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免耕对农田土壤持水特性和有机碳储量影响的区域差异

本站小编 Free考研考试/2021-12-26
李婧妤,1,2, 李倩2,3, 武雪萍2, 吴会军,2, 宋霄君2, 张永清,1, 刘晓彤2, 丁维婷2, 张孟妮2, 郑凤君21山西师范大学地理科学学院,山西临汾 041000
2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
3首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048

Regional Variation in the Effects of No-Till on Soil Water Retention and Organic Carbon Pool

LI JingYu,1,2, LI Qian2,3, WU XuePing2, WU HuiJun,2, SONG XiaoJun2, ZHANG YongQing,1, LIU XiaoTong2, DING WeiTing2, ZHANG MengNi2, ZHENG FengJun21College of Geographical Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041000, Shanxi
2Institute of Agricultural Resource and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081
3College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048

通讯作者: 吴会军,E-mail： wuhuijun@caas.cn。 张永清,E-mail： yqzhang208@126.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-04-29接受日期:2020-07-9网络出版日期:2020-09-16
基金资助:国家重点研发计划.2016YFD0300804
国家重点研发计划.2018YFD0200408
中央级公益性科研院所基本科研业务费专项.1610132019034
中央级公益性科研院所基本科研业务费专项.1610132019033


Received:2020-04-29Accepted:2020-07-9Online:2020-09-16
作者简介 About authors
李婧妤,E-mail： lijingyu0809@126.com。












摘要
【目的】分析耕作对土壤碳储量的影响,明确我国东北、华北地区的科学耕作方式,为区域优化耕作模式、改善土壤提供依据。【方法】基于吉林公主岭（GZL）、山西寿阳（SSY）、河北廊坊（HLF）、山西临汾（SLF）4个长期定位试验,选择传统耕作（CT）、免耕（NT）两个耕作处理,分析耕作对有机碳影响的区域差异。【结果】（1）免耕对土壤容重和紧实度影响存在区域性差异,显著提高了东北冷凉区黏质黑土（公主岭）和华北砂质潮土（廊坊）的土壤容重和紧实度,土壤容重分别增加了12.1%、0.7%,但降低了黄土高原东部粉砂壤质黄土（临汾）和砂壤质褐土（寿阳）的土壤容重和紧实度,土壤容重分别降低了1.5%、8.2%。（2）公主岭试验点0、10 kPa土壤体积含水量处理间差异显著,免耕较传统耕作分别提高了40.4%、30.1%;寿阳试验点0、10、500 kPa下免耕较传统耕作土壤体积含水量分别降低了6.4%、4.3%、5.9%,350 kPa下提高了2.1%;廊坊试验点10、350、500 kPa免耕下土壤体积含水量分别提高了0.6%、5.6%、2.6%;临汾试验点0和10 kPa免耕下土壤体积含水量分别降低了7.1%、5.5%,350 和500 kPa土壤体积含水量分别提高了2.9%、8.9%。（3）在4个区域,免耕显著提高了0—10 cm表层土壤有机碳储量,其中公主岭增加最显著,提高了45.4%;但免耕对0—80 cm土层总有机碳储量影响存在区域性差异,公主岭提高了7.2%,寿阳、廊坊、临汾分别降低了26.8%、31.3%、23.5%。（4）土壤有机碳与饱和含水量呈极显著正相关关系,而与年均温、年降水、紧实度具有显著负相关关系,有机碳储量受气候因子、持水能力、紧实度的影响显著。【结论】由于我国东北和华北地区气候、作物类型、土壤性质等不同,免耕对土壤有机碳储量影响存在区域性差异,可以显著提高各区域表层土壤有机碳储量,但仅提高了东北冷凉区黏质黑土（公主岭）土壤总有机碳储量。总体来说,免耕保护性耕作技术是提高表层有机碳储量的有效途径。
关键词： 免耕;土壤有机碳;土壤物理性质;水分特征曲线;区域

Abstract
【Objective】Soil tillage is an important factor which affecting soil organic carbon, but the impact of tillage on soil organic carbon and the driving factors in different regions are still unknown. In this study, the regional variation in the effects of no-till on soil water retention and organic carbon pool were studied to improve regional soil tillage in the north of China. 【Method】The four typical long-term tillage experiments were selected, which was located in Shouyang (SSY) and Linfen (SLF) of Shanxi Province, Gongzhuling (GZL) of Jilin Province and Langfang (HLF) of Hebei Province. Two tillage treatments, including conventional tillage (CT) and no-till (NT) , were selected to study the effects of tillage on organic carbon. 【Result】 (1) Soil bulk density and penetrometer resistance were significantly affected by no-tillage in different regions. Compared with CT, NT significantly increased the bulk density in black soil (GZL) and sandy soil (HLF), which was increased by 12.1% and 0.7%, respectively. But CT reduced the bulk density in fluvo-aquic soil (SLF) and cinnamon soil (SSY), which was decreased by 1.5% and 8.2%, respectively. (2) The soil water content of 0 and 10 kPa under NT in black soil (GZL) was significantly different, which were increased by 40.4% and 30.1%, respectively; the soil water content of 0, 10 and 500 kPa under NT in cinnamon soil (SSY) was reduced by 6.4%, 4.3%, and 5.9%, respectively, and which was increased by 2.1% at 350 kPa. The soil water content of 10 kPa, 350 kPa, and 500 kPa under NT in sandy soil (HLF) were increased by 0.6%, 5.6%, and 2.6%, respectively. The soil water content of 0 and 10 kPa under NT in fluvo-aquic soil (SLF) decreased by 7.1% and 5.5%, respectively, and the soil water content of 350kPa and 500kPa was increased by 2.9% and 8.9%, respectively. (3) Soil organic carbon was affected by no-tillage in different regions. Compared with CT, NT significantly increased the organic carbon storage in 0-80 cm layer in black soil (GZL); in cinnamon soil (SSY), fluvo-aquic soil (SLF) and sandy soil (HLF), NT decreased soil organic carbon storage by 26.8%, 31.3%, and 23.5%, respectively. (4) Soil organic carbon stocks were positive correlated with altitude and saturated moisture, which was negatively correlated with annual average temperature, annual precipitation, and penetrometer resistance. This showed that organic carbon storage was significantly affected by climatic factors, soil water retention and penetrometer resistance. 【Conclusion】No-tillage changed soil organic carbon stocks by affecting penetrometer resistance and soil water retention. However, due to differences in climate, crop and soil factors in northeast and north of China, the increase in soil organic carbon stocks was different. In general, conservation tillage was an effective way to increase the surface soil organic carbon storage.
Keywords：no-tillage;soil organic carbon;soil physical properties;soil water characteristic curve;region


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本文引用格式
李婧妤, 李倩, 武雪萍, 吴会军, 宋霄君, 张永清, 刘晓彤, 丁维婷, 张孟妮, 郑凤君. 免耕对农田土壤持水特性和有机碳储量影响的区域差异[J]. 中国农业科学, 2020, 53(18): 3729-3740 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.18.009
LI JingYu, LI Qian, WU XuePing, WU HuiJun, SONG XiaoJun, ZHANG YongQing, LIU XiaoTong, DING WeiTing, ZHANG MengNi, ZHENG FengJun. Regional Variation in the Effects of No-Till on Soil Water Retention and Organic Carbon Pool[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(18): 3729-3740 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.18.009


