全 文 ：耕作方式对绿洲灌区农田土壤有机碳
及其分布的影响∗
马忠明１∗∗　 吕晓东１　 刘莉莉２
（ １甘肃省农业科学院， 兰州 ７３００７０； ２甘肃省卓尼县气象局， 甘肃卓尼 ７４７６００）
摘　 要　 依托自 ２００５年开始的田间定位试验，分析了传统平作（ＣＴ）、垄作沟灌（ＦＲＢ）、固定
道垄作（ＰＲＢ）和固定道平作（ＺＴ）４种耕作方式下绿洲灌区农田 ０～９０ ｃｍ土层中土壤总有机
碳（ＴＯＣ）、颗粒态有机碳（ＰＯＣ）含量和微生物生物量碳（ＳＭＢＣ）及其分布特征．结果表明：
４种耕作方式下土壤 ＴＯＣ、ＰＯＣ和 ＳＭＢＣ 在土壤剖面中的垂直分布特征相似，有机碳含量随
着土层深度的增加而递减，且处理之间差异逐渐减小． ＰＲＢ 可显著提高 ＴＯＣ、ＰＯＣ 含量和
ＳＭＢＣ，不同耕作方式下各土层有机碳含量表现为 ＰＲＢ＞ＺＴ＞ＦＲＢ＞ＣＴ．与 ＣＴ 相比，０ ～ １０ ｃｍ 土
层中 ＰＲＢ、ＺＴ和 ＦＲＢ处理 ＴＯＣ含量分别增加 １１．１％ ～ ２４．８％、９．１％ ～ １８．７％和 ７．８％ ～ ８．２％，
ＰＯＣ含量分别增加 ２４．１％～２６．５％、１７．３％～１８．７％和－８．２％ ～１０．８％，ＳＭＢＣ 分别增加 ２０．５％ ～
２８．３％、１０．４％～１５．２％和 ３．５％ ～ ３．７％．ＴＯＣ 对 ＰＯＣ 具有明显促进作用．ＰＲＢ 能显著增加土壤
ＰＯＣ分配比例，增加有机碳积累．
关键词　 土壤总有机碳； 土壤颗粒态有机碳； 土壤微生物生物量碳； 固定道耕作； 绿洲灌区
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０１－０１２２－０７　 中图分类号　 Ｓ１５７．４　 文献标识码　 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｉｌｌａｇｅ ｔｙｐｅ ｏｎ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｏａｓｉｓ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ． ＭＡ
Ｚｈｏｎｇ⁃ｍｉｎｇ１， ＬＹＵ Ｘｉａｏ⁃ｄｏｎｇ１， ＬＩＵ Ｌｉ⁃ｌｉ２ （ １ Ｇａｎｓｕ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｌａｎｚｈｏｕ
７３００７０， Ｃｈｉｎａ； ２Ｚｈｕｏｎｉ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ， Ｚｈｕｏｎｉ ７４７６００， Ｇａｎｓｕ， Ｃｈｉｎａ） ．⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ．
Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（１）： １２２－１２８．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｔｒｉａｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ２００５ ｉｎ ｔｈｅ ｏａｓｉｓ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｉｍ⁃
ｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ （ＴＯＣ）， ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ
（ＰＯＣ） ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ （ＳＭＢＣ） ｉｎ ０－９０ ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ ｏｆ ４ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｉｌｌａｇｅ ｉｎｃｌｕ⁃
