全 文 ：中国生态农业学报 2015年 3月 第 23卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Mar. 2015, 23(3): 276−284


* 国家自然科学基金项目(31160269, 31171513)、“十二五”《循环农业科技工程》项目(2012BAD14B03)、甘肃省干旱生境作物
学重点实验室、省部共建国家重点实验室培育基地开放基金课题(GSCS-2012-13)和甘肃省自然科学基金项目(145RJZA204)
资助
** 通讯作者: 蔡立群, 主要从事保护性耕作、节水农业及土壤生态学方面的教学与研究。E-mail: cailq@gsau.edu.cn
武均, 主要研究方向为保护性耕作、土壤生态学。E-mail: wujun210@126.com
收稿日期: 2014−07−23 接受日期: 2014−12−01
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DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.140863
不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中
有机碳和全氮分布特征*
武 均1,2 蔡立群1,2,3** 齐 鹏1,2 张仁陟1,2,3
Yeboah Stephen1,2,4 岳 丹1,2 高小龙1,2
(1. 甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070; 2. 甘肃农业大学资源与环境学院 兰州 730070;
3. 甘肃省节水农业工程技术研究中心 兰州 730070; 4. 加纳作物研究所 库马西 3785)
摘 要 以连续进行 12年的保护性耕作长期定位试验为研究对象, 探索了传统耕作(T)、传统耕作+秸秆还田
(TS)、免耕不覆盖(NT)、免耕+秸秆覆盖(NTS)4种耕作措施对陇中黄土高原旱作农田豌豆−小麦双序列轮作系
统的土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征的影响。结果表明: 各处理均以≥0.25 mm团聚体为优势团聚体, 且
≥0.25 mm团聚体含量随土层深度增加而增加, 而其他粒径团聚体含量随土层深度的变化并无明显规律。较之
T处理, TS、NT、NTS处理均可提升≥0.25 mm团聚体含量和平均重量直径, NTS处理提升效果最明显。TS、
NT、NTS 处理土壤有机碳和全氮含量均高于 T处理, 其中 TS、NTS处理显著高于 T处理, NTS处理高于 TS
处理; 各处理土壤有机碳和全氮含量均随土层增加而减小。较之 T处理, NT、TS、NTS处理可不同程度提高
各粒径团聚体中有机碳和全氮含量, NTS 处理的含量最高; 各粒径团聚体中有机碳和全氮含量均随土层深度
增加而减小; 同时, 团聚体中有机碳和全氮含量随粒径减小而增加。2~5 mm和 0.25~2 mm和≥5 mm团聚体
含量与相应粒径团聚体有机碳含量呈极显著正相关、极显著正相关和极显著负相关; 0.25~2 mm和≥5 mm团
聚体含量与相应级别团聚体全氮含量分别呈极显著正相关和显著负相关。T 处理不同粒径团聚体有机碳和全
氮贡献率按其大小排序均为(<0.25 mm)>(≥5 mm)>(0.25~2 mm)>(2~5 mm), 其他 3种耕作措施各粒径团聚体
有机碳和全氮贡献率在各土层中的排序各有不同, 并无明显规律。
关键词 旱作农田 耕作措施 土壤团聚体 土壤有机碳 土壤全氮 养分贡献率
中图分类号: S152.4+81; S158.2 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)03-0276-09
Distribution characteristics of organic carbon and total nitrogen in dry
farmland soil aggregates under different tillage methods in the Loess
Plateau of central Gansu Province
WU Jun1,2, CAI Liqun1,2,3, QI Peng1,2, ZHANG Renzhi1,2,3, Yeboah STEPHEN1,2,4,
YUE Dan1,2, GAO Xiaolong1,2
(1. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. College
of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu Engineering Research
Center for Agriculture Water-saving, Lanzhou 730070, China; 4. CSIR-Crops Research Institute, Kumasi 3785, Ghana)
Abstract A 12-year local experiment of spring wheat-pea rotation system was conducted in dry farmlands of the Loess Plateau in
central Gansu. The aim of the study was to determine the distribution characteristics of soil organic carbon and total nitrogen in soil
第 3期 武 均等: 不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征 277


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aggregates. The treatments consisted of four tillage practices ― conventional tillage without straw mulch (T), conventional tillage
with straw incorporation (TS), no-tillage without straw mulching (NT) and no-tillage with straw mulching (NTS). The experimental
set-up was a Randomized Complete Block design with three replications. The soil samples were taken at three different soil depths
(0−5 cm, 5−10 cm and 10−30 cm) per plot. The results showed that the ≥0.25 mm aggregates of soil were the dominant aggregates,
whose content increased with increasing soil depth. While increase in the content of ≥0.25 mm aggregates was regular, changes in
the ≥5 mm, 2−5 mm, 0.25−2 mm aggregates were irregular. Compared to T treatment, NT, TS and NTS treatments increased the
≥0.25 mm aggregates content and mean weight diameter (MWD) of aggregates, and NTS had the highest effects. With increasing
soil depth, MWD of all four treatments improved under pea→wheat→pea rotation sequence. However, the results under
wheat→pea→wheat rotation sequence was different. MWD of T and NT treatments in three soil depths did not increase with
increasing soil depth. However, MWD of TS and NTS treatments increased with increasing soil depth. Compared with T treatment,
NT, TS and NTS treatments increased the contents of soil organic carbon and total nitrogen. NTS had the highest soil organic carbon
and total nitrogen contents. NTS and TS were significantly higher (P < 5%) than T. The results showed that the contents of soil
organic carbon and total nitrogen decreased with increasing soil depth. Compared with T treatment, NT, TS, NTS treatments
improved soil organic carbon and total nitrogen in soil aggregates. NTS had the best for all the investigated soil depths. The results
showed that with increasing soil depth, the contents of soil organic carbon and total nitrogen decreased in soil aggregates. Also the
contents of soil organic carbon and total nitrogen decreased in soil aggregates with increasing aggregate size. The correlation between
the 2−5 mm and 0.25−2 mm soil aggregates contents and their soil organic carbon content was significantly positive ― respectively
with correlation coefficients of 0.493 and 0.559. The correlation between the ≥5 mm soil aggregate content and its soil organic
carbon content was significantly negative (−0.481). The correlation between the 0.25−2 mm and ≥5 mm soil aggregates contents and
their total nitrogen contents was respectively significantly positive (0.590) and significantly negative (−0.418). Therefore the size of
the 0.25−2 mm soil aggregate was the major driver of soil organic and total nitrogen. The contributing rates of organic carbon and
total nitrogen in different sized soil aggregates to soil organic carbon and total nitrogen in T treatment were in the order of (<0.25 mm) >
(≥5 mm) > (0.25−2 mm) > (2−5 mm) in all the soil depths. The trends for the other treatments varied with different soil depths.
