保護性耕作措施對西南旱地玉米田土壤有機碳、氮組分及玉米產量的影響

戴伊莎，賈會娟，熊 瑛,2，劉幫艷，成 欣，王龍昌

(1.西南大學農學與生物科技學院，三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，南方山地農業教育部工程研究中心，重慶 400715；2. 河南科技大學農學院，河南 洛陽 471003)

近年來，隨著全球氣候變暖，土壤碳循環相關研究成為了全球生態學領域的熱點[1]，且取得了眾多新進展。農田土壤有機碳庫在全球碳庫中屬于最活躍的部分，對維持全球碳庫平衡具有非常重要的作用[2]，傳統耕作導致土壤有機碳流失嚴重，使得農田成為了一大碳源[3]。氮素是影響糧食生產效益和潛力的關鍵因素[4]。Franzluebbers等[5]、Zibilske等[6]研究發現，免耕、壟作等保護性耕作措施可顯著提高表層土壤的全氮含量。此外，土壤全氮與有機碳相互關聯、相互制約，共同維持農田生態系統的穩定，因此研究有機碳、氮之間的耦合關系十分重要。

保護性耕作具有培肥地力、抵御風蝕、抑制農田揚沙等功效，逐漸成為發展旱區農業、促進農業可持續發展的重要措施[7-8]。據中國科學院東北地理與農業生態研究所監測，土壤表層20 cm有機質含量在連續實施保護性耕作5 a后增加10%，10 a后增加21%，15 a后增加52%，表明保護性耕作不僅可以防治因管理不善導致的土壤退化，而且可以加強土壤固碳作用，顯著改善表層土壤有機碳含量[9-10]。最近20多年來，中國保護性耕作的面積逐年上升，保護性耕作研究越來越受到重視，逐漸成為中國農業耕作制度研究的一個熱點[11-12]。

壟作、深松、殘茬覆蓋、秸稈覆蓋等是保護性耕作的核心技術[11]。壟作具有集水、保肥等作用[12]。秸稈富含C、N等營養元素，是土壤碳素重要的源和庫。研究表明，蠶豆秸稈就地還田可以改善土壤理化性質，提高土壤有機質含量，增加土壤的碳氮養分[13-14]；具有保持土壤肥力、優化土壤結構、增加土壤微生物種類及數量、蓄水保墑等作用[15-16]。

我國的保護性耕作技術相關研究主要集中在東北、西北、華北等地[16]，在西南丘陵地區尚處于起步階段。西南丘陵地區地形復雜，旱作農田占總耕地面積的60%以上，存在土層淺薄、水土流失嚴重、多發季節性干旱、灌溉困難等問題[13,15]，然而關于在西南“旱三熟”種植區實行不同的保護性耕作措施所產生的土壤碳氮效應的相關研究鮮有報道。本文通過研究“旱三熟”種植模式下的玉米田土壤碳氮對壟作、秸稈覆蓋兩種保護性耕作措施的響應，旨在探尋合理的保護性耕作技術模式，因地制宜地優化西南丘陵地區旱田保護性耕作制度，促進農田固碳減排，提高農業生產效益和生態效益。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于重慶市北碚區西南大學教學實驗農場(29°51′N, 106°27′E)，海拔244 m，屬亞熱帶季風濕潤氣候，年均太陽總輻射量87 108 kJ·cm-2，年均日照時數598.4 h，多年平均氣溫18℃，≥10℃積溫5 979.5℃，夏季最高氣溫可達40℃，全年無霜期359 d，年均降雨量1 133.7 mm。該試驗地坡度較緩，地力相對均勻，已連續6 a開展“小麥/玉米/大豆”、“小麥/玉米/甘薯”等旱三熟種植模式下的保護性耕作研究，每年的耕作處理保持一致。供試土壤為旱地紫色土，土壤基礎理化性狀見表1，2014年重慶市月均降雨量和氣溫見圖1。

