秸稈還田下長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳活性組分的變化特征

黃金花，劉軍，楊志蘭，魏飛，郭成藏，景峰，劉建國(guó)

1. 新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子大學(xué)，新疆 石河子 832003

秸稈還田下長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳活性組分的變化特征

黃金花，劉軍，楊志蘭，魏飛，郭成藏，景峰，劉建國(guó)*

1. 新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子大學(xué)，新疆 石河子 832003

以棉花長(zhǎng)期連作定位試驗(yàn)田為研究對(duì)象，分析了秸稈還田條件下長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳活性組分及難降解組分含量的變化特征，為評(píng)價(jià)秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性及指導(dǎo)區(qū)域農(nóng)業(yè)管理措施增強(qiáng)土壤固碳能力提供了科學(xué)的理論依據(jù)。試驗(yàn)在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站棉花長(zhǎng)期連作定位試驗(yàn)田進(jìn)行，設(shè)有秸稈還田模式下 5、10、15、20、25和30年棉田連作小區(qū)（標(biāo)記為5、10、15、20、25和30年），無秸稈還田模式下1、5、10和15年連作小區(qū)(標(biāo)記為CK1、CK5、CK10和CK15)，共計(jì)10個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)土壤初始背景值相近。棉花種植品種為“新陸早46號(hào)”，按“30+60+30”寬窄行距配置，采用膜下滴灌，種植密度為每公頃19.8萬株。全生育期滴灌11次，滴灌總量5 400 m3·hm-2，共施純N 495 kg·hm-2，用氮肥的30%作基肥，于棉花收獲后結(jié)合翻耕施入，其余70%氮肥作追肥隨水滴施，其他管理措施同一般大田管理。研究結(jié)果表明：秸稈還田可以顯著提高0～60 cm土層總有機(jī)碳（TOC）含量，隨著連作年限的增加，TOC含量逐漸升高，連作30年棉田土壤TOC含量最高；秸稈還田處理下各連作棉田0～20和20～40 cm土層有機(jī)碳活性組分含量隨著連作年限的增加而呈現(xiàn)明顯增加后減少的趨勢(shì)，而難降解組分（酸解殘余碳）含量與活性組分含量呈相反的趨勢(shì)。秸稈還田能夠顯著地增加長(zhǎng)期連作棉田0～60 cm土層有機(jī)碳活性組分和難降解組分的含量，且各組分含量均為0～20>20～40>40～60 cm土層。秸稈還田處理下0～60 cm土層有機(jī)碳活性指數(shù)（LIc）均小于無秸稈還田處理，且除連作15年外，隨連作年限增加LIc呈下降趨勢(shì)，30年時(shí)達(dá)到最低，3個(gè)土層連作30年LIc比連作5年分別降低了42.86%、49.21%和48.45%；而秸稈還田條件下0～60 cm土層土壤有機(jī)碳難降解指數(shù)（RIc）均大于無秸稈還田處理，且表現(xiàn)出與活性指數(shù)（LIc）相反的趨勢(shì)，隨連作年限增加RIc呈增加趨勢(shì)，30年時(shí)達(dá)到最大，3個(gè)土層連作30年RIc比連作5年分別增加了28.31%、35.02%和40.53%。秸稈還田能夠提高長(zhǎng)期連作棉田土壤總有機(jī)碳和難降解組分含量，減少有機(jī)碳活性組分含量，并使各組分占總有機(jī)碳比例間呈動(dòng)態(tài)變化而保持TOC含量呈穩(wěn)定增加趨勢(shì)，使長(zhǎng)期連作棉田土壤品質(zhì)朝好的方向轉(zhuǎn)化，同時(shí)增加有機(jī)碳的穩(wěn)定性，有利于提高地力。