Long-term conservation tillage increased soil stability, the ≥0.25 mm soil aggregate amount, soil aggregates mean weight diameter,
soil organic carbon content and total nitrogen contents. NTS treatment enhanced amount of ≥0.25 mm soil aggregates improving
soil organic carbon, total nitrogen and soil stability.
Keywords Dryland farmland; Tillage practice; Soil aggregates; Soil organic carbon; Soil total nitrogen; Distribution nutrient
contributing rate
(Received Jul. 23, 2014; accepted Dec. 1, 2014)
在陆地生态环境系统中, 土壤有机碳和氮在全
球气候变化以及碳、氮循环中发挥着重要作用, 多
年来一直是研究的热点[1−3]。近年来, 随着全球气候
和环境的变化, 对土壤碳、氮库的研究也更加广泛
和深入[4]。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元, 在
土壤中主要发挥着“三大作用”, 即保证和协调土壤
中的水肥气热、影响土壤酶的种类和活性、维持和
稳定土壤疏松熟化层[5]。土壤团聚体的形成与土壤
有机碳和全氮密不可分 [5−6], 同时土壤团聚体对有
机碳和氮素亦有保护作用。然而, ≥0.25 mm团聚体
对耕作措施反应敏感 , 大量研究 [7−8]表明翻耕破坏
土壤大团聚体, 致使团聚体中有机质暴露, 这不仅
增加了有机质的输出, 还加剧了土壤温室气体的排
放。因此, 提升土壤团聚体中有机碳和氮素含量不
仅可以提升土壤肥力水平, 亦可提升土壤固碳、氮
能力, 进而减少土壤 CO2、N2O和 CH4的输出。
陇中黄土高原半干旱区受其气候因素、地理位
置、地形地貌、土壤结构等因素的影响, 已成为我
国乃至世界水土流失最为严重、生态环境最为脆弱
的地区之一[9]。该区典型的传统耕作措施对耕层土
壤过度翻动导致大量土壤团聚体破坏, 而休闲期地
表裸露致使水分蒸发强烈、利用效率低, 作物秸秆
大量移出减少了土壤有机质含量, 加剧了耕地质量
的恶化[8−10]。因此, 为了缓解或改善以上现象, 寻求
合理的耕作措施迫在眉睫。目前, 大量研究集中于
土地利用方式对土壤团聚体碳、氮库的影响, 关于
不同农作方式对其影响的研究较少, 尤其是针对陇
中黄土高原的研究鲜见报道。为了探索不同耕作措
施对陇中黄土高原旱作农田土壤团聚体有机碳、全
氮含量和分布的影响, 本研究依托甘肃农业大学在
定西市安定区李家堡镇麻子川村自 2001 年布设的
长期不同耕作措施定位试验, 对试区 2013年土壤团
聚体特征和固碳、氮效应进行测定分析, 旨在为深
入和准确评价土壤团聚体中碳、氮分布特征, 并且
为该区选择更有利于土壤结构稳定性保持及其碳、
氮积累的合理耕作措施提供可靠的理论依据。
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1 材料与方法
1.1 试区概况
试验设于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的甘
肃省定西市李家堡镇麻子川村(35°28′N, 104°44′E)。
试区干旱多灾, 属中温带半干旱区, 农田土壤为典型
的黄绵土, 质地均匀、土质绵软。平均海拔 2 000 m, 无
霜期 140 d, 年均日照时数 2 476.6 h, 年均太阳辐射
594.7 kJ·cm−2, 年均气温 6.4 , ℃ ≥0 ℃积温 2 933.5 ℃,
≥10 ℃积温 2 239.1 , ℃ 干燥度 2.53; 多年平均降水
390.9 mm, 年蒸发量 1 531 mm, 80%保证率的降水
量为 365 mm, 变异系数为 24.3%, 为典型的雨养农
业区。
1.2 试验设计
试验地采取春小麦(Triticum turgidum L.)、豌豆
(Pisum sativum L.)双序列轮作措施, 即小麦→豌豆
→小麦(简称 W→P→W)序列, 当季作物为小麦; 豌
豆→小麦→豌豆(简称 P→W→P)序列, 当季作物为
豌豆。各序列均设 4个处理, 随机区组设计, 具体处
理方式见表 1。各处理 3 次重复, 共 24 个小区, 小
区面积 20 m×4 m=80 m2。供试春小麦品种为‘定西
40号’, 豌豆品种为‘绿农 1号’。春小麦于 2013年 3
月播种, 8月收获, 播种量 187.5 kg·hm−2, 行距 20 cm,
各处理均施 N 105 kg·hm−2, P2O5 105 kg·hm−2(尿素+
二铵); 豌豆于 2013 年 3 月播种, 8 月收获, 播种量
100 kg·hm−2, 行距 24 cm, 各处理均施 N 20 kg·hm−2,
P2O5 105 kg·hm−2 (过磷酸钙+二铵)。所有试验肥料均
作为基肥在播种时同时施入。覆盖处理所用秸秆为前
茬作物秸秆, 收获后打碾切碎均匀撒布于小区内。
表 1 处理描述
Table 1 Description of tillage treatments in the experiment
代码
Code
处理
Treatment
耕作方法
Description
T 传统耕作
Conventional tillage
前茬作物收获后三耕两耱, 这是定西地区很典型的传统耕作方式: 8 月收获后进行第 1 次耕作, 月底和 9
月分别进行第 2次、3次耕作, 耕深依次为 20 cm、10 cm和 5 cm; 9月第 3次耕后耱 1次, 10月份冻结前
再耱 1次。
The field was ploughed 3 times and harrowed twice after harvesting. The first plough was in August immedi-