ｄｉｎｇ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｉｌｌａｇｅ （ＣＴ）， ｆｒｅｓｈ ｒａｉｓｅｄ⁃ｂｅｄ （ＦＲＢ）， ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｒａｉｓｅｄ⁃ｂｅｄ （ＰＲＢ） ａｎｄ ｚｅｒｏ
ｔｉｌｌａｇｅ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｒａｆｆｉｃ ｏｎ ｆｌａｔ ｆｉｅｌｄ （ＺＴ）． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｏｆ ＴＯＣ， ＰＯＣ ａｎｄ ＳＭＢＣ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗｅｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｔｉｌｌａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｒ⁃
ｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｄｅｐｔｈ， ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．
ＰＲＢ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ＴＯＣ， ＰＯＣ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ＳＭＢＣ， ｗｈｉｃｈ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ
ＰＲＢ＞ＺＴ＞ＦＲＢ＞ＣＴ ｉｎ ｔｈｅ ０－９０ ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ． Ｉｎ ０－１０ ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ， ｔｈｅ ＴＯＣ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ
１１．１％－２４．８％ ｆｏｒ ＰＲＢ， ９．１％－１８．７％ ｆｏｒ ＺＴ ａｎｄ ７．８％－８．２％ ｆｏｒ ＦＲＢ ｗｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ＣＴ；
ＰＯＣ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ２４．１％－２６．５％ ｆｏｒ ＰＲＢ， １７．３％－１８．７％ ｆｏｒ ＺＴ， ａｎｄ －８．２％ ｔｏ １０．８％ ｆｏｒ
ＦＲＢ； ＳＭＢＣ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ２０．５％－２８．３％ ｆｏｒ ＰＲＢ， １０．４％－１５．２％ ｆｏｒ ＺＴ ａｎｄ ３．５％－３．７％ ｆｏｒ
ＦＲＢ． ＴＯＣ ｈａｄ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ＰＯＣ． ＰＲＢ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ
ｓｏｉｌ ＰＯＣ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＴＯＣ； ＰＯＣ； ＳＭＢＣ； ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｒａｆｆｉｃ ｆａｒｍｉｎｇ； ｏａｓｉｓ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ．
∗国家自然科学基金项目（３１１６０１２８）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｍａｚｈｍｉｎｇ＠ １６３．ｃｏｍ
２０１４⁃０７⁃３１收稿，２０１４⁃１１⁃２８接受．
