2021, Vol. 38
2. 黑龙江省农业科学院畜牧研究所, 哈尔滨 150086;
3. 黑龙江省农业科学院牡丹江分院, 黑龙江 牡丹江 157041;
4. 黑龙江省农业科学院大庆分院, 黑龙江 大庆 163000;
5. 黑龙江省农业科学院农业遥感与信息研究所, 哈尔滨 150086
2. Institute of Animal Sciences, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China;
3. Mudanjiang Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Mudanjiang 157041, China;
4. Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Daqing 163000, China;
5. Institute of Agricultural Remote Sensing and Information, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China
土壤有机碳是土壤肥力的重要指标，是土壤质量和功能的核心，在土壤物理、化学和生物特性中发挥着重要作用[1]。土壤有机碳由于其化学组成的非均一性而构成不同组分[2]。土壤活性有机碳是反映土壤碳库动态变化的敏感性指标，能够反映耕作、施肥、秸秆还田等田间措施引起土壤有机碳的微小变化[2-3]。在表征土壤碳库变化方面，土壤碳库管理指数结合了土壤碳库与碳库活度指标，能够较全面地反映人类活动对土壤有机碳总量和土壤有机碳组分的影响。因此，土壤活性有机碳和土壤碳库管理指数成为评价土壤质量和土壤管理的重要指标[4]。
耕作措施和施肥是改变土壤有机碳组分的重要原因，也是影响土壤养分转化的主要驱动力。徐明岗等[5]应用活性有机碳组分和碳库管理指数客观评价了长期定位耕作和施肥对红壤、黑土等土壤质量和土壤碳库的影响。何翠翠等[3]研究发现，有机肥与无机肥配施可提高黑土活性有机质含量和土壤碳库管理指数。张霞等[6]认为，秸秆还田可有效提高黑垆土有机质含量，显著影响土壤活性碳组分在总有机碳中的占比，秸秆-菌渣、秸秆-过腹还田模式分别对土壤质量和有机碳质量的影响较大[7]。宇万太等[8]在潮棕壤上研究表明，化肥配施秸秆有助于提升土壤高活性和中活性有机质的碳库管理指数，免耕与翻耕、深松结合可提高黑垆土有机碳和易氧化碳含量[6]。因此，土壤活性有机碳组分会通过秸秆还田深度的不同而发生改变。
东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，不合理的耕作和施肥导致土壤有机碳含量下降，因此了解有机碳在土壤中的动态变化、优化耕作措施与秸秆还田方式是恢复土壤地力、提高作物产量的重要措施。已有研究主要集中于南方或气温偏高的干旱区秸秆还田、施肥等方式对土壤活性碳及其组分变化的影响[2, 6-10]，而研究秸秆还田对东北寒冷气候区草甸土活性有机碳及其碳库在短时间内的变化较少。本研究以东北平原黏壤质型草甸土田间试验为基础，探讨秸秆不同深度连续还田土壤有机碳及其活性组分的变化，有利于揭示寒温带气候区农业措施对土壤有机碳组分的影响机制，以期为该地区实现秸秆高效利用、改善土壤碳库质量、提高土壤肥力提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验区位于黑龙江省牡丹江市温春镇（44°60′ N，129°58′ E），寒温带大陆性季风气候，年平均气温5.9 ℃，年平均降雨量500~600 mm，平均活动积温2 300~2 500 ℃。土壤类型为黏壤质型草甸土，0~16 cm表土层呈粒状，结构松散。试验前土壤基础养分含量：全氮1.12 g·kg-1、碱解氮101.55 mg·kg-1、有效磷26.50 mg·kg-1、速效钾130.28 mg·kg-1，有机碳10.95 g·kg-1，pH 7.93。