秸稈還田；土壤有機(jī)碳；活性組分；難降解性；酸水解分組法

土壤有機(jī)碳是土壤的重要組成部分，也是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)多種生態(tài)功能起著關(guān)鍵性作用，對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義（王洪巖等，2012；祖元?jiǎng)偟龋?011；陳朝等，2011）。土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性決定著土壤固定和儲(chǔ)備有機(jī)碳的能力，其難降解性反映了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的高低(Batjes和K?gel-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靈敏度可以指示土壤碳庫(kù)質(zhì)量，活性碳的增加和轉(zhuǎn)化過程是難降解性碳積累的前提，與難降解性碳沒有絕對(duì)界限，因此活性有機(jī)碳的研究對(duì)理解有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)制同樣有重要意義（徐明崗等，2006；陳小云等，2011）。前人開展了施肥及不同土地利用方式等因素對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性影響的研究，陳小云等（2011）利用硫酸水解的方法研究了施肥對(duì)水稻土有機(jī)碳活性和難降解性組分的影響，結(jié)果表明施肥總體上有助于土壤總有機(jī)碳的積累；除了單施鉀肥處理外，其他施肥處理均提高了土壤活性有機(jī)碳的含量，但單施氮及NPK+OM處理顯著提高了土壤有機(jī)碳活性指數(shù)；除了單施氮處理外，其他施肥處理下土壤難降解有機(jī)碳（酸解殘余碳）含量均呈增加趨勢(shì)，也以NPK+OM的作用最明顯；單施鉀肥顯著提高有機(jī)碳的難降解性，但單施氮和NPK+OM處理顯著降低有機(jī)碳的難降解性指數(shù)。陳云峰等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，施肥提高了土壤總有機(jī)碳、難降解有機(jī)碳和酸水解有機(jī)碳含量，但均降低了難降解指數(shù)；3種施肥方式均提高了有機(jī)碳的穩(wěn)定性，促進(jìn)了活性有機(jī)碳在總有機(jī)碳中的貢獻(xiàn)率，但以有機(jī)肥配施化肥效果最好，單施有機(jī)肥次之，單施化肥再次之。杜章留等（2013）研究了傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)為保護(hù)性耕作后土壤酸解碳（AHC）的分布和積累特征，結(jié)果表明連續(xù)6年保護(hù)性耕作后，AHC在土壤表層積累，具有較高的層化比率值；免耕顯著增加了AHC的儲(chǔ)量。

秸稈還田在提高土壤有機(jī)碳含量的同時(shí)可以改良土壤結(jié)構(gòu)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機(jī)碳儲(chǔ)量（張鵬等，2011；潘劍玲等，2013）。近年來關(guān)于秸稈還田對(duì)有機(jī)碳的影響的研究主要集中于玉米、水稻和小麥秸稈對(duì)有機(jī)碳組分的影響（路文濤等，2011；南雄雄等，2011；田慎重等，2010），有關(guān)秸稈還田及長(zhǎng)期連作雖也有報(bào)道，但多集中在對(duì)土壤理化性狀、土壤酶活性、生物活性及土壤肥力等方面（劉建國(guó)等，2008；劉軍等，2012；周懷平等，2013；張偉等，2011），但關(guān)于秸稈還田及長(zhǎng)期連作棉田對(duì)土壤有機(jī)碳活性組分和難降解組分影響卻鮮有報(bào)道。因此，本文利用棉花長(zhǎng)期連作定位試驗(yàn)田分析棉田土壤中的活性（酸水解碳）和難降解有機(jī)碳（酸解殘留碳）組分的變化規(guī)律，揭示秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田有機(jī)碳活性和難降解性的影響，對(duì)評(píng)價(jià)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性及指導(dǎo)區(qū)域農(nóng)業(yè)管理措施增強(qiáng)土壤固碳能力具有重要意義，為棉田合理應(yīng)用秸稈還田技術(shù)提供科學(xué)的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)位于石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站（86°03′E，45°19′N）長(zhǎng)期連作定位微區(qū)試驗(yàn)田。海拔443 m，年平均日照時(shí)間達(dá)2865 h，大于10 ℃積溫為3480 ℃，無霜期160 d，多年平均降水量208 mm，平均蒸發(fā)量1660 mm，屬溫帶大陸性氣候，光照資源豐富而降雨稀少，溫度日較差大，為典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。供試土壤為壤土。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于 2014年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站棉花長(zhǎng)期連作定點(diǎn)微區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行，設(shè)有秸稈還田模式下連作5、10、15、20、25和30年（標(biāo)記為5、10、15、20、25和30年）棉田連作小區(qū)，無秸稈還田模式下連作1、5、10和15年連作小區(qū)（標(biāo)記為CK1、CK5、CK10和CK15），共計(jì)10個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。各個(gè)小區(qū)土壤均取自農(nóng)八師石河子總場(chǎng)三分場(chǎng)二連，按0～20、20～40和40～60 cm分層取土，按原層次放入長(zhǎng)期連作定點(diǎn)微區(qū)試驗(yàn)田內(nèi)，四周用厚塑料膜隔開，每處理1.5 m×1.5 m，重復(fù)3次，土壤初始背景值相近。棉花秸稈還田連作模式是每年秋季棉花收獲后將全部秸稈用鍘刀切成5～8 cm，即模擬大田生產(chǎn)棉花秸稈還田機(jī)械還田方式，入冬前結(jié)合施化肥翻入耕層，然后冬灌；棉花無秸稈還田連作模式是棉花收獲后將全部秸稈帶出農(nóng)田，然后施化肥、翻耕、冬灌。棉花品種為“新陸早46號(hào)”，按“30+60+30”寬窄行距配置，采用膜下滴灌，4月20日播種，留苗密度為每公頃19.8萬株，7月9日打頂。全生育期滴灌11次，滴灌總量5400 m3·hm-2，共施純N 495 kg·hm-2，用氮肥的30%作基肥，于棉花收獲后結(jié)合翻耕施入，其余70%氮肥作追肥隨水滴施，其他管理措施同一般大田管理。

