免耕和秸秆还田对东北黑土区土壤团聚体组成及有机碳含量的影响

闫 雷，董天浩，喇乐鹏，刘鸣一，孙小贺，孟庆尧，张钰莹，张乃文，孟庆峰

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

0 引 言

东北黑土区是世界四大黑土区之一[1]，也是中国重要的农业生产区，为全国提供了三分之一以上的玉米产量和大约一半的大豆产量[2]。随着人们对耕地的不合理开发利用，黑土区土壤结构遭到不同程度的破坏，土壤中有机碳含量下降，造成作物产量降低，对中国粮食安全造成威胁[3]。在该地区探索合理有效的耕作措施，提高土壤结构质量及有机碳含量，对中国粮食安全生产战略具有重要意义。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，对土壤各种性质有着重要影响。土壤有机碳是土壤养分循环及肥力供应的核心物质，对土壤持水性能和作物营养的生物有效性有很大影响。土壤团聚体和土壤有机碳相互影响并制约[4]。团聚体是有机碳固定的重要场所，前者通过影响团聚体内外氧气和水分的流通情况来降低微生物对有机碳的矿化分解[5]；有机碳作为带电胶体，可吸附周围矿质颗粒形成团聚体，对土壤团聚体的形成具有重要促进作用，增强土壤物理结构的稳定性[6-7]。

保护性耕作作为一种新型耕作方式广泛应用于世界各地。与常规耕作相比，免耕措施使土壤团聚体受到较少干扰，从而促进大团聚体对有机碳的保护作用[8-10]。此外，秸秆还田也是增加土壤水稳性和土壤有机碳含量的重要手段[11]。有研究表明，在黑土区实施保护性耕作能减少土壤的水蚀、风蚀作用，促进土壤稳定结构体的形成，有利于提高土壤肥力，可有效缓解黑土“瘦、薄、旱、硬”的问题，是遏制黑土退化的有效途径[12-13]。

目前，国内外对东北黑土区保护性耕作模式下不同深度土壤水稳性团聚体粒径分布、团聚体有机碳含量及贡献率的研究相对较少。因此，本研究针对东北黑土区因不合理耕作导致的土壤结构性状变差及有机碳含量下降的问题，在当地开展长期定位试验。通过对比分析不同耕作措施下各土层土壤水稳性团聚体粒径分布及团聚体中有机碳含量，探讨保护性耕作对土壤理化性质的影响，为东北黑土的可持续利用和在当地推广保护性耕作提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验研究区位于黑龙江省哈尔滨市东北农业大学向阳试验站（125°42'E，44°04'N，平均海拔 184 m），该地气候属中温带大陆性季风气候，光热资源丰富，年平均日照2 500 h，平均气温3.9 ℃，无霜期135 d，为典型雨养农业区，试验地年均降水量数据来自黑龙江省气象局（见表1）。土壤类型为典型黑土，土壤质地为粉壤土（砂粒、粉粒、黏粒质量分数为5.3%、68.5%、28.9%）。

表1 哈尔滨市年均降水量Table 1 Annual average precipitation in Harbin mm

1.2 试验设计

试验于2015年开始实施，种植制度为玉米连作（品种为合众11号），在每年5月初进行播种，株距30 cm，行距65 cm，当年9月末进行收获。试验采用随机区组设计，设置4个处理，如表2所示。

表2 试验处理方式Table 2 Detail of treatments of experiment

每个处理进行 3次重复，单个小区面积为 104 m2（20 m×5.2 m），每小区相隔1 m，播种时施入稳定性复合肥（N∶P2O5∶K2O=27∶10∶13) 480 kg/hm2为底肥。其他按照当地农民常规大田生产和管理模式来进行。

1.3 样品采集与测定

于2018、2019年玉米收获前采集土壤样本。每个试验小区采用“S”形布点法随机取多个点混合，采集0～10、＞10～20 cm处原状土样，样品剔除植物根系和小石块，置于阴凉通风处自然风干，一部分用于水稳性团聚体测定，另一部分过筛备用。在采集土样时对各处理每个小区随机采集15株玉米，对产量进行测定。

