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    耕作措施對(duì)旱作農(nóng)田土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳的影響*

    2018-05-10 09:12:25蔡立群張仁陟
    關(guān)鍵詞:結(jié)合態(tài)耕作土層

    武 均, 蔡立群,3, 張仁陟,3**, 齊 鵬, 張 軍,3

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    耕作措施對(duì)旱作農(nóng)田土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳的影響*

    武 均1,2, 蔡立群1,2,3, 張仁陟1,2,3**, 齊 鵬1,2, 張 軍1,2,3

    (1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 蘭州 730070; 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730070; 3. 甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 蘭州 730070)

    為了探明耕作措施對(duì)隴中黃土高原旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳的影響, 以連續(xù)進(jìn)行17年的不同耕作措施長期定位試驗(yàn)為研究對(duì)象, 利用碘化鈉重液分組法, 探索了傳統(tǒng)耕作(T)、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田(TS)、免耕(NT)、免耕+秸稈覆蓋(NTS)4種耕作措施對(duì)隴中黃土高原旱作農(nóng)田土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的影響。結(jié)果表明: 土壤總有機(jī)碳含量隨土層加深而降低, 游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳的含量和占土壤總有機(jī)碳的比例均隨土層加深而降低, 而礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量和占土壤總有機(jī)碳比例則隨土層加深而增加。在0~40 cm各土層, 各處理土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例(54.02%~76.78%)均高于礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例(31.78%~46.11%)。較之T處理, TS和NTS處理均不同程度提升土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳的含量和占土壤總有機(jī)碳的比例, 其中NTS處理的提升效果最顯著, TS處理次之。雖然NT、TS、NTS處理可提升土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量, 但T處理下的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例高于NT、TS和NTS處理。耕作模式和秸稈添加模式均對(duì)土壤總有機(jī)碳、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的提升具有顯著效應(yīng), 但秸稈添加模式的效應(yīng)高于耕作模式。同時(shí), 免耕模式僅對(duì)0~10 cm各土層土壤總有機(jī)碳的提升效應(yīng)達(dá)到顯著水平, 對(duì)0~20 cm各土層土壤碳組分的提升效應(yīng)均達(dá)顯著水平, 而添加秸稈對(duì)0~40 cm各土層土壤總有機(jī)碳和各組分均發(fā)揮著顯著提升效應(yīng)。綜合來看, 免耕配合秸稈還田可以提升土壤活力, 促進(jìn)土壤固碳, 有利于該區(qū)構(gòu)建環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。

    隴中黃土高原;旱作農(nóng)田; 秸稈還田; 土壤總有機(jī)碳; 顆粒態(tài)有機(jī)碳; 礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳

    土壤有機(jī)碳是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且最活躍的碳庫, 據(jù)估算全球土壤固定的有機(jī)碳約為1 500 Pg, 超過了植被與大氣有機(jī)碳儲(chǔ)量之和[1], 其微小變化都可能導(dǎo)致全球大氣CO2含量的較大起伏[2-3]。所以, 藏碳于土是減少溫室氣體排放的重要途徑[3]。土地管理措施和利用方式對(duì)土壤碳庫均具有非常重要的影響[4], 耕作和秸稈還田等農(nóng)藝活動(dòng)可促使農(nóng)田土壤有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生變化[5-8]。土壤碳庫最初變化主要發(fā)生在土壤中周轉(zhuǎn)速率快、易分解的活性碳庫中[9], 隨著時(shí)間推移, 逐漸形成難被微生物分解的穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳。因此, 周轉(zhuǎn)速率快、易分解的組分可以作為反映農(nóng)業(yè)管理措施引起的土壤質(zhì)量改變的敏感性指標(biāo), 而穩(wěn)定性組分則對(duì)有機(jī)碳固存具有重要意義[10-11]。土壤有機(jī)碳物理分組法將土壤中的有機(jī)碳主要分為兩種形式, 一種是游離態(tài)的, 該部分為不分解或部分分解的動(dòng)植物殘?bào)w和微生物生物量, 介于植物殘?bào)w和腐殖化有機(jī)碳之間[11-12], Golchin等[13]又將其細(xì)分為游離態(tài)和閉蓄態(tài)。另一種是有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體, 即通過化學(xué)鍵合作用吸附于土壤礦質(zhì)黏粒的土壤有機(jī)碳, 即土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳, 該組分形態(tài)穩(wěn)定, 較難被土壤微生物分解[12-14]。

