全 文 ：书保护性耕作对黄土高原玉米－小麦－大豆轮作
系统产量及表层土壤碳管理指数的影响
杨晶１，沈禹颖１，南志标１，高崇岳１，牛伊宁１，王先之１，罗彩云１，李光棣２
（１．兰州大学草地农业科技学院 农业部草地农业生态系统学重点开放实验室，甘肃 兰州７３００２０；２．澳大利亚新南威尔士州
初级产业部 ＷａｇｇａＷａｇｇａ农业研究所，ＷａｇｇａＷａｇｇａ，澳大利亚，新南威尔士２６５０）
摘要：在陇东黄土高原雨养农业区，以传统耕作（ｔ）为对照，研究了３种保护性耕作：耕作＋秸秆覆盖（ｔｓ）、免耕
（ｎｔ）、免耕＋秸秆覆盖（ｎｔｓ）对玉米－大豆－小麦轮作系统产量和土壤全氮、全碳、有机碳，易氧化有机碳及碳库管
理指数的影响。结果表明，从２００１至２００７年，１０茬作物的总产量在ｔｓ、ｎｔｓ处理下分别比ｔ提高３．６３和１．６２
ｔ／ｈｍ２，而ｎｔ处理则比ｔ处理显著降低２．４８ｔ／ｈｍ２。７年后，ｔ、ｔｓ、ｎｔ和ｎｔｓ处理表层土壤全氮含量分别提高１５．４％，
３０．２％，１６．２％和４９．５％。总有机碳含量相应提高２．５％，１８．７％，１１．７％和７４．０％，易氧化有机碳含量在ｔｓ，ｎｔ和
ｎｔｓ处理下分别比ｔ处理提高１６．０％，１６．２％和３８．１％；土壤碳氮比在ｔ、ｔｓ、ｎｔ和ｎｔｓ处理下较之７年前分别降低了
１１．４１％，８．５４％，３．９１％和２．７２％，ｔｓ、ｎｔ和ｎｔｓ处理下碳库管理指数分别比ｔ处理提高１２．６％，２０．１％和４６．６％，
说明秸秆覆盖＋免耕均有利于提高该轮作系统中土壤有机碳含量并改善碳库质量。
关键词：秸秆还田；免耕；有机碳；易氧化有机碳；碳氮比
中图分类号：Ｓ３４４．１３；Ｓ１５３．６＋１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２０１０）０１００７５０８
免耕、秸秆覆盖等保护性耕作具有改善土壤结构，提高水分利用效率，增加产量，减少能量投入的优点，目前
我国保护性耕作土地面积已达１００万ｈｍ２［１］。保护性耕作下作物产量和土壤养分的变化已有大量报道 ，但作物
生长和土壤质量的响应敏感性因立地条件的不同而异，免耕措施下作物产量的提高可能有一定的时间滞后［２］，免
耕和秸秆覆盖主要通过改善土壤物理结构，提高土壤有机碳等方式来提高土壤质量，鉴于土壤有机碳在较短时间
内对农业管理措施的反映不甚敏感［３５］，许多研究着力通过物理、化学手段将有机质分组为活性、非活性部分，稳
定有机质和分解较慢部分，如Ｂｌａｉｒ和Ｌｅｆｒｏｙ［３］、Ｃｈａｎ等［６］分别用高锰酸钾氧化法和改进的 ＷａｌｋｌｙＢｌａｃｋ法研
究了土壤有机碳组分，表明易分解有机碳的变化比总有机碳更为敏感，可以指示短期内土地利用方式对土壤有机
碳库的影响，而土壤碳库管理指数（ＣＰＭＩ）表征土壤养分及碳素动态变化，比土壤有机碳更具灵敏性，是评价土
壤碳库管理效果的指标［７１０］。
黄土高原是我国乃至全球水土流失最严重的地区之一，生态环境极其脆弱［１１］。据报道，该地区耕地的平均
侵蚀率为每年６０ｔ／ｈｍ２［１２］，主要成因之一是传统的土地翻耕和移走作物余茬等耕作措施虽然有利于杂草控制和
播种作业，但不适宜的耕作措施容易形成地表径流，造成水土流失，并降低了水分利用效率，移走全部地上生物产
量的传统收获方式，减少了有机物对土壤有机质的补充，导致土壤肥力下降，土壤质量退化，进一步制约了产量的
形成，不利于农业可持续发展［１３，１４］，玉米（犣犲犪犿犪狔狊）－小麦（犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿）－大豆（犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓）轮作是陇
东黄土高原土地利用强度很高的种植方式之一，前期研究表明，实施保护性耕作５年后该系统作物产量与传统耕
作处理下相比未见显著变化［５］，本研究进一步报道了实施保护性耕作７年后，作物产量、土壤全氮、有机碳及碳库
