耕作方式对晋中玉米田土壤有机碳储量的影响

祁泽伟，刘彩霞，李娜娜，梁改梅，薛建福

（1.山西农业大学农学院，作物生态与旱作栽培生理山西省重点实验室，山西太谷030801；2.山西省农业科学院旱地农业研究中心，山西太原030031）

全球气候变化是当前国人关注的焦点问题之一，如何有效缓解气候变化至关重要。土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，农田土壤有机碳库约占土壤碳库的10%，是陆地生态系统重要的组成部分[1]。土壤有机碳动态变化是当前众多学者研究的热点[2-3]。采用合理的农业管理措施能够提高土壤有机碳含量，实现土壤固碳[4]。土壤耕作直接作用于农田土壤，对土壤有机碳含量影响很大。一般认为，传统翻耕措施能够破坏土壤结构，加快土壤有机碳分解，导致土壤有机碳含量降低[5]；而免耕等保护性耕作由于对土壤扰动较小，土壤有机碳矿化减弱，能够提高土壤有机碳的含量[1]。但亦有研究表明，免耕仅增加表层土壤有机碳含量，对深层土壤有机碳影响不大[3]。此外，免耕措施通常被认为是增加土壤固碳的重要措施之一，但主要集中在表层，而关于较深层土壤是否固碳结果并不一致[6-7]。目前，国内外关于耕作方式对土壤有机碳及其储量的研究很多，但关于耕作方式对晋中地区土壤有机碳及其储量的影响鲜有报道。

本研究通过分析不同耕作方式下晋中地区玉米田土壤有机碳含量及其储量以及土壤层化率分布，以期为该地区实现土壤固碳提供一定的理论依据与技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2016年在山西省农业科学院东阳试验基地进行（N37°32′44.28″，E112°37′26.78″）。该地区属温带大陆性干旱气候，年平均气温9.7℃，年降水量为450 mm，降水主要集中在6—8月。试验前0～30 cm土壤基本养分情况为：有机质9.8 g/kg，全氮0.08 g/kg，碱解氮40.3 g/kg，有效磷3.7 g/kg，速效钾99 g/kg，pH值8.2。

1.2 试验材料

供试作物为中晚熟玉米，品种为大丰30。

1.3 试验设计

本试验采用随机区组设计，设深翻秸秆不还田（PT）、深翻秸秆还田（PTS）、免耕秸秆不还田（NT）和免耕秸秆还田（NTS）4个处理，3次重复，小区面积45 m2（15 m×3 m）。各处理具体设计为：深翻秸秆不还田（PT），前茬玉米机收后秸秆移出并将土壤翻耕20～25 cm，旋耕镇压；深翻秸秆还田（PTS），前茬玉米收获后秸秆粉碎后翻耕还田，第2年用播种机进行播种、施肥等田间管理措施；免耕秸秆不还田（NT），前茬玉米收获后将秸秆移出田间，不进行耕作，第2年选用免耕播种机进行播种；免耕秸秆还田（NTS），前茬玉米收获后将秸秆粉碎覆盖还田，不进行耕作，第2年用免耕播种机播种。玉米大丰30种植密度为67 500株/hm2。试验所施肥料为尿素（416.7 kg/hm2）、磷二铵（210 kg/hm2）和氯化钾（75 kg/hm2），所有肥料随播种机同时施入。其他田间管理措施均按照当地生产水平实施。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤容重与有机碳测定于2018年玉米收获后，采用环刀法（环刀体积为200 cm3）分层（0～5、5～10、10～20、20～30 cm）取样测定土壤容重。将取样后的环刀密封后带回实验室，擦拭。将环刀放入烘箱中105℃烘干至恒质量，称质量，记为M1；移除土壤，将环刀洗净烘干称质量，记为M0，根计算土壤容重。

式中，ρb为土壤容重（g/cm3），M1为烘干后土样和环刀的总质量（g），M0为环刀质量（g），V为环刀体积（cm3）。

采用“五点取样法”分层取样，带回实验室后，挑去秸秆等杂质自然晾干。研磨土样过0.25 mm筛，采用重铬酸钾稀释热法测定土壤有机碳含量[8]。

1.4.2 土壤有机碳储量采用等深度法计算土壤有机碳储量[9]。

式中，Msoc，i为第i土层的土壤有机碳储量（mg/hm2），Ti为第i层土壤厚度（m），ρb，i为土壤容重（g/cm3），Csoc，i为第i层土壤有机碳含量（g/kg），0.001与10 000均为单位转换系数。

