秸稈帶狀覆蓋對土壤有機碳及其活性組分的影響

吳海梅，周彥莉，鄭浩飛，李亞偉，馬建濤，夏博文，王鳳仁，尚旭民，張旭輝，路建龍，逄蕾

(1.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業大學植物生產類實驗教學中心，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅農業大學財經學院，甘肅 蘭州 730070;5.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤有機碳庫是維持土壤生態系統碳平衡、穩定、健康與可持續的關鍵因素，受人類活動干擾的農田土壤碳庫是土壤有機碳庫的核心組成，因其被頻繁干擾，農田土壤碳庫活性組分處于動態變化中。土壤有機碳主要存在于土壤微生物體、動植物殘體及被微生物分解和合成的所有含碳的有機物質之中，易受土壤微生物的數量和活性以及土壤理化性質的影響。土壤有機碳是土壤養分的重要組成部分，影響土壤理化性狀，在土壤肥力和植物營養中也發揮著重要作用。土壤有機碳的數量是不同形態碳分解和合成的平衡結果，不能靈敏地反映土壤有機碳轉化速率和質量變化[1]。可溶性有機碳、土壤微生物量碳和易氧化態碳等土壤中的活性碳組分雖然在有機碳中所占的比例較小，但可以靈敏地反映不同農業管理措施如秸稈覆蓋和耕作方式等對土壤有機碳轉化速率和質量的影響，因此活性碳組分常被用作評價不同管理措施下土壤質量的一個重要指標[2]。研究土壤有機碳和活性組分的變化，有利于揭示農業措施對土壤有機碳的影響機制[3]。

在干旱區、半濕潤半干旱區和半干旱區，秸稈覆蓋措施因其良好的增產，保持土壤水分作用而得到了廣泛的應用[4]，秸稈覆蓋對土壤碳庫的影響也頗受關注。崔鳳娟等[5]研究表明，秸稈覆蓋較傳統耕作處理顯著提高土壤總有機碳、可溶性有機碳、微生物量有機碳、易氧化態有機碳的含量及土壤碳庫各項指數。崔志強等[6]研究表明，長期秸稈覆蓋增加了土壤有機碳及其有機碳組分的含量，而地膜覆蓋使表層土壤活性有機碳含量顯著增加，深層活性有機碳含量變化不顯著。蔡太義等[7]研究表明，隨著秸稈覆蓋年限的延長，土壤有機碳含量呈增加的趨勢。秸稈覆蓋由于增加了土壤外源有機質的投入，影響土壤有機碳活性和穩定性，改變了土壤有機碳和活性碳組分的組成與存在方式[8-9]。前期關于秸稈覆蓋對有機碳影響的研究多集中在對表層土壤的研究[10]，近幾年，研究者發現深層土壤(>20 cm)碳儲量豐富，比表層土壤碳更加穩定，研究農田生態系統深層有機碳的形成和穩定有重要意義[11-12]。

玉米秸稈帶狀覆蓋栽培技術，是一種利用玉米秸稈整稈進行田間局部覆蓋、抗旱保墑的作物種植技術，即“種植帶不覆蓋秸稈，覆蓋帶不種植作物”，由此分為秸稈覆蓋帶和種植帶，兩帶相間排列，播種帶寬度不超過兩帶總寬度的50%，播種帶種植密度增加，總播種量不變。這項技術可大幅度提升旱地小麥和馬鈴薯產量。在小麥上，該技術較無覆蓋露地平作栽培平均增產44.4%，小麥產量與地膜覆蓋產量接近[13-14]；在馬鈴薯上，較目前甘肅省主推的黑膜雙壟溝全膜覆蓋技術增產13.1%，商品馬鈴薯率提高14.7%～18.5%，田間病害也較黑膜覆蓋和露地栽培明顯減輕[15]。目前關于該技術的研究主要集中在秸稈帶狀覆蓋對作物產量[16-17]、土壤水分[18-19]和土壤溫度[19-20]的影響方面，本試驗著重開展秸稈帶狀覆蓋對土壤有機碳含量和活性碳組分影響的研究，研究結果可充實西北旱地秸稈帶狀覆蓋土壤碳質量的理論研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗布設在甘肅省定西市通渭縣平襄鎮甘肅農業大學旱作試驗基地(35°11′N～105°19′E)，該地屬中溫帶半干旱氣候，海拔1 750 m，年均氣溫7.2℃，年日照時數2 100～2 430 h，無霜期120～170 d，多年平均降水量339.7 mm。試驗地土壤類型為黃綿土，0～200 cm土層土壤平均容重為1.25 g·cm-3，土壤速效氮含量為5.5 g·kg-1，速效磷含量為10.6 mg·kg-1，速效鉀含量為107.6 mg·kg-1[21]。

