玉米秸稈覆蓋與深翻兩種還田方式對黑土有機碳固持的影響

梁 堯，蔡紅光，楊 麗，程 松，張水梅，袁靜超，劉劍釗，劉松濤，任 軍

玉米秸稈覆蓋與深翻兩種還田方式對黑土有機碳固持的影響

梁 堯1，蔡紅光1，楊 麗2，程 松1，張水梅1，袁靜超1，劉劍釗1，劉松濤1，任 軍1※

（1. 吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部東北植物營養與農業環境重點實驗室，長春 130033； 2. 中國標準化研究院，北京 100091）

秸稈還田是實現東北黑土肥力提升與保障區域生態環境安全的有效措施。明確玉米秸稈覆蓋與深翻還田下土壤有機碳（SOC, Soil Organic Carbon）的變化及其在團聚體中的固持特征，對于揭示秸稈還田后黑土有機碳的穩定機制與固碳潛力具有重要意義。該研究基于黑土區中部6 a定位試驗，選擇常規種植（CK）、秸稈覆蓋還田（SM, Stovers Mulching)和秸稈深翻還田（SI, Stovers Incorporation）3個處理，對0～10、>10～20、>20～30及>30～40 cm土層SOC含量、容重、水穩性團聚體分布及團聚體中有機碳（OC, Organic Carbon）含量進行了分析與測定，并對各處理年均碳投入量、SOC儲量與土壤固碳速率等進行了估算。與CK相比，SM處理顯著增加了0～10 cm土層SOC含量，增幅為22.4%，但對10～40 cm土層SOC含量無顯著影響；SI處理顯著增加了0～40 cm土層SOC含量，增幅為18.1%～41.5%，以>20～30 cm的增幅最突出。與SM處理相比，SI處理0～10 cm土層SOC儲量顯著低于前者，而>20～30 cm土層SOC儲量反之。6 a間，SM處理耕層（0～20 cm）與亞耕層（>20～40 cm）土壤固碳速率分別為1.34和0.77 Mg/(hm2·a)，SI處理為0.85和1.74 Mg/(hm2·a)。秸稈不同還田方式顯著改變了0～40 cm土層團聚體分布及其中OC含量。與CK相比，SM顯著增加了耕層大團聚體（>0.25 mm）比例與平均質量直徑（MWD, Mean Weight Diameter），SI顯著提高了0～40 cm土層團聚體MWD，且對10～40 cm土層團聚結構的改善作用優于SM；SM處理顯著增加了0～10 cm土層>2和<0.053 mm粒級團聚體OC含量，SI處理不僅增加了0～10 cm土層>2 mm粒級團聚體OC含量，也顯著提高了10～40 cm土層各粒級團聚體OC含量。在黑土區，秸稈覆蓋還田對SOC的提升主要集中于表層，秸稈深翻還田促進了0~40 cm 土層SOC積累與土壤團聚結構的改善。

有機碳；土壤；團聚體；秸稈還田；黑土；固碳速率

0 引 言

土壤有機碳（SOC, Soil Organic Carbon）是土壤肥力形成的基礎，也是全球氣候變化的主要影響因子。農田土壤SOC庫受人為活動干預、并可在較短的時間尺度進行調控，因此，農田土壤固碳成為全球固碳減排的有效途徑[1]。秸稈還田作為重要的農業管理措施，其通過增加有機物質的投入、影響土壤有機碳的礦化過程，使土壤碳庫的源匯效應發生改變[2]。據估計，全球每年約有0.6～1.2 Pg碳能通過秸稈還田固定到土壤中[3]。基于176項研究結果的Meta分析指出[4]，秸稈碳的輸入可使SOC含量平均增加12.8%。在中國傳統耕作與免耕條件下，秸稈還田土壤年均土壤固碳速率分別為0.22和0.52 g/kg[5]。秸稈還田對SOC儲量和固碳速率的影響與氣候條件、土壤類型、耕作方式和秸稈還田方式等密切相關[6-8]。

