王 興，祁劍英，井震寰，李 超，張海林

長(zhǎng)期保護(hù)性耕作對(duì)稻田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和碳氮含量的影響

王 興，祁劍英，井震寰，李 超，張海林※

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

為研究雙季稻（）土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及C、N含量對(duì)耕作方式的響應(yīng)，該研究利用已進(jìn)行12 a的包括翻耕+秸稈不還田（CT），翻耕+秸稈還田（CTS），旋耕+秸稈還田（RTS）和免耕+秸稈還田（NTS）的保護(hù)性耕作稻田定位試驗(yàn)，運(yùn)用濕篩等方法測(cè)算了團(tuán)聚體的構(gòu)成與穩(wěn)定性，C、N含量及其對(duì)土壤總C、N的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：長(zhǎng)期秸稈還田顯著增加0～10 cm土層大團(tuán)聚體比重，弱化翻耕、旋耕和免耕等不同耕法對(duì)表層大團(tuán)聚體的差異化影響（>0.05），但5～30 cm土層大團(tuán)聚體隨耕作強(qiáng)度的減弱有所提高?？傮w來(lái)看，稻田土壤團(tuán)聚體以>2 mm粒徑為主（占35.02%～64.44%），其C、N貢獻(xiàn)率分別達(dá)52.12%和52.16%；秸稈還田有利于微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，外源C、N更多被大團(tuán)聚體固持和保護(hù)。NTS在0～20 cm的>2 mm團(tuán)聚體對(duì)土壤C、N的貢獻(xiàn)率顯著大于其他處理；土壤C、N含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05）。相比于CTS與RTS，長(zhǎng)期采取NTS顯著改善土壤C、N含量，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，對(duì)改善稻田耕層（尤其0～20 cm）土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有顯著的效果（<0.05）。因此，采取保護(hù)性耕作措施對(duì)南方雙季稻田土壤質(zhì)量及農(nóng)業(yè)生態(tài)持續(xù)性具有積極的作用。

土壤；團(tuán)聚體；耕作；秸稈還田；土壤碳氮；雙季稻

0 引 言

土壤團(tuán)聚體是反映土壤肥力、功能的重要參數(shù)之一[1-2]，是土壤功能結(jié)構(gòu)的基本組成單元，能夠影響水分轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)存、通氣性、生物活性、以及作物生產(chǎn)狀況等[3-6]。良好的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定與固持土壤有機(jī)質(zhì)提供了重要載體[7]，而有機(jī)質(zhì)的積累也促進(jìn)土壤團(tuán)聚體組分及不同粒級(jí)團(tuán)聚體C、N分布的動(dòng)態(tài)變化[8]。因此，構(gòu)建和維持良好的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤可持續(xù)利用的基礎(chǔ)。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)受諸如土壤利用類(lèi)型[9]、土壤管理措施[10]、土壤生物組成[11]、土壤母質(zhì)[2]等自身及外界條件的影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為具有強(qiáng)烈人為影響的作物生產(chǎn)系統(tǒng)，土壤養(yǎng)分及團(tuán)聚體性能不可避免地會(huì)對(duì)耕作、秸稈還田等管理措施產(chǎn)生響應(yīng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從耕作措施、種植方式、秸稈投入等多角度對(duì)這種響應(yīng)進(jìn)行了研究，研究認(rèn)為耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成及其穩(wěn)定性有重要影響[12]，會(huì)影響不同粒級(jí)團(tuán)聚體里C、N含量[13]；減少土壤擾動(dòng)會(huì)增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，且會(huì)增加大團(tuán)聚體中C含量[14]；田慎重等[15]認(rèn)為免耕秸稈還田能顯著增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例及穩(wěn)定性等。綜合來(lái)看，當(dāng)前關(guān)于耕作措施下土壤團(tuán)聚體特征及其養(yǎng)分分布特性的研究已取得一些重要認(rèn)識(shí)，但在稻作區(qū)采取長(zhǎng)期保護(hù)性耕作措施的影響仍需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

