秸稈還田方式對旱地草甸土活性有機碳組分的影響

李玉梅，王根林，孟祥海，胡穎慧，王偉，李建英，張冬梅

（1.黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江省農業科學院畜牧研究所，哈爾濱 150086；3.黑龍江省農業科學院牡丹江分院，黑龍江牡丹江 157041；4.黑龍江省農業科學院大慶分院，黑龍江大慶 163000；5.黑龍江省農業科學院農業遙感與信息研究所，哈爾濱 150086）

土壤有機碳是土壤肥力的重要指標，是土壤質量和功能的核心，在土壤物理、化學和生物特性中發揮著重要作用[1]。土壤有機碳由于其化學組成的非均一性而構成不同組分[2]。土壤活性有機碳是反映土壤碳庫動態變化的敏感性指標，能夠反映耕作、施肥、秸稈還田等田間措施引起土壤有機碳的微小變化[2-3]。在表征土壤碳庫變化方面，土壤碳庫管理指數結合了土壤碳庫與碳庫活度指標，能夠較全面地反映人類活動對土壤有機碳總量和土壤有機碳組分的影響。因此，土壤活性有機碳和土壤碳庫管理指數成為評價土壤質量和土壤管理的重要指標[4]。

耕作措施和施肥是改變土壤有機碳組分的重要原因，也是影響土壤養分轉化的主要驅動力。徐明崗等[5]應用活性有機碳組分和碳庫管理指數客觀評價了長期定位耕作和施肥對紅壤、黑土等土壤質量和土壤碳庫的影響。何翠翠等[3]研究發現，有機肥與無機肥配施可提高黑土活性有機質含量和土壤碳庫管理指數。張霞等[6]認為，秸稈還田可有效提高黑壚土有機質含量，顯著影響土壤活性碳組分在總有機碳中的占比，秸稈-菌渣、秸稈-過腹還田模式分別對土壤質量和有機碳質量的影響較大[7]。宇萬太等[8]在潮棕壤上研究表明，化肥配施秸稈有助于提升土壤高活性和中活性有機質的碳庫管理指數，免耕與翻耕、深松結合可提高黑壚土有機碳和易氧化碳含量[6]。因此，土壤活性有機碳組分會通過秸稈還田深度的不同而發生改變。

東北黑土區是我國重要的糧食生產基地，不合理的耕作和施肥導致土壤有機碳含量下降，因此了解有機碳在土壤中的動態變化、優化耕作措施與秸稈還田方式是恢復土壤地力、提高作物產量的重要措施。已有研究主要集中于南方或氣溫偏高的干旱區秸稈還田、施肥等方式對土壤活性碳及其組分變化的影響[2，6-10]，而研究秸稈還田對東北寒冷氣候區草甸土活性有機碳及其碳庫在短時間內的變化較少。本研究以東北平原黏壤質型草甸土田間試驗為基礎，探討秸稈不同深度連續還田土壤有機碳及其活性組分的變化，有利于揭示寒溫帶氣候區農業措施對土壤有機碳組分的影響機制，以期為該地區實現秸稈高效利用、改善土壤碳庫質量、提高土壤肥力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于黑龍江省牡丹江市溫春鎮（44°60′N，129°58′E），寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.9 ℃，年平均降雨量500～600 mm，平均活動積溫2 300～2 500 ℃。土壤類型為黏壤質型草甸土，0～16 cm 表土層呈粒狀，結構松散。試驗前土壤基礎養分含量：全氮1.12 g·kg-1、堿解氮101.55 mg·kg-1、有效磷26.50 mg·kg-1、速效鉀130.28 mg·kg-1，有機碳10.95 g·kg-1，pH 7.93。

