农业技术论文连续深松对黑土结构特性和有机碳及碳库指数影响

 　　摘 要： 为阐明连续深松对黑土结构特性及土壤碳库的影响，于 2016 ~ 2017 年设置旋耕(CK)、浅松 1 年(QS1)、浅松 2 年(QS2)、深松 1 年(SS1)、深松 2 年(SS2)、超深松 1 年(CS1)、超深松 2 年(CS2)7 个处理，研究了土壤紧实度、容重、孔隙度、总有机碳含量、活性有机碳含量及碳库指数变化。结果表明：深松可显著降低犁底层土壤紧实度。相同深松深度下，深松 2 年各处理紧实度低于深松 1 年。深松处理较旋耕显著降低 0 ~ 40 cm 土层土壤容重，提高土壤孔隙度。深松 2 年各处理较深松 1 年可提高 20 ~ 40 cm 土层土壤容重、降低土壤孔隙度。各深松处理 0 ~ 20 cm 土层土壤有机碳含量、活性有机碳含量与 CK 差异不显著，20 ~ 40 cm 土层显著增加。相同深松深度下，深松 2 年各处理较深松 1 年可提高 0 ~ 10 cm 土层土壤有机碳含量。深松较旋耕可提高土壤碳库管理指数。相同深松深度下，增加深松年限可降低 0 ~ 10 cm、提高 10 ~ 40 cm 土层土壤碳库管理指数。深松较旋耕可有效降低土壤容重、紧实度，提高土壤孔隙度，改善土壤结构，有利于提高 0 ~ 10 cm 土层土壤有机碳转化效率及深层土壤有机碳含量，各处理以 CS2 表现最优。

　　关键词：深松;黑土地;土壤结构特性;土壤有机碳;碳库指数

　　《土壤与作物》主要刊登系统科学、系统工程的理论、方法在农业上的应用，国外农业系统工程研究的动态以及与农业系统科学相关的基础科学和应用科学等方面的学术论文、专题综述及研究简报。 主要读者对象是从事土壤学、农学、生态学及其相关学科的科研工作者、有关决策部门的科技管理人员及高等院校师生等。

　　黑土地耕作特性好，是优质且珍贵的不可再生资源[1-3]。由于连续高度集约化生产，加之缺乏用养结合的保护意识，黑土地逐渐退化，如容重增加、硬度增大、耕层变薄、犁底层上移等问题凸现，从而制约了黑土地的可持续生产能力。深松对黑土物理结构改善具有积极影响，程思贤研究表明，相较于旋耕，深松可降低 15 ~ 60 cm 土层土壤容重、10 ~ 45 cm 土层土壤紧实度，深松 60 cm 效果最优[4]。王万宁等研究认为，深松可降低玉米各生育时期 0 ~ 40 cm 土层土壤容重，提高土壤孔隙度，显著降低拔节期 20 ~ 40 cm 土层土壤紧实度[5]。张丽等在壤土及黏土开展试验表明，深松较旋耕显著降低两种土壤 10 ~ 30 cm 土层土壤容重，提高土壤孔隙度，深松对黏土改良效果优于壤土[6]。土壤有机碳是土壤养分的重要组成部分，其

　　含量直接决定了黑土地养分状况。姬强等[7]和王淑兰等[8]研究表明，深松可提高耕层土壤有机碳含量。王勇等[9] 和 Valboa 等[10] 研究表明，不同耕作方式显著影响土壤有机碳垂直分布及稳定性，尤以深松处理固碳潜力最大。Tian 等研究表明，耕作方式由旋耕改为深松可提高土壤有机碳含量及储量，而免耕向深松转变显著降低 10 ~ 30 cm 土层土壤有机碳含量，碳储量下降 41.7%[11]。土壤碳库管理指数是评价土壤碳库动态变化的重要指标，可灵敏地反映农艺措施对土壤质量的影响[12]。田慎重等研究表明，秸秆还田条件下，长期旋耕处理转变为深松可显著降低土壤碳库管理指数(CPMI)，而长期免耕处理转变为深松可显著提高 10 ~ 30 cm 土层土壤碳库活度[13]。张霞研究认为，在秸秆还田条件下，深松较翻耕可提高 0 ~ 50 cm 土层土壤CPMI[14]。目前，关于黑土深松的相关研究多集中于旋耕、免耕、深松等不同耕作方式之间的比较。关于不同深松年限及深度对黑土结构特性、碳库特征等方面的研究较少。本研究通过连续两年不同深松深度处理，阐明土壤紧实度、容重、孔隙度、总有机碳、活性有机碳的时空变化及作用机制，以期为黑土地创建合理耕层结构，协调黑土地有机碳转化提供数据支持，进一步为黑土地可持续利用提供科学依据。

　　处理充气孔隙度随土层加深表现为先降低后升高，而各深松处理呈逐渐降低趋势，且在 0~20 cm 土层显著高于 CK。10 ~ 20 cm 土层，CK 土壤紧实度较高，总孔隙度降低，同时土壤导水能力较差，水分不能及时下渗，导致该土层土壤充气孔隙度处于较低水平。深松处理较 CK 显著提高了各土层土壤总孔隙度及毛管孔隙度，表明深松可增加土壤孔隙度，并促进了水分及时下渗，使土壤充气孔隙度处于较高水平。QS1、SS2 处理较 CK 降低了 20 ~ 40 cm 土层土壤充气孔隙度，SS2 与 CK 差异显著，这可能是由于深松促进水分向下运移导致的。

　　相同深松深度，深松 2 年各处理较深松 1 年可提高 20 ~ 40 cm 土层土壤容重，QS1、QS2 间差异显著。土壤孔隙度方面，QS2 较 QS1 显著降低 20 ~ 40 cm 土层土壤总孔隙度，但显著提高充气孔隙度;CS2 较 CS1 显著降低 0 ~ 10 cm 土层土壤毛管孔隙度、充气孔隙度，但显著提高了 20 ~ 40 cm 土层土壤毛管孔隙度。

