郑凤君^,1, 王雪^,2, 李生平¹, 刘晓彤¹, 刘志平⁴, 卢晋晶^1,4, 武雪萍^,1, 席吉龙³, 张建诚^,3, 李永山³¹中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
²北京市房山区琉璃河镇人民政府,北京 102403
³山西农业大学棉花研究所,山西运城 044000
⁴山西农业大学资源环境学院,太原 030031

Synergistic Effects of Soil Moisture, Aggregate Stability and Organic Carbon Distribution on Wheat Yield Under No-Tillage Practice

ZHENG FengJun^,1, WANG Xue^,2, LI ShengPing¹, LIU XiaoTong¹, LIU ZhiPing⁴, LU JinJing^1,4, WU XuePing^,1, XI JiLong³, ZHANG JianCheng^,3, LI YongShan^{3 1}Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081
²People’s Government of Fangshan District Liulihetown, Beijing 102403
³Institute of Cotton, Shanxi Agricultural University, Yuncheng 044000, Shanxi
⁴Institute of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031

通讯作者: 武雪萍,E-mail: wuxueping@caas.cn。 张建诚,E-mail: zhangjc@126.com

郑凤君和王雪为同等贡献作者。
责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-05-4接受日期:2020-07-29网络出版日期:2021-02-01

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFD0200408 国家重点研发计划.2016YFD0300804 国家科技支撑计划.2015BAD22B03 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项.1610132019033

Received:2020-05-4Accepted:2020-07-29Online:2021-02-01
作者简介 About authors
郑凤君,E-mail: zfengjunhn@163.com;

王雪,E-mail: snow13366038169@163.com。











摘要
【目的】基于山西运城8年（2008—2015）长期定位试验,研究免耕覆盖下土壤团聚体稳定性、团聚体活性有机碳分布特征、冬小麦水分利用效率和产量变化特征,分析土壤水分、土壤团聚体稳定性及其有机碳组分对小麦籽粒产量的协同关系,为选择适宜黄土高原旱作农业区最佳耕作模式提供理论依据。【方法】选取传统耕作秸秆翻耕还田（CT-SP）和免耕秸秆覆盖还田（NT-SM）两种耕作措施,在冬小麦收获期,利用干筛法测定土壤团聚体各粒级质量分数;测定各粒级土壤团聚体有机碳（SOC）及活性有机碳（可溶性有机碳,DOC;易氧化有机碳,EOC;微生物量碳,MBC）含量;测定土壤水分（土壤体积含水量,θ_v;播种前贮水量,SB;收获后贮水量,SA;生育期耗水量,ET;降水利用效率,PUE;水分利用效率,WUE）和作物产量等关键指标。【结果】（1）与CT-SP处理相比,NT-SM处理显著提高0.25—2 mm团聚体含量、>0.25 mm 团聚体含量（R_0.25）和几何平均直径（GMD）,分别提升13.9%、8.8%和9.6%。（2）与CT-SP处理相比,NT-SM处理中全土SOC、>2 mm和0.25—2 mm粒级团聚体SOC与MBC含量分别提升17.7%与23.6%、18.4%与18.2%和22.4%与39.2%。0.25—2 mm粒级团聚体对SOC和MBC的贡献率,分别提升18.4%和28.4%。（3）与CT-SP处理相比,NT-SM处理提高了SA、PUE、WUE和小麦产量,分别提升17.7%、8.92%、14.98%和8.92%,并且SOC、WUE、R_0.25、MWD和GMD等指标与小麦产量相关系数均达到0.9以上。（4）通过结构方程模型分析发现,土壤团聚体DOC和EOC通过协同效应影响MBC的变化,MBC含量对SOC的总效应为0.88,是影响SOC变化的主导因子。（5）土壤贮水量、土壤团聚体稳定性及其有机碳分布协同影响小麦产量,并且土壤团聚体稳定性对小麦产量表现为极显著正效应。【结论】在黄土高原旱作农业区,免耕秸秆覆盖还田可改善土壤团聚体结构,增加土壤水分含量,提高小麦水分利用效率,显著增加耕层土壤有机碳和活性有机碳组分含量,从而实现土壤固碳保墒和作物增产的协同效应。
关键词： 免耕覆盖;土壤团聚体;活性有机碳;土壤贮水量;水分利用效率;小麦产量;结构方程模型

