秸秆还田下长期连作棉田土壤有机碳活性组分的变化特征

黄金花，刘军，杨志兰，魏飞，郭成藏，景峰，刘建国

1. 新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子大学，新疆 石河子 832003

秸秆还田下长期连作棉田土壤有机碳活性组分的变化特征

黄金花，刘军，杨志兰，魏飞，郭成藏，景峰，刘建国*

1. 新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子大学，新疆 石河子 832003

以棉花长期连作定位试验田为研究对象，分析了秸秆还田条件下长期连作棉田土壤有机碳活性组分及难降解组分含量的变化特征，为评价秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳库的稳定性及指导区域农业管理措施增强土壤固碳能力提供了科学的理论依据。试验在石河子大学农学院试验站棉花长期连作定位试验田进行，设有秸秆还田模式下 5、10、15、20、25和30年棉田连作小区（标记为5、10、15、20、25和30年），无秸秆还田模式下1、5、10和15年连作小区(标记为CK1、CK5、CK10和CK15)，共计10个处理，每个处理3次重复，小区土壤初始背景值相近。棉花种植品种为“新陆早46号”，按“30+60+30”宽窄行距配置，采用膜下滴灌，种植密度为每公顷19.8万株。全生育期滴灌11次，滴灌总量5 400 m3·hm-2，共施纯N 495 kg·hm-2，用氮肥的30%作基肥，于棉花收获后结合翻耕施入，其余70%氮肥作追肥随水滴施，其他管理措施同一般大田管理。研究结果表明：秸秆还田可以显著提高0～60 cm土层总有机碳（TOC）含量，随着连作年限的增加，TOC含量逐渐升高，连作30年棉田土壤TOC含量最高；秸秆还田处理下各连作棉田0～20和20～40 cm土层有机碳活性组分含量随着连作年限的增加而呈现明显增加后减少的趋势，而难降解组分（酸解残余碳）含量与活性组分含量呈相反的趋势。秸秆还田能够显著地增加长期连作棉田0～60 cm土层有机碳活性组分和难降解组分的含量，且各组分含量均为0～20>20～40>40～60 cm土层。秸秆还田处理下0～60 cm土层有机碳活性指数（LIc）均小于无秸秆还田处理，且除连作15年外，随连作年限增加LIc呈下降趋势，30年时达到最低，3个土层连作30年LIc比连作5年分别降低了42.86%、49.21%和48.45%；而秸秆还田条件下0～60 cm土层土壤有机碳难降解指数（RIc）均大于无秸秆还田处理，且表现出与活性指数（LIc）相反的趋势，随连作年限增加RIc呈增加趋势，30年时达到最大，3个土层连作30年RIc比连作5年分别增加了28.31%、35.02%和40.53%。秸秆还田能够提高长期连作棉田土壤总有机碳和难降解组分含量，减少有机碳活性组分含量，并使各组分占总有机碳比例间呈动态变化而保持TOC含量呈稳定增加趋势，使长期连作棉田土壤品质朝好的方向转化，同时增加有机碳的稳定性，有利于提高地力。

