深松秸稈還田措施對(duì)東北黑土土壤呼吸及有機(jī)碳平衡的影響

劉平奇，張夢(mèng)璇，王立剛，王迎春

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

陸地土壤有機(jī)碳（SOC）碳庫(kù)儲(chǔ)量是大氣碳庫(kù)2倍多[1]，其微小的變化都會(huì)顯著影響大氣CO2變化并影響全球碳循環(huán)和碳平衡過(guò)程[2-4]。土壤呼吸作為土壤向大氣釋放CO2的重要途徑，其強(qiáng)弱變化不僅受SOC平衡影響[5]，也是指示土壤整體活性變化的重要指標(biāo)[6]。東北黑土區(qū)作為世界四大黑土區(qū)之一[7]，是我國(guó)重要的商品糧基地，承擔(dān)著糧食生產(chǎn)“穩(wěn)壓器”和生態(tài)屏障的作用[8-9]。長(zhǎng)期以來(lái)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民依靠化肥投入，使用小型旋耕機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)，導(dǎo)致土壤耕層變淺、犁底層變厚、SOC 含量下降，土壤活性變差，制約作物生長(zhǎng)，影響作物產(chǎn)量[10-12]，同時(shí)，對(duì)于大量作物秸稈，農(nóng)民一般采用就地堆積焚燒的方式處理，不僅造成資源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染和破壞大氣環(huán)境[13]。深松結(jié)合秸稈還田被認(rèn)為是一種能打破犁底層、構(gòu)建合理耕層及固存SOC的有效措施[14-17]。張俊麗等[18]和祿興麗等[19]研究認(rèn)為深松提高了作物生育期土壤呼吸速率，伏星舟等[20]研究發(fā)現(xiàn)深松降低了土壤呼吸速率。普遍研究認(rèn)為，在東北黑土區(qū)秸稈粉碎翻耕還田能提高土壤呼吸速率[21-23]。目前，針對(duì)單獨(dú)深松、秸稈還田措施對(duì)土壤呼吸變化特征的研究已有很多，但針對(duì)兩種措施結(jié)合條件下研究較少，土壤呼吸特征變化尚不明確。土壤有機(jī)碳平衡以土壤為界面，表示土壤有機(jī)碳收入和支出的抵消情況，正平衡表示土壤有機(jī)碳收入大于支出，反之則支出大于收入[24]。邱建軍等[25]認(rèn)為東北黑土區(qū)土壤有機(jī)碳損失約占全國(guó)1/4，近年來(lái)，提高東北黑土區(qū)土壤有機(jī)碳含量，維持土壤有機(jī)碳平衡是黑土地保護(hù)的重要目標(biāo)，張博文等[26]研究認(rèn)為深松措施會(huì)降低土壤有機(jī)碳含量，土壤碳平衡呈現(xiàn)為負(fù)增長(zhǎng)，王立剛等[27]認(rèn)為秸稈還田會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間尺度遏制黑土土壤有機(jī)碳下降的態(tài)勢(shì)，保持一定的正平衡，但對(duì)于兩種措施相結(jié)合對(duì)東北黑土區(qū)有機(jī)碳平衡的研究較少，對(duì)土壤碳平衡影響變化也不明確。針對(duì)以上問(wèn)題，本研究采取田間原位監(jiān)測(cè)的方法，探究深松結(jié)合秸稈還田措施對(duì)東北黑土區(qū)春玉米農(nóng)田土壤呼吸和土壤有機(jī)碳平衡的影響，以期為東北黑土土壤地力提升及土壤有機(jī)碳平衡提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)立于黑龍江省綏化市青岡縣民政鎮(zhèn)進(jìn)化村（126°11′3.14″E，46°42′42.11″N），該地區(qū)位于典型黑土區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔457 m，年平均氣溫2.4～2.6 ℃。最冷月平均氣溫-20.9 ℃，最熱月平均氣溫22.1 ℃。年降水量為477 mm。全年無(wú)霜期130 d 左右。供試土壤為黏壤質(zhì)黑土，土壤0～100 cm土層物化性狀如表1所示。