團聚體與SOC相互作用緊密，一方面SOC是團聚體形成過程的重要膠結物質，決定了團聚體的粒徑分布與結構穩定[9]，另一方面團聚體為SOC提供了物理保護，避免其受微生物和胞外酶的分解，同時通過改變氣體環境和養分供應，使微生物的群落結構發生變化，進而間接影響SOC的分解與轉化過程[10-11]。土壤團聚體對SOC的物理、化學和生物保護作用是決定SOC穩定性的重要機制。外源秸稈碳的投入將促進大團聚體形成，大團聚體內顆粒有機物的增加又推動微團聚體的形成，隨著這些有機物質的分解，大團聚體破碎，微團聚體釋放出來。當新鮮秸稈再次加入時，這些組分將粘結成大團聚體，參與到新一輪的大團聚體循環中[12-13]。探討秸稈還田條件下團聚體分布和有機碳固持間的相互作用對于闡明土壤固碳潛力具有重要意義。

東北黑土以土質肥沃、有機碳含量高而聞名，在保障國家糧食安全、促進農業可持續發展與改善區域生態環境安全等方面發揮著重要作用。黑土區作為中國玉米主產區，玉米秸稈資源豐富，秸稈還田是實現黑土生產力提升與秸稈資源高效利用“雙贏”的首選途徑。免耕秸稈覆蓋還田在增加東北黑土表層SOC儲量方面具有較大優勢[14]，但連年秸稈覆蓋還田不利于改變土壤犁底層結構，其對翌年地溫回升與玉米播種的負面效應也備受爭議[15-16]。近年來，秸稈深翻還田作為一種新型的耕種方式在東北地區展開應用，其通過機械翻耕將秸稈翻壓于土壤深層，具有加厚耕層、優化亞耕層土壤結構與改善養分供應的特點[17-18]。然而，翻耕將加快SOC的礦化過程[19]，秸稈還田又增加了深層土壤外源碳的輸入，在高強度碳輸出與碳輸入的作用下，SOC儲量與固持特征將如何變化仍缺乏深入研究。因此，本研究基于黑土區中部6 a玉米秸稈還田定位試驗，探討玉米秸稈覆蓋還田與深翻還田對0～40 cm土層SOC儲量與固碳速率的影響，明確SOC在團聚體中的固持特征，以期為揭示玉米秸稈還田后黑土有機碳的穩定機制與固碳潛力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于吉林省公主嶺市吉林省農業科學院試驗田（43°29′55″N，124°48′43″E），該地區屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷、夏季高溫多雨，年均降水量450～650 mm，年均氣溫4～5 ℃，無霜期110～140 d，有效積溫2 600～3 000 ℃。試驗區土壤類型為中層黑土。試驗起始于2011年秋季，試驗前該區域土壤基本理化性質為0～20 cm土層：有機碳15.1 g/kg、全氮1.56 g/kg、全磷0.54 g/kg、全鉀18.0 g/kg、pH值6.20、容重1.40 g/cm3，>20～40 cm土層：有機碳11.9 g/kg、全氮1.34 g/kg、全磷0.41 g/kg、全鉀17.5 g/kg、pH值6.21，容重1.43 g/cm。

1.2 試驗設計

共選取3個處理，1）常規種植，無秸稈還田（CK）：玉米收獲后采用人工方式將秸稈割出，采用旋耕機滅茬整地，翌年春季免耕播種機平播；2）秸稈覆蓋還田（SM, Stovers Mulching）：采用玉米收獲機收獲的同時將秸稈粉碎、切斷后均勻平鋪于地表，翌年春季采用免耕播種機平播；3）秸稈深翻還田（SI, Stovers Incorporation）：玉米機械收獲的同時將秸稈粉碎、切斷平鋪于地表，采用液壓翻轉犁進行翻耕作業，翻耕深度≥30 cm，采用聯合整地機耙壓整地，翌年春季采用免耕播種機平播。每個處理3次重復，各小區面積為702 m2。各處理年均化肥施用量分別為N 200 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，磷、鉀肥和40%氮肥以底肥施入，60%的氮肥在玉米拔節期追肥施入。作物種植方式為玉米連作，種植密度為6萬/hm2。每年于4月下旬播種，10月上旬收獲。其他環節同田間常規管理。

