耕作方式和秸秆还田对砂姜黑土碳库及玉米小麦产量的影响

叶新新，王冰清，刘少君，马 超，李军利，柴如山，熊启中，李虹颖，郜红建

耕作方式和秸秆还田对砂姜黑土碳库及玉米小麦产量的影响

叶新新1，王冰清1，刘少君1，马 超1，李军利1，柴如山1，熊启中1，李虹颖2※，郜红建1

（1. 安徽农业大学资源与环境学院 农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，合肥 230036；2. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所，合肥 230001）

长期秸秆还田免耕覆盖措施导致沿淮区域砂姜黑土耕层变浅、下表层（10～30 cm）容重增加、土壤养分不均衡等问题凸显，限制了小麦-玉米周年生产力的提高。耕作和秸秆还田措施合理的搭配组合是解决这一问题的有效方法。通过8 年的小麦-玉米一年两熟田间试验，设置4个处理：1）玉米季免耕-小麦季免耕秸秆不还田（N）；2）玉米季深耕-小麦季深耕秸秆不还田（D）；3）玉米季秸秆免耕覆盖还田+小麦秸秆免耕覆盖还田（NS）；4）玉米季秸秆免耕覆盖还田+小麦季秸秆深耕还田（DS）。通过分析作物收获后不同土壤深度（0～60 cm）总有机碳（TOC）、颗粒态碳（POC）、微生物生物量碳（MBC）、易氧化态碳（KMnO4-C）、可溶性有机碳（DOC）和土壤碳库管理指数（CPMI），并结合小麦-玉米的周年产量变化，以期获得培肥砂姜黑土的最佳模式。研究结果表明：1）相对于长期免耕措施（N），DS处理能够提高0～30 cm 土层TOC、POC、MBC、KMnO4-C等组分含量和CPMI；而NS措施仅提高土壤表层（0～10 cm）TOC、活性有机碳组分含量和CPMI；2）DS处理显著提升了小麦-玉米的周年生产力，其麦玉的周年产量均值分别比N、D和NS处理高出14.7%、12.9%和8.5%；3）MBC和KMnO4-C对于耕作和秸秆还田措施都是较为敏感指示因子。总的来说，玉米季小麦秸秆覆盖还田+小麦季玉米秸秆深耕还田（DS）是改善沿淮地区砂姜黑土土壤碳库、提高小麦-玉米周年产量的一种有效农田管理模式。

作物；耕作；秸秆；土壤碳库；作物产量

0 引 言

沿淮地区是安徽省以至全国重要的粮食生产基地，但该区域仍有60%的农田属于中低产田，其主要土壤类型是砂姜黑土，约占全省旱地总面积的40%[1-2]。小麦-玉米一年两熟是沿淮地区砂姜黑土的主要种植模式[3]。近年来采用的免耕秸秆覆盖模式可提高该地区砂姜黑土保蓄能力和水分有效性，而长期免耕措施会导致土壤紧实、养分层化加剧以及耕层变浅[4]；传统耕作措施虽能降低土壤容重和紧实度，但长期实施不利于土壤有机碳累积[5]。由于该区域不合理的农田管理措施导致了一系列土壤质量问题逐渐凸显，已经成为制约小麦-玉米持续高产、稳产的新问题[6]。因此，进一步优化耕作和作物秸秆管理措施对于提高该区域土壤肥力状况和作物产量至关重要。

土壤耕作和秸秆还田措施是影响农田土壤碳库周转、土壤肥力和作物产量的关键因素[7-8]。大量研究表明，免耕秸秆覆盖能够提高砂姜黑土土壤总氮、总钾、碱解氮和速效钾含量，提高土壤有机质含量和碳库管理指数[9-10]；但是由于免耕措施会增加土壤容重和紧实度，不能打破砂姜黑土耕层的原状土，导致作物出苗率较低，进而降低作物产量[11]。深耕可减少砂姜黑土土壤压实，增加作物水分吸收，改善作物根系生长条件，提高作物产量[12]，但会加剧土壤有机质分解并降低土壤肥力。有研究表明，秸秆还田措施可以提高土壤中总有机碳（TOC）、颗粒态碳（POC）和微生物生物量碳（MBC）等有机碳组分的含量，改善土壤肥力[13-14]。因此，将不同的耕作措施和秸秆还田进行合理的组合和配置，形成适宜推广的周年轮耕模式，可减轻单一耕作方式的弊端[15]。目前，有关耕作与秸秆还田周年组合措施对沿淮地区砂姜黑土小麦-玉米种植体系中不同深度土壤碳库的变化和分布以及作物产量的影响，缺乏较为系统研究。本文利用在沿淮地区小麦-玉米周年生产条件下8 a长期田间定位试验，研究耕作方式、秸秆还田方式及二者周年组合方式对不同深度土壤总有机碳、活性有机碳组分含量和分布以及小麦-玉米周年产量的影响，探明适合于该区域的最佳农田管理措施，为沿淮区域砂姜黑土地力提升和作物高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于中国安徽省阜阳市临泉县（32°56′N，115°11′E）。该地区属暖温带半湿润气候，年平均气温为16.2 ℃，年平均降水量为830 mm。试验地土壤类型属于典型的砂姜黑土。试验开始时土壤基本理化性质：耕层土壤有机质10.3 g/kg，全氮0.96 g/kg，有效磷47.3 mg/kg，速效钾133.5 mg/kg，pH值6.8。

