春玉米秸稈還田對土壤碳組分及碳庫管理指數的影響

和江鵬 王雨晴 趙海超 王炯琪 李璠 黃智鴻 盧海博 劉子剛

摘要：為研究冀西北寒旱區不同秸稈還田方式對土壤碳素組分及碳庫管理指數（CPMI）的影響，采用秸稈還田翻耕、秸稈還田旋耕、大壟輪播秸稈還田3種春玉米秸稈還田方式，利用連續燒失法測定0～100 cm土層土壤各種碳組分，計算碳庫管理指數。結果表明，土壤總碳（TC）含量為60.89～111.27 g/kg，土壤有機碳（SOC）含量為33.04～56.16 g/kg，秸稈還田能顯著提高0～40 cm土層土壤碳素含量，其中秸稈還田旋耕下SOC含量增幅最大;土壤活性有機碳（ASOC）含量為1.60～10.09 g/kg，秸稈還田可以顯著提高0～40 cm土層ASOC含量，其中大壟輪播秸稈還田方式下ASOC含量的增幅最大。土壤CPMI為44.35～610.92，土壤碳庫活性指數（LI） 為0.55～4.71，秸稈還田可顯著提高0～40 cm土層的CPMI和LI，秸稈還田翻耕處理的20～40 cm土層增幅最大，秸稈還田旋耕對0～20 cm土層土壤的CPMI和LI提高幅度最大?？梢?，秸稈還田主要影響0～40 cm土層土壤碳素含量及CPMI，對深層的影響相對較小，秸稈還田后旋耕、翻耕和大壟輪播秸稈還田可以提高土壤有機碳活性，對于冀西北寒旱區采用大壟輪播秸稈還田方式更能夠發揮春玉米秸稈還田的固碳能力，促進春玉米農田可持續利用。

關鍵詞：秸稈還田;碳組分;碳庫管理指數;春玉米;冀西北寒旱區

中圖分類號： S153.6;S513.06? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）21-0224-07

收稿日期：2021-03-07

基金項目：河北省教育廳重大項目 （編號：ZD2019097）;河北省現代農業產業技術體系 （編號：HBCT2018020203）。

作者簡介：和江鵬（1997—），男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事農業資源與利用相關研究。E-mail：2429931150@qq.com。

通信作者：趙海超，博士，副教授，主要從事農業生態學相關研究。E-mail：haichaozhao19@163.com。

玉米秸稈還田是重要生態循環農業措施，其既能夠增加農田土壤碳庫，使外來能源進入土壤[1]，改變土壤結構[2]，又可以解決焚燒引起的環境污染問題，使秸稈得到利用[3]，防止資源浪費[1]，提升土壤固碳減排潛力[4]。玉米秸稈中含有大量營養物質，還田后能提高土壤有機碳含量，改善土壤肥力，改良環境[4]，增加微生物活性，進而改變農田土壤組分、化學組成[5]和有機碳活性及穩定性[1]，有利于土壤碳循環[6]。近年來，我國科學工作者研發了適應不同區域氣候特征的玉米秸稈還田模式，包括秸稈還田淺旋、秸稈地表覆蓋、秸稈還田翻壓等，研究表明不同模式的秸稈還田對土壤有機碳及碳庫管理指數的影響存在明顯差異[1，7]。

土壤碳素是影響土壤理化結構的重要指標，其中土壤有機碳（SOC）含量可以用來衡量土壤肥力和表征土壤質量[8]。土壤無機碳（SIC）主要是指土壤碳酸鹽，包括原生碳酸鹽和次生碳酸鹽，在全球碳循環中具有重要作用[9]，研究土壤無機碳含量的變化對于干旱-半干旱地區的碳固持對環境變化的響應有重要意義[10]。土壤有機碳不同組分對土壤理化性狀及肥力效應的作用存在差異，土壤活性有機碳（active soil organic carbon，簡稱ASOC）在有機碳總量中占比較小[11]，在土壤中循環速率快、有效性較高，但是穩定性比較差[12]，可以在短時間內降解[11]。土壤腐殖質碳（humus carbon，簡稱HC） 可直接作為微生物活動的能量來源，并參與土壤生物化學轉化和土壤養分循環[11]。土壤碳庫管理指數（carbon pool management index，簡稱CPMI）可以檢測土壤有機碳含量的動態變化，由此判斷土壤管理措施引起土壤有機質含量的增減情況 [13]，反映土壤有機碳及其組分的增減動態變化情況[1，4，14]。冀西北寒旱區氣候干旱少雨，冷涼低溫短季，農田土壤貧瘠[15]，農田土壤多為沙質栗鈣土[16]。亟須研究該區域秸稈還田技術對土壤碳素的影響，進而形成寒旱區春玉米農田保護性耕作措施。

