玉米秸稈添加量對黃土高原旱作農(nóng)田土壤固碳特征的影響

高小龍，張仁陟,3，蔡立群,3，齊鵬,3，岳丹，武均

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州　730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州　730070;3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，甘肅 蘭州　730070)

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玉米秸稈添加量對黃土高原旱作農(nóng)田土壤固碳特征的影響

高小龍1,2，張仁陟1,2,3，蔡立群1,2,3，齊鵬1,2,3，岳丹1,2，武均1,2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州730070;3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，甘肅 蘭州730070)

摘要：【目的】 探明不同玉米秸稈添加量對農(nóng)田土壤固碳特征的影響.【方法】 在甘肅省定西市李家堡鎮(zhèn)進行玉米田間定位試驗，設0(無秸稈還田，CK)、40 g/kg(低量秸稈，T3)、60 g/kg(中量秸稈，T2)、80 g/kg(高量秸稈，T1)4個玉米秸稈還田處理.采用尼龍網(wǎng)袋法對540 d觀測期內的土壤總有機碳(SOC)、活性有機碳(ROC)、微生物量碳(MBC)動態(tài)變化特征進行分析.【結果】 從整體來看，不同秸稈添加水平下SOC含量呈連續(xù)降低趨勢；ROC含量于90 d達到峰值后逐漸降低；MBC含量于180 d達到峰值后逐漸降低.較之CK處理，T1、T2、T3水平均可提升土壤碳素含量，且隨秸稈添加量的增加而增加.T2水平下土壤碳庫活度指數(shù)最大，為1.25，該水平下秸稈殘留率最小.【結論】 秸稈還田處理土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)隨秸稈施入量的增加而增加.因此，在0～80 g/kg玉米秸稈添加范圍內，60 g/kg水平更有利于土壤碳素的固持及土壤質量的改善.

關鍵詞：土壤有機碳庫；總有機碳；活性有機碳；微生物量碳；碳庫管理指數(shù)

土壤有機碳與土壤結構的穩(wěn)定性、土壤的持水性能、緩沖性以及植物營養(yǎng)的生物有效性都有著密不可分的聯(lián)系，也是表征土壤肥力、評價土壤質量和管理土地可持續(xù)利用的重要指標[1-2].土壤有機碳庫是全球碳循環(huán)的核心組成部分，估計儲量約為1 400～1 500 Pg[3-4]，農(nóng)田土壤碳儲量約占總量十分之一，可見其較小幅度變化就可能影響到碳向大氣的排放，所以農(nóng)田土壤在固碳減排措施中處于重要地位.增加農(nóng)田有機碳的固定量，可以提高土壤生產(chǎn)力，減少農(nóng)田土壤碳排放.因此，土壤固碳和農(nóng)業(yè)減排作為一項有效緩解溫室效應的重要途徑已受到國際社會的重視[5-6].

隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)干旱少雨，年均降水量不足400 mm.該區(qū)典型的傳統(tǒng)耕作模式，對耕層土壤過度翻動，擾亂了土壤自身修復能力，造成土壤中微生物群落結構、活性、數(shù)量的改變；削弱了土壤團聚體對有機質的物理保護作用，致使土壤有機質分解進程加快；同時作物秸稈大量移出或焚燒，固定于作物秸稈的養(yǎng)分轉化為氧化物釋放至大氣，大量生物資源浪費，導致耕地質量日趨惡化[7-9].大量研究[10-11]表明，秸稈還田可較大幅度地提升土壤有機碳含量.王應等[12]發(fā)現(xiàn)，秸稈翻壓還田能夠形成土壤微生物活動層，提高物料中有機形態(tài)養(yǎng)分的分解速率.田慎重等[13]研究表明，秸稈還田措施可改善土壤固碳潛力、保肥保水能力，緩解農(nóng)田土壤有機碳負平衡現(xiàn)象.Barthlomew等[14]使用14C標記玉米秸稈進行田間試驗，研究指出秸稈施入量與其在土壤中的殘留比呈正相關.

