秸秆还田下褐土易氧化有机碳及有机碳库的变化特征

史康婕，周怀平，解文艳，杨振兴，程 曼

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

秸秆还田下褐土易氧化有机碳及有机碳库的变化特征

史康婕1，周怀平2，解文艳2，杨振兴2，程 曼2

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

研究长期秸秆还田对褐土土壤有机碳（TOC）含量、有机碳储量（TOCs）与固碳速率（DTOC）、易氧化有机碳（ROOC）含量和碳库管理指数（CPMI）的影响，为评价土壤质量、固碳减排、培肥土壤提供理论依据。基于北方旱地连续24 a不同秸秆还田方式下春玉米长期定位试验，选择4个处理（秸秆不还田（CK）、长期秸秆覆盖还田（SM）、秸秆粉碎还田（SC）和秸秆过腹还田（CM））进行分析，通过测定土壤TOC与ROOC含量来确定碳库变化特征。结果表明，秸秆还田处理对0～20 cm土层TOC含量与ROOC含量影响显著，且先降低然后向一个新的平衡移动；CM处理对TOCs的维持最有利，SM，SC处理也对TOCs有显著的积极影响；DTOC表现为净释放，但CK处理的有机碳释放速率为秸秆处理的180.99%～135.57%；CM处理的CPMI值显著高于其他处理，且比CK高62.33%；碳库管理指数与易氧化有机碳含量呈显著正相关。可见，秸秆还田处理可极显著影响土壤有机碳固存，减少有机碳的释放，使土壤性质向良性发展，有利于培肥土壤、保护环境。

秸秆还田；有机碳储量；碳库管理指数；固碳速率；土壤有机碳；易氧化有机碳

土壤有机碳是土壤的重要组成部分，与土壤结构、土壤肥力、作物产量密切相关[1]。有机碳储量和固碳速率是反映土壤养分与有机碳固存的重要指标。土壤有机碳储量的形成是不同碳组分周转平衡的结果，固碳速率可以反映土壤有机碳的固定与释放速率。但是土壤有机碳是容量指标，只能反映有机碳矿化和合成的最终结果，不足以全面地反映土壤质量的内在变化[2]。土壤有机碳的短暂波动主要发生在易氧化的部分，即易氧化有机碳能被333mmol/L的KMnO4所氧化的有机碳部分。易氧化有机碳周转时间短，与土壤养分的供应、土壤微生物活动和作物生长密切相关，是植物营养素的主要来源，可以用来指示土壤有机质的早期变化[3-4]。然而，土壤有机碳中的活性组分与非活性组分的变化规律不尽相同，所以根据土壤活性有机碳和总有机碳计算出的碳库管理指数（CPMI）被用来评价土壤的质量和管理措施，它结合了人为影响下的土壤碳库指标和碳库活度2个方面的内容，能够较全面和动态地反映外界条件对土壤有机碳的影响[5]。

秸秆用则利，弃则害。秸秆的合理利用不仅缓解了温室效应，而且将秸秆还田能够改善土壤肥力、保持水土、维持作物可持续生长。作物秸秆是农业生产中必不可少的副产品，含有丰富的氮磷钾、中微量元素和有机质，是重要的有机肥来源之一[6]。山西省农作物秸秆资源丰富，1949—2013年秸秆总产量由357.53万t提高到了1 771.9万t，但利用水平还比较低，用作肥料的仅为35%左右[7-8]。

本试验依托于24 a的长期秸秆还田定位试验，研究秸秆还田下褐土土壤有机碳库及易氧化有机碳的变化特征，旨在为旱地秸秆有效利用、土壤培肥和减少温室气体排放等提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

秸秆还田长期定位试验在山西省寿阳县宗艾村北坪（N37°58′，E113°06′）旱塬地上进行，试验地海拔1130 m，试验地块基本平坦，土层深厚，地下水埋深在地表50 m以下。供试土壤为褐土。1992年秋后耕层土壤（0～20 cm）有机质含量23.5 g/kg，全氮1.07 g/kg，硝态氮21.17 mg/kg，有效磷（P）4.97 mg/kg，速效钾（K）117.2 mg/kg，土壤pH值8.4。

