亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋對河套灌區(qū)鹽堿土壤有機碳和無機碳的影響*

宋佳珅,張宏媛,常芳弟,于 茹,張 霞,王偉妮,蘇 偉,李玉義**

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北京 100081; 2.鄂爾多斯市農(nóng)牧業(yè)生態(tài)與資源保護中心 鄂爾多斯 017001)

土壤碳庫主要包括有機碳庫和無機碳庫兩部分,全球1 m 內(nèi)土壤無機碳庫約為有機碳庫的2/3[1]。據(jù)估計,我國土壤有機碳(SOC)儲量為70.3 Pg C(1 m 深度),占全球碳儲量的4.7%; 而土壤無機碳(SIC)儲量為55.3 Pg C,約占全球無機碳儲量的5.8%[2-3]。由于SOC 一直被認為是增加碳儲量和固定的主要驅(qū)動者,所以大部分研究都集中在SOC 部分[4]。相比之下,由于SIC 一般被認為比較穩(wěn)定且不易受農(nóng)業(yè)措施影響而被忽視[5]。然而,近期研究表明,農(nóng)業(yè)活動和土地利用變化等引起的土壤酸化和碳酸鹽溶解等可以在幾十年內(nèi)迅速降低土壤SIC 儲量[6-8]。1980-2020年間,我國農(nóng)田中表層土壤無機碳庫已損失145 Tg C (1.1 Mg·hm-2)[9]。因此,在評估整個土壤碳庫和肥力變化時,SIC 與SOC 同等重要。并且,與SOC 相比,SIC 的損失是不可逆轉(zhuǎn)的,SIC 的損失將嚴重影響土壤健康狀況[10]。

SIC 主要以碳酸鹽形式存在,可分為原生碳酸鹽(主要來自母質(zhì))或次生碳酸鹽(由原生碳酸鹽的溶解和重結(jié)晶以及其土壤發(fā)生過程形成)[11]。我國約有30% (3.44×106km2)的土壤中含有成土碳酸鹽,主要分布在我國西北干旱和半干旱地區(qū)[12]。干旱地區(qū)年蒸發(fā)量較大,蒸發(fā)/降雨比高,限制了碳酸鹽從土壤中的溶解和浸出[1]。因此,這些區(qū)域土壤SIC 含量相對較高,研究其SIC 變化對了解土壤全碳狀況十分重要。施肥和灌溉等土地管理措施也會顯著影響農(nóng)田SIC 含量[6,9,13]。有研究表明,有機肥和化肥結(jié)合施用可以通過向土壤中額外添加Ca2+和Mg2+,以及通過增加土壤微生物和根系呼吸來促進SIC 的形成,增加SIC 儲量[14-16]。但也有研究認為,有機肥和化肥的施用會降低鹽堿土壤pH,導(dǎo)致SIC 發(fā)生溶解而損失[8,13]。

河套灌區(qū)地處西北干旱半干旱地區(qū),是我國大型自流灌區(qū)之一,由于灌排不合理,鹽漬化耕地面積達 39.4 萬hm2,占全區(qū)耕地面積的68.7%[17],土壤鹽分普遍較高、表聚速度快、積累強度大,而且土壤水分和養(yǎng)分都極為匱乏?，F(xiàn)有研究表明,相對于表層培肥,亞表層培肥(10～30 cm)可能更利于土壤保水蓄肥,為作物生長創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件,增加土壤有機質(zhì)積累,同時提高作物產(chǎn)量[18-19]。課題組通過研究也發(fā)現(xiàn),采用亞表層培肥結(jié)合地表地膜覆蓋一方面有利于優(yōu)化土壤物理結(jié)構(gòu),增強鹽堿土水鹽調(diào)控能力[20]; 另一方面可以通過物理保護和微生物調(diào)節(jié)增加土壤耕層SOC 含量[21]。然而該措施對鹽堿土壤SOC、SIC 變化特征及其影響因素尚不清楚。我們假設(shè): 1)亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋措施除了直接增加碳輸入外,還可以通過改善土壤理化性質(zhì)間接增加SOC 含量; 2)土壤理化性質(zhì)的改善(尤其是pH的降低)也會導(dǎo)致SIC 發(fā)生一定損失; 3)在亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋條件下,土壤全碳(TC)受SOC 的顯著變化,因此仍表現(xiàn)為顯著提高。因此,本研究基于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)連續(xù)6年的田間定位試驗,研究亞表層培肥結(jié)合地表覆膜對SOC、SIC 及全碳含量和分布的影響及有機碳和無機碳之間的關(guān)系,并分析土壤理化指標與有機碳、無機碳的相關(guān)性,以期為揭示河套灌區(qū)肥沃亞表層構(gòu)建措施對SOC 和SIC 的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市五原縣河套灌區(qū)義長灌域管理局試驗站永聯(lián)基地(41.07°N、108.00°E,海拔 1022 m),試驗地地處中溫帶,多年平均氣溫6.1 ℃,年平均降雨量200 mm,無霜期117～136 d。2019-2020年作物生育期間氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。試驗地土壤類型為粉砂壤土,按鹽土分類為氯化物-硫酸鹽土,土壤砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為35.9%、53.6%和10.5%。試驗地土壤含鹽量為3.4 g·kg-1,有機質(zhì)9.2 g·kg-1,全氮0.5 g·kg-1,全磷0.6 g·kg-1,全鉀19.4 g·kg-1,pH (土水比1∶5) 8.5。

