地膜覆蓋對北方旱地土壤水穩(wěn)性團聚體及有機碳分布的影響

劉 秀,司鵬飛,張 哲,陳保青,董雯怡,*,嚴昌榮,劉恩科

1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)膜污染防控重點實驗室,北京 100081 3 遼寧省農(nóng)業(yè)科學院,沈陽 110161

土壤團聚體由有機物和無機物凝結而成,是土壤結構的基本單元,土壤團聚體穩(wěn)定性和有機碳含量是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤質量和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的關鍵指標[1-3],而不同農(nóng)田管理方式對土壤團聚體的組成及分布產(chǎn)生重要影響[4]。土壤團聚體作為土壤有機碳存在的重要場所,團聚體的穩(wěn)定性大小和分布直接影響土壤有機碳的儲備,不僅可通過降低土壤侵蝕減少碳損失,而且還可通過物理保護降低有機碳的分解[5]。與此同時,土壤團聚體的團聚過程是土壤固碳最重要的途徑之一[6],而土壤有機碳作為團聚體形成必不可少的膠結物質,是影響土壤團聚結構最重要的因素[7-8]。因此,土壤團聚體和有機碳的研究密不可分。近幾十年來,隨著溫室效應加劇而引發(fā)的全球氣候變暖等一系列環(huán)境問題的凸顯,土壤團聚體與有機碳固持的研究越來越為人們所重視。

在旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,地膜覆蓋對糧食增產(chǎn)做出了重大貢獻[9],主要由于地膜覆蓋能減少土壤水分蒸發(fā),提高土壤含水量,阻擋土壤熱量散失,提高土壤溫度[10-12],進而促進種子萌發(fā)和作物根系生長[13],提高作物對水分和養(yǎng)分的吸收能力[14-15]。而團聚體中有機碳的轉化和形成時刻受發(fā)生在土壤耕層的農(nóng)業(yè)管理措施的影響。劉希玉等[16]和Guo等[17]通過研究不同耕作措施對團聚體穩(wěn)定性影響結果表明,秸稈還田顯著提高水穩(wěn)性團聚體含量和團聚體有機碳含量。付鑫等[18]通過研究陜西長武縣進行秸稈覆蓋和地膜覆蓋對比試驗,結果表明地膜覆蓋和秸稈覆蓋均提高了0—10 cm土層水穩(wěn)性團聚體的平均重量粒徑值,其中秸稈覆蓋顯著提高0—10 cm土壤團聚體(0.25—0.5 mm粒徑除外)有機碳含量,而地膜覆蓋處理對土壤團聚體10—40 cm的團聚體有機碳有降低的趨勢。因此,地膜覆蓋作為主要的農(nóng)業(yè)管理措施,可對土壤團聚體的穩(wěn)定性和有機碳變化產(chǎn)生重要影響：首先地膜覆蓋可減少干濕交替強度,影響土壤團聚體的再分配,其次地膜覆蓋改變了碳輸入和輸出,改變了各級團聚體的有機碳的再分配。

遼寧阜新旱作農(nóng)業(yè)區(qū)位于我國東北部,年均降雨量350—500 mm,是典型的半干旱區(qū)域。秋覆膜作為新的覆膜方式,在春覆膜的基礎上延長了覆膜時間,減少了作物在非生育期內(nèi)的無效蒸發(fā)[19-20],表現(xiàn)出良好的增產(chǎn)效果[21],在此地區(qū)廣泛應用。近年來,關于地膜覆蓋對作物產(chǎn)量、水分等研究較多,但關于地膜覆蓋措施尤其是不同覆膜時期對土壤團聚體碳固定機制及潛力方面研究涉及較少。探尋不同地膜覆蓋措施對土壤團聚體穩(wěn)定特征及其對有機碳保護機制,對明確人為干預下土壤有機碳固定的主導因素和主要途徑,提高土壤有機碳含量,提升土壤質量具有重要作用。為此,本文試圖通過遼寧阜新地區(qū)5年不同時間覆膜定位試驗,研究秋覆膜(AP,Autumn plastic film mulching)、春覆膜(SP,Spring plastic film mulching)和不覆膜(CK,Non-mulching)對土壤團聚體及有機碳的影響,以期為旱區(qū)農(nóng)田土壤質量的改善和生產(chǎn)力的提高提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該定位試驗開始于2012年,試驗地位于遼寧省西北部阜新市蒙古族自治縣農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學觀測實驗站。地理位置北緯42°02′,東經(jīng)121°67′,年均溫度7.2℃,年均無霜期135—165 d,年均降水483 mm,年均蒸發(fā)量為1727.3—1783.4 mm,屬半干旱季風型大陸氣候區(qū)。實行一年一熟制度,種植作物為春玉米,土壤類型為石灰性褐土,試驗地勢平坦,無灌溉條件,試驗開始前的土壤有機質10.52 g/kg,全氮0.456 g/kg,全磷0.66 g/kg,全鉀2.463 g/kg。

