安崇霄，張永杰，符小文，杜孝敬，徐文修，房彥飛，厙潤(rùn)祥

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量豐富，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫[1]，占生物圈陸地部分總碳貯量的比例超過2/3，其總碳儲(chǔ)量相當(dāng)于大氣中所含碳的兩倍[2-3]，且土壤每年向大氣排放的CO2量約占CO2總排放量的5%～20%[4]。農(nóng)作物種植過程中不同耕作措施對(duì)土壤都會(huì)產(chǎn)生不同程度地?cái)_動(dòng)，使土壤中的碳與大氣不斷進(jìn)行交換，進(jìn)而引起大氣CO2的劇烈波動(dòng)[5]，造成全球溫室效應(yīng)加劇。但合理的耕作措施不僅可以減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)分解，使土壤團(tuán)聚體完整，還可以促進(jìn)土壤固碳，提升土壤質(zhì)量，控制CO2排放，從而減緩溫室效應(yīng)[6]。在作物生產(chǎn)中如何采取合理的土壤耕作措施來減緩?fù)寥繡O2的排放及保持土壤有機(jī)碳及其組分含量來保持土壤質(zhì)量目前已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤總有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心，其含量高低是決定土壤肥力的關(guān)鍵因素[7]，而土壤微生物有機(jī)碳是比土壤有機(jī)碳更敏感的指標(biāo)，可用來指示土壤肥力的動(dòng)態(tài)變化和反映土壤質(zhì)量狀況[8]；顆粒有機(jī)碳是對(duì)表層土壤中植物殘?bào)w的積累和根系分布的變化響應(yīng)非常敏感，容易受土壤管理方式的影響[9]，能夠穩(wěn)定被異氧微生物利用作為能源及碳源，是植物營養(yǎng)的主要來源，用它可指示土壤有機(jī)質(zhì)的早期變化[10]。研究表明[11-13]土壤有機(jī)碳及其組分的變化是響應(yīng)不同土地利用方式和環(huán)境對(duì)土壤有機(jī)碳庫影響的重要環(huán)節(jié)。適當(dāng)?shù)耐恋厥褂煤屯寥拦芾?，能夠提高土壤質(zhì)量，從而減緩大氣CO2濃度的上升。張潔等[14]研究表明,有機(jī)碳及其不同組分對(duì)農(nóng)田管理措施的響應(yīng)不同，不穩(wěn)定組分(顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳等)對(duì)種植制度和耕作措施的反應(yīng)更為敏感，可以作為響應(yīng)土壤有機(jī)碳和土壤質(zhì)量變化的早期指標(biāo)。劉紅梅等[15]研究表明,耕作方式對(duì)土壤總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有顯著的影響，土壤總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳都可作為評(píng)價(jià)耕作方式影響土壤質(zhì)量變化與固碳能力的有效指標(biāo)。王丹丹等[16]研究表明,免耕和秸稈還田等保護(hù)性耕作措施提高了稻田土壤活性有機(jī)碳含量?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】關(guān)于土壤耕作對(duì)淺層土壤中有機(jī)碳及其組分含量的影響，尤其是在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)及旱地秸稈還田下的長(zhǎng)期土壤耕作對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分含量變化的影響，前人已有了大量研究，但對(duì)于新疆干旱半干旱條件下滴灌農(nóng)田土壤碳的研究?jī)H見不同管理措施下的棉田土壤[17]，關(guān)于耕作措施作用于農(nóng)田大豆土壤碳的研究仍有待完善。伊犁河谷地處新疆北部，是典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。在全球氣候日益變暖的背景下，無霜期增長(zhǎng)，有效積溫增多，促進(jìn)了麥后復(fù)播種植面積不斷增大[18-19]。復(fù)播種植比單作會(huì)影響土壤中CO2的排放?！緮M解決的關(guān)鍵問題】試驗(yàn)通過對(duì)麥后復(fù)播大豆在不同耕作措施下的土壤有機(jī)碳含量的研究，分析復(fù)播條件下的土壤周年總有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳以及顆粒有機(jī)碳對(duì)耕作措施的響應(yīng)，在對(duì)免耕、深松、翻耕和翻耕覆膜4種耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳及其活性組分影響作出評(píng)價(jià)，為復(fù)播條件下土壤進(jìn)行合理耕作措施提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)在新疆伊犁哈薩克自治州伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園(81°33′E，43°56′N，海拔790 m)進(jìn)行，該區(qū)年平均日照可達(dá)2 800～3 000 h，年平均氣溫8.9℃，年均降雨量257 mm。全年無霜期169～175 d[20-21]。試驗(yàn)地土地平整，土壤為灰鈣土，0～30 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量16.50 g/kg，堿解氮含量76.7 g/kg，速效磷含量14.8 mg/kg，速效鉀含量139 mg/kg，pH為8.00。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2017年7至10月進(jìn)行麥后復(fù)播大豆田間大區(qū)試驗(yàn)。冬小麥播前進(jìn)行翻耕處理，冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)留茬高度25 cm。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，處理1為翻耕(T)，犁翻深28 cm，聯(lián)合整地機(jī)整地。處理2為翻耕覆膜(TP)，在翻耕的基礎(chǔ)上覆膜，膜寬70 cm。處理3為深松(ST)，冬小麥?zhǔn)斋@后，采用深松機(jī)械，深度為50 cm。處理4為免耕(NT)。每個(gè)處理總面積均為100 m2(4 m×25 m)。供試大豆品種為黑河43。播種方式為30 cm等行距人工點(diǎn)播，播種密度52.5×104株/hm2。各處理均在開花期隨水追施尿素150 kg/hm2(純N 69 kg/hm2)。灌溉方式為滴灌。復(fù)播大豆全生育期共灌水8次，共計(jì)4 200 m3/hm2。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)亍?/p>