1.2 试验材料

供试作物为春玉米，1993—1997年所用品种为烟单14号，1998—2003年为晋单34号，2004—2011年为强盛31号，2011年以后为晋单81号。

1.3 试验设计

试验于1992年秋开始，截至2015年历时24 a，共10个处理。本试验选取其中4个处理：CK，SM，SC，CM，试验小区面积54 m2，不设重复（表1）。采用秋季不同秸秆还田的方式，结合秋季深耕措施，化肥通过条施或全部耕层深施施入土壤，施肥深度为10～30 cm，秸秆还田量根据试验开始时的生产水平确定，生育期不再追肥，详见周怀平等[9]关于长期秸秆还田的研究。试验所用氮肥为尿素（含N 46%）、磷肥为普通的磷酸钙（含P2O514%）；牛粪（风干）有机质含量90.5～127.3 g/kg，全氮3.93～4.97 g/kg，全磷（P2O5）1.37～1.46 g/kg，全钾（K2O）14.1～34.3 g/kg。玉米秸秆（风干）有机碳含量38.1%～44.3%，全氮7.39～9.79 g/kg，全磷0.44～0.54 g/kg，全钾17.1～27.5 g/kg。

每年播种时间为4月15—25日，收获时间为9月20日至10月10日，种植密度为4.95万～5.25万株/hm2，结合秋季深耕施肥，玉米生长期不再进行追肥，田间管理措施主要是除草防治病虫害。试验从1992年到2015年已连续24 a，农田栽培管理措施相同。

表1 不同秸秆还田方式长期定位试验

1.4 测定项目及方法

1992年测定基础土样；1996，2001，2006，2012，2015年测定土样中土壤有机碳及易氧化碳。

试验点每年秋季作物收获后，用土钻采集0～20，20～40，40～60 cm土层土壤样品，每个处理随机取6～10个点，混合制样（因本试验各处理无重复，故采样时人为设置3个重复），所采土样风干后取100 g过0.25 mm筛，测TOC，取50 g过0.149 mm筛，测ROOC。

土壤TOC含量采用重铬酸钾-外加热法测定[8]，ROOC含量采用333 mmol/lL高锰酸钾氧化法测定[10]。

式中，TOCs为某一深度的土壤有机碳储量（t/hm2）；Ci为第i层土壤的TOC含量（g/kg）；pi为第i层土壤容重（g/cm3）；Ti为第i层土壤厚度（cm）；n为土层数。

式中，DTOCm为第m层的固碳速率，TOCsm为第m层的有机碳储量，n表示施肥处理经历的年限（本试验为24 a）。

碳库管理指数（CPMI）是指碳库指数与活度指数的乘积的100倍，其中，碳库指数（CPI）为样品中TOC含量与参考土样TOC含量的比值，活度指数（AI）为样本碳库活度与参考土样碳库活度比值，碳库活度（A）为ROOC与（TOC-ROOC）的比值。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据分析与作图，采用SPSS17.0统计软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 长期秸秆还田对土壤有机碳含量及有机碳储量的影响

2.1.1 长期秸秆还田对土壤有机碳（TOC）含量的影响 在24 a的定位试验中，秸秆不同还田方式TOC含量先降低后缓缓升高且趋于一个相对稳定的水平，但仍需继续试验才能确定该趋势。由图1可知，到2015年，CM，SC，SM处理的TOC含量比试验前降低了15.08%～20.23%，而CK降低了32.44%；每一阶段，CM处理TOC含量波动较为平缓，土壤性质相对稳定，比初始水平下降了6.49%～15.08%；SM在第1阶段（1996年）下降较多后变化相对较小，对于TOC含量的保持有显著影响，尤其在其他处理均急剧降低时，SM处理降低较少，总降低量为7.44%～18.03%；SC变化幅度最大，土壤性质相对易受影响，降低量为8.84%～24.49%；CK处理TOC含量则是在降低过程中不断向一个新的平衡态移动。总体上，秸秆还田处理TOC含量的降低量（1.02～3.85 g/kg）均小于CK（2.37～5.10 g/kg）。

图2为2015年TOC含量的空间变化，TOC含量随土层加深而减少，与前人研究结论相一致[11-13]。在0～20 cm，秸秆还田处理TOC含量极显著高于对照组，CM与SM，SC与SM之间的差异并不显著，与李新华等[14-15]的结论相一致；在20～40，40～60 cm没有显著差异，说明秸秆还田在本试验中主要对0～20 cm土壤TOC含量有影响。

2.1.2 长期秸秆还田对土壤有机碳储量（TOCs）的影响 由图3可知，与试验前对照CK0相比，各处理0～60 cm的TOCs差异达极显著水平，虽然TOCs整体上在减少，但是，CM处理仍然显著高于其他处理，不同秸秆处理对TOCs的影响大小为CM＞SC＞SM＞CK，说明从长期分析，秸秆过腹还田对土壤有机碳的积累固存最有效；秸秆不还田，有机碳亏损最多。

