潮土区小麦、玉米残体对土壤有机碳的贡献——基于改进的RothC模型

赵雅雯, 王金洲, 王士超, 武红亮, 黄绍敏, 卢昌艾



潮土区小麦、玉米残体对土壤有机碳的贡献——基于改进的RothC模型

赵雅雯1, 王金洲1, 王士超1, 武红亮1, 黄绍敏2, 卢昌艾1

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2河南省土壤肥料工作站，郑州 450002）

【目的】为进一步了解秸秆还田对土壤有机碳（SOC）的提升效果，探究作物残体（根系与秸秆）对潮土区SOC的贡献，为华北冬小麦-夏玉米区SOC提升提供理论依据。【方法】基于腐解试验的有机物料碳残留率数据，获得4种有机物料在RothC-26.3模型最优时对应的DPM/RPM参数值（易分解植物残体和难分解植物残体的比值）。利用修订的DPM/RPM参数，获得了改进的RothC-26.3模型，并用郑州潮土区短期腐解试验（2012年11月至2013年11月）和长期定位试验数据（1990—2008年）进行验证，模拟出郑州潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统中小麦、玉米残体在3种不同施肥处理下（不施肥CK，平衡施肥NPK和秸秆还田NPKS）对新形成SOC的贡献。【结果】在模型达到最优时，小麦根系（wheat root，WR）、小麦秸秆（wheat straw，WS）、玉米根系（corn root，CR）和玉米秸秆（corn straw，CS）的DPM/RPM值分别为0.89、3.04、4.35和3.25。模型结果显示，CK处理小麦根系、玉米根系的碳投入占碳投入的比例均为50%，而来源于小麦根系、玉米根系的SOC（0—20 cm）占新形成的SOC比例分别为60%、40%；小麦根和玉米根固碳效率分别为15.5%、10.8%；NPK处理小麦根系、玉米根系的碳投入占碳投入的比例分别为60%、40%，而来源于小麦根系、玉米根系的SOC（0—20 cm）占新形成SOC的比例分别为71%、29%；小麦根和玉米根固碳效率分别为17.5%、11.4%；NPKS处理小麦根系、玉米根系、玉米秸秆的碳投入的比例分别为47%、21%、32%，而小麦根系、玉米根系、玉米秸秆对新形成的SOC（0—20 cm）贡献分别为50%、22%、28%；小麦根系、玉米根系、玉米秸秆的固碳效率分别为16.9%、11.2%、11.4%。总之，冬小麦-夏玉米轮作系统中无论是不施肥、平衡施肥还是秸秆还田处理，小麦根系对新形成SOC的贡献率（50%—71%）大于玉米根系和玉米秸秆对新形成SOC贡献率（22%—40%）。源自小麦的SOC占新形成SOC的比例均分别大于源自小麦的碳投入占总碳投入的比例，而源自玉米的投入及其对新形成SOC的贡献则反之。小麦根系的固碳效率（15.5%—17.5%）大于玉米根系和玉米秸秆的固碳效率（10.8%—11.4%）。【结论】改进后的RothC模型可用来探究潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统中小麦、玉米残体对新形成SOC的贡献。郑州潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统中小麦根系对新形成SOC的贡献率均大于玉米根系和玉米秸秆的贡献率。根茬还田（尤其是小麦根茬还田）更有利于提升土壤有机碳含量。

