不同耕作方式与增施有机肥对麦田土壤有机碳库及小麦产量的影响

张黛静 王艳杰 陈倩青

摘要：为了解不同耕作方式与增施有机肥对麦田土壤有机碳库及小麦产量的影响，改善土壤质量，提高小麦产量，特设置本试验。在前6年定位试验基础上，以百农207为试验材料，采用二因素区组设计，设置深耕（DTF0）、浅耕（STF0）、免耕（NTF0）、深耕有机肥（DTF1）、浅耕有机肥（STF1）和免耕有机肥（NTF1）6个处理。结果表明，0～5 cm土层，与其他处理相比，NTF1处理下土壤有机碳和土壤活性有机碳的含量较高;5～20 cm土层，STF1处理下土壤有机碳和土壤活性有机碳的含量高于其他处理;40～60 cm土层，NTF1处理下土壤有机碳和土壤活性有机碳含量均显著高于STF1与DTF1处理（P<0.05）。就小麦产量及其构成因素而言，DTF1处理下穗粒数、千粒质量和产量均最高。

关键词：耕作方式;有机肥;土壤有机碳库;小麦产量;深耕;浅耕;免耕

中图分类号： S512.104;S311  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）11-0128-05

土壤有机碳是评价土壤肥力的重要指标，其直接关系着土壤质量与作物生长，但土壤有机碳含量仅是其矿化分解与合成过程之间动态平衡的结果，不能十分准确地反映出土壤有机碳的质量变化和转化速率[1-2]。Blair等研究表明，土壤活性有机碳（微生物量碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳等）能在土壤有机碳变化之前敏感地反映出土壤微弱的改变，且其与土壤生产力密切相关，被认为是评价土壤质量早期变化和土壤潜在生产力的敏感性指标[3-6]。

耕作是促进土壤有机碳库变化的重要人为因素，其频率和强度等直接影响土壤有机碳库的周转速率[7]。吕瑞珍等研究显示，与翻耕相比，深耕与秸秆覆盖能显著提高0～40 cm 土层活性有机碳占总有机碳比率[8];Kahlon等认为，浅耕、免耕只能提高表层土壤有机质含量，但对深层土壤有机质含量影响不大[9];王丹丹等研究发现，与翻耕相比，免耕可以显著提高活性有机碳的含量[10]。Lal研究发现，农田生态系统具有较强的固碳潜力，通过增施有机肥可提高固碳量，约占总固碳量的1/6[11];Liang等研究得出，与施用无机肥和不施肥相比，增施有机肥能显著提高土壤微生物量碳和易氧化有机碳含量[12];宋震震等研究认为，增施有机肥可增加土壤易氧化有机碳含量，同时易氧化有机碳含量随有机肥施用量的增加而增加[13]。陈欢等研究表明，适宜的施肥模式不仅可提高土壤有机碳含量，还有利于作物生长发育，进而提高作物产量[14]。

因此，耕作方式和施肥模式的改变均可影响土壤有机碳库的变化及小麦产量的提高。小麦是我国主要粮食作物，在我国农业生产中占据着至关重要的地位[15]。豫中补灌区是河南省小麦主产区之一，如何通过改变耕作方式及施肥模式，增强土壤碳固定，改善土壤质量和提高小麦生产力，成为生产上亟待解决的问题。本研究通过大田试验，研究不同耕作方式与增施有机肥处理，对该地区麦田土壤有机碳库及小麦产量的影响，分析土壤有机碳库之间的相互转化、其含量和小麦产量的变化，探寻适合该区的耕作施肥模式，进而改善农田生态环境，提高作物生产力，为豫中补灌区冬小麦高产栽培技术的改进提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地位于河南省建安区陈曹乡史庄村高产试验田（113°85′E、34°03′N）。该区域主要作物种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟制。土壤基础肥力（0～20 cm土层）见表1。本试验在2010年耕作与增施有机肥定位试验的基础上，于2016—2017年以半冬性中晚熟品种百农207为试验材料，采用2个因素随机区组设计，将耕作与有机肥相结合，设置深耕（DTF0）、浅耕（STF0）、免耕（NTF0）、深耕有机肥（DTF1）、浅耕有机肥（STF1）和免耕有机肥（NTF1）6个处理，小区面积为280 m2（20 m×14 m），3次重复。