1.2 試驗設計

試驗于2016 年9 月—2019 年10 月進行，共設6個處理：免耕（NT）、淺翻20 cm（ST）、深翻35 cm（DT）和免耕秸稈覆蓋地表（NTS）、秸稈淺翻還田20 cm（STS）、秸稈深翻還田35 cm（DTS）。其中：①秸稈翻耕還田方式為每年秋季玉米收獲后，將秸稈粉碎至小于10 cm 平鋪于地表，大型機械帶動翻轉犁將秸稈翻埋于20 cm 或35 cm 土層；②秸稈不還田采取人工移走秸稈方式；③免耕與免耕秸稈覆蓋除免耕機播種外，整個生育期均無中耕作業；④小區面積234 m2，每個處理3 次重復，共18 個小區。玉米施肥N-P2O5-K2O分別為180、115、75 kg·hm-2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集

2019年秋季玉米成熟期，用環刀、土鉆采集0～20、20～40、40～60 cm 土層土壤，每小區采集3點均勻混合成1個樣品，3次重復，一部分測土壤容重，一部分土樣自然風干后測試土壤全量養分、有機碳及其組分。

1.3.2 測定方法

土壤容重測定采用環刀法[11]；土壤全氮、全磷、全鉀、有機碳測定采用常規方法[11]。

土壤活性有機碳測定采用高錳酸鉀氧化法[12]。稱取約含15 mg 碳的土壤樣品（2.0～3.0 g）于50 mL 塑料旋蓋離心管中，加入25 mL 333 mmol·L-1高錳酸鉀溶液，振蕩1.5 h 后離心（4 000 r·min-1）5 min，上清液用去離子水稀釋250 倍，分光光度計（565 nm）測定吸光率。通過不加樣品的空白與土壤樣品的吸光率之差計算KMnO4濃度的變化及被氧化碳，即活性有機碳（LOC）含量。被33 mmol·L-1和167 mmol·L-1高錳酸鉀溶液氧化的碳分別為土壤高活性有機碳（HLOC）和中活性有機碳（M-LOC），活性有機碳與高活性有機碳和中活性有機碳含量差則為土壤低活性有機碳（L-LOC）[12]。

測產：在玉米成熟期每小區選取代表性3 點進行測產。

1.4 數據分析

活性有機碳（LOC）=（A0-A×0.765 3）×25×250×9/（m×1 000）

式中：A0為空白KMnO4溶液吸光率，mmol·L-1；A為測定土樣KMnO4溶液吸光率；m土壤質量，g。

式中：SOCs 為某深度的土壤有機碳儲量，t·hm-2；Ci為第i層土壤有機碳含量，g·kg-1；Pi為第i層土壤容重，g·cm-3；Ti為第i層土壤厚度，cm；n為土層數。

碳庫指數（CPI）=樣品全碳含量（g·kg-1）/參考土壤全碳含量（g·kg-1）

碳庫活度（L）=活性碳含量/非活性碳含量（NLOC）

碳庫活度指數（LI）=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度

碳庫管理指數（CMI）=CPI×LI[12]

采用Microsoft Excel 2017 繪制圖表，用SPSS 19.0軟件對數據進行方差及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田方式下土壤基礎理化指標及產量

由表1 可見，秸稈翻耕還田STS 和DTS 處理，0～20 cm 表土層容重比秸稈覆蓋（NTS）平均降低0.17 g·cm-3，而20～60 cm 土層比NTS 平均增加0.11 g·cm-3；連續免耕（NT）和NTS 處理，0～20 cm 表土層容重增加，20～60 cm 土層容重有降低趨勢。不同秸稈還田方式對土壤全氮和全磷含量影響較大。各處理0～20 cm 土層全氮含量變化不顯著，但STS 和DTS 顯著增加了20～60 cm 土層全氮含量，在40～60 cm 土層，其與秸稈不還田和NTS 處理間差異顯著。秸稈不還田條件下，ST 和DT 處理土壤全磷含量隨土層加深而降低，秸稈翻耕還田STS和DTS處理增加了40～60 cm土層全磷含量，與秸稈不還田和NTS處理差異顯著。與秸稈不還田比較，秸稈還田3 年玉米產量平均增加4.3%，但3種還田方式間差異不顯著。

