不同耕作方式對黃土高原黑壚土有機碳庫組成的影響

王旭東 張 霞 王彥麗 李 軍

(1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學農學院， 陜西楊凌 712100)

不同耕作方式對黃土高原黑壚土有機碳庫組成的影響

王旭東1張 霞1王彥麗1李 軍2

(1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學農學院， 陜西楊凌 712100)

以黃土高原黑壚土8年(2008—2015年)的不同耕作定位試驗為對象，研究了在秸稈還田條件下3種連年單一耕作(翻耕(CC)、免耕(NN)、深松(SS))和3種輪耕措施(免耕-深松(NS)、深松-翻耕(SC)、翻耕-免耕(CN))對農田土壤有機碳庫、玉米產量和秸稈還田后表觀腐殖化系數(shù)的影響。結果表明：與翻耕相比，深松、免耕和輪耕措施主要增加了0～10 cm表層土壤有機碳(SOC)、微生物量碳(MBC)、水溶性碳(WSOC)的含量和儲量，且提高了MBC/SOC和WSOC/SOC質量比。在0～10 cm表層土壤中，各耕作處理間難氧化有機碳(HOC)含量無明顯差異，但深松、免耕和輪耕措施分別增加了10～20 cm、35～50 cm和20～35 cm土層的HOC/SOC質量比；免耕處理顯著增加了0～50 cm土層的HOC總儲量。與翻耕處理相比，深松、免耕和輪耕處理提高了玉米產量和玉米秸稈量，其中NS處理增加幅度最大，分別達到13.79%(籽粒)和12.04%(秸稈)；進行8年玉米秸稈還田，在翻耕措施下其表觀腐殖化系數(shù)為8.94%，免耕、深松和輪耕措施提高了還田玉米秸稈的表觀腐殖化系數(shù)，其中NS處理達到14.09%，顯著高于翻耕處理。從土壤碳庫和玉米產量角度考慮，免耕與深松相結合的輪耕措施是適合當?shù)赝寥罈l件的耕作模式。

黑壚土； 耕作方式； 有機碳庫構成； 表觀腐殖化系數(shù)

引言

土壤有機碳既是土壤肥力的重要指標，直接關系到土壤質量和作物生長，又是大氣中CO2的源和匯，影響全球碳循環(huán)和氣候變化[1-3]。在農田生態(tài)系統(tǒng)中，耕作是促進土壤有機碳礦化的重要人為因素，其強度和頻率影響土壤有機碳庫的周轉速率，從而影響有機碳含量[4]。研究表明，以少耕、免耕和秸稈還田為主要模式的保護性耕作對提高土壤碳庫水平、減少溫室氣體排放等有重要的作用[5-7]。耕作不僅影響土壤有機碳含量，還影響其組成。王丹丹等[8]在研究耕作方式與秸稈還田對土壤活性有機碳組分的影響中發(fā)現(xiàn)，與翻耕相比，免耕能顯著提高活性有機碳(水溶性、微生物量、易氧化有機碳等)的含量。宋明偉等[9]研究表明，免耕結合秸稈覆蓋能有效提高微生物量碳的含量。呂瑞珍等[10]研究了深松等方式對土壤有機碳的影響，與翻耕相比，深松結合秸稈覆蓋能提高0～40 cm土壤總有機碳和活性有機碳含量，且能夠顯著提高耕層活性有機碳占總有機碳比率。但也有一些研究認為，免耕、淺耕等措施雖能提高土壤有機質含量，但只局限于表層，而對深層土壤有機質含量影響不大[11-12]，陳學文等[13]研究發(fā)現(xiàn)，免耕雖然使0～5 cm表層土壤中的有機碳含量顯著提高，但在下層含量有所下降，0～30 cm土層整體表現(xiàn)并沒有增加土壤有機碳儲量。不同耕作方式下作物生長狀況有差異[14-16]，導致作物秸稈和根茬量的不同，秸稈就地還田量的不同可能也是引起土壤有機質含量差異的另外一個原因。

