利用最小限制水分范围评价短期免耕对黑土有机碳矿化的影响

【目的】探索免耕、秋翻和垄作通过土壤物理特性对农田耕层黑土有机碳的影响。【方法】以2001年秋开始在吉林省德惠市中层黑土上进行了7年的田间定位试验小区土壤为研究对象,对免耕、秋翻和垄作3种耕作处理下耕层土壤有机碳含量进行分析。利用不同耕作方式下最小限制水分范围为评价指标来比较不同耕作处理对土壤有机碳矿化的影响。【结果】与秋翻相比,免耕显著增加了0—5cm土层有机碳含量,但5—30cm土层有机碳含量显著小于秋翻。免耕处理土壤有机碳分层率大于其它两种耕作方式。各年份免耕和秋翻处理下最小限制水分范围在0.129—0.170之间,随着耕作年限的增加,最小限制水分范围有减小的趋势,并表现出免耕小于秋翻的规律性。【结论】随着耕作年限的增加,覆盖于地表的秸秆在土壤有机碳表层累积过程中已经发挥了明显作用,与秋翻和垄作相比,免耕处理下土壤有机碳的分层率最大;最小限制水分范围可以用来评价免耕对土壤有机碳的影响,通过最小限制水分范围说明免耕对土壤有机碳的固定作用开始显现。     

黑土实施免耕对玉米和大豆产量及经济效益的影响

为评估在黑土区实施免耕的可行性,探讨了免耕下不同种植方式对作物产量和经济效益的影响。用连续12年的田间定位试验结果评价免耕、秋翻和垄作3种耕作方式以及玉米连作(C-C-C)、玉米—大豆轮作(C-S)和玉米—玉米—大豆轮作(C-C-S)3种种植方式下玉米和大豆的产量及经济效益的变化。结果表明:轮作方式对作物产量影响明显,3种耕作方式下C-S轮作均显著高于C-C-S和C-C-C。C-S轮作方式下,免耕的玉米和大豆产量与秋翻和垄作的接近或略微偏高;免耕玉米的经济效益比秋翻和垄作分别提高了18.7%和3.2%,免耕大豆的经济效益也明显高于秋翻和垄作(P0.05)。在干旱年份,免耕方式下的C-S轮作对作物产量和经济效益比C-C-S和C-C-C明显提高。C-C-S和C-C-C作物的产量和经济效益差异不显著(P0.05)。与其他耕作和种植方式相比,免耕和C-S轮作相结合是黑土作物高产和经济高效的有效组合。     

保护性耕作下土壤团聚体组成及其有机碳分布特征

依据吉林省德惠市田间定位试验(始于2001年),对玉米-大豆轮作和玉米连作模式下秋翻(MP)、垄作(RT)和免耕( NT)3种耕作方式的机械稳定性团聚体和水稳性团聚体粒级分布、水稳性团聚体有机碳含量及团聚体稳定性进行了研究.结果表明,3种耕作方式下,＞0.25 mm机械稳定性团聚体含量均在70％以上,最高可达93.29％,各粒级含量在两个土层中表现规律性不强.水稳性团聚体含量均在20％以上,最高可达35.5％,且表层高于底层.与干筛法测定的团聚体相比,＞0.25 mm团聚体含量明显减少,最大减少幅度为58.76％.两个土层中玉米-大豆轮作和玉米连作下的机械稳定性团聚体与水稳性团聚体对耕作处理的响应表现出一定的相似性,即RT＞NT＞MP.水稳性团聚体有机碳含量随粒径的减小而增大,3种耕作方式下有机碳含量表现为NT＞RT＞MP,表层高于底层,且玉米-大豆轮作高于玉米连作.比较3种耕作方式,垄作更有利于团聚体的形成和稳定,且玉米-大豆轮作好于玉米连作.     

