耕作方式對晉中玉米田土壤有機碳儲量的影響

祁澤偉，劉彩霞，李娜娜，梁改梅，薛建福

（1.山西農業大學農學院，作物生態與旱作栽培生理山西省重點實驗室，山西太谷030801；2.山西省農業科學院旱地農業研究中心，山西太原030031）

全球氣候變化是當前國人關注的焦點問題之一，如何有效緩解氣候變化至關重要。土壤碳庫是陸地生態系統最大的碳庫，農田土壤有機碳庫約占土壤碳庫的10%，是陸地生態系統重要的組成部分[1]。土壤有機碳動態變化是當前眾多學者研究的熱點[2-3]。采用合理的農業管理措施能夠提高土壤有機碳含量，實現土壤固碳[4]。土壤耕作直接作用于農田土壤，對土壤有機碳含量影響很大。一般認為，傳統翻耕措施能夠破壞土壤結構，加快土壤有機碳分解，導致土壤有機碳含量降低[5]；而免耕等保護性耕作由于對土壤擾動較小，土壤有機碳礦化減弱，能夠提高土壤有機碳的含量[1]。但亦有研究表明，免耕僅增加表層土壤有機碳含量，對深層土壤有機碳影響不大[3]。此外，免耕措施通常被認為是增加土壤固碳的重要措施之一，但主要集中在表層，而關于較深層土壤是否固碳結果并不一致[6-7]。目前，國內外關于耕作方式對土壤有機碳及其儲量的研究很多，但關于耕作方式對晉中地區土壤有機碳及其儲量的影響鮮有報道。

本研究通過分析不同耕作方式下晉中地區玉米田土壤有機碳含量及其儲量以及土壤層化率分布，以期為該地區實現土壤固碳提供一定的理論依據與技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2016年在山西省農業科學院東陽試驗基地進行（N37°32′44.28″，E112°37′26.78″）。該地區屬溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫9.7℃，年降水量為450 mm，降水主要集中在6—8月。試驗前0～30 cm土壤基本養分情況為：有機質9.8 g/kg，全氮0.08 g/kg，堿解氮40.3 g/kg，有效磷3.7 g/kg，速效鉀99 g/kg，pH值8.2。

1.2 試驗材料

供試作物為中晚熟玉米，品種為大豐30。

1.3 試驗設計

本試驗采用隨機區組設計，設深翻秸稈不還田（PT）、深翻秸稈還田（PTS）、免耕秸稈不還田（NT）和免耕秸稈還田（NTS）4個處理，3次重復，小區面積45 m2（15 m×3 m）。各處理具體設計為：深翻秸稈不還田（PT），前茬玉米機收后秸稈移出并將土壤翻耕20～25 cm，旋耕鎮壓；深翻秸稈還田（PTS），前茬玉米收獲后秸稈粉碎后翻耕還田，第2年用播種機進行播種、施肥等田間管理措施；免耕秸稈不還田（NT），前茬玉米收獲后將秸稈移出田間，不進行耕作，第2年選用免耕播種機進行播種；免耕秸稈還田（NTS），前茬玉米收獲后將秸稈粉碎覆蓋還田，不進行耕作，第2年用免耕播種機播種。玉米大豐30種植密度為67 500株/hm2。試驗所施肥料為尿素（416.7 kg/hm2）、磷二銨（210 kg/hm2）和氯化鉀（75 kg/hm2），所有肥料隨播種機同時施入。其他田間管理措施均按照當地生產水平實施。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤容重與有機碳測定于2018年玉米收獲后，采用環刀法（環刀體積為200 cm3）分層（0～5、5～10、10～20、20～30 cm）取樣測定土壤容重。將取樣后的環刀密封后帶回實驗室，擦拭。將環刀放入烘箱中105℃烘干至恒質量，稱質量，記為M1；移除土壤，將環刀洗凈烘干稱質量，記為M0，根計算土壤容重。

式中，ρb為土壤容重（g/cm3），M1為烘干后土樣和環刀的總質量（g），M0為環刀質量（g），V為環刀體積（cm3）。

采用“五點取樣法”分層取樣，帶回實驗室后，挑去秸稈等雜質自然晾干。研磨土樣過0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀稀釋熱法測定土壤有機碳含量[8]。

1.4.2 土壤有機碳儲量采用等深度法計算土壤有機碳儲量[9]。

式中，Msoc，i為第i土層的土壤有機碳儲量（mg/hm2），Ti為第i層土壤厚度（m），ρb，i為土壤容重（g/cm3），Csoc，i為第i層土壤有機碳含量（g/kg），0.001與10 000均為單位轉換系數。

