秸稈和地膜覆蓋條件下玉米農(nóng)田土壤有機(jī)碳組分生長(zhǎng)季動(dòng)態(tài)*

毛海蘭, 王 俊,2, 付 鑫, 李蓉蓉, 趙丹丹

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秸稈和地膜覆蓋條件下玉米農(nóng)田土壤有機(jī)碳組分生長(zhǎng)季動(dòng)態(tài)*

毛海蘭1, 王 俊1,2**, 付 鑫1, 李蓉蓉1, 趙丹丹1

(1. 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 西安 710127; 2. 西北大學(xué)陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710127)

基于黃土高原8 a的春玉米覆蓋定位試驗(yàn), 研究了秸稈和地膜覆蓋下土壤有機(jī)碳、微生物量碳、潛在可礦化碳及顆粒有機(jī)碳在作物不同生育期的季節(jié)變化特征, 探討旱作農(nóng)田不同碳組分對(duì)地表覆蓋的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明: 1)秸稈和地膜覆蓋下土壤有機(jī)碳及其各組分含量在玉米生長(zhǎng)期間總體呈苗期下降、拔節(jié)期上升、大喇叭口—抽雄期下降、灌漿和收獲期回升的變化趨勢(shì)。2)與不覆蓋對(duì)照相比, 秸稈覆蓋在大部分作物生育期均顯著提高了土壤有機(jī)碳各組分含量, 有助于培肥地力和土壤固碳; 而地膜覆蓋在作物生育后期導(dǎo)致土壤有機(jī)碳及各組分含量顯著下降。3)秸稈覆蓋下表層土壤顆粒有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳變化具有重要貢獻(xiàn), 地膜覆蓋后土壤有機(jī)碳變化可能主要來(lái)自于潛在可礦化碳和顆粒有機(jī)碳, 而土壤微生物量碳相對(duì)含量在不同處理間差異不大。4)對(duì)照和地膜覆蓋處理土壤潛在可礦化碳和顆粒有機(jī)碳的相對(duì)含量在大喇叭口—抽雄期均有顯著下降, 而秸稈覆蓋下兩種組分的相對(duì)含量則保持平穩(wěn), 表明秸稈覆蓋對(duì)生育后期土壤潛在可礦化碳和顆粒有機(jī)碳有重要的補(bǔ)給作用。總之, 黃土高原的春玉米田秸稈覆蓋具有明顯的提升土壤有機(jī)碳及組分含量的作用, 地膜覆蓋則無(wú)明顯效果, 且在春玉米生育后期降低了土壤總有機(jī)碳及各組分的含量。

秸稈覆蓋; 地膜覆蓋; 土壤有機(jī)碳; 碳組分; 春玉米; 生育期

土壤碳庫(kù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且最活躍的碳庫(kù)之一, 是全球碳循環(huán)的核心組成。農(nóng)田土壤有機(jī)碳(SOC)占土壤總有機(jī)碳的10%[1-2], 是表征土壤質(zhì)量和肥力的核心指標(biāo), 其質(zhì)量和數(shù)量會(huì)影響耕地的生產(chǎn)力與穩(wěn)定性。土壤微生物量碳(MBC)和潛在可礦化碳(PCM)屬于土壤活性有機(jī)碳庫(kù), 二者不僅可以表征土壤微生物活性和土壤肥力, 而且可以在一個(gè)作物生長(zhǎng)季內(nèi)對(duì)田間管理措施的變化做出快速響應(yīng), 是土壤碳循環(huán)的關(guān)鍵和動(dòng)力[3]。土壤顆粒有機(jī)碳(POC)是介于活性與惰性之間的半活性組分, 其對(duì)管理措施的響應(yīng)也十分迅速, 可以指示土壤有機(jī)碳的早期變化[4]。因此, 針對(duì)土壤微生物量碳、潛在可礦化碳和土壤顆粒有機(jī)碳等的測(cè)定對(duì)于評(píng)價(jià)由耕作、覆蓋、施肥等措施所引起的土壤碳庫(kù)變化具有重要意義[5]。