Abstract
【Objective】Based on an 8 year (2008-2015) long-term field experiment in Yuncheng, Shanxi Province, the characteristics of stability and active organic carbon contents in soil dry aggregate, water use efficiency and winter wheat yield under no-tillage with straw mulching were studied, and the synergistic effect among soil moisture, the stability and organic carbon components of soil aggregates and wheat grain yield were analyzed, so as to provide a theoretical basis for the best tillage practice in the dry farming area of the Loess Plateau in China.【Method】In this study, two tillage treatments in the long-term field experiment were selected, including CT-SP (convention tillage with straw plowing) and NT-SM (no-tillage with straw mulching). During the winter wheat harvest period, the soil aggregate fractions were measured by dry-sieving method, the contents soil organic carbon (SOC) and active organic carbon (dissolved organic carbon, DOC; easily oxidized organic carbon, EOC; microbial biomass carbon MBC) in soil dry aggregates were determined, and soil moisture (soil volumetric water content, θ_v; soil water storage before sowing, SA; soil water storage after harvesting, SB; water consumption during growing period, ET; precipitation use efficiency, PUE; water use efficiency, WUE) and crop yield were investigated too.【Result】(1) Compared with CT-SP treatment, NT-SM treatment significantly increased the proportions of aggregate 0.25-2 mm, the contents of macro-aggregates (R_0.25) and geometric mean diameter (GMD) by 13.9%, 8.8 % and 9.6%, respectively. (2) Compared with CT-SP treatment, the contents of SOC and MBC in bulk soil, >2 mm and 0.25-2 mm in NT-SM treatment, increased by 17.7% and 23.6%, 18.4% and 18.2%, 22.4% and 39.2%, respectively. The contribution rates of 0.25-2 mm soil aggregate-associated carbons to SOC and MBC increased by 18.4% and 28.4%, respectively. (3) Compared with CT-SP treatment, NT-SM treatment increased the SA, PUE, WUE and wheat yield by 17.7%, 8.92%, 14.98% and 8.92%, respectively, and the Pearson correlation coefficients between yield and SOC, WUE, R_0.25, MWD, GMD reached above 0.9. (4) By structural equation model analysis, it was found DOC and EOC affected MBC change by a synergistic in soil aggregates, and also the total effect of MBC content on SOC was 0.88, suggesting it was the dominant factor affecting SOC change. (5) The water storage, soil aggregate stability and SOC distribution affected wheat yield by a synergistic effect. Moreover, soil aggregates stability had a significant positive effect on winter wheat yield.【Conclusion】In the dry farming area of the Loess Plateau in China, the no-tillage with straw mulching could improve the stability of soil aggregates and the soil water environment, the contents of organic carbon and active organic carbon fractions in the topsoil, and increase soil carbon sequestration, water retention and crop yield.
Keywords：no-tillage with straw mulching;soil aggregates;active organic carbon;soil water storage;WUE;winter yield;SEM


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郑凤君, 王雪, 李生平, 刘晓彤, 刘志平, 卢晋晶, 武雪萍, 席吉龙, 张建诚, 李永山. 免耕覆盖下土壤水分、团聚体稳定性及其有机碳分布对小麦产量的协同效应[J]. 中国农业科学, 2021, 54(3): 596-607 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.03.013
ZHENG FengJun, WANG Xue, LI ShengPing, LIU XiaoTong, LIU ZhiPing, LU JinJing, WU XuePing, XI JiLong, ZHANG JianCheng, LI YongShan. Synergistic Effects of Soil Moisture, Aggregate Stability and Organic Carbon Distribution on Wheat Yield Under No-Tillage Practice[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(3): 596-607 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.03.013


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0 引言

【研究意义】表土将近90%的土壤有机碳储存于团聚体中^[1],而不同粒级团聚体有机碳含量依赖于有机碳组分特别是活性有机碳的变化^[2],活性有机碳是土壤有机质的活性部分,是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有最直接作用的那部分有机碳。大量研究表明,不同耕作措施引起土壤有机碳和土壤水分^[3]的变化,同时也显著影响土壤团聚体结构特征,从而影响到作物产量^[4]。黄土高原汾渭平原区是山西和陕西两省小麦的主产区,由于降雨量不足、土壤干旱、肥力低,导致该区小麦产量低而不稳。因此,研究不同耕作措施下土壤水分、土壤团聚体稳定性及其有机碳组分的变化特征,探讨区域适宜的增碳保墒耕作方式,对于构建良好土壤结构,实现小麦稳产高产具有重要的意义。【前人研究进展】关于免耕秸秆还田对土壤活性有机碳的研究很多,张翰林等^[5]研究发现,短期和长期秸秆还田对活性有机碳的提升效果均显著。杨敏芳等^[6]研究也发现,秸秆还田配合旋耕能够显著增加土壤有机碳和活性有机碳含量。然而,也有研究表明,秸秆还田提高了耕层总有机碳含量,翻耕提高了活性有机碳含量,免耕则降低了活性有机碳含量^[7]。可见,免耕对土壤有机碳及活性有机碳的研究报道存在分歧。大量研究^[8,9,10]表明翻耕破坏土壤大团聚体,致使表土团聚体中有机碳暴露;然而少免耕秸秆覆盖还田可有效抑制土壤水分损失,为有机物料的分解提供适宜的环境条件,通过提高土壤有机碳含量,增强土壤颗粒胶结作用,有利于土壤团聚体的形成^[11],进而提高土壤保水性能^[12]。此外,庄恒扬等^[13]研究认为少免耕与常规耕作对作物产量影响不存在差异;免耕等保护性耕作导致作物减产的研究也颇多^[14,15];张斯梅等^[16]研究表明免耕秸秆机械全量原位覆盖还田处理小麦籽粒产量最高。可见,免耕对作物产量的研究结果也存在争议。【本研究切入点】近年来,免耕秸秆覆盖措施已广泛应用于黄土高原旱作农业区^[10,17-18]。然而,多年连续免耕对小麦产量及土壤有机碳变化的研究结果仍存在分歧,同时免耕对于土壤水分、土壤团聚体及其有机碳的研究往往都是单一效应,关于土壤水分、土壤团聚体稳定性及其有机碳组分对小麦产量的协同效应分析较少,且不够明确。【拟解决的关键问题】本研究基于山西省农业科学院牛家凹冬小麦8年长期定位试验,研究分析不同耕作措施下土壤水分利用状况和土壤团聚体稳定性,探讨团聚体内活性有机碳分布特征及冬小麦籽粒产量变化特征,在此基础上进一步分析冬小麦免耕覆盖条件下土壤贮水性能、土壤团聚体稳定性及其有机碳组分变化、水分利用效率与籽粒产量之间的关系,并进一步探讨其协同效应,旨在为黄土高原干旱区选择适宜的固碳保水耕作措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

