全 文 ：秸秆还田对土壤有机碳不同活性组分
储量及分配的影响*
王摇 虎1,2 摇 王旭东1,3**摇 田宵鸿1,3
( 1西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100; 2杨凌职业技术学院, 陕西杨凌 712100; 3农业部西北植物营养与农业
环境重点实验室, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 通过田间试验,研究了不同秸秆还田模式下土壤溶解性有机碳(DOC)、颗粒有机碳
(POC)和矿物结合有机碳(MOC)储量及其在总有机碳(TOC)中的分配比例.结果表明: 相对
于翻压还田(WR),小麦秸秆覆盖还田(WM)0 ~ 20 cm耕层 TOC和 MOC储量显著降低,降幅
为 4. 1%和 9. 7% ,DOC和 POC 储量显著提高,增幅为 207. 7%和 11. 9% ;20 ~ 40 cm 犁底层
TOC和 POC储量显著提高.玉米秸秆覆盖还田(MM)与 MR相比,犁底层 TOC和 MOC储量显
著提高,增幅为 13. 6%和 14. 6% . 小麦鄄玉米秸秆均覆盖还田(WM鄄MM)相对于均翻压还田
(WR鄄MR),耕层 TOC和 MOC储量显著降低,降幅为 8. 5%和 10. 3% .玉米秸秆还田耕层 TOC
和 POC储量显著高于小麦秸秆还田.与对照(秸秆不还田)相比,6 种还田模式耕层 TOC 储量
增幅为 5. 2% ~18. 0% ,差异达显著水平;除 WM 和 MM 模式外,犁底层 TOC 储量显著降低
(降幅 8. 0% ~11. 5% ) . 6 种还田模式下土壤耕层 DOC 储量及 DOC / TOC 比值显著降低,在
WM和 WM鄄MM 还田模式下耕层 POC 储量显著提高、POC / TOC 比值增大,WR 模式的耕层
MOC储量显著提高、MOC / TOC比值增大,其余 3 种模式耕层 POC 和 MOC 储量均显著提高.
秸秆覆盖还田有利于土壤有机碳活性组分积累,翻压还田有利于较稳定性有机碳组分积累.
在提高关中地区农田 TOC储量方面,玉米秸秆还田好于小麦秸秆还田、小麦鄄玉米秸秆翻压还
田好于覆盖还田.
关键词摇 秸秆还田摇 有机碳储量摇 总有机碳摇 溶解性有机碳摇 颗粒有机碳摇 矿物结合有机碳
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2012BAD14B11,2007BAD89B16)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wangxudong01@ 126. com
2014鄄02鄄17 收稿,2014鄄09鄄19 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)12-3491-08摇 中图分类号摇 S153, S343摇 文献标识码摇 A
Effect of straw鄄returning on the storage and distribution of different active fractions of soil
organic carbon. WANG Hu1,2, WANG Xu鄄dong1,3, TIAN Xiao鄄hong1,3 ( 1College of Resources and
Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2Yangling Vocational
and Technical College, Yangling 712100, Shaanxi, China; 3Key Laboratory of Plant Nutrition and
the Agri鄄environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(12): 3491-3498.
Abstract: The impacts of straw mulching and returning on the storage of soil dissolved organic car鄄
bon (DOC), particulate organic carbon (POC) and mineral associated organic carbon (MOC),
and their proportions to the total organic carbon (TOC) were studied based on a field experiment.
The results showed that compared to the treatment of wheat straw soil鄄returning (WR), the storage
of TOC and MOC decreased by 4. 1% and 9. 7% respectively in 0-20 cm soil in the treatment with
wheat straw mulching (WM), but the storage of DOC and POC increased by 207. 7% and 11. 9% ,
and TOC and POC increased significantly in 20-40 cm soil. Compared to the treatment with maize
straw soil鄄returning (MR), the storage of TOC and MOC in the plough pan soil of the treatment
with maize straw mulching (MM) increased by 13. 6% and 14. 6% , respectively. Compared to the
WR鄄MR treatment, the storage of TOC and MOC in top soil (0-20 cm) significantly decreased by
8. 5% and 10. 3% respectively in WM鄄MM treatment. The storage of TOC and POC in top soil was
significantly higher in the treatments with maize straw soil鄄returning or mulching than that with
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 12 月摇 第 25 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2014, 25(12): 3491-3498
wheat straw. Compared to the treatment without straw (CK), the storage of TOC in top soil in鄄
creased by 5. 2% to 18. 0% in the treatments with straw returning or mulching in the six modes
(WM, WR, MM, MR, WM鄄MM,WR鄄MR)(P<0. 05), but the storage of TOC in the plough pan
soil decreased by 8. 0% to 11. 5% (P<0. 05) except for the treatments of WM and MM. The stor鄄
age of DOC and DOC / TOC ratio decreased significantly in top soil in the treatments with straw
mulching or returning in six modes. The storage of POC and POC / TOC ratio in WM and WM鄄MM
treatments, MOC and MOC / TOC ratio in WR treatment, increased significantly in top soil. In the
other three treatments with straw mulching and returning (MM, MR, WR鄄MR), the storage of POC
and MOC increased significantly in top soil. These results suggested that straw mulching had the po鄄
tential to accumulate active organic carbon fraction in soil, straw soil鄄returning had the potential to
accumulate stable organic carbon fraction. Considering organic carbon sequestration in cropland in
the region of Guanzhong plain, maize straw mulching or soil鄄returning was better than wheat straw,
and wheat straw and maize straw soil鄄returning (WR鄄MR) were better than wheat and maize straw
mulching (WM鄄MM).
