張賽,王龍昌,杜娟,趙琳璐,陳嬌,石超,黃召存,熊瑛,賈會(huì)娟
(西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院,三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心,重慶 400716)
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西南“旱三熟”區(qū)不同作物和秸稈覆蓋對(duì)土壤團(tuán)聚體及固碳潛力的影響
張賽,王龍昌*,杜娟,趙琳璐,陳嬌,石超,黃召存,熊瑛,賈會(huì)娟
(西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院,三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心,重慶 400716)
摘要:為了探討西南“旱三熟”(小麥/玉米/大豆)套作種植模式下農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的分布特征及有機(jī)碳含量變化情況,進(jìn)而估算該模式下的土壤固碳潛力,在重慶北碚西南大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)耕作(traditional tillage,T)和傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋(traditional tillage+straw mulching,TS)2種處理下的土壤團(tuán)聚體進(jìn)行篩分和測(cè)定。結(jié)果表明,3種作物種植下的>2 mm粒徑與2~0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量此消彼長(zhǎng),存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.985,P<0.05)。土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)不同作物的響應(yīng)不同,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>0.25 mm粒徑)含量在小麥和大豆種植后高達(dá)90%左右,玉米種植后約為80%,說(shuō)明種植玉米有利于土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的形成。2~0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最高,而水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的兩個(gè)粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相差不大,有機(jī)碳含量在團(tuán)聚體中的分布規(guī)律不受種植作物和耕作方式的影響。秸稈覆蓋顯著提高了0~5 cm和5~10 cm土層的本土及各個(gè)粒徑中的有機(jī)碳含量,且5~10 cm土層團(tuán)聚體有機(jī)碳受秸稈覆蓋的影響較大。通過(guò)估算固碳潛力發(fā)現(xiàn),玉米條帶的土壤固碳潛力顯著大于小麥-大豆條帶,在耕作處理保持一致的情況下,土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量對(duì)農(nóng)作物的響應(yīng)不同。因此,在西南“旱三熟”地區(qū),農(nóng)田土壤團(tuán)聚體分布特征和不同粒徑有機(jī)碳含量受到耕作措施和種植作物的雙重影響,土壤固碳潛力主要由水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的固碳能力決定,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體更易受到耕作措施和種植作物的影響,在實(shí)踐中通過(guò)秸稈還田提高土壤固碳外,合理安排農(nóng)作物也有助于提高土壤的固碳能力。
關(guān)鍵詞:“旱三熟”; 秸稈覆蓋;土壤團(tuán)聚體;土壤有機(jī)碳;固碳潛力
小麥(Triticumaestivum)/玉米(Zeamays)/大豆(Glycinemax)套作模式作為中國(guó)南方近幾年發(fā)展的一種旱地新型高效多熟套作模式,有效實(shí)現(xiàn)了土地的用養(yǎng)結(jié)合和養(yǎng)分互補(bǔ)[1],但對(duì)于該模式下土壤團(tuán)聚體特征研究較少。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,是土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的場(chǎng)所,其數(shù)量和質(zhì)量直接影響土壤肥力和質(zhì)量[2]。生物及其有機(jī)體有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成,同時(shí)土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳的變化也有較大的調(diào)控作用[3]。在全球氣候變化的背景下,開(kāi)展不同種植模式下的土壤固碳減排的相關(guān)研究顯得越來(lái)越重要,因?yàn)楸硗林袑⒔?0%的土壤有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)[4],主要發(fā)生在土壤表層的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)時(shí)刻刻影響著土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的形成和轉(zhuǎn)化。