秸秆带状覆盖对土壤有机碳及其活性组分的影响

吴海梅，周彦莉，郑浩飞，李亚伟，马建涛，夏博文，王凤仁，尚旭民，张旭辉，路建龙，逄蕾

(1.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学植物生产类实验教学中心，甘肃 兰州 730070；4.甘肃农业大学财经学院，甘肃 兰州 730070;5.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

土壤有机碳库是维持土壤生态系统碳平衡、稳定、健康与可持续的关键因素，受人类活动干扰的农田土壤碳库是土壤有机碳库的核心组成，因其被频繁干扰，农田土壤碳库活性组分处于动态变化中。土壤有机碳主要存在于土壤微生物体、动植物残体及被微生物分解和合成的所有含碳的有机物质之中，易受土壤微生物的数量和活性以及土壤理化性质的影响。土壤有机碳是土壤养分的重要组成部分，影响土壤理化性状，在土壤肥力和植物营养中也发挥着重要作用。土壤有机碳的数量是不同形态碳分解和合成的平衡结果，不能灵敏地反映土壤有机碳转化速率和质量变化[1]。可溶性有机碳、土壤微生物量碳和易氧化态碳等土壤中的活性碳组分虽然在有机碳中所占的比例较小，但可以灵敏地反映不同农业管理措施如秸秆覆盖和耕作方式等对土壤有机碳转化速率和质量的影响，因此活性碳组分常被用作评价不同管理措施下土壤质量的一个重要指标[2]。研究土壤有机碳和活性组分的变化，有利于揭示农业措施对土壤有机碳的影响机制[3]。

在干旱区、半湿润半干旱区和半干旱区，秸秆覆盖措施因其良好的增产，保持土壤水分作用而得到了广泛的应用[4]，秸秆覆盖对土壤碳库的影响也颇受关注。崔凤娟等[5]研究表明，秸秆覆盖较传统耕作处理显著提高土壤总有机碳、可溶性有机碳、微生物量有机碳、易氧化态有机碳的含量及土壤碳库各项指数。崔志强等[6]研究表明，长期秸秆覆盖增加了土壤有机碳及其有机碳组分的含量，而地膜覆盖使表层土壤活性有机碳含量显著增加，深层活性有机碳含量变化不显著。蔡太义等[7]研究表明，随着秸秆覆盖年限的延长，土壤有机碳含量呈增加的趋势。秸秆覆盖由于增加了土壤外源有机质的投入，影响土壤有机碳活性和稳定性，改变了土壤有机碳和活性碳组分的组成与存在方式[8-9]。前期关于秸秆覆盖对有机碳影响的研究多集中在对表层土壤的研究[10]，近几年，研究者发现深层土壤(>20 cm)碳储量丰富，比表层土壤碳更加稳定，研究农田生态系统深层有机碳的形成和稳定有重要意义[11-12]。

玉米秸秆带状覆盖栽培技术，是一种利用玉米秸秆整秆进行田间局部覆盖、抗旱保墒的作物种植技术，即“种植带不覆盖秸秆，覆盖带不种植作物”，由此分为秸秆覆盖带和种植带，两带相间排列，播种带宽度不超过两带总宽度的50%，播种带种植密度增加，总播种量不变。这项技术可大幅度提升旱地小麦和马铃薯产量。在小麦上，该技术较无覆盖露地平作栽培平均增产44.4%，小麦产量与地膜覆盖产量接近[13-14]；在马铃薯上，较目前甘肃省主推的黑膜双垄沟全膜覆盖技术增产13.1%，商品马铃薯率提高14.7%～18.5%，田间病害也较黑膜覆盖和露地栽培明显减轻[15]。目前关于该技术的研究主要集中在秸秆带状覆盖对作物产量[16-17]、土壤水分[18-19]和土壤温度[19-20]的影响方面，本试验着重开展秸秆带状覆盖对土壤有机碳含量和活性碳组分影响的研究，研究结果可充实西北旱地秸秆带状覆盖土壤碳质量的理论研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验布设在甘肃省定西市通渭县平襄镇甘肃农业大学旱作试验基地(35°11′N～105°19′E)，该地属中温带半干旱气候，海拔1 750 m，年均气温7.2℃，年日照时数2 100～2 430 h，无霜期120～170 d，多年平均降水量339.7 mm。试验地土壤类型为黄绵土，0～200 cm土层土壤平均容重为1.25 g·cm-3，土壤速效氮含量为5.5 g·kg-1，速效磷含量为10.6 mg·kg-1，速效钾含量为107.6 mg·kg-1[21]。

