年内轮耕对小麦—玉米两熟农田土壤水稳性团聚体碳、氮分布的影响

聂良鹏+李增嘉+宁堂原郭利伟+冯宇鹏+李娜+丁娜

摘要：在华北平原小麦—玉米两熟区，设置6种年内轮耕模式，即小麦季免耕玉米季免耕（WZ-MZ）、小麦季免耕玉米季深松（WZ-MS）、小麦季深松玉米季免耕（WS-MZ）、小麦季深松玉米季深松（WS-MS）、小麦季翻耕玉米季免耕（WC-MZ）、小麦季翻耕玉米季深松（WC-MS），探讨年内轮耕模式对土壤水稳性团聚体碳、氮分布的影响。结果表明，MS的年内轮耕模式比MZ有利于0～40 cm土层微团聚体聚成更大粒级的团聚体和保护大团聚体免受破坏；无论玉米季免耕还是深松条件下，与WZ、WC相比，WS能提高10～40 cm土层>0.25 mm粒级的大团聚体含量；WZ和WS比WC能显著提高土壤表层有机碳及全氮，使更多的碳、氮在土壤表层聚集；MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm 土层团聚体中有机碳及全氮含量；WZ能显著提高土壤0～10 cm土壤团聚体中C/N；无论小麦季采用哪种耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm土层团聚体中C/N。

关键词：年内轮耕；小麦-玉米两熟；土壤水稳性团聚体；碳、氮分布

中图分类号：S158.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）09-0063-06

团聚体是维持土壤质量的物质基础，对土壤的理化性质有着重要影响[1]。土壤有机碳是评价土壤质量的一个重要因子，它影响着土壤的结构和团聚[2]。土壤有机质是团聚体分级的主要胶结剂，水稳性团聚体的形成，必须有赖于土壤中的有机质[3，4]，它的积累与分解是维持与提高耕地质量、促进农业可持续发展的一项重要任务[5]。土壤有机氮的矿化过程是农田生态系统中氮素循环的核心，影响矿化过程的各种人为和自然因素都直接对土壤氮素供给和作物生长产生重要影响[6]。王勇等[7]研究表明，与传统耕作相比，深松、旋耕、免耕措施能提高土壤0～40 cm深度大团聚体含量及有机碳贡献率。刘玮等[6]研究表明垄作免耕显著促进了土壤中氮素矿化作用的进行。Angers等[8]认为耕作方式和强度影响有机碳和氮素的矿化速率及碳、氮在土壤中的积累。前人对不同耕作措施对土壤水稳性团聚体及碳、氮的分布和稳定性做了较多研究[9～11]。而关于小麦—玉米两熟区年内采用不同耕作方式组合的轮耕模式对土壤团聚体碳、氮分布的研究较少。随着保护性耕作技术在华北平原的应用，多年少、免耕后，出现了土壤变硬、容重增大、孔隙变小等土壤质量下降的问题[12]。适宜的轮耕模式能改善土壤质量[13]。因此，在华北平原小麦—玉米两熟区开展年内轮耕模式试验研究，分析年内轮耕对土壤团聚体碳、氮分布的影响，为该地区选取适宜的年内轮耕模式和提高土壤质量提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2010～2012年在山东省滕州市西岗镇半阁村（34°95′N， 117°04′E）进行。研究区为华北平原典型的小麦—玉米一年两熟区，属暖温带季风气候，四季分明，年均日照时数2 383.0 h，年平均气温13.6℃，年平均降水量 773.1 mm，且主要集中在7～9月。供试土壤为砂姜黑土，质地粘壤，地下水在5 m以下。试验前 0～20 cm土壤 pH值6.77，容重1.36 g/cm3，有机质25.08 mg/g，全氮1.48 mg/g，速效磷50.16 mg/kg，速效钾192.33 mg/kg；20～40 cm 土壤 pH值7.48，容重1.45 g/cm3，有机质16.87 mg/g，全氮0.96 mg/g，速效磷4.11 mg/kg，速效钾155.67 mg/kg。

