秸稈覆蓋深松對夏玉米田土壤有機碳庫的影響

郭書亞 尚 賞 王 坤 付國占 盧廣遠

（1商丘市農林科學院，476000，河南商丘；2北京聯創種業有限公司，100018，北京；3河南科技大學農學院，471003，河南洛陽）

隨著全球氣候變化引發的社會問題日益突出，人們越來越關注糧食生產中的碳循環對環境和氣候的影響。耕作措施對農田碳素轉化的影響成為研究熱點[1]。耕作使土壤團聚體破碎，導致土壤有機碳物理保護層破壞，使有機碳暴露于微生物下而被分解，造成在耕種條件下土壤有機碳下降[2-3]；耕作的機械擾動還會通過土壤呼吸造成碳損耗，使土壤中大量的碳釋放到大氣中，加重溫室效應。因此，需要合理的農業耕作措施來減少土壤有機質的礦化分解，增加土壤中的碳儲量，減少碳排放。保護性耕作是保障糧食安全、保護資源與環境的綜合性和可持續的農業生產體系[4]，能夠增加農業生產的經濟、生態和社會效益，使農田生態系統中土壤有機碳含量提高，減少CO2向大氣中的釋放[5]，改善日益惡化的生態環境，因此，保護性耕作受到了國內外學者的重視[6-8]。作為反映碳循環、土壤質量和土壤健康的指標，土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）是國內外學者開展研究的重點。隨著工作的逐步拓展和深入，不少學者發現，雖然土壤活性有機碳（AOC）含量較小，但由于它是SOC中活性最強的部分，往往比 SOC對影響因素的響應更加敏感[9]，在農業可持續發展的系統研究中，探討AOC對保護性耕作措施的響應具有重要意義。易氧化有機碳（readily oxidizable carbon，ROC）和溶解性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）是 AOC的重要指標。因此，本文將它們作為AOC的指標來判定不同耕作措施對SOC含量的影響。

國內外對保護性耕作下 SOC的研究主要集中在降雨較少的旱作區，而在降水較多的豫南雨養區研究則較少。為此，本研究在河南省西平縣盆堯鄉開展保護性耕作試驗，探討不同保護性耕作方式對農田SOC含量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2007-2009年10月在河南省西平縣盆堯鄉于營村（114°00′ E，33°23′ N）進行。試驗地年降水量850～980mm，屬溫帶季風氣候區，位于豫南雨養區，是河南省糧食主產區，光熱水資源豐富，土壤肥力水平較低，生產條件較差，降水充足，但時空分布不均，季節性旱澇和病蟲等災害發生頻繁。

1.2 試驗設計

設秸稈覆蓋和基本土壤耕作模式2個因素，秸稈覆蓋設覆蓋（M）與不覆蓋（NM）2種處理，秸稈覆蓋為上季小麥收獲后收集殘留物全部覆蓋，基本土壤耕作模式設深松（SS）和免耕（NT），共有深松覆蓋（SS+M）、免耕覆蓋（NT+M）、深松不蓋（SS+NM）和免耕不蓋（NT+NM）4個處理組合。采用裂區設計，以土壤耕作模式為主區，秸稈覆蓋為副區。采用大區試驗，每區面積160m2，重復3次。供試品種為鄭單958，種植密度60 000株/hm2。從2007年開始，3年重復定點試驗，玉米收獲后秸稈還田，小麥免耕播種。2009年玉米季測定連續3年處理后土壤SOC、ROC和DOC的含量。

1.3 土樣采集

分別于2009年玉米播種前、拔節期、開花期、花后15d、花后30d和花后45d取樣。在各小區內取0～5、5～10、10～20、20～30、30～40cm土層的土樣，每個樣品均為多點采集混合而成，去除石礫和根系，然后用四分法留取足夠的樣品，風干過篩備用。

1.4 指標測定

采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測定SOC含量。用稀鹽溶液0.5mol/L K2SO4提取，土水比為1:1.5，振蕩30min，采用重鉻酸鉀氧化滴定法測定土壤DOC含量。采用333mmol/L的高錳酸鉀氧化法測定土壤ROC含量。

1.5 數據處理

采用Excel 2003處理試驗數據，采用DPS 6.55軟件進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋深松對SOC含量的影響