秸秆还田；土壤有机碳；活性组分；难降解性；酸水解分组法

土壤有机碳是土壤的重要组成部分，也是表征土壤质量的重要指标，对多种生态功能起着关键性作用，对农业的可持续发展具有重要意义（王洪岩等，2012；祖元刚等，2011；陈朝等，2011）。土壤有机碳的稳定性决定着土壤固定和储备有机碳的能力，其难降解性反映了土壤有机碳稳定性的高低(Batjes和Kögel-Knabner，1996；Sollins等，1996；Leifeld等，2005；Falloon等，2000；Krull等，2003)；而土壤活性碳具有很高的灵敏度可以指示土壤碳库质量，活性碳的增加和转化过程是难降解性碳积累的前提，与难降解性碳没有绝对界限，因此活性有机碳的研究对理解有机碳的稳定机制同样有重要意义（徐明岗等，2006；陈小云等，2011）。前人开展了施肥及不同土地利用方式等因素对土壤有机碳稳定性影响的研究，陈小云等（2011）利用硫酸水解的方法研究了施肥对水稻土有机碳活性和难降解性组分的影响，结果表明施肥总体上有助于土壤总有机碳的积累；除了单施钾肥处理外，其他施肥处理均提高了土壤活性有机碳的含量，但单施氮及NPK+OM处理显著提高了土壤有机碳活性指数；除了单施氮处理外，其他施肥处理下土壤难降解有机碳（酸解残余碳）含量均呈增加趋势，也以NPK+OM的作用最明显；单施钾肥显著提高有机碳的难降解性，但单施氮和NPK+OM处理显著降低有机碳的难降解性指数。陈云峰等（2013）研究发现，施肥提高了土壤总有机碳、难降解有机碳和酸水解有机碳含量，但均降低了难降解指数；3种施肥方式均提高了有机碳的稳定性，促进了活性有机碳在总有机碳中的贡献率，但以有机肥配施化肥效果最好，单施有机肥次之，单施化肥再次之。杜章留等（2013）研究了传统耕作转为保护性耕作后土壤酸解碳（AHC）的分布和积累特征，结果表明连续6年保护性耕作后，AHC在土壤表层积累，具有较高的层化比率值；免耕显著增加了AHC的储量。

秸秆还田在提高土壤有机碳含量的同时可以改良土壤结构提高土壤保水保肥能力，有利于提高土壤固碳能力而增加土壤有机碳储量（张鹏等，2011；潘剑玲等，2013）。近年来关于秸秆还田对有机碳的影响的研究主要集中于玉米、水稻和小麦秸秆对有机碳组分的影响（路文涛等，2011；南雄雄等，2011；田慎重等，2010），有关秸秆还田及长期连作虽也有报道，但多集中在对土壤理化性状、土壤酶活性、生物活性及土壤肥力等方面（刘建国等，2008；刘军等，2012；周怀平等，2013；张伟等，2011），但关于秸秆还田及长期连作棉田对土壤有机碳活性组分和难降解组分影响却鲜有报道。因此，本文利用棉花长期连作定位试验田分析棉田土壤中的活性（酸水解碳）和难降解有机碳（酸解残留碳）组分的变化规律，揭示秸秆还田对长期连作棉田有机碳活性和难降解性的影响，对评价长期连作棉田土壤有机碳库的稳定性及指导区域农业管理措施增强土壤固碳能力具有重要意义，为棉田合理应用秸秆还田技术提供科学的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验小区位于石河子大学农学院试验站（86°03′E，45°19′N）长期连作定位微区试验田。海拔443 m，年平均日照时间达2865 h，大于10 ℃积温为3480 ℃，无霜期160 d，多年平均降水量208 mm，平均蒸发量1660 mm，属温带大陆性气候，光照资源丰富而降雨稀少，温度日较差大，为典型的绿洲灌溉农业区。供试土壤为壤土。

1.2 田间试验设计

本试验于 2014年在石河子大学农学院试验站棉花长期连作定点微区试验田进行，设有秸秆还田模式下连作5、10、15、20、25和30年（标记为5、10、15、20、25和30年）棉田连作小区，无秸秆还田模式下连作1、5、10和15年连作小区（标记为CK1、CK5、CK10和CK15），共计10个处理，每个处理3次重复。各个小区土壤均取自农八师石河子总场三分场二连，按0～20、20～40和40～60 cm分层取土，按原层次放入长期连作定点微区试验田内，四周用厚塑料膜隔开，每处理1.5 m×1.5 m，重复3次，土壤初始背景值相近。棉花秸秆还田连作模式是每年秋季棉花收获后将全部秸秆用铡刀切成5～8 cm，即模拟大田生产棉花秸秆还田机械还田方式，入冬前结合施化肥翻入耕层，然后冬灌；棉花无秸秆还田连作模式是棉花收获后将全部秸秆带出农田，然后施化肥、翻耕、冬灌。棉花品种为“新陆早46号”，按“30+60+30”宽窄行距配置，采用膜下滴灌，4月20日播种，留苗密度为每公顷19.8万株，7月9日打顶。全生育期滴灌11次，滴灌总量5400 m3·hm-2，共施纯N 495 kg·hm-2，用氮肥的30%作基肥，于棉花收获后结合翻耕施入，其余70%氮肥作追肥随水滴施，其他管理措施同一般大田管理。

