耕作方式對稻麥輪作區(qū)土壤碳氮儲量與層化率的影響

崔思遠 曹光喬 朱新開

(1.揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室， 揚州 225009；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 南京 210014)

0 引言

土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，是反映土壤肥力的重要指標之一，對土壤物理、化學、生物學特性及作物生產(chǎn)有重要的影響[1-2]。作為有機質(zhì)的重要組分，土壤有機碳(Soil organic carbon, SOC)與土壤結構穩(wěn)定、作物高產(chǎn)及穩(wěn)產(chǎn)性等密切相關。當SOC質(zhì)量分數(shù)低于2%，會降低土壤結構穩(wěn)定性，進而限制作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性[3]，而中國逾80%的耕地SOC低于該水平。PAN等[4]基于中國第二次土壤普查的有機質(zhì)數(shù)據(jù)和作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析指出，有機質(zhì)每提高1個百分點，作物產(chǎn)量可增加430 kg/hm2，穩(wěn)產(chǎn)性提高3.5%。同時，SOC是重要的有機碳庫，在全球碳循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。區(qū)域尺度SOC微生物分解率的微小變化，都將引起全球尺度的氣候變化[5]。不合理的農(nóng)業(yè)管理措施使農(nóng)田SOC含量較初始水平降低30%～60%，但是60%～70%已損失的SOC可以通過有機物歸還、降低耕作強度等科學的管理措施重新被土壤固定[6]。據(jù)CHENG等[7]估算，我國農(nóng)田土壤的生物物理固碳潛力為2.2～2.9Pg C，其中保護性耕作的固碳潛力為0.62Pg C。因此，合理的耕作和秸稈管理措施具有保障糧食安全和固碳減排等多重意義。

氮素是限制土壤生產(chǎn)力的重要因子，對作物生長和生理代謝起著重要作用。土壤氮素和SOC存在一定的耦合關系，氮素變化能夠影響土壤吸收大氣CO2的能力，進而影響土壤固碳作用[8]，SOC水平也在氮素礦化、固定和反硝化作用中起重要作用[9]，其相互耦合作用對作物生產(chǎn)以及氣候變化等具有重要意義[10]。

免耕可以減少因耕作造成的SOC損失，被認為是農(nóng)田固碳減排最有效的措施之一[11-12]。HAO等[13]試驗研究表明，免耕0～60 cm土層碳儲量較傳統(tǒng)耕增加了5.178×104kg/hm2，SOC含量提高了56.07%。王淑蘭等[14]研究表明，與連續(xù)翻耕相比，免耕或者免耕結合其他耕作可以提高土壤氮儲量，5年平均值為3.6%～11.1%。作物秸稈含有豐富的營養(yǎng)元素，較多研究表明，秸稈還田可以顯著提高有機碳和全氮含量[15-17]，但可能具有較大的點位變異性[18]。SINGH等[19]則指出，通過減少耕作或秸稈管理措施增加表層土壤固碳的效果有限。

