連續14年保護性耕作對土壤總有機碳和輕組有機碳的影響

劉杰，李玲玲，謝軍紅，鄧超超，彭正凱，Yeboah Stephen，Lamptey Shirley

（1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州730070；2.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅蘭州730070）

連續14年保護性耕作對土壤總有機碳和輕組有機碳的影響

劉杰1，李玲玲1，謝軍紅1，鄧超超1，彭正凱1，Yeboah Stephen2，Lamptey Shirley1

（1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州730070；2.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅蘭州730070）

依托于2001年布設在隴中黃土高原半干旱雨養農業區的保護性耕作定位試驗，于2014年測定了5種保護性耕作（免耕＋秸稈覆蓋NTS、免耕NT、傳統耕作＋秸稈翻埋TS、傳統耕作＋地膜覆蓋TP和免耕＋地膜覆蓋NTP）和傳統耕作T處理下小麥－豌豆雙序列輪作中表層土壤（0～5、5～10、10～30 cm）總有機碳（SOC）和輕組有機碳（LFOC）在作物生育期前后的變化。結果表明：土壤總有機碳和輕組有機碳在土壤剖面上均隨著土層深度的增加而降低；相比傳統耕作T，NTS和TS處理能顯著提高0～30 cm土層中SOC、LFOC的含量，在作物播種前較T分別提高了19.51%、64.58%和13.36%、42.08%，在收獲后分別提高了28.00%、85.37%和18.61%、77.82%，而SOC、LFOC含量NT和TP處理與T處理間差異不顯著；從作物播種前至收獲后，各處理下0～30 cm土層SOC含量均有減小趨勢，其中NTS和TS處理變化量最小，NT和TP處理加大了作物生育期間SOC和LFOC的消耗；LFOC可以靈敏地反應出土壤有機碳的變化。因此，在該區推行以免耕、秸稈覆蓋為主的保護性耕作措施更有利于碳的積累和土壤質量的改善，促進該區農業的可持續發展。

保護性耕作；土壤總有機碳；輕組有機碳

近年來，由于復雜多變的自然條件以及長期不合理的耕作方式導致黃土高原地區水土流失日益嚴重，使土壤中大量養分流失，耕地質量下降［1］。土壤有機碳（SOC）作為土壤的重要組成部分，其含量的提高能夠改善土壤結構、提高土壤保水保肥能力，促進作物的生長發育［2］。另外，土壤有機碳含量的變化還與農業可持續發展、全球碳循環、全球氣候變化等有著密切的關系［3］。因此，研究農田土壤中有機碳及其組分的變化對提高黃土高原地區土壤肥力和農業的可持續發展具有重要意義。

依據不同的分離方法可將土壤有機碳分成不同的組分，如水溶性有機碳（DOC）、可礦化有機碳（MOC）、微生物量有機碳（MBC）、易氧化有機碳（ROOC）、輕組有機碳（LFOC）等。其中輕組有機碳是利用物理分組方法將土壤有機碳分離而來，分離過程幾乎不破壞土壤有機碳的原狀結構［4－5］，而且輕組有機碳具有很強的生物學活性，在土壤中移動速度較快、不穩定、易分解，易受作物、環境、耕作管理措施等外界因素的影響，能較快地反映出土地利用方式的變化［6］。因此，輕組有機碳比總有機碳對耕作措施的響應更加敏感，被認為是研究土地利用和耕作措施變化最主要的部分［7］。