南方雙季稻區(qū)是中國(guó)水稻的主要產(chǎn)區(qū)之一，傳統(tǒng)耕作（如翻耕）仍是當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的主要生產(chǎn)措施，其帶來(lái)的諸如加速土壤侵蝕、促進(jìn)土壤有機(jī)碳（SOC）損失、土壤質(zhì)量退化等負(fù)面效應(yīng)以及更多的勞動(dòng)力需求[16]，促使稻田保護(hù)性耕作技術(shù)得到快速推廣。有研究表明，稻田土壤團(tuán)聚體構(gòu)成比例及團(tuán)聚體水穩(wěn)定性是表征土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)之一[17]。當(dāng)前關(guān)于在雙季稻系統(tǒng)中長(zhǎng)期采取保護(hù)性耕作措施下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及碳氮分布的研究還較少。因此，研究長(zhǎng)期保護(hù)性耕作下雙季稻田土壤團(tuán)聚體特性及C、N分布特征具有重要的意義。本研究基于12 a的長(zhǎng)期保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)土壤團(tuán)聚體以及相關(guān)C、N含量的分析，評(píng)價(jià)耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，研究不同耕作措施下土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）在不同粒徑團(tuán)聚體中的含量差異，以期對(duì)雙季稻種植區(qū)耕作措施的優(yōu)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)在湖南省長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)市回龍鋪鎮(zhèn)天鵝村（112°18′ E，28°07′ N）試驗(yàn)示范基地進(jìn)行（圖1），為長(zhǎng)期保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)（始于2005年），試驗(yàn)建立前，該田塊即采用冬閑-早稻-晚稻種植模式，由農(nóng)戶采取傳統(tǒng)耕法進(jìn)行統(tǒng)一耕種。試驗(yàn)區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，周年光熱雨水資源充足，年均氣溫約為16.8 ℃，年均降雨量約為1 358.3 mm，年蒸散量約為1 353.9 mm，年日照時(shí)數(shù)約為1 737.6 h，年平均無(wú)霜期為274 d，具有長(zhǎng)江流域典型雙季稻種植區(qū)特征[18]。試驗(yàn)區(qū)土壤為水稻土，粉質(zhì)黏壤土類(lèi)型（43%砂粒、35%粉粒和22%黏粒）[19]，屬典型的湘中紅壤丘陵區(qū)。試驗(yàn)前測(cè)得耕層0～20 cm土壤容重為1.21 g/kg，有機(jī)質(zhì)34.9 g/kg，速效氮224.1 mg/kg，有效磷4.38 mg/kg，速效鉀97.1 mg/kg，全氮1.29 g/kg，全磷1.23 g/kg，全鉀17.63 g/kg，pH值6.30。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)翻耕+秸稈不還田（CT）、翻耕+秸稈還田（CTS）、旋耕+秸稈還田（RTS）以及免耕+秸稈還田（NTS）4個(gè)處理。每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為64 m2。試驗(yàn)采用早-晚稻生產(chǎn)體系，采用秧盤(pán)育苗和拋秧技術(shù)，早稻品種為湘早秈45號(hào)，拋秧前施用復(fù)合肥391 kg/hm2（195.5 kg/hm2N，34.14 kg/hm2P，97.33 kg/hm2K）做基肥，起身后追施尿素47 kg/hm2（21.62 kg/hm2N）。晚稻品種為湘晚稻13號(hào)，拋秧前基肥施用復(fù)合肥469 kg/hm2（234.50 kg/hm2N，40.95 kg/hm2P，116.75 kg/hm2K），起身后追施尿素39 kg/hm2（17.94 kg/hm2）。兩季土壤耕作前灌水深約2 cm，收獲后留茬高度約25 cm，還田處理的秸稈年還田量約為12 500 kg/hm2。各處理田間管理措施一致，具體處理方式見(jiàn)表1。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 土樣采集

供試土壤樣品采集于2016年11月晚稻收獲前，按“S”形多點(diǎn)采集各試驗(yàn)小區(qū)0～5、5～10、10～20、20～30 cm土層原狀土壤，并置于鋁制飯盒密封帶回實(shí)驗(yàn)室（運(yùn)輸時(shí)盡量避免翻壓顛簸）。在室內(nèi)，將土樣按其結(jié)構(gòu)紋理剝離成直徑10 mm左右的土塊，在此過(guò)程中要防止土塊的外力形變，去除肉眼可見(jiàn)的有機(jī)殘?bào)w后在通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干。