1.2 試驗設計

共設3個試驗處理,分別為：秋覆膜(AP)、春覆膜(SP)和不覆膜(CK),每個處理3次重復,共9個小區(qū),每個小區(qū)面積6 m×10 m,采用完全隨機區(qū)組設計。秋覆膜處理于當年收獲后,11月底前覆膜,覆膜時一次性施肥。春覆膜于第二年4月進行整地、施肥和覆膜,覆膜方式統(tǒng)一為全覆膜平作方式。覆膜之后進行播種,種植方式為平作穴播。春玉米供試品種為鄭單958,種植密度60000 株/hm2,行距50 cm,株距33.3 cm。各處理的肥料用量一致,分別為氮肥尿素N 240 kg/hm2、磷肥P2O5150 kg/hm2、鉀肥K2O 75 kg/hm2。

1.3 測試指標與方法

本試驗于2017年9月28日玉米收獲后取樣,每個小區(qū)按“M”型采樣法分5個重復取樣點,取樣深度為0—10、10—20 cm。田間采原狀土樣,室內(nèi)自然風干,當土壤含水量達到塑限時,沿土壤自然結構輕掰成直徑約1 cm的小土塊,剔除植物殘體和石子等雜質,過8 mm篩后繼續(xù)風干備用。

依據(jù)Elliott等[22]濕篩法測定土壤團聚體,共分為>2 mm、0.25—2 mm、0.053—0.25 mm和<0.053 mm 4種級別的團聚體。具體操作為：將四個篩子從大到小依次疊放在一起,稱取100 g自然風干土放置于最上層篩子,靜置于水中浸泡5 min,之后利用團聚體分析儀(型號XY-100)以40次/min運行速度震蕩10 min,振幅為5 cm。將篩子從桶中緩慢取出,靜置后轉移至鋁盒中,分級后收集各級團聚體,在55℃下烘干,稱重。測定團聚體的穩(wěn)定性和有機碳含量,有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法[23]測定。并根據(jù)Tisdall等[7]分級方法,把>0.25 mm粒級的團聚體稱為水穩(wěn)性大團聚體(Macro-aggregate),<0.250 mm粒級的團聚體稱為水穩(wěn)性微團聚體(Micro-aggregate)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件包進行單因素方差(One-Way ANOVA)分析,不同處理之間多重比較采用LSD(Least-significant difference)方法,然后經(jīng)過t檢驗(P<0.05)。繪圖用SigmaPlot 10.0軟件完成。

團聚體穩(wěn)定性采用平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)計算[24]：

(1)

式中,Xi為第i個篩子上團聚體的平均直徑,Wi為第i個篩子上團聚體重量百分比。

耕層團聚體的有機碳儲量計算：

MSOC=MS·CC·0.001
Ms= 容重·耕層體積

(2)

式中,MSOC為有機碳儲量(kg/hm2),MS為單位面積土壤質量(kg/hm2),CC為土壤有機碳含量(g/kg)。

耕層團聚體中有機碳貢獻率計算：

(3)

式中,CSOC為團聚體中有機碳貢獻率(%),GS為該級別團聚體中有機碳含量(kg/hm2),C為該級別團聚體的含量(%),MC為耕層土壤中有機碳含量(kg/hm2)。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜處理下土壤水穩(wěn)性團聚體的分布及穩(wěn)定性