已有研究表明，以少、免耕和秸稈覆蓋為核心的保護性耕作技術，能夠改善土壤結構，提高土壤肥力和土壤有機碳含量［8－9］。然而，針對保護性耕作措施下土壤有機碳的研究大多集中在土壤中碳含量的變化方面［10－11］，對于保護性耕作措施下土壤有機碳在作物生長期間的消耗與積累過程以及保護性耕作影響土壤有機碳變化的內在機制研究較少。而土壤有機碳對不同耕作措施的響應可通過土壤有機碳及其活性組分的變化解釋其機制［12］。鑒于此，本試驗依托連續進行14年的保護性耕作長期定位試驗，監測了連續14年保護性耕作之后土壤總有機碳（SOC）和輕組有機碳（LFOC）在作物生長期前后的變化，并分析了兩者之間的關系，旨在從輕組組分角度揭示不同保護性耕作措施影響黃綿土土壤有機碳變化的機制以及其積累過程，以期為黃土高原旱地有機碳的管理以及農業的可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設置在隴中黃土高原丘陵溝壑區的定西市安定區李家堡鎮。該區屬中溫帶半干旱偏旱區，多年平均日照時數2 476.6 h，太陽輻射量為592.9 kJ·cm－2；年均氣溫6.4℃，變化在5.8℃～6.8℃之間，≥0℃積溫為2 933.5℃，≥10℃積溫為2 239.1℃，年均無霜期為140 d；多年平均降水量為390.9mm，年際、年內變化率大，80%保證率的降水量為365mm，年蒸發量達到1 531mm，為降水量的3～4倍，變異系數為24.3%。試驗區光照和水分只能滿足一年一熟作物的要求，為典型的雨養農業區。試區土壤為黃綿土，土質較綿軟，質地較均勻，貯水性能良好，0～200 cm土壤容重平均為1.17 g·cm－3，平均土壤排水上限為0.27 cm3·cm－3；小麥有效水分下限為0.10 cm3·cm－3，豌豆有效水分下限為0.16 cm3·cm－3。試驗開展初期土壤有機質含量為12.01 g·kg－1，全氮0.76 g·kg－1，全磷1.77 g·kg－1。

圖1 試驗區2014年1—12月降雨量Fig.1 Monthly rainfall in 2014 in studied area

1.2 試驗設計

本研究依托的長期定位試驗始于2001年，采用單因素隨機區組設計，共設6個處理（如表1），4個重復，參試作物采取“春小麥－豌豆”雙序列輪作，共計48個小區，每小區面積為4 m×20 m。供試春小麥和豌豆品種分別為當地主栽品種“定西40號”和“燕農2號”。春小麥播種量為187.5 kg·hm－2，行距20 cm，各處理均施純P2O5105 kg·hm－2（過磷酸鈣656.25 kg·hm－2），純N 105 kg·hm－2（尿素226.29 kg ·hm－2）；豌豆播種量為180 kg·hm－2，行距20 cm，各處理施純N 20 kg·hm－2（尿素43.10 kg·hm－2），施純P2O5105 kg·hm－2（過磷酸鈣656.25 kg·hm－2）。春小麥于每年3月中旬播種，7月下旬至8月上旬期間收獲；豌豆于4月上旬播種，7月中、下旬收獲。各小區田間雜草用2，4－D丁酯與草甘膦除去。

表1 試驗處理Table 1 Description of tillage treatments in the experiment

本試驗于2014年3月中旬作物播種前進行第一次土壤取樣，于同年7月下旬豌豆、小麥收獲后進行第二次取樣；取樣深度為0～5、5～10、10～30 cm，每個樣為三點采集混合而成，經風干處理后過2mm篩，所有土壤樣品在常溫下保存于密封袋中。

1.3 土壤總有機碳（SOC）和輕組有機碳（LFOC）的測定

SOC采用K2Cr2O7－H2SO4氧化外加熱法測定［13］。LFOC采用Gregorich和Ellert所描述的方法分離提取［14］，然后用vario MICRO cube元素分析儀測定有機碳含量。

1.4 數據處理

利用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 耕作措施對小麥－豌豆輪作系統0～30 cm土層土壤總有機碳（SOC）含量的影響