1.4.3 土壤層化率土壤層化率是表層土壤各指標含量與其余土層含量的比值[10]。

式中，SR為土壤容重或土壤有機碳層化率，C0～5為0～5 cm土壤容重及土壤有機碳含量；C＞5為5～10、10～20、20～30 cm各土層的土壤容重或土壤有機碳含量。

1.5 數據分析

本研究運用Microsoft Excel 2010進行數據處理與作圖、用SPSS 16.0軟件進行數據統計分析，采用新復極差法（Duncan）分析各指標不同處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤容重及其層化率的影響

分析玉米收獲后0～30 cm剖面各層次土壤容重含量的分布規律可知（圖1），NT和NTS處理下0～30 cm剖面各層次土壤容重均顯著高于PT和PTS處理（P＜0.05），達到8.6%～45.1%；在同一耕作方式下，秸稈還田處理下土壤容重略低于秸稈不還田處理。其中，NT處理與NTS處理間0～20 cm剖面各層次土壤容重未達到顯著差異，但20～30 cm土層NT處理土壤容重顯著高于NTS處理（P＜0.05）；PT處理和PTS處理間0～5、5～10 cm土層土壤容重介于0.97～1.09 g/cm3，二者之間無顯著差異，而在10～20、20～30 cm土層PT處理較PTS處理分別顯著增加10.5%和17.5%（P＜0.05）。

從圖1可以看出，不同耕作方式下各土層土壤容重層化率介于0.72～0.93。NTS處理下（0～5 cm）∶（5～10 cm）土壤容重層化率較PT處理顯著降低了10.94%（P＜0.05），與PTS、NT處理之間無顯著差異；NT處理下（0～5 cm）∶（10～20 cm）土壤容重層化率分別較PT和NTS處理顯著增加了8.5%和7.9%（P＜0.05），與PTS處理之間無顯著差異；NT處理（0～5 cm）∶（20～30 cm）土壤容重層化率分別較PT、PTS和NTS處理顯著增加了20.6%、7.4%和5.0%（P＜0.05），其中，PTS與NTS處理之間無顯著差異。

2.2 不同處理對土壤有機碳及其層化率的影響

分析不同耕作方式對土壤有機碳含量的影響可以看出（圖2），在0～5 cm土層，NTS處理土壤有機碳含量最高，為9.54 g/kg，NT處理次之，且均顯著高于PT和PTS處理（P＜0.05），但PT和PTS處理間未達到顯著差異；在5～10 cm土層，NTS處理土壤有機碳含量較PT和PTS處理分別顯著增加20.9%和15.2%（P＜0.05），而NTS與NT、PT與PTS之間未達到顯著性差異；在10～20 cm土層，PT、PTS和NT處理土壤有機碳含量較NTS處理顯著降低了19.8%～21.9%（P＜0.05），但三者之間差異不顯著；在20～30 cm土層，不同耕作方式下土壤有機碳含量大小表現為PT＞PTS＞NTS＞NT，各處理間差異顯著（P＜0.05）。

由圖2可知，NTS處理下（0～5 cm）∶（5～10 cm）土壤有機碳含量的層化率顯著高于其他處理，PTS處理顯著低于其他處理（P＜0.05），PT和NT處理間無顯著差異；NT和NTS處理（0～5 cm）∶（10～20 cm）和（0～5 cm）∶（20～30 cm）土壤有機碳含量的層化率比PT、PTS處理顯著增加了33.2%～105.8%（P＜0.05），但NT與NTS、PT和PTS之間無顯著差異。

2.3 不同處理對土壤有機碳儲量的影響

由圖3可知，NTS和NT處理在0～5、5～10 cm土層有機碳儲量介于5.15～6.06 mg/hm2，顯著高于PT和PTS處理（P＜0.05），但NTS與NT、PTS與PT間無顯著差異；在10～20 cm土層，NTS處理下土壤有機碳儲量為11.30 mg/hm2，較其他處理顯著提高了27.5%～71.2%（P＜0.05），PT處理與PTS、NT處理間無顯著差異，但PTS處理較NT處理顯著降低了25.5%（P＜0.05）；在20～30 cm土層，PT處理土壤有機碳儲量為8.67 mg/hm2，較其他處理顯著增加了14.2%～28.0%（P＜0.05），PTS和NT處理土壤有機碳儲量分別較NTS處理顯著降低了8.9%和10.8%（P＜0.05），但PTS處理與NT處理間無顯著差異。

