鲁中山地耕作深度对土壤理化性质与碳储量的剖面分异影响

Effects of tillage depth on profile differentiation of soil physicochemical properties and carbon storage in central mountainous region of Shandong

摘要

目的 针对鲁中山地丘陵土石山区耕作土壤退化与碳汇功能弱化问题，探究不同耕作深度对土壤理化性质及碳储量的调控机制，为区域耕地可持续经营提供理论依据。 方法 通过田间试验设置4种耕作深度（RT15∶15 cm；RT25∶25 cm；DT35∶35 cm；DT40∶40 cm），结合结构方程模型解析土壤关键理化性质、根系生物量与碳储量的互作路径。 结果 DT35和DT40较常规耕作显著改善25—40 cm土壤结构，容重降低10.68%~11.96%，团聚体稳定性（平均重量直径）提升37.37%~39.29%，细根生物量增加94.71%~115.24%。DT35和DT40处理显著提升各土层有机碳、全氮及全磷含量，且显著缓解了土壤养分的垂直衰减效应。结构方程模型揭示碳储量提升的剖面分异影响：表层（0—15 cm）以根系驱动团聚体间接固碳为主，深层（15—40 cm）依赖“容重—养分”级联效应。DT35与DT40各指标无显著差异，且差异随土层深度增加而缩小，确立35 cm为最优耕作深度。 结论 深松至35 cm通过打破犁底层、提高养分特征，显著提升土石山区土壤质量与固碳潜力，但需重视区域磷限制，建议深层耕作时实施有机无机配施，提升深层磷有效性，整体增强土壤养分特征和土壤碳储量。

Abstract

Objective This study aims to address the issues of soil degradation and weakened carbon sink function in the cultivated soils of the hilly rocky area of the mountainous region of Central Shandong. It investigates the regulatory mechanisms of different tillage depths on soil physicochemical properties and carbon storage， and provides a theoretical basis for the sustainable management of regional farmland. Methods Field experiments were conducted with four tillage depth treatments （RT15： 15 cm； RT25： 25 cm； DT35： 35 cm； DT40： 40 cm）. Structural equation modeling was employed to analyze the interaction pathways among key soil physicochemical properties， root biomass， and carbon storage. Results Compared to conventional tillage， DT35 and DT40 significantly improved soil structure at 25—40 cm depth： bulk density decreased by 10.68%~11.96%， aggregate stability （mean weight diameter） increased by 37.37%~39.29%， and fine root biomass rose by 94.71%~115.24%. The DT35 and DT40 treatments significantly increased the contents of soil organic carbon， total nitrogen， and total phosphorus in all soil layers and significantly mitigated the vertical attenuation of soil nutrients. Structural equation modeling revealed the profile-differentiated effects underlying the increase in carbon storage： the surface layer （0—15 cm） was mainly driven by root-mediated indirect carbon sequestration via aggregates， while the subsurface layer （15—40 cm） depended on a “bulk density-nutrient” cascade effect. No significant differences were observed in the various indicators between DT35 and DT40， and the difference decreased with increasing soil depth， establishing 35 cm as the optimal tillage depth. Conclusion Deep tillage to 35 cm enhances soil quality and carbon sequestration potential in rocky mountainous areas by breaking the plow pan and improving nutrient characteristics. However， regional phosphorus limitation must be emphasized. It is recommended to implement combined organic and inorganic fertilization during deep tillage to improve deep-layer phosphorus availability， thereby holistically enhancing soil nutrient characteristics and soil carbon storage.

Graphical abstract

关键词

耕作深度 / 土壤团聚体 / 土壤碳储量 / 结构方程模型 / 鲁中山地

Key words

tillage depth / soil aggregate / soil carbon storage / structural equation modeling / central mountainous region of Shandong

