青海東部地膜覆蓋對(duì)土壤固碳能力和肥力水平的影響

楊 凱，胡慶蘭，王金貴,2

（1青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西寧 810016；2省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016）

0 引言

土壤不僅是全球碳循環(huán)的源，同時(shí)作為碳循環(huán)的匯，其微小變化就會(huì)引起大氣中二氧化碳濃度的較大變動(dòng)，從而影響全球環(huán)境變化[1]。據(jù)相關(guān)研究表明，土壤中的碳庫(kù)含量約為陸地總碳庫(kù)的2/3，是大氣的2倍，其總量達(dá)1550 Pg[2]。根據(jù)IPCC（國(guó)際碳循環(huán)計(jì)劃）建議，提高土壤固碳能力可較少89%的農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放[3]，而相關(guān)研究也認(rèn)為，農(nóng)業(yè)土壤固碳技術(shù)是一項(xiàng)控制氣候變化的綠色環(huán)保措施[4]。全球環(huán)境變化和土壤肥力水平變化均與土壤有機(jī)碳的循環(huán)轉(zhuǎn)化具有密切相關(guān)性[5]。土壤腐殖質(zhì)在全球碳平衡過(guò)程中起到非常重要的作用[6]，在土壤微生物的主導(dǎo)作用下形成的土壤腐殖質(zhì)用來(lái)表征土壤的生物學(xué)肥力[7]。土壤腐殖質(zhì)是土壤中氮、磷的主要來(lái)源，可通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)及膠體狀況，形成的良好土壤結(jié)構(gòu)，從而可以增加土壤蓄水保肥和緩沖性能[8]。另外，可提取腐殖質(zhì)對(duì)污染物質(zhì)具有吸附、絡(luò)合等作用，從而可以減少污染物對(duì)土壤的污染[9]。可見(jiàn)，雖然土壤腐殖質(zhì)占土壤總質(zhì)量的比重較小，但它在土壤肥力形成、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用。

土壤有機(jī)質(zhì)的輸入與不同的農(nóng)業(yè)管理措施密切相關(guān)，管理?xiàng)l件不同其對(duì)土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化和腐殖質(zhì)的形成影響也不同。地膜覆蓋后改變了土壤的水熱氣等狀況，從而導(dǎo)致土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀發(fā)生一系列的變化[10]。本文研究了青海東部地區(qū)地膜覆蓋條件下單施化肥對(duì)耕層土壤有機(jī)碳和腐殖質(zhì)組分特性的影響，以期為該地區(qū)單施化肥地膜覆蓋栽培模式對(duì)土壤固碳能力和土壤肥力水平的影響提供科學(xué)的判斷依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省海東市民和縣(N 35°45′—36°26′，E 102°26′—103°04′)，屬高原大陸性干旱氣候，年均溫度9℃，年均降水量360 mm左右，無(wú)霜期198天，土壤類(lèi)型以栗鈣土、黑鈣土和灰鈣土為主。海拔最高4220 m，最低1650 m，平均海拔2200 m。全縣農(nóng)作物播種面積4.45萬(wàn)hm2，其中覆膜玉米種植面積2020年超過(guò)2.67萬(wàn)hm2，為青海省最大覆膜玉米種植區(qū)。本研究試驗(yàn)地在李二堡鎮(zhèn)祁家村(N 36°13′，E 101°38′)，海拔1924 m。該區(qū)域覆膜玉米種植集中且面積較大，具有代表性。試驗(yàn)開(kāi)始前耕層(0～20 cm)土壤理化性質(zhì)為：pH 8.03、有機(jī)質(zhì)17.63 g/kg、堿解氮79.07 g/kg、速效磷18.05 mg/kg、速效鉀118.29 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)設(shè)置覆膜和露地2種栽培模式（覆膜栽培模式用FM表示，露地栽培模式用OF表示），小區(qū)面積為4 m×5 m=20 m2，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。供試玉米品種為‘金凱3號(hào)’（玉米雜交種），行距為55 cm，株距為35 cm。各小區(qū)均不施基肥，只在播種時(shí)使用一次玉米配方肥，肥料分析式18-12-15(N-P2O5-K2O)，總養(yǎng)分≥45%，用量為300 kg/hm2，其他管理均和大田一致。該試驗(yàn)于2018、2019、2020年連續(xù)種植3年，以2018年試驗(yàn)開(kāi)始前為對(duì)照(CK)。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集 于每年玉米收獲后，按照“S”型5點(diǎn)采樣法每個(gè)小區(qū)采集耕層(0～20 cm)土壤樣品。將各點(diǎn)土壤混合均勻，然后除去根系、殘膜和石子等雜物后留1 kg左右裝自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，自然晾干后研磨過(guò)篩備用。

