张博文，杨彦明*，张兴隆，李金龙，陈新宇，李志新

（1．内蒙古农业大学农学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2．阿荣旗农业技术推广中心，内蒙古呼伦贝尔 162750；3．扎赉特旗农业技术推广中心，内蒙古 兴安盟 137600）

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。

1 试验设计

1.1 试验地概况

试验于2016～2017年在内蒙古兴安盟扎赉特旗农业科技示范园区进行。该地区属温带大陆性气候，年均气温5.0 ℃，年均降水量432.8 mm，年均日照时数 2 855 h，无霜期 126 ～ 154 d。试验地土壤类型为黑土，pH值8.22，有机碳和养分值见表1。

表1 试验地有机碳和养分含量

1.2 试验设计

2016～2017年，设置不同深松深度和深松年限处理共7个（表2）。试验小区面积10 m×13.2 m=132 m2，随机区组设计，重复3次。于5月10日播种，作物为玉米（恒育498），播前深松作业，播种机起垄播种，垄高25 cm，播种量37.5 kg·hm-2，行距 66 cm，株距 25 cm，保苗数60 000株·hm-2； 尿 素（N 46%）、 磷 酸 二 铵（N 18%、P2O546%）施用量分别为 150、225 kg·hm-2，随播种机做种肥施入；2016～2017年5月26日、7月13日各灌水1次，灌水量900 m3/hm2；10月10日收获测产。

表2 各处理实施方案

1.3 测定方法

于2016～2017年玉米小喇叭口期（6月20日）、抽雄期（7月20日）、开花期（8月20日）、成熟期（9月20日）使用美国SPECTRUM SC-900紧实度仪测定土壤紧实度。于成熟期分0～ 10、10～20、20～40 cm土层，使用环刀法［15］测定容重，并采集土样。其余指标测定方法及计算公式如下：

土壤总孔隙度：（1-土壤容重/土壤比重）×100%［15］

土壤毛管孔隙度：土壤毛管含水量×土壤容重［15］

土壤充气孔隙度：土壤总孔隙度-土壤体积含水量［15］

土壤总有机碳：重铬酸钾-浓硫酸外加热法［16］活性有机碳：高锰酸钾氧化法［17］碳库活度（A）=活性有机碳/稳态有机碳［17］碳库活度指数（AI）=农田碳库活度/参考土壤碳库活度［17］

碳库指数（CPI）=农田土壤有机碳/参考农田土壤有机碳［17］

碳库管理指数（CPMI）=碳库活度指数×碳库指数 ×100［17］

1.4 数据处理分析

试验数据采用Excel 2007处理，显著性分析采用 SAS 9.0。

2 结果与分析

2.1 不同深松方式对土壤紧实度影响

由图1可知，在玉米小喇叭口期至开花期，随土层深度增加，CK土壤紧实度先升高后降低，深度在15 cm左右紧实度达到极大值。各深松处理紧实度与CK变化不一致，表现为随土层加深土壤紧实度逐渐提高，未出现明显“单峰曲线”变化趋势。深松可显著降低玉米开花期前后土壤紧实度，其中10～30 cm土层差异最显著，表明深松降低了犁底层附近土壤紧实度及土壤容重。玉米成熟期SS1、SS2均可不同程度增加10～20 cm土层土壤紧实度，小喇叭口期至开花期SS1、SS2可使0～10 cm土层土壤紧实度降低，土壤质地松散，利于储存更多水分。

深松1年各处理0～20 cm土层土壤紧实度在小喇叭口期、抽雄期小于深松2年各处理，20～30 cm土层深松1年与2年各处理均大于CK，但差异不显著。CS2在开花期至成熟期土壤紧实度均低于其他处理，且差异显著。在玉米成熟期，SS2、CS2土壤紧实度分别较SS1、CS1降低5.31%～ 69.23%、2.68%～ 26.14%，QS2较QS1降低了0～10 cm土层土壤紧实度。深松处理可直接破坏土壤原有结构，对土壤紧实度大小具有直接作用，随着生育时期推进，在不同深松方式下土壤孔隙状况、水分和气体运移原有规律被打破，进一步对土壤紧实度产生了影响。

图1 不同深松处理对土壤紧实度影响

2.2 不同深松方式对土壤容重及孔隙度的影响

图2可见，各处理各土层土壤容重与总孔隙度变化呈相反趋势，随着土层深度增加土壤容重提高，而总孔隙度、充气孔隙度、毛管孔隙度则降低。其中0～10、20～40 cm土层，深松处理土壤容重分别较CK显著降低了14.92%～27.66%、6.64%～15.11%，以SS2、CS1降幅最大。

