耕作方式和种植模式对黑土碳氮含量及玉米产量年际变化的交互效应

高 燕，张 延，张 旸，陈学文,梁爱珍

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室,吉林 长春 130102；2.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

土壤碳氮是土地可持续利用的重要评价指标，其质量和数量影响土壤肥力的保持与提高[1]。在农业生态系统中，土壤有机碳(SOC)与氮素动态变化存在密切关系，SOC的增加有利于提高土壤氮素的有效性[2]。土壤碳氮变化与耕作方式和种植模式密切相关。不同耕作和种植模式可以改变土壤SOC的稳定性及氮素供应，并且影响微生物对土壤碳氮的利用[3-4]。免耕作为保护性耕作的主要技术之一，能够减少SOC损失，改善土壤结构，增加土壤碳库储量等优点[5-6]。大量研究表明，免耕可以显著提高表层SOC和全氮(TN)含量，而对亚表层和深层土壤碳、氮含量变化的影响观点不一致。Blanco-Canqui和Lal等[7]研究发现，保护性耕作能够提高表层(0～10 cm)土壤有机碳含量，但对10 cm以下土层碳含量的影响不大，甚至使其降低。宋霄君等[8]通过探究长期保护性耕作对不同土层土壤碳氮含量发现，免耕显著降低了20～40 cm土层碳、氮含量。不同耕作方式和种植模式因作物类型、作物秸秆还田量和还田种类的差异对土壤微生物多样性和活性也产生不同的刺激，从而影响土壤养分状况[9]。Zhang等[10]基于12年的保护性耕作长期定位试验发现，与2001年传统行耕作土壤本底值相比，免耕玉米连作处理下0～30 cm土壤碳储量增加速率最高，达0.8 Mg(C)·hm-2·a-1。Gregorich等[11]则通过35年的试验发现，玉米-大豆轮作下的土壤碳含量比玉米连作高20 Mg(C)·hm-2。郭金瑞[12]通过长期研究表明，玉米连作可以显著改变土壤物理、化学以及生物特性。以往研究大多是单一耕作方式下种植模式，或者是单一种植模式下不同耕作方式对土壤碳氮的影响，而耕作方式和种植模式结合对土壤碳氮的影响研究还很有限。因此，明确不同耕作方式和种植模式对土壤碳氮的长期效应十分必要。

东北地区因地势平坦、土壤肥沃，是我国最重要的商品粮生产基地[13-14]。然而，黑土耕垦后长期受到不合理耕种方式的影响，土壤肥力持续下降，严重影响到粮食生产的可持续发展[15-16]。国内外理论与实践表明，保护性耕作是提高土壤肥力的重要措施。保护性耕作在东北黑土区起步相对较晚，长期实行保护性耕作后对黑土碳氮含量的影响，进而对玉米产量的影响尚缺乏长期实验数据的论证。所以，研究不同耕作方式和种植模式互作对玉米作物产量与土壤碳、氮的互馈关系，对东北黑土区农业可持续发展、土壤肥力提升以及作物增产增收等具有非常重要的意义。

本研究以保护性耕作长期定位试验地土壤为研究对象，通过对比分析16年的耕作方式和种植模式互作下黑土碳氮含量和玉米产量的年际变化，探清耕作方式和种植模式对黑土碳氮含量和玉米产量的长期效应，以期为东北黑土培肥提供数据支持，为玉米稳产增产措施的制定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验基于中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土农业生态试验示范基地，该保护性耕作田间定位试验始于2001年，地点位于吉林省德惠市米沙子乡(44°12′N，125°33′E)，试验开始前，该区域已经连续多年进行常规耕作，即地上作物全部移除，不进行还田，春播前进行整地，播种后进行铲地、起垄等中耕作业，主要种植作物是玉米。研究区属于温带大陆性季风气候，年均气温为4.4 ℃，生长季5-10月平均温度为17.9 ℃。年均降水量为520 mm，其中，5-10月份生长季总降水为484.9 mm。降雨季节主要集中于6月、7月和8月。研究区地面坡度<1°。

1.2 供试土壤及试验设计

研究区主要的土壤类型为中层典型黑土，壤质黏土，pH介于6.48～7.03。试验前研究区土壤基本物理化学性质如表1所示[17]。

表1 试验前试验区不同耕层土壤物理化学性质(2001年)Table 1 The physical and chemical properties in soil profile before experiment(in 2001)