1.3 土样采集

于2014年4月上旬（棉花播种前）用取土器在各个试验区按 5点取样法采集 0～20、20～40和40～60 cm层原状土样，带回实验室自然风干，挑出较大的植株残体和石粒，风干后研磨过100目筛后装入密封袋中待用。

1.4 测定方法

1.4.1 H2SO4水解法

土壤碳的酸解参照Rovira等（2002）的H2SO4水解法，称取1.00 g土样于消煮管内，加入20 mL 2.5 mol·L-1H2SO4，于105 ℃下油浴30 min，移入离心管中，在4500 r·min-1下离心20 min，将上清液倒出，再加20 mL蒸馏水继续清洗离心，将上清液倒出。然后将2次离心的上清液混合并过0.45 μm 的滤膜。此水解产物为活性组分Ⅰ（labile fractionⅠ）。

将上述离心管内的残留土样加蒸馏水离心清洗数次后，在 60 ℃下烘干后，再加 2 mL的 13 mol·L-1H2SO4转移到三角瓶，在室温下持续振荡10 h，然后将硫酸稀释为1 mol·L-1，转移至消煮管内，于105 ℃下油浴3 h，用手间歇振荡，转移至离心管，加20 mL蒸馏水清洗离心2次，将上清液倒出。然后将2次的上清液合在一起过0.4 μm滤膜。此水解产物为活性组分Ⅱ（labile fraction ll）。

最后离心管内的土样同样加蒸馏水离心清洗干净后，在 60 ℃下烘干，此残留物为难降解组分（recalcitrant fraction）。

1.4.2 碳的测定

总有机碳（TOC）、酸水解的可溶性有机碳采用重铬酸钾-外加热法（鲍士旦，2005）。难降解有机碳为总有机碳与酸解有机碳的差值，其中酸解有机碳即为酸水解部分（活性组分Ⅰ、Ⅱ）（Rovira等，2002）。

1.4.3 有机碳稳定性的评价指标

H2SO4水解法获得的有机碳组分可以用来计算有机碳的活性指数（Labile index，LIc）和难降解指数（Recalcitrance index，RIc），计算公式为：

LIc=（酸水解有机碳/总有机碳）×100%

RIc=（难降解有机碳/总有机碳）×100%

1.5 数据处理与分析

采用EXCEL 2003绘图，SPSS19.0系统软件进行方差分析和Duncan多重对比。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳组分含量的影响

2.1.1 秸秆还田对长期连作棉田0～20 cm土层有机碳组分含量的影响

由表1可见，长期连作棉田0～20 cm土层TOC质量分数在8.03～18.25 g·kg-1之间。秸秆还田后TOC含量随着连作年限的增加呈现先增加后降低然后又上升的变化趋势：5年到10年增加，10年到15年降低，15年后又增加的趋势，其中连作5年有机碳含量最低，30年达到最大。无秸秆还田处理下的CK5、CK10和CK15的TOC含量随着连作年限的增加呈先增加后逐渐降低趋势：CK1到CK5增加，CK5到CK15逐渐降低，CK15时达到最低。秸秆还田处理下0～20 cm土层TOC含量显著高于无秸秆还田处理，连作5、10和15年分别比CK5、CK10和CK15分别增加了13.19%、49.50%和61.02%，差异显著（P<0.05）。

表1 秸秆还田对连作棉田土壤（0～20 cm）总有机碳、活性有机碳和难降解有机碳含量的影响Table 1 Effects of straw returning on total organic carbon, labile carbon and recalcitrant carbon in cotton soil g·kg-1

