耕作措施對旱農區農田土壤質量與碳排放的影響

沈吉成，趙彩霞，劉瑞娟，葉發慧，李亞鑫，李玲玲，陳文杰*

［1.省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室（甘肅農業大學），甘肅 蘭州 730070；2.中國科學院高原生物適應與進化重點實驗室，中國科學院西北高原生物研究所，中國科學院種子創新研究院，青海 西寧 810008；3.青海省作物分子育種重點實驗室，青海 西寧 810008］

農田土壤碳儲量占陸地土壤碳儲量的8%～10%，是全球碳庫中最活躍的部分。在自然因素和人類農業活動的雙重作用下，農田碳庫的數量和質量變化頻繁，這種頻繁的變化不僅改變了土壤的肥力水平，而且影響了大氣中的CO2濃度，這對氣候變化有著直接的影響［1-2］。不當的農田管理措施極易導致土壤由碳匯向碳源轉變［3］，降低土壤質量。相關研究表明［4］，長期對土壤進行耕作會使農田土壤和大氣之間的碳循環平衡遭到嚴重破壞，導致土壤中的SOC以CO2的形式釋放到大氣中，從而加劇了溫室氣體的排放。研究表明農田土壤有機碳庫長期處于缺乏狀態，導致有機碳含量逐漸下降，并向大氣中不斷釋放CO2，形成大氣CO2的排放源［5］。免耕可以增加農田土壤SOC含量，提高土壤對有機碳的截留能力，土壤有機碳的累積可以顯著降低土壤碳排放速率［6］。因此，隨著全球范圍內對溫室氣體減排和糧食安全的重視，通過適宜的農田管理措施，減少土壤碳排放、增加土壤碳固存、提高土壤質量顯得十分必要。隴中旱農區是旱作農業的典型代表區域，該區水土流失嚴重，有限水資源利用效率低下，是導致土地生產力水平低下和限制農業可持續發展的主要因素［7-8］。該區除了溝壑縱橫、黃綿土抗蝕能力差等自然原因以外，傳統耕作中多次的翻耕耙耱使雨水入滲減少，休閑期地表裸露導致蒸發強烈，是造成水土流失嚴重、有限降水利用效率低下的主要人為原因。研究表明，應用適宜的保護性耕作技術不僅可以減輕水土流失，還能提高作物產量和水分利用效率［9-13］。

因此，隴中旱農區自2001年引入保護性耕作技術，通過長期不同耕作和秸稈管理措施的對比篩選研究，發現免耕秸稈覆蓋技術能夠減輕水土流失［14］、持續提高作物產量和水分利用效率［15-17］，并從土壤結構［18］、農田耗水特征［16］、土壤質量等方面探明了其高產、高水效的基本機理［19-22］，但對不同耕作措施影響下的土壤質量及碳排放特征研究相對較少。因此，本研究擬借助2001年在隴中旱農區建立的不同耕作措施長期定位試驗，研究耕作措施對黃綿土土壤碳排放、土壤質量的影響，篩選有利于提高土壤質量、減少碳排放的耕作措施，以期為氣候背景下該地區土地生產力水平的持續提高提供理論和技術依據。

1 研究地區與方法

1.1 試驗區概況

本研究于2018年在位于甘肅省定西市李家堡鎮的甘肅農業大學旱作農業綜合實驗站進行，所依托田間定位試驗始于2001年。該區屬中溫帶半干旱偏旱區，太陽輻射量為592.9 kJ·cm-2，多年平均日照時數2477 h；年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫2934℃，≥10℃積溫2239℃，年均無霜期140 d；多年平均降水量391 mm，年蒸發量1531 mm，為典型的一年一熟雨養農業區。試驗區土壤為典型黃綿土，土層深厚，土質較綿軟，質地較均勻，貯水性能良好，土壤主要理化性質見表1。2018年降水量分布如圖1所示（豌豆生育期降水量為281.05 mm）。

圖1 試驗地作物生長季月降水量分布

表1 試驗地土壤主要理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用小麥和豌豆雙序列輪作方式（豌豆-小麥、小麥-豌豆）。各序列分別設4個處理（表2），3次重復，小區面積80 m2（4 m×20 m），兩因素隨機區組排列。

