耕作方式对稻麦轮作区土壤碳氮储量与层化率的影响

崔思远 曹光乔 朱新开

(1.扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室， 扬州 225009；2.农业部南京农业机械化研究所农业部现代农业装备重点实验室， 南京 210014)

0 引言

土壤有机质是土壤的重要组成部分，是反映土壤肥力的重要指标之一，对土壤物理、化学、生物学特性及作物生产有重要的影响[1-2]。作为有机质的重要组分，土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)与土壤结构稳定、作物高产及稳产性等密切相关。当SOC质量分数低于2%，会降低土壤结构稳定性，进而限制作物的高产稳产性[3]，而中国逾80%的耕地SOC低于该水平。PAN等[4]基于中国第二次土壤普查的有机质数据和作物产量数据分析指出，有机质每提高1个百分点，作物产量可增加430 kg/hm2，稳产性提高3.5%。同时，SOC是重要的有机碳库，在全球碳循环过程中发挥着重要作用。区域尺度SOC微生物分解率的微小变化，都将引起全球尺度的气候变化[5]。不合理的农业管理措施使农田SOC含量较初始水平降低30%～60%，但是60%～70%已损失的SOC可以通过有机物归还、降低耕作强度等科学的管理措施重新被土壤固定[6]。据CHENG等[7]估算，我国农田土壤的生物物理固碳潜力为2.2～2.9Pg C，其中保护性耕作的固碳潜力为0.62Pg C。因此，合理的耕作和秸秆管理措施具有保障粮食安全和固碳减排等多重意义。

氮素是限制土壤生产力的重要因子，对作物生长和生理代谢起着重要作用。土壤氮素和SOC存在一定的耦合关系，氮素变化能够影响土壤吸收大气CO2的能力，进而影响土壤固碳作用[8]，SOC水平也在氮素矿化、固定和反硝化作用中起重要作用[9]，其相互耦合作用对作物生产以及气候变化等具有重要意义[10]。

免耕可以减少因耕作造成的SOC损失，被认为是农田固碳减排最有效的措施之一[11-12]。HAO等[13]试验研究表明，免耕0～60 cm土层碳储量较传统耕增加了5.178×104kg/hm2，SOC含量提高了56.07%。王淑兰等[14]研究表明，与连续翻耕相比，免耕或者免耕结合其他耕作可以提高土壤氮储量，5年平均值为3.6%～11.1%。作物秸秆含有丰富的营养元素，较多研究表明，秸秆还田可以显著提高有机碳和全氮含量[15-17]，但可能具有较大的点位变异性[18]。SINGH等[19]则指出，通过减少耕作或秸秆管理措施增加表层土壤固碳的效果有限。

虽然免耕具有诸多优势，但是长期连续免耕存在一系列问题，如土壤夯实、杂草和病虫害问题突出等[20-21]，因此部分学者对少耕展开研究[20, 22-23]。长江中下游平原稻麦两熟区是中国重要粮食产区之一，已有研究表明，该区耕作方式和秸秆还田显著影响土壤容重、孔隙结构及土壤碳库和构成等[24-26]。长期免耕会导致土壤板结、插秧困难、作物根系较浅，而过度耕作则会导致土壤肥力下降、有机质损耗、温室气体排放增加等问题。目前该地区有关耕作方式和秸秆还田对土壤碳库、氮库变化影响的研究不够充分，相关机理仍不清楚。本研究拟通过研究少耕、旋耕、翻耕及秸秆还田条件下耕层SOC、全氮含量和碳氮比及层化率、碳氮储量的变化情况，阐明土壤耕作对土壤碳氮固持效应的影响，为长江中下游平原麦稻两熟区农田土壤碳库和氮库管理及建立合理的耕作制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2013年秋季在江苏省泰州市姜堰区河横生态农业科技示范园(32°60′N，120°14′E)进行。该区地处长江中下游平原东部，属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨，年均气温14.5℃；全年积温(大于等于0℃)5 365.6℃；年降水量约为990 mm，年日照时数约为22 060 h。试验区土壤为普通简育水耕人为土，土壤质地为重黏土，试验前0～20 cm土层主要理化性状为：容重1.31 g/cm3、有机碳质量比21.06 g/kg、全氮质量比2.27 g/kg、速效钾质量比为119.17 mg/kg、速效磷质量比为49.74 mg/kg、pH值7.24。该区为中国主要的水稻-冬小麦一年两熟区。