土壤團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳平衡和礦化速率的微觀表現(xiàn),在土壤肥力和土壤碳匯中具有雙重意義[5],對(duì)保障糧食安全和減緩溫室效應(yīng)帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外土壤研究者對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成機(jī)制、影響因素及其與農(nóng)業(yè)管理措施之間的關(guān)系做了大量研究[6-7]。有研究表明作物類型和根系屬性在不同程度上影響土壤團(tuán)聚體的形成[8-9]。近20年,有關(guān)土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳之間的相互關(guān)系的研究不斷加強(qiáng)[10]。土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)導(dǎo)致的生物與有機(jī)碳空間隔離是土壤有機(jī)碳的主要穩(wěn)定機(jī)制之一,不同粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量不同并且存在不同的碳飽和值[11]。在西南旱三熟地區(qū)不同作物是如何影響土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量,從而影響土壤有機(jī)碳含量?本研究以西南紫色土丘陵區(qū)小麥/玉米/大豆三熟復(fù)種輪作模式為研究對(duì)象,從作物類型和耕作措施2個(gè)角度分析團(tuán)聚體的組成結(jié)構(gòu)、分布特征及有機(jī)碳含量,探討不同作物在傳統(tǒng)耕作與秸稈覆蓋下對(duì)旱作農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的影響,估算本土(未分級(jí))和各粒徑團(tuán)聚體土壤的固碳潛力,為該模式下土壤固碳減排提供理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)區(qū)概況
試驗(yàn)地位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng),29°51′ N,106°27′ E,海拔244 m,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年均太陽(yáng)總輻射量87108 kJ/cm2,年均總?cè)照諘r(shí)數(shù)1276.7 h,多年平均氣溫18℃,≥10℃年積溫5979.5℃,夏季最高氣溫達(dá)40℃左右,無(wú)霜期達(dá)359 d,多年平均降雨量1133.7 mm,春、夏、秋、冬降雨量分別為全年的25%,41%,28%,6%,年蒸發(fā)量1181.1 mm,伏旱發(fā)生頻率達(dá)93%。試驗(yàn)地土壤為旱地紫色土,坡度較緩,地力相對(duì)均勻。試驗(yàn)前按五點(diǎn)法取0~20 cm土層土樣進(jìn)行土壤基本理化性質(zhì)分析,其中土壤容重1.21 g/cm3,pH值為6.47,土壤有機(jī)質(zhì)28.00 g/kg,全氮1.68 g/kg,全磷1.46 g/kg,全鉀34.54 g/kg,速效磷18.13 mg/kg,速效鉀270.23 mg/kg,堿解氮35.23 mg/kg。試驗(yàn)地于2007年開(kāi)始進(jìn)行保護(hù)性耕作研究,每年的耕作處理保持一致,但作物套作模式不同,最初的3年分別采用“小麥/玉米/紅薯(Pachyrhizuserosus)”、“馬鈴薯(Solanumtuberosum)/玉米/甘薯(Dioscoreaesculenta)”套作模式,從2010年開(kāi)始采用“小麥/玉米/大豆”套作模式。
1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理,傳統(tǒng)耕作(traditional tillage,T)和傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋(traditional tillage+straw mulching,TS)。TS具體操作為在傳統(tǒng)耕作下分別于小麥和玉米收獲后將其秸稈人工截成10 cm左右,整個(gè)試驗(yàn)期均勻覆蓋于小區(qū)內(nèi),每小區(qū)覆蓋秸稈42.7 kg(折合24000 kg/hm2)。每個(gè)小區(qū)的面積為8.0 m×3.6 m,均分四廂,每廂兩個(gè)條帶。田間管理措施同常規(guī)。供試作物小麥為糯麥一號(hào),播種量90 kg/hm2,玉米為西單一號(hào),移栽密度88933 株/hm2,大豆為渝豆一號(hào),播種量115 kg/hm2。小麥采取撬窩點(diǎn)播,每條帶3行,每行17窩,各處理均施過(guò)磷酸鈣390 kg/hm2(含P2O514%)、尿素152 kg/hm2(含N 46.67%,全文同),作為基肥在播種的同時(shí)施入。玉米生育期各處理均施復(fù)合肥148 kg/hm2(含N 30%、P2O55%、K2O 5%,全文同),尿素74 kg/hm2,作為基肥在移栽玉米時(shí)施入。玉米采用育苗移栽,每條帶兩行,每行8窩,每窩2株,總計(jì)每小區(qū)128株。大豆實(shí)行撬窩點(diǎn)播,每條帶3行,每行12窩,各處理均施復(fù)合肥300 kg/hm2。
“小麥/玉米/大豆”三熟復(fù)種輪作模式周期為1年:小麥11月中旬種植,5月中旬收獲;玉米3月下旬育苗4月初移栽,8月初收獲;大豆5月中旬種植,10月下旬收獲。其中大豆播種在原先種植小麥的條帶,該條帶被命名為小麥-大豆條帶,簡(jiǎn)稱w-s條帶。種植玉米的條帶在玉米移栽前和收獲后均空閑,被命名為空地-玉米-空地條帶,簡(jiǎn)稱k-c-k條帶。本研究先按照小麥、玉米、大豆3種作物分析土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳含量對(duì)不同作物的響應(yīng),再?gòu)恼w上以w-s條帶和k-c-k條帶分析傳統(tǒng)耕作和傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋不同耕作方式下土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳的年際變化量并估算土壤固碳潛力。試驗(yàn)時(shí)間為2012-04-04到2013-04-25。
