潮土區小麥、玉米殘體對土壤有機碳的貢獻——基于改進的RothC模型

趙雅雯, 王金洲, 王士超, 武紅亮, 黃紹敏, 盧昌艾

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潮土區小麥、玉米殘體對土壤有機碳的貢獻——基于改進的RothC模型

趙雅雯1, 王金洲1, 王士超1, 武紅亮1, 黃紹敏2, 盧昌艾1

（1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2河南省土壤肥料工作站，鄭州 450002）

【目的】為進一步了解秸稈還田對土壤有機碳（SOC）的提升效果，探究作物殘體（根系與秸稈）對潮土區SOC的貢獻，為華北冬小麥-夏玉米區SOC提升提供理論依據。【方法】基于腐解試驗的有機物料碳殘留率數據，獲得4種有機物料在RothC-26.3模型最優時對應的DPM/RPM參數值（易分解植物殘體和難分解植物殘體的比值）。利用修訂的DPM/RPM參數，獲得了改進的RothC-26.3模型，并用鄭州潮土區短期腐解試驗（2012年11月至2013年11月）和長期定位試驗數據（1990—2008年）進行驗證，模擬出鄭州潮土區冬小麥-夏玉米輪作系統中小麥、玉米殘體在3種不同施肥處理下（不施肥CK，平衡施肥NPK和秸稈還田NPKS）對新形成SOC的貢獻。【結果】在模型達到最優時，小麥根系（wheat root，WR）、小麥秸稈（wheat straw，WS）、玉米根系（corn root，CR）和玉米秸稈（corn straw，CS）的DPM/RPM值分別為0.89、3.04、4.35和3.25。模型結果顯示，CK處理小麥根系、玉米根系的碳投入占碳投入的比例均為50%，而來源于小麥根系、玉米根系的SOC（0—20 cm）占新形成的SOC比例分別為60%、40%；小麥根和玉米根固碳效率分別為15.5%、10.8%；NPK處理小麥根系、玉米根系的碳投入占碳投入的比例分別為60%、40%，而來源于小麥根系、玉米根系的SOC（0—20 cm）占新形成SOC的比例分別為71%、29%；小麥根和玉米根固碳效率分別為17.5%、11.4%；NPKS處理小麥根系、玉米根系、玉米秸稈的碳投入的比例分別為47%、21%、32%，而小麥根系、玉米根系、玉米秸稈對新形成的SOC（0—20 cm）貢獻分別為50%、22%、28%；小麥根系、玉米根系、玉米秸稈的固碳效率分別為16.9%、11.2%、11.4%。總之，冬小麥-夏玉米輪作系統中無論是不施肥、平衡施肥還是秸稈還田處理，小麥根系對新形成SOC的貢獻率（50%—71%）大于玉米根系和玉米秸稈對新形成SOC貢獻率（22%—40%）。源自小麥的SOC占新形成SOC的比例均分別大于源自小麥的碳投入占總碳投入的比例，而源自玉米的投入及其對新形成SOC的貢獻則反之。小麥根系的固碳效率（15.5%—17.5%）大于玉米根系和玉米秸稈的固碳效率（10.8%—11.4%）。【結論】改進后的RothC模型可用來探究潮土區冬小麥-夏玉米輪作系統中小麥、玉米殘體對新形成SOC的貢獻。鄭州潮土區冬小麥-夏玉米輪作系統中小麥根系對新形成SOC的貢獻率均大于玉米根系和玉米秸稈的貢獻率。根茬還田（尤其是小麥根茬還田）更有利于提升土壤有機碳含量。