土壤是陆地生态系统物质循环和能量流动的核心载体，且作为最大的陆地碳汇，对于土壤的可持续管理直接关系到全球碳平衡^［1］。在农业生态系统中，土壤碳库的稳定性深刻影响作物产量和系统可持续性^［2］。传统耕作通过机械扰动短期改善耕层结构，但长期单一耕作深度易导致土壤容重增加、孔隙度下降及有机质矿化加速，引发土壤板结、养分流失与碳库衰减，制约粮食产能和可持续性水平^［3-4］。在鲁中山地丘陵区等土石山区，花岗岩母质发育的土壤兼具土层浅薄、质地粗糙、抗蚀性弱等特征，不合理耕作加剧水土流失与深层碳库退化，威胁区域生态安全^［5-6］。但鲁中山地丘陵区又普遍存在耕作的需求，亟需结合区域特征，构建合理有效可持续的耕作措施。

近年来保护性耕作如免耕虽短期内提升0—5 cm土层有机碳含量，但导致5—20 cm土层有机碳降低，且长期施用免耕会导致深层土壤容重居高，不利于养分向下层运输，影响作物根系生长发育和土壤养分吸收，降低作物产量^［7］。免耕对深层土壤理化性质的改善有限，尤其在土壤贫瘠的土石山区，碳主要集中于表层且以易矿化组分为主，稳定性低，难以形成有效碳汇功能^［8］。相比之下，深松耕作可通过破除犁底层深度阈值，改善土壤通透性和结构连通性，有效促进根系深入与有机质向下迁移，从而增强深层土壤的生态功能，提升对水分与养分的调控能力，并显著增强碳汇潜力^［9-10］。红壤坡耕地翻耕30 cm可显著降低容重，提高饱和含水量和孔隙度，同时降低土壤紧实度，增强水分入渗与根系深扎能力^［10］。深松促进华北农田土壤有机质向深层迁移，30—50 cm土层碳储量增幅达11.0%~13.1%^［11］，且适宜的耕作深度通过对土壤的有效机械扰动，将表层滞留的有机质均匀混合至土层中，使耕层土壤质量得到优化，促进作物对养分的吸收利用，从而使作物产量得到进一步提升^［12］。目前，相关研究多集中于耕作对土壤理化性质的影响，但对其在复杂环境梯度下作用机制的系统认识仍显不足^［13］。当前研究存在两大盲区：一是深松深度阈值不明确，过度深松可能破坏土壤结构却无益于碳汇增益，而浅耕（<20 cm）无法有效打破犁底层。研究表明，黏质土区深松阈值约30 cm，而沙土区需35 cm^{［10，14］}，目前针对鲁中山地丘陵土石山区的深松阈值仍不明确；二是不同深度土层的碳调控机制不明晰，耕作深度通过改变土壤剖面物理化学特征和生物活动，如何差异化驱动土壤表层与深层碳固存尚待解析。

鲁中山地丘陵区作为典型的土石山区，土壤以花岗岩风化物为主，质地粗糙且保水保肥能力较差，生态系统较为脆弱^［15］。该区域长期采用浅耕方式，导致耕层浅薄，粮食产量降低^［16］。此外，土壤结构的脆弱和水分下渗不畅加剧了地表径流和碳氮流失，进一步削弱了可持续性。在此背景下，研究不同深度的耕作对于优化土壤结构、增强土壤养分与碳汇功能具有重要意义，尤其是此区域深松耕作是否存在优化深度阈值，该阈值下如何通过物理生物互作提升土壤碳储量。综上，针对鲁中山地丘陵区特殊的地质背景与生态脆弱性，系统研究耕作深度对土壤剖面理化性质及碳储量的分异影响，旨在为土石山区农业可持续经营提供创新性解决方案。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄河流域山东省肥城市红岭—桃花源小流域（116°47′48.49″—116°52′36.62″E，36°15′8.60″—36°18′7.70″N），属于暖温带大陆性季风气候，多年平均降雨量649.7 mm，年平均气温12.6 ℃，年平均风速2.3 m/s。土壤类别主要为褐土，土层平均厚度约1.1 m，平均容重1.3 g/cm³，平均总孔隙度49.0%，项目区土壤有机质含量1.18%，主要由56.23%的砂砾、39.46%的粉土和4.31%的黏土组成。植被属暖温带落叶阔叶林区，天然植被呈间断分布，主要由黄草（Dendrobium hancockii Rolfe）和黄背草〔Themeda japonica （Willd.） Tanaka〕等为优势种。主要农作物为玉米（Zea mays L.）和小麦（Triticum aestivum L.）。经果林主要树种有桃〔Prunus persica （L.） Batsch〕、核桃（Juglans regia L.）、板栗（Castanea mollissima Blume）、樱桃（Prunus avium L.）为主。