0 引言

【研究意义】土壤是陆地生态系统最大的碳库[1],土壤碳库对全球陆地碳循环产生巨大影响[2]。耕作措施会改变土壤物理性质,影响有机碳分解和转化,进而影响有机碳储量。许多研究表明,保护性耕作技术能够增加有机碳含量,增强土壤固碳效应[3]。但是土壤固碳潜力受到土壤质地、耕作方式、种植制度等多种因素影响[4],开展耕作方式对不同区域土壤物理性质的对比联网研究,有助于理解不同耕作对土壤有机碳储量影响的差异,为今后保护性耕作技术的推广提供依据。【前人研究进展】秸秆输入和有机碳矿化分解是影响土壤有机碳储量的两个因素。与传统耕作相比,免耕秸秆覆盖可以提高表层土壤有机碳含量[5,6],但秸秆输入不能完全解释不同区域、不同耕作方式下土壤有机碳储量差异。土壤容重、紧实度、孔隙度、持水能力等物理指标也是影响有机碳储量的重要因素[7,8]。目前关于保护性耕作下土壤容重、孔隙度、持水能力等物理性质的变化,其试验结果并不一致。孙国峰等[9]发现,免耕处理下0—10 cm土层土壤容重显著降低,土壤孔隙度提高,持水能力提高。罗珠珠等[10]研究发现免耕处理下土壤容重和紧实度增加,而孔隙度和持水能力减小。刘孝义等[11]发现保护性耕作能够提高土壤总孔隙度,提高土壤持水能力。大量研究结果认为有机碳含量与容重及紧实度呈正相关,与孔隙度呈负相关;传统耕作降低了土壤容重,增加了孔隙度,通气性增加,微生物活性提高,加快了土壤有机碳分解,降低有机碳储量[12,13,14,15];GAO等[16]认为土壤有机碳含量与孔隙度呈正相关,保护性耕作通过降低土壤容重、提高孔隙度数量和团聚体稳定性增加有机碳储量。由此可见,不同区域农田生态系统中,耕作对有机碳的影响及其驱动因素还不明晰。【本研究切入点】现有的研究多集中于单一试验点,不同区域、不同耕作方式下土壤物理性质及其与有机碳之间的关系尚不清楚。本研究借助4个长期定位试验点开展联网研究,试验结果结论具有普适意义。【拟解决的关键问题】本试验借助吉林公主岭（GZL）、山西寿阳（SSY）、河北廊坊（HLF）和山西临汾（SLF）4个长期定位试验点的农田土壤为研究对象,探讨不同区域耕作对有机碳储量的影响及其驱动因素,为评价保护性耕作对不同区域农田土壤的固碳效应提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验选取吉林公主岭、山西寿阳、河北廊坊、山西临汾4个试验点,地处我国东北与华北地区,是我国保护性耕作推广应用的重要区域,各试验点基本信息如表1所示。

Table 1
表1
表14个试验地点基本信息
Table 1Basic of the four experimental site
地点
Site		试验起始年
Experiment
starting year		年均气温
Annual average
temperature (℃)		年均降水
Annual precipitation (mm)		作物
Crop		土壤类型
Soil type		土壤颗粒组成 Soil particle composition (%)
黏粒
(0-0.002 mm)
Clay		粉粒
(0.002-0.05 mm)
Silt		砂粒
(0.05-2 mm)
Sand
吉林公主（GZL）
Gongzhuling, Jilin		19905.6594.8春玉米
Spring corn		黑土
Black soil		31.129.939.1
山西寿阳（SSY）
Shouyang, Shanxi		20037.4461.8春玉米
Spring corn		褐土
Cinnamon soil		5.663.930.5
河北廊坊（HLF）
Langfang, Hebei		200911.9550.0冬小麦-夏玉米
Winter wheat-
summer corn		潮土
Fluvo-aquic soil		4.151.444.5
山西临汾（SLF）
Linfen, Shanxi		199210.7555.0冬小麦
Winter wheat		黄绵土
Loessal soil		5.273.920.9

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1.2 试验设计

每个试验点田间管理按照当地习惯进行,但秸秆还田量和施肥量不同。试验采用随机区组设计,选取传统耕作（CT）、免耕（NT）作为供试处理,每个处理设3次重复。传统耕作（CT）,收获后,将作物秸秆（吉林公主岭和山西寿阳的玉米秸秆、河北廊坊的小麦和玉米秸秆、山西临汾的小麦秸秆）从田间移除,利用旋耕机、播种机等农用机械进行耕地和播种,播种前撒施化肥;免耕（NT）,将收获后的作物秸秆还田,利用免耕播种机播种,同时在播种行侧,深施化肥。土壤采样,2017年,作物收获后,利用多点混合取样法,在4个试验点小区用土钻取0—10、10—20、20—40、40—60和60—80 cm土壤样品,选用挖剖面法采集环刀样,所有土样装入聚乙烯样袋中,带回室内分析测定。

1.3 指标测定及数据处理

土壤紧实度：利用紧实度仪（SC900型）于2017年8—9月在田间小区测定0—45 cm土层紧实度,土壤紧实度仪随土壤深度的变化自动计数,每隔2.5 cm读取一个数值,水平间距10 cm,9次重复。

土壤容重：环刀法。将环刀样品置于烘箱,105 ℃下烘8 h,拿出后置于干燥器,冷却称重。

土壤机械组成：采用吸管法进行测定,土壤粒径分级采用《美国制土壤颗粒分级标准》。

土壤总孔隙度（%）=（1-土壤容重/土壤密度）×100;土壤密度为2.65 g·cm-3。

土壤有机碳：vario MACRO cube CHN 元素分析仪。将风干后的土壤样品过0.15 mm筛,用1 mol·L-1的盐酸去除碳酸盐后烘干,上机测定。

土壤有机碳储量采用等质量土壤有机碳储量法计算：

MSOC=Bd×S×(H+Hadd) ×SOC×10
Msoil=S×h×Bd×1000
式中,MSOC 为土壤机碳储量(t·hm-2),Msoil为单位面积土壤质量（t·hm-2）;SOC为土壤有机碳含量（g·kg-1）;S为土壤面积（m2）;Bd为土壤容重（g·cm-3）;H为土层厚度（m）;Hadd为要达到等质量土壤需要另加的亚表层土壤深度（m）。

根据公式可以得到不同耕作处理下土壤质量。以不同处理下土壤质量最大值作为统一的土壤质量。然后采用式（3）计算其他耕作处理方式下达到同质量的土壤需要另加的土壤深度。

Hadd=（Msoil,equiv-Msoil,surface）/S/Bdsurface
式中,Msoil,equiv为较大的单位面积土壤质量（t·hm-2）;Msoil,surface为较小的单位面积土壤质量（t·hm-2）;Bdsurface为较小土壤容重（g·cm-3）。

土壤水分特征曲线测定方法：采用环刀法在每个采样点分层取4个重复样,带回实验室,将其中一个环刀土样烘干（105 ℃）称重测定土壤含水量,并计算土壤容重,其余环刀土样沙箱法和压力膜法测定土壤水分特征曲线。

利用Van-Genuchten模型（简称 VG模型）对数据进行拟合,获得土壤水分特征曲线。

$\frac{\text{ }\!\!\theta\!\!\text{ - }\!\!\theta\!\!\text{ r}}{\text{ }\!\!\theta\!\!\text{ s}-\text{ }\!\!\theta\!\!\text{ r}}={{\left[ \frac{\text{1}}{\text{1}+{{\text{( }\!\!\alpha\!\!\text{ h)}}^{\text{n}}}} \right]}^{\text{m}}}$

式中,θ为体积含水量（cm3·cm-3）;h为土壤水吸力（Pa）;θr为残留含水量（cm3·cm-3）;θs为饱和含水量（cm3·cm-3）;α、n和m是方程参数。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据处理,Sigmaplot14.0制作图表,数据测定结果均以平均值±标准差表示。利用SAS 9.1软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和双因素方差分析（two-way ANOVA）,用LSD方法对不同处理之间进行多重比较,单个试验点两个处理间进行t检验（P<0.05）。

2 结果

2.1 不同耕作方式对土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤容重与孔隙度 不同耕作处理影响土壤容重,但影响程度在4个试验点存在差异（表2）。公主岭NT处理的土壤容重值较CT处理增加了12.1%左右,差异显著（P<0.05）;寿阳NT处理的土壤容重显著低于CT处理（P<0.05）,降低了8.2%;廊坊和临汾CT与NT处理土壤容重差异不显著（P>0.05）。相比于土壤容重,土壤总孔度变化趋势相反。公主岭CT处理土壤孔隙度大于NT处理,差异显著（P<0.05）;寿阳NT处理土壤孔隙度为49.4%,与CT处理间差异显著（P<0.05）;廊坊和临汾CT和NT处理间差异不显著（P>0.05）。

Table 2
表2
表2不同耕作处理下0—10 cm土层容重和孔隙度
Table 2Soil bulk density and total porosity in 0-10 cm depth under different tillage
试验点
Site		处理
Treatment		容重
Bulk density (g·cm-3)		孔隙度
Total porosity
(%)
吉林公主岭（GZL）
Gongzhuling, Jilin		CT1.33 ± 0.03b0.49 ± 0.01a
NT1.49 ± 0.13a0.44 ± 0.05b
山西寿阳（SSY）
Shouyang, Shanxi		CT1.46 ± 0.02a0.45 ± 0.01b
NT1.34 ± 0.07b0.49 ± 0.03a
河北廊坊（HLF）
Langfang, Hebei		CT1.46 ± 0.06a0.45 ± 0.02a
NT1.47 ± 0.01a0.44 ± 0.01a
山西临汾（SLF）
Linfen, Shanxi		CT1.38 ± 0.10a0.47 ± 0.04a
NT1.36 ± 0.06a0.49 ± 0.02a
表中字母a,b表示同一试验点不同处理间存在显著差异。下同
a and b indicate significant differences in the same site between different treatments. The same as below