ately after harvesting, the second and third ploughs were in late August and September respectively. The plough
depths were 20 cm, 10 cm and 5 cm, respectively. The field was harrowed after the 3rd plough in September and
re-harrowed in October before the ground was frozen. This was the typical conventional tillage practice in
Dingxi region.
NT 免耕
No-tillage
全年不耕作, 播种时用免耕播种机一次性完成施肥和播种。
No-tillage throughout a year. Sowing seeds and fertilization were performed with seeding-machine at the same
time.
TS
传统耕作+秸秆还田
Conventional tillage with
straw incorporation
耕作方式同 T, 但结合第 1次耕作将所有前作秸秆翻埋入土。
The field was ploughed and harrowed exactly as T treatment, but with straw incorporation at the first plough.
All the straw of the previous crop was returned to the original plot immediately after threshing and then incor-
porated into soil.
NTS
免耕+秸秆覆盖
No-tillage with straw
mulching
播种、除草方法同 NT, 收获脱粒后将全部前作秸秆覆盖在原小区。
No-tillage through a year. The ground was covered with straw of previous crop from August till next March.
All the straw from previous crop was returned to the original plot immediately after threshing.

1.3 测定方法和数据处理
试验于 2013年 10月土壤冻结前采用五点法分
别采集各小区 0~5 cm、5~10 cm、10~30 cm土层土
样 1 500 g左右(1 000 g用于土壤团聚体分析, 其余
用于土壤理化性状测定), 装于硬质塑料保鲜盒带
回实验室风干。采用旋转振筛仪(可减少团聚体因
筛分引起的破碎)测定机械稳定性团聚体(≥5 mm、
2~5 mm、0.25~2 mm、<0.25 mm)百分含量。共计
72份供试土样, 每份供试土样分 5次筛完, 每次筛
分 200 g左右, 每次 5 min, 筛分结束后利用静电吸
附剔除植物残渣。利用重铬酸钾−外加热法(油浴)
和凯氏法[11]测定全土和各粒径团聚体中有机碳、全
氮含量。利用平均重量直径(MWD, mm)[12]表征团
聚体稳定性。
1
1
( )
MWD
n
i i
i
n
i
i
R w
w
=
=
=
∑
∑
(1)
式中: iR 是某级别团聚体平均直径, wi 是该级别团
聚体干重。
利用邱莉萍等[13]的计算方法计算各粒径土壤团
聚体有机碳/全氮在土壤中的贡献率:
团聚体的贡献率 (%)=[该级团聚体养分含量
(g·kg−1)×该级团聚体含量(%)/土壤养分含量]×100%
(2)
文中数据、图表采用 Excel 2003 处理, 利用
SPSS 19.0软件进行统计分析, 显著性差异分析采用
新复极差法, 利用 Pearson法分析指标间相关性。
第 3期 武 均等: 不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征 279


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2 结果与分析
2.1 不同耕作措施下土壤团聚体组成和稳定性
2.1.1 团聚体组成
由图 1可知, 按照大团聚体(≥0.25 mm)和微团
聚体(<0.25 mm)排序, 两个轮作序列下各处理各土
层优势团聚体(含量)均为≥0.25 mm 团聚体(变幅为
59.30%~83.52%), 其中免耕+秸秆覆盖处理(NTS)≥
0.25 mm团聚体含量最高。由图 1a可知, 在小麦→
豌豆→小麦序列, 传统耕作(T)在 0~5 cm和 5~10 cm
两个土层中均以<0.25 mm团聚体居多, ≥5 mm团聚
体次之, 而在 10~30 cm土层中≥5 mm团聚体含量
最高, <0.25 mm 次之; 免耕(NT)处理团聚体在各土
层中均以<0.25 mm团聚体含量居多, ≥5 mm团聚体
次之; 传统耕作+秸秆还田(TS)处理在 0~5 cm 土层
以<0.25 mm团聚体含量居多, 0.25~2 mm团聚体次
之, 而在其他两个土层中<0.25 mm团聚体含量最高,
≥5 mm 团聚体次之; 免耕+秸秆覆盖(NTS)处理在
0~5 cm土层也以<0.25 mm团聚体含量居多, ≥5 mm
团聚体次之, 但各粒径团聚体分布较为均匀(变幅为
23.23%~28.95%), 在其他两个土层均以≥5 mm团聚
体居多, 0.25~2 mm团聚体次之。
由图 1b 可知, 在豌豆→小麦→豌豆序列, T 和
NT处理团聚体在 0~5 cm和 5~10 cm两个土层中均
以<0.25 mm团聚体居多, ≥5 mm团聚体次之, 而在
10~30 cm土层中≥5 mm团聚体含量最高, <0.25 mm
次之; TS处理团聚体在 0~5 cm土层以<0.25 mm团
聚体居多, ≥5 mm 团聚体次之, 而在 5~10 cm 和