由表1可见，0～20 cm土层无论是秸秆还田还是无秸秆还田处理下连作棉田土壤活性有机碳组分I的含量均大于活性组分II。秸秆还田处理下，除了连作5～15年的活性组分I含量增加外，15～30年活性组分I和II的含量总体上呈一致降低趋势，活性组分II的变化趋势更明显，特别是连作30年时最低，显著小于其他处理（P<0.05）。总活性组分表现出与活性组分I和II类似但更明显的趋势。相反，秸秆还田处理与无秸秆还田处理相比，除了连作 15年外，其他连作年限难降解有机碳含量均有所增加，30年达到最高，比连作5、10、15、20和25年的分别增加了 105.24%、54.77%、79.39%、24.23%和9.05%，差异显著（P<0.05）。无秸秆还田处理下酸水解碳所反映的总活性有机碳（活性组分I和II之和）呈先增加后减小的趋势，CK1到CK5增加，CK5到CK15逐渐减小；难降解有机碳含量与总活性有机碳表现出一致的趋势。与无秸秆还田相比，秸秆还田处理下5、10和15年比CK5、CK10和CK15总活性有机碳分别增加了7.84%、12.00%和 27.07%；难降解有机碳分别增加了 17.04%、78.98%和95.53%。

2.1.2 秸秆还田对长期连作棉田 20～40 cm土层有机碳组分含量的影响

由表2可见，长期连作棉田20～40 cm土层TOC质量分数在6.86～16.55 g·kg-1之间，TOC含量变化趋势与0～20 cm土层总有机碳含量变化趋势一致，即秸秆还田 TOC含量随着连作年限的增加呈先增加后降低而后又增加的趋势：5年到10年增加，10年到15年降低，15年后又呈现增加的变化趋势，其中连作5年有机碳含量最低，30年最高。无秸秆还田处理下 TOC含量随着连作年限的增加呈先增加后逐渐降低趋势：CK1到CK5增加，CK5到CK15逐渐降低，CK15时达到最低。秸秆还田处理下20～40 cm土层TOC含量显著高于无秸秆还田处理，连作5、10和15年分别比CK5、CK10和CK15分别增加了-0.86%、53.31%和 42.57%，差异显著（P<0.05）。

表2 秸秆还田对连作棉田土壤（20～40 cm）总有机碳、活性有机碳和难降解有机碳含量的影响Table 2 Effects of straw returning on total organic carbon, labile carbon and recalcitrant carbon in cotton soil g·kg-1

秸秆还田处理下，除了连作5年到15年活性组分I含量增加外，其他连作年限活性组分I的含量总体上均有减小，活性组分II的减小趋势没明显差异（P<0.05）。总活性有机碳表现出与活性组分I类似，但稍明显的变化趋势。秸秆还田处理下难降解有机碳与0～20 cm的变化趋势一致，除了连作15年，难降解有机碳含量均有所增加，30年达到最高，比连作5、10、15、20和25年的分别增加了176.69%、62.44%、131.56%、39.53%和 19.93%，差异显著（P<0.05）。无秸秆还田处理下总活性有机碳含量呈先增加后减小的趋势，CK1到CK5增加，CK5到CK15逐渐减小；难降解有机碳含量与总活性有机碳表现出一致的趋势。与无秸秆还田相比，秸秆还田处理下5、10和15年比CK5、CK10和CK15总活性有机碳分别增加了3.07%、-8.51%和22.92%；难降解有机碳分别增加了-3.48%、118.48%和61.60%。

2.1.3 秸秆还田对长期连作棉田40～60 cm土层有机碳含量的影响

由表3可见，长期连作棉田40～60 cm土层TOC质量分数在4.05～12.52 g·kg-1之间。秸秆还田和无秸秆还田处理下的TOC含量均与0～20、20～40 cm土层的TOC含量变化趋势一致，秸秆还田后TOC含量随着连作年限的增加呈先增加后降低而后又增加的趋势：5年到10年增加，10年到15年降低，15年后又呈现增加的变化趋势，其中连作5年有机碳含量最低，30年达到最高；无秸秆还田处理下CK5、CK10和CK15的TOC含量随着连作年限的增加呈先增加后逐渐降低趋势：CK1到CK5增加，CK5到CK15逐渐降低，CK15时达到最低。秸秆还田处理下 TOC含量显著高于无秸秆还田处理，连作5、10和15年分别比CK5、CK10和CK15分别增加了-19.73%、73.13%和 51.03%，差异显著（P<0.05）。

表3 秸秆还田对连作棉田土壤（40～60 cm）总有机碳、活性有机碳和难降解有机碳含量的影响Table 3 Effects of straw returning on total organic carbon, labile carbon and recalcitrant carbon (Mean±SD, g·kg-1)in cotton soil g·kg-1

