不同作物對連作玉米田土壤總有機(jī)碳與顆粒有機(jī)碳的影響

劉彩霞，薛建福，杜天慶，高志強(qiáng)，崔福柱，孫敏，翟紅梅,楊舒添

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

山西位于黃土高原東部，是中國玉米種植面積較大省份之一。由于玉米的大面積種植及多年連作造成土壤退化、養(yǎng)分失衡，進(jìn)而土壤有機(jī)碳含量降低[1～3]。土壤是陸地系統(tǒng)最大的碳庫，是作物生長進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的重要場所[4]。土壤有機(jī)碳是土壤的重要組成成分，對于防止土壤退化，改善土壤質(zhì)量以及緩解氣候變化等有重要的生態(tài)意義[5]。眾多研究表明，土壤有機(jī)碳的含量受到農(nóng)田管理措施(如施肥與耕作)、作物類型以及氣候等影響[6, 7]。輪作能夠改變作物根系的數(shù)量和種類，用養(yǎng)結(jié)合，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳含量[8, 9]。不同輪作模式因作物根系分布、作物的生物量以及土壤微生物群落等原因?qū)ν寥烙袡C(jī)碳含量影響不同[10]。魏艷春等[11]研究表明，糧-草長周期輪作處理土壤總有機(jī)碳含量在20～40 cm土層較糧豆短周期輪作和玉米連作分別增加7%和17%。也有研究表明，長期玉米連作及根茬還田后土壤肥力并未下降且有機(jī)質(zhì)含量呈增加趨勢[12～14]。土壤有機(jī)碳一般以穩(wěn)定的形態(tài)存在，難以反映農(nóng)田管理措施對土壤有機(jī)碳的影響，而土壤有機(jī)碳組分如顆粒有機(jī)碳，是有機(jī)質(zhì)中的慢庫，對土壤環(huán)境和農(nóng)田管理措施比較敏感，是評價土壤質(zhì)量的有效指標(biāo)[15]。顆粒有機(jī)質(zhì)一般占土壤碳庫的10%以上[16]。Mrabet et al[17]研究表明，小麥與糧草輪作較連作小麥能夠明顯增加土壤顆粒有機(jī)碳含量。此外，表層土壤有機(jī)質(zhì)對于土壤養(yǎng)分保持與提高土壤抗侵蝕能力等有重要的作用，常用土壤層化率來進(jìn)一步評價土壤質(zhì)量[18]。研究表明，無論土壤和氣候條件如何，一般而言，土壤層化率越高表明土壤質(zhì)量越好，且一般退化土壤的有機(jī)碳層化率小于2[18]。土壤總有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳層化率受耕作、種植制度、作物輪作等因素的影響[19,20]。目前，大多研究都集中于耕作方式、秸稈還田以及施肥等對土壤碳庫的影響[21～23]，而關(guān)于種植不同作物對連作玉米田土壤總有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳的影響的研究較少。

本文以連作玉米田土壤為研究對象，系統(tǒng)研究了豆科作物紅蕓豆、大豆以及禾本科作物高粱對連作玉米田土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳含量及層化率的影響，并進(jìn)一步揭示了連作玉米田土壤層化規(guī)律，估算了連作玉米田在種植不同作物后的土壤碳儲量。研究結(jié)果可為優(yōu)化土壤碳庫管理、改善土壤肥力與提高土壤質(zhì)量提供一定的理論依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站(112°59′E，37°42′N)。該試驗田于2005-2016年連續(xù)11年種植玉米。該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，平均海拔約802 m，年平均氣溫9.7 ℃，年降水量461.9 mm且降雨主要集中在6～8月份。試驗田土壤類型為褐土，成土母質(zhì)富含石灰，土層深厚，地勢平坦，肥力較好。2017年播前采集0～30 cm土層土樣進(jìn)行測定，其供試土壤基本理化性狀見表1。

表1 播前土壤耕層(0～30 cm)基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical characteristics of soil tillage (0～30 cm) before sowing

