead to higher EOC/TOC ratio, carbon pool activity (A) and carbon pool activity index (AI), with the carbon pool management index (CPIM) increased by 39.8% compared to S. 【】Long-term continuous subsoiling was not conducive to the formation of soil aggregates and the cycle of soil carbon pools. While subsoiling once three years tillage mode helped to reduce the degree of damage about soil aggregates, improve the carbon pool management index and adjust the renewal and cycling of soil carbon pool, which was a suitable tillage model for the region.

Loess plateau; spring maize; subsoiling frequency; soil aggregates; soil carbon pool

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.008

2019-12-23；

2020-02-19

國家自然科學基金（31671641，31571620）、國家科技支撐計劃（2015BAD22B02）

張琦，E-mail：17835424993@163.com。通信作者王小利，E-mail：nwwanxl@nwsuaf.edu.cn。通信作者李軍，E-mail：junli@nwsuaf.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）