免耕對農(nóng)田土壤有機碳及可溶性有機碳的影響

丁晉利，武繼承，楊永輝，高翠民

(1. 鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，中國 鄭州 450044；2. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，中國 鄭州 450002；3. 農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽科學(xué)觀測站，中國 原陽 453514)

土壤有機碳(SOC)的含量cSOC及動態(tài)分布對土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力具有重要影響[1]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，耕作是影響土壤碳庫更新周轉(zhuǎn)速度的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)耕作能夠加速土壤有機碳的分解和礦化，是導(dǎo)致土壤肥力下降的重要因素之一[2]，而以免耕和秸稈覆蓋為主的保護性耕作由于減少了對土壤的擾動，能夠提高土壤有機質(zhì)含量，進而增加作物產(chǎn)量[3]。有研究表明，免耕土壤每年可固碳233 kg·hm-2，而傳統(tǒng)耕作[4]可使土壤碳減少141 kg·hm-2。土壤可溶性有機碳(DOC)僅占總有機碳的一小部分，但它是有機碳庫中最活躍的組分之一，與土壤碳庫中有機碳的遷移、固持和二氧化碳的釋放有密切的關(guān)系[5，6]。崔鳳娟等[7]研究表明，免耕秸稈處理較傳統(tǒng)耕作顯著增加土壤可溶性有機碳。但也有研究認為，傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｗo性耕作后土壤活性有機碳降低[8]。以往關(guān)于保護性耕作下土壤有機碳的研究多偏重土壤有機碳儲量與碳庫管理指數(shù)的變化及土壤淺層(0～30 cm)有機碳的剖面分布特征，多年免耕條件下深層土壤有機碳和可溶性有機碳的剖面分布特征及其比值的變化趨勢有待進一步深入研究。

本文基于多年耕作定位試驗，研究免耕條件下土壤有機碳儲量的年際變化，重點分析有機碳和可溶性有機碳在0～100 cm垂直分布特征，闡明免耕條件下土壤可溶性有機碳與有機碳比值的變化趨勢，揭示多年免耕對土壤碳庫產(chǎn)生的潛在影響，對進一步了解免耕碳效應(yīng)及土壤碳庫周轉(zhuǎn)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況及試驗處理

本研究長期定位耕作試驗設(shè)于河南省中部禹州農(nóng)業(yè)試驗基地(34.16°N，113.15°E)，海拔高度為150 m。試驗區(qū)多年平均降水量為674.9 mm，其中60%以上的降雨量集中在7～9月份，存在較嚴重的季節(jié)性干旱。該地區(qū)的土壤為褐土，土壤耕層全氮、水解氮、有機碳、速效磷和速效鉀分別為0.80 mg·g-1，47.82 μg·g-1，12.3 mg·g-1，6.66 μg·g-1和114.8 μg·g-1。

長期定位實驗布設(shè)于2006年，選取傳統(tǒng)耕作和免耕處理，每個處理3次重復(fù)。傳統(tǒng)耕作是在玉米收獲后，全部玉米秸稈粉碎并用犁鏵全面深翻15～20 cm將秸稈深埋；免耕是玉米收獲后，全部玉米秸稈粉碎覆蓋地表，無其他措施。種植的冬小麥品種為“矮抗58”，播種量為150 kg·hm-2，播種時間為10月中上旬，收獲時間為次年5月下旬，行距23 cm。冬小麥播種前施用氮肥(純氮225 kg·hm-2)、 過磷酸鈣(P2O5105 kg·hm-2)和鉀肥(75 kg·hm-2)，一次性底施。小區(qū)面積6 m×6 m=36 m2。

2 項目測定及計算

2.1 土壤有機碳及可溶性有機碳測定

在冬小麥關(guān)鍵生育期(拔節(jié)期、灌漿期和收獲期)，分別取0～20，20～40，40～60，60～80和80～100 cm土層土樣。待樣品風(fēng)干，將樣品充分混勻過1 mm和0.25 mm篩，分別稱取10 g土樣，待測。cSOC采用重鉻酸鉀-硫酸容量法(外加熱)測定[9]；土壤cDOC采用K2SO4浸提法測定[9]。

