耕作措施與秸稈還田方式對土壤活性有機碳庫及水稻產量的影響

王丹丹 曹湊貴

摘要 [目的]探明耕作措施和秸稈還田方式對耕層土壤（0～20 cm）活性有機碳和水稻產量的影響。[方法]于2012年在湖北省大法寺鎮稻麥復種系統試驗基地，設置了免耕（NT）和翻耕（PT）2種耕作方式以及5 250（SR3）、3 500（SR2）、1750（SR1）、0 kg/hm2（SR0）4種秸稈還田量。[結果]與翻耕相比，免耕顯著降低10～20 cm土層土壤總有機碳（TOC）5%～21%、易氧化態碳（EOC）7%～43%、微生物生物量碳（MBC）10%～46%、碳庫管理指數（CPMI）6%～44%，顯著降低5～10 cm土層土壤水溶性有機碳（DOC）23%～36%。與秸稈不還田相比，處理SR3和SR2增加5～10 cm土層土壤DOC 29%～38%。處理SR3能顯著降低水稻產量9%～24%。相關分析結果表明，產量與EOC呈極顯著正相關，與DOC則呈顯著負相關，表明EOC、DOC對于短期內稻田耕作方式與秸稈還田量的改變響應最為敏感，與作物生長密切相關。[結論]相較于傳統耕作方式，短期免耕與秸稈還田不是適合砂壤土質增碳增產的技術模式。

關鍵詞 秸稈還田；免耕；活性有機碳；碳庫管理指數；產量

中圖分類號 S181 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）32-0123-05

Effects of Tillage Practices and Wheatstraw Returned to the Field on Topsoil Labile Organic Carbon Fractions and Rice Yield

WANG Dandan1， CAO Cougui2

（1.Zhoukou Vocational College of Science and Technology， Zhoukou，Henan 466000；2. College of Plant Science and Technology Huazhong Agricultural University，Wuhan，Hubei 430070）

Abstract [Objective] To study the effects of tillage practices combined with wheatstraw returned to the field on top soil（0-20 cm） liable organic carbon（LOC） and rice yield at the Dafasi in Hubei Province of China. [Method]Treatments were established following a splitplot design of a randomized complete block with tillage practices [plough tillage（PT） and notillage（NT）] as the main plot and wheat straw returning level [5 250 （SR3）， 3 500 （SR2）， 1 750 （SR1） and 0 kg/hm （SR0）] as the subplot treatment. [Result]In 10-20 cm soil layer，compared with PT， NT significantly decreased the content of soil total organic carbon（TOC） by 5%-21%，easily oxidizable carbon （EOC） by 7%-43%，microbial biomass carbon （MBC） by 10%-46%， carbon pool management index（CPMI） by 6%-44% ，decreased the watersoluble organic carbon （DOC） by 23%-36% in the 5-10 cm soil layer. Compared with SR0，the SR3 and SR2 significantly increased the DOC contents by 29%-38% in the 5-10 cm soil layer. The treatment SR3 significantly increased rice grain yield by 9%-24%. Correlation analysis showed that rice grain yield had a significant positive correlation with EOC，significant negative correlation with DOC，revaled that EOC and DOC is active organic carbon that more sensitive to the changes of tillage practices and straw returned，closely associated with crop growth. [Conclusion] Compared with traditional farming modes，shortterm tillage practices and wheatstraw returned to the field is not an effectively way to increase organic carbon content and grain yield under the sandy soil.

Key words Wheat straw returned to the field；Notillage；Active organic carbon；Carbon management index；Yield

基金項目 國家重點研發計劃專項（2017YFD0301400）；中央高校基本科研業務費專項（2662017JC007）。

作者簡介 王丹丹（1984—），女，河南周口人，講師，從事生態學研究。*通訊作者，教授，博士生導師，從事農業生態與耕作、水稻栽培生理生態研究。

收稿日期 2018-09-01

土壤有機碳是作物殘體及有機肥等有機物料輸入與輸出之間動態平衡的結果，能較好地反映土壤有機碳轉化快慢及土壤質量提高或降低的程度[1]。雖然土壤活性有機碳組分如微生物生物量碳（MBC）、可溶性有機碳（DOC）和易氧化態碳（EOC）等指標占總有機碳比例較小[2-3]，但與土壤有效養分、物理性狀及農業管理措施如秸稈還田、耕作方式[4]等密切相關，能更敏感地反映土壤質量變化情況，是評價土壤質量的重要指標[5]，有利于揭示農業管理措施對土壤有機碳的影響機制[6]。土壤碳庫管理指數是土壤有機碳和參考土壤有機碳的比值與土壤有機碳活度指數的乘積，綜合考慮了土壤總有機碳與活性有機碳，比活性有機碳更為靈敏地反映各種土地利用或管理措施引起的土壤質量下降或更新的程度[7-9]。

