不同耕作方式下秸秆还田对土壤活性有机碳的影响

周欢，蔡立群,3，张仁陟,3，董博,3，孙成胜高小龙

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州　730070；2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州　730070；

3.甘肃省节水农业工程技术研究中心，甘肃 兰州　730070)



不同耕作方式下秸秆还田对土壤活性有机碳的影响

周欢1,2，蔡立群1,2,3，张仁陟1,2,3，董博1,2,3，孙成胜1,2高小龙1,2

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州730070；

3.甘肃省节水农业工程技术研究中心，甘肃 兰州730070)

摘要：针对黄土高原雨养农业区干旱逆境下农田土壤有机碳累积、矿化的平衡点低等问题，探索了不同耕作方式下秸秆还田对土壤有机碳的影响.采用埋袋法研究了传统耕作不还田(T)、传统耕作秸秆还田(TS)、免耕秸秆覆盖(NTS)、传统耕作秸秆还田加薄膜覆盖(TPS)4种耕作方式对土壤有机碳和活性碳组分含量的影响及其动态变化特征.结果表明：秸秆还田能显著增加土壤有机碳和活性有机碳含量；不同耕作方式下土壤有机碳和活性有机碳含量存在差异，其中土壤有机碳(SOC)含量为TPS>NTS>TS>T，水溶性有机碳含量(WSOC)为TS>TPS>NTS>T，易氧化有机碳(ROOC)含量为NTS>TS>TPS>T；秸秆还田一年内SOC、WSOC、ROOC含量整体呈减小趋势；90～180 d土壤有机碳在NTS减少幅度最大，达到9.18%，土壤水溶性有机碳TS减少最大；易氧化有机碳在180～270 d减少较多，其含量顺序为NTS>TS>TPS>T.

关键词：耕作措施；秸秆还田；易氧化有机碳；水溶性有机碳

Effect of straw returning on soil labile organic carbon

土壤有机碳的累积与转化直接或间接地影响着土壤水、肥、气、热条件，以及土壤生物化学过程及物质的吸收与释放，长期以来一直受到国内外土壤、植物营养及生态学者的广泛重视[1].土壤活性有机碳关系着土壤的有机质、矿物质和生物成分之间的平衡，能够实时实地的反应土壤的物理性质和肥力的变化.其中易氧化有机碳碳(ROOC)、水溶性有机碳(WSOC)等指标在指示土壤肥力动态变化方面比土壤总有机碳更加灵敏，虽然它只占有机碳的很小一部分，但是它在保持土壤肥力、改善土壤质量以及维持土壤碳库平衡等方面具有重要意义[2-3].

王应等[4]利用秸秆还田对农田土壤有机质的提升效果作了深入的探索，发现农作物秸秆还田是土壤有机质提升的重要途径之一,无论采用机械化直接还田技术，还是覆盖技术,都可达到蓄水保墒、增加肥力、提高农作物经济产量的良好效益.李君剑等[5]的研究结果表明，沙棘灌木林和乔木林在土壤物理化学特征和有机质含量方面均优于弃耕撂荒地，且表现出随季节而变化的特征.潘建军等[6]运用三库一级动力学理论，对我国典型区域土壤有机碳分解特征进行了研究，认为土壤有机碳分解均呈现前期分解快速和后期分解缓慢的特点.大量研究表明[7-10]，秸秆还田能够提高土壤中总有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳等活性有机碳组分的含量，但由于各种有机物料组成与结构的不同，土壤有机碳及其活性组分对不同有机物料的响应存在较大差异.究其原因：一方面，传统土壤管理模式扰乱了农田土层结构，加剧了团粒结构内有机质各组分的矿化，妨碍了土壤固碳潜力中“团聚体物理保护”机制的发挥[11]；另一方面，自然降水及地下水补给的极度不均匀，外加农田表面除作物生长期以外，土壤水分蒸发

极其强烈，抑制了土壤中各类微生物本身的活动及酶活性的发挥，使得进入农田的各类有机物料转化速度慢，甚至难以腐解，对土壤有机碳累积作用不大[12-13].目前，有关有机物料对黄土高原雨养农业区特殊气候条件、土壤类型及管理模式等的响应规律及机理尚不清晰，调控土壤有机碳在土壤内部与外界环境相互转换的机制还不是很清楚.