1.3 土樣采集

于2014年4月上旬（棉花播種前）用取土器在各個(gè)試驗(yàn)區(qū)按 5點(diǎn)取樣法采集 0～20、20～40和40～60 cm層原狀土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，挑出較大的植株殘?bào)w和石粒，風(fēng)干后研磨過100目篩后裝入密封袋中待用。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 H2SO4水解法

土壤碳的酸解參照Rovira等（2002）的H2SO4水解法，稱取1.00 g土樣于消煮管內(nèi)，加入20 mL 2.5 mol·L-1H2SO4，于105 ℃下油浴30 min，移入離心管中，在4500 r·min-1下離心20 min，將上清液倒出，再加20 mL蒸餾水繼續(xù)清洗離心，將上清液倒出。然后將2次離心的上清液混合并過0.45 μm 的濾膜。此水解產(chǎn)物為活性組分Ⅰ（labile fractionⅠ）。

將上述離心管內(nèi)的殘留土樣加蒸餾水離心清洗數(shù)次后，在 60 ℃下烘干后，再加 2 mL的 13 mol·L-1H2SO4轉(zhuǎn)移到三角瓶，在室溫下持續(xù)振蕩10 h，然后將硫酸稀釋為1 mol·L-1，轉(zhuǎn)移至消煮管內(nèi)，于105 ℃下油浴3 h，用手間歇振蕩，轉(zhuǎn)移至離心管，加20 mL蒸餾水清洗離心2次，將上清液倒出。然后將2次的上清液合在一起過0.4 μm濾膜。此水解產(chǎn)物為活性組分Ⅱ（labile fraction ll）。

最后離心管內(nèi)的土樣同樣加蒸餾水離心清洗干凈后，在 60 ℃下烘干，此殘留物為難降解組分（recalcitrant fraction）。

1.4.2 碳的測(cè)定

總有機(jī)碳（TOC）、酸水解的可溶性有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法（鮑士旦，2005）。難降解有機(jī)碳為總有機(jī)碳與酸解有機(jī)碳的差值，其中酸解有機(jī)碳即為酸水解部分（活性組分Ⅰ、Ⅱ）（Rovira等，2002）。

1.4.3 有機(jī)碳穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

H2SO4水解法獲得的有機(jī)碳組分可以用來計(jì)算有機(jī)碳的活性指數(shù)（Labile index，LIc）和難降解指數(shù)（Recalcitrance index，RIc），計(jì)算公式為：

LIc=（酸水解有機(jī)碳/總有機(jī)碳）×100%

RIc=（難降解有機(jī)碳/總有機(jī)碳）×100%

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用EXCEL 2003繪圖，SPSS19.0系統(tǒng)軟件進(jìn)行方差分析和Duncan多重對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳組分含量的影響

2.1.1 秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田0～20 cm土層有機(jī)碳組分含量的影響

