不同作物对连作玉米田土壤总有机碳与颗粒有机碳的影响

刘彩霞，薛建福，杜天庆，高志强，崔福柱，孙敏，翟红梅,杨舒添

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

山西位于黄土高原东部，是中国玉米种植面积较大省份之一。由于玉米的大面积种植及多年连作造成土壤退化、养分失衡，进而土壤有机碳含量降低[1～3]。土壤是陆地系统最大的碳库，是作物生长进行物质和能量交换的重要场所[4]。土壤有机碳是土壤的重要组成成分，对于防止土壤退化，改善土壤质量以及缓解气候变化等有重要的生态意义[5]。众多研究表明，土壤有机碳的含量受到农田管理措施(如施肥与耕作)、作物类型以及气候等影响[6, 7]。轮作能够改变作物根系的数量和种类，用养结合，进而影响土壤有机碳含量[8, 9]。不同轮作模式因作物根系分布、作物的生物量以及土壤微生物群落等原因对土壤有机碳含量影响不同[10]。魏艳春等[11]研究表明，粮-草长周期轮作处理土壤总有机碳含量在20～40 cm土层较粮豆短周期轮作和玉米连作分别增加7%和17%。也有研究表明，长期玉米连作及根茬还田后土壤肥力并未下降且有机质含量呈增加趋势[12～14]。土壤有机碳一般以稳定的形态存在，难以反映农田管理措施对土壤有机碳的影响，而土壤有机碳组分如颗粒有机碳，是有机质中的慢库，对土壤环境和农田管理措施比较敏感，是评价土壤质量的有效指标[15]。颗粒有机质一般占土壤碳库的10%以上[16]。Mrabet et al[17]研究表明，小麦与粮草轮作较连作小麦能够明显增加土壤颗粒有机碳含量。此外，表层土壤有机质对于土壤养分保持与提高土壤抗侵蚀能力等有重要的作用，常用土壤层化率来进一步评价土壤质量[18]。研究表明，无论土壤和气候条件如何，一般而言，土壤层化率越高表明土壤质量越好，且一般退化土壤的有机碳层化率小于2[18]。土壤总有机碳及颗粒有机碳层化率受耕作、种植制度、作物轮作等因素的影响[19,20]。目前，大多研究都集中于耕作方式、秸秆还田以及施肥等对土壤碳库的影响[21～23]，而关于种植不同作物对连作玉米田土壤总有机碳及颗粒有机碳的影响的研究较少。

本文以连作玉米田土壤为研究对象，系统研究了豆科作物红芸豆、大豆以及禾本科作物高粱对连作玉米田土壤总有机碳、颗粒有机碳含量及层化率的影响，并进一步揭示了连作玉米田土壤层化规律，估算了连作玉米田在种植不同作物后的土壤碳储量。研究结果可为优化土壤碳库管理、改善土壤肥力与提高土壤质量提供一定的理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西农业大学试验站(112°59′E，37°42′N)。该试验田于2005-2016年连续11年种植玉米。该地区属温带季风气候，平均海拔约802 m，年平均气温9.7 ℃，年降水量461.9 mm且降雨主要集中在6～8月份。试验田土壤类型为褐土，成土母质富含石灰，土层深厚，地势平坦，肥力较好。2017年播前采集0～30 cm土层土样进行测定，其供试土壤基本理化性状见表1。

表1 播前土壤耕层(0～30 cm)基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical characteristics of soil tillage (0～30 cm) before sowing

1.2 试验设计与田间管理

试验于2017年4-9月山西农业大学试验站11年连作玉米田进行。采用单因素随机区组设计，设4个处理，每个处理3次重复，共12个小区；小区面积30 m2(6 m×5m)。供试材料分别为高粱(CSM)、红芸豆(CRK)、大豆(CSN)和玉米(CCN)，品种分别为晋杂22号、英国红芸豆、晋大78号和大丰30。播前复合肥750 kg·hm-2(N-P2O5-K2O=24-14-6)作基肥，4月26日人工开沟播种，开沟深度为4 cm。田间管理按常规大田管理方法进行。

1.3 土样采集与测定

于2017年9月25日全部收获时，采用“五点取样法”在每个小区分层(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm)采集土样，自然风干后剔除作物残茬与石砾等杂物，过2 mm和0.25 mm的筛子，用于测定土壤颗粒有机碳含量及土壤总有机碳含量。