Key words: straw鄄returning; organic carbon storage; total organic carbon; dissolved organic car鄄
bon; particulate organic carbon; mineral associated organic carbon.
摇 摇 土壤有机碳库是地球陆地生态系统中最为重要
的动态碳库之一,其微小变化都可能导致全球大气
CO2含量的较大起伏[1];因而,藏碳于土是减少温室
气体排放的重要途径. 土地利用方式和管理措施对
土壤有机碳储量影响很大[2-3],耕作、施肥和秸秆还
田等农业活动可使农田土壤有机碳的数量和质量发
生变化.秸秆还田后,一方面秸秆碳矿化和腐殖化作
用增加了土壤有机碳[4-5];另一方面,因秸秆碳的激
发效应等作用引起土壤固有有机碳的消耗[6-7] . 另
外,外源的秸秆碳进入土壤后,其存在方式与土壤颗
粒的结合方式、牢固程度等也与土壤固有碳存在差
异.因此,从表观上看,秸秆还田会影响土壤有机碳
组成、存在方式、活性及稳定性[8-10] .从农田肥力角
度考虑,人们希望活性有机碳含量高,以利于矿化和
提高养分供给水平;但从农田固碳角度考虑,则希望
稳定性有机碳含量高,以利于土壤有机碳的固定.
近年来,随着循环农业和机械耕作技术的应用,
以秸秆还田为核心的冬小麦鄄夏玉米轮作机械化耕
作模式在陕西关中地区大面积推广. 土壤有机质含
量或总有机碳(total organic carbon,TOC)储量,因对
秸秆还田初期土壤有机碳库响应不敏感[11],因而,
研究者从有机碳的存在方式和稳定性角度,研究了
不同活性和不同存在方式的有机碳的变化,其中包
括溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)、颗
粒有机碳(particulate organic carbon,POC)和矿物结
合态有机碳 ( mineral associated organic carbon,
MOC). Dalal等[12]根据土壤有机碳库对外界因素的
敏感性和周转速度,将 DOC 和 POC 组成的碳库称
为活性有机碳库(active organic carbon pool),其周转
时间一般为几个月到几十年;将 MOC称为惰性有机
碳库(passive organic carbon pool),其相对稳定,周转
时间一般为几年到几千年. DOC 和 POC 的含量(储
量)及分布易受施肥、耕作和秸秆还田等农田管理
措施的影响[13-14],是研究秸秆还田效应初期表现的
理想指标.本文以陕西关中平原 3 年冬小麦鄄夏玉米
秸秆还田试验为对象,研究机械化耕作不同秸秆还
田模式下土壤不同活性有机碳组分的储量变化及分
配比例,分析秸秆种类和还田方式等因素对土壤有
机碳库的影响,为揭示秸秆还田土壤固碳机理、探寻
高效循环农业耕作模式提供理论依据.
1摇 试验地区与试验方法
1郾 1摇 试验区概况
田间试验于 2008 年 6 月—2010 年 10 月在西北
农林科技大学陕西省三原县试验站进行. 试验站地
处陕西关中平原中部(34毅36忆 N,108毅52忆 E),海拔
427. 4 m,属暖温带大陆性季风气候区,四季分明,气
候温和;年均气温 12. 9 益,年降水量 526. 5 mm 左
右,降水量四季差异明显,夏秋季降水相对较多,占
全年降水量的 60% ~70% ,无霜期 218 d,日照时数
2095. 7 h;以小麦鄄玉米一年两熟轮作体系为主要种
植制度.试验区面积为 33000 m2,供试土壤属半淋
溶土纲中的红油土, 0 ~ 20 cm 土层全氮 1郾 17
g·kg-1,硝态氮 13郾 87 mg · kg-1,铵态氮 12郾 92
mg·kg-1,速效磷 52. 64 mg·kg-1,速效钾 122郾 82
mg·kg-1,总有机碳 11郾 98 g·kg-1(20 ~ 40 cm 为
8郾 42 g·kg-1),容重 1郾 35 g·cm-3 (20 ~ 40 cm 为
1郾 45 g·cm-3).