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品于2017年秋玉米收獲后采集，每個小區隨機選取3點，采用原狀土鉆分別采集0～10、>10～20、>20～30和>30～40 cm 4個土層的土壤樣品，將各土層3點土壤樣品放入同一取樣盒作為一個混合樣品，在采集和運輸過程中減少對土壤樣品的擾動，盡量避免破壞土壤結構。土樣帶回實驗室后，用手將大土塊沿自然裂隙輕輕掰開，剔除土壤樣品中的礫石、植物殘體及粗有機體等雜質，過8 mm篩。待土樣完全風干后，分成2部分，一部分進行水穩性團聚體的篩分，一部分過0.15 mm篩，用于測定SOC含量。在采集土樣的同時，用容積為100 cm3的環刀分層取原狀土土樣，測定土壤容重。

水穩性團聚體篩分采用改進的濕篩法[20]，于團聚體分析儀（TTF-100，浙江舜龍）上進行。具體操作如下，將土樣于60°烘箱烘干24 h后，稱取土樣25 g放置于篩組（自上而下為2 mm、0.25 mm、0.053 mm）的最上層，浸潤5 min后，篩分2 min（振幅3 cm，頻率30次/min），到達設定時間后，用去離子水把各層篩子上的團聚體分別洗至燒杯（50 mL）中，置于60°C烘箱烘干至恒質量，依次獲得>2、2～0.25、0.25～0.053和<0.053 mm各粒級團聚體。SOC和各粒級團聚體有機碳（OC）含量采用元素分析儀（Vario ELⅢ，德國Elementar）測定。

2011－2016年間，在玉米成熟期進行玉米籽粒產量與地上生物量的測定，每小區選取5點，每點按13 m2測定籽粒產量（以烘干質量計算），同時各點收集5株地上植株，去除果穗后的秸稈生物量以烘干質量計算。

1.4 計算方法

1.4.1 外源碳投入量

土壤外源植物碳的來源主要包括秸稈、根茬與根際沉積3部分。根茬生物量按秸稈生物量（烘干質量）的23%計算[21]，秸稈與根茬中的碳質量分數以40%計算[22]，根際沉積碳總量等于成熟期根茬碳量[23]。

1.4.2 土壤有機碳儲量

土壤有機碳儲量、固碳量及固碳速率的計算方法[24]如下：

式中SOCstock為某土壤深度的SOC儲量，Mg/hm2；SOC為第層SOC含量，g/kg；BD為第層土壤容重，g/cm3；H為第層土壤厚度，cm；10為轉化系數；為土層數；ΔSOCstock、SOCstock-treatment和SOCstock-initial分別為固碳量、處理后SOC儲量、初始時SOC儲量；SOCSR為土壤固碳速率，Mg/(hm2·a)；yr為處理年限，a。

1.4.3 土壤團聚體穩定性及團聚體碳貢獻率

團聚體穩定性以平均質量直徑（MWD, Mean Weight Diameter）表示[9]，計算方法如下

式中W為各粒級團聚體的質量百分數，%；X為各粒級的平均直徑，mm。

各粒級團聚體碳對SOC的貢獻率（SOC）計算如下，

SOC=SOCai·W/SOC（5）

式中SOCai為第級團聚體的有機碳含量，g/kg；SOC為土壤有機碳含量，g/kg。

1.5 數據處理

采用SPSS19.0進行單因素方差分析與多重比較（Duncan法），及相關指標之間的線性回歸分析。圖形繪制采用Origin 2019進行。

2 結果與分析

2.1 秸稈不同還田方式對碳投入量、土壤有機碳儲量與固碳速率的影響

2011年至2016年間，各處理年均碳投入量如表1所示。各處理年均玉米籽粒產量與秸稈生物量均表現為SI>CK>SM，SM和SI處理年均碳投入總量分別是CK的1.9倍和2.5倍。

表1 秸稈不同還田方式下年均碳的投入量

注：表中數據為平均值±標準差。

Note: Values represent the mean±standard deviation.