在黃土高原一年一熟的種植區(qū)，目前存在翻耕、免耕、深松等多種耕作方式，或者進行年際間耕作的變化(輪耕)。不同耕作措施下的有機碳含量、儲量及其組成變化雖然有一定研究報道[17-18]，但缺乏系統(tǒng)性；而有些研究因存在土壤類型、質地以及不同區(qū)域小氣候的差異，缺乏可比性。因此，需要在同一地區(qū)、同一種土壤上開展定位試驗，進行系統(tǒng)研究。另外，秸稈還田在同一塊農田不同耕作方式下的表觀腐殖化系數(shù)的差異性也值得研究?；诖?，本文以陜西渭北高原不同耕作(翻耕、免耕、深松或兩兩相互配合的輪耕)長期定位試驗(2007年開始)為對象，研究秸稈還田條件下不同耕作方式對土壤有機碳庫及組成在土壤各層次分配比例的影響，探討秸稈還田在不同耕作方式下的表觀腐殖化系數(shù)差異，以期為農田土壤碳庫調控提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

不同耕作長期定位試驗位于陜西省渭南市合陽縣甘井鎮(zhèn)，屬于黃土高原渭北旱塬溝壑的暖溫帶半濕潤偏旱區(qū)，海拔高度850 m，年平均氣溫10℃左右，年平均降水量520 mm左右，試驗地土壤為黑壚土，屬于中壤土，質地疏松。試驗前土壤理化性質如表1所示。

表1 2007年試驗開始前供試土壤理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of testedsoil before beginning of experiment in 2007

1.2 試驗設計

于2008年開始進行春玉米連作定位試驗，試驗共設置6種耕作處理：免耕-深松(NS)、深松-翻耕(SC)、翻耕-免耕(CN)、連年免耕(NN)、連年深松(SS)、連年翻耕(CC)。免耕(N)是指在玉米收獲后全部秸稈粉碎覆蓋地表，無其他措施，保持秸稈覆蓋地表越過冬閑期；深松(S)即在玉米收獲后全部秸稈粉碎覆蓋地表，利用深松機進行耕作，深度為30～35 cm，深松鏟間距為50 cm，保持秸稈覆蓋地表越過冬閑期；翻耕(CC)即在玉米收獲后全部秸稈粉碎覆蓋地表，用犁鏵全面深翻20～25 cm，且秸稈全部翻埋，地表裸露越過冬閑期。2007—2015年土壤耕作順序如表2所示。

試驗田種植制度為春玉米一年一熟制。小區(qū)面積112.5 m2(5 m×22.5 m)，每種耕作處理設3個重復，共18個小區(qū)。供試春玉米品種為鄭單958，播種量為37.5 kg/hm2，不同處理間的種植密度和施肥狀況均一致。春玉米播種時間為4月下旬，9月下旬收獲。播種時尿素、磷酸二銨和氯化鉀作為基肥，N施用量為75 kg/hm2，P2O5施用量為120 kg/hm2，K2O施用量為90 kg/hm2；大喇叭口期只追施尿素，用量與基肥一致，試驗期間田間管理措施與當?shù)卮筇锕芾硪恢隆?/p>

1.3 研究方法

1.3.1土壤樣品采集和有機碳及其組分的測定

于2015年玉米收獲后采集各土層(0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm、35～50 cm)土樣，揀出土樣中的石礫和植物殘根后過2 mm篩，將土樣分為2份，一份鮮樣密封冷藏保存，一份放于通風處自然風干。

表2 2007—2015年土壤耕作次序Tab.2 Sequence of soil tillage systems from 2007 to 2015

土壤總有機碳用重鉻酸鉀-外加熱法測定[19]；微生物量碳用氯仿熏蒸浸提法測定[20]；水溶性碳的測定參照去離子水浸提法[21]；難氧化有機碳含量為總有機碳含量與易氧化有機碳含量的差值，易氧化有機碳的測定參考袁可能[22]提出的K2Cr2O7氧化法。

有機碳儲量計算公式為

SOCS=0.1CiPiTi

(1)