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2.1.2 土壤紧实度 4个试验点不同耕作处理对土壤紧实度的影响存在差异（图1）。公主岭整个土壤剖面NT处理土壤紧实度均不同程度地高于CT处理;0—5 cm表土层,寿阳、廊坊、临汾试验点不同耕作处理土壤紧实度差异不显著（P>0.05）;5—25 cm,寿阳和临汾试验点NT处理土壤紧实度显著高于CT处理（P<0.05）,廊坊 NT处理土壤紧实度高于CT处理,差异不显著（P>0.05）;25—45 cm,寿阳土壤紧实度CT>NT（P<0.05）,廊坊与临汾试验点土壤紧实度处理间差异不显著（P>0.05）。

图1

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图1不同耕作处理下土壤紧实度

CT: 传统耕作 Conventional tillage; NT: 免耕 No-tillage。下同 The same as below
Fig. 1Penetrometer resistance under different tillage



2.1.3 土壤水分特征曲线 Van-Genuchten模型对各试验点不同耕作处理曲线拟合的参数结果如表3所示,各试验点的拟合参数θs、θr、α、n差异很大,相同试验点的土壤变化不显著,饱和含水量θs在27.2—39.1之间,n值在1.2—1.5之间,α值在0.01—0.06之间,残余含水量θr随试验点的变化显著。通过4个试验点两种耕作处理下土壤水分特征曲线发现（图2）：与CT相比,公主岭试验点0和10 kPa NT下土壤体积含水量分别显著提高了40.4%、30.1%（P<0.05）,350和500 kPa处理间差异不显著,分别提高了3.8%、4.7%;临汾试验点0和10 kPa NT下土壤体积含水量较CT分别降低了7.1%、5.5%,差异不显著（P>0.05）,350和500 kPa土壤体积含水量分别提高了2.9%、8.9%;廊坊试验点10、350、500 kPa下NT较CT相比,土壤体积含水量分别提高了0.6%、5.6%、2.6%,但处理间差异不显著（P>0.05）;与CT相比,寿阳试验点0、10、500 kPa下NT处理的土壤体积含水量分别降低了6.4%、4.3%、5.9%,350 kPa下提高了2.1%。

Table 3
表3
表3不同耕作下土壤水分特征曲线Van-Genuchten模型参数拟合值
Table 3Fitting value of water characteristic curve parameters of Van-Genuchten
试验点
Site		处理
Treatment		拟合参数值Fitting parameter value相关系数
Correlation coefficient, R2
θsθrαn
吉林公主岭（GZL）
Gongzhuling, Jilin		CT27.250.0000480.012401.29420.9835
NT38.210.0000900.116831.20280.9864
山西寿阳（SSY）
Shouyang, Shanxi		CT39.080.0008530.039301.48870.9958
NT37.140.0001300.030261.49470.9923
河北廊坊（HLF）
Langfang, Hebei		CT31.140.0000020.044901.47840.9924
NT30.960.0000050.041551.36550.9848
山西临汾（SLF）
Linfen, Shanxi		CT35.880.0004570.055221.34150.9936
NT34.060.0007130.044221.30970.9832

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图2

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图2不同耕作处理下土壤持水曲线

Fig. 2Soil water retention curve under different tillage methods



2.2 不同耕作方式对土壤有机碳的影响

2.2.1 土壤有机碳含量 两种耕作处理下土壤有机碳含量随土层加深而下降,下降趋势渐缓。4个试验点不同耕作处理下土壤有机碳含量存在差异（图3）： 公主岭试验点不同土层NT处理土壤有机碳含量均显著高于CT处理（P<0.05）;寿阳试验点免耕显著提高了0—40 cm土层土壤有机碳含量（P>0.05）,40 cm以下土层有机碳含量CT处理>NT处理;临汾NT处理提高土壤0—10 cm耕作层的碳含量,10—20 cm有机碳含量CT>NT,40 cm以下土层有机碳含量的处理间差异不显著（P>0.05）;与其他试验点相比,廊坊不同处理下土壤有机碳含量差异显著（P<0.05）,NT处理的土壤有机碳含量仅仅在0—10 cm土壤表层高于CT处理。

图3

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图3不同耕作处理下土壤有机碳含量

Fig. 3Soil organic carbon contents under different tillage



2.2.2 土壤有机碳储量 根据双因素方差分析发现,耕作方式对土壤有机碳储量具有极显著影响（P<0.01）,试验点对土壤有机碳储量具有显著影响（P<0.05）,土壤有机碳储量受地点和耕作方式交互作用影响较小（P>0.05）。表4表明,耕作方式对不同试验点0—80 cm土层有机碳储量影响不同,与CT相比,NT增加了4个试验点表层农田土壤的有机碳储量。其中,公主岭试验点0—10、10—20 cm土层有机碳储量和0—80 cm土层有机碳总储量NT显著高于CT处理（P<0.05）,分别提高了45.4%、58.5%、7.2%;寿阳试验点0—10、10—20 cm土层有机碳储量NT较CT分别提高了11.9%、9.2%,但0—80 cm土层总有机碳储量下降了26.8%;廊坊试验点0—10 cm土层NT处理有机碳储量比CT处理提高了23.1%,0—80 cm土层NT处理有机碳储量显著小于CT处理,降低了31.3%;临汾试验点0—10 cm土层有机碳储量NT较CT增加了27.2% ,其他各土层和0—80 cm土层有机碳总储量均下降,其中总储量降低了23.5%,差异显著（P<0.05）。

Table 4
表4
表4不同耕作处理下土壤有机碳储量
Table 4Soil organic carbon storage under different tillage
试验点处理有机碳储量 Organic carbon storage (t·hm-2)
SiteTreatment0-10 cm比CT提高10-20 cm比CT提高20-40 cm比CT提高
Increased thanIncreased thanIncreased than
CT (%)CT (%)CT (%)
吉林公主（GZL）CT19.04 ± 0.96b15.59 ± 0.56b23.21 ± 0.02a
Gongzhuling, JilinNT27.69 ± 1.52a45.424.71 ± 0.19a58.519.37 ± 0.72b-16.5
山西寿阳（SSY）CT28.41 ± 1.19b27.12 ± 0.42b56.55 ± 4.89a
Shouyang, ShanxiNT31.81 ± 0.52a11.929.62 ± 0.14a9.224.49 ± 1.66b-56.7
河北廊坊（HLF）CT10.56 ± 0.63b9.06 ± 0.32a12.14 ± 2.48a
Langfang, HebeiNT12.99 ± 0.99a23.17.66 ± 0.69b-15.54.96 ± 1.16b-59.1
山西临汾（SLF）CT12.02 ± 0.67b10.07 ± 0.58a12.32 ± 2.67a
Linfen, ShanxiNT15.29 ± 0.62a27.28.25 ± 0.33b-18.16.26 ± 1.12b-49.2
试验点处理有机碳储量 Organic carbon storage(t·hm-2)
SiteTreatment40-60 cm比CT提高60-80 cm比CT提高0-80 cm比CT提高
Increased thanIncreased thanIncreased than
CT (%)CT (%)CT (%)
吉林公主（GZL）CT16.87 ± 0.28a8.61 ± 0.36a83.33 ± 0.89b
Gongzhuling, JilinNT11.07 ± 1.79b-34.46.24 ± 0.81b-27.589.32 ± 0.21a7.2
山西寿阳（SSY）CT28.68 ± 0.28a11.69 ± 0.69a154.09 ± 3.57a
Shouyang, ShanxiNT20.97 ± 0.14b-26.95.92 ± 0.09b-49.4112.84 ± 1.81b-26.8
河北廊坊（HLF）CT3.04 ± 0.31a3.36 ± 1.96a39.85 ± 1.75a
Langfang, HebeiNT1.45 ± 0.55b-52.30.85 ± 0.14b-74.727.37 ± 2.81b-31.3
山西临汾（SLF）CT9.18 ± 2.06a7.28 ± 1.32a50.22 ± 4.06a
Linfen, ShanxiNT4.65 ± 0.29b-49.33.71 ± 0.17b-49.138.42 ± 0.45b-23.5