2943 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
1郾 2摇 试验设计
试验设 7 个处理,每个处理重复 3 次,共计 21
个试验小区. 区组内顺序排列,每个试验小区面积
1112 m2 . 7 个处理中,1)CK 处理:夏季(5—6 月)低
留茬(茬高<5 cm)收割小麦后秸秆移出农田、玉米
播种机硬茬施肥播种玉米,秋季(9—10 月)玉米掰
棒后秸秆移出农田、施肥、旋耕(作业深度 12 ~ 15
cm,下同)、机播小麦;2)WM 处理:夏季高留茬(茬
高 35 ~ 40 cm,下同)机收小麦后秸秆就地覆盖、硬
茬施肥播种玉米,秋季同 CK 处理;3)WR 处理:夏
季机收小麦后还田机将秸秆就地粉碎、施肥、旋耕、
机播玉米,秋季同 CK处理;4)MM 处理:夏季同 CK
处理,秋季机械收获玉米棒后,还田机将秸秆就地粉
碎抛撒、在保持大部分秸秆覆盖地表的情况下机械
深松(作业深度 30 ~ 35 cm)施肥、机播小麦;5)MR
处理:夏季同 CK处理,秋季机收玉米棒后秸秆就地
粉碎抛撒、施肥、旋耕、机播小麦;6)WM鄄MM 处理:
夏季同 WM 处理,秋季同 MM 处理;7)WR鄄MR 处
理:夏季同 WR处理,秋季同 MR处理.
试验采用秸秆全量还田并配施化肥(尿素和磷
酸氢二铵),以调节碳氮磷比促进秸秆腐解,避免秸
秆分解与下季作物争夺养分.在玉米生长季,小麦秸
秆还田量约为 7500 kg·hm-2,配施化肥量为 187. 5
kg N·hm-2 (基肥 67. 50 kg·hm-2,苗期追肥 75
kg·hm-2,喇叭口期追肥 45 kg · hm-2 )、 22郾 5
kg P2O5·hm-2(作基肥一次性施入). 在小麦生长
季,玉米秸秆还田量约为 9000 kg·hm-2,配施化肥
量为 150 kg N·hm-2、110 kg P2O5·hm-2,均作基肥
一次性施入.玉米生长季灌水 2 次,分别在拔节期和
抽雄期进行;小麦生长季灌水 2 次,分别在分蘖期和
拔节期实施;每次灌溉的水量均为 25 mm.
2010 年 10 月玉米收获后小麦播种前,在每个
试验小区内以“S冶型取 5 个采样点,分 0 ~ 20 cm 和
20 ~ 40 cm两层采集土样. 将同一试验小区同一土
层的 5 个土样混合装袋,作为该试验小区某土层的
样品(每次采样得 42 个混合土样),按要求带回实
验室分析.
1郾 3摇 测定指标与方法
土样带回实验室后,拣出石砾和肉眼可见的作
物残根后分为两份,一份鲜样密封冷藏保存,一份风
干后磨碎、过 2 mm 筛备用. 鲜土样依 Haynes 和
Francis[15]的方法测定溶解性有机碳(DOC).四分法
取部分过 2 mm筛的土样,磨碎过 0. 25 mm筛后,采
用重铬酸钾鄄浓硫酸外加热法[16]测定总有机碳. 颗
粒有机碳测定方法[17]:取过 2 mm筛的风干土样 10
g置于 250 mL锥形瓶中,加入 30 mL六偏磷酸钠(5
g·L-1),振荡(18 益,220 r·min-1)12 h,过 0. 053
mm筛,多次洗涤至筛下水无色,收集筛上物,测定
其有机碳含量.矿物结合态有机碳含量为从总有机
碳含量中减去溶解性有机碳和颗粒态有机碳含量后
得到.