1.2 試驗設計

試驗于2017—2020年進行。設3個處理，分別為玉米整稈帶狀覆蓋(TSM)、黑膜雙壟溝全膜覆蓋(TPM)和傳統露地平作(TNM)，其中TPM和TNM為對照處理。每個處理設3次重復，共9個小區，完全隨機區組排列。小區面積60 m2(10 m×6 m)。TSM：在播種后將玉米整稈覆蓋于作物行間，種植帶70 cm,覆蓋帶50 cm，覆蓋帶和種植帶相間排列，在種植帶上播種作物，在覆蓋帶上均勻覆蓋玉米秸稈整稈，覆蓋量9 000 kg·hm-2。TPM：在播種前使用聚乙烯黑色塑料地膜(幅寬1.2 m，厚度0.01 mm)進行全膜雙壟溝覆蓋。TNM：傳統不覆蓋露地平作[19]。2017—2020年種植作物為玉米-春小麥-冬小麥-馬鈴薯。

1.3 樣品采集與分析

分別在2019年7月10日和2020年10月1日作物成熟期用直徑為5 cm的土鉆按5點取樣法隨機鉆取5個層次的土壤樣品，取樣深度為0～20、20～40、40～60、60～90 cm和90～120 cm。樣品等層混合均勻后分成兩份，一份揀去植物根系、碎屑等雜物，過2 mm土壤篩，儲藏于4℃冰箱中用于測定土壤微生物量碳(MBC)和土壤可溶性有機碳(DOC)；另一份風干后過0.25 mm篩，用于測定土壤總有機碳(TOC)和易氧化態碳(EOC)。土壤TOC采用重鉻酸鉀外加熱法測定[22]；DOC采用去離子水浸提法[23]。具體操作過程為，稱取15 g過2 mm篩的新鮮土壤于50 mL離心管中，加入30 mL超純水，于250 r·min-1速度振蕩30 min后，在離心機上以4 000 r·min-1離心30 min，取上清液過0.45 μm濾膜，使用總有機碳分析儀(METASH TOC-2000)進行測定。MBC采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[23]；EOC采用高錳酸鉀氧化法測定[24]。

1.4 數據處理

用Excel 2019和Origin 2018進行數據處理和繪圖，SPSS 22.0對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈帶狀覆蓋對土壤總有機碳(TOC)含量的影響

由圖1可知，2019、2020年在0～20 cm土層TSM較其他處理TOC含量差異顯著(P<0.05)，TSM>TNM>TPM，表明TSM相較于TNM和TPM顯著提高了土壤TOC含量，2019年分別提高11.12%和16.12%，2020年分別提高5.35%和17.78%。說明TSM處理有利于有機碳的積累，但處理TPM有機碳含量低于TNM，這可能是地膜增溫保水加速了有機質礦化。

隨土壤剖面深度增加，各處理TOC含量降低，以40 cm土層為拐點，在0～40 cm范圍內，各處理土壤TOC含量迅速降低，且2019年TSM和TNM處理達到極顯著水平(P<0.01)，TPM處理達到顯著水平(P<0.05)，2020年各處理均達到極顯著水平(P<0.01)。

注：括號內不同小寫字母表示同一處理不同土壤剖面深度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一處理不同土壤剖面深度間差異極顯著(P<0.01)；括號外不同小寫字母表示同一土壤剖面深度不同處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一土壤剖面深度不同處理間差異極顯著(P<0.01),下同。Note:Lowercase letters in parentheses indicate significant differences in depth of different soil profiles with the same treatment (P<0.05)and the uppercase letters indicate significant differences with different soil profiles with the same treatment (P<0.01).The lowercase letters outside the brackets indicate significant differences between treatments with the same soil profile depth (P<0.05)and the uppercase letters indicate significant differences between treatments with the same soil profile depth (P<0.01),the same below.圖1 不同處理下不同土壤剖面深度土壤總有機碳(TOC)含量分析Fig.1 Analysis of total organic carbon (TOC)contents in different soil profile depths of different treatments