    隴中黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)干旱少雨, 土壤貧瘠, 生產(chǎn)力低下[15], 加之該區(qū)傳統(tǒng)的耕作模式(三耕兩耱)加劇了土壤有機(jī)碳的礦化[5], 同時(shí)也促進(jìn)了溫室氣體的排放, 致使土壤有機(jī)碳、氮等元素?zé)o效損失[16]。從農(nóng)田肥力角度考慮, 人們希望活性有機(jī)碳含量高, 以利于礦化和提高養(yǎng)分供給水平; 但從農(nóng)田固碳角度考慮, 則希望穩(wěn)定性有機(jī)碳含量高, 以利于土壤有機(jī)碳的固定[3]。眾多研究[3,15,17]皆已表明以少免耕和秸稈覆蓋為主體技術(shù)的保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳組成及土壤有機(jī)碳庫產(chǎn)生了較為明顯的影響, 但有關(guān)保護(hù)性耕作, 尤其是長期保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳變化影響的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。因此, 為了探明長期保護(hù)性耕作措施對(duì)隴中黃土高原旱作農(nóng)田土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳的影響, 本研究依托甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)在定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)自2001年布設(shè)的長期不同耕作措施定位試驗(yàn), 利用Six等[8]的重液分組法對(duì)試區(qū)2017年土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳進(jìn)行測定分析, 旨在查明不同耕作措施下游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的分布特征, 以及耕作模式和秸稈添加模式對(duì)不同碳組分的效應(yīng), 并為該區(qū)篩選適宜土壤固碳、環(huán)境友好型的耕作措施提供理論支持。

    1 材料與方法

    1.1 試區(qū)概況

    試驗(yàn)設(shè)于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市李家堡鎮(zhèn)麻子川村(35°28′N, 104°44′E)。試區(qū)干旱多災(zāi), 屬中溫帶半干旱區(qū)。農(nóng)田土壤為典型的黃綿土, 質(zhì)地均勻、土質(zhì)綿軟。平均海拔2 000 m, 無霜期140 d, 年均日照時(shí)數(shù)2 476.6 h, 年均太陽輻射594.7 kJ·cm-2, 年均氣溫6.4 ℃, ≥0 ℃積溫2 933.5 ℃, ≥10 ℃積溫2 239.1 ℃, 干燥度2.53; 多年平均降水390.9 mm, 年蒸發(fā)量1 531.0 mm, 80%保證率的降水量為365 mm, 變異系數(shù)為24.3%, 為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)地采取春小麥(L.)、豌豆(L.)輪作體系, 即豌豆→小麥。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理(表1), 3次重復(fù), 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 共12個(gè)小區(qū), 小區(qū)面積20 m×4 m=80 m2。供試春小麥品種為‘定西40號(hào)’, 豌豆品種為‘綠農(nóng)1號(hào)’。豌豆于2017年4月播種, 7月收獲, 播種量100 kg×hm-2, 行距24 cm, 各處理均施N 20 kg×hm-2, P2O5105 kg×hm-2(過磷酸鈣+二銨)。所有肥料均作為基肥在播種時(shí)同時(shí)施入。覆蓋處理所用秸稈為前茬作物秸稈, 收獲后打碾切碎均勻撒布于小區(qū)內(nèi)。試區(qū)土壤基本理化性質(zhì): pH 8.45, 有機(jī)碳8.32 g×kg-1, 全氮0.86 g×kg-1, 全磷0.82 g×kg-1, 全鉀28.00 g×kg-1, 堿解氮51.10 mg×kg-1, 速效磷21.19 mg×kg-1, 速效鉀100.90 mg×kg-1, 0~200 cm平均土壤容重1.17 g×cm-2。

    表1 試驗(yàn)各耕作處理描述

    1.3 測定方法

    試驗(yàn)于2017年8月豌豆收獲后采用五點(diǎn)法(隨機(jī))分別采集各小區(qū)0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~ 40 cm土層土樣500 g左右, 帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。土壤總有機(jī)碳利用0.5 mol×L-1的HCl除無機(jī)碳后采用碳氮聯(lián)合分析儀測定(Multi N/C 2100s, Jena, Germany)。