1.2试验设计

试验采用裂区设计，主区为小麦季耕作，分为小麦季免耕（WZ）、小麦季深松（WS）、小麦季翻耕（WC）。副区为玉米季耕作，分为玉米季深松（MS）和玉米季免耕（MZ）两种。两因素相互组合共6个年内轮耕处理（表1）。试验采用冬小麦—夏玉米轮作体系，各处理统一田间管理，小麦季基施氮磷钾三元复混肥（18-15-12）750 kg/hm2，后期不追肥，玉米季基施氮磷钾（30-5-5）配方肥 300 kg/hm2，大喇叭口期追施尿素 600 kg/hm2。小区面积 15 m×50 m=750 m2，重复3次。小麦玉米秸秆等量还田，小麦还田量 8 974 kg/hm2，玉米还田量9 968 kg/hm2。深松采用间隔深松，间隔60 cm，深松取样地点为深松作业处，其他耕作处理为随机取样，重复5次。

1.3测定项目及方法

于2012年6月7日小麦收获后在田间用直径10 cm环刀（避免外力挤压，以保持原来的结构状态）按“S”形分布5点分层采集有代表性的原状耕层土壤，取样深度分别为0～10、10～20、20～40 cm。运回室内后（运输时避免震动和翻倒），沿土壤的自然结构轻轻地剥开，将原状土剥成小土块，同时防止外力的作用而变形，过7 mm筛，并剔去根茬和石块。土样平摊在透气通风处，自然风干。

小麦季免耕玉米季免耕

（WZ-MZ）前茬玉米秸秆全部粉碎还田，2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业前茬小麦秸秆全部粉碎还田，2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业

小麦季免耕玉米季深松

（WZ-MS）前茬玉米秸秆全部粉碎还田，2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业前茬小麦秸秆全部粉碎还田，ZS-180型震动深松机深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业

小麦季深松玉米季免耕

（WS-MZ）前茬玉米秸秆全部粉碎还田，ZS-180型震动深松机深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业前茬小麦季秸秆全部粉碎还田，2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业endprint

小麦季深松玉米季深松

（WS-MS）前茬玉米秸秆全部粉碎还田，ZS-180型震动深松机深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施底基肥、播种作业前茬小麦秸秆全部粉碎还田，ZS-180型震动深松机深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业

小麦季翻耕玉米季免耕

（WC-MZ）前茬玉米秸秆全部粉碎还田，铧式犁翻耕1遍（深度15-18 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业前茬小麦季秸秆全部粉碎还田，2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业

小麦季翻耕玉米季深松

（WC-MS）前茬玉米秸秆全部粉碎还田，铧式犁翻耕1遍（深度15～18 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业前茬小麦秸秆全部粉碎还田，ZS-180型震动深松机深松1遍（深度35～40 cm），2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕（深度6 cm）、施基肥、播种作业

土壤水稳定性团聚体含量采用湿筛法[14]。将25 g风干土样放入水稳性团聚体分析仪的套筛（5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm）顶层，浸润10 min，开启团聚体分析仪，使之达到 20次/min（上下筛动时套筛不能露出水面），定时2 min。筛好后，将套筛拆开，留在筛子上的各级团聚体用细水流通过漏斗分别洗入铝盒，待澄清后倒去上面的清液，烘箱55℃烘干，空气中平衡2 h后称重[15]，计算水稳性团聚体的质量分数[16]，重复3次。土壤团聚体中有机碳、全氮的测定采用常规分析方法[17]。

1.4数据处理

试验数据采用Excel 和DPS 7.05软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1土壤团聚体分布状况