秸秆还田处理下，活性组分 I的含量在连作5～15年增加，20年降低，后25～30年增加，活性组分II变化没明显差异。总活性有机碳表现出与活性组分I类似但稍明显的变化趋势。秸秆还田处理下难降解组分表现出与0～20、20～40 cm一致的变化趋势，除了连作 15年时减少，难降解有机碳含量均有所增加，30年达到最高，比连作5、10、15、20和 25年的分别增加了 222.56%、52.55%、197.52%、42.99%和28.94%，差异显著（P<0.05）。无秸秆还田处理下总活性有机碳含量呈先增加后减小的趋势，CK1到CK5增加，CK5到CK15逐渐减小；难降解有机碳含量与总活性有机碳表现出一致的趋势。与无秸秆还田相比，秸秆还田处理下5、10和15年比CK5、CK10和CK15总活性有机碳分别增加了15.35%、-12.10%和53.15%；难降解有机碳分别增加了-35.99%、200.96%和48.39%。

秸秆还田与无秸秆还田不同土层间土壤总有机碳含量、有机碳活性组分I和II、总活性有机碳和难降解有机碳差异均表现为 0～20>20～40>40～60 cm，且40～60 cm土层各有机碳组分含量明显低于0～20 cm土层和20～40 cm土层。随着连作年限的增加，秸秆还田处理下土壤有机碳活性组分和难降解组分在0～20 cm土层和20～40 cm之间差异逐渐减小，这说明随着连作年限的增加，有机碳活性组分和难降解组分在20～40 cm土层积累量增加。

图1 秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳活性指数的影响Fig. 1 Effects of straw returning and cropping cotton on soil labile organic carbon index (LIc)

2.2 秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳活性的影响

土壤酸水解有机碳的活性指数（LIc）代表了活性有机碳在土壤TOC中的分布（图1），秸秆还田对连作棉田LIc和总活性有机碳含量的影响表现出相似的趋势，秸秆还田处理下除连作 15年外，随连作年限增加LIc呈下降趋势，30年时达到最低，0～20 cm土层连作30年的LIc比连作5、10、15、20和25年的分别降低了42.86%、31.06%、42.02%、24.23%和12.74%，差异显著（P<0.05）；20～40 cm土层连作30年的LIc比连作5、10、15、20和25年的分别降低了49.21%、31.09%、50.04%、29.55%和19.27%，差异显著（P<0.05）；40～60 cm土层连作30年的LIc比连作5、10、15、20和25年的分别降低了 48.45%、23.37%、52.23%、21.08%和11.80%，差异显著（P<0.05）。40～60 cm土层 LIc高于0～20 cm土层和20～40 cm土层，0～20 cm土层和20～40 cm土层之间LIc没有显著差异。无秸秆还田处理除0～20 cm土层LIc随连作年限的增加呈上升趋势，20～40和40～60 cm土层LIc随着年限增加呈先降低后上升，再降低的变化趋势，CK1到CK5降低，CK5到CK10增加，CK10到CK15降低。秸秆还田处理LIc显著低于无秸秆还田处理，0～20 cm土层连作5、10和15年处理比CK5、CK10和CK15分别降低了4.76%、25.10%和21.21%；20～40 cm土层连作5、10和15年处理比CK5、CK10和CK15分别降低了-3.90%、40.22%和13.86%；40～60 cm土层连作5、10和15年处理比CK5、CK10和CK15分别降低了-42.57%、49.05%和2.71%，差异显著（P<0.05)。这表明，秸秆还田能够显著降低各个土层的LIc，且随着连作年限增加逐渐降低。