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2.3 气候因子、土壤因子与有机碳的相关性

4个试验点长期不同耕作措施下,气候因子、土壤因子与有机碳储量之间存在相关关系（表5）。土壤有机碳储量与饱和含水量呈极显著正相关关系（P< 0.01）,与年均温、年降水量呈极显著负相关关系（P<0.01）,与紧实度呈显著负相关关系（P<0.05）,但与容重、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量无显著相关性。同时,饱和含水量与年降水、容重具有极显著相关性（P<0.01）,紧实度与粉粒含量、砂粒含量具有极显著相关性（P<0.01）。

Table 5
表5
表5气候因子、土壤因子与土壤有机碳储量的Pearson相关系数
Table 5Correlation coefficients between climate factors、soil factors and soil organic carbon
年均温
Annual average
temperature		年降水
Annual precipitation		容重
Bulk density		黏粒含量
Clay		粉粒含量
Silt		砂粒含量
Sand		饱和含水量Saturated moisture紧实度
Penetrometer resistance		有机碳储量
Organic C storage
年均温
Annual average temperature		1
年降水Annual precipitation0.1261
容重Bulk density0.1490.1061
黏粒含量Clay-0.1320.101-0.3891
粉粒含量Silt-0.3680.023-0.3210.902**1
砂粒含量Sand0.337-0.0350.335-0.928**-0.998**1
饱和含水量
Saturated moisture		-0.381-0.589**-0.524**0.3810.317-0.3151
紧实度
Penetrometer resistance		-0.3370.2980.084-0.308-0.544**0.538**-0.1541
有机碳储量
Organic C storage		-0.731**-0.708**-0.880.460.218-0.1940.627**-0.538*1
*表示在0.05水平上显著;**表示在0.01水平上极显著
*Indicate significant different at α=0.05; **Indicate significant different at α=0.01

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3 讨论

3.1 保护性耕作下土壤物理性质的变化

土壤容重、紧实度、持水性能是土壤物理性质的重要指标,各区域土壤类型、耕作年限、耕作机械不同,导致不同耕作下土壤物理性质具有区域性差异。众多研究者对不同区域保护性耕作下土壤物理性质的研究结果存在分歧,许多研究者发现免耕处理下土壤容重和紧实度增大、孔隙度减少,土壤含水量低[17,18,19];也有研究发现免耕处理下0—10 cm土层土壤容重显著降低,土壤孔隙度提高,土壤含水量提高[9];而侯雪坤[20]认为免耕与传统耕作下土壤容重、孔隙度无显著差异,而与土壤质地、种植制度等有关。本研究中免耕处理下,廊坊试验点土壤容重与紧实度高于传统耕作,这可能是由于该试验点为一年两熟的种植制度,传统耕作下频繁的机械扰动降低了土壤容重,而免耕对土壤扰动比较小,同时播种机械对土壤具有压实作用,造成表层容重值的提高和紧实度的增加,但对深层土壤影响较小。公主岭试验点0—80 cm土壤剖面容重和紧实度免耕显著大于传统耕作,分析其原因可能是黑土黏粒含量较高,受耕作播种机械影响大,免耕处理下播种机机械的压实作业导致土壤紧实度进一步增加、孔隙度减少,土壤容重显著增大,而传统耕作以大机械翻耕作业为主,土壤疏松多孔,进而降低了土壤容重和紧实度,这与王恩姮等[21]的结果一致;临汾和寿阳试验点主要是人工操作,试验小区机械压实作用小,同时免耕增加秸秆还田,增加土壤有机碳,土壤动物、微生物增多,对土壤具有疏松作用,再加上冬季土壤冻融疏松作用,因此免耕下表层土壤容重低于传统耕作。

土壤颗粒组成决定土壤孔隙结构,而孔隙结构影响土壤水分运动[22]。公主岭试验点0—500 kPa吸力下土壤体积含水量都较大,这可能是由于黏质黑土保水性能比较好[23];而廊坊试验点0—50 kPa吸力下孔隙释水性较强,一定吸力以后平缓,这有可能是由于砂质潮土含沙量多,保水性能差造成的。本试验中,不同试验点各处理下土壤含水量在低吸力阶段没有显著差异,10—350 kPa中高吸力段,免耕处理下土壤持水能力高于传统耕作,这是由于保护性耕作土壤的持水性能较传统耕作土壤显著提高,一是秸秆还田带来有机质的增加,改善土壤内部的水热条件;二是耕作活动影响土壤的孔隙分布和团聚体结构;三是免耕秸秆还田覆盖减少了土壤水分的无效蒸发,增加土壤有效持水量,因此,免耕土壤持水能力高于传统耕作[24,25]。

3.2 保护性耕作下土壤有机碳储量的变化

保护性耕作能促进土壤有机碳积累。BAKER等[26]发现耕作方式对土壤有机碳的影响主要集中在0—30 cm土层;而胡宁等[27]发现免耕提高5—15 cm土层有机碳储量,这主要是由于不同区域翻耕深度、土壤类型、地理条件等造成的,说明保护性耕作对土壤有机碳储量的影响因区域不同而差异显著。土壤有机碳含量由秸秆还田量、有机碳分解速率等因素决定,不同区域耕作下土壤物理性质的变化是影响有机碳分解转化的重要因素[28,29]。公主岭试验点0—80 cm土层土壤总有机碳储量免耕高于传统耕作,可能是由于表层积累的碳的淋溶和搬运,导致亚表层碳的输入性增加,而免耕秸秆覆盖提高了土壤的导水性能和生物活性,因此有利于土壤有机质向亚表层淋溶和迁移[30,31,32,33]。廊坊和临汾试验点0—10 cm表层免耕处理土壤有机碳储量高于传统耕作,一是由于秸秆还田增加碳输入量,土壤表层碳含量增加;二是由于秸秆覆盖降低了土壤水分蒸发,土壤持水能力提高,减少了因风蚀水蚀造成的碳损失[34];三是由于免耕改变了土壤的物理性状,土壤容重增加,孔隙度较小,不利于微生物活动,降低了有机碳的分解速率[35,36,37]。而传统耕作对土壤扰动较大,土壤通气性增强,土壤有机碳分解比较快[12]。免耕对土壤扰动比较小,秸秆仅覆盖在地表,深层土壤基本无秸秆输入,因此免耕显著降低了10 cm以下土层有机碳储量;寿阳试验点免耕处理提高了0—40 cm土层有机碳储量,这主要是由于该区域土壤质地为砂壤土,土壤颗粒间孔隙度比较大,造成有机质向下层迁移和淋溶,因此免耕在增加寿阳试验点表层碳储量的同时增加了20—40 cm土层有机碳储量。

3.3 区域气候因素及土壤物理性质对有机碳储量的影响

土壤有机碳储量受气候因子和土壤性质等因子影响显著。STRONG等[38]认为土壤总孔隙度与土壤有机碳具有正相关性;而祖元刚等[39]研究了东北黑土发现,土壤容重与有机碳呈正相关关系,总孔隙度与土壤有机碳含量呈显著负相关。王玉珏等[40]研究发现土壤有机碳、总氮含量与年均温、年降水有显著正相关关系,与砂土含量、土壤容重有显著正相关关系。本研究表明,土壤有机碳与饱和含水量呈极显著正相关关系,而与年均温、年降水、紧实度具有显著负相关关系,有机碳储量受气候因子、持水能力、紧实度的影响显著。保护性耕作提高土壤持水能力、增加有机碳储量主要原因：一是保护性耕作增加了土壤覆盖,裸露面积减少,土壤有机碳矿化少;另一方面,保护性耕作通过减少对土壤的扰动,降低了土壤水分蒸发,减少了因风蚀和水蚀造成的有机碳损失。因此,保护性耕作可以不同程度地增加有机碳储量。

4 结论

4.1 免耕对土壤容重和紧实度影响存在区域性差异。免耕提高了黏质黑土（公主岭）和砂质潮土（廊坊）土壤容重和紧实度,降低了粉砂壤质黄土（临汾）和砂壤质褐土（寿阳）土壤容重。

4.2 与传统耕作相比,免耕显著提高4个试验点0—10 cm表层有机碳储量。其中黏质黑土（公主岭）有机碳储量提高了45.4%,砂壤质褐土（寿阳）有机碳储量提高了11.9%,砂质潮土（廊坊）有机碳储量提高了23.1%,粉砂壤质黄土（临汾）有机碳储量提高了27.2%。