1.2 试验设计

试验于2017—2020年进行。设3个处理，分别为玉米整秆带状覆盖(TSM)、黑膜双垄沟全膜覆盖(TPM)和传统露地平作(TNM)，其中TPM和TNM为对照处理。每个处理设3次重复，共9个小区，完全随机区组排列。小区面积60 m2(10 m×6 m)。TSM：在播种后将玉米整秆覆盖于作物行间，种植带70 cm,覆盖带50 cm，覆盖带和种植带相间排列，在种植带上播种作物，在覆盖带上均匀覆盖玉米秸秆整秆，覆盖量9 000 kg·hm-2。TPM：在播种前使用聚乙烯黑色塑料地膜(幅宽1.2 m，厚度0.01 mm)进行全膜双垄沟覆盖。TNM：传统不覆盖露地平作[19]。2017—2020年种植作物为玉米-春小麦-冬小麦-马铃薯。

1.3 样品采集与分析

分别在2019年7月10日和2020年10月1日作物成熟期用直径为5 cm的土钻按5点取样法随机钻取5个层次的土壤样品，取样深度为0～20、20～40、40～60、60～90 cm和90～120 cm。样品等层混合均匀后分成两份，一份拣去植物根系、碎屑等杂物，过2 mm土壤筛，储藏于4℃冰箱中用于测定土壤微生物量碳(MBC)和土壤可溶性有机碳(DOC)；另一份风干后过0.25 mm筛，用于测定土壤总有机碳(TOC)和易氧化态碳(EOC)。土壤TOC采用重铬酸钾外加热法测定[22]；DOC采用去离子水浸提法[23]。具体操作过程为，称取15 g过2 mm筛的新鲜土壤于50 mL离心管中，加入30 mL超纯水，于250 r·min-1速度振荡30 min后，在离心机上以4 000 r·min-1离心30 min，取上清液过0.45 μm滤膜，使用总有机碳分析仪(METASH TOC-2000)进行测定。MBC采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[23]；EOC采用高锰酸钾氧化法测定[24]。

1.4 数据处理

用Excel 2019和Origin 2018进行数据处理和绘图，SPSS 22.0对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆带状覆盖对土壤总有机碳(TOC)含量的影响

由图1可知，2019、2020年在0～20 cm土层TSM较其他处理TOC含量差异显著(P<0.05)，TSM>TNM>TPM，表明TSM相较于TNM和TPM显著提高了土壤TOC含量，2019年分别提高11.12%和16.12%，2020年分别提高5.35%和17.78%。说明TSM处理有利于有机碳的积累，但处理TPM有机碳含量低于TNM，这可能是地膜增温保水加速了有机质矿化。

随土壤剖面深度增加，各处理TOC含量降低，以40 cm土层为拐点，在0～40 cm范围内，各处理土壤TOC含量迅速降低，且2019年TSM和TNM处理达到极显著水平(P<0.01)，TPM处理达到显著水平(P<0.05)，2020年各处理均达到极显著水平(P<0.01)。

注：括号内不同小写字母表示同一处理不同土壤剖面深度间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示同一处理不同土壤剖面深度间差异极显著(P<0.01)；括号外不同小写字母表示同一土壤剖面深度不同处理间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示同一土壤剖面深度不同处理间差异极显著(P<0.01),下同。Note:Lowercase letters in parentheses indicate significant differences in depth of different soil profiles with the same treatment (P<0.05)and the uppercase letters indicate significant differences with different soil profiles with the same treatment (P<0.01).The lowercase letters outside the brackets indicate significant differences between treatments with the same soil profile depth (P<0.05)and the uppercase letters indicate significant differences between treatments with the same soil profile depth (P<0.01),the same below.图1 不同处理下不同土壤剖面深度土壤总有机碳(TOC)含量分析Fig.1 Analysis of total organic carbon (TOC)contents in different soil profile depths of different treatments