试验采用裂区设计，主因素为耕作方式，即免耕和传统耕作；副因素为种植模式，即玉米连作和玉米-大豆轮作。试验共4个处理，分别为免耕玉米-大豆轮作(NTCS)、秋翻玉米-大豆轮作(MPCS)、免耕玉米连作(NTCC)、秋翻玉米连作(MPCC)。每个处理 4次重复，每个小区面积156 m2(30 m×5.2 m)。2002-2009年耕作作业采用机械为KINZE-3000四行牵引式免耕播种机，2010-2017年采用John Deere-7200两行牵引式免耕播种机，可以一次性完成精确播种、施肥和镇压等作业。两种耕作方式为：秋翻即秋季收获后进行耕翻(翻动土层深度约为20 cm左右)，春季再进行整地(深度约7.5～10 cm)、播种、中耕和起垄作业；免耕即除进行播种施肥需要扰动土壤之外，全年不再搅动土壤。秋收之后，玉米秸秆被切碎成30～35 cm还田并覆盖于地表，大豆秸秆不进行任何处理也将其全部覆盖于地表。所有处理小区的施肥方式、施肥量保持相同。种植玉米小区，施加氮(N)肥150 kg·hm-2，分底肥和追肥两次施入玉米地，磷(P)肥和钾(K)肥在播种时作为底肥施入，施入量分别为：45.5 kg·hm-2和78 kg·hm-2；种植大豆小区，只需在播种时施入底肥，包括N肥 40 kg·hm-2、P肥60 kg·hm-2和K肥80 kg·hm-2。

1.3 土壤样品的采集与测定分析

1.3.1 土壤样品。土壤样品分别于2002-2017年每年10月作物收获后采集样品。利用手动原状土取土钻(内径为2.64 cm)分别从NTCS、MPCS、NTCC、MPCC小区取土，采样点分布呈“S”型，每个小区采集7个样点，取样深度分别为：0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，并将7个样品按照相同深度分别混合为1个样品。土壤样品带回实验室，一部分样品在105 ℃下烘干、称重，根据烘干土重、取土钻内径和采样深度计算土壤容重；其余样品经风干、磨碎、过100目筛，进行SOC和TN的测定，测定仪器为元素分析仪(FlashEA 1112，Thermofinnigan，Italy)。因本研究供试黑土不含碳酸盐，所以总碳含量即为SOC含量。

1.3.2 土壤有机质储量计算。等质量土壤有机质(SOM)储量计算方法，参照梁爱珍等[18]的方法进行计算，计算公式如下：

Mst=ρb×D×C×10

(1)

(2)

式中：Mst为单位面积有机质储量(Mg·hm-2)；ρb为土壤容重(Mg·m-3)；D为土壤深度(m)；C为SOC含量或者TN含量(kg·Mg-1)；Dadd为要达到等质量土壤需要另增加的土壤深度(m);Msoil,max为最大的土壤质量(Mg·hm-2);Msoil,surface为表层土壤质量之和 (Mg·hm-2);ρb,subsurface为亚表层土壤容重(Mg·m-3)。

根据公式(1)可求得各土层土壤有机质储量，再以不同耕作处理下土壤质量最大值作为统一的土壤质量，然后根据公式(2)计算其他处理中想要达到相同质量的土壤需要增加的土壤深度，然后将公式(2)所得结果再代入公式(1)，求得需要另加的土壤深度的SOM储量，并将两者加和，得到最终SOM储量。

1.4 作物测产

作物成熟后，每个小区取中间六垄进行采样，每两垄一组，共三个采样组，并呈对角线状分布。每组两垄玉米的测量长度为3米，前一组的测量终点与后一组的测量起点垂直间隔距离为3米。人工收获采样区的玉米，并将所有采样的玉米籽粒先在105 ℃下杀青，然后在70～80 ℃烘干到恒定重量，获得籽粒的含水量，然后归一化为14%的籽粒水分含量，计算得到各处理下每公顷的玉米产量。

1.5 数据统计与分析

实验数据采用Excel 2007整理，SPSS17.0进行数据统计分析，最后利用R软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对耕层土壤有机碳和全氮以及C/N的影响