Roth C模型；小麦残体；玉米残体；土壤有机碳；潮土

0 引言

【研究意义】土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的有机碳库[1]，在土壤肥力、环境保护和农业可持续发展方面发挥着极其重要的作用[2-3]。植物残体进入土壤后，经过一系列的物理、化学和生物反应，最终转化为土壤有机碳（SOC）。而不同种类的植物残体，其转化率存在较大的差异。了解冬小麦-夏玉米轮作制度下不同作物残体对土壤有机碳的贡献，可以为农田土壤固碳提供科学依据。【前人研究进展】目前，RothC模型已广泛应用于陆地生态系统碳循环的相关研究，成功模拟了世界许多地区不同管理条件下的SOC变化[4-6]，然而很大程度上高估了大量秸秆还田后的SOC变化[7-10]。与其他处理相比，秸秆还田处理最大区别在于秸秆物料性质、还田方式及归还量[10-11]。模型中农作物残体的DPM/RPM值（易分解植物残体和难分解植物残体的比率）统一预设为1.44，并未考虑作物类型, 使得秸秆还田后的SOC模型模拟值超过实测值[10-12]。韩其晟等[13]认为，DPM/RPM值是一个变量参数，必须通过试验分析才能得到合理的数值。有研究结果表明，当Roth C模型中DPM/RPM值设为3.35，热带地区玉米叶片和黑麦草的分解动态拟合结果最佳[14]。Wang等[10]通过调整模型参数DPM/RPM，拟合了华北地区秸秆还田下土壤有机碳的动态变化规律。【本研究切入点】目前，RothC模型尚不能区分小麦与玉米对SOC的贡献，也未将作物秸秆与根系对土壤有机碳的贡献区分开。本研究通过调整小麦和玉米的根系与秸秆DPM/RPM值，获得适宜华北小麦-玉米轮作区的RothC改进模型，进而评价不同作物残体对SOC的贡献。【拟解决的关键问题】利用修正后的RothC-26.3模型，探究郑州潮土区小麦-玉米轮作系统中小麦和玉米残体对新形成SOC的贡献，为华北小麦-玉米轮作区农田SOC的可持续管理和土壤肥力培育提供参考。

1 材料与方法

1.1 有机物料腐解试验

本研究拟利用王文山等[15]1983—1987年间在北京地区开展的沙滤管腐解试验，对RothC模型进行参数化。表1展示了小麦和玉米两种作物的根系和秸秆的主要化学组成（数据源自王文山等[15]）。图1列出了模型模拟时所需的气象参数。其中，月平均温度、降水等地面气象数据由国家气象局提供。各月的潜在蒸腾蒸发量（ET0）由FAO Penman-Monteith（FAO P-M）公式计算得到。

1.2 长期施肥定位试验

试验点位于河南郑州“国家潮土肥力与肥料效益长期监测试验站”（113°40′E，34°47′N），地处热带及暖温带的过渡地带。1981—2010年间平均气温14.7℃，降水量641 mm，潜在蒸发量为1 050 mm。供试土壤为轻壤质潮土，成土母质为黄河冲积物和沉淀物。

图1 北京地区1983—1987年间月平均气温、降水量和潜在蒸腾蒸发量

表1 不同有机物料的化学组成

该试验始于1990年。初始耕层（0—20 cm）土壤有机质含量10.1 g·kg-1，全氮0.65 g·kg-1，全磷0.64 g·kg-1，全钾16.9 g·kg-1。种植制度为小麦-玉米一年两熟轮作。本研究选择常见的3个施肥处理：（1）不施肥（CK），（2）氮磷钾配施（NPK），（3）氮磷钾化肥配施秸秆处理（NPKS）。年施肥量为：N 352.5 kg·hm-2，P2O5176.5 kg·hm-2，K2O 176.5 kg·hm-2。各施肥处理为等氮量，小麦季施氮量为165 kg·hm-2，玉米季施氮量为187.5 kg·hm-2。除NPKS处理为玉米秸秆全量还田（约6.0 t·hm-2·a-1）外，其余各处理作物秸秆均全部移除。详细试验介绍请参见文献[10]。

每年于玉米收获后用土钻采集0—20 cm土层土壤。土壤容重采用环刀法测定。土壤有机碳采用硫酸-重铬酸钾湿热法测定。玉米和小麦的籽粒产量、秸秆产量采用收割法进行测定。根系与秸秆的碳投入计算>参考文献[4]。

1.3 RothC-26.3模型

RothC模型[16]以英国洛桑实验室长期定位试验数据为基础，由Jenkinson于1977年建立而成。所需参数简单，涉及气候参数（包括月平均气温、降水量和蒸发量）、土壤数据（包括黏粒含量和初始SOC含量）和植物（植被覆盖、植物残体碳输入量和农家肥施入量）等。在一定条件下，该模型可较好地模拟和预测气候和管理措施等引起的SOC变化[4-6,17]。

