免耕对农田土壤有机碳及可溶性有机碳的影响

丁晋利，武继承，杨永辉，高翠民

(1. 郑州师范学院地理与旅游学院，中国 郑州 450044；2. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，中国 郑州 450002；3. 农业部作物高效用水原阳科学观测站，中国 原阳 453514)

土壤有机碳(SOC)的含量cSOC及动态分布对土壤质量和土地生产力具有重要影响[1]。在农业生态系统中，耕作是影响土壤碳库更新周转速度的关键因素。传统耕作能够加速土壤有机碳的分解和矿化，是导致土壤肥力下降的重要因素之一[2]，而以免耕和秸秆覆盖为主的保护性耕作由于减少了对土壤的扰动，能够提高土壤有机质含量，进而增加作物产量[3]。有研究表明，免耕土壤每年可固碳233 kg·hm-2，而传统耕作[4]可使土壤碳减少141 kg·hm-2。土壤可溶性有机碳(DOC)仅占总有机碳的一小部分，但它是有机碳库中最活跃的组分之一，与土壤碳库中有机碳的迁移、固持和二氧化碳的释放有密切的关系[5，6]。崔凤娟等[7]研究表明，免耕秸秆处理较传统耕作显著增加土壤可溶性有机碳。但也有研究认为，传统耕作转变为保护性耕作后土壤活性有机碳降低[8]。以往关于保护性耕作下土壤有机碳的研究多偏重土壤有机碳储量与碳库管理指数的变化及土壤浅层(0～30 cm)有机碳的剖面分布特征，多年免耕条件下深层土壤有机碳和可溶性有机碳的剖面分布特征及其比值的变化趋势有待进一步深入研究。

本文基于多年耕作定位试验，研究免耕条件下土壤有机碳储量的年际变化，重点分析有机碳和可溶性有机碳在0～100 cm垂直分布特征，阐明免耕条件下土壤可溶性有机碳与有机碳比值的变化趋势，揭示多年免耕对土壤碳库产生的潜在影响，对进一步了解免耕碳效应及土壤碳库周转具有重要意义。

1 研究区概况及试验处理

本研究长期定位耕作试验设于河南省中部禹州农业试验基地(34.16°N，113.15°E)，海拔高度为150 m。试验区多年平均降水量为674.9 mm，其中60%以上的降雨量集中在7～9月份，存在较严重的季节性干旱。该地区的土壤为褐土，土壤耕层全氮、水解氮、有机碳、速效磷和速效钾分别为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。

长期定位实验布设于2006年，选取传统耕作和免耕处理，每个处理3次重复。传统耕作是在玉米收获后，全部玉米秸秆粉碎并用犁铧全面深翻15～20 cm将秸秆深埋；免耕是玉米收获后，全部玉米秸秆粉碎覆盖地表，无其他措施。种植的冬小麦品种为“矮抗58”，播种量为150 kg·hm-2，播种时间为10月中上旬，收获时间为次年5月下旬，行距23 cm。冬小麦播种前施用氮肥(纯氮225 kg·hm-2)、 过磷酸钙(P2O5105 kg·hm-2)和钾肥(75 kg·hm-2)，一次性底施。小区面积6 m×6 m=36 m2。

2 项目测定及计算

2.1 土壤有机碳及可溶性有机碳测定

在冬小麦关键生育期(拔节期、灌浆期和收获期)，分别取0～20，20～40，40～60，60～80和80～100 cm土层土样。待样品风干，将样品充分混匀过1 mm和0.25 mm筛，分别称取10 g土样，待测。cSOC采用重铬酸钾-硫酸容量法(外加热)测定[9]；土壤cDOC采用K2SO4浸提法测定[9]。

2.2 土壤碳储量计算

(1)土壤碳储量

土壤各层碳储量由各层土壤有机碳含量、土壤容重与土层厚度计算得到[10]：

(1)

式中，cS为土壤碳储量，kg·m-2；cSOC为土壤有机碳含量，g·kg-1；ρb为土层的容重，kg·m-3；D为土层厚度，m；j为土壤间隔，n为土壤层次。

(2)周年累积速率

周年累积速率为次年有机碳储量与当年有机碳储量差值之和除以试验观测年限[11]。

(2)

式中，cACR为周年累积率，kg·m-2·a-1；n为试验观测年限；cS,t+1为次年的有机碳储量，kg·m-2；cS,t为当年的有机碳储量，kg·m-2。

(3)有机碳平均年变化量

cMAV=(cSOC,n-cSOC,0)/n。

(3)

式中，cMAV为平均年变化量，g·kg-1；n为试验观测年限；cSOC,n为终止年的有机碳含量，g·kg-1；cSOC,0为开始年的有机碳含量，g·kg-1。

(4)有机碳相对年变化量

有机碳相对年变化量主要用来表示耕作处理对有机碳变化的实际影响，即不同耕作对有机碳的效应减去对照后的平均净年变化量。

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为相对年变化量，g·kg-1；cMAV，N为不同处理终止年与开始年有机碳含量的差值，g·kg-1；cMAV，ck对照处理终止年与开始年有机碳含量的差值，g·kg-1。

2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007 计算数据；采用SPSS软件进行显著性检验(LSD 法)；采用Sigma Plot 10.0作图。