經(jīng)過5年連續(xù)地膜覆蓋定位試驗可以看出,覆膜顯著提高了0—10 cm土壤>2 mm的水穩(wěn)性團聚體的含量(P<0.05),而覆膜對水穩(wěn)性微團聚體在0—10 cm土層和10—20 cm土層均沒有明顯影響(表1)。與不覆蓋地膜(CK)土壤相比,秋覆膜(AP)和春覆膜(SP)處理顯著提高0—10 cm土層>2 mm水穩(wěn)性大團聚體含量(P<0.05),且分別增加了36.5%和26.7%,但降低了0.25—2 mm的水穩(wěn)性大團聚體含量。覆膜處理對土壤團聚體分布的影響主要集中在0—10 cm土層,而對10—20 cm土層中土壤水穩(wěn)性團聚體的分布沒有顯著影響(P<0.05)。

表1 覆膜對土壤水穩(wěn)性團聚體的分布影響

同一列上的不同小寫字母表示同一層次不同處理在5%水平上的差異顯著性(LSD); CK：不覆膜,Non-mulching；SP：春覆膜,Spring plastic film mulching；AP：秋覆膜,Autumn plastic film mulching

圖1 覆膜對團聚體的平均重量直徑的影響 Fig.1 Mean weight diameter (MWD) of aggregate under plastic film mulching practices CK：不覆膜,Non-mulching；SP：春覆膜,Spring plastic film mulching；AP：秋覆膜,Autumn plastic film mulching

由圖1可以看出,地膜覆蓋顯著改變了0—10 cm土層的土壤團聚體平均重量直徑(P<0.05),且不同處理0—10 cm土層團聚體平均直徑大小依次為：AP>SP>CK,而對10—20 cm土層的團聚體的平均重量直徑?jīng)]有顯著影響(P>0.05)。說明與不覆蓋地膜相比,地膜覆蓋顯著提高了0—10 cm土壤團聚體的水穩(wěn)定性,提高土壤團聚程度,使得土壤結構得到改善。

2.2 不同覆膜處理下土壤水穩(wěn)性團聚體中有機碳及碳儲量的差異

不同覆膜處理對土壤各個粒級水穩(wěn)性團聚體中有機碳含量及碳儲量的影響如表2所示。在0—10 cm土層,>2 mm和0.25—2 mm兩個級別的水穩(wěn)性大團聚體有機碳的含量顯著高于0.053—0.25 mm和<0.053 mm水穩(wěn)性微團聚體(P<0.05)。在10—20 cm土層上,>2 mm土壤團聚體有機碳含量顯著高于其他各級團聚體有機碳含量。而粒徑<0.25 mm的土壤團聚體有機碳在0—10 cm和10—20 cm土層上均無顯著性差異(P<0.05)。從同一級別水穩(wěn)性團聚體中可以看出,在0—10 cm土層,粒徑>2 mm團聚體有機碳含量表現(xiàn)為秋覆膜最高,顯著高于春覆膜和不覆膜處理(P<0.05),0.25—2 mm土壤團聚體有機碳表現(xiàn)為秋覆膜和春覆膜顯著高于裸地處理(P<0.05),秋覆膜和春覆膜之間沒有顯著性差異(P<0.05)。與不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜在0—10 cm土層>2 mm和0.25—2 mm兩個級別有機碳含量分別增加了8.2%、1.9%和4.6%、4.4%。說明地膜覆蓋可以顯著增加0—10 cm土層土壤水穩(wěn)性大團聚體有機碳的含量。

表2 覆膜對土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的影響

同一列上的不同小寫字母表示同一層次不同處理在5%水平上的差異顯著性(LSD)