近年來(lái), 秸稈和地膜覆蓋技術(shù)因其良好的保墑增產(chǎn)作用在我國(guó)北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)得到廣泛應(yīng)用[6], 其對(duì)土壤碳庫(kù)的影響也頗受關(guān)注。研究表明, 秸稈覆蓋可以提高土壤有機(jī)碳及其活性組分[5], 而地膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響卻因氣候條件、作物生育期、覆蓋年限等不同而結(jié)果迥異[7-8]。目前來(lái)看, 相關(guān)研究多集中在覆蓋方式對(duì)某一時(shí)期(如收獲期)土壤有機(jī)碳的影響[5,7,9], 對(duì)土壤有機(jī)碳的生育期動(dòng)態(tài)關(guān)注較少, 對(duì)土壤活性或半活性碳組分(土壤微生物量碳、潛在可礦化碳和土壤顆粒有機(jī)碳等)的季節(jié)動(dòng)態(tài)更是鮮有報(bào)道。本文以黃土高原旱作春玉米田為研究對(duì)象, 基于長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn), 比較分析了秸稈和地膜覆蓋條件下作物不同生育期土壤碳組分的動(dòng)態(tài)變化特征, 旨在探討旱作農(nóng)田不同碳組分對(duì)地表覆蓋的季節(jié)性響應(yīng)規(guī)律, 加深對(duì)農(nóng)田土壤碳循環(huán)過(guò)程的理解。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于陜西省長(zhǎng)武縣十里鋪村南1 km的旱塬上(107°45′E, 35°12′N(xiāo)), 海拔 1 200 m, 年平均氣溫9.1 ℃, 年平均降水579 mm, 且55%以上集中在7—9月。土壤母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土, 土質(zhì)疏松, 土層深厚。2008年布設(shè)試驗(yàn)前土壤基本化學(xué)性質(zhì)如表1所示[10]。2016年為干旱年, 生育期降水及氣溫分布如圖1所示, 氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站。

表1 試驗(yàn)布設(shè)前試驗(yàn)地0~40 cm土壤基本化學(xué)性質(zhì)

圖1　2016年春玉米生育期內(nèi)降水及氣溫分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

春玉米覆蓋試驗(yàn)布設(shè)于2008年9月[11], 設(shè)秸稈覆蓋(SM)、地膜覆蓋(PM)、對(duì)照不覆蓋(CK)3個(gè)處理。各處理重復(fù)3次, 共9個(gè)小區(qū), 小區(qū)面積66.7 m2, 隨機(jī)排列。秸稈覆蓋處理使用收獲后的玉米秸稈整株于玉米播種后均勻覆蓋于行間, 覆蓋量為9 000 kg?hm-2。地膜覆蓋處理采用1.2 m寬白色透明地膜覆蓋整個(gè)小區(qū)。秸稈與地膜覆蓋均為生育期全程覆蓋。春玉米在每年4月中旬播種, 9月中旬收獲, 隨后試驗(yàn)田閑置。播種前清除上一年的秸稈或地膜, 松土并施加基肥。供試化肥為尿素(N≥46.6%)和過(guò)磷酸鈣(總P2O5≥43%)。各小區(qū)施基肥N為135 kg?hm-2、P2O5為90 kg?hm-2。作物生長(zhǎng)期間不追肥、不灌溉, 人工除草。本研究于2016年春玉米生育期進(jìn)行, 供試玉米品種為‘先玉335’, 于4月21日播種, 9月10日收獲。在播種施肥前(4月8日)、苗期(5月17日)、拔節(jié)期(6月17日)、大喇叭口—抽雄期(7月17日)、灌漿期(8月17日)及收獲期(9月17日), 以“S”形五點(diǎn)采樣法采集各小區(qū)0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm土樣, 同層土樣混合均勻后以四分法取樣作為1次重復(fù)。土樣采回后, 剔除石塊和動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì), 置于避光處自然風(fēng)干。研磨土樣過(guò)0.1 mm篩以待測(cè)土壤有機(jī)碳, 過(guò)2 mm篩以待測(cè)土壤微生物量碳、潛在可礦化碳及顆粒有機(jī)碳。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1)土壤有機(jī)碳: 用10%稀鹽酸去除土樣中無(wú)機(jī)碳[12], 過(guò)0.1 mm篩后用EA 3000元素分析儀測(cè)定。2)土壤潛在可礦化碳: 采用密閉培養(yǎng)堿液吸收法[13]測(cè)定, 取10 g土樣于燒杯中, 用蒸餾水調(diào)節(jié)至50%的田間持水量, 與裝有2 mL 0.5 mol?L-1NaOH的燒杯共置于1 L的培養(yǎng)瓶中, 在21 ℃下密閉培養(yǎng)10 d, 隨后以1.5 mol?L-1的BaCl2和0.l mol?L-1的HC1滴定NaOH吸收的CO2, 以此來(lái)測(cè)定潛在可礦化碳含量。3)土壤微生物量碳: 采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法[14]測(cè)定, 取10 g土樣于燒杯中, 用蒸餾水調(diào)節(jié)至50%的田間持水量培養(yǎng)10 d, 氯仿熏蒸24 h后再培養(yǎng)10 d, 用與潛在可礦化碳相同的方法測(cè)定土壤微生物量碳含量。4)土壤顆粒有機(jī)碳: 采用六偏磷酸鈉分散法[15]測(cè)定, 稱取風(fēng)干土樣10 g, 加入5 g·L-1的六偏磷酸鈉溶液30 mL, 振蕩16 h后將溶液置于53 μm篩上, 用蒸餾水沖洗至瀝濾液澄清, 將過(guò)濾出的土壤在55 ℃下烘干至恒重, 計(jì)算其占整個(gè)土樣的百分比。去除無(wú)機(jī)碳后, 用EA 3000元素分析儀測(cè)定烘干樣品, 將烘干樣品中的有機(jī)碳含量換算為單位質(zhì)量土樣對(duì)應(yīng)組分的有機(jī)碳含量即為顆粒有機(jī)碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