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

于2017年10月13日復(fù)播大豆收獲后，各小區(qū)采用“S”取樣法取土樣，每個(gè)點(diǎn)深度分別為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm>40～60 cm，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，將每個(gè)重復(fù)取得的同一層次土樣混合均勻帶回實(shí)驗(yàn)室。新鮮土樣通過2 mm篩后，4℃保存供分析微生物生物量碳含量，另一部分在室溫下風(fēng)干后過2、1和0.25 mm篩子后裝自封袋，進(jìn)行土壤有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳及土壤微生物有機(jī)碳的測(cè)定。

1.2.2.1 總有機(jī)碳測(cè)定

參照魯如坤[22]的用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測(cè)定。

1.2.2.2 土壤活性有機(jī)碳測(cè)定

土壤微生物有機(jī)碳：用氯仿熏蒸-K2SO4提取法。

顆粒有機(jī)碳：依據(jù)Wander等[23]提供的方法測(cè)定土壤顆粒有機(jī)碳(Particulate organic carbon，POC)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010作圖，用SPSS19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)復(fù)播大豆農(nóng)田土壤總有機(jī)碳(SOC)的影響

研究表明，各處理不同土壤層次下的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨土層深度的增加基本上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在0～30 cm耕層中NT與ST處理的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無顯著差異，但TP與T處理的則隨深度加大逐漸呈現(xiàn)顯著差異。而在深度>30 cm以下，不同深度下各處理間均表現(xiàn)為NT、T與ST、TP呈現(xiàn)顯著差異。

在0～10 cm土層，NT處理的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，ST處理的次之，且均與TP和T處理的呈現(xiàn)顯著差異。這可能是由于TP與T處理對(duì)土壤擾動(dòng)強(qiáng)于深松和免耕，加速了表土層有機(jī)物質(zhì)的分解，減少了SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在10～30 cm土層中，TP處理的與其余三種處理的形成顯著差異，說明翻耕使大量殘茬進(jìn)入耕層后，在地膜的提溫保墑作用下促進(jìn)了秸稈腐化從而轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)儲(chǔ)存。而在土層深度至30 cm以下，TP與ST處理的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)大幅度下降，分別平均降低了67.18%、67.21%，可能由于深層土壤中有機(jī)質(zhì)較少，地膜對(duì)土壤水分和溫度較比于其他三種處理具有一定提升作用，加速了礦物質(zhì)分解，降低了SOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，地膜對(duì)深層土壤有機(jī)碳也有一定影響。而深松處理下機(jī)械作用有效深度達(dá)50 cm，增加了地表水分向深層土壤滲透，活化生土層，加速了礦物質(zhì)分解。圖1

圖1 不同耕作方式下復(fù)播大豆農(nóng)田土壤總有機(jī)碳變化
Fig. 1 Effects of different tillage methods on soil organic carbon in the soil of the cultivated soybean

2.2 不同耕作方式對(duì)復(fù)播大豆農(nóng)田土壤微生物有機(jī)碳(MBC)的影響

研究表明，各處理復(fù)播大豆農(nóng)田土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)均隨土壤深度增加基本上呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。在0～30 cm耕層中NT與ST處理的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無顯著性差異，但TP與T處理的則隨深度加大逐漸呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。而在深度至30 cm以下，除機(jī)械深度達(dá)50 cm的深松處理外，其余三種處理的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異，且ST處理的與其余三種處理的存在顯著差異。

