连续14年保护性耕作对土壤总有机碳和轻组有机碳的影响

刘杰，李玲玲，谢军红，邓超超，彭正凯，Yeboah Stephen，Lamptey Shirley

（1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃兰州730070；2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070）

连续14年保护性耕作对土壤总有机碳和轻组有机碳的影响

刘杰1，李玲玲1，谢军红1，邓超超1，彭正凯1，Yeboah Stephen2，Lamptey Shirley1

（1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃兰州730070；2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070）

依托于2001年布设在陇中黄土高原半干旱雨养农业区的保护性耕作定位试验，于2014年测定了5种保护性耕作（免耕＋秸秆覆盖NTS、免耕NT、传统耕作＋秸秆翻埋TS、传统耕作＋地膜覆盖TP和免耕＋地膜覆盖NTP）和传统耕作T处理下小麦－豌豆双序列轮作中表层土壤（0～5、5～10、10～30 cm）总有机碳（SOC）和轻组有机碳（LFOC）在作物生育期前后的变化。结果表明：土壤总有机碳和轻组有机碳在土壤剖面上均随着土层深度的增加而降低；相比传统耕作T，NTS和TS处理能显著提高0～30 cm土层中SOC、LFOC的含量，在作物播种前较T分别提高了19.51%、64.58%和13.36%、42.08%，在收获后分别提高了28.00%、85.37%和18.61%、77.82%，而SOC、LFOC含量NT和TP处理与T处理间差异不显著；从作物播种前至收获后，各处理下0～30 cm土层SOC含量均有减小趋势，其中NTS和TS处理变化量最小，NT和TP处理加大了作物生育期间SOC和LFOC的消耗；LFOC可以灵敏地反应出土壤有机碳的变化。因此，在该区推行以免耕、秸秆覆盖为主的保护性耕作措施更有利于碳的积累和土壤质量的改善，促进该区农业的可持续发展。

保护性耕作；土壤总有机碳；轻组有机碳

近年来，由于复杂多变的自然条件以及长期不合理的耕作方式导致黄土高原地区水土流失日益严重，使土壤中大量养分流失，耕地质量下降［1］。土壤有机碳（SOC）作为土壤的重要组成部分，其含量的提高能够改善土壤结构、提高土壤保水保肥能力，促进作物的生长发育［2］。另外，土壤有机碳含量的变化还与农业可持续发展、全球碳循环、全球气候变化等有着密切的关系［3］。因此，研究农田土壤中有机碳及其组分的变化对提高黄土高原地区土壤肥力和农业的可持续发展具有重要意义。

依据不同的分离方法可将土壤有机碳分成不同的组分，如水溶性有机碳（DOC）、可矿化有机碳（MOC）、微生物量有机碳（MBC）、易氧化有机碳（ROOC）、轻组有机碳（LFOC）等。其中轻组有机碳是利用物理分组方法将土壤有机碳分离而来，分离过程几乎不破坏土壤有机碳的原状结构［4－5］，而且轻组有机碳具有很强的生物学活性，在土壤中移动速度较快、不稳定、易分解，易受作物、环境、耕作管理措施等外界因素的影响，能较快地反映出土地利用方式的变化［6］。因此，轻组有机碳比总有机碳对耕作措施的响应更加敏感，被认为是研究土地利用和耕作措施变化最主要的部分［7］。