1.2 试验设计试验于2016年9月-2019年10月进行，共设6个处理：免耕（NT）、浅翻20 cm（ST）、深翻35 cm（DT）和免耕秸秆覆盖地表（NTS）、秸秆浅翻还田20 cm（STS）、秸秆深翻还田35 cm（DTS）。其中：①秸秆翻耕还田方式为每年秋季玉米收获后，将秸秆粉碎至小于10 cm平铺于地表，大型机械带动翻转犁将秸秆翻埋于20 cm或35 cm土层；②秸秆不还田采取人工移走秸秆方式；③免耕与免耕秸秆覆盖除免耕机播种外，整个生育期均无中耕作业；④小区面积234 m2，每个处理3次重复，共18个小区。玉米施肥N-P2O5-K2O分别为180、115、75 kg·hm-2。
1.3 测定项目与方法 1.3.1 样品采集2019年秋季玉米成熟期，用环刀、土钻采集0~20、20~40、40~60 cm土层土壤，每小区采集3点均匀混合成1个样品，3次重复，一部分测土壤容重，一部分土样自然风干后测试土壤全量养分、有机碳及其组分。
1.3.2 测定方法土壤容重测定采用环刀法[11]；土壤全氮、全磷、全钾、有机碳测定采用常规方法[11]。
土壤活性有机碳测定采用高锰酸钾氧化法[12]。称取约含15 mg碳的土壤样品（2.0~3.0 g）于50 mL塑料旋盖离心管中，加入25 mL 333 mmol·L-1高锰酸钾溶液，振荡1.5 h后离心（4 000 r·min-1）5 min，上清液用去离子水稀释250倍，分光光度计（565 nm）测定吸光率。通过不加样品的空白与土壤样品的吸光率之差计算KMnO4浓度的变化及被氧化碳，即活性有机碳（LOC）含量。被33 mmol·L-1和167 mmol·L-1高锰酸钾溶液氧化的碳分别为土壤高活性有机碳（HLOC）和中活性有机碳（M-LOC），活性有机碳与高活性有机碳和中活性有机碳含量差则为土壤低活性有机碳（L-LOC）[12]。
测产：在玉米成熟期每小区选取代表性3点进行测产。
1.4 数据分析活性有机碳（LOC）=（A0–A×0.765 3）×25×250×9/（m×1 000）
式中：A0为空白KMnO4溶液吸光率，mmol·L-1；A为测定土样KMnO4溶液吸光率；m土壤质量，g。
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式中：SOCs为某深度的土壤有机碳储量，t·hm-2；Ci为第i层土壤有机碳含量，g·kg-1；Pi为第i层土壤容重，g·cm-3；Ti为第i层土壤厚度，cm；n为土层数。
碳库指数（CPI）=样品全碳含量（g·kg-1）/参考土壤全碳含量（g·kg-1）
碳库活度（L）=活性碳含量/非活性碳含量（NLOC）
碳库活度指数（LI）=样品碳库活度/参考土壤碳库活度
碳库管理指数（CMI）=CPI×LI[12]
采用Microsoft Excel 2017绘制图表，用SPSS 19.0软件对数据进行方差及相关性分析。
2 结果与分析 2.1 不同秸秆还田方式下土壤基础理化指标及产量由表 1可见，秸秆翻耕还田STS和DTS处理，0~ 20 cm表土层容重比秸秆覆盖（NTS）平均降低0.17 g·cm-3，而20~60 cm土层比NTS平均增加0.11 g·cm-3；连续免耕（NT）和NTS处理，0~20 cm表土层容重增加，20~60 cm土层容重有降低趋势。不同秸秆还田方式对土壤全氮和全磷含量影响较大。各处理0~20 cm土层全氮含量变化不显著，但STS和DTS显著增加了20~60 cm土层全氮含量，在40~60 cm土层，其与秸秆不还田和NTS处理间差异显著。秸秆不还田条件下，ST和DT处理土壤全磷含量随土层加深而降低，秸秆翻耕还田STS和DTS处理增加了40~60 cm土层全磷含量，与秸秆不还田和NTS处理差异显著。与秸秆不还田比较，秸秆还田3年玉米产量平均增加4.3%，但3种还田方式间差异不显著。
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表 1 不同处理土壤基础理化指标和产量 Table 1 The soil basic physical and chemical properties and yields under different treatments |