0～10 cm土壤表層，NT處理的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)109.69 mg/kg，ST處理次之為105.92 mg/kg，且均與TP、T處理的存在顯著性差異(P<0.05)，這可能是由于免耕處理對(duì)土壤表土層的擾動(dòng)極小，且麥后茬口及殘根分解腐化，為表層土壤微生物提供了充足碳源，提高了表層土壤微生物活性。在10～30 cm的土層中，作為根系的活躍層，各處理間的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本表現(xiàn)為：TP>T>NT>ST，可能是因?yàn)榉麑?duì)耕層土壤擾動(dòng)較大，使大豆根系得以更為有利的生長(zhǎng)和分布，且麥后茬口及殘根因機(jī)械擾動(dòng)翻入耕層發(fā)生腐化分解，增加了耕層土壤微生物活性。而地膜覆蓋能夠提溫保墑，進(jìn)一步為耕層土壤中微生物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，獲得最高的MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土層深度至30 cm以下，深松處理的顯著高于其余三種處理，這可能是土壤由于深松農(nóng)機(jī)具作用，打破犁底層且疏松深層土壤，進(jìn)而為深層土壤微生物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，土壤MBC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)外界機(jī)械作業(yè)具有明顯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖2

圖2 不同耕作方式下復(fù)播大豆農(nóng)田土壤微生物有機(jī)碳變化
Fig.2 Effects of different tillage methods on soil microbial biomass carbon in soybean field

2.3 不同耕作方式對(duì)復(fù)播大豆農(nóng)田土壤顆粒有機(jī)碳(POC)的影響

研究表明，各處理農(nóng)田土壤POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與SOC和MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)基本相似。在0～10 cm土層中，NT處理的POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次是ST處理的，且與T、TP處理的存在顯著差異(P<0.05)，而NT與ST處理間的、TP與T處理間的則均無顯著差異，說明免耕與深松能夠減少對(duì)表層土壤擾動(dòng)，麥后茬口及殘根腐化分解，提高了有機(jī)質(zhì)含量，使土壤的團(tuán)聚體得以穩(wěn)定并促進(jìn)形成，進(jìn)而大幅增加了POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在10～30 cm耕層，TP處理的POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較NT、ST與T處理的分別高出8.16%、8.16%和11.34%，說明在耕作土層中，地膜覆蓋促進(jìn)了秸稈的腐化積累，增加了土壤中顆粒有機(jī)碳含量，從而獲得最較高的POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤深度至30 cm以下，隨土層深度增加，深松處理逐漸與其余三種處理的POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性增大并呈顯著性差異。這可能是深松農(nóng)機(jī)具作用于深層土壤后，促使土壤礦物質(zhì)分解后轉(zhuǎn)化為POC，進(jìn)而活化了生土層。圖3

圖3 不同耕作方式下復(fù)播大豆農(nóng)田土壤顆粒有機(jī)碳變化
Fig.3 Effects of different tillage methods on soil particle carbon in the soil of the compound sowing soybean field

2.4 土壤微生物有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例及剖面分布

研究表明，四種耕作措施的MBC/SOC比例均隨著土壤深度增加基本上呈現(xiàn)先遞減后增加趨勢(shì)，并在深度至60 cm的土層中達(dá)到各處理的最高點(diǎn)。在0～60 cm土層中各處理的MBC占SOC比例的范圍在1.29%～2.35%。

在0～30 cm的耕作土層中，MBC/SOC的比例隨著土壤深度增加略有減小，各處理間基本無顯著差異。隨著土壤深度加深，在>30～60 cm的土層中，各處理之間的MBC/SOC比例均呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，尤其以ST處理的MBC/SOC比例增長(zhǎng)最為明顯，其次為翻耕覆膜，基本表現(xiàn)為ST>TP>T>NT。這可能是由于深松機(jī)械作用增加了耕層厚度與深層土壤的通透性，使外界水分能夠更好滲入深層土壤中，為微生物活動(dòng)與繁殖提供了良好生存環(huán)境。圖4

圖4 土壤微生物有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例的剖面分布
Fig.4 Profile distribution of soil microbial biomass carbon to total organic carbon fraction

2.5 土壤顆粒有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例及剖面分布

研究表明，四種耕作措施下的POC/SOC隨土壤深度增加基本上呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，并在深度至60 cm土層中各處理的POC/SOC比例達(dá)到最大值。在0～60 cm土層中不同耕作措施下的POC占SOC的比例范圍是17.81%～31.99%。

