耕作措施对旱农区农田土壤质量与碳排放的影响

沈吉成，赵彩霞，刘瑞娟，叶发慧，李亚鑫，李玲玲，陈文杰*

［1.省部共建干旱生境作物学国家重点实验室（甘肃农业大学），甘肃 兰州 730070；2.中国科学院高原生物适应与进化重点实验室，中国科学院西北高原生物研究所，中国科学院种子创新研究院，青海 西宁 810008；3.青海省作物分子育种重点实验室，青海 西宁 810008］

农田土壤碳储量占陆地土壤碳储量的8%～10%，是全球碳库中最活跃的部分。在自然因素和人类农业活动的双重作用下，农田碳库的数量和质量变化频繁，这种频繁的变化不仅改变了土壤的肥力水平，而且影响了大气中的CO2浓度，这对气候变化有着直接的影响［1-2］。不当的农田管理措施极易导致土壤由碳汇向碳源转变［3］，降低土壤质量。相关研究表明［4］，长期对土壤进行耕作会使农田土壤和大气之间的碳循环平衡遭到严重破坏，导致土壤中的SOC以CO2的形式释放到大气中，从而加剧了温室气体的排放。研究表明农田土壤有机碳库长期处于缺乏状态，导致有机碳含量逐渐下降，并向大气中不断释放CO2，形成大气CO2的排放源［5］。免耕可以增加农田土壤SOC含量，提高土壤对有机碳的截留能力，土壤有机碳的累积可以显著降低土壤碳排放速率［6］。因此，随着全球范围内对温室气体减排和粮食安全的重视，通过适宜的农田管理措施，减少土壤碳排放、增加土壤碳固存、提高土壤质量显得十分必要。陇中旱农区是旱作农业的典型代表区域，该区水土流失严重，有限水资源利用效率低下，是导致土地生产力水平低下和限制农业可持续发展的主要因素［7-8］。该区除了沟壑纵横、黄绵土抗蚀能力差等自然原因以外，传统耕作中多次的翻耕耙耱使雨水入渗减少，休闲期地表裸露导致蒸发强烈，是造成水土流失严重、有限降水利用效率低下的主要人为原因。研究表明，应用适宜的保护性耕作技术不仅可以减轻水土流失，还能提高作物产量和水分利用效率［9-13］。

因此，陇中旱农区自2001年引入保护性耕作技术，通过长期不同耕作和秸秆管理措施的对比筛选研究，发现免耕秸秆覆盖技术能够减轻水土流失［14］、持续提高作物产量和水分利用效率［15-17］，并从土壤结构［18］、农田耗水特征［16］、土壤质量等方面探明了其高产、高水效的基本机理［19-22］，但对不同耕作措施影响下的土壤质量及碳排放特征研究相对较少。因此，本研究拟借助2001年在陇中旱农区建立的不同耕作措施长期定位试验，研究耕作措施对黄绵土土壤碳排放、土壤质量的影响，筛选有利于提高土壤质量、减少碳排放的耕作措施，以期为气候背景下该地区土地生产力水平的持续提高提供理论和技术依据。

1 研究地区与方法

1.1 试验区概况

本研究于2018年在位于甘肃省定西市李家堡镇的甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行，所依托田间定位试验始于2001年。该区属中温带半干旱偏旱区，太阳辐射量为592.9 kJ·cm-2，多年平均日照时数2477 h；年均气温6.4℃，≥0℃积温2934℃，≥10℃积温2239℃，年均无霜期140 d；多年平均降水量391 mm，年蒸发量1531 mm，为典型的一年一熟雨养农业区。试验区土壤为典型黄绵土，土层深厚，土质较绵软，质地较均匀，贮水性能良好，土壤主要理化性质见表1。2018年降水量分布如图1所示（豌豆生育期降水量为281.05 mm）。

图1 试验地作物生长季月降水量分布

表1 试验地土壤主要理化性质

1.2 试验设计

试验采用小麦和豌豆双序列轮作方式（豌豆-小麦、小麦-豌豆）。各序列分别设4个处理（表2），3次重复，小区面积80 m2（4 m×20 m），两因素随机区组排列。

表2 试验处理及代码

豌豆播量100 kg·hm-2。行距24 cm，播深7 cm。于4月上旬播种，7月中下旬收获。豌豆各处理均施N 20 kg·hm-2、P2O5105 kg·hm-2，播种时作基肥混施。试验豌豆品种为“绿农2号”。