1郾 4摇 数据处理
有机碳储量(Mg·hm-2)= 土地面积(104 m2) 伊
土层厚度( cm) 伊该土层容重(g·cm-3) 伊土壤有机
碳含量(g·kg-1) 伊10-5;溶解性有机碳占比(DOC /
TOC)= (某土壤溶解性有机碳储量 /该土壤总有机
碳储量) 伊100% ;颗粒态有机碳占比(POC / TOC)和
矿物结合态有机碳占比(MOC / TOC)的计算方法
同上.
测定结果均以算术平均值依标准差表示. 试验
数据通过 Excel和 SPSS软件进行单因素方差分析,
Duncan法进行变量间的显著性检验和多重比较,显
著性水平选择 琢=0. 05.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 秸秆还田对土壤总有机碳和矿物结合态有机
碳储量的影响
不同秸秆还田模式下土壤总有机碳(TOC)储量
测定结果(表 1)显示,0 ~ 20 cm 耕层的 6 种还田模
式 TOC储量均显著高于 CK,提高幅度为 5. 2% ~
18. 0% ,其中 WM 增幅最小、WR鄄MR 增幅最大.
MR、WR鄄MR、WM鄄MM和WR 4 种模式的 20 ~ 40 cm
犁底层 TOC储量显著低于 CK,降低幅度在 8郾 0% ~
11郾 5% ,其中 MR 降幅最小、WR 降幅最大;WM 和
MM两种模式与 CK 差异不显著. 总体看来,0 ~ 40
cm土层的 TOC 储量为 MR、WR鄄MR 和 MM 3 种模
式显著高于 CK,提高幅度 6. 9% ~ 11. 3% ,其中 MR
增幅最小、MM 增幅最大;WM鄄MM、WM 和 WR 3 种
模式与 CK差异不显著.
土壤矿物结合态有机碳(MOC)储量测定结果
显示,0 ~ 20 cm 耕层 MOC 储量为 MM、WR、MR 和
WR鄄MR 4 种模式显著高于 CK,提高幅度 14郾 1% ~
20郾 5% ,其中 MM增幅最小、WR鄄MR 增幅最大;WM
和 WM鄄MM 模式与 CK 差异不显著. 在 20 ~ 40 cm
犁底层,WR鄄MR、MR、WM鄄MM和WR 4 种模式MOC
储量显著低于 CK,降低幅度为 10. 2% ~ 13. 2% ,其
中WR鄄MR降幅最小、WR降幅最大;WM和MM模
394312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 虎等: 秸秆还田对土壤有机碳不同活性组分储量及分配的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 不同秸秆还田模式下土壤 TOC和MOC储量
Table 1摇 Storage of soil TOC and MOC under different straw鄄returning patterns (Mg·hm-2)
模式
Pattern
土层 Soil depth (cm)
0 ~ 20
TOC MOC
20 ~ 40
TOC MOC
0 ~ 40
TOC MOC
WM 35. 15依0. 91c 25. 56依0. 96c 20. 58依0. 98ab 17. 32依1. 11ab 55. 73依1. 29bcd 42. 88依1. 68b
WR 36. 64依0. 81b 28. 30依1. 20ab 18. 45依1. 15c 15. 84依0. 89b 55. 09依1. 65cd 44. 13依1. 91ab
MM 38. 63依0. 35a 28. 25依2. 06ab 21. 78依0. 86a 18. 69依0. 95a 60. 40依1. 85a 46. 94依1. 93a
MR 38. 81依0. 81a 28. 56依1. 80ab 19. 18依0. 82bc 16. 31依0. 90b 57. 99依1. 52abc 44. 87依2. 02ab
WM鄄MM 36. 08依0. 81bc 26. 76依1. 00cd 18. 71依0. 83c 16. 04依0. 82b 54. 80依1. 99d 42. 81依1. 68b
WR鄄MR 39. 43依0. 77a 29. 83依1. 69a 19. 08依0. 80bc 16. 38依0. 99b 58. 51依1. 90ab 46. 21依2. 25ab
CK 33. 42依0. 87d 24. 75依1. 53c 20. 84依0. 83a 18. 24依0. 71a 54. 26依1. 41d 42. 99依1. 67b
同列不同字母表示不同模式间差异显著(P<0. 05) Different small letters in the same column meant significant difference among patterns at 0郾 05
level. 下同 The same below.
式与 CK 差异不显著. 总体来看,0 ~ 40 cm 土层的
MOC储量为 MM模式显著高于 CK,提高 9. 2% ;其
余 5 种模式与 CK差异不显著.