    土壤顆粒態(tài)碳組分中有機(jī)碳采用Six等[8]的方法, 利用(1.70±0.02) g×cm-3的碘化鈉重液分離, 0.5 mol×L-1的HCl除無機(jī)碳后利用碳氮聯(lián)合分析儀測定, 具體步驟如下:

    1)土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳(FPOC): 稱取10. 00 g過2 mm篩的風(fēng)干土樣, 放置于100 mL離心管中, 并在離心管中加入50 mL NaI溶液[密度(1.70±0.02) g×cm-3], 用手搖動(dòng)1 min, 將離心管放入搖床后振蕩(60 r×min-1)30 min后, 將離心管放入離心機(jī), 離心(3 500 r×min-1)15 min。離心結(jié)束后, 將管中的上清液抽吸至0.45 μm的濾膜上, 用超純水洗滌濾膜上的樣品3次后(每次50 mL), 用超純水將濾膜上的樣品沖洗至鋁盒中, 40 ℃恒溫烘干(以避免高溫引起樣品中碳損失)至恒重(至少48 h)后稱重, 即可得到土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳供試樣品。2)土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(OPOC): 在1)中的離心管中繼續(xù)加入50 mL超純水后手搖1 min, 利用超聲波將離心管中剩余的樣品進(jìn)一步打碎(分散土壤團(tuán)聚體)后, 將懸濁液通過孔徑為53 μm的尼龍篩, 用超純水沖洗篩子至無渾濁液為止。殘留于篩上的樣品即為土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳供試樣品, 將其用超純水洗入鋁盒中, 40 ℃恒溫烘干至恒重后稱重。3)土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC): 在2)中通過53 μm尼龍篩的樣品即為土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳供試樣品, 將其用超純水洗入鋁盒中, 40 ℃恒溫烘干至恒重后稱重。將以上3個(gè)步驟所得到的供試樣品利用0.5 mol×L-1的HCl除無機(jī)碳后, 采用碳氮聯(lián)合分析儀測定。其中, 顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)=游離態(tài)顆粒有機(jī)碳(FPOC)+閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(OPOC)[11]。

    0~40 cm土壤總有機(jī)碳(STOC)和各碳組分平均含量采用加權(quán)平均法計(jì)算, 以STOC為例, 具體見公式(1):

    STOC0~40 cm=(STOC0~5 cm+STOC5~10 cm+STOC10~20 cm×2+STOC20~40 cm×4)/8 (1)

    1.4 數(shù)據(jù)處理

    文中數(shù)據(jù)、圖表采用Microsoft Excel 2013處理, 利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 顯著性差異分析和雙因素方差分析采用新復(fù)極差法。進(jìn)行雙因素方差分析時(shí), 將本試驗(yàn)分為兩個(gè)因素, 即耕作模式(tillage)和秸稈添加模式(straw)。其中, 耕作模式為傳統(tǒng)耕作模式(T和TS處理, T模式)和免耕模式(NT和NTS處理, NT模式), 秸稈添加模式為無秸稈添加模式(T和NT處理, NS模式)和添加秸稈模式(TS和NTS處理, S模式)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 耕作措施對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

    由圖1可知, 各處理土壤總有機(jī)碳(STOC)含量均隨土層加深而降低。0~5 cm和5~10 cm土層, 各處理STOC含量排序?yàn)镹TS>TS>NT>T, 且NTS、TS和NT處理均顯著(P≤5%)高于T處理。10~20 cm和20~40 cm土層, 各處理STOC含量排序?yàn)門S>NTS>NT>T, 且TS和NTS處理均顯著高于T處理。0~40 cm土層, 各處理STOC平均含量(加權(quán)平均)排序?yàn)镹TS>TS>NT>T, 且NTS和TS處理均顯著高于NT和T處理。

    結(jié)合圖1, 由表2可知, 在0~5 cm土層, 耕作模式和秸稈添加模式均對(duì)STOC的含量發(fā)揮著顯著效應(yīng)(P≤0.1%), 且秸稈添加模式的效應(yīng)高于耕作模式的效應(yīng); 較之傳統(tǒng)耕作模式(T和TS處理的均值, T模式), 免耕模式(NT和NTS處理的均值, NT模式)可顯著提升STOC含量18.93%; 較之無秸稈添加模式(T和NT處理的均值, NS模式), 添加秸稈模式(TS和NTS處理的均值, S模式)可顯著提升STOC含量25.92%。在5~10 cm土層, 耕作模式和秸稈添加模式均對(duì)STOC的變化具有顯著效應(yīng), 且秸稈添加模式的效應(yīng)高于耕作模式的效應(yīng); 較之T模式, NT模式可顯著提升STOC含量13.53%; 較之NS模式, S模式可顯著提升STOC含量18.01%。在10~20 cm和20~40 cm土層, 僅秸稈添加模式對(duì)STOC具有顯著效應(yīng), 較之NS模式, S模式可顯著提升STOC含量(土層自上而下)16.35%和4.29%。

