张丽敏，何腾兵，徐明岗，娄翼来，张 佩，王小利

(1. 贵州大学农学院，贵州贵阳550025;2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081;3. 贵州省山地农业机械研究所，贵州贵阳550025)

随着国际社会对农业土壤固定大气CO2和N2O 的日益关注，近年来对于农业土壤碳氮储量的研究报道日渐增多［1－4］。土壤有机碳是土壤有机质的一种化学量度，有机质包括许多成分复杂的混合物，主要是尚未分解或正在分解的动植物残体、微生物体、根系分泌物、真菌菌丝和分解程度较高的腐殖质等［5］，土壤全氮是土壤中有机氮与无机氮的总和。土壤有机碳和氮素不仅是衡量土壤质量的重要指标，其储量的增加在某种意义上亦可缓解大气CO2和N2O 浓度的升高，从而减轻温室效应［6］。在陆地生态系统中，土壤是“碳、氮汇”还是“碳、氮源”主要取决于土壤碳氮储量的变化［2］。二十世纪六十年代开始，保护性耕作因具有保持水土、降低生产投入、增加土壤肥力和产量等优点而在世界许多地区陆续实施［1］。大量研究表明，免耕等保护性耕作措施可以提高表层土壤有机碳、氮的储量［3－7］。Roldán 等［8］研究表明，5年免耕覆盖较常规耕作增加了土壤有机碳氮储量。胡宁、Luo、Angers 等［9－11］报道，连年保护性耕作显著增加了表层土壤(0～15 cm)有机碳及全氮的储量。

在喀斯特地区，旋耕作为一种保护性耕作措施，被广泛的应用于农业生产。然而，对于该地区旋耕保护性措施的土壤固碳效果如何，尚不十分清楚。因此，研究旋耕保护性措施对贵州旱地土壤碳氮储量的影响具有重要意义。研究以大方县旱地黄壤为研究对象，旨在通过4 年的田间定位试验和室内分析，揭示保护性耕作与传统耕作土壤碳氮储量的差异，为当地农田土壤的合理耕作和可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

研究地点位于贵州省大方县羊场镇的农业示范场(中心位置为:105° 36'E，27° 09'N)，全县地形地貌以丘陵和山间谷地为主，地势西高东低，海拔高度在1 200 m～1 500 m 之间，气候温和，冬无严寒，夏无酷暑，雨量充沛，年降雨量955 mm～1 179 mm，年平均日照数为1 225 h，年均气温13.9 ℃，无霜期265 d左右，全年主导风向为东南风，属暖温带湿润季风气候。

1.2 试验设计

供试土壤类型为中壤性黄壤，试验从2009 年开始，连续实行4 a。供试作物及种植方式为马铃薯/玉米套作、轮作。试验田占地面积0.4 hm2，保护性耕作(CT)和传统耕作(对照，CK)各占0.2 hm2;传统耕作为铧式犁翻耕(约20 cm 深)，保护性耕作为旋耕(约8 cm～10 cm 深)。试验采用随机区组排列，每个小区333 m2，2 个处理，4 次重复。所有地块除耕作方式不同外，其他栽培管理制度和施肥(氮肥和有机肥)模式相同。

1.3 土样采集和测定分析

从2009 年开始，每年秋收后，所有秸秆不还田，翻犁3 周后采用“S”形多点混合取样法分别采取0～20 cm 和20 cm～40 cm 土层样品。土壤有机碳采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定;土壤全氮采用开氏蒸馏法测定;环刀法测定土壤密度。土壤有机碳储量采用等深度法计算，其计算公式为:

其中:SOCs——特定深度的土壤有机碳储量 (t·hm－2);Ci——第i 层土壤的有机碳质量分数(g·kg－1);ρi——第i 层土壤密度(t·m－3);Ti——第i 层土壤厚度(cm)。同理计算土壤氮储量。土壤密度结果见表1。试验结果的方差分析采用SPSS 13.0 软件进行，处理之间p ＜0.05 表示差异性显著。

表1 不同耕作方式下的土壤密度Tab.1 Soil bulk density under contrasting tillage systems

2 结果与分析

2.1 保护性耕作旱地土壤碳储量变化

2009 年－2011 年，各个土层以及0～40 cm 土体的土壤有机碳储量在耕作方式间均无显著差异，但在试验的最后一年2012 年，保护性耕作较传统耕作相比，0～20 cm、20 cm～40 cm 和0～40 cm 土层有机碳储量分别显著增加2.8 t·hm－2、2.7 t·hm－2和5.6 t·hm－2，增幅分别为7.1%、8.5%和7.7%，见图1。总的来说，从2009 年－2012 年，随着试验年限的延长，各土层的土壤有机碳储量均呈增长趋势，且以保护性耕作的增长速度较快。0～20 cm 表层土壤有机碳储量显著高于20 cm～40 cm 亚表层土壤。

图1 不同耕作方式下旱地土壤有机碳储量Fig.1 Soil organic carbon storage under contrasting tillage regimes

2.2 保护性耕作旱地土壤氮储量变化

土壤氮储量的变化规律与碳储量相似，见图2。对于0～20 cm 土层，试验初始前3 年不同耕作方式土壤氮储量无显著差异，第4 年的保护性耕作土壤氮储量比传统耕作显著增加7.7%;对于20 cm～40 cm 土层，各年份土壤氮储量在不同耕作方式间均无显著差异;较传统耕作相比，试验前3 年保护性耕作0～40 cm土体氮储量的变化不显著，但4 年后显著增加，增幅为6.5%。总的来说，从2009 年－2012 年，随着试验年限的延长，各土层的土壤氮储量均呈增长趋势，且以保护性耕作的增长速度较快。0～20 cm 表层土壤氮储量显著高于20 cm～40 cm 亚表层土壤。