式中SOCS——某一土層土壤有機碳儲量,t/hm2

Ci——第i層土壤的有機碳含量，g/kg

Pi——第i層土壤容重，g/cm3

Ti——第i層土壤厚度,cm

1.3.2玉米產量和秸稈生物量的測定

在玉米成熟時每小區(qū)沿對角線方向選取長勢均勻的3行，每行取20株玉米測籽粒產量、秸稈的生物量(質量)，并將秸稈干燥粉碎，用重鉻酸鉀-外加熱法測秸稈含碳量。

玉米秸稈碳質量計算公式為

OCCS=DMCSOCS

(2)

式中OCCS——玉米秸稈碳質量，g

DMCS——秸稈生物量,kg

OCS——秸稈含碳量,g/kg

表觀腐殖化系數(shù)計算公式為

(3)

式中SOCS1——試驗后0～50 cm土層土壤碳儲量,t/hm2

SOCS2——試驗前0～50 cm土層土壤碳儲量,t/hm2

OCSCS——試驗期間(8年)投入的秸稈碳總量,t/hm2

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2007進行相關數(shù)據(jù)的計算與處理，并作圖。用SAS 8.0 軟件進行相關性分析和單因素方差分析，顯著性檢驗為Duncan新復極差法(Plt;0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤有機碳含量及儲量變化

2.1.1土壤有機碳含量變化

不同耕作方式下土壤剖面(0～50 cm)有機碳含量(SOC)如圖1所示。在表層(0～10 cm)，不同耕作處理的土壤有機碳含量(質量比)由高到低順序為：NS、NN、SS、CN、SC、CC，與CC處理相比，其他耕作處理SOC含量均有所增加，其中NS、CN、NN和SS處理增加顯著。隨著土層加深，各耕作處理SOC含量下降，其中3種單一耕作處理(即SS、NN和CC)下降了47.86%～58.71%，而3種輪耕處理(即CN、SC和NS)的下降幅度相對較小，為27.54%～39.12%。在10～20 cm土層，與CC處理相比，NN和SS處理的SOC含量顯著減少，NS和CN處理顯著增加，SC處理無明顯變化。在20～35 cm土層，與CC處理相比， NS、SC和CN處理的SOC含量顯著增加，NN和SS處理則顯著減少。在35～50 cm土層，除NN處理以外，其他耕作處理的SOC含量均比CC處理顯著增加。

圖1 各土層有機碳含量的變化Fig.1 Changes of soil organic carbon content in different soil layers

2.1.2土壤有機碳儲量變化

從0～50 cm土層有機碳的總儲量來看(表3)，與CC處理相比，無論是單一的深松(SS)、免耕(NN)處理，還是輪耕(NS、SC、CN)處理，土壤有機碳儲量均顯著增加，其中以NS、NN處理增加幅度相對較大，分別達到4.6%、3.43%。但在不同層次土壤中，與CC處理相比，各處理有機碳的儲量變化不同。在0～10 cm表層土壤，不同耕作處理有機碳儲量由高到低順序為：NN、NS、SS、CN、SC、CC，與CC處理相比， NN、NS、SS和CN處理增加幅度為14.01%～45.55%，差異達到顯著水平，表現(xiàn)出增加現(xiàn)象。而在10～20 cm、20～35 cm土層，均以CC處理的有機碳儲量最高，其他處理則表現(xiàn)出降低趨勢，其中，10～20 cm土層的SS處理以及20～35 cm土層的CN、NS、NN和SS處理，減少達到顯著水平。在35～50 cm土層，與CC處理相比，CN和SS處理的SOC儲量顯著增加，其他處理無顯著差異。

