李婧妤，李倩，武雪萍，吳會軍，宋霄君，張永清，劉曉彤，丁維婷，張孟妮，鄭鳳君

（1山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041000；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048）

0 引言

【研究意義】土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫[1]，土壤碳庫對全球陸地碳循環(huán)產(chǎn)生巨大影響[2]。耕作措施會改變土壤物理性質(zhì)，影響有機碳分解和轉(zhuǎn)化，進而影響有機碳儲量。許多研究表明，保護性耕作技術(shù)能夠增加有機碳含量，增強土壤固碳效應(yīng)[3]。但是土壤固碳潛力受到土壤質(zhì)地、耕作方式、種植制度等多種因素影響[4]，開展耕作方式對不同區(qū)域土壤物理性質(zhì)的對比聯(lián)網(wǎng)研究，有助于理解不同耕作對土壤有機碳儲量影響的差異，為今后保護性耕作技術(shù)的推廣提供依據(jù)。【前人研究進展】秸稈輸入和有機碳礦化分解是影響土壤有機碳儲量的兩個因素。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋可以提高表層土壤有機碳含量[5-6]，但秸稈輸入不能完全解釋不同區(qū)域、不同耕作方式下土壤有機碳儲量差異。土壤容重、緊實度、孔隙度、持水能力等物理指標(biāo)也是影響有機碳儲量的重要因素[7-8]。目前關(guān)于保護性耕作下土壤容重、孔隙度、持水能力等物理性質(zhì)的變化，其試驗結(jié)果并不一致。孫國峰等[9]發(fā)現(xiàn)，免耕處理下0—10 cm土層土壤容重顯著降低，土壤孔隙度提高，持水能力提高。羅珠珠等[10]研究發(fā)現(xiàn)免耕處理下土壤容重和緊實度增加，而孔隙度和持水能力減小。劉孝義等[11]發(fā)現(xiàn)保護性耕作能夠提高土壤總孔隙度，提高土壤持水能力。大量研究結(jié)果認(rèn)為有機碳含量與容重及緊實度呈正相關(guān)，與孔隙度呈負(fù)相關(guān)；傳統(tǒng)耕作降低了土壤容重，增加了孔隙度，通氣性增加，微生物活性提高，加快了土壤有機碳分解，降低有機碳儲量[12-15]；GAO等[16]認(rèn)為土壤有機碳含量與孔隙度呈正相關(guān)，保護性耕作通過降低土壤容重、提高孔隙度數(shù)量和團聚體穩(wěn)定性增加有機碳儲量。由此可見，不同區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，耕作對有機碳的影響及其驅(qū)動因素還不明晰。【本研究切入點】現(xiàn)有的研究多集中于單一試驗點，不同區(qū)域、不同耕作方式下土壤物理性質(zhì)及其與有機碳之間的關(guān)系尚不清楚。本研究借助4個長期定位試驗點開展聯(lián)網(wǎng)研究，試驗結(jié)果結(jié)論具有普適意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗借助吉林公主嶺（GZL）、山西壽陽（SSY）、河北廊坊（HLF）和山西臨汾（SLF）4個長期定位試驗點的農(nóng)田土壤為研究對象，探討不同區(qū)域耕作對有機碳儲量的影響及其驅(qū)動因素，為評價保護性耕作對不同區(qū)域農(nóng)田土壤的固碳效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗選取吉林公主嶺、山西壽陽、河北廊坊、山西臨汾4個試驗點，地處我國東北與華北地區(qū)，是我國保護性耕作推廣應(yīng)用的重要區(qū)域，各試驗點基本信息如表1所示。

1.2 試驗設(shè)計

每個試驗點田間管理按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進行，但秸稈還田量和施肥量不同。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，選取傳統(tǒng)耕作（CT）、免耕（NT）作為供試處理，每個處理設(shè)3次重復(fù)。傳統(tǒng)耕作（CT），收獲后，將作物秸稈（吉林公主嶺和山西壽陽的玉米秸稈、河北廊坊的小麥和玉米秸稈、山西臨汾的小麥秸稈）從田間移除，利用旋耕機、播種機等農(nóng)用機械進行耕地和播種，播種前撒施化肥；免耕（NT），將收獲后的作物秸稈還田，利用免耕播種機播種，同時在播種行側(cè)，深施化肥。土壤采樣，2017年，作物收獲后，利用多點混合取樣法，在4個試驗點小區(qū)用土鉆取0—10、10—20、20—40、40—60和60—80 cm土壤樣品，選用挖剖面法采集環(huán)刀樣，所有土樣裝入聚乙烯樣袋中，帶回室內(nèi)分析測定。