图2 不同耕作方式下旱地土壤氮储量Fig.2 Soil nitrogen storage under contrasting tillage systems

2.3 保护性耕作对旱地土壤碳氮比的影响

不管是保护性耕作还是传统耕作，其土壤碳氮比均值都在11.0～11.5 之间，见表2。在各个年份的各个土层，不同耕作措施之间相比较，土壤碳氮比无显著性差异;对于各耕作方式下的各土层，随着试验年限的延长，土壤碳氮比均趋于稳定;土壤碳氮比在不同土层之间亦无显著差异。

表2 不同耕作方式下的土壤碳氮比Tab.2 Soil C∶N ratio under contrasting tillage systems

3 讨论

土壤有机碳是土壤生态系统中重要的功能物质。增加土壤有机碳的储量，可提高土壤质量、改善土壤通透性、减少温室气体的排放［12］。研究结果显示，与传统耕作相比，前3 年0～40 cm 土层保护性耕作土壤碳储量与传统耕作之间无显著性差异，其原因可能是在整个过程中传统耕作与保护性耕作碳投入水平相当，所以整体碳储量没有明显差异。但从表1 可知保护性耕作土壤密度小，有利于有机碳的积累，减少了土壤有机质的矿化及淋溶作用，而传统耕作引起的土壤干湿交替提高了土壤有机碳矿化速率，加快土壤有机质的降解，此结论与前人研究结论相一致［6，13－14］。在2012 年，各土层保护性耕作比传统耕作增长快，并达显著差异。究其原因有两点，一是每年施入大量的有机肥，增加了有机碳的投入量，从而加快了有机碳在土壤中的储存［15］;二是保护性耕作耕翻时扰动小，增加了土壤的团聚性，从而增加了团聚体物理保护碳库的水平［16－17］。同时，随着耕作年限的增加其碳储量呈增长趋势，但只有保护性耕作有显著性差异，这与张明园［18］、刘红梅［19］近期研究结果一致。研究还发现，土壤碳储量随着土层深度的增加而减少，说明碳储量主要集中在表层，这可能是因为植物残体富集在表层，增加了碳的含量，与汪娟［7］、梁启新［20］、康轩［21］和Alvarez R［22］的研究结果吻合。

氮素是生态系统中构成生命体的重要成分。氮素是农作物生长所必需的大量营养元素，其含量丰缺程度是限制农作物产量的重要指标之一［23］。研究发现，土壤氮储量与土壤碳储量一样，均呈表层富集的现象，这与大多数的研究结果一致［24－25］，说明土壤碳与氮的分布与土壤中动植物残体分布规律一致，都主要在土壤上层活动。随着耕作年限的增加土壤氮储量呈增长趋势，说明保护性耕作能够增强土壤对氮的固持，提高其氮储量，这与潘剑玲等［26］的研究成果相吻合。在前3 年，保护性耕作与传统耕作的土壤氮储量无显著性差异，但在2012 年，除了20 cm～40 cm 土层无差异外，其余均达到显著性差异，说明氮含量主要集中在0～20 cm 土层。总体而言，保护性耕作比传统耕作氮储量高，但差异不明显，这与胡宁［9］、王彩霞［27］等的研究结果一致。

土壤有机碳与全氮之间有着密切的关系［23］。全氮含量与土壤有机碳的消长趋势是一致的，土壤氮素在一定程度上决定了有机碳的含量，而土壤对碳的固持常常受土壤氮水平的制约［20］，研究结果发现土壤有机碳与全氮的相关系数很高，整体达到R ＞0.99，与其他研究结果相一致。土壤碳氮比是土壤质量的敏感指标，通常被认为是土壤氮素矿化能力的标志［28］。研究结果显示，不管是保护性耕作还是传统耕作，土壤碳氮比均值都在11.0～11.5 左右，我国的土壤碳氮比在9～13 之间，试验区土壤碳氮比在我国土壤碳氮比的正常范围内。说明该区域土壤碳、氮含量处于正常水平略高。总体来讲，保护性耕作比传统耕作碳氮比高，因为在整个过程中，保护性耕作碳储量增加的幅度比氮储量要快。随着耕作年限的增加土壤碳氮比略有增加，但不明显，因为碳储量在增加的同时，氮储量也在增加，并且呈正相关关系，所以碳氮比基本保持不变。

综上分析，对于贵州喀斯特地区的典型旱地而言，较传统耕作相比，保护性耕作在前3 年短期的固碳效果不明显，但实施4 年的保护性旋耕后，土壤碳氮储量显著增加，故从长远的角度来说，保护性耕作具有明显的土壤固碳效应。研究中土壤碳氮储量的计算采用的是传统的等深度法，该法得出的结果可能因同深度土壤的质量不同而产生一定的偏差，故今后可进一步采用等质量法对此结果加以对比评价。此外，贵州是典型的喀斯特地区，石漠化正在加剧，土壤侵蚀严重，保护性耕作能够减弱土壤侵蚀，防止石漠化，而保护性耕作在该地区的研究还很少，故今后应加强这方面的研究，为贵州土壤可持续发展奠定理论基础。

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