连续3年定位耕作使不同土层有机碳含量发生变化（图 1）。总体上，土壤有机碳含量随土层深度增加而降低，秸秆还田可减缓有机碳下降。不同处理0~60 cm土层有机碳平均含量差异较大，其中STS、DTS土壤有机碳平均含量为11.79、11.28 g·kg-1，分别较DT、ST增加1.41、1.65 g·kg-1和0.90、1.14 g·kg-1，而NT与NTS处理差异不大。无论秸秆是否还田，频繁的翻耕降低了0~20 cm土层有机碳含量。其中，秸秆不还田处理ST与DT有机碳含量较NT分别显著降低1.05、1.95 g·kg-1（P < 0.05）。秸秆还田处理STS、DTS有机碳含量较NTS分别降低0.85、1.11 g·kg-1（P> 0.05）。秸秆还田深度同样影响土壤有机碳含量，在20~60 cm土层，翻耕还田的有机碳含量显著高于覆盖还田。其中，在20~40 cm土层，STS、DTS较NTS分别增加1.38、1.27 g·kg-1，增幅为12.7%、11.6%（P < 0.05）；在40~60 cm土层，STS、DTS较NTS分别增加0.89、0.33 g·kg-1（P < 0.05）。
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同一土层不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。下同 The different lowercase letters in the same soil layer indicate significant differences among treatments(P < 0.05). The same below 图 1 不同处理下土壤有机碳含量 Figure 1 Soil organic carbon contents under different treatments |
由表 2可见，土壤活性有机碳（LOC）中低活性有机碳（L-LOC）含量较高，在0.54~1.37 g·kg-1之间，占比为26.2%~53.3%；其次是中活性有机碳（M-LOC），含量为0.29~1.38 g·kg-1，占比18.9%~46.4%；高活性有机碳（H-LOC）含量最低，为0.25~0.70 g·kg-1，占比14.7%~27.4%。
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表 2 不同处理土壤活性有机碳各组分含量（g·kg-1） Table 2 The composition of soil liable organic carbon under different treatments(g·kg-1) |
频繁的翻耕是提高土壤M-LOC含量的主要原因，而NT和NTS处理各土层M-LOC含量低于翻耕与秸秆翻耕还田处理（表 2）。其中，20~40 cm土层，DTS较STS、NTS分别提高0.61、0.89 g·kg-1，0~40 cm土层，DT、ST较NT分别平均提高0.32、0.28 g·kg-1。总体上，翻耕对土壤M-LOC影响大于秸秆翻耕还田，秸秆深翻还田大于秸秆浅翻还田。
不同处理下土壤L-LOC量在20~40 cm土层分布较高（表 2）。秸秆不还田条件下，连续深耕打破了坚实的犁底层，DT处理土壤L-LOC降幅较大。其中，0~20 cm土层，DT较ST、NT分别降低0.34、0.27 g·kg-1，40~60 cm土层，分别降低0.21、0.11 g·kg-1；秸秆还田深度影响土壤L-LOC的转化，其中STS处理土壤L-LOC的增幅较大。其中，0~20 cm土层，STS较DTS、NTS分别增加0.16、0.13 g·kg-1，增幅为19.75%、15.48%。20~40 cm土层，STS较DTS、NTS分别增加0.36、0.55 g·kg-1，增幅为35.64%、67.07%。40~60 cm土层，STS与DTS处理L-LOC含量也有一定升高，但差异不大。