1.2 试验设计与田间管理

田间试验开始于2009年6月，设置4个处理：1）玉米季免耕-小麦季免耕秸秆不还田（N）；2）玉米季深耕-小麦季深耕秸秆不还田（D）；3）玉米季秸秆免耕覆盖还田+小麦秸秆免耕覆盖还田（NS）；4）玉米季秸秆免耕覆盖还田+小麦季秸秆深耕还田（DS）。试验采用随机区组设计，小麦-玉米一年两熟种植制度，3次重复，小区面积为600 m2（60 m×10 m）。

夏季玉米，每年6月种植，10月收获，品种为天泰16，种植密度67 500 株/hm2，株距24.7 cm，行距60 cm；冬季小麦每年10月种植，第二年6月收获，品种为烟农19，播种量为187.5 kg/hm2，行距23 cm。耕作深度为30 cm。小麦每年化学肥料施用量分别为N 225 kg/hm2（尿素，46%），P2O590 kg/hm2（过磷酸钙，12%）和K2O 90 kg/hm2（氯化钾，60%），玉米每年化学肥料施用量为N 240 kg/hm2（尿素，46%），P2O590 kg/hm2（过磷酸钙，12%）和K2O 90 kg/hm2（氯化钾，60%）。70%的氮肥、全部磷肥和钾肥均作为基肥施用，其余30%氮肥用于小麦的拔节期和玉米的大喇叭口期施用。收集的小麦玉米秸秆粉碎成3～5 cm。小麦秸秆均匀地平铺在地表，施入量为6 000 kg/hm2；玉米秸秆通过深耕措施（铧式犁翻地1遍，再用旋耕机旋地2遍）施入土壤，均匀分布在0～30 cm 土壤深度，施入量为7 500 kg/hm2。

1.3 土壤样品的采集

2017年6月小麦收获后，按“Z”形布点法采集土壤样品，在每个小区内采集9个土壤样品混合，每个点位采集6个土层（0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm）。每个土壤混合样品分为2份，一份用于测定土壤总有机碳、活性有机碳、可溶性有机碳等指标，另一份样品于4℃冰箱中保存用于测定土壤微生物量碳等指标。

1.4 土壤样品分析测试方法

采用常规分析方法测定土壤理化性质[16]；采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定土壤MBC含量[16]；采用高锰酸钾氧化法（333 mmol/L KMnO4溶液）测定土壤活性有机碳（易氧化态碳，KMnO4-C）含量，土壤非活性有机碳含量=土壤总有机碳含量－土壤活性有机碳含量[17]；采用0.5 M K2SO4浸提法测定土壤DOC含量[18]；采用六偏磷酸钠分散-重铬酸钾-浓硫酸外加热氧化法测定土壤POC含量[19]。

1.5 数据计算与分析

土壤碳库管理指数采用Blair等[20]提出的方法计算，选取免耕秸秆不还田处理（N处理）作为参照土壤，计算方法如下：

碳库指数（CPI）＝样品土壤总有机质含量/参照土壤总有机质含量；

碳库活度（L）＝样品土壤活性有机质含量/样品土壤非活性有机质含量；

活度指数（LI）＝样品土壤碳库活度（L）/对照土壤碳库活度（L0）；

土壤碳库管理指数（CPMI）＝CPI×LI×100

土壤碳库管理指数计算的数据来自2017年6月采集土壤样品分析测定数据。

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理和图形绘制，SPSS 18.0 软件进行不同处理间各指标的差异性及相关性的统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤总有机碳TOC的变化

