保护性耕作对土壤微团聚体碳、氮分布的影响

王彩霞,岳西杰,葛玺祖,黄 婷,王 勇,王旭东

(西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100)

随着对土壤肥力实质研究的深入,微团聚体在肥力上的重要作用受到越来越多的关注[1]。土壤微团聚体系指土壤中直径小于0.25 mm的土壤微结构体,是土壤的重要物质基础。微团聚体不仅影响到土壤的通气、保水状况,而且不同大小微团聚体对碳、氮的吸附、保护能力也不同,影响着土壤中碳、氮的转化。因此对土壤微团聚体分布以及微团聚体碳、氮的研究意义深远。Six等[2]研究证实,大团聚体中有机碳比微团聚体的周转快,微团聚体对有机碳的物理保护作用强。陈恩凤等[3-4]研究进一步发现,小粒级和大粒级的微团聚体在提供植物碳、氮、磷素营养方面有着不同的功能;较小的微团聚体有较好的碳、氮、磷素储备能力,而较大粒级的微团聚体中则有机质易矿化,其碳、氮、磷素养分的供应能力强。土地利用方式、耕作制度、施肥等管理措施影响着有机碳在团聚体中的分布[2],且这种变化首先在较大团聚体中表现明显。施用有机肥使0.05～0.25 mm和0.01～0.05 mm粒级有机碳储量明显增加,而＜0.01 mm粒级的有机碳储量则呈现下降趋势[5-6]。不同施肥、土地利用方式等影响到土壤中大小团聚体的分布[5-7]。陈恩凤等[3]提出了土壤特征微团聚比例的概念,即:以＜0.01和＞0.01 mm粒级微团聚体的比例称为特征微团聚体的比例,并认为此比例能综合地反映土壤对于水、肥的保供性能,可以作为评断土壤肥力水平的指标。不少研究表明,施用有机肥等可以增加0.05～0.25以及0.01～0.05 mm粒级的微团聚体含量,减少＜0.01 mm粒级的微团聚体含量,从而使土壤特征微团聚体比例降低[1,5-6]。

关于施肥制度、土地利用方式对土壤微团聚体分布及微团聚体中有机碳、氮含量有不少研究[6-10];在保护性耕作方面,对其技术研究和效益分析方面做了大量工作[11-16]。而有关保护耕作对土壤微团聚体分布及碳、氮含量的影响还鲜见报道。陕西关中平原的农业种植以小麦—玉米轮作为主,随着近几年机械化的推广应用,免耕、旋耕、深松等耕作措施并结合秸秆还田在该地区正在推广应用。与传统耕作(翻耕)比较,保护性耕作对土壤微团聚体及其碳、氮含量的影响还有待深入研究。因此,以关中平原某7年不同耕作定位试验为研究对象,研究了深松、旋耕、免耕等保护性耕作以及传统耕作对土壤微团聚体分布及其碳、氮含量和储量的影响,以期为选择更有利于土壤结构保持和碳、氮积累的合理耕作模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试土壤采自西北农林科技大学农一站不同耕作处理长期定位试验田。该试验始于2002年,属于黄土高原南部旱作区,海拔524.7 m,年平均气温13℃左右,年平均降水量550～650 mm。土壤为在褐土上经过长期耕作施肥发育而形成的土 ,质地粘壤。试验开始(2002年)时,耕层土壤(0—20 cm)的基本性状为:pH 8.17,有机质含量12.5 g/kg,全氮0.89 g/kg,速效磷8.5 mg/kg,速效钾 1 60 mg/kg,CaCO353 g/kg。

试验田种植制度为冬小麦—夏玉米轮作,一年两熟。其中在夏玉米季各小区均采用小麦秸秆留高茬(35 cm)覆盖、硬茬免耕播种玉米的方式;而在冬小麦季对各小区采取裸地深松(30 cm)、秸秆粉碎覆盖+深松、裸地旋耕、秸秆粉碎+旋耕、裸地免耕、秸秆粉碎覆盖+免耕、秸秆粉碎+传统耕作(耕翻+旋耕)和传统耕作8种不同的耕作方式;而且根据深松的频率和深度不同,又将裸地深松处理分为隔2年、隔年和连年深松3个类型,秸秆粉碎覆盖+深松处理分为浅松(20 cm)和深松(30 cm)2个类型。共11个处理(详见表1)。小区面积为666.7 m2(其中南北长33.3 m,东西宽20 m),重复3次。