表3 土壤有機碳儲量Tab.3 Soil organic carbon storage t/hm2

注：同行不同小寫字母表示同一土層不同耕作處理之間差異顯著(Plt;0.05)。

2.2 耕作方式對土壤有機碳組分含量的影響

2.2.1土壤活性有機碳含量變化

微生物量碳(MBC)和水溶性有機碳(WSOC)是土壤有機碳的活性成分。土壤MBC含量(質量比)隨著土層的加深呈明顯的下降趨勢(圖2)。不同耕作措施下引起土壤不同層次微生物量碳的變化有一定差異。在0～10 cm表層土壤， MBC含量由大到小順序是：NN、NS、SS、CN、SC、CC，其他耕作處理均顯著高于CC處理，表現(xiàn)出增加現(xiàn)象。在10～20 cm和20～35 cm土層，與處理CC相比，SC和CN處理的MBC含量顯著增加；NS處理雖有增加，差異不顯著；NN和SS處理顯著減少；在35～50 cm土層中，除NN處理的MBC含量比處理CC顯著減少外，其他耕作處理均顯著增加。說明在表層(0～10 cm)以下，單一的深松或免耕措施容易引起微生物碳的下降。不同耕作處理間土壤WSOC含量(質量比)變化以及隨著土層深度的變化趨勢基本與MBC含量變化趨勢保持一致，只是在10～20 cm、20～35 cm土層，NS處理增加幅度加大，達到顯著水平。

圖2 各土層微生物量碳含量的變化Fig.2 Changes of soil MBC content in different soil layers

圖3 各土層水溶性碳含量的變化Fig.3 Changes of soil WSOC content in different soil layers

2.2.2土壤難氧化有機碳(HOC)含量變化

不同耕作措施下土壤難氧化有機碳(HOC)的變化如圖4所示，在0～10 cm土壤中，各耕作處理的HOC含量(質量比)無明顯差異。在10～20 cm土層，與CC處理相比，NS和CN處理的HOC含量顯著增加，SC、NN和SS處理則略有減少；在20～30 cm和35～50 cm土層，與CC處理相比，多數(shù)處理(除SS處理外)的HOC含量均有所增加，且差異達到顯著水平?？傮w看來，隨著土層的加深，HOC含量呈下降趨勢；不同耕作之間引起的HOC含量差異有增大趨勢，且多數(shù)處理比對照低。

圖4 各土層難氧化有機碳含量的變化Fig.4 Changes of soil HOC content in different soil layers

2.2.3耕作方式對土壤有機碳組分占總有機碳比例的影響

土壤的MBC/SOC質量比隨著土層的加深呈逐漸減小趨勢(表4)。在0～10 cm土層，與處理CC相比，NN處理的MBC/SOC質量比顯著增加，其他處理也有增加，但差異不顯著；MBC/SOC質量比總體表現(xiàn)出增加的趨勢。在10～20 cm土層，不同耕作處理的MBC/SOC質量比由高到低順序為：SC、CN、NN、CC、NS、SS，與CC處理相比，SC和CN處理的MBC/SOC質量比顯著增大，NS和SS處理顯著減小，NN處理無顯著差異。在20～35 cm土層，與CC處理相比，其他耕作處理的MBC/SOC質量比呈現(xiàn)減小趨勢(CN處理比CC處理略有增加，但差異不顯著)；在35～50 cm土層，與處理CC相比，NS和SS處理的MBC/SOC質量比顯著增加，SC、CN和NN處理則顯著減小。總體來看，免耕處理(NN)主要提高表層0～10 cm土壤的MBC/SOC質量比, 免耕與翻耕結合(CN)或者深松與翻耕結合(SC)則可以提高10～20 cm土層MBC/SOC質量比。

表4 土壤各有機碳組分占總有機碳的質量比Tab.4 Proportions of SOC fraction contentsto total SOC

注：同列不同小寫字母表示相同土層不同耕作處理之間差異顯著(Plt;0.05)，同列不同大寫字母表示相同耕作處理不同深度土層間差異顯著(Plt;0.05)，下同。

土壤WSOC/SOC質量比變化(表4)顯示，與CC處理相比，在0～10 cm表層，NS、CN、NN和SS處理顯著增加了WSOC/SOC質量比；在10～20 cm、20～35 cm土層，SC和CN處理的WSOC/SOC質量比顯著增加，其他處理無明顯增加甚至略有降低；在35～50 cm土層，除NS處理外，其他耕作處理的WSOC/SOC質量比均比CC處理顯著減小。隨著土層的加深，各耕作處理的WSOC/SOC質量比以35～50 cm土層相對最低?？傮w來看，免耕(NN)、深松(SS)措施主要提高了0～10 cm表層土壤的WSOC/SOC質量比，而輪耕措施(NS、CN)不僅可以提高表層土壤的WSOC/SOC質量比，還可以提高10～35 cm土層的WSOC/SOC質量比(NS處理)。