1.3樣品采集
按照五點(diǎn)法(即先確定對(duì)角線的中點(diǎn)為中心取樣點(diǎn),再在對(duì)角線上選擇4個(gè)與中心點(diǎn)距離相等的點(diǎn)作為樣點(diǎn))分別于小麥、玉米和大豆播種前和收獲后采集不同作物種植條帶0~5 cm、5~10 cm土層的土壤樣品,試驗(yàn)結(jié)束后按照五點(diǎn)法采集0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm土層的土壤樣品,重復(fù)3次,總共81個(gè)土樣。在采集和運(yùn)輸過(guò)程中盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng),以免破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后按照自然裂痕輕輕掰成10~12 mm直徑的小樣塊,混勻,風(fēng)干,室溫下保存。
1.4指標(biāo)測(cè)定
團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法[12]。稱取100 g風(fēng)干土樣置于鋁盒中,從邊緣緩緩加入10 mL去離子水后放在4℃冰箱中平衡過(guò)夜。將回濕后的土樣在去離子水中浸泡5 min,然后置于2,0.25和0.053 mm的套篩上,在水中手動(dòng)振蕩2 min,幅度3 cm,振動(dòng)過(guò)程中保證最頂部的篩子不能露出水面。振蕩后將留在各級(jí)篩子上的土壤無(wú)損的洗入鋁盒,60℃下烘干后稱重。其中>0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體,<0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體為水穩(wěn)性微團(tuán)聚體[13]。大團(tuán)聚體結(jié)合態(tài)是相對(duì)不穩(wěn)定的活性碳組分,而微團(tuán)聚體屬于形成年代較老,性質(zhì)較穩(wěn)定的惰性碳組分[14]。土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)、土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)的計(jì)算詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10]。
將分級(jí)后的土樣按不同粒徑粉碎后過(guò)0.25 mm篩子,未分級(jí)的本土樣按照四分法粉碎過(guò)0.25 mm篩,用島津TOC分析儀測(cè)定本土和不同粒徑土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量,后者乘以各自所占土壤百分比得出各團(tuán)聚體碳含量。經(jīng)測(cè)定本試驗(yàn)地的土壤pH值低于6.5,偏酸性,無(wú)機(jī)碳含量忽略不計(jì),全碳即為有機(jī)碳含量。
1.5數(shù)據(jù)分析
所有數(shù)據(jù)處理均在SPSS 13.0和Excel 2003中進(jìn)行。
土壤固碳量估算公式[15]:土壤碳密度DSOC=SOC×BD×H×10
式中,DSOC為土壤碳密度(t C/hm2);SOC為土壤有機(jī)碳含量(g C/kg);BD為耕層土壤容重(g/cm3);H為土層深度,取20 cm。
土壤固碳潛力=土壤碳庫(kù)的飽和水平-土壤碳密度
土壤碳庫(kù)的飽和水平采用王成己等[16]、鄭聚鋒等[17]的估算方法,即在現(xiàn)有的農(nóng)田管理及耕作措施下土壤當(dāng)前有機(jī)碳水平與秸稈還田的保護(hù)性耕作下有機(jī)碳的平均值的差距,認(rèn)定是農(nóng)田土壤固碳的理論飽和限。
團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為各粒徑土壤質(zhì)量占總土壤質(zhì)量的百分比。
有機(jī)碳貢獻(xiàn)=各粒徑土壤有機(jī)碳含量×相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/本土有機(jī)碳含量[6,18]
團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率=(年末團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)-年初團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù))/年初團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)
土壤有機(jī)碳含量變化率=(年末土壤有機(jī)碳含量-年初土壤有機(jī)碳含量)/年初土壤有機(jī)碳含量
2結(jié)果與分析
2.1不同作物和秸稈覆蓋對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳含量的影響