用活性组分II与总活性组分（活性组分I和II之和）的比例表示活性组分II在活性有机碳中的贡献。由图2可看出，与无秸秆还田处理相比，秸秆还田处理各土层活性组分II的比例呈动态不稳定变化趋势，秸秆还田处理随着连作年限的增加 0～20 cm土层活性组分II的比例呈现波动降低的变化趋势；20～40 cm土层活性组分II的比例呈先降低后增加的变化趋势，连作5年至25年降低，连作25年至30年增加，连作5年时最大，到25年时最小；40～60 cm土层呈先降低后增加然后又降低的趋势，连作5年至15年降低，连作15年至20年增加，连作20年后又降低，连作5年最大，25年时最小；20～40 cm土层活性组分II的比例显著高于0～20 cm土层和40～60 cm土层。无秸秆还田处理下0～20 cm土层活性组分II的比例随着连作年限增加呈先逐渐降低趋势；20～40和40～60 cm土层活性组分II的比例随着年限增加皆呈先增加后逐渐降低的变化趋势。秸秆还田与无秸秆还田相比，除 20～40 cm土层活性组分 II的比例比无秸秆还田高，0～20和40～60 cm土层活性组分II的比例均比无秸秆还田处理低，0～20 cm土层连作5、10和15年活性组分II的比例分别比CK5、CK10和CK15降低了2.83%、10.70%和-3.66%；40～60 cm土层连作5、10和15年活性组分II的比例分别比CK5、CK10和CK15降低了-1.09%、0.72%和8.69%。

2.3 秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳难降解性的影响

用难降解指数RIc反映有机碳的难降解性。秸秆还田对难降解指数RIc有明显的影响（图3），秸秆还田条件下各土层土壤有机碳难降解指数随着连作年限的增加呈现先增加后降低然后又上升的变化趋势，5年到10年增加，10年到15年下降，15年后又呈现增加的变化趋势。20～40和40～60 cm土层连作15年难降解指数最低，30年达到最高，0～20 cm土层连作30年的比连作5、10、15、20和25年的分别增加了 28.31%、15.28%、27.09%、10.39%和4.49%，差异显著（P<0.05)，20～40 cm土层连作30年的比连作5、10、15、20和25年的分别增加了 35.02%、13.74%、36.64%、12.65%和6.83%，差异显著（P<0.05)。40～60 cm土层连作30年的比连作5、10、15、20和25年的分别增加了40.53%、10.32%、50.48%、8.93%和 4.28%。无秸秆还田模式下20～40和40～60 cm土层随连作年限增加呈现先增加，后降低然后再增加的变化趋势，CK1到CK5增加，CK5后开始降低，CK10到CK15增加，CK5难降解指数最高，CK10最小。无秸秆还田处理显著低于秸秆还田处理，0～20 cm土层连作5、10和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了3.42%、19.74%和21.00%，20～40 cm土层连作5、10和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了-2.60%、42.31%和13.35%，40～60 cm土层连作5、10和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了-19.99%、74.01%和 2.77%，差异显著（P<0.05)。这表明，秸秆还田可以显著提高各个土层的RIc，且随着连作年限增加逐渐升高。

图3 秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳难降解性的影响Fig. 3 Effects of straw returning and cropping cotton on soil recalcitrance organic carbon index (RIc)

3 讨论

本研究分析了活性和难降解性有机碳组分对秸秆还田及长期连作棉田的响应，相比单一的总有机碳含量测定，我们能够在提高秸秆还田对长期连作棉田固碳潜力及有机碳稳定性方面获取更多的信息。