1.2 测定项目与方法

本试验于2008年10月玉米收获后采耕层(0—20 cm)土样,每个小区按“S”型布点采集15个点进行混合。其中微团聚体的测定采用振荡分散,虹吸法提取定量测定[17],共分3级[6],即0.05～ 0.25 mm、0.01～0.05 mm和＜0.01 mm粒级。土壤原样和微团聚体中有机质、全氮的测定采用常规分析方法[18];土壤质地采用吸管法。

各粒级有机碳(全氮)储量(g/kg)=该粒级有机碳(全氮)含量(g/kg)×该粒级微团聚体组成(%)

贡献率(%)=[某粒级有机碳(全氮)储量/全土有机碳(全氮)含量]×100

表1 土壤耕作试验处理Table 1 The experimental design of the tillages

2 结果分析

2.1 土壤微团聚体分布状况

表2 不同处理下土壤微团聚体质量分数Table 2 Distribution of soil micro-aggregates

2.2 不同耕作对微团聚体有机碳、全氮、C/N的影响

图1 特征微团聚体比例Fig.1 Proportion of characteristic micro-aggregates

2.2.1 对微团聚体有机碳含量的影响 不同处理0—20 cm土层土壤原样的有机碳含量(表3)看出,传统耕作的土壤有机碳含量最低,在玉米秸秆还田的情况下,旋耕、深松、传统耕作和免耕分别比传统耕作(秸秆不还田)增加了20.6%、19.1%、7.41%、6.17%,前两者与传统耕作之间差异达显著水平;玉米秸秆不还田,深松、旋耕和免耕分别比传统耕作增加17.4%、15.4%、4.23%,前两个处理与传统耕作间差异显著。可见,与传统耕作相比,旋耕和深松显著提高耕层土壤有机碳含量,而免耕和秸秆还田+传统耕作对提高土壤耕层有机碳的作用不显著。

3个粒级的微团聚体中,以0.01～0.05 mm粒级的微团聚体的有机碳含量最低,平均为7.70 g/kg,比土壤原样的有机碳低25.2%;而0.05～0.25 mm粒级和＜0.01 mm粒级的微团聚体的有机碳较高,平均分别为11.7 g/kg、10.6 g/kg,比土壤原样分别高13.8%、2.57%。不同耕作处理之间比较发现,对于0.05～0.25 mm的微团聚体,秸秆粉碎+旋耕(处理5)、秸秆覆盖+深松(处理6、处理 7 )、秸秆还田+传统耕作(处理8)以及秸秆覆盖+免耕(处理9)处理分别比传统耕作的有机碳增加了52.9%、50.2%、19.2%、17.5%;裸地深松(处理 1 、处理2、处理3)和裸地旋耕(处理4)也比传统耕作的有机碳分别增加了45.9%、36.6%,而裸地免耕(处理10)比传统耕作降低了2.55%。对于0.01～0.05 mm的微团聚体中的有机碳,秸秆覆盖+深松(处理6、处理7)、秸秆粉碎+旋耕(处理5)、秸秆还田+传统耕作(处理8)分别比传统耕作的有机碳增加了31.6%、19.8%、4.85%;裸地深松(处理 1 、处理 2 、处理3)和裸地旋耕(处理4)也分别比传统耕作的有机碳增加了18.8%、15.8%,而秸秆覆盖+免耕(处理9)和裸地免耕(处理10)分别比传统耕作降低了2.52%、16.9%。对于＜0.01 mm粒级的微团聚体的有机碳,虽然在秸秆还田的条件下深松(处理6、处理7)、免耕(处理9)、传统耕作(处理8)、旋耕(处理5)处理比传统耕作的有机碳有所增加,在秸秆不还田的情况下旋耕(处理4)、免耕(处理10)和深松(处理1、处理2、处理3)比传统耕作有所降低,但增加或降低幅度较小,达不到显著水平。总体看来,与传统耕作相比,旋耕、深松、秸秆还田+传统耕作均提高了较大粒级微团聚体(0.05～0.25 mm和0.01～0.05 mm)中有机碳的含量,而免耕使0.01～ 0.05 mm微团聚体中的有机碳有所降低。