2.2 不同秸稈還田方式下土壤活性有機碳組分

2.2.1 土壤有機碳含量

連續3 年定位耕作使不同土層有機碳含量發生變化（圖1）。總體上，土壤有機碳含量隨土層深度增加而降低，秸稈還田可減緩有機碳下降。不同處理0～60 cm 土層有機碳平均含量差異較大，其中STS、DTS 土壤有機碳平均含量為11.79、11.28 g·kg-1，分別較DT、ST 增加1.41、1.65 g·kg-1和0.90、1.14 g·kg-1，而NT 與NTS 處理差異不大。無論秸稈是否還田，頻繁的翻耕降低了0～20 cm 土層有機碳含量。其中，秸稈不還田處理ST 與DT 有機碳含量較NT 分別顯著降低1.05、1.95 g·kg-1（P＜0.05）。秸稈還田處理STS、DTS有機碳含量較NTS 分別降低0.85、1.11 g·kg-1（P＞0.05）。秸稈還田深度同樣影響土壤有機碳含量，在20～60 cm 土層，翻耕還田的有機碳含量顯著高于覆蓋還田。其中，在20～40 cm 土層，STS、DTS 較NTS 分別增加1.38、1.27 g·kg-1，增幅為12.7%、11.6%（P＜0.05）；在40～60 cm 土層，STS、DTS 較NTS 分別增加0.89、0.33 g·kg-1（P＜0.05）。

表1 不同處理土壤基礎理化指標和產量Table 1 The soil basic physical and chemical properties and yields under different treatments

2.2.2 土壤活性有機碳組成

由表2 可見，土壤活性有機碳（LOC）中低活性有機碳（L-LOC）含量較高，在0.54～1.37 g·kg-1之間，占比為26.2%～53.3%；其次是中活性有機碳（M-LOC），含量為0.29～1.38 g·kg-1，占比18.9%～46.4%；高活性有機碳（H-LOC）含量最低，為0.25～0.70 g·kg-1，占比14.7%～27.4%。

頻繁的翻耕是提高土壤M-LOC 含量的主要原因，而NT和NTS處理各土層M-LOC 含量低于翻耕與秸稈翻耕還田處理（表2）。其中，20～40 cm土層，DTS較STS、NTS分別提高0.61、0.89 g·kg-1，0～40 cm 土層，DT、ST 較NT 分別平均提高0.32、0.28 g·kg-1。總體上，翻耕對土壤M-LOC 影響大于秸稈翻耕還田，秸稈深翻還田大于秸稈淺翻還田。

不同處理下土壤L-LOC 量在20～40 cm 土層分布較高（表2）。秸稈不還田條件下，連續深耕打破了堅實的犁底層，DT 處理土壤L-LOC 降幅較大。其中，0～20 cm 土層，DT 較ST、NT 分別降低0.34、0.27 g·kg-1，40～60 cm 土層，分別降低0.21、0.11 g·kg-1；秸稈還田深度影響土壤L-LOC的轉化，其中STS處理土壤L-LOC 的增幅較大。其中，0～20 cm 土層，STS 較DTS、NTS 分別增加0.16、0.13 g·kg-1，增幅為19.75%、15.48%。20～40 cm 土層，STS 較DTS、NTS 分別增加0.36、0.55 g·kg-1，增幅為35.64%、67.07%。40～60 cm土層，STS 與DTS 處理L-LOC 含量也有一定升高，但差異不大。

圖1 不同處理下土壤有機碳含量Figure 1 Soil organic carbon contents under different treatments

表2 不同處理土壤活性有機碳各組分含量（g·kg-1）Table 2 The composition of soil liable organic carbon under different treatments（g·kg-1）