由表1可見，長(zhǎng)期連作棉田0～20 cm土層TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8.03～18.25 g·kg-1之間。秸稈還田后TOC含量隨著連作年限的增加呈現(xiàn)先增加后降低然后又上升的變化趨勢(shì)：5年到10年增加，10年到15年降低，15年后又增加的趨勢(shì)，其中連作5年有機(jī)碳含量最低，30年達(dá)到最大。無秸稈還田處理下的CK5、CK10和CK15的TOC含量隨著連作年限的增加呈先增加后逐漸降低趨勢(shì)：CK1到CK5增加，CK5到CK15逐漸降低，CK15時(shí)達(dá)到最低。秸稈還田處理下0～20 cm土層TOC含量顯著高于無秸稈還田處理，連作5、10和15年分別比CK5、CK10和CK15分別增加了13.19%、49.50%和61.02%，差異顯著（P<0.05）。

表1 秸稈還田對(duì)連作棉田土壤（0～20 cm）總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和難降解有機(jī)碳含量的影響Table 1 Effects of straw returning on total organic carbon, labile carbon and recalcitrant carbon in cotton soil g·kg-1

由表1可見，0～20 cm土層無論是秸稈還田還是無秸稈還田處理下連作棉田土壤活性有機(jī)碳組分I的含量均大于活性組分II。秸稈還田處理下，除了連作5～15年的活性組分I含量增加外，15～30年活性組分I和II的含量總體上呈一致降低趨勢(shì)，活性組分II的變化趨勢(shì)更明顯，特別是連作30年時(shí)最低，顯著小于其他處理（P<0.05）?？偦钚越M分表現(xiàn)出與活性組分I和II類似但更明顯的趨勢(shì)。相反，秸稈還田處理與無秸稈還田處理相比，除了連作 15年外，其他連作年限難降解有機(jī)碳含量均有所增加，30年達(dá)到最高，比連作5、10、15、20和25年的分別增加了 105.24%、54.77%、79.39%、24.23%和9.05%，差異顯著（P<0.05）。無秸稈還田處理下酸水解碳所反映的總活性有機(jī)碳（活性組分I和II之和）呈先增加后減小的趨勢(shì)，CK1到CK5增加，CK5到CK15逐漸減?。浑y降解有機(jī)碳含量與總活性有機(jī)碳表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)。與無秸稈還田相比，秸稈還田處理下5、10和15年比CK5、CK10和CK15總活性有機(jī)碳分別增加了7.84%、12.00%和 27.07%；難降解有機(jī)碳分別增加了 17.04%、78.98%和95.53%。

2.1.2 秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田 20～40 cm土層有機(jī)碳組分含量的影響

由表2可見，長(zhǎng)期連作棉田20～40 cm土層TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6.86～16.55 g·kg-1之間，TOC含量變化趨勢(shì)與0～20 cm土層總有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)一致，即秸稈還田 TOC含量隨著連作年限的增加呈先增加后降低而后又增加的趨勢(shì)：5年到10年增加，10年到15年降低，15年后又呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)，其中連作5年有機(jī)碳含量最低，30年最高。無秸稈還田處理下 TOC含量隨著連作年限的增加呈先增加后逐漸降低趨勢(shì)：CK1到CK5增加，CK5到CK15逐漸降低，CK15時(shí)達(dá)到最低。秸稈還田處理下20～40 cm土層TOC含量顯著高于無秸稈還田處理，連作5、10和15年分別比CK5、CK10和CK15分別增加了-0.86%、53.31%和 42.57%，差異顯著（P<0.05）。

表2 秸稈還田對(duì)連作棉田土壤（20～40 cm）總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和難降解有機(jī)碳含量的影響Table 2 Effects of straw returning on total organic carbon, labile carbon and recalcitrant carbon in cotton soil g·kg-1