1 材料與方法

1.1 研究區域與采樣

研究區域位于河北省西北張家口市蔚縣（114°13′～115°04′E，39°34′～40°10′N），屬暖溫帶大陸性季風氣候，夏季氣候涼爽﹑秋季氣候多變;年降水量在380.0～682.7 mm之間，平均氣溫在 6.8～7.6 ℃之間;也是我國典型的春玉米種植寒旱區，土壤類型為沙質栗鈣土。

1.2 秸稈還田方式

本試驗設計4個處理：秸稈還田翻耕（JF）處理，玉米收獲后全部秸稈粉碎覆蓋地表，播種前進行深翻（深度為20～25 cm）;秸稈還田旋耕（JX）處理，玉米收獲后全部秸稈粉碎覆蓋地表，播種前進行淺旋耕（深度為10～12 cm）;大壟輪播秸稈還田（JL）處理，玉米收獲后全部秸稈粉碎還田，采用高起壟（壟高20 cm，壟距60 cm）播種，第2年在上一年壟背開溝起壟種植，依次輪換位置開溝起壟種植（圖1）;以秸稈不還田作對照（CK）。每個處理種植面積為 0.33 hm2，連續種植2年，2017年、2018年10月進行秸稈還田，2018年、2019年5月3日播種，玉米品種為誠信16號，春季隨播種施入玉米專用肥 50 kg/0.067 hm2，壟距60 cm，株距32 cm，株數為 233.33株/hm2。在2019年9月利用全球定位系統（GPS）定位，選擇3個樣方，每個樣方4 m2，樣方按“S”形采樣法收取5個點的土壤，每個樣點采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層土壤。處理好采集的土樣，置于塑封袋中帶回實驗室，測定土壤的各種碳組分的含量。不同處理理化指標如表1所示。

1.3 樣品測定與方法

1.3.1 土壤活性有機碳含量的測定 取一定量的白金坩堝分別稱質量并標上編號，分別稱取干燥土壤樣品2 g左右依次倒入白金坩堝中，然后將白金坩堝依次放入馬弗爐中，設置溫度為180 ℃并灼燒2 h，灼燒完畢后等馬弗爐內溫度冷卻至室溫，取出白金坩堝后立即用天平稱質量，再放入馬弗爐中在 180 ℃ 灼燒30 min，冷卻，稱質量，重復至恒質量。燒失量（LOI180，即土壤與白金坩堝原質量與灼燒后土壤與白金坩堝質量的差值）即為活性有機碳量。

1.3.2 土壤腐殖質碳含量的測定 將“1.3.1”節中灼燒后的土壤與白金坩堝，依次放入馬弗爐中，設置溫度為375 ℃并灼燒18 h，灼燒完畢后等馬弗爐內溫度冷卻至室溫，取出白金坩堝后立即用天平稱質量，再放入馬弗爐中在180 ℃灼燒30 min，冷卻，稱質量，重復至恒質量。燒失量（LOI375- LOI180）即為腐殖質碳量。

1.3.3 土壤有機碳含量的測定 將“1.3.2”節中灼燒后的土壤與白金坩堝，依次放入馬弗爐中設置溫度為 550 ℃ 并灼燒6 h，灼燒完畢后等馬弗爐內溫度冷卻至室溫，取出白金坩堝后立即用天平稱質量，再放入馬弗爐中在550 ℃灼燒30 min，冷卻，稱質量，重復至恒質量。燒失量（LOI550）即為土壤有機碳含量，LOI550與LOI375的差值即為黑碳（BC）含量。