由于翻耕增強了對土壤的擾動，秸稈還田使秸稈的輸入量增加，因而不同深度土壤LOC組分的分布具有差異。由表2 和圖2 可見，NT和NTS處理土壤LOC組分含量隨土層加深呈下降趨勢，可代表原位土壤LOC的分布特征。秸稈不還田條件下，除0～20 cm表土層外，頻繁的翻耕對土壤H-LOC組分影響大于NT。其中，20～40 cm 土層ST、DT 較NT 處理分別提高24.6%、86.9%。40～60 cm 土層提高73.8%、125.4%，差異顯著（P＜0.05）。DT處理對H-LOC 的影響大于ST和NT處理，尤其是40 cm以下土層；與秸稈不還田條件下類似，秸稈翻耕還田對土壤H-LOC 的影響大于NTS，其中，20～40 cm 土層DTS、STS 較NTS 增幅達91.6%、61.3%，40～60 cm土層增幅分別為45.4%、79.3%。

2.3 不同秸稈還田方式下土壤有機碳儲量

2.3.1 土壤有機碳儲量

根據等深度儲量方法計算土壤有機碳儲量，從圖3 可以看出，經過3 年不同耕作與秸稈還田處理，0～60 cm土層有機碳儲量變化趨勢為STS＞DTS＞NTS＞NT＞DT＞ST。與ST 處理相比，STS 和DTS 處理增幅最大，分別為20.9%和17.9%，其次為NTS 和NT，增幅分別為13.6%和9.1%，而DT與ST間差異不大。

NT 與NTS 處理由于連續3 年未擾動土壤，土壤碳庫儲量隨土層加深有降低趨勢，但0～20 cm 有機碳儲量高于翻耕與秸稈翻耕還田；秸稈翻耕還田增加了20～60 cm 土層有機碳儲量。其中，20～40 cm 土層，DTS、STS 較NTS 有機碳儲量分別增加3.52、3.12 t·hm-2，40～60 cm 土層，DTS、STS 較NTS 有機碳儲量分別增加3.78、6.54 t·hm-2；秸稈不還田處理土壤有機碳庫儲量變化以表層（0～20 cm）為主，秸稈翻耕還田后，土壤有機碳儲量變化主要發生在中層（20～40 cm），并有向下層（40～60 cm）轉移的趨勢。

2.3.2 土壤活性有機碳組分的儲量

圖2 不同處理下土壤活性有機碳組分含量（A：不同秸稈處理方式對有機碳組分的影響；B：不同耕作深度對有機碳組分的影響）Figure 2 Soil liable organic carbon composition contents under different treatments（A：Effects of different straw managements on organic carbon component contents;B：Effects of different tillage depths on organic carbon component contents）

圖3 不同處理下土壤有機碳儲量Figure 3 Soil organic carbon storage under different treatments

不同處理對土壤LOC 組分的儲量有一定影響（圖4A）。土壤H-LOC 儲量隨著翻耕深度的增加呈現上升趨勢；與H-LOC 相似，秸稈還田條件下，深耕也會顯著提高M-LOC 的儲量，特別是DTS處理，但總有機碳儲量之間的差異不顯著。由圖4B、4C 可以得出，耕作深度顯著改變了H-LOC 和M-LOC 儲量，深度越深，含量越高。秸稈還田措施增加了有機碳和各組分儲量，但LOC 組分，特別是H-LOC、M-LOC 對耕作方式的改變更加敏感，而對秸稈還田措施響應不明顯。秸稈還田主要通過增加L-LOC 含量來提高土壤頑固性碳儲量。

秸稈還田與耕作深度的雙因素方差分析（表3）表明，土壤有機碳及其活性組分對秸稈還田與耕作深度的響應不同。秸稈還田對土壤L-LOC 和玉米產量影響顯著，而耕作深度對土壤H-LOC 和M-LOC 影響顯著。短時間內，不同秸稈還田方式對草甸土有機碳及其活性組分的含量和儲量影響差異不大，但秸稈還田后玉米產量增加，因此，秸稈還田是提高作物產量的重要措施。

圖4 不同處理下土壤活性有機碳組分儲量（A：不同處理對土壤活性有機碳組分儲量的影響；B：不同秸稈處理方式對土壤活性有機碳組分儲量的影響；C：不同耕作深度對土壤活性有機碳組分儲量的影響）Figure 4 Soil liable organic carbon component storage under different treatments（A：Effects of different treatments on soil liable organic carbon component storage;B：Effects of straw managements on soil liable organic carbon component storage;C：Effects of tillage depths on soil liable organic carbon component storage）