表1 4個試驗地點基本信息Table 1 Basic of the four experimental site

1.3 指標(biāo)測定及數(shù)據(jù)處理

土壤緊實度：利用緊實度儀（SC900型）于2017年8—9月在田間小區(qū)測定0—45 cm土層緊實度，土壤緊實度儀隨土壤深度的變化自動計數(shù)，每隔2.5 cm讀取一個數(shù)值，水平間距10 cm，9次重復(fù)。

土壤容重：環(huán)刀法。將環(huán)刀樣品置于烘箱，105 ℃下烘8 h，拿出后置于干燥器，冷卻稱重。

土壤機械組成：采用吸管法進行測定，土壤粒徑分級采用《美國制土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)》。

土壤總孔隙度（%）=（1-土壤容重/土壤密度）×100；土壤密度為 2.65 g·cm-3。

土壤有機碳：vario MACRO cube CHN 元素分析儀。將風(fēng)干后的土壤樣品過0.15 mm篩，用1 mol·L-1的鹽酸去除碳酸鹽后烘干，上機測定。

土壤有機碳儲量采用等質(zhì)量土壤有機碳儲量法計算：

式中，MSOC為土壤機碳儲量(t·hm-2),Msoil為單位面積土壤質(zhì)量（t·hm-2）；SOC 為土壤有機碳含量（g·kg-1）；S為土壤面積（m2）；Bd為土壤容重（g·cm-3）；H為土層厚度（m）；Hadd為要達到等質(zhì)量土壤需要另加的亞表層土壤深度（m）。

根據(jù)公式可以得到不同耕作處理下土壤質(zhì)量。以不同處理下土壤質(zhì)量最大值作為統(tǒng)一的土壤質(zhì)量。然后采用式（3）計算其他耕作處理方式下達到同質(zhì)量的土壤需要另加的土壤深度。

式中，Msoil,equiv為較大的單位面積土壤質(zhì)量（t·hm-2）；Msoil,surface為較小的單位面積土壤質(zhì)量（t·hm-2）；Bdsurface為較小土壤容重（g·cm-3）。

土壤水分特征曲線測定方法：采用環(huán)刀法在每個采樣點分層取4個重復(fù)樣，帶回實驗室，將其中一個環(huán)刀土樣烘干（105 ℃）稱重測定土壤含水量，并計算土壤容重，其余環(huán)刀土樣沙箱法和壓力膜法測定土壤水分特征曲線。

利用Van-Genuchten模型（簡稱 VG模型）對數(shù)據(jù)進行擬合，獲得土壤水分特征曲線。

式中，θ為體積含水量（cm3·cm-3）；h為土壤水吸力（Pa）；θr為殘留含水量（cm3·cm-3）；θs為飽和含水量（cm3·cm-3）；α、n和m是方程參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，Sigmaplot14.0制作圖表，數(shù)據(jù)測定結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。利用 SAS 9.1軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和雙因素方差分析（two-way ANOVA），用LSD方法對不同處理之間進行多重比較,單個試驗點兩個處理間進行t檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 不同耕作方式對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤容重與孔隙度 不同耕作處理影響土壤容重，但影響程度在4個試驗點存在差異（表2）。公主嶺NT處理的土壤容重值較CT處理增加了12.1%左右，差異顯著（P＜0.05）；壽陽 NT處理的土壤容重顯著低于CT處理（P＜0.05），降低了8.2%；廊坊和臨汾CT與NT處理土壤容重差異不顯著（P＞0.05）。相比于土壤容重，土壤總孔度變化趨勢相反。公主嶺CT處理土壤孔隙度大于NT處理，差異顯著（P＜0.05）；壽陽NT處理土壤孔隙度為49.4%，與CT處理間差異顯著（P＜0.05）；廊坊和臨汾CT和NT處理間差異不顯著（P＞0.05）。

2.1.2 土壤緊實度 4個試驗點不同耕作處理對土壤緊實度的影響存在差異（圖 1）。公主嶺整個土壤剖面NT處理土壤緊實度均不同程度地高于CT處理；0—5 cm表土層，壽陽、廊坊、臨汾試驗點不同耕作處理土壤緊實度差異不顯著（P＞0.05）；5—25 cm，壽陽和臨汾試驗點 NT處理土壤緊實度顯著高于 CT處理（P＜0.05），廊坊 NT處理土壤緊實度高于 CT處理，差異不顯著（P＞0.05）；25—45 cm，壽陽土壤緊實度 CT＞NT（P＜0.05），廊坊與臨汾試驗點土壤緊實度處理間差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同耕作處理下土壤緊實度Fig. 1 Penetrometer resistance under different tillage