本文中所研究的土壤有机碳的活性组分，是指在土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化，并对植物养分供应有最直接作用，在不同程度上反映土壤有机碳的有效性，还可以对土壤有机碳或土壤质量作出指示的有机碳组分（Huang等，2011；Casalsa，2010）。本实验采用硫酸水解法来测定土壤有机碳中的活性组分和难降解性组分，并把活性组分分为活性组分Ⅰ和Ⅱ，活性组分Ⅰ主要含有多糖，其中包括植物来源（如半纤维素和淀粉）和微生物来源（主要是微生物细胞壁），活性组分Ⅱ的成分主要是纤维素（Rovira等，2002；Huang等，2011；Casalsa，2010）。试验结果表明，相比无秸秆还田，秸秆还田处理均提高了长期连作棉田土壤活性有机碳组分（活性组分Ⅰ和Ⅱ之和）的含量，这说明秸秆还田对活性有机碳组分有促进作用，这与田慎重等人的研究结果一致（田慎重等，2010；Joseph等，1999）；而不同土层的含量大小依次递减，0～20 cm表层土含量最多，除了直接施入的有机物外，棉花秸秆本身含有较高的有机碳，因而腐解进入土壤后有利于土壤碳累积，而秸秆残茬和棉花根系等主要集中聚集分布在表层土壤，向表层土壤中的微生物提供了足够的碳源和能源，促进了土壤微生物的繁殖，提高了表层土壤中微生物的数量和活性（Smith和Pownlson，2000；彭佩钦和张文菊，2005），进而将植物残体中的碳转化为部分活性有机碳组分。随着连作年限的增加，活性有机碳含量在连作5年到15年呈增加趋势，随后连作20年到 30年呈逐渐降低趋势，随着连作年限的增加及秸秆还田量的积累，在连作 15年前，产生的活性有机碳逐渐增加，但随连作年限的增加而逐渐减少，这主要由于秸秆中纤维素等物质在秸秆还田初期基本就腐解完毕，剩余部分主要为难分解的有机物质如木质素等（李逢雨等，2009；戴志刚等，2010），继而随着连作年限的增加难降解组分含量先减少后逐渐增加。有机碳活性指数LIc反映的是土壤有机碳的活性程度或生物可降解性，结果显示，相比无秸秆还田，秸秆还田降低了 LIc，我们的研究结果暗示，虽然秸秆还田能够提高长期连作棉田土壤总有机碳含量，但实际上还需要考虑所增加有机碳部分的组成，只有充分考虑到活性和难降解性有机碳的相对贡献，才能达到土壤有机碳的增加对农业可持续发展及秸秆还田对有机碳稳定性机制的有效响应。由于土壤有机碳的稳定性受到物理、化学和生物多种机制的相互影响，硫酸水解法获得的活性组分并不表示在自然条件下有机碳容易损失，因此，秸秆还田降低了长期连作棉田土壤有机碳活性的结论需进一步研究论证。

与硫酸水解获得的有机碳活性组分相对应，酸解残留有机碳主要包括木质素等具有芳香环结构的和烷基结构的碳，它们一般化学稳定而难以被生物降解（Christensen，1986；Plante等，2006；Rovira和Ramón Vallejo，2007；Sollins等，1996；Von Lützow等，2007）。与对活性有机碳的影响趋势相反，秸秆还田均促进长期连作棉田土壤中难降解有机碳的含量，说明在秸秆还田在长期连作棉田稳定性有机碳含量中占的重要地位。相比LIc、RIc的升高说明秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳的增加，主要体现在难降解有机碳的贡献上，因此，秸秆还田在增强长期连作棉田土壤固碳潜力方面，需多方面考虑多种有机碳稳定性机制。秸秆还田明显增加了RIc，说明秸秆还田不仅提高了有机碳难降解性组分的含量，还促进了有机碳的稳定性，对于提高长期连作棉田土壤有机碳储备和稳定性均有重要意义。

活性有机碳和难降解性有机碳组分之间没有明显的界限，二者相互依存、相互转化，在土壤生态系统中均起着重要的功能（陈小云等，2011）。因此，在提高土壤总有机碳水平的基础上，选择合理的秸秆还田长期连作措施，既增加土壤的活性有机碳含量，又能提高有机碳的稳定性，为进一步衡量和评价秸秆还田对长期连作棉田土壤肥力和土壤质量的影响具有重要意义。

4 结论

1）本文对秸秆还田不同连作年限棉田土壤有机碳活性和难降解组分含量的变化进行了研究，结果表明：与无秸秆还田相比，秸秆还田均能促进0～60 cm土层TOC、有机碳的活性组分（I和II）和难降解组分的积累，且随着连作年限增加 TOC及难降解组分含量逐渐升高，有机碳活性组分含量在15年至30年时有一定的减少；不同土层间有机碳各组分含量差异均表现为 0～20>20～40>40～60 cm。说明秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳难降解组分有明显的促进作用，同时说明秸秆还田对长期连作棉田土壤有机碳稳定性有重要作用。

2）研究结果表明秸秆还田与无秸秆还田连作棉田0～60 cm土层LIc差异表现出相反的规律，且秸秆还田处理LIc低于无秸秆还田处理。这表明，秸秆还田能够显著降低0～60 cm土层的LIc，且随着连作年限增加逐渐降低。

