为探明长期耕作对黑土农田土壤结构和有机碳稳定性的影响,利用黑土长期定位试验平台,应用湿筛法和红外光谱法研究不同耕作方式(灭茬起垄,CT;免耕,NT;间隔深松,ST;翻耕,MP)下0～40 cm 土层土壤团聚体分布和有机碳稳定性.结果表明:与CT相比,NT和ST处理显著提高了耕层(0～20 cm)土壤超大团聚体(＞2mm)含量,NT、ST和MP处理显著提高了亚耕层(20～40 cm)土壤大团聚体(0.25～2 mm)含量,并提高了两土层团聚体平均重量直径和几何平均直径.NT处理显著提高了耕层土壤和大团聚体有机碳含量,而ST和MP处理显著增加了亚耕层土壤和大团聚体有机碳含量,其中,大团聚体对土壤有机碳的贡献率达68.9％～83.4％.NT还显著提高了耕层和亚耕层土壤及各粒级团聚体有机碳的化学稳定性.相关性分析显示,团聚体平均重量直径与土壤和大团聚体有机碳含量及其化学稳定性呈显著正相关.本研究结果可为明确黑土区不同耕作方式对农田土壤团聚体和有机碳稳定性的影响提供理论基础.

选取亚热带四种典型母质(花岗岩风化物、第四纪红色粘土、板页岩风化物、近代河流沉积物)发育的稻田土壤,以毗邻的旱作土壤为对比,通过室内模拟培养试验研究45％田间持水量(WHC)条件下稻田和旱作土壤中外源输入秸秆矿化和转化的特征与差异.结果表明:在180 d的培养期内,所选4种稻田土壤中外源输入秸秆的累积矿化率(18％-21％)均显著低于对应的旱作土壤(21％-28％),外源秸秆的输入对土壤原有有机碳矿化的激发效应也是以稻田土壤(5％-30％)明显低于对应的旱作土壤(17％-65％).外源秸秆在土壤中的分解产物主要向颗粒有机碳(POC)和铁铝结合态有机碳(Fe/Al-OC)分配,分配比例分别为9％-21％和12％-24％,其次为腐殖质碳(HMC)(11％-15％),而向微生物生物量碳(MBC)和溶解性有机碳(DOC)分配的比例极小,分别仅为2％-7％和0.1％-0.7％.与旱作土壤相比,稻田土壤中外源秸秆的分解产物向POC、Fe/Al-OC和MBC分配的比例较高,分别为15％-21％、17％-24％和6％-7％,而旱作土壤为9％-17％、13％-18％和2％-4％.此外,外源秸秆分解产物向2000-250μm水稳性粗团聚体分配的比例也以稻田土壤(10％-13％)高于旱作土壤(6％-7％),其它粒径中稻田与对应的旱作土壤之间并无显著差异.本研究结果说明,稻田土壤中外源输入秸秆的矿化率低于旱作土壤的现象在不同母质类型的土壤中可能普遍存在,这可能与稻田土壤中外源秸秆分解产物受水稳性团聚体的物理保护、与氧化铁铝的化学键合以及向有机碳稳定组分的分配作用较强有关,从而贡献于稻田土壤较高的有机碳积累.

以福州平原早、晚稻田为研究对象,分析了秸秆还田对早、晚稻田土壤不同粒级水稳性团聚中TC、TN、TP含量及其计量比的影响.结果表明:秸秆还田之后,早稻土壤各粒级水稳性团聚体中,TC、TN、TP含量以及TC∶TN均不同程度增加,且在1～2 mm粒级水稳性团聚体中,TC、TP含量及TC∶TN分别增加42.3％、22.2％和29.1％ (P＜0.05);各粒级水稳性团聚体中,TN∶TP均不同程度减小,TC∶TP则无明显变化规律;秸秆还田后,晚稻土壤1～2 mm粒级水稳性团聚体中TC、TP显著降低(P＜0.05),而各粒级水稳性团聚体中TC∶TN基本无变化,TC∶TP和TN∶TP则在1～2 mm粒级水稳性团聚体中增大,其余粒级团聚体中减小;从团聚体粒级角度看,早、晚稻土壤中TC、TN、TP主要分布在水稳性大团聚体中(0.25～2 mm粒级),团聚体粒级越小,养分含量越少;秸秆还田后,晚稻土壤水稳性大团聚体对土壤养分贡献率增大,水稳性微团聚体(＜0.25 mm粒级)养分贡献率则降低;总体上,早、晚稻田中,1～2 mm粒级水稳性团聚体对秸秆还田响应显著;秸秆还田对福州稻田水稳性团聚体中养分含量有影响,对其化学计量比的影响则不明显.