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 １月　 第 ２６卷　 第 １期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊａｎ． ２０１５， ２６（１）： １２２－１２８
　 　 土壤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［１］ ．土壤颗粒有
机碳（ＰＯＣ）是土壤营养物质的重要来源［２］，对土壤
环境和管理措施的变化十分敏感［３］，增加土壤颗粒
有机碳有利于增加微生物生物量碳，改善土壤结构
及其他土壤性状［４］ ．土壤微生物生物量碳（ ＳＭＢＣ）
是土壤有机碳的灵敏指示因子，可反映土壤有效养
分状况和生物活性，能在很大程度上反映土壤微生
物数量，是评价土壤微生物数量和活性及土壤肥力
的重要指标［５－８］ ．已有研究结果表明，土壤耕作措施
对土壤有机碳和微生物生物量碳有较大影响［９－１０］ ．
免耕土壤表层（０～５ ｃｍ）的 ＴＯＣ和 ＰＯＣ含量比传统
耕作增加了 ２５％和 ７０％，但是 ５～１７．５ ｃｍ 土层深度
却分别减少了 ４％和 １８％［１１］ ．施用秸秆使土壤各土
层颗粒态有机碳含量显著提高［１２］，随深度增加，
ＰＯＣ受耕作影响减小．
固定道耕作（ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ⁃ｔｒａｆｆｉｃ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｆａｒｍ⁃
ｉｎｇ）是一种新型的保护性耕作技术，是在保护性耕
作中为了减少农机具在田间作业时对土壤造成的压
实而设置的机械行走道路，其基本特征是采用固定
垄作和沟灌代替传统平作和大水漫灌，并将作物生
长带和车轮行驶带永久分离，作物只种植在垄沟之
间凸起的垄床上，拖拉机车轮则只在垄沟内行驶，它
要求永久保持垄床形状，在下茬作物播种前，只对垄
床进行少量修整，并通过机械或化学除草、免耕和秸
秆覆盖，达到节水、减少耕作和管理作物残茬的目
的．目前在保护性耕作方式下对土壤有机碳的研究
较多，但针对固定道耕作这一新的保护性耕作方式
下土壤碳的研究较少．本研究通过长期定位试验，探
讨不同耕作措施对河西绿洲灌区农田土壤总有机
碳、颗粒态有机碳和微生物生物量碳的影响，以期为
干旱绿洲灌区农田可持续的土壤管理提供科学
依据．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
试验在农业部张掖绿洲灌区农业生态环境野外科
学观测试验站进行．试验站位于 ３８°５６′ Ｎ，１００°２６′ Ｅ，海
拔 １５７０ ｍ，多年平均降水量 １２９ ｍｍ，多年蒸发量
２０４８ ｍｍ，是典型温带荒漠性气候，光照充足，热量
丰富，昼夜温差大．日照时数 ２９３２ ～ ３０８５ ｈ，多年平
均气温 ７．３ ℃，≥１０ ℃的积温为 １８３７ ～ ２８７０ ℃ ．农
业特点是“非灌不植”，属于无灌溉即无农业的干旱
绿洲灌区．土壤为灌漠土，试验前 ０～２０ ｃｍ耕层土壤
养分平均含量为：有机质 １２．４９ ｇ·ｋｇ－１，全氮 ０􀆰 ８７
ｇ·ｋｇ－１，速效磷 １３． ７２ ｍｇ · ｋｇ－１，速效钾 ２２３􀆰 ７
ｍｇ·ｋｇ－１，容重 １． ３９ ｇ·ｃｍ－３，阳离子代换量 ８􀆰 ０２
ｍｍｏｌ·１００ ｇ－１土，ｐＨ值 ８．５８，土壤质地为沙质壤土．
作物以小麦和玉米为主，长期耕作习惯主要采取传
统耕作、大水漫灌．
１􀆰 ２　 试验设计
试验为自 ２００５年实施的定位试验．共设 ４ 个处
理，随机区组排列，４次重复，小区面积 １８ ｍ×１２ ｍ，
种植制度采用当地典型的小麦⁃小麦⁃玉米轮作模式．
各处理分别为：传统耕作（ＣＴ）：平作种植，播种、水
肥管理措施等田间操作按当地传统方式进行；垄作
沟灌（ＦＲＢ）：垄作种植，每年播前用起垄机起垄，垄
的规格为垄面宽 ７０ ｃｍ、垄沟宽 ３０ ｃｍ、垄高 ２０ ｃｍ，
采用垄作播种机一次完成播种和施肥操作，垄床种
植 ５ 行小麦，灌水采用沟灌方式；固定道垄作
（ＰＲＢ）：垄作种植，２００５ 年起垄，规格同 ＦＲＢ 处理，
两垄之间为拖拉机固定通道，不进行翻耕，播种、灌
水和施肥操作同 ＦＲＢ 处理，小麦高留茬收割，茬高
２０ ｃｍ，秸秆覆盖量为 ２２５０ ｋｇ·ｈｍ－２，覆盖在垄面和
