楊思存，王成寶，霍 琳，姜萬(wàn)禮，溫美娟

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不同耕作措施對(duì)甘肅引黃灌區(qū)耕地土壤有機(jī)碳的影響

楊思存，王成寶，霍 琳，姜萬(wàn)禮，溫美娟

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

為了探明不同耕作措施對(duì)甘肅引黃灌區(qū)耕地土壤有機(jī)碳的影響，2014－2017年在連續(xù)翻耕8 a的玉米地上設(shè)置翻耕（CT）、旋耕（RT）、深松（ST）、免耕（NT）4個(gè)單一耕作處理和翻耕-免耕（CT-NT）、深松-免耕（ST-NT）2個(gè)輪耕處理開(kāi)展了研究。結(jié)果表明，連續(xù)免耕（NT）顯著增加了0～40 cm土層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量（<0.05），平均比CT增加4.45%和5.27%，比RT增加7.23%和8.50%；連續(xù)深松（ST）也有較好的固碳效果，在4個(gè)單一耕作措施中僅次于NT；連續(xù)翻耕（CT）和旋耕（RT）顯著降低了土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量（<0.05），RT的降低幅度大于CT。CT-NT和ST-NT 2個(gè)輪耕處理既有較好的固碳效果，又符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)民操作習(xí)慣，有機(jī)碳含量分別比CT增加2.44%和4.82%，比RT增加5.12%和7.55%；有機(jī)碳儲(chǔ)量比CT增加2.50%和5.47%，比RT增加5.64%和8.70%。不同耕作制度會(huì)使土壤有機(jī)碳發(fā)生層化，但有機(jī)碳含量的層化更多表現(xiàn)在不同土層之間，相同層次各處理之間變化不大；而有機(jī)碳儲(chǔ)量只在耕層以下發(fā)生了層化，相同土層各處理之間也表現(xiàn)出比較明顯的層化特征。因此，綜合分析認(rèn)為，任何一個(gè)單一耕作措施都有其局限性，CT-NT和ST-NT是比較理想的耕作模式，在該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

土壤；有機(jī)碳；耕作措施；層化比；甘肅引黃灌區(qū)

0 引 言

引黃灌區(qū)地處甘肅中部，地勢(shì)平坦，土地肥沃，農(nóng)田保灌率高，是甘肅省重要的綜合農(nóng)業(yè)商品生產(chǎn)基地。但從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高和小型耕作機(jī)具的普及，長(zhǎng)期單一的旋耕和淺耕作業(yè)導(dǎo)致耕層逐漸變淺及上層土壤粉化，作物秸稈得不到合理還田利用，小型農(nóng)機(jī)具反復(fù)碾壓及大水漫灌加劇了下層土壤沉積壓實(shí)，犁底層不斷加厚，導(dǎo)致耕層深度平均只有16.5 cm、土壤容重普遍在1.4 g/cm3左右、緊實(shí)度超過(guò)1 000 kPa。這種“淺、實(shí)、少”的耕層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重阻礙了作物根系的深層分布和水肥吸收功能，致使作物水肥資源利用率降低、抗逆減災(zāi)能力和產(chǎn)出能力變?nèi)?，制約了該地區(qū)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和耕地可持續(xù)利用[1]。本文的目的是研究不同耕作措施對(duì)甘肅引黃灌區(qū)耕地土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的影響，重點(diǎn)分析土壤有機(jī)碳的變化。

