春玉米秸秆还田对土壤碳组分及碳库管理指数的影响

和江鹏 王雨晴 赵海超 王炯琪 李璠 黄智鸿 卢海博 刘子刚

摘要：为研究冀西北寒旱区不同秸秆还田方式对土壤碳素组分及碳库管理指数（CPMI）的影响，采用秸秆还田翻耕、秸秆还田旋耕、大垄轮播秸秆还田3种春玉米秸秆还田方式，利用连续烧失法测定0～100 cm土层土壤各种碳组分，计算碳库管理指数。结果表明，土壤总碳（TC）含量为60.89～111.27 g/kg，土壤有机碳（SOC）含量为33.04～56.16 g/kg，秸秆还田能显著提高0～40 cm土层土壤碳素含量，其中秸秆还田旋耕下SOC含量增幅最大;土壤活性有机碳（ASOC）含量为1.60～10.09 g/kg，秸秆还田可以显著提高0～40 cm土层ASOC含量，其中大垄轮播秸秆还田方式下ASOC含量的增幅最大。土壤CPMI为44.35～610.92，土壤碳库活性指数（LI） 为0.55～4.71，秸秆还田可显著提高0～40 cm土层的CPMI和LI，秸秆还田翻耕处理的20～40 cm土层增幅最大，秸秆还田旋耕对0～20 cm土层土壤的CPMI和LI提高幅度最大。可见，秸秆还田主要影响0～40 cm土层土壤碳素含量及CPMI，对深层的影响相对较小，秸秆还田后旋耕、翻耕和大垄轮播秸秆还田可以提高土壤有机碳活性，对于冀西北寒旱区采用大垄轮播秸秆还田方式更能够发挥春玉米秸秆还田的固碳能力，促进春玉米农田可持续利用。

关键词：秸秆还田;碳组分;碳库管理指数;春玉米;冀西北寒旱区

中图分类号： S153.6;S513.06  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）21-0224-07

收稿日期：2021-03-07

基金项目：河北省教育厅重大项目 （编号：ZD2019097）;河北省现代农业产业技术体系 （编号：HBCT2018020203）。

作者简介：和江鹏（1997—），男，河北邢台人，硕士研究生，主要从事农业资源与利用相关研究。E-mail：2429931150@qq.com。

通信作者：赵海超，博士，副教授，主要从事农业生态学相关研究。E-mail：haichaozhao19@163.com。

玉米秸秆还田是重要生态循环农业措施，其既能够增加农田土壤碳库，使外来能源进入土壤[1]，改变土壤结构[2]，又可以解决焚烧引起的环境污染问题，使秸秆得到利用[3]，防止资源浪费[1]，提升土壤固碳减排潜力[4]。玉米秸秆中含有大量营养物质，还田后能提高土壤有机碳含量，改善土壤肥力，改良环境[4]，增加微生物活性，进而改变农田土壤组分、化学组成[5]和有机碳活性及稳定性[1]，有利于土壤碳循环[6]。近年来，我国科学工作者研发了适应不同区域气候特征的玉米秸秆还田模式，包括秸秆还田浅旋、秸秆地表覆盖、秸秆还田翻压等，研究表明不同模式的秸秆还田对土壤有机碳及碳库管理指数的影响存在明显差异[1，7]。

土壤碳素是影响土壤理化结构的重要指标，其中土壤有机碳（SOC）含量可以用來衡量土壤肥力和表征土壤质量[8]。土壤无机碳（SIC）主要是指土壤碳酸盐，包括原生碳酸盐和次生碳酸盐，在全球碳循环中具有重要作用[9]，研究土壤无机碳含量的变化对于干旱-半干旱地区的碳固持对环境变化的响应有重要意义[10]。土壤有机碳不同组分对土壤理化性状及肥力效应的作用存在差异，土壤活性有机碳（active soil organic carbon，简称ASOC）在有机碳总量中占比较小[11]，在土壤中循环速率快、有效性较高，但是稳定性比较差[12]，可以在短时间内降解[11]。土壤腐殖质碳（humus carbon，简称HC） 可直接作为微生物活动的能量来源，并参与土壤生物化学转化和土壤养分循环[11]。土壤碳库管理指数（carbon pool management index，简称CPMI）可以检测土壤有机碳含量的动态变化，由此判断土壤管理措施引起土壤有机质含量的增减情况 [13]，反映土壤有机碳及其组分的增减动态变化情况[1，4，14]。冀西北寒旱区气候干旱少雨，冷凉低温短季，农田土壤贫瘠[15]，农田土壤多为沙质栗钙土[16]。亟须研究该区域秸秆还田技术对土壤碳素的影响，进而形成寒旱区春玉米农田保护性耕作措施。