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

試驗于2017年4-9月山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站11年連作玉米田進(jìn)行。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)4個處理，每個處理3次重復(fù)，共12個小區(qū)；小區(qū)面積30 m2(6 m×5m)。供試材料分別為高粱(CSM)、紅蕓豆(CRK)、大豆(CSN)和玉米(CCN)，品種分別為晉雜22號、英國紅蕓豆、晉大78號和大豐30。播前復(fù)合肥750 kg·hm-2(N-P2O5-K2O=24-14-6)作基肥，4月26日人工開溝播種，開溝深度為4 cm。田間管理按常規(guī)大田管理方法進(jìn)行。

1.3 土樣采集與測定

于2017年9月25日全部收獲時，采用“五點(diǎn)取樣法”在每個小區(qū)分層(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm)采集土樣，自然風(fēng)干后剔除作物殘茬與石礫等雜物，過2 mm和0.25 mm的篩子，用于測定土壤顆粒有機(jī)碳含量及土壤總有機(jī)碳含量。

1.3.1 土壤顆粒有機(jī)碳含量的測定

采用六偏磷酸鈉提取法進(jìn)行測定[24]。稱取10.0 g過2 mm篩的土樣于50 mL塑料瓶中，加5 g·L-1六偏磷酸鈉溶液30 mL，搖勻后置于搖床上(220 r·min-1)震蕩18 h，再把土壤懸液過53 μm篩，用蒸餾水沖洗，除去植物根系等雜物，將剩余物質(zhì)洗至事先稱重的鋁盒，于60 ℃烘干后稱重。計算烘干后土樣重占整個土樣的比例，即為土壤顆粒組分比例[25, 26]。

將烘干后的土樣磨至過0.15 mm篩，取一定質(zhì)量的土樣分析烘干樣品中總有機(jī)碳含量(土壤總有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀稀釋熱法[27, 28]測定)，并計算供試土壤樣品中顆粒有機(jī)碳含量。計算公式如下:

式中，Wpoc為顆粒有機(jī)物所占土壤質(zhì)量的比例/%，M1為待測土樣的重量/g，M0為過篩后的烘干土壤重量/g。

Ct-poc=Cpoc×Wpoc

式中，Ct-poc為供試土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳的含量/g·kg-1，Cpoc為土壤顆粒組分中有機(jī)碳的含量/g·kg-1。

1.3.2 土壤有機(jī)碳儲量的計算

采用等質(zhì)量法計算0～30 cm各土層的土壤有機(jī)碳儲量[29]。

Msoc,i=ρb,i×TI×Csoc,i×0.001×10 000

式中，Msoc,i為第i土層的土壤有機(jī)碳儲量/T·hm-2，Ti為第i層土壤厚度/m，ρb,i為土壤容重/g·cm-3，Csoc,i為第i層土壤總有機(jī)碳含量/g·kg-1。0.001與10 000均為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.001為質(zhì)量單位kg換算為T的換算系數(shù)，10 000為面積單位m2換算為hm-2的換算系數(shù))。

1.3.3 土壤層化率的計算

土壤層化率是表層土壤總有機(jī)碳(或顆粒有機(jī)碳)含量與其余土層總有機(jī)碳(或顆粒有機(jī)碳)含量的比值[18]。本試驗土壤層化率采用表層0～5 cm的土壤總有機(jī)碳(顆粒有機(jī)碳)含量與其余各土層土壤總有機(jī)碳(顆粒有機(jī)碳)含量比值進(jìn)行計算分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析選用SPSS 16.0軟件，不同指標(biāo)不同處理之間平均值的顯著性比較采用新復(fù)極差法(Duncan)。運(yùn)用SigmaPlot 12.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物對土壤總有機(jī)碳含量的影響