土壤有機(jī)碳（SOC）是土壤的重要組成部分，在土壤肥力、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面起到重要作用，不僅反映了土壤質(zhì)量的好壞，也直接影響了土壤肥力和作物產(chǎn)量的高低，同時(shí)也是減緩溫室效應(yīng)的重要途徑之一，其儲(chǔ)量及動(dòng)態(tài)平衡一直是農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2-4]。耕作是對(duì)土壤有機(jī)碳影響最大的人為因素，全球每年由于耕作損失的土壤有機(jī)碳約0.06%[5]。在諸多耕作措施中，翻耕被認(rèn)為是引起農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量下降的重要因素，其原因是翻耕破壞了農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤透氣性增加，微生物活性提高，從而加速了土壤有機(jī)碳的分解速度[6-7]。為此，國(guó)際社會(huì)一直在努力尋求能減少碳排放的措施。世界糧農(nóng)組織（FAO）在2010年第22屆農(nóng)業(yè)委員會(huì)會(huì)議上設(shè)立了全球土壤伙伴關(guān)系組織（GSP），法國(guó)農(nóng)業(yè)部部長(zhǎng)在2015年第21屆聯(lián)合國(guó)巴黎氣候大會(huì)期間正式提出了“千分之四”計(jì)劃，目標(biāo)都是通過(guò)計(jì)劃參與者實(shí)施的各項(xiàng)行動(dòng)，增加土壤碳庫(kù)以發(fā)展可持續(xù)的氣候友好型農(nóng)業(yè)[8]?；诖耍藗兗哟罅藢?duì)保護(hù)性耕作技術(shù)的研究，認(rèn)為保護(hù)性耕作減少了耕作帶來(lái)的對(duì)土壤的翻動(dòng)，使深層土壤接觸空氣的機(jī)會(huì)減少，土壤原有機(jī)質(zhì)的氧化和礦化減弱，土壤水分蒸發(fā)也減少，而且，殘留于田間或另外覆蓋于土壤之上的秸稈等有機(jī)物料的降解也使歸還回土壤的有機(jī)碳數(shù)量增多，可以不同程度地增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[9]。但也有研究認(rèn)為，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕通常增加的土壤有機(jī)碳主要集中在土壤表層，并不總是引起整個(gè)土體土壤有機(jī)碳的增加[10-12]。而且長(zhǎng)期免耕也會(huì)帶來(lái)土壤緊實(shí)，成為制約作物持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的新問(wèn)題。在此背景下，深松技術(shù)近年來(lái)逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用[1]，成為改善長(zhǎng)期旋耕、免耕農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)、恢復(fù)耕層深度、降低土壤容重、促進(jìn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效手段[13-15]，但其對(duì)土壤有機(jī)碳的影響如何，相關(guān)的研究報(bào)道還比較少。因此，本研究設(shè)置了4個(gè)單一耕作措施和2個(gè)輪耕措施，旨在通過(guò)4a的定位研究，來(lái)探討不同耕作措施及其輪耕措施對(duì)土壤有機(jī)碳的短期影響，進(jìn)而為建立適宜的翻耕、深松、免耕相結(jié)合的耕作制度體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在甘肅省靖遠(yuǎn)縣北灘鎮(zhèn)景灘村（37°05′N，104°40′E），海拔1 645 m，是黃河水經(jīng)提升480 m形成的新灌區(qū)，處在旱地農(nóng)業(yè)向荒地牧地過(guò)渡線以北，屬黃土丘陵溝壑干旱區(qū)，年平均降水量259 mm，蒸發(fā)量2 369 mm；年平均氣溫6.6 ℃，大于0 ℃和10 ℃的積溫分別為3 208 ℃和2 622 ℃，無(wú)霜期160～170 d；年日照時(shí)數(shù)2 919 h，輻射量616.2 kJ/cm2。試驗(yàn)地土壤類型為灰鈣土，質(zhì)地為中壤，成土母質(zhì)為洪積黃土，試驗(yàn)前8 a連續(xù)采用翻耕方式，種植作物均為玉米，播前耕層土壤（0～20 cm）有機(jī)質(zhì)12.58 g/kg，全氮1.22 g/kg，全磷1.09 g/kg，全鉀1.35 g/kg，堿解氮45.4 mg/kg，速效磷11.5 mg/kg，速效鉀193 mg/kg，pH值8.25，容重1.43 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年10月開(kāi)始，在連續(xù)翻耕8 a的玉米地上設(shè)置翻耕（CT，15～18 cm）、旋耕（RT，10～13 cm）、深松（ST，35～40 cm）、免耕（NT）4個(gè)單一耕作措施和翻耕-免耕（CT-NT）、深松-免耕（ST-NT）2個(gè)輪耕措施，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積330 m2（33 m×10m），種植作物為玉米（先玉335），密度7.5萬(wàn)株/hm2。試驗(yàn)地采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)栽培條件下已經(jīng)成熟的灌溉施肥制度，氮肥用尿素（含N46%），磷肥用磷二銨（含N18%、P2O546%），施肥量為氮肥（N）375.0 kg/hm2、磷肥（P2O5）150.0 kg/hm2，40%的氮肥和全部磷肥作為基肥，于播種前結(jié)合整地施入耕層，剩余60%氮肥于玉米拔節(jié)期結(jié)合灌水追施；試驗(yàn)地全年灌水5次，灌溉定額6 750 m3/hm2，灌水分配比例為出苗-拔節(jié)13%、拔節(jié)-抽雄22%、抽雄-乳熟25%、乳熟-成熟20%、冬灌20%。各耕作措施均在每年10月份玉米收獲后實(shí)施，為防止第2年覆膜時(shí)深松、免耕處理的地膜被玉米根茬劃破，并確保各處理留在土壤中的根系量相同，玉米收獲時(shí)用鐵锨沿地面將地上部整體移除。翻耕（CT）仍沿用以前的方式，用蘭駝1LF型翻轉(zhuǎn)犁，配置15 kW手扶拖拉機(jī)實(shí)施；旋耕（RT）用東方紅1GQN-125型旋耕機(jī)，配置21 kW小四輪拖拉機(jī)實(shí)施；深松（ST）用沃野ISQ-340型全方位深松機(jī)，配置66 kW四輪拖拉機(jī)實(shí)施；免耕（NT）第二年春季用拓新2BYJ-7免耕施肥播種機(jī)，配置40 kW四輪拖拉機(jī)實(shí)施。不同耕作措施實(shí)施后的耙耱、鎮(zhèn)壓、開(kāi)溝覆膜等措施及田間管理同當(dāng)?shù)卮筇?，試?yàn)處理流程見(jiàn)圖1。