管理指数的变化，以反映中等时间尺度下易侵蚀黄土土壤碳库指数对保护性耕作的响应，为在相似地区推广实施
水保耕作，提高资源利用效率和促进农业可持续发展提供一定的理论指导。
第１９卷 第１期
Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
７５－８２
２０１０年２月
收稿日期：２００９０１１２；改回日期：２００９０２２４
基金项目：国家重点基础研究发展规划（Ｇ２００００１８６０２、２００７ＣＢ１０６８０４），澳大利亚国际农业研究中心项目（ＬＷＲ２１９９９／０９４）和教育部２００３年
重点科技项目资助。
作者简介：杨晶（１９８４），女，甘肃武威人，在读硕士。Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｊ＠ｇｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｙｙ．ｓｈｅｎ＠ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ，ｚｈｉｂｉａｏ＠ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 材料与方法
１．１ 试验地自然概况
试验地位于兰州大学草地农业科技学院庆阳试验站（３５°３９′Ｎ，１０７°５１′Ｅ），该站处于黄土高原西部，属温带
大陆性季风气侯。年降水量４８０～６６０ｍｍ，多集中在７－９月，年平均蒸发量１５０４ｍｍ。年平均气温８～１０℃，
极端最高气温３９．６℃，极端最低气温－２２．４℃，年日照时数为２３００～２７００ｈ，无霜期平均为１６１ｄ。土壤为黑垆
土，机械组成中粉粒含量７０％，有机质含量在１％左右，土壤全氮含量低于０．１％，ｐＨ值为８．０～８．５。
１．２ 试验设计
试验开始于２００１年，共设４个处理，分别为传统耕作（ｔ），传统耕作＋秸秆覆盖（ｔｓ），免耕（ｎｔ），免耕＋秸秆覆
盖（ｎｔｓ），每处理４个重复，小区面积为４ｍ×１４ｍ＝５６ｍ２，完全随机区组排列。轮作序列为春玉米－冬小麦－
夏大豆。玉米于４月上旬播种（行株距３８ｃｍ），９月中下旬收获，玉米收获后立即播种小麦（播量１８７ｋｇ／ｈｍ２，行
间距１５ｃｍ），第２年６月底或７月初收获，随后立即播种大豆（行间距２５ｃｍ），１０月收获，土地休闲，到第２年４
月播种玉米，即为１个完整的轮作体系。玉米和小麦播种时均以磷二铵（含氮１８％，Ｐ２Ｏ５４６％）为底肥，玉米拔节
期、小麦返青期追尿素（含氮４６％）３００和１５０ｋｇ／ｈｍ２，大豆播种时施用磷肥。定期人工除草。
１．３ 测定项目和方法
１．３．１ 作物产量的测定 在玉米、小麦和大豆成熟期，分别取０．７６，０．３０和０．２５ｍ２ 样方３个，每处理１２个重
复，齐地面刈割，测籽粒、秸秆鲜重后，分别在４０和８０℃下烘干，称干重折算为单位面积产量。
１．３．２ 土壤分析 在２００１年和２００７年每个作物成熟期，按蛇形路线逐小区取土样。取样层次为０～５和５～
１０ｃｍ，３６°Ｃ下风干后备用。土壤全氮用半微量凯氏定氮法测定［１５］；土壤全碳（ＴＣ）用ｌｉｑｕｉＴＯＣ（Ｅｌｅｍｅｎｔａｒ，德
国产）燃烧法测定；土壤有机碳采用改良的 Ｗａｌｋｌｅｙ－Ｂｌａｃｋ方法［６］，在硫酸∶重铬酸钾体积比分别为０．５∶１．０
和１．０∶１．０，浓硫酸当量分别相当于１２和１８ｍｏｌ／Ｌ的条件下，将有机碳按氧化程度从易到难分离成：易氧化有
机碳（ＣＡ），即在１２ｍｏｌ／Ｌ硫酸中氧化的有机碳；中等氧化有机碳，即被１８及１２ｍｏｌ／Ｌ间硫酸氧化的有机碳。
易氧化部分含量即土壤活性有机碳，易氧化和中等氧化有机碳部分之和等于土壤总有机碳含量。
１．３．３ 土壤碳库管理指数的计算 土壤碳库管理指数计算方法如下［７，８］：
碳库指数（犆犘犐）＝土壤样品全碳含量（ｇ／ｋｇ）／参考土壤全碳含量（ｇ／ｋｇ）
碳库活度（犃）＝活性碳含量／非活性碳含量
碳库活度指数（犃犐）＝样品碳库活度／参考土壤碳库活度