本试验在山西省农业科学院棉花研究所牛家凹试验基地（111°05′15.12″ E,35°11′28.33″ N）进行。试验区地处黄土高原东部汾渭平原黄河北干流中游以东,属暖温带大陆性季风气候,年均气温13.3℃,年平均日照时数2 039 h,无霜期212 d,年平均降水量525 mm,降水集中夏秋季。2008—2015年月平均降雨和2015年月平均降雨及相关气温等气象数据见图1（降雨量和气温数据来源于中国气象数据网,https://www.nmic.cn/）。该区土壤类型为粉质壤土（黏粒17.5%,砂粒28.0%,粉粒54.5%）,土壤pH为8.15。2008年试验开始时土壤总有机碳含量为5.85 g·kg^-1;土壤活性有机碳组分可溶性有机碳（DOC）、易氧化有机碳（EOC）和微生物量碳（MBC）含量分别为39.21 mg·kg^-1、1.88 g·kg^-1和80.29 mg·kg^-1。

图1

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图12008—2015年月平均降雨、2015年月平均降雨和相关气温

Fig. 1Evolution of monthly precipitation (vertical bars) for 2008-2015, monthly precipitation and related temperature (three lines) for 2015

1.2 试验设计

试验始于2008年,种植作物冬小麦,为一年一作的旱作小麦,10月上旬播种,次年6月上旬收获,夏季休闲,生育期不灌水。试验采用随机区组设计,选取传统耕作秸秆翻耕还田（CT-SP）和免耕秸秆覆盖还田（NT-SM）作为供试处理。每个处理设3次重复,共6个小区,每个小区面积为60 m²。CT-SP田间方案:小麦收获后,留茬15 cm,将秸秆粉碎,伏前将麦茬及粉碎秸秆直接翻耕到土壤中,翻耕深度20 cm,8月份耙磨1次,10月上旬采用机械旋耕播种,同时施化肥;NT-SM田间方案:小麦收获后,留高茬15 cm,将秸秆粉碎覆盖在农田表面（6—9月）,10月上旬采用小型免耕机械播种,同时施化肥。其中各处理秸秆均全量还田,化肥用量一致,纯N180 kg·hm^-2、P₂O₅150 kg·hm^-2。氮肥品种为尿素（N:46%）,磷肥为过磷酸钙（P₂O₅:18%）。

1.3 样品采集

1.3.1 土壤样品采集 收获期土壤样品采集:于2015年6月冬小麦收获时,在每个小区按“S”形选取 6 点,用直径3 cm的土钻采集0—20 cm表层土壤,每个处理3次重复。另外在相同位置采集原状土壤样品放入硬质塑料盒,在无扰动的情况下带回实验室常温风干,当土壤含水量达到塑限时,用手把大土块沿着其自然断裂缝隙掰成不同大小的土块,用8 mm筛子过滤除去植物根系、小石块后用于进行土壤团聚体筛分。在分析土壤化学和生物学特性之前,将土壤样品（包括全土和土壤团聚体）在室温下风干,并分别保存在4℃的冰箱中。

生育期土壤样品的采集:在播种前和收获后,对0—200 cm土壤剖面进行取样,取样土层依次为:0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60、60—70、70—80、80—90、90—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm,重复3次。采用烘干法测定土壤质量含水量,采用环刀法测定土壤容重,并计算土壤体积含水量^[19]。