秸稈還田處理下，除了連作5年到15年活性組分I含量增加外，其他連作年限活性組分I的含量總體上均有減小，活性組分II的減小趨勢(shì)沒明顯差異（P<0.05）。總活性有機(jī)碳表現(xiàn)出與活性組分I類似，但稍明顯的變化趨勢(shì)。秸稈還田處理下難降解有機(jī)碳與0～20 cm的變化趨勢(shì)一致，除了連作15年，難降解有機(jī)碳含量均有所增加，30年達(dá)到最高，比連作5、10、15、20和25年的分別增加了176.69%、62.44%、131.56%、39.53%和 19.93%，差異顯著（P<0.05）。無秸稈還田處理下總活性有機(jī)碳含量呈先增加后減小的趨勢(shì)，CK1到CK5增加，CK5到CK15逐漸減小；難降解有機(jī)碳含量與總活性有機(jī)碳表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)。與無秸稈還田相比，秸稈還田處理下5、10和15年比CK5、CK10和CK15總活性有機(jī)碳分別增加了3.07%、-8.51%和22.92%；難降解有機(jī)碳分別增加了-3.48%、118.48%和61.60%。

2.1.3 秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田40～60 cm土層有機(jī)碳含量的影響

由表3可見，長(zhǎng)期連作棉田40～60 cm土層TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.05～12.52 g·kg-1之間。秸稈還田和無秸稈還田處理下的TOC含量均與0～20、20～40 cm土層的TOC含量變化趨勢(shì)一致，秸稈還田后TOC含量隨著連作年限的增加呈先增加后降低而后又增加的趨勢(shì)：5年到10年增加，10年到15年降低，15年后又呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)，其中連作5年有機(jī)碳含量最低，30年達(dá)到最高；無秸稈還田處理下CK5、CK10和CK15的TOC含量隨著連作年限的增加呈先增加后逐漸降低趨勢(shì)：CK1到CK5增加，CK5到CK15逐漸降低，CK15時(shí)達(dá)到最低。秸稈還田處理下 TOC含量顯著高于無秸稈還田處理，連作5、10和15年分別比CK5、CK10和CK15分別增加了-19.73%、73.13%和 51.03%，差異顯著（P<0.05）。

表3 秸稈還田對(duì)連作棉田土壤（40～60 cm）總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和難降解有機(jī)碳含量的影響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

秸稈還田處理下，活性組分 I的含量在連作5～15年增加，20年降低，后25～30年增加，活性組分II變化沒明顯差異?？偦钚杂袡C(jī)碳表現(xiàn)出與活性組分I類似但稍明顯的變化趨勢(shì)。秸稈還田處理下難降解組分表現(xiàn)出與0～20、20～40 cm一致的變化趨勢(shì)，除了連作 15年時(shí)減少，難降解有機(jī)碳含量均有所增加，30年達(dá)到最高，比連作5、10、15、20和 25年的分別增加了 222.56%、52.55%、197.52%、42.99%和28.94%，差異顯著（P<0.05）。無秸稈還田處理下總活性有機(jī)碳含量呈先增加后減小的趨勢(shì)，CK1到CK5增加，CK5到CK15逐漸減??；難降解有機(jī)碳含量與總活性有機(jī)碳表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)。與無秸稈還田相比，秸稈還田處理下5、10和15年比CK5、CK10和CK15總活性有機(jī)碳分別增加了15.35%、-12.10%和53.15%；難降解有機(jī)碳分別增加了-35.99%、200.96%和48.39%。

秸稈還田與無秸稈還田不同土層間土壤總有機(jī)碳含量、有機(jī)碳活性組分I和II、總活性有機(jī)碳和難降解有機(jī)碳差異均表現(xiàn)為 0～20>20～40>40～60 cm，且40～60 cm土層各有機(jī)碳組分含量明顯低于0～20 cm土層和20～40 cm土層。隨著連作年限的增加，秸稈還田處理下土壤有機(jī)碳活性組分和難降解組分在0～20 cm土層和20～40 cm之間差異逐漸減小，這說明隨著連作年限的增加，有機(jī)碳活性組分和難降解組分在20～40 cm土層積累量增加。

圖1 秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳活性指數(shù)的影響Fig. 1 Effects of straw returning and cropping cotton on soil labile organic carbon index (LIc)