2.2 土壤碳儲量計算

(1)土壤碳儲量

土壤各層碳儲量由各層土壤有機碳含量、土壤容重與土層厚度計算得到[10]：

(1)

式中，cS為土壤碳儲量，kg·m-2；cSOC為土壤有機碳含量，g·kg-1；ρb為土層的容重，kg·m-3；D為土層厚度，m；j為土壤間隔，n為土壤層次。

(2)周年累積速率

周年累積速率為次年有機碳儲量與當年有機碳儲量差值之和除以試驗觀測年限[11]。

(2)

式中，cACR為周年累積率，kg·m-2·a-1；n為試驗觀測年限；cS,t+1為次年的有機碳儲量，kg·m-2；cS,t為當年的有機碳儲量，kg·m-2。

(3)有機碳平均年變化量

cMAV=(cSOC,n-cSOC,0)/n。

(3)

式中，cMAV為平均年變化量，g·kg-1；n為試驗觀測年限；cSOC,n為終止年的有機碳含量，g·kg-1；cSOC,0為開始年的有機碳含量，g·kg-1。

(4)有機碳相對年變化量

有機碳相對年變化量主要用來表示耕作處理對有機碳變化的實際影響，即不同耕作對有機碳的效應(yīng)減去對照后的平均凈年變化量。

cRAV=cMAV,N-cMAV,ck，

(4)

cMAV,N=(cSOC,n-cSOC,0)N/n,

(5)

cMAV,ck=(cSOC,n-cSOC,0)ck/n。

(6)

式中，cRAV為相對年變化量，g·kg-1；cMAV，N為不同處理終止年與開始年有機碳含量的差值，g·kg-1；cMAV，ck對照處理終止年與開始年有機碳含量的差值，g·kg-1。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 計算數(shù)據(jù)；采用SPSS軟件進行顯著性檢驗(LSD 法)；采用Sigma Plot 10.0作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 免耕處理下土壤有機碳儲量、平均年變化量和相對年變化量

與2006年相比，傳統(tǒng)耕作和免耕處理在2015年土壤0～20 cm有機碳儲量分別提高22.7%和34.6%(表1)。兩種耕作處理有機碳平均年變化量分別為0.22 g·kg-1和0.26 g·kg-1。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕處理在2006—2015年間有機碳平均年變化量(cMAV)分別是傳統(tǒng)耕作的1.18和2.23倍，且免耕較傳統(tǒng)耕作提高了有機碳周年累積速率(cACR),說明免耕在試驗期間有利于碳儲量增加。

表1 不同耕作措施下土壤0～20 cm有機碳儲量平均年變化量和相對年變化量

注：表中相同行中的不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。c1為2006年初始有機碳含量；cS1為2006年有機碳儲量；c9為2015年有機碳含量；cS9為2015年有機碳儲量；cMAV為2006—2015年有機碳平均年變化量；cRAV為2006—2015年有機碳相對年變化量；cACR為土壤有機碳年累積速率。

3.2 免耕措施下土壤可溶性有機碳的垂直分布特征

與傳統(tǒng)耕作相比，免耕降低了冬小麥拔節(jié)期、灌漿期和收獲期0～100 cm平均DOC含量。比較2015年與2016年試驗數(shù)據(jù)可知，在冬小麥拔節(jié)期和收獲期，免耕措施下0～100 cm土層平均DOC含量較傳統(tǒng)耕作分別提高4.2%和26.9%，而在冬小麥灌漿期較傳統(tǒng)耕作降低20.7%(圖1)，這可能是由于免耕措施下土壤含水量較高，使冬小麥生物量較高，導(dǎo)致冬小麥灌漿期需要吸收大量可溶性有機碳。從不同土層來看，免耕措施下拔節(jié)期、灌漿期和收獲期土層0～40 cm DOC含量均低于傳統(tǒng)耕作，這是由于傳統(tǒng)耕作對土壤表層擾動，加劇了土壤有機碳的礦化，致使傳統(tǒng)耕作0～40 cm 可溶性有機碳含量高于免耕。而40～100 cm土層平均可溶性有機碳含量在不同年份、冬小麥不同生育期表現(xiàn)不盡相同。與傳統(tǒng)耕作相比，2015年免耕冬小麥的收獲期40～100 cm 平均DOC含量較高，而在冬小麥拔節(jié)期和灌漿期平均DOC含量較低；2016年冬小麥拔節(jié)期和收獲期平均DOC含量較高，而在冬小麥灌漿期平均DOC含量較低。有研究表明，土壤可溶性有機碳含量受降雨量、耕作方式、土壤有機碳含量和生物量的影響[7]。不同耕作方式土壤容重、土壤含水量不同，導(dǎo)致冬小麥生物量不同，進而致使冬小麥吸收可溶性有機碳含量不同。