圖1 研究區(qū)2019—2020年作物生長期月降雨(MP)和月平均氣溫(MAT)Fig.1 Monthly precipitation (MP) and mean air temperature(MAT) during crop growth seasons in 2019 and 2020 in the study area

1.2 試驗設(shè)計

田間微區(qū)(1.8 m×1.8 m)試驗開始于2015年,采用隨機區(qū)組排列,共設(shè)置4 個處理: 常規(guī)對照(CK)、10～30 cm 亞表層有機培肥(OM)、地膜覆蓋(PM)、亞表層有機培肥+地膜覆蓋(OM+PM),每個處理3 次重復(fù)。每個微區(qū)四周均用雙層塑料布阻隔,確保每個微區(qū)間相對獨立。為保證處理間表層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)保持一致,在試驗前,將所有微區(qū)中0～10 cm土壤取出后拌勻。亞表層培肥處理(OM、OM+PM)中將34.60 kg 有機肥與土壤10～30 cm 土層的土壤混合并壓實,有機肥為牛糞、羊糞、雞糞和草炭混合物(拌勻后的有機肥鹽分含量為16.1 g·kg-1,pH 為7.1,全氮、全磷、全鉀以及有機碳含量分別為12.9 g·kg-1、5.4 g·kg-1、13.9 g·kg-1和425.7 g·kg-1),有機肥僅第1年施用,后續(xù)不再添加; 最后,將混勻的0～10 cm 土壤按原容重等質(zhì)量回填。地膜覆蓋處理(PM、OM+PM)采用70 cm 寬的農(nóng)用塑料薄膜覆蓋,微區(qū)鋪設(shè)兩條膜帶,膜間距20 cm。

所有微區(qū)統(tǒng)一溝施化肥,施肥深度為10 cm,用量分別是N 180 kg·hm-2、P 53 kg·hm-2和K 62 kg·hm-2。灌溉采用引黃灌溉,定額為1850 m3·hm-2。供試作物為食葵(Helianthus annuusL.),播種后穴口用細砂覆蓋,行距為60 cm,株距為20 cm。其他管理方式與當?shù)剞r(nóng)戶保持一致。2019年和2020年分別于5月23日和6月12日播種,并于9月3日和10月2日收獲。

1.3 土壤樣品采集與測定

1.3.1 土壤含水率、鹽分和pH 測定

于2019-2020年作物收獲后用土鉆在地膜位置(無地膜處理與其取樣方位保持一致),按0～20 cm、20～40 cm 和40～60 cm 土層采集土壤樣品,將樣品去除根系、地膜等雜質(zhì)后,一部分用于測定土壤含水率、鹽分與pH,另一部分用于后續(xù)測定土壤碳氮含量。其中土壤含水率采用烘干法測定,烘干后土樣粉碎過2 mm 篩,以1∶5 土水比浸提土壤溶液,采用DDS-307 電導(dǎo)率儀和PHS-3B 型pH 計測定電導(dǎo)率和pH,土壤鹽分含量根據(jù)公式換算[22]:

式中:y為土壤鹽分含量(g·kg-1),x為土壤提取液的電導(dǎo)率(μS·cm-2)。

1.3.2 土壤全氮、全碳、有機碳與無機碳測定

取另一部分土壤樣品,自然風(fēng)干,過0.15 mm 篩,通過四分法將土樣分為具有代表性的兩部分,一部分直接保存,用于測定土壤全氮(TN)和TC 含量; 另一部分通過酸洗法去除SIC 來測定土壤SOC[23]。具體方法如下: 稱取1.0 g 土樣,加入10 mL 1 mol·L-1的鹽酸溶液,200 r·min-1震蕩30 min 使土壤樣品和鹽酸充分反應(yīng)至無氣泡產(chǎn)生,再以3000 r·min-1離心5 min,離心后去除酸液后反復(fù)加入蒸餾水清洗,至上清液為中性,再將離心后的土壤放至60 ℃下烘干至恒重。上述土樣均通過碳氮元素分析儀(vario MACRO cube)上機測定碳氮含量。SIC 含量為TC 含量與SOC 含量的差值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用DPS 9.01 進行,方差分析采用單因素方差分析(Two-Way ANOVA),并用最小方差分析(LSD)進行多重比較來研究亞表層有機培肥、地膜覆蓋及其交互作用對0～60 cm 土壤全氮、全碳、有機碳和無機碳含量以及土壤含水率、鹽分、pH的影響; 并采用線性回歸分析來檢驗SOC 與SIC 之間的關(guān)系,應(yīng)用Origin 2021 作圖; 相關(guān)分析采用皮爾森(Pearson)雙側(cè)檢驗法,應(yīng)用TB tools 繪制相關(guān)性熱圖; 采用Canoco 5.0 進行冗余分析(RDA),探討土壤碳含量與土壤理化因子間關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全碳(TC)、有機碳(SOC)和無機碳(SIC)在不同土層的分布

OM+PM顯著增加2019年20～40 cm TC 含量,較CK 和PM 處理分別增加3.9%和5.6% (P＜0.05);2019年,OM、PM 和OM+PM 處理40～60 cm 土層TC 含量較CK 顯著增加8.0%～10.4% (P＜0.05) (圖2a)。2020年,OM+PM 和OM 同時顯著增加了0～20 cm TC 含量,較CK 和PM 分別增加13.0%～13.2%和17.5%～17.8% (P＜0.05) (圖2b)。兩年結(jié)果的差異性可能與有機肥為第1年一次性施入,隨試驗?zāi)晗拊黾?表層土壤TC 變化可能更多取決于根系分泌和當年氣象情況。此外,亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋0～60 cm剖面TC 含量在不同土層間整體差異不大,這可能與SOC 和SIC 含量隨土層加深而呈現(xiàn)出不同趨勢有關(guān)。

亞表層培肥(OM 和OM+PM)處理顯著增加了SOC 含量,其中OM 和OM+PM 在2019-2020年較CK 和PM 處理顯著增加0～20 cm SOC 含量54.0%～195.6% (P＜0.05),顯著增加20～40 cm SOC 含量31.9%～162.6% (P＜0.05); OM 和OM+PM 較CK和PM 處理顯著增加2020年40～60 cm SOC 含量33.7%～49.4% (P＜0.05)。同時,OM+PM 較OM 處理顯著增加2019-2020年20～40 cm SOC 含量20.1%～39.1% (P＜0.05)。此外,除OM+PM 處理外,2019-2020年土壤SOC 含量隨土層深度增加整體呈下降趨勢(圖2c,d)。

凱迪是我國秸稈直燃發(fā)電項目建設(shè)的最早和最大的企業(yè)，但是近年來，由于規(guī)模擴張迅速，企業(yè)戰(zhàn)略決策不利，加之2015年又對旗下第一代電廠普遍進行技改，導(dǎo)致運營項目整體運行效率降低，發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)減少，利潤急劇下降，融資斷崖無力回天，目前面臨困局。