1.2 试验设计

试验始于2013年10月，基于长期旋耕农田设置：①少耕秸秆还田(Minimum tillage, MT)：水稻季免耕，小麦季每2年浅旋一次，稻麦秸秆全量还田。②翻耕秸秆还田(Conventional tillage, CT)：水稻季翻耕，小麦季旋耕，稻麦秸秆全量还田。③旋耕秸秆还田(Rotary tillage, RT)：水稻季旋耕，小麦季旋耕，稻麦秸秆全量还田。④翻耕秸秆不还田(Conventional tillage without straw retention，CT0)：水稻季翻耕，小麦季旋耕，稻麦秸秆均不还田。浅旋深度8 cm，旋耕深度11 cm，翻耕深度18 cm。每个小区面积500 m2，重复3次，秸秆还田处理冬小麦秸秆还田量5 200 kg/hm2左右，水稻秸秆还田量约9 500 kg/hm2。水稻、小麦均采用联合收获机收获，根茬约为30 cm。4种处理的作物品种、灌溉量、施肥量均相同，冬小麦品种为郑麦9号，水稻品种为南粳9108。冬小麦播种时施用有机肥(主要成分质量分数为：有机质45%、N 2.5%、K 2.5%)1 500 kg/hm2，复合肥(主要成分质量分数为：N 15%、P 15%、K 15%)375 kg/hm2，分蘖期和拔节期分别施用尿素312 kg/hm2。水稻插秧时施肥种类和数量同小麦播种时，插秧后第10天起每10 d施用尿素250 kg/hm2，共4次。

1.3 样品采集与测定分析

土样于2017年10月水稻收获后采集，分0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm 3个层次，每小区4个重复，同一深度的4个重复样品混合成一个样品，带回实验室自然风干，剔除石砾及残茬等杂物，过0.25 mm筛，用于土壤有机碳和全氮的测定。

土壤容重采用环刀法，冬小麦收获后用体积为100 cm3的环刀，分0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm 4个土壤层次采集原状土样，重复3次，密封带回实验室，干燥称质量(105℃，24 h)，测定土壤容重。

土壤有机碳含量用重铬酸钾(K2Cr2O7)氧化外源加热法测定，全氮含量用凯氏消煮法测定[27]。土壤碳氮比由土壤有机碳含量与全氮含量之比计算得出[28]，层化率通过由0～5 cm土层土壤有机碳含量、全碳含量或碳氮比和大于5 cm土层(5～10 cm及10～20 cm)土壤有机碳含量、全氮含量或碳氮比之比计算得出[29]。

1.4 有机碳和全氮储量的计算

采用等质量法[30]计算土壤有机碳和全氮储量。等质量土壤有机碳和全氮储量指各层土壤有机碳和全氮储量与增加土壤质量中有机碳和全氮储量之和，计算方法为

(1)

其中

Msoil,i=100 000ρb,iTi

(2)

式中i——土壤层次，i=1、2、3时，分别表示0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土壤层次

Melement——等质量土壤有机碳或全氮储量，kg/hm2

Mj——已确定的相等土壤质量，即j=1、2、3时，分别为0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土层不同耕作处理土壤质量的最大值，其相应的n分别为1、2、3

Msoil,i——各层次的土壤质量,kg/hm2

ci——各层次土壤有机碳或全氮含量，g/kg

cextra——增加土壤质量部分的有机碳或全氮含量，g/kg

ρb,i——各层次土壤容重，g/cm3

Ti——各层次土壤厚度[31]，m

1.5 数据分析

采用SPSS 17.0软件进行统计分析，用单因素方差分析(ANOVA)对不同处理的变量进行LSD显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式下土壤容重的变化

各处理0～20 cm不同土层土壤容重如图1所示(不同的小写字母表示同一土层不同处理间差异达显著水平(P<0.05)，下同)。可以看出，随着土层的加深，各处理土壤容重均不断增大，不同处理间土壤容重有明显差异。与CT0、CT和RT相比，MT显著提高0～10 cm土壤容重(P<0.05)，RT、CT较CT0明显降低了0～10 cm的土壤容重。0～5 cm土壤容重由大到小顺序为MT、CT0、CT、RT，MT较CT0提高了13.18%，而RT、CT分别较CT0下降了11.15%和2.92%。5～10 cm土层各处理间呈现相似的规律。在10～15 cm和15～20 cm土层，RT容重显著高于CT和CT0，由大到小依次为RT、MT、CT0、CT。各土层CT容重均低于CT0，说明机械耕作促进了秸秆与土壤的混合，降低了土壤容重。

