杨彩红，耿艳香，伏星舟，严长庚，柴 强

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070；2.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)

甘肃河西走廊荒漠绿洲区地处中国西北内陆，是典型的风蚀区。严重的土壤风蚀导致绿洲耕地土壤退化和耕地质量下降，致使大量耕地废弃和生态日趋恶化，严重威胁当地的社会经济发展和生态安全。土壤风蚀不仅造成土壤养分的不断衰减、地表粗化及耕层变薄，而且引起土壤有机碳的损失和转移，土壤风蚀及风蚀过程中土壤碳源汇的变化已上升为全球性的生态环境问题。农田生态系统是重要的CO排放源和碳汇，作为全球碳库中最活跃的部分，易受各类田间措施的影响。耕作方式是影响土壤活性有机碳组分的关键因素之一。不同耕作方式下土壤理化性质会因植被覆盖、种植方式、土地利用类型等的差异而变化，进而影响土壤活性有机碳含量。保护性耕作能够减少土壤扰动，保护土壤团聚体结构，减少氧气进入土壤，从而降低土壤有机质的分解和CO的排放，提高耕地有机碳固持。

如何充分利用现有的耕地资源、减少由于深度耕作而引起的土壤质量下降，在现有耕地面积的基础上，提高土地生产力、开发荒漠绿洲区的农业生产潜力已成为我国农业可持续发展的重要研究方向。免耕轮作是提高农田土壤质量的保护性耕作措施之一。它可以通过调解土壤温度、增强土壤团聚体的稳定性、改善土壤的理化性质，达到促进土壤养分循环和生物学生长的效果，从而对土壤有机碳起到较强的保护作用。因此，以提高农田周年产出、促进生态安全为主要目标，在总结间套复合种植研究与实践经验的基础上，为最大限度规避不恰当的耕作方式对生态脆弱区自然环境的进一步破坏，积极响应国际碳中和发展战略，实现碳中和目标，有效协调土地健康保育、环境保护与农业增产之间的利益平衡，本研究以位于河西荒漠绿洲区典型种植模式单作小麦、单作玉米、小麦间作玉米为研究对象，将免耕、秸秆覆盖、复种、轮作集成在同一系统内，分析不同耕作方式下土壤呼吸、土壤总有机碳和有机碳组分的特点，探讨耕作和种植对土壤有机碳库和土壤呼吸的影响，以期为荒漠绿洲区多熟种植农田生态环境可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016-2018年在甘肃省武威市凉州区黄羊镇“甘肃农业大学河西绿洲现代农业教学科研基地”进行。基地位于河西走廊东端(37°96′ N，102°64′ E)，平均海拔1 506 m，多年平均气温约7.2 ℃，多年平均降水量156 mm，多年平均无霜期156 d，年蒸发量约2 400 mm，≥0 ℃的积温为3 513.4 ℃，≥10 ℃的为2 985.4 ℃，年太阳辐射总量504～630 kJ·cm，麦收后≥10 ℃有效积温1 350 ℃，属于典型两季不足、一季有余农业生产区。2016-2018年试验进行期间每月平均气温和降水量见图1。试验地土壤为厚层灌漠土，土壤容重为1.57 g·cm，耕层土壤有机质含量为12.50 g·kg，全氮、全磷含量为分别为0.68和1.42 g·kg。

图1 小麦玉米生育期降水量及日均气温Fig.1 Precipitation and daily average temperature during wheat and maize growth period

1.2 试验材料与设计

试验采用两因素裂区设计。其中，主因素为耕作方式，设常规耕作(常规收割)和覆盖免耕(小麦收获时留30 cm小麦高茬)2种耕作方式；副因素为种植模式，设小麦/玉米→小麦/玉米、小麦→冬油菜→玉米、小麦→玉米3种轮作模式；试验共设置6个处理，每个处理3次重复，共计18个小区，小区面积110 m(11 m×10 m )，具体试验处理见表1。