1 材料与方法

1.1 研究区域与采样

研究区域位于河北省西北张家口市蔚县（114°13′～115°04′E，39°34′～40°10′N），属暖温带大陆性季风气候，夏季气候凉爽﹑秋季气候多变;年降水量在380.0～682.7 mm之间，平均气温在 6.8～7.6 ℃之间;也是我国典型的春玉米种植寒旱区，土壤类型为沙质栗钙土。

1.2 秸秆还田方式

本试验设计4个处理：秸秆还田翻耕（JF）处理，玉米收获后全部秸秆粉碎覆盖地表，播种前进行深翻（深度为20～25 cm）;秸秆还田旋耕（JX）处理，玉米收获后全部秸秆粉碎覆盖地表，播种前进行浅旋耕（深度为10～12 cm）;大垄轮播秸秆还田（JL）处理，玉米收获后全部秸秆粉碎还田，采用高起垄（垄高20 cm，垄距60 cm）播种，第2年在上一年垄背开沟起垄种植，依次轮换位置开沟起垄种植（图1）;以秸秆不还田作对照（CK）。每个处理种植面积为 0.33 hm2，连续种植2年，2017年、2018年10月进行秸秆还田，2018年、2019年5月3日播种，玉米品种为诚信16号，春季随播种施入玉米专用肥 50 kg/0.067 hm2，垄距60 cm，株距32 cm，株数为 233.33株/hm2。在2019年9月利用全球定位系统（GPS）定位，选择3个样方，每个样方4 m2，样方按“S”形采样法收取5个点的土壤，每个样点采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层土壤。处理好采集的土样，置于塑封袋中带回实验室，测定土壤的各种碳组分的含量。不同处理理化指标如表1所示。

1.3 样品测定与方法

1.3.1 土壤活性有机碳含量的测定 取一定量的白金坩埚分别称质量并标上编号，分别称取干燥土壤样品2 g左右依次倒入白金坩埚中，然后将白金坩埚依次放入马弗炉中，设置温度为180 ℃并灼烧2 h，灼烧完毕后等马弗炉内温度冷却至室温，取出白金坩埚后立即用天平称质量，再放入马弗炉中在 180 ℃ 灼烧30 min，冷却，称质量，重复至恒质量。烧失量（LOI180，即土壤与白金坩埚原质量与灼烧后土壤与白金坩埚质量的差值）即为活性有机碳量。

1.3.2 土壤腐殖质碳含量的测定 将“1.3.1”节中灼烧后的土壤与白金坩埚，依次放入马弗炉中，设置温度为375 ℃并灼烧18 h，灼烧完毕后等马弗炉内温度冷却至室温，取出白金坩埚后立即用天平称质量，再放入马弗炉中在180 ℃灼烧30 min，冷却，称质量，重复至恒质量。烧失量（LOI375- LOI180）即为腐殖质碳量。

1.3.3 土壤有机碳含量的测定 将“1.3.2”节中灼烧后的土壤与白金坩埚，依次放入马弗炉中设置温度为 550 ℃ 并灼烧6 h，灼烧完毕后等马弗炉内温度冷却至室温，取出白金坩埚后立即用天平称质量，再放入马弗炉中在550 ℃灼烧30 min，冷却，称质量，重复至恒质量。烧失量（LOI550）即为土壤有机碳含量，LOI550与LOI375的差值即为黑碳（BC）含量。

1.3.4 土壤无机碳和总碳（TC）含量的测定 将“1.3.3”节中灼烧后的土壤与白金坩埚，依次放入马弗炉中设置温度为950 ℃并灼烧4 h，灼烧完毕后等马弗炉内温度冷却至室温，取出白金坩埚后立即用天平称质量，再放入马弗炉中在950 ℃灼烧 30 min，冷却，称质量，重复至恒质量。烧失量（LOI950）即为土壤碳含量，烧失量LOI950与LOI550的差值即为无机碳量。