碳库管理指数（犆犘犕犐）＝碳库指数×碳库活度指数×１００＝犆犘犐×犃犐×１００
式中，以传统耕作（ｔ）作为参考土壤，土壤全碳含量用１．３．２中燃烧法测得，土壤活性有机碳即１．３．２中所测得的
易氧化有机碳含量，非活性有机碳含量等于全碳与活性有机碳含量之差。
１．４ 数据统计与分析
所有数据用Ｇｅｎｓｔａｔ进行统计分析，双因素方差分析检验耕作和秸秆覆盖的效应，犔犛犇 法检验平均数与常
规耕作下的差异。
２ 结果与分析
２．１ 轮作系统作物产量动态
自２００１年开始，经过３个完整的轮作周期，１０茬作物的总产量以ｔｓ处理下最高，ｎｔｓ处理次之，分别比ｔ处
理高３．６３和１．６２ｔ／ｈｍ２，ｔｓ与ｔ处理之间差异显著（犘＜０．０５）。ｎｔ处理产量最低，比ｔ处理低２．４８ｔ／ｈｍ２（犘＜
０．０５）（表１）。耕作措施对各个作物的影响有所不同。从２００１年大豆至２００３年小麦收获的第１个轮作周期，３
茬作物产量于各处理间均无显著性差异。从２００３年大豆收获期开始，各处理下作物产量间表现出显著差异。
２００３和２００５年的大豆产量均以ｔｓ处理最高，ｎｔｓ处理次之，２００３年ｎｔ处理下最低，２００５年则ｔ处理下最低，至
２００７年大豆产量的高低顺序为ｎｔｓ＞ｔｓ＞ｎｔ＞ｔ。２００３－２００７年的玉米和小麦均以ｔｓ处理下产量最高，ｎｔ处理下
最低，２００４年ｔｓ处理下玉米产量与对照ｔ处理相比差异显著（犘＜０．０５）。秸秆还田有利于３种作物产量的提高，
且对大豆的作用达到显著水平（犘＜０．０５），而免耕对大豆产量的提高亦有一定的积极作用。
６７ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１０） Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１
表１ ２００１－２００７年间玉米－小麦－大豆轮作系统的产量动态（±犛犈）
犜犪犫犾犲１ 犜犺犲狔犻犲犾犱狅犳狋犺犲狉狅狋犪狋犻狅狀狊狔狊狋犲犿狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犻犾犪犵犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊犳狉狅犿２００１狋狅２００７ ｔ／ｈｍ２
年份Ｙｅａｒ 作物Ｃｒｏｐｓ
处理Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
传统耕作ｔ 耕作＋秸秆覆盖ｔｓ 免耕ｎｔ 免耕＋秸秆覆盖ｎｔｓ
犔犛犇０．０５
２００１ 大豆Ｓｏｙ １．９９±０．１８ ２．０１±０．２２ １．７３±０．１１ ２．１１±０．２１ ０．４１
２００２ 玉米 Ｍａｉｚｅ ９．０５±０．１７ ９．２７±０．４２ ９．４０±０．２４ ９．２５±０．２９ ０．６０
２００３ 小麦 Ｗｈｅａｔ ３．３６±０．１７ ２．９０±０．２５ ３．３３±０．２６ ３．０７±０．４８ ０．５０
大豆Ｓｏｙ １．０１±０．０８ １．２４±０．１４ ０．７８±０．０９ １．１８±０．１０ ０．２２
２００４ 玉米 Ｍａｉｚｅ ７．４７±０．２５ ８．６７±０．４０ ６．６６±０．２１ ７．７３±０．３０ ０．６０
２００５ 小麦 Ｗｈｅａｔ ３．５５±０．１５ ３．９１±０．２６ ３．２３±０．２１ ３．６４±０．３６ ０．４２
大豆Ｓｏｙ １．１７±０．０８ ２．０７±０．１０ １．２５±０．０８ １．５０±０．０７ ０．１６
２００６ 玉米 Ｍａｉｚｅ ３．９２±０．２４ ４．４１±０．２８ ３．５１±０．２６ ３．９７±０．２１ ０．５０
２００７ 小麦 Ｗｈｅａｔ ３．８６±０．２８ ４．０９±０．１９ ２．９１±０．２８ ３．７３±０．２８ ０．５２
大豆Ｓｏｙ ０．９７±０．０６ １．４０±０．０５ １．０７±０．０４ １．７９±０．０９ ０．１３
总产量Ｔｏｔａｌｙｉｅｌｄ ３６．３５ ３９．９８ ３３．８７ ３７．９７ ２．０９