計(jì)算土壤有機(jī)碳活性組分的相對(duì)含量, 計(jì)算公式: 碳組分絕對(duì)含量/土壤有機(jī)碳含量×100%[5]。采用Microsoft Excel 2010處理數(shù)據(jù), Origin 19作圖, SPSS 20進(jìn)行單因素方差分析, 各處理、各生育時(shí)期之間差異顯著性的多重比較采用最小顯著差異(LSD0.05)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋處理下土壤有機(jī)碳含量

表2為覆蓋8 a后土壤有機(jī)碳的生長(zhǎng)季動(dòng)態(tài)特征。0~10 cm土層, SM處理土壤有機(jī)碳在玉米苗期無(wú)顯著變化, 拔節(jié)期顯著上升, 隨后下降回復(fù)到苗期水平, 收獲期回升播前水平; PM和CK處理土壤有機(jī)碳含量在各個(gè)時(shí)期差異不顯著。10~20 cm土層, SM處理土壤有機(jī)碳在苗期和拔節(jié)期無(wú)明顯變化, 隨后下降, 灌漿和收獲期回升; PM的動(dòng)態(tài)與0~10 cm土層SM基本一致, 而CK在生育期無(wú)明顯變化。20~40 cm土層, SM土壤有機(jī)碳在苗期無(wú)變化, 隨后逐漸降低并趨于平緩, 收獲期回升; PM和CK處理則均表現(xiàn)為苗期、拔節(jié)期顯著下降, 隨后降低并趨于平緩, 收獲期回升。

處理間比較而言, SM處理有機(jī)碳始終高于CK、PM。0~10 cm土層, SM較CK的增幅為8.47%~ 11.92% (<0.05), 其中收獲期增幅最大。PM處理有機(jī)碳在灌漿期較CK有顯著下降。10~20 cm 土層, 與CK相比, SM處理在除大喇叭口—抽雄期外的其他時(shí)期均顯著提高了有機(jī)碳含量, 增幅為3.20%~9.77%(<0.05), 其中在收獲期增幅最大, 而PM處理有機(jī)碳含量在各生育期均顯著低于SM, 且在大喇叭口—抽雄期和灌漿期分別較CK降低了5.12%和3.65%(<0.05)。20~40 cm土層, SM在苗期、拔節(jié)期、大喇叭口—抽雄期、灌漿期較CK和PM顯著提高了土壤有機(jī)碳含量, 其中較CK的增幅為2.72%~7.37% (<0.05), CK和PM的差異在各個(gè)時(shí)期均不顯著。

表2 長(zhǎng)期不同地表覆蓋下春玉米不同生育期土壤有機(jī)碳含量動(dòng)態(tài)

CK: 不覆蓋對(duì)照; SM: 9 000 kg?hm-2覆蓋秸稈; PM: 地膜覆蓋。同一土層、同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(<0.05), 同一土層、同行數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示各生育期間差異顯著(<0.05)。CK: no mulching; SM: 9 000 kg?hm-2straw mulching; PM: plastic film mulching. For the same soil layer and in the same column, different small letters mean significant differences at< 0.05 level among treatments. For the same soil layer and in the same row, different capital letters mean significant differences at< 0.05 level among growth stages.

2.2 不同覆蓋處理下土壤微生物量碳含量

生育期內(nèi)各處理土壤微生物量碳動(dòng)態(tài)如表3所示。0~10 cm土層, SM處理微生物量碳表現(xiàn)為苗期下降、拔節(jié)期上升、大喇叭口—抽雄期下降、灌漿和收獲期回升, PM、CK不同時(shí)期均無(wú)顯著變化。10~20 cm土層, SM處理苗期土壤微生物量碳與播前差異不大, 隨后的變化趨勢(shì)與0~10 cm土層相同, PM在各時(shí)期差異不顯著; CK則表現(xiàn)為播前和收獲期高于大喇叭口—抽雄期(<0.05)。20~40 cm土層, SM處理拔節(jié)期與播前和苗期相比無(wú)顯著變化, 變化趨勢(shì)與0~10 cm土層相同, PM處理微生物量碳在苗期有所下降, 隨后趨于穩(wěn)定; CK處理呈現(xiàn)逐漸下降—回升趨勢(shì), 其中最低值出現(xiàn)在大喇叭口—抽雄期。

表3 長(zhǎng)期不同地表覆蓋下春玉米不同生育期土壤微生物量碳含量動(dòng)態(tài)

CK: 不覆蓋對(duì)照; SM: 9 000 kg?hm-2覆蓋秸稈; PM: 地膜覆蓋。同一土層、同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(<0.05), 同一土層、同行數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示各生育期間差異顯著(<0.05)。CK: no mulching; SM: 9 000 kg?hm-2straw mulching; PM: plastic film mulching. For the same soil layer and in the same column, different small letters mean significant differences at< 0.05 level among treatments. For the same soil layer and in the same row, different capital letters mean significant differences at< 0.05 level among growth stages.