垄沟；平作固定道（ＺＴ）：平作种植，耕作方式与 ＰＲＢ
处理一致．
各处理统一施 Ｎ ２２５ ｋｇ · ｈｍ－２， Ｐ ２ Ｏ５ １８０
ｋｇ·ｈｍ－２ ．氮肥 ４０％做基肥，６０％做追肥，结合第一
水和第二水施入，磷肥全部做基肥施入．
１􀆰 ３　 土样采集与制备
于 ２０１２年 ７月小麦收获后采集土样．每个处理
各小区随机确定 ６个采样点．ＣＴ 处理按对角线法采
集样品，其余 ３个处理仅在作物种植带采样．分别采
集 ０～ ５ ｃｍ、５ ～ １０ ｃｍ、１０ ～ ２０ ｃｍ、２０ ～ ４０ ｃｍ、４０ ～
６０ ｃｍ和 ６０～９０ ｃｍ ６ 层土样，同一小区同一深度采
集的土样，剔除石砾和植物残茬等杂物，混合制样，
无菌塑料袋包装．一部分土样到实验室 ４ ℃冰箱保
存，立即进行土壤微生物生物量碳测定；另一部分土
样室内风干过筛，用于土壤总有机碳和颗粒有机碳
测定．
１􀆰 ４　 测定项目与方法
１􀆰 ４􀆰 １土壤总有机碳（ＴＯＣ）测定　 土壤总有机碳测
定采用重铬酸钾外加热法［１３］ ．
１􀆰 ４􀆰 ２土壤颗粒态有机碳（ＰＯＣ）测定　 称取过２ ｍｍ
筛的风干土 ２０ ｇ，放入三角瓶中，加入 １００ ｍＬ
５ ｇ·Ｌ－１的六偏磷酸钠溶液，在往复震荡器 （ ９０
ｒ·ｍｉｎ－１）上震荡 １８ ｈ．土壤悬液过 ０．０５ ｍｍ筛，反复
用蒸馏水冲洗，以筛分颗粒有机碳（０􀆰 ０５～２．０ ｍｍ），
３２１１期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 马忠明等： 耕作方式对绿洲灌区农田土壤有机碳及其分布的影响　 　 　 　 　 　
将所有留在筛子上的物质 （植物根系等不要）在
６０ ℃下过夜烘干（＞１２ ｈ），称量，通过分析烘干样品
中的有机碳含量，计算颗粒有机质中的有机碳含量，
再换算为单位质量土壤样品的对应组分有机碳含
量．以颗粒有机质中有机碳含量除以土壤总有机碳
含量得到颗粒有机碳的分配比例［３］ ．
１􀆰 ４􀆰 ３土壤微生物生物量碳（ＳＭＢＣ）测定 土壤微生
物生物量碳采用氯仿熏蒸提取法［１４］ ．
１􀆰 ５　 数据处理
采用 ＳＰＳＳ １３．０ 软件对数据进行统计分析，采
用 Ｅｘｃｅｌ ２００３ 软件作图．采用单因素方差分析法
（ｏｎｅ⁃ｗａｙ ＡＮＯＶＡ）及 ＬＳＤ多重比较法（α ＝ ０．０５）分
析处理间差异显著性．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 不同耕作方式对土壤总有机碳含量及分布的
影响
耕作措施对农田土壤总有机碳（ＴＯＣ）含量和分
布具有明显影响（表 １）．４ 种处理 ＴＯＣ 含量的垂直
变化均表现为随着土层加深 ＴＯＣ 含量逐渐降低，但
保护性耕作对 ＴＯＣ 含量的影响深度增加．相同土层
中，不同耕作方式下 ＴＯＣ 含量差异较大． ０ ～ １０ ｃｍ
土层，ＴＯＣ含量表现为 ＰＲＢ＞ＺＴ＞ＦＲＢ＞ＣＴ，且差异达
显著水平（Ｐ＜０．０５），与 ＣＴ相比，ＰＲＢ、ＺＴ和 ＦＲＢ 处
理 ＴＯＣ含量分别增加 １１．１％ ～２４．８％、９．１％ ～１８．７％
和 ７．８％～８．２％；１０～２０ ｃｍ土层，ＴＯＣ含量依然表现
为 ＰＲＢ＞ＺＴ＞ＦＲＢ＞ＣＴ，但 ＺＴ 和 ＣＴ 处理间差异不显
著；２０～６０ ｃｍ 土层，ＰＲＢ 和 ＺＴ 处理 ＴＯＣ 含量显著
高于 ＦＲＢ和 ＣＴ 处理；６０ ～ ９０ ｃｍ 土层，各处理 ＴＯＣ
含量无显著差异．
垄作栽培可明显增加表层 ＴＯＣ 含量．与 ＣＴ 相
比，ＦＲＢ处理 ０ ～ ５ ｃｍ、５ ～ １０ ｃｍ 和 １０ ～ ２０ ｃｍ ＴＯＣ
含量分别增加 ８．２％、７．８％和 ３．９％；与 ＺＴ相比，ＰＲＢ
处理 ０～５ ｃｍ、５～１０ ｃｍ和 １０～２０ ｃｍ ＴＯＣ含量分别
增加 ５．１％、１．９％和 １．３％．在 ０ ～ ６０ ｃｍ 土层，ＴＯＣ 含
量均表现为 ＰＲＢ＞ＦＲＢ，ＺＴ＞ＣＴ，且差异达显著水平
（Ｐ＜０．０５）．与 ＦＲＢ 相比，ＰＲＢ 处理 ＴＯＣ 含量提高
１􀆰 ８％～ １５．３％；与 ＣＴ 相比，ＺＴ 处理 ＴＯＣ 含量提高
３􀆰 ６％～１８．７％．在 ６０～９０ ｃｍ土层，ＰＲＢ 处理 ＴＯＣ 含
量明显高于 ＦＲＢ处理，说明固定道耕作对耕层和深
层次 ＴＯＣ均可产生影响，可能是由于固定道耕作避