2.2 秸秆带状覆盖对土壤活性碳组分及土壤质量的影响

2.2.1 土壤可溶性有机碳(DOC)及可溶性有机碳分配比率(DOC/TOC) 由表1可知，秸秆带状覆盖后提高了各土层DOC含量。在0～20 cm土层，2019年各处理DOC含量差异显著(P<0.05)，TSM>TNM>TPM，TSM相较于TNM和TPM分别提高了29.56%和68.71%，2020年各处理DOC含量差异极显著(P<0.01)，TSM>TNM>TPM，TSM相较于TNM和TPM提高了32.73%和66.70%。2019、2020年在20～40 cm土层DOC含量表现为TSM>TPM>TNM，TSM和TPM间差异不显著，TSM显著高于TNM(P<0.01)，两年分别提高了14.24%和8.18%。40～60、60～90 cm和90～120 cm土层土壤剖面各处理DOC含量变化趋于稳定。

表1 不同处理下不同土壤剖面深度可溶性有机碳(DOC)含量及分配比率(DOC/TOC)Table1 Analysis of dissolved organic carbon content and distribution ratio in different depth profile depths of different treatments

2019、2020年测定的结果趋势相同，在0～40 cm土层，各处理土壤DOC含量迅速降低，40～120 cm土层DOC含量趋于稳定。2019年TSM、TNM和TPM在0～120 cm土层的变异系数分别为42.52%、34.28%和24.22%，2020年分别为42.95%、27.87%和13.85%，说明TSM处理下DOC含量随土层变化幅度最大。

DOC/TOC在0～20 cm土壤剖面2019、2020年均表现为TSM高于其他处理，40～120 cm各处理间差异不大。表明DOC主要集中在浅层，TSM相较无覆盖和地膜覆盖提高了表层DOC/TOC。

2.2.2 土壤微生物量碳(MBC)及微生物量碳分配比率(MBC/TOC) 由表2可知，2019、2020年MBC含量在0～120 cm各土壤剖面均表现为TSM显著高于其他处理。2019年MBC含量在0～20 cm土层和2020年40～60 cm土层达到显著水平(P<0.05)，其余土层TSM均达到极显著水平(P<0.01)。2019、2020年MBC含量TSM较TNM在各土壤剖面分别提高38.76%、91.07%、108.63%、150.36%、129.58%、10.92%、11.57%、4.81%、7.50%和17.27%，TSM较TPM各土壤剖面分别提高19.81%、22.20%、44.30%、32.11%、41.63%、13.83%、20.77%、23.78%、20.45%和17.92%。

表2 不同处理下不同土壤剖面深度微生物量碳(MBC)含量及分配比率(MBC/TOC)Table 2 Analysis of microbial biomass carbon content and distribution ratio in different soil profile depths of different treatments

在0～60 cm土层MBC含量变化幅度较大，60～120 cm变化较小。2019年MBC含量TPM>TNM主要是气温和降雨对微生物的影响较大，2019年较2020年试验区温度高，降雨少，地膜覆盖发挥了增温保水的作用。

2019、2020年MBC/TOC变化趋势相似，2019年在0～20 cm和40～120 cm土层TSM处理的MBC/TOC高于其他处理，TSM显著高于TNM(P<0.05)。2020年0～120 cm各土层TSM高于TNM，20～120 cm土层TSM显著高于TPM(P<0.05)，说明在各土壤剖面TSM相较TNM和TPM可提高土壤MBC的分配比率。

2.2.3 土壤易氧化态有机碳(EOC)及易氧化态有机碳分配比率(EOC/TOC) 由表3可知，2019、2020年TSM极显著提高了0～20 cm土层EOC含量(P<0.01)，2019年TSM较TNM和TPM分别提高了121.05%和94.44%，2020年TSM较TNM和TPM分别提高了27.54%和122.78%。2019年EOC含量在20～40 cm土层TSM显著高于TNM和TPM，分别高出145.71%和196.55%(P<0.05)；2020年EOC含量在20～40 cm土层TSM较TPM提高了42.65%(P<0.01)。2019年TSM显著提高了40～60 cm土层EOC含量，较TNM和TPM分别高出270%和208.33%，2020年TSM极显著提高了40～60 cm土壤剖面深度EOC含量，较TNM和TPM分别高出93.10%和43.59%。2019、2020年均表现出60～90 cm土层土壤EOC含量无显著差异(P<0.05)，表明TSM对深层土壤EOC含量无显著影响。

