耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響分析

胡娜 李廣

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的過程中，土地整治越來越受重視。土地整治的主要目的是改善土壤質(zhì)量并形成固碳，通過人為措施影響土壤碳庫(kù)，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供更有利的環(huán)境，從而達(dá)到優(yōu)化土地利用和促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效的目的。

1 研究背景及現(xiàn)狀

1.1 研究背景

農(nóng)田土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，雖然受人為干擾較為嚴(yán)重，但也可在短時(shí)間內(nèi)完成碳庫(kù)調(diào)節(jié)，對(duì)全球碳循環(huán)有直接影響。土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)作物生長(zhǎng)影響較大，但實(shí)際僅在土壤總質(zhì)量中占據(jù)較小部分。土壤活性有機(jī)碳則是指土壤中容易分解的有機(jī)碳，對(duì)環(huán)境變化較為敏感，具有移動(dòng)快、易氧化、易分解和易礦化等特點(diǎn)。通常將土壤中的活性有機(jī)碳稱為植物的養(yǎng)分庫(kù)，可以起到維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、為植物供給養(yǎng)分等作用。我國(guó)旱區(qū)耕地面積較大，但在傳統(tǒng)的粗放式農(nóng)業(yè)發(fā)展模式下，資源掠奪現(xiàn)象十分嚴(yán)重，進(jìn)而引發(fā)了水土流失和土地荒漠化等問題。目前已經(jīng)有超過80%的農(nóng)田受到土壤侵蝕，有機(jī)碳及生產(chǎn)力水平不斷下降。耕作措施作為土壤有機(jī)碳水平的重要影響因素，可以采取合理的翻耕方式，加快有機(jī)碳的形成，為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分的同時(shí)減少溫室氣體排放。因此，目前相關(guān)課題的研究逐漸受到了關(guān)注［1］。

1.2 相關(guān)研究現(xiàn)狀

從現(xiàn)有研究成果來看，保護(hù)性耕作措施對(duì)于增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量有顯著效果，相比于常規(guī)耕作方法，能夠增加土壤表層生物活性，促進(jìn)有機(jī)碳含量的提升，從而增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。比如，已經(jīng)有學(xué)者對(duì)秸稈覆蓋影響土壤容重和孔隙度等方面的機(jī)制展開研究，證明秸稈覆蓋能夠抑制地表水分流失，改善土壤通透性，優(yōu)化肥力條件。土壤是碳和其他營(yíng)養(yǎng)元素的主要存儲(chǔ)空間和交換空間，有機(jī)碳含量?jī)H次于海洋。但目前的研究主要集中于土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳測(cè)定等方面，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中能夠借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，需要結(jié)合實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，研究耕種措施對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響，從而為實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)提供更多有價(jià)值的參考［2］。

2 試驗(yàn)研究方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本次研究的試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家坡村，該試驗(yàn)區(qū)屬于黃土高原地貌，處于溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2 000 m，年平均降雨量385 mm，年均氣溫6.4℃，無霜期為140 d。試驗(yàn)區(qū)以黃綿土為主，耕層容重為1.26 g/cm3。土壤中全氮含量為0.61 g/kg，土壤有機(jī)碳含量為6.21 g/kg。

2.2 試驗(yàn)方法

在本次試驗(yàn)中，選取定西市的常種純小麥“定西42號(hào)”作為供試品種，在自然狀態(tài)下種植。試驗(yàn)前首先調(diào)查了解當(dāng)?shù)氐姆N植模式和施肥經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)了解到的情況，將試驗(yàn)地面積設(shè)計(jì)為24 m2，采用人工播種方式，播種量為187.5 kg/hm2，行間距設(shè)置為25 cm，將過磷酸二銨和尿素作為基肥，其中過磷酸二銨施用量為150.0 kg/hm2，尿素施用量為62.5 kg/hm2。在試驗(yàn)過程中共設(shè)計(jì)1個(gè)對(duì)照組和3個(gè)試驗(yàn)組，其中對(duì)照組采用傳統(tǒng)耕作方式（T組）。3個(gè)試驗(yàn)組分別為傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋方式（TS組）、免耕方式（NT組）、免耕+秸稈覆蓋方式（NTS組）。每個(gè)處理重復(fù)進(jìn)行3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)。分別在播種前、分蘗期、拔節(jié)期、開花期和成熟期，在田間按對(duì)角線方向隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn)，鉆取1～10 cm、10～20 cm、20～40 cm的土壤樣品各1份封裝于袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行去石頭、去根系處理，經(jīng)過風(fēng)干后過0.15 mm篩，然后測(cè)定樣品有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量。