２．２ 土壤全氮含量的变化
图１ ２００１和２００７年轮作系统表层０～１０犮犿土壤全氮含量
犉犻犵．１ 犆狅狀狋犲狀狋狅犳狋狅狋犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀犻狀狋犺犲狊狅犻犾犳狉狅犿
０－１０犮犿犻狀２００１犪狀犱２００７
２００１年表层０～１０ｃｍ土壤全氮含量以ｎｔ处理
下最高，ｔ处理次之，ｎｔｓ最低，４个处理之间无显著差
异（犘＞０．０５）（图１）。经过７年保护性耕作后，土壤全
氮含量高低顺序依次为ｎｔｓ（１．０５ｇ／ｋｇ）＞ｔｓ（０．９１
ｇ／ｋｇ）＞ｎｔ（０．８６ｇ／ｋｇ）＞ｔ（０．８３ｇ／ｋｇ），ｎｔｓ比ｔ、ｔｓ和
ｎｔ处理分别高出２７．７％，１５．６％和２２．１％，差异显著
（犘＜０．０５）。与２００１年相比，４个处理下土壤全氮含
量均有所提高，ｎｔｓ处理下增幅最大，为４９．５％，ｔｓ处
理次之，为３０．２％，ｎｔ处理提高１６．２％，ｔ处理最小，
为１５．４％。
２．３ 表层土壤全碳及总有机碳含量的变化
经过７年的处理实施，４个处理下，土壤全碳含量
从高到低依次为ｎｔｓ（１８．２８ｇ／ｋｇ）＞ｔｓ（１７．４２ｇ／ｋｇ）
＞ｎｔ（１６．７１ｇ／ｋｇ）＞ｔ（１６．２４ｇ／ｋｇ）（图２），ｎｔｓ和ｔ处理之间差异显著（犘＜０．０５），较之２００１年，土壤全碳含量均
有所增长，其中ｎｔｓ处理下增幅最大，为１４．５％，ｔｓ处理次之，为１０．５％，ｎｔ和ｔ处理则分别增加５．６％和５．１％。
土壤总有机碳含量的变化趋势与全碳相同（图３），２００７年ｔｓ、ｎｔ和ｎｔｓ处理下土壤总有机碳含量分别比ｔ显
著提高１３．１％，１１．５％和３６．１％，较之２００１年ｔ、ｔｓ、ｎｔ和ｎｔｓ处理下总有机碳含量分别增长了２．５％，１８．７％，
１１．７％和７４．０％，免耕对土壤有机碳含量有显著的影响（犘＜０．０５），而秸秆覆盖则有极显著影响（犘＜０．０１）。
从土壤有机碳在全碳中所占比例来看，ｔ处理下降低了１．２％，而ｔｓ、ｎｔ和ｎｔｓ则分别提高３．１％，２．７％和
１８．２％，可见，土壤总碳库的变化主要是由于土壤有机碳的变化所引起的。
２．４ 表层土壤碳库管理指数的变化
经过７年的保护性耕作，土壤轻度氧化有机碳（ＣＡ）含量依次表现为ｎｔｓ（７．７２ｇ／ｋｇ）＞ｎｔ（６．５０ｇ／ｋｇ）＞ｔｓ
（６．４９ｇ／ｋｇ）＞ｔ（５．５９ｇ／ｋｇ），ｎｔｓ处理与其他３个处理之间差异显著（犘＜０．０５），免耕和秸秆覆盖对土壤易氧化
有机碳含量的提高有显著的积极作用（犘＜０．０５）。土壤碳库活度在３个保护性耕作措施均高于对照传统耕作，
大小依次为ｎｔｓ＞ｎｔ＞ｔｓ＞ｔ，但处理间无显著差异（犘＞０．０５）。３个保护性耕作处理的碳库指数较对照传统耕作
７７第１９卷第１期 草业学报２０１０年
均有所增长，其中ｎｔｓ处理显著高于ｔ处理，是ｔ处理的１．１３倍。与ｔ处理相比，ｔｓ、ｎｔ和ｎｔｓ三个处理的碳库管
理指数分别提高了１２．６％，２０．１％和４６．６％。这说明免耕和秸秆覆盖均有利于碳库管理指数的提高（表２）。
２．５ 表层土壤碳氮比的变化
经过７年的耕作处理，土壤０～１０ｃｍ全碳与全氮的比值（ＴＣ／ＴＮ）在４个处理下均有所降低（图４ａ），其幅度
大小依次为ｎｔｓ（２４．１６％）＞ｔｓ（１５．９７％）＞ｔ（１２．７５％）＞ｎｔ（６．８７％）。总有机碳与全氮的比值（ＯＣ／ＴＮ）在４个
处理下亦有所降低（图４ｂ），但其降低幅度大小依次为ｔ（１１．４１％）＞ｔｓ（８．５４％）＞ｎｔｓ（３．９１％）＞ｎｔ（２．７２％），虽
然２个比值在各处理下均无显著差异（犘＞０．０５），但秸秆覆盖提高了土壤氮素含量，是土壤碳氮比降低的主要原
因，而耕作加速了ＯＣ／ＴＮ的降低，表明免耕不仅有利于土壤有机碳的积累，而且能够改善土壤碳库的质量。
图２ ２００１和２００７年表层０～１０犮犿土壤全碳含量
犉犻犵．２ 犆狅狀狋犲狀狋狅犳狋狅狋犪犾犮犪狉犫狅狀犻狀狋犺犲狊狅犻犾犳狉狅犿