土壤水稳性团聚体含量的测定采用湿筛法[14]，具体步骤：称取50 g风干土样置于团聚体分析仪套筛顶部（套筛孔径为5、2、1、0.5、0.25 mm），浸泡、润湿后上下振动 5 min，收集各级筛层团聚体分别转移至铝盒中，60 ℃烘干至恒质量，称量烘干后各粒径团聚体质量，每个样品 3次重复。对烘干后的各粒径团聚体研磨过0.15 mm筛以测定团聚体内有机碳含量，土壤及各粒径团聚体有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[15]，每个样品3次重复。

1.4 数据计算与分析

采用式（1）[16]计算各粒级水稳性团聚体含量Wi：

式中Mi为筛后对应第i级团聚体的质量，g；M为测定团聚体总质量，g。

计算各粒径团聚体含量后，采用式（2）[17]计算各土样平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）：

式中Xi为聚集在每个尺寸筛子的土壤团聚体平均直径，mm；Wi为该粒径范围内土壤团聚体百分含量，%；n为分离出的团聚体份数；i为第i个团聚体。

采用式（3）[18]计算各粒径团聚体有机碳贡献率Y：

式中Ci为该级团聚体中有机碳含量，g/kg；CW为土壤中有机碳含量，g/kg；Wi为该级团聚体含量，%。

试验数据采用 Microsoft Office Excel 2007 进行整理；使用SPSS 24.0作单因素方差分析，采用Duncan 法对各项测定数据进行多重比较，采用线性回归法对 2018和2019年0～10 、＞10～20 cm土层土壤有机碳含量与土壤团聚体MWD值进行线性相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施下土壤团聚体粒径分布

如表3所示，2018和2019年0～10 cm土层，NTS处理＞5 mm水稳性团聚体百分比含量显著高于其他3种处理（P＜0.05），2018年0～10 cm土层4种处理＞5 mm水稳性团聚体百分比含量从大到小顺序为NTS、NT、CTS和CT，NTS、NT和CTS处理分别比CT高226.76%、106.86%、46.15%；2019年0～10 cm土层NTS及NT处理＞5 mm水稳性团聚体百分比含量分别比 CT高159.04%、87.65%。NTS处理在2018和2019年＞10～20 cm土层＞5 mm水稳性团聚体百分比含量显著高于其他3种处理（P＜0.05），CTS与CT处理差异不显著。与2018年相比，2019年NTS及NT处理＞5 mm水稳性团聚体百分比含量有不同程度的提高。2018年 0～10、＞10～20 cm土层CT处理＜0.25 mm水稳性团聚体百分比含量显著高于其他3 种处理（P＜0.05），NTS及NT处理差异不显著；2019年0～10 cm土层4种处理＜0.25 mm水稳性团聚体百分比含量从大到小顺序为CT、CTS、NT和NTS，＞10～20 cm土层NT处理＜0.25 mm水稳性团聚体百分比含量显著高于NTS（P＜0.05），CT处理与CTS差异不显著。与翻耕相比，免耕与秸秆还田配施可显著提高＞5 mm水稳性团聚体百分比含量并显著降低＜0.25 mm水稳性团聚体百分比含量，土壤大团聚体含量增加，使土壤结构更为稳定。

表3 不同耕作措施下土壤团聚体粒径分布Table 3 Distribution of soil aggregates under different tillages %