1.4 计算公式及数据分析

本试验以秸秆不还田的土壤作为参考土壤，则碳库管理指数的计算公式如下：

碳库指数（CPI）=样品中总有机碳含量/参考土壤总有机碳含量;

碳库活度（L）=样品中活性有机碳含量/非活性有机碳含量;

碳库活度指数（LI）=样品碳库活度/参考土壤碳库活度;

碳库管理指数（CPMI）=碳库指数（CPI）×碳库活度指数（LI）×100。

数据和制图均采用Excel 2003处理，采用SPSS 17.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对土壤碳组分含量的影响

如图2所示，不同秸秆还田方式土壤TC含量在60.89～111.27 g/kg之间，80～100 cm土层TC含量大小顺序为JX>CK>JF>JL，随着深度的增加JF、JL、JX处理的TC含量呈波动型上升趋势。在 0～40 cm土层，各种秸秆还田方式处理TC含量显著高于CK，在40～80 cm土層，各模式秸秆还田土壤TC含量均低于CK。不同秸秆还田方式土壤SOC含量在33.04～56.16 g/kg之间，80～100 cm土层SOC含量大小顺序为JX>JF>CK>JL，随着深度的增加各处理土壤SOC含量呈波动型上升趋势;在0～40、80～100 cm土层，JF、JX的土壤SOC含量显著高于CK;在40～60 cm土层，JF、JX与CK无显著差异;在 60～80 cm土层，各种秸秆还田方式处理SOC含量显著低于CK。不同秸秆还田方式土壤SIC含量在 27.85～55.70 g/kg之间，80～100 cm土层SIC含量大小顺序为JX>CK>JF>JL;在0～20 cm土层，JF与JL土壤SIC含量显著高于CK;在20～40 cm土层，各秸秆还田土壤SIC显著高于CK;在40～60 cm土层，CK、JX、JF的土壤SIC含量无显著差异，但均显著高于JL;在60～100 cm土层，JX与CK土壤SIC含量无显著差异，JF与JL的土壤SIC含量均显著低于JX。表明春玉米秸秆还田能显著提高0～40 cm土层土壤TC、SOC和SIC含量，其中JF、JX对TC、SOC含量的增加作用高于JL。

2.2 秸秆还田对土壤有机碳组分含量的影响

如图3所示，不同秸秆还田方式土壤ASOC含量在1.60～10.09 g/kg之间，随着土层深度的增加，JF、JL、JX的ASOC含量总体呈下降趋势。在 0～40 cm土层，各处理土壤ASOC含量均显著高于CK，可见秸秆还田能增加土壤ASOC含量;在40～60 cm土层，JF的土壤ASOC含量显著高于其他处理;在60～80 cm 土层，JF的土壤ASOC含量最高，JX与JL的土壤ASOC含量显著低于CK;在80～100 cm土层，JF、JX比CK分别提高了60%、67%，JL与CK无显著差异。不同秸秆还田方式土壤HC含量在8.57～12.71 g/kg之间，随着土层深度的增加，HC含量均呈先下降后上升趋势;在0～20、40～80 cm土层，各处理的HC含量无显著差异;在20～40 cm土层，JF、JL的土壤HC含量显著低于CK;在80～100 cm土层，JF、JX、JL比CK分别提高了21%、30%、18%。不同秸秆还田方式土壤BC含量在19.59～37.16 g/kg之间，随着土层深度的增加，BC含量整体均呈上升趋势;在0～60 cm土层，各处理土壤BC含量无显著差异;在60～80 cm土层，各处理BC含量显著低于CK;在80～100 cm土层，JX的土壤BC含量显著高于JL，所有处理与CK无显著差异。综上所述，秸秆还田能够显著提高0～40 cm 土层土壤ASOC含量，大垄轮播秸秆还田增幅低于还田后旋耕、翻耕处理;大垄轮播秸秆还田有利于提高0～20 cm土层土壤HC含量，降低土壤BC含量。