處理間比較, SM處理在各土層土壤微生物量碳含量始終高于PM和CK。其中, 0~10 cm 土層, 拔節(jié)期、灌漿期、收獲期SM均較CK差異顯著, 增幅為19.51%~26.72%(<0.05)。在大喇叭口—抽雄期、收獲期PM土壤微生物量碳含量分別較CK降低了21.43%、11.56%(<0.05)。10~20 cm土層, SM處理土壤微生物量碳在拔節(jié)期、灌漿期、收獲期分別較CK提高了18.28%、31.00%和21.62%(<0.05), 而PM在收獲期較CK降低了6.76%(<0.05)。20~40 cm土層, SM土壤微生物量碳含量在拔節(jié)期較CK提高了18.63%(<0.05)。PM 在灌漿期、收獲期較CK降低了24.18%、25.51%(<0.05)。另外在拔節(jié)、灌漿、收獲期SM與PM處理在各個(gè)土層大多數(shù)差異顯著。

土壤微生物量碳相對(duì)含量在玉米生育期的動(dòng)態(tài)與其絕對(duì)含量基本一致(表4)。0~10 cm土層, 與CK相比, SM處理土壤微生物量碳相對(duì)含量在灌漿期有顯著提高, 而PM處理較CK在大喇叭口—抽雄期和收獲期有顯著下降, 并在拔節(jié)期、大喇叭口—抽雄期、灌漿期、收獲期均顯著低于SM處理。10~20 cm土層, 土壤微生物量碳相對(duì)含量SM在拔節(jié)期、灌漿期較CK有顯著提高, PM在收獲期較CK有顯著下降。SM在拔節(jié)期、灌漿期、收獲期顯著高于PM處理。20~40 cm土層, 灌漿期、收獲期土壤微生物量碳相對(duì)含量SM與CK差異不顯著, 而同時(shí)期PM則較CK顯著降低微生物量碳相對(duì)含量。

表4 長(zhǎng)期不同地表覆蓋下春玉米不同生育期土壤微生物量碳相對(duì)含量動(dòng)態(tài)

CK: 不覆蓋對(duì)照; SM: 9 000 kg?hm-2覆蓋秸稈; PM: 地膜覆蓋。同一土層、同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(<0.05), 同一土層、同行數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示各生育期間差異顯著(<0.05)。CK: no mulching; SM: 9 000 kg?hm-2straw mulching; PM: plastic film mulching. For the same soil layer and in the same column, different small letters mean significant differences at< 0.05 level among treatments. For the same soil layer and in the same row, different capital letters mean significant differences at< 0.05 level among growth stages.

2.3 不同覆蓋處理下土壤潛在可礦化碳含量

土壤潛在可礦化碳的生育期動(dòng)態(tài)如表5所示。0~10 cm土層, SM在苗期無(wú)變化, 拔節(jié)期上升, 大喇叭口—抽雄期下降, 灌漿、收獲期回升; PM的變化趨勢(shì)與SM一致; CK前期變化與SM一致, 在大喇叭口—抽雄期下降后趨于穩(wěn)定。10~20 cm土層, SM在苗期下降, 其余變化與0~10 cm土層一致; CK與SM變化一致; PM在苗期無(wú)變化, 拔節(jié)期上升, 隨后下降, 灌漿、收獲期回升。20~40 cm土層, SM、PM、CK均在苗期下降, 拔節(jié)期上升, 隨后下降并趨于穩(wěn)定, 收獲期回升。

生育期內(nèi)SM處理的土壤潛在可礦化碳含量始終高于CK和PM。0~10 cm土層, 與CK相比, SM提高了播前、苗期、灌漿期、收獲期的土壤潛在可礦化碳含量, 增幅為5.93%~28.30%(<0.05), 灌漿期增幅最大。PM在大喇叭口—抽雄期和收獲期土壤潛在可礦化碳含量較CK顯著下降, 降幅分別為30.39%和8.96%(<0.05)。10~20 cm土層, SM在播前、苗期、大喇叭口—抽雄期、灌漿期和收獲期較CK提高土壤潛在可礦化碳含量, 增幅為13.26%~28.51%(<0.05), 其中灌漿期增幅最大。PM在大喇叭口—抽雄期和收獲期較CK降低土壤潛在可礦化碳含量23.21%、7.18%(<0.05)。在除了拔節(jié)期的其他時(shí)期, SM與PM處理下0~20 cm兩個(gè)土層均差異顯著。20~40 cm 土層, SM在收獲期較CK提高了土壤潛在可礦化碳含量 24.14%(<0.05), PM在苗期較CK降低潛在可礦化碳含量15.14% (<0.05), 苗期、收獲期SM與PM的土壤潛在可礦化碳含量均差異顯著。