本試驗(yàn)開(kāi)始于2017 年，為使研究結(jié)果更加準(zhǔn)確和更具代表性，本文采用2019 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)供試作物春玉米品種為“天澤（澤玉）704”，于2019年4月28 日播種，10月3 日收獲，行距 65 cm，種植密度為每公頃5.92萬(wàn)株。

本試驗(yàn)采用大區(qū)處理，共設(shè)置6 個(gè)處理，具體田間管理措施如表2。

每個(gè)處理區(qū)域長(zhǎng)50 m、寬24 m，面積1200 m2。每年秋季玉米收獲后，按照試驗(yàn)設(shè)置將需要秸稈還田地塊的秸稈原位粉碎（長(zhǎng)度≤10 cm），然后使用德國(guó)LEMKEN 公司進(jìn)口的Karat 9 深松機(jī)進(jìn)行深松，深松深度可通過(guò)儀器數(shù)字電控，精度高，每2 a 深松一次。按不同深度要求深松后將田間秸稈全量旋耕20 cm還田（2019 年秸稈還田量 T2：10 375 kg·hm-2；T3：11 098 kg·hm-2；T4：11 091 kg·hm-2），起壟后待下一年5 月份繼續(xù)播種。播種時(shí)使用肥料如下：尿素（N 46.0%）、磷酸二胺（N-P2P5-K2O 為18-46-0）和鉀肥（K2O 50%），農(nóng)民習(xí)慣處理（FP）按240 kg N·hm-2、135 kg P2O5·hm-2、100 kg K2O·hm-2的施肥量混合，其他處理（T1、T2、T3、T4）按 192 kg N·hm-2、135 kg P2O5·hm-2、100 kg K2O·hm-2的施肥量混合，一次性施入化肥，均勻溝施。播種后各小區(qū)在作物拔節(jié)前中耕除草和打農(nóng)藥一次，無(wú)追肥處理。

表1 基礎(chǔ)土壤理化性狀Table 1 Basic soil physical and chemical properties

表2 不同處理田間管理措施Table 2 Field management measures in different treatments

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 土壤呼吸測(cè)定

土壤呼吸速率采用美國(guó)LI-COR 公司研制動(dòng)態(tài)密閉式Li-8100 紅外土壤呼吸儀測(cè)定。每個(gè)處理按要求各放置3個(gè)土壤呼吸的PVC 基座（直徑20 cm，高度15 cm）作為重復(fù)埋入土壤中，每個(gè)基座上方露出土面5 cm。為避免安裝基座對(duì)土壤呼吸造成擾動(dòng)，安裝完基座后2 d 才開(kāi)始進(jìn)行第一次測(cè)量。2019 年土壤呼吸 的監(jiān)測(cè)日期為 2019年5月1日至 2019年10月1日，覆蓋整個(gè)玉米生育期，測(cè)定頻率平均為10 d 一次（具體根據(jù)管理措施、降雨等條件的變化會(huì)有微小的調(diào)整），測(cè)定時(shí)間均為上午9：00—11：00，該時(shí)間段土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定，且能代表這一日的土壤呼吸平均值[28]。在測(cè)定土壤呼吸速率同時(shí)用土壤溫度計(jì)（JM-624）測(cè)定0～10 cm 土層土壤溫度，用土壤水分速測(cè)儀（TRIME-PICO 64）測(cè)定0～10 cm土層土壤含水率。

1.2.2 土壤呼吸累積量和Q10值

根據(jù)已測(cè)定和計(jì)算的土壤呼吸速率估算土壤呼吸累積量（以CO2-C值計(jì)），未測(cè)定日期用拉格朗日插值法求出其日排放通量，然后累加計(jì)算求玉米整個(gè)生育期的土壤呼吸累積量。公式[29]為：

式中：X為土壤每天CO2排放量，kg·hm-2；Rs為測(cè)定的土壤呼吸速率，μmol·m-2·s-1；12 為 CO2-C 的摩爾質(zhì)量，g·mol-1；3600 和 24 為換算系數(shù)。i為第i次測(cè)定土壤呼吸速率，n為監(jiān)測(cè)次數(shù)。N是相鄰兩次監(jiān)測(cè)之間相隔的天數(shù)，相鄰兩次土壤呼吸的線性內(nèi)插作為間隔土壤呼吸速率值。

