不同輪耕模式對(duì)豫北農(nóng)田土壤固碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響*

朱長(zhǎng)偉, 陳 琛, 牛潤(rùn)芝, 李 洋, 姜桂英, 楊 錦, 申鳳敏, 劉 芳,劉世亮

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 鄭州 450002)

土壤碳庫(kù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù), 在全球碳循環(huán)中占有重要地位。與草地、森林等自然生態(tài)系統(tǒng)相比, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量受人類活動(dòng)的影響更為明顯, 其任何微小的變化可能都會(huì)引起土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和動(dòng)態(tài)平衡的改變, 進(jìn)而對(duì)大氣CO濃度產(chǎn)生劇烈影響。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 耕作措施作為影響土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量的重要因素之一,受到人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的秸稈移除以及頻繁的耕作導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的迅速衰減, 引起土壤肥力的退化以及土地生產(chǎn)力的下降, 嚴(yán)重威脅著國(guó)家的糧食安全。因此, 正確認(rèn)識(shí)合理耕作措施對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定的增加效應(yīng), 是保持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。

耕作措施是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要因素, 不同耕作措施對(duì)土壤擾動(dòng)程度和作用強(qiáng)度的差異, 改變了土壤的理化及生物性狀, 進(jìn)而影響土壤的固碳能力。前人研究表明, 淺耕或免耕會(huì)導(dǎo)致有機(jī)碳在土壤表層的積累, 改變了SOC庫(kù)的分布格局, 影響整個(gè)剖面的碳庫(kù)儲(chǔ)量, 同時(shí)也有利于提高0～10 cm土層有機(jī)碳庫(kù)質(zhì)量和碳庫(kù)管理指數(shù)。王新建等研究表明, 相較于傳統(tǒng)耕作, 保護(hù)性耕作措施更有利于碳的固定, 能不同程度地提高土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳的含量, 且秸稈覆蓋更有利于提高土壤的碳庫(kù)水平及土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。Li等也發(fā)現(xiàn),實(shí)施保護(hù)性耕作并采用秸稈還田能顯著增加0～30 cm土層的碳儲(chǔ)量, 其增幅達(dá)27%～29%。且張琦等的研究也發(fā)現(xiàn), 3年一深松能夠增加 0～40 cm土層的易氧化有機(jī)碳含量, 有助于活化土壤碳庫(kù), 提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù), 進(jìn)而增強(qiáng)土壤碳庫(kù)的循環(huán)能力。但保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響主要表現(xiàn)在土壤的表層, 對(duì)深層土壤的影響較小。而輪耕措施不僅能均衡土壤養(yǎng)分在上下土層間的分布, 避免養(yǎng)分富集化, 創(chuàng)建良好的土壤結(jié)構(gòu); 還能改善土壤的透氣性, 有利于易氧化的小分子有機(jī)化合物的生成, 提高土壤中易氧化有機(jī)碳含量。呂薇等的研究也表明, 相較于免耕, 免耕、深松和翻耕組合的輪耕方式能夠有效地協(xié)調(diào)0～60 cm中各土層的有機(jī)碳含量, 使其整體呈增加趨勢(shì), 且輪耕模式也可以通過(guò)增加土壤總有機(jī)碳含量、提高土壤有機(jī)碳活度來(lái)增加土壤碳庫(kù)管理指數(shù), 提升土壤質(zhì)量。

