不同耕作方式與增施有機肥對麥田土壤有機碳庫及小麥產量的影響

張黛靜 王艷杰 陳倩青

摘要：為了解不同耕作方式與增施有機肥對麥田土壤有機碳庫及小麥產量的影響，改善土壤質量，提高小麥產量，特設置本試驗。在前6年定位試驗基礎上，以百農207為試驗材料，采用二因素區組設計，設置深耕（DTF0）、淺耕（STF0）、免耕（NTF0）、深耕有機肥（DTF1）、淺耕有機肥（STF1）和免耕有機肥（NTF1）6個處理。結果表明，0～5 cm土層，與其他處理相比，NTF1處理下土壤有機碳和土壤活性有機碳的含量較高;5～20 cm土層，STF1處理下土壤有機碳和土壤活性有機碳的含量高于其他處理;40～60 cm土層，NTF1處理下土壤有機碳和土壤活性有機碳含量均顯著高于STF1與DTF1處理（P<0.05）。就小麥產量及其構成因素而言，DTF1處理下穗粒數、千粒質量和產量均最高。

關鍵詞：耕作方式;有機肥;土壤有機碳庫;小麥產量;深耕;淺耕;免耕

中圖分類號： S512.104;S311? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）11-0128-05

土壤有機碳是評價土壤肥力的重要指標，其直接關系著土壤質量與作物生長，但土壤有機碳含量僅是其礦化分解與合成過程之間動態平衡的結果，不能十分準確地反映出土壤有機碳的質量變化和轉化速率[1-2]。Blair等研究表明，土壤活性有機碳（微生物量碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳等）能在土壤有機碳變化之前敏感地反映出土壤微弱的改變，且其與土壤生產力密切相關，被認為是評價土壤質量早期變化和土壤潛在生產力的敏感性指標[3-6]。

耕作是促進土壤有機碳庫變化的重要人為因素，其頻率和強度等直接影響土壤有機碳庫的周轉速率[7]。呂瑞珍等研究顯示，與翻耕相比，深耕與秸稈覆蓋能顯著提高0～40 cm 土層活性有機碳占總有機碳比率[8];Kahlon等認為，淺耕、免耕只能提高表層土壤有機質含量，但對深層土壤有機質含量影響不大[9];王丹丹等研究發現，與翻耕相比，免耕可以顯著提高活性有機碳的含量[10]。Lal研究發現，農田生態系統具有較強的固碳潛力，通過增施有機肥可提高固碳量，約占總固碳量的1/6[11];Liang等研究得出，與施用無機肥和不施肥相比，增施有機肥能顯著提高土壤微生物量碳和易氧化有機碳含量[12];宋震震等研究認為，增施有機肥可增加土壤易氧化有機碳含量，同時易氧化有機碳含量隨有機肥施用量的增加而增加[13]。陳歡等研究表明，適宜的施肥模式不僅可提高土壤有機碳含量，還有利于作物生長發育，進而提高作物產量[14]。

因此，耕作方式和施肥模式的改變均可影響土壤有機碳庫的變化及小麥產量的提高。小麥是我國主要糧食作物，在我國農業生產中占據著至關重要的地位[15]。豫中補灌區是河南省小麥主產區之一，如何通過改變耕作方式及施肥模式，增強土壤碳固定，改善土壤質量和提高小麥生產力，成為生產上亟待解決的問題。本研究通過大田試驗，研究不同耕作方式與增施有機肥處理，對該地區麥田土壤有機碳庫及小麥產量的影響，分析土壤有機碳庫之間的相互轉化、其含量和小麥產量的變化，探尋適合該區的耕作施肥模式，進而改善農田生態環境，提高作物生產力，為豫中補灌區冬小麥高產栽培技術的改進提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地位于河南省建安區陳曹鄉史莊村高產試驗田（113°85′E、34°03′N）。該區域主要作物種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。土壤基礎肥力（0～20 cm土層）見表1。本試驗在2010年耕作與增施有機肥定位試驗的基礎上，于2016—2017年以半冬性中晚熟品種百農207為試驗材料，采用2個因素隨機區組設計，將耕作與有機肥相結合，設置深耕（DTF0）、淺耕（STF0）、免耕（NTF0）、深耕有機肥（DTF1）、淺耕有機肥（STF1）和免耕有機肥（NTF1）6個處理，小區面積為280 m2（20 m×14 m），3次重復。