表1 耕層土壤基礎理化性狀

1.2 試驗設計

基于2013年11月至2014年10月進行的“蠶豆/玉米/甘薯”旱三熟種植模式，以玉米田為研究對象，供試作物為玉米(ZeamaysL.)(西單1號)，育苗移栽，于2014年3月20日育苗，4月8日移栽，7月29日收獲。采用3×2 雙因素試驗設計。設2種耕作方式：(1)平作(F)，秋季整地后不起壟；(2)壟作(R)，于秋季整地后橫向起壟，壟高20 cm。3個覆蓋水平：(1)無覆蓋(T)，整個生育期內無覆蓋；(2)秸稈半量覆蓋(H)，每個小區均勻覆蓋10.8 kg(折合3 750 kg·hm-2)蠶豆秸稈；(3)秸稈全量覆蓋(W)，每個小區均勻覆蓋21.6 kg(折合7 500 kg·hm-2)蠶豆秸稈。共6個處理：平作無覆蓋(FT)、壟作無覆蓋(RT)、平作+秸稈半量覆蓋(FH)、壟作+秸稈半量覆蓋(RH)、平作+秸稈全量覆蓋(FW)、壟作+秸稈全量覆蓋(RW)，隨機區組排列，3次重復，共18個小區。每小區面積28.8 m2(8.0 m×3.6 m)，均分為4廂共8個條帶，每個條帶寬1.0 m，長3.6 m。每條帶種植兩行，每行8窩，每窩2株，總計每小區128株，種植密度4.5萬株·hm-2。所有小區均基施復合肥225 kg·hm-2(含N15%、P2O515%、K2O 15%)，拔節期追施尿素450 kg·hm-2。其它田間管理措施同常規。

1.3 測定指標與方法

土樣采集時期為玉米拔節期(2014-05-08)、大喇叭口期(2014-06-04)、灌漿期(2014-07-06)、成熟期(2014-07-29)。采集時用土鉆在各處理區中分別按0～10、10～20 cm分層取樣，各處理區隨機采集5個樣點的土樣，去除作物根系、小石頭等雜物后，將每小區5個樣點同一土層的土樣混合均勻，用四分法取出足夠的樣品，將一部分土樣迅速裝入自封袋并置于冰盒內，帶回實驗室后存于4℃冰箱內，用于微生物量碳氮測定；另一部分于室溫下自然風干，研磨，過2 mm篩，用于土壤其他碳氮指標的測定。

用TOC-L總有機碳分析儀(島津-日本)測定土壤總有機碳(TOC)，高錳酸鉀氧化法[18]測定土壤易氧化有機碳(ROC)，六偏磷酸鈉分散法[19]測定顆粒有機碳(POC)；采用半微量凱氏定氮法[20]測定全氮(TN)；采用TOC-VCPH自動分析儀(島津，日本)[21]測定水溶性有機碳氮(DOC、DN)。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2013軟件進行數據處理并繪制圖表，用SPSS 17.0軟件對試驗所得數據進行方差分析、顯著性檢驗和相關分析。

2 結果和分析

2.1 保護性耕作對玉米田土壤有機碳組分的影響

2.1.1 保護性耕作對玉米田土壤總有機碳(TOC)含量的影響 由表2可知，各處理間玉米田土壤TOC含量在土層之間分布表現為0～10 cm>10～20 cm，同一生育期內TOC含量差異顯著，但是隨著時間的變化無明顯規律性。除拔節期外，FH始終顯著高于其他處理(P<0.05)。成熟期RT、FH、FW、RH、RW的TOC含量均顯著高于FT (P<0.05)，說明壟作、覆蓋處理對TOC的促進作用顯著，兩者結合對TOC含量能產生更大的促進作用。從移栽前到成熟期的土壤TOC含量變化來看，RT、RH、FW均表現為增加，其中以RH的增加幅度最大；而FT、FH、RW均表現為下降，說明壟作條件下過量的秸稈覆蓋會抑制土壤TOC含量的增加。

表2 不同處理下玉米田土壤總有機碳含量的比較/(g·kg-1)Table 2 Comparison of TOC content in maize field under different treatments

2.1.2 保護性耕作對玉米田土壤易氧化有機碳(ROC)、顆粒有機碳(POC)含量的影響 如圖2、圖3所示，玉米田土壤ROC、POC含量在土層之間的分布特征基本呈現為0～10 cm>10～20 cm，土壤ROC、POC含量隨時間的變化呈現較明顯規律，在大喇叭口期出現最低點。在0～10 cm土層中，成熟期時RT、RH、FW處理的ROC含量相較于移栽前增加較多，而RW處理的ROC含量減少，說明壟作和適當的秸稈覆蓋均有助于提升ROC含量，壟作條件下過量的秸稈覆蓋則不利于ROC含量的增加。成熟期時僅RH處理的POC含量顯著高于FT(P<0.05)，其它處理與FT無顯著差異甚至低于FT，說明POC含量對單一的壟作或者秸稈覆蓋的響應不靈敏，但是壟作+秸稈覆蓋有利于提高POC含量。10～20 cm土層的ROC、POC含量變化趨勢與0～10 cm土層基本一致。