表1 試驗(yàn)處理方式

1.3.2 測(cè)定方法

采用濕篩測(cè)定方法[20]測(cè)定供試土樣的各粒級(jí)團(tuán)聚體（>2、0.25～2、0.053～0.25和<0.053 mm）含量，一般認(rèn)為>0.25 mm為大團(tuán)聚體[21]。利用傳統(tǒng)測(cè)定方法[22]測(cè)定各粒級(jí)團(tuán)聚體及土層中的有機(jī)碳、全氮含量。

1.4 結(jié)果計(jì)算

1）不同粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分比[23]

式中A為某粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；G為該粒級(jí)團(tuán)聚體的風(fēng)干質(zhì)量（g）；T為團(tuán)聚體總質(zhì)量（g）。

2）平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其值的大小在一定程度可以體現(xiàn)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚程度，MWD和GMD值越大，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越高[23]。平均重量直徑（MWD）[24]，幾何平均重量（GMD）[25]計(jì)算公式如下

式中MWD為平均重量直徑（mm）；GMD為幾何平均直徑（mm）；W為各粒級(jí)團(tuán)聚體的重量百分比（%）；X為各粒級(jí)的平均直徑（mm）。

3）不同粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤C、N的貢獻(xiàn)率

不同粒級(jí)團(tuán)聚體中C、N對(duì)土壤C、N的貢獻(xiàn)率計(jì)算公式[26]，如（4）所示

式中R為貢獻(xiàn)率（%）；AC表示某粒級(jí)團(tuán)聚體C、N含量（g/kg）；W為該粒級(jí)團(tuán)聚體所占百分比（%）；TC代表該層土壤C、N的含量（g/kg）。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，DPS 7.05數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，SigmaPlot 12.0進(jìn)行圖表制作。方差分析采用新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對(duì)土層碳氮含量及團(tuán)聚體構(gòu)成的影響

不同處理的土壤SOC與TN含量均呈現(xiàn)隨土層加深而降低的總體趨勢(shì)（圖2）。NTS處理的SOC與TN含量表現(xiàn)出明顯的表層富集，在0～5 cm土層顯著高于其他處理，其順序?yàn)镹TS>RTS>CTS>CT（<0.05），而在5～30 cm土層NTS的碳氮含量更低。RTS處理的SOC和TN含量分別在10～30 cm和5～30 cm土層顯著高于NTS、CTS與CT。

注：同一土層不同字母代表處理間差異達(dá)到顯著性水平（P<0.05）。下同。

由表2可以看出，稻田在不同耕作方式下，團(tuán)聚體組分的百分含量呈現(xiàn)出隨粒徑的減小而降低的趨勢(shì)。在0～30 cm土層，不同處理團(tuán)聚體均以>2 mm粒徑為主，約占35.02%～64.44%，其次為0.25～2 mm粒徑（23.39%～39.86%），均屬于大團(tuán)聚體（約占66.90%～87.82%），而<0.053 mm及0.053～0.25 mm團(tuán)聚體含量較小（總體約占12.18%～33.10%）。

在>2 mm粒級(jí)中，NTS在5～30 cm土層均顯著大于RTS（< 0.05），分別高12.90%（5～10 cm）、15.15%（10～20 cm）及20.47%（20～30 cm）；CTS在5～20 cm顯著低于NTS（< 0.05），NTS、RTS、CTS之間在0～5 cm不顯著；CTS只在0～10 cm土層顯著大于CT（< 0.05），綜合來(lái)看，持續(xù)的秸稈還田能夠顯著增加0～10 cm土層的>2 mm團(tuán)聚體比例，弱化不同耕法對(duì)土壤表層大團(tuán)聚體的差異化影響，這可能與有機(jī)物長(zhǎng)期輸入促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成，土壤碳固持量大有關(guān)。粒級(jí)0.25～2 mm范圍，CTS在5～20 cm土層顯著高于NTS和RTS（< 0.05）；CTS在0～10 cm顯著低于CT，低27.56%和12.01%，但在10～30 cm無(wú)顯著差異。粒級(jí)0.053～0.25 mm中，RTS在0～5和10～30 cm土層中顯著高于CTS，分別高43.67%（0～5 cm）、25.21%（10～20 cm）和22.81%（20～30 cm）。當(dāng)粒徑<0.053 mm時(shí)，NTS和CTS在20～30 cm土層顯著低于RTS；CTS在5～10 cm土層顯著低于CT，而在0～5及10～30 cm土層無(wú)顯著性差異。綜合來(lái)看，粒徑<0.25 mm的團(tuán)聚體，NTS在0～10 cm顯著低于CT。因此，保護(hù)性耕作（免耕）+秸稈還田為土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化提供了良好條件，尤其有利于提高土壤表層大團(tuán)聚體占比。

表2 耕作方式對(duì)稻田土壤團(tuán)聚體構(gòu)成的影響

注：同土層同列不同小寫(xiě)字母分別表示差異顯著（< 0.05），下同。

Note: Different lowercase letters in the same column of the same layer indicate significant difference at 0.05 level. The same below.