由表2可以看出，不同年内轮耕措施对0～10 cm土层水稳性团聚体分布的影响不同。MZ、MS条件下，小麦季三种耕作方式对5～7 mm粒级水稳性团聚体分布的影响均表现为WZ>WS>WC，差异显著（P<0.05），且小麦季深松和翻耕条件下5～7 mm粒级水稳性团聚体在总团聚体中的分布最少。0～10 cm土层的水稳性团聚体多集中在2～5 mm，且数量显著高于其他粒级水稳性团聚体的分布，各处理之间差异不显著。在1～2 mm粒级，WS-MS水稳性团聚体分布与WS-MZ无显著性差异，均显著高于其他处理。不同年内轮耕措施在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒级水稳性团聚体的分布表现为WC的年内轮耕模式显著高于WS和WZ。在0.05～0.25 mm粒级，玉米季免耕条件下，小麦季三种耕作方式对水稳性团聚体分布无显著差异；玉米季深松条件下，WZ显著高于WS和WC。在玉米季免耕条件下，小麦季三种耕作方式对<0.05 mm粒级水稳性团聚体分布的影响表现为WZ的年内轮耕模式显著高于WS和WC；玉米季深松条件下，WZ对<0.05 mm粒级水稳性团聚体分布显著大于WS。比较玉米季耕作方式对水稳性团聚体数量的影响发现，MS的年内轮耕模式条件下5～7 mm和<0.05 mm水稳性团聚体的数量小于MZ，说明MS有利于0～10 cm土层微团聚体团聚成更大粒级的团聚体和保护大团聚体免受破坏的作用。

由表3可以看出，不同年内轮耕措施对10～20 cm土层水稳性团聚体分布影响不同。无论玉米季采用哪种耕作方式，在5～7 mm和1～2 mm粒级，小麦季三种耕作方式对团聚体数量的影响为WS>WZ>WC；而在2～5 mm、0.05～0.25 mm和<0.05 mm粒级却表现为WC显著高于WS。无论玉米季采用哪种耕作方式，在0.5～1 mm粒级团聚体分布中，小麦季免耕与小麦季深松的年内轮耕模式无显著差异，均显著大于小麦季翻耕的年内轮耕模式。在0.25～0.5 mm粒级水稳性团聚体分布中，玉米季免耕条件下，小麦季三种耕作方式对该粒级团聚体数量的影响为WS>WC>WZ，玉米季深松条件下表现出相同的趋势。无论MZ还是MS的年内轮耕模式下，WS比WZ、WC能降低10～20 cm土层<0.25 mm粒级的微团聚体数量。无论小麦季采用哪种耕作方式，MS比MZ能降低2～7 mm和<0.05 mm水稳性团聚体数量。说明MS有利于10～20 cm土层微团聚体团聚成更大粒级的团聚体并具保护大团聚体免受破坏的作用。

不同年内轮耕措施对20～40 cm土层水稳性团聚体分布影响不同（表4）。20～40 cm土壤水稳性团聚体分布要比0～20 cm更为广泛。WZ处理的年内轮耕模式水稳性团聚体主要集中在2～5 mm粒级，WS为2～5 mm和0.5～1 mm，而WC模式为0.5～1 mm粒级。无论玉米季采用哪种耕作方式，在0.5～1 mm粒级，小麦季三种耕作方式对水稳性团聚体数量的影响表现为WC>WS>WZ；而在<0.05 mm粒级，则表现为WC>WZ>WS。在5～7 mm和1～2 mm粒级，无论玉米季采用哪种耕作方式，WZ处理的年内轮耕模式水稳性团聚体数量比WS和WC多；而在2～5 mm粒级，则表现为WS>WZ>WC，差异显著。无论MZ还是MS的年内轮耕模式下，WS比WZ、WC能降低20～40 cm土层<0.25 mm粒级的微团聚体数量。无论小麦季采用哪种耕作方式，MS比MZ能降低5～7 mm和<0.05 mm水稳性团聚体数量，显著降低1～2 mm水稳性团聚体分布。说明MS有利于20～40 cm土层微团聚体团聚成更大粒级的团聚体和具保护大团聚体免受破坏的作用。