表2 不同耕作處理下0—10 cm土層容重和孔隙度Table 2 Soil bulk density and total porosity in 0-10 cm depth under different tillage

2.1.3 土壤水分特征曲線 Van-Genuchten模型對各試驗點不同耕作處理曲線擬合的參數(shù)結(jié)果如表3所示，各試驗點的擬合參數(shù)θs、θr、α、n差異很大，相同試驗點的土壤變化不顯著，飽和含水量θs在 27.2—39.1之間，n值在 1.2—1.5之間，α值在0.01—0.06之間，殘余含水量θr隨試驗點的變化顯著。通過4個試驗點兩種耕作處理下土壤水分特征曲線發(fā)現(xiàn)（圖2）：與CT相比，公主嶺試驗點0和10 kPa NT下土壤體積含水量分別顯著提高了40.4%、30.1%（P＜0.05），350和500 kPa處理間差異不顯著，分別提高了 3.8%、4.7%；臨汾試驗點0和10 kPa NT下土壤體積含水量較CT分別降低了7.1%、5.5%，差異不顯著（P＞0.05），350和500 kPa土壤體積含水量分別提高了2.9%、8.9%；廊坊試驗點10、350、500 kPa下NT較CT相比，土壤體積含水量分別提高了 0.6%、5.6%、2.6%，但處理間差異不顯著（P＞0.05）；與CT相比，壽陽試驗點0、10、500 kPa下NT處理的土壤體積含水量分別降低了6.4%、4.3%、5.9%，350 kPa下提高了2.1%。

圖2 不同耕作處理下土壤持水曲線Fig. 2 Soil water retention curve under different tillage methods

表3 不同耕作下土壤水分特征曲線Van-Genuchten模型參數(shù)擬合值Table 3 Fitting value of water characteristic curve parameters of Van-Genuchten

2.2 不同耕作方式對土壤有機碳的影響

圖3 不同耕作處理下土壤有機碳含量Fig. 3 Soil organic carbon contents under different tillage

2.2.1 土壤有機碳含量 兩種耕作處理下土壤有機碳含量隨土層加深而下降，下降趨勢漸緩。4個試驗點不同耕作處理下土壤有機碳含量存在差異（圖3）：公主嶺試驗點不同土層NT處理土壤有機碳含量均顯著高于 CT處理（P＜0.05）；壽陽試驗點免耕顯著提高了0—40 cm土層土壤有機碳含量（P＞0.05），40 cm以下土層有機碳含量CT處理＞NT處理；臨汾NT處理提高土壤0—10 cm耕作層的碳含量，10—20 cm有機碳含量CT＞NT，40 cm以下土層有機碳含量的處理間差異不顯著（P＞0.05）；與其他試驗點相比，廊坊不同處理下土壤有機碳含量差異顯著（P＜0.05），NT處理的土壤有機碳含量僅僅在0—10 cm土壤表層高于CT處理。

2.2.2 土壤有機碳儲量 根據(jù)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，耕作方式對土壤有機碳儲量具有極顯著影響（P＜0.01），試驗點對土壤有機碳儲量具有顯著影響（P＜0.05），土壤有機碳儲量受地點和耕作方式交互作用影響較?。≒＞0.05）。表4表明，耕作方式對不同試驗點 0—80 cm土層有機碳儲量影響不同，與CT相比，NT增加了4個試驗點表層農(nóng)田土壤的有機碳儲量。其中，公主嶺試驗點 0—10、10—20 cm土層有機碳儲量和0—80 cm土層有機碳總儲量 NT顯著高于 CT處理（P＜0.05），分別提高了 45.4%、58.5%、7.2%；壽陽試驗點 0—10、10—20 cm土層有機碳儲量 NT較 CT分別提高了11.9%、9.2%，但0—80 cm土層總有機碳儲量下降了26.8%；廊坊試驗點0—10 cm土層NT處理有機碳儲量比CT處理提高了23.1%，0—80 cm土層NT處理有機碳儲量顯著小于CT處理，降低了31.3%；臨汾試驗點0—10 cm土層有機碳儲量NT較CT增加了27.2% ，其他各土層和0—80 cm土層有機碳總儲量均下降，其中總儲量降低了23.5%，差異顯著（P＜0.05）。

2.3 氣候因子、土壤因子與有機碳的相關(guān)性

4個試驗點長期不同耕作措施下，氣候因子、土壤因子與有機碳儲量之間存在相關(guān)關(guān)系（表 5）。土壤有機碳儲量與飽和含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與年均溫、年降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與緊實度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），但與容重、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量無顯著相關(guān)性。同時，飽和含水量與年降水、容重具有極顯著相關(guān)性（P＜0.01），緊實度與粉粒含量、砂粒含量具有極顯著相關(guān)性（P＜0.01）。