2.2 秸稈帶狀覆蓋對土壤活性碳組分及土壤質量的影響

2.2.1 土壤可溶性有機碳(DOC)及可溶性有機碳分配比率(DOC/TOC) 由表1可知，秸稈帶狀覆蓋后提高了各土層DOC含量。在0～20 cm土層，2019年各處理DOC含量差異顯著(P<0.05)，TSM>TNM>TPM，TSM相較于TNM和TPM分別提高了29.56%和68.71%，2020年各處理DOC含量差異極顯著(P<0.01)，TSM>TNM>TPM，TSM相較于TNM和TPM提高了32.73%和66.70%。2019、2020年在20～40 cm土層DOC含量表現為TSM>TPM>TNM，TSM和TPM間差異不顯著，TSM顯著高于TNM(P<0.01)，兩年分別提高了14.24%和8.18%。40～60、60～90 cm和90～120 cm土層土壤剖面各處理DOC含量變化趨于穩定。

表1 不同處理下不同土壤剖面深度可溶性有機碳(DOC)含量及分配比率(DOC/TOC)Table1 Analysis of dissolved organic carbon content and distribution ratio in different depth profile depths of different treatments

2019、2020年測定的結果趨勢相同，在0～40 cm土層，各處理土壤DOC含量迅速降低，40～120 cm土層DOC含量趨于穩定。2019年TSM、TNM和TPM在0～120 cm土層的變異系數分別為42.52%、34.28%和24.22%，2020年分別為42.95%、27.87%和13.85%，說明TSM處理下DOC含量隨土層變化幅度最大。

DOC/TOC在0～20 cm土壤剖面2019、2020年均表現為TSM高于其他處理，40～120 cm各處理間差異不大。表明DOC主要集中在淺層，TSM相較無覆蓋和地膜覆蓋提高了表層DOC/TOC。

2.2.2 土壤微生物量碳(MBC)及微生物量碳分配比率(MBC/TOC) 由表2可知，2019、2020年MBC含量在0～120 cm各土壤剖面均表現為TSM顯著高于其他處理。2019年MBC含量在0～20 cm土層和2020年40～60 cm土層達到顯著水平(P<0.05)，其余土層TSM均達到極顯著水平(P<0.01)。2019、2020年MBC含量TSM較TNM在各土壤剖面分別提高38.76%、91.07%、108.63%、150.36%、129.58%、10.92%、11.57%、4.81%、7.50%和17.27%，TSM較TPM各土壤剖面分別提高19.81%、22.20%、44.30%、32.11%、41.63%、13.83%、20.77%、23.78%、20.45%和17.92%。

表2 不同處理下不同土壤剖面深度微生物量碳(MBC)含量及分配比率(MBC/TOC)Table 2 Analysis of microbial biomass carbon content and distribution ratio in different soil profile depths of different treatments

在0～60 cm土層MBC含量變化幅度較大，60～120 cm變化較小。2019年MBC含量TPM>TNM主要是氣溫和降雨對微生物的影響較大，2019年較2020年試驗區溫度高，降雨少，地膜覆蓋發揮了增溫保水的作用。

2019、2020年MBC/TOC變化趨勢相似，2019年在0～20 cm和40～120 cm土層TSM處理的MBC/TOC高于其他處理，TSM顯著高于TNM(P<0.05)。2020年0～120 cm各土層TSM高于TNM，20～120 cm土層TSM顯著高于TPM(P<0.05)，說明在各土壤剖面TSM相較TNM和TPM可提高土壤MBC的分配比率。

2.2.3 土壤易氧化態有機碳(EOC)及易氧化態有機碳分配比率(EOC/TOC) 由表3可知，2019、2020年TSM極顯著提高了0～20 cm土層EOC含量(P<0.01)，2019年TSM較TNM和TPM分別提高了121.05%和94.44%，2020年TSM較TNM和TPM分別提高了27.54%和122.78%。2019年EOC含量在20～40 cm土層TSM顯著高于TNM和TPM，分別高出145.71%和196.55%(P<0.05)；2020年EOC含量在20～40 cm土層TSM較TPM提高了42.65%(P<0.01)。2019年TSM顯著提高了40～60 cm土層EOC含量，較TNM和TPM分別高出270%和208.33%，2020年TSM極顯著提高了40～60 cm土壤剖面深度EOC含量，較TNM和TPM分別高出93.10%和43.59%。2019、2020年均表現出60～90 cm土層土壤EOC含量無顯著差異(P<0.05)，表明TSM對深層土壤EOC含量無顯著影響。