已有研究表明，以少、免耕和秸秆覆盖为核心的保护性耕作技术，能够改善土壤结构，提高土壤肥力和土壤有机碳含量［8－9］。然而，针对保护性耕作措施下土壤有机碳的研究大多集中在土壤中碳含量的变化方面［10－11］，对于保护性耕作措施下土壤有机碳在作物生长期间的消耗与积累过程以及保护性耕作影响土壤有机碳变化的内在机制研究较少。而土壤有机碳对不同耕作措施的响应可通过土壤有机碳及其活性组分的变化解释其机制［12］。鉴于此，本试验依托连续进行14年的保护性耕作长期定位试验，监测了连续14年保护性耕作之后土壤总有机碳（SOC）和轻组有机碳（LFOC）在作物生长期前后的变化，并分析了两者之间的关系，旨在从轻组组分角度揭示不同保护性耕作措施影响黄绵土土壤有机碳变化的机制以及其积累过程，以期为黄土高原旱地有机碳的管理以及农业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设置在陇中黄土高原丘陵沟壑区的定西市安定区李家堡镇。该区属中温带半干旱偏旱区，多年平均日照时数2 476.6 h，太阳辐射量为592.9 kJ·cm－2；年均气温6.4℃，变化在5.8℃～6.8℃之间，≥0℃积温为2 933.5℃，≥10℃积温为2 239.1℃，年均无霜期为140 d；多年平均降水量为390.9mm，年际、年内变化率大，80%保证率的降水量为365mm，年蒸发量达到1 531mm，为降水量的3～4倍，变异系数为24.3%。试验区光照和水分只能满足一年一熟作物的要求，为典型的雨养农业区。试区土壤为黄绵土，土质较绵软，质地较均匀，贮水性能良好，0～200 cm土壤容重平均为1.17 g·cm－3，平均土壤排水上限为0.27 cm3·cm－3；小麦有效水分下限为0.10 cm3·cm－3，豌豆有效水分下限为0.16 cm3·cm－3。试验开展初期土壤有机质含量为12.01 g·kg－1，全氮0.76 g·kg－1，全磷1.77 g·kg－1。

图1 试验区2014年1—12月降雨量Fig.1 Monthly rainfall in 2014 in studied area

1.2 试验设计

本研究依托的长期定位试验始于2001年，采用单因素随机区组设计，共设6个处理（如表1），4个重复，参试作物采取“春小麦－豌豆”双序列轮作，共计48个小区，每小区面积为4 m×20 m。供试春小麦和豌豆品种分别为当地主栽品种“定西40号”和“燕农2号”。春小麦播种量为187.5 kg·hm－2，行距20 cm，各处理均施纯P2O5105 kg·hm－2（过磷酸钙656.25 kg·hm－2），纯N 105 kg·hm－2（尿素226.29 kg ·hm－2）；豌豆播种量为180 kg·hm－2，行距20 cm，各处理施纯N 20 kg·hm－2（尿素43.10 kg·hm－2），施纯P2O5105 kg·hm－2（过磷酸钙656.25 kg·hm－2）。春小麦于每年3月中旬播种，7月下旬至8月上旬期间收获；豌豆于4月上旬播种，7月中、下旬收获。各小区田间杂草用2，4－D丁酯与草甘膦除去。

表1 试验处理Table 1 Description of tillage treatments in the experiment

本试验于2014年3月中旬作物播种前进行第一次土壤取样，于同年7月下旬豌豆、小麦收获后进行第二次取样；取样深度为0～5、5～10、10～30 cm，每个样为三点采集混合而成，经风干处理后过2mm筛，所有土壤样品在常温下保存于密封袋中。

1.3 土壤总有机碳（SOC）和轻组有机碳（LFOC）的测定

SOC采用K2Cr2O7－H2SO4氧化外加热法测定［13］。LFOC采用Gregorich和Ellert所描述的方法分离提取［14］，然后用vario MICRO cube元素分析仪测定有机碳含量。

1.4 数据处理

利用Excel 2010和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 耕作措施对小麦－豌豆轮作系统0～30 cm土层土壤总有机碳（SOC）含量的影响

2.1.1 耕作措施对小麦地0～30 cm土层总有机碳含量的影响由表2可以看出，在播种前，小麦地中各处理0～30 cm土层内SOC平均含量变化范围为7.31～8.75 g·kg－1，变化趋势为NTS＞TS＞NTP＞ NT＞TP＞T，在0～30 cm土壤剖面上表现为0～5 cm＞5～10 cm＞10～30 cm。在0～5、5～10 cm土层中，NTS和TS处理下SOC含量显著高于T处理，分别较T提高了28.99%和17.63%、24.46%和16.18%，TP和NT处理下SOC含量略高于T处理，但与T之间差异不显著。10～30 cm土层中各处理SOC含量均没有显著差异。在小麦收获后，0～5、5～10、10～30 cm土层中，NTS和TS处理下SOC含量较T分别提高了37.44%、28.82%、25.20%和22.52%、18.85%、17.09%，TP、NT处理与T处理之间差异不显著。