總之, 現(xiàn)有研究大多集中在表層土壤, 而忽視日益退化并限制作物產(chǎn)量的深層土壤對(duì)耕作措施的響應(yīng), 且對(duì)耕作措施的研究大都局限于單一耕作, 還缺乏較為系統(tǒng)的關(guān)于輪耕制度下土壤有機(jī)碳變化的研究, 而不同耕作管理措施下潮土有機(jī)碳積累的長(zhǎng)期效應(yīng)是亟待明確的問(wèn)題。本研究通過(guò)研究3種耕作措施組合的輪耕制度下0～50 cm土層土壤總有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量及碳庫(kù)管理指數(shù), 闡明土壤耕作對(duì)土壤固碳效應(yīng)的影響, 為豫北小麥(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)兩熟區(qū)農(nóng)田土壤碳庫(kù)管理及建立合理的耕作制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年10月—2020年6月在河南省原陽(yáng)縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)(35°19′N, 113°50′E)進(jìn)行, 該地區(qū)地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫14.5 ℃,年降雨量615 mm,年日照時(shí)數(shù)2324 h, 全年無(wú)霜期227 d。試驗(yàn)地的土壤類型是典型的砂質(zhì)潮土, 試驗(yàn)前0～20 cm土層土壤的基本理化性質(zhì)為: 有機(jī)質(zhì)含量17.3 g·kg, 全氮含量1.0 g·kg, 堿解氮含量71.3 g·kg, 有效磷含量21.6 mg·kg, 速效鉀含量108.0 mg·kg, pH 7.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究為大田小區(qū)試驗(yàn), 前茬作物秸稈全量還田, 玉米季免耕。以3年為一個(gè)周期, 在小麥季采用5種輪耕模式, 具體處理為: 1)連續(xù)旋耕(RT-RT-RT)、2)深耕-旋耕-旋耕(DT-RT-RT)、3)深耕-旋耕-淺旋耕(DT-RT-SRT)、4)深耕-淺旋耕-淺旋耕(DT-SRTSRT)和5)深耕-淺旋耕-旋耕(DT-SRT-RT)。每個(gè)處理3次重復(fù), 共15個(gè)小區(qū), 小區(qū)面積為16 m×6.2 m=99.2 m。其中旋耕的操作為: 玉米收獲后, 秸稈滅茬粉碎1～2遍, 旋耕機(jī)整地2遍, 深度13～15 cm, 常規(guī)播種小麥; 深耕的操作為: 玉米收獲后, 秸稈滅茬粉碎1～2遍, 鏵式犁耕翻1遍, 深度28～30 cm, 旋耕機(jī)整地2遍, 深度15～18 cm; 淺旋耕的操作為: 玉米收獲后, 秸稈滅茬粉碎1～2遍, 淺旋整地2遍, 深度5～8 cm。

小麥品種是‘鄭麥369’, 播量232.5 kg·hm; 基肥施用N∶PO∶KO=20∶16∶16的小麥專用肥750 kg·hm(含N 150 kg·hm, PO120 kg·hm, KO 120 kg·hm),返青期追肥尿素150 kg·hm(N 69 kg·hm)。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在2019年6月(一個(gè)輪耕周期后)和2020年6月(一個(gè)輪耕周期+深耕)小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行田間取樣。按照“S”型路線, 采用多點(diǎn)分層取樣法, 分別使用環(huán)刀和土鉆采取5個(gè)土層(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm)的土壤樣品。環(huán)刀中的土樣直接進(jìn)行土壤容重的測(cè)定, 土鉆所取土壤樣品風(fēng)干后過(guò)0.25 mm篩, 進(jìn)行土壤總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳的測(cè)定。其中土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱容量法, 易氧化有機(jī)碳采用333 mmol·LKMnO浸提-比色法, 穩(wěn)態(tài)碳即為土壤總有機(jī)碳與易氧化有機(jī)碳的差值。

1.4 有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算

單位體積或單位面積的土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算依賴于土壤質(zhì)量, 而耕作措施改變了土壤容重, 導(dǎo)致同等深度不同處理下的土壤質(zhì)量不同, 為減少由耕作改變土壤容重進(jìn)而帶來(lái)的偏差, 故本文參考Ellert和Bettany的計(jì)算, 采取等質(zhì)量方法計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(Mg·hm, 1 Mg=1000 kg)指各層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與增加土壤質(zhì)量中有機(jī)碳儲(chǔ)量之和, 用公式表示為:

式中: M為等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(Mg·hm); i=1、2、3、4時(shí), 分別表示 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土壤層次; M為已確定的相等土壤質(zhì)量,即j=1、2、3、4, 分別為0～10 cm、0～20 cm、0～30 cm和0～40 cm不同耕作處理下最大的土壤質(zhì)量, 其相應(yīng)的n取值分別為1、2、3、4; M為各層次的土壤質(zhì)量(Mg·hm); c為各層次土壤有機(jī)碳含量(g·kg換算為 kg·Mg); c為增加土壤的有機(jī)碳含量(kg·Mg); ρ為各層次土壤容重(g·cm換算為Mg·m); T為各層次土壤厚度(m); 10 000為面積單位m換算為 hm的系數(shù); 0.001為質(zhì)量單位kg換算為Mg的系數(shù)。