1.3.2 植株样品采集 于2015年6月冬小麦收获时进行植株样品采集。每小区随机选取20株具有代表性的植株,自然风干后观察记载每小穗结实粒数,千粒重,重复3次。每个小区随机收获3 m²,风干后脱粒测定产量^[20]。

1.4 测定指标和方法

1.4.1 土壤团聚体筛分 小麦收获期采集的土壤样品,通过适宜含水量（10%—12%）干筛法进行土壤团聚体的分离测定^[21]。取过8 mm筛的100 g鲜土置于自上而下依次为2、0.25 mm筛子的最上层,振动幅度为3 mm,手动上下振动5 min,30次/min。获得>2 mm、0.25—2 mm、<0.25 mm共3个团聚体分组,重复3次。将收集到的各级团聚体称重后于4℃冰箱中保存用于团聚体土壤有机碳组分的测定。

1.4.2 有机碳及其组分的测定 收获期土壤样品,土壤有机碳^[22]采用元素分析仪（Elementar Vario MACRO,Germany）进行测定,将风干土壤过0.15 mm筛,用1 mol·L^-1的盐酸去除碳酸盐后烘干,上机测定。土壤可溶性有机碳（DOC）^[22,23]采用K₂SO₄溶液浸提法,利用总有机碳分析仪（Elementar Vario TOC,Germany）测定。土壤微生物量碳（MBC）^[22,24]采用氯仿熏蒸提取法,利用总有机碳分析仪测定。MBC计算采用Bc= Ec/Kc,式中,Ec表示熏蒸与未熏蒸之差,Kc表示转换系数,取值0.38。土壤易氧化有机碳（EOC）的测定^[22,25]:KMnO₄氧化法。

1.4.3 土壤含水量 生育期土壤质量含水量采用烘干法测定。土壤质量含水量（θ_m, g·g^-1）=（烘干前鲜土质量-烘干后干土质量）/烘干后干土质量。土壤体积含水量（θ_v,cm³·cm^-3）=θ_m×B,其中B为土壤容重（g·cm^-3）。

1.4.4 水分利用效率和小麦产量 生长期的表观用水量,以蒸散量（ET,mm）表示,根据生长期间的季节性降雨和土壤耗水量数据计算得出。假设没有深层排水或径流发生,使用以下简单方程式来计算ET:

（1）蒸散量（ET,mm）=P+W₁-W₂
式中,P为生育期内降雨量;W₁为作物播种时土壤剖面初始贮水量;W₂为作物收获后土壤剖面贮水量。

土壤贮水量W计算公式如下:

（2）贮水量（W,mm）=∑（A_i×B_i×C_i）/10
式中,W为土壤贮水量;i为土层;A为土壤质量含水量（%）;B为土壤容重（g·cm^-3）;C为土层厚度（cm）。

（3）水分利用效率^[26]（WUE,kg·hm^-2·mm^-1）=Y/ET
（4）小麦籽粒产量（Y,kg·hm^-2）=[籽粒鲜重（kg）/取样面积（m²）×（1-籽粒含水量）]×10000
（5）降水利用效率（PUE,kg·hm^-2·mm^-1）=Y/P

1.5 数据处理与分析

1.5.1 团聚体指标相关计算 各粒级力稳性团聚体的质量分数w_i（i=1、2、3,分别对应>2 mm、0.25—2 mm和<0.25 mm共3个粒级的团聚体）。团聚体力稳定性采用平均重量直径（mean weight diameter,MWD）和几何平均直径（geometric mean diameter,GMD） ^[27]表示,对于>0.25 mm的团聚体用指标R_0.25^[26]进行评价。团聚体对有机碳的贡献率^[28]为w_c-aggregate(%)。

（6）w_i =m_i / 100×100%
（7）$R_{0.25 }= \sum_{i=1}^{n} w_{i}$
（8）$MWD = \sum_{i=1}^{n} \bar{X}_{i} W_{i} / \sum_{i=1}^{n} W_{i}$
（9）$GMD = \exp \left[\sum_{i=1}^{n} W_{i} \ln \bar{X}_{i} / \sum_{i=1}^{n} W_{i}\right]$
（10）w_c-aggregate=C_aggregatew_i/C_soil×100%
式中,m_i表示各粒级团聚体质量;$\overline{\mathrm{X}}_{\mathrm{i}}$为各粒级团聚体的平均直径;C_aggregate为某粒级团聚体中有机碳或活性有机碳组分的含量;C_soil为土壤中总有机碳或活性有机碳组分的含量。