０－１０犮犿犻狀２００１犪狀犱２００７
图３ ２００１和２００７年表层０～１０犮犿土壤有机碳含量
犉犻犵．３ 犆狅狀狋犲狀狋狅犳狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀犻狀狋犺犲狊狅犻犾犳狉狅犿
０－１０犮犿犻狀２００１犪狀犱２００７
表２ 不同耕作措施实施７年后对表层土壤碳库管理指数的影响
犜犪犫犾犲２ 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犻犾犪犵犲狋狉犲犪犿犲狀狋狊狅狀犆犘犕犐
处理Ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ 易氧化有机碳ＣＡ（ｇ／ｋｇ） 全碳ＴＣ（ｇ／ｋｇ） 碳库活度Ａ 碳库活度指数ＡＩ 碳库指数ＣＰＩ 碳库管理指数ＣＰＭＩ
传统耕作ｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ ５．５９ １６．２４ ０．５７ １．００ １．００ １００．００
传统耕作＋秸秆覆盖ｔｓｔｒｅａｔｍｅｎｔ ６．４９ １７．４２ ０．６０ １．０６ １．０７ １１２．６２
免耕ｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ ６．５０ １６．７１ ０．６８ １．１９ １．０３ １２０．１０
免耕＋秸秆覆盖ｎｔｓｔｒｅａｔｍｅｎｔ ７．７２ １８．２８ ０．７５ １．３１ １．１３ １４６．６２
犔犛犇０．０５ ０．９７ １．５２ ０．２０ ０．３５ ０．０９ ２９．３５
图４ 保护性耕作对２００１和２００７年０～１０犮犿土壤全碳／全氮和有机碳／全氮的影响
犉犻犵．４ 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犻犾犪犵犲狋狉犲犪犿犲狀狋狊狅狀犜犆／犜犖，犗犆／犜犖犳狉狅犿０－１０犮犿犻狀２００１犪狀犱２００７
８７ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１０） Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１
３ 讨论
３．１ 保护性耕作对作物产量的影响
农田生态系统粮食生产的高产－高效是国家粮食安全与可持续发展的关键［１６］。关于保护性耕作对作物产
量影响的报道不尽相同，谢瑞芝等［１７］通过整理前人研究提供的试验数据发现，与当地传统耕作相比较，保护性耕
作下作物产量平均增加１２．５％，如姚宇卿等［１８］的研究结果显示免耕条件下冬小麦产量、水分利用效率分别比传
统耕作高１９．３％和１７．５％。但是，仍有一成的研究报道了减产现象，较为显著的减产数据包括甘肃省免耕不覆
盖处理下小麦减产５２．７４％；陕西省免耕不覆盖处理下玉米减产３２．７７％。本研究中，处理实施前２年３茬作物
产量于各处理间无显著差异，而７年后则可见免耕＋秸杆覆盖对作物产量有显著的促进效应，说明在当地条件下
产量对耕作措施和秸秆覆盖的响应存在滞后现象。大豆产量在免耕＋秸秆覆盖处理下提高显著，其主要原因在
于免耕和秸杆覆盖减少了整个作物生育期的土壤蒸发量，提高了水分利用效率［１９］，使作物叶面积增加［２０］，从而促
进了光合作用，加速了有机质的积累。耕作＋秸秆覆盖处理下，秸秆和耕层土壤均匀混合，其覆盖层切断了土壤
中毛细管水的上升，播种后可防止土壤水分散失，还直接向土壤添加了有机质［２１］。而单纯免耕对小麦产量的提
高，与传统耕作相比，ｎｔ处理下小麦产量降低了６．８％，这是由于免耕条件下前作物残茬玉米根系无法完全清除，
导致种床不平整，现有的小型免耕播种机深浅不一、分布不匀，影响出苗［２１］。Ｈｕａｎｇ等［４］在陇中的研究结果也表
明在黄土高原地区单一的免耕并不利于作物产量的提高，只有结合免耕和秸秆覆盖才能同时达到较好的经济和