表3 不同处理下不同土壤剖面深度易氧化态有机碳含量及分配比率Table 3 Analysis of easily oxidizable carbon content and distribution ratio in different depth profile depths of different treatment

处理TSM、TNM和TPM土壤EOC含量随土壤剖面深度增加极显著降低(P<0.01)，TSM处理60 cm土层以下趋于稳定，TNM和TPM40 cm土层以下趋于稳定。2019年在0～20、20～40、40～60、60～90 cm和90～120 cm土壤剖面TSM处理土壤EOC含量分别为2.1、0.86、0.37、0.19 g·kg-1和0.12 g·kg-1，最大值与最小值相差17.50倍，变异系数达112.5%；2020年在0～20、20～40、40～60、60～90 cm和90～120 cm土壤剖面EOC含量分别为1.76、0.97、0.56、0.27 g·kg-1和0.18 g·kg-1，最大值和最小值相差9.78倍，变异系数达86.12%，说明EOC随土层加深变化幅度较大，更灵敏。

EOC/TOC的变化范围在2.97%～28.97%，2019年EOC/TOC在0～40 cm土层处理TSM极显著高于TNM和TPM(P<0.01)，2019、2020年0～60 cm土壤剖面深度EOC/TOC均表现出TSM大于其他处理；表明TSM提高了0～60 cm土层土壤剖面深度易氧化态有机碳的分配比率，且EOC的分配比率较大。

2.3 土壤有机碳和活性有机碳组分的相关性分析

将2019、2020年土壤有机碳和各碳组分的平均值进行相关性分析(表4)，土壤TOC与DOC、MBC、EOC和EOC/TOC之间呈极显著正相关关系，TOC与DOC/TOC、MBC/TOC之间呈极显著负相关关系。DOC与MBC、EOC和EOC/TOC之间呈极显著正相关关系，DOC与MBC/TOC之间呈极显著负相关关系。DOC/TOC与MBC/TOC之间呈极显著正相关关系，DOC/TOC与MBC、EOC和EOC/TOC之间呈极显著负相关关系。MBC与EOC/TOC之间是正相关关系，但未达显著水平。MBC/TOC与EOC之间呈极显著负相关关系。EOC与EOC/TOC之间呈极显著正相关关系。

表4 各指标相关性分析Table 4 Correlation of indicators

3 讨 论

3.1 秸秆带状覆盖对土壤有机碳及活性碳组分的影响

在本研究中，秸秆带状覆盖处理相较其他处理提高了有机碳和各碳组分含量。外源玉米秸秆覆盖增加了土壤有机质的输入[5]，可为微生物提供充足的碳源，促进微生物生长、繁殖，提高土壤微生物活性，而微生物分解的有机物质以及秸秆腐解物是有机碳和碳组分的主要来源[25]。可溶性有机碳含量增加与土壤生物生理分泌、秸秆分解和微生物死亡等过程有关，秸秆带状覆盖处理提高土壤可溶性有机碳含量可能与秸秆分解和作物成熟期微生物死亡有关；土壤微生物量有机碳含量增加是因为秸秆带状覆盖不仅提供了有机物还具有增温保水和稳定土壤温度的作用，给土壤微生物提供了相对适宜的活动场所，增加了微生物的数量[5]。黑膜双垄沟覆盖处理降低了有机碳和各碳组分含量可能是地膜的增温保水作用加速了土壤有机质的矿化[26-28]，也可能是地膜覆盖后减少了雨水对土壤的直接击打，使得土壤变沉实，微生物活性降低[29]，再者地膜阻碍了残枝落叶凋零后回归农田土壤。秸秆带状覆盖处理可以增加浅层土壤总有机碳和各碳组分含量[26,30]，是因为秸秆带状覆盖后不仅增加了有机物质输入，也可能是秸秆带状覆盖后,土壤表层受人类活动的干扰减少，再者土壤表层的温度低于无覆盖对照和地膜覆盖且较为稳定，减少了土壤表层有机碳被风蚀和氧化，因此表层土壤总有机碳含量、可溶性有机碳含量、微生物量有机碳含量和易氧化态有机碳含量增加，出现了有机碳和碳组分的表聚现象，这与前人[31-32]得到的结果一致。随土壤剖面深度增加土壤有机碳和各碳组分含量降低，且在40 cm以下土壤有机碳含量和各碳组分含量逐渐趋于稳定。在0～40 cm各土壤剖面秸秆带状覆盖处理高于其他处理是因为枯枝落叶凋零后都在地表，以及植物残根大部分也在土壤表层，所以在表层土壤所积累的有机碳和碳组分含量较高，土壤剖面深度增加，微生物分布减少，因此有机碳循环速度较低，使得有机碳和碳组分在深层土壤中较稳定[33]。