    圖1 耕作措施對(duì)不同土層土壤總有機(jī)碳含量的影響

    同一土層不同小寫字母表示不同處理間≤5%水平差異顯著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

    表2 耕作模式和秸稈添加模式對(duì)不同深度土壤總有機(jī)碳含量的影響效應(yīng)

    *、**和***分別表示在P≤5%、P≤1%和P≤0.1%水平下有顯著效應(yīng), n.s.表示在P>5%水平下無顯著效應(yīng); 表中數(shù)值為檢驗(yàn)值。*, **, *** indicate significant effects at P ≤5%, P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

    2.2 耕作措施對(duì)土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響

    由圖2可知, 各處理土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳(FPOC)含量均隨土層加深而降低。在0~20 cm各土層, 各處理土壤FPOC含量排序均為NTS>TS>NT>T, 且NTS、TS處理均顯著高于T處理。而在20~40 cm土層, 各處理土壤FPOC含量排序?yàn)門S>NTS>NT>T, 且TS和NTS處理均顯著高于T處理。在0~40 cm土層, NTS處理的FPOC含量則高于TS處理, 且NTS和TS處理均顯著高于NT和T處理。

    結(jié)合圖2, 由表3可知, 各土層中秸稈添加模式對(duì)土壤FPOC含量的影響高于耕作模式, 且秸稈添加模式的效應(yīng)在各土層中均達(dá)到顯著水平, 而耕作模式僅在0~20 cm各土層有顯著效應(yīng)。在0~40 cm各土層, 較之NS模式, S模式可顯著提升FPOC(土層自上而下)36.15%、26.77%、26.50%和23.72%。在0~20 cm各土層, 較之T模式, NT模式可顯著提升土壤FPOC含量(土層自上而下)25.99%、19.60%和7.48%。

    圖2 耕作措施對(duì)不同土層土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響

    同一土層不同小寫字母表示不同處理間≤5%水平差異顯著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

    表3 耕作模式和秸稈添加模式對(duì)不同深度土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響效應(yīng)

    **和***分別表示在P≤1%和P≤0.1%水平下有顯著效應(yīng), n.s.表示在P>5%水平下無顯著效應(yīng); 表中數(shù)值為檢驗(yàn)值。**, *** indicate significant effects at P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

    2.3 耕作措施對(duì)土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響

    由圖3可知, 隨著土層的加深, 各處理土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(OPOC)含量均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。0~20 cm土層, 各處理土壤OPOC含量均以NTS最高, TS處理次之, T處理最低, 且NTS、TS和NT處理均顯著高于T處理。20~40 cm土層, TS處理的OPOC含量最高, NTS處理次之, T處理最低, 且TS和NTS處理均顯著高于T和NT處理。0~40 cm土層中, 各處理OPOC平均含量排序?yàn)镹TS> TS>NT>T, 且各處理間差異均達(dá)顯著水平。

    結(jié)合圖3, 由表4可知, 各土層中耕作模式對(duì)土壤OPOC的效應(yīng)低于秸稈添加模式, 且秸稈添加模式的效應(yīng)在各土層均達(dá)顯著水平, 而耕作模式的效應(yīng)僅在0~20 cm各土層達(dá)顯著水平。在0~5 cm、5~10 cm和10~20 cm土層, 較之T模式, NT模式可分別顯著提升OPOC含量24.53%、17.22%和8.01%。較之NS模式, S模式可分別顯著提升0~5 cm、5~ 10 cm、10~20 cm和20~40 cm各土層的OPOC含量33.81%、22.98%、22.16%和17.90%。

    圖3 耕作措施對(duì)不同土層土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響

    同一土層不同小寫字母表示不同處理間≤5%水平差異顯著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

    表4 耕作模式和秸稈添加模式對(duì)不同深度土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響效應(yīng)