因此本文针对黄土高原旱作农田非保护性耕作引起的耕层结构破坏、有机质分解加剧，而作物秸秆及根茬分解、转化速度慢，甚至难以腐解等实际问题，利用田间定位试验方法，观测土壤中易变和稳定有机质的累积与损失过程的影响，明确土壤有机质质量特征与数量特征的匹配关系，目的在于为研发和构建旱作农田土壤关键生物过程的调控途径，为农田地力不断提升提供科学依据.

1材料与方法

1.1试验地概况

试验点设在黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西市安定区李家堡镇.试区属于中温带半干旱区，海拔2 000 m，日照时数是2 476.6 h，年均太阳辐射量592.9 kJ/cm2，年均气温6.4 ℃，≥10 ℃积温2 239.1 ℃，≥0 ℃积温2 933.5 ℃，无霜期140 d.多年的平均降水398.4 mm，80%保证率的降水量为365 mm，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53，变异系数为24.3%，为典型的一年一熟雨养农业区.土壤为黄绵土，其土层深厚，土质绵软，质地均匀，土壤储水性能良好；0～200 cm土壤容重平均为1.17 g/cm3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%.

1.2试验设计

采用尼龙网袋试验法，研究在秸秆还田条件下传统耕作不还田(T)、翻埋还田(TS)、地表覆盖还田(NTS)、翻埋加地膜覆盖还田(TPS)4种耕方式下土壤活性有机碳的变化特征.试验共设4个处理(表1)，当季供试作物为玉米.供试土样取自所埋点附近的0～20 cm的土壤.小区面积3 m×4 m=12 m2，每小区等碳量秸秆还田，尼龙网带均匀的布设于种植的玉米行距中间，网袋埋深15～20 cm.尼龙网带(120目)规格：25 cm×15 cm(容量0.5 kg)，有机物料是土壤重量的8%，每袋装土500 g，混合均匀之后，编号埋袋，覆盖5 cm表土，弄湿表土使之与土壤接触，分别在第90天、180天、270天取样3次，每次取样约80 g左右，拿回实验室风干待用.

表1　试验设计

1.3测定方法

土壤总有机碳(SOC)：采用H2SO4-K2Cr2O7外加热法测定，在加热条件下，土壤样品中的有机碳被过量重铬酸钾-硫酸溶液氧化.重铬酸钾的6价铬被还原为3价铬，其含量与样品中的有机碳的含量成正比[14].

易氧化有机碳(ROOC)：精确称取含有15 mg总碳的土样，加入333 mmol/L的KMnO4溶液反应1 h,土壤中ROC的含量利用分光光度计法,由被还原的KMnO4数量所决定[15].

水溶性有机碳(WSOC)：参照Haynes[16]的方法进行.称取风干土样10 g于塑料离心管中，按土水比1∶5加入50 mL蒸馏水，振荡30 min，然后在离心机上以4 500 r/min离心20 min，所有的悬液过0.45 μm微孔滤膜，得到水溶性有机碳.反复提取3次，将提取液在4 ℃冰箱中保存待测，提取液的含碳量均通过TOC分析仪(element liquid TOCⅡ)进行测定.

1.4数据处理与分析

采用Microsoft Office Excel 2003 和SPSS17.0数据分析系统进行统计分析，邓肯法(Duncan)进行多重比较.

2结果与分析

2.1不同耕作方式对土壤有机碳的影响

由图1可以看出，保护性耕作能增加土壤有机碳含量.直至采样结束，4种处理土壤有机碳含量总体趋势表现为：TPS>NTS>TS>T.TS、NTS和TPS处理与T处理间表现为差异显著，同时TS、NTS、TPS三者之间也表现为差异显著.与T处理相比，TS、NTS和TPS处理的土壤有机碳含量分别增加了76.7%、96.0%和122.7%；TPS处理比NTS处理增加了14.8%，比TS处理增加了30.5%；NTS处理比TS处理增加了13.6%.覆膜处理提高了地表温度，降低了CO2排放量，加快了微生物生命活动，从而缩短了土壤有机碳的周转周期；秸秆还田是重要的土壤有机碳来源，通过分解和腐解作用增加了土壤有机碳含量，改善了土壤碳库组分.