耕作方式对Brookston粘壤土耕层不同深度有机碳分布及稳定性影响

以加拿大安大略省西南部的Brookston粘壤土为研究对象,测定免耕和秋翻管理下耕层土壤不同深度(0～5,5～10,10～20 cm)中土壤有机碳的分布与动态变化,探索耕作方式对耕层不同深度中有机碳数量与稳定性的影响.结果表明:表层(O～5 cm)中,长期免耕土壤有机碳含量高于长期秋翻和短期免耕土壤,且有机碳较容易矿化,更加活跃.下层(10～20 cm)中,长期免耕土壤有机碳含量低干长期秋翻和短期免耕土壤,有机碳稳定性高于长期秋翻和短期免耕土壤.     

黄土高原长期保护性耕作对麦-豆轮作土壤有机碳组分的影响

通过设置在陇中黄土高原半干旱区的豌豆-小麦-豌豆(W-P-W)和小麦-豌豆-小麦(P-W-P)轮作系统的长期定位试验,探讨了土壤有机碳及活性有机碳组分对不同耕作措施的响应.结果表明:保护性耕作的3个处理均能不同程度地提高两种轮作次序下土壤SOC、ROC和MBC的含量,其中免耕和秸秆覆盖结合处理效果最佳.同时,各处理土层的含碳量均随土壤深度的增加而降低.与免耕处理相比,免耕秸秆覆盖(NTS)、免耕不覆盖(NT)和传统耕作秸秆还田(TS)处理能够显著增加表层(0~30cm)土壤有机碳的含量,但降低了深层(30~80cm)土壤有机碳的含量,说明与传统耕作相比,3种保护性耕作有利于表层土壤有机碳的积累,而不利于深层土壤有机碳的积累.     

半干旱区玉米-大豆轮作对土壤物理性质和化学性质的影响

为推广半干旱区节水高产高效栽培技术,开展了春玉米连作和春玉米-大豆轮作处理对比研究,明确半干旱区玉米-大豆轮作对土壤物理性质和化学性质的影响。结果表明:春玉米-大豆轮作处理土壤固相比例在0~10、20~30、30~40cm土层分别比春玉米连作处理低5.28%、25.59%和10.26%,液相比例也有呈增加趋势,土壤气相比例在20~30cm土层提高16.52%。春玉米-大豆轮作处理土壤孔隙度在表层土壤较春玉米连作处理也有增加趋势,0~20cm土层增加幅度为7.01%~8.68%。与春玉米连作处理,春玉米-大豆轮作处理土壤容重在表层0~20cm土层下降了0.10~0.13g·cm~(-3);春玉米-大豆轮作处理pH也略有降低,但幅度不明显。春玉米连作和春玉米-大豆轮作处理在不同土层土壤有效磷差异不显著;不同种植模式土壤速效钾的表层0~20cm含量高于20~50cm含量;而在0~10cm,春玉米-大豆轮作处理的碱解氮含量比春玉米连作高21.68%。轮作处理为大豆产量2 881kg·hm~(-2),玉米连作处理为8 373kg·hm~(-2),按照大豆价格3.2元·kg~(-1),玉米价格1.4元·kg~(-1)计算,大豆收入为9 219.2元·hm~(-2),玉米收入为11 722.2元·hm~(-2),轮作处理的收入比连作处理在种植大豆年少收入2 503元·hm~(-2)。     