1.5.2 数据处理 采用Microsoft Excel 2010进行处理数据和相关图的绘制。数据测定结果均以平均值±标准差的形式表示,利用SAS 9.1软件单因素方差分析（One-way ANOVA）评价不同粒级处理间的差异显著性（α=0.05）,平均值多重比较检验采用最小显著极差法（LSD）。对经过正态性检验的数据,采用Pearson法对作物产量与土壤团聚体稳定性指标进行相关分析。利用Amos软件作结构方程模型（SEM）,SEM模拟传统耕作秸秆翻耕还田和免耕秸秆覆盖还田田间措施下,团聚体活性有机碳组分对土壤有机碳变化的影响,以及土壤团聚体稳定性及其有机碳分布和土壤贮水量对作物产量的影响。

2 结果

2.1 免耕对土壤干筛团聚体稳定性的影响

土壤干筛团聚体3个粒级组分在不同耕作处理间的分布存在显著差异（表1）。CT-SP和NT-SM两个处理间>2 mm粒级团聚体的质量分数差异不显著;NT-SM处理0.25—2 mm粒级团聚体的质量分数较CT-SP处理显著提升12.8%;而NT-SM处理<0.25 mm粒级团聚体的质量分数显著低于CT-SP处理。土壤团聚体稳定性指标除MWD外,R_0.25和GMD在两个处理间均差异显著,NT-SM处理的R_0.25和GMD较CT-SP处理分别提升8.6%和9.2%。

Table 1
表1
表1不同耕作处理下土壤团聚体稳定性分析
Table 1The stability analysis of soil aggregates under different tillage treatments

处理 Treatment	团聚体分级质量分数 Aggregate fraction (%)			R0.25 (%)	平均重量直径 MWD (mm)	几何平均直径 GMD (mm)
	w>2mm	w0.25-2mm	w<0.25mm
CT-SP	23±0.01a	47±0.02b	28±0.02a	70±0.02b	1.72±0.06a	0.87±0.05b
NT-SM	23±0.01a	53±0.01a	23±0.01b	76±0.01a	1.77±0.04a	0.95±0.03a

w_>2mm, w_0.25-2mm, w_<0.25mm: Mean >2 mm, 0.25-2 mm, <0.25 mm aggregate fraction; R_0.25: Mean >0.25 mm aggregate fraction; MWD: Weight diameter; GMD: Geometric mean diameter

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2.2 免耕对土壤水分及冬小麦产量的影响

播种前和收获后不同层次土壤体积含水量存在较大差异（图2）。播种前NT-SM和CT-SP两个处理在2 m土层内土壤体积含水量在0.18—0.26 cm³·cm^-3之间。其中,除10—20 cm和60—70 cm两个土层外,在其他土层NT-SM处理土壤体积含水量均高于CT-SP处理。收获后NT-SM和CT-SP两个处理含水量在0.08—0.16 cm³·cm^-3之间。0—60 cm土层,NT-SM处理土壤体积含水量高于CT-SP处理;60—90 cm土层,NT-SM处理土壤体积含水量与CT-SP处理不存在显著差异;100—200 cm土层,NT-SM处理土壤体积含水量均高于CT-SP处理。

图2

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图2不同耕作处理播前与收获后土壤体积含水量变化（0—200 cm）

Fig. 2Change in soil volumetric water content before sowing and after harvesting under different tillage treatments (0-200 cm)



播种前与收获后0—200 cm土层贮水量,NT-SM处理较CT-SP处理分别提升5.3%和17.7%（表 2）。冬小麦生育期两个处理耗水量在统计学上虽然不存在显著差异,但NT-SM处理耗水量较CT-SP处理降低了5.2%。NT-SM处理冬小麦产量较CT-SP处理显著提升8.9%。降雨利用效率和水分利用效率均表现为NT-SM处理显著高于CT-SP处理,分别提升了9.1%和15.4%。

Table 2
表2
表2不同耕作处理对冬小麦产量和水分利用的影响
Table 2Effects of different tillage treatments on yield and water use of winter wheat

处理 Treatment	播前土壤贮水量 （SB）(mm)	收获后土壤贮水量 （SA） (mm)	耗水量 ET (mm）	产量 Yield (kg·hm-2)	降雨利用效率 PUE (kg·hm-2·mm-1)	水分利用效率 WUE（kg·hm-2·mm-1）
CT-SP	427±9.1a	225±4.6b	329±5.4a	4158±88b	33±0.7b	13±0.1b
NT-SM	449±3.5a	264±7.1a	312±4.6a	4529±98a	36±0.8a	15±0.4a

SB: Soil water storage before sowing; SA: Soil water storage after harvesting; ET: Water consumption during growing period; PUE: Precipitation use efficiency; WUE: Water use efficiency

