保护性农业下不同种植系统对黏土结构属性及团聚体碳动态的影响研究

这篇研究通过三年田间试验，系统评估了保护性农业（CA）三大原则（零耕ZT、残茬覆盖、多样化轮作）对印度恒河平原黏性土壤（Vertic Epiaquept，黏粒含量63.8%）结构稳定性和碳封存的影响。研究发现零耕结合100%稻秸还田（R2）使>2 mm大团聚体比例提升27%，几何平均直径（GMD）提高13%，且水稻-小麦-绿豆（RWG）轮作系统通过更高的地下生物量输入使土壤有机碳（SOC）提升19%。研究为热带黏土区可持续集约化种植提供了关键实证。

　　

引言：黏土结构改良的农业挑战

在绿色革命后的农业集约化背景下，印度恒河平原黏性土壤（黏粒>60%）面临结构退化难题。保护性农业（Conservation Agriculture, CA）通过最小土壤扰动（ZT）、永久土壤覆盖（residue retention）和作物多样化（diversified rotation）三大原则，成为改善土壤结构的关键策略。本研究针对黏性土壤中短期CA实践对团聚体形成和碳稳定性的影响机制这一知识空白，设计了为期三年（2018-2021）的田间试验。

材料与方法：多因素交互实验设计

试验位于印度西孟加拉邦（22°58′N, 88°32′E）的Vertic Epiaquept黏土区，采用裂-裂区设计：主区为三种水稻轮作系统（RMuB水稻-芥菜-黑豆、RWG水稻-小麦-绿豆、RLF水稻-扁豆-休耕）；亚区为三种耕作方式（CT传统耕作、ZT零耕、RT减耕）；亚-亚区为三种残茬-养分组合（R1无残茬+100%推荐施肥量RDF、R2 100%残茬+75%RDF、R3 50%残茬+75%RDF）。通过湿筛法分离出>2 mm粗大团聚体（CMac）、0.25-2 mm中团聚体（Meso）、0.05-0.25 mm粗微团聚体（CMic）及<0.05 mm粉粒+黏粒（S+C）四个组分，测定几何平均直径（GMD）、团聚比（AR）、抗张强度（TS）等指标，并采用Walkley-Black法分析各组分碳含量。

结果：CA实践的显著结构效益

• 团聚体分布：ZT使CMac比例达72.9%，较CT提高27%（p<0.05），R2处理CMac增加6%。RWG系统的CMac含量比RMuB高27%，印证了谷物轮作的优势。

• 结构指标：ZT-R2组合的GMD（3.21 mm）和AR（12.56）分别比CT提高13%和44%，且表层土壤（0-10 cm）改善更显著。

• 碳动态：尽管粉黏组分（S+C）碳浓度最高（18.7 g kg^-1），但CMac碳质量占比达总量1.7倍。RWG系统的CMac碳质量（8.9 g kg^-1）比RMuB高53%。

• 力学特性：ZT使团聚体TS降低13%（746 kPa），R2处理TS较R1降低10%，表明CA可改善黏土耕作性。

讨论：碳输入与团聚体形成的协同机制

• 碳输入差异：RWG系统累计碳输入（CCI）达13.62 Mg ha^-1，比RLF高30%，主要来自小麦根系分泌物（占地下碳输入42%）。

• 保护机制：黏粒-有机质复合体通过配体交换稳定碳，而ZT通过减少大团聚体破碎使CMac碳封存效率提升67.9%（vs CT）。

• 作物选择效应：含油作物（芥菜）残茬分解速率快（k=0.35 day^-1）导致RMuB系统Meso比例升高36%，而谷物（小麦）纤维根促进临时团聚。

结论与展望

研究证实，在黏性土壤中，ZT与100%稻秸还田（R2）组合能最优改善土壤结构，而水稻-小麦-绿豆（RWG）轮作通过更高的地下碳输入（7.2 Mg ha^-1根系碳）实现SOC提升19%。未来需关注长期CA实践中黏土区深层（>20 cm）碳库响应，以及豆科作物固氮对团聚体微生物群落的影响。该成果为热带稻作系统可持续集约化提供了重要技术参数。