從表3中可以看出,在0—10 cm土層中,秋覆膜和春覆膜處理水穩(wěn)性團聚體有機碳儲量依次為[>2 mm團聚體]>[0.25—2 mm團聚體]>[<0.053 mm團聚體]>[0.053—0.25 mm團聚體],而不覆膜處理水穩(wěn)性團聚體有機碳儲量依次為[0.25—2 mm團聚體]>[>2 mm團聚體]>[<0.053 mm團聚體]>[0.053—0.25 mm團聚體],水穩(wěn)性大團聚體有機碳儲量顯著高于水穩(wěn)性微團聚體有機碳儲量。從同一級別團聚體看,秋覆膜和春覆膜處理可以提高0—10 cm土層>2 mm團聚體有機碳儲量(P<0.05),且表現(xiàn)為秋覆膜下的有機碳儲量顯著高于春覆膜且顯著高于裸地(P<0.05),而降低了0.25—2 mm團聚體有機碳的儲量。與不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜處理>2 mm團聚體有機碳儲量分別增加了47.9%和29.2%,且處理之間差異顯著(P<0.05)。而覆膜處理下0.25—2 mm團聚體有機碳儲量則顯著下降了12.2%和8.9%,說明地膜覆蓋可促使土壤有機碳向>2 mm團聚體富集。

結合表2和表3可看出不同處理對各級別土壤水穩(wěn)性團聚體的有機碳在>2 mm團聚體和0.25—2 mm團聚體中儲量較高,且地膜覆蓋主要影響0—10 cm土層各級團聚體有機碳儲量(P<0.05),而對10—20 cm土層團聚體有機碳儲量影響不顯著。

表3 覆膜對土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳儲量的影響

同一列上的不同小寫字母表示同一層次不同處理在5%水平上的顯著差異(LSD)

2.3 不同覆膜處理下水穩(wěn)性團聚體中有機碳對土壤總有機碳貢獻率的差異

對于不同土層,覆膜主要改變了0—10 cm土層中水穩(wěn)性團聚體中有機碳含量對土壤總有機碳的貢獻率(表4),與裸地不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜顯著提高了37%和26.1%(P<0.05),而對10—20 cm土壤影響不顯著。對于不同粒級團聚體,覆膜處理下微團聚體(0.053—0.25 mm和<0.053 mm)中有機碳含量對土壤有機碳貢獻率沒有顯著影響。但是,覆膜處理顯著提高了>2 mm團聚體中有機碳含量對土壤的貢獻率(P<0.05)。

表4 土壤水穩(wěn)性團聚體中有機碳含量對土壤總有機碳的貢獻率

同一列上的不同小寫字母表示同一層次不同處理在5%水平上的差異顯著性(LSD)

3 討論

3.1 覆膜措施對土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體作為土壤結構穩(wěn)定的重要指標,其大小和數(shù)量影響著土壤質量。呂欣欣等[25]研究表明,覆膜條件下高施肥量顯著提高土壤團聚體的穩(wěn)定性及團聚體平均重量直徑。安婉麗等[26]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田顯著增加土壤水穩(wěn)性大團聚體。本研究發(fā)現(xiàn),與不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜可以顯著提高0—10 cm土層水穩(wěn)性大團聚體(粒徑>2 mm)含量和該粒級團聚體平均重量直徑,增加土壤團聚體的穩(wěn)定性,而對土壤水穩(wěn)性微團聚體影響不顯著。這可能主要是由于與裸地不覆膜相比,地膜覆蓋提高土壤含水量[27],使得雨水慢速濕潤土壤,從而有效降低干濕交替強度。Park等[28]認為干濕強度增加通常降低團聚體的比例,引起團聚體的破壞。不覆蓋處理土壤干濕交替強度較高,對粘粒部分產(chǎn)生不均勻的水合作用和膨脹作用,并且當水分快速進入土壤孔隙時,存在于毛細管孔隙中的閉蓄態(tài)空氣被壓縮[29]。而且毛細管變濕時,內(nèi)部空氣也可以擴散而導致團聚體微小的破壞。此外,地膜覆蓋可有效提高玉米產(chǎn)量[15,30],進而促進了外源有機碳的輸入、根系分泌物以及根系殘留量的增加,為土壤微生物活動提供了充足的能量,從而促進其生物活性,有助于在大團聚體內(nèi)部形成微粒有機質,而有機質是土壤水穩(wěn)性團聚體形成的主要凝膠劑[31],從而增加團聚體結構穩(wěn)定性[32]。地膜覆蓋是否可持續(xù)提升土壤水穩(wěn)性大團聚含量和穩(wěn)定性,還需要長期的試驗結果去驗證。