秸稈不同還田方式強烈地影響著0～40 cm土層SOC含量（表2）。與CK相比，SM處理顯著增加了0～10 cm土層SOC含量，增幅為22.4%，對10～40 cm各土層SOC含量的影響不顯著；SI處理顯著增加了0～40 cm各土層SOC質量分數，增幅為18.1%～41.5%，以>20～30 cm土層SOC含量的增幅最突出。2種秸稈還田方式相比，SI處理>20～30 cm土層SOC含量顯著高于SM處理，二者其他土層SOC含量間無顯著差異。從SOC含量在0～40 cm土層的空間分布來看，隨著土層的加深，CK和SM處理SOC含量呈現逐漸降低的趨勢，而SI處理0～10、>10～20和>20～30 cm土層SOC含量間無顯著差異，但顯著高于>30～40 cm土層。

表2 秸稈不同還田方式下土壤有機碳含量、儲量及固碳速率

注：表中數據為平均值±標準差，同行數值后不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著（<0.05），同列數值后不同大寫字母表示同一處理不同土層間差異顯著（<0.05），下同。

Note: Values represent the mean±standard deviation, values followed by different small letters in one row indicate significant difference among treatments in the same soil depth of aggregate at 0.05 level, values followed by different capital letters in one column indicate significant difference among soil depths of aggregate and the same treatment at 0.05 level, the same as below.

秸稈不同還田方式對SOC儲量、土壤固碳數量與速率的影響如表2所示。與CK相比，SM處理顯著增加了0～10 cm土層SOC儲量，增幅為31.0%，但對其他土層SOC儲量影響不顯著；SI處理顯著增加了0～10、>20～30和>30～40 cm各土層SOC儲量，增幅為15.0%～34.9%，由于SI處理>10～20 cm土層土壤容重較低，因此其對該土層SOC儲量無顯著影響。與SM處理相比，SI處理0～10 cm土層SOC儲量顯著低于前者，而>10～40 cm各土層SOC儲量高于前者，特別是>20～30 cm土層SOC儲量的增量最顯著。與試驗初期（2011年）相比，0～20 cm土層土壤固碳量與固碳速率均表現為SM>SI>CK，>20～40 cm土層固碳量與固碳速率表現為SI>SM>CK。

2.2 秸稈不同還田方式對土壤水穩性團聚體分布及穩定性的影響

秸稈不同還田方式下水穩性團聚體分布及其穩定性的變化如表3。2～0.25與0.25～0.053 mm 粒級是團聚體的主體，分別占46.0%～52.6%和21.7%～33.7%。與CK相比，SM與SI處理對0～10 cm和>10～20 cm土層各粒級團聚體分布的影響一致，即顯著增加了>2 mm和2～0.25 mm粒級比例，降低了0.25～0.053和<0.053 mm粒級比例，進而使大團聚體（>0.25 mm）比例和MWD得以顯著提高；SM處理對>20～30和>30～40 cm土層各粒級團聚體比例及MWD的影響不顯著，而SI處理顯著增加了>20～30 cm土層>2 mm粒級比例及>30～40 cm土層2～0.25 mm粒級比例，使得這2個土層大團聚體和MWD均得以顯著增加，且顯著高于SM處理。