土壤呼吸速率對(duì)溫度的敏感性通常用Q10來(lái)描述。Q10是指溫度每升高10 ℃所造成的土壤呼吸速率的變化值。在不受其他因子限制的情況下，溫度和土壤呼吸速率（Rs）之間的關(guān)系通常可以用指數(shù)方程描述[17]：

式中：a和b為擬合參數(shù)，分別代表0 ℃時(shí)某層土壤CO2產(chǎn)生速率（μmol·m-2·s-1）和溫度響應(yīng)系數(shù)；T為土壤溫度，℃。

1.2.3 植物樣品的采集與分析

植物樣品于2019 年10 月3 日作物成熟后采集。各小區(qū)采集完整的玉米植株3 株，將植株的根、莖、葉、果實(shí)、苞葉、穗分開(kāi)，用鼓風(fēng)干燥箱在105 ℃恒溫條件下殺青30 min，然后在65 ℃恒溫條件下烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定植株各部分的生物量。隨后將植物的各部分采用球磨儀研磨粉碎，不過(guò)篩（植物體纖維、非纖維等部分碳氮比不同），最后測(cè)定植物樣品各部分碳含量。

1.2.4 產(chǎn)量測(cè)定

產(chǎn)量測(cè)定方法按照以下5 個(gè)步驟進(jìn)行[30]，測(cè)產(chǎn)區(qū)和植株取樣區(qū)分開(kāi)，植株取樣不對(duì)測(cè)產(chǎn)形成干擾：

（1）量取并計(jì)算出試驗(yàn)地塊的平均行距、株距，計(jì)算單位面積株數(shù)。

單位面積株數(shù)/株·hm-2=10 000÷（平均行距/m×平均株距/m）

（2）測(cè)定平均單株穗數(shù)。連續(xù)數(shù)20 株，數(shù)取總果穗數(shù)，然后除以20，計(jì)算得到平均單株果穗數(shù)。

（3）測(cè)定平均穗粒數(shù)。隨機(jī)摘取10 個(gè)果穗，測(cè)定每個(gè)果穗的行數(shù)和列數(shù)，然后相乘并計(jì)算平均值，得到平均穗粒數(shù)。

（4）測(cè)定百粒質(zhì)量。用摘取的測(cè)產(chǎn)果穗在干燥陰涼處風(fēng)干至恒質(zhì)量（約1 個(gè)月）并稱取百粒質(zhì)量，計(jì)算10個(gè)重復(fù)下的平均百粒質(zhì)量。

（5）計(jì)算產(chǎn)量。將以上測(cè)得的數(shù)據(jù)套入以下公式，計(jì)算產(chǎn)量。

產(chǎn)量（kg·hm-2）=單位面積株數(shù)（株·hm-2）×平均單株穗數(shù)×平均穗粒數(shù)×百粒質(zhì)量（g）÷100 000

1.2.5 土壤有機(jī)碳平衡

土壤呼吸包括：（1）土壤有機(jī)質(zhì)的分解和微生物的呼吸；（2）土壤動(dòng)物的呼吸；（3）土壤礦物質(zhì)的化學(xué)氧化過(guò)程；（4）植物根的呼吸。根據(jù)東北黑土區(qū)不同季節(jié)變化根系呼吸占比[31]，計(jì)算不包括根系呼吸在內(nèi)的土壤呼吸累積量：

式中：Cc為總土壤呼吸，kg CO2-C·hm-2；Ccr為根系呼吸，kg CO2-C·hm-2；Ccs為不包括根呼吸的其他3 個(gè)部分總和，kg CO2-C·hm-2。

土壤有機(jī)碳平衡表示土壤有機(jī)碳收入和支出的差值[25]：

式中：Cpr為玉米根茬歸還土壤碳量，kg C·hm-2；Cps為玉米莖歸還土壤碳量，kg C·hm-2；Cpl為玉米葉歸還土壤碳量，kg C·hm-2；Cpb為玉米苞葉歸還土壤碳量，kg C·hm-2；Cpt為玉米雄穗歸還土壤碳量，kg C·hm-2；Ccs為土壤呼吸累積量，kg CO2-C·hm-2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理均采用Microsoft Excel 2019，方差分析使用SPSS 19，采用Duncan 法進(jìn)行均值多重比較，不同字母代表0.05 水平差異顯著（P＜0.05），采用Origin 2017進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)地降雨及土壤溫、濕度變化