表2 試驗處理及代碼

豌豆播量100 kg·hm-2。行距24 cm，播深7 cm。于4月上旬播種，7月中下旬收獲。豌豆各處理均施N 20 kg·hm-2、P2O5105 kg·hm-2，播種時作基肥混施。試驗豌豆品種為“綠農2號”。

1.3 樣品采集與分析

理化指標土樣采集：采集豌豆耕層土壤（0～10、10～30 cm），每個處理小區多點取樣充分混勻，每份土樣分為2份，在常溫下保存于密封袋，帶回實驗室進行相關指標的測定。

微生物土樣采集：土壤樣品采集于2018年6月豌豆田非根際土，對角線五點法采集每個小區0～10、10～30 cm土層土樣，分層混勻后除去根系等雜物，各小區各層次土樣（共24個土樣）在田間立刻存入干冰箱帶回實驗室-80℃保存，用于分析土壤微生物群落結構。土壤微生物DNA提取采用美國（Mobio Power Soil DNA Isolation Kit）強力土壤DNA提取試劑盒，按照試劑盒說明書進行，用0.7%瓊脂糖凝膠電泳對土壤DNA的完整性進行檢測。

土壤細菌16S rRNA基因V4～V5可變區PCR擴增以提取的土壤微生物DNA為模板，515F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′）和806（5′-GGAC TACHVGGGTWTCTAAT-3′）為引物，PCR擴增細菌16S rRNA基因序列的V4～V5區。PCR 擴增程序：95℃ 5 min，95℃ 1 min，55℃ 1 min，72℃ 30 s，15個循環；72℃延伸 7 min。PCR產物經1.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測后，對16S rRNA基因序列V4～V5區通過Illumina Hiseq平臺進行Paired-end測序；土壤真 菌 引 物ITS3F（5′-GCATCGATGAAGAACGCAGC-3′）和ITS4（5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC -3′）擴增ITS2片段。PCR反應程序為：95℃ 5 min，95℃30 s，53℃ 30 s，72℃ 1 min共35個循環；72℃ 7 min，4℃保存。PCR產物用1%瓊脂凝膠電泳檢測，所得產物經PCR產物純化試劑盒進行回收，測序。

1.4 主要計算方法

1.4.1 土壤碳排放量的計算

根據豌豆生育期的天數，依據每次測定的土壤呼吸速率，換算成整個生育期的土壤碳排放量CE（C kg·hm-2）。

其中，R為作物生長季土壤呼吸速率，單位為μmol·m-2·s-1，i+1和i是 前 后 兩 次 的 采 樣 時間，t為播種后的天數。0.1584是將CO2μmol·m-2·s-1轉化為CO2g·m-2·h-1，0.2727是將CO2g·m-2·h-1轉化為C g·m-2·h-1，24和10是將碳排放單位由C g·m-2·h-1轉化為C kg·hm-2。

1.4.2 土壤碳平衡計算

用NEP（Net Ecosystem Productivity）表示農田生態系統碳平衡，NPP（Net Primary Productivity）表示凈初級生產力，Rm表示農田土壤微生物異氧呼吸碳釋放量。CE（Carbon Emission）表示作物生育期農田土壤碳排放量，NEP為正值時表示該系統是碳匯，反之為碳源。

NPP（C kg·hm-2）表示豌豆地上部與根總生物量的碳含量。其中豌豆根生物量主要通過作物收獲后籽粒產量估算。

根生物量=籽粒產量×58%［26］

1.4.3 作物碳排放效率

其中，Y為作物籽粒產量，CE為土壤碳排放量，CEE為作物每釋放一千克碳所產生的產量的千克數，單位為kg·kg-1。

1.5 數據處理與分析

采用QIIME和Mothur［27-28］計算土壤微生物群落豐度指數（Observed指數和Chao指數）和多樣性指數（Shannon指數和Simpson指數），測序深度用Good-coverage指數表示，本研究中豌豆田微生物群落結構的測序深度均在99.99%。采用SPSS 19.0對數據進行統計分析，數據方差分析及顯著性檢驗使用Duncan新復極差法（SSR）（P＜0.05）。土壤微生物總DNA的提取、測序委托南京集思慧遠生物科技有限公司完成。