目前，對于秸稈添加量與其在土壤中分解速率及對土壤固碳特征的影響已有許多報道，但結果差異較大[15]，這可能與研究區(qū)域、觀測時間、施入水平等不同有關.針對旱農(nóng)地區(qū)有機肥源不足、水分條件限制、秸稈及根茬腐解速度慢等問題，應提倡秸稈定量施用[16].本研究依托于甘肅農(nóng)業(yè)大學定西市李家堡鎮(zhèn)旱農(nóng)試驗站，對土壤活性有機碳組分進行測定、分析，旨在提高該區(qū)有機物料利用效率，為該區(qū)改善土壤生產(chǎn)力提供理論依據(jù).

1材料與方法

1.1試區(qū)概況

試驗點位于黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村東的川臺地上.試區(qū)屬于中溫帶半干旱區(qū)，海拔1 971 m，年均太陽輻射量592.9 kJ/cm2，日照時數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃積溫2 933.5 ℃，≥10 ℃積溫2 239.1 ℃，無霜期140 d.多年平均降水量為398.4 mm，80%保證率的降水量365 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，變異系數(shù)24.3%，是典型的一年一熟雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū).玉米常規(guī)年產(chǎn)量9 750 kg/hm2.土壤類型為黃綿土，土層深厚，土質綿軟、均勻，儲水性能良好；0～200 cm土壤平均容重1.17 g/cm3，凋萎含水率為7.3%，飽和含水率為21.9%.有機質16.04 g/kg，堿解氮51.10 mg/kg，有效磷21.19 mg/kg，速效鉀100.9 mg/kg，全氮1.55 g/kg，全磷0.821 g/kg，全鉀28.00 g/kg.

1.2試驗設計

試驗采用尼龍網(wǎng)袋埋袋法.試驗布設于2013年4月15日，田間作物為玉米(‘富農(nóng)821’)，耕作措施為當?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式.共設4個玉米秸稈還田處理：0(無秸稈還田，CK)，40 g/kg(低量秸稈，T3)，60 g/kg(中量秸稈，T2)，80 g/kg(高量秸稈，T1)，各處理3次重復.小區(qū)面積15 m2(3 m×5 m).所有秸稈裝袋前風干磨碎，按照前述的水平分別將0、20、30、40 g秸稈與500 g風干土(供試土壤取自埋放點附近0～20 cm土層)混合均勻后裝于容量為0.5 kg的尼龍網(wǎng)袋(120目)，潤濕網(wǎng)袋表面使之與土壤接觸，分別埋設于玉米株間區(qū)域，株距40 cm，網(wǎng)袋埋深15～20 cm.分別于埋袋后90、180、270、360、540 d取樣，每次取樣約80 g，取樣結束將網(wǎng)袋埋回原處.試驗期間及時查苗補苗、噴施除草劑，保證留苗均勻一致.采集的新鮮土樣分為兩份，一份室內風干后用于分析土壤總有機碳、活性有機碳含量，一份保存于4 ℃冰箱用于測算土壤微生物碳含量.

1.3指標測定與數(shù)據(jù)計算

土壤總有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定[17]，活性有機碳(ROC)采用高錳酸鉀氧化法測定[17-18]，即精確稱取含有15 mg總有機碳的土樣，加入333 mol/L的KMnO4溶液振蕩1 h，空白試驗同時進行，3次重復，振蕩后離心5 min,轉速4 000 r/min，取上清液用去離子水按1∶250稀釋，然后使用分光光度計將上述稀釋液在565 nm波長處進行比色，根據(jù)消耗的KMnO4求出土壤活性碳含量.微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[17]，以熏蒸土樣與不熏蒸土樣提取的有機碳的差值除以轉換系數(shù)Kc(0.38)，計算土壤微生物量碳含量.碳庫指數(shù)及碳庫管理指數(shù)等相關指標參照沈宏等[19]的方法計算.

碳庫指數(shù)=土壤有機碳含量/參考農(nóng)田土壤有機碳含量

碳庫活度=活性有機碳×100/穩(wěn)態(tài)碳

穩(wěn)態(tài)碳=土壤有機碳-活性有機碳

碳庫活度指數(shù)=碳庫活度/參考土壤碳庫活度

碳庫管理指數(shù)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100

物料有機碳殘留率rc(%)=(物料加土經(jīng)一定時間分解后的碳質量-對照土壤經(jīng)一定時間分解后的碳質量)/加入的物料質量×100%

物料有機碳分解率(%)=(100-rc)×100%

1.4數(shù)據(jù)分析

文中數(shù)據(jù)、圖表采用Excel 2003處理，SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，新復極差法進行差異性顯著性檢驗.