1.2 试验设计

在研究区采用随机区组设计，开展4种耕作深度研究：旋耕至15 cm深（RT15）、旋耕至25 cm深（RT25）、深松至35 cm（DT35）和40 cm（DT40），于2021年10月7日冬小麦种植前耕作，每个地块大小约30 m×12 m。每年的农作物均为冬小麦和夏玉米。各地块除耕作深度不一样外，其余施肥管理方式均近似统一，无其他人为差异化处理。

1.3 土壤取样与测定

于2024年10月选择连续晴朗天气，在研究区开展采样。每种耕作处理设置3个独立地块作为生物学重复（地块间距约40 m），共计12个地块。在每个地块内，以中心点为基准，按东西南北中方向随机布设5个采样样方（1 m×1 m），样方间距≥5 m；每个样方内按“S形”采样选取5个采样点，分层采集0—10 cm，10—15 cm，15—25 cm，25—35 cm，35—40 cm土层土壤；同一样方内同层土样混合均匀过2 mm筛去除石砾，自然风干后测定有机碳、全氮和全磷含量。有机碳、全氮采用碳氮元素分析仪测定；全磷经H₂SO₄-HCLO₄消解后，通过钼锑抗比色法结合紫外—可见分光光度法测定。各个土层利用环刀法测定土壤容重，土壤重量含水率。利用直径为5.1 cm的土钻钻取不同深度土层土样，将土样过2 mm筛后清洗获取根系生物量，65 ℃烘干至恒重，称重计算根系生物量。利用直径为65 mm、高度为120 mm的聚氯乙烯管在每个处理的5个深度采集原状土，每个处理重复三次，采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体，计算平均重量直径（Mean Weight Diameter， MWD）、几何平均直径（Geometric Mean Diameter， GMD）^［17］。

1.4 数据处理与分析

利用R语言处理分析数据，方差分析采用双因素方差分析和最小显著极差法进行多重比较（α=0.05）。利用R语言“plspm”程序包计算结构方程参数（标准化路径系数、路径显著性）；采用Origin 2024软件作图。

各土层碳储量计算公式如下^［18］：

\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}=(\mathrm{1}-\partial )\times C\times \mathrm{B}\mathrm{D}\times H/\mathrm{10}（1）

式中：SOC为碳储量（t/hm²）；∂为粒径大于2 mm的土壤颗粒体积百分比，本研究中为0；C为土壤有机碳浓度（g/kg）；BD为容重（g/cm³）；H为土层深度（cm）。

2 结果与分析

2.1 不同耕作深度下土壤关键物理特性与水稳性团聚体

DT35与DT40较RT15，RT25显著优化了土壤物理结构并提升团聚体稳定性（p<0.05），DT35与DT40处理在同一土层中的差异均未达显著水平（p>0.05）（图1）。在同一土层中，DT35处理使0—10 cm土层容重较RT15降低11.3%，35—40 cm深层容重降低12.2%；含水量在0—10 cm提高17.3%，35—40 cm提高22.3%；团聚体稳定性指标的提升尤为显著，0—10 cm MWD增加39.8%，GMD增加39.8%，35—40 cm MWD增加49.0%，GMD增加46.8%。在剖面分布上，深松显著弱化了土壤性质的垂直异质性。RT15容重随深度剧增17.3%，而DT35增幅降至16.1%，且25—35 cm容重差扩大至15.9%。水分与团聚体的垂直衰减同样被抑制，RT15含水量从表层至深层下降23.4%，而DT35仅降20.1%；MWD在RT15中降幅达38.6%，DT35降幅为34.5%，且在35—40 cm深层仍维持49.7%的MWD优势。这表明深松耕作对深层土壤结构的改良效果具有持续性，突破了传统耕作仅改善表层土壤的局限。在同一土层中，DT35与DT40处理的差异均未达显著水平，尤其在25—40 cm深层土壤，表明当深松深度超过35 cm后，继续增加耕作强度对土壤结构的改善效果，尤其深层土壤趋于平缓。