秸稈還田作為增加農田土壤有機碳的重要途徑之一而備受關注，研究表明，秸稈還田可以提高土壤質量，增加作物產量[10]。然而秸稈還田后，也有可能會遇到腐解難、利用率低、播種質量差、誘發病蟲害以及影響溫室氣體排放等問題[11-12]，不僅影響土壤有機碳的活性和穩定性，改變其組成與存在方式[13]，而且對作物生長也會造成影響。但由于受到氣候、土壤母質和輪作方式等因素的影響，土壤有機碳及其活性組分對農田管理措施的響應在不同區域存在較大差異。在秸稈還田過程中，不同耕作方式對秸稈腐解[14]、土壤活性有機碳[15-16]、水稻生產發育的影響均[14]不同。研究表明，在秸稈還田條件下，保護性耕作顯著提高土壤活性有機碳含量，提高作物產量[15]。研究表明，保護性耕作方式配施秸稈還田能降低土壤活性有機碳含量[17-18]，影響作物出苗率，導致作物減產[19]。筆者采用田間試驗，基于小麥-水稻輪作模式，研究不同耕作方式下，4種還田量對不同土壤層次活性有機碳組分、碳庫管理指數及水稻產量的影響，旨在明確稻田土壤碳庫動態變化過程，為稻草還田和耕作措施的出臺提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012年在湖北省武穴市花橋鎮試驗基地進行。位于115°33′ E、29°51′ N。年平均氣溫17.0～18.5 ℃，無霜期215～302 d，年均日照時間1 913.5 h，年均降雨1 361 mm。供試土壤為砂質水稻土。耕層土壤厚約20 cm，前茬為小麥，小麥收獲后土壤基本理化性質：

全氮2.38 g/kg，全磷0.45 g/kg，全鉀3.29 g/kg，pH 4.79，有機質19.89 g/kg，銨態氮8.91 g/kg，硝態氮20.20 g/kg，速效磷32.79 g/kg，速效鉀30.98 g/kg。

1.2 試驗材料

小麥品種為鄭麥9023，水稻品種采用雜交稻兩優培九，中熟種。種植方式為小麥-中稻復種，小麥采用直播技術，中稻采用拋秧技術。

1.3 試驗設計

采用裂區設計，耕作方式為主區，分免耕（NT）與翻耕（PT），還田量為副區，分為5 250（SR3）、3 500（SR2）、1 750（SR1）、0 kg/hm2（SR0）。共8個處理：①翻耕0 kg/hm2 秸稈還田（PT+SR0）；②翻耕1 750 kg/hm2 秸稈還田（PT+SR1）；③翻耕3 500 kg/hm2 秸稈還田（PT+SR2）；④翻耕5 250 kg/hm2 秸稈還田（PT+SR3）；⑤免耕0 kg/hm2 秸稈還田（NT+SR0）；⑥免耕1 750 kg/hm2 秸稈還田（NT+SR1）；⑦免耕3 500 kg/hm2 秸稈還田（NT+SR2）；⑧免耕5 250 kg/hm2 秸稈還田（NT+SR3）。小區面積90 m2，3次重復，共24個小區，試驗田為廂溝栽培模式，每個處理占地5廂。試驗地水稻施肥措施為施純N 210 kg/hm2，其中底肥40%、分蘗肥20%、穗肥20%、粒肥20%；施P2O5 105 kg/hm2和K2O 180 kg/hm2，底肥一次性施用。

1.4 測定項目與方法

水稻成熟期采用S形取樣法隨機選取5點，分別采集0～5、5～10、10～20 cm土樣。帶回實驗室，經預處理之后新鮮土樣立即測定部分指標，經混勻風干處理后依據需要過不同目數的篩子后測定其他指標。

1.5 數據分析

試驗數據均采用Excel（Microsoft office，2003）進行分析整理，用SAS8.1軟件DUNCAN法進行方差分析，采用最小顯著差數法進行顯著性水平檢驗（P<0.05）。試驗結果以3次重復的平均值與標準差來表示。