2.1.1不同作物和秸稈覆蓋對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響從團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)看,小麥、玉米和大豆種植后土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化(圖1)。其中作為C3作物的小麥和大豆種植帶差異不大,在0~5 cm和5~10 cm土層表現(xiàn)出一致的規(guī)律:>2 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%以上,2~0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于20%,其余粒徑下的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%以下。而玉米縮小了各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分比的差距,從大到小粒徑(>2 mm、2~0.25 mm、0.25~0.053 mm和<0.053 mm)的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為58.09%,24.62%,8.63%和8.67%。水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>0.25 mm粒徑)含量在小麥和大豆種植后高達(dá)90%左右,玉米種植后約為80%。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量達(dá)到了顯著水平(P<0.05),大小排序依次為小麥、大豆和玉米;小麥和大豆種植帶的土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量差異不顯著,且顯著地低于玉米種植帶,因此種植玉米有利于土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的形成。>2 mm粒徑團(tuán)聚體含量因傳統(tǒng)耕作和秸稈覆蓋不同處理而異,在小麥和大豆條帶秸稈覆蓋減少了>2 mm粒徑的團(tuán)聚體含量。說(shuō)明耕作處理對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響還受到作物的影響。通過(guò)相關(guān)分析, >2 mm粒徑與2~0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體含量此消彼長(zhǎng),存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.991,P<0.05),從圖2可以看出3種作物的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體之間呈線性函數(shù)關(guān)系。
圖1 土壤團(tuán)聚體不同粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)農(nóng)作物和耕作措施的響應(yīng)Fig.1 Response of soil aggregate mass fraction in different particle size of crops and tillage measures 不同字母表示作物間差異顯著(P<0.05)。The different lowercase letters mean significant difference among crops (P<0.05).
2.1.2不同作物和秸稈覆蓋對(duì)土壤團(tuán)聚體碳含量的影響從團(tuán)聚體有機(jī)碳含量角度分析,秸稈覆蓋顯著提高了土壤0~5 cm和5~10 cm土層的土壤本土及各個(gè)粒徑中的有機(jī)碳含量(表1)。土壤本土和不同粒徑有機(jī)碳表現(xiàn)一致的土壤表聚現(xiàn)象,0~5 cm土層中的有機(jī)碳含量均高于5~10 cm土層。在2個(gè)處理下本土有機(jī)碳含量在0~5 cm土層達(dá)到了顯著性差異(P<0.05),大小排序依次為玉米、小麥和大豆,而在5~10 cm土層秸稈覆蓋處理仍然呈現(xiàn)類似的規(guī)律,傳統(tǒng)耕作處理下3種作物種植帶土壤本土有機(jī)碳含量差異不顯著。團(tuán)聚體分級(jí)后各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量大小排序依然為玉米、小麥和大豆。因>2 mm粒徑的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,故本土有機(jī)碳含量與>2 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量接近,該粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳貢獻(xiàn)最大。2~0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最高,而水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的兩個(gè)粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相差不大。說(shuō)明有機(jī)碳含量在團(tuán)聚體中的分布規(guī)律不受種植作物和耕作方式的影響。玉米帶土壤有機(jī)碳含量和不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著高于小麥帶和大豆帶,這可能跟玉米根系生物量較大有關(guān)。
圖2 >2 mm與2~0.25 mm土壤團(tuán)聚體粒徑含量的關(guān)系Fig.2 Relationship of the content of soil water-stableaggregates in >2 mm and 2-0.25 mm
表1 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量對(duì)農(nóng)作物和耕作措施的響應(yīng)
注:同列不同字母表示作物間差異顯著(P<0.05)。
Note: The different lowercase letters in same column mean significant difference among crops (P<0.05).