1.5 碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)綜合研究對(duì)象和參考土壤的有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)態(tài)碳的動(dòng)態(tài)變化, 可以作為評(píng)價(jià)土壤碳庫(kù)變化的靈敏指標(biāo)。參照 Blair和O’rourke等的計(jì)算方法:

本試驗(yàn)以RT-RT-RT的土壤為參照土壤。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007錄入與整理數(shù)據(jù), 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差及相關(guān)性(P＜0.05)分析, 使用Origin Pro 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施對(duì)土壤容重的影響

如圖1所示, 在2019年和2020年小麥季, 各輪耕處理土壤容重均隨土層深度的增加而增加, 不同處理隨耕作年限和耕作措施的不同表現(xiàn)出一定的差異。2019年, 0～10 cm土層, DT-RT-RT和DT-RTSRT的容重最高, 為1.39 g·cm, 而各輪耕處理與連年旋耕(RT-RT-RT)相比差異并不顯著; 10～30 cm土層, 相較于RT-RT-RT, DT-RT-RT、DT-SRT-RT處理能夠顯著降低土壤容重(P＜0.05), 分別降低2.9%和2.5%; 30～40 cm土層, DT-RT-SRT處理土壤容重最低, 為1.57 g·cm。2020年, 與RT-RT-RT相比, 各輪耕處理均能顯著降低0～40 cm土層中的土壤容重(P＜0.05), 其中在0～20 cm土層, DT-RT-RT處理土壤容重最小, 降低8.7%; 40～50 cm土層, 各處理間差異并不顯著?？傮w來(lái)說(shuō), 2019年, DT-RT-RT和DTSRT-RT處理能夠顯著降低10～30 cm土層中的土壤容重; 而在2020年, 則表現(xiàn)為各輪耕處理均能顯著降低0～40 cm土層中的土壤容重。

圖1 2019年和2020年不同輪耕處理下不同土層土壤容重Fig.1 Soil bulk densities in different soil layers under different rotation tillage treatments in 2019 and 2020

2.2 不同耕作措施對(duì)土壤總有機(jī)碳含量的影響

如圖2所示, 兩年間各處理土壤總有機(jī)碳含量(SOC)整體上變化不明顯, 但各處理SOC含量均隨土層深度的加深呈下降趨勢(shì), 不同處理隨耕作年限和耕作措施的不同表現(xiàn)出一定的差異。2019年, 與RT-RT-RT相比, 0～20 cm土層, DT-SRT-SRT處理能夠顯著提高SOC含量(P＜0.05), 增長(zhǎng)率為10.1%～23.2%; 20～40 cm土層, 則表現(xiàn)為DT-SRT-RT處理SOC含量顯著高于RT-RT-RT處理(P＜0.05), 為6.29 g·kg。2020年, 0～10 cm土 層, DT-SRT-SRT處 理SOC含量最高, 為11.54 g·kg; 10～40 cm土層, 相較于RT-RT-RT處理, 總體上各輪耕處理均能提高SOC含量, 其中DT-SRT-RT處理的增加效果最為顯著, 增長(zhǎng)率為10%～21.5%; 40～50 cm土層, 各處理間SOC含量差異并不顯著。

圖2 2019年和2020年不同輪耕處理下不同土層土壤總有機(jī)碳Fig.2 Soil organic carbon contents in different soil layers under different rotation tillage treatments in 2019 and 2020

2.3 不同耕作措施對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量的影響

如圖3所示, 兩年間各處理土壤易氧化有機(jī)碳(LOC)(圖3a)及穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳(NLOC)(圖3b)含量均隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì), 不同處理隨耕作年限和耕作措施的不同表現(xiàn)出一定的差異。2019年, 相較于RT-RT-RT, DT-RT-SRT、DT-SRT-SRT和DTSRT-RT處理均能顯著增加0～20 cm土層土壤LOC含量(P＜0.05), 最高增長(zhǎng)了5.1%; 而NLOC含量則在DT-SRT-SRT處理中最高, 最高為8.20 g·kg。20～40 cm土層, 土壤LOC、NLOC含量則表現(xiàn)為DT-RTRT和DT-SRT-RT處理顯著高于RT-RT-RT。2020年,相較于RT-RT-RT, 0～10 cm土層, DT-SRT-SRT和DT-SRT-RT處理顯著提高了土壤LOC含量, 最高增長(zhǎng)7%, DT-SRT-SRT處理NLOC含量最高, 最高為8.30 g·kg; 10～40 cm土 層, 各輪耕處理均能提高LOC和NLOC含量, 其中DT-SRT-RT處理對(duì)NLOC含量的增加效果最為顯著, 增長(zhǎng)率為13.5%～26.4%;40～50 cm土層, 各處理間土壤LOC、NLOC含量差異并不顯著。