注：CT為翻耕，RT為旋耕，ST為深松，NT為免耕。下同

1.3 取樣與測(cè)定方法

土壤容重：采用環(huán)刀法，即用重量為0、體積（）為 100 cm3的環(huán)刀，分0～10、10～20、20～30和30～40 cm 4個(gè)層次采集原狀土樣，重復(fù) 3 次，密封帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃下烘干24 h，冷卻后稱質(zhì)量（1），則土壤容重（g/cm3）：b=(1?0)/。

土壤有機(jī)碳：2013－2017年秋季玉米收獲時(shí)，各小區(qū)單獨(dú)取樣，每個(gè)小區(qū)分0～10、10～20、20～30和30～40 cm4個(gè)層次多點(diǎn)取樣混合，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除石礫及植物殘茬等雜物，磨碎，過(guò)0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）外加熱容量法測(cè)定有機(jī)碳含量。

1.4 有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算

土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）儲(chǔ)量采用Ellert等[16]最初提出的等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算方法，具體的計(jì)算公式為

式中element為等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，t/hm2；soil為單位面積各層次的土壤質(zhì)量，t/hm2；為土壤有機(jī)碳含量，g/kg；b為土壤容重，g/cm3；為土層深度，cm；0.1和10為換算系數(shù)。根據(jù)公式可以得到各層土壤質(zhì)量，即各層土壤容重及其相應(yīng)的土層厚度乘積。以不同處理下土壤質(zhì)量最大值作為統(tǒng)一的土壤質(zhì)量。然后采用式（3）計(jì)算其他耕作處理方式下達(dá)到同質(zhì)量的土壤需要另加的土壤深度。

式中T為要達(dá)到等質(zhì)量土壤需要另加的亞表層土壤深度，cm；soil,equiv為單位面積相等的土壤質(zhì)量= 最大的單位面積土壤質(zhì)量，t/hm2；soil,surface為表層（表層與亞表層是相鄰的2個(gè)土層，若0～10 cm是表層，>10～20 cm即為亞表層；若10>20 cm為表層，>20～30 cm即為亞表層，以此類推）土壤質(zhì)量，t/hm2；b,surface為亞表層土壤容重，g/cm3。

