保護性耕作對土壤微團聚體碳、氮分布的影響

王彩霞,岳西杰,葛璽祖,黃 婷,王 勇,王旭東

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊凌712100)

隨著對土壤肥力實質(zhì)研究的深入,微團聚體在肥力上的重要作用受到越來越多的關(guān)注[1]。土壤微團聚體系指土壤中直徑小于0.25 mm的土壤微結(jié)構(gòu)體,是土壤的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。微團聚體不僅影響到土壤的通氣、保水狀況,而且不同大小微團聚體對碳、氮的吸附、保護能力也不同,影響著土壤中碳、氮的轉(zhuǎn)化。因此對土壤微團聚體分布以及微團聚體碳、氮的研究意義深遠。Six等[2]研究證實,大團聚體中有機碳比微團聚體的周轉(zhuǎn)快,微團聚體對有機碳的物理保護作用強。陳恩鳳等[3-4]研究進一步發(fā)現(xiàn),小粒級和大粒級的微團聚體在提供植物碳、氮、磷素營養(yǎng)方面有著不同的功能;較小的微團聚體有較好的碳、氮、磷素儲備能力,而較大粒級的微團聚體中則有機質(zhì)易礦化,其碳、氮、磷素養(yǎng)分的供應(yīng)能力強。土地利用方式、耕作制度、施肥等管理措施影響著有機碳在團聚體中的分布[2],且這種變化首先在較大團聚體中表現(xiàn)明顯。施用有機肥使0.05～0.25 mm和0.01～0.05 mm粒級有機碳儲量明顯增加,而＜0.01 mm粒級的有機碳儲量則呈現(xiàn)下降趨勢[5-6]。不同施肥、土地利用方式等影響到土壤中大小團聚體的分布[5-7]。陳恩鳳等[3]提出了土壤特征微團聚比例的概念,即:以＜0.01和＞0.01 mm粒級微團聚體的比例稱為特征微團聚體的比例,并認為此比例能綜合地反映土壤對于水、肥的保供性能,可以作為評斷土壤肥力水平的指標。不少研究表明,施用有機肥等可以增加0.05～0.25以及0.01～0.05 mm粒級的微團聚體含量,減少＜0.01 mm粒級的微團聚體含量,從而使土壤特征微團聚體比例降低[1,5-6]。

關(guān)于施肥制度、土地利用方式對土壤微團聚體分布及微團聚體中有機碳、氮含量有不少研究[6-10];在保護性耕作方面,對其技術(shù)研究和效益分析方面做了大量工作[11-16]。而有關(guān)保護耕作對土壤微團聚體分布及碳、氮含量的影響還鮮見報道。陜西關(guān)中平原的農(nóng)業(yè)種植以小麥—玉米輪作為主,隨著近幾年機械化的推廣應(yīng)用,免耕、旋耕、深松等耕作措施并結(jié)合秸稈還田在該地區(qū)正在推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)耕作(翻耕)比較,保護性耕作對土壤微團聚體及其碳、氮含量的影響還有待深入研究。因此,以關(guān)中平原某7年不同耕作定位試驗為研究對象,研究了深松、旋耕、免耕等保護性耕作以及傳統(tǒng)耕作對土壤微團聚體分布及其碳、氮含量和儲量的影響,以期為選擇更有利于土壤結(jié)構(gòu)保持和碳、氮積累的合理耕作模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

供試土壤采自西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)一站不同耕作處理長期定位試驗田。該試驗始于2002年,屬于黃土高原南部旱作區(qū),海拔524.7 m,年平均氣溫13℃左右,年平均降水量550～650 mm。土壤為在褐土上經(jīng)過長期耕作施肥發(fā)育而形成的土 ,質(zhì)地粘壤。試驗開始(2002年)時,耕層土壤(0—20 cm)的基本性狀為:pH 8.17,有機質(zhì)含量12.5 g/kg,全氮0.89 g/kg,速效磷8.5 mg/kg,速效鉀 1 60 mg/kg,CaCO353 g/kg。

