安崇霄，张永杰，符小文，杜孝敬，徐文修，房彦飞，厍润祥

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】土壤有机碳储量丰富，是陆地生态系统中最大的碳库[1]，占生物圈陆地部分总碳贮量的比例超过2/3，其总碳储量相当于大气中所含碳的两倍[2-3]，且土壤每年向大气排放的CO2量约占CO2总排放量的5%～20%[4]。农作物种植过程中不同耕作措施对土壤都会产生不同程度地扰动，使土壤中的碳与大气不断进行交换，进而引起大气CO2的剧烈波动[5]，造成全球温室效应加剧。但合理的耕作措施不仅可以减缓土壤有机质分解，使土壤团聚体完整，还可以促进土壤固碳，提升土壤质量，控制CO2排放，从而减缓温室效应[6]。在作物生产中如何采取合理的土壤耕作措施来减缓土壤CO2的排放及保持土壤有机碳及其组分含量来保持土壤质量目前已成为国内外研究热点。【前人研究进展】土壤总有机碳是土壤养分循环转化的核心，其含量高低是决定土壤肥力的关键因素[7]，而土壤微生物有机碳是比土壤有机碳更敏感的指标，可用来指示土壤肥力的动态变化和反映土壤质量状况[8]；颗粒有机碳是对表层土壤中植物残体的积累和根系分布的变化响应非常敏感，容易受土壤管理方式的影响[9]，能够稳定被异氧微生物利用作为能源及碳源，是植物营养的主要来源，用它可指示土壤有机质的早期变化[10]。研究表明[11-13]土壤有机碳及其组分的变化是响应不同土地利用方式和环境对土壤有机碳库影响的重要环节。适当的土地使用和土壤管理，能够提高土壤质量，从而减缓大气CO2浓度的上升。张洁等[14]研究表明,有机碳及其不同组分对农田管理措施的响应不同，不稳定组分(颗粒有机碳、易氧化有机碳、轻组有机碳、微生物有机碳等)对种植制度和耕作措施的反应更为敏感，可以作为响应土壤有机碳和土壤质量变化的早期指标。刘红梅等[15]研究表明,耕作方式对土壤总有机碳质量分数和活性有机碳质量分数具有显著的影响，土壤总有机碳与活性有机碳都可作为评价耕作方式影响土壤质量变化与固碳能力的有效指标。王丹丹等[16]研究表明,免耕和秸秆还田等保护性耕作措施提高了稻田土壤活性有机碳含量。【本研究切入点】关于土壤耕作对浅层土壤中有机碳及其组分含量的影响，尤其是在雨养农业地区及旱地秸秆还田下的长期土壤耕作对土壤有机碳及其组分含量变化的影响，前人已有了大量研究，但对于新疆干旱半干旱条件下滴灌农田土壤碳的研究仅见不同管理措施下的棉田土壤[17]，关于耕作措施作用于农田大豆土壤碳的研究仍有待完善。伊犁河谷地处新疆北部，是典型的绿洲灌溉农业区。在全球气候日益变暖的背景下，无霜期增长，有效积温增多，促进了麦后复播种植面积不断增大[18-19]。复播种植比单作会影响土壤中CO2的排放。【拟解决的关键问题】试验通过对麦后复播大豆在不同耕作措施下的土壤有机碳含量的研究，分析复播条件下的土壤周年总有机碳、微生物有机碳以及颗粒有机碳对耕作措施的响应，在对免耕、深松、翻耕和翻耕覆膜4种耕作措施对土壤有机碳及其活性组分影响作出评价，为复播条件下土壤进行合理耕作措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验在新疆伊犁哈萨克自治州伊宁县农业科技示范园(81°33′E，43°56′N，海拔790 m)进行，该区年平均日照可达2 800～3 000 h，年平均气温8.9℃，年均降雨量257 mm。全年无霜期169～175 d[20-21]。试验地土地平整，土壤为灰钙土，0～30 cm土壤有机质含量16.50 g/kg，碱解氮含量76.7 g/kg，速效磷含量14.8 mg/kg，速效钾含量139 mg/kg，pH为8.00。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