Roth C模型；小麥殘體；玉米殘體；土壤有機碳；潮土

0 引言

【研究意義】土壤有機碳庫是陸地生態系統中最大的有機碳庫[1]，在土壤肥力、環境保護和農業可持續發展方面發揮著極其重要的作用[2-3]。植物殘體進入土壤后，經過一系列的物理、化學和生物反應，最終轉化為土壤有機碳（SOC）。而不同種類的植物殘體，其轉化率存在較大的差異。了解冬小麥-夏玉米輪作制度下不同作物殘體對土壤有機碳的貢獻，可以為農田土壤固碳提供科學依據。【前人研究進展】目前，RothC模型已廣泛應用于陸地生態系統碳循環的相關研究，成功模擬了世界許多地區不同管理條件下的SOC變化[4-6]，然而很大程度上高估了大量秸稈還田后的SOC變化[7-10]。與其他處理相比，秸稈還田處理最大區別在于秸稈物料性質、還田方式及歸還量[10-11]。模型中農作物殘體的DPM/RPM值（易分解植物殘體和難分解植物殘體的比率）統一預設為1.44，并未考慮作物類型, 使得秸稈還田后的SOC模型模擬值超過實測值[10-12]。韓其晟等[13]認為，DPM/RPM值是一個變量參數，必須通過試驗分析才能得到合理的數值。有研究結果表明，當Roth C模型中DPM/RPM值設為3.35，熱帶地區玉米葉片和黑麥草的分解動態擬合結果最佳[14]。Wang等[10]通過調整模型參數DPM/RPM，擬合了華北地區秸稈還田下土壤有機碳的動態變化規律。【本研究切入點】目前，RothC模型尚不能區分小麥與玉米對SOC的貢獻，也未將作物秸稈與根系對土壤有機碳的貢獻區分開。本研究通過調整小麥和玉米的根系與秸稈DPM/RPM值，獲得適宜華北小麥-玉米輪作區的RothC改進模型，進而評價不同作物殘體對SOC的貢獻。【擬解決的關鍵問題】利用修正后的RothC-26.3模型，探究鄭州潮土區小麥-玉米輪作系統中小麥和玉米殘體對新形成SOC的貢獻，為華北小麥-玉米輪作區農田SOC的可持續管理和土壤肥力培育提供參考。

1 材料與方法

1.1 有機物料腐解試驗

本研究擬利用王文山等[15]1983—1987年間在北京地區開展的沙濾管腐解試驗，對RothC模型進行參數化。表1展示了小麥和玉米兩種作物的根系和秸稈的主要化學組成（數據源自王文山等[15]）。圖1列出了模型模擬時所需的氣象參數。其中，月平均溫度、降水等地面氣象數據由國家氣象局提供。各月的潛在蒸騰蒸發量（ET0）由FAO Penman-Monteith（FAO P-M）公式計算得到。

1.2 長期施肥定位試驗

試驗點位于河南鄭州“國家潮土肥力與肥料效益長期監測試驗站”（113°40′E，34°47′N），地處熱帶及暖溫帶的過渡地帶。1981—2010年間平均氣溫14.7℃，降水量641 mm，潛在蒸發量為1 050 mm。供試土壤為輕壤質潮土，成土母質為黃河沖積物和沉淀物。

圖1 北京地區1983—1987年間月平均氣溫、降水量和潛在蒸騰蒸發量

表1 不同有機物料的化學組成

該試驗始于1990年。初始耕層（0—20 cm）土壤有機質含量10.1 g·kg-1，全氮0.65 g·kg-1，全磷0.64 g·kg-1，全鉀16.9 g·kg-1。種植制度為小麥-玉米一年兩熟輪作。本研究選擇常見的3個施肥處理：（1）不施肥（CK），（2）氮磷鉀配施（NPK），（3）氮磷鉀化肥配施秸稈處理（NPKS）。年施肥量為：N 352.5 kg·hm-2，P2O5176.5 kg·hm-2，K2O 176.5 kg·hm-2。各施肥處理為等氮量，小麥季施氮量為165 kg·hm-2，玉米季施氮量為187.5 kg·hm-2。除NPKS處理為玉米秸稈全量還田（約6.0 t·hm-2·a-1）外，其余各處理作物秸稈均全部移除。詳細試驗介紹請參見文獻[10]。

每年于玉米收獲后用土鉆采集0—20 cm土層土壤。土壤容重采用環刀法測定。土壤有機碳采用硫酸-重鉻酸鉀濕熱法測定。玉米和小麥的籽粒產量、秸稈產量采用收割法進行測定。根系與秸稈的碳投入計算>參考文獻[4]。

1.3 RothC-26.3模型

RothC模型[16]以英國洛桑實驗室長期定位試驗數據為基礎，由Jenkinson于1977年建立而成。所需參數簡單，涉及氣候參數（包括月平均氣溫、降水量和蒸發量）、土壤數據（包括黏粒含量和初始SOC含量）和植物（植被覆蓋、植物殘體碳輸入量和農家肥施入量）等。在一定條件下，該模型可較好地模擬和預測氣候和管理措施等引起的SOC變化[4-6,17]。