表4中HOC/SOC質量比變化顯示，在0～10 cm表層，CC處理的HOC/SOC質量比最大，其他處理均小于CC處理，其中NS和NN處理達到差異顯著水平；在10～20 cm土層，與CC處理相比，SS處理的HOC/SOC質量比顯著增加，其他處理無明顯差異；在20～35 cm土層，NS處理的HOC/SOC質量比比CC處理顯著增加，其他處理無明顯差異；在35～50 cm土層，與CC處理相比，NN處理的HOC/SOC質量比顯著增加，SS處理的顯著減小?？傮w來看，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕、深松以及輪耕在0～10 cm表層一定程度降低了HOC/SOC質量比，但NS、NN處理10 cm以下土層的HOC/SOC質量比有一定增加。

2.3 不同耕作方式下土壤各有機碳組分的儲量變化

對于不同層次土壤，各處理對MBC儲量的影響不同(表5)。與CC處理相比，在0～10 cm表層土壤，各處理均顯著增加了MBC儲量，由大到小順序為：NN、NS、SS、CN、SC、CC；在10～20 cm土層，SC和CN處理的MBC儲量顯著增加，其他處理則有所減少。在20～35 cm土層，各耕作處理的MBC儲量均比處理CC顯著減少；在35～50 cm土層，NS和SS處理的MBC儲量顯著增加，其他處理則有所減少?？傮w來看，免耕、深松以及輪耕處理主要增加了表層儲量，降低了20～35 cm土層微生物碳的儲量。從0～50 cm土層MBC的總儲量看出，與CC 處理相比，其他耕作處理均有不同程度增加，其中NS處理的增加幅度達到顯著水平。

同樣，不同處理對0～50 cm土層WSOC總儲量的影響與對MBC總儲量的影響一致，也以NS處理的增加幅度最大(表5)。與CC處理相比，在0～10 cm表層，各處理均顯著增加了WSOC儲量，其中NN處理增加幅度最大；在10～20 cm土層，CN處理的WSOC儲量顯著增加，NS處理顯著下降，其他處理無顯著差異。在20～35 cm土層，其他處理的WSOC儲量均比CC處理有所減少。在35～50 cm土層，與CC處理相比，NS、SC和SS處理的WSOC儲量顯著增加，CN和NN處理則顯著減少。

從0～50 cm土層的HOC總儲量上看，與CC處理相比，NN處理顯著增加了HOC總儲量，其他耕作處理雖有增加，但差異不顯著。在0～10 cm土壤表層，各耕作處理間的HOC儲量無明顯差異。在10～20 cm和20～35 cm土層，各處理與CC處理的差異不顯著；在35～50 cm土層，與CC處理相比，CN和NN處理的HOC儲量顯著增加，其他處理無明顯差異。

表5 土壤各有機碳組分的儲量Tab.5 SOC fractions storage kg/hm2

2.4 不同耕作方式下玉米產量和秸稈腐殖化系數(shù)

圖5顯示了耕作方式對7年(2008—2014年)玉米平均產量和秸稈生物量的影響。玉米平均產量和秸稈生物量由高到低順序均為：NS、CN、SC、NN、SS、CC。與CC處理相比，各處理均增加且差異達到顯著水平，其中以NS處理的增加幅度最大，籽粒產量和秸稈生物量分別增加了12.04%和13.79%。