10~30 cm 土层中≥5 mm 团聚体含量最高; 各土层
中 NTS处理优势团聚体均为≥5 mm团聚体。
2.1.2 团聚体稳定性
已有大量研究 [8,14−15]表明土壤团聚体平均重量
直径(MWD)可以表征团聚体稳定性。由表 2可知, 在
W→P→W 序列 0~5 cm 和 5~10 cm 土层, 各处理
MWD差异不显著, 但均以 NTS处理最高, T处理最
低; 在 10~30 cm 土层, NTS 处理 MWD 显著高于
(P<5%)NT、T 处理。在 P→W→P 序列, 0~5 cm和
5~10 cm土层, NTS处理的MWD显著高于其他处理,
其他 3个处理间差异不显著; 在 10~30 cm土层, 各
处理间差异并未达到显著水平 , 按其大小排序为 :
NTS>NT>TS>T。

图 1 不同耕作措施下小麦−豌豆不同轮作序列不同深度土壤团聚体组成
Fig. 1 Effects of tillage treatments on composition of soil aggregates in different soil depths under wheat→pea→wheat (a)
and pea→wheat→pea (b) rotation sequences
表 2 不同耕作措施下小麦−豌豆不同轮作序列不同深度土壤团聚体平均重量直径
Table 2 Effects of different tillage treatments on soil aggregates mean weight diameter in different soil depths under
wheat→pea→wheat and pea→wheat→pea rotation sequences mm
小麦→豌豆→小麦 Wheat→pea→wheat 豌豆→小麦→豌豆 Pea→wheat→pea 处理
Treatment 0~5 cm 5~10 cm 10~30 cm 0~5 cm 5~10 cm 10~30 cm
T 2.90±0.34a 3.02±0.40a 2.94±0.28b 2.81±0.19b 2.94±0.10b 3.34±0.23a
NT 2.99±0.29a 3.10±0.60a 3.09±0.27b 2.88±0.51b 2.96±0.06b 3.46±0.23a
TS 2.94±0.06a 3.04±0.25a 3.24±0.32ab 2.89±0.14b 3.11±0.10b 3.41±0.62a
NTS 3.04±0.12a 3.12±0.16a 3.43±0.19a 3.22±0.41a 3.53±0.19a 3.61±0.32a
表中同列不同小写字母表示统计检验不同处理间 P<5%水平差异显著, 下同。Different lowercase letters stand for significant difference
among different treatments at P < 5% level. The same below.
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2.2 不同耕作措施下土壤有机碳和全氮分布
2.2.1 土壤有机碳和全氮分布
由表 3可知, 在 W→P→W序列, 各土层 NTS、
TS处理土壤有机碳含量均显著高于 NT、T处理, 且
均以 NTS处理最高, T处理最低。3个土层中, T处
理全氮含量均显著低于其他处理, 以 NTS 处理全氮
含量最高。在 P→W→P序列 0~5 cm和 10~30 cm土
层 NTS、TS处理土壤有机碳含量均显著高于 NT、T
处理, 且均以 NTS处理最高, T处理最低; 5~10 cm
土层 NTS和 TS处理显著高于 T处理, 且 NTS处理
高于 TS处理。3个土层中, NTS处理土壤全氮含量
最高, T处理最低, 且 NTS和 TS处理的土壤全氮含
量显著高于 T 处理, 在 5~10 cm 和 10~30 cm 土层
NT处理土壤全氮含量显著高于 T处理。
表 3 不同耕作措施下小麦−豌豆不同轮作序列不同深度土壤有机碳和全氮含量
Table 3 Effects of different tillage treatments on contents of organic carbon and total nitrogen in different soil depths under
wheat→pea→wheat and pea→wheat→pea rotation sequences g·kg−1
有机碳 Organic carbon 全氮 Total nitrogen 序列
Rotation sequence
处理
Treatment 0~5 cm 5~10 cm 10~30 cm 0~5 cm 5~10 cm 10~30 cm
T 10.87±0.19b 10.38±0.39b 10.14±0.30b 0.98±0.04b 0.89±0.04b 0.85±0.02b
NT 11.15±0.18b 10.73±0.20b 10.35±0.45b 1.12±0.04a 1.04±0.09a 0.99±0.06a
TS 11.89±0.20a 11.41±0.09a 10.95±0.17a 1.17±0.05a 1.10±0.08a 1.02±0.07a
小麦→豌豆→小麦
Wheat→pea→wheat
NTS 12.16±0.08a 11.73±0.32a 11.38±0.08a 1.19±0.02a 1.15±0.06a 1.05±0.03a
T 10.80±0.40b 10.28±0.45b 9.89±0.33b 1.02±0.11b 0.91±0.05c 0.84±0.06b
NT 10.94±0.29b 10.93±0.61ab 9.99±0.20b 1.09±0.02ab 1.02±0.04b 0.97±0.04a
TS 11.97±0.08a 11.51±0.33a 11.24±0.58a 1.14±0.04a 1.10±0.04a 1.04±0.04a
豌豆→小麦→豌豆
Pea→wheat→pea