    **和***分別表示在P≤1%和P≤0.1%水平下有顯著效應(yīng), n.s.表示在P>5%水平下無顯著效應(yīng); 表中數(shù)值為檢驗(yàn)值。**, *** indicate significant effects at P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

    2.4 耕作措施對(duì)土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量的影響

    由圖4可知, 4種處理的土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)含量均隨土層加深呈現(xiàn)出降低的趨勢。0~20 cm各土層, 各處理土壤POC含量排序?yàn)镹TS>TS>NT>T, 且T處理均顯著低于其他3種處理。20~40 cm土層, TS處理的土壤POC含量最高, NTS次之, 且NTS、TS和NT處理均顯著高于T處理。各處理0~40 cm土層的土壤POC平均含量排序?yàn)镹TS>TS>NT>T, 且各處理間差異均達(dá)顯著水平。

    結(jié)合圖4, 由表5可知, 秸稈添加模式對(duì)各土層土壤POC的效應(yīng)高于耕作模式, 且秸稈添加模式的效應(yīng)在各土層均達(dá)顯著水平, 而耕作模式僅在0~20 cm各土層達(dá)到顯著效應(yīng)。在0~5 cm、5~10 cm和10~20 cm土層, 較之T模式, NT模式可分別顯著提升土壤POC含量25.10%、18.17%和7.78%。在0~40 cm各土層, S模式的OPOC含量分別高于NS模式(土層由上而下)34.72%、24.50%、24.03%和20.36%。

    圖4 不同耕作措施下不同土層土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量

    同一土層不同小寫字母表示不同處理間≤5%水平差異顯著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

    表5 耕作模式和秸稈添加模式對(duì)不同深度土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量的影響效應(yīng)

    *、**和***分別表示在P≤5%、P≤1%和P≤0.1%水平下有顯著效應(yīng), n.s.表示在P>5%水平下無顯著效應(yīng); 表中數(shù)值為檢驗(yàn)值。*, **, *** indicate significant effects at P ≤5%, P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

    2.5 耕作措施對(duì)土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的影響

    由圖5可知, 各處理土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC)含量均隨土層的降低而增加。0~40 cm各土層中, 各處理土壤MOC含量排序均為NTS>TS> NT>T, 且NTS、TS處理均顯著高于T處理。各處理0~40 cm土層的土壤MOC平均含量排序與各土層中的趨勢一致, 且各處理間差異顯著。

    結(jié)合圖5, 由表6可知, 各土層中耕作模式對(duì)土壤MOC的效應(yīng)不及秸稈添加模式, 且秸稈添加模式的效應(yīng)在各土層均達(dá)顯著水平, 而耕作模式僅在0~20 cm各土層達(dá)顯著。在0~5 cm、5~10 cm和10~ 20 cm土層, 較之T模式, NT模式可分別顯著提升土壤MOC含量4.37%、3.02%和2.47%。在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土層, 較之NS模式, S模式可分別顯著提升MOC含量7.44%、5.23%、7.71%和8.35%。

    圖5 不同耕作措施下不同土層土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量

    同一土層不同小寫字母表示不同處理間≤5%水平差異顯著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

    表6 耕作模式和秸稈添加模式對(duì)不同深度土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的影響效應(yīng)

    *、**和***分別表示在P≤5%、P≤1%和P≤0.1%水平下有顯著效應(yīng), n.s.表示在P>5%水平下無顯著效應(yīng); 表中數(shù)值為檢驗(yàn)值。*, **, *** indicate significant effects at P ≤5%, P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

    2.6 耕作措施對(duì)不同土壤有機(jī)碳組分分布的影響

    由圖6可知, 各處理土壤總有機(jī)碳均以顆粒態(tài)有機(jī)碳為主(POC/STOC范圍為54.02%~76.78%), 顆粒態(tài)有機(jī)碳又以閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳為優(yōu)勢組分(OPOC/POC范圍為31.78%~46.11%)。各處理FPOC/STOC、OPOC/STOC和POC/STOC均隨土層深度增加而降低, 而MOC/STOC反之。在0~20 cm各土層中, 各處理FPOC/STOC、OPOC/STOC和POC/ STOC排序均為NTS>TS>NT>T; 而在20~40 cm土層, FPOC/STOC和POC/STOC排序均為TS>NTS>NT>T, OPOC/STOC排序?yàn)門S>NTS>T>NT。0~10 cm各土層, 各處理MOC/STOC排序均為T>NT>TS>NTS, 而在10~40 cm各土層, T處理的MOC/STOC最高, NT處理次之, TS處理最低。

    圖6 不同耕作措施下不同土層土壤有機(jī)碳組分分布特征

    FPOC: 土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳; OPOC: 土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳; MOC: 土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳。FPOC: soil free particulate organic carbon; OPOC: soil occluded particulate organic carbon; MOC: soil mineral-associated organic carbon.