試驗田種植制度為冬小麥—夏玉米輪作,一年兩熟。其中在夏玉米季各小區(qū)均采用小麥秸稈留高茬(35 cm)覆蓋、硬茬免耕播種玉米的方式;而在冬小麥季對各小區(qū)采取裸地深松(30 cm)、秸稈粉碎覆蓋+深松、裸地旋耕、秸稈粉碎+旋耕、裸地免耕、秸稈粉碎覆蓋+免耕、秸稈粉碎+傳統(tǒng)耕作(耕翻+旋耕)和傳統(tǒng)耕作8種不同的耕作方式;而且根據(jù)深松的頻率和深度不同,又將裸地深松處理分為隔2年、隔年和連年深松3個類型,秸稈粉碎覆蓋+深松處理分為淺松(20 cm)和深松(30 cm)2個類型。共11個處理(詳見表1)。小區(qū)面積為666.7 m2(其中南北長33.3 m,東西寬20 m),重復(fù)3次。

1.2 測定項目與方法

本試驗于2008年10月玉米收獲后采耕層(0—20 cm)土樣,每個小區(qū)按“S”型布點采集15個點進行混合。其中微團聚體的測定采用振蕩分散,虹吸法提取定量測定[17],共分3級[6],即0.05～ 0.25 mm、0.01～0.05 mm和＜0.01 mm粒級。土壤原樣和微團聚體中有機質(zhì)、全氮的測定采用常規(guī)分析方法[18];土壤質(zhì)地采用吸管法。

各粒級有機碳(全氮)儲量(g/kg)=該粒級有機碳(全氮)含量(g/kg)×該粒級微團聚體組成(%)

貢獻率(%)=[某粒級有機碳(全氮)儲量/全土有機碳(全氮)含量]×100

表1 土壤耕作試驗處理Table 1 The experimental design of the tillages

2 結(jié)果分析

2.1 土壤微團聚體分布狀況

表2 不同處理下土壤微團聚體質(zhì)量分數(shù)Table 2 Distribution of soil micro-aggregates

2.2 不同耕作對微團聚體有機碳、全氮、C/N的影響

圖1 特征微團聚體比例Fig.1 Proportion of characteristic micro-aggregates

2.2.1 對微團聚體有機碳含量的影響 不同處理0—20 cm土層土壤原樣的有機碳含量(表3)看出,傳統(tǒng)耕作的土壤有機碳含量最低,在玉米秸稈還田的情況下,旋耕、深松、傳統(tǒng)耕作和免耕分別比傳統(tǒng)耕作(秸稈不還田)增加了20.6%、19.1%、7.41%、6.17%,前兩者與傳統(tǒng)耕作之間差異達顯著水平;玉米秸稈不還田,深松、旋耕和免耕分別比傳統(tǒng)耕作增加17.4%、15.4%、4.23%,前兩個處理與傳統(tǒng)耕作間差異顯著。可見,與傳統(tǒng)耕作相比,旋耕和深松顯著提高耕層土壤有機碳含量,而免耕和秸稈還田+傳統(tǒng)耕作對提高土壤耕層有機碳的作用不顯著。