表3 秸稈還田和耕作深度對土壤有機碳組分及玉米產量的影響Table 3 The effect of tillage on SOC component contents，storages and yield

2.4 不同秸稈還田方式下土壤碳庫管理指數

從CPI指數分析（表4），除ST處理的20～40 cm 土層CPI＜1，其他處理CPI＞1。同一耕作方式下，秸稈還田處理的CPI大于秸稈不還田處理。20～60 cm 土層，秸稈翻耕還田大于NTS，且STS 和DTS 處理的40～60 cm 土層CPI 較高；L 指數分析表明，各處理土壤碳庫活度中20～40 cm 土層最高，40～60 cm 土層最低。秸稈不還田條件下，DT 處理20～40 cm 土層L 值較高。秸稈翻耕還田提高了20～40 cm 土層L 值，DTS 和STS較NTS 平均提高0.15；CMI 指數分析表明，秸稈不還田條件下，連續的ST 和DT 處理0～40、0～20 cm 土層的CMI較NT處理有降低趨勢。不同秸稈還田方式對表層CMI 影響不大，但秸稈翻耕還田顯著提高了20～60 cm 土層CMI 值，其中，在20～40 cm 土層，STS 和DTS 較NTS 平均提高1.01，在40～60 cm 土層，STS 和DTS 較NTS 平均提高0.46，而各土層中STS 與DTS 處理CMI值差異不大。

3 討論

3.1 秸稈還田方式對土壤有機碳的影響

秸稈中富含大量的碳、氮，是增加土壤有機碳的重要來源，秸稈還田可有效改善土壤結構，提高土壤氮、磷、鉀和有機質含量，而與耕作措施配合的秸稈還田是提升土壤地力的主要措施[7，10，13-14]。本研究表明，連續翻耕造成深層土壤緊實度增加，土壤庫容量降低，不利于創造良好的土體結構。無論秸稈是否還田，頻繁的翻耕破壞了表層土壤結構，降低有機碳的物理保護作用從而加速了表層（0～20 cm）有機質的分解，土壤有機碳含量降低，與梁愛珍等[15]研究一致。秸稈還田后由于連續翻耕，秸稈可以深入中層和深層土體，導致20～60 cm土層土壤有機碳含量增加。

表4 不同處理下土壤碳庫管理指數Table 4 Soil carbon pool management index under different treatments

秸稈還田深度影響有機碳的礦化與積累，NTS對表層（0～20 cm）有機碳增加作用較大，而翻耕還田更有利于中層（20～40 cm）土壤有機碳的提高，并有向下層（40～60 cm）轉移的趨勢，這是因為NT 減少了對耕層的擾動，土壤結構趨于穩定，表土層有機碳分解速率降低[12]。土壤有機碳儲量分析也表明，NT 與NTS由于連續3 年對土壤不進行擾動，表層土壤有機碳儲量高于翻耕與秸稈還田處理，與楊永輝等[16]研究一致。秸稈不還田條件下，土壤有機碳庫儲量以表層（0～20 cm）為主，秸稈還田后，下層土壤有機碳儲量有增加的趨勢。