圖3 2019年和2020年不同輪耕處理下不同土層土壤易氧化有機(jī)碳(a)及穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳(b)Fig.3 Soil liable organic carbon (a) and non-liable organic carbon (b) contents in different soil layers under different rotation tillage treatments in 2019 and 2020

2.4 不同耕作措施對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳及穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例的影響

如圖4所示, 兩年間土壤易氧化有機(jī)碳/總有機(jī)碳(LOC/SOC)(圖4a)和穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳/總有機(jī)碳(NLOC/SOC)(圖4b)值在表層土壤中差異不大, 而在深層土中差異較為顯著。2019年, 0～40 cm土層, RTRT-RT處理LOC/SOC值最高, 最高為34.3%, 且在0～10 cm和30～40 cm土層顯著高于各輪耕處理(P＜0.05); 而相應(yīng)的NLOC/SOC值均表現(xiàn)為RT-RTRT處理最低, 且NLOC/SOC值隨土層的加深呈增長(zhǎng)趨勢(shì), 0～40 cm土層, 各輪耕處理均能顯著增加NLOC/SOC的值(P＜0.05), 其中DT-SRT-RT處理的增加效果最為顯著, 增長(zhǎng)率為1.1%～7.5%。2020年,0～10 cm土層, DT-SRT-RT處理的LOC/SOC值最高,為29.2%, 而10～40 cm土層, 同樣表現(xiàn)為RT-RT-RT處理最高, 且在20～30 cm土層顯著高于各輪耕處理(P＜0.05); 而10～30 cm土 層, DT-SRT-RT處 理 的NLOC/SOC值顯著高于其他處理(P＜0.05), 相較于RT-RT-RT處理最高增長(zhǎng)4.4%; 40～50 cm土層, 各處理間LOC/SOC及NLOC/SOC值均無(wú)顯著差異?？偟膩?lái)說(shuō), 相較于RT-RT-RT處理, 各輪耕處理降低了LOC/SOC的值, 但提高了NLOC/SOC的值, 尤其是20～40 cm土層。

圖4 2019年和2020年不同輪耕處理下易氧化有機(jī)碳(a)及穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳(b)占總有機(jī)碳的比例Fig.4 Proportions of liable organic carbon (a) and non-liable organic carbon (b) to total organic carbon in different soil layers under different rotation tillage treatments in 2019 and 2020

2.5 土壤各指標(biāo)間的三因素方差分析

如表1所示, 三因素方差分析結(jié)果表明, 輪耕年份、土層深度和耕作模式及其相互間的交互作用均極顯著影響土壤容重以及LOC含量(P＜0.01);SOC、LOC/SOC和NLOC/SOC受到輪耕年份、土層深度和耕作模式3種單一因素的極顯著影響(P＜0.01); 而NLOC含量只受土層深度和耕作模式及其交互作用和輪耕年份、土層深度交互作用的極顯著影響(P＜0.01), 并不受輪耕年份的影響。

表1 小麥輪耕時(shí)期、土層深度和耕作模式三因素下土壤容重、總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳及其比例的方差分析Table 1 Variance analysis of soil bulk densities and contents of organic carbon content, liable organic carbon and non-liable organic carbon and their proportions under three factors of wheat rotation period, soil depth and farming mode