3個粒級的微團聚體中,以0.01～0.05 mm粒級的微團聚體的有機碳含量最低,平均為7.70 g/kg,比土壤原樣的有機碳低25.2%;而0.05～0.25 mm粒級和＜0.01 mm粒級的微團聚體的有機碳較高,平均分別為11.7 g/kg、10.6 g/kg,比土壤原樣分別高13.8%、2.57%。不同耕作處理之間比較發(fā)現(xiàn),對于0.05～0.25 mm的微團聚體,秸稈粉碎+旋耕(處理5)、秸稈覆蓋+深松(處理6、處理 7 )、秸稈還田+傳統(tǒng)耕作(處理8)以及秸稈覆蓋+免耕(處理9)處理分別比傳統(tǒng)耕作的有機碳增加了52.9%、50.2%、19.2%、17.5%;裸地深松(處理 1 、處理2、處理3)和裸地旋耕(處理4)也比傳統(tǒng)耕作的有機碳分別增加了45.9%、36.6%,而裸地免耕(處理10)比傳統(tǒng)耕作降低了2.55%。對于0.01～0.05 mm的微團聚體中的有機碳,秸稈覆蓋+深松(處理6、處理7)、秸稈粉碎+旋耕(處理5)、秸稈還田+傳統(tǒng)耕作(處理8)分別比傳統(tǒng)耕作的有機碳增加了31.6%、19.8%、4.85%;裸地深松(處理 1 、處理 2 、處理3)和裸地旋耕(處理4)也分別比傳統(tǒng)耕作的有機碳增加了18.8%、15.8%,而秸稈覆蓋+免耕(處理9)和裸地免耕(處理10)分別比傳統(tǒng)耕作降低了2.52%、16.9%。對于＜0.01 mm粒級的微團聚體的有機碳,雖然在秸稈還田的條件下深松(處理6、處理7)、免耕(處理9)、傳統(tǒng)耕作(處理8)、旋耕(處理5)處理比傳統(tǒng)耕作的有機碳有所增加,在秸稈不還田的情況下旋耕(處理4)、免耕(處理10)和深松(處理1、處理2、處理3)比傳統(tǒng)耕作有所降低,但增加或降低幅度較小,達不到顯著水平?？傮w看來,與傳統(tǒng)耕作相比,旋耕、深松、秸稈還田+傳統(tǒng)耕作均提高了較大粒級微團聚體(0.05～0.25 mm和0.01～0.05 mm)中有機碳的含量,而免耕使0.01～ 0.05 mm微團聚體中的有機碳有所降低。

2.2.2 對微團聚體全氮含量的影響 不同耕作處理0—20 cm土層土壤原樣的全氮(表3)顯示,傳統(tǒng)耕作土壤全氮含量最低,秸稈粉碎覆蓋+免耕、秸稈粉碎+旋耕、秸稈覆蓋深松、秸稈還田+傳統(tǒng)耕作分別比傳統(tǒng)耕作增加18.1%、18.1%、15.0%、5.58%;裸地深松、裸地旋耕和裸地免耕分別比傳統(tǒng)耕作增加16.2%、13.2%、5.88%。可見,在玉米秸稈還田的情況下,免耕、旋耕和深松3種耕作方式均較大幅度地提高了土壤全氮含量;在玉米秸稈不還田的情況下,深松也大幅度地提高了土壤全氮的含量。在3個粒級的微團聚體中,以0.01～0.05 mm粒級的微團聚體的全氮含量最低(平均為0.967 g/kg),比土壤原樣的全氮低22.9%;0.05～0.25 mm粒級的微團聚體全氮含量平均為1.24 g/kg,比土壤原樣的全氮低1.09%;＜0.01 mm粒級的微團聚體的全氮最高,平均為1.47 g/kg,比土壤原樣的高17.7%。

不同耕作措施對土壤全氮的影響和其對有機碳的影響趨勢較一致?？傮w看來,與傳統(tǒng)耕作相比,旋耕、深松、秸稈還田+傳統(tǒng)耕作均提高較大粒級微團聚體中(0.05～ 0.25 mm和 0.01～0.05 mm)全氮含量,對較小粒級微團聚體(＜0.01 mm)中的全氮含量影響較小。裸地免耕處理使各粒級微團聚體中全氮含量略有降低,而秸稈粉碎+免耕處理使各粒級微團聚體全氮含量有所增加,但達不到顯著水平。