3.2 秸秆带状覆盖对土壤有机碳质量和碳组分相关性的影响

土壤中活性碳组分分配比率在一定程度上反映了土壤有机碳的质量和稳定程度。土壤水溶性有机碳在总有机碳中的分配比主要反映土壤有机碳的稳定性及损失情况[34]，分配比越高，土壤有机碳的活性越大，稳定性也越差。微生物量有机碳分配比率可反映活性有机碳库的周转速率[35]；易氧化态有机碳分配比可反映土壤有机碳的活性强度，分配比值越大说明土壤有机碳的活性越强，被分解矿化的潜力越大[35]；本研究表明，处理和土壤剖面深度均影响土壤活性碳组分分配比率，改变了土壤质量。秸秆带状覆盖处理相较黑膜双垄沟覆盖处理和无覆盖处理提高了0～20 cm 土层可溶性有机碳的分配比率，而在20～40 cm土层可溶性有机碳的分配比率变化幅度不大，说明0～20 cm土层秸秆带状覆盖处理下土壤有机碳流失的快，20～120 cm土层各处理土壤有机碳相对较稳定；2019、2020年各土层微生物量有机碳分配比率秸秆带状覆盖高于无覆盖对照说明秸秆带状覆盖处理提高了各土层的活性有机碳库的周转速率；2019、2020年秸秆带状覆盖处理提高了0～60 cm土层易氧化态有机碳的分配比率，说明秸秆带状覆盖处理提高了0～60 cm土层土壤有机碳的活性强度。相比较可溶性有机碳分配比率和微生物量有机碳分配比率，易氧化态有机碳的分配比率更大且易氧化态有机碳的分配比率与总有机碳含量呈极显著正相关关系，说明易氧化态有机碳含量的变化规律更接近于总有机碳含量的变化规律，易氧化态有机碳可以更灵敏地反应不同土壤剖面深度总有机碳的变化。但是从土壤固碳的角度看，黑膜双垄沟覆盖处理降低了20～90 cm土层土壤剖面的微生物量有机碳分配比率、0～40 cm各土壤剖面的易氧化态有机碳的分配比率和0～20 cm土壤剖面的可溶性有机碳分配比率，土壤中活性碳组分分配比率数值小则增加了土壤有机碳的稳定性，有利于碳的储存[36]。

4 结 论

1)秸秆带状覆盖处理比黑膜双垄沟覆盖处理和无覆盖对照显著提高了0～20 cm土层土壤有机碳含量；随土层加深秸秆带状覆盖、黑膜双垄沟覆盖和无覆盖对照总有机碳含量均迅速下降，40～120 cm土层趋于稳定。

2)秸秆带状覆盖处理比无覆盖对照和黑膜双垄沟覆盖处理提高了0～20 cm土层可溶性有机碳含量、0～120 cm土层土壤微生物量有机碳含量和0～40 cm土层易氧化态有机碳含量。

3)土壤可溶性有机碳的分配比率、微生物量有机碳的分配比率和易氧化态有机碳的分配比率在不同处理和不同土壤剖面深度下差异较大。秸秆带状覆盖提高了0～20 cm土壤剖面深度可溶性有机碳的分配比率、微生物量有机碳的分配比率和易氧化态有机碳的分配比率。土壤总有机碳含量与土壤可溶性有机碳含量、微生物量有机碳含量、易氧化态有机碳含量和易氧化态有机碳分配比率之间是极显著正相关关系，土壤总有机碳含量与土壤可溶性有机碳分配比率、微生物量有机碳分配比率之间是极显著负相关关系，因此在该地区土壤易氧化态有机碳相较于土壤可溶性有机碳和土壤微生物量有机碳可以更灵敏地反应土壤总有机碳的变化。