1.3.1 土壤颗粒有机碳含量的测定

采用六偏磷酸钠提取法进行测定[24]。称取10.0 g过2 mm筛的土样于50 mL塑料瓶中，加5 g·L-1六偏磷酸钠溶液30 mL，摇匀后置于摇床上(220 r·min-1)震荡18 h，再把土壤悬液过53 μm筛，用蒸馏水冲洗，除去植物根系等杂物，将剩余物质洗至事先称重的铝盒，于60 ℃烘干后称重。计算烘干后土样重占整个土样的比例，即为土壤颗粒组分比例[25, 26]。

将烘干后的土样磨至过0.15 mm筛，取一定质量的土样分析烘干样品中总有机碳含量(土壤总有机碳含量采用重铬酸钾稀释热法[27, 28]测定)，并计算供试土壤样品中颗粒有机碳含量。计算公式如下:

式中，Wpoc为颗粒有机物所占土壤质量的比例/%，M1为待测土样的重量/g，M0为过筛后的烘干土壤重量/g。

Ct-poc=Cpoc×Wpoc

式中，Ct-poc为供试土壤中颗粒态有机碳的含量/g·kg-1，Cpoc为土壤颗粒组分中有机碳的含量/g·kg-1。

1.3.2 土壤有机碳储量的计算

采用等质量法计算0～30 cm各土层的土壤有机碳储量[29]。

Msoc,i=ρb,i×TI×Csoc,i×0.001×10 000

式中，Msoc,i为第i土层的土壤有机碳储量/T·hm-2，Ti为第i层土壤厚度/m，ρb,i为土壤容重/g·cm-3，Csoc,i为第i层土壤总有机碳含量/g·kg-1。0.001与10 000均为单位转换系数(0.001为质量单位kg换算为T的换算系数，10 000为面积单位m2换算为hm-2的换算系数)。

1.3.3 土壤层化率的计算

土壤层化率是表层土壤总有机碳(或颗粒有机碳)含量与其余土层总有机碳(或颗粒有机碳)含量的比值[18]。本试验土壤层化率采用表层0～5 cm的土壤总有机碳(颗粒有机碳)含量与其余各土层土壤总有机碳(颗粒有机碳)含量比值进行计算分析。

1.4 数据处理

数据的统计分析选用SPSS 16.0软件，不同指标不同处理之间平均值的显著性比较采用新复极差法(Duncan)。运用SigmaPlot 12.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同作物对土壤总有机碳含量的影响

不同处理在0～40 cm土层总有机碳含量范围为3.70～10.26 g·kg-1(图1)。总体而言，除CRK处理在30～40 cm土层有机碳含量增加外，其余处理的有机碳含量随着土层深度的增加整体呈降低的变化趋势。0～5 cm土层，与CCN相比，CSM处理土壤总有机碳含量降低了7.52%，且差异达到了显著水平，而CRK、CSN和CCN处理之间总有机碳含量无显著性差异(P<0.05)。5～10 cm土层，各处理土壤总有机碳含量从高到低分别为CRK>CCN>CSM>CSN，且不同处理之间差异显著(P<0.05)。其中， CSN和CSM处理分别较CCN处理低19.94%和7.51%(P<0.05)。CCN、CRK和CSM处理在10～20 cm土层土壤总有机碳含量分别为8.64、8.75和8.65 g·kg-1，CSN处理较CCN处理低13.67%(P<0.05)。在20～30 cm土层，CCN处理的总有机碳含量分别比CRK、CSM和CSN增加17.47%、18.17%和36.50%。在30～40 cm土层不同处理土壤总有机碳含量变化呈现出明显的差异，CRK处理土壤总有机碳含量最高，为8.94 g·kg-1，较CCN处理显著增加23.55%。与CCN处理相比，CSN和CSM处理分别降低3.53和2.87 g·kg-1(P<0.05)。

2.2 不同作物对土壤有机碳储量的影响

不同处理0～30 cm 土层土壤有机碳储量范围为4.64～12.30 T·hm-2(图2)。CSN处理在0～5 cm土层土壤有机碳储量最高，为6.60 T·hm-2，与CCN、CRK和CSM处理差异显著(P<0.05)。CRK处理在0～5 cm土层土壤有机碳储量最低，且与CCN处理差异达到显著水平(P<0.05)。随着土层深度的增加，CSN处理土壤有机碳储量在5～10 cm土层降低。与CCN处理相比，CSM和CSN处理分别降低1.89%和20.71%，CRK处理增加1.19%。10～20 cm和20～30 cm土层CCN处理土壤有机碳储量最高，分别为11.89 T·hm-2和12.30 T·hm-2。其中，在10～20 cm土层，CSM处理与CCN处理之间无显著性差异，而CSN和CRK处理较CCN处理分别显著降低1.62 T·hm-2和1.29 T·hm-2(P<0.05)。不同处理在20～30 cm土层土壤有机碳储量表现为CCN>CSM>CRK>CSN，且不同处理之间差异达到显著水平(P<0.05)。