NTS 12.00±0.26a 11.56±0.36a 11.36±0.10a 1.19±0.03a 1.14±0.04a 1.06±0.10a

2.2.2 不同粒径团聚体中有机碳和全氮分布
由表 4 可知, 两种轮作序列下不同耕作措施对
各粒径团聚体中有机碳和全氮含量影响各不相同 ,
从总体来看, T处理各粒径团聚体中有机碳和全氮含
量低于其他种耕作措施, NTS处理的土壤团聚体有机
碳和全氮含量高于其他处理。在各土层中, 有机碳和
全氮含量在各粒级团聚体中的分布呈(<0.25 mm)>
(0.25~2 mm)>(2~5 mm)>(≥5 mm)。各粒径团聚体有
机碳和全氮含量在土壤剖面中的分布呈: 0~5 cm>
5~10 cm>10~30 cm的趋势, 这与耕层中全土有机碳
和全氮的变化趋势一致。
2.3 不同耕作措施下土壤团聚体有机碳和全氮含
量与各粒径团聚体含量间的相关性
由表 5可知, ≥5 mm团聚体中有机碳含量与该
粒径团聚体含量间存在极显著负相关关系, 2~5 mm
和 0.25~2 mm团聚体中有机碳含量与相应粒径团聚
体含量均呈极显著正相关关系, <0.25 mm团聚体中有
机碳与该粒径团聚体含量存在负相关关系。≥5 mm团
聚体中全氮含量与该粒径团聚体含量呈显著负相关
关系, 2~5 mm 团聚体中全氮含量与该粒径团聚体
含量间存在正相关关系, 0.25~2 mm团聚体中全氮
含量与该粒径团聚体含量呈极显著正相关关系 ,
<0.25 mm 团聚体中全氮与该粒径团聚体含量存在
负相关关系。
2.4 不同耕作措施下土壤团聚体有机碳、全氮贡献率
2.4.1 有机碳
由图 2 可知, 两个轮作序列下, 各粒径团聚体
有机碳贡献率按其大小排序在各处理中所体现的趋
势各有不同。由图 2a可知, W→P→W序列下, T和
NT不同粒径团聚体有机碳贡献率在 3个土层大小排
序均为(<0.25 mm)>(≥5 mm)>(0.25~2 mm)>(2~5 mm)。
在 0~5 cm 和 10~30 cm 土层, TS 处理的趋势均为
(<0.25 mm)>(0.25~2 mm)>(≥5 mm)>(2~5 mm), 在
5~10 cm 土层中排序与 T 和 NT 处理的相同。NTS
处理不同粒径团聚体有机碳贡献率在 3 个土层中由
上至下排序分别为 (<0.25 mm)>(≥5 mm)>(0.25~
2 mm)> (2~5 mm)、(0.25~2 mm)>(≥5 mm)>(<0.25 mm)>
(2~5 mm)、(≥5 mm)>(0.25~2 mm)>(2~5 mm)>(<0.25 mm)。
由图 2b可知, 在 P→W→P序列, T处理不同粒
径团聚体有机碳贡献率在 3 个土层按大小排序均为
(<0.25 mm)>(≥5 mm)>(0.25~2 mm)>(2~5 mm)。NT
处理不同粒径团聚体有机碳贡献率在 0~5 cm 和
5~10 cm土层的趋势与 T处理一致, 而在 10~30 cm
土层的趋势为(≥5 mm)>(<0.25 mm)>(0.25~2 mm)>
(2~5 mm)。TS 处理在 0~5 cm 土层表现为(<0.25 mm)>
(0.25~2 mm)>(≥5 mm)>(2~5 mm), 在 5~10 cm 和
10~30 cm土层的趋势与 NT处理在相同土层一致。
NTS处理在 0~5 cm土层所体现趋势与 T处理相同,
第 3期 武 均等: 不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征 281


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表 4 不同耕作措施下小麦−豌豆不同轮作序列不同深度土壤团聚体有机碳和全氮分布
Table 4 Effects of different tillage treatments on distributions of organic carbon and total nitrogen in soil aggregates in different soil
depths under wheat→pea→wheat and pea→wheat→pea rotation sequences g·kg−1
有机碳 Organic carbon 全氮 Total nitrogen 轮作序列
Rotation
sequence
土层
Soil depth
(cm)
处理
Treatment ≥5 mm 2~5 mm 0.25~2 mm <0.25 mm ≥5 mm 2~5 mm 0.25~2 mm <0.25 mm
0~5 T 10.19±0.42b 10.73±0.39b 10.90±0.42c 11.40±0.25b 0.88±0.04b 0.93±0.03b 1.00±0.07b 1.05±0.06c
NT 10.44±0.46b 10.89±0.34b 11.25±0.26bc 11.76±0.40b 1.07±0.01a 1.11±0.05a 1.15±0.05a 1.13±0.06bc
TS 11.06±0.69ab 11.73±0.27a 11.88±0.29ab 12.55±0.22a 1.09±0.05a 1.15±0.03a 1.20±0.04a 1.22±0.07ab
NTS 11.89±0.37a 11.79±0.58a 12.17±0.48a 12.66±0.11a 1.10±0.05a 1.17±0.01a 1.21±0.02a 1.26±0.01a
均值
Mean
10.90±0.76 11.29±0.55 11.55±0.58 12.09±0.61 1.04±0.10 1.09±0.11 1.14±0.10 1.17±0.09
5~10 T 10.00±0.27b 10.23±0.21b 10.58±0.76b 10.62±0.41b 0.81±0.05b 0.90±0.09b 0.92±0.06b 0.94±0.01b
NT 9.84±0.72b 10.53±0.27b 11.10±0.80ab 11.16±0.97ab 0.98±0.07a 1.00±0.08ab 1.08±0.11a 1.10±0.10ab