3）与无秸秆还田相比，秸秆还田在长期连作条件下可以明显提高 RIc，且随着连作年限的增加RIc逐渐增大，尤其连作15年后增大趋势明显。

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Changes of Cotton Straw Incorporation on Soil Organic Carbon Activity Matter of Long-term Continuous Cropping Cotton Field

HUANG Jinhua, LIU Jun, YANG Zhilan, WEI Fei, GUO Chengzang, JING Feng, LIU Jianguo
1. Key Laboratory of Oasis Ecology Agriculture of Xinjiang Bingtuan, Shihezi University, Shihezi 832003, China

The objective of the experiment is to study the effect of cotton straw mulching on soil organic carbon activity and soil refractory organic matter under long-term continuous cropping condition. This experiment was conducted in the long-term continuous cropping plots from the experiment station of Shihezi University. There were ten treatments in this continuous cropping plots, six treatments’ cotton straw were returned into the soil, and other treatments’ were removed. There were three replicates per treatment, initial soil background values for each plot were similar. The six treatments which had the cotton straw included six continuous cropping plots, such as 5, 10, 15, 20, 25 and 30 years (they were marked 1, 5, 10, 15, 20, 25 and 30 a respectively). The other four treatments were 1, 5, 10 and 15 years continuous cropping plots (they were marked CK1, CK5, CK10 and CK15, respectively). We grew “Xinluzao 46” in our cotton field, and the way of planting was according to“30+60+30” configuration, using drip irrigation under mulch. The planting density was 198 000 cottons per hectare. During the growth period, we would drip 11 times, the total drip was 5 400 m3·hm-2, total nitrogen application was 495 kg·hm-2, 30% was basic fertilizer, others were fertilized with water. And the other managements were same as the general field management. The results showed that the mulching straw significantly increased the organic carbon content (TOC) of soil at 0～60 cm soil layer. The TOC increased with continuous cropping years, the highest value was found at 30 a treatment. At 0～20 and 20～40 cm soil layer, the soil labile organic carbon content significantly increased up to a maximum value at 15 a treatment at first and then decreased with continuous cropping years, while an inverse tendency was found for the soil refractory organic matter content. The soil labile organic carbon content and refractory organic matter content at 0～60 cm soil layer connectivity showed an increasing tendency under straw mulching treatment. As the soil depth increased, soil organic carbon activity and soil refractory organic matter had a decreasing tendency. The LIc significantly decreased with the continuous cropping years, but there was a exception at 15 a treatments, the 30 year continuous cropping was the minimum. Compared with 0～20, 20～40 and 40～60 cm soil layer in the 5 year continuous cropping, LIc of 30 years decreased by 42.86%, 49.21% and 48.45%. The RIc showed a opposite tend compared to the LIc,the 30 year continuous cropping was the maximum. Compared with 0～20, 20～40 and 40～60 cm soil layer in the 5 year continuous cropping, RIc of 30 years increased by 28.31%, 35.02% and 40.53%. Therefore, it is concluded that the straw mulching is helpful to improving soil fertility by increasing and activating the soil organic carbon content under long-term continuous cropping.

straw; soil organic carbon; active ingredient; recalcitrant nature; acid hydrolysis grouping method

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.004

S153.6

A

1674-5906（2015）03-0387-09

黄金花，刘军，杨志兰，魏飞，郭成藏，景峰，刘建国. 秸秆还田下长期连作棉田土壤有机碳活性组分的变化特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(3): 387-395.

HUANG Jinhua, LIU Jun, YANG Zhilan, WEI Fei, GUO Chengzang, JING Feng, LIU Jianguo. Changes of Cotton Straw Incorporation on Soil Organic Carbon Activity Matter of Long-term Continuous Cropping Cotton Field [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 387-395.

国家自然科学基金项目（31260307）

黄金花（1991年生），女，硕士研究生，研究方向为作物高产优质高效栽培。E-mail:feiyang423@126.com *通信作者：刘建国（1968年生），男，教授，研究方向为农田生态环境与农作制度。E-mail:l-jianguo@126.com

2014-11-18