秸秆覆盖深松对夏玉米田土壤有机碳库的影响

郭书亚 尚 赏 王 坤 付国占 卢广远

（1商丘市农林科学院，476000，河南商丘；2北京联创种业有限公司，100018，北京；3河南科技大学农学院，471003，河南洛阳）

随着全球气候变化引发的社会问题日益突出，人们越来越关注粮食生产中的碳循环对环境和气候的影响。耕作措施对农田碳素转化的影响成为研究热点[1]。耕作使土壤团聚体破碎，导致土壤有机碳物理保护层破坏，使有机碳暴露于微生物下而被分解，造成在耕种条件下土壤有机碳下降[2-3]；耕作的机械扰动还会通过土壤呼吸造成碳损耗，使土壤中大量的碳释放到大气中，加重温室效应。因此，需要合理的农业耕作措施来减少土壤有机质的矿化分解，增加土壤中的碳储量，减少碳排放。保护性耕作是保障粮食安全、保护资源与环境的综合性和可持续的农业生产体系[4]，能够增加农业生产的经济、生态和社会效益，使农田生态系统中土壤有机碳含量提高，减少CO2向大气中的释放[5]，改善日益恶化的生态环境，因此，保护性耕作受到了国内外学者的重视[6-8]。作为反映碳循环、土壤质量和土壤健康的指标，土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是国内外学者开展研究的重点。随着工作的逐步拓展和深入，不少学者发现，虽然土壤活性有机碳（AOC）含量较小，但由于它是SOC中活性最强的部分，往往比 SOC对影响因素的响应更加敏感[9]，在农业可持续发展的系统研究中，探讨AOC对保护性耕作措施的响应具有重要意义。易氧化有机碳（readily oxidizable carbon，ROC）和溶解性有机碳（dissolved organic carbon，DOC）是 AOC的重要指标。因此，本文将它们作为AOC的指标来判定不同耕作措施对SOC含量的影响。

国内外对保护性耕作下 SOC的研究主要集中在降雨较少的旱作区，而在降水较多的豫南雨养区研究则较少。为此，本研究在河南省西平县盆尧乡开展保护性耕作试验，探讨不同保护性耕作方式对农田SOC含量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2007-2009年10月在河南省西平县盆尧乡于营村（114°00′ E，33°23′ N）进行。试验地年降水量850～980mm，属温带季风气候区，位于豫南雨养区，是河南省粮食主产区，光热水资源丰富，土壤肥力水平较低，生产条件较差，降水充足，但时空分布不均，季节性旱涝和病虫等灾害发生频繁。

1.2 试验设计

设秸秆覆盖和基本土壤耕作模式2个因素，秸秆覆盖设覆盖（M）与不覆盖（NM）2种处理，秸秆覆盖为上季小麦收获后收集残留物全部覆盖，基本土壤耕作模式设深松（SS）和免耕（NT），共有深松覆盖（SS+M）、免耕覆盖（NT+M）、深松不盖（SS+NM）和免耕不盖（NT+NM）4个处理组合。采用裂区设计，以土壤耕作模式为主区，秸秆覆盖为副区。采用大区试验，每区面积160m2，重复3次。供试品种为郑单958，种植密度60 000株/hm2。从2007年开始，3年重复定点试验，玉米收获后秸秆还田，小麦免耕播种。2009年玉米季测定连续3年处理后土壤SOC、ROC和DOC的含量。

1.3 土样采集

分别于2009年玉米播种前、拔节期、开花期、花后15d、花后30d和花后45d取样。在各小区内取0～5、5～10、10～20、20～30、30～40cm土层的土样，每个样品均为多点采集混合而成，去除石砾和根系，然后用四分法留取足够的样品，风干过筛备用。

1.4 指标测定

采用H2SO4-K2Cr2O7外加热法测定SOC含量。用稀盐溶液0.5mol/L K2SO4提取，土水比为1:1.5，振荡30min，采用重铬酸钾氧化滴定法测定土壤DOC含量。采用333mmol/L的高锰酸钾氧化法测定土壤ROC含量。

1.5 数据处理

采用Excel 2003处理试验数据，采用DPS 6.55软件进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖深松对SOC含量的影响