图1 不同耕作处理的土壤容重Fig.1 Soil bulk density with different tillage treatments

2.2 不同耕作方式下土壤有机碳和全氮含量的变化

不同耕作方式下耕层土壤(0～20 cm)有机碳和全氮含量如图2所示，随着土层的加深，各处理有机碳含量均呈下降趋势。MT显著(P<0.05)增加了0～5 cm土壤有机碳含量，分别比RT、CT和CT0提高13.08%、18.40%和30.09%；与CT0相比，RT显著提高了5～10 cm和10～20 cm土壤有机碳含量，CT显著提高了10～20 cm土壤有机碳含量。5～10 cm和10～20 cm MT有机碳含量与其他各处理之间的差异均不显著。

图2 不同耕作处理不同土层土壤有机碳和全氮质量比Fig.2 Depth distribution of soil organic carbon and total N concentrations with different tillage treatments

0～5 cm土壤全氮含量MT分别比RT、CT和CT0提高11.93%、17.03%和31.19%，差异均达显著水平(P<0.05)。10～20 cm土壤全氮含量CT显著高于RT和MT，分别提高了13.35%和27.40%，同时CT0比MT高16.80%。

图4 不同耕作方式土壤有机碳含量、全氮含量和碳氮比的层化率Fig.4 Stratification ratios of soil organic carbon concentrations, total N concentrations and C∶N ratios with different tillage treatments

2.3 不同耕作方式下土壤碳氮比的变化

各耕作处理0～20 cm不同层次土壤碳氮比为13.07～17.56(图3)，且有随着土层加深而降低的趋势。0～5 cm和5～10 cm土壤碳氮比各处理间均无显著性差异，10～20 cm各处理土壤碳氮比由大到小为MT、RT、CT、CT0，MT、RT和CT处理碳氮比分别比CT0提高28.23%、19.00%和9.97%，其中MT与CT、CT0之间，RT、CT和CT0之间差异达显著水平(P<0.05)。

图3 不同耕作处理不同土层土壤碳氮比Fig.3 Depth distribution of soil C∶N ratios with different tillage treatments

2.4 不同耕作方式下土壤有机碳含量、全氮含量和碳氮比层化率的变化

MT显著提高表层0～5 cm对其他层次有机碳和全氮层化率(P<0.05)，MT有机碳和全氮层化率分别比其他处理提高13.27%～29.35%和13.91%～49.10%(图4)。然而，MT并未提高土壤碳氮比层化率。0～5 cm土层、5～10 cm土层碳氮比层化率MT低于CT和CT0，但差异不显著，仅RT显著低于CT0。0～5 cm土层、10～20 cm土层碳氮比层化率以MT最低，分别比RT、CT和CT0降低6.26%、13.24%(P<0.05)和22.67%(P<0.05)。

2.5 不同耕作方式下土壤有机碳和全氮储量的变化

MT因0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土层的土壤质量最大，故将其作为Mj(j=1、2、3)，计算出各处理的等质量土壤有机碳和全氮储量(表1)。耕作方式和秸秆还田对土壤有机碳储量影响显著，且在不同土壤深度表现相似的趋势，各处理在 0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土层土壤有机碳储量由大到小顺序为MT、RT、CT、CT0。MT有机碳储量在各土层均高于其他处理，但随着土壤深度加深，MT与其他处理间的差异逐渐减小，在0～5 cm土层，MT有机碳储量显著高于其他所有处理(P<0.05)，在0～10 cm土层，MT显著高于CT和CT0，在0～20 cm土层，MT显著高于CT0。随着土壤深度的加深，各处理土壤有机碳储量的增加量有所不同，其中0～20 cm土层以CT的增加量最大，为4.229×104kg/hm2，这与10～20 cm CT处理的有机碳含量相对较高有关。秸秆还田对有机碳储量影响显著，0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土层有机碳储量CT分别比CT0提高9.88%、9.80%和14.47%。

耕作方式显著影响土壤全氮储量，各处理0～5 cm、0～10 cm土层全氮储量由大到小顺序为MT、

表1 不同耕作方式土壤等质量有机碳和全氮储量Tab.1 Soil organic carbon and total N stocks with different tillage treatments by using equivalent soil mass methods

