保護性耕作對蠶豆根系生長及根際土壤有機碳動態(tài)的影響

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(1.西南大學農(nóng)學與生物科技學院，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室， 四川 重慶400715)

紫色土是我國一種特有的土壤資源，主要分布在四川盆地。西南紫色土地區(qū)由于其濕潤的氣候和復(fù)雜的地形等特點，加上人為活動的加劇，使得該區(qū)域內(nèi)水土流失現(xiàn)象越來越嚴重。尤其是對于占本區(qū)耕地面積70%以上的旱作坡耕地，土層淺薄、土壤有機質(zhì)下降、保水保土性能差等，已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素[1]。以秸稈覆蓋[2]、壟作[3]為主的保護性耕作措施在改善土壤肥力、提高作物產(chǎn)量方面在該地區(qū)具有顯著的效益。黃新君等發(fā)現(xiàn)，增施有機質(zhì)的同時進行秸稈覆蓋可作為紫色土區(qū)坡耕地減小土壤可蝕性的有效措施[4]。韓曉飛等通過長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，在保護性耕作下土壤上下層全磷、有效磷和各形態(tài)無機磷均有不同程度的增加，有利于土壤肥力提高[5]。R.Alvarez等認為，長期的保護性耕作能增加土壤有機碳庫[6]。但針對紫色土丘陵區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的研究較少，從而限制了對其有機碳積累、轉(zhuǎn)化的特殊性的進一步認識。

本文基于紫色土丘陵區(qū)坡耕地“蠶豆/玉米/甘薯”旱三熟種植模式，通過對比分析探究保護性耕作對蠶豆(ViciafabaL.)根系生長狀況、土壤理化性狀和根際土壤有機碳動態(tài)的影響，剖析各指標間的關(guān)聯(lián)性，初步揭示保護性耕作影響根際土壤有機碳動態(tài)的內(nèi)部機制，探究其適宜的保護性耕作措施，為合理利用該措施改善土壤有機質(zhì)狀況和解決生態(tài)效益低下問題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于重慶市西南大學試驗農(nóng)場保護性耕作長期定位試驗點，地處東經(jīng)106°26′，北緯30°26′，海拔244 m，屬于亞熱帶季風氣候。年平均氣溫18.3℃，年平均降雨量1 133.4 mm，在蠶豆生育期的降雨量占全年降雨量的60%；年日照1 276.7 h，無霜期年均約334 d； 土壤為旱地中性紫色土，坡度較緩，地力均勻。土壤的基本理化性質(zhì)如下：pH 6.47，土壤有機質(zhì)28.00 g·kg-1，全氮1.68 g·kg-1，全磷1.46 g·kg-1，全鉀34.54 g·kg-1，堿解氮35.23mg·kg-1，速效磷18.13 mg·kg-1，速效鉀71.1 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地已連續(xù)6年開展旱三熟種植模式下的保護性耕作研究，每年的耕作處理保持一致。本研究于2014年11月至2015年5月以“蠶豆/玉米/甘薯”旱三熟種植模式中第一季作物蠶豆田為研究對象設(shè)置田間試驗。參試作物蠶豆(ViciafabaL.)的品種為“陵西一寸”，于2014年11月3日種植，2015年5月1日收獲；點播，壟作處理植株種植在壟上，每條帶2行，每行12窩，每窩3株，各處理均施復(fù)合肥225 kg·hm-2(含N 15%、P2O515%、K2O 15%)，作為基肥在播種的同時施入。試驗共設(shè)6個處理(見表1)，采用隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)的面積為8.0 m×3.6 m。每個小區(qū)均分四廂共八個條帶，每個條帶寬度為1.0 m，長度為3.6 m。每個處理重復(fù)3次。覆蓋處理所用的玉米秸稈，收獲后人工截成10 cm左右，均勻覆蓋于小區(qū)內(nèi)，半量覆蓋處理的小區(qū)覆蓋秸稈量約為3 750 kg·hm-2，全量覆蓋處理的小區(qū)覆蓋秸稈量為7 500 kg·hm-2。田間管理措施同常規(guī)。

表1 試驗處理Table 1 The experimental treatments

1.3 測定指標與方法

1.3.1蠶豆根系指標測定 在蠶豆的幼苗期、分枝期、開花期、結(jié)莢期、成熟期，隨機選取各處理的小區(qū)內(nèi)蠶豆4窩共12株，用三角鍬挖出蠶豆根系，連根帶土壤緩緩移出，除去地上部分，放入塑料袋中帶回實驗室。在分離出根際/非根際土壤后，用水沖根取樣，采用小水慢沖、以不折損細根為原則，盡量保留根系完整。測定指標如下：