雖然免耕具有諸多優(yōu)勢，但是長期連續(xù)免耕存在一系列問題，如土壤夯實、雜草和病蟲害問題突出等[20-21]，因此部分學者對少耕展開研究[20, 22-23]。長江中下游平原稻麥兩熟區(qū)是中國重要糧食產(chǎn)區(qū)之一，已有研究表明，該區(qū)耕作方式和秸稈還田顯著影響土壤容重、孔隙結構及土壤碳庫和構成等[24-26]。長期免耕會導致土壤板結、插秧困難、作物根系較淺，而過度耕作則會導致土壤肥力下降、有機質(zhì)損耗、溫室氣體排放增加等問題。目前該地區(qū)有關耕作方式和秸稈還田對土壤碳庫、氮庫變化影響的研究不夠充分，相關機理仍不清楚。本研究擬通過研究少耕、旋耕、翻耕及秸稈還田條件下耕層SOC、全氮含量和碳氮比及層化率、碳氮儲量的變化情況，闡明土壤耕作對土壤碳氮固持效應的影響，為長江中下游平原麥稻兩熟區(qū)農(nóng)田土壤碳庫和氮庫管理及建立合理的耕作制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2013年秋季在江蘇省泰州市姜堰區(qū)河橫生態(tài)農(nóng)業(yè)科技示范園(32°60′N，120°14′E)進行。該區(qū)地處長江中下游平原東部，屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，年均氣溫14.5℃；全年積溫(大于等于0℃)5 365.6℃；年降水量約為990 mm，年日照時數(shù)約為22 060 h。試驗區(qū)土壤為普通簡育水耕人為土，土壤質(zhì)地為重黏土，試驗前0～20 cm土層主要理化性狀為：容重1.31 g/cm3、有機碳質(zhì)量比21.06 g/kg、全氮質(zhì)量比2.27 g/kg、速效鉀質(zhì)量比為119.17 mg/kg、速效磷質(zhì)量比為49.74 mg/kg、pH值7.24。該區(qū)為中國主要的水稻-冬小麥一年兩熟區(qū)。

1.2 試驗設計

試驗始于2013年10月，基于長期旋耕農(nóng)田設置：①少耕秸稈還田(Minimum tillage, MT)：水稻季免耕，小麥季每2年淺旋一次，稻麥秸稈全量還田。②翻耕秸稈還田(Conventional tillage, CT)：水稻季翻耕，小麥季旋耕，稻麥秸稈全量還田。③旋耕秸稈還田(Rotary tillage, RT)：水稻季旋耕，小麥季旋耕，稻麥秸稈全量還田。④翻耕秸稈不還田(Conventional tillage without straw retention，CT0)：水稻季翻耕，小麥季旋耕，稻麥秸稈均不還田。淺旋深度8 cm，旋耕深度11 cm，翻耕深度18 cm。每個小區(qū)面積500 m2，重復3次，秸稈還田處理冬小麥秸稈還田量5 200 kg/hm2左右，水稻秸稈還田量約9 500 kg/hm2。水稻、小麥均采用聯(lián)合收獲機收獲，根茬約為30 cm。4種處理的作物品種、灌溉量、施肥量均相同，冬小麥品種為鄭麥9號，水稻品種為南粳9108。冬小麥播種時施用有機肥(主要成分質(zhì)量分數(shù)為：有機質(zhì)45%、N 2.5%、K 2.5%)1 500 kg/hm2，復合肥(主要成分質(zhì)量分數(shù)為：N 15%、P 15%、K 15%)375 kg/hm2，分蘗期和拔節(jié)期分別施用尿素312 kg/hm2。水稻插秧時施肥種類和數(shù)量同小麥播種時，插秧后第10天起每10 d施用尿素250 kg/hm2，共4次。

1.3 樣品采集與測定分析

土樣于2017年10月水稻收獲后采集，分0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm 3個層次，每小區(qū)4個重復，同一深度的4個重復樣品混合成一個樣品，帶回實驗室自然風干，剔除石礫及殘茬等雜物，過0.25 mm篩，用于土壤有機碳和全氮的測定。

土壤容重采用環(huán)刀法，冬小麥收獲后用體積為100 cm3的環(huán)刀，分0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm 4個土壤層次采集原狀土樣，重復3次，密封帶回實驗室，干燥稱質(zhì)量(105℃，24 h)，測定土壤容重。

土壤有機碳含量用重鉻酸鉀(K2Cr2O7)氧化外源加熱法測定，全氮含量用凱氏消煮法測定[27]。土壤碳氮比由土壤有機碳含量與全氮含量之比計算得出[28]，層化率通過由0～5 cm土層土壤有機碳含量、全碳含量或碳氮比和大于5 cm土層(5～10 cm及10～20 cm)土壤有機碳含量、全氮含量或碳氮比之比計算得出[29]。