2 結果與分析

2.1 土壤活性有機碳

由圖1可知，不同處理下TOC含量均隨著土層深度的增加顯著降低。5～10 cm以及10～20 cm土層TOC含量僅為0～5 cm土層的77%和59%～91%。與翻耕相比，免耕降低10～20 cm土層5%～21%（P<0.05）的TOC含量。易氧化態碳含量隨著土層深度的增加而不斷下降，0～5 cm土層各處理下EOC的含量顯著高于5～20 cm土層。與翻耕相比，免耕降低10～20 cm土層7%～43%（P<0.05）的EOC含量。10～20 cm土層MBC含量為0～10 cm土層的39%～75%，相較于翻耕，免耕降低10～20 cm土層10%～46%（P<0.05）的MBC含量以及5～10 cm土層23%～36%（P<0.05）的DOC含量。

秸稈還田對土壤TOC、EOC、MBC的含量無顯著影響。相較于SR0，SR3和SR2顯著增加5～10 cm土層29%～38%（P<0.05）和31%～42%（P<0.05）的DOC含量。

2.2 土壤碳庫管理指數

碳庫管理指數指示了土壤的肥力狀況，升高則表明農藝措施提高了土壤質量。由表1可知，相對于翻耕，免耕5～10 cm土層AI提高了5%～9%，但10～20 cm土層CPMI降低了6%～44%。秸稈還田對土壤AI和CPMI無顯著影響。

2.3 產量

由圖2可知，相較于SR0，處理SR3顯著降低了9%～24%的水稻產量。處理SR2 和SR1分別提高3%～12%和3%～4%的水稻產量，但差異不顯著。翻耕和免耕處理水稻產量無顯著差異。

2.4 土壤活性碳組分與產量之間的相關性

各有機碳組分與產量的相關關系見表2。由表2可知，產量與EOC呈極顯

著正相關（r=0.73**），與DOC則呈顯著負相關（r=-0.30*）。土壤TOC與MBC呈極顯著正相關（r=0.68**）。

3 討論

該研究結果表明，相較于翻耕，免耕對0～10 cm土層TOC含量無顯著影響，降低10～20 cm土層的TOC含量。這與Tian等[24]、楊敏芳等[1]10～20 cm土層翻耕TOC含量高于其他保護性耕作的研究結果相似。Yang等[25]研究顯示，長期免耕較翻耕提高了表層0～10 cm土壤有機碳含量，但降低了10～20 cm土層土壤有機碳含量。Liang等[26]研究表明，翻耕比免耕增加5～20 cm土層土壤有機碳含量，且秸稈還田后趨勢不變。Dikgwatlhe等[27]研究表明，2年翻耕秸稈還田對比免耕秸稈覆蓋在5～15 cm土層有更高的土壤有機碳含量，原因是翻耕對比免耕植物根系在耕層中分布更廣泛并在作物生長過程中向土壤釋放更多碳，使得積累量顯著增加。秸稈還田相較于秸稈不還田，對土壤有機碳無顯著影響，這可能是因為該試驗年限較短，秸稈最初還入農田，新鮮的有機物質需要一個腐解轉化的過程，且土壤有機碳轉化與平衡也需要較長時間[28]，因此對有機碳總量的影響表現不明顯。也有學者認為耕作對于表層土壤有機碳含量的影響比秸稈還田更顯著，而秸稈還田對20 cm土層以下土壤有機碳含量影響更明顯。

與翻耕相比，免耕顯著降低10～20 cm土層土壤的EOC含量，這與路丹等[16]提出的相較于翻耕，免耕顯著降低5～20 cm土層土壤EOC含量的結果一致。這可能是因為免耕使秸稈在土壤表層聚集，降低了分解速率，而翻耕使秸稈和土壤混合比較均勻，給微生物提供了充足的碳源，腐解較為徹底，提高了有機碳活性。關于短期內秸稈還田是否提高土壤EOC的說法不一，徐明崗等[29]研究表明，秸稈還田對提高土壤總有機碳有作用，但并不能增加土壤EOC含量，由于氣候條件的差異，秸稈還田對土壤活性有機質的影響在不同土壤上表現不一。也有人認為秸稈還田能夠增加土壤EOC含量[16]。該研究結果表明，秸稈還田對土壤EOC含量無顯著影響，這可能與土壤類型、質地及作物種植年限有關。