表1 不同处理设置及代码Table 1 Experimental design for specific treatment

供试春小麦品种为宁春4号，单作时播种密度为675万粒·hm，行距12 cm；间作时播种密度为375万粒·hm，带宽80 cm，每带种6行，行距12 cm。播种时间分别为2016年3月29日、2017年3月25日、2018年3月28日，收获时间分别为2016年7月20日、2017年7月26日、2018年7月17日。小麦收获后于8月中、下旬复种冬油菜，冬油菜品种为陇油6号，开沟条播，播深4 cm左右，深浅一致，行距20 cm，株距10 cm，播后及时沿播种沟镇压保墒，此后常规管理；本试验中冬油菜只起到冬季覆盖的作用，不计产量，下季作物玉米播种前收获冬油菜，直接将冬油菜翻耕还田。供试玉米品种为先玉335，单作时播种密度为 82 500株·hm，行距40 cm，株距30 cm，覆膜，间作时密度为52 500株·hm，带宽140 cm，每带种3行、行距40 cm、株距24 cm，播种时间分别为2016年4月23日、2017年4月22日、2018年4月15日，收获时间分别为2016年9月15日、2017年9月27日、2018年9月26日，玉米收获后秸秆不还田。单作及间作小麦带施纯N 225 kg·hm、纯PO150 kg·hm，全做基肥；复种冬油菜于返青期施纯氮225 kg·hm；单作和间作玉米带施纯N 360 kg·hm，按基肥∶大喇叭追肥∶灌浆期追肥=3∶6∶1分施，纯PO225 kg·hm，全做基肥。不同种植模式的灌溉制度见表2。

表2 不同种植模式的灌溉制度Table 2 Irrigation amount at different growth stages under different cropping systems mm

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤呼吸速率测定

于小麦开花期、玉米拔节期(2016年6月19日、2017年6月24日、2018年6月13日)，采用美国LI-COR公司生产的Li-8100A土壤CO通量自动测量系统(LI-COR，Lincoln，NE，USA)定点测量作物行间土壤呼吸速率。土壤呼吸速率测定前1 d，在作物行间中央位置预先放置土壤呼吸测定系统自带的PVC圈 (直径20 cm，高6 cm)作为土壤呼吸测定室，为减少土壤表层微环境因素的干扰，PVC圈插入土中深度为2～3 cm，测定时间为上午9:00-11:00，每小区3次重复，每次测定时长180 s。

1.3.2 土壤有机碳及组分测定

小麦、玉米收获后在上述圈外小区内取0～5 cm、5～20 cm土层土样作为土壤有机碳的分析样品，过2 mm的网筛，带回实验室进行土壤有机碳测定。土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定，土壤微生物量碳(MBC)含量采用氯仿熏蒸法测定，土壤水溶性有机碳(ROC)含量用Jones等提出的方法测定，重组有机碳(HFOC)含量参照Janzen等的分离方法测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0软件进行统计分析和制图，处理间的多重比较采用最小显著差异法(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对土壤呼吸的影响

不同处理土壤呼吸速率随着种植年限时间的推移均有所变化。传统耕作处理的土壤呼吸速率高于免耕处理(图2)。在2017和2018年，传统耕作处理CT1-W、CT1-M、CT2、CT3的土壤呼吸速率较相应免耕处理NT1-W、NT1-M、NT2、NT3分别增加了5.51%、5.44%、5.37%、16.74%和37.08%、1.26%、68.63%、71.92%，其中小麦→玉米→小麦(T3)轮作模式下不同耕作方式间差异显著。在2016和2017年，T3轮作模式下土壤的呼吸速率明显高于其他两种轮作模式，T3的土壤呼吸速率分别较小麦/玉米→小麦/玉米→小麦/玉米(T1)和小麦-冬油菜→玉米→小麦(T2)分别增加了 13.26%、11.22%和 23.64%、22.03%，处理间差异均显著。与前两年度相反，2018年度T3处理的土壤呼吸速率反而有所下降，分别较T1和T2处理下降了36.36%和7.40%，与T1处理差异显著。