同一秸秆不同还田方式间比较,小麦秸秆覆盖
还田(WM)与翻压还田 (WR)相比,耕层 TOC 和
MOC储量显著降低,分别降低 4. 1%和 9. 7% ;犁底
层 TOC 储量显著提高(提高幅度 11. 5% ),MOC 储
量差异不显著;0 ~ 40 cm 土层 TOC 和 MOC 储量差
异均不显著.玉米秸秆覆盖还田(MM)与 MR 相比,
耕层 TOC和 MOC 储量差异均不显著,犁底层 TOC
和 MOC储量分别提高了 13郾 6%和 14郾 6% .小麦鄄玉
米秸秆均覆盖还田(WM鄄MM)与均翻压还田(WR鄄
MR)相比,耕层 TOC和 MOC储量显著降低,分别降
低 8. 5%和 10. 3% ;犁底层 TOC 和 MOC 储量差异
均不显著;0 ~ 40 cm 土层 TOC 储量显著降低(降幅
6. 3% ),MOC储量差异不显著.
2郾 2摇 秸秆还田对土壤颗粒态有机碳和溶解性有机
碳储量的影响
由表 2 可知,0 ~ 20 cm 耕层,除 WR 外的 5 种
还田模式土壤颗粒态有机碳(POC)储量均显著高于
CK,提高幅度在 13. 2% ~ 26. 5% ,其中 WM鄄MM 增
幅最小、MM增幅最大;20 ~ 40 cm犁底层 POC 储量
为 WM 和 MM 模式显著高于 CK,分别提高 23郾 0%
和 18. 7% ,其余 4 种模式与 CK差异不显著.总体看
来, 0 ~ 40 cm 土层 POC 储量提高了 9郾 7% ~
24郾 8% ,大小顺序与 0 ~ 20 cm土层保持一致.
0 ~20 cm耕层土壤溶解性有机碳(DOC)储量为
6种还田模式均显著低于 CK,降低幅度 28. 6% ~
78郾 6% ,其中 WM 降幅最小、MM 降幅最大. 20 ~ 40
cm犁底层 DOC储量为 WM、WM鄄MM 和 WR 3 种模
式显著高于 CK,提高幅度 77. 8% ~ 111. 1% ,其中
WM增幅最小、WR 增幅最大;MM、MR 和 WR鄄MR
模式与 CK差异不显著. 0 ~ 40 cm土层 DOC 储量为
6 种模式显著低于 CK,降低幅度 12. 3% ~ 69. 2% ,
其中 WM降幅最小、WR鄄MR降幅最大.
同一秸秆不同还田方式间比较,WM 与 WR 相
比,耕层 POC 和 DOC 储量显著提高,分别提高了
11. 9%和 207. 7% ;犁底层 POC储量显著提高(提高
28. 1% ),DOC储量差异不显著. MM与 MR相比,两
个土层 POC和 DOC储量差异均不显著. WM鄄MM与
WR鄄MR相比,犁底层 DOC 储量提高了 125. 0% ,差
异达显著水平;犁底层 POC 储量、耕层 POC 和 DOC
储量差异均不显著.
表 2摇 不同秸秆还田模式下土壤 POC和 DOC储量
Table 2摇 Storage of soil POC and DOC under different straw鄄returning patterns (Mg·hm-2)
模式
Pattern
土层 Soil depth (cm)
0 ~ 20
POC DOC
20 ~ 40
POC DOC
0 ~ 40
POC DOC
WM 9. 19依0. 70b 0. 40依0. 13b 3. 10依0. 26a 0. 16依0. 02a 12. 28依0. 59bc 0. 57依0. 09b
WR 8. 21依0. 40c 0. 13依0. 01c 2. 42依0. 25b 0. 19依0. 02a 10. 63依0. 49d 0. 31依0. 02c
MM 10. 25依0. 55a 0. 12依0. 01c 2. 99依0. 10a 0. 09依0. 02b 13. 25依0. 53a 0. 21依0. 02d
MR 10. 14依0. 50a 0. 12依0. 02c 2. 76依0. 08ab 0. 10依0. 01b 12. 90依0. 45ab 0. 22依0. 02d
WM鄄MM 9. 17依0. 30b 0. 15依0. 02c 2. 48依0. 06b 0. 18依0. 03a 11. 65依0. 35c 0. 34依0. 03c
WR鄄MR 9. 49依0. 49ab 0. 12依0. 02c 2. 61依0. 24b 0. 08依0. 01b 12. 10依0. 48bc 0. 20依0. 02d
CK 8. 10依0. 45c 0. 56依0. 15a 2. 52依0. 16b 0. 09依0. 01b 10. 62依0. 40d 0. 65依0. 06a
4943 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 3摇 不同秸秆还田模式下土壤 DOC / TOC、POC / TOC、MOC/ TOC和(DOC+POC) / MOC