表3 不同處理下不同土壤剖面深度易氧化態有機碳含量及分配比率Table 3 Analysis of easily oxidizable carbon content and distribution ratio in different depth profile depths of different treatment

處理TSM、TNM和TPM土壤EOC含量隨土壤剖面深度增加極顯著降低(P<0.01)，TSM處理60 cm土層以下趨于穩定，TNM和TPM40 cm土層以下趨于穩定。2019年在0～20、20～40、40～60、60～90 cm和90～120 cm土壤剖面TSM處理土壤EOC含量分別為2.1、0.86、0.37、0.19 g·kg-1和0.12 g·kg-1，最大值與最小值相差17.50倍，變異系數達112.5%；2020年在0～20、20～40、40～60、60～90 cm和90～120 cm土壤剖面EOC含量分別為1.76、0.97、0.56、0.27 g·kg-1和0.18 g·kg-1，最大值和最小值相差9.78倍，變異系數達86.12%，說明EOC隨土層加深變化幅度較大，更靈敏。

EOC/TOC的變化范圍在2.97%～28.97%，2019年EOC/TOC在0～40 cm土層處理TSM極顯著高于TNM和TPM(P<0.01)，2019、2020年0～60 cm土壤剖面深度EOC/TOC均表現出TSM大于其他處理；表明TSM提高了0～60 cm土層土壤剖面深度易氧化態有機碳的分配比率，且EOC的分配比率較大。

2.3 土壤有機碳和活性有機碳組分的相關性分析

將2019、2020年土壤有機碳和各碳組分的平均值進行相關性分析(表4)，土壤TOC與DOC、MBC、EOC和EOC/TOC之間呈極顯著正相關關系，TOC與DOC/TOC、MBC/TOC之間呈極顯著負相關關系。DOC與MBC、EOC和EOC/TOC之間呈極顯著正相關關系，DOC與MBC/TOC之間呈極顯著負相關關系。DOC/TOC與MBC/TOC之間呈極顯著正相關關系，DOC/TOC與MBC、EOC和EOC/TOC之間呈極顯著負相關關系。MBC與EOC/TOC之間是正相關關系，但未達顯著水平。MBC/TOC與EOC之間呈極顯著負相關關系。EOC與EOC/TOC之間呈極顯著正相關關系。

表4 各指標相關性分析Table 4 Correlation of indicators

3 討 論

3.1 秸稈帶狀覆蓋對土壤有機碳及活性碳組分的影響

在本研究中，秸稈帶狀覆蓋處理相較其他處理提高了有機碳和各碳組分含量。外源玉米秸稈覆蓋增加了土壤有機質的輸入[5]，可為微生物提供充足的碳源，促進微生物生長、繁殖，提高土壤微生物活性，而微生物分解的有機物質以及秸稈腐解物是有機碳和碳組分的主要來源[25]。可溶性有機碳含量增加與土壤生物生理分泌、秸稈分解和微生物死亡等過程有關，秸稈帶狀覆蓋處理提高土壤可溶性有機碳含量可能與秸稈分解和作物成熟期微生物死亡有關；土壤微生物量有機碳含量增加是因為秸稈帶狀覆蓋不僅提供了有機物還具有增溫保水和穩定土壤溫度的作用，給土壤微生物提供了相對適宜的活動場所，增加了微生物的數量[5]。黑膜雙壟溝覆蓋處理降低了有機碳和各碳組分含量可能是地膜的增溫保水作用加速了土壤有機質的礦化[26-28]，也可能是地膜覆蓋后減少了雨水對土壤的直接擊打，使得土壤變沉實，微生物活性降低[29]，再者地膜阻礙了殘枝落葉凋零后回歸農田土壤。秸稈帶狀覆蓋處理可以增加淺層土壤總有機碳和各碳組分含量[26,30]，是因為秸稈帶狀覆蓋后不僅增加了有機物質輸入，也可能是秸稈帶狀覆蓋后,土壤表層受人類活動的干擾減少，再者土壤表層的溫度低于無覆蓋對照和地膜覆蓋且較為穩定，減少了土壤表層有機碳被風蝕和氧化，因此表層土壤總有機碳含量、可溶性有機碳含量、微生物量有機碳含量和易氧化態有機碳含量增加，出現了有機碳和碳組分的表聚現象，這與前人[31-32]得到的結果一致。隨土壤剖面深度增加土壤有機碳和各碳組分含量降低，且在40 cm以下土壤有機碳含量和各碳組分含量逐漸趨于穩定。在0～40 cm各土壤剖面秸稈帶狀覆蓋處理高于其他處理是因為枯枝落葉凋零后都在地表，以及植物殘根大部分也在土壤表層，所以在表層土壤所積累的有機碳和碳組分含量較高，土壤剖面深度增加，微生物分布減少，因此有機碳循環速度較低，使得有機碳和碳組分在深層土壤中較穩定[33]。