2.3 秸秆还田对土壤碳库管理指数的影响

如表2所示，以CK为参考，不同秸秆还田方式的LI在0.55～4.71之间，随着土层深度的增加各处理的LI呈先增加后降低趋势，且均在20～40 cm土层时最大。CPMI在44.35～610.92之间，随着土层深度的增加各处理的CPMI整体上呈先增加后降低的趋势，且在20～40 cm土层时最大，在0～40 cm土层，各处理CPMI均高于CK;在40～60 cm土层，JF比CK的CPMI提高了121.42%;在60～80 cm土层，JL、JX比CK分别降低了30.27%、55.65%;在80～100 cm土层，各处理的CPMI均高于CK。以CK为参考，不同秸秆还田方式的CPI在0.69～1.31之间，随着土层深度的增加各处理的CPI呈先增加后降低趋势，在0～40 cm土层，各处理的CPI均高于CK;在40～80 cm土层，各处理的CPI均低于CK，且JL的最低，在80～100 cm，JF与JX的CPI高于CK，JL的CPI低于CK。综上所述，秸秆还田能够明显提高0～40 cm土层的CPMI和LI，进而提高土壤中有机碳的活性，增加土壤供肥能力，特别是可提高20～40 cm 土层有机碳活性，0～20 cm大垄轮播秸秆还田处理对CPMI和LI的增加作用低于秸秆还田后旋耕和翻耕。

3 讨论

3.1 寒旱区春玉米秸秆还田对碳组分影响机制

作物秸秆中含有碳元素，经过人工耕作进入土壤，同时秸秆还田通过对土壤微生物群落的调节，进而影响土壤碳素形态，不同秸秆还田方式可以通过影响春玉米秸秆的数量、组成及其分解方式，引起有机碳含量的不同[12]。前人研究得出秸秆还田可以提高SOC含量[17-18]，本试验结果与之一致。秸秆中无机碳含量较低，主要是通过影响微生物活动，间接影响土壤SIC含量，本试验结果表明秸秆还田会增加0～40 cm土壤无机碳含量，这与曾骏等单施秸秆不会增加土壤无机碳含量的研究结果[19]不同，研究区域气温低降水量少是典型的寒旱区，且该区域土壤贫瘠土壤微生物活动较弱，由于秸秆以及根茬、凋落物等进入土壤，促进微生物活动，使微生物分解作用增强，进而在一定作用下促进土壤的有机碳向无机碳转化，对大气中的CO2吸附固定，不同秸秆还田方式能够通过影响土壤有机碳-无机碳转化过程而改变土壤对大气CO2的截存潜力。一些人为因素如灌溉、耕作、施肥等使得无机碳向深层转移，使农田深层无机碳含量高于浅层，这与张旭博等对不同深度的农田土壤无机碳深层含量高于浅层的研究结果[10]一致。

土壤活性有机碳对环境变化比较敏感，尤其是对土地利用方式的变化，与土壤内各种生物化学反应有关[20]，对于寒旱区农田土壤活性有机碳是评估土壤碳库变化的敏感指标[21]，土壤活性有机碳只占土壤总有机碳一部分，但对于保持土壤营养及提高土壤碳含量方面有关键意义[20，22]。本试验中秸秆还田可以显著提高0～40 cm土层活性有机碳含量，这是由于玉米凋落物和玉米秸秆还田可以补充活性有机碳的消耗，这与陈高起等的研究结果[23]一致。秸秆还田翻耕有机碳含量高于其他2种秸秆还田方式，是因为翻耕过程使秸秆进入土壤中，促进秸秆腐解，进而增加深层土壤SOC、ASOC和HC含量，这与朱浩宇等的研究结果[12]一致。而大垄轮播秸秆还田方式，将秸秆翻压入垄背表层土壤中，同时有利于增加土壤温度，因此促进表层（0～20 cm）土壤ASOC和HC含量。秸秆还田后旋耕使秸秆与表层土壤充分混合，促进秸秆腐解，使表层土壤SOC和TC含量较高，但由于寒旱区表层土壤温湿度低，不利于秸秆进一步腐解，使表层土壤ASOC和HC含量低于大垄轮播处理。