同一生育期內，各處理間ROC、POC含量差異顯著，表現為：RH、RW>RT，FH、FW>FT。不同處理下的ROC與POC含量在大喇叭口期之前變化趨勢一致，而在灌漿期～成熟期RT、FH、RH處理的ROC含量表現為上升，POC含量表現為下降。從圖1可知，試驗年份的玉米灌漿期降雨量較大，說明在土壤水分充足時，RT、FH、RH可以促進POC轉化為ROC，有利于增加ROC、POC的存儲；而FT、FW、RW對兩者的相互轉化沒有明顯促進作用，說明FW和RW不利于POC轉化為ROC，對提高土壤有機碳的穩定性沒有明顯促進作用。

2.1.3 保護性耕作對玉米田土壤水溶性有機碳(DOC)含量的影響 如表3所示，玉米田土壤DOC含量無明顯土層分布規律，隨時間的動態變化規律表現為在大喇叭口期出現谷值。結合表1，整個生育期內各處理下玉米田土壤DOC的含量占TOC的比值介于24.0%～46.5%之間，且隨時間的變化表現為上升。0～10 cm土層中，有秸稈覆蓋的處理除RW外，DOC含量于灌漿期至成熟期基本呈現上升趨勢；無秸稈覆蓋處理的DOC含量在灌漿期至成熟期呈下降趨勢。10～20 cm土層中，RW的DOC含量始終顯著低于其它處理(P<0.05)。同一生育期內，各處理間DOC含量的差異無顯著規律性。與FT相比，RT、FH、RH從大喇叭口期開始表現出對DOC含量的顯著性增加作用。而FW對其沒有明顯作用，RW表現出減少作用。說明壟作和適量的秸稈覆蓋可以顯著增加土壤DOC含量，但是壟作條件下過量的覆蓋處理對土壤DOC含量表現出減少作用。

表3 不同處理下玉米田土壤水溶性有機碳含量的比較/(g·kg-1)

2.2 保護性耕作對玉米田土壤氮組分的影響

2.2.1 保護性耕作對玉米田土壤全氮(TN)含量的影響 由表4可見，玉米田土壤TN含量的變化規律與TOC含量基本一致，玉米田0～10 cm土層的TN含量始終高于10～20 cm土層，TN含量隨時間的變化無明顯規律。相較于移栽前，0～10 cm土層中各處理TN含量除FH和RW外均表現為上升。無秸稈覆蓋條件下，同一生育期內F處理的TN含量總體低于R處理；有秸稈覆蓋條件下，F處理的TN含量基本顯著高于R處理(P<0.05)，H處理和W處理的差異不顯著。成熟期玉米田0～10 cm土層中RT、FH、FW、RH處理的TN含量分別較FT顯著高出0.83%、15.42%、14.39%、17.29%(P<0.05)；RW的TN含量與FT差異不顯著。說明壟作和秸稈覆蓋處理均具有減少土壤氮組分流失的作用，兩者結合效果更優，但是壟作條件下過量的覆蓋處理未能表現出明顯作用。

2.2.2 保護性耕作對玉米田土壤水溶性氮(DN)含量的影響 由表5可知，玉米田土壤DN含量基本表現為0～10 cm土層高于10～20 cm土層，隨時間的變化呈現明顯規律性，在灌漿期出現最低點。結合表4，玉米田土壤DN含量占TN的比值介于19.9%～53.5%之間。相較于移栽前，成熟期玉米田土壤所有處理的DN含量在0～10 cm和10～20 cm土層中均表現為下降，且其它處理的下降趨勢顯著緩于FT處理(P<0.05)。同一生育期內各處理DN含量變化無規律性。整個生育期H、W處理的DN下降趨勢比T處理緩慢。DN的含量變化受降水量影響較大，根據圖1降雨量數據，灌漿期降雨量較大時，壟作與平作處理的DN含量無明顯差異，有秸稈覆蓋處理DN含量顯著低于無秸稈覆蓋處理；其它時期降雨量較小，壟作的DN含量顯著高于平作，有秸稈覆蓋處理DN含量顯著高于無秸稈覆蓋處理。

表4 不同處理下玉米田土壤全氮含量的比較/(g·kg-1)