1.4 有機碳和全氮儲量的計算

采用等質(zhì)量法[30]計算土壤有機碳和全氮儲量。等質(zhì)量土壤有機碳和全氮儲量指各層土壤有機碳和全氮儲量與增加土壤質(zhì)量中有機碳和全氮儲量之和，計算方法為

(1)

其中

Msoil,i=100 000ρb,iTi

(2)

式中i——土壤層次，i=1、2、3時，分別表示0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土壤層次

Melement——等質(zhì)量土壤有機碳或全氮儲量，kg/hm2

Mj——已確定的相等土壤質(zhì)量，即j=1、2、3時，分別為0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土層不同耕作處理土壤質(zhì)量的最大值，其相應的n分別為1、2、3

Msoil,i——各層次的土壤質(zhì)量,kg/hm2

ci——各層次土壤有機碳或全氮含量，g/kg

cextra——增加土壤質(zhì)量部分的有機碳或全氮含量，g/kg

ρb,i——各層次土壤容重，g/cm3

Ti——各層次土壤厚度[31]，m

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，用單因素方差分析(ANOVA)對不同處理的變量進行LSD顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤容重的變化

各處理0～20 cm不同土層土壤容重如圖1所示(不同的小寫字母表示同一土層不同處理間差異達顯著水平(P<0.05)，下同)。可以看出，隨著土層的加深，各處理土壤容重均不斷增大，不同處理間土壤容重有明顯差異。與CT0、CT和RT相比，MT顯著提高0～10 cm土壤容重(P<0.05)，RT、CT較CT0明顯降低了0～10 cm的土壤容重。0～5 cm土壤容重由大到小順序為MT、CT0、CT、RT，MT較CT0提高了13.18%，而RT、CT分別較CT0下降了11.15%和2.92%。5～10 cm土層各處理間呈現(xiàn)相似的規(guī)律。在10～15 cm和15～20 cm土層，RT容重顯著高于CT和CT0，由大到小依次為RT、MT、CT0、CT。各土層CT容重均低于CT0，說明機械耕作促進了秸稈與土壤的混合，降低了土壤容重。

圖1 不同耕作處理的土壤容重Fig.1 Soil bulk density with different tillage treatments

2.2 不同耕作方式下土壤有機碳和全氮含量的變化

不同耕作方式下耕層土壤(0～20 cm)有機碳和全氮含量如圖2所示，隨著土層的加深，各處理有機碳含量均呈下降趨勢。MT顯著(P<0.05)增加了0～5 cm土壤有機碳含量，分別比RT、CT和CT0提高13.08%、18.40%和30.09%；與CT0相比，RT顯著提高了5～10 cm和10～20 cm土壤有機碳含量，CT顯著提高了10～20 cm土壤有機碳含量。5～10 cm和10～20 cm MT有機碳含量與其他各處理之間的差異均不顯著。

圖2 不同耕作處理不同土層土壤有機碳和全氮質(zhì)量比Fig.2 Depth distribution of soil organic carbon and total N concentrations with different tillage treatments

0～5 cm土壤全氮含量MT分別比RT、CT和CT0提高11.93%、17.03%和31.19%，差異均達顯著水平(P<0.05)。10～20 cm土壤全氮含量CT顯著高于RT和MT，分別提高了13.35%和27.40%，同時CT0比MT高16.80%。

圖4 不同耕作方式土壤有機碳含量、全氮含量和碳氮比的層化率Fig.4 Stratification ratios of soil organic carbon concentrations, total N concentrations and C∶N ratios with different tillage treatments

2.3 不同耕作方式下土壤碳氮比的變化

各耕作處理0～20 cm不同層次土壤碳氮比為13.07～17.56(圖3)，且有隨著土層加深而降低的趨勢。0～5 cm和5～10 cm土壤碳氮比各處理間均無顯著性差異，10～20 cm各處理土壤碳氮比由大到小為MT、RT、CT、CT0，MT、RT和CT處理碳氮比分別比CT0提高28.23%、19.00%和9.97%，其中MT與CT、CT0之間，RT、CT和CT0之間差異達顯著水平(P<0.05)。