4.3 耕作对0—80 cm土层不同区域的有机碳总储量影响存在显著性差异。其中免耕下黏质黑土（公主岭）有机碳储量显著提高了7.2%,砂壤质褐土（寿阳）、砂质潮土（廊坊）、粉砂壤质黄土（临汾）有机碳储量分别降低了26.8%、31.3%、23.5%。

4.4 4个试验点不同耕作处理下土壤体积含水量在低吸力阶段没有显著差异,10—350 kPa中高吸力段,免耕处理下土壤持水能力高于传统耕作。

4.5 长期耕作可以通过调节土壤持水能力和紧实度影响土壤有机碳储量,但影响程度存在区域性差异。总体来说,免耕是提高表层土壤有机碳储量的重要措施。

致谢：

感谢刘恩科研究员,卢昌艾研究员在土壤样品采集中的支持帮助！


参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

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该文针对南方稻田长期免耕存在的耕层变浅、下层土壤紧实等问题，进行了土壤轮耕效应的研究。试验选择双季稻区连续7 a免耕稻田，2006年4月设置免耕、翻耕和旋耕3种耕作处理。2007年4月将翻耕、旋耕稻田一半免耕，剩下一半继续翻耕、旋耕。每年早稻和晚稻采用同一耕作措施。研究结果表明，长期免耕表层0～5 cm土壤体积质量呈降低趋势，而下层10～20 cm呈增加趋势。翻耕、旋耕相对于长期免耕能够有效降低下层土壤体积质量，同时，提高下层毛管孔隙度。翻耕、旋耕后免耕下层土壤体积质量呈增加趋势，而毛管孔隙度呈降低趋势。长期免耕后，翻耕、旋耕能够有效增加耕层（0～20 cm）土壤水贮量，特别是在土壤含水率偏低时尤为显著，2007年翻耕、旋耕较长期免耕分别高了12.9%和20.7%，而翻耕、旋耕后免耕呈降低趋势。研究还显示，各轮耕耕层土壤质量含水率与体积质量呈显著线性负相关，与毛管孔隙度呈显著线性正相关。总之，长期免耕后，翻耕、旋耕措施通过改变耕层土壤结构，进而提高稻田土壤水贮量。
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通过在陇中黄土高原半干旱区进行保护性耕作的定位研究,探讨了保护性耕作对土壤容重以及渗透性能的影响.结果表明:与传统耕作(T)、免耕无覆盖(NT)、传统耕作结合秸秆还田(TS)相比,试验的前2～3 a免耕覆盖(NTS)使得土壤容重增大,而后保持稳定状态不再持续增加.通过对渗吸率、宏观毛管长度、有效孔径以及饱和导水率等指标的比较发现,免耕覆盖(NTS)对土壤的渗透性能有显著的改善作用.
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研究不同耕作方式对华北农田土壤固碳及碳库管理指数的影响，可为探寻有利于农田固碳的耕作方式提供科学依据。该研究在中国农业大学吴桥实验站进行，试验于2008年设置了免耕秸秆不还田（NT0）、翻耕秸秆不还田（CT0）、免耕秸秆还田（NT）、翻耕秸秆还田（CT）和旋耕秸秆还田（RT）5个处理。研究测定分析了土壤容重、有机碳、易氧化有机碳含量及不同耕作方式下的碳库管理指数。通过对不同耕作方式下0～110 cm土壤的分析，结果表明，随着土层的加深，土壤有机碳含量不断下降，NT显著增加了表层（0～10 cm）土壤有机碳含量，而＞10～50 cm有机碳含量较其他处理（NT0除外）有所下降，深层（＞50～110 cm）处理间差异不明显；土壤容重与有机碳含量呈显著的负相关关系（P＜0.01）；0～30 cm土层有机碳储量以NT最高，CT与其无明显差异，二者较CT0分别高出13.1%和11.0%，而至0～50 cm土层，CT的碳储量最高，但与NT无显著差异（P＜0.05）；与CT0相比，NT0降低了各层土壤易氧化有机碳含量，而NT则在0～10 cm土层表现为增加；RT、CT分别显著增加了0～10、＞10～30 cm土层的碳库管理指数。结果表明，秸秆还田可改善土壤质量，提高农田碳库管理指数，同时碳库管理指数受耕作方式的影响也较大，尤其是CT和RT；NT通过减少土壤扰动、增加有机质的输入，可提高上层土壤有机碳的储量。
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土壤深松是解决长期旋免耕农田耕层浅薄化、亚表层（15～30 cm）容重增加等问题的有效方法之一，而将长期旋免耕农田进行深松必然导致农业生态系统中土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）及碳固定速率的变化。因此，为对比将长期旋免耕转变为深松前后农田土壤有机碳库变化，该研究利用连续12a的旋耕和免耕长期定位试验以及在此基础上连续6 a旋耕-深松和免耕-深松定位试验，对比了转变耕作方式对农田土壤0～30 cm有机碳含量、周年累积速率及其固碳量的影响。研究结果表明，经过连续12 a的旋耕和免耕处理（2002－2014），2014年免耕处理土壤0～30 cm有机碳储量比试验初期（2002年）提高38%，旋耕处理降低了30%，而对照常规处理无显著差异。免耕处理土壤0～30 cm有机碳储量比旋耕处理高约2.6倍（2014年）。长期免耕显著提高了土壤0～30 cm的有机碳含量，2002~2014年其土壤0～30 cm固碳量为16.69 t/hm2，但长期旋耕导致土壤0～30 cm SOC含量显著降低，表现为土壤有机碳的净损耗，年损耗速率为?0.75 t/hm2。而长期旋耕后进行深松（旋耕-深松处理）6年其土壤0～30 cm的有机碳含量较原旋耕处理提高32%～67%，且显著提高了土壤固碳量及周年累积速率；免耕-深松土壤0～30 cm的有机碳周年累积速率较免耕处理下降了42%。长期旋耕造成有机碳水平下降的条件下，将旋耕处理转变为深松处理在短期内更有利于促进土壤有机碳的积累，而将长期免耕处理转变为深松措施，降低了土壤有机碳的累积速率和固碳量。
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研究了不同耕种方式对澳大利亚同一地区3种土壤表层（0~5cm）理化性质的作用，以揭示保护性耕作对土壤质量恢复的影响。结果表明：免耕穴播/保留残茬（DD/SR）、多年生人工草地（PP）和自然草地（NP）表层土壤的&gt;2mm水稳性团聚体含量、全氮、有机碳含量、田间持水量均显著高于其相应对照传统耕作/秸秆焚烧（CC/SB）、人工草地/作物轮作（PPC）和耕作（CT）的；土壤全氮含量、田间持水量分别与有机碳含量之间有极显著的正相关关系（r=0.994**，r=0.996**，n=6），而受土壤质地等因素的影响较小；在同一类型的土壤上，土壤有机碳含量与水稳定性团聚体含量之间存在显著的相关性；在不同试验区，耕作措施对表层土壤容重和孔隙分布的影响存在较大差异；秸秆焚烧和施用石膏对表层土壤的pH及交换性阳离子含量有较大的影响。研究表明长期保护性耕作、草田轮作或多年生草地有利于提高表层土壤有机碳含量和结构稳定性，从而改善土壤的供肥供水能力。

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LOGSDN S D, KARLEN D L. Bulk density as a soil quality indicator during conversion to no-tillage
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DOI:10.1016/j.still.2004.02.003URL [本文引用: 1]