深耕（30～40 cm）和浅耕（15～25 cm）均是大型旋耕机旋耕后耙地，用播种机播种，免耕是前茬玉米收获后不进行土壤翻耕和犁耙，用多功能播种机一次性完成机播、覆土和镇压等多项作业。前茬玉米秸秆粉碎后还田（还田量 8 000 kg/hm2），播前施入复合肥900 kg/hm2（折合施纯N 180 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2）及有机肥料950 kg/hm2（有机质含量492.69 g/kg），整地时翻入地下，拔节期追施纯N 90 kg/hm2。行距20 cm，播量为135 kg/hm2，基本苗280万株/hm2，2016年10月10日播种，2017年6月1日收获。

1.2 测定项目及方法

于小麦季的拔节期（2017年3月16日）、開花期（2017年4月23日）、成熟期（2017年6月1日）分别用土钻采集 0～5、5～20、20～40、40～60 cm土层的土壤样品，除去植株残根和石砾等杂质后分成2份，1份放于温室内自然风干后过0.25 mm筛，用于测定土壤有机质和土壤易氧化性碳含量，另一份鲜土时过2 mm筛，冻结在4 ℃冰箱里用于土壤微生物量碳和土壤可溶性碳含量的测定，存放时间不超过2周。

1.2.1 土壤有机碳库的测定 土壤有机碳含量的测定采用TOC测定仪[16];土壤微生物量碳含量的测定采用三氯甲烷熏蒸浸提法[17];土壤可溶性有机碳含量的测定采用水萃取法[18];土壤易氧化性有机碳含量的测定采用高锰酸钾氧化法[19]。

1.2.2 小麦产量及其构成因素 小麦季成熟期（2017年6月1日）人工收获1 m2的麦穗，装入网袋自然风干，脱粒，称质量并计算产量;同时随机选取30株长势一致的小麦单茎进行考种，测定穗粒数、穗数、千粒质量、不孕小穗数和穗长。

1.3 数据处理与分析

用Excel 2010及SPSS 17.0数据处理软件进行统计分析，采用Duncans新复极差法（SSR）进行处理间差异的显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式与增施有机肥对麦田土壤有机碳含量的影响

由图1可知，随着生育时期的推进，土壤有机碳含量呈现逐渐升高趋势。各生育时期，土壤有机碳含量均随土层的加深呈现逐渐降低的趋势。

拔节期：0～5 cm土层，NTF1处理下土壤有机碳含量显著高于DTF1处理（P<0.05）;5～20 cm土层，土壤有机碳含量变化范围为16.68～24.35 g/kg;20～40 cm土层，增施有机肥处理下土壤有机碳含量大于未增施有机肥处理;40～60 cm土层，DTF1处理下土壤有机碳含量显著高于DTF0处理（P<0.05），NTF1处理下土壤有机碳含量显著高于NTF0处理。

开花期：0～5 cm土层，免耕处理下土壤有机碳含量显著高于深耕处理（P<0.05）;5～20 cm土层，各处理土壤有机碳含量大小顺序依次为STF1处理>NTF1处理>DTF1处理>STF0处理>DTF0处理>NTF0处理;20～40 cm土层，DTF1、STF1和NTF1处理下土壤有机碳含量均大于与之对应的DTF0、STF0和NTF0处理，且两者间差异性均显著（P<0.05）;40～60 cm土层，与其他处理相比，NTF1处理下土壤有机碳含量最高，为13.24 g/kg。

成熟期：0～5 cm土层，与其他处理相比，NTF1处理下土壤有机碳含量最高，为29.77 g/kg，STF1处理次之，为 26.58 g/kg;5～20 cm土层，土壤有机碳含量变化范围为 22.11～26.67 g/kg;20～40 cm土层，就增施有机肥而言，土壤有机碳含量大小顺序依次为STF1处理>DTF1处理>NTF1处理，但三者间差异不显著;40～60 cm土层，DTF1、STF1和NTF1处理下土壤有机碳含量均大于与之对应的DTF0、STF0和NTF0处理。

2.2 不同耕作方式与增施有机肥对麦田土壤微生物量碳含量的影响

由图2可知，各生育时期，土壤微生物量碳含量均随土层的加深呈现逐渐降低的趋势。

拔节期：0～5 cm土层，NTF1和NTF0处理下土壤微生物量碳含量分别为383.17、392.47 mg/kg，且NTF1和NTF0处理下土壤微生物量碳含量显著高于其他处理（P<0.05）;5～20 cm土层，与其他处理相比，STF1处理下土壤微生物量碳含量最高，为246.28 mg/kg，STF0处理次之，为211.97 mg/kg，且两者间差异显著（P<0.05）;40～60 cm土层，NTF1处理下土壤微生物量碳含量比STF1、DTF1处理分别增加 34.02%、318.63%。