綜上分析,土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與碳含量分別受到了作物類型、耕作措施和土層的多重影響,表2列出了三因素方差分析的結(jié)果。從中不難看出,作物類型對(duì)土壤團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑以及本土和各粒徑團(tuán)聚體碳含量的影響均達(dá)到了顯著水平,除了GMD外耕作措施對(duì)其余指標(biāo)的影響也達(dá)到了顯著水平,土層對(duì)>2 mm的大團(tuán)聚體和<0.053 mm的小團(tuán)聚體的影響不顯著。>2 mm的大團(tuán)聚體不受3個(gè)因素的交互影響,只受到作物類型和耕作措施的單方面影響。說(shuō)明不同作物和秸稈覆蓋同時(shí)影響了土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和碳含量,而兩個(gè)因素的交互作用對(duì)>2 mm的團(tuán)聚體沒(méi)有影響。
本研究中傳統(tǒng)耕作下本土有機(jī)碳變化量(y)與2~0.25 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳變化量(x)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,r=0.982,P<0.05。曲線擬合表現(xiàn)為線性關(guān)系,方程式為y=0.865x-1.162(R2=0.964,P<0.05,n=8),說(shuō)明了在目前的種植模式下傳統(tǒng)耕作中的土壤有機(jī)碳還有很大的增長(zhǎng)潛力,其團(tuán)聚體有機(jī)碳暫時(shí)不受本土有機(jī)碳含量的增長(zhǎng)限制。但是在秸稈覆蓋處理下二者表現(xiàn)為拋物線函數(shù)關(guān)系(y=-1.979x2+1.259x+1.605,R2=1.000,P<0.01,n=8)。
2.2不同作物和秸稈覆蓋對(duì)土壤團(tuán)聚體年際變化的影響
2.2.1土壤團(tuán)聚體分布特征經(jīng)過(guò)一年的不同耕作方式處理后,w-s條帶和k-c-k條帶土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的變化見(jiàn)圖3。在w-s條帶(圖3A),>2 mm粒徑團(tuán)聚體含量增加,其他粒徑團(tuán)聚體均減少,且增減幅度只在0~5 cm土層表現(xiàn)一致性,不同處理的影響不顯著。在k-c-k條帶(圖3B),秸稈覆蓋顯著增加了0~5 cm土層>2 mm粒徑團(tuán)聚體,但是表層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體卻減少。在5~10 cm土層,秸稈覆蓋增加了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量。
表2 作物類型、耕作措施和土層對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及碳含量的三因素方差分析
C:作物類型 Crops;T:耕作措施Treatments;S:土層Soil layer.
圖3 土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率Fig.3 Change rate of soil aggregate mass fractionA:小麥-大豆條帶(w-s條帶) Wheat-soybean belt,B:空地-玉米-空地條帶(k-c-k條帶) Bare space-corn-bare space belt.下同 The same below.