从小麦播种前至收获后，各处理0～30 cm土层中SOC含量较播种前均有所减小，传统耕作T处理减少的量最大，较播种前降低了9.20%，NT和TP处理降低了8.22%和7.38%，NTS处理下SOC含量减少的量最小，较播种前降低了2.89%。

2.1.2 耕作措施对豌豆地0～30 cm土层总有机碳含量的影响由表3可知，在播种前，豌豆地各处理0～30 cm土层SOC平均含量变化范围为7.42～8.86 g·kg－1，表现为NTS＞TS＞NTP＞TP＞NT＞T，其中NTS和TS处理下SOC平均含量较T分别提高了19.31%和12.82%，在0～30 cm土壤剖面上随着土层深度的加深而逐层递减。在0～5、5～10、10～30 cm土层中，均有NTS处理下SOC含量显著高于T处理，分别较T提高了31.88%、18.87%、16.09%，NT、TP处理下SOC含量与T处理差异不显著。收获后，各处理0～30 cm土层SOC平均含量变化趋势与播种前一致。在0～5、5～10、10～30 cm土层土壤中，NTS和TS处理下SOC含量均显著高于传统耕作T，而NT和TP处理SOC含量与T处理之间差异不显著。

经过一个生育期后，NT处理下SOC含量较播种前减少的量最大，降低了8.05%，NTS和TS处理下SOC含量变化的量小于其他处理。

表2 小麦—豌豆轮作序列下0～30 cm土层土壤有机碳含量／（g·kg－1）Table 2 The content of total organic carbon in the soil layer of0～30 cm in the wheat－pea crop rotation sequence

表3 豌豆—小麦轮作序列下0～30 cm土层土壤有机碳含量（g·kg－1）Table 3 The content of total organic carbon in the soil layer of 0～30 cm in the pea－wheat crop rotation sequence

综合两种轮作模式下不同耕作措施在作物播种前与收获后对0～30 cm土层SOC含量的影响可知，相对于传统耕作T，保护性耕作NTS和TS处理能够提高0～30 cm土层中SOC含量，且能减少作物生育期间0～30 cm土层土壤有机碳的消耗，而NT和TP处理加大了作物生育期间SOC的消耗。

2.2 耕作措施对小麦－豌豆轮作系统0～30 cm土层中轻组有机碳（LFOC）含量的影响

2.2.1 耕作措施对小麦地0～30 cm土层中轻组有机碳含量的影响由表4可以看出，在播种前，小麦地中各处理0～30 cm平均LFOC含量变化范围为0.72～1.48 g·kg－1，其含量相对较小，变化趋势为NTS＞TS＞NT＞T＞NTP＞TP，在0～30 cm土层土壤剖面上随着土层深度的加深而递减。在0～5、5～10 cm土层内，NTS处理下LFOC含量显著高于T处理，分别较T高出1.29 g·kg－1和0.77 g·kg－1；在10～30 cm土层内，则与T处理差异不显著。TP处理下LFOC含量在不同土层中均低于T处理。

在小麦收获后，各处理下0～30 cm土层平均LFOC含量变化范围为0.56～1.00 g·kg－1，变化趋势为TS＞NTS＞NTP＞NT＞T＞TP。在0～5、5～10 cm土层内，NTS和TS处理LFOC含量显著高于T处理，分别较T处理提高了1.64 g·kg－1和0.88、0.52 g·kg－1和0.59 g·kg－1，在10～30 cm土层内NTS和TS处理与T处理之间没有显著差异。而TP处理在各个土层中均与T处理之间没有显著差异。从小麦播种前至收获后，NTP处理下0～30 cm土层LFOC含量有所增加，其余处理均降低。