由圖2e,f 可知,與SOC 含量變化不同,0～60 cm土層SIC 含量隨土層加深整體呈增加趨勢,其中,2019-2020年,0～20 cm 土層OM 和OM+PM 較CK和PM 處理SIC 含量顯著降低12.3%～28.4% (P＜0.05),20～40 cm 土層顯著降低29.9%～35.0% (P＜0.05);然而,2019年40～60 cm 土層,OM 較CK 處理SIC 含量顯著增加9.65% (P＜0.05)。

圖2 2019—2020年不同亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋處理下不同土層土壤全碳(a、b)、有機碳(c、d)和無機碳(e、f)含量Fig.2 Contents of soil total carbon (TC; a,b),organic carbon (SOC; c,d) and inorganic carbon (SIC; e,f) of different soil layers under different treatments of subsurface organic ameliorant and film mulching in 2019 and 2020

2.2 不同處理土壤有機碳、無機碳和全碳之間的關(guān)系

線性回歸分析表明(圖3),在CK 和OM+PM 處理下,土壤SOC 與TC 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(CK:R2=0.34,P＜0.05; OM+PM:R2=0.22,P＜0.05); 在PM 處理下,土壤SIC 與TC 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.42,P＜0.05)。此外,在所有處理下,土壤SOC與SIC 含量均表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系(CK:R2=0.28,P＜0.05; OM:R2=0.80,P＜0.01; PM:R2=0.39,P＜0.05;OM+PM:R2=0.85,P＜0.01)。

圖3 不同亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋處理下土壤有機碳(SOC)、無機碳(SIC)及全碳(TC)間相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis among soil organic carbon (SOC),inorganic carbon (SIC) and total carbon (TC) contents under different treatments of subsurface organic ameliorant and film mulching

2.3 土壤理化性質(zhì)

亞表層培肥顯著增加了0～40 cm 土層全氮含量(P＜0.05),對40～60 cm 土層全氮含量無顯著影響(表1)。2019-2020年,相較于CK 和PM,OM 和OM+PM 處理0～20 cm 土層SOC 含量顯著增加21.7%～83.7% (P＜0.05),20～40 cm 土層SOC 含量顯著增加35.3%～100.1% (P＜0.05)。此外,OM+PM 較OM處理20～40 cm 土層全氮含量顯著增加33.7%～38.3%(P＜0.05)。

在0～20 cm 土層,OM 和OM+PM 處理較CK 和PM 處理顯著降低11.0%～53.1% (P＜0.05),并且在2019年P(guān)M 較CK 顯著增加13.2% (P＜0.05); 在20～40 cm 土層,PM 和OM+PM 較CK 處理顯著增加16.1%～19.1%,而OM+PM 較CK 處理顯著降低17.8%～24.6% (P＜0.05); 對于40～60 cm 土層,OM、PM 和OM+PM 處理較CK 顯著增加7.7%～21.0%(P＜0.05),然而OM+PM 較OM 和PM 處理顯著降低5.3%～10.3% (P＜0.05)。此外,0～60 cm 剖面土壤含水率隨土層加深而增加(表1)。

OM 和OM+PM 較CK 處理顯著降低0～20 cm 土層鹽分含量15.8%～41.2%,且OM+PM 較CK 顯著降低25.1%～39.5% (P＜0.05); OM 和OM+PM 較CK 和PM 處理顯著降低2019年20～40 cm 土層鹽分含量20.2%～29.4% (P＜0.05)。此外,0～20 cm 表層土壤鹽分含量高于20～60 cm 土層(表1)。

在0～20 cm 土層,OM 較CK 處理顯著降低3.0%～3.5%,OM+PM 僅在2019年較CK 和PM 處理降低2.7%～4.1%; 20～40 cm 土層,OM 和OM+PM 較CK 和PM 處理顯著降低6.2%～11.0%,且OM+PM 在2020年較OM 處理降低3.1%; 40～60 cm 土層,OM和OM+PM 較PM 處理顯著降低1.8%～3.9%,且OM+PM 較CK 處理顯著降低3.5%～3.7%。