表4 不同耕作處理下土壤有機碳儲量Table 4 Soil organic carbon storage under different tillage

表5 氣候因子、土壤因子與土壤有機碳儲量的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between climate factors、soil factors and soil organic carbon

3 討論

3.1 保護性耕作下土壤物理性質(zhì)的變化

土壤容重、緊實度、持水性能是土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，各區(qū)域土壤類型、耕作年限、耕作機械不同，導(dǎo)致不同耕作下土壤物理性質(zhì)具有區(qū)域性差異。眾多研究者對不同區(qū)域保護性耕作下土壤物理性質(zhì)的研究結(jié)果存在分歧，許多研究者發(fā)現(xiàn)免耕處理下土壤容重和緊實度增大、孔隙度減少，土壤含水量低[17-19]；也有研究發(fā)現(xiàn)免耕處理下0—10 cm土層土壤容重顯著降低，土壤孔隙度提高，土壤含水量提高[9]；而侯雪坤[20]認(rèn)為免耕與傳統(tǒng)耕作下土壤容重、孔隙度無顯著差異，而與土壤質(zhì)地、種植制度等有關(guān)。本研究中免耕處理下，廊坊試驗點土壤容重與緊實度高于傳統(tǒng)耕作，這可能是由于該試驗點為一年兩熟的種植制度，傳統(tǒng)耕作下頻繁的機械擾動降低了土壤容重，而免耕對土壤擾動比較小，同時播種機械對土壤具有壓實作用，造成表層容重值的提高和緊實度的增加，但對深層土壤影響較小。公主嶺試驗點0—80 cm土壤剖面容重和緊實度免耕顯著大于傳統(tǒng)耕作，分析其原因可能是黑土黏粒含量較高，受耕作播種機械影響大，免耕處理下播種機機械的壓實作業(yè)導(dǎo)致土壤緊實度進一步增加、孔隙度減少，土壤容重顯著增大，而傳統(tǒng)耕作以大機械翻耕作業(yè)為主，土壤疏松多孔，進而降低了土壤容重和緊實度，這與王恩姮等[21]的結(jié)果一致；臨汾和壽陽試驗點主要是人工操作，試驗小區(qū)機械壓實作用小，同時免耕增加秸稈還田，增加土壤有機碳，土壤動物、微生物增多，對土壤具有疏松作用，再加上冬季土壤凍融疏松作用，因此免耕下表層土壤容重低于傳統(tǒng)耕作。

土壤顆粒組成決定土壤孔隙結(jié)構(gòu)，而孔隙結(jié)構(gòu)影響土壤水分運動[22]。公主嶺試驗點0—500 kPa吸力下土壤體積含水量都較大，這可能是由于黏質(zhì)黑土保水性能比較好[23]；而廊坊試驗點0—50 kPa吸力下孔隙釋水性較強，一定吸力以后平緩，這有可能是由于砂質(zhì)潮土含沙量多，保水性能差造成的。本試驗中，不同試驗點各處理下土壤含水量在低吸力階段沒有顯著差異,10—350 kPa中高吸力段,免耕處理下土壤持水能力高于傳統(tǒng)耕作,這是由于保護性耕作土壤的持水性能較傳統(tǒng)耕作土壤顯著提高，一是秸稈還田帶來有機質(zhì)的增加，改善土壤內(nèi)部的水熱條件；二是耕作活動影響土壤的孔隙分布和團聚體結(jié)構(gòu)；三是免耕秸稈還田覆蓋減少了土壤水分的無效蒸發(fā)，增加土壤有效持水量，因此，免耕土壤持水能力高于傳統(tǒng)耕作[24-25]。