土壤表層（0～10 cm）的土壤溫度隨著季節(jié)變化而改變，土壤溫度先升高后降低，在7 月中旬達(dá)到峰值（圖1），生育期平均土壤溫度表現(xiàn)為：?jiǎn)为?dú)深松處理（T1）＞不施肥處理（CK）＞農(nóng)民習(xí)慣處理（FP）＞秸稈還田處理（T3＞T4＞T2），但處理間差異不顯著。表明深松打破犁底層后，土壤通氣性變強(qiáng)，土壤溫度受空氣溫度影響大，溫度容易提升且高于FP。而秸稈還田因秸稈持水能力強(qiáng)，且疏松孔隙為土壤內(nèi)部孔隙，氣熱交換速度慢，溫度相對(duì)較低。土壤表層（0～10 cm）的土壤含水量伴隨著自然降雨的波動(dòng)而波動(dòng)，大致在15%～45%，各處理土壤含水量在不同降雨時(shí)期表現(xiàn)出不一致的波動(dòng)，整體表現(xiàn)為伴隨降雨的增加，土壤含水率迅速提高，直到作物成熟期，土壤含水率逐漸開(kāi)始下降，各處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

2.2 土壤呼吸特征

整個(gè)春玉米生育時(shí)期土壤呼吸速率表現(xiàn)出“先升高，后降低”的特征，呼吸速率在7 月中旬至8 月初達(dá)到峰值，在苗期、灌漿期和成熟期各處理土壤呼吸速率波動(dòng)較小，而拔節(jié)期、吐絲期各處理間土壤呼吸速率差異大（圖2）。除T4 土壤呼吸速率在7 月23 日達(dá)到峰值外，其他處理在7 月11 日達(dá)到峰值，其中，T1比 FP 高 72.7%；T2 比 FP 高 54.4%；T3 比 FP 高 61.7%；T4 土壤呼吸速率峰值最高，為 4.55 μmol·m-2·s-1，比FP 高105.9%；CK 比FP 高 67.7%，其中T4 土壤呼吸速率峰值不僅比其他處理高，而且峰值維持的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

圖1 試驗(yàn)地降雨及不同處理土壤溫、濕度變化Figure 1 Precipitation in field and change in soil temperature and humidity of different measures

圖2 不同處理土壤呼吸速率變化Figure 2 Changes of soil respiration rate under different measures

整個(gè)生育期T1平均土壤呼吸速率比FP 高49.8%（P＞0.05）；T2 比 FP 高 59.3%（P＞0.05）；T3 比 FP 高67.8%（P＞0.05）；T4比FP顯著高118.6%（P＜0.05）；CK與FP 無(wú)顯著差異（P＞0.05）。深松、秸稈還田和兩者結(jié)合與FP 相比提高了整個(gè)生育期土壤呼吸速率，其中T4 提高顯著（P＜0.05）。從不同生育期看，在吐絲期，6個(gè)處理平均土壤呼吸速率差異不顯著（P＞0.05），而在苗期、拔節(jié)、灌漿和成熟期，不同處理間差異顯著（P＜0.05）（表3）。

2.3 土壤呼吸速率與水熱條件的關(guān)系

土壤呼吸速率隨土壤溫度升高呈現(xiàn)指數(shù)增加的趨勢(shì)（表4），除T3 處理外，土壤呼吸速率與土壤溫度均達(dá)到顯著相關(guān)水平（P＜0.05），土壤溫度可以解釋土壤呼吸速率變化的32.9%～71.1%。溫度敏感系數(shù)Q10值大小表現(xiàn)為單獨(dú)深松處理（T1）＞不施肥處理（CK）＞農(nóng)民習(xí)慣處理（FP）＞秸稈還田處理（T4＞T2＞T3）。單獨(dú)深松處理打破犁底層，增強(qiáng)通氣性和滲水能力[32]，土壤水分變化對(duì)土壤呼吸波動(dòng)能力減弱，土壤呼吸對(duì)土壤溫度的敏感性加強(qiáng)。而秸稈還田不僅固持水分，使得土壤水分對(duì)土壤呼吸變化貢獻(xiàn)增強(qiáng)，而且底物的加入使得土壤呼吸影響因素更加復(fù)雜[33-34]，土壤呼吸對(duì)溫度變化敏感性下降。