3 结果与分析

3.1 免耕处理下土壤有机碳储量、平均年变化量和相对年变化量

与2006年相比，传统耕作和免耕处理在2015年土壤0～20 cm有机碳储量分别提高22.7%和34.6%(表1)。两种耕作处理有机碳平均年变化量分别为0.22 g·kg-1和0.26 g·kg-1。与传统耕作相比，免耕处理在2006—2015年间有机碳平均年变化量(cMAV)分别是传统耕作的1.18和2.23倍，且免耕较传统耕作提高了有机碳周年累积速率(cACR),说明免耕在试验期间有利于碳储量增加。

表1 不同耕作措施下土壤0～20 cm有机碳储量平均年变化量和相对年变化量

注：表中相同行中的不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。c1为2006年初始有机碳含量；cS1为2006年有机碳储量；c9为2015年有机碳含量；cS9为2015年有机碳储量；cMAV为2006—2015年有机碳平均年变化量；cRAV为2006—2015年有机碳相对年变化量；cACR为土壤有机碳年累积速率。

3.2 免耕措施下土壤可溶性有机碳的垂直分布特征

与传统耕作相比，免耕降低了冬小麦拔节期、灌浆期和收获期0～100 cm平均DOC含量。比较2015年与2016年试验数据可知，在冬小麦拔节期和收获期，免耕措施下0～100 cm土层平均DOC含量较传统耕作分别提高4.2%和26.9%，而在冬小麦灌浆期较传统耕作降低20.7%(图1)，这可能是由于免耕措施下土壤含水量较高，使冬小麦生物量较高，导致冬小麦灌浆期需要吸收大量可溶性有机碳。从不同土层来看，免耕措施下拔节期、灌浆期和收获期土层0～40 cm DOC含量均低于传统耕作，这是由于传统耕作对土壤表层扰动，加剧了土壤有机碳的矿化，致使传统耕作0～40 cm 可溶性有机碳含量高于免耕。而40～100 cm土层平均可溶性有机碳含量在不同年份、冬小麦不同生育期表现不尽相同。与传统耕作相比，2015年免耕冬小麦的收获期40～100 cm 平均DOC含量较高，而在冬小麦拔节期和灌浆期平均DOC含量较低；2016年冬小麦拔节期和收获期平均DOC含量较高，而在冬小麦灌浆期平均DOC含量较低。有研究表明，土壤可溶性有机碳含量受降雨量、耕作方式、土壤有机碳含量和生物量的影响[7]。不同耕作方式土壤容重、土壤含水量不同，导致冬小麦生物量不同，进而致使冬小麦吸收可溶性有机碳含量不同。

图1 不同耕作处理土壤可溶性有机碳剖面分布特征

3.3 cDOC/cSOC 变化趋势

图2 不同耕作处理cDOC/cSOC 随土壤深度变化

土壤可溶性有机碳占总有机碳的比值是反映土壤碳库质量的重要指标。比较2015和2016年试验数据可知，免耕和传统耕作cDOC/cSOC随土壤深度增加大致呈逐渐增加的趋势(图2)。0～40 cm土层cDOC/cSOC较60～100 cm 土层显著降低，这主要是由于表层土壤有机碳含量显著高于深层。免耕措施下土层20～40，60～80和80～100 cmcDOC/cSOC较传统耕作显著降低，这是由于免耕措施下土壤有机碳含量显著高于传统耕作。而40～60 cm土层免耕cDOC/cSOC较传统耕作显著增高，这是由于一方面免耕土壤可溶性有机碳含量高于传统耕作，另一方面传统耕作和免耕措施下深层土壤有机碳含量均较低。

4 结论与讨论

不同耕作措施由于对土壤的扰动程度和作用强度不同，对土壤碳库提高的程度不同。本研究表明，免耕

处理表层(0～20 cm)有机碳含量在试验期间表现为增加趋势。有研究表明，免耕覆盖由于最低限度扰动土壤，显著增加表层大团聚体含量，提高土壤水稳性，降低微生物碳代谢能力，进而提高了土壤表层有机碳储量[12-14]。但也有研究表明，免耕在短期内未显著影响土壤表层碳储量增加，反而有所下降[15]。本研究结果则表明，与传统耕作相比，免耕处理均显著提高土壤有机碳储量、平均年变化量和相对年变化量。

土壤可溶性有机碳(DOC)是农业生态系统中最活跃的组分之一，也是微生物生长和分解过程中的重要能量来源，在土壤生态系统碳循环过程中具有重要作用。DOC作为土壤活性组分指标，对环境变化非常敏感，对自然和人为干扰的响应快速且具有指示作用[16]。本研究结果表明，与传统耕作相比，免耕全生育期0～100 cm平均可溶性有机碳含量较低，这与李琳等[17]的研究结果一致。本研究表明，由于不同耕作措施对土壤扰动程度不同，土壤保水性和持水性差异显著，作物生物量和产量不同，导致不同年份冬小麦不同生育期可溶性有机碳含量有显著差异。免耕措施下0～100 cm土层平均可溶性有机碳含量在冬小麦拔节期和收获期高于传统耕作，而在冬小麦灌浆期低于传统耕作。cDOC/cSOC可以用来表示有机碳的稳定性和有效性，本研究结果表明，免耕和传统耕作措施下cDOC/cSOC均随土壤深度增加呈逐渐增加的趋势，这是由于表层土壤有机碳显著高于深层。免耕措施下土层20～40，60～80和80～100 cmcDOC/cSOC较传统耕作显著降低，说明免耕更有利于土壤碳库的稳定。