3.2 保護性耕作下土壤有機碳儲量的變化

保護性耕作能促進土壤有機碳積累。BAKER等[26]發(fā)現(xiàn)耕作方式對土壤有機碳的影響主要集中在 0—30 cm土層；而胡寧等[27]發(fā)現(xiàn)免耕提高5—15 cm土層有機碳儲量，這主要是由于不同區(qū)域翻耕深度、土壤類型、地理條件等造成的，說明保護性耕作對土壤有機碳儲量的影響因區(qū)域不同而差異顯著。土壤有機碳含量由秸稈還田量、有機碳分解速率等因素決定，不同區(qū)域耕作下土壤物理性質(zhì)的變化是影響有機碳分解轉(zhuǎn)化的重要因素[28-29]。公主嶺試驗點0—80 cm土層土壤總有機碳儲量免耕高于傳統(tǒng)耕作，可能是由于表層積累的碳的淋溶和搬運，導(dǎo)致亞表層碳的輸入性增加，而免耕秸稈覆蓋提高了土壤的導(dǎo)水性能和生物活性，因此有利于土壤有機質(zhì)向亞表層淋溶和遷移[30-33]。廊坊和臨汾試驗點 0—10 cm表層免耕處理土壤有機碳儲量高于傳統(tǒng)耕作，一是由于秸稈還田增加碳輸入量，土壤表層碳含量增加；二是由于秸稈覆蓋降低了土壤水分蒸發(fā)，土壤持水能力提高，減少了因風(fēng)蝕水蝕造成的碳損失[34]；三是由于免耕改變了土壤的物理性狀，土壤容重增加，孔隙度較小，不利于微生物活動，降低了有機碳的分解速率[35-37]。而傳統(tǒng)耕作對土壤擾動較大，土壤通氣性增強，土壤有機碳分解比較快[12]。免耕對土壤擾動比較小，秸稈僅覆蓋在地表，深層土壤基本無秸稈輸入，因此免耕顯著降低了10 cm以下土層有機碳儲量；壽陽試驗點免耕處理提高了 0—40 cm土層有機碳儲量，這主要是由于該區(qū)域土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤顆粒間孔隙度比較大，造成有機質(zhì)向下層遷移和淋溶，因此免耕在增加壽陽試驗點表層碳儲量的同時增加了20—40 cm土層有機碳儲量。

3.3 區(qū)域氣候因素及土壤物理性質(zhì)對有機碳儲量的影響

土壤有機碳儲量受氣候因子和土壤性質(zhì)等因子影響顯著。STRONG等[38]認(rèn)為土壤總孔隙度與土壤有機碳具有正相關(guān)性；而祖元剛等[39]研究了東北黑土發(fā)現(xiàn)，土壤容重與有機碳呈正相關(guān)關(guān)系，總孔隙度與土壤有機碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)。王玉玨等[40]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳、總氮含量與年均溫、年降水有顯著正相關(guān)關(guān)系，與砂土含量、土壤容重有顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究表明，土壤有機碳與飽和含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與年均溫、年降水、緊實度具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機碳儲量受氣候因子、持水能力、緊實度的影響顯著。保護性耕作提高土壤持水能力、增加有機碳儲量主要原因：一是保護性耕作增加了土壤覆蓋，裸露面積減少，土壤有機碳礦化少；另一方面，保護性耕作通過減少對土壤的擾動，降低了土壤水分蒸發(fā)，減少了因風(fēng)蝕和水蝕造成的有機碳損失。因此，保護性耕作可以不同程度地增加有機碳儲量。

4 結(jié)論

4.1 免耕對土壤容重和緊實度影響存在區(qū)域性差異。免耕提高了黏質(zhì)黑土（公主嶺）和砂質(zhì)潮土（廊坊）土壤容重和緊實度，降低了粉砂壤質(zhì)黃土（臨汾）和砂壤質(zhì)褐土（壽陽）土壤容重。

4.2 與傳統(tǒng)耕作相比，免耕顯著提高 4個試驗點0—10 cm表層有機碳儲量。其中黏質(zhì)黑土（公主嶺）有機碳儲量提高了 45.4%，砂壤質(zhì)褐土（壽陽）有機碳儲量提高了 11.9%，砂質(zhì)潮土（廊坊）有機碳儲量提高了 23.1%，粉砂壤質(zhì)黃土（臨汾）有機碳儲量提高了27.2%。

4.3 耕作對0—80 cm土層不同區(qū)域的有機碳總儲量影響存在顯著性差異。其中免耕下黏質(zhì)黑土（公主嶺）有機碳儲量顯著提高了7.2%，砂壤質(zhì)褐土（壽陽）、砂質(zhì)潮土（廊坊）、粉砂壤質(zhì)黃土（臨汾）有機碳儲量分別降低了26.8%、31.3%、23.5%。

4.4 4個試驗點不同耕作處理下土壤體積含水量在低吸力階段沒有顯著差異，10—350 kPa中高吸力段，免耕處理下土壤持水能力高于傳統(tǒng)耕作。

4.5 長期耕作可以通過調(diào)節(jié)土壤持水能力和緊實度影響土壤有機碳儲量，但影響程度存在區(qū)域性差異?？傮w來說，免耕是提高表層土壤有機碳儲量的重要措施。

致謝：感謝劉恩科研究員，盧昌艾研究員在土壤樣品采集中的支持幫助！