根系總長、根表面積、根平均直徑：采用winRHIZO根系分析系統(tǒng)(加拿大Regent公司)掃描測定；

根系生物量：將掃描后的根在105℃下殺青20 min，然后在75℃條件下烘干至恒重 (g)；

根系呼吸：采用LI6400便攜式光合作用系統(tǒng)(美國Li-Cor公司)連接的6400-09土壤呼吸室測定。在每個處理的第一個重復(fù)的四廂選擇一廂不種作物作為無根土壤的代表，分別測定無根土壤和種植作物帶的土壤呼吸。利用根排除法計算根呼吸，計算公式如下：

根呼吸=帶根土壤的二氧化碳通量-無根土壤的二氧化碳通量

1.3.2根際土壤有機碳活性組分 根際/非根際土壤樣品的采集：在蠶豆的幼苗期、分枝期、開花期、結(jié)莢期、成熟期，隨機選取各處理的小區(qū)內(nèi)蠶豆3窩共9株，用三角鍬挖出蠶豆根系，連根帶土壤緩緩移出，除去地上部分，放入塑料袋中，仔細剔除無根分布的土體，并緩緩抖落根圍土壤，抖落掉的土壤為非根際土壤，剩余附著在根系上的土壤薄層(<10 mm)為根際土壤。測定指標如下：

水溶性有機碳(dissolved organic carbon，DOC)含量測定：釆用TOC-VCPH自動測定儀(日本島津公司)測定。

微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)：釆用氯仿熏蒸浸提法測定[7]。

顆粒態(tài)有機碳(particulate organic carbon，POC)：釆用六偏磷酸鈉分散法測定[8]。

土壤有機碳礦化特征分析：采用短期土壤培養(yǎng)法[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17.0軟件對試驗所得數(shù)據(jù)進行方差分析、顯著性檢驗和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下蠶豆根系生長特性的動態(tài)變化

2.1.1保護性耕作對蠶豆根系生物量的影響 根系生物量是研究根系生長狀況的重要指標。隨著蠶豆生育期的推進，其根系生物量逐漸增加，結(jié)莢期達到最大；結(jié)莢期到成熟期，蠶豆根系逐漸衰老死亡，根系生物量減少(圖1)。

除幼苗期外，蠶豆其他各生育期的根系生物量在不同處理間的變化有相同規(guī)律，其大小排序為：T

圖1 不同生育期蠶豆根系生物量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of root biomass in growth period of broad bean注：不同小寫字母表示不同處理間差異達到顯著水平(P<0.05),下同Note：Different small-letter means significant differece between different treatments at the 0.05 level，the same as below

2.1.2保護性耕作對蠶豆根系形態(tài)變化的影響 由表2可知，蠶豆總根長(total root length，TRL)隨著生育期的推進逐漸增大。除幼苗期外，其余各生育期的趨勢為：T

蠶豆根表面積(root surface area，RSA)也是隨著生育期的推進逐漸增大。在蠶豆幼苗期和開花期，秸稈半量覆蓋處理(TS1、RS1)的根表面積最大。在分枝期，根表面積的順序為：T

除幼苗期外，蠶豆根系平均直徑(average diameter，AD)在各生育期的大小順序基本為：T

綜上所述，在蠶豆生育期內(nèi)，相同耕作條件下，全量秸稈覆蓋處理相對于無覆蓋處理，能顯著增加根系生物量并促進其形態(tài)發(fā)育。在相同秸稈覆蓋量下，壟作較平作更能改善作物根系形態(tài)，且其促進作用主要表現(xiàn)在生育后期，證明通過秸稈覆蓋和壟作的保護性耕作措施均能改善農(nóng)田微環(huán)境，不同程度促進蠶豆根系生長，進而促進作物生長。

表2 不同耕作措施對蠶豆根系形態(tài)變化的影響Table 2 Effect of different tillage systems on morphology of root system of broad bean

2.2 保護性耕作對蠶豆根系呼吸的影響

根系的呼吸速率采用根系排除法計算得出，如圖2所示，根系呼吸速率在整個生育期波動較大，從蠶豆幼苗期到開花期根系呼吸呈緩慢增加趨勢，從開花期到結(jié)莢期，根系呼吸顯著提高，至成熟期，根系呼吸明顯下降。

除幼苗期外，各生育期平作處理的呼吸速率均大于壟作處理，差異顯著。在幼苗期，各處理根系呼吸差異不顯著；分枝期和開花期，平作處理隨秸稈覆蓋量的增大，根系呼吸逐漸增大，且差異顯著，壟作各處理差異不顯著；結(jié)莢期和鼓粒期，TS1、TS2、RS2的根系呼吸速率較對照T顯著提高；成熟期，TS1、RS1、TS2、RS2的根系呼吸速率較對照T顯著提高。