土壤呼吸與土壤含水率一般呈二次函數(shù)相關(guān)關(guān)系[35]，本試驗(yàn)中，由于東北黑土區(qū)降雨較多，土壤為黏壤土，土壤呼吸速率與土壤含水率表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但除T1 處理外，二者關(guān)系均不顯著（表4）。土壤呼吸與含水率的關(guān)系較為復(fù)雜，有研究表明土壤含水率只有在低于田間持水量的40%或高于80%時(shí)才會(huì)成為土壤呼吸的限制因子[36]，目前土壤水分含量不構(gòu)成脅迫，所以其和土壤呼吸的相關(guān)性并不顯著，但土壤水分會(huì)影響土壤整體的水、氣、熱條件，其對(duì)土壤呼吸的影響是不可忽視的[21]。

表3 不同生育期土壤呼吸速率均值（μmol·m-2·s-1）Table 3 Mean value of soil respiration rate at different growth stages（μmol·m-2·s-1）

表4 土壤呼吸速率與土壤溫、濕度關(guān)系及Q10值Table 4 Relationship between soil respiration rate and soil temperature and humidity and Q10 value

2.4 土壤呼吸累積量

土壤呼吸累積量大小整體表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1＞CK＞FP（圖3），CK 與FP無(wú)顯著差異（P＞0.05），T1土壤呼吸累積量比 FP 高 53.2%（P＜0.05），T2 比 FP 高54.3%（P＜0.05），深松+秸稈還田處理（T3、T4）土壤呼吸累積量較高，比FP 分別高63.0%和108.0%（P＜0.05）。表明單獨(dú)深松、單獨(dú)秸稈還田和二者相結(jié)合均能有效提高土壤呼吸累積量。

按不同生育時(shí)期劃分，整體表現(xiàn)為拔節(jié)期和吐絲期兩個(gè)生育期土壤呼吸累積量占比最大（圖4），分別占總生育期35.3%～41.2%和25.9%～31.9%，苗期次之，占19.8%～25.2%，灌漿成熟期土壤呼吸累積量占比最低，占7.9%～13.0%，表明在拔節(jié)和吐絲期，作物快速生長(zhǎng)時(shí)，溫、濕度適合，微生物數(shù)量從拔節(jié)期到吐絲期急劇上升并達(dá)到峰值，微生物活動(dòng)加強(qiáng)[37]，再加上作物的快速生長(zhǎng)，其根系的活性也較大[38]，整體表現(xiàn)為土壤呼吸的增強(qiáng)。在各生育期CK 與FP 土壤呼吸累積量均無(wú)顯著差異（P＞0.05），T1、T2、T3 和T4 苗期土壤呼吸累積量比FP 分別顯著高23.2%、51.3%、77.6%和114.5%（P＜0.05），表明在苗期，由于土壤溫度相對(duì)較低，對(duì)土壤呼吸的影響不大，而深松、秸稈還田和兩種措施相結(jié)合對(duì)作物的生長(zhǎng)促進(jìn)明顯，尤其是促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)（本試驗(yàn)苗期T1、T2、T3、T4根系生物量比FP 高22.2%～155.6%），使得土壤呼吸累積量顯著加強(qiáng)，而在其他生育時(shí)期比FP 分別高17.2%～187.0%、21.2%～67.7%和39.9%～83.7%，但差異不顯著（P＞0.05），這可能是在作物成長(zhǎng)以后，不同處理間作物根系差異降低，而土壤呼吸對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)各有不同所導(dǎo)致的[19]。

2.5 土壤有機(jī)碳平衡

在所有的處理中，農(nóng)民習(xí)慣處理（FP）土壤有機(jī)碳平衡值為-647 kg C·hm-2，土壤有機(jī)碳入不敷出。單獨(dú)深松處理（T1）土壤有機(jī)碳平衡值為負(fù)值，較FP增加102.3%的碳支出，土壤有機(jī)碳平衡表現(xiàn)為碳支出。單獨(dú)秸稈還田處理（T2）、深松25 cm+秸稈還田處理（T3）、深松35 cm+秸稈還田處理（T4）土壤有機(jī)碳平衡均為正值，由于秸稈歸還的大量碳素，土壤有機(jī)碳平衡表現(xiàn)為碳收入，收入大小表現(xiàn)為T2＞T3＞T4，較FP分別增加了488.5%、477.7%和448.9%。