2.2年内轮耕对团聚体有机碳的影响

由表5可以看出，不同年内轮耕措施对0～40 cm土层团聚体中有机碳含量产生了较大影响，使之表现出不同含量的分布趋势。在0～40 cm土层，WZ和WS的年内轮耕模式下，有机碳含量随着土层的加深，含量逐渐降低；WC的年内轮耕模式下，由于WC对0～18 cm土层的翻转作用，0～20 cm土层内有机碳含量并无显著变化，20～40 cm土层内有机碳含量降低。无论玉米季采用哪种耕作方式，小麦季三种耕作方式对0～10 cm土层团聚体中有机碳的影响表现为WZ>WS>WC。在10～20 cm土层，WS和WC年内轮耕模式下有机碳含量显著高于WZ，WS和WC之间无显著差异。在20～40 cm土层，无论玉米季采用哪种耕作方式，小麦季三种耕作方式对20～40 cm土层团聚体中有机碳的影响表现为WS>WC>WZ。无论小麦季采用哪种耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm土层团聚体中有机碳含量，但差异不显著。endprint

2.3年内轮耕对团聚体全氮的影响

由表6可以看出，不同年内轮耕措施对0～40 cm土层团聚体中全氮含量影响不同。在0～10 cm土层，无论玉米季采用哪种耕作方式，WZ和WS的年内轮耕模式比WC能显著提高团聚体中全氮含量，WZ和WS两者之间无显著性差异。在10～20 cm土层，各种年内轮耕模式对团聚体中全氮含量影响无显著差异。在20～40 cm 土层，无论玉米季采用哪种耕作方式，WS和WC的年内轮耕模式比WZ能显著提高团聚体中全氮含量。无论小麦季采用哪种耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm 土层团聚体中全氮含量，但差异不显著。

2.4年内轮耕对土壤团聚体C/N的影响

不同年内轮耕对0～40 cm土层团聚体中C/N影响不同（表7）。在0～10 cm土层，无论玉米季采用哪种耕作方式，小麦季三种耕作方式对C/N的影响表现为WZ>WS>WC，三者之间差异显著。在10～20 cm土层，无论玉米季采用哪种耕作方式，WS和WC的年内轮耕模式比WZ显著提高团聚体中C/N，WS和WC之间无显著差异。在20～40 cm土层，各年内轮耕措施对团聚体中C/N无显著差异。无论小麦季采用哪种耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm土层团聚体中C/N，但差异不显著。

3结论与讨论

本研究结果表明，不同年内轮耕措施处理的水稳性大团聚体在0～40 cm土层表现出不同的分布趋势（表2～表4），这可能是不同耕作方式对土壤的耕作深度、扰动程度等方面的差异，造成水稳定团聚体分布的差异[18]。无论小麦季采用哪种耕作方式，MS的年内轮耕模式比MZ有利于0～40 cm土层微团聚体聚成更大粒级的团聚体和保护大团聚体免受破坏。王勇等[7]研究表明，与传统耕作相比，深松能提高土壤0～40 cm深度大团聚体含量。本研究表明，无论玉米季免耕还是深松条件下，WS比WZ、WC能降低10～40 cm土层<0.25 mm粒级的微团聚体数量，说明与WZ、WC相比，WS能提高10～40 cm土层>0.25 mm粒级的大团聚体含量。

土壤团聚体和不同土层中的有机碳、全氮含量在免耕处理中都显著高于传统耕作，且免耕对土壤碳、氮的分布产生分层现象，使碳、氮主要集中在0～10 cm土层，而传统耕作使土壤碳、氮在0～30 cm均匀分布[19]。本研究表明，年内轮耕能显著影响0～40 cm土层土壤团聚体有机碳、全氮含量及C/N。无论玉米季采用哪种耕作方式，WZ和WS比WC能显著提高土壤表层有机碳及全氮，使更多的碳、氮在土壤表层聚集，但随着土层的加深，有机碳、全氮含量逐渐降低（表5，表6），这可能是由于免耕、深松处理不翻动土壤，秸秆还田后土壤有机质及全氮在表层土壤富集。无论小麦季采用哪种耕作方式，MS比MZ能降低0～10 cm和提高10～40 cm土层团聚体中有机碳、全氮含量及C/N，这可能是由于MS能增加根系等残留物在10～40 cm的分布。前人研究表明，不同耕作措施不仅对土壤有机碳、全氮影响的机理不同，而且不同生态环境条件下所得结论不完全一致[20，21]。结合目前的研究现状，需要进一步研究和阐明不同环境条件下年内轮耕对土壤团聚体的作用及土壤固碳减排增效机制。

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