保護(hù)性耕作下南方旱地土壤碳氮儲量變化

張麗敏，何騰兵，徐明崗，婁翼來，張 佩，王小利

(1. 貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽550025;2. 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;3. 貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所，貴州貴陽550025)

隨著國際社會對農(nóng)業(yè)土壤固定大氣CO2和N2O 的日益關(guān)注，近年來對于農(nóng)業(yè)土壤碳氮儲量的研究報道日漸增多［1－4］。土壤有機碳是土壤有機質(zhì)的一種化學(xué)量度，有機質(zhì)包括許多成分復(fù)雜的混合物，主要是尚未分解或正在分解的動植物殘體、微生物體、根系分泌物、真菌菌絲和分解程度較高的腐殖質(zhì)等［5］，土壤全氮是土壤中有機氮與無機氮的總和。土壤有機碳和氮素不僅是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其儲量的增加在某種意義上亦可緩解大氣CO2和N2O 濃度的升高，從而減輕溫室效應(yīng)［6］。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是“碳、氮匯”還是“碳、氮源”主要取決于土壤碳氮儲量的變化［2］。二十世紀(jì)六十年代開始，保護(hù)性耕作因具有保持水土、降低生產(chǎn)投入、增加土壤肥力和產(chǎn)量等優(yōu)點而在世界許多地區(qū)陸續(xù)實施［1］。大量研究表明，免耕等保護(hù)性耕作措施可以提高表層土壤有機碳、氮的儲量［3－7］。Roldán 等［8］研究表明，5年免耕覆蓋較常規(guī)耕作增加了土壤有機碳氮儲量。胡寧、Luo、Angers 等［9－11］報道，連年保護(hù)性耕作顯著增加了表層土壤(0～15 cm)有機碳及全氮的儲量。

在喀斯特地區(qū)，旋耕作為一種保護(hù)性耕作措施，被廣泛的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。然而，對于該地區(qū)旋耕保護(hù)性措施的土壤固碳效果如何，尚不十分清楚。因此，研究旋耕保護(hù)性措施對貴州旱地土壤碳氮儲量的影響具有重要意義。研究以大方縣旱地黃壤為研究對象，旨在通過4 年的田間定位試驗和室內(nèi)分析，揭示保護(hù)性耕作與傳統(tǒng)耕作土壤碳氮儲量的差異，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤的合理耕作和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點概況

研究地點位于貴州省大方縣羊場鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)示范場(中心位置為:105° 36'E，27° 09'N)，全縣地形地貌以丘陵和山間谷地為主，地勢西高東低，海拔高度在1 200 m～1 500 m 之間，氣候溫和，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，雨量充沛，年降雨量955 mm～1 179 mm，年平均日照數(shù)為1 225 h，年均氣溫13.9 ℃，無霜期265 d左右，全年主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，屬暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候。

1.2 試驗設(shè)計

供試土壤類型為中壤性黃壤，試驗從2009 年開始，連續(xù)實行4 a。供試作物及種植方式為馬鈴薯/玉米套作、輪作。試驗田占地面積0.4 hm2，保護(hù)性耕作(CT)和傳統(tǒng)耕作(對照，CK)各占0.2 hm2;傳統(tǒng)耕作為鏵式犁翻耕(約20 cm 深)，保護(hù)性耕作為旋耕(約8 cm～10 cm 深)。試驗采用隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)333 m2，2 個處理，4 次重復(fù)。所有地塊除耕作方式不同外，其他栽培管理制度和施肥(氮肥和有機肥)模式相同。

1.3 土樣采集和測定分析

從2009 年開始，每年秋收后，所有秸稈不還田，翻犁3 周后采用“S”形多點混合取樣法分別采取0～20 cm 和20 cm～40 cm 土層樣品。土壤有機碳采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定;土壤全氮采用開氏蒸餾法測定;環(huán)刀法測定土壤密度。土壤有機碳儲量采用等深度法計算，其計算公式為:

其中:SOCs——特定深度的土壤有機碳儲量 (t·hm－2);Ci——第i 層土壤的有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg－1);ρi——第i 層土壤密度(t·m－3);Ti——第i 層土壤厚度(cm)。同理計算土壤氮儲量。土壤密度結(jié)果見表1。試驗結(jié)果的方差分析采用SPSS 13.0 軟件進(jìn)行，處理之間p ＜0.05 表示差異性顯著。