图1　不同耕作方式下土壤总有机碳的含量

2.2不同耕作方式对水溶性有机碳的影响

秸秆还田一年后，不同耕作方式对土壤水溶性有机碳含量影响不同(图2).4种方式下土壤水溶性有机碳含量的总体趋势是TS>TPS>NTS>T.保护性耕作方式TS、NTS和TPS与传统耕作方式T相比差异显著，但TS、NTS和TPS处理之间差异不显著.秸秆还田一年后，秸秆翻埋处理和秸秆翻埋覆膜处理土壤水溶性有机碳含量相近，分别为150.84 mg/kg和150.15 mg/kg，与NTS相比增加了6.5%和7.1%；3种保护性耕作方式TS、NTS和TPS与传统耕作方式T相比水溶性有机碳含量均有所提高，分别提高了17.1%、9.3%和16.5%.这可能是覆膜和免耕覆盖处理降低了土表径流和增加了土壤温度，保证了土壤水溶性有机碳.

图2　不同耕作方式下土壤水溶性有机碳的含量

2.3不同耕作方式对易氧化有机碳的影响

由图3可以得出，保护性耕作方式ROOC含量均显著高于传统耕作模式，说明秸秆还田有利于土壤ROOC含量的提高，4种耕作方式ROOC含量高低顺序为：NTS>TS>TPS>T.3种保护性耕作方式TS、NTS和TPS比传统耕作模式T土壤ROOC含量分别增加了101.8%、140.6%和42.5%；其中NTS处理ROOC含量最高，为1.98 g/kg，比TPS和TS处理分别高68.8%和19.2%；TS处理比TPS处理增加了41.6%.原因可能是免耕和覆压处理更能增加土壤通透性，改善土壤孔隙度，降低土壤容重，使土壤的总孔隙度和毛管孔隙度都有明显的增大.

图3　不同耕作措施下土壤易氧化有机碳的含量

2.4不同耕作方式下土壤有机碳和活性有机碳的动态变化特征

土壤有机碳含量变化情况如图4-A所示，在整个生育期内土壤有机碳含量整体趋势是逐渐减小的.T处理在整个时间段内均减小，TS和NTS处理在90～180 d时间段分别减少了5.68%、9.18%，TPS处理在180～270 d时间段内减少了17.02%，减少幅度大.原因可能是覆膜条件下微生物活性较高，分解较快，而未还田处理没有外源有机物料的输入，表现出一直下降的趋势.4种处理在全生育期土壤有机碳平均含量大小顺序是：NTS>TPS>TS>T.图4-B表明，土壤水溶性有机碳含量在整个生育期内显著减小.NTS和TPS处理在90～180 d时间段减小幅度比较大，其平均含量顺序为TS>TPS>NTS>T.其可能的原因是水溶性有机碳主要来源于土壤中有机质的水解、落叶、根系分泌物和微生物的代谢产物，它和土壤有机碳在一定条件下相互转化，处于一个动态平衡之中.4种耕作方式下土壤ROOC含量变化如图4-C所示，90～180 d时间段均显著减小，180～270 d时间段保护性耕作比传统耕作方式减小幅度慢.土壤ROOC平均含量顺序：NTS>TS>TPS>T.这可能是土壤中微生物吸收利用了部分易氧化有机碳，加上部分随雨水淋溶下渗或流失，导致其含量降低.TPS长期作用于农田导致土壤活性有机碳含量增加的原因还有待进一步探讨.

图4　不同耕作措施下土壤有机碳和活性有机碳的动态变化

3讨论与结论

1)本试验研究结果表明，保护性耕作能增加土壤有机碳含量，TPS处理的有机碳含量最大，NTS和TS处理次之，T处理最小.土壤水溶性有机碳含量TS和TPS处理最高，NTS处理次之，T处理最小.NTS处理的土壤易氧化有机碳含量最高，TS和TPS处理次之，T处理最低.