2.1.3 长期秸秆还田对土壤固碳速率（DTOC）的影响 土壤固碳速率为正值表示土壤有机碳为净固定，为负值表现为净释放。从表2可以看出，秸秆还田处理在0～20 cm均表现为有机碳的净释放，固碳能力大小为CM＞SC＞SM＞CK，秸秆还田处理极显著减缓了有机碳释放速率。在0～20 cm，CK处理的有机碳释放速率为秸秆处理的180.99%～135.57%；在20～40，40～60 cm，CM处理显著减缓了有机碳的释放。

表2 不同处理下土壤固碳速率（DTOC） kg/（hm2·a）

2.2 长期秸秆还田对土壤易氧化有机碳含量的影响

由图4可知，1992—2015年的24 a，ROOC含量先减少后缓慢增加且趋向新的动态平衡，ROOC对有机碳响应较灵敏，可指示有机碳短期内变化，CK处理在试验开始后很快达到平衡，而SC，SM处理则在相对长的时间后达到一个高于CK的新平衡，但随产量要求提高，有趋向CK处理的趋势。到2015年，CM处理比试验前降低14.32%，而其他处理降低32.72%～38.86%；CM处理比CK高40.13%。

由图5可知，在土壤剖面上，仅在0～20 cm土层，CM处理对ROOC含量影响显著，且SM，SC处理与CK处理对ROOC含量影响差异并不显著，说明从长期试验得出，秸秆过腹还田对土壤易氧化有机碳有显著积极影响。

2.3 长期秸秆还田对土壤碳库管理指数的影响

由表3可知，与1992年相比，所有处理CPI均有所降低，秸秆还田处理及CK处理均与试验前差异显著，但CM与SM处理间差异不显著，均高于SC处理，而SC处理显著高于CK处理；对于碳库活度（A）和活度指数（AI），CM和SC处理与试验前无显著差异，但均显著高于CK处理；对于碳库管理指数（CPMI1），CM处理与试验前差异不显著，但显著高于其他处理；CM处理的（CPMI2）值显著高于其他处理，且比CK高62.33%。说明CM处理对于有机碳含量维持、活性有机碳转化、碳库固存、有机碳的循环与转化有积极影响，是一种健康的农田管理措施，于建光等[15-16]研究也得出了相似的结论。

表3 2015年不同处理下土壤碳库指数、碳库活度、活度指数、碳库管理指数

2.4 长期秸秆还田条件下土壤有机碳含量、易氧 化有机碳含量与碳库管理指数的相关性分析

表4 土壤有机碳含量、易氧化有机碳含量与碳库管理指数的相关系数

由表4可知，在秸秆还田处理中，TOC含量基本上仅与相应土层的ROOC含量显著正相关。在0～20 cm，ROOC含量与CPMI呈极显著正相关；在20～40，40～60 cm，ROOC含量对CPMI无显著影响。说明秸秆还田对CPMI的影响主要在0～20 cm土层，且土壤总有机碳含量对碳库管理指数的影响很小，易氧化有机碳含量对其影响显著。

3 讨论与结论

3.1 秸秆还田对土壤有机碳及易氧化有机碳含量的影响

本研究结果表明，秸秆还田对TOC，ROOC含量的影响主要表现为先降低然后向一个新的平衡移动，秸秆过腹还田处理的TOC与ROOC含量均显著高于秸秆不还田处理，但是对TOC含量的影响秸秆还田处理间差异不显著，对ROOC含量的影响秸秆过腹还田处理显著高于秸秆粉碎还田和秸秆覆盖还田处理；差异主要发生在0～20 cm土层。农田TOC数量决定于农田有机物料的输入与降解的平衡[15]，土壤有机碳的输入主要是来自作物的分泌物、残留在土壤中的根茬、枯枝落叶以及每年施入土壤中的有机肥料[13，17]。作物秸秆本身含有丰富的有机质，施入土壤后有利于土壤碳积累。由于本试验地土壤有机碳在试验前含量较高，且种植农作物对于产量的要求而施用化肥，使得土壤有机碳入不敷出而下降，故试验进行中TOC与ROOC含量均下降。可能是由于试验设定的秸秆还田量较低而不能满足生产需求，使得TOC与ROOC含量在长期秸秆还田处理后仍未达到或超过试验前水平，但是这一设想需在后续的还田秸秆有机碳的测量与计算以及持续的试验中去验证。但是在1996年后ROOC含量开始增加，TOC含量在2006年后也开始显著增加，表明当秸秆进入土壤后，微生物活性增强，有机物的分解转化相应增强，有利于有机物转化固定[18]。由于土壤本身的性质、气候环境等自然属性与所种作物的特性，根系主要在0～20 cm土层，所以土壤有机碳早期变化主要发生在0～20 cm土层中，20～60 cm的TOC含量与ROOC含量的相关性变化特征仍需在后续的试验中进一步总结探讨。