TS 10.71±0.18ab 11.34±0.21a 11.90±0.45a 11.69±0.19ab 1.00±0.05a 1.09±0.12a 1.13±0.04a 1.17±0.12a
NTS 11.33±0.92a 11.49±0.31a 11.96±0.18a 12.17±0.29a 1.08±0.08a 1.10±0.04a 1.17±0.07a 1.24±0.08a
均值
Mean
10.47±0.69 10.90±0.61 11.39±0.67 11.41±0.67 0.97±0.11 1.02±0.09 1.08±0.11 1.11±0.13
10~30 T 9.62±0.55a 10.13±0.03c 10.33±0.21b 10.55±0.56b 0.77±0.02b 0.80±0.05b 0.89±0.03b 0.92±0.05b
NT 9.65±0.55a 10.41±0.25bc 10.37±0.46b 10.93±0.83ab 0.90±0.03a 0.94±0.14ab 1.02±0.09ab 1.09±0.03a
TS 10.43±0.44a 10.87±0.48b 10.95±0.54ab 11.61±0.14a 0.95±0.03a 0.96±0.06ab 1.04±0.11a 1.10±0.08ab
NTS 10.82±0.44a 11.53±0.36a 11.66±0.24a 11.74±0.12a 0.94±0.03a 1.01±0.06a 1.12±0.03a 1.15±0.04a
小麦→
豌豆→小麦
Wheat→pea
→wheat
均值
Mean
10.13±0.59 10.74±0.61 10.83±0.63 11.21±0.56 0.89±0.08 0.93±0.09 1.02±0.10 1.07±0.10
0~5 T 10.03±0.65b 10.55±0.09b 10.78±0.36b 11.43±0.26b 0.83±0.05b 1.02±0.09b 1.06±0.12b 1.11±0.15a
NT 10.14±0.39b 10.31±0.32b 10.97±0.89b 11.80±0.26ab 1.03±0.03a 1.04±0.06ab 1.08±0.03b 1.15±0.04a
TS 11.22±0.44a 11.68±0.16a 12.32±0.22a 12.52±0.01a 1.08±0.04a 1.12±0.08ab 1.14±0.03ab 1.20±0.07a
NTS 11.13±0.11a 11.83±0.11a 12.49±0.42a 12.67±0.85a 1.12±0.07a 1.17±0.03a 1.22±0.03a 1.27±0.02a
均值
Mean
10.90±0.63 11.29±0.77 11.55±0.89 12.09±0.59 1.04±0.13 1.09±0.07 1.14±0.07 1.17±0.07
5~10 T 9.83±0.52b 10.04±0.36c 10.27±0.67a 10.77±0.35b 0.79±0.06c 0.94±0.07c 0.97±0.08b 0.97±0.10b
NT 10.38±0.61ab 10.64±0.37bc 11.13±0.89a 11.40±0.63ab 0.96±0.04b 1.01±0.02bc 1.03±0.03ab 1.06±0.09ab
TS 11.01±0.50a 11.22±0.29ab 11.71±0.51a 11.96±0.22a 1.05±0.04a 1.08±0.06ab 1.11±0.03ab 1.18±0.06a
NTS 11.19±0.66a 11.55±0.32a 11.81±0.67a 12.10±0.69a 1.11±0.03a 1.15±0.04a 1.12±0.11a 1.19±0.04a
均值
Mean
10.60±0.62 10.86±0.66 11.23±0.71 11.56±0.61 0.98±0.14 1.05±0.09 1.06±0.07 1.10±0.11
10~30 T 9.37±0.55b 9.76±0.25b 10.03±0.36b 10.49±0.48b 0.71±0.06b 0.85±0.04b 0.87±0.09b 0.94±0.10b
NT 9.23±0.31b 10.08±0.34b 10.51±0.38ab 10.53±0.20b 0.92±0.03a 0.97±0.05ab 1.01±0.05a 1.02±0.06ab
TS 10.65±0.25a 11.31±0.81a 11.51±0.64ab 11.84±0.33a 0.97±0.08a 1.04±0.03a 1.09±0.05a 1.12±0.04a
NTS 10.84±0.54a 11.32±0.75a 11.70±0.74a 11.95±0.22a 0.95±0.13a 1.06±0.12a 1.09±0.05a 1.13±0.08a
豌豆→
小麦→豌豆
Pea→wheat
→ pea

均值
Mean
10.02±0.84 10.62±0.82 10.94±0.80 11.20±0.80 0.89±0.12 0.98±0.10 1.02±0.11 1.05±0.09

表 5 不同粒径土壤团聚体有机碳和全氮含量与相应的
粒径团聚体含量间的相关性
Table 5 Correlation between contents of organic carbon, total
nitrogen in different size soil aggregates and corresponding
aggregates contents
≥5 mm 2~5 mm 0.25~2 mm <0.25 mm
有机碳 Organic carbon −0.481** 0.493** 0.559** −0.273
全氮 Total nitrogen −0.418* 0.335 0.590** −0.337
“**”和“*”指 P<1%和 P<5%水平上显著相关。“**” and “*” mean
significant correlation at 1% and 5% levels, respectively.