生育期內(nèi)土壤潛在可礦化碳相對(duì)含量變化與絕對(duì)含量基本一致(表6)。0~10 cm土層, 與CK相比, SM在灌漿期、收獲期有顯著提高, 而PM在大喇叭口—抽雄期、收獲期有顯著降低, 大喇叭口—抽雄期、灌漿期、收獲期SM高于PM。在10~20 cm土層, 在播前、大喇叭口—抽雄期、灌漿期、收獲期SM均顯著高于CK和PM, 且PM在大喇叭口—抽雄期較CK顯著降低。在20~40 cm土層, SM在收獲期較CK顯著提高了土壤潛在可礦化碳相對(duì)含量, PM在苗期較CK有顯著降低。

表5 長(zhǎng)期不同地表覆蓋下春玉米不同生育期土壤潛在可礦化碳含量動(dòng)態(tài)

CK: 不覆蓋對(duì)照; SM: 9 000 kg?hm-2覆蓋秸稈; PM: 地膜覆蓋。同一土層、同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(<0.05), 同一土層、同行數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示各生育期間差異顯著(<0.05)。CK: no mulching; SM: 9 000 kg?hm-2straw mulching; PM: plastic film mulching. For the same soil layer and in the same column, different small letters mean significant differences at< 0.05 level among treatments. For the same soil layer and in the same row, different capital letters mean significant differences at< 0.05 level among growth stages.

表6 長(zhǎng)期不同地表覆蓋下春玉米不同生育期土壤潛在可礦化碳相對(duì)含量動(dòng)態(tài)

CK: 不覆蓋對(duì)照; SM: 9 000 kg?hm-2覆蓋秸稈; PM: 地膜覆蓋。同一土層、同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(<0.05), 同一土層、同行數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示各生育期間差異顯著(<0.05)。CK: no mulching; SM: 9 000 kg?hm-2straw mulching; PM: plastic film mulching. For the same soil layer and in the same column, different small letters mean significant differences at< 0.05 level among treatments. For the same soil layer and in the same row, different capital letters mean significant differences at< 0.05 level among growth stages.

2.4 不同覆蓋處理下土壤顆粒有機(jī)碳含量

土壤顆粒有機(jī)碳在春玉米生育期內(nèi)的動(dòng)態(tài)如表7所示。0~10 cm土層, SM在苗期較播前有所下降, 拔節(jié)期無(wú)變化, 大喇叭口—抽雄期下降, 灌漿、收獲期持續(xù)回升; PM的變化趨勢(shì)與SM一致, 但收獲期低于播前水平; CK在苗期和拔節(jié)期無(wú)顯著變化, 隨后趨勢(shì)與SM一致, 且收獲期低于播前水平。10~20 cm土層, SM在6個(gè)時(shí)期均無(wú)顯著變化; PM在拔節(jié)期上升, 其余變化與SM 0~10 cm土層一致; CK與PM前中期變化一致, 只是灌漿、收獲期回升后趨于穩(wěn)定, 未達(dá)到播前水平。20~40 cm土層, SM在苗期、拔節(jié)期無(wú)明顯變化, 隨后趨勢(shì)與SM 0~10 cm土層基本一致; PM與CK均在苗期下降, 拔節(jié)期無(wú)變化, 大喇叭口—抽雄期和灌漿期持續(xù)下降并趨于穩(wěn)定, 收獲期回升且低于播前水平。

生育期內(nèi)SM的顆粒有機(jī)碳含量始終高于另外兩個(gè)處理。0~10 cm土層, 6個(gè)生育時(shí)期SM較CK增幅為34.68%~61.67%(<0.05), 收獲期增幅最大; PM在大喇叭口—抽雄期較CK降低15.90%(<0.05), 且在各生育期均顯著低于SM處理。在10~20 cm土層, 與CK相比, SM提高了除播前外其他時(shí)期的顆粒有機(jī)碳含量, 增幅為16.52%~59.44%(<0.05), 大喇叭口—抽雄期增幅最大; PM在播前、灌漿期較CK分別降低了12.30%、16.08%(<0.05), 且在各時(shí)期均顯著低于SM處理。在20~40 cm 土層, SM在拔節(jié)期、大喇叭口—抽雄期、灌漿期及收獲期均較CK和PM顯著提高了顆粒有機(jī)碳含量, 較CK的增幅為6.85%~43.69%(<0.05), 收獲期增幅最大; PM顆粒有機(jī)碳含量在拔節(jié)期較CK降低了12.02% (<0.05)。

表7 長(zhǎng)期不同地表覆蓋下春玉米不同生育期土壤顆粒有機(jī)碳含量動(dòng)態(tài)

CK: 不覆蓋對(duì)照; SM: 9 000 kg?hm-2覆蓋秸稈; PM: 地膜覆蓋。同一土層、同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(<0.05), 同一土層、同行數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示各生育期間差異顯著(<0.05)。CK: no mulching; SM: 9 000 kg?hm-2straw mulching; PM: plastic film mulching. For the same soil layer and in the same column, different small letters mean significant differences at< 0.05 level among treatments. For the same soil layer and in the same row, different capital letters mean significant differences at< 0.05 level among growth stages.