2.2.2土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化土壤本土和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的變化見(jiàn)圖4。在w-s條帶(圖4A),本土有機(jī)碳含量的變化率均為正值,說(shuō)明傳統(tǒng)耕作和秸稈覆蓋有助于本土有機(jī)碳含量的增加。與對(duì)照相比,秸稈覆蓋顯著增加了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量,且增加了各土層本土及不同粒徑的土壤有機(jī)碳含量,對(duì)5~10 cm土層有機(jī)碳增加幅度略大。表明5~10 cm土層團(tuán)聚體有機(jī)碳受秸稈覆蓋的影響較大。在k-c-k條帶(圖4B),與w-s條帶相似,秸稈覆蓋亦有助于增加水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。但是本土有機(jī)碳含量?jī)H在秸稈覆蓋的0~5 cm土層增加,其余均減少。與對(duì)照相比,秸稈覆蓋可以減輕土壤本土有機(jī)碳和不同粒徑有機(jī)碳含量降低的趨勢(shì)。結(jié)果表明在耕作處理保持一致的情況下,土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳變化對(duì)農(nóng)作物的響應(yīng)不同。
傳統(tǒng)耕作方式下土壤有機(jī)碳含量發(fā)生了較大幅度的變化(不同條帶趨勢(shì)相反),土壤有機(jī)碳含量增加是因?yàn)榇藭r(shí)土壤有機(jī)碳未達(dá)到飽和狀態(tài),而傳統(tǒng)耕作方式之所以增加了土壤有機(jī)碳,是因?yàn)樽魑锸斋@后殘留的根系等有機(jī)質(zhì)增加了土壤中碳的輸入,土壤有機(jī)碳表現(xiàn)出較明顯的增長(zhǎng),特別是5~10 cm土層,增加了10%左右,正是5~10 cm處的作物根系量最多導(dǎo)致;秸稈覆蓋下土壤有機(jī)碳含量年初的基數(shù)較高,其變化幅度沒(méi)有傳統(tǒng)耕作下的明顯。傳統(tǒng)耕作方式下小麥-大豆條帶和玉米條帶土壤有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)相反,可能是因?yàn)樵陂L(zhǎng)期的不同作物種植下,不同條帶的土壤固碳現(xiàn)狀和固碳潛力不一致,小麥-大豆條帶每年耕作2次,玉米條帶只耕作1次,玉米條帶因?yàn)檩^少的耕作可能更早地表現(xiàn)出土壤碳飽和。
圖4 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化率Fig.4 Change rate of soil aggregate organic carbon content
2.3不同作物和秸稈覆蓋對(duì)土壤團(tuán)聚體碳飽和值的影響
圖5 土壤本土及不同粒徑團(tuán)聚體的固碳潛力Fig.5 The potential of soil carbon sequestration of initialsoil and aggregates with different particle sizes
假設(shè)秸稈還田的保護(hù)性耕作是固定和穩(wěn)定農(nóng)田土壤有機(jī)碳的最優(yōu)方式[19],初步估算農(nóng)田土壤固碳的理論飽和限值,即秸稈覆蓋與傳統(tǒng)耕作下有機(jī)碳儲(chǔ)量的差值。從圖5中可以看出k-c-k條帶的土壤固碳潛力顯著大于w-s條帶,w-s條帶中本土有機(jī)碳儲(chǔ)量在2631.27 t C/hm2的現(xiàn)有基礎(chǔ)上還有341.96 t C/hm2的增加空間,而k-c-k條帶中本土有機(jī)碳固碳現(xiàn)狀為2427.37 t C/hm2,固碳潛力高達(dá)852.98 t C/hm2。結(jié)果表明通過(guò)秸稈還田提高土壤固碳潛力外,合理安排農(nóng)作物也有助于提高土壤的固碳能力。土壤固碳潛力主要由水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的固碳能力決定,圖5顯示,>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量還有大約一倍的上升空間,因此水穩(wěn)性大團(tuán)聚體更易受到耕作措施和種植作物的影響,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的有機(jī)碳活性較大,更新周期較短。
3討論
3.1土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響因素
以往研究表明,保護(hù)性耕作措施有利于恢復(fù)土壤表層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,增加水穩(wěn)性大團(tuán)聚體及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,改善土壤結(jié)構(gòu)[19],頻繁的耕作使大團(tuán)聚體的下降最為明顯[20]。最近有研究認(rèn)為單獨(dú)的耕作和不足量秸稈殘留不會(huì)影響土壤有機(jī)碳含量,少耕亦沒(méi)有提高土壤團(tuán)聚體碳的物理保護(hù)能力[21]。本研究中耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響顯著,秸稈覆蓋顯著增加了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量,且增加了各土層本土及不同粒徑的土壤有機(jī)碳含量,其中5~10 cm土層團(tuán)聚體有機(jī)碳受秸稈覆蓋的影響較大,說(shuō)明足量的秸稈覆蓋在保護(hù)性耕作中是有利于土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加的。