2)秸秆还田一年内土壤SOC、WSOC、ROOC含量整体呈减小趋势，90～180 d土壤有机碳在NTS减少幅度最大，达到9.18%，土壤水溶性有机碳TS减少最大，而易氧化有机碳在180～270 d减少较大，大小顺序为NTS>TS>TPS>T.

3)秸秆还田可以提高土壤有机物质的输入量，减少土壤有机碳的矿化分解，TS、NTS、TPS处理显著增加土壤有机碳含量,可能是试验地由传统耕作转变为免耕后,减少了对土壤的扰动,土壤结构和通气状况得到了改善,增加了土壤生物活性.West等[17]的研究结果也表明，免耕可以减缓土壤有机物质的矿化率,有利于土壤有机碳的积累.土壤水溶性有机碳是土壤中微生物重要的物质来源和能量来源，是土壤碳库中比较活跃的部分，对土壤中的环境变化比较敏感，可以用来反映土壤短期内的环境变化[18].不同耕作措施之间WSOC的变化大小均表现出TPS的效果最好，原因可能是覆膜条件下土壤温度、水分、通气状况要优于其他处理，这与郑立臣等[19]，王清奎等[20]的研究结果相似.土壤易氧化有机碳能反映土壤的物理循环特征，比土壤总有机碳能更快更直接的反映出土壤在质量和肥力方面的即时变化，是土壤的潜在生产力.徐侠等[21]的研究结果表明土壤有机碳与易氧化有机碳呈显著正相关关系，与本文的研究结果一致，即NTS处理效果最好，说明易氧化有机碳的含量很大程度上依赖有机碳的贮量.

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(责任编辑胡文忠)

under different tillage measures

ZHOU Huan1，2,CAI Li-qun1，2，3,ZHANG Ren-zhi1，2，3,DONG Bo1，2，3,

SUN Cheng-sheng1，2,GAO Xiao-long1，2

(1.Gansu Provincial Key Lab of Aridland Crop Science，Lanzhou 730070，China;2.College of Resources and

Environmental Science,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;3.Gansu Water Saving

Agricultural Engineering Technology Research Center,Lanzhou 730070,China)

Abstract：In connection with the problems of farmland soil organic carbon accumulation and low organic carbon mineralization balance under drought stress in Loess Plateau rainfed agriculture area.In this paper,using buried bag method explored the response discipline of soil organic carbon of return field straw under different tillage in this area.The dynamic characteristics of soil organic carbon and activated carbon component contents under four different tillage measures (conversational tillage,conversational tillage with straw incorporated,no-till with straw cover,conversational tillage with straw incorporated of plastic film mulching) were studied.The results showed that,straw returning could improve the content level of soil total organic carbon and labile organic carbon.The content of soil organic carbon and labile organic carbon were different in different tillage methods,soil organic carbon (SOC) content was in the order of TPS>NTS>TS>T;water soluble organic carbon content was in the order of TS>TPS>NTS>T;readily oxidized organic carbon (ROOC) content was in the order of NTS>TS>TPS>T;the readily oxidized organic carbon content was in the order of NTS>TS>TPS>T.The SOC,WSOC and ROOC content appeared a overall decreasing trend under the one year returning straw condition,soil organic carbon of the NTS treatment decreased 9.18% which was the sharpest,soil water-soluble organic carbon reduced maximum in the 90 d～180 d,readily oxidized organic carbon reduced comparatively large in the 180 d～270 d and was in the order of NTS>TS>TPS>T.

Key words：tillage measure;straw returning;readily oxidized organic carbon;water soluble organic carbon

收稿日期：2014-03-25；修回日期：2014-04-11

基金项目：国家自然基金项目(31160269)；“十二五”循环农业科技工程项目(2012BAD14B03)；甘肃省干旱生境作物学重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地开放基金课题(GSCS-2013-13)；甘肃省高等学校研究生导师科研项目计划(1002-09).

通信作者：蔡立群，男，副教授，硕士生导师，研究方向为农业生态学.E-mail：cailq@gsau.edu.cn

中图分类号：S 153.6

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)01-0063-06

第一作者：周欢(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为土壤生态学.E-mail：badu527@163.com