土壤顆粒有機(jī)碳相對(duì)含量的生育期動(dòng)態(tài)與其絕對(duì)含量基本一致(表8)。0~10 cm土層, SM在各生育期顆粒有機(jī)碳相對(duì)含量均顯著高于其他處理, PM在大喇叭口—雄期顯著低于CK。10~20 cm土層, SM較CK顯著提高了除播前外其他時(shí)期的顆粒有機(jī)碳相對(duì)含量, PM在播前、灌漿期較CK有顯著下降。20~40 cm土層, SM在大喇叭口—抽雄期、灌漿期、收獲期顯著高于CK, 而PM在拔節(jié)期較CK有顯著降低。拔節(jié)期、大喇叭口—抽雄期、灌漿期、收獲期SM與PM均差異顯著。

表8 長(zhǎng)期不同地表覆蓋下春玉米不同生育期土壤顆粒有機(jī)碳相對(duì)含量動(dòng)態(tài)

CK: 不覆蓋對(duì)照; SM: 9 000 kg?hm-2覆蓋秸稈; PM: 地膜覆蓋。同一土層、同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(<0.05), 同一土層、同行數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示各生育期間差異顯著(<0.05)。CK: no mulching; SM: 9 000 kg?hm-2straw mulching; PM: plastic film mulching. For the same soil layer and in the same column, different small letters mean significant differences at< 0.05 level among treatments. For the same soil layer and in the same row, different capital letters mean significant differences at< 0.05 level among growth stages.

3 討論

農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量由進(jìn)入土壤與從土壤中損失的有機(jī)碳之間的動(dòng)態(tài)平衡決定, 其季節(jié)變化特征是作物生育進(jìn)程和管理措施交互作用的結(jié)果。本研究中, 秸稈覆蓋在大部分生育期均高于對(duì)照處理, 其土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出播前至苗期無(wú)變化、拔節(jié)期上升、大喇叭口—抽雄期下降、灌漿和收獲期回升的季節(jié)變化特征。秸稈覆蓋導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量提高, 一方面是由于增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入[16], 另一方面是由于其顯著的穩(wěn)溫保水作用有利于土壤有機(jī)碳的積累[9]。根據(jù)前人研究, 玉米在不同階段吸收養(yǎng)分的數(shù)量和比例差異較大[17]。苗期玉米植株較小且生長(zhǎng)緩慢, 所需養(yǎng)分較少, 土壤有機(jī)碳無(wú)明顯變化; 進(jìn)入拔節(jié)期, 覆蓋的秸稈會(huì)逐漸腐解補(bǔ)充土壤碳庫(kù); 大喇叭口—抽雄期, 玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn), 旺盛的生育活動(dòng)會(huì)刺激土壤微生物活動(dòng), 土壤有機(jī)碳下降; 灌漿和收獲期植株生長(zhǎng)基本停止, 對(duì)土壤養(yǎng)分需求較低, 此外該階段植株根系分泌物增多、部分凋零枝葉開(kāi)始補(bǔ)給土壤[18], 增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入, 導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量回升。本文秸稈覆蓋后土壤有機(jī)碳的生育期動(dòng)態(tài)與蔡太義[19]在渭北旱塬的報(bào)道一致, 與卜玉山等[9]在山西壽陽(yáng)的研究略有不同。后者研究表明, 秸稈覆蓋僅在春玉米生育后期較對(duì)照顯著提高了土壤有機(jī)碳, 這可能是由于其試驗(yàn)布設(shè)年限較短, 秸稈覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳的累積補(bǔ)充作用不顯著。地膜覆蓋后土壤有機(jī)碳在耕層(0~20 cm)無(wú)顯著季節(jié)變化, 且在生育后期(大喇叭口—抽雄期、灌漿及收獲期)較對(duì)照有顯著下降, 而在耕作下層變化趨勢(shì)與秸稈覆蓋相似, 這與卜玉山等[9]報(bào)道相一致。地膜覆蓋后土壤溫度升高, 會(huì)加速土壤碳的礦化過(guò)程[9], 不利于土壤有機(jī)碳積累; 而地膜覆蓋下表層土壤有機(jī)碳在生育期無(wú)顯著變化, 可能與覆蓋方式對(duì)玉米根系空間分布的影響有關(guān)。前人研究表明, 地膜覆蓋有利于促進(jìn)旱地玉米根系下扎, 且隨土層加深根系越發(fā)達(dá), 更利于玉米植株吸收深層土壤的養(yǎng)分[20], 因此地膜覆蓋下深層土壤更易受玉米生育進(jìn)程的影響, 動(dòng)態(tài)變化更明顯。