2.2 耕作方式对土壤有机碳的影响

与传统耕作相比，2016年度由于受前茬作物的影响，各免耕处理有机碳含量变化不一致，(图3)。在2017和2018年度，免耕处理的土壤有机碳含量有所提高，在作物收获后，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3处理0～5 cm土层的土壤有机碳含量分别较相应传统耕作处理增加了12.75%、23.92%、12.34%、23.74%和3.42%、13.27%、6.78%、12.60%，5～20 cm土层土壤有机碳含量分别较相应传统耕作处理增加了 5.87%、17.16%、23.10%、37.11%和21.79%、25.21%、5.88%、14.62%，与土壤呼吸变化规律基本一致。不同轮作模式之间，在2017和2018年，T2处理0～5 cm、5～20 cm土层土壤有机碳较其余两个轮作处理模式分别增加了18.86%、11.50%和16.12%、21.76%，但处理间差异均不显著。

不同处理土壤有机碳含量随土壤深度增加呈现不同的变化规律。从图3可以看出，随土壤深度的增加，2016年不同处理间变化不一致；在2017和2018年，0～5 cm土层的有机碳含量高于5～20 cm土层，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3、CT1-W、CT1-M、CT2、CT3处理的0～5 cm土层的有机碳含量较5～20 cm土层分别增加了 7.73%、10.53%、23.96%、26.79%、14.47%、17.84%、13.32%、11.22%和21.12%、22.10%、5.28%、20.02%、2.60%、9.66%、6.18%、18.13%，不同处理间差异均不显著。

W：小麦；M：玉米。图柱上不同字母表示同一年份不同处理间差异达到5%显著水平。下图同。W:Wheat;M:Maize.Different lowercase letters above the columns indicate that the significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in figure 3.图2 不同处理下土壤呼吸速率变化Fig.2 Changes of soil respiration under different treatments

图3 不同处理下土壤有机碳的变化Fig.3 Change of soil organic carbon content in different soil depth under different treatments

2.3 不同耕作方式下土壤有机碳组分变化

不同处理间土壤有机碳组分含量存在一定差异(表3)。2016和2017年各指标在不同耕作方式和轮作模式间差异表现不一，5～20 cm土层的微生物碳含量远高于0～5 cm土层，但不同处理间差异不显著。2018年免耕处理的土壤微生物量碳含量在三种轮作模式下均显著高于相应的传统耕作处理，其中在0～5 cm土层，NT2处理土壤微生物碳含量分别较CT1-W、CT1-M、CT2、CT3处理高出28.97%、22.22%、4.51%、11.23%，而在5～20 cm土层，土壤微生物碳含量为1.98～2.66 mg·kg，免耕下3种轮作模式间差异不显著；不同处理表现为NT1-M>NT2>NT3>CT3>CT1-M>NT1-W >CT2>CT1-W。

表3 不同耕作方式对土壤有机碳组分变化情况Table 3 Distribution of the fractions of soil organic carbon in different soil layers under different treatments

除2016年的NT1-M和 NT2处理外，其余处理0～5 cm土层的水溶性有机碳含量均高于 5～20 cm土层，且2018年度免耕处理0～5 cm土层的水溶性有机碳含量均低于相应的传统耕作处理，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3处理较相应传统耕作处理分别降低了22.97%、9.14%、13.57%、6.55%；不同轮作模式之间，T2处理的0～5 cm土层水溶性有机碳含量较T1和T3处理分别降低了3.08%和 2.40%，但不同处理间差异均不显著。

2016-2018年，小麦/玉米免耕处理中NT1-W处理土壤重组有机碳含量均高于其他处理，但与NT1-M、NT2处理差异均不显著，NT1-W处理0～5 cm和5～20 cm土层的土壤重组有机碳含量分别较CT2、CT3处理的高出19.87%～ 34.60%、18.33%～30.38%和16.15%～ 31.33%、14.63%～33.89%，说明小麦间作玉米免耕处理提高土壤重组有机碳含量的效果最优，NT2处理次之，主要是免耕减少了对农田土壤的扰动，改善了土壤生态环境和理化特性，从而有利于土壤耕层有机碳的储存。