1.3 样品采集与分析

理化指标土样采集：采集豌豆耕层土壤（0～10、10～30 cm），每个处理小区多点取样充分混匀，每份土样分为2份，在常温下保存于密封袋，带回实验室进行相关指标的测定。

微生物土样采集：土壤样品采集于2018年6月豌豆田非根际土，对角线五点法采集每个小区0～10、10～30 cm土层土样，分层混匀后除去根系等杂物，各小区各层次土样（共24个土样）在田间立刻存入干冰箱带回实验室-80℃保存，用于分析土壤微生物群落结构。土壤微生物DNA提取采用美国（Mobio Power Soil DNA Isolation Kit）强力土壤DNA提取试剂盒，按照试剂盒说明书进行，用0.7%琼脂糖凝胶电泳对土壤DNA的完整性进行检测。

土壤细菌16S rRNA基因V4～V5可变区PCR扩增以提取的土壤微生物DNA为模板，515F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′）和806（5′-GGAC TACHVGGGTWTCTAAT-3′）为引物，PCR扩增细菌16S rRNA基因序列的V4～V5区。PCR 扩增程序：95℃ 5 min，95℃ 1 min，55℃ 1 min，72℃ 30 s，15个循环；72℃延伸 7 min。PCR产物经1.8%琼脂糖凝胶电泳检测后，对16S rRNA基因序列V4～V5区通过Illumina Hiseq平台进行Paired-end测序；土壤真 菌 引 物ITS3F（5′-GCATCGATGAAGAACGCAGC-3′）和ITS4（5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC -3′）扩增ITS2片段。PCR反应程序为：95℃ 5 min，95℃30 s，53℃ 30 s，72℃ 1 min共35个循环；72℃ 7 min，4℃保存。PCR产物用1%琼脂凝胶电泳检测，所得产物经PCR产物纯化试剂盒进行回收，测序。

1.4 主要计算方法

1.4.1 土壤碳排放量的计算

根据豌豆生育期的天数，依据每次测定的土壤呼吸速率，换算成整个生育期的土壤碳排放量CE（C kg·hm-2）。

其中，R为作物生长季土壤呼吸速率，单位为μmol·m-2·s-1，i+1和i是 前 后 两 次 的 采 样 时间，t为播种后的天数。0.1584是将CO2μmol·m-2·s-1转化为CO2g·m-2·h-1，0.2727是将CO2g·m-2·h-1转化为C g·m-2·h-1，24和10是将碳排放单位由C g·m-2·h-1转化为C kg·hm-2。

1.4.2 土壤碳平衡计算

用NEP（Net Ecosystem Productivity）表示农田生态系统碳平衡，NPP（Net Primary Productivity）表示净初级生产力，Rm表示农田土壤微生物异氧呼吸碳释放量。CE（Carbon Emission）表示作物生育期农田土壤碳排放量，NEP为正值时表示该系统是碳汇，反之为碳源。

NPP（C kg·hm-2）表示豌豆地上部与根总生物量的碳含量。其中豌豆根生物量主要通过作物收获后籽粒产量估算。

根生物量=籽粒产量×58%［26］

1.4.3 作物碳排放效率

其中，Y为作物籽粒产量，CE为土壤碳排放量，CEE为作物每释放一千克碳所产生的产量的千克数，单位为kg·kg-1。

1.5 数据处理与分析

采用QIIME和Mothur［27-28］计算土壤微生物群落丰度指数（Observed指数和Chao指数）和多样性指数（Shannon指数和Simpson指数），测序深度用Good-coverage指数表示，本研究中豌豆田微生物群落结构的测序深度均在99.99%。采用SPSS 19.0对数据进行统计分析，数据方差分析及显著性检验使用Duncan新复极差法（SSR）（P＜0.05）。土壤微生物总DNA的提取、测序委托南京集思慧远生物科技有限公司完成。