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2.3 免耕对土壤团聚体有机碳及活性有机碳组分的影响

SOC和MBC含量在CT-SP处理中表现为随团聚体粒级的减小呈逐渐降低的趋势,在NT-SM处理中表现为随团聚体粒级的减小呈现先升高后降低的趋势;两个处理的DOC含量均表现为随团聚体粒级的减小呈逐渐降低的趋势;EOC含量在两个处理间则均表现为随团聚体粒级的减小呈现先升高后降低的趋势（图3）。在全土中,NT-SM处理较CT-SP处理SOC、EOC和MBC含量分别提升17.7%、10.8%和23.6%,而DOC含量在两个处理间差异不显著。在>2 mm粒级中,与CT-SP相比,NT-SM处理SOC、EOC和MBC含量分别提升18.4%、25.0%和18.2%,DOC含量在两个处理间差异不显著。在0.25—2 mm粒级中,SOC、DOC和MBC含量NT-SM处理较CT-SP处理分别提升22.4%、26.5%和39.2%。在<0.25 mm粒级中,EOC含量NT-SM处理较CT-SP处理则显著降低20.1%,而SOC、DOC和MBC含量两处理间则不存在显著差异。

图3

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图3不同耕作处理土壤团聚体有机碳及活性有机碳含量

柱上a, b字母表示同一团聚体粒级不同处理间存在显著差异。图4同
Fig. 3The contents of organic carbon and active organic carbon in soil aggregates under different tillage treatments

a and b indicate significant differences in the same soil aggregate between different treatments. The same as Fig.4


>2 mm粒级团聚体对SOC和活性有机碳组分的贡献率在两个处理间均不存在显著差异;0.25—2 mm粒级团聚体对SOC、DOC和MBC的贡献率,NT-SM处理较CT-SP处理分别提升18.4%、29.2%和28.4%,该粒级对EOC的贡献率在两处理间不存在显著差异;<0.25 mm粒级团聚体对SOC、EOC和MBC的贡献率,NT-SM处理较CT-SP处理分别降低15.1%、40.4%和24.8%,该粒级对DOC的贡献率在两处理间不存在显著差异（图 4）。

图4

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图4不同耕作处理各粒级团聚体对SOC、DOC、EOC和MBC的贡献率

Fig. 4Contribution rates of different aggregate to SOC, DOC, EOC and MBC under different tillage treatments

2.4 土壤团聚体内活性有机碳与SOC关系分析

土壤团聚体活性有机碳组分与SOC的结构模型方程样本多变量正态性检验指标c.r.<1.96;CMIN/DF介于1—3之间;P>0.05;RMSEA<0.05^[29],表明该模型整体拟合效果可接受。土壤团聚体活性有机碳对SOC的影响表现为（图 5）:MBC对团聚体SOC表现出最大直接效应（0.88）,然而EOC则表现负效应作用。EOC对MBC总效应为0.84。DOC和EOC之间表现极显著协同效应（标准化回归权重值:0.73）。

图5

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图5土壤团聚体活性有机碳对SOC影响的结构方程模型

实线和虚线分别表示显著正效应和负效应。箭头的宽度与强度的关系呈正比。线条附近的数字是标准路径系数,该系数显示了模型中的变量关系。图6同
Fig. 5The effect of soil active organic carbon on SOC in soil aggregates by structural equation model analysis

The solid lines and dashed lines represent significant (P<0.001) positive and negative effects, respectively. Arrow widths is proportional to the strength of the relationship. The numbers near the lines are standardized path coefficients, which show the variables in the model. The same as Fig. 6

2.5 土壤有机碳、土壤贮水量、团聚体稳定性与小麦产量之间的相关关系

冬小麦产量与SOC、活性有机碳组分、WUE、R_0.25、MWD、GMD均呈显著相关关系（表3）。SOC与活性有机碳组分、WUE、R_0.25、GMD相关性均达到了0.85以上。DOC与WUE、GMD相关性达到0.8以上;EOC与WUE、R_0.25、GMD相关性均达到0.9以上;MBC则与收获后土壤贮水量、WUE、R_0.25、GMD相关性均达到0.85以上。播种前土壤贮水量与收获后土壤贮水量、R_0.25显著性均达到了0.85以上。收获后土壤贮水量与WUE、R_0.25、GMD呈显著正相关关系。WUE与R_0.25、GMD呈显著相关关系。团聚体稳定性指标中,R_0.25和MWD与GMD分别呈极显著和显著相关关系。

Table 3
表3
表3不同耕作处理SOC、小麦产量和土壤团聚体稳定性指标的相关关系
Table 3Correlation of SOC, wheat yield and soil aggregate stability indexes under different tillage treatments

	Yield	SOC	DOC	EOC	MBC	SB	SA	WUE	R0.25	MWD	GMD
Yield	1	0.922**	0.855*	0.946**	0.892*	0.718	0.757	0.923**	0.925**	0.908*	0.987**
SOC		1	0.873*	0.988**	0.967**	0.684	0.808	0.926**	0.895*	0.723	0.930**
DOC			1	0.858*	0.865*	0.346	0.501	0.820*	0.661	0.772	0.840*
EOC				1	0.935**	0.674	0.795	0.938**	0.907*	0.742	0.938**
MBC					1	0.685	0.857*	0.951**	0.891*	0.701	0.936**
SB						1	0．876*	0.66	0.899*	0.633	0.759
SA							1	0.869*	0.936**	0.518	0.833**
WUE								1	0.916*	0.707	0.956**
R0.25									1	0.765	0.952**
MWD										1	0.873*
GMD											1