2.2.3 保護性耕作對微團聚體C/N比的影響 不同處理土壤原樣的C/N比平均為8.21,在3個粒級的團聚體中,0.05～0.25 mm粒級微團聚體的C/N比土壤原樣增加了14.7%;0.01～0.05 mm和＜0.01 mm粒級微團聚體的C/N比土壤原樣分別減少了2.95%、12.5%。說明隨著微團聚體的粒徑增大,C/N升高。與傳統(tǒng)耕作相比,深松、旋耕、免耕、秸稈還田+傳統(tǒng)耕作均改變了C/N在各粒級微團聚體中的分配情況,能夠使相對較大的團聚體(0.05～0.25mm)中C/N比提高,而降低了＜0.01 mm粒級的微團聚體中的C/N。無論玉米秸稈是否還田,0.05～0.25 mm粒級中C/N大小順序為旋耕＞深松＞免耕≈傳統(tǒng)耕作?；h領(lǐng)等[19]研究認為,在一定范圍內(nèi),C/N越高,可提供給微生物的能源越多,從而可增強土壤微生物的活性。

表3 土壤微團聚體碳、氮含量Table 3 The contents of organic carbon and total N in soil and micro-aggregates

2.3 保護性耕作對微團聚體碳、氮儲量及貢獻率的影響

2.3.1 對微團聚體有機碳儲量及貢獻率的影響不同耕作處理中雖然0.01～0.05 mm粒級微團聚體中的有機碳含量最低,但其所占比例卻最高,由此計算的總有機碳儲量在0.01～0.05 mm粒級微團聚體中最大(平均為3.83 g/kg);0.05～0.25 mm粒級微團聚體的有機碳儲量次之(平均為3.15 g/kg),＜0.01 mm粒級微團聚體的有機碳儲量最小(平均為2.44 g/kg)。在0.05～ 0.25 mm、0.01～0.05 mm 和＜0.01 mm 3個粒級中,有機碳的平均貢獻率分別為 30.5%、37.1%、23.8%,說明 0.01～ 0.05 mm 是土壤總有機碳儲備的主體(表4)。不同耕作處理間比較發(fā)現(xiàn),深松、旋耕處理均明顯提高了0.05～0.25 mm和0.01～0.05 mm粒級微團聚體中有機碳的儲量,分別比傳統(tǒng)耕作的增加了 29.3%、31.9%和25.9%、12.9%;而免耕處理對提高各粒級微團聚體中有機碳儲量的作用不大。說明深松和旋耕有利于土壤各粒級微團聚體中有機碳儲量的增加,而免耕處理作用不很明顯。

2.3.2 對微團聚體全氮儲量及貢獻率的影響 表4還看出,不同粒級微團聚體中全氮的儲量也是0.01～0.05 mm粒級微團聚體最多(平均為0.483 g/kg);0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm和＜0.01mm 3個粒級團聚體的全氮平均貢獻率分別為26.6%、38.6%、27.2%,說明0.01～0.05 mm團聚體是土壤全氮儲備的主體。與傳統(tǒng)耕作相比,裸地深松的處理(處理1、處理2和處理3)能夠有效地提高全氮在0.01～0.05 mm粒級微團聚體中的儲量,比傳統(tǒng)耕作平均增加了38.2%;而免耕處理(處理9、處理10)降低了0.01～ 0.05 mm以及0.05～0.25 mm粒級微團聚體中的全氮儲量,比傳統(tǒng)耕作分別降低了4.39%和3.86%。秸稈覆蓋旋耕(處理5)和秸稈覆蓋深松(處理6,處理7)處理能夠使各粒級微團聚體中的全氮儲量有所增加。