    3 討論

    農(nóng)田土壤總有機(jī)碳數(shù)量主要取決于有機(jī)碳的輸入和降解之間的平衡[18]。楊永輝等[7]、張仁陟等[16]、Song等[19]研究發(fā)現(xiàn), 免耕或免耕結(jié)合秸稈覆蓋可不同程度提升土壤有機(jī)碳含量, 這與本研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn), NT、TS和NTS處理均可不同程度提升土壤總有機(jī)碳含量, 其中NTS處理對(duì)0~40 cm土層的土壤總有機(jī)碳提升效果最好。同時(shí), NT模式對(duì)STOC的提升效應(yīng)僅在0~10 cm各土層達(dá)顯著水平, 而S模式對(duì)0~40 cm各土層土壤總有機(jī)碳的提升效應(yīng)均達(dá)顯著水平。這主要是由于: 1)NT處理可有效地避免因翻耕而引起的土壤團(tuán)聚體破壞[19-20], 使得更多土壤有機(jī)碳可以受到團(tuán)聚體的物理保護(hù)[5], 降低其與土壤微生物的接觸可能, 減緩了微生物的分解作用; 2)作為外源有機(jī)物而被引入土壤的秸稈, 含有大量的有機(jī)碳, 可有效彌補(bǔ)因翻耕而引起的土壤有機(jī)碳輸入和降解之間的不平衡; 3)秸稈還田和免耕均可降低土壤溫室氣體的排放[16], 可有效降低土壤有機(jī)碳的無效損失。本研究還發(fā)現(xiàn), 雖然NTS和TS處理均可提升土壤總有機(jī)碳, 但在10~40 cm各土層, NTS處理下土壤有機(jī)碳略低于TS處理, 但差異并未達(dá)顯著水平。這可能是由于: 1)TS處理可將秸稈翻埋進(jìn)入土壤[耕深(18±2) cm], 有利于秸稈與0~20 cm土體的接觸, 而NTS處理僅將秸稈覆蓋于土壤表層; 2)NTS處理可提升土壤總孔隙度, 提升土壤入滲速率[16,21], 有利于土壤可溶解態(tài)有機(jī)態(tài)的下滲, 隨著秸稈還田年限的延長, 將會(huì)有更多的可溶解態(tài)有機(jī)碳積累于下層土壤; 3)TS處理雖然可以促進(jìn)下層土壤與秸稈的接觸, 為下層土壤增加外源有機(jī)碳, 但由于增加了土壤與秸稈的接觸面, 使得微生物接觸到的秸稈量增加, 促進(jìn)了土壤微生物對(duì)秸稈的分解, 加之翻耕對(duì)土壤結(jié)構(gòu)體的擾動(dòng), 有利于微生物可接觸到更多的秸稈。因此, NTS和TS處理下10~40 cm各土層土壤總有機(jī)碳雖有差異, 但未達(dá)顯著水平。同時(shí), 隨著秸稈還田時(shí)間的推移, NTS處理下10~40 cm各土層土壤總有機(jī)碳將有可能高于TS處理。