耕作方式对耕层黑土有机碳库储量的短期影响

【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。     

不同轮作模式对土壤团聚体组成及有机碳分布的影响

选择干旱区玛纳斯河流域绿洲长期连作棉田土壤为研究对象,研究连作棉田、轮作玉米、轮作大豆、玉米//大豆间作和休闲免耕5种模式对土壤团聚体组成及有机碳分布特征的影响。结果表明：不同种植模式对土壤团聚体有明显的影响,土壤机械稳定性团聚体含量在粒径53～250 μm为最高,占39%～53%,水稳性团聚体含量呈最低; >250 μm机械稳定性团聚体含量在不同种植模式间差异显著,表现为大豆轮作>玉米轮作>休闲免耕>棉花连作>玉米//大豆间作; 秋季作物收获后,轮作大豆和玉米//大豆间作模式土壤团粒指数比春季分别减少18.7%和15.6%; 土壤团聚体有机碳及微生物量碳含量主要集中在>250 μm大团聚体中,而在微团聚体中含量较少; 不同模式土壤有机碳含量顺序为大豆轮作>玉米轮作>棉花连作>休闲免耕>玉米//大豆间作。比较几种种植模式,大豆轮作和玉米轮作有利于团聚体的形成和稳定,可作为长期连作棉田较为理想的短期轮作倒茬模式。     

耕作措施对东北黑土微生物呼吸的影响

【目的】利用东北黑土13年保护性耕作定位试验,研究耕作措施（免耕和秋翻处理）对土壤微生物的影响,从土壤微生物角度分析免耕是否有利于土壤有机碳（SOC）的固定,为合理评价农田黑土碳“源”与“汇”功能提供科学依据。【方法】以连作玉米为研究对象,采用单因素随机区组设计,耕作处理包括免耕和秋翻。免耕除播种外不扰动土壤,秸秆覆盖地表。秋翻处理的田间管理包括人工除草、中耕起垄和秋翻,秋翻时将秸秆翻于地表之下。土壤微生物呼吸速率通过PVC环在野外采用动态气室法（Li-Cor8100）直接测定（去除植物根系）,定期监测土壤微生物呼吸速率的季节变化,并在土壤微生物呼吸速率最高的季节取样分析不同处理土壤微生物量碳和数量特征。【结果】生长季节内免耕和秋翻处理下土壤微生物呼吸速率分别为0.42-3.35和0.48-3.24 μmolCO₂·m^-2·s^-1,两处理平均值差异不显著（8.8%）,但土壤累积CO₂-C释放量免耕比秋翻高10.0%（2012）和4.3%（2013）（P＜0.05）。免耕显著地增加0-5 cm表层土壤细菌、真菌和放线菌的数量,分别比秋翻高125.7%、112.4%和53.3%;还显著地增加了其他土层的真菌数量,分别为105.3%（5-10 cm）,159.4%（10-20 cm）和114.7%（20-30 cm）。耕作处理影响土壤温度,主要体现在春季,秋翻（0-5 cm,5-10 cm）春季（6月）土壤温度比免耕分别高2.8%和5.8%。土壤微生物呼吸速率表现出显著的季节变化规律,与土壤温度具有相似的动态变化,夏季（7、8月份）最高,秋季较低。尽管耕作处理没有明显地影响土壤微生物呼吸速率的季节动态格局,但秋翻的土壤微生物呼吸最高值比免耕晚半个月。土壤微生物呼吸速率随土壤温度（5 cm和10 cm）呈指数型增长,10 cm处的回归模型明显好于5 cm。耕作处理只改变了5 cm的Q₁₀值,免耕比秋翻高10.8%。土壤微生物呼吸速率与土壤温度、水分混合回归模型能更好地反应其变化规律,解释土壤微生物呼吸速率变异的65%（秋翻）和81%（免耕）。【结论】免耕增加了表层（0-5 cm）的SOC含量,从而使得该土层的土壤微生物量碳和活性增加,但是由于免耕处理增加0-30 cm 土层SOC含量的加权平均值,因此相对于传统的耕作措施（秋翻）,免耕有利于SOC含量的增加。     