2.2 耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

如圖3，MWD與GMD表征的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有一致性。在0～10 cm土層，秸稈還田處理（NTS、CTS、RTS）的團(tuán)聚體穩(wěn)定性均顯著大于秸稈不還田處理（CT）（< 0.05），直觀地反應(yīng)出長(zhǎng)期秸稈還田措施能夠顯著提高土壤表層（0～10 cm）團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。而NTS在10～30 cm土層團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著優(yōu)于RTS （< 0.05），在5～20 cm土層顯著優(yōu)于CTS（< 0.05），而在0～5 cm，NTS、RTS、CTS之間的差異不顯著，這可能與長(zhǎng)期秸稈還田有關(guān)。綜合來(lái)看，長(zhǎng)期秸稈還田+保護(hù)性耕作（免耕）在改善耕層（至少0～20 cm）土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性方面具有顯著的效果。值得注意的是，RTS在較深土層（尤其在20～30 cm）表現(xiàn)出顯著較低的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，這可能與不同耕作措施的土壤操作面深度差異有關(guān)。

2.3 耕作方式對(duì)團(tuán)聚體碳氮分布的影響

團(tuán)聚體碳含量表現(xiàn)出表層高，深層低，且同一土層碳向大團(tuán)聚體集中的總體趨勢(shì)。與此同時(shí)，不同耕作方式也表現(xiàn)出對(duì)碳分布的差異性影響。如圖4，翻耕處理（尤其CT）在同一土層不同粒級(jí)之間以及同一粒級(jí)不同土層之間的團(tuán)聚體碳分布差異相比其他處理更小。而NTS的團(tuán)聚體碳分布差異較大，主要表現(xiàn)在NTS的碳向表層及大團(tuán)聚體中相對(duì)集中。

團(tuán)聚體氮含量的分布也呈現(xiàn)出與碳含量分布一致的趨勢(shì)（圖5），表層及粒級(jí)越大的團(tuán)聚體中氮含量越高。CTS在0～20 cm土層各粒級(jí)團(tuán)聚體N含量顯著高于CT；在秸稈還田條件下，NTS在0～5 cm土層的各粒徑團(tuán)聚體氮含量均顯著高于RTS和CTS（< 0.05），但CTS在5～20 cm土層要顯著高于NTS和RTS（<0.05）。

圖3 耕作方式對(duì)稻田土壤團(tuán)聚體MWD與GMD的影響

2.4 團(tuán)聚體對(duì)土壤碳氮的貢獻(xiàn)率

由表3可以看出，長(zhǎng)期采取秸稈還田措施下稻田各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤總碳的貢獻(xiàn)率大小依次為：>2 mm（44.56%～64.61%）> 0.25～2 mm（24.91%～39.20%）> 0.053～0.25 mm（5.32%～11.47%）≈<0.053 mm（4.05%～11.95%），而秸稈不還田處理下各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤總碳的貢獻(xiàn)率大小依次為：>2 mm（38.95%～53.83%）> 0.25～2 mm（30.69%～43.34%）> 0.053～0.25 mm（7.55%～10.24%）> < 0.053 mm（7.47%～7.95%），秸稈還田使>2 mm團(tuán)聚體對(duì)土壤碳的貢獻(xiàn)增加，相比于秸稈不還田，>2 mm團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率平均增加8.20個(gè)百分點(diǎn)，而0.25～2 mm及0.053～0.25 mm團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率則平均分別降低4.96和0.49個(gè)百分點(diǎn)。在秸稈還田處理中，NTS在0～20 cm的>2 mm團(tuán)聚體對(duì)土壤碳的貢獻(xiàn)率顯著大于其他處理（<0.05），其他粒級(jí)團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率相對(duì)其他處理較低；在20～30 cm，NTS土壤碳含量較低，且>2 mm團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率也低于其他處理。