以8年不同處理土壤有機碳儲量的增加量(與試驗前相比)和秸稈還田總碳為依據(jù)，計算秸稈碳的表觀腐殖化系數(shù)(圖6)。結果顯示，各耕作處理玉米秸稈還田碳的表觀腐殖化系數(shù)均顯著高于CC處理，由大到小順序為：NS、NN、CN、SS、SC、CC，平均為12.20%。3種單一耕作間相比，表觀腐殖化系數(shù)由大到小順序為：NN、SS、CC；3種輪耕之間相比，由大到小順序為：NS、CN、SC；說明免耕(NN)、少耕(SS)或者輪耕(NS、CN和SC)均有利于提高腐殖化系數(shù)，其中以NS處理最高。NS、NN、CN、SS 4個處理之間表觀腐殖化系數(shù)差異不顯著。

圖5 2008—2014年平均秸稈生物量和玉米平均產量Fig.5 Average dry mass of maize straw and average yield of maize in 2008—2014

圖6 耕作對玉米秸稈碳的表觀腐殖化系數(shù)的影響Fig.6 Effect of tillage treatment on apparent humification coefficient of maize straw carbon

相關分析(表6)表明，SOC、MBC、WSOC的儲量與玉米秸稈還田量呈顯著正相關；玉米產量與SOC、MBC、WSOC儲量呈顯著正相關；MBC、WSOC、HOC儲量與SOC 儲量呈顯著正相關。

3 討論

3.1 耕作對土壤碳庫及其構成的影響

農田土壤有機碳(SOC)主要來源于土壤微生物、作物根系分泌物、枯枝落葉以及收獲后留下的根茬、秸稈等殘留物[23]。土壤有機碳按其活性分為活性有機碳和惰性有機碳，其中活性有機碳組分主要包括MBC、WSOC和顆粒有機碳等組分[24]；惰性有機碳組分主要指一些抗氧化性高的組分，如難氧化木質素類以及腐殖物質類高分子聚合物等[25]。比較各耕作處理有機碳(SOC)含量和組成(MBC、WSOC、HOC)發(fā)現(xiàn)，土壤SOC、MBC和WSOC含量受耕作方式影響較大，而HOC含量受影響較小。在秸稈還田條件下，與連年翻耕相比，連年免耕措施下秸稈覆蓋于地表，增加了0～10 cm表層土壤有機物質輸入，因此引起表層土壤的SOC、MBC、WSOC含量增加，但減弱對耕層土壤的上下擾動，降低了10 cm以下土層的SOC、MBC、WSOC含量，出現(xiàn)了有機質的表聚現(xiàn)象，這與陳文超等[26]得到的現(xiàn)象一致。連年深松不僅可以增加土壤表層SOC含量，而且還提高了35～50 cm土層的SOC含量。這是因為在土壤局部深松的方式下，秸稈仍然主要覆蓋于土壤表層，從而促進了土壤表層有機碳增加，而且深松的深度為30～35 cm，打破了土壤的犁底層，促進了玉米根系向較深層次的發(fā)育，玉米收獲后留下的根茬量較多，又提高了深層土壤有機碳含量。將免耕、深松、翻耕三者之間兩兩結合進行年際間的輪耕，既可以減少翻耕引起的有機碳的礦化損失，又可避免因長期免耕導致有機碳的表聚問題。因此與連年翻耕相比，輪耕處理各土層SOC、MBC和WSOC含量基本上都增加，恰恰是發(fā)揮了各自在土壤有機碳調控方面的正效應。

注：*表示顯著性相關(plt;0.05)，** 表示極顯著性相關(plt;0.01)。

比較各耕作處理對土壤SOC及其組分儲量的影響時發(fā)現(xiàn)，總體上來看，與連年翻耕相比，輪耕、免耕、深松都增加0～50 cm土層SOC、MBC、WSOC和HOC的總儲量，這說明在秸稈還田條件下，免耕、深松和輪耕比翻耕能更好地提高土壤固碳能力。但SOC儲量在10～20 cm 和20～35 cm 2個土層，尤其是20～35 cm土層出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這與其含量變化不相同，是由于土壤容重變小所致。耕作方式不但會影響土壤的有機碳含量的變化，還會改變土壤容重[27]，而儲量是由含量和土壤容重決定的，因此有機碳含量的增加，不一定能引起有機碳儲量的增加。