李亚杰, 唐江华, 苏丽丽, 张永强, 彭姜龙, 徐文修. 耕作方式对土壤含水量及夏大豆生长的影响
新疆农业科学, 2015,52(4) : 621-627.
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LI Y J, TANG J H, SU L L, ZHANG Y Q, PENG J L, XU W X. Effects of tillage methods on soil moisture and content and summer soybean growth
Xinjiang Agricultural Science, 2015,52(4):621-627. (in Chinese)
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苏丽丽, 徐文修, 李亚杰, 唐江华, 王娜, 罗家祥. 耕作方式对干旱绿洲滴灌复播大豆农田土壤有机碳的影响
农业工程学报, 2016,32(4):150-156.
URL [本文引用: 1]
为探讨不同耕作措施对不同层次土壤碳的影响，从而评价出滴灌条件下最有利于复播大豆农田固碳的耕作方式，于2012－2014年开展了冬小麦收获后土壤采取翻耕覆膜（tillage plough，TP）、翻耕（tillage，T）、旋耕（rotary tillage，RT）和免耕（no-till，NT）4种不同耕作方式的复播大豆田间试验，研究麦后不同土壤耕作方式对复播大豆农田0～100 cm土层土壤容重、总有机碳（soil organic carbon，SOC）及碳库管理指数（carbon pool management index，CPMI）的影响。结果表明，各处理土壤SOC和易氧化有机碳（easily oxidized organic carbon，EOC）含量随着土层的加深基本呈不断下降趋势。免耕、旋耕处理显著增加了表层0～10 cm土壤的SOC和EOC含量，而TP处理显著增加了耕层＞20～30 cm的SOC和EOC含量，>60～100 cm土层TP处理的SOC含量显著低于其他处理，但各处理间EOC含量差异不显著；土壤容重与总有机碳含量呈显著负相关关系（P<0.01）；0～60 cm土层不同耕作方式CPMI平均值以免耕处理最高，分别比旋耕、翻耕覆膜、翻耕处理的增加了4.41%、9.90%、22.06%，表明免耕、旋耕能够提高0～60 cm土壤的总体CPMI，而耕翻覆膜显著提高20～30 cm耕层土壤CPMI值。该研究为干旱绿洲滴灌条件下选择最有利于复播大豆农田固碳的耕作方式提供了理论依据。
SU L L, XU W X, LI Y J, TANG J H, WANG N, LUO J X. Effects of tillage methods on soil organic carbon in soybean farmland with Drip Irrigation in Arid Oasis
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016,32(4):150-156. (in Chinese)
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为探讨不同耕作措施对不同层次土壤碳的影响，从而评价出滴灌条件下最有利于复播大豆农田固碳的耕作方式，于2012－2014年开展了冬小麦收获后土壤采取翻耕覆膜（tillage plough，TP）、翻耕（tillage，T）、旋耕（rotary tillage，RT）和免耕（no-till，NT）4种不同耕作方式的复播大豆田间试验，研究麦后不同土壤耕作方式对复播大豆农田0～100 cm土层土壤容重、总有机碳（soil organic carbon，SOC）及碳库管理指数（carbon pool management index，CPMI）的影响。结果表明，各处理土壤SOC和易氧化有机碳（easily oxidized organic carbon，EOC）含量随着土层的加深基本呈不断下降趋势。免耕、旋耕处理显著增加了表层0～10 cm土壤的SOC和EOC含量，而TP处理显著增加了耕层＞20～30 cm的SOC和EOC含量，>60～100 cm土层TP处理的SOC含量显著低于其他处理，但各处理间EOC含量差异不显著；土壤容重与总有机碳含量呈显著负相关关系（P<0.01）；0～60 cm土层不同耕作方式CPMI平均值以免耕处理最高，分别比旋耕、翻耕覆膜、翻耕处理的增加了4.41%、9.90%、22.06%，表明免耕、旋耕能够提高0～60 cm土壤的总体CPMI，而耕翻覆膜显著提高20～30 cm耕层土壤CPMI值。该研究为干旱绿洲滴灌条件下选择最有利于复播大豆农田固碳的耕作方式提供了理论依据。

侯雪坤. 不同耕作方式下土壤耕层理化性状和生物学特性时空分布研究
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王恩姮, 柴亚凡, 陈祥伟. 大机械作业对黑土区耕地土壤结构性特征的影响
应用生态学报, 2008,19(2):351-356.
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以东北典型黑土区耕地土壤为研究对象，通过对不同（大、中型）机械作业前后土壤硬度、容重和非毛管孔隙度/毛管孔隙度比值（NCP/CP）等结构性特征指标的测定和分析，研究了机械作业对土壤物理性质的影响.结果表明：机械作业后，土壤硬度在垂直梯度上均存在3个明显交替变化的层面，自上而下依次为耕作区、压实积累区和无影响区，中机械作业的土壤各层变化范围相对较浅，在17.5～30 cm范围内形成了新的土壤板结.大机械作业对黑土区耕地土壤结构性特征的影响以疏松作用为主，尤其对表层土壤的改良效果显著（P＜0.05），与收获前相比, 收获和深松作业后土壤容重分别降低了3.5%和7.2%，深松后NCP/CP提高了556.6%，这对增加入渗、削弱水土流失的潜在威胁极为有利；中机械作业则以压实作用为主.

WANG E X, CHAI Y F, CHEN X W. Effects of large mechanical operations on soil structural characteristics of cultivated land in black soil areas
Chinese Journal of Applied Ecology, 2008,1927(2):351-356. (in Chinese)
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以东北典型黑土区耕地土壤为研究对象，通过对不同（大、中型）机械作业前后土壤硬度、容重和非毛管孔隙度/毛管孔隙度比值（NCP/CP）等结构性特征指标的测定和分析，研究了机械作业对土壤物理性质的影响.结果表明：机械作业后，土壤硬度在垂直梯度上均存在3个明显交替变化的层面，自上而下依次为耕作区、压实积累区和无影响区，中机械作业的土壤各层变化范围相对较浅，在17.5～30 cm范围内形成了新的土壤板结.大机械作业对黑土区耕地土壤结构性特征的影响以疏松作用为主，尤其对表层土壤的改良效果显著（P＜0.05），与收获前相比, 收获和深松作业后土壤容重分别降低了3.5%和7.2%，深松后NCP/CP提高了556.6%，这对增加入渗、削弱水土流失的潜在威胁极为有利；中机械作业则以压实作用为主.


雷志栋, 杨诗秀, 谢森传. 土壤水动力学, 北京: 清华大学出版社, 1988: 18-24.
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王小华, 贾克力, 刘景辉, 李立军. Van Genuchten模型在土壤水分特征曲线拟合分析中的应用
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WANG X H, JIA K L, LIU J H, LI L J. Application of Van Genuchten model to soil moisture characteristic curve fitting analysis
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MRABET R, SABER N, EI-BRAHLI A, LAHLOU S, BESSAM F. Total, particulate organic matter and structural stability of a Calcixeroll soil under different wheat rotations and tillage systems in a semiarid area of Morocco
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胡宁, 娄翼来, 梁雷. 保护性耕作对土壤有机碳、氮储量的影响
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HU N, LOU Y L, LIANG L. The effect of conservation tillage on soil organic carbon and nitrogen storage
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李倩, 李晓秀, 吴会军, 宋霄君, 王碧胜, 武雪萍. 不同气候和施肥条件下保护性耕作对农田土壤碳氮储量的影响
植物营养与肥料学报, 2018,24(6):1539-1549.
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LI Q, LI X X, WU H J, SONG X J, WANG B S, WU X P. Effects of conservation tillage on soil carbon and nitrogen storage in farmland under different climate and fertilization conditions
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李新举, 张志国, 邓基先, 刘辉友. 免耕对土壤生态环境的影响
山东农业大学学报, 1998,29(4):520-526.
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李景, 吴会军, 武雪萍, 蔡典雄, 姚宇卿, 吕军杰, 田云龙. 长期不同耕作措施对土壤团聚体特征及微生物多样性的影
应用生态学报, 2014,25(8):2341-2348.
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以豫西丘陵地区15年的保护性耕作试验为平台,研究了不同耕作措施对土壤水稳性团聚体分布及稳定性和土壤细菌、古菌及真菌多样性的影响.结果表明: 与传统耕作相比,免耕、深松覆盖和小麦-花生两茬耕作处理增加了>2000 μm粒级团聚体的相对含量,减少了<53 μm粒级团聚体的相对含量;显著提高了土壤团聚体平均质量直径(MWD),提高幅度分别为18.0%、12.2%和50.4%.免耕、深松覆盖和两茬耕作处理均可提高细菌、古菌和真菌的Shannon指数(H),细菌分别提高0.3%、0.3%和0.6%,古菌分别提高20.2%、40.5%和49.1%,真菌分别提高23.7%、19.5%和25.8%.土壤细菌和古菌的H指数与大团聚体含量(R0.25)和MWD显著相关,而真菌的H指数与R0.25和MWD相关性不显著.综上,采用免耕、深松结合小麦秸秆覆盖以及小麦-花生轮作等措施均可改善土壤团聚体状况,提高土壤微生物多样性指数.