a. >2 mmb. 0.25～2 mmc. 0.053～0.25 mmd. <0.053 mm

a. >2 mmb. 0.25～2 mmc. 0.053～0.25 mmd. <0.053 mm

各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤N的貢獻(xiàn)與土壤C的規(guī)律類(lèi)似，>2 mm團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率隨土層的加深有降低的趨勢(shì)。秸稈還田使>2 mm團(tuán)聚體對(duì)土壤N的貢獻(xiàn)率增加，相比于秸稈不還田，>2 mm團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率平均增加7.35個(gè)百分點(diǎn)，而0.25～2 mm團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率則平均降低4.84個(gè)百分點(diǎn)。

總體來(lái)看，不同耕作方式下稻田土壤中大團(tuán)聚體對(duì)土壤C、N的貢獻(xiàn)率更高（分別為76.58%～90.62%、72.28%～89.76%）。秸稈還田能夠顯著增加>2 mm團(tuán)聚體的比重，從而增加大團(tuán)聚體對(duì)土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)，但是這種增加是以降低0.25～2 mm團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率為基礎(chǔ)的。同樣，免耕相對(duì)其他耕作措施，也起到了在0～20 cm土層增加大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率的作用?？偟膩?lái)看，小團(tuán)聚體（<0.25 mm）對(duì)于土壤C、N的貢獻(xiàn)影響不大，且相對(duì)來(lái)看貢獻(xiàn)率波動(dòng)較小。

進(jìn)一步分析土壤C、N與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)SOC與GMD（2=0.31，< 0.05），TN與GMD（2=0.33，<0.05）均成顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖6）。因此，為了改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性就要通過(guò)提高稻田土壤C、N含量，穩(wěn)定和增加土壤大團(tuán)聚體的比例，進(jìn)而提高稻田土壤團(tuán)聚體對(duì)C、N的固持和保護(hù)能力。

表3 不同耕作方式下團(tuán)聚體對(duì)土壤C、N的貢獻(xiàn)率

a. 土壤SOC與GMD的回歸分析b. 土壤TN與GMD的回歸分析 a. Regression analysis between SOC and GMDb. Regression analysis between TN and GMD

圖6 土壤SOC、TN與GMD的回歸分析

Fig.6 Regression analysis between SOC, TN and GMD (geometric mean diameter)

3 討 論

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的高低直接反應(yīng)了土壤是否退化[27]以及養(yǎng)分持續(xù)供給能力的強(qiáng)弱。本文認(rèn)為更多的大團(tuán)聚體（尤其>2 mm）可以提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)于大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，土壤粘合劑（如有機(jī)碳、微生物和土壤蛋白等）起著重要作用。研究表明有機(jī)質(zhì)的投入為微生物生產(chǎn)土壤粘合劑提供了碳源，有助于土壤大團(tuán)聚體的形成[28]，這與本研究的結(jié)果一致，連續(xù)的秸稈還田顯著增加0～10 cm土層的>2 mm團(tuán)聚體比例，并且GMD與MWD均顯著高于秸稈不還田處理。本研究證實(shí)團(tuán)聚體C、N之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（2=0.99，<0.000 1），這說(shuō)明土壤團(tuán)聚體TN的變化趨勢(shì)與團(tuán)聚體SOC類(lèi)似，土壤團(tuán)聚體碳氮的固存存在協(xié)同作用[29]。有研究表明TN主要存在于土壤細(xì)黏?；蝠ちＩ?，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成具有較大影響[30]，并且土壤中95%的TN均以有機(jī)態(tài)存在，較高的碳氮含量依靠有機(jī)?無(wú)機(jī)膠結(jié)作用促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[31]。此外，影響團(tuán)聚體大小分布和穩(wěn)定性的另一個(gè)因素是耕作措施。不同粒級(jí)團(tuán)聚體的形成和周轉(zhuǎn)對(duì)農(nóng)藝措施和土壤深度有不同的響應(yīng)[32]，已有研究認(rèn)為耕作能夠破化土壤大團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，釋放被團(tuán)聚體固持的碳，從而降低了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[33]。在0～5 cm土層，秸稈還田處理（NTS、RTS及CTS）的團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于秸稈不還田(CT)（<0.05），而在秸稈還田處理之間并沒(méi)有因?yàn)椴煌母鞔胧┒a(chǎn)生顯著差異。這說(shuō)明秸稈還田是影響土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素。在5～30 cm土層，秸稈還田處理之間的團(tuán)聚體穩(wěn)定性出現(xiàn)顯著不同，則是由于耕作對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性破壞程度的差異，相比于翻耕、旋耕，免耕一方面有助于土壤表層碳的積累，另一方面相對(duì)不受擾動(dòng)的土體環(huán)境更有利于穩(wěn)定的大團(tuán)聚體形成[34]。因此，NTS在改善耕層（至少0～20 cm）土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性上具有顯著的效果。