圖3 不同處理土壤呼吸累積量Figure 3 Soil CO2-C emission under different conditions

圖4 不同生育期土壤呼吸累積量Figure 4 Soil CO2-C emission under different growth stages of corn

圖5 土壤有機(jī)碳平衡Figure 5 Soil organic carbon balance

單獨(dú)秸稈還田處理（T2）和深松+秸稈還田處理（T3、T4）有機(jī)碳輸入中，主要是莖向土壤輸入了大量的碳，占總有機(jī)碳輸入的70%左右（69.3%～73.2%），其次是葉和苞葉，占18.8%～23.9%，根茬占總有機(jī)碳輸入的5.8%～7.7%，其值范圍為162～209 kg C·hm-2。

2.6 玉米產(chǎn)量

2019年FP 玉米產(chǎn)量為 12 306 kg·hm-2，比 CK 顯著高 79.4%（P＜0.05），T1、T2、T3 和T4 較 FP 分別顯著提高玉米產(chǎn)量 15.2%、22.4%、13.8% 和 17.4%（P＜0.05），其中T2 產(chǎn)量最高，但T1、T2、T3 和T4 處理之間無(wú)顯著差異（P＞0.05）（圖6）。

圖6 玉米產(chǎn)量Figure 6 Corn yield

3 討論

3.1 深松結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤呼吸的影響

本研究中不同處理土壤呼吸速率均表現(xiàn)出“先升高，后降低”的特征。土壤呼吸速率受土壤溫度的影響顯著（P＜0.05），5—7月份隨著土壤溫度的升高土壤呼吸速率逐漸升高，7月中旬至8月初溫度達(dá)到最高，再加上降雨的增加，土壤含水率也有所提高，使得微生物活動(dòng)增強(qiáng)[39]，土壤呼吸速率達(dá)到峰值，然后伴隨著土壤溫度的下降土壤呼吸也逐漸降低，這與前人的研究結(jié)果一致[40]。

從不同處理來(lái)看，深松作為一種有效打破犁底層的措施，降低了表層土壤的容重和緊實(shí)度，增加了土壤孔隙度和通氣性[32]，促進(jìn)了土壤有機(jī)物質(zhì)礦化，利于土壤中CO2的排放，使得單獨(dú)深松處理（T1）各生育期土壤呼吸均高于FP，尤其在玉米灌漿、成熟期降雨減少，土壤含水率下降，土壤中被水分填充的部分孔隙得以釋放，通氣性加強(qiáng)，此時(shí)土壤呼吸顯著高于農(nóng)民習(xí)慣處理（P＜0.05），最終使得土壤呼吸累積量顯著提高（P＜0.05）。單獨(dú)秸稈還田（T2）土壤呼吸速率峰值大幅高于農(nóng)民習(xí)慣處理54.4%，這與高寒[21]和秦子鎛等[22]的研究相似，在玉米拔節(jié)和吐絲期，土壤溫度較高，降雨的增加使得土壤含水率開(kāi)始上升，秸稈加速腐解，土壤微生物快速繁殖且活動(dòng)劇烈[41]，土壤活性加強(qiáng)，土壤呼吸速率迅速提升并達(dá)到峰值，因此整體土壤呼吸累積量顯著高于農(nóng)民習(xí)慣處理（P＜0.05）。