2.2.2 耕作措施对豌豆地0～30 cm土层中轻组有机碳的影响由表5可看出，豌豆地土壤LFOC含量在土壤剖面上的变化趋势与小麦地一致，表现为随着土层的加深而逐渐减少。在播种前，0～30 cm土层内LFOC平均含量变化范围为0.65～1.02 g·kg－1，其中TS处理下最大，NTS处理次之，T和TP处理最小，TS、NTS处理下LFOC平均含量比T处理分别提高了58.40%、53.64%。在5～10 cm土层中NTS和TS处理下LFOC含量显著高于T处理，但在0～5、10～30 cm土层中各个处理之间均没有显著差异。收获后，0～30 cm土层内LFOC平均含量NTS处理下最高，T处理最低；在5～10 cm和10～30 cm土层内NTS处理下LFOC含量显著高于T处理，分别较T提高了94.56%、108.73%，TP和NT处理与T处理之间差异不显著。同年豌豆播种前至收获后，各处理下0～30 cm土层LFOC含量均有所下降。

表4 小麦—豌豆轮作序列下0～30 cm土层轻组有机碳含量／（g·kg－1）Table 4 The content of light fraction organic carbon in the soil layer of0～30 cm in thewheat－pea crop rotation sequence

由此可见，在两种轮作模式下，0～30 cm土层LFOC含量在土壤剖面上的变化依旧是随着土层的加深而逐渐减小。作物播种前与收获后土壤轻组有机碳对不同耕作措施的响应基本一致。相对于传统耕作T，保护性耕作NTS和TS处理有利于提高土壤中LFOC含量，而TP处理下LFOC含量与T之间没有差异，甚至小于T处理。从播前至收后，两种轮作模式下LFOC的变化各有不同，没有明显规律。

2.3 土壤总有机碳和轻组有机碳之间的相关性分析

由图2可以看出，土壤总有机碳与轻组有机碳之间呈极显著正相关，且存在线性关系。这一方面说明土壤轻组有机碳的含量在很大程度上依赖总有机碳的含量；另一方面，说明轻组有机碳在指示耕作措施影响土壤碳库变化方面较总有机碳更为灵敏。

图2 土壤轻组有机碳与总有机碳的相关性Fig.2 The correlation of soil organic carbon and light fraction organic carbon

3 结论与讨论

土壤有机碳对土壤的物理性质、化学性质、生物学性质都十分重要，被认为是评价土壤质量最重要的指标之一，其含量的变化不仅可以引起土壤肥力和持水能力的变化，还可引起大气中CO2浓度较大的波动，进而影响全球气候的变化。关于耕作措施影响土壤有机碳动态变化的研究表明，长期耕作的土壤其表层、亚表层中的有机碳储量较自然植被土壤减少［15］。而免耕改善了土壤结构，使土壤团聚体数量和稳定性增加，减少了有机碳的降解［16］。另外，免耕还具有一定程度的土壤培肥作用［17］。West［18］等的研究发现免耕代替传统耕作后，土壤有机碳储存量平均每年增加57 g·cm－3。秸秆本身含有大量的碳，还田分解后加强了土壤微生物的活动，同时释放出无机碳、氮，形成土壤有机质［19－20］。