2.1.1 耕作措施對小麥地0～30 cm土層總有機碳含量的影響由表2可以看出，在播種前，小麥地中各處理0～30 cm土層內SOC平均含量變化范圍為7.31～8.75 g·kg－1，變化趨勢為NTS＞TS＞NTP＞ NT＞TP＞T，在0～30 cm土壤剖面上表現為0～5 cm＞5～10 cm＞10～30 cm。在0～5、5～10 cm土層中，NTS和TS處理下SOC含量顯著高于T處理，分別較T提高了28.99%和17.63%、24.46%和16.18%，TP和NT處理下SOC含量略高于T處理，但與T之間差異不顯著。10～30 cm土層中各處理SOC含量均沒有顯著差異。在小麥收獲后，0～5、5～10、10～30 cm土層中，NTS和TS處理下SOC含量較T分別提高了37.44%、28.82%、25.20%和22.52%、18.85%、17.09%，TP、NT處理與T處理之間差異不顯著。

從小麥播種前至收獲后，各處理0～30 cm土層中SOC含量較播種前均有所減小，傳統耕作T處理減少的量最大，較播種前降低了9.20%，NT和TP處理降低了8.22%和7.38%，NTS處理下SOC含量減少的量最小，較播種前降低了2.89%。

2.1.2 耕作措施對豌豆地0～30 cm土層總有機碳含量的影響由表3可知，在播種前，豌豆地各處理0～30 cm土層SOC平均含量變化范圍為7.42～8.86 g·kg－1，表現為NTS＞TS＞NTP＞TP＞NT＞T，其中NTS和TS處理下SOC平均含量較T分別提高了19.31%和12.82%，在0～30 cm土壤剖面上隨著土層深度的加深而逐層遞減。在0～5、5～10、10～30 cm土層中，均有NTS處理下SOC含量顯著高于T處理，分別較T提高了31.88%、18.87%、16.09%，NT、TP處理下SOC含量與T處理差異不顯著。收獲后，各處理0～30 cm土層SOC平均含量變化趨勢與播種前一致。在0～5、5～10、10～30 cm土層土壤中，NTS和TS處理下SOC含量均顯著高于傳統耕作T，而NT和TP處理SOC含量與T處理之間差異不顯著。

經過一個生育期后，NT處理下SOC含量較播種前減少的量最大，降低了8.05%，NTS和TS處理下SOC含量變化的量小于其他處理。

表2 小麥—豌豆輪作序列下0～30 cm土層土壤有機碳含量／（g·kg－1）Table 2 The content of total organic carbon in the soil layer of0～30 cm in the wheat－pea crop rotation sequence

表3 豌豆—小麥輪作序列下0～30 cm土層土壤有機碳含量（g·kg－1）Table 3 The content of total organic carbon in the soil layer of 0～30 cm in the pea－wheat crop rotation sequence

綜合兩種輪作模式下不同耕作措施在作物播種前與收獲后對0～30 cm土層SOC含量的影響可知，相對于傳統耕作T，保護性耕作NTS和TS處理能夠提高0～30 cm土層中SOC含量，且能減少作物生育期間0～30 cm土層土壤有機碳的消耗，而NT和TP處理加大了作物生育期間SOC的消耗。

2.2 耕作措施對小麥－豌豆輪作系統0～30 cm土層中輕組有機碳（LFOC）含量的影響

2.2.1 耕作措施對小麥地0～30 cm土層中輕組有機碳含量的影響由表4可以看出，在播種前，小麥地中各處理0～30 cm平均LFOC含量變化范圍為0.72～1.48 g·kg－1，其含量相對較小，變化趨勢為NTS＞TS＞NT＞T＞NTP＞TP，在0～30 cm土層土壤剖面上隨著土層深度的加深而遞減。在0～5、5～10 cm土層內，NTS處理下LFOC含量顯著高于T處理，分別較T高出1.29 g·kg－1和0.77 g·kg－1；在10～30 cm土層內，則與T處理差異不顯著。TP處理下LFOC含量在不同土層中均低于T處理。

在小麥收獲后，各處理下0～30 cm土層平均LFOC含量變化范圍為0.56～1.00 g·kg－1，變化趨勢為TS＞NTS＞NTP＞NT＞T＞TP。在0～5、5～10 cm土層內，NTS和TS處理LFOC含量顯著高于T處理，分別較T處理提高了1.64 g·kg－1和0.88、0.52 g·kg－1和0.59 g·kg－1，在10～30 cm土層內NTS和TS處理與T處理之間沒有顯著差異。而TP處理在各個土層中均與T處理之間沒有顯著差異。從小麥播種前至收獲后，NTP處理下0～30 cm土層LFOC含量有所增加，其余處理均降低。