免了机具在田间作业时对土壤结构造成的破坏和覆
盖秸秆所致．
２􀆰 ２　 不同耕作方式对土壤颗粒态有机碳含量及分
布的影响
从表 ２可以看出，土壤颗粒态有机碳（ＰＯＣ）含
量随土层深度的变化趋势与 ＴＯＣ 相似．不同耕作方
式下 ＰＯＣ 含量差异较大，以 ０ ～ １０ ｃｍ 土层最为显
著，表现为 ＰＲＢ＞ＺＴ＞ＦＲＢ＞ＣＴ，且差异达到显著水平
（Ｐ＜０．０５）．与 ＣＴ相比，ＰＲＢ、ＺＴ和 ＦＲＢ处理 ＰＯＣ含
量分别提高 ２４． １％ ～ ２６． ５％、 １７． ３％ ～ １８． ７％ 和
－８．２％～１０．８％；１０～６０ ｃｍ土层中，固定道保护性耕
作 ＰＲＢ和 ＺＴ 处理 ＰＯＣ 含量明显高于 ＦＲＢ 和 ＣＴ
处理，６０～９０ ｃｍ 土层各处理之间 ＰＯＣ 含量无显著
差异．
垄作对土壤 ＰＯＣ 含量的影响发生在 ０ ～ １０ ｃｍ
土层中．０ ～ ５ ｃｍ 和 ５ ～ １０ ｃｍ 土层中 ＰＲＢ 处理土壤
ＰＯＣ 含量较 ＺＴ 提高 ６．６％ ～ ５．８％，ＦＲＢ 处理土壤
ＰＯＣ含量较 ＣＴ 提高－８．２％ ～ １０．８％．ＦＲＢ 由于每年
一次起垄对表层土壤扰动大，土壤 ＰＯＣ 含量低于
ＣＴ．保护性耕作措施对土壤 ＰＯＣ 含量的影响发生在
０～ ６０ ｃｍ 土层中，ＰＲＢ 处理土壤 ＰＯＣ 含量较 ＦＲＢ
提高 ２．４％～３７．７％，ＺＴ处理土壤 ＰＯＣ 含量较 ＣＴ 提
高 １．６％～１６．７％．
２􀆰 ３　 不同耕作方式对土壤颗粒态有机碳分配比例
的影响
土壤 ＰＯＣ分配比例是 ＰＯＣ质量分数占 ＴＯＣ质
量分数的比值．表 ３ 为不同耕作方式下不同土层
ＰＯＣ分配比例特征，可以看出，０ ～ ５ ｃｍ、５ ～ １０ ｃｍ、
１０ ～ ２０ ｃｍ和２０ ～ ４０ ｃｍ土层ＰＯＣ分配比例表现为
表 １　 不同耕作方式下各土层深度土壤总有机碳含量
Ｔａｂｌｅ １　 Ｓｏｉｌ ｔｏｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｌｌａｇｅｓ （ｍｅａｎ±ＳＥ， ｇ·ｋｇ－１）
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
土层 Ｓｏｉｌ ｄｅｐｔｈ （ｃｍ）
０～５ ５～１０ １０～２０ ２０～４０ ４０～６０ ６０～９０
ＣＴ ９．２４±０．０４ｄ ８．８４±０．０４ｄ ８．３８±０．０１ｃ ６．１１±０．０５ｂ ５．２８±０．１０ｃ ４．９２±０．０２ａｂ
ＦＲＢ １０．００±０．１６ｃ ９．５３±０．０１ｃ ８．７１±０．０４ｂ ６．０９±０．０３ｂ ５．３７±０．０３ｂｃ ４．８３±０．１２ｂ
ＰＲＢ １１．５３±０．０８ａ ９．８２±０．０１ａ ８．８７±０．０４ａ ６．５９±０．０６ａ ６．０４±０．０９ａ ５．０５±１．１０ａ
ＺＴ １０．９７±０．１０ｂ ９．６４±０．０５ｂ ８．７６±０．０３ｂ ６．５６±０．０３ａ ５．４７±０．１０ｂ ４．９９±０．０６ａｂ
同列不同小写字母表示同一层次不同处理间差异显著（Ｐ＜０．０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｍａｌｌ ｌｅｔｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｌｕｍｎ ｍｅａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｔｒｅａｔ⁃
ｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｅｐｔｈ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ． ｎ＝ ２４． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
４２１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
表 ２　 不同耕作方式下各土层深度土壤颗粒态有机碳含量
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｓｏｉｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｌｌａｇｅｓ （ｍｅａｎ±ＳＥ， ｇ·ｋｇ－１）