本试验研究表明，两种轮作系统下，免耕秸秆覆盖NTS和传统耕作＋秸秆翻入TS处理均能显著提高土壤总有机碳含量，且各个土层中NTS处理下土壤SOC含量均高于TS处理；在播种前，小麦地中NTS和TS处理下0～30 cm土层内SOC和LFOC平均含量较T处理分别提高了19.71%和13.91%、75.52%和25.76%；豌豆地中NTS和TS处理下0～30 cm土层内SOC和LFOC平均含量较T处理分别提高了19.31%和12.82%、53.64%和58.40%。收获后，小麦地中NTS和TS处理下0～30 cm土层内SOC和LFOC平均含量较T处理分别提高了28.03%和18.37%、72.35%和75.79%；豌豆地中NTS和TS处理下0～30 cm土层内SOC和LFOC平均含量较T处理分别提高了27.96%和18.86%、98.39%和79.84%。以上结果说明，在陇中黄土高原地区，免耕秸秆覆盖和秸秆翻埋有利于土壤中总有机碳和轻组有机碳的积累，且免耕秸秆覆盖较秸秆翻埋更加有效。另外，土壤轻组有机碳的含量在很大程度上依赖总有机碳的含量，且轻组有机碳在指示耕作措施影响土壤碳库的变化上较总有机碳更为灵敏。TP和NT处理下，SOC和LFOC含量略高于T处理，但差异不显著，这表明单纯的免耕不能提高土壤有机碳含量。而地膜覆盖提高了地温，加速了有机质的矿化［21］。这与前人的研究结果一致［22－23］。在作物生育期间，保护性耕作NTS和TS处理下土壤SOC损耗的量最小，TP和NT则加大了土壤有机碳的损耗。但是，不同处理下轻组有机碳在生育期前后的变化在两种轮作序列中表现不一，没有明显的变化规律。因此，在该区采用以免耕、秸秆覆盖为主要技术环节的保护性耕作有利于提高土壤肥力，其中免耕和秸秆覆盖结合效果最佳。

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Soil total organic carbon and its light fractions in response to 14 years of conservation tillage

LIU Jie1，LI ling-ling1，XIE Jun-hong1，DENG Chao-chao1，PENG Zheng-kai1，Yeboah Stephen2，Lamptey Shirley1
（1.Gɑnsu Provinciɑl Lɑborɑtory of Aridlɑnd Crop Sciences／Fɑculty of Agronomy，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.College of Resourcesɑnd Environmentɑl Sciences，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ）

The study was carried out on a long-term field experiment set up in 2001 in Dingxi，which is a typical semiarid rainfed agriculture area on thewestern Loess Plateau.The objective of the experimentwas to determine the effect of conventional and conservation tillage practices on soil organic carbon（SOC）and light fraction organic carbon（LFOC）in surface soil of wheat－pea double sequence rotation system.The experiment was laid out in a randomized complete block design with four replications.Treatments included six types of tillage practices；conventional tillage with no straw（T），no-tillagewith no straw mulching（NT），conventional tillage with straw incorporation（TS），no-tillage with straw mulching（NTS），conventional tillage with plastic film mulch（TP），no-tillage with plasticmulching（NTP）.Themain resultswere as follows：（1）the soil SOC and LFOC contentdecreased with increasing soil depth；（2）compared with the conservation tillage，no tillage with stubble incorporated（NTS）and tillage with straw incorporation improved soil SOC and LFOC，it has increased by 19.51%，13.36%and 64.58%，42.08%before sowing，increased by 28.00%，18.61%and 85.37%，77.82%after harvest.However，no-tillwithout straw incorporated（NT）and conventional tillage with plastic film mulch（TP）did not show obvious effect；（3）the SOC content from sowing to harvestexhibited a downward tendency，with theminimum change occurring in NTS and TS；but NT and TP expanded the consumption of SOC during crop growth stage.（4）LFOCwas sensitive as an indicator of soil organic carbon.

conservation tillage；soil organic carbon；light fraction organic carbon

S158.3；S153.6＋2

：A

1000-7601（2017）01-0008-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.02

2016-01-23

国家自然科学基金（31460337）；陇原青年创新人才扶持计划；甘肃省干旱生境作物学重点实验室开放基金（GSCS－2010－03）

刘杰（1991—），男，甘肃甘谷人，硕士研究生，研究方向为旱地与绿洲农作制。E-mail：962697153＠qq.com。

李玲玲（1977—），女，博士，教授，研究方向为旱地与绿洲农作制。E-mail：lill＠gsau.edu.cn。