1.3.4 土壤無機碳和總碳（TC）含量的測定 將“1.3.3”節中灼燒后的土壤與白金坩堝，依次放入馬弗爐中設置溫度為950 ℃并灼燒4 h，灼燒完畢后等馬弗爐內溫度冷卻至室溫，取出白金坩堝后立即用天平稱質量，再放入馬弗爐中在950 ℃灼燒 30 min，冷卻，稱質量，重復至恒質量。燒失量（LOI950）即為土壤碳含量，燒失量LOI950與LOI550的差值即為無機碳量。

1.4 計算公式及數據分析

本試驗以秸稈不還田的土壤作為參考土壤，則碳庫管理指數的計算公式如下：

碳庫指數（CPI）=樣品中總有機碳含量/參考土壤總有機碳含量;

碳庫活度（L）=樣品中活性有機碳含量/非活性有機碳含量;

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（CPMI）=碳庫指數（CPI）×碳庫活度指數（LI）×100。

數據和制圖均采用Excel 2003處理，采用SPSS 17.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對土壤碳組分含量的影響

如圖2所示，不同秸稈還田方式土壤TC含量在60.89～111.27 g/kg之間，80～100 cm土層TC含量大小順序為JX>CK>JF>JL，隨著深度的增加JF、JL、JX處理的TC含量呈波動型上升趨勢。在 0～40 cm土層，各種秸稈還田方式處理TC含量顯著高于CK，在40～80 cm土層，各模式秸稈還田土壤TC含量均低于CK。不同秸稈還田方式土壤SOC含量在33.04～56.16 g/kg之間，80～100 cm土層SOC含量大小順序為JX>JF>CK>JL，隨著深度的增加各處理土壤SOC含量呈波動型上升趨勢;在0～40、80～100 cm土層，JF、JX的土壤SOC含量顯著高于CK;在40～60 cm土層，JF、JX與CK無顯著差異;在 60～80 cm土層，各種秸稈還田方式處理SOC含量顯著低于CK。不同秸稈還田方式土壤SIC含量在 27.85～55.70 g/kg之間，80～100 cm土層SIC含量大小順序為JX>CK>JF>JL;在0～20 cm土層，JF與JL土壤SIC含量顯著高于CK;在20～40 cm土層，各秸稈還田土壤SIC顯著高于CK;在40～60 cm土層，CK、JX、JF的土壤SIC含量無顯著差異，但均顯著高于JL;在60～100 cm土層，JX與CK土壤SIC含量無顯著差異，JF與JL的土壤SIC含量均顯著低于JX。表明春玉米秸稈還田能顯著提高0～40 cm土層土壤TC、SOC和SIC含量，其中JF、JX對TC、SOC含量的增加作用高于JL。

2.2 秸稈還田對土壤有機碳組分含量的影響

如圖3所示，不同秸稈還田方式土壤ASOC含量在1.60～10.09 g/kg之間，隨著土層深度的增加，JF、JL、JX的ASOC含量總體呈下降趨勢。在 0～40 cm土層，各處理土壤ASOC含量均顯著高于CK，可見秸稈還田能增加土壤ASOC含量;在40～60 cm土層，JF的土壤ASOC含量顯著高于其他處理;在60～80 cm 土層，JF的土壤ASOC含量最高，JX與JL的土壤ASOC含量顯著低于CK;在80～100 cm土層，JF、JX比CK分別提高了60%、67%，JL與CK無顯著差異。不同秸稈還田方式土壤HC含量在8.57～12.71 g/kg之間，隨著土層深度的增加，HC含量均呈先下降后上升趨勢;在0～20、40～80 cm土層，各處理的HC含量無顯著差異;在20～40 cm土層，JF、JL的土壤HC含量顯著低于CK;在80～100 cm土層，JF、JX、JL比CK分別提高了21%、30%、18%。不同秸稈還田方式土壤BC含量在19.59～37.16 g/kg之間，隨著土層深度的增加，BC含量整體均呈上升趨勢;在0～60 cm土層，各處理土壤BC含量無顯著差異;在60～80 cm土層，各處理BC含量顯著低于CK;在80～100 cm土層，JX的土壤BC含量顯著高于JL，所有處理與CK無顯著差異。綜上所述，秸稈還田能夠顯著提高0～40 cm 土層土壤ASOC含量，大壟輪播秸稈還田增幅低于還田后旋耕、翻耕處理;大壟輪播秸稈還田有利于提高0～20 cm土層土壤HC含量，降低土壤BC含量。