2.6 不同耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

在2019年和2020年, 分別選擇0～10 cm、0～20 cm、0～30 cm和0～40 cm土層的最大土壤質(zhì)量, 將其作為M(j=1、2、3、4), 計(jì)算出各耕作措施下的等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(表2)。2019年, 各土壤深度RTRT-RT的有機(jī)碳儲(chǔ)量均為最低, 各輪耕處理均能顯著增加0～40 cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量(P＜0.05); 且0～30 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)為DT-SRT-SRT處理最高, 分別為16.21 Mg·hm、28.62 Mg·hm和36.64 Mg·hm; 而在0～40 cm土層中的有機(jī)碳儲(chǔ)量則表現(xiàn)為DT-SRT-RT處理最高, 相較于RT-RT-RT處理增長(zhǎng)12.8%。2020年, 0～10 cm土層, DT-SRT-SRT處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量最高, 為14.79 Mg·hm; 不同輪耕處理下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加量因土層深度而不同, 其中0～20 cm、0～30 cm和0～40 cm土層以DT-SRTRT的增加量最為顯著, 分別增加11.65 Mg·hm、10.16 Mg·hm和7.33 Mg·hm; 0～40 cm土 層, DTSRT-RT處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量最高, 其次為DT-SRTSRT, 分別較RT-RT-RT增長(zhǎng)9.7%和7.1%。

表2 不同耕作措施下不同土層等質(zhì)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Table 2 Soil organic carbon stock on equivalent soil mass basis of different soil layers under different tillage treatments

2.7 不同耕作措施對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

本研究將連續(xù)旋耕(RT-RT-RT)處理下的土壤設(shè)定為參考土壤, 對(duì)不同輪耕措施下不同層次的CPMI進(jìn)行計(jì)算分析。由表3可知, 2019年, 0～40 cm土層,碳庫(kù)活度(A)和活度指數(shù)(AI)均以RT-RT-RT處理最高, 但在0～30 cm土層中各處理間差異并不顯著,只在30～40 cm土層中, RT-RT-RT處理顯著高于各輪耕處理(P＜0.05); 而碳庫(kù)指數(shù)(CPI)則表現(xiàn)為RTRT-RT處理最低, 在20～40 cm土層, DT-SRT-RT處理的CPI顯著高于RT-RT-RT(P＜0.05), 分別提高21.0%和22.8%; 但對(duì)于CPMI值, 除0～10 cm土層各處理間無(wú)顯著差異外, DT-SRT-RT處理相較于RT-RT-RT顯著降低了20～40 cm土層的CPMI (P＜0.05),最高降低4.3%, 40～50 cm土層, 則表現(xiàn)為DT-SRTRT處理CPMI最高, 為103.36。2020年, 0～10 cm土層, 各處理的A和AI無(wú)顯著差異, 而在10～40 cm土層, 處理間同一土壤深度的A和AI的變化趨勢(shì)相似,均以RT-RT-RT處理最高; 0～40 cm土層, 總體上各輪耕處理的CPI、CPMI值均大于RT-RT-RT處理,其中DT-SRT-SRT和DT-SRT-RT處理對(duì)CPI提高效果達(dá)到顯著水平(P＜0.05), 且除10～20 cm土層外, DTSRT-RT處理的CPMI值顯著高于其他處理(P＜0.05),相較于RT-RT-RT最高提高8.5%。

表3 不同耕作措施下不同土層的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)Table 3 Soil carbon pool management indexes (CPMI) of different soil layers under different tillage treatments