于2017年7至10月进行麦后复播大豆田间大区试验。冬小麦播前进行翻耕处理，冬小麦收获时留茬高度25 cm。试验设4个处理，处理1为翻耕(T)，犁翻深28 cm，联合整地机整地。处理2为翻耕覆膜(TP)，在翻耕的基础上覆膜，膜宽70 cm。处理3为深松(ST)，冬小麦收获后，采用深松机械，深度为50 cm。处理4为免耕(NT)。每个处理总面积均为100 m2(4 m×25 m)。供试大豆品种为黑河43。播种方式为30 cm等行距人工点播，播种密度52.5×104株/hm2。各处理均在开花期随水追施尿素150 kg/hm2(纯N 69 kg/hm2)。灌溉方式为滴灌。复播大豆全生育期共灌水8次，共计4 200 m3/hm2。其他田间管理措施同当地。

1.2.2 测定项目

于2017年10月13日复播大豆收获后，各小区采用“S”取样法取土样，每个点深度分别为0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm>40～60 cm，每个处理3个重复，将每个重复取得的同一层次土样混合均匀带回实验室。新鲜土样通过2 mm筛后，4℃保存供分析微生物生物量碳含量，另一部分在室温下风干后过2、1和0.25 mm筛子后装自封袋，进行土壤有机碳、颗粒有机碳及土壤微生物有机碳的测定。

1.2.2.1 总有机碳测定

参照鲁如坤[22]的用重铬酸钾氧化-分光光度法测定。

1.2.2.2 土壤活性有机碳测定

土壤微生物有机碳：用氯仿熏蒸-K2SO4提取法。

颗粒有机碳：依据Wander等[23]提供的方法测定土壤颗粒有机碳(Particulate organic carbon，POC)。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010作图，用SPSS19.0软件统计分析试验数据。

2.结果与分析

2.1 不同耕作方式对复播大豆农田土壤总有机碳(SOC)的影响

研究表明，各处理不同土壤层次下的SOC质量分数均随土层深度的增加基本上呈现下降趋势。在0～30 cm耕层中NT与ST处理的SOC质量分数均无显著差异，但TP与T处理的则随深度加大逐渐呈现显著差异。而在深度>30 cm以下，不同深度下各处理间均表现为NT、T与ST、TP呈现显著差异。

在0～10 cm土层，NT处理的SOC质量分数最高，ST处理的次之，且均与TP和T处理的呈现显著差异。这可能是由于TP与T处理对土壤扰动强于深松和免耕，加速了表土层有机物质的分解，减少了SOC质量分数。在10～30 cm土层中，TP处理的与其余三种处理的形成显著差异，说明翻耕使大量残茬进入耕层后，在地膜的提温保墒作用下促进了秸秆腐化从而转化为矿物质储存。而在土层深度至30 cm以下，TP与ST处理的SOC质量分数呈现大幅度下降，分别平均降低了67.18%、67.21%，可能由于深层土壤中有机质较少，地膜对土壤水分和温度较比于其他三种处理具有一定提升作用，加速了矿物质分解，降低了SOC的质量分数，地膜对深层土壤有机碳也有一定影响。而深松处理下机械作用有效深度达50 cm，增加了地表水分向深层土壤渗透，活化生土层，加速了矿物质分解。图1

图1 不同耕作方式下复播大豆农田土壤总有机碳变化
Fig. 1 Effects of different tillage methods on soil organic carbon in the soil of the cultivated soybean

2.2 不同耕作方式对复播大豆农田土壤微生物有机碳(MBC)的影响

研究表明，各处理复播大豆农田土壤MBC质量分数变化趋势均随土壤深度增加基本上呈现缓慢下降的趋势。在0～30 cm耕层中NT与ST处理的MBC质量分数均无显著性差异，但TP与T处理的则随深度加大逐渐呈现显著差异(P<0.05)。而在深度至30 cm以下，除机械深度达50 cm的深松处理外，其余三种处理的MBC质量分数无显著差异，且ST处理的与其余三种处理的存在显著差异。