在相關性研究中發(fā)現(xiàn)，不論是土壤活性有機碳儲量(MBC、WSOC儲量)、還是惰性有機碳儲量(HOC儲量)都與SOC 儲量呈顯著正相關(表6)。這說明土壤有機碳總量提高，其活性組分和惰性組分也相應得到提高。土壤SOC儲量、MBC儲量、WSOC儲量與玉米秸稈還田量呈顯著正相關性，這表明秸稈還田量也是引起土壤碳庫變化的主要因素，且其主要影響土壤有機碳及其活性組分的含量，而對土壤有機碳的惰性組分無顯著作用，兩者之間不相關(表6)。

土壤有機碳各組分占總有機碳的比例可以揭示土壤有機碳庫構成，反映土壤碳庫數(shù)量和質量變化。在秸稈還田條件下，與連年翻耕相比，連年免耕處理和輪耕(NS、SC和CN)處理使MBC/SOC和WSOC/SOC質量比在表層顯著增加，HOC/SOC質量比分別在35～50 cm和20～35 cm土層有所增加，這表明連年免耕和輪耕一方面使表層土壤有機碳的活性組分相對增多，這與表層土壤殘留有較多的作物秸稈有關，秸稈在分解過程中增加了活性有機碳組分(翻耕措施不僅使秸稈直接翻埋于20 cm深度土層，還加速了新翻的表層土壤中活性有機質的礦化)；另一方面提高了深層土壤有機質的穩(wěn)定性。與連年翻耕相比，連年深松則主要增加了0～10 cm和35～50 cm土層的MBC/SOC和WSOC/SOC質量比，提高了10～20 cm土層的HOC/SOC質量比，這與其耕作特點有關，在深松措施下，玉米秸稈大部分殘留在土壤表層，所以增加了0～10 cm表層土壤有機碳的活性組分的比例；在35～50 cm土層MBC/SOC質量比和WSOC/SOC質量比也增加，可能與深松打破犁底層，促進根系向下生長有關。深松措施下，10～20 cm土層的SOC含量最小，且HOC/SOC質量比較大，可能是因為深松改善了土壤亞表層疏松狀況，加速了該土層有機質的礦化有關，從而使難氧化有機碳組分相對增多。

3.2耕作對作物生長發(fā)育及秸稈還田腐殖化系數(shù)的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，與翻耕相比，深松、免耕和輪耕均可以提高玉米秸稈量和玉米籽粒產量，其中免耕與深松相結合的輪耕模式增產幅度最大，這是因為該輪耕模式可以打破犁底層，有利于土壤蓄水保墑，促進作物地下、地上部分的生長，并提高其產量；而且對土壤擾動小，避免有機質過度礦化，進而提高土壤肥力和生產力。

腐殖化系數(shù)是指一年時間內土壤有機碳儲量的增加量占所有外源輸入有機碳的百分比，反映出輸入外源碳在土壤中固定特征。在同樣的氣候、土壤類型和作物種植條件下，腐殖化系數(shù)主要受農田耕作和水肥管理的影響。本研究的農田水肥管理措施一致，只有耕作方面的差異。連年免耕(NN)、深松(SS)或者輪耕(NS、SC和CN)處理的表觀腐殖化系數(shù)都高于連年翻耕，其中以免耕與深松結合的輪耕處理最大，這一方面與免耕與深松結合后，作物產量和秸稈量最大，導致秸稈就地還田量也最大有關；另一方面也與該輪耕方式能減少耕作對土壤的擾動、降低土壤有機碳的礦化、促進外源有機碳在土壤中的殘留有關。