Table 3摇 Ratios of soil DOC / TOC, POC / TOC and MOC/ TOC under different straw鄄returning patterns
土层
Soil depth (cm)
模式
Pattern
DOC / TOC
(% )
POC / TOC
(% )
MOC / TOC
(% )
(DOC+POC) /
MOC
0 ~ 20 WM 1. 16依0. 16b 26. 14依1. 06ab 72. 73依0. 84b 0. 38依0. 02a
WR 0. 36依0. 03c 22. 41依1. 58c 77. 21依1. 60a 0. 30依0. 03c
MM 0. 31依0. 03c 26. 53依1. 47a 73. 09依3. 36b 0. 37依0. 04a
MR 0. 30依0. 05c 26. 12依0. 90ab 73. 57依0. 81b 0. 36依0. 01a
WM鄄MM 0. 43依0. 06c 25. 41依1. 11ab 74. 16依0. 17ab 0. 35依0. 01ab
WR鄄MR 0. 30依0. 04c 24. 06依1. 12bc 75. 61依2. 97ab 0. 32依0. 02b
CK 1. 67依0. 16a 24. 24依0. 84bc 74. 07依0. 45ab 0. 35依0. 01ab
20 ~ 40 WM 0. 78依0. 06b 15. 18依1. 05a 84. 04依2. 81b 0. 19依0. 02a
WR 1. 00依0. 14a 13. 11依1. 33bc 85. 88依1. 19ab 0. 16依0. 02bc
MM 0. 43依0. 05c 13. 76依0. 97ab 85. 80依0. 98ab 0. 17依0. 01bc
MR 0. 54依0. 07c 14. 45依1. 01ab 85. 02依1. 08ab 0. 18依0. 01ab
WM鄄MM 0. 98依0. 13a 13. 30依0. 63bc 85. 72依0. 69ab 0. 17依0. 01bc
WR鄄MR 0. 45依0. 07c 13. 68依0. 67abc 85. 87依0. 68ab 0. 16依0. 01bc
CK 0. 42依0. 07c 12. 07依0. 42c 87. 51依0. 44a 0. 14依0. 01c
0 ~ 40 WM 1. 01依0. 21a 22. 04依1. 54a 76. 94依1. 25b 0. 30依0. 02a
WR 0. 57依0. 05bc 19. 33依1. 27b 80. 10依1. 25a 0. 25依0. 02c
MM 0. 36依0. 03c 21. 94依2. 07a 77. 67依2. 50ab 0. 29依0. 02ab
MR 0. 38依0. 01c 22. 24依0. 35a 77. 37依0. 19ab 0. 29依0. 01ab
WM鄄MM 0. 62依0. 05b 21. 27依0. 35ab 78. 12依0. 41ab 0. 28依0. 01abc
WR鄄MR 0. 35依0. 05c 20. 70依1. 49ab 78. 92依2. 01ab 0. 27依0. 02abc
CK 1. 19依0. 26a 19. 56依0. 63b 79. 24依0. 38ab 0. 26依0. 01bc
2郾 3摇 秸秆还田对土壤不同有机碳组分在总有机碳
中比例的影响
由表 3 可知,6 种秸秆还田模式 0 ~ 20 cm 耕层
DOC占比显著低于 CK,其中 WM 降幅最小、MR 和
WM鄄MM降幅最大;POC 占比为 MM 模式显著高于
CK,其余 5 种模式与 CK 差异不显著;而 MOC 占比
为 6 种还田模式与 CK差异均不显著. 20 ~ 40 cm犁
底层 DOC占比为 WM、WM鄄MM 和 WR 模式显著高
于 CK,其余 3 种模式与 CK 差异不显著;POC 占比
为 MM、MR和WM模式显著高于 CK,其余 3 种模式
与 CK差异不显著;MOC 占比为 WM 模式显著低于
CK,其余 5 种模式与 CK 差异不显著. 0 ~ 40 cm 土
层 DOC占比,除WM外的 5 种模式均显著低于 CK,
降幅在 0. 57 ~ 0. 84% ,其中 WM鄄MM 模式降幅最
小、WR鄄MR模式降幅最大;POC 占比为 MM、WM 和
MR 模式显著高于 CK,分别提高 2郾 4% 、2郾 5% 和
2郾 7% ,其余 3 种模式与 CK 差异不显著;MOC 占比
为 6 种还田模式与 CK 差异均不显著. 有机碳活性
组分与惰性组分储量比值[(DOC+POC) / MOC]计
算结果表明,与 CK 相比,耕层 WR 模式显著降低,
犁底层 WM和 MR模式显著提高,整个 0 ~ 40 cm土
层 WM模式显著提高;各土层其余模式与 CK 差异
均不显著.