由于翻耕增强了对土壤的扰动，秸秆还田使秸秆的输入量增加，因而不同深度土壤LOC组分的分布具有差异。由表 2和图 2可见，NT和NTS处理土壤LOC组分含量随土层加深呈下降趋势，可代表原位土壤LOC的分布特征。秸秆不还田条件下，除0~20 cm表土层外，频繁的翻耕对土壤H-LOC组分影响大于NT。其中，20~40 cm土层ST、DT较NT处理分别提高24.6%、86.9%。40~60 cm土层提高73.8%、125.4%，差异显著（P < 0.05）。DT处理对H-LOC的影响大于ST和NT处理，尤其是40 cm以下土层；与秸秆不还田条件下类似，秸秆翻耕还田对土壤H-LOC的影响大于NTS，其中，20~40 cm土层DTS、STS较NTS增幅达91.6%、61.3%，40~60 cm土层增幅分别为45.4%、79.3%。
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同一组分下不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。下同 The different lowercase letters for the same component indicate significant differences among treatments(P < 0.05). The same below 图 2 不同处理下土壤活性有机碳组分含量（A：不同秸秆处理方式对有机碳组分的影响；B：不同耕作深度对有机碳组分的影响） Figure 2 Soil liable organic carbon composition contents under different treatments(A: Effects of different straw managements on organic carbon component contents; B: Effects of different tillage depths on organic carbon component contents) |
根据等深度储量方法计算土壤有机碳储量，从图 3可以看出，经过3年不同耕作与秸秆还田处理，0~ 60 cm土层有机碳储量变化趋势为STS>DTS>NTS>NT> DT>ST。与ST处理相比，STS和DTS处理增幅最大，分别为20.9% 和17.9%，其次为NTS和NT，增幅分别为13.6%和9.1%，而DT与ST间差异不大。
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图 3 不同处理下土壤有机碳储量 Figure 3 Soil organic carbon storage under different treatments |
NT与NTS处理由于连续3年未扰动土壤，土壤碳库储量随土层加深有降低趋势，但0~20 cm有机碳储量高于翻耕与秸秆翻耕还田；秸秆翻耕还田增加了20~60 cm土层有机碳储量。其中，20~40 cm土层，DTS、STS较NTS有机碳储量分别增加3.52、3.12 t·hm-2，40~60 cm土层，DTS、STS较NTS有机碳储量分别增加3.78、6.54 t·hm-2；秸秆不还田处理土壤有机碳库储量变化以表层（0~20 cm）为主，秸秆翻耕还田后，土壤有机碳储量变化主要发生在中层（20~40 cm），并有向下层（40~60 cm）转移的趋势。
2.3.2 土壤活性有机碳组分的储量不同处理对土壤LOC组分的储量有一定影响（图 4A）。土壤H-LOC储量随着翻耕深度的增加呈现上升趋势；与H-LOC相似，秸秆还田条件下，深耕也会显著提高M-LOC的储量，特别是DTS处理，但总有机碳储量之间的差异不显著。由图 4B、4C可以得出，耕作深度显著改变了H-LOC和M-LOC储量，深度越深，含量越高。秸秆还田措施增加了有机碳和各组分储量，但LOC组分，特别是H-LOC、M-LOC对耕作方式的改变更加敏感，而对秸秆还田措施响应不明显。秸秆还田主要通过增加L-LOC含量来提高土壤顽固性碳储量。