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
土层 Ｓｏｉｌ ｄｅｐｔｈ （ｃｍ）
０～５ ５～１０ １０～２０ ２０～４０ ４０～６０ ６０～９０
ＣＴ ２．５７±０．０４ｃ ２．４９±０．０３ｄ ２．１７±０．０７ｂ １．４６±０．０４ｃ １．２５±０．０１ｂ ０．９９±０．０３ａ
ＦＲＢ ２．３６±０．０２ｄ ２．７６±０．０５ｃ ２．２３±０．１１ｂ １．６７±０．０３ｂ １．２６±０．０１ｂ １．０５±０．０４ａ
ＰＲＢ ３．２５±０．０３ａ ３．０９±０．１１ａ ２．８８±０．０３ａ ２．０７±０．０３ａ １．２９±０．０１ａ １．０６±０．０４ａ
ＺＴ ３．０５±０．０５ｂ ２．９２±０．０７ｂ ２．７６±０．２０ａ ２．０５±０．０１ａ １．２７±０．０２ａｂ １．０４±０．０１ａ
表 ３　 不同耕作方式下各土层深度土壤颗粒态有机碳的分配比例
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｌｌａｇｅｓ （ｍｅａｎ±ＳＥ， ％）
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
土层 Ｓｏｉｌ ｄｅｐｔｈ （ｃｍ）
０～５ ５～１０ １０～２０ ２０～４０ ４０～６０ ６０～９０
ＣＴ ２７．８１±０．２９ａ ２８．１０±０．２８ｃ ２５．９２±０．９２ｂ ２３．９５±０．４１ｃ ２３．７８±０．５２ａ ２０．００±０．４８ａ
ＦＲＢ ２３．９０±０．４３ｂ ２８．９９±０．５３ｂｃ ２５．６６±１．２８ｂ ２７．３２±０．６１ｂ ２３．３７±０．０８ａ ２１．７４±１．６５ａ
ＰＲＢ ２８．０５±０．２８ａ ３１．４７±１．１１ａ ３２．４６±０．２３ａ ３１．４０±０．３９ａ ２１．４２±０．１９ｂ ２０．９９±０．６３ａ
ＺＴ ２８．０７±０．７３ａ ３０．３３±０．７７ａｂ ３１．５０±２．２３ａ ３１．１８±０．１０ａ ２３．３０±０．７０ａ ２１．０１±０．５６ａ
ＰＲＢ和 ＺＴ显著高于 ＦＲＢ和 ＣＴ．ＰＲＢ和 ＺＴ较 ＣＴ分
别提高 １２．０％～２５．２％和 ７．９％ ～ ２１．５％．说明与传统
耕作相比，固定道垄作和固定道平作增加了 ＰＯＣ 的
相对含量．４０ ｃｍ 以下各土层不同处理 ＰＯＣ 分配比
例无显著差异．
对不同耕作方式下各土层 ＴＯＣ含量、ＰＯＣ 分配
比例及 ＰＯＣ含量平均值进行变异统计，结果（表 ４）
表明，各耕作处理下 ＰＯＣ含量的变异系数均远大于
ＴＯＣ含量和 ＰＯＣ分配比例的变异系数，说明耕作方
式对 ＰＯＣ的影响剧烈．
相关分析（图 １）表明，不同耕作方式下 ＴＯＣ
含量与ＰＯＣ含量之间均呈极显著的线性相关，其中
表 ４　 不同耕作方式下土壤总有机碳和颗粒有机碳的变异
系数
Ｔａｂｌｅ ４　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ＴＯＣ ａｎｄ ＰＯＣ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆ⁃
ｆｅｒｅｎｔ ｔｉｌｌａｇｅｓ （％）
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
土壤总
有机碳
ＴＯＣ
土壤颗粒
有机碳
ＰＯＣ
颗粒有机碳
分配比例
Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ＰＯＣ
ＣＴ ２５．１９ ３１．００ １１．５６
ＦＲＢ ２８．５２ ３０．５５ １０．４９
ＰＲＢ ２９．３４ ３５．８７ １７．７６
ＺＴ ２９．３２ ３４．４４ １５．４２
固定道垄作和固定道平作处理的相关性高于垄作沟
灌和传统耕作，可能与不同耕作方式下土壤受环境
与人为因素的影响程度有关．
２􀆰 ４　 不同耕作方式对土壤微生物生物量碳及分布
的影响
由表 ５可知，不同耕作方式对 ＳＭＢＣ 有明显影
响，４种处理各土层 ＳＭＢＣ均表现为 ＰＲＢ＞ＺＴ＞ＦＲＢ＞