秸秆还田方式对旱地草甸土活性有机碳组分的影响

为阐明不同秸秆还田方式下草甸土活性有机碳组分的分布特征,基于玉米田间定位试验,分析了不同耕作与秸秆还田方式下三个深度土层土壤有机碳及其活性组分的变化。结果表明：频繁的翻耕加速了表层（0~20 cm）土壤有机碳的矿化分解,使有机碳含量下降;免耕秸秆覆盖还田有利于表层土壤有机碳的增加,秸秆翻耕还田促进了中层（20~40 cm）土壤有机碳的积累;秸秆连续翻耕还田提高了中层土壤高活性和中活性有机碳的含量及土壤碳库管理指数,秸秆浅翻还田对表层和中层低活性有机碳的影响显著高于深翻还田与覆盖还田,但短期内秸秆连续浅翻还田与深翻还田对提高土壤碳库管理指数的差异不大。研究表明,土壤高活性和中活性有机碳对耕作深度的响应更加敏感,而秸秆还田主要使低活性有机碳增加,这也是玉米增产的主要原因。     

耕作方式对旱作农田土壤水热特性及夏玉米产量的影响

设置田间定位试验,研究免耕(NT)、深松耕(DT)和旋耕(RT)对旱作玉米田土壤体积质量、土壤水分、土壤温度及夏玉米产量等的影响。2a研究结果表明,采取耕作措施后,各处理土壤体积质量差异主要集中在0~40cm(P0.05),耕作前后40~60cm土壤体积质量差异不显著(P0.05)。耕作方式对土壤储水量有明显影响,其中,播种后0~50d,深松耕和免耕处理0~100cm土壤储水量均高于旋耕;播种后70~120d,3种耕作方式下土壤储水量差异不显著(P0.05)。各耕作措施对土壤温度的影响在作物生育前期(播种后0~30d)表现明显(P0.05),表现为旋耕玉米田土壤温度高于免耕和深松耕,播种后50~120d各处理间无显著差异(P0.05)。深松耕和旋耕处理玉米籽粒产量较免耕分别高3.35%和1.91%。结合经济效益分析,免耕和深松耕净收入较旋耕分别高138.48元/hm~2和259.38元/hm~2。因此,深松耕为旱作夏玉米田较适宜的耕作方式。     

Short-Term Impacts of No Tillage on Aggregate-Associated C in Black Soil of Northeast China

In order to get a good indicator to evaluate the impacts of no tillage （NT） on soil structure and soil quality, we studied the dynamics of total soil organic carbon （SOC） and aggregate-associated SOC, and their relationships in the plow layer （30 cm） in black soil of Northeast China under NT practice. The tillage experiment was established in Dehui County, Jilin Province, China, in 2001. The total SOC and aggregate-associated SOC under 5-yr tillage treatments were measured. NT practices did not lead to the increase of average SOC content at 0-30 cm depth, but it did significantly increase SOC at the top soil （0-5 cm）. In NT plots, the change of SOC in 〉 1 000 μm aggregate was the same with that of total SOC, but the effect of NT on SOC in 〉 1 000 lain aggregate was greater than the effect on total SOC, suggesting that 〉 1 000 μm aggregate had more sensitive response to the impact of tillage practices. Also, significant positive correlation occurred between total SOC and SOC in 〉 1 000 μm aggregate in black soil. Consequently, in the short term soil macroaggregate 〉 1 000 μm could be used as an indicator to evaluate the impacts of tillage practices on soil structure in black soil of Northeast China.     