5~10 cm 土层趋势为 (≥5 mm)>(0.25~2 mm)>(2~
5 mm)>(<0.25 mm), 在 10~30 cm的趋势为随粒径减
小而减小。
2.4.2 全氮
由图 3a可知, 在 W→P→W 序列, T、NT处理 3
个土层不同粒径团聚体全氮贡献率均为(<0.25 mm)>
(≥5 mm)>(0.25~2 mm)>(2~5 mm)。在 0~5 cm土层,
NTS 处理不同粒径团聚体全氮贡献率均为(<0.25 mm)>
(0.25~2 mm)>(2~5 mm)>(≥5 mm), TS处理排序为
(<0.25 mm)>(0.25~2 mm)>(≥5 mm)>(2~5 mm)。在 5~
10 cm土层, TS处理的趋势为(<0.25 mm)>(≥5 mm)>
(0.25~2 mm)>(2~5 mm), NTS 处理为(<0.25 mm)>
282 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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图 2 不同耕作措施下小麦−豌豆不同轮作序列不同深度土壤团聚体有机碳贡献率
Fig. 2 Effects of different tillage treatments on contributing rates of soil organic carbon in soil aggregates under wheat→pea→wheat
(a) and pea→wheat→pea (b) rotation sequences
(0.25~2 mm)>(≥5 mm)>(2~5 mm)。在 10~30 cm土
层 , TS 处理的趋势与其在 0~5 cm土层一致 , NTS
的趋势为 (0.25~2 mm)>(≥5 mm)>(2~5 mm)>
(<0.25 mm)。
由图 3b可知, P→W→P序列中, T处理 3个土层不
同粒径团聚体全氮贡献率均为(<0.25 mm)>(≥5 mm)>
(0.25~2 mm)>(2~5 mm)。在 0~5 cm土层, NT、NTS
处理的趋势与 T 处理相同, TS 处理为(<0.25 mm)>
(0.25~2 mm)>(≥5 mm)>(2~5 mm)。在 5~10 cm土层,
NT与 TS处理的趋势与 T处理的一致, NTS处理的
趋势为(≥5 mm)>(0.25~2 mm)>(2~5 mm)>(<0.25 mm)。
在 10~30 cm土层, NT与 TS处理的趋势为(≥5 mm)>
(<0.25 mm)>(0.25~2 mm)>(2~5 mm), NTS处理的为
随粒径减小而减小。

图 3 不同耕作措施下小麦−豌豆不同轮作序列不同深度土壤团聚体全氮贡献率
Fig. 3 Effects of different tillage treatments on contributing rates of total nitrogen in soil aggregates under wheat→pea→ wheat (a)
and pea→wheat→pea (b) rotation sequences
3 结论与讨论
两个轮作序列下, 各处理均以≥0.25 mm团聚体
为优势团聚体, 且随土层的增加而增加, <0.25 mm微
团聚体随土层增加而较少, 这与武均等 [8]研究结果
一致; 但各粒径团聚体随土层的变化并无明显规律,
这与蔡立群等[14]研究结果相似。较之 T 处理, 其他
3 处理皆可不同程度地增加≥0.25 mm 团聚体含量,
提升团聚体 MWD, 其中 NTS处理效果最好。在 P→
W→P序列, 各处理 MWD随土层增加而增加, 而在
W→P→W序列 T和 NT处理的MWD随土层增加呈
先增加再降低的变化趋势, TS和 NTS处理的 MWD
随土层增加而增加, 两种轮作序列下T和NT处理的
MWD 分布趋势不尽相同可能是由于前茬作物、地
上生物量、微生物种群数量和多样性不同等原因而
引起的, 具体原因有待进一步研究。Devine 等[15]在
Horseshoe Bend(美国亚利桑那州马蹄湾)研究结果
表明, 较之传统耕作, 免耕可提升机械稳定性团聚
体和水稳性团聚体MWD, 且MWD随土层增加而增
第 3期 武 均等: 不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征 283


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加; 王海霞等[16]在渭北旱塬研究结果显示, 免耕+秸
秆覆盖不仅能够增加≥0.25 mm 团聚体含量, 还可
提升土壤团聚体稳定性; 高建华等[17]在黄土高原旱
作农田研究发现, 较之 T处理, NT、TS、NTS处理