3 討論

3.1 輪耕模式對(duì)土壤容重、有機(jī)碳的影響

有機(jī)碳不僅是土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源, 同時(shí)也是衡量土壤肥力的重要指標(biāo), 其在對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良、作物養(yǎng)分的供應(yīng)及生長(zhǎng)發(fā)育等方面起著重要作用, 而土壤容重則是土壤重要的物理性質(zhì)之一,影響著作物根系的生長(zhǎng)和發(fā)育。研究表明, 不同耕作措施的機(jī)械作用力使土壤分散、破碎以及混合的程度存在較大差異, 直接或間接地影響著土壤容重及其有機(jī)碳的含量。Reicosky等研究指出, 深翻措施疏松了土壤, 顯著降低土壤容重, 但頻繁的翻耕會(huì)降低有機(jī)碳含量, 造成碳的大量損失。而輪耕措施不僅能疏松土壤, 降低土壤容重, 提高土壤孔隙度,改善土壤構(gòu)造和通氣性, 還能夠有效地增加犁底層以下土壤有機(jī)質(zhì)的含量。侯賢清等研究也指出,3年輪耕處理較傳統(tǒng)耕作能夠增加土壤有機(jī)碳含量,且對(duì)表層影響較大。本研究表明, 2019年, DT-RTRT和DT-SRT-RT處理能夠顯著降低10～30 cm土層中的土壤容重, 這是因?yàn)檩喐Ｊ侥軌蚴杷赏寥? 提高了土壤的透氣性, 進(jìn)而降低了土壤容重; 而2020年, 各輪耕處理均能顯著降低0～40 cm土層中的土壤容重。這可能是因?yàn)檩喐粋€(gè)周期后, 再一次的深耕進(jìn)一步打破了土壤的犁底層, 疏松了土壤,同時(shí)還有利于作物根系的下扎, 而根系的生長(zhǎng)又促進(jìn)了土壤的疏松, 從而降低了土壤容重。試驗(yàn)期內(nèi),0～20 cm土層, DT-SRT-SRT處理的土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳及穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量相對(duì)較高; 而相較于RT-RT-RT處理, DT-SRT-RT處理則能顯著提高0～40 cm土層中的土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量。這主要是因?yàn)椴煌喐绞綄?duì)土壤及其環(huán)境造成的影響不同所導(dǎo)致的, 一方面深耕之后連續(xù)兩年的淺旋耕對(duì)土壤的擾動(dòng)小, 秸稈近乎覆蓋于地表, 增加了表層(0～20 cm)土壤有機(jī)物的輸入, 提高了有機(jī)碳的含量; 另一方面輪耕模式下秸稈經(jīng)翻耕后與土壤混合, 改善了土壤的緊實(shí)度, 同時(shí)為土壤微生物提供了舒適的生長(zhǎng)環(huán)境, 促使微生物活性迅速增加, 促進(jìn)秸稈等有機(jī)物的分解礦化, 增加了相應(yīng)土層有機(jī)質(zhì)的輸入, 進(jìn)而增加0～40 cm土層土壤各有機(jī)碳的含量。相較于RT-RT-RT處理, 各輪耕處理降低了LOC/SOC的值, 但提高了NLOC/SOC,尤其是20～40 cm土層表現(xiàn)最為顯著, 這表明輪耕處理減少了土壤總有機(jī)碳中易氧化的有機(jī)碳的含量,增加了穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳的比例, 有利于土壤有機(jī)碳的存儲(chǔ)。

3.2 輪耕模式對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

考慮到不同耕作處理之間土壤容重的變異性,通過(guò)將特定土層中單位面積的土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)精確量化土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量, 而減少由耕作改變土壤容重進(jìn)而帶來(lái)的偏差, 采取等質(zhì)量方法計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。研究表明, 淺耕會(huì)使有機(jī)碳積累在土壤的表層, 而深耕則能顯著提高深層土壤的有機(jī)碳含量, 但是單一的耕作措施并不能明顯改變耕層土壤中總有機(jī)碳的儲(chǔ)量。楊敏芳等研究發(fā)現(xiàn), 與無(wú)秸稈添加相比, 秸稈還田處理顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)的投入從而提高土壤總有機(jī)碳含量。萬(wàn)小楠等的研究也表明, 相較于不還田, 秸稈還田處理提高了土壤的固碳速率, 更有利于溫室氣體減排。而作物秸稈在土壤中的翻埋深度取決于土壤耕作深度, 這直接影響著有機(jī)碳含量在土層中的垂直分布, 從而影響著土壤碳的固定。本研究表明, DT-SRT-SRT處理的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在0～20 cm土層中最高, 這是因?yàn)檫B續(xù)兩年的條旋耕處理減少了土壤的擾動(dòng)頻率,可以有效地減少土壤有機(jī)碳的損失, 同時(shí)玉米秸稈主要覆蓋在地表, 造成了土壤有機(jī)碳的富集, 進(jìn)而提高表層土壤中的碳儲(chǔ)量。試驗(yàn)期內(nèi), 各輪耕處理均能提高0～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量, 但隨著土層深度的加深, 土層間土壤容重以及有機(jī)碳含量的不同,導(dǎo)致各輪耕處理下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加量有所不同, 表現(xiàn)為不同土層中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異。2019年, 輪耕一周期之后, 0～30 cm土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量DT-SRT-SRT處理最高, 但當(dāng)土層加深至40 cm土層時(shí), DT-SRT-RT處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量高于DT-SRTSRT處理; 同樣2020年, DT-SRT-RT處理在0～20 cm、0～30 cm和0～40 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加量最為顯著, 因此試驗(yàn)期內(nèi), DT-SRT-RT處理0～40 cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量最高, 表現(xiàn)出明顯的固碳優(yōu)勢(shì)。這與楊思存等的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)樯罡僮鞲淖兞烁麑油寥烙袡C(jī)碳的分布特征, 同時(shí)使玉米秸稈翻埋到了耕層以下, 增加了深層土壤中的碳投入, 而之后耕作深度的差異, 減少了碳的礦化, 增加了相應(yīng)耕作深度土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性, 進(jìn)而提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。