开花期：0～5 cm土层，与其他处理相比，DTF1处理下土壤微生物量碳含量最高，为 327.35 mg/kg;5～20 cm 土层，DTF1处理下土壤微生物量碳含量显著高于与之对应的DTF0处理（P<0.05）;20～40 cm土层，就耕作方式而言，土壤微生物量碳含量大小顺序依次为深耕处理>浅耕处理>免耕处理，且深耕处理与免耕处理之间差异显著（P<0.05）。

成熟期：0～5 cm土层，就增施有机肥而言，土壤微生物量碳含量大小顺序依次为NTF1处理>STF1处理>DTF1处理，且三者间差异显著（P<0.05）;5～20 cm土层，STF0处理下土壤微生物量碳比DTF0、NTF0处理分别增加30.02%、4.54%;20～40 cm土层，DTF1、STF1和NTF1处理下土壤微生物量碳含量均显著高于与之对应的DTF0、STF0和NTF0处理（P<0.05）;40～60 cm土层，与其他处理相比，NTF1处理下土壤微生物量碳含量最高，为94.22 mg/kg，DTF0处理下土壤微生物量碳含量最低，为13.27 mg/kg，且二者间差异显著（P<0.05）。

2.3 不同耕作方式与增施有机肥对麦田土壤可溶性碳含量的影响

由图3可知，随着生育时期的推进，土壤可溶性碳含量整体呈先降低后升高的趋势。开花期和成熟期土壤可溶性碳含量随土层的加深，呈现先增后减的趋势。

拔节期：0～5 cm土层，土壤可溶性碳含量变化范围是118.08～181.01 mg/kg;5～20 cm土层，就耕作方式而言，NTF0处理显著高于DTF0和STF0处理（P<0.05）;20～40 cm 土层，DTF1、STF1、NTF1处理分别比与之对应的DTF0、STF0、NTF0增加1.87%、23.71%、0.98%;40～60 cm土层，NTF1处理下土壤可溶性碳含量顯著高于其他处理（P<0.05）。

开花期：0～5 cm土层，NTF1处理下土壤可溶性碳含量显著高于DTF1和STF1处理（P<0.05）;5～20 cm土层，DTF0、STF0和NTF0处理下土壤可溶性碳平均含量分别为 159.24、144.99、159.20 mg/kg;20～40 cm土层，STF1处理下土壤可溶性碳含量显著高于其他处理（P<0.05）;40～60 cm土层，与其他处理相比，NTF1处理下土壤可溶性碳含量较高。

成熟期：0～5 cm土层，从增施有机肥角度来分析，各处理土壤可溶性碳含量大小顺序依次为STF1处理>NTF1处 理> DTF1处理;5～20 cm土层，NTF0处理下土壤可溶性碳含量显著高于DTF0和STF0处理（P<0.05）;20～60 cm土层，从耕作方式来分析，各处理土壤可溶性碳含量大小顺序依次为免耕处理>浅耕处理>深耕处理，且三者间差异显著（P<0.05）。

2.4 不同耕作方式与增施有机肥对麦田土壤易氧化性有机碳含量的影响

由图4可知，随生育时期推进，除NTF1处理外，土壤易氧化性有机碳含量整体呈先升高后降低的趋势。各生育时期，随土层的加深，土壤易氧化性有机碳含量整体逐渐减少。

拔节期：0～5 cm土层，NTF1处理下土壤易氧化性有机碳含量分别比DTF1、STF1处理增加47.33%、24.52%，且三者间差异显著（P<0.05）;5～20 cm土层，增施有机肥处理，土壤易氧化性有机碳含量STF1处理显著高于DTF1和NTF1处理（P<0.05）;20～40 cm土层，DTF1、STF1、NTF1处理下土壤易氧化性有机碳含量分别高于与之对应的DTF0、STF0、NTF0处理;40～60 cm土层，土壤易氧化性有机碳含量变化范围为1.50～1.75 g/kg。

开花期：0～5 cm土层，与其他处理相比，NTF1处理下土壤易氧化性有机碳含量较高;5～20 cm土层，STF1处理下土壤易氧化性有机碳含量显著高于其他处理（P<0.05）;20～40 cm土层，就耕作方式而言，免耕与浅耕、深耕处理差异显著（P<0.05）;40～60 cm土层，增施有机肥处理下土壤易氧化性有机碳含量均大于与之对应的未增施有机肥处理。

成熟期：0～5 cm土层，就耕作方式而言，NTF0处理下土壤易氧化性有机碳含量最高，分别比STF0和DTF0处理提高 10.84%、6.73%;20～40 cm土层，STF1处理显著高于其他处理（P<0.05）;40～60 cm土层，NTF1处理下土壤易氧化性有机碳含量显著高于其他处理（P<0.05）。