如前所述，單位面積上等質(zhì)量土壤SOC儲(chǔ)量等于表層土壤SOC儲(chǔ)量+需要另加的亞表層土壤深度的SOC儲(chǔ)量。

1.5 有機(jī)碳層化比計(jì)算

有機(jī)碳層化比（stratification ratio，SR）是在同一土壤條件下，表層有機(jī)碳與下層有機(jī)碳的比值，能反映不同耕作方式下土壤質(zhì)量的變化情況，進(jìn)而作為判斷土壤演替方向的評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]。一般情況下，有機(jī)碳層化比越高表明土壤質(zhì)量越好[18]。Franzluebbers[17]闡述了有機(jī)碳層化比的計(jì)算及研究，指出“土壤碳、氮的層化比可以作為土壤動(dòng)態(tài)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，且這個(gè)指標(biāo)獨(dú)立于土壤類型和氣候以外”。本研究用土壤有機(jī)碳含量和等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算了層化比，分別用Cc和esm表示，用0～10 cm土層有機(jī)碳含量或有機(jī)碳儲(chǔ)量分別與10～20、20～30、30～40 cm土層有機(jī)碳含量或有機(jī)碳儲(chǔ)量的比值，作為土壤有機(jī)碳的層化比，分別用SR1、SR2、SR3表示，之所以選取20～30和30～40 cm是因?yàn)樯钏桑⊿T）處理的最大耕作厚度達(dá)到了40 cm。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用WPS 2016和SAS8.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和繪圖，多重比較用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

2.1.1 對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

單一耕作措施對(duì)0～40 cm土壤有機(jī)碳含量的影響見(jiàn)圖2。

注：不同小寫(xiě)字母表示相同時(shí)期同一土層不同處理間差異達(dá)顯著（P<0.05）水平，下同。

在試驗(yàn)?zāi)攴荩?014－2017），連續(xù)免耕（NT）土壤有機(jī)碳含量一直呈增加趨勢(shì)，第4年時(shí)0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層平均增加2.40%，分別比CT、RT處理增加4.45%和7.23%。連續(xù)深松（ST）處理呈上層下降、下層增加趨勢(shì)，0～30 cm土層平均下降3.40%，30～40 cm增加2.86%，但總體上分別比CT、RT處理增加2.28%和3.52%。連續(xù)翻耕（CT）和旋耕（RT）處理一直呈下降趨勢(shì)，第4年時(shí)0～40 cm土層分別平均下降2.79%和2.32%。從不同土層有機(jī)碳含量變化來(lái)看，0～10 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在7.21～8.14 g/kg，除第1年度ST>NT外，后3年都是NT最高，并在第4年達(dá)到最高值，2個(gè)處理在試驗(yàn)第1、第2年差異不顯著，第3和第4年均達(dá)到差異顯著水平（<0.05）；RT處理在4個(gè)年度都是最低，且在第4年達(dá)到最低值，除第1年度顯著低于CT外（<0.05），其他3個(gè)年度均未表現(xiàn)出差異顯著性。10～20 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在7.20～7.71 g/kg，4個(gè)年度都是NT最高、RT最低，且在第4年分別達(dá)到最高值和最低值；CT略低于ST，但在4個(gè)年度均未表現(xiàn)出差異顯著性。20～30 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在6.28～7.28 g/kg，與10～20 cm土層趨勢(shì)基本相同，只是在試驗(yàn)的第1年，CT與ST、NT之間就表現(xiàn)出了顯著差異（<0.05）。30～40 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在5.70～6.00 g/kg，4個(gè)年度都是ST最高、RT最低，但RT與CT之間始終未表現(xiàn)出差異顯著性，ST與NT之間也是在試驗(yàn)第4年才表現(xiàn)出了顯著性差異（<0.05）。

2.1.2 對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

單一耕作措施對(duì)0～40 cm等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響見(jiàn)表1。在試驗(yàn)?zāi)攴荩?014－2017），NT處理0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量和0～40 cm土層有機(jī)碳總儲(chǔ)量均呈增加趨勢(shì)，第4年時(shí)總儲(chǔ)量平均增加了4.92%，分別比CT、RT處理增加5.27%和8.50%。CT、RT和ST處理0～30 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)，第4年時(shí)分別平均下降了1.18%、0.62%和1.01%；30～40 cm呈增加趨勢(shì)，分別增加了2.88%、2.90%和5.08%；從0～40 cm土層有機(jī)碳總儲(chǔ)量來(lái)看，3個(gè)處理年度間基本維持不變，變幅只有±0.3%；但從處理之間來(lái)看，ST分別比CT、RT處理增加4.03%和7.22%。