ＣＴ，而且其垂直变化均表现出随土层加深而逐渐降
低的趋势． ０ ～ １０ ｃｍ 土层中，ＰＲＢ、ＺＴ 和 ＦＲＢ 处理
ＳＭＢＣ 分别较 ＣＴ 提高 ２０． ５％ ～ ２８． ３％、 １０． ４％ ～
１５􀆰 ２％和 ３． ５％ ～ ３． ７％．同一土层垄作可明显增加
ＳＭＢＣ．０～２０ ｃｍ土层中，ＳＭＢＣ均表现为 ＦＲＢ＞ＣＴ和
ＰＲＢ＞ＺＴ的变化规律．ＦＲＢ 处理 ＳＭＢＣ 较 ＣＴ处理提
高 ３． ５％ ～ ９． ３％，ＰＲＢ 处理 ＳＭＢＣ 较 ＺＴ 处理提高
９􀆰 １％～１１．４％．在 ２０ ｃｍ 以下土层中，垄作与平作之
间 ＳＭＢＣ差异不显著．
固定道保护性耕作对 ＳＭＢＣ 有显著影响．在 ０ ～
６０ ｃｍ土层中，ＳＭＢＣ均表现为 ＰＲＢ＞ＦＲＢ 和 ＺＴ＞ＣＴ
的变化规律． ＰＲＢ 处理 ＳＭＢＣ 较 ＦＲＢ 处理提高
１４􀆰 ６％ ～ ２８． ２％， ＺＴ 处理 ＳＭＢＣ 较 ＣＴ 处理提高
１０􀆰 ４％～２７．７％．在 ６０～９０ ｃｍ土层中，固定道保护性
耕作与相同条件下的耕作处理之间ＳＭＢＣ差异不
表 ５　 不同耕作方式下各土层深度土壤微生物生物量碳
Ｔａｂｌｅ ５　 Ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｌｌａｇｅｓ （ｍｅａｎ±ＳＥ， ｍｇ·ｋｇ－１）
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
土层 Ｓｏｉｌ ｄｅｐｔｈ （ｃｍ）
０～５ ５～１０ １０～２０ ２０～４０ ４０～６０ ６０～９０
ＣＴ ３８１．１１±２．３２ｄ ３１９．５５±１．４１ｄ １５６．３５±２．５０ｄ １２９．８２±２．８４ｂ ６８．３０±７．５５ｃ ５１．２１±２．２０ｂ
ＦＲＢ ３９４．３４±１．４８ｃ ３３１．４３±２．０５ｃ １７０．９３±１．９９ｃ １４０．２９±２．７６ｂ ７６．１０±１．６０ｂｃ ５５．３４±２．４７ａｂ
ＰＲＢ ４５９．３７±４．８９ａ ４１０．０６±８．６７ａ ２１９．０８±８．１２ａ １７４．０７±４．４７ａ ８７．２０±２．６８ａ ６１．７６±３．７１ａ
ＺＴ ４２０．８８±５．９５ｂ ３６８．２１±８．５０ｂ １９９．６６±３．９２ｂ １６２．３２±１２．２５ａ ８０．６３±３．７５ａｂ ５６．６３±４．５８ａｂ
５２１１期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 马忠明等： 耕作方式对绿洲灌区农田土壤有机碳及其分布的影响　 　 　 　 　 　
图 １　 土壤总有机碳与颗粒态有机碳的关系
Ｆｉｇ．１　 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＴＯＣ ａｎｄ ＰＯＣ．
显著．固定道保护性耕作 ＳＭＢＣ 在相同土层均明显
高于传统翻耕处理．
３　 讨　 　 论
耕作措施是影响土壤有机碳含量和储量的重要
因素，传统的耕作方式使土壤团聚体破碎，从而导致
土壤有机碳物理保护层的破坏，使有机碳暴露于微
生物下而被分解，因而造成耕种条件下土壤有机碳
的下降［１５］ ．另一方面，合理的耕作制度有利于总有
机碳的增加，且土壤中将有更多的碳以 ＰＯＣ 形式存
在．因为有机碳提高的情况下，土壤团聚体形成得到
促进，而形成的团聚体有利于颗粒态有机碳的存在
和团聚体的物理稳定作用，这反过来也改善了土壤
的物理和生物状况，提高了土壤的生产力和肥力，这
些已经被作物产量和土壤肥力性状的分析所证
实［１６－１７］ ．前期研究结果表明，与传统耕作相比，固定
道耕作无论是平作还是垄作种植均可以显著提高
０～４０ ｃｍ ＴＯＣ 含量和 ＳＭＢＣ［１８］，这主要是由于免耕
的固碳作用［１９］ ．本项研究进一步证实，ＰＲＢ 可显著
提高 ＴＯＣ、ＰＯＣ含量和 ＳＭＢＣ，不同耕作方式各土层
有机碳含量高低为 ＰＲＢ＞ＺＴ＞ＦＲＢ＞ＣＴ，且当年采用
垄作沟灌种植方式也可以提高土壤有机碳含量，这
主要是由于垄作沟灌改变了田间微地形，水热条件
发生变化，影响微生物的活性，最终促使土壤中养分
和有机质含量高于常规耕作［２０］，从而促进了 ＴＯＣ
的积累．
土壤中颗粒有机质组分指土壤中与砂粒结合的
有机质（直径 ５００～２０００ μｍ），并进一步可能结合在