該模型將有機碳庫劃分為5個部分，即易分解植物殘體（DPM）、難分解植物殘體（RPM）、微生物量（BIO）、腐殖化有機質（HUM）和惰性有機質（IOM）。DPM和RPM為新輸入的有機物質，BIO、HUM、IOM是土壤有機碳庫的3個組分。每個有機碳庫的分解都遵循一級動力學方程，其分解速率受溫度、濕度和植被覆蓋等影響。

1.4 模型參數化與檢驗、數據分析

基于實測數據的逆向模擬技術已被廣泛應用到模型參數估計[10-12]。該技術有助于改進模型和提高對有機碳周轉過程的認識。本研究基于物料腐解試驗，利用逆向模擬技術，獲得模型效果最優（即模擬值與實測值之間均方根差最小）時各有機物料的DPM/RPM值，并構建了DPM值與物料性質之間的定量方程。在此基礎上，利用鄭州短期腐解試驗和小麥-玉米輪作系統長期定位試驗的SOC實測數據，對改進后的RothC模型進行驗證。模型模擬效果通過均方根差（）、相對誤差（）和模擬效率（）進行檢驗[6]。和越接近0，模擬效果越好。通常，＜15%，-10%＜＜10%，模型模擬效果即達到較好的水平。

借助于模型模擬的手段，本研究區分了各有機物料碳投入對新形成SOC的貢獻。CK和NPK處理中，碳投入來源于小麥和玉米根系。NPKS處理中，碳投入來源除小麥和玉米根系，還包括玉米秸稈。同時，利用碳庫組分的模擬結果，進一步計算了1991—2008年間不同有機物料的平均固碳效率。例如，NPKS處理玉米秸稈的固碳效率即為試驗期間新形成的源自玉米秸稈的SOC占累積玉米秸稈碳投入的比例。

2 結果

2.1 RothC-26.3模型的改進

逆向模擬結果表明，RothC較好地模擬了不同物料在各腐解階段的有機碳殘留率（表2，圖2）。模擬效果的檢驗參數和分別在10%和±5%以內，且接近于1（圖2）。模擬結果同時表明，小麥根系、小麥秸稈、玉米根系、玉米秸稈的DPM/RPM值分別為0.89、3.04、4.35和3.25，與模型默認值（1.44）差異較大（表2）。除以上四種有機物料外，還進一步逆向模擬了谷子根系、谷子秸稈和田菁秸稈等物料的腐解殘留率（圖3），并獲得其DPM/RPM值分別為1.04、1.66和6.94（表2）。同時構建了DPM與lignin﹕N的定量方程為：= 0.96-0.011（圖4）。

表2 RothC模型模擬效果最佳時不同有機物料的DPM/RPM值

a：小麥秸稈，b：玉米秸稈，c：小麥根系，d：玉米根系（—為模擬值，為實測值）

為進一步說明模型的可行性，本文利用鄭州有機物料的短期腐解試驗（2012.11—2013.11）進行檢驗（圖5）。該腐解試驗具體情況詳見文獻[18]。圖4-c給出了小麥秸稈、玉米秸稈腐解殘留率模擬值與實測值的相關性分析，小麥秸稈、玉米秸稈SOC的模擬值與實測值的決定系數為0.85和0.91（n=7），斜率為0.88和0.93，接近于1，模擬效果較好，表明修正后RothC模型適用于鄭州地區。

a：谷子秸稈，b：谷子根系，c：田菁秸稈（—為模擬值，為實測值）

WS：小麥秸稈；WR：小麥根系；CS：玉米秸稈；CR：玉米根系；MS：谷子秸稈；MR：谷子根系；SR：田菁秸稈。下同

2.2 鄭州潮土試驗區小麥玉米殘體對土壤有機碳的貢獻

長期不同施肥處理顯著影響了土壤總有機碳的含量，且總體表現為：NPKS＞NPK＞CK（圖6）。CK處理SOC呈緩慢下降趨勢，由試驗初始的18.8 t·hm-2下降到2008年的17.3 t·hm-2，原因在于外源有機物質輸入量較少。NPK和NPKS處理均呈上升趨勢，且NPKS處理的增幅較大，表明秸稈還田在一定程度上可以提升土壤SOC。經變量參數DPM/RPM修正后，RothC模型能夠模擬不同施肥處理SOC的動態（圖6）。進一步統計結果顯示，各處理（4.86%—7.89%）和（-5.23%—2.20%）均控制在±10%以內，表明各處理模擬值與實測值基本吻合，模擬效果較好。碳庫組分的模型模擬結果表明，原有SOC（試驗開始之前的SOC）隨時間的延長而逐漸降低，而不同來源的新碳則隨時間的延長而逐漸累積（圖7）。