免耕对东北黑土水稳性团聚体中有机碳分配的短期效应

 【目的】探讨免耕措施下黑土总有机碳和水稳性团聚体中有机碳分配的动态变化,以及免耕对团聚体结合碳和总有机碳之间相关关系的影响,为筛选出免耕对黑土结构和质量影响的评价指标提供科学依据。【方法】以在吉林省德惠市中层黑土上进行了5年田间定位试验的小区土壤为研究对象,对免耕（NT）、秋翻（MP）和垄作（RT）3种耕作处理下耕层（0～30 cm）黑土有机碳和团聚体结合碳的动态变化及其相互关系进行分析。【结果】5年的NT处理并没有增加耕层有机碳（SOC）平均含量,但显著增加了表层（0～5 cm）的SOC含量,增加量为2001年的9.9%。NT试验前后,黑土总有机碳和＞1 000 μm级团聚体结合碳变化趋势一致,总有机碳除在表层（0～5 cm）变化显著外,其它土层变化均不明显,但＞1 000 μm级团聚体结合碳各层均有显著变化,说明＞1 000 μm级团聚体结合碳对耕作方式的响应较总有机碳更为敏感。相关分析表明,NT处理下黑土总有机碳与＞1 000 μm级团聚体结合碳之间存在显著的正相关关系。【结论】黑土＞1 000 μm级团聚体可以用于评价免耕对黑土结构和肥力的短期影响。     

保护性耕作对农田碳、氮效应的影响研究进展

作物产量的高低主要取决于土壤肥力,如何保持并提高土壤肥力是确保我国粮食安全和农业可持续发展的重要任务,也是众多学者关注的焦点。土壤有机碳和氮素是评价土壤质量的重要指标,其动态平衡直接影响土壤肥力和作物产量。随着全球气候变化及环境污染问题的愈加突出,农田土壤固碳及提高氮效率成为各界科学家研究的热点。目前,保护性耕作已成为发展可持续农业的重要技术之一,对土壤固碳及氮素的利用具有很大的影响。深入了解保护性耕作对土壤有机碳固持与氮素利用效率提高的影响机制,对于正确评价土壤肥力有着重要意义。但由于气候、土壤及种植制度等条件不一致,关于保护性耕作对农田碳、氮效应结论不一。阐述了国际上保护性耕作对农田系统土壤有机碳含量变化及其分解排放(如CO₂和CH₄)、氮素变化及其矿化损失(如NH₃挥发、N₂O排放与氮淋失)和碳氮素相互关系(如C/N层化率)影响的研究进展,并分析了其影响因素和相关机理。尽管国内保护性耕作的研究已进行30 多年,但在土壤有机碳与氮素方面与国外相比依然有较大的差距。保护性耕作对土壤固碳与氮素利用的影响机制,碳素和氮素在土壤-植株-大气系统中的转移变化,及结合农事管理等综合评价其生态效应的研究很少。在此基础上,提出未来我国保护性耕作在土壤有机碳固定和氮素利用方面的重点研究方向:(1)在定位试验基础上进一步探讨保护性耕作对土壤有机碳及氮素利用的影响机制;(2)深入研究土壤有机碳和氮素的相互关系及其对土壤肥力的影响;(3)结合环境保护与土壤可持续管理对保护性耕作农田土壤固碳及氮素高效利用的系统评价研究;(4)加强保护性耕作对农田碳、氮效应的宏观研究,合理评价保护性耕措施下对农田碳、氮综合效应。     