2.2.2 耕作措施對豌豆地0～30 cm土層中輕組有機碳的影響由表5可看出，豌豆地土壤LFOC含量在土壤剖面上的變化趨勢與小麥地一致，表現為隨著土層的加深而逐漸減少。在播種前，0～30 cm土層內LFOC平均含量變化范圍為0.65～1.02 g·kg－1，其中TS處理下最大，NTS處理次之，T和TP處理最小，TS、NTS處理下LFOC平均含量比T處理分別提高了58.40%、53.64%。在5～10 cm土層中NTS和TS處理下LFOC含量顯著高于T處理，但在0～5、10～30 cm土層中各個處理之間均沒有顯著差異。收獲后，0～30 cm土層內LFOC平均含量NTS處理下最高，T處理最低；在5～10 cm和10～30 cm土層內NTS處理下LFOC含量顯著高于T處理，分別較T提高了94.56%、108.73%，TP和NT處理與T處理之間差異不顯著。同年豌豆播種前至收獲后，各處理下0～30 cm土層LFOC含量均有所下降。

表4 小麥—豌豆輪作序列下0～30 cm土層輕組有機碳含量／（g·kg－1）Table 4 The content of light fraction organic carbon in the soil layer of0～30 cm in thewheat－pea crop rotation sequence

由此可見，在兩種輪作模式下，0～30 cm土層LFOC含量在土壤剖面上的變化依舊是隨著土層的加深而逐漸減小。作物播種前與收獲后土壤輕組有機碳對不同耕作措施的響應基本一致。相對于傳統耕作T，保護性耕作NTS和TS處理有利于提高土壤中LFOC含量，而TP處理下LFOC含量與T之間沒有差異，甚至小于T處理。從播前至收后，兩種輪作模式下LFOC的變化各有不同，沒有明顯規律。

2.3 土壤總有機碳和輕組有機碳之間的相關性分析

由圖2可以看出，土壤總有機碳與輕組有機碳之間呈極顯著正相關，且存在線性關系。這一方面說明土壤輕組有機碳的含量在很大程度上依賴總有機碳的含量；另一方面，說明輕組有機碳在指示耕作措施影響土壤碳庫變化方面較總有機碳更為靈敏。

圖2 土壤輕組有機碳與總有機碳的相關性Fig.2 The correlation of soil organic carbon and light fraction organic carbon

3 結論與討論

土壤有機碳對土壤的物理性質、化學性質、生物學性質都十分重要，被認為是評價土壤質量最重要的指標之一，其含量的變化不僅可以引起土壤肥力和持水能力的變化，還可引起大氣中CO2濃度較大的波動，進而影響全球氣候的變化。關于耕作措施影響土壤有機碳動態變化的研究表明，長期耕作的土壤其表層、亞表層中的有機碳儲量較自然植被土壤減少［15］。而免耕改善了土壤結構，使土壤團聚體數量和穩定性增加，減少了有機碳的降解［16］。另外，免耕還具有一定程度的土壤培肥作用［17］。West［18］等的研究發現免耕代替傳統耕作后，土壤有機碳儲存量平均每年增加57 g·cm－3。秸稈本身含有大量的碳，還田分解后加強了土壤微生物的活動，同時釋放出無機碳、氮，形成土壤有機質［19－20］。