由表1可以看出，玉米不同生育时期0～40cm土层SOC含量的动态变化。SOC在不同土层具有明显规律性，各处理SOC都随土层深度的增加而降低，表现为0～5＞5～10＞10～20＞20～30＞30～40cm。从生育时期来看，随着生育进程的推移，SOC含量先升高后降低，在开花期达到最大值。在0～5和5～10cm土层，整个生育时期秸秆覆盖（M）处理SOC含量均显著大于秸秆不覆盖（NM）处理，并且SS+M＞NT+M＞SS+NM＞NT+NM；从10～20cm土层开始，NT处理下SOC含量急剧下降，而SS处理下SOC含量下降较少，除个别时期外，SS处理SOC含量显著大于NT处理，说明NT处理秸秆覆盖于地表，土壤容重增大，土壤紧实，不利于有机碳进入土壤深层；在30～40cm土层，随着生育进程的推移，免耕处理 SOC含量呈下降趋势，而深松处理先升高后下降，说明深松能够打破犁底层，进而影响土壤深层的SOC含量。

表1 不同处理SOC含量的动态变化Table 1 Dynamic changes of SOC contents under different treatments g/kg

2.2 秸秆覆盖深松对土壤ROC含量的影响

从表2可以看出，各处理不同生育时期土壤ROC含量均随土层深度的增加而减小。从不同生育时期来看，在土层0～30cm土壤ROC含量随着生育进程的推移先升高后降低。在0～5cm土层，SS+M和NT+M处理的土壤ROC含量显著大于SS+NM和NT+NM处理，SS+NM处理除花后15d外，均与NT+M差异显著；在0～10cm土层ROC含量变化和0～5cm土层基本一致。在10～20cm土层，免耕处理下土壤ROC含量下降剧烈，在各个时期表现为SS+M＞SS+NM＞NT+M＞NT+NM，从花后15d以后SS+M、SS+NM处理显著高于NT+M、NT+NM处理，SS+M和SS+NM处理差异也显著；在20～30cm和30～40cm土层NT+M和NT+NM处理下土壤ROC处于较低水平，在整个生育时期变化不大，而SS+M和SS+NM处理下土壤ROC含量较高，显著大于NT处理。

表2 不处理土壤ROC含量的动态变化Table 2 Dynamic changes of soil ROC contents under different treatments g/kg

2.3 秸秆覆盖深松对土壤DOC含量的影响

从表3可以看出，土壤DOC含量随着土层增加而降低。从整个生育时期来看，除30～40cm土层外，土壤DOC含量随着生育进程的推移先升高后降低，开花期达到最大值。在0～5、5～10cm土层DOC含量SS+M＞NT+M＞SS+NM＞NT+NM，SS+M处理显著高于SS+NM和NT+NM处理，NT+M处理显著高于NT+NM处理；从10～20cm土层开始，NT处理下土壤DOC含量下降迅速，表现为SS+M＞SS+NM＞NT+M＞NT+NM，除个别时期，SS+M和SS+NM处理显著高于NT+M和NT+NM处理。在30～40cm土层，NT处理在各个时期变化很少，甚至逐渐下降，而SS处理变化较大，并且除拔节期，SS+M处理显著大于其他处理。

表3 不同处理土壤DOC含量的动态变化Table 3 Dynamic changes of soil DOC contents under different treatments mg/kg

2.4 土壤ROC、DOC与SOC的相关性分析

对土壤活性有机碳与土壤有机碳进行相关性分析（表4），可以看出，除开花期10～20cm土层ROC含量与SOC含量相关性不显著之外，其他土层各生育时期土壤ROC和DOC含量与SOC含量均达到显著或极显著相关。这说明土壤ROC和DOC含量很大程度上与SOC的储量相关。

表4 土壤ROC、DOC含量与SOC含量之间的相关关系Table 4 Correlation between ROC, DOC contents and SOC content