由圖8可看出，源自小麥的SOC占新形成SOC的比例（50%—71%）均大于源自小麥的碳投入占總碳投入的比例（47%—61%）；而源自玉米的碳投入及其對新形成SOC的貢獻則反之，表明小麥凋落物的固碳效率總體高于玉米凋落物。進一步的計算表明，小麥根系的固碳效率為15.5%—17.5%，明顯高于玉米根系（10.8%—11.4%）和秸稈的固碳效率（11.4%）（表3）。

圖5 鄭州小麥秸稈（a）、玉米秸稈（b）腐解后碳殘留率的實測值與模擬值比較

圖6 長期不同施肥處理土壤有機碳的實測值與模擬值比較

圖7 RothC模型模擬不同施肥處理的土壤有機碳庫組成變化

圖8 不同施肥處理下小麥和玉米碳投入占總碳投入的比例及其對新形成SOC的貢獻

表3 不同施肥處理作物殘體的固碳效率

3 討論

3.1 RothC模型DPM/RPM值的改進

大量的腐解試驗結果表明，有機物料的腐解速率與其類型或化學組分密切相關[19-21]。多數SOC模型已將物料性質（例如：lignin和N素含量，或lignin﹕N比值）作為變量參數應用于有機物料碳庫組分的劃分[22-23]。例如，基于室內培養試驗和田間填埋試驗的結果，Agro-C模型[22]將初始N素（g·kg-1）及Lignin（g·kg-1）含量作為決定植物殘體分解速率的重要指標，其易分解組分的比例為：FLC= (150 + 1.50 N - 0.57 Lignin)/100。CENTURY模型[23]通過初始lignin﹕N比值計算物料的易分解比例（Fm），即Fm = 0.99 - 0.018 Lignin﹕N。然而，不同于其他模型，初始版本的RothC模型僅籠統地劃分了植物性有機物料（DPM﹕RPM = 0.59﹕0.41）和農家肥（DPM﹕RPM﹕HUM = 0.49﹕0.49﹕0.02）的碳庫組分，未深入考慮植物類型或物料性質對碳庫組分及其分解速率的影響。盡管RothC模型已經過了廣泛的驗證，尤其是以作物根茬和有機肥歸還為主農田系統[4-5,10]，但越來越多的研究發現，在默認參數的情況下RothC可能高估了秸稈還田處理的SOC[7-8,10]。本文基于不同有機物料的腐解試驗和RothC模型逆向模擬技術，構建了動態變量參數DPM與Lignin﹕N之間的定量關系，即FDPM= 0.96 - 0.011 Lignin﹕N（圖4），并利用短期腐解試驗和長期定位試驗數據進行了驗證，獲得了較好的模擬效果（圖5）。然而，同一有機物料中易分解或活性碳庫比例在不同模型間存在明顯的差異，這主要取決于各模型對碳庫周轉速率的界定。例如，易分解或活性碳庫的周轉速率在RothC、CENTURY和Agro-C分別為10、14.6和9.5 a-1 [16, 22-23]。

3.2 潮土區作物根系與秸稈對新形成SOC的貢獻率

本研究中，小麥根系對新形成SOC的貢獻率（50%—71%）大于玉米根系和秸稈的貢獻率（22%—40%），這與相關研究結果類似。Wang等[24]通過測定鄭州、楊凌和烏魯木齊3個長期試驗站冬小麥-夏玉米輪作體系土壤13C的變化，分析得出玉米殘體（根系與秸稈）對SOC貢獻率往往不超過40%，遠低于小麥殘體對SOC的貢獻（＞60%）。Qiao等[25]通過長達22年的定位試驗發現，小麥連作區SOC總量與玉米連作區無顯著差異，但前者源于小麥根系的SOC占總SOC的比例遠大于后者源于玉米根系的SOC比例。扣除碳投入量差異的影響，小麥殘體的固碳效率達到15.5%—17.5%，是同一處理玉米殘體固碳效率（10.8%—11.4%）的1.44—1.54倍。其原因可能是小麥殘體的C﹕N和lignin﹕N均較玉米高（表1），會降低微生物的分解活動。