2結果與分析

2.1土壤總有機碳的變化

由圖1可知，在0～540 d觀測期中，不同秸稈添加水平下土壤總有機碳(SOC)含量高低排序為T1>T2>T3>CK.不同秸稈添加水平下，各處理土壤總有機碳含量隨時間推移均呈降低趨勢.T1水平下，各時段SOC降幅最大值出現(xiàn)在0～90 d，此時土壤總有機碳含量較初始時降低了26.43%，90～180 d期間土壤總有機碳分解緩慢，180～360 d降幅較大，540 d時土壤總有機碳含量由最初的26.00 g/kg降低至11.74 g/kg，共降低了54.85%.T2水平下，在0～180 d區(qū)間，土壤SOC呈小幅度降低，180～360 d呈大幅降低，而在360～540 d呈緩慢降低，觀測期結束時土壤總有機碳含量共降低了55.25%；T3水平下，土壤SOC在0～90 d呈迅速降低，90～180 d時呈緩慢降低，180～540 d期間土壤SOC變化趨勢與T1水平相似，觀測期結束時土壤SOC共降低了45.38%；CK水平下，土壤總有機碳含量隨時間增加呈緩慢降低趨勢，在整個觀測期中，土壤SOC降低了38.29%.540 d時，CK水平土壤SOC含量最低，T1、T2、T3處理比CK分別提高116.13%，78.77%和74.98%(P<0.05).

不同小寫字母表示相同時期不同施入水平間差異顯著(P<0.05).圖1　不同玉米秸稈添加量下土壤總有機碳含量的變化Fig.1　The dynamic variation of soil organic carboncontent under various maize stubble additionlevel during observation period

2.2土壤活性有機碳的變化

由圖2可知，在0～540 d觀測期內土壤活性有機碳含量變化范圍為0.62～5.25 g/kg，不同秸稈添加水平下土壤活性有機碳含量高低排序為T1>T2>T3>CK.在0～90 d期間，T2、T3、CK處理下土壤活性有機碳含量隨時間推移均呈大幅度增加，90～180 d迅速降低，180～540 d緩慢降低；T1水平土壤ROC在0～90 d呈迅速增加，90～270 d出現(xiàn)大幅降低，270～540 d期間變化趨勢與其他處理相一致.觀測期內不同施入水平下，土壤ROC含量最高值均出現(xiàn)于90 d.試驗結束時，較之0 d，T1、T2、T3水平土壤活性碳含量分別提升115.38%、105.64%、81.03%.T1水平下，0～90 d期間土壤ROC含量增幅最大，由0.65 g/kg升至5.25 g/kg，增加了706.93%；在90～270 d，土壤ROC呈大幅降低趨勢，降低至1.76 g/kg，較之90 d時降低了66.38%；270～540 d呈緩慢降低，540 d時土壤ROC含量為1.40 g/kg，是0 d時的1.81倍；在整個觀測期，T2水平土壤ROC變化趨勢與T3水平相似，90 d時T2、T3水平土壤ROC分別大幅增加，均由0.65 g/kg升至4.50 g/kg和4.32 g/kg，分別提升了592.24%、564.93%，90～180 d期間呈迅速降低趨勢，分別降低至1.99 g/kg和1.68 g/kg，較90 d分別降低了55.77%、61.13%.觀測期結束后，CK處理土壤ROC由原來的0.65 g/kg減小到0.62 g/kg，降低了5.15%.在540 d時T1、T2、T3水平土壤ROC含量分別高于CK處理127.09%、116.82%和90.86%.