3.2 秸秆还田对土壤有机碳库的影响

本研究结果表明，在0～60 cm土层，有机碳储量为试验前＞秸秆过腹还田＞秸秆粉碎还田和覆盖还田＞秸秆不还田处理，说明秸秆过腹还田方式最有利于有机碳的积累，另外2种还田方式间差异不显著，但都显著高于秸秆不还田的处理。秸秆还田增加了有机质的输入，对有机碳固存有重要意义。有机碳固定速率和碳库管理指数对秸秆还田的响应一致，3种还田方式均对其有显著的积极影响，但对有机碳固定速率3种还田方式之间没有显著差异；而对于碳库管理指数，秸秆过腹还田处理显著优于其他2种秸秆还田处理。随着人为因素对农田土壤与农田微坏境的扰动，农田土壤的CPMI会降低，土壤性质向不良方向发展，但是通过秸秆还田处理使得土壤肥力的降低被减缓。因为秸秆还田后改善了土壤的基本理化性状，秸秆还田量达到一定值时，对减少土壤水分的蒸发有利，也更利于养分的转化和吸收[19]；秸秆腐殖化，增强了微生物活性，养分进入土壤活性碳库，有助于土壤活性碳库的积累，使土壤向良性方向发展，减少有机碳的释放，提高土壤保墒保肥能力。

3.3 秸秆还田方式的综合评价

秸秆还田是一种既环保又高产高效的生产模式，但是秸秆还田方式的选择仍存在一定的难度。本试验结果表明，3种秸秆还田方式均有利于土壤的良性发展，但均有一些优缺点：秸秆过腹还田是一项最优的土壤碳库管理方式，但其与当地的畜牧业发展关系密切且运输成本高；而秸秆粉碎还田与秸秆覆盖还田均是直接还田，可节省人力物力、方便快捷、成本低，但是秸秆粉碎还田的营养效果不佳，植物不易吸收，而覆盖还田易造成植物病虫害发生[20-21]。所以，为寻求一种方便可行、成本低、肥效高的秸秆还田措施，仍需对现有的秸秆还田试验加以改进后进行大田试验，以期更好地服务于农业生产。

综上所述，秸秆还田是一项很好的农田管理措施，对有机碳的积累固定、减少碳释放、提高土壤质量、培肥土壤均具有重要意义。

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Variation Characteristics of Readily Oxidizable Organic Carbon and Soil Organic Carbon
Pools under Straw Returning Modes in Cinnamon Soil

SHI Kangjie1，ZHOUHuaiping2，XIE Wenyan2，YANGZhenxing2，CHENGMan2
（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment＆Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

The study on soil total organic carbon（TOC）content,soil total carbon storage（TOCs）and sequestration rate（DTOC）, readily oxidizable organic carbon（ROOC）content and carbon pool management index（CPMI）under long-term strawreturning modes in cinnamon soil will provide theoretical basis for evaluation of soil quality,scientific application of fertilization and improving soil fertility. The study was based on the long-term straw returning modes experiment of cinnamon soil in Shouyang county,Shanxi province.Soil samples were collected from four treatments:no strawreturning（CK）,strawmulching（SM）,strawcrushing（SC）and cattle manure（CM）.The change of organic carbon pool was determined by measuring TOC and ROOC.The results showed that in 0-20 cm,TOC contents and ROOCcontents were influenced significantlyunder the strawreturningtreatments,and achieved a newbalance after the first decreases with time.It was the most advantageous to TOCs of maintaining which of CM.SMand SC also had a significant positive effect on TOCs.But DTOCwas released,and released rate ofCK treatment was more 80.99%-35.57%than strawreturningtreatments.The CM treatments was more 62.33%than CK treatment for CPMI.In conclusion,straw returning treatments can significantly affect the soil organic carbon sequestration,reduce the release of organic carbon,make soil properties to benign development,improve soil fertility and protect the environment.

long-term straw returning;soil total carbon storage;carbon pool management index;carbon sequestration rate;soil total organic carbon;readilyoxidizable organic carbon

S141.4

：A

：1002-2481（2017）01-0083-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.01.22

2016-08-16

农业部公益性行业（农业）科研专项（201203030-08-03）；山西省科技攻关项目（20150311016-1）

史康婕（1990-），女，山西阳泉人，在读硕士，研究方向：旱作水肥资源可持续利用。周怀平为通信作者。