    土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳按照其在土壤結(jié)構(gòu)中的位置和受保護(hù)程度的不同可分為游離態(tài)顆粒有機(jī)碳和閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳[22]。游離態(tài)顆粒有機(jī)碳存在于團(tuán)聚體與團(tuán)聚體之間的大空隙中, 主要是顆粒較大的沒有分解或半分解的動(dòng)、植物和根系殘?bào)w; 而閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳是分布在團(tuán)聚體內(nèi)部的動(dòng)、植物殘?bào)w[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn), 較之T處理, TS和NTS均可不同程度提升土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳和閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含量及其占總有機(jī)碳的比例, 其中NTS處理的效果最優(yōu)。這主要?dú)w因于三耕兩耱會(huì)將土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)破壞, 致使顆粒態(tài)有機(jī)碳分解加快; 同時(shí), Huang等[15]研究發(fā)現(xiàn), NT、TS和NTS處理均可提高作物生物量, 這意味著NT處理下的作物殘茬量, TS和NTS處理的殘茬和秸稈還田量均會(huì)增加, 故而提升土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳的含量。本研究發(fā)現(xiàn), 顆粒態(tài)有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例最高, 表明各處理下土壤有機(jī)碳庫活性較高, 同時(shí), OPOC/STOC高于FPOC/STOC, 表明土壤活性有機(jī)碳主要受團(tuán)聚體物理保護(hù)。本研究還發(fā)現(xiàn), 秸稈添加模式和耕作模式均對(duì)土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳和顆粒態(tài)有機(jī)碳具有顯著效應(yīng), 但秸稈添加模式的效應(yīng)高于耕作措施; 同時(shí), NT模式僅在0~20 cm各土層具有顯著提升效應(yīng), 而S模式在0~40 cm各土層均具有顯著提升效應(yīng)。這說明顆粒態(tài)有機(jī)碳及其各組分含量的增加應(yīng)主要?dú)w結(jié)于作物殘茬和秸稈等外源有機(jī)物料的輸入, 這與王朔林等[11]和韓曉日等[22]的研究觀點(diǎn)相吻合。

    礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是有機(jī)物分解的最終產(chǎn)物, 與土壤黏粒和粉粒相結(jié)合的部分, 穩(wěn)定性較強(qiáng)[12-14,25]。本研究發(fā)現(xiàn), 礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的含量和占土壤總有機(jī)碳的比例均隨土層加深而增加, 這與土壤總有機(jī)碳和顆粒態(tài)有機(jī)碳的變化趨勢截然相反。這可能是由于上層土壤中作物秸稈和殘茬量高于下層土壤, 致使其土壤活性有機(jī)碳含量和比例較高。本研究還發(fā)現(xiàn), 較之T處理, NT、TS和NTS處理均可不同程度提升MOC含量, 究其原因可能是由于: 1)有機(jī)物料添加為微生物生存提供了大量能量物質(zhì), 導(dǎo)致微生物代謝分泌物增加, 而這些分泌物可以直接轉(zhuǎn)移至細(xì)黏粒, 致使土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳積累[26]; 2)翻耕會(huì)促使有機(jī)碳礦化、分解, 加之無外源有機(jī)物料補(bǔ)充, 導(dǎo)致微生物對(duì)MOC的分解, 致使其含量降低。

    4 結(jié)論

    通過長達(dá)17年的不同耕作措施田間定位試驗(yàn), 各處理土壤密度組分中有機(jī)碳均以顆粒態(tài)有機(jī)碳為優(yōu)勢組分, 閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳為顆粒態(tài)有機(jī)碳的主要組成部分。長期保護(hù)性耕作可提升土壤總有機(jī)碳含量, 以及游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量, 也可提升FPOC/STOC、OPOC/STOC和POC/STOC, 其中NTS處理對(duì)0~40 cm土層的提升效果最好, 但T處理的MOC/STOC高于NT、TS和NTS處理。因此, 長期保護(hù)性耕作不僅可以提高土壤碳庫活性, 也有利于土壤固碳, 但其主要以物理保護(hù)為主導(dǎo)作用。同時(shí), 耕作模式、秸稈添加模式均對(duì)土壤總有機(jī)碳、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳發(fā)揮著顯著效應(yīng), 秸稈添加模式的效應(yīng)高于耕作模式, NT模式僅對(duì)0~10 cm各土層土壤總有機(jī)碳和0~20 cm各土層土壤碳組分的提升效應(yīng)達(dá)顯著水平, 而S模式對(duì)0~40 cm各土層土壤總有機(jī)碳和碳組分含量的提升均發(fā)揮著顯著影響。綜合來看, NTS處理更有利于隴中黃土高原旱作農(nóng)田的土壤碳庫活性提升, 促進(jìn)土壤固碳能力, 有益于該區(qū)構(gòu)建環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。

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    Distribution of soil particulate organic carbon fractions as affected by tillage practices in dry farmland of the Loess Plateau of central Gansu Province*