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图 4 不同处理下土壤活性有机碳组分储量（A：不同处理对土壤活性有机碳组分储量的影响；B：不同秸秆处理方式对土壤活性有机碳组分储量的影响；C：不同耕作深度对土壤活性有机碳组分储量的影响） Figure 4 Soil liable organic carbon component storage under different treatments(A: Effects of different treatments on soil liable organic carbon component storage; B: Effects of straw managements on soil liable organic carbon component storage; C: Effects of tillage depths on soil liable organic carbon component storage) |
秸秆还田与耕作深度的双因素方差分析（表 3）表明，土壤有机碳及其活性组分对秸秆还田与耕作深度的响应不同。秸秆还田对土壤L-LOC和玉米产量影响显著，而耕作深度对土壤H-LOC和M-LOC影响显著。短时间内，不同秸秆还田方式对草甸土有机碳及其活性组分的含量和储量影响差异不大，但秸秆还田后玉米产量增加，因此，秸秆还田是提高作物产量的重要措施。
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表 3 秸秆还田和耕作深度对土壤有机碳组分及玉米产量的影响 Table 3 The effect of tillage on SOC component contents, storages and yield |
从CPI指数分析（表 4），除ST处理的20~40 cm土层CPI < 1，其他处理CPI>1。同一耕作方式下，秸秆还田处理的CPI大于秸秆不还田处理。20~60 cm土层，秸秆翻耕还田大于NTS，且STS和DTS处理的40~60 cm土层CPI较高；L指数分析表明，各处理土壤碳库活度中20~40 cm土层最高，40~60 cm土层最低。秸秆不还田条件下，DT处理20~40 cm土层L值较高。秸秆翻耕还田提高了20~40 cm土层L值，DTS和STS较NTS平均提高0.15；CMI指数分析表明，秸秆不还田条件下，连续的ST和DT处理0~40、0~20 cm土层的CMI较NT处理有降低趋势。不同秸秆还田方式对表层CMI影响不大，但秸秆翻耕还田显著提高了20~ 60 cm土层CMI值，其中，在20~40 cm土层，STS和DTS较NTS平均提高1.01，在40~60 cm土层，STS和DTS较NTS平均提高0.46，而各土层中STS与DTS处理CMI值差异不大。
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表 4 不同处理下土壤碳库管理指数 Table 4 Soil carbon pool management index under different treatments |
秸秆中富含大量的碳、氮，是增加土壤有机碳的重要来源，秸秆还田可有效改善土壤结构，提高土壤氮、磷、钾和有机质含量，而与耕作措施配合的秸秆还田是提升土壤地力的主要措施[7，10，13-14]。本研究表明，连续翻耕造成深层土壤紧实度增加，土壤库容量降低，不利于创造良好的土体结构。无论秸秆是否还田，频繁的翻耕破坏了表层土壤结构，降低有机碳的物理保护作用从而加速了表层（0~20 cm）有机质的分解，土壤有机碳含量降低，与梁爱珍等[15]研究一致。秸秆还田后由于连续翻耕，秸秆可以深入中层和深层土体，导致20~60 cm土层土壤有机碳含量增加。
秸秆还田深度影响有机碳的矿化与积累，NTS对表层（0~20 cm）有机碳增加作用较大，而翻耕还田更有利于中层（20~40 cm）土壤有机碳的提高，并有向下层（40~60 cm）转移的趋势，这是因为NT减少了对耕层的扰动，土壤结构趋于稳定，表土层有机碳分解速率降低[12]。土壤有机碳储量分析也表明，NT与NTS由于连续3年对土壤不进行扰动，表层土壤有机碳储量高于翻耕与秸秆还田处理，与杨永辉等[16]研究一致。秸秆不还田条件下，土壤有机碳库储量以表层（0~20 cm）为主，秸秆还田后，下层土壤有机碳储量有增加的趋势。