由图1可知，随着耕作年限增加，NTCC、NTCS处理表层0～5 cm土壤SOC含量都呈持续显著增加的趋势(P<0.05)，与2001年初始值相比，2017年的SOC含量分别增加48.6%、48.5%；而MPCC和MPCS处理的SOC含量增幅较小，仅分别增加2.7%、6.2%。与MPCC和MPCS处理相比，NTCC和NTCS处理显著增加了2002-2017年平均SOC含量(P<0.05，表2)。从5～10 cm土壤来看，NTCC、MPCC、MPCS处理下的SOC含量均随着年限的增加而增加，在2015年达到最大，分别为19.0 g·kg-1、18.7 g·kg-1和18.3 g·kg-1；从10～20 cm土层来看，4个处理下SOC含量均出现先降低后增加的趋势，但是波动幅度较小；对于20～30 cm土层，4个处理下的SOC含量年际变化较小，都处于比较稳定的状态；除此之外，在5～30 cm土层，NTCS处理下的年平均SOC含量均显著低于其他三个处理(P<0.05，表2)。

表2 不同处理方式对土壤有机碳含量的影响Table 2 Effects of different treatments on soil organic carbon contents

图1 不同处理下的耕层SOC含量年际变化规律Fig.1 Interannual variation of SOC contents in plow layers under different treatments

不同处理下的TN含量年际变化也有所不同(图2)。随着耕作年限的增加，NTCC和NTCS下0～5 cm土层TN含量持续增加，2017年TN含量分别为2.3 g·kg-1、2.2 g·kg-1，与2001年TN含量相比，分别增长54.7%、59.4%；MPCC、MPCS处理下的TN含量也随着耕作年限的增加，呈现出增加的趋势，但是同NTCC和NTCS相比增幅较小；由表3可知，NTCC处理下的2002-2017年平均TN含量最高为1.89 g·kg-1，显著高于其他3个处理(P<0.05)，且呈现的顺序为NTCC>NTCS>MPCS≈MPCC。在5～10 cm土层，NTCC、MPCC、NTCS、MPCS 4个处理下的TN含量都呈现出随着耕作年限增加而增加的趋势；在10～20 cm土层，4个处理下的TN含量均存在先降低后增加的趋势，并在2008年达到最低；除此之外，对于5～20 cm来说，NTCS处理下的TN含量显著低于其他3个处理(P<0.05，表3)。不同处理下20～30 cm土层TN含量年际变化幅度不大，处于比较稳定的状态。

表3 不同处理方式对土壤全氮含量的影响Table 3 Effects of different treatments on total nitrogen contents

图2 不同处理下的耕层土壤TN含量年际变化规律Fig.2 Interannual variation of TN contents in plow layers under different treatments

由图4可知，0～5 cm土层C/N随着耕作年限增加，整体呈现出降低的趋势，其中NTCC和MPCC处理下的C/N年际变化比较稳定，没有大的波动，同时，NTCC处理下的C/N显著低于其他处理(P<0.05，表4)。5～10 cm土层C/N年际变化同0～5 cm耕层相似，而且4个处理间的年平均C/N无显著差异。10～20 cm和20～30 cm 土层C/N年际变化波动较小，随着耕作年限增加，保持比较稳定的状态，而且四个处理间的年平均C/N也无显著差异(P<0.05)。

表4 不同处理方式对土壤C/N值的影响Table 4 Effects of different treatments on soil carbon-nitrogen ratios

2.2 不同处理对耕层土壤碳、氮储量的影响

与2001年初始碳储量相比，2017年4个处理下的碳储量都显著增加(P<0.05,图3)。NTCC(75.7 Mg(C)·hm-2)、NTCS(73.9 Mg(C)·hm-2)、MPCC(68.9 Mg(C)·hm-2)、MPCS(71.0 Mg(C)·hm-2)处理分别显著增加18.6%、15.9%、8.1%和11.2%。其中MPCC处理下的土壤碳库储量显著低于其它3个处理(P<0.05)，其他3个处理之间没有显著性差异，但是NTCC处理下的碳储量最大，其次为NTCS和MPCS处理。

与2001年初始值相比，经过16年处理的0～30 cm耕层氮储量均显著增加(P<0.05，图3)：NTCC和NTCS处理下的氮库储量经过16年的保护性耕作措施之后，分别显著增加20.4%、9.5%(P<0.05)。MPCC和MPCS处理下的氮库储量均显著增加11.1%、4.0%。连续实施16年的NTCC其氮库储量最高为7.0 Mg(N)·hm-2，其他处理依次为MPCC≈NTCS>MPCS。