“*”表示在0.05水平上显著相关;“**”表示在0.01水平上显著相关
“*” Indicate significant different at α=0.05; “**”Indicate significant different at α=0.01

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GMD对小麦产量表现出最大直接效应（0.98）,SOC和播前土壤贮水量对产量表现正效应作用（图 6）。GMD对SA总效应为0.83。GMD和SOC之间表现极显著协同效应（0.93）。

图6

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图6土壤有机碳、团聚体稳定性、土壤贮水量对小麦产量影响的结构方程模型

Fig. 6The effects of soil organic carbon, soil aggregates stability, soil water storage on winter wheat yield by structural equation model analysis

3 讨论

3.1 免耕覆盖显著改善了土壤团聚体组成和稳定性

本文研究结果表明,与传统耕作秸秆翻耕还田相比,免耕覆盖措施显著提高0.25—2 mm粒级团聚体的含量、R_0.25和GMD,分别提升12.8%、8.6%和9.2%。可见,免耕秸秆覆盖较传统耕作秸秆翻耕还田,提升>0.25 mm土壤大团聚体^[30]含量;同时,GMD含量的提升表明免耕秸秆覆盖措施提高了土壤的团聚度和稳定性。免耕秸秆覆盖改善土壤团聚体稳定性一方面因为秸秆还田外源易分解有机物料的添加,刺激了土壤微生物酶活性,在为土壤提供有机质的同时,对团聚体的形成和稳定性具有增加作用^[31,32,33]。另一方面,传统耕作秸秆翻耕还田措施,土壤扰动程度大,秸秆与土壤颗粒接触面积增大,同时减弱了土壤团聚体的聚合度;然而免耕覆盖条件下,土壤扰动程度减少,在各种自然因素作用下形成各粒级土壤团聚体,并且活性较高的颗粒态有机碳则更多地赋存在大团聚体内（图3）,增加了土壤的有机胶结物质^[34],提高了团聚体的稳定性。

3.2 免耕覆盖显著提升了团聚体微域环境中活性有机碳含量

土壤活性有机碳（DOC,EOC,MBC）作为土壤碳组分中最活跃的部分,与SOC相比,其对耕作措施的反应更为灵敏^[35]。本研究发现,与传统耕作秸秆翻耕还田相比,免耕覆盖措施中全土的SOC、EOC和MBC含量分别提升17.7%、10.8%和23.6%,而DOC含量在两个处理间差异不显著。两种耕作措施SOC的变化来源于传统翻耕表层土壤结构遭到破坏,使原本包含在大团聚体中的有机碳更容易被分解矿化,加速SOC的矿化速率^[36];免耕能够减少对土壤团聚体的干扰与破坏,保持矿化作用区与生物聚集区的空间隔离,延长有机碳在团聚体中的贮存周期^[37]。然而,耕层土壤可溶性有机碳含量受秸秆添加的影响大于耕作^[6],引起了两个处理间全土的DOC无显著差异。同时,本研究也发现,免耕覆盖措施显著提升>2 mm和0.25—2 mm两个粒级团聚体SOC和活性有机碳含量及其贡献率,这主要是因为,传统耕作土壤扰动刺激了土壤有机碳的氧化,外源秸秆的添加与土壤耕作结合加速土壤原有有机质的分解^[38,39];免耕覆盖措施通过减少土壤扰动和增加外源秸秆,减少原有有机质的分解;同时,在外界降雨、气温的综合作用下,作为主要胶结物质的有机质将土壤颗粒和小粒级团聚体胶结成大团聚体,大团聚体中MBC明显高于微团聚体（图3）,进而增加了大团聚体中SOC含量^[40]。然而,两个处理<0.25 mm团聚体SOC和活性有机碳组分（除EOC外）均无显著差异,这与微团聚体中较小的比表面积,较少的活性位点,对有机物质较弱的吸附能力有关^[41]。