注：6.395×105、1.31×106、2.694×106kg/hm2分别为0～5 cm、0～10 cm和0～20 cm土层的最大土壤质量，即Mj(j=1、2、3)。表中同一行的不同小写字母表示同一土层不同处理间的差异达显著水平(P<0.05)。

RT、CT、CT0，但是0～20 cm土层为CT、RT、MT、CT0。在0～5 cm土层，MT全氮储量显著高于其他所有处理；0～10 cm土层，MT显著高于CT和CT0；0～20 cm土层，MT低于RT和CT，但与各处理的差异均不显著。与有机碳储量相似，随着土层加深，CT 0～20 cm的全氮储量增加量最大，为4.33×103kg/hm2。秸秆还田对全氮储量影响显著，0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土层全氮储量CT分别比CT0提高12.10%、10.92%和9.97%。

3 讨论

3.1 耕作方式对土壤有机碳含量、全氮含量和碳氮比的影响

从图2 可看出，随着土层的加深，各处理耕层0～20 cm土壤有机碳含量均不断下降，与已有研究相似[13,20,31]。耕作方式对有机碳在不同层次的分布有显著影响，MT较其他处理显著(P<0.05)增加了表层0～5 cm土壤有机碳含量，与部分已有研究结果一致[32-33]，这主要是由于MT秸秆主要覆盖在表层，秸秆腐解后主要进入0～5 cm土壤，同时MT可以促进团聚体的形成，提高土壤容重(图1)，降低了土壤孔隙度，有利于降低有机碳的分解而增加有机碳含量，而耕作提高了土壤的通气性，使得有机碳更容易被分解[34]。5～10 cm和10～20 cm 有机碳含量分别以RT和CT最高，主要是因为RT和CT的耕作深度分别达到11 cm和18 cm，促使秸秆与该层次土壤的混合，与胡乃娟等[25]在稻麦轮作区的研究一致。也有研究表明，免耕可以提高0～10 cm 有机碳含量[31,35]，甚至达到80 cm[36]。与CT0相比，CT增加了0～20 cm 有机碳含量，并在10～20 cm 达显著水平，说明秸秆还田可以显著提高土壤有机碳含量，与部分报道一致[37-38]。然而，有研究也表明秸秆还田对土壤有机碳的固存无显著影响，甚至导致土壤有机碳含量的降低，可能引发了启动效应[37,39]。

较多研究认为，免耕等保护性耕作有利于提高表层土壤全氮含量，但是对于深层土壤全氮含量是否增加的看法并不一致[40]。HUANG等[41]认为免耕能够提高0～5 cm土壤全氮含量，但是5～10 cm全氮含量则低于传统耕作。本研究结果表明，MT显著提高0～5 cm土壤全氮含量，而5～10 cm各处理全氮含量无显著差异，10～20 cm则显著低于其他处理，主要原因是不同耕作处理促进了不同层次秸秆与土壤的混合，提高了相应层次的氮素供给。QIU等[42]在吉林旱作农田的研究以及XUE等[43]在双季稻田的研究表明，不同耕作处理土壤全氮含量均随土层加深逐渐下降。本研究中，随着土层的加深，MT全氮含量逐渐降低，RT先上升再下降，而CT和CT0则逐渐上升，具体原因尚不明确。VIGIL等[44]研究认为，投入碳氮比较高的物料能够增加土壤氮素固定。本试验长期施用高碳氮比的有机肥，有利于氮素固定，可能会导致RT和CT全氮含量随深度加深而增加。0～20 cm不同土层CT全氮含量比CT0提高9.08%～12.10%，说明秸秆还田有利于提高土壤全氮含量，与已有研究结果一致[43,45]。

本试验土壤碳氮比相对较高，为13.07～17.56，主要因为长期施用有机肥。秸秆还田提高土壤碳氮比；除了MT 10～20 cm碳氮比高于5～10 cm，各处理碳氮比均随着土层加深而降低，与XUE等[43]研究基本一致。本研究中0～5 cm和5～10 cm土壤碳氮比各处理间均无显著性差异，10～20 cm各处理土壤碳氮比由大到小为MT、RT、CT，CT显著低于MT，可能是因为CT深层土壤较高的已腐解秸秆含量降低了碳氮比[45]。