3.3 輪耕模式對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)是指能夠系統(tǒng)、敏感地反映和監(jiān)測(cè)土壤有機(jī)碳變化的一種指標(biāo), 它結(jié)合了外在條件影響下土壤碳庫(kù)和碳庫(kù)活度兩方面的指標(biāo), 能夠很好地反映出外界條件對(duì)土壤有機(jī)碳數(shù)量及質(zhì)量的影響, 從而全面、動(dòng)態(tài)地評(píng)價(jià)外界條件對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的影響。呂瑞珍等的短期研究表明, 翻耕處理有助于提高0～10 cm土層中的各項(xiàng)碳庫(kù)指標(biāo), 降低10～40 cm土層碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù); 而張霞等在渭北旱塬的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究表明, 輪耕模式有助于改良各層次土壤的性能, 長(zhǎng)期提升秸稈腐化系數(shù), 增加土壤碳庫(kù)管理指數(shù), 促進(jìn)有機(jī)碳的循環(huán)。本研究表明, 2019年, RT-RT-RT處理的碳庫(kù)活度和活度指數(shù)在0～40 cm土層中最高, DTSRT-RT處理顯著增加了20～40 cm土層中的碳庫(kù)指數(shù), 降低土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)耕作連續(xù)旋耕處理(RT-RT-RT)土壤受到擾動(dòng)的頻率小, 礦化程度弱, 從而提高了土壤的碳庫(kù)活度; DT-SRT-RT處理輪耕一周期后, 相較于RT-RT-RT顯著提高了0～40 cm土層土壤穩(wěn)態(tài)碳的含量(圖3 b), 降低了土壤碳庫(kù)活度以及活度指數(shù)值(表3), 而土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的大小主要決定于活度指數(shù)及碳度指數(shù)。2020年, 各輪耕處理的碳庫(kù)指數(shù)、土壤碳庫(kù)管理指數(shù)值均大于RT-RT-RT處理, 其中DT-SRT-SRT和DTSRT-RT處理顯著提高了碳庫(kù)指數(shù)值, 且除10～20 cm土層外, DT-SRT-RT處理的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)值顯著高于其他處理, 這是因?yàn)樾乱惠喌纳罡幚硇纬闪耸杷傻耐寥拉h(huán)境, 再加上秸稈的輸入, 有利于形成激發(fā)效應(yīng), 促進(jìn)秸稈的腐解, 增加了土壤總有機(jī)碳的含量, 提高了碳庫(kù)指數(shù), 進(jìn)而增加了相應(yīng)耕作土層的碳庫(kù)管理指數(shù)。

4 結(jié)論

1)在本試驗(yàn)期內(nèi), 深耕-條旋耕-旋耕處理相對(duì)連續(xù)旋耕顯著增加10～40 cm土層土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳及穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量, 降低10～30 cm土層土壤容重。各輪耕處理降低了土壤易氧化有機(jī)碳/總有機(jī)碳的值, 但提高了穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳/總有機(jī)碳值, 尤其是20～40 cm土層。同時(shí), 各輪耕處理均能提高0～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量, 其中0～40 cm土層, 深耕-條旋耕-旋耕處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量最高。

2)隨耕作年限的不同土壤碳庫(kù)管理指數(shù)不同。2019年, 深耕-條旋耕-旋耕處理降低了活度指數(shù), 碳庫(kù)管理指數(shù)相對(duì)較低。2020年, 深耕-條旋耕-條旋耕和深耕-條旋耕-旋耕處理相對(duì)于連續(xù)旋耕顯著提高了0～40 cm土層中的碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)。

綜上所述, 深耕-條旋耕-旋耕處理能夠顯著提高0～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量, 具有明顯的固碳效應(yīng)。但不同耕作年限下的有關(guān)耕作措施對(duì)土壤固碳效應(yīng)的影響有待進(jìn)一步研究。