3.3 免耕覆盖改善了土壤团聚体结构、固碳保墒,提高小麦产量

土壤团聚体活性有机碳的增加有利于改善土壤团聚体结构。相关性分析研究发现,R_0.25和GMD与SOC相关系数均大于0.85;SOC含量与GMD之间呈显著协同效应（图6）。这主要因为免耕覆盖减少了土壤扰动,且田间残留的秸秆等有机物的降解,有利于增加土壤大团聚体SOC含量,主要表现在0.25—2 mm粒级团聚体对SOC和活性有机碳的贡献率影响显著（图4）增加;而翻耕处理农田土壤结构遭到破坏,由于土壤暴露于空气中,土壤通透性增加,微生物活性提高,加速土壤有机碳的氧化^[42]。通过结构方程模型分析土壤团聚体活性有机碳对SOC的影响发现,土壤团聚体MBC是影响SOC变化的主导因子,其对SOC的总效应为0.88,一方面,这一结果与免耕措施提高0.25—2 mm粒级团聚体对SOC和MBC贡献率,降低<0.25 mm粒级团聚体对SOC和MBC贡献率相一致（图4）;另一方面,免耕覆盖可使土壤保持良好的结构,利于土壤有机质的积累,为微生物提供良好的水、热条件和活动空间,团聚体的物理保护作用是土壤有机碳稳定性的重要机制^[43]。同时秸秆还田也为微生物提供了大量营养物质,加速微生物生长繁殖,使得MBC含量显著提高^[17]。

土壤团聚体结构改善有利于提高土壤蓄水保墒性能。本研究发现,土壤团聚体稳定性指标GMD对土壤贮水性表现出显著正效应作用（图6）;土壤团聚体稳定性指标R_0.25、GMD、0.25—2 mm团聚体质量分数与收获后SA、WUE均呈显著相关关系。其作用机理主要包含:免耕秸秆覆盖还田措施,秸秆含有大量的有机碳和作物生长所需的氮磷钾等营养元素,由于秸秆碳源等大量有机物料添加带来的疏水性,降低了团聚体可湿性,使其更难被矿化,促进大团聚体的形成^[44],并提高了土壤的贮水能力。免耕覆盖措施较少的土壤扰动可提高土壤团聚体稳定性,改善土壤结构,创建良好的土壤水热状态,进而提高土壤剖面的土壤体积含水量（图2）和土壤的贮水能力（表2）。秸秆覆盖还田可有效抑制土壤水分损失,维持并提升表层土壤含水量,为有机物料的分解提供适宜的环境条件,通过提高SOC含量,改善土壤团聚体稳定性,进而提高土壤保水性能^[37],缓解干旱对作物生长的不良影响。

免耕覆盖改善了土壤团聚体结构、固碳保墒,从而协同提高小麦产量。少免耕等农业耕作措施,由于不需翻耕整地,在保证下茬作物适时播种的同时,有利于充分利用光温资源,提高抗灾应变能力,增产效应优势明显。本研究也表明,与传统耕作秸秆翻耕还田相比,免耕措施小麦产量提升8.9%。这与不同耕作措施在黄土高原不同区域适应性存在差异有关,同时,相关meta-analysis研究表明,在年降雨量≤500 mm地区和年均温度≤10℃地区采用免耕更有利于作物产量和水分利用效率的增加^[45];并且,冬小麦生育期需水与黄土高原季节降雨严重错位,冬小麦生育期降雨极少,而免耕措施保蓄水分的作用凸显,因此产量得到显著提升。土壤水分、土壤团聚体稳定性及其有机碳协同影响小麦产量,土壤团聚体稳定性对小麦产量表现为极显著正效应（图 6）。并且,免耕覆盖措施相比传统耕作秸秆翻耕还田改善了土壤团粒结构,具体表现在GMD提升了9.2%。但是,两种耕作措施耕作方式、秸秆还田方法与还田量的差异,势必会引起土壤水分和有机碳含量的变化。免耕覆盖措施较少的土壤扰动,利于提升土壤>0.25 mm团聚体含量,改善土壤团聚体稳定性;秸秆覆盖还田阻挡了部分太阳辐射,降低了土壤温度和土表水分蒸发,进而减少了水分的无效损耗^[46],进而提高土壤的保水蓄水能力。常规耕作频繁的土壤扰动加速土壤有机质的矿化和地表蒸发,小麦对土壤水分的吸收利用进一步引起表层土壤含水量降低,导致小麦根系阻抗增加,是传统耕作较免耕减产的一个主要原因^[47]。

综上分析,不同耕作措施下土壤有机碳、活性有机碳组分、土壤团聚体稳定性和土壤水分等土壤特性指标都显著影响小麦籽粒产量,表明不同耕作措施影响土壤水分和土壤团聚体稳定性的同时,提高了有机碳及其活性有机碳组分含量,最终直接影响小麦籽粒产量,反映了不同耕作措施下土壤结构稳定性与小麦籽粒产量的内在联系,免耕覆盖条件下土壤团聚体结构改善、土壤活性有机碳增加、土壤保水性能的改善,协同提高了小麦产量。

4 结论

免耕秸秆覆盖还田明显改善了土壤团聚体稳定性,主要表现在0.25—2 mm粒级团聚体含量的增加、R_0.25和GMD的提升;增加了全土、>2 mm和0.25—2 mm粒级团聚体的SOC和MBC含量;提高了冬小麦土壤贮水量、水分利用效率、降雨利用效率,从而实现了土壤固碳保墒和作物增产的协同效应。

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