2.2.2 对微团聚体全氮含量的影响 不同耕作处理0—20 cm土层土壤原样的全氮(表3)显示,传统耕作土壤全氮含量最低,秸秆粉碎覆盖+免耕、秸秆粉碎+旋耕、秸秆覆盖深松、秸秆还田+传统耕作分别比传统耕作增加18.1%、18.1%、15.0%、5.58%;裸地深松、裸地旋耕和裸地免耕分别比传统耕作增加16.2%、13.2%、5.88%。可见,在玉米秸秆还田的情况下,免耕、旋耕和深松3种耕作方式均较大幅度地提高了土壤全氮含量;在玉米秸秆不还田的情况下,深松也大幅度地提高了土壤全氮的含量。在3个粒级的微团聚体中,以0.01～0.05 mm粒级的微团聚体的全氮含量最低(平均为0.967 g/kg),比土壤原样的全氮低22.9%;0.05～0.25 mm粒级的微团聚体全氮含量平均为1.24 g/kg,比土壤原样的全氮低1.09%;＜0.01 mm粒级的微团聚体的全氮最高,平均为1.47 g/kg,比土壤原样的高17.7%。

不同耕作措施对土壤全氮的影响和其对有机碳的影响趋势较一致。总体看来,与传统耕作相比,旋耕、深松、秸秆还田+传统耕作均提高较大粒级微团聚体中(0.05～ 0.25 mm和 0.01～0.05 mm)全氮含量,对较小粒级微团聚体(＜0.01 mm)中的全氮含量影响较小。裸地免耕处理使各粒级微团聚体中全氮含量略有降低,而秸秆粉碎+免耕处理使各粒级微团聚体全氮含量有所增加,但达不到显著水平。

2.2.3 保护性耕作对微团聚体C/N比的影响 不同处理土壤原样的C/N比平均为8.21,在3个粒级的团聚体中,0.05～0.25 mm粒级微团聚体的C/N比土壤原样增加了14.7%;0.01～0.05 mm和＜0.01 mm粒级微团聚体的C/N比土壤原样分别减少了2.95%、12.5%。说明随着微团聚体的粒径增大,C/N升高。与传统耕作相比,深松、旋耕、免耕、秸秆还田+传统耕作均改变了C/N在各粒级微团聚体中的分配情况,能够使相对较大的团聚体(0.05～0.25mm)中C/N比提高,而降低了＜0.01 mm粒级的微团聚体中的C/N。无论玉米秸秆是否还田,0.05～0.25 mm粒级中C/N大小顺序为旋耕＞深松＞免耕≈传统耕作。化党领等[19]研究认为,在一定范围内,C/N越高,可提供给微生物的能源越多,从而可增强土壤微生物的活性。

表3 土壤微团聚体碳、氮含量Table 3 The contents of organic carbon and total N in soil and micro-aggregates

2.3 保护性耕作对微团聚体碳、氮储量及贡献率的影响

2.3.1 对微团聚体有机碳储量及贡献率的影响不同耕作处理中虽然0.01～0.05 mm粒级微团聚体中的有机碳含量最低,但其所占比例却最高,由此计算的总有机碳储量在0.01～0.05 mm粒级微团聚体中最大(平均为3.83 g/kg);0.05～0.25 mm粒级微团聚体的有机碳储量次之(平均为3.15 g/kg),＜0.01 mm粒级微团聚体的有机碳储量最小(平均为2.44 g/kg)。在0.05～ 0.25 mm、0.01～0.05 mm 和＜0.01 mm 3个粒级中,有机碳的平均贡献率分别为 30.5%、37.1%、23.8%,说明 0.01～ 0.05 mm 是土壤总有机碳储备的主体(表4)。不同耕作处理间比较发现,深松、旋耕处理均明显提高了0.05～0.25 mm和0.01～0.05 mm粒级微团聚体中有机碳的储量,分别比传统耕作的增加了 29.3%、31.9%和25.9%、12.9%;而免耕处理对提高各粒级微团聚体中有机碳储量的作用不大。说明深松和旋耕有利于土壤各粒级微团聚体中有机碳储量的增加,而免耕处理作用不很明显。