表5 不同處理下玉米田土壤水溶性氮含量的比較/(g·kg-1)

2.3 保護性耕作對玉米產量的影響

根據圖4數據，各處理玉米產量在5 000～9 000 kg·hm-2。不同處理間玉米產量差異顯著(P<0.05)，表現為秸稈覆蓋處理下的玉米產量均顯著高于無秸稈覆蓋處理，且全量覆蓋的增產幅度較半量覆蓋更大。FT產量略高于RT但差異不顯著(P<0.05)，說明壟作對玉米沒有明顯的增產作用。FW產量大于RW但差異不顯著(P<0.05)，說明壟作與秸稈覆蓋對產量的提升未能產生明顯的互作效應。

2.4 土壤有機碳、氮組分的相關性分析

根據表6可知，土壤有機碳、氮組分之間存在正相關性。TOC、ROC、POC、TN之間呈極顯著正相關(P<0.01)關系，說明土壤活性有機碳含量的動態變化來表征土壤總有機碳含量，土壤有機碳組分與氮組分的變化規律相近，碳氮組分間存在耦合關系。DOC、DN之間呈正相關性，但是與其他碳氮組分之間均無顯著相關性，說明DOC、DN之間均有內在聯系，兩者的動態變化規律與其它碳氮組分之間存在差別。玉米產量與TOC、POC、ROC呈極顯著正相關(P<0.01)，說明三種土壤活性有機碳組分含量的增加對玉米產量有顯著促進作用；玉米產量與DOC無顯著相關性，說明土壤DOC含量對玉米產量無顯著影響。

表6 玉米農田土壤有機碳、氮組分間的相關系數

3 討 論

土壤有機碳與土壤理化性質、生物學特性等密切相關，是衡量土壤肥力的重要指標[18,22]。通常情況下，難以通過短期的研究監測土壤中元素的變化趨勢，其數量和質量的動態主要通過其活性部分的變化來表現，所以通常用活性有機碳的變化來表征有機碳的動態特征。土壤活性有機碳常用易氧化有機碳、顆粒有機碳和水溶性碳等來指示[23]。土壤全氮包括有機和無機氮素，是所有形態的氮素含量之和，是土壤向植物供應有效氮素的源和庫[24]。

3.1 土壤碳組分的土層分布及動態變化特征

在土層分布特征上，本研究中土壤有機碳組分基本表現為隨著深度的增加而降低，各處理有機碳含量在土層分布中基本呈現0～10 cm>10～20 cm的特征，與魏燕華等[25]的試驗結果一致。樂麗鑫[26]研究發現，與翻耕處理相比，免耕秸稈還田處理對0～5 cm土層的有機碳組分影響顯著，對5～15 cm以及15～30 cm土層的有機碳組分影響不顯著。

在土壤動態變化特征上，本研究中ROC與TOC、POC的含量變化規律基本一致，但TOC含量在各處理之間差異不顯著。王琳等[27]通過研究發現，ROC對不同耕作措施的響應比TOC更靈敏。易氧化有機碳含量占總有機碳的比例可以表征土壤有機碳的穩定性[28]，本試驗結果表明，RT、FH、RH在降雨較大時可以促進POC轉化為ROC，其它處理無明顯作用，說明壟作+適量秸稈覆蓋在降雨較大時可以提高土壤有機碳的穩定性，減少強降雨帶來的有機碳損失，Fontaine[29]等的研究印證了這一結果；而平作和過量的秸稈覆蓋均不利于土壤有機碳穩定性的提高，說明秸稈覆蓋量并不是越多越好。這與張靜[30]的研究結果一致。土壤DOC含量無明顯規律性，Zsolnay等[31]通過研究發現，在降雨量特別少的年份采集的土壤樣品中的DOC含量較其它年份增加約33%。本試驗中土壤DOC含量無明顯規律可能是玉米生育期內降雨量不穩定，土壤水分含量變化導致的[32]。

3.2 土壤氮組分的土層分布及動態變化特征

在土層分布特征上，氮組分與碳組分的分布規律相似，基本表現為0～10 cm>10～20 cm。郭亞飛等[4]通過長期定位試驗發現壟作對0～10 cm土層的土壤全氮含量具有顯著影響，本研究結果再次驗證了這一觀點，保護性耕作可以顯著改善土壤表層的有機碳含量，對深層土壤的影響不顯著。羅珠珠等[33]在黃土高原西部旱農區進行的保護性耕作研究表明，秸稈還田能顯著提高0～10 cm土層的TN含量，對更深層土壤的TN含量無明顯影響，與本試驗的結果表現一致。