同一秸秆不同还田方式间比较,WM 与 WR 相
比,耕层 DOC 和 POC 占比显著提高 (分别提高
0郾 8%和 3. 7% ),MOC占比显著降低(降低 4. 5% );
犁底层 DOC占比显著降低(降低 0. 2% ),POC 占比
显著提高(提高 2. 1% ),MOC 占比差异不显著;0 ~
40 cm 土层 DOC 和 POC 占比显著提高,MOC 占比
显著降低;总体使两个土层的(DOC+POC) / MOC 显
著增大. MM与 MR相比,各土层 3 种有机碳组分占
比及(DOC+POC) / MOC 差异均不显著. WM鄄MM 与
WR鄄MR相比,犁底层 DOC 占比显著提高 (提高
0郾 53% )、POC 和 MOC 占比差异不显著,耕层 3 种
有机碳组分占比、各土层(DOC+POC) / MOC 差异均
不显著.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 秸秆还田对耕层土壤有机碳及不同活性组分
的影响
与 CK相比,本试验 6 种秸秆还田模式年增施
秸秆 7500 ~ 16500 kg·hm-2,3 年后土壤 0 ~ 20 cm
耕层 TOC储量显著提高,且高于试验开始前(32. 35
Mg·hm-2),这与田慎重等[5]和劳秀荣等[18]的结论
一致.除 WR外的 5 种还田模式耕层 POC 储量均显
著高于 CK,与于建光等[19]的结论一致;且 POC 储
594312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 虎等: 秸秆还田对土壤有机碳不同活性组分储量及分配的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
量增幅较大的还田模式(MM、MR 和 WR鄄MR)TOC
储量增幅亦较大,说明促进 POC 积累是秸秆还田模
式下耕层 TOC储量增加的主要原因之一.
DOC与 POC是土壤活性有机碳库中生物活性
不同的两类组分. 土壤 DOC 可因土壤生物生理分
泌、秸秆分解和微生物死亡等过程而积累,亦可因微
生物消耗而降低. 倪进治等[20]研究发现,有机肥处
理一周内土壤 DOC含量升高,其后随培养时间的推
移逐渐下降. Spaccini 等[21]研究土壤有机碳固定机
理时发现,来源于玉米的新碳可转移进入腐殖物质
组分并被其所稳定.本试验 6 种还田模式耕层 DOC
储量均显著低于 CK,一方面与土样采集于秸秆还田
3 个月后 DOC被微生物吸收和矿化有关,另一方面
与 DOC向 MOC等其他组分转移有关.
供试土壤耕层 MOC / TOC(72. 7% ~ 77. 2% ) >
POC / TOC(22. 4% ~ 26. 5% ) >DOC / TOC(0. 3% ~
1. 7% ),因而,TOC储量变化主要由 MOC和 POC 储
量决定.相对于 CK,WR模式耕层 MOC 储量显著提
高,WM和 WM鄄MM 模式耕层 POC 储量显著提高,
MM、MR 和 WR鄄MR 模式耕层 POC 和 MOC 储量均
显著提高.说明 WR模式耕层 TOC 储量变化是土壤
MOC增加所致;WM和 WM鄄MM模式耕层 TOC储量
变化是耕层 POC 积累所致;MM、MR 和 WR鄄MR 模
式耕层 TOC 变化是 POC 和 MOC 共同增加所致,因
而具有更大的增碳效应. 与 CK 相比,WR 模式耕层
MOC / TOC增大、(DOC+POC) / MOC 显著减小,WM
和 WM鄄MM模式耕层 POC / TOC 增大、MOC / TOC 减
小,印证了上述结论.
3郾 2摇 秸秆还田对犁底层土壤有机碳及不同活性组
分的影响
秸秆还田后,土壤耕层有机碳储量(含量)显著
提高,是其原有有机碳矿化损失(激发效应)量小于
秸秆碳积累量的结果;而犁底层有机碳变化说法不
一,但均受土壤耕翻情况的影响. 何莹莹等[22]研究
发现,作业深度 8 cm 的秸秆旋耕(浅旋)还田降低
了 10 ~ 20 cm 土层有机碳含量,可能是耕作与秸秆
还田共同作用的结果.王勇等[23]认为秸秆还田提高
了 20 ~ 40 cm土层总有机碳含量,少耕、免耕可提高
大团聚体的含量及有机碳贡献率.而本试验 20 ~ 40
cm犁底层 TOC储量为旋耕秸秆翻压还田(WR、MR
和 WR鄄MR)显著低于 CK,免耕秸秆覆盖还田(WM
和 MM模式)与 CK差异不显著.