2.2 秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳活性的影響

土壤酸水解有機(jī)碳的活性指數(shù)（LIc）代表了活性有機(jī)碳在土壤TOC中的分布（圖1），秸稈還田對(duì)連作棉田L(fēng)Ic和總活性有機(jī)碳含量的影響表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，秸稈還田處理下除連作 15年外，隨連作年限增加LIc呈下降趨勢(shì)，30年時(shí)達(dá)到最低，0～20 cm土層連作30年的LIc比連作5、10、15、20和25年的分別降低了42.86%、31.06%、42.02%、24.23%和12.74%，差異顯著（P<0.05）；20～40 cm土層連作30年的LIc比連作5、10、15、20和25年的分別降低了49.21%、31.09%、50.04%、29.55%和19.27%，差異顯著（P<0.05）；40～60 cm土層連作30年的LIc比連作5、10、15、20和25年的分別降低了 48.45%、23.37%、52.23%、21.08%和11.80%，差異顯著（P<0.05）。40～60 cm土層 LIc高于0～20 cm土層和20～40 cm土層，0～20 cm土層和20～40 cm土層之間LIc沒有顯著差異。無秸稈還田處理除0～20 cm土層LIc隨連作年限的增加呈上升趨勢(shì)，20～40和40～60 cm土層LIc隨著年限增加呈先降低后上升，再降低的變化趨勢(shì)，CK1到CK5降低，CK5到CK10增加，CK10到CK15降低。秸稈還田處理LIc顯著低于無秸稈還田處理，0～20 cm土層連作5、10和15年處理比CK5、CK10和CK15分別降低了4.76%、25.10%和21.21%；20～40 cm土層連作5、10和15年處理比CK5、CK10和CK15分別降低了-3.90%、40.22%和13.86%；40～60 cm土層連作5、10和15年處理比CK5、CK10和CK15分別降低了-42.57%、49.05%和2.71%，差異顯著（P<0.05)。這表明，秸稈還田能夠顯著降低各個(gè)土層的LIc，且隨著連作年限增加逐漸降低。

用活性組分II與總活性組分（活性組分I和II之和）的比例表示活性組分II在活性有機(jī)碳中的貢獻(xiàn)。由圖2可看出，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理各土層活性組分II的比例呈動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定變化趨勢(shì)，秸稈還田處理隨著連作年限的增加 0～20 cm土層活性組分II的比例呈現(xiàn)波動(dòng)降低的變化趨勢(shì)；20～40 cm土層活性組分II的比例呈先降低后增加的變化趨勢(shì)，連作5年至25年降低，連作25年至30年增加，連作5年時(shí)最大，到25年時(shí)最?。?0～60 cm土層呈先降低后增加然后又降低的趨勢(shì)，連作5年至15年降低，連作15年至20年增加，連作20年后又降低，連作5年最大，25年時(shí)最??；20～40 cm土層活性組分II的比例顯著高于0～20 cm土層和40～60 cm土層。無秸稈還田處理下0～20 cm土層活性組分II的比例隨著連作年限增加呈先逐漸降低趨勢(shì)；20～40和40～60 cm土層活性組分II的比例隨著年限增加皆呈先增加后逐漸降低的變化趨勢(shì)。秸稈還田與無秸稈還田相比，除 20～40 cm土層活性組分 II的比例比無秸稈還田高，0～20和40～60 cm土層活性組分II的比例均比無秸稈還田處理低，0～20 cm土層連作5、10和15年活性組分II的比例分別比CK5、CK10和CK15降低了2.83%、10.70%和-3.66%；40～60 cm土層連作5、10和15年活性組分II的比例分別比CK5、CK10和CK15降低了-1.09%、0.72%和8.69%。

2.3 秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳難降解性的影響

用難降解指數(shù)RIc反映有機(jī)碳的難降解性。秸稈還田對(duì)難降解指數(shù)RIc有明顯的影響（圖3），秸稈還田條件下各土層土壤有機(jī)碳難降解指數(shù)隨著連作年限的增加呈現(xiàn)先增加后降低然后又上升的變化趨勢(shì)，5年到10年增加，10年到15年下降，15年后又呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)。20～40和40～60 cm土層連作15年難降解指數(shù)最低，30年達(dá)到最高，0～20 cm土層連作30年的比連作5、10、15、20和25年的分別增加了 28.31%、15.28%、27.09%、10.39%和4.49%，差異顯著（P<0.05)，20～40 cm土層連作30年的比連作5、10、15、20和25年的分別增加了 35.02%、13.74%、36.64%、12.65%和6.83%，差異顯著（P<0.05)。40～60 cm土層連作30年的比連作5、10、15、20和25年的分別增加了40.53%、10.32%、50.48%、8.93%和 4.28%。無秸稈還田模式下20～40和40～60 cm土層隨連作年限增加呈現(xiàn)先增加，后降低然后再增加的變化趨勢(shì)，CK1到CK5增加，CK5后開始降低，CK10到CK15增加，CK5難降解指數(shù)最高，CK10最小。無秸稈還田處理顯著低于秸稈還田處理，0～20 cm土層連作5、10和15年處理比CK5、CK10和CK15分別增加了3.42%、19.74%和21.00%，20～40 cm土層連作5、10和15年處理比CK5、CK10和CK15分別增加了-2.60%、42.31%和13.35%，40～60 cm土層連作5、10和15年處理比CK5、CK10和CK15分別增加了-19.99%、74.01%和 2.77%，差異顯著（P<0.05)。這表明，秸稈還田可以顯著提高各個(gè)土層的RIc，且隨著連作年限增加逐漸升高。