0～10 cm土壤表层，NT处理的MBC质量分数达109.69 mg/kg，ST处理次之为105.92 mg/kg，且均与TP、T处理的存在显著性差异(P<0.05)，这可能是由于免耕处理对土壤表土层的扰动极小，且麦后茬口及残根分解腐化，为表层土壤微生物提供了充足碳源，提高了表层土壤微生物活性。在10～30 cm的土层中，作为根系的活跃层，各处理间的MBC质量分数基本表现为：TP>T>NT>ST，可能是因为翻耕对耕层土壤扰动较大，使大豆根系得以更为有利的生长和分布，且麦后茬口及残根因机械扰动翻入耕层发生腐化分解，增加了耕层土壤微生物活性。而地膜覆盖能够提温保墒，进一步为耕层土壤中微生物提供适宜的生长环境，获得最高的MBC质量分数。土层深度至30 cm以下，深松处理的显著高于其余三种处理，这可能是土壤由于深松农机具作用，打破犁底层且疏松深层土壤，进而为深层土壤微生物提供适宜的生长环境，土壤MBC的质量分数对外界机械作业具有明显的动态响应。图2

图2 不同耕作方式下复播大豆农田土壤微生物有机碳变化
Fig.2 Effects of different tillage methods on soil microbial biomass carbon in soybean field

2.3 不同耕作方式对复播大豆农田土壤颗粒有机碳(POC)的影响

研究表明，各处理农田土壤POC质量分数的变化趋势与SOC和MBC质量分数变化趋势基本相似。在0～10 cm土层中，NT处理的POC质量分数最高，其次是ST处理的，且与T、TP处理的存在显著差异(P<0.05)，而NT与ST处理间的、TP与T处理间的则均无显著差异，说明免耕与深松能够减少对表层土壤扰动，麦后茬口及残根腐化分解，提高了有机质含量，使土壤的团聚体得以稳定并促进形成，进而大幅增加了POC质量分数。在10～30 cm耕层，TP处理的POC质量分数较NT、ST与T处理的分别高出8.16%、8.16%和11.34%，说明在耕作土层中，地膜覆盖促进了秸秆的腐化积累，增加了土壤中颗粒有机碳含量，从而获得最较高的POC质量分数。土壤深度至30 cm以下，随土层深度增加，深松处理逐渐与其余三种处理的POC质量分数差异性增大并呈显著性差异。这可能是深松农机具作用于深层土壤后，促使土壤矿物质分解后转化为POC，进而活化了生土层。图3

图3 不同耕作方式下复播大豆农田土壤颗粒有机碳变化
Fig.3 Effects of different tillage methods on soil particle carbon in the soil of the compound sowing soybean field

2.4 土壤微生物有机碳占总有机碳的比例及剖面分布

研究表明，四种耕作措施的MBC/SOC比例均随着土壤深度增加基本上呈现先递减后增加趋势，并在深度至60 cm的土层中达到各处理的最高点。在0～60 cm土层中各处理的MBC占SOC比例的范围在1.29%～2.35%。

在0～30 cm的耕作土层中，MBC/SOC的比例随着土壤深度增加略有减小，各处理间基本无显著差异。随着土壤深度加深，在>30～60 cm的土层中，各处理之间的MBC/SOC比例均呈现大幅增长，尤其以ST处理的MBC/SOC比例增长最为明显，其次为翻耕覆膜，基本表现为ST>TP>T>NT。这可能是由于深松机械作用增加了耕层厚度与深层土壤的通透性，使外界水分能够更好渗入深层土壤中，为微生物活动与繁殖提供了良好生存环境。图4

图4 土壤微生物有机碳占总有机碳比例的剖面分布
Fig.4 Profile distribution of soil microbial biomass carbon to total organic carbon fraction

2.5 土壤颗粒有机碳占总有机碳的比例及剖面分布

研究表明，四种耕作措施下的POC/SOC随土壤深度增加基本上呈现先减小后增加的趋势，并在深度至60 cm土层中各处理的POC/SOC比例达到最大值。在0～60 cm土层中不同耕作措施下的POC占SOC的比例范围是17.81%～31.99%。

在0～30 cm耕作土层中，NT、ST与T、TP处理的POC/SOC比例存在差异，且NT、ST与T、TP处理的分别在土壤深度20与30 cm处达到处理自身的最低值。在>30～60 cm的土层中，随着土壤深度的增加，各处理的POC/SOC比例呈现大幅增加，其中以ST处理的POC/SOC比例增长最为显著，其次为翻耕覆膜，基本表现为ST>TP>T>NT。这可能是由于深松农机具能够有效打破犁底层，增加深层土壤水分，致使深层土壤有机质发生分解和矿化，活化生土层，从而提高POC/SOC比例。而覆膜可能提高了>30 cm土层的温度和水分，也促进了深层土壤有机质发生分解和矿化，从而提高POC/SOC比例。图5