3.2 覆膜措施對土壤各級團聚體中有機碳含量及儲量的影響

土壤有機碳在土壤團聚體的形成和穩(wěn)定性中占有重要作用[33]。本研究結果表明,地膜覆蓋措施不僅可以改變0—10 cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體分布及穩(wěn)定性,在各級別團聚體有機碳的含量和儲量方面也有較大的提高,這與劉哲等[34]研究結果一致。連續(xù)5年地膜覆蓋結果表明,在0—10 cm土層,秋覆膜處理下>2 mm土壤大團聚體有機碳和有機碳儲量顯著高于春覆膜和裸地不覆膜處理,而對土壤微團聚體無顯著影響。大團聚體中有機碳含量對土壤的貢獻率達到70.0%,其中>2 mm團聚體有機碳含量對土壤的貢獻率達到37%。引起地膜覆蓋處理不同粒級團聚體固碳能力差異的主要因素可能有兩點：一是較春覆膜而言,秋覆膜通過延長覆膜時間,減少土壤水分在作物非生育期的蒸發(fā),維持土壤高貯水量[19],從而大大減弱了土壤干濕交替強度。此外,不覆膜處理干濕交替強度較高,在毛細管變濕時,內(nèi)部空氣也可以擴散導致團聚體微小的破壞。團聚體的破壞能夠釋放物理保護的有機碳,使受物理保護的有機質暴漏,從而降低團聚體有機碳含量。此外,干濕交替影響土壤孔隙的大小和穩(wěn)定性,尤其在含有較多大孔隙的土壤中。與微孔隙相比,大孔隙含有較低的結合力,因為小的毛細管壓力減小了土壤顆粒、有機質和團聚體的收縮[35],減少有機碳含量和儲量。二是與春覆膜和裸地不覆膜處理相比,秋覆膜處理下的作物地上部分和地下部分生物量較大,作物殘體在表層土壤富集[36],增加了碳的輸入,當外源有機碳的輸入增加后,釋放出大量的活性有機碳可供微生物利用,從而加速有機質的分解和礦化,極大促進了耕層土壤生物的活性,包括真菌生長、根系延伸以及土壤動物活動等,有利于在大團聚體內(nèi)部結合形成有機物,同時有機物的增加又會促進團聚體的形成[37],大團聚體對有機碳有富集作用,從而改變了土壤團聚體的有機碳含量和分配比例[38],二者相互促進,逐漸形成固碳的良性循環(huán)[39]。

3.3 北方旱作農(nóng)田有機碳提升的地膜措施探討

我國北方旱區(qū)、半干旱地區(qū)耕地面積約占全國耕地面積的52%,在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中戰(zhàn)略地位十分重要[40]。地膜覆蓋技術在本區(qū)域已大面積使用,探討覆膜時間對北方旱區(qū)土壤團聚體分布、穩(wěn)定性以及有機碳的分布和儲量,對實現(xiàn)該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護協(xié)調具有重要意義。與不覆膜相比,本研究中秋覆膜和春覆膜均不同程度提高了在0—10 cm土層土壤的固碳潛力,尤其是秋覆膜處理,不僅可以提高土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性,還可以有效提高>2 mm團聚體的分布和有機碳含量,從而增加土壤有機碳的儲量。但是,覆膜是否長期的增加耕層土壤有機碳,也跟土壤本底有機碳含量有關,因此下一步需要多點長期試驗去驗證。

4 結論

連續(xù)5年的地膜覆蓋措施對土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性、有機碳在各級團聚體的分布具有重要影響。與傳統(tǒng)不覆膜相比,秋覆膜、春覆膜措施對水穩(wěn)性微團聚體沒有顯著影響,但是能顯著提高0—10 cm土層>2 mm大團聚體含量及比例,進而增加了土壤團聚體的穩(wěn)定性。同時,地膜覆蓋處理尤其是秋覆膜處理還可顯著提高土壤水穩(wěn)性大團聚體有機碳含量,增加水穩(wěn)性大團聚體有機碳儲量及其對土壤有機碳的貢獻率,有效促進土壤有機碳的固持。