2.2 耕作措施对土壤MWD值的影响

如图1所示为4种处理对土壤MWD值的影响。2018年0～10 cm土层MWD值从大到小为NTS、NT、CTS和 CT，2019年 0～10 cm土层 NTS处理显著高于 NT（P＜0.05），CTS处理与 CT处理差异不显著；2018和2019年＞10～20 cm土层MWD值从大到小顺序为NTS、NT、CT和CTS，处理间差异显著（P＜0.05）。2018年0～10 cm 土层NTS处理MWD值比NT处理高27.45%，2019年0～10 cm 土层NTS处理MWD值比NT处理高23.03%。NTS及NT处理MWD值在2018和2019年均随土层深度增加而增加，CTS处理MWD值随土层深度增加而减小，CT处理在2018年随深度增加而增加，在2019年呈减小趋势。2018年 MWD值范围为 0.81～2.09 mm，2019年MWD值范围为0.92～2.55 mm，2019年较2018年整体有所提高。2019年4种处理下0～10 cm处MWD值分别较2018年增加40.74%、11.93%、16.34%、12.31%。

2.3 耕作措施对各粒径团聚体有机碳的影响

如表4所示，不同耕作措施对不同深度土壤湿筛团聚体内有机碳含量影响存在较大差异，2018和2019年团聚体内有机碳含量总体随土层深度增加而降低。2018年0～10 cm土层中，CTS处理1～2 mm水稳性团聚体有机碳含量显著高于CT（P＜0.05），其他5个粒径团聚体有机碳含量与CT处理差异不显著；NTS处理2～5、1～2、0.5～1、＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳含量显著高于NT处理（P＜0.05）。2019 年 0～10 cm 土层中，0.5～1、0.25～0.5 mm水稳性团聚体有机碳含量从大到小为NTS、NT、CT和CTS，各处理间差异显著（P＜0.05），CTS处理其他 4个粒径团聚体有机碳含量与 CT处理差异不显著；NTS处理＞5、1～2 mm水稳性团聚体有机碳含量显著高于 NT（P＜0.05），2～5、＜0.25 mm 水稳性团聚体有机碳含量与NT处理差异不显著。2018和2019年0～10、＞10～20 cm土层4种处理各粒径水稳性团聚体有机碳含量峰值大部分出现在1～2 mm处，＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳含量总是最低。

图1 不同耕作措施下土壤平均重量直径（MWD）Fig.1 Mean Weight Diameter（MWD） of soil under different tillages

表4 各粒径团聚体中有机碳含量Table 4 Organic carbon content in different aggregates (g·kg-1)

2.4 耕作措施对土壤有机碳含量的影响

2018年和2019年结果表明，除2019年CTS处理外，其他处理下土壤有机碳含量随土壤深度增加而降低（图2）。2018年0～10 、＞10～20 cm土层NTS及NT处理土壤有机碳含量显著高于CTS及CT处理（P＜0.05），NTS与NT、CTS与CT处理差异不显著，NTS处理在0～10、＞10～20 cm土层比CT处理高26.33%、32.49%。2019年0～10 cm土层，CT处理土壤有机碳与CTS差异不显著，NTS处理比 NT处理高 6.10%，两者差异显著（P＜0.05），NTS及NT处理土壤有机碳含量分别较CT增加了27.67%、20.34%；2019年＞10～20 cm土层NTS土壤有机碳含量与NT处理差异不显著，CTS处理显著高于CT（P＜0.05）。免耕耕作下土壤有机碳含量总体高于翻耕耕作，免耕耕作下施加秸秆效果最佳，这与前人研究结果类似[19-20]。与2018年相比，2019年各处理有机碳含量总体上有不同程度的提高，其中 CTS处理在＞10～20 cm土层增长幅度最大，达到14.85%。

2.5 土壤有机碳含量与MWD值相关性

如图3所示，土壤有机碳含量与水稳性团聚体MWD值呈线性正相关关系，R2= 0.62，达极显著（P＜0.01）。表明二者之间存在相互促进作用，土壤有机碳含量增加有利于土壤水稳性团聚体 MWD值增加，土壤有机碳含量与 MWD值回归关系表明，在本试验条件下，土壤有机碳含量每增加1 g/kg，土壤水稳性团聚体MWD值可增加0.35 mm。