深松+秸稈還田處理（T3、T4）土壤呼吸累積量不僅顯著高于農(nóng)民習(xí)慣處理（不深松、秸稈不還田，F(xiàn)P）（P＜0.05），而且均高于單獨(dú)深松（T1）和單獨(dú)秸稈還田（T2），兩種措施結(jié)合可以促進(jìn)土壤呼吸作用。主要原因可能是秸稈分解生成的腐殖質(zhì)提供了碳源和底物，并有效固持水分[32]，為微生物活動(dòng)提供了適宜的外部環(huán)境，而深松進(jìn)一步加大了土壤孔隙度，增強(qiáng)了土壤通透性[42]，促進(jìn)了秸稈的分解，因此兩種措施相結(jié)合能顯著提高土壤呼吸。其中，深松35 cm+秸稈還田（T4）土壤呼吸累積量顯著高于深松25 cm+秸稈還田（T3）和其他處理（P＜0.05），這與賀美等[17]研究結(jié)果一致，原因可能是秸稈還田條件一致情況下，深松35 cm+秸稈還田（T4）打破犁底層的程度較強(qiáng)、深松深度深，土壤通氣性更加良好[32]，土壤呼吸速率長(zhǎng)期高于其他處理，土壤呼吸累積量顯著高于其他處理。但深松和秸稈還田兩種措施結(jié)合時(shí)，哪種措施是土壤呼吸的主要貢獻(xiàn)措施？貢獻(xiàn)程度多大？目前尚不能科學(xué)地量化，還有待于更深入的研究。

3.2 深松結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳平衡的影響

本研究中，農(nóng)民習(xí)慣處理（不深松、秸稈不還田，F(xiàn)P）土壤有機(jī)碳平衡為負(fù)值，表現(xiàn)為入不敷出，長(zhǎng)此以往，東北黑土土壤有機(jī)碳含量下降，土壤肥力降低，影響土壤持續(xù)生產(chǎn)能力。梁愛(ài)珍等[43]研究發(fā)現(xiàn)東北耕作黑土0～10 cm 土層SOC 損失量為26.8%～46.6%，SOC 損失嚴(yán)重。賀美等[39]利用DNDC 模型模擬當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣處理40 a的土壤有機(jī)碳變化，黑土土壤有機(jī)碳含量下降了7.8%。按照農(nóng)民習(xí)慣處理，東北黑土有機(jī)碳必定逐年降低，直至達(dá)到新的平衡，因此，東北黑土要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，亟需土壤固碳措施的實(shí)施。

單獨(dú)深松處理（T1）提高了玉米產(chǎn)量，主要原因是深松打破了犁底層，降低了表層土壤容重，促進(jìn)玉米根系生長(zhǎng)及發(fā)育[44-45]，加速了雨水下滲[46]，改善了土壤環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了作物有效增產(chǎn)[16]。但在僅進(jìn)行深松措施而沒(méi)有秸稈歸還情況下，土壤呼吸累積量顯著提高，增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳礦化，土壤有機(jī)碳支出高于農(nóng)民習(xí)慣處理（FP），若長(zhǎng)期采取單獨(dú)深松措施，會(huì)加劇土壤有機(jī)碳的損失，而且有研究發(fā)現(xiàn)深松措施主要降低的是土壤中活性碳的含量[47]，活性有機(jī)碳與作物生長(zhǎng)關(guān)系密切，與產(chǎn)量呈顯著相關(guān)關(guān)系[48]，若長(zhǎng)期或頻繁進(jìn)行單獨(dú)深松，不僅不利于土壤有機(jī)碳的保護(hù)，而且其增產(chǎn)效果也會(huì)逐漸減弱。

單獨(dú)秸稈還田（T2）土壤有機(jī)碳平衡為正值，能提高土壤有機(jī)碳含量，增加土壤肥力，這在東北黑土區(qū)已經(jīng)形成了共識(shí)[49-50]，而且秸稈還田措施能有效提高玉米產(chǎn)量。主要原因是秸稈腐熟提供有機(jī)質(zhì)和固持水分[32]，使得根際微生物活躍，土壤酶活性顯著增強(qiáng)[51]，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，最終增加作物產(chǎn)量。但玉米秸稈還田并非越多越好，錢鳳魁等[52]在黑土區(qū)研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田量在0～12 000 kg·hm-2玉米產(chǎn)量逐漸上升，超過(guò)18 000 kg·hm-2則產(chǎn)量降低，目前，本試驗(yàn)原位秸稈還田量為10 375～11 098 kg·hm-2，處于合理秸稈還田量區(qū)間，秸稈還田具有增產(chǎn)和固碳能力[17]。