在0～10 cm土层，NS处理土壤TOC含量显著高于其他3种处理（＜0.05）。在10～30 cm的土层中，DS处理土壤TOC含量最高，NS处理土壤TOC含量明显降低（图1）。在10～20 cm的土层，DS处理土壤TOC含量分别比N、D和NS处理高22.3%、26.3%和27.8%；在20～30 cm土层，相应的值分别为31.9%、25.4%和28.9%。在40～60 cm土层，4种处理的土壤TOC含量没有显著差异。

注：N：玉米-小麦免耕秸秆不还田；D：玉米-小麦深耕秸秆不还田；NS：玉米-小麦免耕覆盖还田；DS：玉米免耕覆盖还田+小麦深耕还田；*表示同一深度不同处理间差异显著，ns表示同一深度不同处理间差异不显著，不同小写字母代表同一深度处理间差异显著，P＜0.05，下同。

2.2 土壤活性碳组分的变化

由图2a可知，土壤颗粒态碳POC含量受耕作方式和秸秆还田的影响显著。在0～10 cm土层，秸秆还田处理（NS和DS）土壤POC含量显著高于非秸秆还田处理（N和D）。土壤POC含量随深度增加而减少，NS处理更显著。在10～20 cm土层，DS处理具有最高的POC含量，其次是N处理，最后是NS和D处理。在20～30 cm土层，DS处理具有最高的POC含量，其含量较N、D和NS处理分别增加了44.1%、29.3%和24.1%。然而，在40～60 cm土层中，4种处理的土壤POC含量差异均未达到显著水平（图2a）。

在0～10 cm土层，NS处理土壤中KMnO4-C含量最高，比N、D和DS处理分别增加了51.6%、74.1%和20.5%。在10～30 cm土层，DS处理的KMnO4-C含量显著高于其他3个处理，并且这3个处理间KMnO4-C含量无显著差异。在土层40～60 cm中，4种处理的KMnO4-C含量没有出现显著性差异（图2b）。

在0～30 cm土层中，耕作和秸秆还田措施显著影响土壤MBC含量（图2c）。在0～20 cm土层中，秸秆还田处理（NS和DS）土壤MBC含量显著高于无秸秆还田处理（N和D）；在20～30 cm土层中，耕作处理（DS和D）土壤MBC含量显著高于免耕处理（NS和N）（图2c）。

在0～10 cm土层的秸秆还田处理（NS和DS）DOC含量显著高于无秸秆还田处理（N和D）。在10～60 cm的土层，4种处理DOC含量没有显著差异（图2d）。

图2 不同处理下0～60 cm土层POC、KMnO4-C、MBC和DOC含量（2017年6月）

2.3 土壤碳库管理指数

NS处理显著提高了0～10 cm土层土壤CPMI，其值较N、D和DS处理提高65.6%、90.5%和23.9%；在10～30 cm土层，DS处理的CPMI最高，其次是D处理，最后是N和NS处理（表1）。该结果也表明NS处理主要提高的是0～10 cm土层土壤CPMI，而DS处理主要提高10～30 cm土层土壤CPMI。

表1 不同处理0-30 cm土壤深度中土壤碳库管理指数

注：同一深度不同小写字母代表处理间差异达显著水平，＜0.05.

Note: Different lowercase letters in the same depth mean significant difference,＜0.05.

2.4 土壤活性碳组分与TOC的相关性

表2是土壤活性碳组分与TOC在土壤深度0～10、10～20和20～30 cm的相关性分析。除DOC外，在0～10 cm和10～20 cm土壤深度，TOC与其余土壤活性碳组分存在显著或极显著相关性。然而，在20～30 cm土层TOC与POC和DOC均没有明显的相关性。

表2 0～30 cm土层土壤活性碳组分与TOC的相关性（n=18）

注：*<0.05，**<0.01.

Note:*<0.05，**<0.01.

2.5 小麦-玉米周年产量

图3显示的是2010－2017年间不同处理条件下小麦-玉米的周年总产量。8 a时间内，小麦-玉米的周年总产量是逐年波动的。2010－2013年，不同处理间产量没有显著差异。在2013年以后，DS处理的增产效果最好（<0.05），其次是NS处理，秸秆不还田的两个处理（N与D）产量最低。DS处理的麦玉的周年总产量均值最大，其值分别比N、D和NS处理高出14.7%、12.9%和8.5%。与其他3种处理相比较，周年耕作和秸秆还田组合措施（DS）作物产量显著提高。秸秆还田措施可以持续补充土壤有机质，并且秸秆腐解矿化可以为作物的生长提供大量的营养元素，促进作物的生长。但是，砂姜黑土耕作层浅，犁底层厚而坚实，土壤通透性差；连续周年免耕秸秆还田措施会增加土壤的容重和紧实度，从而影响作物的出苗及其后期的正常生长。DS处理可以降低砂姜黑土根际层的土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤肥力和养分，促进作物增产。