2.3 測(cè)量及數(shù)據(jù)處理方法

分別采取以下方法對(duì)土壤樣品中的總有機(jī)碳含量和活性有機(jī)碳含量進(jìn)行測(cè)定?？傆袡C(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱方法進(jìn)行測(cè)定，在外加熱條件下，采用重鉻酸鉀—硫酸溶液對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行氧化，剩余的重鉻酸鉀采用標(biāo)準(zhǔn)硫酸亞鐵滴定，根據(jù)重鉻酸鉀消耗量計(jì)算總有機(jī)碳含量?；钚杂袡C(jī)碳采用高錳酸鉀氧化方法進(jìn)行測(cè)定，稱取15 mg土壤樣品，放置于離心管中，向離心管中加入20 mL濃度分別為33、167、333 mmol/L的高錳酸鉀溶液，振蕩1 h后，在2 000 r/min條件下進(jìn)行離心處理，經(jīng)過5 min后將上清液用離子水稀釋，使用分光光度計(jì)對(duì)吸收后的樣品進(jìn)行測(cè)定，并與不加土壤的空白組對(duì)比，通過對(duì)比吸光度之差，計(jì)算高錳酸鉀的濃度變化。然后對(duì)活性有機(jī)碳含量進(jìn)行計(jì)算，在3個(gè)濃度條件下計(jì)算出的活性有機(jī)碳含量分別為高活性、中活性、活性有機(jī)碳含量。

在庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算方面，則利用下列公式進(jìn)行計(jì)算：①碳庫(kù)指數(shù)=土壤有機(jī)碳含量/參考農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量；②碳庫(kù)活度=活性有機(jī)碳×100/穩(wěn)態(tài)碳；③穩(wěn)態(tài)碳=土壤有機(jī)碳-活性有機(jī)碳。④碳庫(kù)活度指數(shù)=碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度；⑤碳庫(kù)管理指數(shù)=碳庫(kù)指數(shù)×碳庫(kù)活度指數(shù)×100。在上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和整理過程中，主要采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，并利用Excel制作圖表。分別進(jìn)行單因素方差分析，根據(jù)Duncan法采用0.05顯著水平檢驗(yàn)不同耕作措施的影響顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

在上述試驗(yàn)過程中，土壤各層的有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量均為NTS組＞TS組＞NT組＞T組。而且保護(hù)性耕作的有機(jī)碳土層分布情況為1～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm，活性有機(jī)碳的部分情況為1～10 cm＞20～30 cm＞10～20 cm。通過對(duì)相關(guān)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)可知，保護(hù)性耕作的碳庫(kù)管理指數(shù)明顯高于傳統(tǒng)耕作模式的碳庫(kù)管理指數(shù)，且在保護(hù)性耕作中，NTS組的碳庫(kù)管理指數(shù)最高。土壤中的有機(jī)碳含量反映的是碳循環(huán)和土壤質(zhì)量水平，其穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化率可以作為評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)。采取試驗(yàn)組中的免耕和覆蓋措施，能夠提高土壤表層的有機(jī)碳含量，相當(dāng)于發(fā)揮著碳截獲功能。農(nóng)業(yè)耕作土壤的有機(jī)碳特征受長(zhǎng)期耕作和施肥等方面的影響，改善農(nóng)業(yè)耕作管理措施，不僅能夠改善土壤有機(jī)碳含量水平和穩(wěn)定性，而且能夠減少碳凈排放量。特別是在本次試驗(yàn)過程中1～10 cm土層的土壤有機(jī)碳含量明顯高于傳統(tǒng)耕作方式。在3種保護(hù)性耕作方式中，秸稈免耕處理的有機(jī)碳增加效果最為顯著，這是由于免耕和秸稈覆蓋措施都能減小因土壤耕作產(chǎn)生的碳損失量，抑制土壤在耕作過程中的碳釋放過程，起到土壤碳固化的作用。