3.2 秸稈帶狀覆蓋對土壤有機碳質量和碳組分相關性的影響

土壤中活性碳組分分配比率在一定程度上反映了土壤有機碳的質量和穩定程度。土壤水溶性有機碳在總有機碳中的分配比主要反映土壤有機碳的穩定性及損失情況[34]，分配比越高，土壤有機碳的活性越大，穩定性也越差。微生物量有機碳分配比率可反映活性有機碳庫的周轉速率[35]；易氧化態有機碳分配比可反映土壤有機碳的活性強度，分配比值越大說明土壤有機碳的活性越強，被分解礦化的潛力越大[35]；本研究表明，處理和土壤剖面深度均影響土壤活性碳組分分配比率，改變了土壤質量。秸稈帶狀覆蓋處理相較黑膜雙壟溝覆蓋處理和無覆蓋處理提高了0～20 cm 土層可溶性有機碳的分配比率，而在20～40 cm土層可溶性有機碳的分配比率變化幅度不大，說明0～20 cm土層秸稈帶狀覆蓋處理下土壤有機碳流失的快，20～120 cm土層各處理土壤有機碳相對較穩定；2019、2020年各土層微生物量有機碳分配比率秸稈帶狀覆蓋高于無覆蓋對照說明秸稈帶狀覆蓋處理提高了各土層的活性有機碳庫的周轉速率；2019、2020年秸稈帶狀覆蓋處理提高了0～60 cm土層易氧化態有機碳的分配比率，說明秸稈帶狀覆蓋處理提高了0～60 cm土層土壤有機碳的活性強度。相比較可溶性有機碳分配比率和微生物量有機碳分配比率，易氧化態有機碳的分配比率更大且易氧化態有機碳的分配比率與總有機碳含量呈極顯著正相關關系，說明易氧化態有機碳含量的變化規律更接近于總有機碳含量的變化規律，易氧化態有機碳可以更靈敏地反應不同土壤剖面深度總有機碳的變化。但是從土壤固碳的角度看，黑膜雙壟溝覆蓋處理降低了20～90 cm土層土壤剖面的微生物量有機碳分配比率、0～40 cm各土壤剖面的易氧化態有機碳的分配比率和0～20 cm土壤剖面的可溶性有機碳分配比率，土壤中活性碳組分分配比率數值小則增加了土壤有機碳的穩定性，有利于碳的儲存[36]。

4 結 論

1)秸稈帶狀覆蓋處理比黑膜雙壟溝覆蓋處理和無覆蓋對照顯著提高了0～20 cm土層土壤有機碳含量；隨土層加深秸稈帶狀覆蓋、黑膜雙壟溝覆蓋和無覆蓋對照總有機碳含量均迅速下降，40～120 cm土層趨于穩定。

2)秸稈帶狀覆蓋處理比無覆蓋對照和黑膜雙壟溝覆蓋處理提高了0～20 cm土層可溶性有機碳含量、0～120 cm土層土壤微生物量有機碳含量和0～40 cm土層易氧化態有機碳含量。

3)土壤可溶性有機碳的分配比率、微生物量有機碳的分配比率和易氧化態有機碳的分配比率在不同處理和不同土壤剖面深度下差異較大。秸稈帶狀覆蓋提高了0～20 cm土壤剖面深度可溶性有機碳的分配比率、微生物量有機碳的分配比率和易氧化態有機碳的分配比率。土壤總有機碳含量與土壤可溶性有機碳含量、微生物量有機碳含量、易氧化態有機碳含量和易氧化態有機碳分配比率之間是極顯著正相關關系，土壤總有機碳含量與土壤可溶性有機碳分配比率、微生物量有機碳分配比率之間是極顯著負相關關系，因此在該地區土壤易氧化態有機碳相較于土壤可溶性有機碳和土壤微生物量有機碳可以更靈敏地反應土壤總有機碳的變化。