图3 2010－2017年间不同处理方式下小麦-玉米的周年总产量

3 讨 论

秸秆还田和耕作方式对土壤TOC、POC、MBC和KMnO4-C的垂直分布有明显的影响。本研究中，在0～10 cm土层，NS和DS处理的土壤TOC、POC、MBC和KMnO4-C含量显著高于N和D处理，这表明秸秆覆盖可以增加土壤表层TOC、POC、MBC和KMnO4-C含量。NS处理的TOC、POC、MBC和KMnO4-C含量随着土壤深度的增加呈现显著下降的趋势，这是由于深层土壤缺少作物秸秆的输入[21]。DS处理，与其他3种处理相比，显著提高了10～30 cm土层中TOC、POC、MBC和KMnO4-C含量。这是由于深埋的作物残茬和秸秆经过腐解所形成的有机化合物，可以提高深层土壤TOC含量[22]，并作为稳定团聚体的粘合剂保护团聚体内碳以颗粒态有机质的形式存在[23]。同时，由于土壤微生物可以充分利用作物秸秆作为其生长的碳源，增加了土壤MBC的含量[24]。因此，组合管理措施（DS）增加了0～30 cm土层TOC、POC、MBC和KMnO4-C含量。

在0～10 cm土层，秸秆还田处理（DS和NS）土壤DOC含量显著高于其他2个处理，该结果与Linn等[25]的研究结果一致，土壤表层较高的DOC含量可能是由于作物秸秆长期分解所造成[26]。然而，在10～30 cm土层中，四个处理间土壤DOC含量没有显著差异。这可能是由于秸秆在下表层土壤的施入所产生和消耗DOC大体相同[27]，从而导致10～30 cm土层DOC含量在四个处理间没有显著差异。

CPMI可以对土壤碳库动态变化起到很好的指示作用[28]。Blair等[20]研究表明CPMI具体数值不重要，但是其与参照土壤数值间的差异反映了不同土壤管理措施对土壤碳库影响的综合评价。总的来说，本研究中NS处理显著提高了表层土壤（0～10 cm）CPMI数值，而DS处理显著提高了耕作层土壤（0～30 cm）CPMI数值。该结果表明，与无秸秆还田措施相比，秸秆还田措施能够明显提高表层土壤（0～10 cm）CPMI数值，其中以NS的效果最为明显。然而，在10～30 cm土层，DS处理具有最高的CPMI数值，这主要与作物残茬和秸秆的深埋有关。

相关分析表明，TOC与土壤活性碳组分（MBC和KMnO4-C）在0～30 cm土层存在明显的相关性，这说明土壤中MBC和KMnO4-C含量大小与TOC含量的高低有关，可以作为土壤质量变化的指示因子[29]。

经过8 a耕作和秸秆还田的组合措施，DS处理可以显著提高该区域小麦-玉米的周年产量，这与DS处理可以改善了耕作层土壤肥力（TOC含量），提升耕作层土壤碳库组分含量（POC、MBC和KMnO4-C含量），从而提高作物养分利用效率有关。李玮等[30]研究发现秸秆还田措施改善了砂姜黑土土壤肥力，并且玉米产量的增加与土壤总有机质、活性有机质含量和碳库管理指数的提升有极显著相关性（＜0.01）。有研究表明，在秸秆还田的基础上，小麦季深耕处理（30 cm）可以降低砂姜黑土土壤容重，增加土壤有机碳含量，进而提高小麦籽粒产量[12]。因此，周年的耕作和秸秆还田联用措施是提升该区域小麦-玉米周年生产力的重要农业管理措施。

4 结 论

耕作方式和秸秆还田措施对沿淮砂姜黑土总有机碳含量、活性有机碳组分、碳库管理指数及小麦-玉米周年生产力均产生显著影响。相对于长期免耕措施（N），玉米免耕覆盖还田+小麦深耕还田（DS）处理能够提高0～30 cm土层活性有机碳组分含量和CPMI(土壤碳库管理指数)；而玉米-小麦免耕覆盖还田（NS）措施仅提高土壤表层（10～30 cm）活性有机碳组分含量和CPMI。KMnO4-C和MBC适合作为敏感指示因子来评估该区域耕层土壤碳库的早期变化。同时，经过8 a周年耕作和秸秆还田措施的合理搭配，DS处理显著提升了小麦-玉米的周年生产力。因此，根据沿淮区域季节气候的特点，将耕作方式和秸秆还田措施有效的组合搭配是不同土层土壤碳库变化的主要作用力。本研究中，DS处理是有效改善沿淮区域中低产砂姜黑土土壤碳库、提高麦玉周年产量的农田管理模式。