深耕（30～40 cm）和淺耕（15～25 cm）均是大型旋耕機旋耕后耙地，用播種機播種，免耕是前茬玉米收獲后不進行土壤翻耕和犁耙，用多功能播種機一次性完成機播、覆土和鎮壓等多項作業。前茬玉米秸稈粉碎后還田（還田量 8 000 kg/hm2），播前施入復合肥900 kg/hm2（折合施純N 180 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2）及有機肥料950 kg/hm2（有機質含量492.69 g/kg），整地時翻入地下，拔節期追施純N 90 kg/hm2。行距20 cm，播量為135 kg/hm2，基本苗280萬株/hm2，2016年10月10日播種，2017年6月1日收獲。

1.2 測定項目及方法

于小麥季的拔節期（2017年3月16日）、開花期（2017年4月23日）、成熟期（2017年6月1日）分別用土鉆采集 0～5、5～20、20～40、40～60 cm土層的土壤樣品，除去植株殘根和石礫等雜質后分成2份，1份放于溫室內自然風干后過0.25 mm篩，用于測定土壤有機質和土壤易氧化性碳含量，另一份鮮土時過2 mm篩，凍結在4 ℃冰箱里用于土壤微生物量碳和土壤可溶性碳含量的測定，存放時間不超過2周。

1.2.1 土壤有機碳庫的測定 土壤有機碳含量的測定采用TOC測定儀[16];土壤微生物量碳含量的測定采用三氯甲烷熏蒸浸提法[17];土壤可溶性有機碳含量的測定采用水萃取法[18];土壤易氧化性有機碳含量的測定采用高錳酸鉀氧化法[19]。

1.2.2 小麥產量及其構成因素 小麥季成熟期（2017年6月1日）人工收獲1 m2的麥穗，裝入網袋自然風干，脫粒，稱質量并計算產量;同時隨機選取30株長勢一致的小麥單莖進行考種，測定穗粒數、穗數、千粒質量、不孕小穗數和穗長。

1.3 數據處理與分析

用Excel 2010及SPSS 17.0數據處理軟件進行統計分析，采用Duncans新復極差法（SSR）進行處理間差異的顯著性檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式與增施有機肥對麥田土壤有機碳含量的影響

由圖1可知，隨著生育時期的推進，土壤有機碳含量呈現逐漸升高趨勢。各生育時期，土壤有機碳含量均隨土層的加深呈現逐漸降低的趨勢。

拔節期：0～5 cm土層，NTF1處理下土壤有機碳含量顯著高于DTF1處理（P<0.05）;5～20 cm土層，土壤有機碳含量變化范圍為16.68～24.35 g/kg;20～40 cm土層，增施有機肥處理下土壤有機碳含量大于未增施有機肥處理;40～60 cm土層，DTF1處理下土壤有機碳含量顯著高于DTF0處理（P<0.05），NTF1處理下土壤有機碳含量顯著高于NTF0處理。

開花期：0～5 cm土層，免耕處理下土壤有機碳含量顯著高于深耕處理（P<0.05）;5～20 cm土層，各處理土壤有機碳含量大小順序依次為STF1處理>NTF1處理>DTF1處理>STF0處理>DTF0處理>NTF0處理;20～40 cm土層，DTF1、STF1和NTF1處理下土壤有機碳含量均大于與之對應的DTF0、STF0和NTF0處理，且兩者間差異性均顯著（P<0.05）;40～60 cm土層，與其他處理相比，NTF1處理下土壤有機碳含量最高，為13.24 g/kg。

成熟期：0～5 cm土層，與其他處理相比，NTF1處理下土壤有機碳含量最高，為29.77 g/kg，STF1處理次之，為 26.58 g/kg;5～20 cm土層，土壤有機碳含量變化范圍為 22.11～26.67 g/kg;20～40 cm土層，就增施有機肥而言，土壤有機碳含量大小順序依次為STF1處理>DTF1處理>NTF1處理，但三者間差異不顯著;40～60 cm土層，DTF1、STF1和NTF1處理下土壤有機碳含量均大于與之對應的DTF0、STF0和NTF0處理。

2.2 不同耕作方式與增施有機肥對麥田土壤微生物量碳含量的影響

由圖2可知，各生育時期，土壤微生物量碳含量均隨土層的加深呈現逐漸降低的趨勢。

拔節期：0～5 cm土層，NTF1和NTF0處理下土壤微生物量碳含量分別為383.17、392.47 mg/kg，且NTF1和NTF0處理下土壤微生物量碳含量顯著高于其他處理（P<0.05）;5～20 cm土層，與其他處理相比，STF1處理下土壤微生物量碳含量最高，為246.28 mg/kg，STF0處理次之，為211.97 mg/kg，且兩者間差異顯著（P<0.05）;40～60 cm土層，NTF1處理下土壤微生物量碳含量比STF1、DTF1處理分別增加 34.02%、318.63%。