2.3 秸稈還田對土壤碳庫管理指數的影響

如表2所示，以CK為參考，不同秸稈還田方式的LI在0.55～4.71之間，隨著土層深度的增加各處理的LI呈先增加后降低趨勢，且均在20～40 cm土層時最大。CPMI在44.35～610.92之間，隨著土層深度的增加各處理的CPMI整體上呈先增加后降低的趨勢，且在20～40 cm土層時最大，在0～40 cm土層，各處理CPMI均高于CK;在40～60 cm土層，JF比CK的CPMI提高了121.42%;在60～80 cm土層，JL、JX比CK分別降低了30.27%、55.65%;在80～100 cm土層，各處理的CPMI均高于CK。以CK為參考，不同秸稈還田方式的CPI在0.69～1.31之間，隨著土層深度的增加各處理的CPI呈先增加后降低趨勢，在0～40 cm土層，各處理的CPI均高于CK;在40～80 cm土層，各處理的CPI均低于CK，且JL的最低，在80～100 cm，JF與JX的CPI高于CK，JL的CPI低于CK。綜上所述，秸稈還田能夠明顯提高0～40 cm土層的CPMI和LI，進而提高土壤中有機碳的活性，增加土壤供肥能力，特別是可提高20～40 cm 土層有機碳活性，0～20 cm大壟輪播秸稈還田處理對CPMI和LI的增加作用低于秸稈還田后旋耕和翻耕。

3 討論

3.1 寒旱區春玉米秸稈還田對碳組分影響機制

作物秸稈中含有碳元素，經過人工耕作進入土壤，同時秸稈還田通過對土壤微生物群落的調節，進而影響土壤碳素形態，不同秸稈還田方式可以通過影響春玉米秸稈的數量、組成及其分解方式，引起有機碳含量的不同[12]。前人研究得出秸稈還田可以提高SOC含量[17-18]，本試驗結果與之一致。秸稈中無機碳含量較低，主要是通過影響微生物活動，間接影響土壤SIC含量，本試驗結果表明秸稈還田會增加0～40 cm土壤無機碳含量，這與曾駿等單施秸稈不會增加土壤無機碳含量的研究結果[19]不同，研究區域氣溫低降水量少是典型的寒旱區，且該區域土壤貧瘠土壤微生物活動較弱，由于秸稈以及根茬、凋落物等進入土壤，促進微生物活動，使微生物分解作用增強，進而在一定作用下促進土壤的有機碳向無機碳轉化，對大氣中的CO2吸附固定，不同秸稈還田方式能夠通過影響土壤有機碳-無機碳轉化過程而改變土壤對大氣CO2的截存潛力。一些人為因素如灌溉、耕作、施肥等使得無機碳向深層轉移，使農田深層無機碳含量高于淺層，這與張旭博等對不同深度的農田土壤無機碳深層含量高于淺層的研究結果[10]一致。