表1 單一耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

從不同土層有機(jī)碳儲(chǔ)量變化來(lái)看，0～10 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量在9.36～10.88 t/hm2，RT處理始終最低，其次是CT處理，試驗(yàn)第1、第2年各處理間差異均不顯著，第3年ST＞NT、第4年NT＞ST，且都達(dá)到差異顯著水平（<0.05）。10～20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量在9.20～10.47 t/hm2，試驗(yàn)第1、第2年RT顯著低于其他處理（<0.05），第3年時(shí)各處理間差異不顯著，第4年時(shí)NT最高，其次是ST，第三是CT，且顯著高于RT處理（<0.05）。20～30 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量在9.43～10.86 t/hm2，4個(gè)年度都是NT最高、RT最低，從試驗(yàn)第3年開(kāi)始NT顯著高于ST、CT顯著高于RT（<0.05），但CT與ST之間差異不顯著。30～40 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量在8.29～8.90 t/hm2，試驗(yàn)第1年各處理間差異不顯著，從第2年開(kāi)始各層ST均顯著高于CT、RT（<0.05），但ST與NT、CT與RT之間差異均不顯著。0～40 cm土層有機(jī)碳總儲(chǔ)量在36.69～40.97 t/hm2，4個(gè)年度都是RT最低，試驗(yàn)第3年CT和RT顯著低于ST和NT（<0.05），第4年NT＞ST＞CT＞RT，且各處理之間均達(dá)到差異顯著水平（<0.05）。

2.2 輪耕對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

2.2.1 對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

輪耕對(duì)0～40 cm土壤有機(jī)碳含量的影響見(jiàn)圖3。在試驗(yàn)?zāi)攴荩?014－2017），CT-NT處理有機(jī)碳含量呈波浪形上升趨勢(shì)，遇到翻耕年度均略有降低，0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7.74～7.83、7.53～7.61、6.85～7.03和5.74～5.87 g/kg，與同一年度相同土層NT處理相比平均降低了1.81%，但與ST、CT和RT處理相比分別平均增加了0.11%、2.44%和5.12%。ST-NT處理有機(jī)碳含量一直呈增加趨勢(shì)，在這4個(gè)土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7.93～7.99、7.60～7.72、7.11～7.19和5.87～6.08 g/kg，與同一年度相同土層NT、ST、CT和RT處理相比分別平均增加了0.47%、2.42%、4.82%和7.55%。2個(gè)輪耕處理的土壤有機(jī)碳含量相比較，0～10和30～40 cm土層在試驗(yàn)第1、第2年差異不顯著，第3、第4年ST-NT顯著高于CT-NT處理（<0.05）；10～20 cm土層ST-NT在4個(gè)年度都略高于CT-NT處理，但達(dá)不到差異顯著水平；20～30 cm土層ST-NT在4個(gè)年度都顯著高于CT-NT處理（<0.05）。

圖3 輪耕對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

2.2.2 對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

輪耕對(duì)0～40 cm等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響見(jiàn)表2。在試驗(yàn)?zāi)攴荩?014－2017），CT-NT、ST-NT兩個(gè)輪耕處理，不管是0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量，還是0～40 cm土層有機(jī)碳總儲(chǔ)量都呈增加趨勢(shì)，與試驗(yàn)第1年相比，第4年時(shí)CT-NT處理分別增加了5.00%、2.47%、4.07%、5.15%和4.13%，ST-NT處理分別增加了4.50%、2.75%、3.27%、5.95%和4.04%。CT-NT處理0～40 cm土層4個(gè)年度有機(jī)碳總儲(chǔ)量的平均值與NT、ST處理相比分別降低了1.47%和2.63%，與CT、RT處理相比分別增加了2.50%和5.64%；而ST-NT與這4個(gè)處理相比分別增加了0.19%、1.39%、5.47%和8.70%。2個(gè)輪耕處理的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量相比較，0～10、10～20、30～40 cm土層ST-NT在4個(gè)年度都略高于CT-NT處理，但達(dá)不到差異顯著水平；20～30 cm土層在第4年ST-NT顯著高于CT-NT處理（<0.05）；0～40 cm土層有機(jī)碳總儲(chǔ)量ST-NT在4個(gè)年度都顯著高于CT-NT處理（<0.05），4年的平均增幅為2.89%。