土壤微生物量碳是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的部分, 對(duì)管理措施反映極為靈敏[21]。本文中, 秸稈覆蓋較對(duì)照顯著提高了拔節(jié)、灌漿及收獲期的土壤微生物量碳含量, 這與賈會(huì)娟[22]在西南丘陵玉米田的研究結(jié)果一致, 但與吳榮美等[23]在半干旱黃土高原的研究略有不同, 可能是因?yàn)楹笳叩脑囼?yàn)設(shè)置為秸稈粉碎覆蓋而非整株覆蓋。苗期秸稈覆蓋產(chǎn)生的低溫效應(yīng)使微生物活性降低[19], 拔節(jié)期逐漸腐解的秸稈可為微生物提供充足營(yíng)養(yǎng), 隨后階段作物與微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)可能會(huì)抑制微生物生長(zhǎng), 而進(jìn)入灌漿和收獲期, 更多底物補(bǔ)給促使土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)[24], 導(dǎo)致微生物量碳回升。與土壤有機(jī)碳相似, 地膜覆蓋后土壤微生物量碳在耕層并無(wú)明顯季節(jié)變化, 且在生育后期較對(duì)照有顯著下降, 這與張成娥等[25]在黃土高原的研究一致。而李世清等[8]的研究則表明地膜覆蓋會(huì)提高小麥生育期微生物量碳, 這可能與作物和試驗(yàn)?zāi)晗薏煌嘘P(guān)。需要注意的是, 秸稈覆蓋下表層和地膜覆蓋處理的耕作下層土壤微生物量碳均在不同生育時(shí)期出現(xiàn)顯著波動(dòng), 但其相對(duì)含量并無(wú)明顯變化, 這說(shuō)明盡管覆蓋改變了土壤總有機(jī)碳庫(kù), 但并未影響到微生物量碳組分所占比例, 微生物量碳的增加或降低是土壤總有機(jī)碳變化的結(jié)果。

潛在可礦化碳是土壤微生物分解有機(jī)物質(zhì)過(guò)程中每單位微生物量所產(chǎn)生的CO2量, 其可以有效反映土壤有機(jī)碳的分解程度和土壤微生物活性[26]。本研究中秸稈覆蓋下土壤潛在可礦化碳含量有顯著提高, 其生育期動(dòng)態(tài)與微生物量碳基本一致。秸稈覆蓋可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的輸入, 在一定程度上減少土壤有機(jī)碳的礦化分解, 進(jìn)而提高潛在可礦化碳[27-28]。秸稈覆蓋下土壤潛在可礦化碳的相對(duì)含量在各生育期變化不大, 土壤可礦化碳的增加或降低是土壤總有機(jī)碳變化的結(jié)果; 而對(duì)照處理在大喇叭口—抽雄期至收獲期潛在可礦化碳相對(duì)含量有顯著下降, 說(shuō)明秸稈覆蓋可能對(duì)玉米生育后期潛在可礦化碳有重要的補(bǔ)充作用。與對(duì)照相比, 地膜覆蓋處理顯著降低了生育后期的潛在可礦化碳含量。地膜覆蓋下較高的溫度加速了土壤有機(jī)碳的礦化分解, 在一定程度上會(huì)導(dǎo)致潛在可礦化碳含量下降。地膜覆蓋下潛在可礦化碳的相對(duì)含量也有顯著季節(jié)變化, 并且在大喇叭口—抽雄期表現(xiàn)的尤為明顯, 這說(shuō)明地膜覆蓋下潛在可礦化碳組分的改變對(duì)總有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化有重要貢獻(xiàn)。

顆粒有機(jī)碳是與土壤砂粒組分結(jié)合的有機(jī)碳, 其周轉(zhuǎn)速度較土壤有機(jī)碳更快, 對(duì)表層土壤植物殘?bào)w的積累和根系分布變化非常敏感[15]。本研究除10~20 cm土層顆粒有機(jī)碳無(wú)明顯變化外, 其余土層顆粒有機(jī)碳的季節(jié)動(dòng)態(tài)與土壤有機(jī)碳基本一致, 且秸稈覆蓋顯著提高了大多數(shù)生育時(shí)期的顆粒有機(jī)碳含量。秸稈覆蓋對(duì)土壤起到一定的保護(hù)作用, 可以促進(jìn)土壤的團(tuán)聚作用[29], 因而可以提高顆粒有機(jī)碳。與對(duì)照相比, 地膜覆蓋后在生育后期土壤顆粒有機(jī)碳含量有所下降, 表明覆膜引起的土壤水熱條件變化后加速了土壤顆粒有機(jī)碳的礦化過(guò)程[5]。另外, 秸稈覆蓋處理土壤表層以及地膜覆蓋處理土壤顆粒有機(jī)碳的相對(duì)含量在不同生育期都發(fā)生了顯著變化, 表明地表覆蓋后容易引起土壤顆粒有機(jī)碳組分的改變, 而這種改變對(duì)總有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)具有重要貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