2 結果與分析

2.1 耕作措施對土壤質量的影響

2.1.1 耕作措施對土壤物理性質的影響

不同耕作措施對0～30 cm土層土壤容重、孔隙度的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著土層深度的增加土壤容重逐漸增大。各處理下0～30 cm土層土壤容重變化為T＞NT＞TS＞NTS。較T處理，NTS處理對降低0～30 cm土層土壤容重效果最明顯，分別為8.54%、6.47%、5.44%，且NTS與T處理差異顯著；各處理下土壤孔隙度變化為NTS＞TS＞NT＞T。同樣較T處理，NTS處理可以顯著提高各土層土壤孔隙度，分別為7.27%、5.73%、5.47%，且NTS與T處理差異顯著。綜上，采用免耕秸稈覆蓋（NTS）可以顯著降低0～30 cm土層土壤容重，提高土壤孔隙度。

圖2 耕作措施對土壤0～30 cm土層土壤容重、孔隙度的影響

如表3所示，豌豆生育期內各處理下農田土壤0～10 cm土層含水率變化為NTS＞TS＞T＞NT。較T處理，NTS處理可以顯著提高0～5 cm土層土壤含水率達8.16%，5～10 cm土層提高11.24%；不同處理下10～30 cm土層土壤含水率變化趨勢為T＞TS＞NTS＞NT，NTS、NT、TS處理下土壤含水率均降低。綜上，采取免耕秸稈覆蓋（NTS）可以顯著提高0～10 cm土層土壤含水率。

表3 不同耕作措施下0～30 cm土層土壤含水率變化（%）

2.1.2 耕作措施對土壤化學性質的影響

表4為不同耕作措施下豌豆田0～30 cm土層土壤化學性質的變化。由表4可知，NT處理下0～10 cm土層土壤pH最低；10～30 cm土層T處理下pH最低，各處理間差異不顯著。

土壤0～10 cm土層有機碳含量高于10～30 cm土層。0～10 cm土層，較T處理，NTS處理可顯著提高有機碳含量達49.17%；10～30 cm土層TS處理下有機碳含量最高，較T處理顯著提高4.20%。因此采用以秸稈還田（NTS、TS）為主的保護性耕作措施可以顯著提高0～30 cm土層土壤有機碳含量。

各處理下0～30 cm土層土壤全氮含量如表4所示。由表4可知，0～10 cm土層NT處理下全氮含量最高，且較T處理顯著提高28.33%；10～30 cm土層，較T處理，TS處理顯著提高全氮含量為13.79%。綜上可知，采取免耕（NT）、免耕秸稈覆蓋（NTS）的保護性耕作措施對提高0～30 cm土層全氮含量作用最明顯。

耕作措施對土壤0～30 cm土層全磷含量的影響如表4所示。由表4可知，各處理下土壤0～10 cm土層全磷含量變化為NT＞NTS＞TS＞T，較T處理，NT處理可顯著提高全磷含量為1.14倍；土壤10～30 cm土層以TS處理下全磷含量最高。采用保護性耕作能不同程度提高土壤全磷含量，其中以免耕秸桿不覆蓋（NT）、傳統耕作秸桿覆蓋（TS）處理效果最顯著。

表4 不同耕作措施下0～30 cm土層土壤化學性質

2.1.3 耕作措施對土壤生物學性質的影響

如表5所示，耕作措施對0～30 cm土層土壤微生物OTU數量的影響。不同處理下0～10 cm土層土壤細菌OTU數量變化趨勢為NTS＞NT＞TS＞T，較T處理，NTS處理顯可著提高豌豆田土壤細菌OTU數量11.62%；10～30 cm土層以NTS處理下細菌OTU數量最高，NTS與T差異不顯著。NT處理下0～10 cm土層土壤真菌OTU數量最高；10～30 cm土層真菌OTU數量變化趨勢為NTS＞NT＞TS＞T，各處理間差異不顯著。綜上所述，采用免耕秸稈覆蓋（NTS）對提高土壤細菌OTU數量效果顯著，但對真菌OTU數量的影響不明顯。

不同耕作措施對0～30 cm土層細菌豐富度與多樣性指數的影響明顯，由表5可知，NTS處理提高土壤細菌豐富度指數最明顯。其中0～10 cm土層，較T處理，NTS處理下細菌Observed指數提高11.64%，且NTS與T處理差異顯著；各處理下0～30 cm土層細菌Shannon指數變化為NTS＞NT＞T＞TS，其 中0～10 cm土 層 較T處 理，NTS處理可顯著提高細菌Shannon指數，為4.56%。