3.2 寒旱区春玉米秸秆还田对土壤碳库管理指数的影响机制

土壤CPI、CI、CPMI是一组相互关联的指标，通过CPMI和LI这2个指标可以展现出耕作方式对土壤养分、土壤碳库增减情况的影响[24]，并且可以反映土壤活性有机碳和总有机碳的动态变化，进而反映玉米秸秆进入土壤后土壤治理的难易情况[24]。前人的试验证明，土壤碳库管理指数与秸秆还田等措施关系密切，并且秸秆还田可提高土壤碳库管理指数[4，25-26]，这与本试验的结果一致。本研究中不同秸秆还田方式均可明显提高0～40 cm土层土壤CPMI和LI，玉米秸秆还田能够影响土壤的含水量、温度，有利于微生物的活动和秸秆降解[27]，进而影响土壤SOC及ASOC含量。但不同春玉米秸秆还田方式对CPMI和LI的影响存在差异，秸秆还田旋耕对土壤表层的提高最明显，秸秆还田翻耕对20～40 cm土层的提高作用最明显，旋耕主要使秸秆在 0～20 cm土层与土壤混匀，翻耕使秸秆深埋在20～40 cm土层，进而影响不同层次土壤的CPMI和LI，这与李硕等对小麦秸秆的研究结果[27]一致。大垄轮播秸秆还田方式相比秸秆还田后旋耕和翻耕土壤的CPMI和LI增幅较小，主要是因为大垄轮播会减少秸秆的破碎，有利于秸秆还田对土壤各种碳素的累积，同时也减少机械的投入及土壤表层的扰动。相对冀西北寒旱区春季土壤风蚀比较严重的条件，该区域推广春玉米大垄轮播秸秆还田技术，既能够最大效率地增加秸秆还田对土壤有机碳的贡献，又能提高土壤ASOC含量及土壤供肥能力，進而达到培肥土壤的农田可持续发展。

4 结论

冀西北寒旱区春玉米不同模式秸秆还田土壤TC含量在60.89～111.27 g/kg之间，SOC含量在33.04～56.16 g/kg之间，不同模式秸秆还田可以显著提高0～40 cm深度土壤的碳素含量，大垄轮播秸秆还田方式增幅低于秸秆还田翻耕、秸秆还田旋耕。

冀西北寒旱区春玉米秸秆还田土壤ASOC含量在1.60～10.09 g/kg之间，HC含量在8.57～12.71 g/kg 之间，秸秆还田可以显著增加0～40 cm土壤ASOC含量，使0～20 cm土层土壤腐殖质碳含量提高12.5%～15.5%，大垄轮播秸秆还田方式比秸秆还田旋耕和翻耕对ASOC含量的提高幅度大。

冀西北寒旱区春玉米不同模式秸秆还田土壤CPMI在44.35～610.92之间，秸秆还田可提高 0～40 cm土层的LI和CPMI，秸秆还田旋耕和翻耕对土壤CPMI和LI的提高幅度大于大垄轮播秸秆还田方式。对于冀西北寒旱区采用大垄轮播秸秆还田方式更能够发挥春玉米秸秆还田的固碳能力，促进春玉米农田可持续利用。

参考文献：

[1]陆 暢，徐 畅，黄 容，等. 秸秆和生物炭对油菜—玉米轮作下紫色土有机碳及碳库管理指数的影响[J]. 草业科学，2018，35（3）：482-490.

[2]安嫄嫄，马 琨，王明国，等. 玉米秸秆还田对土壤团聚体组成及其碳氮分布的影响[J]. 西北农业学报，2020，29（5）：766-775.

[3]窦莉洋. 秸秆还田对不同类型土壤团聚体稳定性、有机碳含量及其分布的影响[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2018.

[4]张 影，刘 星，任秀娟，等. 秸秆及其生物炭对土壤碳库管理指数及有机碳矿化的影响[J]. 水土保持学报，2019，33（3）：153-159，165.

[5]Kubar K A，Huang L，Lu J W，et al. Long-term tillage and straw returning effects on organic C fractions and chemical composition of SOC in rice-rape cropping system[J]. Archives of Agronomy and Soil Science，2019，65（1）：125-137.