CK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。

图2 各处理玉米成熟期土壤容重及孔隙度

相同深松年限，深松1年，20～40 cm土层CS1土壤总孔隙度、充气孔隙度显著高于其它处理；深松2年，20～40 cm土层QS2充气孔隙度显著高于SS2、CS2。

2.3 不同深松方式对土壤有机碳含量影响

图3 各处理玉米成熟期土壤有机碳及碳库活度

由图3可知，随着土层深度增加，各处理土壤总有机碳含量呈下降趋势，而活性有机碳变幅较小；除SS1、SS2外，各处理碳库活度均呈上升趋势。各处理较CK降低了0～20 cm土层土壤总有机碳含量，以0～10 cm土层最显著，其中CS1较CK显著降低44.23%。各处理0～10 cm土层土壤活性有机碳含量高于CK，20～40 cm土层，除SS1外也高于CK；QS1、CS1处理20～40 cm土层的土壤活性有机碳含量较CK分别提高1.60%、1.36%，0～10 cm土层差异不显著。深松提高了0～10 cm土层土壤碳库活度，SS1、CS1与CK差异显著。深松可改善土壤结构，优化土壤水气交换条件，加速土壤有机碳转化分解，进而降低了表层土壤有机碳含量，提高土壤活性有机碳含量及碳库活度。深松可有效改善犁底层附近土壤状况，降低土壤容重，促进根系向下生长，同时较好的土壤环境也更有利于土壤微生物活动，进而促进深层土壤有机碳的积累。

连续深松提高0～10 cm土层土壤总有机碳含量，CS2、QS2分别显著高于CS1、QS1，10～20、20～40 cm土层各处理间差异不显著。随深松深度增加，0～10 cm土层土壤总有机碳含量呈下降趋势，20～40 cm土层呈上升趋势。深松年限对土壤活性有机碳含量无显著影响，但0～10 cm土层深松2年各处理低于深松1年，20～40 cm土层高于深松1年。10～20、20～40 cm土层SS1、SS2土壤活性有机碳含量较低，10～20 cm土层SS2显著低于CS2，20～40 cm土层SS1显著低于QS1、CS1。

由图4可知，深松处理较CK可提高0～10 cm土层土壤CPMI。20～40 cm土层SS2土壤CPMI较CK低，其余处理均高于CK。深松2年各处理10～20 cm土层土壤CPMI高于CK，且高于深松1年各处理。0～20 cm土层，深松主要通过提高土壤 AI、CPMI，降低土壤 CPI。20～ 40 cm 土层QS1、QS2土壤AI、CPI均高于CK，而其他处理降低土壤AI，提高土壤CPI、CPMI。相同深松年限 下，0～ 10 cm土层SS1、SS2土壤CPMI较高，10～20 cm土层SS2仍然处于较高水平，但20～40 cm土层SS1、SS2较低。

图4 玉米成熟期各处理土壤碳库管理指数

3 讨论

土壤紧实度提高，可导致土壤蓄水保墒能力降低，气体流通情况变差，不利于作物生长发育［18］。苏有健等研究证实，深松、旋耕以及免耕等耕作方式下，0～30 cm土层土壤紧实度随土层深度加深而逐渐增加，且深松处理土壤紧实度低于旋耕处理［19］。程思贤研究表明，深松较旋耕可降低10～45 cm土层土壤紧实度，且随着深松深度增加，降幅增大［4］。本研究结果与上述研究结果具有一定差异，其中在玉米小喇叭口期至开花期，随土层深度增加，旋耕后0～30 cm土层的土壤紧实度呈现先上升后下降趋势，而深松处理则呈持续上升趋势。分析原因，可能由于犁底层较浅或上移，导致犁底层附近土壤紧实度较大所致。玉米抽雄前，深松可降低10～20 cm土层土壤紧实度，且在玉米开花期左右降幅最大；成熟期，深松、旋耕间差异减小，深松35 cm可较旋耕提高15～30 cm土层土壤紧实度，这与王慧杰等研究结果一致［20］。耕层土壤紧实度与土壤湿度、碾压次数、农业机械类型及作业方式等因素相关，与土壤湿度相关性最高［21］，黑土的土壤结构较好，深松后土壤持水能力进一步提升，进入雨季后，土壤湿度增加，土壤紧实度进一步降低，且随玉米生育时期推进，土壤受降雨、自然重力产生的沉降作用，也导致土壤紧实度增大。本研究进一步证实，在玉米成熟期，深松1年，深松25 cm土壤紧实度最低，深松2年，深松45 cm表现最佳。

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。