土壤活性有機碳對環境變化比較敏感，尤其是對土地利用方式的變化，與土壤內各種生物化學反應有關[20]，對于寒旱區農田土壤活性有機碳是評估土壤碳庫變化的敏感指標[21]，土壤活性有機碳只占土壤總有機碳一部分，但對于保持土壤營養及提高土壤碳含量方面有關鍵意義[20，22]。本試驗中秸稈還田可以顯著提高0～40 cm土層活性有機碳含量，這是由于玉米凋落物和玉米秸稈還田可以補充活性有機碳的消耗，這與陳高起等的研究結果[23]一致。秸稈還田翻耕有機碳含量高于其他2種秸稈還田方式，是因為翻耕過程使秸稈進入土壤中，促進秸稈腐解，進而增加深層土壤SOC、ASOC和HC含量，這與朱浩宇等的研究結果[12]一致。而大壟輪播秸稈還田方式，將秸稈翻壓入壟背表層土壤中，同時有利于增加土壤溫度，因此促進表層（0～20 cm）土壤ASOC和HC含量。秸稈還田后旋耕使秸稈與表層土壤充分混合，促進秸稈腐解，使表層土壤SOC和TC含量較高，但由于寒旱區表層土壤溫濕度低，不利于秸稈進一步腐解，使表層土壤ASOC和HC含量低于大壟輪播處理。

3.2 寒旱區春玉米秸稈還田對土壤碳庫管理指數的影響機制

土壤CPI、CI、CPMI是一組相互關聯的指標，通過CPMI和LI這2個指標可以展現出耕作方式對土壤養分、土壤碳庫增減情況的影響[24]，并且可以反映土壤活性有機碳和總有機碳的動態變化，進而反映玉米秸稈進入土壤后土壤治理的難易情況[24]。前人的試驗證明，土壤碳庫管理指數與秸稈還田等措施關系密切，并且秸稈還田可提高土壤碳庫管理指數[4，25-26]，這與本試驗的結果一致。本研究中不同秸稈還田方式均可明顯提高0～40 cm土層土壤CPMI和LI，玉米秸稈還田能夠影響土壤的含水量、溫度，有利于微生物的活動和秸稈降解[27]，進而影響土壤SOC及ASOC含量。但不同春玉米秸稈還田方式對CPMI和LI的影響存在差異，秸稈還田旋耕對土壤表層的提高最明顯，秸稈還田翻耕對20～40 cm土層的提高作用最明顯，旋耕主要使秸稈在 0～20 cm土層與土壤混勻，翻耕使秸稈深埋在20～40 cm土層，進而影響不同層次土壤的CPMI和LI，這與李碩等對小麥秸稈的研究結果[27]一致。大壟輪播秸稈還田方式相比秸稈還田后旋耕和翻耕土壤的CPMI和LI增幅較小，主要是因為大壟輪播會減少秸稈的破碎，有利于秸稈還田對土壤各種碳素的累積，同時也減少機械的投入及土壤表層的擾動。相對冀西北寒旱區春季土壤風蝕比較嚴重的條件，該區域推廣春玉米大壟輪播秸稈還田技術，既能夠最大效率地增加秸稈還田對土壤有機碳的貢獻，又能提高土壤ASOC含量及土壤供肥能力，進而達到培肥土壤的農田可持續發展。

4 結論

冀西北寒旱區春玉米不同模式秸稈還田土壤TC含量在60.89～111.27 g/kg之間，SOC含量在33.04～56.16 g/kg之間，不同模式秸稈還田可以顯著提高0～40 cm深度土壤的碳素含量，大壟輪播秸稈還田方式增幅低于秸稈還田翻耕、秸稈還田旋耕。

冀西北寒旱區春玉米秸稈還田土壤ASOC含量在1.60～10.09 g/kg之間，HC含量在8.57～12.71 g/kg 之間，秸稈還田可以顯著增加0～40 cm土壤ASOC含量，使0～20 cm土層土壤腐殖質碳含量提高12.5%～15.5%，大壟輪播秸稈還田方式比秸稈還田旋耕和翻耕對ASOC含量的提高幅度大。

冀西北寒旱區春玉米不同模式秸稈還田土壤CPMI在44.35～610.92之間，秸稈還田可提高 0～40 cm土層的LI和CPMI，秸稈還田旋耕和翻耕對土壤CPMI和LI的提高幅度大于大壟輪播秸稈還田方式。對于冀西北寒旱區采用大壟輪播秸稈還田方式更能夠發揮春玉米秸稈還田的固碳能力，促進春玉米農田可持續利用。

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