4 結論

(1)8年的定位試驗表明，不同耕作措施對土壤有機碳庫有顯著影響。在秸稈還田條件下，與翻耕相比，深松、免耕和輪耕(NS、SC、CN)顯著提高了0～50 cm土層有機碳及其各組分的儲量，其中主要以0～10 cm表層土壤的增加為主；在幾種耕作中，以免耕與深松結合的輪耕模式的SOC、MBC、WSOC儲量增加量最大，連年免耕處理的HOC儲量最大。與翻耕相比，深松、免耕和輪耕不僅提高了表層土壤的MBC/SOC和WSOC/SOC質量比，還分別增加了10～20 cm、35～50 cm和20～35 cm土層的HOC/SOC質量比；表明在表層土壤中，深松、免耕和輪耕處理既增加有機碳的量，又增加了有機碳的活性，在大于10 cm土壤中，增加了難氧化組分的比例，提高了有機碳的穩(wěn)定性。

(2)不同耕作措施影響到作物的生長和秸稈還田后的腐殖化系數(shù)。相對于翻耕，深松、免耕和輪耕均可提高玉米籽粒產量和秸稈的生物量，其中免耕與深松結合的輪耕模式增產效果較大。長期單一翻耕條件下秸稈還田碳的表觀腐殖化系數(shù)為8.94%。與翻耕相比，各耕作處理的玉米秸稈還田碳的表觀腐殖化系數(shù)顯著增加，且免耕與深松結合的輪耕處理的表觀腐殖化系數(shù)最大。

(3)在渭北高原黑壚土地區(qū)，免耕-深松相結合的模式不僅能增加土壤有機碳及其組分的含量和儲量，促進土壤固碳，而且對提高玉米產量也有顯著效果，是該地區(qū)較適宜的耕作模式。

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EffectsofDifferentTillageMethodsonSoilOrganicCarbonPoolCompositioninDarkLoessialSoilonLoessPlateau

WANG Xudong1ZHANG Xia1WANG Yanli1LI Jun2

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestAamp;FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.CollegeofAgronomy,NorthwestAamp;FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

To investigate the effect of different tillage methods on soil organic carbon pool, straw returning apparent humification coefficient and maize yield, an eight-year(2008—2015)field experiment with six tillage measures under straw returning in dark loessial soil on Loess Plateau was conducted. The tillage measures included three single continuous tillages (no-tillage (NN), subsoiling (SS) and conventional tillage (CC)), and three rotational tillages (no-tillage-subsoiling (NS), subsoiling-conventional tillage (SC) and conventional tillage-no-tillage (CN)). The results showed that compared with the conventional tillage, the measures of NN, SS and rotational tillage increased the content of soil organic carbon (SOC), microbial biomass carbon (MBC), water-soluble organic carbon (WSOC) in 0～10 cm soil layer, improved the ratios of MBC to SOC and WSOC to SOC. Although there was no significant difference in the hardly oxidized carbon (HOC) content for different treatments in 0～10 cm soil layer, the ratio of HOC to SOC was increased by SS, NN and rotational tillage in the soil layer of 10～20 cm, 35～50 cm and 20～35 cm, respectively. The store of HOC was increased significantly in the NN treatment in 0～50 cm soil layer. Compared with conventional tillage, the yield of corn and the dry mass of corn straw were increased in the treatments of SS, NN and rotational tillage, the maximum increment was found to be in the treatment of NS, by 13.79% for grain yield and 12.04% for straw dry mass, respectively. After eight-year straw returning, the apparent humification coefficient of straw in conventional tillage treatment was 8.94%，which was lower than those in the treatments of NN, SS and rotational tillage. The apparent humification coefficient of returning straw was 14.09% in the NS treatment, which was the highest among all the treatments. Based on soil carbon pool and corn yield, the tillage of NS was the most suitable measure for the local soil conditions.

dark loessial soil; tillage practices; organic carbon pool composition; apparent humification coefficient

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.028

S153.6

A

1000-1298(2017)11-0229-09

2017-03-08

2017-04-17

農業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(201503116)

王旭東(1965—)，男，教授，博士生導師，主要從事土壤化學研究，E-mail： wangxudong01@126.com