2.3 保護性耕作對根際土壤有機碳相關(guān)組分的影響

2.3.1保護性耕作對根際土壤水溶性有機碳的影響 由圖3可知，不同處理下蠶豆根際DOC平均含量表現(xiàn)為：RS1

不同處理下蠶豆非根際DOC平均含量表現(xiàn)為：TS1

在生育前期，除秸稈全量覆蓋外，不同處理的根際DOC含量與非根際土壤差異并不顯著，即表明DOC無根際富集效應(yīng)，但與秸稈覆蓋量有相關(guān)性。土壤水溶性有機碳作為土壤有機碳最活躍的組成部分,可通過全量秸稈覆蓋的保護性耕作措施進行有效調(diào)節(jié)。

圖2 蠶豆條帶根系呼吸動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of root respiration in broad bean belt

圖3 不同耕作方式下根際與非根際土壤可溶性有機碳含量的變化Fig.3 Changes in content of dissolved organic carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

2.3.2保護性耕作對根際土壤微生物量碳的影響 圖4結(jié)果表明，不同秸稈覆蓋處理的根際MBC含量在各生育期都有如下規(guī)律：T

綜上可知，不同處理的根際MBC含量均高于非根際土壤，除RS2處理差異不顯著，其余處理均存在顯著差異，即表現(xiàn)出根際MBC富集效應(yīng)。證明根際微環(huán)境土壤是受作物根系生長和微生物活動影響最強烈的部分。

圖4 不同處理下根際與非根際土壤微生物量碳含量的動態(tài)變化Fig.4 Changes in content of microbial biomass carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

2.3.3保護性耕作對根際土壤顆粒有機碳的影響 不同耕作方式對根際/非根際POC含量的影響如圖5所示。在蠶豆各生育期，根際POC含量均表現(xiàn)為壟作和平作的秸稈全量覆蓋處理(TS2、RS2)大于對照T處理，且差異顯著。秸稈半量覆蓋下，除苗期和結(jié)莢期外，壟作POC含量顯著優(yōu)于平作。在除開花期外，非根際POC含量也均表現(xiàn)為全量覆蓋處理(TS2、RS2)顯著大于對照T處理。表明在秸稈半量覆蓋下，壟作優(yōu)于平作；而壟作和平作在秸稈全量覆蓋下均有利于POC的積累，對于提高土壤肥力水平、改善土壤質(zhì)量具有重要的意義。

2.3.4保護性耕作對根際土壤可礦化碳的影響 土壤有機碳累積礦化量是土壤在特定培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)一定周期內(nèi)釋放的CO2數(shù)量。各耕作處理根際與非根際土壤有機碳累積礦化量的變化趨勢較一致，在培養(yǎng)前期土壤礦化速度較快，隨著培養(yǎng)時間的推進礦化速度下降，土壤有機碳礦化累積速度也逐步放緩。由表3的潛在可礦化碳(potential mineralized carbon，PMC)與礦化強度變化得出，在蠶豆幼苗期和分枝期，根際土壤有機碳礦化量小于非根際土壤，在開花期和成熟期，根際土壤有機碳礦化量大于非根際土壤。不同保護性耕作方式下根際土壤有機碳累積礦化量在苗期和分枝期都有以下變化規(guī)律：T

TS2、RS2處理的根際或非根際土壤礦化強度都顯著小于對照T處理，說明全量覆蓋處理下的土壤有機碳穩(wěn)定性更強。在蠶豆幼苗期，根際土壤的礦化強度小于非根際土壤；其他三個生育期則表現(xiàn)為根際土壤礦化強度大于非根際土壤。這說明根際土壤有機碳礦化對于不同耕作處理的響應(yīng)更為敏感。

圖5 不同處理下根際與非根際土壤顆粒態(tài)有機碳含量的動態(tài)變化Fig.5 Changes in content of particulate organic carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

表3 不同處理下根際與非根際土壤有機碳累積礦化量和礦化強度動態(tài)特征Table 3 Changes in cumulative mineralization of organic carbon and mineralized intensity in rhizosphereand bulk soil under different tillage systems

3 討論

杜天慶[10]等研究了4種豆科牧草，認為其根系生長特征呈S型，可分為緩增期、速增期和頂峰期。本試驗研究結(jié)果表明蠶豆的根系生物量在結(jié)莢期達到最大，這與作物品種有關(guān)。秸稈覆蓋處理可以提高蠶豆根系生物量，且秸稈全量覆蓋提高效果更好。秸稈覆蓋措施有助于延緩根系衰老，為蠶豆產(chǎn)量提高提供潛力，這與王彥慶等[11]的研究是一致的。