2.3 不同处理对玉米作物产量的影响及其与土壤碳氮的相关关系

由图5可知，经过16年的不同耕作和种植方式互作，玉米的年平均产量在4种处理下表现出NTCS>MPCS>MPCC>NTCC，分别为10 111 kg·hm-2、9 828 kg·hm-2、9 296 kg·hm-2、9 143 kg·hm-2。统计分析表明，影响玉米产量的主要因素为种植模式(P)(P<0.01)，而耕作方式(T)、耕作和种植方式互作(T×P)没有产生显著影响，玉米-大豆轮作下的玉米产量高于玉米连作下的玉米产量。相关分析表明，4种处理下土壤SOC、TN、C/N与玉米产量均不存在显著的相关关系(图7)。

注：其中(a)(b)(c)为玉米连作下土壤碳、氮与产量之间的关系；(d)(e)(f)为玉米-大豆轮作下土壤碳、氮与产量之间的关系。Note:(a)(b)(c) is the relationship between soil carbon,nitrogen and yield under corn continuous production,and(d)(e)(f) under corn-soybean rotation,respectively.图6 土壤碳、氮与玉米作物产量的关系Fig.6 Relationships between soil carbon,nitrogen and corn yields

3 讨 论

3.1 耕作方式和种植模式对耕层土壤SOC、TN及C/N的影响

经过16年保护性耕作试验，土壤有机碳与氮素动态变化存在密切关系，不仅体现在SOC、TN含量的年际变化，土壤碳库、氮库储量也呈现出一致的表现。随着年限的增加，NTCC、NTCS处理下的0～5cm土层SOC、TN含量均呈显著增加的趋势，这与Beare等[19]研究结果一致，保护性耕作显著增加土壤表层SOC、TN含量，并随耕作年限增加而增加，并且年平均SOC、TN含量显著高于MPCC、MPCS处理。这可能是免耕下土壤全年未进行扰动，土壤碳、氮矿化减少，而且持续不断添加有机物料，使得土壤表层有机质不断累积，而与此相反，耕作对土壤的物理干扰通常会增加微生物活性和SOM分解，从而减少SOC和TN的积累。该研究结果同范如芹等[20]的研究结论一致。而在土壤10～20 cm耕层，4个处理SOC、TN含量变化均为先降低后增加，使得SOC和TN含量在剖面上的层化现象(即表层含量高，亚表层含量低)也相应出现先明显后减弱的趋势。原因主要有两个方面：一是秸秆还田主要集中在表层，尤其免耕下秸秆覆盖还田，秸秆中的碳氮元素向深层土壤输入需要时间；二是秸秆还田后在最初的年份会出现“激发效应”或者秸秆分解过程中需要消耗氮素，而氮素在供给植物生长和秸秆分解过程中会因二者的竞争而受限，所以出现先降低的趋势；而后随着秸秆逐渐分解转化并向土壤下层运移，土壤有机质含量得以补充，从而出现后增加的趋势。层化现象的产生则主要是由于土壤表面接收大量施用于农田的秸秆，并且还会接受降雨、降雪的强烈影响，从而使得土壤表面和下层的有机质含量出现明显差异。在20～30 cm土层，4个处理下的SOC、TN含量的年际变化不大，其原因可能是该土层并未受到耕作和种植方式的影响。许多研究也证明了保护性耕作能够提高表层土壤SOC、TN含量，但对深层土壤碳、氮含量的影响不大[6,21]。除此之外，NTCS处理在5～30 cm耕层的年平均SOC、TN含量均显著低于其它3个处理。主要是因为：(1) NTCS处理不扰动土壤，下层土壤比较紧实，通气性差，而土壤中大部分微生物都是好氧的，因此降低了微生物的数量和活性，从而减少微生物对土壤碳氮组分的储存能力[22-23]；(2)较玉米连作，玉米-大豆轮作减少了地上部分还田量、作物根系还田量和根系分泌物的残留量，因此其SOC、TN积累量也相应降低[24]，其研究结果同Lund等研究[25]类似。在所有处理中，NTCC显著增加0～30cm耕层土壤碳库、氮库储量，且储量达到最高。该研究结果同Zhang等的结论一致[9]。这主要是因为该处理下玉米秸秆还田量高，而玉米秸秆在土壤中的降解速率又低[26]，因此总体碳投入较大，故而显著增加SOC储量。