2 结果与分析

2.1 耕作措施对土壤质量的影响

2.1.1 耕作措施对土壤物理性质的影响

不同耕作措施对0～30 cm土层土壤容重、孔隙度的影响如图2所示。由图2可知，随着土层深度的增加土壤容重逐渐增大。各处理下0～30 cm土层土壤容重变化为T＞NT＞TS＞NTS。较T处理，NTS处理对降低0～30 cm土层土壤容重效果最明显，分别为8.54%、6.47%、5.44%，且NTS与T处理差异显著；各处理下土壤孔隙度变化为NTS＞TS＞NT＞T。同样较T处理，NTS处理可以显著提高各土层土壤孔隙度，分别为7.27%、5.73%、5.47%，且NTS与T处理差异显著。综上，采用免耕秸秆覆盖（NTS）可以显著降低0～30 cm土层土壤容重，提高土壤孔隙度。

图2 耕作措施对土壤0～30 cm土层土壤容重、孔隙度的影响

如表3所示，豌豆生育期内各处理下农田土壤0～10 cm土层含水率变化为NTS＞TS＞T＞NT。较T处理，NTS处理可以显著提高0～5 cm土层土壤含水率达8.16%，5～10 cm土层提高11.24%；不同处理下10～30 cm土层土壤含水率变化趋势为T＞TS＞NTS＞NT，NTS、NT、TS处理下土壤含水率均降低。综上，采取免耕秸秆覆盖（NTS）可以显著提高0～10 cm土层土壤含水率。

表3 不同耕作措施下0～30 cm土层土壤含水率变化（%）

2.1.2 耕作措施对土壤化学性质的影响

表4为不同耕作措施下豌豆田0～30 cm土层土壤化学性质的变化。由表4可知，NT处理下0～10 cm土层土壤pH最低；10～30 cm土层T处理下pH最低，各处理间差异不显著。

土壤0～10 cm土层有机碳含量高于10～30 cm土层。0～10 cm土层，较T处理，NTS处理可显著提高有机碳含量达49.17%；10～30 cm土层TS处理下有机碳含量最高，较T处理显著提高4.20%。因此采用以秸秆还田（NTS、TS）为主的保护性耕作措施可以显著提高0～30 cm土层土壤有机碳含量。

各处理下0～30 cm土层土壤全氮含量如表4所示。由表4可知，0～10 cm土层NT处理下全氮含量最高，且较T处理显著提高28.33%；10～30 cm土层，较T处理，TS处理显著提高全氮含量为13.79%。综上可知，采取免耕（NT）、免耕秸秆覆盖（NTS）的保护性耕作措施对提高0～30 cm土层全氮含量作用最明显。

耕作措施对土壤0～30 cm土层全磷含量的影响如表4所示。由表4可知，各处理下土壤0～10 cm土层全磷含量变化为NT＞NTS＞TS＞T，较T处理，NT处理可显著提高全磷含量为1.14倍；土壤10～30 cm土层以TS处理下全磷含量最高。采用保护性耕作能不同程度提高土壤全磷含量，其中以免耕秸杆不覆盖（NT）、传统耕作秸杆覆盖（TS）处理效果最显著。

表4 不同耕作措施下0～30 cm土层土壤化学性质

2.1.3 耕作措施对土壤生物学性质的影响

如表5所示，耕作措施对0～30 cm土层土壤微生物OTU数量的影响。不同处理下0～10 cm土层土壤细菌OTU数量变化趋势为NTS＞NT＞TS＞T，较T处理，NTS处理显可著提高豌豆田土壤细菌OTU数量11.62%；10～30 cm土层以NTS处理下细菌OTU数量最高，NTS与T差异不显著。NT处理下0～10 cm土层土壤真菌OTU数量最高；10～30 cm土层真菌OTU数量变化趋势为NTS＞NT＞TS＞T，各处理间差异不显著。综上所述，采用免耕秸秆覆盖（NTS）对提高土壤细菌OTU数量效果显著，但对真菌OTU数量的影响不明显。

不同耕作措施对0～30 cm土层细菌丰富度与多样性指数的影响明显，由表5可知，NTS处理提高土壤细菌丰富度指数最明显。其中0～10 cm土层，较T处理，NTS处理下细菌Observed指数提高11.64%，且NTS与T处理差异显著；各处理下0～30 cm土层细菌Shannon指数变化为NTS＞NT＞T＞TS，其 中0～10 cm土 层 较T处 理，NTS处理可显著提高细菌Shannon指数，为4.56%。