從表1可以看出，NTS處理下0～30 cm剖面土壤有機碳儲量為30.20 mg/hm2，較其他處理顯著提高了14.5%～55.2%（P＜0.05），其次為NT、PT處理，PTS處理下土壤有機碳儲量最低，顯著低于其他處理（P＜0.05）。

表1 不同耕作方式下0～30 cm剖面土壤有機碳儲量 mg/hm2

3 結論與討論

土壤容重是土壤結構的重要指標，可以表征土壤物理性質。本研究表明，NTS和NT處理土壤容重顯著高于PT和PTS處理，趙繼浩等[11]亦有類似結果。這可能是由于免耕條件下土壤擾動較小，同時連年播種、收獲機械壓實以及降水沖擊等共同作用導致土壤容重增大。另外，翻耕措施由于耕作深度較深，有助于打破犁底層而使土壤容重降低[12]。但也有研究表明，免耕能夠降低土壤容重，且隨著免耕年限的增加，土壤容重呈減少的趨勢，并于免耕7～8 a后土壤容重逐漸穩定[13]。此外，同一耕作條件下秸稈還田處理下土壤容重均略低于秸稈不還田處理，這可能是由于NTS處理相比NT處理，秸稈覆蓋在一定程度上能夠緩解降雨對土壤的沖擊壓力[11]；而隨著土壤翻耕，PTS處理較PT處理土壤中的秸稈較多，其腐解后能夠相對起到疏松土壤的作用。一般認為，土壤容重能夠決定土壤水、肥、氣的循環和供應，影響土壤團聚體的形成和穩定性[14]。土壤容重增大能夠導致土壤孔隙度降低，不利于作物對土壤水分和養分的吸收，進而影響作物生長[15]。將在未來研究中增加土壤容重與作物生產關系的相關內容。

免耕較翻耕等措施降低了對土壤的作業和擾動，減少深層土壤與空氣的接觸，能夠提高土壤有機碳含量[16]，但主要集中于表層土壤，而深層土壤有機碳含量有所降低[3]。翻耕措施雖對土壤擾動大，在一定程度上降低了表層土壤有機碳含量，但較免耕措施在土壤剖面上的分布相對均勻[17]。本研究發現，NTS和NT處理土壤有機碳含量在0～5 cm土層顯著高于PT和PTS處理，NTS處理土壤有機碳含量在5～10 cm土層顯著高于PT和PTS處理，與馮倩倩等[18]研究結果一致。一般免耕措施下土壤沒有翻動，減少了土壤裸露，從而減少土壤有機碳礦化，其含量相對較高。相比較而言，翻耕措施增加了土壤與空氣的接觸，加速了土壤有機碳的分解，土壤有機碳含量相對降低[18]。與其他土層不同，PT處理土壤有機碳含量在20～30 cm土層最高，這可能是由于免耕處理下深層土壤無植物殘體等有機物質輸入，從而表現為土壤有機碳含量相對減少。

一般認為，免耕措施能夠增加0～5 cm土壤有機碳儲量[19-20]，而是否能夠增加深層土壤有機碳儲量則結論不一[21-22]。本研究得出，NTS處理能夠顯著增加0～30 cm剖面土壤有機碳儲量。這可能與不同研究的試驗年限、氣候條件、地勢地形、植被種類、生物多樣性、土壤質地和秸稈輸入等差異有關[23-24]。

近年來，土壤層化率被用來評價土壤質量與土壤生態功能[10]。一般認為，在一定范圍內土壤層化率越高，土壤質量越好[10]。FRANZLUEBBERS[10]研究表明，一般免耕土壤有機碳層化率大于2，而翻耕土壤有機碳層化率小于2。本研究得出，不同土層深度之比下，土壤容重層化率均低于1，而土壤有機碳含量層化率均低于2；同時，NT和NTS處理土壤有機碳層化率均高于PT和PTS處理。在一定程度上說明免耕處理能夠改善土壤質量。但該試驗條件下土壤層化率是否達到了最佳值，仍需要結合作物生產以及其他相關指標進行深入研究。

本研究結果表明，NTS和NT處理顯著增加了0～30 cm剖面土壤容重；NTS處理下0～20 cm剖面土壤有機碳含量及儲量顯著高于PT和PTS處理，而20～30 cm則較PT處理顯著降低。總體上，NTS處理可能是晉中地區玉米田實現土壤固碳的潛在措施。