图2 不同耕作措施土壤有机碳含量Fig.2 Organic carbon content of soil under different tillages

2.6 不同耕作措施下各粒径团聚体有机碳贡献率

表5为不同耕作措施对各粒径团聚体有机碳贡献率的影响，由表可知，各处理间有机碳贡献率存在较大差异。2018年0～10 cm土层＞5、2～5 mm水稳性团聚体有机碳贡献率从大到小为 NTS、NT、CTS和 CT，各处理间差异显著（P＜0.05）；＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳贡献率从大到小为 CT、CTS、NTS，NT与NTS处理差异不显著。2018年＞10～20 cm土层＞5 mm水稳性团聚体有机碳贡献率从大到小为NT、CT、CTS，各处理间差异显著（P＜0.05）；＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳贡献率从大到小为CT、NTS、NT，各处理间差异显著（P＜0.05），CT与CTS处理差异不显著。2019年0～10、＞10～20 cm土层＞5 mm水稳性团聚体有机碳贡献率从大到小为 NTS、NT、CTS，各处理间差异显著（P＜0.05），CTS 及 CT 处理差异不显著；＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳贡献率从大到小为CT、CTS、NT和NTS，各处理间差异显著（P＜0.05）。2018和2019年 0～10、＞10～20 cm 土层 NTS 及 NT 处理＞5、2～5、1～2 mm水稳性团聚体有机碳贡献率整体高于CTS及CT处理，＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳贡献率整体小于CTS及CT处理。比较同一土样间不同粒径团聚体有机碳贡献率大小，＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳贡献率总是最大。

图3 土壤有机碳含量与MWD值相关性Fig.3 Correlation between soil organic carbon content and MWD

表5 各粒径团聚体有机碳贡献率Table 5 Contribution rate of organic carbon in different aggregates (%)

2.7 不同耕作措施下玉米产量

如表6所示，2018年4种处理玉米产量差异不显著，产量范围在12 793.86～13 585.85 kg/hm2之间；2019年4种处理玉米产量同样差异不显著，产量范围在6 760.83～7 531.82 kg/hm2之间。2019年4种处理玉米产量较2018年均有明显降低，CT、CTS、NT、NTS处理产量分别下降了44.56%、44.08%、49.94%、43.18%。

表6 不同耕作措施玉米产量Table 6 Maize yield under different tillages （kg·hm-2）

3 讨 论

土壤团聚体是土壤的重要结构单元，其稳定性是衡量团聚体抵抗外力作用而保持原有形态能力的重要指标，稳定性评价指标一般用MWD值表示[21-22]。2018和2019年免耕耕作下土壤＞5 mm水稳性团聚体百分比含量总体显著高于翻耕耕作，＜0.25 mm水稳性团聚体百分比含量总体显著低于翻耕耕作。这是由于免耕耕作仅对表层土壤部分土面有一定扰动，对土壤的结构改变很小，有效减少对土壤大团聚体结构的破坏。2018和2019年免耕耕作下土壤 MWD值显著高于翻耕耕作，这与薛斌等研究结果一致[23]，土壤中大团聚体百分比含量越高，MWD值越大[24]。2018年0～10 cm土层NTS及CTS处理＞5 mm水稳性团聚体百分比含量总体显著高于各自对照组，秸秆分解时产生的土壤腐殖物质使表层土壤颗粒周围的有机结合物增加，有利于形成大团聚体[25]。分析年际间土壤MWD值变化，2019年4种处理下0～10 cm处土壤MWD值分别较2018年增加40.74%、11.93%、16.34%、12.31%，CT处理土壤MWD值在年际间变化远高于其他 3种处理，这可能是由于免耕及秸秆还田使其他 3种处理的表层土壤对农机耕作时造成的耕作侵蚀有较强抵抗作用，年际间波动更稳定，CT处理则更易收到耕作侵蚀影响。