秸稈不同還田方式改變了各粒級團聚體在0～40 cm土層的空間分布特征（表3）。CK處理>20～30 cm土層大團聚體比例顯著低于其他土層，SM處理0～20 cm土層大團聚體比例均顯著高于>20～40 cm土層，SI處理0～40 cm 各土層大團聚體比例間差異不顯著。從MWD的空間變化來看，CK處理0～40 cm各土層MWD間差異不顯著，SM處理MWD值隨著土層的加深逐漸降低，SI處理0～10、>10～20、>20～30 cm土層MWD間差異不顯著，但均顯著高于>30～40 cm土層。

表3 秸稈不同還田方式下土壤水穩性團聚體分布及其穩定性

注：表中數據為平均值±標準差，同列數值后不同小寫字母表示同一土層同一粒級不同處理間差異顯著（<0.05），同列數值后不同大寫字母表示同一粒級同一處理不同土層間差異顯著（<0.05）。

Note: Values represent the mean±standard deviation, values followed by different small letters in one column indicate significant difference among treatments in the same soil depth and the same size of aggregate at 0.05 level, values followed by different capital letters in one column indicate significant difference among soil depths in the same size of aggregate and the same treatment at 0.05 level.

2.3 秸稈不同還田方式對團聚體中有機碳含量及其貢獻率的影響

秸稈不同還田方式對土壤各粒級團聚體OC含量及其貢獻率的影響如表4所示。與CK相比，SM處理顯著增加了0～10和>20～30 cm土層中>2和<0.053 mm兩粒級團聚體OC的含量，但對其他土層各粒級團聚體OC含量的影響不顯著；SI處理不僅顯著增加了0～10 cm土層>2 mm粒級OC含量，同時顯著提高了>10～20、>20～30、>30～40 cm土層各粒級團聚體OC含量。在0～10和>10～20 cm土層，SM和SI處理各粒級團聚體OC含量間差異不顯著，但在>20～30和>30～40cm土層，SI處理大團聚體OC含量顯著高于SM處理。從不同處理對各粒級團聚體OC的貢獻率來看，2～0.25 mm粒級是SOC固持的主體，其對SOC的貢獻率占47.3%～55.0%，其次為0.25～0.053 mm粒級團聚體，占19.9%～31.3%，>2和<0.053 mm粒級團聚體對SOC貢獻率相對較低。與CK相比，SM和SI處理增加了0～40 cm土層>2 mm粒級對SOC的貢獻率，降低了各土層0.25～0.053 mm粒級OC的貢獻率及0～10、>10～20和>20～30 cm土層<0.053mm粒級團聚體OC的貢獻率；秸稈還田處理顯著增加了0～10 cm土層2～0.25 mm粒級團聚體OC的貢獻率，但對10～20、>20～30和>30～40 cm土層該粒級團聚體OC貢獻率無顯著影響。在0～10 cm土層，SI處理>2 mm粒級團聚體OC的貢獻率低于SM，而>10～20、>20～30和>30～40 cm土層該粒級團聚體OC貢獻率的變化與之相反。此外，在>10～20和20～30 cm土層，SI處理<0.053 mm粒級OC的貢獻率明顯低于SM處理。

從各粒級團聚體OC含量在0～40 cm土層的空間變化（表4）來看，CK和SM處理各粒級團聚體OC含量均隨著土層深度的增加逐漸降低，而SI處理0～10、>10-20和>20-30 cm土層各粒級團聚體OC含量間差異不顯著，但均高于>30～40 cm土層相應粒級團聚體的OC含量。各處理各粒級團聚體OC的貢獻率隨著土層深度的增加呈現波動變化。

表4 玉米秸稈不同還田方式下各粒級團聚體有機碳含量及其貢獻率

2.4 土壤有機碳與平均質量直徑及各粒級團聚體中有機碳的相關關系

對SOC含量與團聚體MWD及各粒級團聚體OC含量進行回歸分析可知（圖1和圖2），SOC含量與MWD、>2和2～0.25 mm粒級團聚體OC含量間均呈現出極顯著的正相關關系（<0.01），與0.25～0.053和<0.053 mm粒級團聚體OC含量間未表現出顯著的相關性（>0.05）。