3.2 秸稈還田方式對土壤活性碳組分的影響

土壤碳庫的變化主要發生在LOC 部分[13]。LOC在土壤中周轉快、穩定性差、具有較高的微生物活性，雖然僅占總有機碳很小一部分，卻是土壤碳循環的關鍵和動力。秸稈還田后，由于投入了外源有機物，加速了有機碳不同組分之間的周轉，從而影響了土壤有機碳的活性和穩定性，改變其組成與存在方式[7]。本研究表明，與NTS比較，秸稈翻耕還田使不同土層HLOC 含量都有一定的提高，影響最大的土層為20～40 cm 土層，其次是40～60 cm 土層。這可能是由于翻耕破壞了土壤對有機碳的物理保護，加速了L-LOC 的分解，促進H-LOC 的生成[17]，同時腐解的秸稈為微生物提供能源，增強微生物活性，進而促進土壤H-LOC的生成[17]。本試驗中深耕對土壤H-LOC 的影響大于淺耕和免耕，也證明了這一點；無論秸稈是否還田，連續的翻耕均提高了土壤M-LOC 含量，且0～40 cm 土層變化較大。上砂下黏的土壤質地、長期的旋耕整地方式導致在15～20 cm 土層形成一個緊實的犁底層，短期內連續的深耕打破了犁底層，因而促進了穩定性有機碳的分解，使L-LOC含量降低。

另外，土壤有機碳不同組分對環境改變的敏感性存在差異。耕作對土體的擾動使得深層土壤暴露于表面，整體土層性質相對均一化[18-19]，有機碳各組分含量和儲量的變化規律基本一致，隨著翻耕深度的增加，土壤有機碳總量有降低趨勢，但是LOC 組分卻呈現了上升趨勢，可能是因為耕作破壞了土壤結構，減少了有機碳的物理保護，增強了微生物對有機碳的利用和周轉，從而增加了有機碳的活性組分含量[14]。

纖維素是土壤中分布最廣、含量最多的多糖，也是作物秸稈的主要成分。纖維素作為一種大分子多糖，其降解周期較長，是土壤中的非活性有機碳。而周轉時間較長且降解難度較大，可在土壤中保留較長時間，又是土壤中穩定的有機碳組分。所以秸稈還田對土壤LOC 組分的影響較小，這與本研究結果一致。土壤中的秸稈通過一年的腐解，其降解率可以超過70%，是土壤有機碳的重要來源[19]。本研究中，秸稈還田措施對土壤LOC 組分含量的影響并不顯著。因此，秸稈還田主要通過增加土壤中非活性有機碳組分提升有機碳含量，從而增加作物產量。

3.3 秸稈還田方式對土壤碳庫管理指數的影響

有研究認為，CMI指數高，土壤肥力上升，反之則肥力下降[17]。其原因在于CMI 指數增加，加快了土壤不穩定有機碳的更新速度，促進土壤腐殖質的形成，以及土壤孔隙和通氣結構的改善[20]。本研究表明，秸稈不還田條件下，與NT 相比，連續3 年DT 與ST 降低了0～20 cm 和20～40 cm 土層土壤容重，土壤通氣透水性增強，同時增加了上層和中層土壤有機碳的礦化分解，CMI降低；不同秸稈還田方式對表層（0～20 cm）CMI影響不顯著，但秸稈翻耕還田增加了中層和下層（20～60 cm）CMI，其中，20～40 cm 土層的CMI 增幅大于40～60 cm 土層。韓曉增等[21]研究提出，將秸稈深混至0～35 cm土層，可培育一個肥沃深厚的耕層。影響土壤CMI變化的因素較多[3，5-6]，本研究表明，短期內秸稈連續還田條件下，翻耕深度對草甸土CMI的影響不顯著，可能與機械作業水平、取樣點分布、土壤質地等因素有關，下一步將繼續進行相關研究與分析。

4 結論

（1）秸稈還田方式對不同深度土層碳庫積累和更新的影響不同，免耕秸稈覆蓋促進了表層（0～20 cm）土壤有機碳的增加，而秸稈翻耕還田更有利于中層（20～40 cm）和下層（40～60 cm）土壤有機碳庫的積累和碳庫管理指數的提高。

（2）秸稈還田措施顯著增加了土壤低活性有機碳含量并提高了作物產量，而耕作深度對高活性有機碳和中活性有機碳的影響較大，深翻顯著提高了兩者的儲量。

（3）短期內秸稈翻耕還田深度的變化對土壤碳庫積累的影響不顯著。針對目前農田土壤頻繁翻耕導致的表土流失加劇的問題，秸稈周期輪耕還田是提高土壤肥力的有效解決措施。