不同耕作措施對0～30 cm土層土壤真菌群落豐富度與多樣性的影響如表5所示，由表5可知，各處理間差異不顯著。其中0～10 cm土層NT處理下土壤真菌豐富度指數（Chao指數、Observed指數）最高；10～30 cm土層NTS處理下土壤真菌豐富度指數最高；NTS、TS處理下土壤真菌多樣性指數（Simpson指數、Shannon指數）大于單純的免耕（NT）和傳統耕作（T）。采用免耕秸稈覆蓋（NTS）能顯著提高豌豆田土壤細菌豐度和多樣性，但對土壤真菌的豐度和多樣性影響不明顯。

表5 不同耕作措施下0～30 cm土層土壤微生物豐富度及多樣性指數

續表

不同耕作措施下土壤微生物量碳（MBC）含量變化見表6。由表6可知，各處理下豌豆田0～10 cm土層MBC含量變化為NTS＞NT＞T＞TS，較T處理，NTS處理顯著提高土壤MBC含量18.83%；10～30 cm土層NT處理下MBC含量最高，比T處理提高23.44%，NT與T差異顯著。采取免耕秸稈覆蓋（NTS）可以顯著提高土壤0～30 cm土層MBC含量。

表6 不同耕作措施下0～30 cm土壤土層微生物量碳、氮變化

由表6可知，不同耕作措施對土壤微生物量氮（MBN）含量影響明顯。0～10 cm土層各處理下土壤MBN含量為NT＞T＞NTS＞TS。NT處理下土壤MBN含量最高，同時較T處理顯著提高13.72%；10～30 cm土層，較T處理，NTS、NT、TS處理可顯著提高土壤MBN含量56.03%、1.06%、1.22%。采取保護性耕作措施可以不同程度提高豌豆田0～30 cm土層土壤MBN含量，其中以秸稈覆蓋（NTS、TS）效果最好。

2.2 耕作措施對豌豆產量和土壤碳排放量的影響

如表7所示，不同耕作措施下豌豆產量NTS處理下最高，TS處理次之，T處理最低。NTS、TS處理下豌豆產量較T處理分別提高54.84%、19.87%，且NTS、TS與T差異顯著。以免耕秸稈覆蓋（NTS）為主的保護性耕作措施對提高豌豆產量作用最明顯。

表7 不同耕作措施下豌豆產量、土壤碳排放量及碳排放效率

不同耕作措施下豌豆生育期土壤碳排放量T處理最高、NT處理最低，具體為NT＜NTS＜TS＜T。其中，NTS、NT處理土壤碳排放量較T處理分別減少21.58%、22.96%，且NT、NTS與T差異顯著。不同處理下豌豆生長季土壤碳排放效率（CEE）表現為NTS＞NT＞TS＞T，保護性耕作措施下（NTS、NT和TS）豌豆田生長季CEE較傳統耕作（T）分別提高了91.43%、34.29%和28.57%，NTS與其他處理之間差異顯著，說明保護性耕作可以提高豌豆田碳排放效率，其中NTS效果最好。采用以免耕為主的保護性耕作措施對減少豌豆生長季土壤碳排放量作用最明顯。

2.3 不同耕作措施下豌豆田碳平衡評價

由表8可知，不同耕作措施對碳平衡的影響明顯。不同處理下豌豆地上部生物量為NTS＞TS＞NT＞T，其中NTS處理下地上部生物量比T處理顯著提高44.32%。T處理下豌豆田土壤NPP最低，NTS、TS處理下土壤NPP較T處理分別顯著提高46.18%和39.23%。各處理下豌豆田生態系統NEP表現為T處理下最低，NTS處理下最高，具體為NTS＞NT＞TS＞T，其中NTS、NT和TS較傳統耕作T處理分別顯著增加114.18%、77.04%和73.22%，豌豆田除NTS處理，其他處理下NEP均為負值，說明只有免耕秸稈覆蓋下豌豆田為大氣CO2的“匯”。這說明免耕秸稈覆蓋（NTS）下土壤碳匯功能增強。