3 討 論

免耕秸稈覆蓋還田通過減少土壤擾動、增加外源碳的投入，從而促進了SOC的積累[14,25]，本研究由于地處東北寒區，覆蓋于地表的玉米秸稈腐解相對較慢，其對SOC的補給主要集中于0～10 cm的表層，雖然部分溶解性有機質將隨著土壤水分向下運移[26]，但短期內其未引起10～30 cm土層SOC含量的顯著變化。以往研究多表明，深翻耕作將加快SOC的礦化分解，造成SOC的虧缺[27]，然而，本研究中將深翻與秸稈還田相結合，0～40 cm土層SOC的含量得以明顯提升。深翻后大部分秸稈分布于25 cm土層，秸稈與土壤充分接觸加速了秸稈的腐解與腐殖化過程[8,28]，極大地促進了SOC的積累。此外，連年翻耕促使0～30 cm土層土壤趨于均質化，SOC含量未出現明顯的分層現象，且>20～40 cm土層SOC含量也顯著高于CK與秸稈覆蓋處理，由此說明，秸稈覆蓋還田有助于0～10 cm表層SOC的積累，而秸稈深翻還田可顯著提升0～40 cm土層SOC的固持能力。

碳的收支情況決定了土壤有機碳庫的源匯效應。6 a間單施化肥處理通過根茬、根際沉積等形式外源碳的輸入使得耕層（0～20 cm）SOC庫略有盈余。據估算，中國單施化肥耕層平均土壤固碳速率可達0.38 Mg/(hm2·a)[29]，本研究中單施化肥耕層（0～20 cm）土壤固碳速率為0.08 Mg/(hm2·a)，低于全國平均值，主要是氣候、土壤類型與種植制度等因素的差異造成的[30]。研究表明，秸稈免耕覆蓋還田12 a黑土耕層SOC庫的年均增速為0.80 Mg/(hm2·a)[27]，秸稈旋耕還田5 a間白漿土（Alfisol）耕層土壤固碳速率可達1.03 Mg/(hm2·a)[31]。本研究中，秸稈覆蓋還田耕層與亞耕層（>20～40 cm）土壤固碳速率分別為1.34和0.77 Mg/(hm2·a)，秸稈深翻還田的固碳速率分別為0.85和1.74 Mg/(hm2·a)。需要注意的是，短期（<11 a）試驗結果可能會高估處理的固碳速率[5]，因此，仍需更長時間尺度的觀測來探究黑土固碳速率的變化。一些研究表明，外源碳投入量與土壤固碳速率呈顯著的正相關關系[31-32]，也有基于長期定位試驗的研究指出隨著外源碳投入量的增加，土壤有機碳庫出現飽和現象，土壤固碳速率趨于平緩[33]。本研究中，外源碳投入量與土壤固碳速率呈現增加趨勢，表明本試驗土壤仍有著較大的固碳潛力。

秸稈不同還田方式對土壤團聚體分布及其穩定性有著強烈的影響[34]。本研究中，秸稈覆蓋還田比CK顯著增加了耕層大團聚體的比例與團聚體穩定性，但對亞耕層土壤團聚體穩定性的影響并不顯著，表明秸稈覆蓋還田積極改善了耕層土壤結構，這與前人研究結果相一致[24,35]。與CK相比，秸稈深翻還田顯著增加了0～40 cm土層大團聚體的比例，團聚體穩定性也隨之增加。雖然翻耕對土壤團聚體結構產生較大擾動，但秸稈輸入對SOC的提升作用為土壤顆粒的團聚提供了良好的膠結物質，這種膠結效應有效抵消了翻耕對團聚體的分散作用，有效促進了大團聚體的形成，為SOC提供更好的保護。這與秸稈深翻還田對沙壤土團聚體穩定性的研究結果不一致[18]，其原因在于土壤質地與深翻機械操作存在較大差異。SOC含量與團聚體MWD間極顯著的正相關關系（<0.01）驗證了SOC對于提高團聚體穩定性的重要作用。與覆蓋還田相比，秸稈深翻還田處理顯著增加了20～40 cm土層大團聚體比例和MWD，說明秸稈深翻還田增加了耕層厚度，具有更好的亞耕層土壤結構。