不同耕作措施对0～30 cm土层土壤真菌群落丰富度与多样性的影响如表5所示，由表5可知，各处理间差异不显著。其中0～10 cm土层NT处理下土壤真菌丰富度指数（Chao指数、Observed指数）最高；10～30 cm土层NTS处理下土壤真菌丰富度指数最高；NTS、TS处理下土壤真菌多样性指数（Simpson指数、Shannon指数）大于单纯的免耕（NT）和传统耕作（T）。采用免耕秸秆覆盖（NTS）能显著提高豌豆田土壤细菌丰度和多样性，但对土壤真菌的丰度和多样性影响不明显。

表5 不同耕作措施下0～30 cm土层土壤微生物丰富度及多样性指数

续表

不同耕作措施下土壤微生物量碳（MBC）含量变化见表6。由表6可知，各处理下豌豆田0～10 cm土层MBC含量变化为NTS＞NT＞T＞TS，较T处理，NTS处理显著提高土壤MBC含量18.83%；10～30 cm土层NT处理下MBC含量最高，比T处理提高23.44%，NT与T差异显著。采取免耕秸秆覆盖（NTS）可以显著提高土壤0～30 cm土层MBC含量。

表6 不同耕作措施下0～30 cm土壤土层微生物量碳、氮变化

由表6可知，不同耕作措施对土壤微生物量氮（MBN）含量影响明显。0～10 cm土层各处理下土壤MBN含量为NT＞T＞NTS＞TS。NT处理下土壤MBN含量最高，同时较T处理显著提高13.72%；10～30 cm土层，较T处理，NTS、NT、TS处理可显著提高土壤MBN含量56.03%、1.06%、1.22%。采取保护性耕作措施可以不同程度提高豌豆田0～30 cm土层土壤MBN含量，其中以秸秆覆盖（NTS、TS）效果最好。

2.2 耕作措施对豌豆产量和土壤碳排放量的影响

如表7所示，不同耕作措施下豌豆产量NTS处理下最高，TS处理次之，T处理最低。NTS、TS处理下豌豆产量较T处理分别提高54.84%、19.87%，且NTS、TS与T差异显著。以免耕秸秆覆盖（NTS）为主的保护性耕作措施对提高豌豆产量作用最明显。

表7 不同耕作措施下豌豆产量、土壤碳排放量及碳排放效率

不同耕作措施下豌豆生育期土壤碳排放量T处理最高、NT处理最低，具体为NT＜NTS＜TS＜T。其中，NTS、NT处理土壤碳排放量较T处理分别减少21.58%、22.96%，且NT、NTS与T差异显著。不同处理下豌豆生长季土壤碳排放效率（CEE）表现为NTS＞NT＞TS＞T，保护性耕作措施下（NTS、NT和TS）豌豆田生长季CEE较传统耕作（T）分别提高了91.43%、34.29%和28.57%，NTS与其他处理之间差异显著，说明保护性耕作可以提高豌豆田碳排放效率，其中NTS效果最好。采用以免耕为主的保护性耕作措施对减少豌豆生长季土壤碳排放量作用最明显。

2.3 不同耕作措施下豌豆田碳平衡评价

由表8可知，不同耕作措施对碳平衡的影响明显。不同处理下豌豆地上部生物量为NTS＞TS＞NT＞T，其中NTS处理下地上部生物量比T处理显著提高44.32%。T处理下豌豆田土壤NPP最低，NTS、TS处理下土壤NPP较T处理分别显著提高46.18%和39.23%。各处理下豌豆田生态系统NEP表现为T处理下最低，NTS处理下最高，具体为NTS＞NT＞TS＞T，其中NTS、NT和TS较传统耕作T处理分别显著增加114.18%、77.04%和73.22%，豌豆田除NTS处理，其他处理下NEP均为负值，说明只有免耕秸秆覆盖下豌豆田为大气CO2的“汇”。这说明免耕秸秆覆盖（NTS）下土壤碳汇功能增强。