生态效益。此外，由于大豆产量易受到啮齿动物采食和践踏的影响，建议轮作系统中选用其他以茎叶收获为目的
的豆科牧草。
３．２ 保护性耕作对土壤碳库的影响
土壤碳固定是缓解温室效应加剧的有效方法之一，已成为陆地生态系统碳循环研究的热点问题。土壤有机
碳水平是衡量土壤质量的重要指标之一，其含量变化受土地利用方式和耕作措施的强烈影响，不合理的土地利用
和不适宜的管理措施所引起的土壤有机碳的损失，导致土壤质量的下降和温室效应的加剧［２２］，土壤碳库损失量
的６０％～７０％可通过采用合理的耕作和管理措施重新固定［２３］。
本研究表明秸秆覆盖极显著的提高了０～１０ｃｍ表层土壤有机碳的含量，免耕的作用亦达到显著水平，这是
因为植物残体的腐殖化作用是土壤有机碳输入的主要途径之一［２４］，秸秆覆盖和免耕直接增加土壤有机碳库，补
充了土壤有机质的损耗。由于风蚀颗粒富含养分含量［２５］，秸秆残茬截获风蚀颗粒的作用是增加土壤有机质的另
一个来源［２６］。研究认为，免耕与秸秆覆盖表土构成了复合的、模拟天然生态系统的分解亚系统［２７］，这个亚系统能
够缓冲外力对土体的冲击，使物质和能量在免耕土壤表层聚集，而作物根系也在表层生长，这种同分布现象使养
分再循环能力和能量利用率提高［２８］。一般而言，不含牧草的粮食作物轮作系统中，因耕种土壤有机碳含量一般
呈减少态势［２９］，但在本研究传统耕作处理下，经过１０茬作物后土壤有机碳含量仍保持着稳定，这与黄土高原有
机碳相对容易保持稳定有关［５，２９，３０］，此外，轮作系统有豆科植物加入，也是土壤养分得到维持的一个重要原因［３１］。
由于土壤有机质含量是一个相对稳定的参数，对于特定的气候条件和管理措施，绝大多数永久性农田的土壤
有机质含量趋于稳定水平［３２］，因此用有机碳含量准确反映土壤质量的变化有一定困难。许多研究认为土壤有机
碳中某些组分在维持土壤质量中发挥着更大的作用［３３，３４］，特别是土壤轻组有机碳对土壤耕作管理更为敏感［３５］，
并且达到平衡状态的时间比有机碳要短［３６］，因此，分离各组分有机碳更有助于阐明土壤有机碳库在土地利用或
管理方式发生改变后早期阶段的变化。本研究中免耕和秸秆覆盖的水保耕作措施均显著的促进了０～１０ｃｍ土
壤易氧化有机碳的积累，这与李琳等［８］的研究结果免耕降低了土壤活性碳含量不尽一致。
土壤碳库活度和碳库活度指数反映了土壤碳素的活跃程度，活度越大，表示有机碳越易被微生物分解，质量
也就越高［９］，土壤碳库管理指数则灵敏地反映农业生产措施对土壤肥力、土壤碳库动态变化的影响［３７］。本研究
中保护性耕作措施，无论是秸秆覆盖还是免耕均有利于土壤碳库活度和碳库活度指数的提高。与传统耕作相比，
免耕和秸秆覆盖都有利于提高碳库管理指数的提高，这与陈尚洪等［１０］的研究结果相同。
３．３ 保护性耕作对表层土壤碳氮比的影响
土壤碳、氮的演变调控着土壤物理、化学和生物学过程，碳氮比值（Ｃ／Ｎ）可衡量土壤碳、氮平衡状况，是评价
９７第１９卷第１期 草业学报２０１０年
土壤质量的敏感指标，影响着土壤碳氮的循环和变化过程［３８］。本研究中，秸秆覆盖处理下土壤碳／氮比较低，是
由于随土壤有机碳的提高，微生物活性提高，分解作用加强，利于有机质的分解，土壤氮素因而累积所致，提高了
氮的利用效率，而保护性耕作处理下土壤ＯＣ／ＴＮ则均高于传统耕作的原因与秸秆在分解过程中需要消耗氮素，
微生物与作物对氮素有一定的竞争有关，另一方面也反映了秸秆覆盖和免耕有利于提高有机碳在总碳库中的比
例，而传统耕作下土壤ＯＣ／ＴＮ降低，不仅使有机碳总量下降，而且轻组有机碳含量的增加减慢，使难氧化有机碳
含量上升，土壤有机质老化，不利于有机质在土壤中的累积，可能会引起碳的净释放［３８４０］。
４ 结论
在陇东黄土高原塬区，秸秆覆盖利于提高玉米－小麦－大豆轮作系统的产量，处理实施７年后，１０茬作物总
产量在ｔｓ、ｎｔｓ处理下分别比ｔ处理提高３．６３和１．６２ｔ／ｈｍ２。ｔｓ、ｎｔ和ｎｔｓ处理下总有机碳含量相应提高