圖3 不同耕作處理不同土層土壤碳氮比Fig.3 Depth distribution of soil C∶N ratios with different tillage treatments

2.4 不同耕作方式下土壤有機碳含量、全氮含量和碳氮比層化率的變化

MT顯著提高表層0～5 cm對其他層次有機碳和全氮層化率(P<0.05)，MT有機碳和全氮層化率分別比其他處理提高13.27%～29.35%和13.91%～49.10%(圖4)。然而，MT并未提高土壤碳氮比層化率。0～5 cm土層、5～10 cm土層碳氮比層化率MT低于CT和CT0，但差異不顯著，僅RT顯著低于CT0。0～5 cm土層、10～20 cm土層碳氮比層化率以MT最低，分別比RT、CT和CT0降低6.26%、13.24%(P<0.05)和22.67%(P<0.05)。

2.5 不同耕作方式下土壤有機碳和全氮儲量的變化

MT因0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土層的土壤質(zhì)量最大，故將其作為Mj(j=1、2、3)，計算出各處理的等質(zhì)量土壤有機碳和全氮儲量(表1)。耕作方式和秸稈還田對土壤有機碳儲量影響顯著，且在不同土壤深度表現(xiàn)相似的趨勢，各處理在 0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土層土壤有機碳儲量由大到小順序為MT、RT、CT、CT0。MT有機碳儲量在各土層均高于其他處理，但隨著土壤深度加深，MT與其他處理間的差異逐漸減小，在0～5 cm土層，MT有機碳儲量顯著高于其他所有處理(P<0.05)，在0～10 cm土層，MT顯著高于CT和CT0，在0～20 cm土層，MT顯著高于CT0。隨著土壤深度的加深，各處理土壤有機碳儲量的增加量有所不同，其中0～20 cm土層以CT的增加量最大，為4.229×104kg/hm2，這與10～20 cm CT處理的有機碳含量相對較高有關。秸稈還田對有機碳儲量影響顯著，0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土層有機碳儲量CT分別比CT0提高9.88%、9.80%和14.47%。

耕作方式顯著影響土壤全氮儲量，各處理0～5 cm、0～10 cm土層全氮儲量由大到小順序為MT、

表1 不同耕作方式土壤等質(zhì)量有機碳和全氮儲量Tab.1 Soil organic carbon and total N stocks with different tillage treatments by using equivalent soil mass methods

注：6.395×105、1.31×106、2.694×106kg/hm2分別為0～5 cm、0～10 cm和0～20 cm土層的最大土壤質(zhì)量，即Mj(j=1、2、3)。表中同一行的不同小寫字母表示同一土層不同處理間的差異達顯著水平(P<0.05)。

RT、CT、CT0，但是0～20 cm土層為CT、RT、MT、CT0。在0～5 cm土層，MT全氮儲量顯著高于其他所有處理；0～10 cm土層，MT顯著高于CT和CT0；0～20 cm土層，MT低于RT和CT，但與各處理的差異均不顯著。與有機碳儲量相似，隨著土層加深，CT 0～20 cm的全氮儲量增加量最大，為4.33×103kg/hm2。秸稈還田對全氮儲量影響顯著，0～5 cm、0～10 cm、0～20 cm土層全氮儲量CT分別比CT0提高12.10%、10.92%和9.97%。