鄒聰明等[12]研究表明，秸稈覆蓋對苗期玉米根系的根長、根表面積有顯著性提高。馮福學[13]的研究表明，免耕秸稈覆蓋處理下的冬小麥根系根長、根表面積較傳統(tǒng)耕作有顯著性的提高。本試驗中，壟作+秸稈覆蓋處理可以顯著提高蠶豆根系根長，且全量覆蓋的根長顯著大于半量覆蓋；壟作處理顯著提高蠶豆根系表面積，而秸稈覆蓋對根表面積的影響不顯著；秸稈全量覆蓋可以顯著提高蠶豆根系平均直徑。這是因為秸稈覆蓋增大土壤水分，促進根系發(fā)育，提高根系活力和根系生物量[14]，直接影響根系的生長與構(gòu)形分布，且壟作+秸稈覆蓋可以有效降低土壤容重，促進蠶豆根系生長。

秸稈還田可以提高土壤有機質(zhì)的輸入量，減少土壤有機碳的礦化分解，從而增加土壤有機碳含量[15]。本研究表明，秸稈覆蓋處理較傳統(tǒng)耕作方式表現(xiàn)出了明顯的有機碳積累優(yōu)勢，尤其是秸稈全量處理的優(yōu)勢更顯著，在秸稈半量覆蓋的情況下，壟作有利于提高土壤TOC含量，其他情況則不一定，這可能是秸稈覆蓋與壟作的交互作用引起的。

王丹丹等[16]的研究結(jié)果表明秸稈還田提升了水溶性碳、活性有機碳含量。符卓旺[17]對水稻根際土壤有機碳動態(tài)的研究表明，水溶性碳含量有明顯的根際富集效應(yīng)。本試驗結(jié)果表明，土壤活性有機碳組分中，MBC表現(xiàn)出明顯的根際富集效應(yīng)，這是因為根際微環(huán)境土壤是受作物根系生長和微生物活動影響最強烈的部分。秸稈覆蓋處理顯著提高了MBC含量，且秸稈全量覆蓋提高效果更好。秸稈全量覆蓋顯著提高了土壤DOC和POC含量。說明MBC對秸稈覆蓋量的響應(yīng)更敏感，這可能與種植制度有關(guān)。秸稈全量覆蓋(TS2、RS2)的礦化強度均低于不覆蓋處理(T、R)，說明秸稈覆蓋處理可能會提高土壤有機碳的穩(wěn)定性。同時，秸稈覆蓋處理有利于土壤有機碳礦化量的增加，這主要是由于秸稈覆蓋處理下的土壤總有機碳儲量更多，有機碳礦化量也隨之增多。

王健波等[18]認為，長期保護性耕作能夠提高農(nóng)田土壤固碳量，減少大氣溫室氣體排放，對于改善土壤碳庫和減排效果是一個良好的選擇。熊瑛等[19]研究發(fā)現(xiàn)，壟作顯著降低了蠶豆農(nóng)田土壤呼吸速率，而秸稈覆蓋顯著提高土壤呼吸速率，且隨著覆蓋量的增加而增加。壟作和秸稈覆蓋有利于蠶豆田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯,以壟作+秸稈全量覆蓋的效果最好。與本試驗研究結(jié)果一致。秸稈覆蓋提高蠶豆生育后期根系呼吸速率，這可能與秸稈覆蓋下根系生物量顯著提高有關(guān)；土壤呼吸是碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。結(jié)莢期是生育期中土壤呼吸高峰期，這主要是因為開花期過后，大氣回溫，土壤溫度逐漸上升，土壤微生物活動增強，且根系生物量達到最大，根系對土壤呼吸的貢獻增大。壟作提高了根系生物量進而增加了根系呼吸，但其增加量并不能抵消微生物呼吸的降低量,最終表現(xiàn)為蠶豆田土壤呼吸顯著低于平作。保護性耕作通過對植物根系生長的影響，從而對根際微環(huán)境碳循環(huán)產(chǎn)生調(diào)控效應(yīng)。壟作+秸稈覆蓋的耕作模式在促進作物根系生長的同時控制了土壤CO2排放量，有利于蠶豆田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，對于節(jié)能減排的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極效用。

4 結(jié)論

秸稈覆蓋處理顯著提高了蠶豆根系生物量、單株根長度，根總表面積及根平均直徑，各指標總趨勢表現(xiàn)為：T

秸稈覆蓋+壟作的保護性耕作措施較傳統(tǒng)耕作方式表現(xiàn)出了明顯的有機碳積累優(yōu)勢，尤其是秸稈全量處理優(yōu)勢更顯著。秸稈覆蓋可以提高根際MBC含量，且MBC含量與秸稈覆蓋量呈正相關(guān)。TS2和RS2處理的根際土壤礦化強度顯著低于傳統(tǒng)平作(T)，說明秸稈覆蓋可以改善土壤微環(huán)境，降低土壤礦化能力，提高土壤有機碳的穩(wěn)定性及土壤固碳能力。