2015年在调查渭北高原黑垆土施肥量、产量和土壤性状(紧实度)的基础上,确定了61块冬小麦田为研究对象,分层采集0～50 cm土壤样品,研究了土壤紧实度、容重、水稳性团聚体的变异规律及其与小麦产量、化肥偏生产力的偏相关关系.结果表明:0～50 cm土层土壤紧实度和水稳性团聚体具有弱变异特征,变异系数分别为9.9％、4.9％;容重具有中等变异特征,变异系数为27.5％.小麦产量、化肥偏生产力与0～ 50 cm土壤紧实度均呈极显著负相关,其中与0～10、10～20和20～ 35 cm土层相关性状的关系更密切.小麦产量与土壤紧实度、容重、＞0.25 mm水稳性团聚体含量、有机质的多元回归分析表明,产量最终取决于土壤紧实度和有机质两个关键因素.因此,提高土壤有机质含量,降低表层(0～20 cm)和犁底层(20 ～ 35cm)土壤紧实度是提高渭北高原黑垆土区小麦产量的关键.

灌溉是设施土壤水分的主要来源,但膜下滴灌条件下设施土壤团聚体养分、酶活性和球囊霉素的分布特征等缺乏系统的研究.本文以连续6年不同灌水下限20 kPa(D20)、30 kPa(D30)和40 kPa(D40)下的膜下滴灌设施土壤为研究对象,分析了灌水下限对土壤团聚体稳定性及其脲酶、蔗糖酶、有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和球囊霉素(GRSP)含量的差异.结果表明:不同灌水下限显著影响各粒级团聚体的分布,其中与D20和D40相比,D30显著减少了微团聚体(＜0.25 mm)含量,促进了大团聚体(＞0.25 mm)的形成;且在D30处理下土壤团聚体的稳定性也显著提高,表现为水稳性团聚体平均质量直径(MWD)分别比D20和D40提高了26.4％和13.4％.不同团聚体中的碳、氮、磷及GRSP含量也显著不同,SOC、TN、TP、GRSP含量在2～1 am、1～0.25 mm、＜0.053 mm粒径中含量较高.总体来说,1～0.25 mm粒径团聚体SOC、TN、TP对全土的贡献率最高,分别达46.5％、53.3％、37.7％.不同团聚体中脲酶和蔗糖酶活性随粒径减少而逐渐增加,其中D30和D40处理显著增加了土壤团聚体酶活性,且1～0.25 mm粒径团聚体对全土酶活性的贡献率最高,分别达38.7％、41.2％.相关分析结果表明,土壤团聚体MWD与GRSP、SOC和脲酶活性之间呈显著正相关,且GRSP含量与SOC和脲酶活性也呈极显著正相关.综上,将土壤水吸力30 kPa设为灌水下限,有利于提高设施土壤团聚体稳定性,并增强团聚体对其中养分、酶活性和球囊霉素的保护作用.