3 討論

3.1 耕作方式對土壤有機碳含量、全氮含量和碳氮比的影響

從圖2 可看出，隨著土層的加深，各處理耕層0～20 cm土壤有機碳含量均不斷下降，與已有研究相似[13,20,31]。耕作方式對有機碳在不同層次的分布有顯著影響，MT較其他處理顯著(P<0.05)增加了表層0～5 cm土壤有機碳含量，與部分已有研究結果一致[32-33]，這主要是由于MT秸稈主要覆蓋在表層，秸稈腐解后主要進入0～5 cm土壤，同時MT可以促進團聚體的形成，提高土壤容重(圖1)，降低了土壤孔隙度，有利于降低有機碳的分解而增加有機碳含量，而耕作提高了土壤的通氣性，使得有機碳更容易被分解[34]。5～10 cm和10～20 cm 有機碳含量分別以RT和CT最高，主要是因為RT和CT的耕作深度分別達到11 cm和18 cm，促使秸稈與該層次土壤的混合，與胡乃娟等[25]在稻麥輪作區(qū)的研究一致。也有研究表明，免耕可以提高0～10 cm 有機碳含量[31,35]，甚至達到80 cm[36]。與CT0相比，CT增加了0～20 cm 有機碳含量，并在10～20 cm 達顯著水平，說明秸稈還田可以顯著提高土壤有機碳含量，與部分報道一致[37-38]。然而，有研究也表明秸稈還田對土壤有機碳的固存無顯著影響，甚至導致土壤有機碳含量的降低，可能引發(fā)了啟動效應[37,39]。

較多研究認為，免耕等保護性耕作有利于提高表層土壤全氮含量，但是對于深層土壤全氮含量是否增加的看法并不一致[40]。HUANG等[41]認為免耕能夠提高0～5 cm土壤全氮含量，但是5～10 cm全氮含量則低于傳統(tǒng)耕作。本研究結果表明，MT顯著提高0～5 cm土壤全氮含量，而5～10 cm各處理全氮含量無顯著差異，10～20 cm則顯著低于其他處理，主要原因是不同耕作處理促進了不同層次秸稈與土壤的混合，提高了相應層次的氮素供給。QIU等[42]在吉林旱作農(nóng)田的研究以及XUE等[43]在雙季稻田的研究表明，不同耕作處理土壤全氮含量均隨土層加深逐漸下降。本研究中，隨著土層的加深，MT全氮含量逐漸降低，RT先上升再下降，而CT和CT0則逐漸上升，具體原因尚不明確。VIGIL等[44]研究認為，投入碳氮比較高的物料能夠增加土壤氮素固定。本試驗長期施用高碳氮比的有機肥，有利于氮素固定，可能會導致RT和CT全氮含量隨深度加深而增加。0～20 cm不同土層CT全氮含量比CT0提高9.08%～12.10%，說明秸稈還田有利于提高土壤全氮含量，與已有研究結果一致[43,45]。

本試驗土壤碳氮比相對較高，為13.07～17.56，主要因為長期施用有機肥。秸稈還田提高土壤碳氮比；除了MT 10～20 cm碳氮比高于5～10 cm，各處理碳氮比均隨著土層加深而降低，與XUE等[43]研究基本一致。本研究中0～5 cm和5～10 cm土壤碳氮比各處理間均無顯著性差異，10～20 cm各處理土壤碳氮比由大到小為MT、RT、CT，CT顯著低于MT，可能是因為CT深層土壤較高的已腐解秸稈含量降低了碳氮比[45]。

3.2 耕作方式對土壤有機碳含量、全氮含量和碳氮比層化率的影響

MT顯著提高(P<0.05)表層0～5 cm和其他層次有機碳和全氮層化率，與已有報道一致[46-47]，主要是因為MT秸稈覆蓋于土壤表面，導致表層土壤有機碳和全氮相對富集、深層土壤有機碳和全氮相對減少，從而使表層與各深層土壤有機碳和全氮層化率更大。而RT和CT秸稈在耕層空間分布更加均勻，層化率則相對較低。秸稈還田對土壤有機碳和全氮層化率的影響并不顯著，這可能是由于秸稈還田與不還田處理均為翻耕措施，土壤有機碳和全氮在耕層分布規(guī)律較為一致[40]。