图5 土壤颗粒有机碳占总有机碳比例的剖面分布
Fig.5 Profile distribution of soil particulate organic carbon as a percentage of total organic carbon

3 讨 论

3.1 耕作措施对于总有机碳、颗粒有机碳及其微生物有机碳的影响

不同耕作措施对于土壤有机碳的含量及其组分影响不同[24-25]，严昌荣等[26]研究表明,机械翻耕可以使作物残茬更加均匀的分布在土壤深处，有机碳更有利于在10～40 cm土层中分布，从而增加深层土壤有机碳的含量。马忠明等[27]研究表明，不同耕作措施下的土壤总有机碳、微生物有机碳、颗粒有机碳三种碳含量随着土层深度的增加而递减，且处理之间差异逐渐减小。武均、姜学兵等[28-29]研究显示，免耕处理可以有效提高0～10 cm表层土壤中有机碳及其组分含量，能够减少土壤的扰动次数，具有培肥地力作用。这与试验结果基本一致。研究表明，免耕与深松处理下的土壤总有机碳、微生物有机碳和颗粒有机碳质量分数均表现为表土层的含量最高，且免耕与深松不存在显著差异。而在10～30 cm的耕层，则以翻耕覆膜处理下的土壤总有机碳、微生物有机碳和颗粒有机碳质量分数最高。说明农机具将残茬翻入耕层后，覆膜能够加速其腐化分解，从而增加了土壤有机碳及其组分含量。

3.2 耕作措施对于微生物有机碳、颗粒有机碳占总有机碳比例的影响

土壤微生物有机碳与颗粒有机碳被认为是土壤活性有机质的组分和量度指标，研究不同有机碳组分占总有机碳的比例更有助于了解土壤剖面碳素分布与水热条件的关系[30]。通过前人研究结果表明，微生物有机碳与颗粒有机碳占土壤总有机碳比例范围分别为1.48%～2.82%[31]，16%～44%[32]。研究结果表明,MBC/SOC与POC/SOC的比例范围为1.29%～2.35%与17.81%～31.99%。这与前人研究结果基本一致，且从中可以看出温度、水分和耕作措施是影响土壤微生物有机碳和颗粒有机碳剖面分布特征的重要因素。免耕对于0～10 cm表层土壤中MBC、POC占SOC的比例具有提升的作用，而机械扰动能够使残茬均匀分布在10～20 cm耕层，在其腐化分解后一部分能够转化为MBC及POC来增加SOC的含量，提升该层次土壤肥力，其中以翻耕覆膜最为明显，其次为翻耕。但土壤深度至30 cm以下，因无外界有机质的补充，深松机械作用增加了耕层厚度与深层土壤的通透性[33-35]，使外界水分能够更好渗入深层土壤中，表现为该层次土壤中有机质的分解最快，其次为翻耕覆膜，使总有机碳含量大幅减小，其各组分含量主要以POC含量为主，从而造成该层次土壤肥力的损耗。

4 结 论

深松和免耕均能够有效增加表层土壤的SOC、MBC和POC的质量分数，其中深松对土层深度30 cm以下的MBC、POC质量分数与比率具有显著提升，而在土层20～30 cm翻耕覆膜能够更好保持土壤中SOC、MBC和POC的质量分数。不同耕作措施对复播大豆土壤总有机碳、微生物有机碳及颗粒有机碳在不同土壤层次间均存在显著影响。免耕与深松均有利于增加土壤表层总有机碳、微生物有机碳和颗粒有机碳的含量，且无显著性差异，而翻耕覆膜则有利于增加根系层土壤的总有机碳、微生物有机碳和颗粒有机碳的含量，且土壤有机碳及其组分含量的增加不仅有利于土壤肥力的改善，而且可以减少土壤的碳排放。但在无外界有机质的补充环境下，深松与翻耕覆膜对于深层土壤有机质会产生较大的损耗，因而在麦豆周年种植中，具体采取免耕、深松还是翻耕覆膜土壤耕作措施，不仅要考虑土壤固碳，还要考虑大豆的产量问题。