開花期：0～5 cm土層，與其他處理相比，DTF1處理下土壤微生物量碳含量最高，為 327.35 mg/kg;5～20 cm 土層，DTF1處理下土壤微生物量碳含量顯著高于與之對應的DTF0處理（P<0.05）;20～40 cm土層，就耕作方式而言，土壤微生物量碳含量大小順序依次為深耕處理>淺耕處理>免耕處理，且深耕處理與免耕處理之間差異顯著（P<0.05）。

成熟期：0～5 cm土層，就增施有機肥而言，土壤微生物量碳含量大小順序依次為NTF1處理>STF1處理>DTF1處理，且三者間差異顯著（P<0.05）;5～20 cm土層，STF0處理下土壤微生物量碳比DTF0、NTF0處理分別增加30.02%、4.54%;20～40 cm土層，DTF1、STF1和NTF1處理下土壤微生物量碳含量均顯著高于與之對應的DTF0、STF0和NTF0處理（P<0.05）;40～60 cm土層，與其他處理相比，NTF1處理下土壤微生物量碳含量最高，為94.22 mg/kg，DTF0處理下土壤微生物量碳含量最低，為13.27 mg/kg，且二者間差異顯著（P<0.05）。

2.3 不同耕作方式與增施有機肥對麥田土壤可溶性碳含量的影響

由圖3可知，隨著生育時期的推進，土壤可溶性碳含量整體呈先降低后升高的趨勢。開花期和成熟期土壤可溶性碳含量隨土層的加深，呈現先增后減的趨勢。

拔節期：0～5 cm土層，土壤可溶性碳含量變化范圍是118.08～181.01 mg/kg;5～20 cm土層，就耕作方式而言，NTF0處理顯著高于DTF0和STF0處理（P<0.05）;20～40 cm 土層，DTF1、STF1、NTF1處理分別比與之對應的DTF0、STF0、NTF0增加1.87%、23.71%、0.98%;40～60 cm土層，NTF1處理下土壤可溶性碳含量顯著高于其他處理（P<0.05）。

開花期：0～5 cm土層，NTF1處理下土壤可溶性碳含量顯著高于DTF1和STF1處理（P<0.05）;5～20 cm土層，DTF0、STF0和NTF0處理下土壤可溶性碳平均含量分別為 159.24、144.99、159.20 mg/kg;20～40 cm土層，STF1處理下土壤可溶性碳含量顯著高于其他處理（P<0.05）;40～60 cm土層，與其他處理相比，NTF1處理下土壤可溶性碳含量較高。

成熟期：0～5 cm土層，從增施有機肥角度來分析，各處理土壤可溶性碳含量大小順序依次為STF1處理>NTF1處 理> DTF1處理;5～20 cm土層，NTF0處理下土壤可溶性碳含量顯著高于DTF0和STF0處理（P<0.05）;20～60 cm土層，從耕作方式來分析，各處理土壤可溶性碳含量大小順序依次為免耕處理>淺耕處理>深耕處理，且三者間差異顯著（P<0.05）。

2.4 不同耕作方式與增施有機肥對麥田土壤易氧化性有機碳含量的影響

由圖4可知，隨生育時期推進，除NTF1處理外，土壤易氧化性有機碳含量整體呈先升高后降低的趨勢。各生育時期，隨土層的加深，土壤易氧化性有機碳含量整體逐漸減少。

拔節期：0～5 cm土層，NTF1處理下土壤易氧化性有機碳含量分別比DTF1、STF1處理增加47.33%、24.52%，且三者間差異顯著（P<0.05）;5～20 cm土層，增施有機肥處理，土壤易氧化性有機碳含量STF1處理顯著高于DTF1和NTF1處理（P<0.05）;20～40 cm土層，DTF1、STF1、NTF1處理下土壤易氧化性有機碳含量分別高于與之對應的DTF0、STF0、NTF0處理;40～60 cm土層，土壤易氧化性有機碳含量變化范圍為1.50～1.75 g/kg。

開花期：0～5 cm土層，與其他處理相比，NTF1處理下土壤易氧化性有機碳含量較高;5～20 cm土層，STF1處理下土壤易氧化性有機碳含量顯著高于其他處理（P<0.05）;20～40 cm土層，就耕作方式而言，免耕與淺耕、深耕處理差異顯著（P<0.05）;40～60 cm土層，增施有機肥處理下土壤易氧化性有機碳含量均大于與之對應的未增施有機肥處理。

成熟期：0～5 cm土層，就耕作方式而言，NTF0處理下土壤易氧化性有機碳含量最高，分別比STF0和DTF0處理提高 10.84%、6.73%;20～40 cm土層，STF1處理顯著高于其他處理（P<0.05）;40～60 cm土層，NTF1處理下土壤易氧化性有機碳含量顯著高于其他處理（P<0.05）。