本研究基于黃土高原8 a的田間定位試驗(yàn), 比較分析了長(zhǎng)期秸稈和地膜覆蓋下土壤有機(jī)碳及其組分在玉米不同生育期的動(dòng)態(tài)特征。獲得的主要結(jié)論有: 1)除了地膜覆蓋耕層土壤有機(jī)碳、微生物量碳和秸稈覆蓋10~20 cm土層顆粒有機(jī)碳無(wú)顯著變化外, 秸稈和地膜覆蓋下土壤有機(jī)碳及其組分在春玉米生育期基本呈苗期下降、拔節(jié)期上升、大喇叭口—抽雄期下降、灌漿和收獲期回升的變化趨勢(shì)。2)與對(duì)照相比, 秸稈覆蓋在作物大多數(shù)生育期均顯著提高了土壤有機(jī)碳及其組分含量, 有助于培肥地力和土壤固碳; 而地膜覆蓋在生育后期導(dǎo)致土壤有機(jī)碳及其組分出現(xiàn)顯著下降。3)不同處理土壤微生物量碳相對(duì)含量在作物不同生育期差異不顯著, 而秸稈覆蓋下0~10 cm土層顆粒有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳變化具有重要貢獻(xiàn), 而地膜覆蓋后土壤有機(jī)碳變化可能主要來(lái)自于土壤潛在可礦化碳和顆粒有機(jī)碳。4)對(duì)照和地膜覆蓋處理土壤潛在可礦化碳和顆粒有機(jī)碳的相對(duì)含量在大喇叭口—抽雄期均顯著下降, 而秸稈覆蓋下兩種組分的相對(duì)含量則保持平穩(wěn), 表明秸稈覆蓋對(duì)生育后期土壤潛在可礦化碳和顆粒有機(jī)碳有重要的補(bǔ)給作用。

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Seasonal dynamics of soil organic carbon fractions under straw and plastic film mulching of spring maize*

MAO Hailan1, WANG Jun1,2**, FU Xin1, LI Rongrong1, ZHAO Dandan1

(1. College of Urban and Environmental Sciences, Northwest University, Xi’an 710127, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity, Xi’an 710127, China

It is important to investigate soil microbial biomass carbon, potential mineralized carbon and particulate organic carbon under different tillage patterns, mulching methods and fertilization regimes for evaluation of soil carbon pool change due to agricultural management. Based on a long-term mulching experiment in dry highland of the Losses Plateau, this study investigated dynamic changes of soil organic carbon at different crop growth stages under straw and plastic film mulching conditions. The aim of the study was to explore seasonal responses of soil organic carbon and its fractions to surface mulching and deepen the understanding of soil carbon cycle in dry farmland. The data were collected from the 8 years experiment with the treatments of straw mulching, plastic film mulching and no mulching (CK) at pre-sowing, seeding, jointing, belling-heading, filling and harvest stages of spring maize. The seasonal dynamics of soil organic carbon, microbial biomass carbon, potential mineralized carbon and particulate organic carbon in 0-10 cm, 10-20 cm and 20-40 cm layers were determined. The results showed that: 1) the contents of soil organic carbon, microbial biomass carbon, potential mineralized carbon and particulate organic carbon showed a tendency of decreasing at seedling stage, increasing at jointing stage, decreasing again at belling-heading stage and recovering at filling and harvest stages. 2) Compared with the CK, straw mulching effectively increased the contents of soil organic carbon and its fractions at most growth stages of spring maize, which improved soil fertility and enhanced carbon sequestration. Plastic film mulching did not show significant effects at the early growth stages, but decreased soil organic carbon and its fractions contents at the later stages of spring maize. 3) The ratio of microbial biomass carbon to soil organic carbon did not change with growth stages among treatments. However, particulate organic carbon in 0-10 cm under straw mulching was significantly higher than that under CK and plastic film mulching treatments, indicating that it hugely contributed to the dynamics of soil organic carbon in the topsoil layer under straw mulching treatment. The dynamics of soil organic carbon under plastic film mulching were mainly attributed to changes in particulate organic carbon and potential mineralized carbon. 4) The proportions of potential mineralized carbon and particulate organic carbon decreased at belling-filling stage with plastic film mulching or without any form of mulching, but did not change throughout the growing season with straw mulching. This indicated that straw mulching recharged soil potential mineralized carbon and particulate organic carbon during later growth stages. In conclusion, straw mulching of spring maize in the Loess Plateau significantly increased soil organic carbon and its fractions contents with obvious seasonal variations, while plastic film mulching showed decreasing effect at later growth stages of spring maize.

Straw mulching; Plastic film mulching; Soil organic carbon; Organic carbon fractions; Spring maize; Growing stage

, E-mail: wangj@nwu.edu.cn

10.13930/j.cnki.cjea.170603

S153.6+2

A

1671-3990(2018)03-0347-10

王俊, 主要從事農(nóng)田生態(tài)學(xué)研究。E-mail: wangj@nwu.edu.cn 毛海蘭, 主要從事農(nóng)田土壤碳氮研究。E-mail: maohl0414@163.com

2017-06-30

2017-10-17

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31570440).

* 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31570440)資助

Jun. 30, 2017; accepted Oct. 17, 2017

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