另外，傳統(tǒng)處理方式下的表層以下土壤不斷暴露，在干濕交替情況下，土壤中的有機(jī)碳積累條件發(fā)生改變。部分地上作物被收走后，更會(huì)加快傳統(tǒng)土壤中有機(jī)碳含量的下降。在覆蓋秸稈的情況下，雖然也對(duì)土壤進(jìn)行翻耕，但作物收獲后有還田的秸稈，可以對(duì)土壤中的有機(jī)碳進(jìn)行補(bǔ)充。免耕方式的優(yōu)勢(shì)在于可以增加有機(jī)碳含量，減少土壤擾動(dòng)，抑制土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，從而有利于土壤中有機(jī)碳的積累。對(duì)于不同處理來說，3個(gè)土層中的有機(jī)碳含量高低順序是一致的，這也有研究結(jié)果可以互相驗(yàn)證，主要是由于有機(jī)碳在土壤中移動(dòng)較快，某一土層中的有機(jī)碳含量較高，其他土層也會(huì)較高。3個(gè)土層中含量最高的都是免耕和秸稈覆蓋處理組，這種方式能夠明顯增加地表有機(jī)質(zhì)輸入，形成表聚作用。而且免耕方式有利于土壤中水分和養(yǎng)分的積累，能夠?yàn)檗r(nóng)作物生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的環(huán)境。

3.2 對(duì)活性有機(jī)碳的影響

從耕作措施對(duì)土壤中活性有機(jī)碳的影響情況來看，本次試驗(yàn)分別測(cè)定了高活性、中活性、活性有機(jī)碳含量。首先從對(duì)照組與試驗(yàn)組的對(duì)比情況來看，傳統(tǒng)耕作方式下，由于土壤頻繁受到擾動(dòng)，潛在微生物出現(xiàn)碳裸露情況，活性有機(jī)碳被礦化而損失。相比之下，由于秸稈覆蓋措施能夠增加土壤團(tuán)聚體保護(hù)作用，補(bǔ)充碳源，可以增強(qiáng)土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)速率，提高土壤中的易氧化有機(jī)碳比例。免耕措施則是通過減少土壤擾動(dòng)，降低活性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，從而提升土壤中的活性有機(jī)碳含量。本次研究結(jié)果也表明，不同耕作措施對(duì)于土壤中的活性有機(jī)碳含量影響較大，實(shí)際上不同耕作方式的差別在于有機(jī)物質(zhì)的投入、土壤耕作頻率等。土壤表層的活性有機(jī)碳含量與有機(jī)碳含量變化基本趨于一致，而且比有機(jī)碳含量變化更快，說明活性有機(jī)碳對(duì)土壤條件的反應(yīng)更加敏感。在3種保護(hù)性耕作方式下，土壤各分層機(jī)構(gòu)中的活性有機(jī)碳含量均高于傳統(tǒng)耕作方式，同樣在1～10 cm土層中差距最為明顯。除了上述原因外，傳統(tǒng)耕作方式還會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，導(dǎo)致土壤受到風(fēng)蝕或水力侵蝕，進(jìn)而導(dǎo)致土壤中的活性有機(jī)碳含量減少。在免耕+秸稈覆蓋方式下，土壤中的活性有機(jī)碳含量最高，說明秸稈還田能夠提供大量活性有機(jī)質(zhì)，而且改善了土壤通氣狀況，有利于土壤微生物活動(dòng)。相比之下，秸稈覆蓋方式比免耕方式對(duì)提升活性有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)率更高。

4 結(jié)語

采用保護(hù)性耕作方式能夠改善土壤環(huán)境條件，提升土壤中的有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量，比傳統(tǒng)耕作方式更有利于植物生長(zhǎng)。通過本次試驗(yàn)研究，可以更好地認(rèn)識(shí)保護(hù)性耕作措施對(duì)于改善土壤條件和提高有機(jī)碳含量的效果，從而推廣保護(hù)性耕作措施，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。