表1 不同耕作方式下的土壤密度Tab.1 Soil bulk density under contrasting tillage systems

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)性耕作旱地土壤碳儲量變化

2009 年－2011 年，各個土層以及0～40 cm 土體的土壤有機碳儲量在耕作方式間均無顯著差異，但在試驗的最后一年2012 年，保護(hù)性耕作較傳統(tǒng)耕作相比，0～20 cm、20 cm～40 cm 和0～40 cm 土層有機碳儲量分別顯著增加2.8 t·hm－2、2.7 t·hm－2和5.6 t·hm－2，增幅分別為7.1%、8.5%和7.7%，見圖1?？偟膩碚f，從2009 年－2012 年，隨著試驗?zāi)晗薜难娱L，各土層的土壤有機碳儲量均呈增長趨勢，且以保護(hù)性耕作的增長速度較快。0～20 cm 表層土壤有機碳儲量顯著高于20 cm～40 cm 亞表層土壤。

圖1 不同耕作方式下旱地土壤有機碳儲量Fig.1 Soil organic carbon storage under contrasting tillage regimes

2.2 保護(hù)性耕作旱地土壤氮儲量變化

土壤氮儲量的變化規(guī)律與碳儲量相似，見圖2。對于0～20 cm 土層，試驗初始前3 年不同耕作方式土壤氮儲量無顯著差異，第4 年的保護(hù)性耕作土壤氮儲量比傳統(tǒng)耕作顯著增加7.7%;對于20 cm～40 cm 土層，各年份土壤氮儲量在不同耕作方式間均無顯著差異;較傳統(tǒng)耕作相比，試驗前3 年保護(hù)性耕作0～40 cm土體氮儲量的變化不顯著，但4 年后顯著增加，增幅為6.5%。總的來說，從2009 年－2012 年，隨著試驗?zāi)晗薜难娱L，各土層的土壤氮儲量均呈增長趨勢，且以保護(hù)性耕作的增長速度較快。0～20 cm 表層土壤氮儲量顯著高于20 cm～40 cm 亞表層土壤。

圖2 不同耕作方式下旱地土壤氮儲量Fig.2 Soil nitrogen storage under contrasting tillage systems

2.3 保護(hù)性耕作對旱地土壤碳氮比的影響

不管是保護(hù)性耕作還是傳統(tǒng)耕作，其土壤碳氮比均值都在11.0～11.5 之間，見表2。在各個年份的各個土層，不同耕作措施之間相比較，土壤碳氮比無顯著性差異;對于各耕作方式下的各土層，隨著試驗?zāi)晗薜难娱L，土壤碳氮比均趨于穩(wěn)定;土壤碳氮比在不同土層之間亦無顯著差異。

表2 不同耕作方式下的土壤碳氮比Tab.2 Soil C∶N ratio under contrasting tillage systems

3 討論

土壤有機碳是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的功能物質(zhì)。增加土壤有機碳的儲量，可提高土壤質(zhì)量、改善土壤通透性、減少溫室氣體的排放［12］。研究結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)耕作相比，前3 年0～40 cm 土層保護(hù)性耕作土壤碳儲量與傳統(tǒng)耕作之間無顯著性差異，其原因可能是在整個過程中傳統(tǒng)耕作與保護(hù)性耕作碳投入水平相當(dāng)，所以整體碳儲量沒有明顯差異。但從表1 可知保護(hù)性耕作土壤密度小，有利于有機碳的積累，減少了土壤有機質(zhì)的礦化及淋溶作用，而傳統(tǒng)耕作引起的土壤干濕交替提高了土壤有機碳礦化速率，加快土壤有機質(zhì)的降解，此結(jié)論與前人研究結(jié)論相一致［6，13－14］。在2012 年，各土層保護(hù)性耕作比傳統(tǒng)耕作增長快，并達(dá)顯著差異。究其原因有兩點，一是每年施入大量的有機肥，增加了有機碳的投入量，從而加快了有機碳在土壤中的儲存［15］;二是保護(hù)性耕作耕翻時擾動小，增加了土壤的團聚性，從而增加了團聚體物理保護(hù)碳庫的水平［16－17］。同時，隨著耕作年限的增加其碳儲量呈增長趨勢，但只有保護(hù)性耕作有顯著性差異，這與張明園［18］、劉紅梅［19］近期研究結(jié)果一致。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤碳儲量隨著土層深度的增加而減少，說明碳儲量主要集中在表層，這可能是因為植物殘體富集在表層，增加了碳的含量，與汪娟［7］、梁啟新［20］、康軒［21］和Alvarez R［22］的研究結(jié)果吻合。