2.4 土壤理化性質(zhì)與土壤全碳、有機碳、無機碳的關(guān)系

為進一步分析亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋下不同土層土壤碳(TC、SOC、SIC)含量變化的影響因素,對試驗期間(2019-2020年)土壤碳含量與理化性質(zhì)進行了冗余分析(圖4)。結(jié)果表明,不同土層土壤碳含量變化的主要影響因素不同。在0～20 cm 土層,RDA1 和RDA2 分別解釋了81.9%和10.1%的變異,前兩軸共解釋了土壤碳含量總變異的91.9% (圖4a)。土壤理化性質(zhì)對0～20 cm 土壤碳含量變化的貢獻從高到低為全氮＞含水率＞pH＞鹽分。其中土壤全氮(F=66.2,P=0.002)是影響0～20 cm 土壤碳含量的最顯著變量,解釋了75.1% 的變異; 其次是含水率(13.2%,F=23.7,P=0.002)、pH (2.6%,F=5.6,P=0.012)和鹽分(1.4%,F=3.3,P=0.068)(圖4b)。其中相關(guān)性熱圖表明(圖4c),SOC 與全氮含量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),而與鹽分和pH 呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜0.01); SIC與含水率、pH 呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),與鹽分呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),而與全氮呈極顯著負相關(guān)(P＜0.01)。

圖4 不同亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋處理下不同土層理化性狀與碳含量之間相關(guān)性的冗余分析(a,d,g)、土壤理化性狀對土壤碳含量變化的解釋率(b,e,h)及兩者間相關(guān)性分析(c,f,i)Fig.4 Redundancy analyses (RDA) of the correlations between soil physicochemical properties and carbon content (a,d,g),and the explained rates of soil physicochemical properties on variance of soil carbon (b,e,h),and Pearson correlation among them (c,f,i) of different soil layers under different treatments of subsurface organic ameliorant and film mulching

在40～60 cm 土層,RDA1 和RDA2 分別解釋了52.2%和8.5%的變異,前兩軸共解釋了土壤碳含量總變異的60.7% (圖4g)。土壤理化性質(zhì)對40～60 cm土壤碳含量變化的貢獻從高到低為pH＞鹽分＞含水率＞全氮。其中土壤pH (F=12.8,Punknown)是影響40～60 cm 土壤碳含量的最顯著變量,解釋了29.2%的變異,其次是鹽分(23.1%,F=6.6,P=0.004)、含水率(5.7%,F=3.0,P=0.066)和全氮(5.4%,F=2.5,P=0.086)(圖4h)。相關(guān)性熱圖表明(圖4i),土壤SOC 與全氮含量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),而SIC 與鹽分呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),與含水率呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。

3 討論

3.1 亞表層培肥對鹽堿土壤全碳、有機碳、無機碳分布的影響

亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋條件下,0～60 cm 土層SOC 含量整體隨土層加深而下降,這與胡誠等[24]的研究結(jié)果大體一致,但他們的研究認為0～20 cm 表層SOC 含量最高,而本研究中,0～20 cm 和20～40 cm土層間SOC 含量并無明顯差異,這可能是我們將有機肥施入亞表層(10～30 cm)的緣故。然而,與SOC不同,0～60 cm SIC 含量隨深度增加而增加,這主要是由于微生物生物量在有機培肥措施下顯著增加[20],進而呼吸產(chǎn)生了更多的CO2,土壤中CO2分壓的增加會導(dǎo)致表層土壤中碳酸鹽發(fā)生一定的溶解,然后被轉(zhuǎn)移到深層土壤中,在含水量相對較低的深層土壤中重新結(jié)晶[25]。Pant 等[26]研究表明土壤TC 與SOC 一樣隨著土層深度增加呈下降趨勢,0～15 cm 表層土壤由于含有更多的作物殘茬、根系生物量和根系分泌物等,因此全碳含量最高; 而在我們的研究中0～60 cm 土層TC 含量在不同土層間并無明顯差異,這主要是由于0～40 cm 土層SIC 含量受pH 和全氮含量變化影響發(fā)生損失的緣故(圖4)。另外,各土層SOC與SIC 含量在不同處理間差異在試驗期間基本保持一致,這表明亞表層有機培肥結(jié)合地膜覆蓋措施在6年后仍能顯著影響土壤SOC 和SIC 含量。