本試驗研究表明，兩種輪作系統下，免耕秸稈覆蓋NTS和傳統耕作＋秸稈翻入TS處理均能顯著提高土壤總有機碳含量，且各個土層中NTS處理下土壤SOC含量均高于TS處理；在播種前，小麥地中NTS和TS處理下0～30 cm土層內SOC和LFOC平均含量較T處理分別提高了19.71%和13.91%、75.52%和25.76%；豌豆地中NTS和TS處理下0～30 cm土層內SOC和LFOC平均含量較T處理分別提高了19.31%和12.82%、53.64%和58.40%。收獲后，小麥地中NTS和TS處理下0～30 cm土層內SOC和LFOC平均含量較T處理分別提高了28.03%和18.37%、72.35%和75.79%；豌豆地中NTS和TS處理下0～30 cm土層內SOC和LFOC平均含量較T處理分別提高了27.96%和18.86%、98.39%和79.84%。以上結果說明，在隴中黃土高原地區，免耕秸稈覆蓋和秸稈翻埋有利于土壤中總有機碳和輕組有機碳的積累，且免耕秸稈覆蓋較秸稈翻埋更加有效。另外，土壤輕組有機碳的含量在很大程度上依賴總有機碳的含量，且輕組有機碳在指示耕作措施影響土壤碳庫的變化上較總有機碳更為靈敏。TP和NT處理下，SOC和LFOC含量略高于T處理，但差異不顯著，這表明單純的免耕不能提高土壤有機碳含量。而地膜覆蓋提高了地溫，加速了有機質的礦化［21］。這與前人的研究結果一致［22－23］。在作物生育期間，保護性耕作NTS和TS處理下土壤SOC損耗的量最小，TP和NT則加大了土壤有機碳的損耗。但是，不同處理下輕組有機碳在生育期前后的變化在兩種輪作序列中表現不一，沒有明顯的變化規律。因此，在該區采用以免耕、秸稈覆蓋為主要技術環節的保護性耕作有利于提高土壤肥力，其中免耕和秸稈覆蓋結合效果最佳。

［1］郭清毅，黃高寶.保護性耕作對旱地麥—豆雙序列輪作農田土壤水分及利用效率的影響［J］.水土保持學報，2005，19（3）：165-169.

［2］曹麗花，趙世偉.土壤有機碳庫的影響因素及調控措施研究進展［J］.西北農林科技大學學報（自然科學版），2007，35（3）：177-182.

［3］周莉，李保國，周廣勝.土壤有機碳的主導影響因子及其研究進展［J］.地球科學進展，2005，20（1）：99-105.

［4］吳建國，張小全.土地利用變化對土壤物理組分中有機碳分配的影響［J］.林業科學，2002，38（4）：19-29.

［5］Christensen B T.Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates［C］／／Advances in soil science.New York：Springer，1992：1-90.

［6］康軒，黃景，呂巨智，等.保護性耕作對土壤養分及有機碳庫的影響［J］.生態環境學報，2009，18（6）：2339-2343.

［7］Roscoe R，Buurman P.Tillage effects on soil organicmatter in density fractions of a Cerrado Oxisol［J］.Soil and Tillage Research，2003，70（2）：107-119.

［8］Gan Y T，Huang G B.Unique conservation tillage practices in Northwest China.No-till farming systems［J］.World Association of Soil and Water Conservation（WASWC），2008，（3）：429-444.

［9］Huang GB，Zhang R Z，LiGD，etal.Productivity and sustainability ofa spring wheat-field pea rotation in a semi-arid environment under conventional and conservation tillage systems［J］.Field Crops Research，2008，107（1）：43-55.

［10］王新建，張仁陟，畢冬梅，等.保護性耕作對土壤有機碳組分的影響［J］.水土保持學報，2009，23（2）：115-121.

［11］蔡立群，齊鵬，張仁陟，等.不同保護性耕作措施對麥－豆輪作土壤有機碳庫的影響［J］.中國生態農土學報，2009，7（1）：1-6.

［12］Tan Z，Lal R，Owens L，et al.Distribution of lightand heavy fractions of soil organic carbon as related to land use and tillage practice［J］.Soil and Tillage Research，2007，92（1）：53-59.

［13］鮑士旦.土壤農化分析［M］.北京：中國農業出版社，2000：30-38.

［14］Janzen H H，Campbell CA，Brandt SA，etal.Light-fraction organicmatter in soils from long-term crop rotations［J］.Soil Science Society of America Journal，1992，56（6）：1799-1806.

［15］張金波，宋長春.土地利用方式對土壤碳庫影響的敏感性評價指標［J］.生態環境，2003，12（4）：500-504.