土壤有机碳在土壤养分循环过程中起核心作用[26]，对指导农业生产活动有重要意义。结果显示，2018和2019年0～10、＞10～20 cm NTS及NT处理土壤有机碳含量显著高于CTS及CT处理，相对于翻耕耕作，免耕耕作降低了对土壤的扰动，降低土壤有机碳消耗速度，使有机碳含量提高。2019年NTS处理土壤有机碳含量在0～10 cm土层比NT处理高6.10%，两者差异显著；在＞10～20 cm土层两者差异不显著，这与胡宁等[27]研究结果相近。由于免耕秸秆覆盖，对土壤的扰动降到最低，显著增加表层大团聚体含量，进而明显提高了土壤表层有机碳储量，深层土壤有机碳含量变化较小，使NTS处理发生明显的有机碳分层、表聚现象。分析年际间土壤有机碳变化，2019年各处理有机碳含量总体比2018年有不同程度的提高，其中 CTS处理在＞10～20 cm土层增长了14.85%，表现出了秸秆在深层还田对土壤有机碳含量的时间累积效应。本研究发现，土壤有机碳含量与 MWD值呈显著线性正相关，这与Jiang等[28]研究结果一致，有机碳作为带电胶体，在团聚体形成过程中起到重要作用。

为深入了解保护性耕作下土壤有机碳的贮存规律，要对不同粒径团聚体有机碳含量进行研究。Six等[29]研究认为，有机碳含量随团聚体粒径的增大而增大。但也有一些研究表明[18,30]，并非土壤团聚体粒径越大越有利于土壤有机碳固存。本研究结果显示，团聚体有机碳含量总体在1～2 mm粒径中达到最大，团聚体有机碳峰值位置与粒径划分大小有关。土壤团聚体有机碳贡献率由该团聚体百分比含量及该团聚体有机碳含量共同决定。本研究发现，与CT处理相比，NTS处理显著提高了＞5 mm水稳性团聚体有机碳贡献率，显著降低了＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳贡献率，NTS处理主要通过提高＞5 mm水稳性团聚体百分比含量来提高该粒径团聚体对有机碳的贡献率。

2019年4 种处理玉米产量较2018年大幅下降，由表1可知，2019年6、7月降水量较异常，远低于2018年6、7月降水量。对于北方玉米种植来说，6-7月的降水对玉米产量影响显著，此时玉米需水量在整个生育期中最高，降水多有利于玉米产量的提高[31]。2018和2019年的试验结果均显示，连续耕作4 a后，保护性耕作与传统耕作产量差异不显著。

综上，在东北黑土区进行免耕配施秸秆还田的保护性耕作可提高土壤团聚体稳定性，有利于各粒级下团聚体有机碳的积累，是实现该地区土壤可持续发展的有效途径。随着试验年限的增加，保护性耕作对土壤结构及有机碳含量将呈正面的时间累积效应，在长期年限内总体表现为增长趋势直至稳定，而对玉米产量的影响还有待在更长的年限中进行研究。

4 结 论

1）免耕耕作和秸秆还田措施可显著增加土壤中＞5 mm 水稳性团聚体百分比含量和土壤平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD），免耕+秸秆还田（NTS）及免耕（NT）处理MWD值随土层深度增加而增加；免耕耕作和秸秆还田措施使表层土壤及各粒级团聚体中有机碳含量有所提高，其中以NTS处理效果最佳。

2）土壤团聚体与土壤有机碳两者关系密切，相关性分析可知土壤 MWD值与土壤有机碳含量呈显著线性正相关。

3）NTS及NT处理下＞5 mm水稳性团聚体有机碳贡献率高于翻耕+秸秆还田（CTS）及翻耕（CT）处理，＜0.25 mm水稳性团聚体有机碳贡献率低于CTS及CT处理；NTS及NT处理下有机碳贡献率以＞5、＜0.25 mm水稳性团聚体为主，CTS及CT处理下以＜0.25 mm水稳性团聚体最高。

4）2019年4 种处理玉米产量较2018年大幅下降，2018和2019年保护性耕作与传统耕作产量差异不显著。