表2 輪耕對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

2.3 不同耕作制度的有機(jī)碳層化比

單一耕作措施和輪耕對(duì)不同土層有機(jī)碳含量、有機(jī)碳儲(chǔ)量和土壤容重的影響不同，進(jìn)而導(dǎo)致上下層土壤有機(jī)碳的比值發(fā)生變化，這也直觀反映了不同耕作制度下土壤質(zhì)量的演替方向。采用土壤有機(jī)碳含量和等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算的層化比見(jiàn)表3?？梢钥闯?，相同年度、相同處理用2個(gè)不同指標(biāo)計(jì)算的層化比基本一致，但也略有差異。用有機(jī)碳含量計(jì)算的層化比SR1介于0.99～1.06之間，SR2介于1.10～1.15之間，SR3介于1.26～1.39之間，平均值分別為1.03、1.13和1.33，最高值與最低值之間相差4.55%～10.32%，SR3和SR2的均值分別比SR1高出了29.12%和9.32%，說(shuō)明有機(jī)碳含量在相同層次各處理之間也有變化，但變化更明顯的是不同土層之間的層化特征。用等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算的層化比SR1介于0.93～1.16之間，SR2介于0.98～1.15之間，SR3介于1.10～1.33之間，平均值分別為1.01、1.01和1.19，最高值與最低值之間相差17.35%～24.73%，SR2與SR1的均值相同，但SR3的均值比SR1高出17.82%，說(shuō)明有機(jī)碳儲(chǔ)量在30 cm以上沒(méi)有發(fā)生層化，但在30～40 cm發(fā)生了層化，同時(shí)，相同土層各處理之間也表現(xiàn)出比較明顯的層化特征。

進(jìn)一步分析結(jié)果表明，SR·Cc的層化現(xiàn)象從試驗(yàn)第1年就表現(xiàn)出了顯著差異（<0.05），RT處理的SR1、SR3在相同層次上明顯低于其他處理，到第4年時(shí)，相同層次各處理之間均有顯著差異，SR1層化特征表現(xiàn)突出的是NT、ST-NT處理，SR2表現(xiàn)突出的是RT、ST處理，SR3表現(xiàn)突出的是NT、CT-NT處理。SR·esm的層化現(xiàn)象一直到第3年才表現(xiàn)出顯著性差異（<0.05），到第4年時(shí)SR1、SR2各處理之間均未表現(xiàn)出顯著差異，SR3層化特征表現(xiàn)突出的是NT處理。

表3 不同耕作措施下土壤有機(jī)碳層化比

3 討 論

3.1 不同耕作制度下土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量的變化

土壤耕作是加速土壤有機(jī)碳分解礦化的重要人為因素[19-21]。目前，國(guó)際上關(guān)于耕作方式對(duì)土壤碳匯功能影響的研究主要集中在以少免耕和秸稈還田為主要內(nèi)容的保護(hù)性耕作技術(shù)上，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為保護(hù)性耕作可以有效增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[3-7,22-23]，但也有少數(shù)學(xué)者認(rèn)為免耕處理下土壤中的有機(jī)碳主要集中于表層土壤中，并隨著土層加深而急劇減少，而傳統(tǒng)翻耕處理下的土壤有機(jī)碳垂直分布上相對(duì)均勻[10-12]。國(guó)內(nèi)關(guān)于耕作方式的研究主要集中在翻耕、旋耕、免耕、深松等幾種方式的單一對(duì)比上，普遍認(rèn)為翻耕和旋耕對(duì)土壤擾動(dòng)大，增加了土壤有機(jī)碳礦化，降低了有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量；而免耕和深松對(duì)土壤擾動(dòng)小，減少了深層土壤接觸空氣的機(jī)會(huì)，增加了土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量[24-27]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始有了一些比較創(chuàng)新的研究思路，就是考慮了耕作方式的變換（輪耕），不單純強(qiáng)調(diào)單一免耕，也不排斥傳統(tǒng)翻耕，而是考慮不同耕作方式的年際間組合，也取得了一些創(chuàng)新性成果[13-14,25,28-29]。本研究表明，在4個(gè)單一耕作措施中NT增加0～40 cm土層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量的效果最顯著，其次是ST，而CT和RT顯著降低了土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量，這與魏燕華等[24-27]的研究結(jié)果是一致的。設(shè)計(jì)的2個(gè)輪耕處理，有機(jī)碳含量ST-NT處理持續(xù)增加、CT-NT處理呈波浪形上升，有機(jī)碳儲(chǔ)量2個(gè)處理都一直增加，這與孫國(guó)峰等[28-29]的研究結(jié)果也一致。從整體來(lái)看，CT、RT處理田間操作簡(jiǎn)單，但損失了土壤有機(jī)碳；ST、NT處理增加了土壤有機(jī)碳，但在北方荒漠綠洲灌區(qū)覆膜種植條件下，連續(xù)實(shí)施又增加了田間操作的難度。因此，單一耕作措施不能滿足灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，只有輪耕才能實(shí)現(xiàn)固碳目標(biāo)。