在0～30 cm耕作土層中，NT、ST與T、TP處理的POC/SOC比例存在差異，且NT、ST與T、TP處理的分別在土壤深度20與30 cm處達(dá)到處理自身的最低值。在>30～60 cm的土層中，隨著土壤深度的增加，各處理的POC/SOC比例呈現(xiàn)大幅增加，其中以ST處理的POC/SOC比例增長(zhǎng)最為顯著，其次為翻耕覆膜，基本表現(xiàn)為ST>TP>T>NT。這可能是由于深松農(nóng)機(jī)具能夠有效打破犁底層，增加深層土壤水分，致使深層土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生分解和礦化，活化生土層，從而提高POC/SOC比例。而覆膜可能提高了>30 cm土層的溫度和水分，也促進(jìn)了深層土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生分解和礦化，從而提高POC/SOC比例。圖5

圖5 土壤顆粒有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例的剖面分布
Fig.5 Profile distribution of soil particulate organic carbon as a percentage of total organic carbon

3 討 論

3.1 耕作措施對(duì)于總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳及其微生物有機(jī)碳的影響

不同耕作措施對(duì)于土壤有機(jī)碳的含量及其組分影響不同[24-25]，嚴(yán)昌榮等[26]研究表明,機(jī)械翻耕可以使作物殘茬更加均勻的分布在土壤深處，有機(jī)碳更有利于在10～40 cm土層中分布，從而增加深層土壤有機(jī)碳的含量。馬忠明等[27]研究表明，不同耕作措施下的土壤總有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳三種碳含量隨著土層深度的增加而遞減，且處理之間差異逐漸減小。武均、姜學(xué)兵等[28-29]研究顯示，免耕處理可以有效提高0～10 cm表層土壤中有機(jī)碳及其組分含量，能夠減少土壤的擾動(dòng)次數(shù)，具有培肥地力作用。這與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。研究表明，免耕與深松處理下的土壤總有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為表土層的含量最高，且免耕與深松不存在顯著差異。而在10～30 cm的耕層，則以翻耕覆膜處理下的土壤總有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。說明農(nóng)機(jī)具將殘茬翻入耕層后，覆膜能夠加速其腐化分解，從而增加了土壤有機(jī)碳及其組分含量。

3.2 耕作措施對(duì)于微生物有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例的影響

土壤微生物有機(jī)碳與顆粒有機(jī)碳被認(rèn)為是土壤活性有機(jī)質(zhì)的組分和量度指標(biāo)，研究不同有機(jī)碳組分占總有機(jī)碳的比例更有助于了解土壤剖面碳素分布與水熱條件的關(guān)系[30]。通過前人研究結(jié)果表明，微生物有機(jī)碳與顆粒有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳比例范圍分別為1.48%～2.82%[31]，16%～44%[32]。研究結(jié)果表明,MBC/SOC與POC/SOC的比例范圍為1.29%～2.35%與17.81%～31.99%。這與前人研究結(jié)果基本一致，且從中可以看出溫度、水分和耕作措施是影響土壤微生物有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳剖面分布特征的重要因素。免耕對(duì)于0～10 cm表層土壤中MBC、POC占SOC的比例具有提升的作用，而機(jī)械擾動(dòng)能夠使殘茬均勻分布在10～20 cm耕層，在其腐化分解后一部分能夠轉(zhuǎn)化為MBC及POC來增加SOC的含量，提升該層次土壤肥力，其中以翻耕覆膜最為明顯，其次為翻耕。但土壤深度至30 cm以下，因無外界有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充，深松機(jī)械作用增加了耕層厚度與深層土壤的通透性[33-35]，使外界水分能夠更好滲入深層土壤中，表現(xiàn)為該層次土壤中有機(jī)質(zhì)的分解最快，其次為翻耕覆膜，使總有機(jī)碳含量大幅減小，其各組分含量主要以POC含量為主，從而造成該層次土壤肥力的損耗。

4 結(jié) 論

深松和免耕均能夠有效增加表層土壤的SOC、MBC和POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中深松對(duì)土層深度30 cm以下的MBC、POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與比率具有顯著提升，而在土層20～30 cm翻耕覆膜能夠更好保持土壤中SOC、MBC和POC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。不同耕作措施對(duì)復(fù)播大豆土壤總有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳在不同土壤層次間均存在顯著影響。免耕與深松均有利于增加土壤表層總有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的含量，且無顯著性差異，而翻耕覆膜則有利于增加根系層土壤的總有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的含量，且土壤有機(jī)碳及其組分含量的增加不僅有利于土壤肥力的改善，而且可以減少土壤的碳排放。但在無外界有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充環(huán)境下，深松與翻耕覆膜對(duì)于深層土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，因而在麥豆周年種植中，具體采取免耕、深松還是翻耕覆膜土壤耕作措施，不僅要考慮土壤固碳，還要考慮大豆的產(chǎn)量問題。