圖3 秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳難降解性的影響Fig. 3 Effects of straw returning and cropping cotton on soil recalcitrance organic carbon index (RIc)

3 討論

本研究分析了活性和難降解性有機(jī)碳組分對(duì)秸稈還田及長(zhǎng)期連作棉田的響應(yīng)，相比單一的總有機(jī)碳含量測(cè)定，我們能夠在提高秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田固碳潛力及有機(jī)碳穩(wěn)定性方面獲取更多的信息。

本文中所研究的土壤有機(jī)碳的活性組分，是指在土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化，并對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用，在不同程度上反映土壤有機(jī)碳的有效性，還可以對(duì)土壤有機(jī)碳或土壤質(zhì)量作出指示的有機(jī)碳組分（Huang等，2011；Casalsa，2010）。本實(shí)驗(yàn)采用硫酸水解法來測(cè)定土壤有機(jī)碳中的活性組分和難降解性組分，并把活性組分分為活性組分Ⅰ和Ⅱ，活性組分Ⅰ主要含有多糖，其中包括植物來源（如半纖維素和淀粉）和微生物來源（主要是微生物細(xì)胞壁），活性組分Ⅱ的成分主要是纖維素（Rovira等，2002；Huang等，2011；Casalsa，2010）。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比無秸稈還田，秸稈還田處理均提高了長(zhǎng)期連作棉田土壤活性有機(jī)碳組分（活性組分Ⅰ和Ⅱ之和）的含量，這說明秸稈還田對(duì)活性有機(jī)碳組分有促進(jìn)作用，這與田慎重等人的研究結(jié)果一致（田慎重等，2010；Joseph等，1999）；而不同土層的含量大小依次遞減，0～20 cm表層土含量最多，除了直接施入的有機(jī)物外，棉花秸稈本身含有較高的有機(jī)碳，因而腐解進(jìn)入土壤后有利于土壤碳累積，而秸稈殘茬和棉花根系等主要集中聚集分布在表層土壤，向表層土壤中的微生物提供了足夠的碳源和能源，促進(jìn)了土壤微生物的繁殖，提高了表層土壤中微生物的數(shù)量和活性（Smith和Pownlson，2000；彭佩欽和張文菊，2005），進(jìn)而將植物殘?bào)w中的碳轉(zhuǎn)化為部分活性有機(jī)碳組分。隨著連作年限的增加，活性有機(jī)碳含量在連作5年到15年呈增加趨勢(shì)，隨后連作20年到 30年呈逐漸降低趨勢(shì)，隨著連作年限的增加及秸稈還田量的積累，在連作 15年前，產(chǎn)生的活性有機(jī)碳逐漸增加，但隨連作年限的增加而逐漸減少，這主要由于秸稈中纖維素等物質(zhì)在秸稈還田初期基本就腐解完畢，剩余部分主要為難分解的有機(jī)物質(zhì)如木質(zhì)素等（李逢雨等，2009；戴志剛等，2010），繼而隨著連作年限的增加難降解組分含量先減少后逐漸增加。有機(jī)碳活性指數(shù)LIc反映的是土壤有機(jī)碳的活性程度或生物可降解性，結(jié)果顯示，相比無秸稈還田，秸稈還田降低了 LIc，我們的研究結(jié)果暗示，雖然秸稈還田能夠提高長(zhǎng)期連作棉田土壤總有機(jī)碳含量，但實(shí)際上還需要考慮所增加有機(jī)碳部分的組成，只有充分考慮到活性和難降解性有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn)，才能達(dá)到土壤有機(jī)碳的增加對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及秸稈還田對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性機(jī)制的有效響應(yīng)。由于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性受到物理、化學(xué)和生物多種機(jī)制的相互影響，硫酸水解法獲得的活性組分并不表示在自然條件下有機(jī)碳容易損失，因此，秸稈還田降低了長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳活性的結(jié)論需進(jìn)一步研究論證。