均可不同程度提升团聚体稳定性, NTS 处理效果最
好。这主要是由于: 1)较之免耕, 传统耕作措施加剧
了对耕层土体的扰动, 这不但破坏了土壤大团聚体,
引起土壤团聚体重新分布 , 加快团聚体周转速率 ,
还减缓了土壤自身调节作用和恢复过程, 破坏土体
稳定性和连续性。2)由于该区特殊的气候环境, 暴
雨、连阴雨天气主要集中于 7—9 月, 8 月作物收获
后 , 传统耕作处理土壤裸露 , 加之三耕两耱 , 导致
土壤过于松散, 致使降雨促进了土壤“结皮”的形成,
削弱了土壤与外部环境的水、气交换能力, 这严重
影响了团聚体的再形成。3)秸秆还田不仅可以缓解
雨滴对土体的打击力, 还可增加有机质含量。
该试验持续进行 12 a后, 较之传统耕作 T处理,
NT、TS、NTS处理均可增加土壤有机碳和全氮含量,
TS、NTS在各土层中有机碳和全氮含量均显著高于
T 处理, 而 NT 处理只是在部分土层显著高于 T 处
理。总体来看, NTS处理有机碳和全氮含量最高, 有
机碳和全氮含量随土层增加而减小, 这主要是由于
作物残差、凋落物等外源有机物多集中于表层引起
的。Zhang等[18]在黄土高原研究显示, 秸秆还田可增
加土壤有机碳含量, 且随土层增加而减小; 罗珠珠
等[19]研究结果表明, 较之 T处理, NT、TS、NTS处
理可提高土壤有机碳和全氮含量, 这均与本研究结
果相一致。本文研究结果还表明, 较之 T处理, NT、
TS、NTS处理均可不同程度提高各粒径团聚体中有
机碳和全氮含量, NTS处理的含量最高, TS次之; 各
粒径团聚体有机碳和全氮含量均随土层增加而减小,
与土壤中有机碳和全氮含量变化规律一致。同时 ,
团聚体中有机碳和全氮含量随粒径减小而增加。邱
莉萍等 [13]在黄土高原研究指出, 由于粒径越小, 比
表面积越大, 其表面吸附能越高, 致使团聚体中养
分含量随粒径减小而增加。马瑞萍等[20]研究结果显
示, <0.25 mm团聚体总有机碳含量高于其他粒径的
有机碳含量可能是由于微团聚体中有机碳主要是以
稳定的腐殖质碳占优势, 由于其不断积累而总有机
碳含量升高; 大团聚体中有机碳则主要以易分解、
矿化的活性有机碳占优势, 由于活性有机碳的分解、
矿化而总有机碳含量不断降低, 从而导致<0.25 mm
团聚体总有机碳含量最高。Puget等[21]和 Elliott等[22]
研究发现, 较之微团聚体中的有机碳, 大团聚体中
有机碳更年轻、更容易矿化, 然而微团聚体中有机
碳大多是以高度腐殖化的惰性组分存在。加之耕作
和降雨对土体产生扰动的同时, 也促进了团聚体(尤
其是大团聚体)的破坏, 致使固持于团聚体中的有机
质暴露, 加速了微生物对土壤全氮、有机碳及其他
养分的消耗, 这也是导致大团聚体中有机碳和全氮
含量较低的原因之一。
大量研究表明[20−23]有机碳可促进团聚体形成。
魏朝富等 [6]研究发现, 全氮存在于土壤最细粒部分
(细黏粒或黏粒级), 对土壤团聚体的形成有很大的
影响。加之土壤中 95%的全氮均以有机态存在 [11],
这有利于有机−无机胶结作用。本研究发现, 2~5 mm
和 0.25~2 mm团聚体含量与相应粒径团聚体中有机
碳含量存在极显著正相关关系, 而≥5 mm团聚体含
量与相应粒径团聚体中有机碳含量间存在极显著负
相关关系, 这表明 2~5 mm和 0.25~2 mm团聚体是有
机碳的主要载体。0.25~2 mm 团聚体含量与该粒径
团聚体中全氮含量呈极显著正相关关系, ≥5 mm团
聚体含量与该粒径团聚体中全氮含量呈显著负相关
关系, 说明 0.25~2 mm 是全氮的主要载体。孙天聪
等[24]通过 25 a施肥定位试验研究表明, 2~5 mm团聚
体是褐土有机质和全氮的主要载体。但是本研究只
是对该试验进行 12 a后的土壤进行测定发现以上现
象。土壤团聚体对耕作措施非常敏感[5], 加之逐年秸
秆还田, 土壤中有机质处于不断积累的过程, 因此
还需监测不同年份土壤团聚体的各项指标, 进而更
加全面、精准地揭示团聚体各项特征、指标的变化
规律及其机制。
受团聚体在各土层中分布特征的影响, 除传统
耕作措施, 其他 3 种耕作措施各粒径团聚体有机碳
和全氮贡献率在各土层中的排序各有不同, 并无明
显规律 , 但与各粒径团聚体在各土层中的分布相
似。邱莉萍等[13]研究也发现, 团聚体含量是引起团
聚体养分贡献率变化的主导因素。本研究发现, 3个
土层中, 传统耕作措施不同粒径团聚体有机碳和全
氮贡献率按其大小排序均为(<0.25 mm)>(≥5 mm)>
(0.25~2 mm)>(2~5 mm); 同时, 各处理<0.25 mm团
聚体有机碳和全氮贡献率均随土层增加而减小。
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