3.2 不同耕作制度下土壤有機(jī)碳的層化及其表征

土壤養(yǎng)分含量隨土壤深度表現(xiàn)出的層化現(xiàn)象在許多自然生態(tài)系統(tǒng)和人工草原、森林十分普遍，而且在通過(guò)保護(hù)性耕作修復(fù)、退還耕地的工作中也得到了證實(shí)[30]。自從Franzluebbers[17]于2001年提出土壤有機(jī)質(zhì)的層化比率計(jì)算方法后，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者根據(jù)該方法研究了不同耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳層化率的影響。Joao等[18]認(rèn)為免耕時(shí)間越久土壤層化現(xiàn)象越明顯，Diaz-Zorita等[31]認(rèn)為免耕時(shí)間越長(zhǎng)有機(jī)碳層化的厚度越深。孫國(guó)峰等[28]認(rèn)為翻耕、旋耕降低了表層0～5 cm土壤有機(jī)碳含量，提高了下層5～20 cm土壤有機(jī)碳含量，進(jìn)而降低了耕層土壤有機(jī)碳層化率。本研究采用土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量2個(gè)指標(biāo)分別計(jì)算了不同耕作制度下土壤有機(jī)碳的層化比，結(jié)果表明土壤有機(jī)碳的層化現(xiàn)象從試驗(yàn)第1年就已經(jīng)開(kāi)始，但SR·Cc在當(dāng)年就表現(xiàn)出了顯著差異，SR·esm一直到第3年才表現(xiàn)；有機(jī)碳含量的層化更多表現(xiàn)在不同土層之間，相同層次各處理之間變化不大，而有機(jī)碳儲(chǔ)量只在耕層以下發(fā)生了層化，相同土層各處理之間也表現(xiàn)出比較明顯的層化特征。之所以出現(xiàn)這種差異，我們認(rèn)為主要是由計(jì)算方法不同所致，計(jì)算SR·Cc采用的有機(jī)碳含量是直接數(shù)據(jù)，而計(jì)算SR·esm采用的是等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，是考慮了耕作處理間土壤容重差異的間接數(shù)據(jù)，至于哪一種計(jì)算方法更能代表土壤有機(jī)碳的層化特征，還需要開(kāi)展更深入的研究。

4 結(jié) 論

1）4 a的定位試驗(yàn)結(jié)果表明，不同耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響是一致的，連續(xù)免耕（NT）顯著增加了0～40 cm土層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量（<0.05），平均比CT增加4.45%和5.27%，比RT增加7.23%和8.50%；連續(xù)深松（ST）也有較好的固碳效果，在4個(gè)單一耕作措施中僅次于NT；連續(xù)翻耕（CT）和旋耕（RT）都顯著降低了土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量（<0.05），RT的降低幅度大于CT。

2）與連續(xù)翻耕（CT）和旋耕（RT）相比，CT-NT和ST-NT 2個(gè)輪耕模式既能顯著增加土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量，又符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)民操作習(xí)慣，有機(jī)碳含量分別比CT增加2.44%和4.82%，比RT增加5.12%和7.55%；有機(jī)碳儲(chǔ)量比CT增加2.50%和5.47%，比RT增加5.64%和8.70%，是比較理想的耕作模式。

3）不同耕作制度會(huì)使土壤有機(jī)碳發(fā)生層化，但有機(jī)碳含量的層化更多表現(xiàn)在不同土層之間，相同層次各處理之間變化不大；而有機(jī)碳儲(chǔ)量只在耕層以下發(fā)生了層化，相同土層各處理之間也表現(xiàn)出比較明顯的層化特征。