3.2 亞表層培肥條件下土壤有機碳、無機碳與全碳間關(guān)系

土壤SOC 與SIC 間關(guān)系復(fù)雜,會因土壤自身特性和管理措施(有機改良劑種類及種植系統(tǒng)等)的不同產(chǎn)生差異[9]。其中在我國華北平原黃河三角洲上游地區(qū)[27]和甘肅巴丹吉林沙漠[28]SOC 和SIC 存在顯著正相關(guān)關(guān)系,這可能是因為施肥等措施會增加土壤中有機碳含量,SOC 分解會產(chǎn)生更多的CO2,土壤CO2通常溶解在土壤水中,產(chǎn)生CO32-或HCO3-有助于SIC 的沉淀[16]。而在我國華北平原[29]和黃土高原西部[30]發(fā)現(xiàn)SIC 與SOC 呈負相關(guān)關(guān)系。本文研究也發(fā)現(xiàn)SIC 與SOC 呈顯著負相關(guān)(圖3),同時Dong等[31]研究表明,在相同粒徑級別下,SIC 與SOC 含量同樣呈負相關(guān)關(guān)系,這主要是因為SOC 礦化釋放的酸可以溶解碳酸鹽,在亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋下碳酸鹽因溶解而損失的量大于由于CO2溶于水中發(fā)生沉淀而生成的量,因此SIC 含量降低[25,32]。

亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋增加了0～60 cm 土層土壤TC 含量,這與Ding 等[33]研究結(jié)果一致,本研究中OM+PM 處理下,SOC 與TC 存在顯著線性關(guān)系,而SIC 與TC 卻并不顯著(圖3),因此土壤TC 含量對SOC 變化更為敏感,這說明雖然亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋措施會降低SIC 含量,但SOC 的提升幅度更大,因此在6年的試驗中并沒有導(dǎo)致土壤TC 的損失。然而我們也發(fā)現(xiàn)在僅地膜覆蓋條件下,SIC 與TC 存在顯著線性關(guān)系,而SOC 與TC 卻并不顯著(圖3),表明土壤TC 含量對土壤SIC 變化更為敏感,這可能由于覆膜主要對土壤水分和溫度產(chǎn)生影響,而溫度和水分對土壤SIC 的影響更大[34]。另外,研究發(fā)現(xiàn)土壤理化因子可以解釋土壤碳含量變化的60.7%～91.9% (圖4),說明土壤理化因子是影響土壤碳含量變化的主要因素,其中0～40 cm 土壤碳含量(SOC、SIC 和TC)主要受土壤全氮和pH 影響,而40～60 cm 主要受土壤pH 和鹽分影響(圖4),這與不同土層土壤因子對亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋的響應(yīng)不同有關(guān)。

3.3 亞表層培肥條件下土壤有機碳、無機碳變化的主要影響因素

長期以來,有機培肥措施一直是增加鹽堿地土壤有機碳的有效途徑[31,34-36]。本研究發(fā)現(xiàn),亞表層培肥措施在有無地膜覆蓋條件下均可以顯著增加土壤SOC 含量,產(chǎn)生這種結(jié)果的原因來自多個方面: 首先,亞表層有機培肥將更多的碳輸入到土壤中,而土壤全氮的增加可以刺激作物和根系生物量的產(chǎn)生,繼而增加植物根系分泌物,有利于SOC 積累[37-40]; 其次,鹽分是影響土壤碳循環(huán)和微生物代謝的主要因素,較高的鹽分含量會分散土壤膠體顆粒并降低土壤團聚體的穩(wěn)定性[41],將有機肥施用于亞表層可以降低土壤中水溶性鹽離子含量,增加陽離子交換量,顯著降低土壤鹽分含量,在一定程度上降低鹽分對SOC 的不利影響[42]; 再者,鹽堿土壤pH 較高,破壞土壤物理性質(zhì)進而影響?zhàn)B分和水分供應(yīng)情況,這些過程都會對土壤碳氮循環(huán)以及有機質(zhì)分解產(chǎn)生不利影響[43]。而亞表層培肥處理(OM 和OM+PM)向鹽堿土壤中釋放了大量氮,促進土壤發(fā)生硝化反應(yīng),更多的H+因此被釋放到土壤中,進而顯著降低0～60 cm pH,降低pH 對土壤碳循環(huán)的不利影響[44]。本研究得到相同結(jié)果(圖4)。而在亞表層培肥條件下,地膜覆蓋降低了0～20 cm 土層SOC 含量,這可能是因為地膜覆蓋下表層土壤礦化造成的CO2損失量高于因土壤根系分泌增加的SOC 積累量導(dǎo)致的,這與前3年的研究結(jié)果一致[42]。