基于团聚体分组和闭蓄态微团聚体分离技术,利用典型黑土区27年长期定位试验,研究草地生态系统、农田生态系统和裸地生态系统下土壤团聚体及团聚体内部组分中有机碳的分布,以解析不同生态系统下土壤团聚体和有机碳固持间的关系,揭示黑土有机碳的物理稳定性机制.结果显示:与农田相比,草地土壤有机碳含量显著提高7.6％;裸地土壤有机碳含量显著下降14.1％.草地促进了大团聚体(＞ 250 μm),尤其＞2000μm团聚体的形成,提高了土壤团聚体的稳定性;裸地则降低了土壤的团聚化程度及稳定性,大团聚体和微团聚体含量下降,粉粘粒含量相应增加.草地大团聚体中有机碳含量显著高于农田,且内部各组分有机碳含量均有显著提高,其中粗颗粒有机质、闭蓄态微团聚体和粉黏粒有机碳含量增幅分别为600％、54％和65％;裸地增加了粉粘粒结合有机碳含量,降低了大团聚体和微团聚体中有机碳含量,且大团聚体和微团聚体内部各组分有机碳含量均有所下降.3种生态系统类型土壤均以总粉粘粒结合有机碳为主,占土壤总有机碳52％-79％,其作为惰性碳库是黑土有机碳的重要组成部分.黑土有机碳的累积或损失主要表现为活性较强的有机碳库-团聚体中颗粒有机质的增加或减少,与农田相比,草地土壤有机碳的累积主要归因于大团聚体中粗颗粒有机质的增加,为总有机碳增量的3倍;裸地土壤有机碳的损失主要归因于微团聚体中总细颗粒有机质的减少,对总有机碳损失的贡献率为60％.

以渭北旱作麦田10年长期定位试验4种土壤物理指标和7种化学指标组成的土壤肥力性质为评价指标,研究长期实施6种保护性耕作处理后11种土壤指标的累积效应,并运用主成分分析对不同耕作处理下土壤肥力的累积效果进行综合评分,以期为渭北旱塬土壤可持续利用和管理提供科学依据结果表明:与传统连续翻耕(CT/CT)比较,免耕与深松轮耕(NT/ST)、深松与翻耕轮耕(ST/CT)、翻耕与免耕轮耕(CT/NT)处理土壤容重分别降低了6.6％、5.9％、6.6％,连续免耕(NT/NT)与连续翻耕差异不明显.＞0.25 mm力稳性团聚体含量以NT/NT最高,水稳性团聚体含量以NT/ST最高.与传统翻耕相比,5种耕作处理力稳性团聚体增加了1.7％ ～ 10.1％,土壤有机质增加了0.6％ ～ 11.2％,氮、磷、钾含量也均有提高.通过主成分分析将11种土壤指标分为两个主成分综合表征土壤质量,第1主成分的贡献率为75.5％,在其上有较高载荷的指标为土壤有机质、水稳性团聚体、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量,容重、孔隙度,第2主成分的贡献率为13.2％,力稳性团聚体在其上有较高载荷,两者共解释了88.6％的原变量.长期不同耕作效果逐渐累加形成的土壤肥力水平依次表现为:NT/ST＞ST/CT＞CT/NT＞NT/NT＞ST/ST＞CT/CT,NT/ST处理形成了一个相对平衡和较高肥力质量的土壤状况,为渭北旱作麦田最适宜的轮耕模式.

研究不同地膜覆盖时间对北方旱作农田土壤团聚体粒级稳定性和有机碳的影响,可为提升旱作农田生产力和保护农田环境选择合适的管理方式提供科学依据.以辽宁阜新5年秋覆膜(AP)、春覆膜(SP)和不覆膜(CK)的定位试验为研究对象,分析不同覆膜时间对0-10 cm和10-20 cm土层中＞2 mm、0.25-2 mm、0.053-0.25 mm和＜0.053 mm粒级的土壤水稳性团聚体的稳定性及有机碳的影响.结果表明,在北方旱作农田,连续5年的地膜覆盖可显著改变0-10 cm土层的土壤各级团聚体的分布、团聚体中有机碳的含量及其对土壤有机碳含量的贡献率,进而增加土壤水稳性团聚体的稳定性,而对10-20 cm土层影响不显著.与不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜可显著提高0-10 cm土层＞2 mm的水稳性团聚体的含量,分别提高了36.3％、47.9％ (P＜0.05),而对微团聚体无显著影响,说明地膜覆盖有利于提高大团聚体数量及稳定性.在0-10 cm土层,粒径＞2 mm团聚体有机碳含量及储量表现为秋覆膜最高,显著高于春覆膜和不覆膜处理(P＜0.05).与裸地不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜显著提高＞2 mm团聚体中有机碳含量对土壤有机碳的贡献率,分别提高了37％和26.1％ (P＜0.05).而在0-10 cm和10-20cm土层中,微团聚体中有机碳含量对土壤有机碳贡献率没有影响.在辽宁阜新土壤及种植条件下,秋覆膜处理不仅显著提高0-10 cm土壤水稳性大团聚体的含量和稳定性,还可以显著增加水稳性大团聚体有机碳含量及储量,促进有机碳的固存.