CT0提高表層0～5 cm與其他層次，特別是與10～20 cm土層碳氮比層化率，MT 0～5 cm土層、10～20 cm土層碳氮比層化率顯著低于CT和CT0，主要原因是隨著耕作強度增強，土壤碳氮比隨土層加深而下降的速度越快(圖3)。然而，ZHANG等[45]則認為秸稈還田有利于增加土壤碳氮比層化率，因為秸稈還田處理秸稈輸入的碳氮比比秸稈不還田處理根系輸入的碳氮比高。

3.3 耕作方式對土壤有機碳、全氮儲量的影響

本文以MT處理土壤質(zhì)量為參考，通過等質(zhì)量法計算土壤有機碳和全氮儲量。結果表明，MT較其他處理增加了0～20 cm的有機碳儲量，與多數(shù)研究結果一致[34,48]。秸稈還田條件下，MT處理0～5 cm有機碳儲量顯著高于其他處理(P<0.05)，隨著深度加深，MT與其他處理之間的差異逐漸減小，0～10 cm碳儲量MT僅顯著高于CT，0～20 cm碳儲量MT與RT、CT之間并無顯著差異。這可能是因為MT僅顯著提高0～5 cm有機碳含量，而隨著土壤深度的增加，MT有機碳含量快速下降，而RT和CT耕層有機碳含量相對均勻。魏燕華等[31]對中國華北麥玉兩熟區(qū)研究表明，MT僅增加了表層10 cm有機碳儲量，20～30 cm及30～50 cm的土壤有機碳儲量較CT均有一定程度的下降，從整個土層(0～50 cm)來看，MT較CT未表現(xiàn)出明顯的固碳優(yōu)勢。但是XU等[48]對中國南方雙季稻田的研究卻表明，耕作措施對碳儲量的影響可以達到80 cm，二者差異可能和土地利用方式有關。從表1還可看出，各層次CT有機碳儲量均高于CT0，并且在0～10 cm和0～20 cm差異顯著(P<0.05)，說明秸稈還田增加土壤有機碳輸入，有利于提高耕層土壤有機碳儲量。

一般認為，免耕等保護性耕作有利于提高土壤氮儲量[14,49]，并且主要體現(xiàn)在上層土壤中，對深層土壤影響較小[50]。本研究結果表明，MT顯著提高0～5 cm、0～10 cm土壤氮儲量，但是由于其10～20 cm土壤全氮含量顯著低于RT和CT，導致其0～20 cm土壤氮儲量低于RT和CT。然而范如芹等[51]研究表明，免耕對氮儲量的提升效果并不明顯，并且與作物輪作方式有關。秸稈還田有效提高0～20 cm各層次土壤氮儲量，和已有報道一致[45,52]，主要因為秸稈還田可以促進氮素固定，提高土壤氮的積累[53]。

4 結論

(1)秸稈還田下，耕作方式對不同土層土壤有機碳和全氮含量影響顯著，這主要與耕作深度有關。MT、RT、CT分別提高0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土層有機碳和全氮含量。耕作方式主要影響10～20 cm土層土壤碳氮比，且耕作強度越大碳氮比越低。秸稈還田有利于提高0～20 cm土層土壤有機碳、全氮含量和碳氮比。

(2)MT顯著提高0～5 cm土層和其他各層次有機碳和全氮含量層化率，秸稈還田對土壤有機碳和全氮含量層化率影響不顯著。耕作方式顯著影響0～5 cm土層、10～20 cm土層碳氮比層化率，碳氮比層化率隨著耕作強度增加而增加。

(3)MT提高了0～20 cm土層土壤有機碳儲量和0～10 cm土層土壤全氮儲量，有利于相應層次有機碳和氮的固定積累，但是0～20 cm土層土壤氮儲量低于RT和CT。秸稈還田顯著提高0～20 cm土層有機碳和全氮儲量，具有良好的碳氮固持效應。