１３．１％，１１．５％和３６．１％，碳库管理指数分别比ｔ处理提高１２．６％，２０．１％和４６．６％，采取免耕＋秸秆覆盖有利
于提高该轮作系统中土壤有机碳含量并改善碳库质量，免耕节省机械、能源和劳力的费用，对改善土壤结构、培肥
地力有显著的积极作用。
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犈犳犳犲犮狋狊狅犳犮狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀狋犻犾犪犵犲狅狀犮狉狅狆狔犻犲犾犱犪狀犱犮犪狉犫狅狀狆狅狅犾犿犪狀犪犵犲犿犲狀狋犻狀犱犲狓狅狀狋狅狆狊狅犻犾狑犻狋犺犻狀
犪犿犪犻狕犲狑犺犲犪狋狊狅狔狉狅狋犪狋犻狅狀狊狔狊狋犲犿犻狀狋犺犲犔狅犲狊狊犘犾犪狋犲犪狌
ＹＡＮＧＪｉｎｇ１，ＳＨＥＮＹｕｙｉｎｇ１，ＮＡＮＺｈｉｂｉａｏ１，ＧＡＯＣｈｏｎｇｙｕｅ１，
ＮＩＵＹｉｎｉｎｇ１，ＷＡＮＧＸｉａｎｚｈｉ１，ＬＵＯＣａｉｙｕｎ１，ＬＩＧｕａｎｇｄｉ２
（１．ＣｏｌｅｇｅｏｆＰａｓｔｏｒａｌＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｒａｓｓｌａｎｄＡｇｒｏＥｃｏｓｙｓｔｅｍ，
ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００２０，Ｃｈｉｎａ；２．ＮＳＷＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｒｉｍａｒｙＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｗａｇｇａ
ＷａｇｇａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＷａｇｇａＷａｇｇａ，ＮＳＷ２６５０，Ａｕｓｔｒａｌｉａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｔｉｌａｇｅ（ｔ），ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｔｉｌａｇｅｗｉｔｈｓｔｕｂｂｌｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎ（ｔｓ），ｎｏｔｉｌａｇｅ
（ｎｔ），ａｎｄｎｏｔｉｌａｇｅｗｉｔｈｓｔｕｂｂｌｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎ（ｎｔｓ）ｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｃｒｏｐｙｉｅｌｄ，ｓｏｉｌｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｃａｒｂｏｎ，ｔｏｔａｌ
ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ｏｘｄｉｚｉｂｌｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ａｎｄｃａｒｂｏｎｐｏｏｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔｉｎｄｅｘ（ＣＰＭＩ）ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈｉｎａ
ｍａｉｚｅｗｈｅａｔｓｏｙｒｏｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｗｅｓｔｅｒｎＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ．Ｔｏｔａｌｃｒｏｐｙｉｅｌｄｆｏｒｔｅｎｈａｒｖｅｓｔｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅ
ｙｅａｒｓ２００１ｔｏ２００７ｕｎｄｅｒｔｓａｎｄｎｔｓｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ３．６３ａｎｄ１．６２ｇ／ｋｇｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ
ｔｉｌａｇｅ，ｂｕｔｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ２．４８ｇ／ｋｇｏｎｔｈｅｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔｓｕｎｄｅｒｎｔｓｔｒｅａｔｍｅｎｔｗｅｒｅ
１５．４％，３０．２％ａｎｄ１６．２％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔ，ｔｓａｎｄｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．Ｔｏｔａｌｃａｒｂｏｎｕｎｄｅｒｎｔｓｔｒｅａｔｍｅｎｔｗａｓｓｉｇｎｉｆｉ
ｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ２．０４ｇ／ｋｇａｎｄｔｏｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｗｅｒｅ２．５０，１．５６ａｎｄ１．７０ｇ／ｋｇｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｕｎｄｅｒｔ，ｔｓ
ａｎｄｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｅａｓｉｌｙｏｘｄｉｚｅｄｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｕｎｄｅｒｎｔｓｗａｓ２．１３ｇ／ｋｇｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｕｎｄｅｒｔ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．ＴＮ／ＴＣｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ１２．７５％，１５．９７％，６．８７％ａｎｄ２４．１６％ｕｎｄｅｒｔ，ｔｓ，ｎｔａｎｄｎｔｓｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
ＴｈｅＣＰＭＩｕｎｄｅｒｔｓ，ｎｔａｎｄｎｔｓｗｅｒｅ１２．６％，２０．１％ａｎｄ４６．６％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｕｎｄｅｒｔ，ｂｏｔｈｓｔｕｂｂｌｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎａｎｄ
ｎｏｔｉｌｗｅｒｅｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｐｏｏｌ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｓｔｕｂｂｌｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎ；ｎｏｔｉｌ；ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ；ｏｘｉｄｉｚｉｂｌｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ；ＯＣ／ＴＮｒａｔｉｏ
２８ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１０） Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１