3.2 秸秆还田方式对土壤活性碳组分的影响土壤碳库的变化主要发生在LOC部分[13]。LOC在土壤中周转快、稳定性差、具有较高的微生物活性，虽然仅占总有机碳很小一部分，却是土壤碳循环的关键和动力。秸秆还田后，由于投入了外源有机物，加速了有机碳不同组分之间的周转，从而影响了土壤有机碳的活性和稳定性，改变其组成与存在方式[7]。本研究表明，与NTS比较，秸秆翻耕还田使不同土层HLOC含量都有一定的提高，影响最大的土层为20~40 cm土层，其次是40~60 cm土层。这可能是由于翻耕破坏了土壤对有机碳的物理保护，加速了L-LOC的分解，促进H-LOC的生成[17]，同时腐解的秸秆为微生物提供能源，增强微生物活性，进而促进土壤H-LOC的生成[17]。本试验中深耕对土壤H-LOC的影响大于浅耕和免耕，也证明了这一点；无论秸秆是否还田，连续的翻耕均提高了土壤M-LOC含量，且0~40 cm土层变化较大。上砂下黏的土壤质地、长期的旋耕整地方式导致在15~20 cm土层形成一个紧实的犁底层，短期内连续的深耕打破了犁底层，因而促进了稳定性有机碳的分解，使L-LOC含量降低。
另外，土壤有机碳不同组分对环境改变的敏感性存在差异。耕作对土体的扰动使得深层土壤暴露于表面，整体土层性质相对均一化[18-19]，有机碳各组分含量和储量的变化规律基本一致，随着翻耕深度的增加，土壤有机碳总量有降低趋势，但是LOC组分却呈现了上升趋势，可能是因为耕作破坏了土壤结构，减少了有机碳的物理保护，增强了微生物对有机碳的利用和周转，从而增加了有机碳的活性组分含量[14]。
纤维素是土壤中分布最广、含量最多的多糖，也是作物秸秆的主要成分。纤维素作为一种大分子多糖，其降解周期较长，是土壤中的非活性有机碳。而周转时间较长且降解难度较大，可在土壤中保留较长时间，又是土壤中稳定的有机碳组分。所以秸秆还田对土壤LOC组分的影响较小，这与本研究结果一致。土壤中的秸秆通过一年的腐解，其降解率可以超过70%，是土壤有机碳的重要来源[19]。本研究中，秸秆还田措施对土壤LOC组分含量的影响并不显著。因此，秸秆还田主要通过增加土壤中非活性有机碳组分提升有机碳含量，从而增加作物产量。
3.3 秸秆还田方式对土壤碳库管理指数的影响有研究认为，CMI指数高，土壤肥力上升，反之则肥力下降[17]。其原因在于CMI指数增加，加快了土壤不稳定有机碳的更新速度，促进土壤腐殖质的形成，以及土壤孔隙和通气结构的改善[20]。本研究表明，秸秆不还田条件下，与NT相比，连续3年DT与ST降低了0~20 cm和20~40 cm土层土壤容重，土壤通气透水性增强，同时增加了上层和中层土壤有机碳的矿化分解，CMI降低；不同秸秆还田方式对表层（0~20 cm）CMI影响不显著，但秸秆翻耕还田增加了中层和下层（20~60 cm）CMI，其中，20~40 cm土层的CMI增幅大于40~60 cm土层。韩晓增等[21]研究提出，将秸秆深混至0~35 cm土层，可培育一个肥沃深厚的耕层。影响土壤CMI变化的因素较多[3，5-6]，本研究表明，短期内秸秆连续还田条件下，翻耕深度对草甸土CMI的影响不显著，可能与机械作业水平、取样点分布、土壤质地等因素有关，下一步将继续进行相关研究与分析。
4 结论（1）秸秆还田方式对不同深度土层碳库积累和更新的影响不同，免耕秸秆覆盖促进了表层（0~20 cm）土壤有机碳的增加，而秸秆翻耕还田更有利于中层（20~40 cm）和下层（40~60 cm）土壤有机碳库的积累和碳库管理指数的提高。
（2）秸秆还田措施显著增加了土壤低活性有机碳含量并提高了作物产量，而耕作深度对高活性有机碳和中活性有机碳的影响较大，深翻显著提高了两者的储量。
（3）短期内秸秆翻耕还田深度的变化对土壤碳库积累的影响不显著。针对目前农田土壤频繁翻耕导致的表土流失加剧的问题，秸秆周期轮耕还田是提高土壤肥力的有效解决措施。
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