4 結論

4.1 通過修訂DPM/RPM參數，獲得改進的Roth C模型，經鄭州短期腐解試驗和長期試驗數據的驗證，說明其可用來探究小麥和玉米殘體對SOC的貢獻。

4.2 在華北平原冬小麥-夏玉米輪作系統中，無論不施肥、平衡施肥還是秸稈還田處理，小麥根系對新形成SOC的貢獻率（50%—71%）均大于玉米根系和秸稈的貢獻率（22%—40%）。

4.3 華北平原小麥-玉米輪作體系，小麥根系的固碳效率是玉米的1.5倍。增加小麥凋落物的歸還較玉米秸稈還田更有利于提升SOC含量。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Contributions of Wheat and Corn Residues to Soil Organic Carbon Under Fluvo-Aquic Soil Area—Based on the Modified RothC Model

ZHAO Ya-wen1, WANG Jin-zhou1, WANG Shi-chao1, WU Hong-liang1, HUANG Shao-min2, LU Chang-ai1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Henan Soil and Fertilizer Station, Zhengzhou 450002)

【Objective】 In order to explore the effect of straw retention on SOC（soil organic carbon）content, the contributions of wheat and corn residues (root and straw) to SOC under fluvo-aquic soil area were studied, which have a great significance to take technical measures to promote SOC content of winter wheat-summer corn rotation system.【Method】The optimized DPM/RPM values (the ratio of decomposable plant material to resistant plant material) of different residues in Roth C-26.3 model was adjusted on the basis of the remaining rates of different organic materials after their decomposition. The modified model was validated with the data obtained from the short-time decomposition experiment (2012.11-2013.11) and the long-term trial conducted in Zhengzhou (1990-2008). Based on the optimized DPM/RPM parameters of Roth C-26.3 model, the contributions of wheat and corn residues to SOC in winter wheat-summer corn rotation system in northern China under three different fertilizer treatments (no fertilizer CK, chemical fertilizer NPK, chemical fertilizer combined with straw NPKS) were simulated. 【Result】DPM/RPM values of wheat root (WR), wheat straw(WS), corn root (CR), corn straw (CS) were 0.89, 3.04, 4.35 and 3.25, respectively, when the model was in optimal condition. It showed that in CK treatment, the carbon input derived from wheat root and corn root were 50%, respectively, while the contributions of wheat root and corn root to newly-formed soil organic (0-20 cm) were 60% and 40%, the retention coefficients of wheat root and corn root were 15.5% and 10.8%, respectively; in NPK treatment the carbon input derived from wheat root and corn root were 60% and 40%, respectively, while the contributions of wheat root and corn root to newly-formed soil organic (0-20 cm) were 71% and 29%, the retention coefficients of wheat root and corn root were 17.5% and 11.4%, respectively; in NPKS treatment the carbon input derived from wheat root and corn root were 47%, 21% and 32%, respectively, while the contributions of wheat root and corn root to newly-formed soil organic (0-20 cm) were 50%, 22% and 28%, the retention coefficients of wheat root and corn root were 16.9%, 11.2% and 11.4%, respectively. In a word, the contribution of wheat residue (50% -71%) to newly-formed SOC was greater than corn residue (22%-40%) in winter wheat-summer corn rotation system in north China whether no fertilization, balanced fertilization or straw returned. The ratio of SOC derived from wheat to newly-formed SOC was greater than the proportion of the carbon input from wheat to total carbon input, instead of the carbon input of corn and its contribution to newly-formed SOC. The carbon efficiency of wheat root (15.5% -17.5%) was more than the carbon efficiency of corn root and corn straw (10.8% -11.4%).【Conclusion】The modified RothC model can be used to explore the contributions of wheat and corn residues to newly-formed SOC in fluvo-aquic soil area. The contribution of wheat root to SOC was greater than corn root in winter wheat-summer corn rotation system in the north China and the retention coefficient of corn root was greater than the corn straw in NPKS treatment, so the application of root residues (especially wheat roots) could promote the soil organic carbon stock.

RothC model; wheat residue; corn residue; soil organic carbon; fluvo-aquic

2016-05-06；接受日期：2016-09-05

國家973計劃課題（2013CB127404）、國家公益性行業（農業）科研專項經費項目（201203030）

聯系方式：趙雅雯，E-mail：zhaoyawen0122@163.com。通信作者盧昌艾，E-mail：luchangai@caas.cn