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Influence of tillage and straw retention on soil carbon pool and maize-wheat yield in Shajiang black soil

Ye Xinxin1, Wang Bingqing1, Liu Shaojun1, Ma Chao1, Li Junli1, Chai Rushan1, Xiong Qizhong1, Li Hongying2※, Gao Hongjian1

(1.,,,230036,;2.,,230001,)

Long-term no-tillage mulching with straw retention have led to the shallowness of plough layer, the increase of bulk density at the depth of 10-30 cm layer, and the imbalance of soil nutrients in Shajiang black soil along Huai River, which have limited the improvement of productivity of summer maize () and winter wheat (). Tillage practice and residue management play important roles in carbon pool and crop yields in soils. The reasonable combination of tillage with straw retention is an effective method to solve this problem. After 8-years field experiment in wheat - maize cropping systems, four treatments were set up, 1) no-tillage with straw removal for summer maize and winter wheat (N); 2) tillage with straw removal for summer maize and winter wheat (D); 3) no-tillage with straw mulching for summer maize and winter wheat (NS); and (4) no-tillage with straw mulching for summer maize and plough tillage with straw incorporation for winter wheat (DS). Soil samples were taken from the 0-10, 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 cm and 50-60 cm soil depths. Soil total organic carbon (TOC), particulate organic C (POC), microbial biomass C (MBC), potassium permanganate-oxidizable C (KMnO4-C) and dissolved organic C (DOC) were measured. Carbon pool management index (CPMI) was also calculated. These indexes and the year-round yield of maize and wheat were comprehensively analyzed to gain the optimal mode for enriching the Shajiang black soil. Our tesults showed that DS treatment increased the contents of TOC, POC, MBC, KMnO4-C and CPMI at the depth of 0-30 cm layer, compared with N treatment, but NS treatment only enhanced the contents of above-mentioned indexes at the depth of 0-10 cm layer. The tillage operation incorporated the maize residue (straw, stubble, and root) to a greater soil depth in DS treatment, which meant that DS had a higher subsoil TOC, POC, MBC, KMnO4-C and CPMI content (10–30 cm) than the other treatments. There were no significant (<0.05) differences in TOC, POC, MBC, KMnO4-C contents in the 30–60 cm layers among the four treatments. In addition, the total yields for summer maize and winter wheat in four treatments fluctuated widely from year to year. Treatment DS significantly (<0.05) inceased the year-round crop yield, and the mean crop yield of DS was 14.7%, 12.9% and 8.5% greater than that of N, D and NS over 8 years. Moreover, microbial biomass carbon and KMnO4-C was significantly (<0.05) affected by the tillage and straw retention and was sensitive to different management practices. Total organic carbon was positively correlated with MBC and KMnO4-C, suggesting they were suitable as an early indicator of soil quality. The significant crop yield improvement observed in DS was attributed to the combined effect of tillage practice and crop residue management on improving the soil fertility and enhancing the labile carbon pool in the Shajiang black soil, which promoted the growth of summer maize and winter wheat. Generally, treatment DS was an sustainable and effective management practice to improve the soil carbon pool and enhance the year-round yield of summer maize and winter wheat in Shajiang black soil along Huai River.

crops; tillage; straw; soil carbon pool; crop yield

2018-12-19

2019-03-29

国家重点研发计划（2017YFD0301302）、安徽省重点研究和开发计划（1804h07020148）和安徽省重大科技专项（18030701188）资助

叶新新，博士，副教授，主要从事土壤培肥和养分高效利用研究。Email：xxye@ahau.edu.cn

李虹颖，博士，助理研究员，主要从事植物营养与土壤肥料研究。Email：nmglihongying@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.014

S-3

A

1002-6819(2019)-14-0112-07

叶新新，王冰清，刘少君，马 超，李军利，柴如山，熊启中，李虹颖，郜红建.耕作方式和秸秆还田对砂姜黑土碳库及玉米小麦产量的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(14)：112－118. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.014 http://www.tcsae.org

Ye Xinxin, Wang Bingqing, Liu Shaojun, Ma Chao, Li Junli, Chai Rushan, Xiong Qizhong, Li Hongying, Gao Hongjian. Influence of tillage and straw retention on soil carbon pool and maize-wheat yield in Shajiang black soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 112－118. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.014 http://www.tcsae.org