秸稈不同還田方式對0～40土層各粒級團聚體OC含量的影響各異，秸稈覆蓋還田對團聚體OC含量的影響主要表現為其增加了0～10 cm土層>2和<0.053 mm兩粒級團聚體OC的含量，相比之下，秸稈深翻還田不僅增加了0～10 cm土層>2 mm團聚體OC的含量，同時顯著提高了10～40 cm土層各粒級團聚體OC的含量，說明秸稈覆蓋還田對表層SOC含量的增加主要通過促進>2和<0.053 mm粒級團聚體對OC的固持來實現，而秸稈深翻還田對深層SOC水平的大幅度提升則體現在其對各粒級團聚體OC的累積作用。從各粒級團聚體對SOC的貢獻率來看，秸稈還田顯著增加了SOC在大團聚體中的固持比例，特別是在>2 mm粒級團聚體，此外，SOC含量與>2和2～0.25 mm粒級團聚體OC含量間呈現極顯著的正相關關系（<0.01，圖2），可見，無論覆蓋還是深翻還田，外源秸稈新碳進入土壤后更多地固持于大團聚體中。盡管大團聚體周轉速率較快，不能為OC提供長期的保護，但其包裹了更多OC，并將促進微團聚體的形成，這些閉蓄在大團聚體中的微團聚體碳對于SOC的長期固持具有重要意義[36-37]。37 a長期定位試驗表明，有機培肥顯著增加了黑土微團聚體對SOC的貢獻率，而大團聚體的貢獻率則反之[38]。本研究中秸稈還田顯著降低了微團聚體對SOC的貢獻率，但<0.053 mm團聚體中較高的OC含量從某種程度驗證了SOC在各粒級團聚體中的轉化過程。

4 結 論

與常規種植相比，玉米秸稈還田改變了0～40 cm土層SOC的含量、儲量及其固持特征。覆蓋還田顯著增加了表層（0～10 cm）SOC的含量與儲量，深翻還田大幅提高了0～40 cm土層SOC含量與儲量，特別對>20～30 cm土層SOC的積累作用更為突出，使0～30 cm土層SOC含量無明顯分層現象；覆蓋還田顯著增加了耕層（0～20 cm）大團聚體比例及團聚體穩定性，深翻還田對團聚體穩定性的積極作用不僅局限于耕層，更重要的是提高了亞耕層（20～40 cm）大團聚體比例與團聚體穩定性。覆蓋還田對表層SOC的積累主要通過提高>2和<0.053 mm粒級團聚體對OC的固持來實現，深翻還田促進了表層>2 mm粒級團聚體中OC的積累，對10～40 cm 土層SOC含量的提升體現在其增加了各粒級團聚體OC含量。在黑土區，秸稈覆蓋還田對SOC的提升主要集中于表層，秸稈深翻還田大幅提高了0～40 cm土層SOC的固持能力，并使土壤深層結構得以顯著改善。

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Effects of maize stovers returning by mulching or deep tillage on soil organic carbon sequestration in Mollisol

Liang Yao1, Cai Hongguang1, Yang Li2, Cheng Song1, Zhang Shuimei1, Yuan Jingchao1, Liu Jianzhao1, Liu Songtao1, Ren Jun1※

(1.,,130033; 2.100091,)