由表1可以看出，玉米不同生育時期0～40cm土層SOC含量的動態變化。SOC在不同土層具有明顯規律性，各處理SOC都隨土層深度的增加而降低，表現為0～5＞5～10＞10～20＞20～30＞30～40cm。從生育時期來看，隨著生育進程的推移，SOC含量先升高后降低，在開花期達到最大值。在0～5和5～10cm土層，整個生育時期秸稈覆蓋（M）處理SOC含量均顯著大于秸稈不覆蓋（NM）處理，并且SS+M＞NT+M＞SS+NM＞NT+NM；從10～20cm土層開始，NT處理下SOC含量急劇下降，而SS處理下SOC含量下降較少，除個別時期外，SS處理SOC含量顯著大于NT處理，說明NT處理秸稈覆蓋于地表，土壤容重增大，土壤緊實，不利于有機碳進入土壤深層；在30～40cm土層，隨著生育進程的推移，免耕處理 SOC含量呈下降趨勢，而深松處理先升高后下降，說明深松能夠打破犁底層，進而影響土壤深層的SOC含量。

表1 不同處理SOC含量的動態變化Table 1 Dynamic changes of SOC contents under different treatments g/kg

2.2 秸稈覆蓋深松對土壤ROC含量的影響

從表2可以看出，各處理不同生育時期土壤ROC含量均隨土層深度的增加而減小。從不同生育時期來看，在土層0～30cm土壤ROC含量隨著生育進程的推移先升高后降低。在0～5cm土層，SS+M和NT+M處理的土壤ROC含量顯著大于SS+NM和NT+NM處理，SS+NM處理除花后15d外，均與NT+M差異顯著；在0～10cm土層ROC含量變化和0～5cm土層基本一致。在10～20cm土層，免耕處理下土壤ROC含量下降劇烈，在各個時期表現為SS+M＞SS+NM＞NT+M＞NT+NM，從花后15d以后SS+M、SS+NM處理顯著高于NT+M、NT+NM處理，SS+M和SS+NM處理差異也顯著；在20～30cm和30～40cm土層NT+M和NT+NM處理下土壤ROC處于較低水平，在整個生育時期變化不大，而SS+M和SS+NM處理下土壤ROC含量較高，顯著大于NT處理。

表2 不處理土壤ROC含量的動態變化Table 2 Dynamic changes of soil ROC contents under different treatments g/kg

2.3 秸稈覆蓋深松對土壤DOC含量的影響

從表3可以看出，土壤DOC含量隨著土層增加而降低。從整個生育時期來看，除30～40cm土層外，土壤DOC含量隨著生育進程的推移先升高后降低，開花期達到最大值。在0～5、5～10cm土層DOC含量SS+M＞NT+M＞SS+NM＞NT+NM，SS+M處理顯著高于SS+NM和NT+NM處理，NT+M處理顯著高于NT+NM處理；從10～20cm土層開始，NT處理下土壤DOC含量下降迅速，表現為SS+M＞SS+NM＞NT+M＞NT+NM，除個別時期，SS+M和SS+NM處理顯著高于NT+M和NT+NM處理。在30～40cm土層，NT處理在各個時期變化很少，甚至逐漸下降，而SS處理變化較大，并且除拔節期，SS+M處理顯著大于其他處理。

表3 不同處理土壤DOC含量的動態變化Table 3 Dynamic changes of soil DOC contents under different treatments mg/kg

2.4 土壤ROC、DOC與SOC的相關性分析

對土壤活性有機碳與土壤有機碳進行相關性分析（表4），可以看出，除開花期10～20cm土層ROC含量與SOC含量相關性不顯著之外，其他土層各生育時期土壤ROC和DOC含量與SOC含量均達到顯著或極顯著相關。這說明土壤ROC和DOC含量很大程度上與SOC的儲量相關。

表4 土壤ROC、DOC含量與SOC含量之間的相關關系Table 4 Correlation between ROC, DOC contents and SOC content