不同處理在0～40 cm土層總有機(jī)碳含量范圍為3.70～10.26 g·kg-1(圖1)。總體而言，除CRK處理在30～40 cm土層有機(jī)碳含量增加外，其余處理的有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加整體呈降低的變化趨勢。0～5 cm土層，與CCN相比，CSM處理土壤總有機(jī)碳含量降低了7.52%，且差異達(dá)到了顯著水平，而CRK、CSN和CCN處理之間總有機(jī)碳含量無顯著性差異(P<0.05)。5～10 cm土層，各處理土壤總有機(jī)碳含量從高到低分別為CRK>CCN>CSM>CSN，且不同處理之間差異顯著(P<0.05)。其中， CSN和CSM處理分別較CCN處理低19.94%和7.51%(P<0.05)。CCN、CRK和CSM處理在10～20 cm土層土壤總有機(jī)碳含量分別為8.64、8.75和8.65 g·kg-1，CSN處理較CCN處理低13.67%(P<0.05)。在20～30 cm土層，CCN處理的總有機(jī)碳含量分別比CRK、CSM和CSN增加17.47%、18.17%和36.50%。在30～40 cm土層不同處理土壤總有機(jī)碳含量變化呈現(xiàn)出明顯的差異，CRK處理土壤總有機(jī)碳含量最高，為8.94 g·kg-1，較CCN處理顯著增加23.55%。與CCN處理相比，CSN和CSM處理分別降低3.53和2.87 g·kg-1(P<0.05)。

2.2 不同作物對土壤有機(jī)碳儲量的影響

不同處理0～30 cm 土層土壤有機(jī)碳儲量范圍為4.64～12.30 T·hm-2(圖2)。CSN處理在0～5 cm土層土壤有機(jī)碳儲量最高，為6.60 T·hm-2，與CCN、CRK和CSM處理差異顯著(P<0.05)。CRK處理在0～5 cm土層土壤有機(jī)碳儲量最低，且與CCN處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。隨著土層深度的增加，CSN處理土壤有機(jī)碳儲量在5～10 cm土層降低。與CCN處理相比，CSM和CSN處理分別降低1.89%和20.71%，CRK處理增加1.19%。10～20 cm和20～30 cm土層CCN處理土壤有機(jī)碳儲量最高，分別為11.89 T·hm-2和12.30 T·hm-2。其中，在10～20 cm土層，CSM處理與CCN處理之間無顯著性差異，而CSN和CRK處理較CCN處理分別顯著降低1.62 T·hm-2和1.29 T·hm-2(P<0.05)。不同處理在20～30 cm土層土壤有機(jī)碳儲量表現(xiàn)為CCN>CSM>CRK>CSN，且不同處理之間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖1 不同作物對土壤總有機(jī)碳含量的影響Fig.1 Effect of different crops on soil total organic carbon content

圖2 不同作物對土壤有機(jī)碳儲量的影響Fig.2 Effect of different crops on soil total organic carbon reserves

2.3 不同作物對土壤顆粒組分比例的影響

不同處理在0～40 cm土層土壤顆粒組分比例約為33.97%～44.13%，且CCN處理下土壤顆粒組分比例最低(圖3)。0～5 cm土層CRK處理土壤顆粒組分比例較CCN處理顯著增加11.81%，CSM和CSN處理土壤顆粒組分比例分別為41.10%和39.77%，且與CCN處理差異不顯著(P<0.05)。CCN、CSM、CSN和CRK處理在5～10 cm土層土壤顆粒組分比例分別為37.47%、40.36%、37.60%和41.16%。與CCN處理相比，CSM、CSN和CRK處理在10～20 cm土層分別增加5.66%、10.89%和14.74%(P<0.05)。CRK處理在20～30 cm土層土壤顆粒組分比例最高，為44.13%，CSN處理次之，CSM處理較低，CCN處理最低，僅為36.57%，且不同處理之間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。CRK和CSN處理在30～40 cm土層較CCN處理分別增加14.71%和10.18%，CSM處理與CCN處理之間差異不顯著(P<0.05)。

圖3 不同作物對土壤顆粒組分比例的影響Fig.3 Effect of different crops on the ratio of soil particle components