1.4.3 土壤层化率土壤层化率是表层土壤各指标含量与其余土层含量的比值[10]。

式中，SR为土壤容重或土壤有机碳层化率，C0～5为0～5 cm土壤容重及土壤有机碳含量；C＞5为5～10、10～20、20～30 cm各土层的土壤容重或土壤有机碳含量。

1.5 数据分析

本研究运用Microsoft Excel 2010进行数据处理与作图、用SPSS 16.0软件进行数据统计分析，采用新复极差法（Duncan）分析各指标不同处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤容重及其层化率的影响

分析玉米收获后0～30 cm剖面各层次土壤容重含量的分布规律可知（图1），NT和NTS处理下0～30 cm剖面各层次土壤容重均显著高于PT和PTS处理（P＜0.05），达到8.6%～45.1%；在同一耕作方式下，秸秆还田处理下土壤容重略低于秸秆不还田处理。其中，NT处理与NTS处理间0～20 cm剖面各层次土壤容重未达到显著差异，但20～30 cm土层NT处理土壤容重显著高于NTS处理（P＜0.05）；PT处理和PTS处理间0～5、5～10 cm土层土壤容重介于0.97～1.09 g/cm3，二者之间无显著差异，而在10～20、20～30 cm土层PT处理较PTS处理分别显著增加10.5%和17.5%（P＜0.05）。

从图1可以看出，不同耕作方式下各土层土壤容重层化率介于0.72～0.93。NTS处理下（0～5 cm）∶（5～10 cm）土壤容重层化率较PT处理显著降低了10.94%（P＜0.05），与PTS、NT处理之间无显著差异；NT处理下（0～5 cm）∶（10～20 cm）土壤容重层化率分别较PT和NTS处理显著增加了8.5%和7.9%（P＜0.05），与PTS处理之间无显著差异；NT处理（0～5 cm）∶（20～30 cm）土壤容重层化率分别较PT、PTS和NTS处理显著增加了20.6%、7.4%和5.0%（P＜0.05），其中，PTS与NTS处理之间无显著差异。

2.2 不同处理对土壤有机碳及其层化率的影响

分析不同耕作方式对土壤有机碳含量的影响可以看出（图2），在0～5 cm土层，NTS处理土壤有机碳含量最高，为9.54 g/kg，NT处理次之，且均显著高于PT和PTS处理（P＜0.05），但PT和PTS处理间未达到显著差异；在5～10 cm土层，NTS处理土壤有机碳含量较PT和PTS处理分别显著增加20.9%和15.2%（P＜0.05），而NTS与NT、PT与PTS之间未达到显著性差异；在10～20 cm土层，PT、PTS和NT处理土壤有机碳含量较NTS处理显著降低了19.8%～21.9%（P＜0.05），但三者之间差异不显著；在20～30 cm土层，不同耕作方式下土壤有机碳含量大小表现为PT＞PTS＞NTS＞NT，各处理间差异显著（P＜0.05）。

由图2可知，NTS处理下（0～5 cm）∶（5～10 cm）土壤有机碳含量的层化率显著高于其他处理，PTS处理显著低于其他处理（P＜0.05），PT和NT处理间无显著差异；NT和NTS处理（0～5 cm）∶（10～20 cm）和（0～5 cm）∶（20～30 cm）土壤有机碳含量的层化率比PT、PTS处理显著增加了33.2%～105.8%（P＜0.05），但NT与NTS、PT和PTS之间无显著差异。

2.3 不同处理对土壤有机碳储量的影响

由图3可知，NTS和NT处理在0～5、5～10 cm土层有机碳储量介于5.15～6.06 mg/hm2，显著高于PT和PTS处理（P＜0.05），但NTS与NT、PTS与PT间无显著差异；在10～20 cm土层，NTS处理下土壤有机碳储量为11.30 mg/hm2，较其他处理显著提高了27.5%～71.2%（P＜0.05），PT处理与PTS、NT处理间无显著差异，但PTS处理较NT处理显著降低了25.5%（P＜0.05）；在20～30 cm土层，PT处理土壤有机碳储量为8.67 mg/hm2，较其他处理显著增加了14.2%～28.0%（P＜0.05），PTS和NT处理土壤有机碳储量分别较NTS处理显著降低了8.9%和10.8%（P＜0.05），但PTS处理与NT处理间无显著差异。