不同小寫字母表示相同時期不同施入水平間差異顯著(P<0.05).圖2　不同玉米秸稈添加量下土壤活性有機碳含量動態(tài)變化Fig.2　The dynamic variation of soil readily oxidizableorganic carbon content under various maize stubbleaddition level during observation period

2.3土壤微生物量碳的變化

由圖3可知，在0～540 d觀測期間，輸入秸稈后土壤微生物量碳含量變化范圍為255.11～1 462.23 mg/kg，不同添加水平下土壤MBC含量高低排序為T1>T2>T3>CK.觀測期內不同施入水平下，土壤生物量碳(MBC)含量最高值均出現(xiàn)于180 d.T1、T2處理下土壤MBC含量隨時間推移均呈0～180 d大幅度增加，180～270 d迅速降低，270～360 d較小幅度增加，360～540 d緩慢降低.T3水平土壤MBC含量在0～180 d迅速增加，在180～360 d大幅度降低，360～540 d期間變化趨勢與其他處理相一致.CK處理土壤MBC含量隨取樣時間推移呈0～180 d小幅度增加后緩慢降低趨勢，在540 d時，土壤MBC含量較初始埋設值降低了14.17%.540 d時T1、T2、T3水平土壤MBC與初始值比較分別提升141.39%、108.89%、45.56%.T1、T2水平土壤MBC含量變化趨勢相似，在180 d時，土壤MBC含量較初始值分別增加了387.12%、391.99%；較270 d時土壤MBC含量，270～360 d時分別小幅度增加2.47%、7.48%.T3水平0～180 d區(qū)間土壤MBC含量增加1 019.82 mg/kg，180～360 d期間土壤MBC含量分別由1 317.03 mg/kg降至489.58 mg/kg，降低了62.83%.540 d時T1、T2、T3水平土壤MBC含量分別比CK處理顯著提升了181.23%、143.37%、69.58%(P<0.05).360～540 d期間各處理間差異均不顯著.施入秸稈處理土壤微生物量碳含量較對照處理相比提升大的原因在于試驗前期外源有機質的補給，隨著作物的生長發(fā)育，土壤微生物量碳在后期呈下降趨勢，但總體水平較高.土壤中C/N大小表征微生物量碳的大小，微生物體的C/N比有一定的范圍，在土壤能夠滿足N源供給的條件下，微生物的活性取決于碳源的供應[20].

不同小寫字母表示相同時期不同施入水平間差異顯著(P<0.05).圖3　不同玉米秸稈添加量下土壤微生物量碳含量的變化Fig.3　The dynamic variation of soil microbial biomasscarbon content under various maize stubble additionlevel during observation period

2.4秸稈殘留狀況

由表1可知，540 d時，不同處理間物料分解率排列順序為T2>T1>T3，物料殘留率為T3>T1>T2.觀測期結束時，T1、T2、T3水平物料殘留率無顯著差異(P<0.05).

表1　540 d秸稈分解率和殘留率

2.5土壤碳庫管理指數(shù)

表2為540 d時不同秸稈添加量對土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)的影響，本研究中參照土壤為無秸稈添加處理(CK)土壤.由表2中可知，不同玉米秸稈添加水平處理碳庫活度、碳庫活度指數(shù)按其大小排序均為：T2>T3>T1>CK，而碳庫指數(shù)、碳庫管理指數(shù)按其大小排序均為：T1>T2>T3>CK.說明添加秸稈可提高土壤碳庫管理指數(shù)，且隨秸稈添加量的增加而增加.T3、T2、T1水平碳庫管理指數(shù)分別高于對照處理93.11%、122.89%、128.57%.

表2　不同秸稈添加水平對土壤碳庫指數(shù)的影響

3討論與結論

本研究結果表明，施入秸稈土壤總有機碳、活性有機碳和微生物量碳含量較對照處理均有提升，且隨秸稈施入量的增加而增加，T1、T2水平間各碳組分含量接近.造成以上現(xiàn)象的主要因素可能為，土壤表面翻壓的物料秸稈能夠積極介入土壤物理、化學、生物反應，最終轉化成膠結土壤團聚體的腐殖質，腐殖質量的增多可影響土壤水分、溫度的改變，降低水分蒸騰作用的強度，土壤有機碳累積量達到新水平[21]，同時還補給了土壤中微生物可利用的營養(yǎng)成分[22].秸稈還田在改變土壤結構的基礎上向土壤輸入豐富的外源有機質，提升了土壤微生物的活躍程度，微生物積極參與水解、硝化、腐解等作用[23]，固碳效應明顯體現(xiàn).這與蔡立群等[24]、許淑青等[25]、劉驍蒨[26]研究結果相同.