1.3.2 樣品分析 土壤總有機(jī)碳含量的測(cè)定采樣K2Cr2O7外加熱法[11]，具體方法：用 0.8 mol/L K2Cr2O7與濃H2SO41:1混合后，在170～180℃溫度條件下與樣品共煮5 min，然后測(cè)定土壤有機(jī)碳(a)。土壤活性有機(jī)碳的測(cè)定，采用Loginow等[12]提出的333 mmol/L KMnO4氧化法，具體方法：秤取風(fēng)干土（過(guò)0.25 mm）1.5 g于100 mL離心管，然后加入333 mmol/L KMnO425 mL，恒溫25℃振蕩1 h，然后以2000 r/min轉(zhuǎn)速離心5 min，將上清液用去離子水按1:250稀釋后在565 nm比色，重復(fù)3次。最后根據(jù)KMnO4濃度變化計(jì)算活性有機(jī)碳含量(b)（氧化過(guò)程中1 mmol/L KMnO4消耗0.75 mmol/L或9 mg碳）。以氧化穩(wěn)定系數(shù)KOS作為衡量有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的指標(biāo)，計(jì)算公式如(1)所示。

a為土壤有機(jī)碳，b為活性有機(jī)碳，a-b為非活性有機(jī)碳。

土壤腐殖質(zhì)的提取和分離參照Kumada等[13]的方法，以0.1 mol/L焦磷酸鈉和0.1 mol/L氫氧化鈉混合液(pH 13)作為提取劑。提取的腐殖物質(zhì)含碳量(CHE)、胡敏酸含碳量(CHA)采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；富里酸含碳量(CFA)采用差減法得到，如式(2)～(3)所示。

不同土地管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)和質(zhì)量的影響可以通過(guò)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CMI)來(lái)全面指示[14-15]，不同栽培模式土壤的CMI均以2018年試驗(yàn)開(kāi)始前的土壤為參照土壤，相應(yīng)指標(biāo)計(jì)算公式如(4)～(7)所示[16-17]。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，同時(shí)采用Excel 2013進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式下土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量變化

試驗(yàn)結(jié)果顯示（表1），不同栽培模式對(duì)土壤有機(jī)碳的積累具有不同的影響，隨著種植年限的增加OF栽培模式有機(jī)碳含量增加0.29%，而FM有機(jī)碳含量減小0.69%，但差異均未達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

表1 不同栽培模式下耕層土壤有機(jī)碳含量的變化情況 g/kg

土壤活性有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤結(jié)構(gòu)組成的直接參與者，能夠更加敏感的響應(yīng)土地利用方式和管理措施所產(chǎn)生的影響[14,16]，從而可以更好的指示土壤質(zhì)量和有機(jī)碳庫(kù)的變化[18-19]。試驗(yàn)結(jié)果表明（圖1A），隨著種植年限的增加，與2018年相比，至2020年OF土壤活性有機(jī)碳含量增加了1.0%，而FM土壤活性有機(jī)碳含量減小了1.7%，但差異均未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)。對(duì)于氧化穩(wěn)定系數(shù)(KOS)而言，隨著種植年限的增加其變化規(guī)律與土壤活性有機(jī)碳相反（圖1B），其中OF與2018年相比，至2020年土壤氧化穩(wěn)定系數(shù)減小了0.9%，而FM氧化穩(wěn)定系數(shù)增加了1.6%，差異均不顯著(P＞0.05)。