3 讨论

关于秸秆覆盖、深松和免耕等保护性耕作措施对 SOC含量的影响已有大量研究[10-13]，少耕免耕和深松由于少动土、不动土，土壤接触空气少，土壤有机质的氧化和矿化减弱，覆盖表层的秸秆经降解使归还土壤的有机碳增加[14-15]。因此，免耕和深松可不同程度增加SOC储量。研究[5,11]表明，免耕处理下能够增加土壤表层的有机碳含量。殷文等[16]研究指出，免耕覆盖能够提高 SOC含量。杨思存等[17]研究表明，连续免耕显著增加了0～40cm土层SOC和有机碳储量，连续深松也有较好的固碳效果，仅次于连续免耕。王彩霞等[18]研究指出，深松有利于有机碳的积累。张博文等[19]研究表明，连续深松能提高0～10cm土层SOC转化效率和土壤深层SOC含量。张洁等[20]研究表明，在0～20cm耕层，深松对有机碳的增加效应优于免耕，并且深松覆盖耕作下有机碳含量最高，比传统耕作增加了13.82%。王旭东等[21]研究指出，与翻耕相比，深松和免耕措施增加了0～10cm表层土壤有机碳、微生物量碳、水溶性碳的含量和储量。田效琴等[22]研究表明，秸秆覆盖较无秸秆覆盖有利于土壤总有机碳、土壤全氮、活性有机碳和颗粒有机碳含量的提升。吕瑞珍等[23]研究指出，旋耕覆盖和深松覆盖有利于0～40cm土层SOC含量的积累，并且免耕覆盖能够显著提高表层AOC含量占总有机碳比例，深松覆盖和旋耕覆盖则有利于耕层AOC含量占总有机碳的比率的提高。傅敏等[24]研究指出，与旋耕和秸秆不还田处理相比，深松耕作和秸秆还田处理的平均有机碳含量分别显著提高30.6%和33.2%。Alvarez等[7]研究表明，60%的有机碳存储在0～20cm的耕作层，免耕处理比传统处理固碳量增加20%，其中在0～5cm深度，免耕处理的土壤有机碳含量比其他传统处理高 42%～50%。刘鹏程等[25]在对水稻高留茬还田进行研究时发现，高留茬与对照相比，土壤有机质含量明显增加，在增加的有机质中，易氧化有机质所占比例为77%。由于增加的有机质主要是易氧化有机质，从而造成了土壤有机质氧化稳定系数下降，土壤有机质的化学性质增强，老化程度降低，同时还有助于增强土壤养分供应。张婧等[26]在陇中黄土高原半干旱区的豌豆–小麦–豌豆和小麦–豌豆–小麦轮作系统的长期定位试验研究表明，免耕秸秆覆盖和免耕不盖有利于表层土壤有机碳的积累，而不利于深层土壤有机碳的积累。

但也有人研究得出不一致的结论，贺美等[27]研究指出，单纯改变深松深度会显著降低土壤AOC含量。刘平奇等[28]研究表明，单独深松处理不利于有机碳的积累，深松秸秆还田处理有利于碳的积累。田慎重等[29]研究表明，长期旋耕转变为深松和秸秆还田提高了 SOC含量的同时，显著降低了有机碳中的AOC组分。韦安培等[30]研究表明，在0～15cm土层深松秸秆还田SOC含量最高，显著高于其他处理，深松处理显著高于翻耕和旋耕 16.35%和14.06%，而在15～30cm土层，常规翻耕SOC含量显著高于深松13.41%。朱长伟等[31]研究表明，深松对玉米田表层 SOC含量影响不明显，但显著提高了深层SOC含量。

本研究结果表明，在0～5和5～10cm土层，不同处理下SOC、ROC和DOC含量表现为SS+M＞NT+M＞SS+NM＞NT+NM，秸秆覆盖处理显著大于秸秆不覆盖处理；在10～20cm土层以下，表现为SS+M＞SS+NM＞NT+M＞NT+NM，深松处理大于免耕处理。说明在土壤表层，由于秸秆覆盖地表因此能够增加SOC、ROC和DOC的含量。由于连续3年试验，免耕处理在 10～20cm土层以下容重增加，土壤紧实，不利于上层土壤进入土壤深层，造成深层 SOC等含量下降，而深松在不破坏表土层的基础上打破犁底层，有利于玉米根系的生长，根系残茬及大量的根系分泌物也促进了微生物的增加，从而提高SOC、ROC和DOC含量。

4 结论

通过连续3年定位试验表明，4种耕作模式下，SOC、ROC和DOC含量均随着土层的加深而降低；在0～5和5～10cm土层，秸秆覆盖处理下SOC、ROC和DOC含量高于不覆盖处理的，表现为深松覆盖＞免耕覆盖＞深松不盖＞免耕不盖；而从10～20cm土层以下，免耕处理下SOC、ROC和DOC含量急剧下降，深松处理大于免耕处理。因此可以看出，连续免耕一段时间需要进行 1次深松，秸秆覆盖深松是一种较好的保护性耕作措施，值得推广。