圖1 不同耕作處理土壤可溶性有機碳剖面分布特征

3.3 cDOC/cSOC 變化趨勢

圖2 不同耕作處理cDOC/cSOC 隨土壤深度變化

土壤可溶性有機碳占總有機碳的比值是反映土壤碳庫質(zhì)量的重要指標。比較2015和2016年試驗數(shù)據(jù)可知，免耕和傳統(tǒng)耕作cDOC/cSOC隨土壤深度增加大致呈逐漸增加的趨勢(圖2)。0～40 cm土層cDOC/cSOC較60～100 cm 土層顯著降低，這主要是由于表層土壤有機碳含量顯著高于深層。免耕措施下土層20～40，60～80和80～100 cmcDOC/cSOC較傳統(tǒng)耕作顯著降低，這是由于免耕措施下土壤有機碳含量顯著高于傳統(tǒng)耕作。而40～60 cm土層免耕cDOC/cSOC較傳統(tǒng)耕作顯著增高，這是由于一方面免耕土壤可溶性有機碳含量高于傳統(tǒng)耕作，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)耕作和免耕措施下深層土壤有機碳含量均較低。

4 結(jié)論與討論

不同耕作措施由于對土壤的擾動程度和作用強度不同，對土壤碳庫提高的程度不同。本研究表明，免耕

處理表層(0～20 cm)有機碳含量在試驗期間表現(xiàn)為增加趨勢。有研究表明，免耕覆蓋由于最低限度擾動土壤，顯著增加表層大團聚體含量，提高土壤水穩(wěn)性，降低微生物碳代謝能力，進而提高了土壤表層有機碳儲量[12-14]。但也有研究表明，免耕在短期內(nèi)未顯著影響土壤表層碳儲量增加，反而有所下降[15]。本研究結(jié)果則表明，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕處理均顯著提高土壤有機碳儲量、平均年變化量和相對年變化量。

土壤可溶性有機碳(DOC)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分之一，也是微生物生長和分解過程中的重要能量來源，在土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中具有重要作用。DOC作為土壤活性組分指標，對環(huán)境變化非常敏感，對自然和人為干擾的響應(yīng)快速且具有指示作用[16]。本研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕全生育期0～100 cm平均可溶性有機碳含量較低，這與李琳等[17]的研究結(jié)果一致。本研究表明，由于不同耕作措施對土壤擾動程度不同，土壤保水性和持水性差異顯著，作物生物量和產(chǎn)量不同，導(dǎo)致不同年份冬小麥不同生育期可溶性有機碳含量有顯著差異。免耕措施下0～100 cm土層平均可溶性有機碳含量在冬小麥拔節(jié)期和收獲期高于傳統(tǒng)耕作，而在冬小麥灌漿期低于傳統(tǒng)耕作。cDOC/cSOC可以用來表示有機碳的穩(wěn)定性和有效性，本研究結(jié)果表明，免耕和傳統(tǒng)耕作措施下cDOC/cSOC均隨土壤深度增加呈逐漸增加的趨勢，這是由于表層土壤有機碳顯著高于深層。免耕措施下土層20～40，60～80和80～100 cmcDOC/cSOC較傳統(tǒng)耕作顯著降低，說明免耕更有利于土壤碳庫的穩(wěn)定。