借助室内人工模拟降雨试验为研究手段,以强降雨过程中红壤丘陵区坡菜地侵蚀泥沙颗粒组成及土壤团聚体稳定性变化特征与规律为研究目的,分别在不同坡长(2,3,4m)、不同植被覆盖度(0,30％,60％,90％)条件下进行了有效模拟降雨试验共计12场次,每场次降雨试验的产流历时设计为30min,固定雨强为2.0mm/min.试验结果表明:1)侵蚀泥沙中颗粒粒径以＜2μm粘粒和2-20μm细粉粒为主.在原土中,粘粒(0-2μm)和细粉粒(2-20μm)含量之和占总量的43.92％,在泥沙中粘粒和细粉粒之和占总量的约57.08％,均出现不同程度的增加;2)在不同处理中,坡面土壤＞1mm干筛法团聚体含量明显大于湿筛团聚体(＞1mm)的含量,可认为水稳性团聚体的含量更能作为衡量土壤结构的稳定性的指标.＞ 0.25mm团聚体分散度(PAD0.25)和＞2mm团聚体分散度(PAD2)含量均出现增大,而＞0.25mm水稳性团聚体含量(WAS0.25)减少,植被覆盖度对土壤团聚体稳定性影响明显强于坡长;3)WAS0.25含量是影响侵蚀泥沙的颗粒粒径分布的主要因素,随着坡面土壤中WAS0.25的增加,侵蚀泥沙的平均重量直径逐渐降低.同时,泥沙颗粒平均直径与土壤团聚体平均重量直径(MWD团聚体)含量呈极显著负相关,可知坡面大团聚体越稳定,坡面土壤的粗化过程越不易形成.

以连续11年化肥配施不同剂量有机肥的黑土为研究对象,采用团聚体分组与闭蓄态微团聚体分离技术,研究土壤团聚体及其内部组分有机碳对不同有机肥施用量的响应,以期从团聚体尺度揭示黑土有机碳的物理稳定性机制.试验设置4个处理:OM0,仅施化肥;OM1,低量有机肥(7.5 Mg hm-2 a-1)+化肥;OM2,中量有机肥(15 Mg hm-2 a-1)+化肥;OM3,高量有机肥(22.5 Mg hm-2 a-1)+化肥,各处理化肥用量相同.结果 显示,与单施化肥相比,有机培肥处理土壤有机碳水平均有显著提升,低量、中量和高量有机肥处理分别提高了7.1％、12.4％和15.7％.有机培肥促进了土壤的团聚化作用,随着有机肥施用量的增加,250-2000 μm团聚体含量增加,粉粘粒含量降低,土壤团聚体的稳定性增强,但与中量有机肥相比,高量有机肥输入对土壤团聚化的作用并不明显.有机培肥加速了土壤大团聚体的周转,大团聚体周转速率随着有机肥施用量的增加而加快.有机肥输入并未影响粉黏粒结合有机碳浓度,表明在无有机肥投入的传统管理措施下,黑土粉黏粒已接近或达到碳饱和水平.随着有机肥输入的增加,微团聚体有机碳小幅增加,大团聚体有机碳增加趋势明显,而当有机肥用量最大时,微团聚体有机碳无显著变化,仅大团聚体有机碳仍继续增加,表明高量有机肥投入下微团聚体有机碳库已达到饱和,而更多的新增碳流向大团聚体.对大团聚体内部组分解析发现,高量有机肥处理下大团聚体有机碳的增加主要归因于粗颗粒有机质的增加.这些结果表明,黑土团聚体对有机碳的固持存在由小到大的等级饱和机制,随着有机肥输入的增加,粉粘粒最先达到饱和,然后是微团聚体,而更多的新增碳向周转不断加速的大团聚体富集,固持在活性相对较强的有机碳库一粗颗粒有机质之中.