2.2 不同耕作深度下土壤养分特征与碳储量

深松显著提升土壤碳氮磷含量及细根生物量（p<0.05），且效应随土层加深愈加显著（图2，3）。在同土层对比中，DT35处理使0—10 cm土层细根生物量提高43.3%，有机碳提升53.7%，全氮增加51.1%，全磷提高43.9%；在35—40 cm深层，DT35的细根生物量达RT15的2.5倍，有机碳、全氮和全磷分别提升75.6%，73.4%和62.5%，表明深松有效促进了作物根系向深层延伸，驱动养分富集。DT35碳储量为（54.8±1.6） t/hm²，较RT15提升45.5%，较RT25提升28.9%，但DT35与DT40处理间无显著差异（p>0.05）。RT25较RT15碳储量提升12.8%，但仅为DT35的77.6%，反映常规耕作对碳固定的低效性。在剖面分布趋势上，深松显著缓解了养分与根系的垂直衰减。RT15细根生物量从0—10 cm至35—40 cm下降80.1%，有机碳衰减35.8%；而DT35细根生物量降幅仅65.3%，有机碳降幅26.7%。25—40 cm的改善尤为突出，25—35 cm层DT35全氮较RT15高68.6%，35—40 cm层全磷较RT15高62.5%。

2.3 不同耕作深度土壤碳储量的影响效应

结构方程模型分析表明，表层土（0—15 cm）和深层土（15—40 cm）中所有预测变量对土壤碳储量变化的解释力较强（R²>0.95，GOF>0.9），表征所有预测变量共同解释了土壤碳储量的变化特征（图4）。耕作深度通过根系生物量和容重的间接作用调控碳储量，但其效应在表层土和深层土存在明显差异。表层土耕作深度的增加直接显著增加根系生物量（路径系数0.81，p<0.05），并显著降低土壤容重（-0.36，p<0.05），但未显著影响含水率和团聚体稳定性（p>0.05）。耕作深度主要通过根系生物量促进团聚体稳定性（0.12，p<0.05），增强土壤养分特征（0.57，p<0.05），间接增强土壤碳储量，形成显著级联效应（0.26，p<0.05）。深层土耕作深度的增加对各指标影响与表层土一致。但土壤养分对碳储量的直接促进效应变强（0.64，p<0.05），贡献碳增量的61%，且团聚体稳定性（-0.41，p<0.05）和含水率（-0.34，p<0.05）直接抑制碳积累。容重降低显著缓解对土壤养分的抑制（-0.70，p<0.01），进而通过养分特征直接促进碳积累，此路径贡献碳增益的35%。团聚体虽直接抑制碳储量，但通过缓解容重负效应产生净正贡献（间接效应0.21），而深松对团聚体无显著影响（p>0.05），表明其核心作用从物理保护转向间接调控。

3 讨 论

在鲁中土石山区，不同的耕作深度对土壤物理性质的影响在不同土层深度具有明显差异性，本研究表明深松耕作降低了土壤容重、增加孔隙度、增强土壤团聚体的稳定性。深松耕作通过机械扰动直接作用于深层土壤，破坏了原先的犁底层，显著增加大孔隙比例^［19］，促进了根系的生长和密集，加速了土壤水分入渗与气体交换。深层土壤通透性的增强进一步促进微生物活动与有机质向下迁移，驱动大团聚体的形成与胶结，提升了土壤团聚体的稳定性^［20］。相比之下，浅层耕作导致在15 cm土层下方形成犁底层，限制了深层土壤的改良效果^［21］。且>25 cm土壤长期受压实影响，深松则通过机械扰动释放母质层潜在孔隙空间，容重降幅随深度增加而扩大^［22］。且本研究表明深松对于15—40 cm深层土壤的改良效果优于0—15 cm的表层土壤，尤其在35—40 cm土层。这主要是因为母质层穿透限制，花岗岩风化物在>35 cm深度形成高硬度层，使DT40与DT35容重无显著差异；且根系生理饱和，作物根系在35~40 cm延伸趋缓，细根生物量增幅变小，导致DT35与DT40物理指标无显著差异，明确35 cm为深松阈值。