    WU Jun1,2, CAI Liqun1,2,3, ZHANG Renzhi1,2,3**, QI Peng1,2, ZHANG Jun1,2,3

    (1. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu EngineeringResearch Center for Agriculture Water-saving, Lanzhou 730070, China)

    As a vital indicator of soil quality, soil organic carbon and its fractions play an essential role in soil productive capacity and crop yield, while may be affected by soil tillage methods in dry farmland areas. Organic carbon is a key component of soil because it carries many functions in agro-ecosystem. A study was carried out to investigate the effects of different tillage and straw application patterns on the distribution of soil particulate organic carbon fractions under spring wheat-pea rotation by using the density fraction method [NaI: (1.70±0.02) g×cm-3]. Four particulate fractions of soil total organic carbon (STOC), free particulate organic carbon (FPOC), occluded particulate organic carbon (OPOC), particulate organic carbon (POC) and mineral-associated organic carbon (MOC) were obtained. The study involved a 17-year local field experiment at the Rainfed Agricultural Experimental Station of Gansu Agricultural University, Dingxi, Gansu Province, China (35°28′N, 104°44′E). The experiment included four treatments, which were conventional tillage (T), no-tillage (NT), no-tillage with straw incorporation (NTS) and conventional tillage with straw mulching (TS) arranged in a complete randomized block design with three replications. The soil samples were taken at four different soil depths (0-5 cm, 5-10 cm, 10-20 cm and 20-40 cm) per plot. The results showed that the dominant fraction of STOC for each soil layer was POC (the ratio range was 54.02%-76.78%) in four treatments, and the main component of POC was OPOC, suggesting that the effect of physical protection was the crucial role for soil carbon sequestration and fixation in the area. The contents of STOC, FPOC, OPOC and POC were decreased with increasing soil layers, MOC content, however, was increased with increasing soil layers. FPOC/STOC, OPOC/STOC and POC/STOC were decreased with increasing soil layer, MOC/STOC was increased with increasing soil layers. In 0-40 cm soil depth, compared with treatment T, the mean values of STOC, FPOC, OPOC, POC and MOC in NT, TS and NTS treatments were greater, and NTS treatment exhibited the greatest effect. The same trend was represented for FPOC/STOC and POC/STOC. No tillage system represented significantly enhance effect on contents of FPOC, OPOC, POC and MOC in 0-20 cm soil depths, but the straw retention system showed significantly boosting effect on contents of STOC, FPOC, OPOC, POC and MOC in 0-40 cm soil depths, andtest values of straw retention were greater than that of tillage system, thereby the effects of straw retention were greater than that of tillage system. As a whole, NTS may be an ideal enhancer of farmland productivity in the semi-arid soil ecosystem through enhancing soil organic carbon pool which resulted in the maintenance of higher nutrient content, and subsequently helping in contributing sustainable agricultural development in the Loess Plateau of central Gansu Province.

    Loess Plateau of central Gansu Province;Dry farmland; Straw retention; Soil total organic carbon; Particulate organic carbon; Mineral-associated organic carbon

    , E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn

    Jan. 16, 2018;

    Mar. 7, 2018

    10.13930/j.cnki.cjea.180076

    S153.6

    A

    1671-3990(2018)05-0728-09

    張仁陟, 主要從事保護(hù)性耕作、節(jié)水農(nóng)業(yè)及土壤生態(tài)學(xué)方面的教學(xué)與研究。E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn 武均, 主要研究方向?yàn)楸Wo(hù)性耕作、土壤生態(tài)學(xué)。E-mail: wujun210@126.com

    2018-01-16

    2018-03-07

    * This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31571594, 41661049), the “National Twelfth Five-Year Plan” Circular Agricultural Science and Technology Project of China (2012BAD14B03) and the Natural Science Foundation of Gansu Province of China (1606RJZA076).

    * 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31571594, 41661049)、“十二·五”《循環(huán)農(nóng)業(yè)科技工程》項(xiàng)目(2012BAD14B03)和甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1606RJZA076)資助

    武均, 蔡立群, 張仁陟, 齊鵬, 張軍. 耕作措施對(duì)旱作農(nóng)田土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(5): 728-736

    WU J, CAI L Q, ZHANG R Z, QI P, ZHANG J. Distribution of soil particulate organic carbon fractions as affected by tillage practices in dry farmland of the Loess Plateau of central Gansu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(5): 728-736

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