2.3.2 对微团聚体全氮储量及贡献率的影响 表4还看出,不同粒级微团聚体中全氮的储量也是0.01～0.05 mm粒级微团聚体最多(平均为0.483 g/kg);0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm和＜0.01mm 3个粒级团聚体的全氮平均贡献率分别为26.6%、38.6%、27.2%,说明0.01～0.05 mm团聚体是土壤全氮储备的主体。与传统耕作相比,裸地深松的处理(处理1、处理2和处理3)能够有效地提高全氮在0.01～0.05 mm粒级微团聚体中的储量,比传统耕作平均增加了38.2%;而免耕处理(处理9、处理10)降低了0.01～ 0.05 mm以及0.05～0.25 mm粒级微团聚体中的全氮储量,比传统耕作分别降低了4.39%和3.86%。秸秆覆盖旋耕(处理5)和秸秆覆盖深松(处理6,处理7)处理能够使各粒级微团聚体中的全氮储量有所增加。

2.4 团聚体之间碳、氮的相关分析

相关分析(表5)表明,原土的总有机碳与0.25～0.05 mm粒级、0.01～0.05 mm粒级的总有机碳极显著相关,与＜0.01mm粒级的总有机碳不相关;原土的全氮除与原土的总有机碳极显著相关外,与0.05～0.25 mm粒级微团聚体总有机碳和全氮之间均显著相关,而与0.01～0.05 mm和＜0.01 mm粒级微团聚体碳、氮之间均无相关关系。0.01～0.05 mm粒级微团聚体的碳、氮与0.25～0.05 mm粒级微团聚体的碳、氮之间显著正相关,而＜0.01 mm粒级微团聚体的碳、氮与0.01～0.05 mm、0.25～0.05mm粒级微团聚体的碳、氮之间均无相关关系。

表4 微团聚体碳、氮储量Table 4 The storage of organic carbon and total N in the micro-aggregates

表5 微团聚体碳、氮含量之间的相关系数Table 5 Correlation coefficients between the contents of organic carbon and total N in the micro-aggregates

3 讨论

保护性耕作对土壤有机碳的影响已有不少研究[20]。Muhammad和 Rattan[21]研究认为,土壤团聚体和全土中的有机碳,全氮含量在免耕处理中都显著高于传统耕作,且免耕对土壤碳、氮的分布产生分层现象,使碳、氮主要集中在0—10 cm土层,而传统耕作使土壤碳、氮在0—30 cm均匀分布。李琳等[22]认为,在0—30 cm土层总有机碳含量大小顺序为:旋耕秸秆还田＞免耕秸秆还田＞翻耕秸秆还田,但免耕和翻耕差异显著;而且提出了不同耕作措施对土壤有机碳活性影响的差异,即:在秸秆还田情况下,翻耕主要通过提高活性碳含量来提高土壤总有机碳,免耕则主要通过提高土壤稳定态碳含量来提高土壤有机碳,而旋耕既能提高活性碳含量,又能提高稳态碳含量。张洁等[23]的研究表明,在秸秆高留茬的情况下,土壤耕层(0—20 cm)有机碳含量表现出深松＞免耕的趋势。可见,不同耕作措施一方面对土壤有机碳影响的机理不同;另一方面,不同生态环境条件下所得结论不完全一致。本研究结果表明,在关中平原的土 上,与传统耕作比较,旋耕、深松方式提高了土壤有机碳和全氮的储量,免耕的增加效果不显著。

从不同耕作措施土壤微团聚体中碳、氮含量来考虑,旋耕、深松是比较理想的耕作方式,免耕不适合于该地区,这与当地土壤比较粘重有关。土属于粘壤质地,长期免耕会导致土壤通气不良,微生物活动降低,从而使土壤中植物残体向腐殖物质转化慢,不利于有机-矿质复合体和团聚体的形成。Alvarez等[24]的研究结果也同样认为,在质地粘重排水不良的土壤上实施免耕并不能明显增加SOC的含量。另外,免耕处理使作物的残体主要残存于土壤表面,土壤与秸秆残体难以有效融合,不利于微团聚体中碳、氮的改善和提高。因此,免耕几年后需要进行一次深松或旋耕,尤其是对于土壤质地较粘重的土壤。何进等[25]提出,4年免耕覆盖加上1年深松的耕作方式可以降低土壤容重、改善土壤结构和节约成本。在中国北方实施保护性耕作时,深松效应可以持续4年以上[25],不需年年深松。赵海涛等[11]认为,每2～4年深松1次、深度为 3 0 cm 左右有利于作物根系发育。本研究也看出,隔两年深松比连年深松处理更有利于有机碳和全氮的积累。

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