水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量在3種作物中的大小排序依次為小麥、大豆和玉米;小麥和大豆種植帶的土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量顯著地低于玉米種植帶,所以說(shuō)種植玉米有利于土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的形成。這跟以往的研究結(jié)論一致,作物類型和根系屬性在不同程度上影響土壤團(tuán)聚體的形成[8-9,22],不同作物根系分泌物組成和根際微生物的種類不同導(dǎo)致其對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的效果不同[23]。
根據(jù)團(tuán)聚體胚胎發(fā)育模型,將團(tuán)聚體分為兩個(gè)等級(jí),其中>0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體,<0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體為水穩(wěn)性微團(tuán)聚體。大團(tuán)聚體結(jié)合態(tài)是相對(duì)不穩(wěn)定的活性碳組分,而微團(tuán)聚體屬于形成年代較老,性質(zhì)較穩(wěn)定的惰性碳組分。本研究初步分析表明,在西南紫色土丘陵地區(qū)小麥、玉米和大豆對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定的影響不同,種植玉米增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體碳的穩(wěn)定性。而在土壤團(tuán)聚體年際變化分析中,秸稈覆蓋增加了玉米條帶在5~10 cm土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量,大團(tuán)聚體是形成微團(tuán)聚體的前提,說(shuō)明秸稈覆蓋措施有助于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
3.2土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的影響
研究認(rèn)為有機(jī)碳的團(tuán)聚體物理保護(hù)在有機(jī)碳積累中有重要的意義[24],團(tuán)聚體保護(hù)能力或容量是土壤固碳的自然潛力的物理基礎(chǔ)[25]。免耕相比傳統(tǒng)耕作來(lái)說(shuō)增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)碳含量[26],且免耕與高輸入的作物種植系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)更有利于土壤固碳,前者降低了土壤有機(jī)碳的礦化作用,后者主要從土壤碳的輸入角度提高了土壤碳含量[27]。本研究中玉米種植帶比小麥-大豆種植帶具有更高的輸入,玉米帶土壤碳明顯高于小麥-大豆帶。有學(xué)者在對(duì)水稻土的研究中發(fā)現(xiàn)新碳主要分配在2~0.2 mm粗團(tuán)聚體中,且團(tuán)聚體的保護(hù)作用存在飽和限,團(tuán)聚體保護(hù)的碳不會(huì)隨著本土碳含量的增加而持續(xù)增加[28]。本研究中傳統(tǒng)耕作下本土有機(jī)碳變化量與2~0.25 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳變化量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,曲線擬合表現(xiàn)為線性關(guān)系,說(shuō)明了在目前的種植模式下傳統(tǒng)耕作中的土壤有機(jī)碳還有很大的增長(zhǎng)潛力,其團(tuán)聚體有機(jī)碳暫時(shí)不受本土有機(jī)碳含量的增長(zhǎng)限制。但是在秸稈覆蓋處理下二者表現(xiàn)為拋物線函數(shù)關(guān)系,進(jìn)一步驗(yàn)證了團(tuán)聚體碳含量存在理論飽和限值。
4結(jié)論
在西南“旱三熟”種植模式下,不同農(nóng)作物對(duì)土壤團(tuán)聚體的分布特征影響不同,小麥、大豆種植帶的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量達(dá)90%以上,而玉米帶只有80%,且玉米種植帶的土壤不同粒徑團(tuán)聚體含量差距明顯小于小麥和大豆種植帶,說(shuō)明種植玉米有利于土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的形成,進(jìn)而促進(jìn)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。2~0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最高,而水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的兩個(gè)粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相差不大,有機(jī)碳含量在團(tuán)聚體中的分布規(guī)律不受種植作物和耕作方式的影響。秸稈覆蓋顯著提高了0~5 cm和5~10 cm土層的本土及各個(gè)粒徑中的有機(jī)碳含量,且5~10 cm土層團(tuán)聚體有機(jī)碳受秸稈覆蓋的影響較大。土壤固碳潛力的估算結(jié)果表明玉米條帶的固碳潛力顯著高于小麥-大豆條帶,充分說(shuō)明了土壤固碳潛力受到耕作措施和作物類型的雙重影響。因此,在西南“旱三熟”地區(qū),除了加大秸稈覆蓋面積提高土壤固碳外,將玉米納入到種植模式中將有利于土壤的固碳作用。