[6]李 辉. 不同培肥措施对土壤理化特性及有机碳组分的影响[D]. 内蒙古：内蒙古农业大学，2019.

[7]乔赵崇，王炯琪，赵海超，等. 种植模式对冀西北坝上土壤活性有机质和碳库管理指数的影响[J]. 生态环境学报，2020，29（6）：1139-1146.

[8]史登林，王小利，段建军，等. 氮肥减量配施生物炭对黄壤稻田土壤有机碳活性组分和矿化的影响[J]. 应用生态学报，2020，31（12）：4117-4124.

[9]Lal R，Follett R F. Soil carbon sequestration and the greenhouse effect [M]. Madison：Soil Science Society of America Inc.，2001：236.

[10]张旭博，李 雄，徐 梦，等. 不同土地利用方式下我国北方土壤有机、无机碳库的变化趋势及原因分析[J]. 植物营养与肥料学报，2020，26（8）：1440-1450.

[11]张方方，岳善超，李世清.土壤有机碳组分化学测定方法及碳指数研究[J]. 农业环境科学学报，2021，40（2）：252-259.

[12]朱浩宇，王子芳，陆 畅，等. 缙云山5种植被下土壤活性有机碳及碳库变化特征[J]. 土壤，2021，53（2）：354-360.

[13]张 鹏，钟 川，周 泉，等. 不同冬种模式对稻田土壤碳库管理指数的影响[J]. 中国生态农业学报（中英文），2019，27（8）：1163-1171.

[14]Lefroy R D B，Blair G J，Strong W M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and 13C natural isotope abundance [J]. Plant and Soil，1993，155：399-402.

[15]杜玉琼，张立峰，姚兆磊，等. 冀西北寒旱区农田作物轮作产量效应评价[J]. 中国农业科学，2019，52（7）：1205-1214.

[16]周余桉. 覆膜方式对冀西北寒旱区饲用玉米生长性状及农田水温变化的影响[D]. 石家庄：河北农业大学，2020.

[17]石丽红，李 超，唐海明，等. 长期不同施肥措施对双季稻田土壤活性有机碳组分和水解酶活性的影响[J]. 应用学报，2021，32（3）：921-930.

[18]Luan H A，Gao W，Huang S W，et al. Partial substitution of chemical fertilizer with organic amendments affects soil organic carbon composition and stability in a greenhouse vegetable production system[J]. Soil & Tillage Research，2019，191：185-196.

[19]曾 骏，董 博，张东伟，等. 不同施肥方式对灌漠土土壤有机碳、无机碳和微生物量碳的影响[J]. 水土保持通报，2013，33（2）：35-38.

[20]李学斌，李月飞，陈 林，等. 宁夏荒漠草原不同土地利用方式对土壤活性有机碳的影响[J]. 北方园艺，2021（1）：91-99.

[21]刘 骞，张腾龙，杨成都，等. 土地利用方式对城市草坪土壤活性有机碳组分及碳库活度的影响[J]. 北方园艺，2020（19）：94-101.

[22]马 南，陈智文，张 清. 不同类型秸秆还田对土壤有机碳及酶活性的影响综述[J]. 江苏农业科学，2021，49（3）：53-57.

[23]陈高起，傅瓦利，沈 艳，等. 岩溶区不同土地利用方式对土壤有机碳及其组分的影响[J]. 水土保持学报，2015，29（3）：123-129.

[24]宋小艳，张丹桔，张 健，等. 马尾松 （Pinus massoniana） 人工林林窗对土壤不同形态活性有机碳的影响[J]. 生态学报，2015，35（16）：5393-5402.

[25]陈尚洪，朱钟麟，刘定辉，等. 秸秆还田和免耕对土壤养分及碳库管理指数的影响研究[J]. 植物营养与肥料学报，2008，14（4）：806-809.

[26]杨 旭，兰 宇，孟 军，等. 秸秆不同还田方式对旱地棕壤CO2排放和土壤碳库管理指数的影响[J]. 生态学杂志，2015，34（3）：805-809.

[27]李 硕，李有兵，王淑娟，等. 关中平原作物秸秆不同还田方式对土壤有机碳和碳库管理指数的影响[J]. 应用生态学报，2015，26（4）：1215-1222.