土壤大团聚体与微团聚体中．颗粒有机碳比例反映
了土壤中非保护性有机碳或非稳定性有机碳的相对
数量［２１］ ．本研究结果表明，垄作秸秆覆盖增加了外
源碳的输入，因而 ＰＯＣ含量分别较传统耕作和垄作
沟灌处理显著提高．此外，减少耕作 ＰＯＣ 含量较常
规耕作也有不同程度的提高，表明减少耕作使输入
的有机物质分解作用降低，ＰＯＣ 对短期耕作管理的
响应比较敏感．从不同处理各土层 ＰＯＣ 差异来看，
０～５ ｃｍ、５ ～ １０ ｃｍ、１０ ～ ２０ ｃｍ 和 ２０ ～ ４０ ｃｍ 土层
ＰＯＣ 分配比例，ＰＲＢ 和 ＺＴ 显著高于 ＦＲＢ 和 ＣＴ，
ＰＯＣ占 ＳＯＣ的比例变化范围在 ２０．０％~３２．５％，总体
处于早期的一些研究的变动范围 （ ７％ ～ ４４％）
内［２２］，这主要与砂质土壤极高的砂粒含量有关．此
外，秸秆覆盖减少耕作也显著提高了颗粒有机碳含
量及其占全量有机碳的比例．该结果与苏永中等［２３］
的研究结论一致．
与传统耕作措施相比，保护性耕作措施可以提
高土壤表层有机碳积累，养分呈层分布，这是保护性
耕作（特别是免耕）最典型的特点之一［２４］ ．本研究也
表明，４种耕作方式下土壤 ＴＯＣ、ＰＯＣ 含量和 ＳＭＢＣ
均随着土层深度的增加而递减．与 ＣＴ 相比，０ ～ ５ ｃｍ
和 ５～１０ ｃｍ土层有机碳含量表层富集明显．不同处
６２１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
理间 ０ ～ ４０ ｃｍ 土层土壤有机碳含量为 ＰＲＢ＞ＺＴ＞
ＦＲＢ＞ＣＴ，至 ４０ ｃｍ 无明显差异．主要原因在于采用
固定道保护性耕作模式，作物生长带 ０ ～ ２０ ｃｍ 土层
土壤容重降低 ６．８％，０～４０ ｃｍ土层土壤总孔隙度提
高 ４．６％，０～ ３０ ｃｍ 土层土壤紧实度降低 ３１．５％［２５］，
这减缓了大团聚体的破坏或转化，有利于大团聚体
中更多微团聚体的产生，从而提高了团聚体的稳定
性和土壤碳的固定［２６］ ．需要强调的是，本研究重点
关注了垄作种植带土壤耕作对土壤有机碳组分的影
响，研究结论仅初步揭示了 ４ 种耕作模式土壤有机
碳含量的高低水平，但垄作种植仅占耕作面积的
７０％，尽管土壤有机碳含量高于传统耕作，但受土壤
容重等因素影响并不能完全证明在相同土壤单位面
积内其固碳效应也高于传统耕作，因此这还有待于
进一步研究．
ＳＭＢＣ的消长反映微生物利用土壤碳源进行自
身细胞建成而大量繁殖和微生物细胞解体使有机碳
矿化的过程．吴金水［２７］认为，同一土壤中，ＳＭＢＣ 与
有机质含量变化密切相关，因而 ＳＭＢＣ 变化可敏感
地指示土壤有机碳含量变化．本研究表明，ＳＭＢＣ 在
４种耕作措施下变化趋势与 ＴＯＣ 基本一致，但 ＰＲＢ
处理 ＳＭＢＣ 显著高于其他 ３ 种处理，其在各土层含
量均表现为 ＰＲＢ＞ＺＴ＞ＦＲＢ＞ＣＴ．其原因可能是免耕
土壤水分状况良好和形成较多的土壤团粒结构，有
利于土壤表层滋生大量的微生物，秸秆覆盖又向土
壤输入丰富的有机物质［２８］，满足了微生物对养分的
需求，从而促进了微生物的繁殖［２９］ ．由于传统耕作
使有机物质均匀地分布于整个耕层，同时翻耕导致
土壤有机物的矿化，使提供给微生物进行繁殖的碳
源和能源相对减少；同时，垄作后土体所接受的光热
水条件不同，对微生物活性产生影响，吸收和利用碳
源能力不同．因此，传统耕作 ＳＭＢＣ 较低．ＭＢＣ ／ ＳＯＣ
可作为碳素有效性的指标，其值一般为 ０． ５％ ～
４􀆰 ６％［３０］，本研究的 ＳＭＢＣ占 ＴＯＣ的比例为 １􀆰 ０％ ～
４􀆰 ２％，处于相对较高的水平，一方面说明 ＳＯＣ 的活
性较高，另一方面是由于取样时间为 ７月底收获后，
土壤温度较高，其微生物活性相对较高．
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作者简介　 马忠明，男，１９６３年生，博士，研究员．主要从事农
田节水、土壤生态及作物栽培耕作研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｍａｚｈｍｉｎｇ＠
１６３．ｃｏｍ
责任编辑　 张凤丽
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