2.4 不同作物對土壤顆粒有機(jī)碳含量的影響

不同處理0～40 cm土層土壤顆粒有機(jī)碳含量范圍約為1.36～5.46 g·kg-1(圖4)。與土壤顆粒組分比例不同，0～40 cm土層CSN處理土壤顆粒有機(jī)碳含量最低，除5～10 cm土層CSM處理土壤顆粒有機(jī)碳含量最高外，其余土層均為CRK處理土壤顆粒有機(jī)碳含量最高。與CCN處理相比，CRK處理在0～40 cm土層均顯著高于CCN處理(P<0.05)。CSM處理在5～10 cm和10～20 cm土層較CCN處理分別增加51.25%和32.07%，而在0～5 cm和30～40 cm土層與CCN處理差異未達(dá)到顯著水平(P<0.05)。與CCN處理相比，CSN處理在5～10 cm和10～20 cm土層分別降低0.49 g·kg-1和0.46 g·kg-1，而在其余土層均顯著低于CCN處理(P<0.05)。不同處理在20～30 cm土層表現(xiàn)為CRK>CCN>CSM>CSN，各處理之間差異顯著(P<0.05)。

圖4 不同作物對土壤顆粒有機(jī)碳含量的影響Fig.4 Effect of different crops on the soil organic carbon content

2.5 不同作物對土壤總有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳層化率的影響

不同處理0～5 cm土層與其他各土層的總有機(jī)碳層化率和顆粒有機(jī)碳層化率分別介于1.03～2.76和0.74～2.47之間(圖5)。

不同土深比下CSN處理的總有機(jī)碳層化率顯著高于其他處理(P<0.05)。與CCN處理相比，CSN處理分別增加0.30、0.21、0.50和1.38(P<0.05)。CCN、CSM和CRK處理0～5∶5～10總有機(jī)碳層化率分別為1.06、1.03和1.03。CSM處理0～5∶10～20總有機(jī)碳層化率較CCN處理降低0.09，而0～5∶30～40總有機(jī)碳層化率較CCN處理增加53.58%(P<0.05)。與CCN處理相比，CRK 處理0～5∶20～30總有機(jī)碳層化率顯著增加21.13%，而其余土深比CRK處理總有機(jī)碳層化率與CCN處理之間無顯著性差異(P<0.05)。

隨著土層深度的增加，不同處理顆粒有機(jī)碳層化率呈增加的變化趨勢，且不同處理之間顆粒有機(jī)碳層化率差異性較小(圖5，b)。CSM處理0～5∶5～10和0～5∶10～20土壤顆粒有機(jī)碳層化率分別為0.74、0.89，較CCN處理分別降低26.73%、16.82%，而CSM處理0～5∶20～30顆粒有機(jī)碳層化率較CCN處理增加2.76%(P<0.05)。與CCN處理相比，CRK處理不同土深比下顆粒有機(jī)碳層化率差異均不顯著(P<0.05)。CSN處理0～5∶10～20土壤顆粒有機(jī)碳層化率較CCN處理降低0.17，而其余土深比下顆粒有機(jī)碳層化率與CCN處理差異均未達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖5 不同作物對土壤總有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳層化率的影響Fig.5 Effect of different crops on soil total organic carbon and granular organic carbon stratification rate

3 討論與結(jié)論

土壤總有機(jī)碳能夠改善土壤質(zhì)量，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán)。土壤總有機(jī)碳含量受作物種類和土層深度的影響而表現(xiàn)出不同的差異。一般而言，土壤總有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加均呈降低的趨勢[30]。本試驗研究結(jié)果顯示CCN、CSM和CSN處理隨著土層深度的增加土壤總有機(jī)碳含量均呈降低趨勢，而CRK處理在30～40 cm土層土壤總有機(jī)碳含量顯著增加。這可能是由于紅蕓豆植株矮小，根莖粗且根系短小，在30～40 cm土層土壤擾動較少。且與其他作物相比，紅蕓豆植株生育期較短，收獲時間較早，后期對土壤養(yǎng)分的需求較少。因此，CRK處理在30～40 cm土層土壤總有機(jī)碳含量增加。而表層土壤因作物收獲加速土壤有機(jī)碳礦化分解，總有機(jī)碳含量降低。豆科作物根瘤具有固氮作用，在增加土壤氮素的同時還能夠提高土壤總有機(jī)碳的含量[11]。研究表明，豆科與禾本科輪作能夠增加土壤總有機(jī)碳含量[31, 32]。本試驗中CSN處理在5～40 cm土層顯著低于CCN、CRK和CSM處理。研究認(rèn)為，農(nóng)田中的有機(jī)碳主要來源于施肥量、作物根系、地上部凋落物以及微生物群落等，且農(nóng)田輸入與輸出量的差值決定最終土壤有機(jī)碳含量[33, 34]。本試驗中前茬玉米收獲后根茬還田并在作物播種前施肥可能是造成本試驗結(jié)果的重要原因。其次，植株根系對于固碳機(jī)制的貢獻(xiàn)有重要意義，玉米根系分泌物較大豆根系分泌物能夠增加總碳量[35]。