Maize stovers returning is an effective approach to improve soil fertility of Mollisol, thereby to maintain safety of regional environment. However, the understanding of maize stovers returning with no tillage or deep tillage is still limited on Soil Organic Carbon (SOC) sequestration and distribution of aggregates associated Organic Carbon (OC). In this study, a six-year field experiment was carried out, which located in the middle of Mollisol region in northeast China. Three treatments were selected as follow: conventional tillage (CK), stovers mulching with no tillage (SM), and stovers incorporation with deep tillage (SI). Soil samples were collected from 0-10, >10-20, >20-30, and >30-40 cm depth. In addition, the specific parameters were estimated, including the SOC content, bulk density, aggregate size distribution and aggregate associated OC content, annual carbon input, SOC stock, and soil carbon sequestration rate. Compared with CK, SMR significantly increased by 22.4% SOC content at 0-10 cm soil depth, but no notable change in the SOC content at 10-40 cm soil depth. SI significantly increased by 18.1%-41.5% SOC content at 0-40 cm soil depth, with the greatest increasement at >20-30 cm soil depth. The SOC content in CK and SMR treatment was in a decreasing trend as soil depth increased, but no significant change was found in the SOC content among 0-10, >10-20 and >20-30 cm soil depths in SIR. The SOC stock changed in the same way as its content. The SMR had a high SOC stock at 0-10 cm soil depth than SIR, however, greater SOC stock at >20-30 cm soil depth was found in SIR than that in SMR. In the initial condition, the amount of carbon sequestration decreased as follow: SM>SI>CK at topsoil (0-20 cm), and SI>SM>CK at subsoil (>20-40 cm). The soil carbon sequestration rate at topsoil and subsoil were 1.34 and 0.77 Mg/(hm2·a) in SM treatment, and 0.85 and 1.74 Mg/(hm2·a) in SI treatment, respectively. Aggregate distribution and aggregate associated OC content were strongly affected by different stovers returning treatments. The SM significantly increased the proportion of macroaggregate and Mean Weight Diameter (MWD) at topsoil, and the SI significantly increased the aggregate stability at 0-40 cm soil layer, compared with CK. The SIR treatment had higher MWD at 10-40 cm soil layer than the SM. The 2-0.25 mm aggregate accounted for 48.3%-55.0% of the SOC, indicating the crucial role of macroaggregate in SOC sequestration in the Mollisol. Compared with CK, higher OC contents of >2 and <0.053 mm aggregated at 0-10 cm layer were observed in SM, where the SI resulted in greater OC content of >2 mm at 0-10 cm layer, as well as OC contents in each size of aggregate at 10-40 cm soil depth. The SOC content was significant positive correlations with MWD, OC contents of >2 mm and 2-0.25 mm aggregate, respectively, indicating that more exogenous organic carbon has been preserved in macroaggregates. In the Mollisol region, maize stovers returning can be used to improve the SOC sequestration and aggregate stability, where the positive effect of maize stovers mulching on SOC retention mainly focused on 0-10 cm soil depth. Furthermore, the maize stovers incorporation with deep tillage can contribute to great SOC sequestration and physical structure at 0-40 cm soil depth.

organic carbon; soils; aggregate; maize stovers returning; Mollisol; carbon sequestration rate

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Liang Yao, Cai Hongguang, Yang Li, et al. Effects of maize stovers returning by mulching or deep tillage on soil organic carbon sequestration in Mollisol[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 133-140. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.017 http://www.tcsae.org

2020-07-16

2020-12-07

國家重點研發計劃（2018YFF0213501-1）；吉林省農業科技創新工程人才基金（C8223001201)；國家現代農業產業技術體系（CARS-07-G-6）；吉林省科技發展計劃項目（20200403167SF，20200702008NC）資助

梁堯，博士，研究方向為土壤有機培肥。Email：liangyaosmart@163.com

任軍，博士，研究員，研究方向為土壤改良。Email：renjun557@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.017

S343.1

A

1002-6819(2021)-01-0133-08