深松增加了深层土壤中碳、氮和磷等土壤养分的含量，显著缓解了土壤养分的垂直衰减。RT15处理下有机碳从0—10 cm至35—40 cm降低35.8%，而DT35处理下有机碳仅降低26.7%，且25—40 cm土层总磷含量较RT15提高62.5%~70.8%。这主要是由于深松降低容重并提升孔隙连通性，增强水分入渗和气体扩散，促进微生物活性与根系分泌物向下迁移，激活深层土壤中结合态磷，缓解北方土石山区的磷限制^［13］。根系延伸与微生物活动协同驱动有机质矿化与固存，提升深层土壤养分特征，进而影响碳储量^［23］。值得注意的是，表土虽团聚体稳定性提升，但花岗岩粗质地土壤胶结物质匮乏，团聚体对碳的直接保护较弱^［13］。深松显著提升土壤碳储量，且响应效率存在耕作阈值。RT15到RT25的碳储量仅提升12.8%，DT35碳储量较RT25提升高达77.6%，反映深耕模式下碳固定效率的高效性。DT35与DT40碳储量无显著差异，且差异随深度增加而缩小，表明在鲁中土石山区深耕35 cm是碳汇效率的生物学阈值，与华北平原深松40 cm后效益饱和的结论一致^［24］。

结构方程模型进一步揭示土壤碳储量调控机制的土层分异，15—40 cm土层通过提高根系生物量、降低容重并提升孔隙连通性，直接增强水分入渗和根系延伸，间接提高碳储量^［25］。且土壤养分有效性提升促进微生物碳利用效率，强化碳固存。含水率与碳储量呈现显著负效应，可能与深松促进水分下渗导致溶解性有机碳淋失有关，这与黄土高原增雨研究中活性碳组分增加但稳定性降低的现象一致^［26］。土壤团聚体与碳储量的负效应可能是由于深松扰动破坏大团聚体稳定性。0—15 cm土层则是根系生物量通过机械缠绕和分泌物胶结土壤颗粒，促进土壤团聚体形成，增强土壤养分特征间接增加碳储量^［27］。然而团聚体对碳储量的直接效应不显著，可能因表土团聚体保护的有机碳易受耕作扰动和氧化分解的影响^［28］。尽管深松耕作显著提高了表层土壤含水量，但频繁干湿交替可能破坏团聚体稳定性，削弱水分对有机碳的物理保护作用，反映表层碳保护更依赖物理覆盖而非水分调控^［29］。因此针对鲁中土石山区耕作要在表层强化秸秆覆盖或免耕以保护团聚体，深层通过35 cm深松打破犁底层并激活磷库，结合有机无机配施提升碳固存与生产力。

4 结 论

本研究在鲁中山地丘陵典型土石山区采用田间试验，系统研究了不同耕作深度对土壤理化性质和碳储量的影响。深松耕作显著优化土壤结构与碳汇功能，DT35处理较RT15在0—40 cm剖面均显著改善土壤物理性质，其中0—10 cm土层容重降低11.3%、MWD提升39.8%，35—40 cm深层容重降低12.2%、MWD提升49.0%，且显著缓解剖面异质性。深松驱动深层养分富集与碳固持，DT35使35—40 cm深层土壤有机碳提升75.6%、全氮增加73.4%，细根生物量达RT15的2.5倍，并降低碳衰减率，全剖面碳储量达54.77 t/hm²，较RT15提升45.5%。表层土壤碳积累主要依赖根系降低容重，提升团聚体稳定性，增强土壤养分的生物物理路径。深层土则以土壤养分直接主导，深松耕作通过增强根系活动、显著降低土壤整体容重，解除养分特征抑制，促进碳积累。DT35与DT40各指标均无显著差异，且差异随深度增加而缩小，表明在鲁中土石山区35 cm是深松的优化深度。日常管理中表层土壤建议结合秸秆覆盖增强表层团聚体稳定性，提升土壤碳储量。在深层耕作时可实施有机无机肥配施，通过提升深层磷活化效率，整体增强土壤养分特征和碳固持能力。

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基金资助

山东省自然科学基金青年项目(ZR2022QC210)

山东省自然科学基金青年项目(ZR2023QD156)

山东省高校优秀青年创新团队(2024KJG043)