LI J, WU H J, WU X P, CAI D X, YAO Y Q, LY J J, TIAN Y L. Effects of long-term different tillage measures on soil aggregates and microbial diversity
Chinese Journal of Applied Ecology, 2014,25(8):2341-2348. (in Chinese)
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以豫西丘陵地区15年的保护性耕作试验为平台,研究了不同耕作措施对土壤水稳性团聚体分布及稳定性和土壤细菌、古菌及真菌多样性的影响.结果表明: 与传统耕作相比,免耕、深松覆盖和小麦-花生两茬耕作处理增加了>2000 μm粒级团聚体的相对含量,减少了<53 μm粒级团聚体的相对含量;显著提高了土壤团聚体平均质量直径(MWD),提高幅度分别为18.0%、12.2%和50.4%.免耕、深松覆盖和两茬耕作处理均可提高细菌、古菌和真菌的Shannon指数(H),细菌分别提高0.3%、0.3%和0.6%,古菌分别提高20.2%、40.5%和49.1%,真菌分别提高23.7%、19.5%和25.8%.土壤细菌和古菌的H指数与大团聚体含量(R0.25)和MWD显著相关,而真菌的H指数与R0.25和MWD相关性不显著.综上,采用免耕、深松结合小麦秸秆覆盖以及小麦-花生轮作等措施均可改善土壤团聚体状况,提高土壤微生物多样性指数.



严昌荣, 刘恩科, 何文清, 刘爽, 刘勤. 耕作措施对土壤有机碳和活性有机碳的影响
中国土壤与肥料, 2010(6):58-63.
URL [本文引用: 1]
以5年的不同耕作措施处理的长期试验为基础,研究了不同耕作措施对土壤总有机碳、微生物量碳、颗粒有机碳和可溶性有机碳的影响.试验结果显示,秸秆还田、免耕覆盖、浅旋耕和常规耕作等不同耕作措施对0～40 cm土壤有机碳有显著影响,而对40 cm以下土层土壤有机碳的影响较小.免耕覆盖处理可以提高0～10 cm土层有机碳含量,但10～40 cm土层有机碳含量低于秸秆还田和常规耕作处理.与浅旋耕和常规耕作相比,连续5年秸秆还田和免耕覆盖可显著提高0～100 cm土壤有机碳储量.同时,不同耕作措施也影响活性有机碳含量,在0～5 cm土层中,免耕覆盖处理的颗粒有机碳、可溶性有机碳和微生物碳含量最高,其次为秸秆还田、浅旋耕和常规耕作处理.与常规耕作处理相比,秸秆还田处理 20～40 cm土层的颗粒有机碳、可溶性有机碳和微生物碳含量分别提高了7.3%～121.8%、31.8%～49.3%和44.2%～84.6%.
YAN C R, LIU E K, HE W Q, LIU S, LIU Q. Effects of farming measures on soil organic carbon and active organic carbon
Soil and Fertilizer Sciences in China, 2010(6):58-63. (in Chinese)
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以5年的不同耕作措施处理的长期试验为基础,研究了不同耕作措施对土壤总有机碳、微生物量碳、颗粒有机碳和可溶性有机碳的影响.试验结果显示,秸秆还田、免耕覆盖、浅旋耕和常规耕作等不同耕作措施对0～40 cm土壤有机碳有显著影响,而对40 cm以下土层土壤有机碳的影响较小.免耕覆盖处理可以提高0～10 cm土层有机碳含量,但10～40 cm土层有机碳含量低于秸秆还田和常规耕作处理.与浅旋耕和常规耕作相比,连续5年秸秆还田和免耕覆盖可显著提高0～100 cm土壤有机碳储量.同时,不同耕作措施也影响活性有机碳含量,在0～5 cm土层中,免耕覆盖处理的颗粒有机碳、可溶性有机碳和微生物碳含量最高,其次为秸秆还田、浅旋耕和常规耕作处理.与常规耕作处理相比,秸秆还田处理 20～40 cm土层的颗粒有机碳、可溶性有机碳和微生物碳含量分别提高了7.3%～121.8%、31.8%～49.3%和44.2%～84.6%.

MUNKHOLML J, HECK R J, DEEN B. Long-term rotation and tillage effects on soil structure and crop yield
Soil and Tillage Research, 2013,127:85-91.
DOI:10.1016/j.still.2012.02.007URL [本文引用: 1]

梁爱珍, 张晓平, 杨学明, C. F. Drury. 耕作方式对耕层黑土有机碳库储量的短期影响
中国农业科学, 2006,39(6):1287-1293.
URL [本文引用: 1]
【目的】探索不同耕作方式对耕层黑土有机碳含量的影响。【方法】以2001年秋在吉林省德惠市中层黑土上进行了3年的田间定位试验小区土壤为研究对象，对免耕、垄作和秋翻3种耕作处理下耕层土壤有机碳的动态变化进行了分析，并采用等深度和等质量土壤碳库储量计算方法，比较了不同耕作处理对耕层土壤有机碳库储量的影响。【结果】不同耕作处理对黑土耕层有机碳的影响无显著性差异，而且免耕处理在短期内没有引起耕层土壤有机碳含量的明显增加，反而有所降低。与2001年试验开始时相比，3年免耕管理使表层0～5 cm土壤有机碳含量仅增加了0.18％，而5～20 cm土层有机碳含量则明显降低。利用等深度（0～30 cm）和等质量（4 040 Mg）土壤碳库储量计算方法对比研究表明，将土壤容重考虑在内的等质量土壤有机碳库储量计算方法可以更准确的反映耕作对土壤有机碳库储量的影响。等质量方法计算表明，3年的免耕试验并没有使耕层土壤有机碳库储量发生明显变化。【结论】在质地粘重和排水不良的土壤上实行免耕，短期内土壤有机碳含量并没有增加。长期效果如何还有待观测。
LIANG A Z, ZHANG X P, YANG X M, DRURY C F. Short-term effects of tillage methods on soil organic carbon storage in plow layer of black soil in Northeast China
Scientia Agricultura Sinica, 2006,39(6):1287-1293. (in Chinese)
URL [本文引用: 1]
【目的】探索不同耕作方式对耕层黑土有机碳含量的影响。【方法】以2001年秋在吉林省德惠市中层黑土上进行了3年的田间定位试验小区土壤为研究对象，对免耕、垄作和秋翻3种耕作处理下耕层土壤有机碳的动态变化进行了分析，并采用等深度和等质量土壤碳库储量计算方法，比较了不同耕作处理对耕层土壤有机碳库储量的影响。【结果】不同耕作处理对黑土耕层有机碳的影响无显著性差异，而且免耕处理在短期内没有引起耕层土壤有机碳含量的明显增加，反而有所降低。与2001年试验开始时相比，3年免耕管理使表层0～5 cm土壤有机碳含量仅增加了0.18％，而5～20 cm土层有机碳含量则明显降低。利用等深度（0～30 cm）和等质量（4 040 Mg）土壤碳库储量计算方法对比研究表明，将土壤容重考虑在内的等质量土壤有机碳库储量计算方法可以更准确的反映耕作对土壤有机碳库储量的影响。等质量方法计算表明，3年的免耕试验并没有使耕层土壤有机碳库储量发生明显变化。【结论】在质地粘重和排水不良的土壤上实行免耕，短期内土壤有机碳含量并没有增加。长期效果如何还有待观测。