土壤C/N被认为是土壤质量的一个关键指标，可以用于衡量土壤碳、氮平衡状况[27]，而且还可以提供关于土壤储存和回收能源和养分的信息[28]。不同处理方式对土壤C/N年际变化也产生一定影响。根据图4和表4可以看出，4个处理下的土壤C/N随年限的增加而降低，即4个处理中的TN含量增加速率要高于SOC含量。其中NTCC处理在0～5 cm耕层的C/N值最小，显著低于其它处理，说明NTCC处理更有利于氮素积累，防止土壤养分流失。也有研究表明，土壤有机碳矿化量会随着土壤C/N降低而降低，本研究中随着年限增加，土壤C/N降低，也间接说明了4个处理秸秆还田后有机碳矿化减少，从而提高了土壤固碳能力[29]。

3.2 耕作方式和种植模式对玉米产量的影响

众多研究表明，影响作物产量的因素很多，主要包括耕作方式、作物种植模式、土壤类型及其性状、气象因素等[30-31]。其中，耕作方式和种植模式对作物产量的影响存在一定争议。有一些研究表明，耕作方式会显著改变作物产量。He和Zhang等[32-33]研究发现，与翻耕相比，长期免耕显著增加了作物产量；也有研究表明免耕降低或者对作物产量无显著影响[34-35]。本研究16年的长期定位试验则发现，耕作方式(免耕和秋翻)对作物产量无显著影响，这与Wang等[35]研究结果一致，而种植模式则显著影响玉米作物产量，玉米-大豆轮作玉米产量显著高于玉米连作，这与Mahdi得到的研究结果一致[36]。Crookston等[37]的研究表明，轮作可以将玉米产量提高5%～30%。本研究16年的试验结果表明，免耕条件下采取玉米-大豆轮作方式，玉米产量较其他处理提高2.88%～10.7%。其原因可能在于玉米-大豆轮作方式下，通过在不同年际间更换种植作物，改变了微生物区系的定向恶性发展，从而形成有利于玉米生长的环境；除此之外，大豆作为固氮作物之一，可以为玉米提供更多可利用的氮素，从而增加玉米产量[38-39]。

3.3 土壤耕层SOC、TN 含量和C/N与玉米作物产量的关系

研究表明，土壤有机质是决定作物产量最重要的因素之一[40]。其原因可能在于增加土壤有机碳积累可以通过维持土壤结构和调节土壤微生物活性从而间接影响作物产量[41-42]。例如，俄胜哲等[43]通过探究长期施肥对土壤碳氮关系发现，玉米产量随土壤有机质的增加而增加。然而，土壤有机质并不是决定产量的唯一因素。我们经过16年的试验研究发现，0～20 cm土层不同耕作方式下的SOC、TN含量和C/N与玉米产量间无显著相关性，与Yang等[44]的研究结果一致。Xu等认为高有机质含量并不一定能够确保高的产量[45]，只能部分说明增加土壤有机质固存，可能有助于提高作物产量，减少作物产量的不确定性[46]。也有研究表明，土壤C/N的改变可以调节土壤与作物对无机氮的竞争能力，从而影响作物产量的形成。因此，土壤有机质与作物产量的关系会因研究区域、土壤类型、气候条件不同而异，尚需要在特定区域结合更多影响作物产量的因素系统全面的分析。

4 结 论

长达16年的耕作方式与种植模式相互作用下土壤碳、氮含量表现出相似的年际变化。随着年限增加，表层0～5 cm土壤碳、氮含量持续显著增加，而且亚表层含量也由亏损转变为增加。与2001年初始值相比，免耕玉米连作在整个耕层0～30 cm的土壤碳、氮储量显著高于其他处理。各处理下土壤C/N均呈下降趋势，其中NTCC处理降低最为明显。耕作方式对玉米产量没有显著影响，而种植模式显著影响玉米产量，免耕玉米-大豆轮作下的玉米产量最高，免耕玉米连作下的产量保持稳定。综上所述，东北黑土区免耕玉米连作可以显著增加土壤有机碳含量与氮素养分有效性，提高土壤固碳、固氮潜力，但未显著增产。相比较而言，免耕玉米-大豆轮作虽然土壤碳氮储量低于免耕玉米连作，但显著高于传统性耕作，有助于培肥地力，而且其增产效果明显，是东北黑土区较适宜的耕作措施。