［16］徐陽春，沈其榮，冉煒.長期免耕與施用有機肥對土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響［J］.土壤學報，2002，39（1）：89-96.

［17］孫利軍，張仁陟，黃高寶.保護性耕作對黃土高原旱地地表土壤理化性狀的影響［J］.干旱地區農業研究，2007，25（6）：207-211.

［18］West T O，Post W M.Soil organic carbon sequestration rates by tillage and crop rotation［J］.Soil Science Society of America Journal，2002，66（6）：1930-1946.

［19］楊景成，韓興國，黃建輝，等.土壤有機質對農田管理措施的動態響應［J］.生態學報，2003，23（4）：787-796.

［20］羅珠珠，黃高寶，張仁陟，等.長期保護性耕作對黃土高原旱地土壤肥力質量的影響［J］.中國生態農業學報，2010，18（3）：458-464.

［21］黃高寶，李玲玲，張仁陟，等.免耕秸稈覆蓋對旱作麥田土壤溫度的影響［J］.干旱地區農業研究，2006，24（5）：1-4，19.

［22］羅珠珠，黃高寶，辛平，等.隴中旱地不同保護性耕作方式表層土壤結構和有機碳含量比較分析［J］.干旱地區農業研究，2008，26（4）：53-58.

［23］宋秋華，李鳳民，王俊，等.覆膜對春小麥農田微生物數量和土壤養分的影響［J］.生態學報，2002，22（12）：2125-2132.

Soil total organic carbon and its light fractions in response to 14 years of conservation tillage

LIU Jie1，LI ling-ling1，XIE Jun-hong1，DENG Chao-chao1，PENG Zheng-kai1，Yeboah Stephen2，Lamptey Shirley1
（1.Gɑnsu Provinciɑl Lɑborɑtory of Aridlɑnd Crop Sciences／Fɑculty of Agronomy，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.College of Resourcesɑnd Environmentɑl Sciences，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ）

The study was carried out on a long-term field experiment set up in 2001 in Dingxi，which is a typical semiarid rainfed agriculture area on thewestern Loess Plateau.The objective of the experimentwas to determine the effect of conventional and conservation tillage practices on soil organic carbon（SOC）and light fraction organic carbon（LFOC）in surface soil of wheat－pea double sequence rotation system.The experiment was laid out in a randomized complete block design with four replications.Treatments included six types of tillage practices；conventional tillage with no straw（T），no-tillagewith no straw mulching（NT），conventional tillage with straw incorporation（TS），no-tillage with straw mulching（NTS），conventional tillage with plastic film mulch（TP），no-tillage with plasticmulching（NTP）.Themain resultswere as follows：（1）the soil SOC and LFOC contentdecreased with increasing soil depth；（2）compared with the conservation tillage，no tillage with stubble incorporated（NTS）and tillage with straw incorporation improved soil SOC and LFOC，it has increased by 19.51%，13.36%and 64.58%，42.08%before sowing，increased by 28.00%，18.61%and 85.37%，77.82%after harvest.However，no-tillwithout straw incorporated（NT）and conventional tillage with plastic film mulch（TP）did not show obvious effect；（3）the SOC content from sowing to harvestexhibited a downward tendency，with theminimum change occurring in NTS and TS；but NT and TP expanded the consumption of SOC during crop growth stage.（4）LFOCwas sensitive as an indicator of soil organic carbon.

conservation tillage；soil organic carbon；light fraction organic carbon

S158.3；S153.6＋2

：A

1000-7601（2017）01-0008-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.02

2016-01-23

國家自然科學基金（31460337）；隴原青年創新人才扶持計劃；甘肅省干旱生境作物學重點實驗室開放基金（GSCS－2010－03）

劉杰（1991—），男，甘肅甘谷人，碩士研究生，研究方向為旱地與綠洲農作制。E-mail：962697153＠qq.com。

李玲玲（1977—），女，博士，教授，研究方向為旱地與綠洲農作制。E-mail：lill＠gsau.edu.cn。