氮素是生態(tài)系統(tǒng)中構(gòu)成生命體的重要成分。氮素是農(nóng)作物生長所必需的大量營養(yǎng)元素，其含量豐缺程度是限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要指標(biāo)之一［23］。研究發(fā)現(xiàn)，土壤氮儲量與土壤碳儲量一樣，均呈表層富集的現(xiàn)象，這與大多數(shù)的研究結(jié)果一致［24－25］，說明土壤碳與氮的分布與土壤中動植物殘體分布規(guī)律一致，都主要在土壤上層活動。隨著耕作年限的增加土壤氮儲量呈增長趨勢，說明保護(hù)性耕作能夠增強土壤對氮的固持，提高其氮儲量，這與潘劍玲等［26］的研究成果相吻合。在前3 年，保護(hù)性耕作與傳統(tǒng)耕作的土壤氮儲量無顯著性差異，但在2012 年，除了20 cm～40 cm 土層無差異外，其余均達(dá)到顯著性差異，說明氮含量主要集中在0～20 cm 土層。總體而言，保護(hù)性耕作比傳統(tǒng)耕作氮儲量高，但差異不明顯，這與胡寧［9］、王彩霞［27］等的研究結(jié)果一致。

土壤有機碳與全氮之間有著密切的關(guān)系［23］。全氮含量與土壤有機碳的消長趨勢是一致的，土壤氮素在一定程度上決定了有機碳的含量，而土壤對碳的固持常常受土壤氮水平的制約［20］，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤有機碳與全氮的相關(guān)系數(shù)很高，整體達(dá)到R ＞0.99，與其他研究結(jié)果相一致。土壤碳氮比是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，通常被認(rèn)為是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志［28］。研究結(jié)果顯示，不管是保護(hù)性耕作還是傳統(tǒng)耕作，土壤碳氮比均值都在11.0～11.5 左右，我國的土壤碳氮比在9～13 之間，試驗區(qū)土壤碳氮比在我國土壤碳氮比的正常范圍內(nèi)。說明該區(qū)域土壤碳、氮含量處于正常水平略高?？傮w來講，保護(hù)性耕作比傳統(tǒng)耕作碳氮比高，因為在整個過程中，保護(hù)性耕作碳儲量增加的幅度比氮儲量要快。隨著耕作年限的增加土壤碳氮比略有增加，但不明顯，因為碳儲量在增加的同時，氮儲量也在增加，并且呈正相關(guān)關(guān)系，所以碳氮比基本保持不變。

綜上分析，對于貴州喀斯特地區(qū)的典型旱地而言，較傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作在前3 年短期的固碳效果不明顯，但實施4 年的保護(hù)性旋耕后，土壤碳氮儲量顯著增加，故從長遠(yuǎn)的角度來說，保護(hù)性耕作具有明顯的土壤固碳效應(yīng)。研究中土壤碳氮儲量的計算采用的是傳統(tǒng)的等深度法，該法得出的結(jié)果可能因同深度土壤的質(zhì)量不同而產(chǎn)生一定的偏差，故今后可進(jìn)一步采用等質(zhì)量法對此結(jié)果加以對比評價。此外，貴州是典型的喀斯特地區(qū)，石漠化正在加劇，土壤侵蝕嚴(yán)重，保護(hù)性耕作能夠減弱土壤侵蝕，防止石漠化，而保護(hù)性耕作在該地區(qū)的研究還很少，故今后應(yīng)加強這方面的研究，為貴州土壤可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

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