土壤團(tuán)聚體C、N含量的增加主要是由于團(tuán)聚體對(duì)C、N的固持速率大于團(tuán)聚體C、N的礦化損失。有研究認(rèn)為土壤團(tuán)聚體的SOC含量和碳礦化能力隨團(tuán)聚體粒徑的不同而不同[35]. 秸稈分解產(chǎn)生的碳源導(dǎo)致大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)中碳含量高于小團(tuán)聚體[36-37]。N也有類(lèi)似的規(guī)律。這與本文的結(jié)論一致，即不同耕作方式下稻田土壤中大團(tuán)聚體對(duì)土壤C、N的貢獻(xiàn)率更高（分別為76.58%～90.62%、72.28%～89.76%），其中>2 mm的團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率平均達(dá)C（52.12%），N（52.16%）。NTS引起的表層土壤C、N積累主要被大團(tuán)聚體所固持，并且C、N在大團(tuán)聚體中對(duì)外界化學(xué)、物理和生物條件造成的分解不那么敏感[38]，而秸稈的投入提供了持續(xù)的C、N源也進(jìn)一步促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[39]。結(jié)果中各處理的<0.25 mm團(tuán)聚體中的C、N含量較低，對(duì)土壤C、N貢獻(xiàn)較小，這可能與小團(tuán)聚體對(duì)C、N的固持和保護(hù)作用較差有關(guān)。

有研究表明耕作秸稈還田措施會(huì)產(chǎn)生交互效應(yīng)，且在0～30cm土層均達(dá)到顯著水平[15]。耕作和秸稈還田的交互效應(yīng)普遍被認(rèn)為是土壤在耕作措施下與秸稈混合后，土壤微生物作用而產(chǎn)生的一種綜合生態(tài)效應(yīng)[40]。未來(lái)的研究應(yīng)更多地關(guān)注團(tuán)聚體養(yǎng)分固持和穩(wěn)定的微生物參與策略。土壤環(huán)境對(duì)微生物會(huì)產(chǎn)生不同的影響，因此，進(jìn)一步研究耕作與秸稈還田措施下雙季稻田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異，還需要監(jiān)測(cè)更多影響團(tuán)聚體穩(wěn)定的物理、化學(xué)以及生物指標(biāo)的響應(yīng)和變化過(guò)程，進(jìn)而更全面、準(zhǔn)確地揭示耕作管理下稻田土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征、變化規(guī)律及影響機(jī)制。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析長(zhǎng)期保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)了耕作方式對(duì)南方雙季稻田土壤團(tuán)聚體粒徑分布、穩(wěn)定性及相關(guān)碳氮含量影響的長(zhǎng)期效應(yīng)。主要研究結(jié)論如下：

1）不同耕作方式下，團(tuán)聚體組分的百分含量隨粒徑的減小而降低。稻田土壤團(tuán)聚體以>2 mm粒徑為主（占35.02%～64.44%），<0.25 mm團(tuán)聚體只占12.18%～33.10%。持續(xù)的秸稈還田能夠顯著增加0～10 cm土層的大團(tuán)聚體比重。隨著耕作強(qiáng)度的減弱，大團(tuán)聚體含量有所提高。

2）不同耕作方式下，稻田土壤大團(tuán)聚體對(duì)土壤C、N的貢獻(xiàn)率高達(dá)76.58%～90.62%和72.28%～89.76%，其中>2 mm團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率平均達(dá)C（52.12%）與N（52.16%）。NTS在0～20 cm的>2 mm團(tuán)聚體對(duì)土壤C的貢獻(xiàn)率顯著大于其他處理。土壤團(tuán)聚體N的變化與C類(lèi)似，團(tuán)聚體碳氮的固存存在協(xié)同關(guān)系。