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*Effects of different crops and straw mulching on soil aggregate and carbon sequestration potential in the dryland, triple cropping systems of Southwest China
ZHANG Sai, WANG Long-Chang*, DU Juan, ZHAO Lin-Lu, CHEN Jiao, SHI Chao, HUANG Zhao-Cun, XIONG Ying, JIA Hui-Juan
CollegeofAgronomyandBiotechnology,SouthwestUniversity,KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion,MinistryofEducation,EngineeringResearchCenterofSouthUplandAgriculture,MinistryofEducation,Chongqing400716,China
Abstract:A study has been undertaken in experimental field sat Southwest University in Beibei, Chongqing, in order to explore changes in soil aggregate distribution and organic carbon content, and to estimate soil carbonsequestration potential, in southwest China farmland that uses the triple cropping system (wheat/corn/soybean). There were two treatments: traditional tillage (T) and T plus straw mulching (TS). There was a significantly negative correlation between >2 mm and 2-0.25 mm aggregate contents (r=0.985,P<0.05) during the planting periods of the three crops. The responses of soil aggregates to the different crops varied. In the wheat and soybean belts, the content of water-stable aggregates (>0.25 mm) was as high as 90% of total soil, while it was approximately 80% in the corn belt, indicating that corn performance was beneficial to the formation of soil water-stable micro-aggregates. Straw mulching significantly increased soil organic carbon content and particle size at the 0-5 cm and 5-10 cm soil layers. Increases in organic carbon content at the 5-10 cm soil layer were especially notable. Soil carbon sequestration potential was greater in the corn than in the wheat and soybean belts. The study shows that the distribution of soil aggregates and of organic carbon content in soil particles with different sizes were influenced by both tillage measures and crops. In conclusion, the selection of crops and straw mulching will play important roles in promoting soil carbon sequestration in the dryland, triple cropping systems of southwest China.
Key words:triple cropping in dryland; straw mulching; soil aggregate; soil organic carbon; soil carbon sequestration potential
*通信作者Corresponding author. E-mail:wanglc2003@163.com
作者簡(jiǎn)介:張賽(1987-),女,山西運(yùn)城人,博士。E-mail:532875132@qq.com
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(31271673)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503127)資助。
*收稿日期:2015-05-28;改回日期:2015-08-24
DOI:10.11686/cyxb2015272
http://cyxb.lzu.edu.cn
張賽,王龍昌,杜娟,趙琳璐,陳嬌,石超,黃召存,熊瑛,賈會(huì)娟. 西南“旱三熟”區(qū)不同作物和秸稈覆蓋對(duì)土壤團(tuán)聚體及固碳潛力的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(1): 98-107.
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