土壤中碳酸鹽的存在對土壤物理、化學(xué)和生物過程都很重要,包括酸度緩沖、團聚體形成和穩(wěn)定、養(yǎng)分循環(huán)、微生物和酶活性以及植物生產(chǎn)力等[8]。Tian 等[35]研究發(fā)現(xiàn)施用有機肥可以增加Ca2+、Mg2+含量進而增加SIC 含量; 同時也有研究發(fā)現(xiàn)施用有機肥可以通過增加作物產(chǎn)量和生物量,生物量的提高一方面導(dǎo)致土壤根和微生物呼吸增加,土壤CO2含量的增加促進了碳酸鹽的形成[14],另一方面增強了蒸散作用,進而增加土壤碳酸鹽沉淀[45]。然而也有研究發(fā)現(xiàn)土壤堿基陽離子對大氣CO2的吸收主要依賴于土壤pH[8],pH 是影響碳酸鹽形成和溶解的直接因素,與SIC 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[10]。Zhang 等[19]研究發(fā)現(xiàn)OM 和OM+PM 處理可以影響土壤鹽分運移狀況,起到促進土壤脫鹽,抑制土壤返鹽的作用。而所有土壤都有緩沖系統(tǒng)來抵抗土壤pH 的降低,當pH＞8.5 時,土壤酸化在很大程度上會被碳酸鈉緩沖,而當pH 在6.5～8.5 之間時,主要由碳酸鹽(以碳酸鈣為主)平衡[10]。因此,土壤pH 的降低會導(dǎo)致SIC 損失。另外,亞表層培肥措施向土壤中輸入了豐富的氮源,土壤全氮含量的增加導(dǎo)致的硝化作用和作物對NH4+的吸收也會增加釋放到土壤中的H+,造成SIC 的損失[19],土壤全氮與SIC 含量的顯著負相關(guān)關(guān)系也支撐了這一原因(圖4)。因此,在本研究中,在有無地膜覆蓋的條件下,亞表層培肥措施都會顯著降低0～40 cm 土層SIC 含量,這可能是因為pH 和全氮對SIC 的影響起到主導(dǎo)作用,并且由于OM+PM較OM 處理對pH 的降低效果更強(表1),因此OM+PM 處理下SIC 損失量更大; 而40～60 cm 土層SIC 并無顯著變化,可能是土壤呼吸增加對土壤碳酸鹽形成作用與pH 對碳酸鹽的酸化作用持平的緣故。

4 結(jié)論

本研究在內(nèi)蒙古典型鹽堿農(nóng)田上開展了連續(xù)6年定位試驗,測定了0～60 cm 剖面土壤碳庫組分含量與理化性質(zhì),分析了亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋措施對土壤全碳、有機碳、無機碳的影響及其主導(dǎo)因素,主要結(jié)論如下:

1)亞表層培肥措施(OM 和OM+PM)顯著提高了土壤TC 與SOC 含量,但降低了SIC 含量,回歸分析結(jié)果進一步表明,與覆膜條件下TC 變化受SIC 顯著影響相比,補充亞表層培肥后,TC 變化則受SOC顯著影響。

2)土壤理化性質(zhì)(土壤水分、鹽分、pH 和全氮)是土壤碳含量的主要影響因素,其中0～40 cm 土層土壤碳含量主要受土壤全氮和pH 影響,而40～60 cm 土層土壤碳含量主要受土壤鹽分和pH 影響。SOC 與全氮極顯著正相關(guān),與鹽分和pH 呈極顯著負相關(guān); SIC 與全氮呈極顯著負相關(guān),與pH 呈極顯著正相關(guān)。

綜上,亞表層有機培肥結(jié)合地膜覆蓋盡管增加了無機碳的損失,但該措施有機碳積累對全碳提升的貢獻更大,從而實現(xiàn)了碳積累。