深松25 cm+秸稈還田（T3）和深松35 cm+秸稈還田（T4）處理土壤有機(jī)碳平衡均為正值，增加了土壤有機(jī)碳收入，這與邱建軍等[25]研究結(jié)果一致。其碳收入的量略低于單獨(dú)秸稈還田處理（T2），主要原因是在秸稈還田的同時(shí)還進(jìn)行了深松，深松措施提高了土壤呼吸累積，提高了碳支出，但在進(jìn)行秸稈還田措施的情況下，由于秸稈碳的輸入，此時(shí)土壤呼吸的增強(qiáng)不能單純地看作耕地土壤礦化加劇、SOC 損失、對(duì)大氣CO2的排放增加的過(guò)程[53]，此時(shí)的土壤呼吸更多表現(xiàn)為土壤微生物活性、土壤動(dòng)物呼吸活動(dòng)大小和土壤本身活性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[54]。深松結(jié)合秸稈還田措施打破了犁底層，提高了通透性，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，又增強(qiáng)土壤活性，改善了作物生長(zhǎng)環(huán)境，不僅顯著提高了產(chǎn)量，而且有效地增加了碳收入，使得土壤有機(jī)碳可以持續(xù)輸入和固定，這與耕地土壤可持續(xù)且高效利用的目標(biāo)是相符合的。

本研究中主要測(cè)定的是作物生長(zhǎng)季內(nèi)的土壤呼吸，不能完整代表全年的土壤呼吸量，為了更全面地度量年季土壤有機(jī)碳平衡，我們通過(guò)取得的氣象數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)由青岡氣象局提供），利用土壤和空氣溫度相關(guān)性關(guān)系[55-56]計(jì)算得到土壤溫度變化，發(fā)現(xiàn)作物播種前有21 d土壤溫度高于0 ℃，收獲后有19 d高于0 ℃，根據(jù)不同處理下土壤呼吸和土壤溫度的指數(shù)相關(guān)關(guān)系（表4），估算得出玉米非生長(zhǎng)季的土壤呼吸累積量，得出東北黑土區(qū)非生長(zhǎng)季土壤呼吸累積量占全年土壤呼吸累積量的5.7%～15.5%，低于黃淮海地區(qū)約40%的比例[57]。通過(guò)累加非生長(zhǎng)季土壤呼吸累積碳排放得到各處理全年土壤有機(jī)碳平衡值，較作物生長(zhǎng)季土壤有機(jī)碳平衡均有了一定的降低，但各處理土壤有機(jī)碳正負(fù)收支沒(méi)有改變。還田秸稈量為多少能保持土壤有機(jī)碳平衡為正值？長(zhǎng)時(shí)間尺度上，深松+秸稈還田措施土壤有機(jī)碳平衡是否會(huì)達(dá)到新的正平衡？這需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

（1）整個(gè)玉米生育時(shí)期土壤呼吸速率表現(xiàn)出“先升高，后降低”的特征，呼吸速率在7 月中旬至8 月初達(dá)到峰值，與土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。拔節(jié)期和吐絲期為土壤呼吸累積量主要貢獻(xiàn)時(shí)期，分別占35.3%～41.2%和25.9%～31.9%。深松結(jié)合秸稈還田處理較FP 顯著提高土壤呼吸累積量53.2%～108.0%，其中深松35 cm+秸稈還田（T4）土壤呼吸提升最大。

（2）農(nóng)民習(xí)慣處理（不深松、秸稈不還田，F(xiàn)P）土壤有機(jī)碳入不敷出，土壤有機(jī)碳平衡值為-647 kg C·hm-2。單獨(dú)深松處理（T1）土壤有機(jī)碳平衡為負(fù)值，且碳支出比FP 高102.3%，碳損失最嚴(yán)重。單獨(dú)秸稈還田處理（T2）和深松+秸稈還田處理（T3、T4）較FP 增加了土壤有機(jī)碳收入488.5%、477.7%和448.9%，土壤有機(jī)碳平衡均為正值，均能有效固存土壤有機(jī)碳。

（3）單獨(dú)深松和單獨(dú)秸稈還田及兩者結(jié)合的處理均能顯著增加玉米產(chǎn)量13.8%～22.4%，達(dá)到12 t·hm-2高產(chǎn)水平。