2.5 不同耕作方式与增施有机肥对小麦产量及其构成因素的影响

由表2可知，增施有机肥处理下穗长均高于未增施有机肥处理。各处理的结实小穗数的变化范围为17.93～19.67个。DTF0、STF0和NTF0处理下不孕小穗数分别比与之对应的DTF1、STF1和NTF1处理增加4.87%、2.33%、11.25%，但各处理间差异不显著。不同耕作方式间，NTF0处理穗粒数高于DTF0与STF0处理。增施有机肥处理下千粒质量均高于未增施有机肥处理，且STF1与STF0处理间差异达到显著水平（P<0.05）。就小麦产量而言，增施有机肥处理高于未增施有机肥处理;DTF1和STF1处理显著高于NTF1处理（P<0.05），但DTF1与STF1处理之间差异不显著。耕作方式与增施有机肥及二者交互对小麦产量的影响均达到显著水平（P<0.05）。

3 讨论与结论

土壤有机碳库作为评价土壤肥力与土壤质量的重要指标，其在优化土壤结构、改善土壤理化性质、调节作物养分、作物产量维持与质量保证等方面有着至关重要的作用[20-21]。合理的耕作措施能够有效提高土壤有机碳库水平[22]。增施有机肥可直接为土壤提供有机碳源，使土壤微生物活性增加，促进土壤有机碳与养分之间的转化，进而提高土壤有机碳的固定量[23]。

本试验结果显示，免耕和增施有机肥有利于土壤有机碳和土壤活性碳含量的提高。0～5 cm土层和40～60 cm土层，与其他处理相比，NTF1处理能较好地提高土壤有机碳、土壤微生物有机碳、土壤可溶性碳、土壤易氧化性碳的含量，究其原因可能是一方面免耕减少了土壤扰动，且秸秆覆盖表层，有利于表层土壤有机碳和土壤活性有机碳的积累，而DTF1和STF1处理引起深层农田土壤结构遭到破坏，使不同深度的土壤暴露在空气中，土壤通透性增加，提高了微生物活性，加速了土壤有机碳的氧化;另一方面，增施有机肥为土壤微生物提供了充足的碳源，微生物大量繁殖，形成优势群体，提高了土壤微生物活性，能加速对土壤有机碳的转化。王碧胜等研究认为，免耕处理下表层土壤有机碳含量较传统耕作处理虽有所提高，但两者间差异不显著[24]，这与本试验结果一致;Chen等認为可能是免耕没有扰动土壤，土壤中微生物的保护性物质释放减慢，土壤有机质的氧化和矿化缓解[25];杨景成等研究认为，免耕对土壤扰动较少，减少了深层土壤接触空气的机会，减弱了土壤原有有机质的矿化与氧化，且田间残留的秸秆等有机物的降解也使土壤中有机碳数量增多，而深耕处理将新土壤暴露于土壤表面，使土壤的通气性及水分等状况发生变化，引起有机碳累积条件发生了改变，从而使有机碳的转化加快[26]。本试验中，增施有机肥处理下土壤有机碳和土壤活性碳含量均高于与之对应的未增施有机肥处理，这与张贵龙等的研究结果[27]一致。张瑞等研究表明，短期施肥能使土壤活性有机碳含量增加，这可能是增施有机肥可增加作物生物量和根际分泌物，使得微生物活动及其降解活动加速，于短期内生成高浓度水溶性有机物，增加土壤溶解性有机碳含量[28]。史康婕等研究认为，高量有机、无机肥配施或增施高量有机肥可极显著提高土壤有机碳含量和易氧化有机碳含量，有利于有机碳的固存[29]。

与其他处理相比，DTF1处理下穗粒数、千粒质量和产量均最高，这可能是因为深耕将上层土壤翻入下层，优化土壤结构，为小麦根系吸收养分、水分以及微生物的呼吸创造了良好的条件;且增施有机肥使得土壤微生物活性提高，进而提高小麦产量。梁金凤等研究显示，深耕能打破犁底层，改善土壤结构，促进根系向下生长，从而扩大营养吸收范围，使得穗粒数、千粒质量增加，最终增产效果明显[30]。本试验显示，增施有机肥处理下小麦产量及其构成因素均高于与之对应的未增施有机肥处理，这可能是有机肥能改良土壤中速效养分的状况，使得土壤的根系分泌物与有机残体数量增加，进而促进作物根系和地上部生长，这与Kong等的研究结果[31]一致。Li等认为可能是多年有机肥料的添加，大大提高了土壤质量，进一步提高了养分利用率，提升作物产量[32]。

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