3 讨 论

3.1 耕作方式对土壤呼吸及有机碳的影响

土壤呼吸是农田生态系统碳循环的重要过程，是农田土壤中有机碳以CO形式返回到大气的主要途径。研究表明，东北、华北、华南地区单作或轮作农田秸秆还田腐解后能提高土壤有机碳含量，从而促进了土壤呼吸和CO排放，西北旱作农业区秸秆还田降低了CO排放量，秸秆制成的生物炭可以显著降低温室气体排放。免耕由于减少了作物残茬与土壤的接触，保护土壤团聚体结构免受破坏。免耕可减少CO排放。本研究中，小麦/玉米→小麦/玉米→小麦/玉米、小麦-冬油菜→玉米→小麦、小麦→玉米→小麦三种轮作模式在免耕条件下土壤呼吸速率有效降低，其中2016-2018年传统耕作CT1-W、CT1-M、CT2、CT3处理的土壤呼吸速率分别较相应免耕处理增加了5.51%～37.08%、1.26%～ 6.44%、5.37%～68.63%%、16.74%～71.92%。这与生态系统演替理论认为的传统耕作等扰动环境下土壤呼吸量观点较大一致，可能是由于免耕有效降低土壤通透性、增加土壤紧实度，导致土壤有机碳损失减少，CO释放量降低。

农田土壤有机碳作为农田生态系统中最重要、最活跃的碳库，对土壤肥力和基础地力起到最基本的保障作用，影响着农田耕地生产力及其可持续性。Liu等研究表明，免耕覆盖和深松可以增加0～30 cm土层有机碳含量，而李婧妤等研究发现，免耕显著提高了0～10 cm表层土壤有机碳储量，但对农田土壤有机碳储量影响存在区域性差异，这主要是由于地区气候、作物类型、土壤性质等的差异，说明土壤物理及化学性质会影响土壤有机碳的分解转化。在自然和人为双重干扰下，农田土壤碳库较为活跃。本试验中，随着种植年限的增加，传统耕作表层土(0～5 cm)壤有机碳高于免耕处理，与前人研究结果不一致，这可能与耕作导致的作物地上地下生物量分配、生物因子、土壤容重、孔隙度、通气性、持水能力、微生物活性及耕作、施肥、灌溉等人为因子的变化密切相关，因此仍需要从机理方面对河西荒漠绿洲区基于保护性轮作开展进一步研究。

3.2 轮作对土壤呼吸及有机碳的影响

种植模式的不同会导致农田小气候环境不同，其中间套作系统内不同作物形态和生态型上的错位搭配形成的空间生态位互补和生育期上的时间生态位互补会影响农田碳排放。Chen等研究表明，冬小麦-大豆轮作农田通过增温和秸秆还田增加了不同生长季节土壤呼吸。Xavier等对16年连续田间定位试验研究了作物轮作和序列效应对长期免耕后CO排放时间变化的影响，结果表明，土壤水分可以解释单作/轮作条件下50%以上土壤CO排放变化。卢闯等对夏玉米-冬小麦轮作期土壤呼吸的温度敏感性分析发现，在整个轮作周年，土壤温度和土壤含水率分别解释54%、28%的土壤呼吸变化。本研究不同种植模式土壤呼吸速率在各年份表现不一致，有必要对土壤呼吸进行长期自动连续监测，以明确作物不同生育期土壤呼吸的敏感性及其与温度、水分的关系。

有研究表明，轮作能促进土壤大团聚体形成，有利于增加土壤团聚体的有机碳含量，可改善土壤团聚体组成及稳定性，增加土壤的固碳能力，影响土壤有机碳组分的变化，但不同轮作模式间有差异。本研究中，2017和2018年度，小麦-冬油菜→玉米→小麦种植模式0～5 cm和5～20 cm土层土壤有机碳较小麦/玉米→小麦/玉米→小麦/玉米和小麦→玉米→小麦有所增加，且有利于提高土壤重组有机碳。土壤微生物量碳、溶解性有机碳、重组有机碳与总有机碳相比，更能反映土壤质量及肥力变化，促进土壤养分供应。本研究中免耕轮作有利于提高土壤微生物量碳和重组有机碳，以免耕小麦/玉米和间作和小麦-冬油菜→玉米→小麦效果较佳。因此，在西北荒漠绿洲灌溉农田中，可以通过免耕留茬结合轮作使空气中更多的CO进入农田系统，改善农田生态环境，从而实现固碳增汇减排的目的。