在土壤氮組分的動態變化特征上，TN、DN含量在整個玉米生育期內基本表現為下降，但是隨時間的變化無明顯動態規律。范如芹等[3]發現秸稈還田下的壟作可以促進TN含量的提高，郭亞飛等[4]提出保護性耕作對土壤TN的影響在10 a以上才能出現明顯差異。因此，各處理下TN含量隨時間的動態變化特征有待進一步驗證。

張宇等[34]研究表明，在旱地土壤上采用秸稈覆蓋+廂溝種植大豆可以有效減少地表徑流水中的TN、DN等氮素含量，降低氮素流失量。結合本試驗結果，成熟期玉米田土壤比移栽前RH對TN影響最大，RW對DN影響最大，說明壟作+秸稈覆蓋處理可以有效減緩土壤氮素的流失。

3.3 土壤碳氮組分及玉米產量的耦合特征

各處理TOC、TN含量沒有表現出明顯規律性，但是ROC、POC、DN具有一定規律性，說明土壤活性有機碳、氮對各處理的響應更加敏感。根據相關性分析TOC與ROC、POC極顯著相關(P<0.01)，說明可以用土壤活性有機碳含量的動態變化來表征土壤總有機碳含量。TOC與TN極顯著相關(P<0.01)，各處理下兩者的變化趨勢基本一致，說明土壤碳氮組分間存在相互轉化和聯系。王小利等[35]研究發現，土壤碳氮之間存在一定的耦合關系，相互促進、相互抑制，印證了本試驗的結果。胡玉福等[36]通過對4種不同的土地利用方式的對比試驗發現DOC與TOC之間呈極顯著正相關關系，但本試驗通過相關性分析發現，DOC與TOC之間無顯著相關性，可能是降雨量導致DOC變化不穩定造成的，其與TOC之間的耦合關系有待進一步控制條件試驗求證。

此外，RW對土壤有機碳氮普遍表現為作用不明顯，根據2014年重慶市降雨數據，ROC、POC、DOC、DN含量均在降雨量驟升的大喇叭口期-灌漿期出現轉折。熊瑛等的試驗結果[37-38]表明，壟作會降低土壤表層水分，過量的秸稈覆蓋會在降雨較弱時阻隔水分自地表滲入[39]，導致土壤儲水量下降。說明壟作條件下過量的覆蓋可能不利于土壤水分的增加，從而降低覆蓋處理對土壤有機碳、氮組分的促進作用。

本研究中玉米產量表現說明壟作+秸稈覆蓋對玉米能產生顯著增產效應，這與肖厚軍等[40]的研究結果一致。RW和FW的增產幅度均高于其它處理，結合土壤有機碳、氮含量表現，說明土壤碳組分含量的增加對玉米產量有顯著促進作用。RW、FW處理下土壤有機碳、氮組分含量變低也可能是全量秸稈覆蓋下土壤中碳氮養分向植株過量輸送轉移導致的。玉米產量、土壤水分與土壤有機碳、氮組分之間的聯系機制還有待進一步研究驗證。

4 結 論

基于以上大田試驗綜合分析，可得出以下結論：

(1)土壤有機碳、全氮組分的土層分布特征均表現為0～10 cm>10～20 cm，土壤表層的有機碳、氮組分對壟作和秸稈覆蓋的響應較土壤亞表層更靈敏。

(2)不同的有機碳、氮組分對各處理的響應規律有所不同，壟作較平作、秸稈覆蓋較無秸稈覆蓋更有利于提升土壤有機碳含量和減少土壤氮含量的損失。所有處理中，壟作+半量秸稈覆蓋的增碳作用和減少氮素流失效果最好。

(3)秸稈覆蓋具有顯著增產效應，而壟作對增產沒有明顯作用。

(4)玉米產量與土壤有機碳、氮之間存在正相關關系，且土壤總有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳含量的增加對玉米增產有顯著促進作用。

從土壤增碳效應的角度出發，為維持農田持續耕作的能力、提高土壤肥力和有機碳含量、減少氮素流失，在西南旱地玉米生產中，以壟作+半量秸稈覆蓋(覆蓋3 750 kg·hm-2蠶豆秸稈)的保護性耕作措施為宜。