表8 豌豆生長季農田系統碳平衡

3 討論與結論

3.1 耕作措施對黃綿土土壤質量的影響

耕作被認為是導致農田土壤質量下降的主要因素之一［29］。相關研究表明［18，30］保護性耕作措施可在一定程度上改善土壤質量，尤其以免耕秸稈覆蓋為核心的保護性耕作措施為提高土壤質量及土壤良好結構的形成奠定了基礎。本研究結果表明，NTS處理下土壤物理、化學和生物學質量均最高。耕作措施對土壤物理性質的影響具體表現為：較T處理，NTS處理對降低0～30 cm土層土壤容重效果最明顯，分別為8.54%、6.47%、5.44%；同時可以顯著提高0～30 cm土層孔隙度，分別為7.27%、5.73%、5.47%；NTS處理顯著提高0～10 cm土層含水量，分別為8.16%、11.24%；耕作措施對土壤化學性質的影響具體表現為：較T處理，NTS處理可顯著提高0～10 cm土層有機碳含量達49.17%；TS處理顯著提高10～30 cm土層有機碳含量達4.20%；NT處理顯著提高0～10 cm土層全氮含量28.33%，TS處理顯著提高10～30 cm土層全氮含量13.79%。各處理下土壤0～10 cm土層全磷含量變化為NT＞NTS＞TS＞T，且較T處理，NT處理可顯著提高全磷含量，為T處理的1.14倍；耕作措施對土壤生物學性質的影響具體表現為：較T處理，NTS處理顯著提高豌豆田土壤細菌OTU數量11.62%，同時NTS處理顯著提高0～10 cm土層細菌Observed指數11.64%；各處理下0～30 cm土層細菌Shannon指數變化為NTS＞NT＞T＞TS，較T處理，NTS處理顯著提高0～10 cm土層細菌Shannon指數4.56%；各處理下豌豆田0～10 cm土層MBC含量變化為NTS＞NT＞T＞TS，較T處理，NTS處理顯著提高土壤MBC含量18.83%；NT處理顯著提高10～30 cm土層MBC含量達23.44%；0～10 cm土層各處理下土壤MBN含量為NT＞T＞NTS＞TS。較T處理，NT處理顯著提高土壤MBN含量13.72%；同時NTS、NT、TS處理顯著提高10～30 cm土層MBN含量，分別為56.03%、1.06%、1.22%。這主要是由于NTS處理土壤受到的人為干擾較少，秸稈覆蓋可顯著增加土壤中有機質含量。土壤結構的改善，可以進一步減少水土流失［31］、土壤侵蝕及養分流失等問題，形成良好的土壤耕層結構，促進土壤質量的提高［32］。土壤環境的改善為微生物的生長活動提供必要的能源和營養物質，提高土壤中微生物的活性［33］，從而加快土壤中微生物的自身物質合成，并利用外源養分進行新陳代謝。同時秸稈還田改善土壤物理性狀，有利于土壤有機碳、土壤微生物生物量碳的累積［34］，有利于提高土壤微生物豐度及活性。

3.2 耕作措施對黃綿土碳排放的影響

有研究表明，采用免耕、秸稈覆蓋為主的保護性耕作措施可以顯著降低農田土壤碳排放量，同時秸稈覆蓋下農田土壤碳匯功能明顯增強，碳排放減少［35-36］。本研究表明各處理下土壤碳排放量表現為T＞TS＞NTS＞NT。較T處理，NTS、NT處理下碳排放量分別減少21.58%、22.96%，T處理豌豆田生態系統NEP最低，NTS處理最高，且較T處理，NTS處理顯著提高114.18%，免耕秸稈覆蓋下豌豆田表現為碳匯，這與前人研究結果基本一致。由于傳統耕作提高了農田土壤的透氣性，土壤中微生物的生長和代謝增強，土壤呼吸明顯增強，導致農田土壤中有機質的分解速度加快［37］；而免耕減少了土壤擾動，延長土壤有機碳的平均滯留時間，有效控制了土壤有機碳損［38］，進而可以抑制土壤呼吸；同時作物秸稈覆蓋阻斷了土壤與大氣之間的氣體交換，阻擋農田土壤水分向大氣中逸散，進而可以增加土壤濕度，降低土壤溫度等條件間接影響土壤呼吸速率［39］，從而降低農田土壤碳排放，同時土壤碳匯功能增強。因此，在隴中旱農區采取免耕秸稈覆蓋的保護性耕作措施既可以提高土壤質量，也可以減少土壤碳排放，增強農田土壤碳匯功能，是有利于隴中旱農區農田生產力水平持續提高的適宜耕作措施。