圖1 不同栽培模式下土壤活性有機(jī)碳和氧化穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢(shì)

2.2 不同栽培模式對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

Lefroy和Blair[20]于1993年，在活性有機(jī)碳庫(kù)容指標(biāo)(CPI)建立的基礎(chǔ)上，計(jì)算和提出了CMI。若CMI有所上升，則表明耕作使土壤肥力有所增加，反之，則表明耕作使土壤肥力有所降低，土壤質(zhì)量所以下降，意味著管理和施肥措施是不科學(xué)的[21-23]。

由表2可以看出，不同栽培模式和種植年限對(duì)耕層土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響是不同的。其中，F(xiàn)M栽培模式條件下隨著種植年限的增加土壤有機(jī)碳(SOC)、活性有機(jī)碳(LOC)、碳庫(kù)指數(shù)(CPI)、活度指數(shù)(LI)和碳庫(kù)管理指數(shù)(CMI)均較CK逐漸減小，至2020年FM栽培模式使土壤LI和CMI分別比露地CK減小了5.62%和6.36%；OF比CK分別增加了2.09%和2.39%。

表2 不同栽培模式和種植年限對(duì)耕層土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

土壤中LOC/SOC及碳庫(kù)活度L可在一定程度上反映土壤有機(jī)碳的質(zhì)量和穩(wěn)定程度，該比例越大表示有機(jī)碳越不穩(wěn)定，容易礦化、活性高；反之土壤有機(jī)碳越穩(wěn)定，不易被礦化也不易被生物所利用[18,24]。隨著種植年限的增加，至2020年FM土壤LOC/SOC值和L值比試驗(yàn)初始時(shí)分別降低了4.97%和5.96%，而OF土壤LOC/SOC值和L值比試驗(yàn)初始時(shí)分別升高了1.11%和2.09%。

2.3 不同栽培模式下土壤腐殖質(zhì)各組分碳含量變化

土壤腐殖質(zhì)可分為胡敏酸(Humic acid，HA)，富里酸(Fulvic acid，F(xiàn)A)和胡敏素(Humin，Hu)[25]，其中 HA只溶于堿，F(xiàn)A既溶于酸也溶于堿，Hu為惰性物質(zhì)。HA的CEC含量最高，呈微酸性，在腐殖質(zhì)中的活性最高，是土壤結(jié)構(gòu)形成的主要參與者[5]；FA具有較高的活性和較小的分子量，是形成HA和HA分解的首要產(chǎn)物，影響著HA的積累和更新[5]。

由表3可知，在連續(xù)3年試驗(yàn)中OF和FM 2種栽培模式下土壤可提取腐殖質(zhì)碳(CHE)占土壤全碳含量比例分別為37.0%～40.4%、35.4%～37.9%；胡敏酸碳(CHA)占全碳比例分別為12.5%～13.2%、13.2%～14.0%；富里酸碳(CFA)占全碳比例分別為24.5%～27.3%、22.2%～23.9%。2種不同栽培模式下耕層CHE含量均為富里酸高于胡敏酸，且CHE、CHA和CFA均隨著種植年限的增加而逐漸增加。從2018年到2020年，OF和FM土壤CHE含分別增加了9.5%和6.4%，其中OF的增加量差異顯著(P＜0.05)，而FM差異不顯著(P＞0.05)；CHA含量分別增加了5.5%和5.2%，其增加量差異均未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)；CFA分別增加了11.6%和7.0%，其差異均不顯著(P＞0.05)。

表3 不同栽培模式下土壤腐殖質(zhì)組分相對(duì)含量變化 g/kg

2.4 不同栽培模式下土壤腐殖質(zhì)碳組成相對(duì)比例變化趨勢(shì)