2.5 不同耕作方式與增施有機肥對小麥產量及其構成因素的影響

由表2可知，增施有機肥處理下穗長均高于未增施有機肥處理。各處理的結實小穗數的變化范圍為17.93～19.67個。DTF0、STF0和NTF0處理下不孕小穗數分別比與之對應的DTF1、STF1和NTF1處理增加4.87%、2.33%、11.25%，但各處理間差異不顯著。不同耕作方式間，NTF0處理穗粒數高于DTF0與STF0處理。增施有機肥處理下千粒質量均高于未增施有機肥處理，且STF1與STF0處理間差異達到顯著水平（P<0.05）。就小麥產量而言，增施有機肥處理高于未增施有機肥處理;DTF1和STF1處理顯著高于NTF1處理（P<0.05），但DTF1與STF1處理之間差異不顯著。耕作方式與增施有機肥及二者交互對小麥產量的影響均達到顯著水平（P<0.05）。

3 討論與結論

土壤有機碳庫作為評價土壤肥力與土壤質量的重要指標，其在優化土壤結構、改善土壤理化性質、調節作物養分、作物產量維持與質量保證等方面有著至關重要的作用[20-21]。合理的耕作措施能夠有效提高土壤有機碳庫水平[22]。增施有機肥可直接為土壤提供有機碳源，使土壤微生物活性增加，促進土壤有機碳與養分之間的轉化，進而提高土壤有機碳的固定量[23]。

本試驗結果顯示，免耕和增施有機肥有利于土壤有機碳和土壤活性碳含量的提高。0～5 cm土層和40～60 cm土層，與其他處理相比，NTF1處理能較好地提高土壤有機碳、土壤微生物有機碳、土壤可溶性碳、土壤易氧化性碳的含量，究其原因可能是一方面免耕減少了土壤擾動，且秸稈覆蓋表層，有利于表層土壤有機碳和土壤活性有機碳的積累，而DTF1和STF1處理引起深層農田土壤結構遭到破壞，使不同深度的土壤暴露在空氣中，土壤通透性增加，提高了微生物活性，加速了土壤有機碳的氧化;另一方面，增施有機肥為土壤微生物提供了充足的碳源，微生物大量繁殖，形成優勢群體，提高了土壤微生物活性，能加速對土壤有機碳的轉化。王碧勝等研究認為，免耕處理下表層土壤有機碳含量較傳統耕作處理雖有所提高，但兩者間差異不顯著[24]，這與本試驗結果一致;Chen等認為可能是免耕沒有擾動土壤，土壤中微生物的保護性物質釋放減慢，土壤有機質的氧化和礦化緩解[25];楊景成等研究認為，免耕對土壤擾動較少，減少了深層土壤接觸空氣的機會，減弱了土壤原有有機質的礦化與氧化，且田間殘留的秸稈等有機物的降解也使土壤中有機碳數量增多，而深耕處理將新土壤暴露于土壤表面，使土壤的通氣性及水分等狀況發生變化，引起有機碳累積條件發生了改變，從而使有機碳的轉化加快[26]。本試驗中，增施有機肥處理下土壤有機碳和土壤活性碳含量均高于與之對應的未增施有機肥處理，這與張貴龍等的研究結果[27]一致。張瑞等研究表明，短期施肥能使土壤活性有機碳含量增加，這可能是增施有機肥可增加作物生物量和根際分泌物，使得微生物活動及其降解活動加速，于短期內生成高濃度水溶性有機物，增加土壤溶解性有機碳含量[28]。史康婕等研究認為，高量有機、無機肥配施或增施高量有機肥可極顯著提高土壤有機碳含量和易氧化有機碳含量，有利于有機碳的固存[29]。

與其他處理相比，DTF1處理下穗粒數、千粒質量和產量均最高，這可能是因為深耕將上層土壤翻入下層，優化土壤結構，為小麥根系吸收養分、水分以及微生物的呼吸創造了良好的條件;且增施有機肥使得土壤微生物活性提高，進而提高小麥產量。梁金鳳等研究顯示，深耕能打破犁底層，改善土壤結構，促進根系向下生長，從而擴大營養吸收范圍，使得穗粒數、千粒質量增加，最終增產效果明顯[30]。本試驗顯示，增施有機肥處理下小麥產量及其構成因素均高于與之對應的未增施有機肥處理，這可能是有機肥能改良土壤中速效養分的狀況，使得土壤的根系分泌物與有機殘體數量增加，進而促進作物根系和地上部生長，這與Kong等的研究結果[31]一致。Li等認為可能是多年有機肥料的添加，大大提高了土壤質量，進一步提高了養分利用率，提升作物產量[32]。

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