從整體來看，不同秸稈添加水平下SOC含量呈連續(xù)降低趨勢；ROC含量呈前期迅速增加，于90 d達到峰值后逐漸降低；MBC含量呈前期大幅提升，于180 d達到峰值后逐漸降低.原因是觀測前期C源充足，土壤溫度、濕度適宜，使得持有較強活性的土壤微生物吸收利用了土壤活性有機碳，其含量達到峰值后迅速降低，說明秸稈易分解部分已被微生物利用，非穩(wěn)定形態(tài)的有機質部分大量被分解[27].

觀測期結束時，在0～80 g/kg玉米秸稈添加范圍內，T2水平碳庫活度指數(shù)最大，土壤微生物活性較強，加快了秸稈分解速率[15]，從而使T2水平下秸稈殘留率最小.秸稈施入土壤中，與土壤混合為一個整體，秸稈的迅速分解使得土壤自身所含碳素更多的固持下來.表明在該水平下對土壤有機質貢獻較大，有利于土壤有機碳的積累[28-29]，減緩了土壤有機物質的礦化率[30]，降低土壤的呼吸強度，增強表層的土壤保水能力，減少碳的損失[31-33].

碳庫管理指數(shù)是土壤管理措施引起土壤有機質變化的指標，它是土壤碳變化系統(tǒng)的、敏感的檢測方法，能夠反映土壤質量下降或更新的程度[18,34].秸稈還田處理土壤碳庫管理指數(shù)與對照處理相比均有提升，且隨秸稈施入量的增加而增加.這表明秸稈還田有利于土壤碳庫管理指數(shù)的提高和土壤質量的改善，這與陳尚洪等[35]研究結果相同.

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(責任編輯胡文忠)

Effects of maize stubble addition level on ability of soil carbon sequestration of dry farmland of the loess plateau in central of Gansu

GAO Xiao-long1,2,ZHANG Ren-zhi1,2,3,CAI Li-qun1,2,3,QI Peng1,2,3,YUE Dan1,2,WU Jun1,2

(1.Key Laboratory of Gansu Province Arid Habitat Crop,Lanzhou 730070,China;2.College of Resource and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;3.Water-saving Agricultural Engineering Technology Research Center of Gansu Province,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】 To research the maize stubble addition on the ability of soil carbon sequestration.【Method】 A nylon mesh bags method was conducted in a maize field to study the effects of different maize stubble addition level (CK:0 g maize stubble+500 g soil,T3:20 g maize stubble+500 g soil,T2:30 g maize stubble+500 g soil,T1:40 g maize stubble+500 g soil) on the ability of soil carbon sequestration which involved the soil organic carbon (SOC) content,readily oxidizable organic carbon (ROC) content and microbial biomass carbon (MBC) content during all observation period (540 days) in dry farmland of the loess plateau in Central of Gansu.【Result】 On the whole,the content of SOC of different maize stubble addition levels showed a continuous decreasing trend,the content of ROC increased in 90 d,and reached the peak after gradually reduce.The content of MBC increased significantly in the early,and reached peak gradually decreased after 180 d.Under different maize stubble level compared to the treatment without stubble incorporation,the content of SOC,ROC and MBC increased of the content of maize stubble after 540 days.【Conclusion】 The soil carbon pool management index of different maize stubble level increases compared with no stubble method and increases with the increase of the content.Within the extent of 0～80 g/kg of the content of maize stubble level,the residual rate of stubble is the smallest and the soil carbon pool ability index is the highest with the T2(60 g/kg)level ,which shows that it is conducive to the improvement of soil quality and ability of soil carbon sequestration.

Key words：soil organic carbon pool;organic carbon;readily oxidizable organic carbon;microbial biomass carbon;carbon pool management index

通信作者：張仁陟，男，教授，博士生導師，主要從事保護性耕地、節(jié)水農(nóng)業(yè)及恢復生態(tài)學方面研究.E-mail：zhangrz@gsau.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金(31160269)；“十二五循環(huán)農(nóng)業(yè)科技工程”項目(2012BAD14B03)；甘肅省干旱生境作物學重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地開放基金課題(GSCS-2012-13)；甘肅省自然科學基金(145RJZA204)資助.

收稿日期：2015-04-08；修回日期：2015-05-04

中圖分類號：S 153.6

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)03-0015-06

第一作者：高小龍(1988-)，男，在讀碩士，研究方向為恢復生態(tài)學.E-mail：xinfudajie@126.com