该模型将有机碳库划分为5个部分，即易分解植物残体（DPM）、难分解植物残体（RPM）、微生物量（BIO）、腐殖化有机质（HUM）和惰性有机质（IOM）。DPM和RPM为新输入的有机物质，BIO、HUM、IOM是土壤有机碳库的3个组分。每个有机碳库的分解都遵循一级动力学方程，其分解速率受温度、湿度和植被覆盖等影响。

1.4 模型参数化与检验、数据分析

基于实测数据的逆向模拟技术已被广泛应用到模型参数估计[10-12]。该技术有助于改进模型和提高对有机碳周转过程的认识。本研究基于物料腐解试验，利用逆向模拟技术，获得模型效果最优（即模拟值与实测值之间均方根差最小）时各有机物料的DPM/RPM值，并构建了DPM值与物料性质之间的定量方程。在此基础上，利用郑州短期腐解试验和小麦-玉米轮作系统长期定位试验的SOC实测数据，对改进后的RothC模型进行验证。模型模拟效果通过均方根差（）、相对误差（）和模拟效率（）进行检验[6]。和越接近0，模拟效果越好。通常，＜15%，-10%＜＜10%，模型模拟效果即达到较好的水平。

借助于模型模拟的手段，本研究区分了各有机物料碳投入对新形成SOC的贡献。CK和NPK处理中，碳投入来源于小麦和玉米根系。NPKS处理中，碳投入来源除小麦和玉米根系，还包括玉米秸秆。同时，利用碳库组分的模拟结果，进一步计算了1991—2008年间不同有机物料的平均固碳效率。例如，NPKS处理玉米秸秆的固碳效率即为试验期间新形成的源自玉米秸秆的SOC占累积玉米秸秆碳投入的比例。

2 结果

2.1 RothC-26.3模型的改进

逆向模拟结果表明，RothC较好地模拟了不同物料在各腐解阶段的有机碳残留率（表2，图2）。模拟效果的检验参数和分别在10%和±5%以内，且接近于1（图2）。模拟结果同时表明，小麦根系、小麦秸秆、玉米根系、玉米秸秆的DPM/RPM值分别为0.89、3.04、4.35和3.25，与模型默认值（1.44）差异较大（表2）。除以上四种有机物料外，还进一步逆向模拟了谷子根系、谷子秸秆和田菁秸秆等物料的腐解残留率（图3），并获得其DPM/RPM值分别为1.04、1.66和6.94（表2）。同时构建了DPM与lignin﹕N的定量方程为：= 0.96-0.011（图4）。

表2 RothC模型模拟效果最佳时不同有机物料的DPM/RPM值

a：小麦秸秆，b：玉米秸秆，c：小麦根系，d：玉米根系（—为模拟值，为实测值）

为进一步说明模型的可行性，本文利用郑州有机物料的短期腐解试验（2012.11—2013.11）进行检验（图5）。该腐解试验具体情况详见文献[18]。图4-c给出了小麦秸秆、玉米秸秆腐解残留率模拟值与实测值的相关性分析，小麦秸秆、玉米秸秆SOC的模拟值与实测值的决定系数为0.85和0.91（n=7），斜率为0.88和0.93，接近于1，模拟效果较好，表明修正后RothC模型适用于郑州地区。

a：谷子秸秆，b：谷子根系，c：田菁秸秆（—为模拟值，为实测值）

WS：小麦秸秆；WR：小麦根系；CS：玉米秸秆；CR：玉米根系；MS：谷子秸秆；MR：谷子根系；SR：田菁秸秆。下同

2.2 郑州潮土试验区小麦玉米残体对土壤有机碳的贡献

长期不同施肥处理显著影响了土壤总有机碳的含量，且总体表现为：NPKS＞NPK＞CK（图6）。CK处理SOC呈缓慢下降趋势，由试验初始的18.8 t·hm-2下降到2008年的17.3 t·hm-2，原因在于外源有机物质输入量较少。NPK和NPKS处理均呈上升趋势，且NPKS处理的增幅较大，表明秸秆还田在一定程度上可以提升土壤SOC。经变量参数DPM/RPM修正后，RothC模型能够模拟不同施肥处理SOC的动态（图6）。进一步统计结果显示，各处理（4.86%—7.89%）和（-5.23%—2.20%）均控制在±10%以内，表明各处理模拟值与实测值基本吻合，模拟效果较好。碳库组分的模型模拟结果表明，原有SOC（试验开始之前的SOC）随时间的延长而逐渐降低，而不同来源的新碳则随时间的延长而逐渐累积（图7）。

由图8可看出，源自小麦的SOC占新形成SOC的比例（50%—71%）均大于源自小麦的碳投入占总碳投入的比例（47%—61%）；而源自玉米的碳投入及其对新形成SOC的贡献则反之，表明小麦凋落物的固碳效率总体高于玉米凋落物。进一步的计算表明，小麦根系的固碳效率为15.5%—17.5%，明显高于玉米根系（10.8%—11.4%）和秸秆的固碳效率（11.4%）（表3）。

图5 郑州小麦秸秆（a）、玉米秸秆（b）腐解后碳残留率的实测值与模拟值比较

图6 长期不同施肥处理土壤有机碳的实测值与模拟值比较

图7 RothC模型模拟不同施肥处理的土壤有机碳库组成变化

图8 不同施肥处理下小麦和玉米碳投入占总碳投入的比例及其对新形成SOC的贡献

表3 不同施肥处理作物残体的固碳效率

3 讨论

3.1 RothC模型DPM/RPM值的改进

大量的腐解试验结果表明，有机物料的腐解速率与其类型或化学组分密切相关[19-21]。多数SOC模型已将物料性质（例如：lignin和N素含量，或lignin﹕N比值）作为变量参数应用于有机物料碳库组分的划分[22-23]。例如，基于室内培养试验和田间填埋试验的结果，Agro-C模型[22]将初始N素（g·kg-1）及Lignin（g·kg-1）含量作为决定植物残体分解速率的重要指标，其易分解组分的比例为：FLC= (150 + 1.50 N - 0.57 Lignin)/100。CENTURY模型[23]通过初始lignin﹕N比值计算物料的易分解比例（Fm），即Fm = 0.99 - 0.018 Lignin﹕N。然而，不同于其他模型，初始版本的RothC模型仅笼统地划分了植物性有机物料（DPM﹕RPM = 0.59﹕0.41）和农家肥（DPM﹕RPM﹕HUM = 0.49﹕0.49﹕0.02）的碳库组分，未深入考虑植物类型或物料性质对碳库组分及其分解速率的影响。尽管RothC模型已经过了广泛的验证，尤其是以作物根茬和有机肥归还为主农田系统[4-5,10]，但越来越多的研究发现，在默认参数的情况下RothC可能高估了秸秆还田处理的SOC[7-8,10]。本文基于不同有机物料的腐解试验和RothC模型逆向模拟技术，构建了动态变量参数DPM与Lignin﹕N之间的定量关系，即FDPM= 0.96 - 0.011 Lignin﹕N（图4），并利用短期腐解试验和长期定位试验数据进行了验证，获得了较好的模拟效果（图5）。然而，同一有机物料中易分解或活性碳库比例在不同模型间存在明显的差异，这主要取决于各模型对碳库周转速率的界定。例如，易分解或活性碳库的周转速率在RothC、CENTURY和Agro-C分别为10、14.6和9.5 a-1 [16, 22-23]。

3.2 潮土区作物根系与秸秆对新形成SOC的贡献率

本研究中，小麦根系对新形成SOC的贡献率（50%—71%）大于玉米根系和秸秆的贡献率（22%—40%），这与相关研究结果类似。Wang等[24]通过测定郑州、杨凌和乌鲁木齐3个长期试验站冬小麦-夏玉米轮作体系土壤13C的变化，分析得出玉米残体（根系与秸秆）对SOC贡献率往往不超过40%，远低于小麦残体对SOC的贡献（＞60%）。Qiao等[25]通过长达22年的定位试验发现，小麦连作区SOC总量与玉米连作区无显著差异，但前者源于小麦根系的SOC占总SOC的比例远大于后者源于玉米根系的SOC比例。扣除碳投入量差异的影响，小麦残体的固碳效率达到15.5%—17.5%，是同一处理玉米残体固碳效率（10.8%—11.4%）的1.44—1.54倍。其原因可能是小麦残体的C﹕N和lignin﹕N均较玉米高（表1），会降低微生物的分解活动。

4 结论

4.1 通过修订DPM/RPM参数，获得改进的Roth C模型，经郑州短期腐解试验和长期试验数据的验证，说明其可用来探究小麦和玉米残体对SOC的贡献。

4.2 在华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统中，无论不施肥、平衡施肥还是秸秆还田处理，小麦根系对新形成SOC的贡献率（50%—71%）均大于玉米根系和秸秆的贡献率（22%—40%）。

4.3 华北平原小麦-玉米轮作体系，小麦根系的固碳效率是玉米的1.5倍。增加小麦凋落物的归还较玉米秸秆还田更有利于提升SOC含量。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Contributions of Wheat and Corn Residues to Soil Organic Carbon Under Fluvo-Aquic Soil Area—Based on the Modified RothC Model

ZHAO Ya-wen1, WANG Jin-zhou1, WANG Shi-chao1, WU Hong-liang1, HUANG Shao-min2, LU Chang-ai1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Henan Soil and Fertilizer Station, Zhengzhou 450002)

【Objective】 In order to explore the effect of straw retention on SOC（soil organic carbon）content, the contributions of wheat and corn residues (root and straw) to SOC under fluvo-aquic soil area were studied, which have a great significance to take technical measures to promote SOC content of winter wheat-summer corn rotation system.【Method】The optimized DPM/RPM values (the ratio of decomposable plant material to resistant plant material) of different residues in Roth C-26.3 model was adjusted on the basis of the remaining rates of different organic materials after their decomposition. The modified model was validated with the data obtained from the short-time decomposition experiment (2012.11-2013.11) and the long-term trial conducted in Zhengzhou (1990-2008). Based on the optimized DPM/RPM parameters of Roth C-26.3 model, the contributions of wheat and corn residues to SOC in winter wheat-summer corn rotation system in northern China under three different fertilizer treatments (no fertilizer CK, chemical fertilizer NPK, chemical fertilizer combined with straw NPKS) were simulated. 【Result】DPM/RPM values of wheat root (WR), wheat straw(WS), corn root (CR), corn straw (CS) were 0.89, 3.04, 4.35 and 3.25, respectively, when the model was in optimal condition. It showed that in CK treatment, the carbon input derived from wheat root and corn root were 50%, respectively, while the contributions of wheat root and corn root to newly-formed soil organic (0-20 cm) were 60% and 40%, the retention coefficients of wheat root and corn root were 15.5% and 10.8%, respectively; in NPK treatment the carbon input derived from wheat root and corn root were 60% and 40%, respectively, while the contributions of wheat root and corn root to newly-formed soil organic (0-20 cm) were 71% and 29%, the retention coefficients of wheat root and corn root were 17.5% and 11.4%, respectively; in NPKS treatment the carbon input derived from wheat root and corn root were 47%, 21% and 32%, respectively, while the contributions of wheat root and corn root to newly-formed soil organic (0-20 cm) were 50%, 22% and 28%, the retention coefficients of wheat root and corn root were 16.9%, 11.2% and 11.4%, respectively. In a word, the contribution of wheat residue (50% -71%) to newly-formed SOC was greater than corn residue (22%-40%) in winter wheat-summer corn rotation system in north China whether no fertilization, balanced fertilization or straw returned. The ratio of SOC derived from wheat to newly-formed SOC was greater than the proportion of the carbon input from wheat to total carbon input, instead of the carbon input of corn and its contribution to newly-formed SOC. The carbon efficiency of wheat root (15.5% -17.5%) was more than the carbon efficiency of corn root and corn straw (10.8% -11.4%).【Conclusion】The modified RothC model can be used to explore the contributions of wheat and corn residues to newly-formed SOC in fluvo-aquic soil area. The contribution of wheat root to SOC was greater than corn root in winter wheat-summer corn rotation system in the north China and the retention coefficient of corn root was greater than the corn straw in NPKS treatment, so the application of root residues (especially wheat roots) could promote the soil organic carbon stock.

RothC model; wheat residue; corn residue; soil organic carbon; fluvo-aquic

2016-05-06；接受日期：2016-09-05

国家973计划课题（2013CB127404）、国家公益性行业（农业）科研专项经费项目（201203030）

联系方式：赵雅雯，E-mail：zhaoyawen0122@163.com。通信作者卢昌艾，E-mail：luchangai@caas.cn