传统耕翻作业会导致土壤有机碳流失[24],因而
本试验旋耕秸秆不还田处理(CK)犁底层 TOC 储量
低于试验开始前(24. 42 Mg·hm-2). 研究发现,不
仅植物残体进入土壤会引起促进土壤原有有机碳矿
化分解的激发效应,而且糖、氨基酸等易被微生物利
用的基质[25]和根系分泌物[26]也会引起激发效应,
甚至干湿交替[27]也会引起激发效应.本试验中秸秆
翻压还田处理,一方面因增大土壤扰动强度、加速土
壤水分蒸发损失和有利于根系分泌物及微生物活性
基质进入犁底层等作用,可促进犁底层原有有机碳
矿化(激发效应);另一方面,作业深度为 12 ~ 15 cm
的旋耕翻压处理很难将还田秸秆送入 20 ~ 40 cm犁
底层,该区域秸秆碳积累量有限;因而其犁底层
TOC储量显著低于 CK.而 WR、MR和 WR鄄MR模式
与 CK 相比,犁底层 MOC 储量显著降低、POC 储量
差异不显著,说明土壤 MOC矿化分解可能是本试验
秸秆翻压还田处理犁底层 TOC 储量显著降低的主
要原因之一.受试验处理时间短、大田试验误差不易
控制等因素限制,该试验结果可能另有原因,有待后
续深入分析.本试验犁底层 TOC 储量与 CK 差异不
显著的 WM和 MM模式,其犁底层 POC储量及占比
(POC / TOC)显著高于 CK,MOC 储量与 CK 差异不
显著,说明结合免耕措施的秸秆覆盖还田有利于犁
底层 POC 积累,可在一定程度上抑制犁底层 TOC
储量的降低.
3郾 3摇 秸秆种类和还田方式对土壤有机碳及组分的
影响
玉米秸秆还田与小麦秸秆还田土壤固碳效应的
差异,是秸秆性质、秸秆还田量、还田季的气候及土
壤墒情等因素不同所致.首先,玉米秸秆与小麦秸秆
的碳、氮含量及碳氮比值不同(玉米秸秆分别为 400
g· kg-1、 7 g · kg-1 和 57;小麦秸秆分别为 380
g·kg-1、5 g·kg-1和 76),玉米秸秆中易分解的水溶
性物质和粗蛋白质含量高、难分解的纤维素和木质
素含量低[28];因此与小麦秸秆相比,玉米秸秆更容
易被微生物分解利用和腐殖化.其次,年秸秆还田量
为玉米秸秆还田处理(9000 kg·hm-2伊400 g·kg-1 =
3. 6 Mg·hm-2纯碳)大于小麦秸秆还田处理(7500
kg·hm-2伊380 g·kg-1 = 2. 8 Mg·hm-2纯碳).第三,
供试农田地处陕西关中平原的渭北地区,秋季玉米秸
秆还田期间(10 月),气温适中、雨水充沛,土壤墒情
较好;而初夏小麦秸秆还田期间(6 月)土壤墒情较
差.因此,本试验玉米秸秆还田(MM和MR)耕层 TOC
和 POC储量显著高于小麦秸秆还田(WM和WR).
相对于翻压还田处理,秸秆覆盖还田有机物料
与土壤接触混合较差,不利于秸秆的微生物分解和
6943 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
土壤颗粒对有机碳保护作用的发挥.因此,小麦秸秆
覆盖还田(WM)相对翻压还田(WR)、小麦鄄玉米秸
秆均覆盖还田(WM鄄MM)相对翻压还田(WR鄄MR),
耕层 TOC 储量、MOC 储量及占比均显著降低. 但
是,秸秆覆盖还田有利于土壤墒情的保持和温度稳
定[29-30],因此,WM 相对 WR、MM 相对 MR,犁底层
POC、MOC和 TOC 储量提高或显著提高;秸秆覆盖
还田与翻压还田相比,有利于土壤有机碳活性组分
的积累.
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作者简介 摇 王 摇 虎,男,1975 年生,博士研究生,副教授. 主
要从事土壤化学及环境化学研究. E鄄mail: Bahxy@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
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