王碧胜, 蔡典雄, 武雪萍, 李景, 梁国鹏, 于维水, 王相玲, 杨毅宇, 王小彬. 长期保护性耕作对土壤有机碳和玉米产量及水分利用的影响
植物营养与肥料学报, 2015,21(6):1455-1464.
DOI:10.11674/zwyf.2015.0610URL [本文引用: 1]
目的 通过研究保护性耕作对旱地春玉米土壤有机碳(SOC)、 产量及水分利用的影响,分析保护性耕作的增产机制,为旱作农田耕作技术应用提供理论和技术支持。方法 采用2003~2013年连续11年的田间定位试验, 设传统耕作(CT)、 少耕(RT)和免耕(NT)3种耕作措施,分析土壤0—20 cm和20—40 cm土层有机碳含量、 土壤0—20 cm含水量、 作物耗水量、 玉米产量和水分利用效率的年际变化和耕作处理间的差异,并对玉米产量与影响因素的相关性进行分析。结果 1)保护性耕作能有效提高土壤有机碳含量,少耕、 免耕处理0—20 cm土层有机碳含量11年平均值较传统耕作分别提高了11.2%和3.4%; 至2013年,少耕、 免耕20—40 cm土层有机碳含量分别较传统耕作增加了5.53和3.29 g/kg; 土壤0—20 cm有机碳储量净增加速率分别为C 0.365和0.754 t/(hm2·a)。 2)保护性耕作具有明显的增产效果,少耕产量最高,增产效果最好,2003~2013年均产量为5.83 t/hm2,较传统耕作提高了14.7%; 免耕次之,年均产量为5.39 t/hm2,较传统耕作增产6.1%。3)各耕作处理玉米产量与土壤0—20 cm土层含水量之间存在显著的二次方程关系,与作物耗水量之间具有显著的乘幂方程关系。4)保护性耕作可以增加土壤水分,减少玉米生育期内的耗水量,提高水分利用效率,其中免耕土壤0—20 cm土层水分含量最高,2003~2013年平均含水量为15.2%,较传统耕作和少耕提高了1.90和1.66个百分点,且生育期耗水量最少,2003~2013年均耗水量为403.5 mm,较传统耕作和少耕减少了16.1 mm和7.6 mm; 少耕、 免耕的水分利用效率较传统耕作分别提高了16.1%和10.2%,降水利用效率较传统耕作提高13.9%和5.8%。结论 长期保护性耕作可以有效地提高土壤有机碳含量、 增加土壤水分、 减少作物耗水量,从而显著提高了玉米产量和水分利用效率,3种耕作措施中以少耕效果最好,免耕次之,在旱作农田推广少、 免耕保护性耕作措施是一种增产、节水的有效途径。
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 and maize yield and water use
Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015,21(6):1455-1464. (in Chinese)
DOI:10.11674/zwyf.2015.0610URL [本文引用: 1]
目的 通过研究保护性耕作对旱地春玉米土壤有机碳(SOC)、 产量及水分利用的影响,分析保护性耕作的增产机制,为旱作农田耕作技术应用提供理论和技术支持。方法 采用2003~2013年连续11年的田间定位试验, 设传统耕作(CT)、 少耕(RT)和免耕(NT)3种耕作措施,分析土壤0—20 cm和20—40 cm土层有机碳含量、 土壤0—20 cm含水量、 作物耗水量、 玉米产量和水分利用效率的年际变化和耕作处理间的差异,并对玉米产量与影响因素的相关性进行分析。结果 1)保护性耕作能有效提高土壤有机碳含量,少耕、 免耕处理0—20 cm土层有机碳含量11年平均值较传统耕作分别提高了11.2%和3.4%; 至2013年,少耕、 免耕20—40 cm土层有机碳含量分别较传统耕作增加了5.53和3.29 g/kg; 土壤0—20 cm有机碳储量净增加速率分别为C 0.365和0.754 t/(hm2·a)。 2)保护性耕作具有明显的增产效果,少耕产量最高,增产效果最好,2003~2013年均产量为5.83 t/hm2,较传统耕作提高了14.7%; 免耕次之,年均产量为5.39 t/hm2,较传统耕作增产6.1%。3)各耕作处理玉米产量与土壤0—20 cm土层含水量之间存在显著的二次方程关系,与作物耗水量之间具有显著的乘幂方程关系。4)保护性耕作可以增加土壤水分,减少玉米生育期内的耗水量,提高水分利用效率,其中免耕土壤0—20 cm土层水分含量最高,2003~2013年平均含水量为15.2%,较传统耕作和少耕提高了1.90和1.66个百分点,且生育期耗水量最少,2003~2013年均耗水量为403.5 mm,较传统耕作和少耕减少了16.1 mm和7.6 mm; 少耕、 免耕的水分利用效率较传统耕作分别提高了16.1%和10.2%,降水利用效率较传统耕作提高13.9%和5.8%。结论 长期保护性耕作可以有效地提高土壤有机碳含量、 增加土壤水分、 减少作物耗水量,从而显著提高了玉米产量和水分利用效率,3种耕作措施中以少耕效果最好,免耕次之,在旱作农田推广少、 免耕保护性耕作措施是一种增产、节水的有效途径。

宋霄君, 吴会军, 武雪萍, 李倩, 王碧胜, 李生平, 梁国鹏, 李景, 刘彩彩, 张孟妮. 长期保护性耕作可提高表层土壤碳氮含量和根际土壤酶活性
植物营养与肥料学报, 2018,24(6):1588-1597.
[本文引用: 1]

SONG X J, WU H J, WU X P, LI Q, WANG B S, LI S P, LIANG G P, LI J, LIU C C, ZHANG M N. Long-term conservation tillage can increase carbon and nitrogen content in surface soil and soil enzyme activities in rhizosphere
Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2018,24(6):1588-1597. (in Chinese)
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STRONG D T, DE WEVER H, MERCKX R, RECOUS S. Spatial location of carbon decomposition in the soil pore system
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祖元刚, 李冉, 王文杰, 苏冬雪, 王莹, 邱岭. 我国东北土壤有机碳、无机碳含量与土壤理化性质的相关性
生态学报, 2011,31(18):5207-5216.
URL [本文引用: 1]
根据黑龙江、吉林、辽宁省和内蒙古地区相关历史资料数据,分析了我国东北表层土壤(0-50 cm)土壤相关理化性质与有机碳、无机碳的相关性,得到如下结论:土壤全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾、K+离子交换量、Fe2O3、P2O5、总孔隙度均与土壤有机碳含量呈显著正相关(R2=0.10-0.94, n=38-345, P<0.0001),但与土壤无机碳含量则大多呈显著负相关(R2=0.11-0.30, n=37-122, P<0.01);与此相反,土壤pH值、容重与土壤有机碳呈负相关(R2=0.36-0.42,n=41-304, P<0.0001),而与无机碳呈显著正相关(R2=0.29-0.31,n=39-125, P<0.01)。表层土壤有机碳、无机碳与土壤理化性质呈相反变化趋势的结果说明,由于土壤利用方式变化所导致的土壤理化性质改变对土壤无机碳和有机碳可能具有相反影响。在研究土壤碳平衡过程中,应该充分考虑这种关系所导致的相互补偿作用,即有机碳的增加,可能意味着无机碳的减少,或者反之。目前研究中普遍忽略无机碳的变化,可能导致生态系统碳收支计算显著偏差,所获得的经验拟合方程有利于对我国东北地区土壤碳平衡研究产生的这种偏差进行粗略估计。
ZU Y G, LI R, WANG W J, SU D X, WANG Y, QIU L. Correlation between soil organic carbon and inorganic carbon contents and soil physical and chemical properties in Northeast China
Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(18):5207-5216. (in Chinese)
URL [本文引用: 1]
根据黑龙江、吉林、辽宁省和内蒙古地区相关历史资料数据,分析了我国东北表层土壤(0-50 cm)土壤相关理化性质与有机碳、无机碳的相关性,得到如下结论:土壤全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾、K+离子交换量、Fe2O3、P2O5、总孔隙度均与土壤有机碳含量呈显著正相关(R2=0.10-0.94, n=38-345, P<0.0001),但与土壤无机碳含量则大多呈显著负相关(R2=0.11-0.30, n=37-122, P<0.01);与此相反,土壤pH值、容重与土壤有机碳呈负相关(R2=0.36-0.42,n=41-304, P<0.0001),而与无机碳呈显著正相关(R2=0.29-0.31,n=39-125, P<0.01)。表层土壤有机碳、无机碳与土壤理化性质呈相反变化趋势的结果说明,由于土壤利用方式变化所导致的土壤理化性质改变对土壤无机碳和有机碳可能具有相反影响。在研究土壤碳平衡过程中,应该充分考虑这种关系所导致的相互补偿作用,即有机碳的增加,可能意味着无机碳的减少,或者反之。目前研究中普遍忽略无机碳的变化,可能导致生态系统碳收支计算显著偏差,所获得的经验拟合方程有利于对我国东北地区土壤碳平衡研究产生的这种偏差进行粗略估计。

王玉珏, 赵佳宁, 于洋, 张敬莉, 张钰舒, 冯金朝, 肖春旺. 不同纬度兴安落叶松林土壤碳氮含量特征及影响机制
中央民族大学学报(自然科学版), 2020,29(2):13-20.
[本文引用: 1]

WANG Y J, ZHAO J N, YU Y, ZHANG J L, ZHANG Y S, FENG J C, XIAO C W. Characteristics and influence mechanisms of soil carbon and nitrogen in larch forests of different latitudes
Journal of Central University for Nationalities (Natural Science Edition), 2020,29(2):13-20. (in Chinese)
[本文引用: 1]

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