4）用有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算的層化比略有不同，這種差異是由計(jì)算方法不同所致，原因是計(jì)算有機(jī)碳儲(chǔ)量層化比時(shí)考慮了耕作處理間土壤容重的差異。

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Effects of different tillage practices on soil organic carbon of cultivated land in Gansu Yellow River irrigation district

Yang Sicun, Wang Chengbao,Huo Lin, Jiang Wanli, Wen Meijuan

(,,730070,)

It is necessary to improve plough layer for solving the problems of shallow and compacted plough layer and plough layer lack, which are caused by a long-term single rotation and shallow tillage. In order to examine the effects of different tillage practices on soil organic carbon contents and storages, soil organic carbon stratification ratio of cultivated land, four single tillage treatments and tworotational tillage treatments were conducted including conventional tillage (CT), rotary tillage (RT), subsoiling tillage (ST), no tillage (NT) treatment and conventional tillage -no tillage (CT-NT), subsoiling-no tillage (ST-NT) in Gansu Yellow River irrigation district on continuous 8-year-tillage cornfields from 2014 to 2017. The results showed that the 0-40 cm layers organic carbon contents and storages of continuous no-tillage (NT) were significantly increased by 4.45% and 5.27% compared with CT, 7.23% and 8.50% compared with RT. Continuous subsoiling tillage (ST) also had a good carbon sequestration effect, second only to NT in four single tillage practice, the organic carbon contents and storages were significantly increased by 2.28% and 4.03% compared with CT, 3.52% and 7.22% compared with RT. Continuous conventional tillage (CT) and rotary tillage (RT) both significantly reduced soil organic carbon contents and storages, the decreases of soil organic carbon contents and storages were 2.79%, 2.32% and 1.18% , 0.62% respectively, and the reduction of RT were greater than CT. The two rotational treatments of CT-NT and ST-NT both had good carbon sequestration effect, and also accorded with the local farmers operating habits, the organic carbon contents were significantly increased by 2.44% and 4.82% compared with CT, and 5.12% and 7.55% compared with RT respectively, and the organic carbon storages increased by 2.50% and 5.47% compared with CT, and 5.64% and 8.70% compared with RT. The soil organic carbon were stratified by different tillage practices, the stratification of SR·Cc(stratification ratio of organic carbon content )showed significant difference from the first year, but the stratification of SR·esm (stratification ratio of organic carbon storage)came to this until the third year. The stratification of organic carbon contents were more manifested in different soil layers, the mean values of SR3and SR2were respectively higher 29.12% and 9.32% than those of SR1(The ratio of organic carbon content in soil layer of 0-10 cm to 10-20 cm), but there were little change between treatments at the same level. However, the organic carbon storages were stratified only below the topsoil, the mean value of SR2(The ratio of organic carbon storage in soil layer of 0-10 cm to 20-30 cm)same as SR1, but SR3(The ratio of organic carbon reserves in soil layer of 0-10 cm to 30-40 cm)was higher 17.82% than SR1. Moreover, the stratified characteristics were obvious among the same layers, RT was significantly lower and NT was significantly higher than other treatments at the same level. We consider the most typical reason for this situation was the soil bulk density between different tillage treatments in calculating the SR·esm. As for which calculation method can better represent the stratification characteristics of soil organic carbon, more in-depth research is needed. Therefore, any single tillage measure has its limitations, and the two rotational tillage treatments of CT-NT and ST-NT are ideal tillage practices, which had certain application value in this regional agricultural development.

soils; organic carbon; tillage practice; stratification ratio; Gansu Yellow River irrigation district

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.015

S158

A

1002-6819(2019)-02-0114-08

2018-06-07

2018-11-13

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503117）；甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新專項(xiàng)(2015GAAS03)資助

楊思存，研究員，主要從事土壤養(yǎng)分資源管理研究。Email：yangsicun@sina.com

楊思存，王成寶，霍 琳，姜萬(wàn)禮，溫美娟. 不同耕作措施對(duì)甘肅引黃灌區(qū)耕地土壤有機(jī)碳的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(2)：114－121. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.015 http://www.tcsae.org

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