隨著土壤腐殖質(zhì)組分碳含量變化，其相對(duì)比例也呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律（表4和圖1）。以往研究通過(guò)CHA/CFA值或PQ值來(lái)作為衡量土壤腐殖質(zhì)腐殖化程度和土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[5]。隨著CHA/CFA值或PQ值越大，土壤胡敏酸含量越高、分子量越大、分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，意味著腐殖質(zhì)活性越高，品質(zhì)越好[26]。因此，可以通過(guò)CHA/CFA值或PQ值來(lái)表征不同處理對(duì)土壤腐殖質(zhì)活性和品質(zhì)的影響。

由圖2可以看出，OF栽培模式下CHA/CFA值和PQ值均隨著種植年限呈先增大再減小的變化趨勢(shì)，F(xiàn)M栽培模式下CHA/CFA值和PQ值均隨著種植年限呈先減小再增大的變化趨勢(shì)，CHA/CFA值和PQ值的變化趨勢(shì)基本一致。其中，OF的土壤CHA/CFA在0.48～0.0.52之間，F(xiàn)M的土壤CHA/CFA在0.57～0.59之間，變幅均不顯著(P＞0.05)；OF的土壤PQ值在0.32～0.34之間，F(xiàn)M的土壤PQ值在0.36～0.37之間，變化幅度均不顯著(P＞0.05)。通過(guò)單因素方差分析結(jié)果表明，F(xiàn)M土壤的CHA/CFA在2018年和2020年顯著高于OF(P＜0.05)，而2019年差異不顯著(P＞0.05)；PQ值在年際間和不同栽培模式條件下的變化均不顯著?？傊現(xiàn)M的土壤CHA/CFA和PQ值均大于OF，由此可推斷在本試驗(yàn)階段FM栽培模式有利于土壤腐殖質(zhì)的更新和活化，進(jìn)而可以提高腐殖質(zhì)的品質(zhì)。

圖2 不同栽培模式下土壤腐殖質(zhì)組成相對(duì)比例的變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

與露地相比地膜覆蓋栽培模式土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、土壤碳庫(kù)管理指數(shù)均有所減??；可提取腐殖質(zhì)碳、胡敏酸碳和富里酸碳均隨著種植年限的增加而增加，但總體上均小于露地。如果長(zhǎng)期進(jìn)行單施化肥的覆膜栽培模式可能會(huì)對(duì)該地區(qū)土壤碳平衡和養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生不良影響，最終對(duì)該模式的可持續(xù)生產(chǎn)和作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

4 討論

4.1 地膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

本研究表明覆膜栽培模式下土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量均隨著種植年限的增加而減小，而露地栽培模式下均隨著種植年限的增加而有所增加。這是由于地膜覆蓋后土壤溫度有所增加，加速了土壤養(yǎng)分的活化，增加了土壤養(yǎng)分的有效性，同時(shí)地膜覆蓋避免了雨水對(duì)地表土壤的直接沖擊和拍打，從而使土壤能夠保持良好的結(jié)構(gòu)，不易板結(jié)，增加了通氣透水性[27]。與露地栽培模式相比地膜覆蓋具有較好的水熱條件和通氣性，改變了微生態(tài)環(huán)境，從而降低了土壤中有機(jī)物料的腐解殘留率，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，從而導(dǎo)致地膜覆蓋栽培條件下土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的減小，該結(jié)果與汪景寬等[28]和劉穎川等[29]研究的結(jié)論基本一致。土壤活性有機(jī)碳減小意味著土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性更高，即氧化穩(wěn)定系數(shù)(KOS)越大，可能會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)和結(jié)構(gòu)組成形成負(fù)面影響。通過(guò)對(duì)土壤管理指數(shù)(CMI)的分析表明，OF栽培模式對(duì)土壤有培肥作用，土壤質(zhì)量向良性發(fā)展，而覆膜栽培模式使土壤肥力有所下降。綜合分析土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、KOS和CMI等指標(biāo)可知地膜覆蓋栽培模式不利于土壤培肥，從而可能會(huì)導(dǎo)致土壤肥力有所下降，如果長(zhǎng)期地膜覆蓋可能會(huì)改變土壤碳平衡。