图1 不同作物对土壤总有机碳含量的影响Fig.1 Effect of different crops on soil total organic carbon content

图2 不同作物对土壤有机碳储量的影响Fig.2 Effect of different crops on soil total organic carbon reserves

2.3 不同作物对土壤颗粒组分比例的影响

不同处理在0～40 cm土层土壤颗粒组分比例约为33.97%～44.13%，且CCN处理下土壤颗粒组分比例最低(图3)。0～5 cm土层CRK处理土壤颗粒组分比例较CCN处理显著增加11.81%，CSM和CSN处理土壤颗粒组分比例分别为41.10%和39.77%，且与CCN处理差异不显著(P<0.05)。CCN、CSM、CSN和CRK处理在5～10 cm土层土壤颗粒组分比例分别为37.47%、40.36%、37.60%和41.16%。与CCN处理相比，CSM、CSN和CRK处理在10～20 cm土层分别增加5.66%、10.89%和14.74%(P<0.05)。CRK处理在20～30 cm土层土壤颗粒组分比例最高，为44.13%，CSN处理次之，CSM处理较低，CCN处理最低，仅为36.57%，且不同处理之间差异达到显著水平(P<0.05)。CRK和CSN处理在30～40 cm土层较CCN处理分别增加14.71%和10.18%，CSM处理与CCN处理之间差异不显著(P<0.05)。

图3 不同作物对土壤颗粒组分比例的影响Fig.3 Effect of different crops on the ratio of soil particle components

2.4 不同作物对土壤颗粒有机碳含量的影响

不同处理0～40 cm土层土壤颗粒有机碳含量范围约为1.36～5.46 g·kg-1(图4)。与土壤颗粒组分比例不同，0～40 cm土层CSN处理土壤颗粒有机碳含量最低，除5～10 cm土层CSM处理土壤颗粒有机碳含量最高外，其余土层均为CRK处理土壤颗粒有机碳含量最高。与CCN处理相比，CRK处理在0～40 cm土层均显著高于CCN处理(P<0.05)。CSM处理在5～10 cm和10～20 cm土层较CCN处理分别增加51.25%和32.07%，而在0～5 cm和30～40 cm土层与CCN处理差异未达到显著水平(P<0.05)。与CCN处理相比，CSN处理在5～10 cm和10～20 cm土层分别降低0.49 g·kg-1和0.46 g·kg-1，而在其余土层均显著低于CCN处理(P<0.05)。不同处理在20～30 cm土层表现为CRK>CCN>CSM>CSN，各处理之间差异显著(P<0.05)。

图4 不同作物对土壤颗粒有机碳含量的影响Fig.4 Effect of different crops on the soil organic carbon content

2.5 不同作物对土壤总有机碳及颗粒有机碳层化率的影响

不同处理0～5 cm土层与其他各土层的总有机碳层化率和颗粒有机碳层化率分别介于1.03～2.76和0.74～2.47之间(图5)。

不同土深比下CSN处理的总有机碳层化率显著高于其他处理(P<0.05)。与CCN处理相比，CSN处理分别增加0.30、0.21、0.50和1.38(P<0.05)。CCN、CSM和CRK处理0～5∶5～10总有机碳层化率分别为1.06、1.03和1.03。CSM处理0～5∶10～20总有机碳层化率较CCN处理降低0.09，而0～5∶30～40总有机碳层化率较CCN处理增加53.58%(P<0.05)。与CCN处理相比，CRK 处理0～5∶20～30总有机碳层化率显著增加21.13%，而其余土深比CRK处理总有机碳层化率与CCN处理之间无显著性差异(P<0.05)。

随着土层深度的增加，不同处理颗粒有机碳层化率呈增加的变化趋势，且不同处理之间颗粒有机碳层化率差异性较小(图5，b)。CSM处理0～5∶5～10和0～5∶10～20土壤颗粒有机碳层化率分别为0.74、0.89，较CCN处理分别降低26.73%、16.82%，而CSM处理0～5∶20～30颗粒有机碳层化率较CCN处理增加2.76%(P<0.05)。与CCN处理相比，CRK处理不同土深比下颗粒有机碳层化率差异均不显著(P<0.05)。CSN处理0～5∶10～20土壤颗粒有机碳层化率较CCN处理降低0.17，而其余土深比下颗粒有机碳层化率与CCN处理差异均未达到显著水平(P<0.05)。

图5 不同作物对土壤总有机碳及颗粒有机碳层化率的影响Fig.5 Effect of different crops on soil total organic carbon and granular organic carbon stratification rate

3 讨论与结论

土壤总有机碳能够改善土壤质量，调节土壤养分的转化与循环。土壤总有机碳含量受作物种类和土层深度的影响而表现出不同的差异。一般而言，土壤总有机碳含量随着土层深度的增加均呈降低的趋势[30]。本试验研究结果显示CCN、CSM和CSN处理随着土层深度的增加土壤总有机碳含量均呈降低趋势，而CRK处理在30～40 cm土层土壤总有机碳含量显著增加。这可能是由于红芸豆植株矮小，根茎粗且根系短小，在30～40 cm土层土壤扰动较少。且与其他作物相比，红芸豆植株生育期较短，收获时间较早，后期对土壤养分的需求较少。因此，CRK处理在30～40 cm土层土壤总有机碳含量增加。而表层土壤因作物收获加速土壤有机碳矿化分解，总有机碳含量降低。豆科作物根瘤具有固氮作用，在增加土壤氮素的同时还能够提高土壤总有机碳的含量[11]。研究表明，豆科与禾本科轮作能够增加土壤总有机碳含量[31, 32]。本试验中CSN处理在5～40 cm土层显著低于CCN、CRK和CSM处理。研究认为，农田中的有机碳主要来源于施肥量、作物根系、地上部凋落物以及微生物群落等，且农田输入与输出量的差值决定最终土壤有机碳含量[33, 34]。本试验中前茬玉米收获后根茬还田并在作物播种前施肥可能是造成本试验结果的重要原因。其次，植株根系对于固碳机制的贡献有重要意义，玉米根系分泌物较大豆根系分泌物能够增加总碳量[35]。

土壤有机碳储量对于全球气候变化和农业的可持续发展具有重要意义[34]。本试验分析得出，CCN处理在5～30 cm土层土壤有机碳储量较高。杨艳[36]研究表明，玉米连作田较小麦-玉米轮作田更有利于碳储量的保存。此外，本试验中CSN处理增加了0～5 cm土层土壤有机碳储量，CRK处理较CSM和CCN处理增加了5～10 cm土层土壤有机碳储量。表明豆科作物可以增加表层(0～10 cm)土壤有机碳储量。

土壤颗粒有机碳周转速度较快，能够敏感的反映作物残体归还量和有机碳的周转情况[37]。不同作物对土壤颗粒有机碳的影响不同[38]。本试验研究结果表明，与CCN处理相比，CRK处理增加了0～40 cm土层土壤颗粒有机碳含量，CSM处理仅增加了0～20 cm土层土壤颗粒有机碳含量，而CSN处理则降低了土壤颗粒有机碳含量。土壤颗粒有机碳由未完全分解的植物残体和根系残体组成，对于表层土壤的植物残体积累和根系分布较敏感[24, 39]。红芸豆生育期较其他作物短，其植株叶片凋落以及根系分泌物为土壤微生物提供更多有机质。与玉米和高粱植株根系相比，大豆植株属于直根系，根系不发达，且在耕层分布面积较小。黄瑞冬等[40]研究发现玉米和高粱植株高大，根系特征差异较小，但高粱植株根系较玉米吸收能力强，而玉米根系体积、长度和表面积均高于高粱。

土壤总有机碳和颗粒有机碳层化率对于评价土壤质量和土壤固碳有重要的研究意义[41]。了解种植作物对土壤层化率的影响，有助于分析各处理土壤性状在土壤剖面的分布情况。本试验中，随着土层深度的增加，总有机碳层化率和颗粒有机碳层化率整体呈增加的变化趋势。这与前人研究结果基本类似[41, 42]。研究发现，CSN处理土壤总有机碳层化率较高，而CCN、CSM和CRK处理差异较小。表明CSN处理表层土壤总有机碳富集，而其他处理土壤总有机碳在耕层空间分布更加均匀。此外，不同的气候条件、土壤类型、田间管理措施以及耕作措施都会影响土壤有机碳库的变化进而影响土壤层化率，进一步分析不同机制对土壤有机碳库的影响对于土壤固碳和农业可持续发展具有重要意义。

综上，在连作玉米田种植大豆和高粱对于增加土壤总有机碳和颗粒有机碳含量效果不明显，而种植红芸豆明显增加了连作玉米田5～10 cm和30～40 cm土层土壤总有机碳含量，有利于提高耕层土壤颗粒组分比例和颗粒有机碳含量，对于土壤固碳、改善土壤质量和环境提供参考依据。但因试验年限有限，对于长期种植不同作物对连作玉米田土壤总有机碳和颗粒有机碳的影响还需进一步定位研究。