耕作对渭北旱塬小麦-玉米轮作田土壤水分和产量的影响

【目的】探讨不同降水年型下,耕作方式对冬小麦-休闲-春玉米轮作田土壤水分和作物产量的影响,为旱区粮田降雨高效利用与耕作制度创新提供理论支撑。【方法】于2007—2019年在渭北旱塬进行长期定位保护性耕作试验,以传统翻耕（CT）为对照,设置免耕（NT）和深松（ST）2种少耕耕作方式,分析不同降水年型下耕作方式对小麦-玉米轮作田休闲期土壤蓄墒、作物产量和水分利用效率的影响。【结果】（1）降水年型、耕作方式及其互作均显著影响休闲期末期土壤贮水量和休闲期蓄墒率,其中降水年型是休闲末期土壤贮水量和休闲期蓄墒率变化的主导因素。休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量（mm）表现为丰水年型（430.6）>欠水年型（405.9）>平水年型（381.5）;NT（417.4）>ST（402.3）>CT（398.2）;丰水年型NT处理休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量最高（438.5）,平水年型ST处理最低（370.2）;休闲期蓄墒率（%）表现为丰水年型（27.1）>欠水年型（26.6）>平水年型（25.1）;NT（27.6）>ST（26.4）>CT（25.8）;欠水年型NT处理土壤蓄墒率最高（29.1）,平水年型CT处理土壤蓄墒率最低（25.0）。（2）降水年型、耕作方式及其互作均显著影响冬小麦产量和水分利用效率（WUE）,其中耕作方式是冬小麦产量（kg∙hm^-2）和WUE（kg∙hm^-2∙mm^-1）变化的主导因素。冬小麦产量表现为丰水年型（4985）>欠水年型（3984）;NT（4522）>ST（4468）>CT（4465）;丰水年型NT处理产量最高（5033）,欠水年型ST处理最低（3957）;冬小麦WUE表现为丰水年型（15.4）>欠水年型（14.9）;NT（16.2）>ST（15.4）>CT（14.0）;丰水年型NT处理WUE最高（16.5）,欠水年型CT处理最低（13.9）。（3）降水年型、耕作方式及其互作均显著影响春玉米产量和水分利用效率（WUE）,其中降水年型是春玉米产量（kg∙hm^-2）和WUE（kg∙hm^-2∙mm^-1）变化的主导因素。春玉米产量表现为丰水年型（7677）>欠水年型（6999）>平水年型（5887）;NT（6900）>ST（6879）>CT（6785）;丰水年型ST处理产量最高（8003）,平水年型ST处理最低（5723）;春玉米WUE表现为丰水年型（18.7）>欠水年型（17.5）>平水年型（14.8）;NT（17.8）>ST（17.0）>CT（16.2）;丰水年型ST处理WUE最高（19.3）,平水年型CT处理最低（13.9）。（4）在冬小麦-休闲-春玉米轮作周期中,耕作方式显著影响作物产量和WUE。其中NT处理多年平均产量和WUE分别较CT处理提高1.6%和9.5%,ST处理多年平均产量和WUE分别较CT处理提高1.2%和3.9%。【结论】综合各降水年型下土壤水分与作物产量得出,保护性耕作可以相对高效地实现保水增产目的,其中以免耕处理蓄水与增产效应最佳。从旱作农田高产高效及长期可持续发展的角度综合考虑,推荐免耕作为黄土高原地区实现蓄水保墒及增产增收目的的耕作方式。     

Inter-annual changes in the aggregate-size distribution and associated carbon of soil and their effects on the straw-derived carbon incorporation under long-term no-tillage

Converting from conventional tillage to no-tillage influences the soil aggregate-size distribution and thus soil organic carbon(SOC) stabilization. However, the dynamics of soil aggregation and the straw-derived carbon(C) incorporation within aggregate fractions are not well understood. An experiment was established in 2004 to test the effects of two treatments, no-tillage with residue(NT) and conventional tillage without residue(CT), on the soil aggregate-size distribution and SOC stabilization in a continuous maize(Zea mays L.) cropping system located in the semiarid region of northern China. Soil samples were collected from the 0–10 cm layer in 2008, 2010 and 2015, and were separated into four aggregate-size classes(2, 0.25–2, 0.053–0.25, and 0.053 mm) by wet-sieving. In each year, NT soil had a higher proportion of macroaggregates(i.e., 2 and 0.25–2 mm) and associated SOC concentration compared with CT. Additionally, to compare straw-derived C incorporation within NT and CT aggregate fractions, 13 C-labeled straw was incubated with intact NT and CT soils. After 90 days, the highest proportion of 13 C-labeled straw-derived C was observed in the 2 mm fraction, and this proportion was lower in NT than that in CT soil. Overall, we conclude that long-term continuous NT increased the proportion of macroaggregates and the C concentration within macroaggregates, and the physical protection provided by NT is beneficial for soil C sequestration in the continuous maize cropping system in semiarid regions of northern China.