土壤中DOC主要來源于落葉和根系分泌物以及表層有機物質的分解，此外，土壤有機質的微生物過程也是其來源[30]。免耕相較于翻耕減少了土壤擾動，降低了有機物質的輸入，直接導致DOC來源減少，使5～10 cm土層土壤DOC含量顯著降低，也可能是砂壤土本身保水蓄水力較弱，耕作有利于降水的入滲，導致在翻耕時DOC含量比免耕高。相比較秸稈不還田，5 250 kg/hm2 及3 500 kg/hm2還田量增加5～10 cm土層土壤DOC含量，這與周歡等[17]的研究結果一致，這是因為秸稈以及植物的腐解為土壤DOC提供了重要來源[31]。

相較于翻耕，免耕降低10～20cm土層土壤MBC含量。李曉莎[18]也發現了相同規律，可能是因為砂壤土質地較粗，不飽和水傳導率以及儲水率均較差，根的呼吸速率以及生長慢，導致根際微生物含量本身就較低，而免耕使腐解物集中于土壤表層，翻耕使作物秸稈與土壤充分混合，導致土壤下層MBC比翻耕低。該研究結果顯示，秸稈還田相較于秸稈不還田，并未對土壤MBC有顯著影響。這可能是因為該試驗所取土樣為水稻成熟期，而李曉莎[18]認為秸稈還田后隨著時間的推移秸稈對土壤微生物量的影響效應逐漸變小，成熟期秸稈還田對土壤MBC含量影響不顯著。

研究表明，相比翻耕，免耕能提高10 cm以上土層的土壤肥力狀況，顯著降低10 cm以下土層土壤肥力狀況，使土壤養分表層富集化[32]。該研究結果顯示，免耕相較于翻耕降低了10～20 cm土層CPMI，提高了5～10 cm土層AI。表明免耕降低了砂壤土10～20 cm土層土壤肥力，提高了5～10 cm土層土壤活性碳含量，卻未能改善10 cm以上土層土壤肥力狀況。其原因可能是翻耕措施有利于深層土壤有機碳的累積[33]，也有可能是砂壤土保肥性較差，且試驗年限較短。大量研究顯示，秸稈還田能顯著增加土壤CPMI[4，34]，而該研究結果表明，秸稈還田對CPMI及AI無顯著影響，這可能是因為砂壤土土質松散，保水性能差，秸稈還田在較長時間內調節地表溫度和水分狀況，使其有利于土壤微生物的繁殖，進而增加土壤有機碳的礦化，而砂性土壤有機碳的礦化速率比其他黏粒含量高的土壤迅速[35]，土壤有機質易被微生物降解，有利于養分的迅速釋放[36]。也可能與試驗年限、土壤生態環境以及秸稈腐爛程度有關。結果仍需進一步研究。

免耕對作物產量的影響存在爭議，Jat等[37]、Sharma等[38]研究指出，免耕提高了作物產量。也有研究發現保護性耕作措施對產量影響不明顯[39-40]。韓賓等[19]認為保護性耕作能降低作物出苗率，增加土壤容重，限制根系伸展，繼而使作物減產。近年來，隨著旋耕、免耕等保護性耕作措施在農業生產中常年使用，耕層淺薄化、土壤緊實化等一系列土壤健康問題逐漸凸顯[41-42]。已成為制約糧食作物持續高產、穩產的新問題[43]。該研究結果顯示，一年免耕對作物產量影響不顯著。這可能與試驗年限、土壤肥力有關，進行長期定位試驗可以不斷完善相關結論。高量秸稈還田降低了水稻產量，可能是因為過高的還田量降低了出苗率及單位面積穗數[19]。

相關性分析結果表明，水稻產量與EOC呈極顯著正相關，與DOC則呈顯著負相關，與TOC相關性不顯著，與路文濤等[44]、蔡太義等[45]研究結果類似，表明EOC、DOC對于短期內稻田耕作方式與秸稈還田量的改變響應最為敏感，能更準確地反映土壤質量的變化，與作物生長密切相關。土壤TOC與MBC呈極顯著正相關，與馬和平等[46]的研究結果一致，說明MBC是土壤碳庫中活性較強而又易于轉化的成分，對于保持土壤肥力有重要作用，可以作為表征土壤碳庫質量和土壤生物學肥力的理想指標。

4 結論

經過1年砂壤土質下稻-麥輪作田間試驗，短期免耕顯著降低土壤活性有機碳各組分含量以及土壤碳庫管理指數，高量秸稈還田顯著降低水稻產量，說明短期免耕與秸稈還田降低了土壤肥力并使作物減產。因此，對于土質松散、保肥性較差的砂壤土質，短期免耕與秸稈還田并不是最適合增碳增產的技術模式。由于該研究年限為一年，關于保護性耕作對于砂壤土質活性有機碳及產量的長期影響，還需進一步研究。

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