　　土壤容重是表征土壤固相存在状况的重要指标

　　之一，土壤孔隙是土壤水分、空气的主要贮存空间，其数量及质量，对土壤持水能力、水分及气体的流通与交换具有重要意义。孔晓民等[22]、葛超等[23]和王万宁等[5]研究均表明，深松对比旋耕、免耕、翻耕等耕作方式，可显著降低各土层的土壤容重，对犁底层影响尤为显著。上述研究结论与本研究结果基本一致，在玉米收获期，深松显著降低了各土层土壤容重，提高了土壤总孔隙度、毛管孔隙度与 0 ~ 20 cm 土层充气孔隙度。本研究进一步表明，随着深松深度增加，0 ~ 20 cm 土层毛管孔隙度、充气孔隙度及 20 ~ 40 cm 土层土壤容重进一步降低，20 ~ 40 cm 土层土壤总孔隙度及充气孔隙度显著增加。连续深松提高 20 ~ 40 cm 土层土壤容重，降低土壤总孔隙度，尤以连续深松 25 cm 处理差异最显著。

　　作物根系、残茬及微生物是农田土壤有机碳主要来源[24]。王旭东等在秸秆还田条件下开展的研究表明，连年深松促进根系向下伸展，提高下层土壤根茬残留量，增加土壤表层及 35 ~ 50 cm 土层土壤有机碳含量[25]。吕瑞珍等的研究结果与上述基本一致，深松覆盖较翻耕覆盖提高、较旋耕覆盖降低 0 ~ 40 cm 土层土壤有机碳含量[26]。本研究结果表明，在没有秸秆覆盖的条件下，深松处理较旋耕显著降低 0 ~ 10 cm 土层土壤有机碳含量(下

　　降 2.57% ~ 19.12%)，显著提高 20 ~ 40 cm 土层

　　有机碳含量(增加 2.56% ~ 44.23%)，这与姬强等[7]、Angers 等[27] 研究结果一致。在缺少外源碳输入情况下，深松后土壤物理环境较好，加速有机碳分解。随着深松年限增加，表层(0 ~ 10 cm)土壤有机碳含量呈上升趋势，表明增加年限可一定程度上促进表层土壤有机碳积累。

　　土壤易氧化有机碳可反应不稳定土壤碳库的变

　　化情况，受不同农艺措施影响显著[28]。Valboa 等[10]和王彩霞等[29]研究认为，深松和旋耕相较翻耕均增加了表土活性有机碳含量，旋耕优于深松。吕贻

　　忠等研究认为，深松耕作降低 20 cm 以下土层土壤活性有机碳含量[30]。本研究结果表明，各深松处理较旋耕降低 10 ~ 20 cm 土层，提高 20 ~ 40 cm

　　土层土壤活性有机碳含量，0 ~ 10 cm 土层与 CK 差异不显著，但均高于旋耕。本研究结果与上述研究结果并不一致。深松可增加土壤孔隙度，改善土壤通气情况，加速土壤有机碳矿化，短期内降低土壤有机碳含量，提高土壤活性有机碳含量。随时期推进，加之腐殖质补充不足，土壤有机碳含量进一步下降[31]，活性有机碳含量随之降低。本研究中，不同深松深度对 20 ~ 40 cm 土层扰动强度不同，深松 45、35 cm 对土壤扰动相对 25 cm 较大，可能促进了作物根系及微生物活动，有机碳的积累大于消耗，活性有机碳含量提高，但碳库活度呈下降趋势。

　　0 ~ 20 cm 土层，深松主要通过提高土壤 AI，从而提高土壤 CPMI，土壤 CPI 基本上呈下降趋势。深松后土壤碳库活化，周转速度快，损耗也随之提高，黑土地土壤有机质含量较高，土壤活性有机碳具有更多的来源，短期内维持在较高水平，但紧靠作物根茬不足以弥补土壤惰性碳库的消耗，土壤总有机碳含量下降，碳库指数下降。研究表明，深松条件下进行秸秆、有机肥还田，土壤碳库依然可以保持较高的活度及管理指数[5]，利用深松与秸秆还田相配合的模式将更有利于黑土地可持续利用。

　　4 结论

　　深松较旋耕显著降低犁底层附近的土壤紧实度，深松 2 年各处理较深松 1 年可降低土壤紧实度，超深松 2 年表层土壤紧实度最低，土壤板结、紧实严重地区适当增加深松深度及年限更为合适。深松较旋耕显著降低土壤容重，提高土壤总孔隙度、毛管孔隙度、充气孔隙度;深松 2 年各处理较深松 1 年可提高 20 ~ 40 cm 土层土壤容重、降低土壤孔隙度。深松较旋耕可降低 0 ~ 10 cm、提高

　　20 ~ 40 cm 土层土壤有机碳含量，深松 2 年各处理较深松 1 年可提高 0 ~ 10 cm 土层土壤有机碳含量。随深松深度增加至 45 cm，0 ~ 10 cm 土层土壤有机碳含量较深松 25 cm 显著降低，但 10 ~ 40 cm 土层有机碳含量高于深松 25 cm。深松较旋耕可促进土壤碳库活化，提高 0 ~ 10、20 ~ 40 cm 土层土壤活性有机碳含量，但降低 10 ~ 20 cm 土壤活性有机碳含量。深松较旋耕提高土壤CPMI，有利于土壤培肥，增加深松年限可弥补深松 1 年各处理降低 10 ~ 20 cm 土层土壤 CPMI 的缺陷。

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　　(S2)：39-45.

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