表8 豌豆生长季农田系统碳平衡

3 讨论与结论

3.1 耕作措施对黄绵土土壤质量的影响

耕作被认为是导致农田土壤质量下降的主要因素之一［29］。相关研究表明［18，30］保护性耕作措施可在一定程度上改善土壤质量，尤其以免耕秸秆覆盖为核心的保护性耕作措施为提高土壤质量及土壤良好结构的形成奠定了基础。本研究结果表明，NTS处理下土壤物理、化学和生物学质量均最高。耕作措施对土壤物理性质的影响具体表现为：较T处理，NTS处理对降低0～30 cm土层土壤容重效果最明显，分别为8.54%、6.47%、5.44%；同时可以显著提高0～30 cm土层孔隙度，分别为7.27%、5.73%、5.47%；NTS处理显著提高0～10 cm土层含水量，分别为8.16%、11.24%；耕作措施对土壤化学性质的影响具体表现为：较T处理，NTS处理可显著提高0～10 cm土层有机碳含量达49.17%；TS处理显著提高10～30 cm土层有机碳含量达4.20%；NT处理显著提高0～10 cm土层全氮含量28.33%，TS处理显著提高10～30 cm土层全氮含量13.79%。各处理下土壤0～10 cm土层全磷含量变化为NT＞NTS＞TS＞T，且较T处理，NT处理可显著提高全磷含量，为T处理的1.14倍；耕作措施对土壤生物学性质的影响具体表现为：较T处理，NTS处理显著提高豌豆田土壤细菌OTU数量11.62%，同时NTS处理显著提高0～10 cm土层细菌Observed指数11.64%；各处理下0～30 cm土层细菌Shannon指数变化为NTS＞NT＞T＞TS，较T处理，NTS处理显著提高0～10 cm土层细菌Shannon指数4.56%；各处理下豌豆田0～10 cm土层MBC含量变化为NTS＞NT＞T＞TS，较T处理，NTS处理显著提高土壤MBC含量18.83%；NT处理显著提高10～30 cm土层MBC含量达23.44%；0～10 cm土层各处理下土壤MBN含量为NT＞T＞NTS＞TS。较T处理，NT处理显著提高土壤MBN含量13.72%；同时NTS、NT、TS处理显著提高10～30 cm土层MBN含量，分别为56.03%、1.06%、1.22%。这主要是由于NTS处理土壤受到的人为干扰较少，秸秆覆盖可显著增加土壤中有机质含量。土壤结构的改善，可以进一步减少水土流失［31］、土壤侵蚀及养分流失等问题，形成良好的土壤耕层结构，促进土壤质量的提高［32］。土壤环境的改善为微生物的生长活动提供必要的能源和营养物质，提高土壤中微生物的活性［33］，从而加快土壤中微生物的自身物质合成，并利用外源养分进行新陈代谢。同时秸秆还田改善土壤物理性状，有利于土壤有机碳、土壤微生物生物量碳的累积［34］，有利于提高土壤微生物丰度及活性。

3.2 耕作措施对黄绵土碳排放的影响

有研究表明，采用免耕、秸秆覆盖为主的保护性耕作措施可以显著降低农田土壤碳排放量，同时秸秆覆盖下农田土壤碳汇功能明显增强，碳排放减少［35-36］。本研究表明各处理下土壤碳排放量表现为T＞TS＞NTS＞NT。较T处理，NTS、NT处理下碳排放量分别减少21.58%、22.96%，T处理豌豆田生态系统NEP最低，NTS处理最高，且较T处理，NTS处理显著提高114.18%，免耕秸秆覆盖下豌豆田表现为碳汇，这与前人研究结果基本一致。由于传统耕作提高了农田土壤的透气性，土壤中微生物的生长和代谢增强，土壤呼吸明显增强，导致农田土壤中有机质的分解速度加快［37］；而免耕减少了土壤扰动，延长土壤有机碳的平均滞留时间，有效控制了土壤有机碳损［38］，进而可以抑制土壤呼吸；同时作物秸秆覆盖阻断了土壤与大气之间的气体交换，阻挡农田土壤水分向大气中逸散，进而可以增加土壤湿度，降低土壤温度等条件间接影响土壤呼吸速率［39］，从而降低农田土壤碳排放，同时土壤碳汇功能增强。因此，在陇中旱农区采取免耕秸秆覆盖的保护性耕作措施既可以提高土壤质量，也可以减少土壤碳排放，增强农田土壤碳汇功能，是有利于陇中旱农区农田生产力水平持续提高的适宜耕作措施。