从表1可以看出，NTS处理下0～30 cm剖面土壤有机碳储量为30.20 mg/hm2，较其他处理显著提高了14.5%～55.2%（P＜0.05），其次为NT、PT处理，PTS处理下土壤有机碳储量最低，显著低于其他处理（P＜0.05）。

表1 不同耕作方式下0～30 cm剖面土壤有机碳储量 mg/hm2

3 结论与讨论

土壤容重是土壤结构的重要指标，可以表征土壤物理性质。本研究表明，NTS和NT处理土壤容重显著高于PT和PTS处理，赵继浩等[11]亦有类似结果。这可能是由于免耕条件下土壤扰动较小，同时连年播种、收获机械压实以及降水冲击等共同作用导致土壤容重增大。另外，翻耕措施由于耕作深度较深，有助于打破犁底层而使土壤容重降低[12]。但也有研究表明，免耕能够降低土壤容重，且随着免耕年限的增加，土壤容重呈减少的趋势，并于免耕7～8 a后土壤容重逐渐稳定[13]。此外，同一耕作条件下秸秆还田处理下土壤容重均略低于秸秆不还田处理，这可能是由于NTS处理相比NT处理，秸秆覆盖在一定程度上能够缓解降雨对土壤的冲击压力[11]；而随着土壤翻耕，PTS处理较PT处理土壤中的秸秆较多，其腐解后能够相对起到疏松土壤的作用。一般认为，土壤容重能够决定土壤水、肥、气的循环和供应，影响土壤团聚体的形成和稳定性[14]。土壤容重增大能够导致土壤孔隙度降低，不利于作物对土壤水分和养分的吸收，进而影响作物生长[15]。将在未来研究中增加土壤容重与作物生产关系的相关内容。

免耕较翻耕等措施降低了对土壤的作业和扰动，减少深层土壤与空气的接触，能够提高土壤有机碳含量[16]，但主要集中于表层土壤，而深层土壤有机碳含量有所降低[3]。翻耕措施虽对土壤扰动大，在一定程度上降低了表层土壤有机碳含量，但较免耕措施在土壤剖面上的分布相对均匀[17]。本研究发现，NTS和NT处理土壤有机碳含量在0～5 cm土层显著高于PT和PTS处理，NTS处理土壤有机碳含量在5～10 cm土层显著高于PT和PTS处理，与冯倩倩等[18]研究结果一致。一般免耕措施下土壤没有翻动，减少了土壤裸露，从而减少土壤有机碳矿化，其含量相对较高。相比较而言，翻耕措施增加了土壤与空气的接触，加速了土壤有机碳的分解，土壤有机碳含量相对降低[18]。与其他土层不同，PT处理土壤有机碳含量在20～30 cm土层最高，这可能是由于免耕处理下深层土壤无植物残体等有机物质输入，从而表现为土壤有机碳含量相对减少。

一般认为，免耕措施能够增加0～5 cm土壤有机碳储量[19-20]，而是否能够增加深层土壤有机碳储量则结论不一[21-22]。本研究得出，NTS处理能够显著增加0～30 cm剖面土壤有机碳储量。这可能与不同研究的试验年限、气候条件、地势地形、植被种类、生物多样性、土壤质地和秸秆输入等差异有关[23-24]。

近年来，土壤层化率被用来评价土壤质量与土壤生态功能[10]。一般认为，在一定范围内土壤层化率越高，土壤质量越好[10]。FRANZLUEBBERS[10]研究表明，一般免耕土壤有机碳层化率大于2，而翻耕土壤有机碳层化率小于2。本研究得出，不同土层深度之比下，土壤容重层化率均低于1，而土壤有机碳含量层化率均低于2；同时，NT和NTS处理土壤有机碳层化率均高于PT和PTS处理。在一定程度上说明免耕处理能够改善土壤质量。但该试验条件下土壤层化率是否达到了最佳值，仍需要结合作物生产以及其他相关指标进行深入研究。

本研究结果表明，NTS和NT处理显著增加了0～30 cm剖面土壤容重；NTS处理下0～20 cm剖面土壤有机碳含量及储量显著高于PT和PTS处理，而20～30 cm则较PT处理显著降低。总体上，NTS处理可能是晋中地区玉米田实现土壤固碳的潜在措施。