3.2 耕作方式对土壤有机碳含量、全氮含量和碳氮比层化率的影响

MT显著提高(P<0.05)表层0～5 cm和其他层次有机碳和全氮层化率，与已有报道一致[46-47]，主要是因为MT秸秆覆盖于土壤表面，导致表层土壤有机碳和全氮相对富集、深层土壤有机碳和全氮相对减少，从而使表层与各深层土壤有机碳和全氮层化率更大。而RT和CT秸秆在耕层空间分布更加均匀，层化率则相对较低。秸秆还田对土壤有机碳和全氮层化率的影响并不显著，这可能是由于秸秆还田与不还田处理均为翻耕措施，土壤有机碳和全氮在耕层分布规律较为一致[40]。

CT0提高表层0～5 cm与其他层次，特别是与10～20 cm土层碳氮比层化率，MT 0～5 cm土层、10～20 cm土层碳氮比层化率显著低于CT和CT0，主要原因是随着耕作强度增强，土壤碳氮比随土层加深而下降的速度越快(图3)。然而，ZHANG等[45]则认为秸秆还田有利于增加土壤碳氮比层化率，因为秸秆还田处理秸秆输入的碳氮比比秸秆不还田处理根系输入的碳氮比高。

3.3 耕作方式对土壤有机碳、全氮储量的影响

本文以MT处理土壤质量为参考，通过等质量法计算土壤有机碳和全氮储量。结果表明，MT较其他处理增加了0～20 cm的有机碳储量，与多数研究结果一致[34,48]。秸秆还田条件下，MT处理0～5 cm有机碳储量显著高于其他处理(P<0.05)，随着深度加深，MT与其他处理之间的差异逐渐减小，0～10 cm碳储量MT仅显著高于CT，0～20 cm碳储量MT与RT、CT之间并无显著差异。这可能是因为MT仅显著提高0～5 cm有机碳含量，而随着土壤深度的增加，MT有机碳含量快速下降，而RT和CT耕层有机碳含量相对均匀。魏燕华等[31]对中国华北麦玉两熟区研究表明，MT仅增加了表层10 cm有机碳储量，20～30 cm及30～50 cm的土壤有机碳储量较CT均有一定程度的下降，从整个土层(0～50 cm)来看，MT较CT未表现出明显的固碳优势。但是XU等[48]对中国南方双季稻田的研究却表明，耕作措施对碳储量的影响可以达到80 cm，二者差异可能和土地利用方式有关。从表1还可看出，各层次CT有机碳储量均高于CT0，并且在0～10 cm和0～20 cm差异显著(P<0.05)，说明秸秆还田增加土壤有机碳输入，有利于提高耕层土壤有机碳储量。

一般认为，免耕等保护性耕作有利于提高土壤氮储量[14,49]，并且主要体现在上层土壤中，对深层土壤影响较小[50]。本研究结果表明，MT显著提高0～5 cm、0～10 cm土壤氮储量，但是由于其10～20 cm土壤全氮含量显著低于RT和CT，导致其0～20 cm土壤氮储量低于RT和CT。然而范如芹等[51]研究表明，免耕对氮储量的提升效果并不明显，并且与作物轮作方式有关。秸秆还田有效提高0～20 cm各层次土壤氮储量，和已有报道一致[45,52]，主要因为秸秆还田可以促进氮素固定，提高土壤氮的积累[53]。

4 结论

(1)秸秆还田下，耕作方式对不同土层土壤有机碳和全氮含量影响显著，这主要与耕作深度有关。MT、RT、CT分别提高0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土层有机碳和全氮含量。耕作方式主要影响10～20 cm土层土壤碳氮比，且耕作强度越大碳氮比越低。秸秆还田有利于提高0～20 cm土层土壤有机碳、全氮含量和碳氮比。

(2)MT显著提高0～5 cm土层和其他各层次有机碳和全氮含量层化率，秸秆还田对土壤有机碳和全氮含量层化率影响不显著。耕作方式显著影响0～5 cm土层、10～20 cm土层碳氮比层化率，碳氮比层化率随着耕作强度增加而增加。

(3)MT提高了0～20 cm土层土壤有机碳储量和0～10 cm土层土壤全氮储量，有利于相应层次有机碳和氮的固定积累，但是0～20 cm土层土壤氮储量低于RT和CT。秸秆还田显著提高0～20 cm土层有机碳和全氮储量，具有良好的碳氮固持效应。