3）長(zhǎng)期采取免耕+秸稈還田顯著提高了土壤表層C、N含量，并且土壤擾動(dòng)少的特點(diǎn)促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，對(duì)改善稻田耕層（尤其0～20 cm）土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有顯著的效果。保護(hù)性耕作措施可能是實(shí)現(xiàn)南方雙季稻田生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

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Effects of long-term conservation tillage on soil aggregate stability and carbon and nitrogen in paddy field

Wang Xing, Qi Jianying, Jing Zhenhuan, Li Chao, Zhang Hailin※

(,,,,100193,)

Soil structure stability, aggregate-associated C and N play an important role in soil conservation and nutrient supply. Tillage practices can affect the soil aggregate stability and C and N distribution, thus affecting the farmland ecological security. To estimate the effects of tillage practices on soil aggregate stability and its C and N distribution of double paddy field in Southern China, a long-term field experiment initiated from 2005 with four treatments (no-till with residue retention, NTS), rotary tillage with residue retention, RTS), plow tillage with residue retention, CTS), and plow tillage with residue removed, CT)) was conducted in a double rice cropping system in Ningxiang, Hunan. After 12-years of the experiment, the soil water-stable aggregates, stability, and C, N concentration were determined from four soil depths of 0-5, 5-10, 10-20, and 20-30 cm. The results showed that there were significant positive correlations between soil C, N and aggregate stability (<0.05). The percentage of soil aggregate decreased with the particle size decreases in paddy fields. It mainly composed of macro-aggregate (>0.25 mm), accounting for 66.90%-87.82%, of which >2 mm part accounted for 35.02%-64.44% in 0-30 cm soil layers under different tillage practices. For >2 mm soil aggregate, NTS was significantly higher than RTS (<0.05) in the 5-30 cm soil layers.NTS was significantly higher than CTS at 5-20 cm (< 0.05), but NTS, RTS and CTS were not significant in the 0-5 cm soil layer. The <0.25 mm soil aggregate accounted for 12.18%-33.10% in 0-30 cm soil layers under different tillage practices. In terms of aggregate stability, NTS was significantly higher than RTS (10-30 cm) and CTS (5-20 cm), but NTS, RTS, and CTS were not significant in the 0-5 cm soil layer. The contribution rate of macro-aggregate to soil C, N in paddy fields were 76.58%-90.62% and 72.28%-89.76%, respectively, and the contribution rates of >2 mm aggregates to C and N were52.12% and 52.16%, respectively. Compared with straw removal, the contribution rate of >2 mm aggregate treated with straw returning to the soil C, N increased by 8.20 percentage point and 7.35 percentage point, while the contribution of 0.25-2 mm aggregate decreased by 4.96 percentage point and 4.84 percentage point, respectively. Further analysis of the relationship between soil C and N and aggregate stability showed that SOC and GMD (geometric mean diameter), TN and GMD were significantly positively correlated. Thus, straw returning was conducive to the transformation of micro-aggregate to macro-aggregate. Compared with CTS and RTS, NTS significantly increased the C, N content in soil surface and promoted the stable macro-aggregate formation, which had significant effects on improving aggregate stability in paddy fields (especially 0-20 cm) (<0.05). Therefore, no-till with residue retention is an effective measure to maintain and improve soil performance of the paddy field in Southern China.

soils; aggregate; tillage; straw-returning; soil carbon and nitrogen; double-cropping rice

王 興，祁劍英，井震寰，李 超，張海林. 長(zhǎng)期保護(hù)性耕作對(duì)稻田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和碳氮含量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(24)：121－128. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.015 http://www.tcsae.org

Wang Xing, Qi Jianying, Jing Zhenhuan, Li Chao, Zhang Hailin. Effects of long-term conservation tillage on soil aggregate stability and carbon and nitrogen in paddy field [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 121－128. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.015 http://www.tcsae.org

2019-05-26

2019-09-19

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201503136）

王 興，博士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)。Email：jiaxing0103@163.com

張海林，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作與農(nóng)田生態(tài)。Email：hailin@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.015

S343.1；S343.2

A

1002-6819(2019)-24-0121-08