2.4 團聚體之間碳、氮的相關(guān)分析

相關(guān)分析(表5)表明,原土的總有機碳與0.25～0.05 mm粒級、0.01～0.05 mm粒級的總有機碳極顯著相關(guān),與＜0.01mm粒級的總有機碳不相關(guān);原土的全氮除與原土的總有機碳極顯著相關(guān)外,與0.05～0.25 mm粒級微團聚體總有機碳和全氮之間均顯著相關(guān),而與0.01～0.05 mm和＜0.01 mm粒級微團聚體碳、氮之間均無相關(guān)關(guān)系。0.01～0.05 mm粒級微團聚體的碳、氮與0.25～0.05 mm粒級微團聚體的碳、氮之間顯著正相關(guān),而＜0.01 mm粒級微團聚體的碳、氮與0.01～0.05 mm、0.25～0.05mm粒級微團聚體的碳、氮之間均無相關(guān)關(guān)系。

表4 微團聚體碳、氮儲量Table 4 The storage of organic carbon and total N in the micro-aggregates

表5 微團聚體碳、氮含量之間的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between the contents of organic carbon and total N in the micro-aggregates

3 討論

保護性耕作對土壤有機碳的影響已有不少研究[20]。Muhammad和 Rattan[21]研究認為,土壤團聚體和全土中的有機碳,全氮含量在免耕處理中都顯著高于傳統(tǒng)耕作,且免耕對土壤碳、氮的分布產(chǎn)生分層現(xiàn)象,使碳、氮主要集中在0—10 cm土層,而傳統(tǒng)耕作使土壤碳、氮在0—30 cm均勻分布。李琳等[22]認為,在0—30 cm土層總有機碳含量大小順序為:旋耕秸稈還田＞免耕秸稈還田＞翻耕秸稈還田,但免耕和翻耕差異顯著;而且提出了不同耕作措施對土壤有機碳活性影響的差異,即:在秸稈還田情況下,翻耕主要通過提高活性碳含量來提高土壤總有機碳,免耕則主要通過提高土壤穩(wěn)定態(tài)碳含量來提高土壤有機碳,而旋耕既能提高活性碳含量,又能提高穩(wěn)態(tài)碳含量。張潔等[23]的研究表明,在秸稈高留茬的情況下,土壤耕層(0—20 cm)有機碳含量表現(xiàn)出深松＞免耕的趨勢?？梢?不同耕作措施一方面對土壤有機碳影響的機理不同;另一方面,不同生態(tài)環(huán)境條件下所得結(jié)論不完全一致。本研究結(jié)果表明,在關(guān)中平原的土 上,與傳統(tǒng)耕作比較,旋耕、深松方式提高了土壤有機碳和全氮的儲量,免耕的增加效果不顯著。

從不同耕作措施土壤微團聚體中碳、氮含量來考慮,旋耕、深松是比較理想的耕作方式,免耕不適合于該地區(qū),這與當(dāng)?shù)赝寥辣容^粘重有關(guān)。土屬于粘壤質(zhì)地,長期免耕會導(dǎo)致土壤通氣不良,微生物活動降低,從而使土壤中植物殘體向腐殖物質(zhì)轉(zhuǎn)化慢,不利于有機-礦質(zhì)復(fù)合體和團聚體的形成。Alvarez等[24]的研究結(jié)果也同樣認為,在質(zhì)地粘重排水不良的土壤上實施免耕并不能明顯增加SOC的含量。另外,免耕處理使作物的殘體主要殘存于土壤表面,土壤與秸稈殘體難以有效融合,不利于微團聚體中碳、氮的改善和提高。因此,免耕幾年后需要進行一次深松或旋耕,尤其是對于土壤質(zhì)地較粘重的土壤。何進等[25]提出,4年免耕覆蓋加上1年深松的耕作方式可以降低土壤容重、改善土壤結(jié)構(gòu)和節(jié)約成本。在中國北方實施保護性耕作時,深松效應(yīng)可以持續(xù)4年以上[25],不需年年深松。趙海濤等[11]認為,每2～4年深松1次、深度為 3 0 cm 左右有利于作物根系發(fā)育。本研究也看出,隔兩年深松比連年深松處理更有利于有機碳和全氮的積累。

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