3 討論

關于秸稈覆蓋、深松和免耕等保護性耕作措施對 SOC含量的影響已有大量研究[10-13]，少耕免耕和深松由于少動土、不動土，土壤接觸空氣少，土壤有機質的氧化和礦化減弱，覆蓋表層的秸稈經降解使歸還土壤的有機碳增加[14-15]。因此，免耕和深松可不同程度增加SOC儲量。研究[5,11]表明，免耕處理下能夠增加土壤表層的有機碳含量。殷文等[16]研究指出，免耕覆蓋能夠提高 SOC含量。楊思存等[17]研究表明，連續免耕顯著增加了0～40cm土層SOC和有機碳儲量，連續深松也有較好的固碳效果，僅次于連續免耕。王彩霞等[18]研究指出，深松有利于有機碳的積累。張博文等[19]研究表明，連續深松能提高0～10cm土層SOC轉化效率和土壤深層SOC含量。張潔等[20]研究表明，在0～20cm耕層，深松對有機碳的增加效應優于免耕，并且深松覆蓋耕作下有機碳含量最高，比傳統耕作增加了13.82%。王旭東等[21]研究指出，與翻耕相比，深松和免耕措施增加了0～10cm表層土壤有機碳、微生物量碳、水溶性碳的含量和儲量。田效琴等[22]研究表明，秸稈覆蓋較無秸稈覆蓋有利于土壤總有機碳、土壤全氮、活性有機碳和顆粒有機碳含量的提升。呂瑞珍等[23]研究指出，旋耕覆蓋和深松覆蓋有利于0～40cm土層SOC含量的積累，并且免耕覆蓋能夠顯著提高表層AOC含量占總有機碳比例，深松覆蓋和旋耕覆蓋則有利于耕層AOC含量占總有機碳的比率的提高。傅敏等[24]研究指出，與旋耕和秸稈不還田處理相比，深松耕作和秸稈還田處理的平均有機碳含量分別顯著提高30.6%和33.2%。Alvarez等[7]研究表明，60%的有機碳存儲在0～20cm的耕作層，免耕處理比傳統處理固碳量增加20%，其中在0～5cm深度，免耕處理的土壤有機碳含量比其他傳統處理高 42%～50%。劉鵬程等[25]在對水稻高留茬還田進行研究時發現，高留茬與對照相比，土壤有機質含量明顯增加，在增加的有機質中，易氧化有機質所占比例為77%。由于增加的有機質主要是易氧化有機質，從而造成了土壤有機質氧化穩定系數下降，土壤有機質的化學性質增強，老化程度降低，同時還有助于增強土壤養分供應。張婧等[26]在隴中黃土高原半干旱區的豌豆–小麥–豌豆和小麥–豌豆–小麥輪作系統的長期定位試驗研究表明，免耕秸稈覆蓋和免耕不蓋有利于表層土壤有機碳的積累，而不利于深層土壤有機碳的積累。

但也有人研究得出不一致的結論，賀美等[27]研究指出，單純改變深松深度會顯著降低土壤AOC含量。劉平奇等[28]研究表明，單獨深松處理不利于有機碳的積累，深松秸稈還田處理有利于碳的積累。田慎重等[29]研究表明，長期旋耕轉變為深松和秸稈還田提高了 SOC含量的同時，顯著降低了有機碳中的AOC組分。韋安培等[30]研究表明，在0～15cm土層深松秸稈還田SOC含量最高，顯著高于其他處理，深松處理顯著高于翻耕和旋耕 16.35%和14.06%，而在15～30cm土層，常規翻耕SOC含量顯著高于深松13.41%。朱長偉等[31]研究表明，深松對玉米田表層 SOC含量影響不明顯，但顯著提高了深層SOC含量。

本研究結果表明，在0～5和5～10cm土層，不同處理下SOC、ROC和DOC含量表現為SS+M＞NT+M＞SS+NM＞NT+NM，秸稈覆蓋處理顯著大于秸稈不覆蓋處理；在10～20cm土層以下，表現為SS+M＞SS+NM＞NT+M＞NT+NM，深松處理大于免耕處理。說明在土壤表層，由于秸稈覆蓋地表因此能夠增加SOC、ROC和DOC的含量。由于連續3年試驗，免耕處理在 10～20cm土層以下容重增加，土壤緊實，不利于上層土壤進入土壤深層，造成深層 SOC等含量下降，而深松在不破壞表土層的基礎上打破犁底層，有利于玉米根系的生長，根系殘茬及大量的根系分泌物也促進了微生物的增加，從而提高SOC、ROC和DOC含量。

4 結論

通過連續3年定位試驗表明，4種耕作模式下，SOC、ROC和DOC含量均隨著土層的加深而降低；在0～5和5～10cm土層，秸稈覆蓋處理下SOC、ROC和DOC含量高于不覆蓋處理的，表現為深松覆蓋＞免耕覆蓋＞深松不蓋＞免耕不蓋；而從10～20cm土層以下，免耕處理下SOC、ROC和DOC含量急劇下降，深松處理大于免耕處理。因此可以看出，連續免耕一段時間需要進行 1次深松，秸稈覆蓋深松是一種較好的保護性耕作措施，值得推廣。