與硫酸水解獲得的有機(jī)碳活性組分相對(duì)應(yīng)，酸解殘留有機(jī)碳主要包括木質(zhì)素等具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的和烷基結(jié)構(gòu)的碳，它們一般化學(xué)穩(wěn)定而難以被生物降解（Christensen，1986；Plante等，2006；Rovira和Ramón Vallejo，2007；Sollins等，1996；Von Lützow等，2007）。與對(duì)活性有機(jī)碳的影響趨勢(shì)相反，秸稈還田均促進(jìn)長(zhǎng)期連作棉田土壤中難降解有機(jī)碳的含量，說明在秸稈還田在長(zhǎng)期連作棉田穩(wěn)定性有機(jī)碳含量中占的重要地位。相比LIc、RIc的升高說明秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳的增加，主要體現(xiàn)在難降解有機(jī)碳的貢獻(xiàn)上，因此，秸稈還田在增強(qiáng)長(zhǎng)期連作棉田土壤固碳潛力方面，需多方面考慮多種有機(jī)碳穩(wěn)定性機(jī)制。秸稈還田明顯增加了RIc，說明秸稈還田不僅提高了有機(jī)碳難降解性組分的含量，還促進(jìn)了有機(jī)碳的穩(wěn)定性，對(duì)于提高長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)備和穩(wěn)定性均有重要意義。

活性有機(jī)碳和難降解性有機(jī)碳組分之間沒有明顯的界限，二者相互依存、相互轉(zhuǎn)化，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中均起著重要的功能（陳小云等，2011）。因此，在提高土壤總有機(jī)碳水平的基礎(chǔ)上，選擇合理的秸稈還田長(zhǎng)期連作措施，既增加土壤的活性有機(jī)碳含量，又能提高有機(jī)碳的穩(wěn)定性，為進(jìn)一步衡量和評(píng)價(jià)秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤肥力和土壤質(zhì)量的影響具有重要意義。

4 結(jié)論

1）本文對(duì)秸稈還田不同連作年限棉田土壤有機(jī)碳活性和難降解組分含量的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：與無秸稈還田相比，秸稈還田均能促進(jìn)0～60 cm土層TOC、有機(jī)碳的活性組分（I和II）和難降解組分的積累，且隨著連作年限增加 TOC及難降解組分含量逐漸升高，有機(jī)碳活性組分含量在15年至30年時(shí)有一定的減少；不同土層間有機(jī)碳各組分含量差異均表現(xiàn)為 0～20>20～40>40～60 cm。說明秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳難降解組分有明顯的促進(jìn)作用，同時(shí)說明秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性有重要作用。

2）研究結(jié)果表明秸稈還田與無秸稈還田連作棉田0～60 cm土層LIc差異表現(xiàn)出相反的規(guī)律，且秸稈還田處理LIc低于無秸稈還田處理。這表明，秸稈還田能夠顯著降低0～60 cm土層的LIc，且隨著連作年限增加逐漸降低。

3）與無秸稈還田相比，秸稈還田在長(zhǎng)期連作條件下可以明顯提高 RIc，且隨著連作年限的增加RIc逐漸增大，尤其連作15年后增大趨勢(shì)明顯。

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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

黃金花，劉軍，楊志蘭，魏飛，郭成藏，景峰，劉建國(guó). 秸稈還田下長(zhǎng)期連作棉田土壤有機(jī)碳活性組分的變化特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 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.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31260307）

黃金花（1991年生），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樽魑锔弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培。E-mail:feiyang423@126.com *通信作者：劉建國(guó)（1968年生），男，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)環(huán)境與農(nóng)作制度。E-mail:l-jianguo@126.com

2014-11-18