土壤有機(jī)碳儲量對于全球氣候變化和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[34]。本試驗分析得出，CCN處理在5～30 cm土層土壤有機(jī)碳儲量較高。楊艷[36]研究表明，玉米連作田較小麥-玉米輪作田更有利于碳儲量的保存。此外，本試驗中CSN處理增加了0～5 cm土層土壤有機(jī)碳儲量，CRK處理較CSM和CCN處理增加了5～10 cm土層土壤有機(jī)碳儲量。表明豆科作物可以增加表層(0～10 cm)土壤有機(jī)碳儲量。

土壤顆粒有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速度較快，能夠敏感的反映作物殘體歸還量和有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)情況[37]。不同作物對土壤顆粒有機(jī)碳的影響不同[38]。本試驗研究結(jié)果表明，與CCN處理相比，CRK處理增加了0～40 cm土層土壤顆粒有機(jī)碳含量，CSM處理僅增加了0～20 cm土層土壤顆粒有機(jī)碳含量，而CSN處理則降低了土壤顆粒有機(jī)碳含量。土壤顆粒有機(jī)碳由未完全分解的植物殘體和根系殘體組成，對于表層土壤的植物殘體積累和根系分布較敏感[24, 39]。紅蕓豆生育期較其他作物短，其植株葉片凋落以及根系分泌物為土壤微生物提供更多有機(jī)質(zhì)。與玉米和高粱植株根系相比，大豆植株屬于直根系，根系不發(fā)達(dá)，且在耕層分布面積較小。黃瑞冬等[40]研究發(fā)現(xiàn)玉米和高粱植株高大，根系特征差異較小，但高粱植株根系較玉米吸收能力強(qiáng)，而玉米根系體積、長度和表面積均高于高粱。

土壤總有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳層化率對于評價土壤質(zhì)量和土壤固碳有重要的研究意義[41]。了解種植作物對土壤層化率的影響，有助于分析各處理土壤性狀在土壤剖面的分布情況。本試驗中，隨著土層深度的增加，總有機(jī)碳層化率和顆粒有機(jī)碳層化率整體呈增加的變化趨勢。這與前人研究結(jié)果基本類似[41, 42]。研究發(fā)現(xiàn)，CSN處理土壤總有機(jī)碳層化率較高，而CCN、CSM和CRK處理差異較小。表明CSN處理表層土壤總有機(jī)碳富集，而其他處理土壤總有機(jī)碳在耕層空間分布更加均勻。此外，不同的氣候條件、土壤類型、田間管理措施以及耕作措施都會影響土壤有機(jī)碳庫的變化進(jìn)而影響土壤層化率，進(jìn)一步分析不同機(jī)制對土壤有機(jī)碳庫的影響對于土壤固碳和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

綜上，在連作玉米田種植大豆和高粱對于增加土壤總有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳含量效果不明顯，而種植紅蕓豆明顯增加了連作玉米田5～10 cm和30～40 cm土層土壤總有機(jī)碳含量，有利于提高耕層土壤顆粒組分比例和顆粒有機(jī)碳含量，對于土壤固碳、改善土壤質(zhì)量和環(huán)境提供參考依據(jù)。但因試驗?zāi)晗抻邢?，對于長期種植不同作物對連作玉米田土壤總有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的影響還需進(jìn)一步定位研究。