4.2 地膜覆蓋對(duì)土壤腐殖質(zhì)的影響

土壤肥力水平的高低與土壤腐殖質(zhì)的分解程度和積累量存在著密切關(guān)系，因此可以用來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥料水平的高低[30]。相關(guān)研究表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)肥配施化肥均有利于土壤腐殖質(zhì)的積累和土壤肥料的提高[31-33]。張夫道[34]研究結(jié)果表明施用有機(jī)肥、不施肥及施用化肥對(duì)腐殖質(zhì)積累的作用相同，也有研究表明，盡管長(zhǎng)期施用化肥條件下土壤腐殖質(zhì)含量能夠維持基本平衡[34]，但由于化肥的施用使土壤腐殖質(zhì)分子的縮合度進(jìn)一步增大而是影響土壤養(yǎng)分的有效性[35]；還有一些不同的研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥使土壤腐殖質(zhì)含量有所下降[36]。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)期施用化肥對(duì)土壤腐殖質(zhì)的作用效果也不盡相同。本研究結(jié)果表明，在單施化肥的條件下露地和覆膜栽培模式土壤腐殖質(zhì)含量均隨著種植年限的增加而增加，但與露地相比，覆膜后土壤腐殖質(zhì)含量均有不同程度的下降（表3），這可能是由于覆膜條件下耕層土壤的水分、溫度等條件得以改善，進(jìn)而有利于作物生長(zhǎng)，消耗了更多的土壤養(yǎng)分。

土壤肥力性質(zhì)與土壤腐殖質(zhì)中各組分含量和比例直接相關(guān)[37]，其組分中胡敏酸性質(zhì)活躍，對(duì)土壤肥力特征具有較大的影響[38]，胡敏酸對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用[39]。相關(guān)研究表明，長(zhǎng)期施用化肥條件下土壤HA/FA值有所增加[8]，也有研究結(jié)果表明長(zhǎng)期施用化肥使土壤HA/FA有所降低[36]。本研究結(jié)果表明，兩種栽培模式下土壤HA/FA均隨種植年限的增加總體上有所減小，差異不顯著(P＞0.05)；覆膜栽培條件下土壤HA/FA均高于露地栽培模式，差異不顯著(P＞0.05)。相關(guān)研究表明，形成量和分解量的相對(duì)大小決定著土壤腐殖質(zhì)的含量[40]，而其組分中是以胡敏酸為主還是以富里酸為主則主要取決于土壤環(huán)境條件的影響[41]。本研究結(jié)果表明，兩種栽培模式下土壤腐殖質(zhì)主要以富里酸為主，說(shuō)明單施化肥土壤可提取腐殖質(zhì)中富里酸所占比例較大，分子量小，腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的團(tuán)?；饔脺p弱，土壤有機(jī)質(zhì)品質(zhì)向不良的方向發(fā)展，該結(jié)果與之前的土壤管理指數(shù)(CMI)的結(jié)果相一致。另外，土壤HA/FA還能反應(yīng)土壤的熟化程度和肥力水平，即土壤肥力和熟化程度越高其比值越大[42]。一般認(rèn)為高度熟化的土壤HA/FA可達(dá)1.4左右，中度熟化的土壤為0.5左右，初度熟化的土壤為0.2～0.3[43]。本研究結(jié)果表明，覆膜栽培模式下土壤HA/FA在0.57～0.59之間，而露地栽培模式下土壤HA/FA在0.48～0.52之間。由此可知，地膜覆蓋的土壤熟化度高于露地栽培，地膜覆蓋可能對(duì)土壤熟化具有促進(jìn)作用，進(jìn)而也可能會(huì)加速作物對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗。