麥茬免耕對(duì)不同麥玉輪作方式土壤有機(jī)碳含量的影響

楊彩紅，耿艷香，伏星舟，嚴(yán)長(zhǎng)庚，柴 強(qiáng)

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

甘肅河西走廊荒漠綠洲區(qū)地處中國(guó)西北內(nèi)陸，是典型的風(fēng)蝕區(qū)。嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致綠洲耕地土壤退化和耕地質(zhì)量下降，致使大量耕地廢棄和生態(tài)日趨惡化，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全。土壤風(fēng)蝕不僅造成土壤養(yǎng)分的不斷衰減、地表粗化及耕層變薄，而且引起土壤有機(jī)碳的損失和轉(zhuǎn)移，土壤風(fēng)蝕及風(fēng)蝕過(guò)程中土壤碳源匯的變化已上升為全球性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要的CO排放源和碳匯，作為全球碳庫(kù)中最活躍的部分，易受各類(lèi)田間措施的影響。耕作方式是影響土壤活性有機(jī)碳組分的關(guān)鍵因素之一。不同耕作方式下土壤理化性質(zhì)會(huì)因植被覆蓋、種植方式、土地利用類(lèi)型等的差異而變化，進(jìn)而影響土壤活性有機(jī)碳含量。保護(hù)性耕作能夠減少土壤擾動(dòng)，保護(hù)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，減少氧氣進(jìn)入土壤，從而降低土壤有機(jī)質(zhì)的分解和CO的排放，提高耕地有機(jī)碳固持。

如何充分利用現(xiàn)有的耕地資源、減少由于深度耕作而引起的土壤質(zhì)量下降，在現(xiàn)有耕地面積的基礎(chǔ)上，提高土地生產(chǎn)力、開(kāi)發(fā)荒漠綠洲區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向。免耕輪作是提高農(nóng)田土壤質(zhì)量的保護(hù)性耕作措施之一。它可以通過(guò)調(diào)解土壤溫度、增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、改善土壤的理化性質(zhì)，達(dá)到促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)和生物學(xué)生長(zhǎng)的效果，從而對(duì)土壤有機(jī)碳起到較強(qiáng)的保護(hù)作用。因此，以提高農(nóng)田周年產(chǎn)出、促進(jìn)生態(tài)安全為主要目標(biāo)，在總結(jié)間套復(fù)合種植研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為最大限度規(guī)避不恰當(dāng)?shù)母鞣绞綄?duì)生態(tài)脆弱區(qū)自然環(huán)境的進(jìn)一步破壞，積極響應(yīng)國(guó)際碳中和發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，有效協(xié)調(diào)土地健康保育、環(huán)境保護(hù)與農(nóng)業(yè)增產(chǎn)之間的利益平衡，本研究以位于河西荒漠綠洲區(qū)典型種植模式單作小麥、單作玉米、小麥間作玉米為研究對(duì)象，將免耕、秸稈覆蓋、復(fù)種、輪作集成在同一系統(tǒng)內(nèi)，分析不同耕作方式下土壤呼吸、土壤總有機(jī)碳和有機(jī)碳組分的特點(diǎn)，探討耕作和種植對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)和土壤呼吸的影響，以期為荒漠綠洲區(qū)多熟種植農(nóng)田生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016-2018年在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)“甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)河西綠洲現(xiàn)代農(nóng)業(yè)教學(xué)科研基地”進(jìn)行。基地位于河西走廊東端(37°96′ N，102°64′ E)，平均海拔1 506 m，多年平均氣溫約7.2 ℃，多年平均降水量156 mm，多年平均無(wú)霜期156 d，年蒸發(fā)量約2 400 mm，≥0 ℃的積溫為3 513.4 ℃，≥10 ℃的為2 985.4 ℃，年太陽(yáng)輻射總量504～630 kJ·cm，麥?zhǔn)蘸蟆?0 ℃有效積溫1 350 ℃，屬于典型兩季不足、一季有余農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。2016-2018年試驗(yàn)進(jìn)行期間每月平均氣溫和降水量見(jiàn)圖1。試驗(yàn)地土壤為厚層灌漠土，土壤容重為1.57 g·cm，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為12.50 g·kg，全氮、全磷含量為分別為0.68和1.42 g·kg。

圖1 小麥玉米生育期降水量及日均氣溫Fig.1 Precipitation and daily average temperature during wheat and maize growth period

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素裂區(qū)設(shè)計(jì)。其中，主因素為耕作方式，設(shè)常規(guī)耕作(常規(guī)收割)和覆蓋免耕(小麥?zhǔn)斋@時(shí)留30 cm小麥高茬)2種耕作方式；副因素為種植模式，設(shè)小麥/玉米→小麥/玉米、小麥→冬油菜→玉米、小麥→玉米3種輪作模式；試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積110 m(11 m×10 m )，具體試驗(yàn)處理見(jiàn)表1。

表1 不同處理設(shè)置及代碼Table 1 Experimental design for specific treatment

供試春小麥品種為寧春4號(hào)，單作時(shí)播種密度為675萬(wàn)?！m，行距12 cm；間作時(shí)播種密度為375萬(wàn)?！m，帶寬80 cm，每帶種6行，行距12 cm。播種時(shí)間分別為2016年3月29日、2017年3月25日、2018年3月28日，收獲時(shí)間分別為2016年7月20日、2017年7月26日、2018年7月17日。小麥?zhǔn)斋@后于8月中、下旬復(fù)種冬油菜，冬油菜品種為隴油6號(hào)，開(kāi)溝條播，播深4 cm左右，深淺一致，行距20 cm，株距10 cm，播后及時(shí)沿播種溝鎮(zhèn)壓保墑，此后常規(guī)管理；本試驗(yàn)中冬油菜只起到冬季覆蓋的作用，不計(jì)產(chǎn)量，下季作物玉米播種前收獲冬油菜，直接將冬油菜翻耕還田。供試玉米品種為先玉335，單作時(shí)播種密度為 82 500株·hm，行距40 cm，株距30 cm，覆膜，間作時(shí)密度為52 500株·hm，帶寬140 cm，每帶種3行、行距40 cm、株距24 cm，播種時(shí)間分別為2016年4月23日、2017年4月22日、2018年4月15日，收獲時(shí)間分別為2016年9月15日、2017年9月27日、2018年9月26日，玉米收獲后秸稈不還田。單作及間作小麥帶施純N 225 kg·hm、純PO150 kg·hm，全做基肥；復(fù)種冬油菜于返青期施純氮225 kg·hm；單作和間作玉米帶施純N 360 kg·hm，按基肥∶大喇叭追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施，純PO225 kg·hm，全做基肥。不同種植模式的灌溉制度見(jiàn)表2。

表2 不同種植模式的灌溉制度Table 2 Irrigation amount at different growth stages under different cropping systems mm

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤呼吸速率測(cè)定

于小麥開(kāi)花期、玉米拔節(jié)期(2016年6月19日、2017年6月24日、2018年6月13日)，采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的Li-8100A土壤CO通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(LI-COR，Lincoln，NE，USA)定點(diǎn)測(cè)量作物行間土壤呼吸速率。土壤呼吸速率測(cè)定前1 d，在作物行間中央位置預(yù)先放置土壤呼吸測(cè)定系統(tǒng)自帶的PVC圈 (直徑20 cm，高6 cm)作為土壤呼吸測(cè)定室，為減少土壤表層微環(huán)境因素的干擾，PVC圈插入土中深度為2～3 cm，測(cè)定時(shí)間為上午9:00-11:00，每小區(qū)3次重復(fù)，每次測(cè)定時(shí)長(zhǎng)180 s。

1.3.2 土壤有機(jī)碳及組分測(cè)定

小麥、玉米收獲后在上述圈外小區(qū)內(nèi)取0～5 cm、5～20 cm土層土樣作為土壤有機(jī)碳的分析樣品，過(guò)2 mm的網(wǎng)篩，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤有機(jī)碳測(cè)定。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，土壤微生物量碳(MBC)含量采用氯仿熏蒸法測(cè)定，土壤水溶性有機(jī)碳(ROC)含量用Jones等提出的方法測(cè)定，重組有機(jī)碳(HFOC)含量參照J(rèn)anzen等的分離方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖，處理間的多重比較采用最小顯著差異法(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對(duì)土壤呼吸的影響

不同處理土壤呼吸速率隨著種植年限時(shí)間的推移均有所變化。傳統(tǒng)耕作處理的土壤呼吸速率高于免耕處理(圖2)。在2017和2018年，傳統(tǒng)耕作處理CT1-W、CT1-M、CT2、CT3的土壤呼吸速率較相應(yīng)免耕處理NT1-W、NT1-M、NT2、NT3分別增加了5.51%、5.44%、5.37%、16.74%和37.08%、1.26%、68.63%、71.92%，其中小麥→玉米→小麥(T3)輪作模式下不同耕作方式間差異顯著。在2016和2017年，T3輪作模式下土壤的呼吸速率明顯高于其他兩種輪作模式，T3的土壤呼吸速率分別較小麥/玉米→小麥/玉米→小麥/玉米(T1)和小麥-冬油菜→玉米→小麥(T2)分別增加了 13.26%、11.22%和 23.64%、22.03%，處理間差異均顯著。與前兩年度相反，2018年度T3處理的土壤呼吸速率反而有所下降，分別較T1和T2處理下降了36.36%和7.40%，與T1處理差異顯著。

2.2 耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

與傳統(tǒng)耕作相比，2016年度由于受前茬作物的影響，各免耕處理有機(jī)碳含量變化不一致，(圖3)。在2017和2018年度，免耕處理的土壤有機(jī)碳含量有所提高，在作物收獲后，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3處理0～5 cm土層的土壤有機(jī)碳含量分別較相應(yīng)傳統(tǒng)耕作處理增加了12.75%、23.92%、12.34%、23.74%和3.42%、13.27%、6.78%、12.60%，5～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量分別較相應(yīng)傳統(tǒng)耕作處理增加了 5.87%、17.16%、23.10%、37.11%和21.79%、25.21%、5.88%、14.62%，與土壤呼吸變化規(guī)律基本一致。不同輪作模式之間，在2017和2018年，T2處理0～5 cm、5～20 cm土層土壤有機(jī)碳較其余兩個(gè)輪作處理模式分別增加了18.86%、11.50%和16.12%、21.76%，但處理間差異均不顯著。

不同處理土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度增加呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。從圖3可以看出，隨土壤深度的增加，2016年不同處理間變化不一致；在2017和2018年，0～5 cm土層的有機(jī)碳含量高于5～20 cm土層，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3、CT1-W、CT1-M、CT2、CT3處理的0～5 cm土層的有機(jī)碳含量較5～20 cm土層分別增加了 7.73%、10.53%、23.96%、26.79%、14.47%、17.84%、13.32%、11.22%和21.12%、22.10%、5.28%、20.02%、2.60%、9.66%、6.18%、18.13%，不同處理間差異均不顯著。

W：小麥；M：玉米。圖柱上不同字母表示同一年份不同處理間差異達(dá)到5%顯著水平。下圖同。W:Wheat;M:Maize.Different lowercase letters above the columns indicate that the significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in figure 3.圖2 不同處理下土壤呼吸速率變化Fig.2 Changes of soil respiration under different treatments

圖3 不同處理下土壤有機(jī)碳的變化Fig.3 Change of soil organic carbon content in different soil depth under different treatments

2.3 不同耕作方式下土壤有機(jī)碳組分變化

不同處理間土壤有機(jī)碳組分含量存在一定差異(表3)。2016和2017年各指標(biāo)在不同耕作方式和輪作模式間差異表現(xiàn)不一，5～20 cm土層的微生物碳含量遠(yuǎn)高于0～5 cm土層，但不同處理間差異不顯著。2018年免耕處理的土壤微生物量碳含量在三種輪作模式下均顯著高于相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作處理，其中在0～5 cm土層，NT2處理土壤微生物碳含量分別較CT1-W、CT1-M、CT2、CT3處理高出28.97%、22.22%、4.51%、11.23%，而在5～20 cm土層，土壤微生物碳含量為1.98～2.66 mg·kg，免耕下3種輪作模式間差異不顯著；不同處理表現(xiàn)為NT1-M>NT2>NT3>CT3>CT1-M>NT1-W >CT2>CT1-W。

表3 不同耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳組分變化情況Table 3 Distribution of the fractions of soil organic carbon in different soil layers under different treatments

除2016年的NT1-M和 NT2處理外，其余處理0～5 cm土層的水溶性有機(jī)碳含量均高于 5～20 cm土層，且2018年度免耕處理0～5 cm土層的水溶性有機(jī)碳含量均低于相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作處理，NT1-W、NT1-M、NT2、NT3處理較相應(yīng)傳統(tǒng)耕作處理分別降低了22.97%、9.14%、13.57%、6.55%；不同輪作模式之間，T2處理的0～5 cm土層水溶性有機(jī)碳含量較T1和T3處理分別降低了3.08%和 2.40%，但不同處理間差異均不顯著。

2016-2018年，小麥/玉米免耕處理中NT1-W處理土壤重組有機(jī)碳含量均高于其他處理，但與NT1-M、NT2處理差異均不顯著，NT1-W處理0～5 cm和5～20 cm土層的土壤重組有機(jī)碳含量分別較CT2、CT3處理的高出19.87%～ 34.60%、18.33%～30.38%和16.15%～ 31.33%、14.63%～33.89%，說(shuō)明小麥間作玉米免耕處理提高土壤重組有機(jī)碳含量的效果最優(yōu)，NT2處理次之，主要是免耕減少了對(duì)農(nóng)田土壤的擾動(dòng)，改善了土壤生態(tài)環(huán)境和理化特性，從而有利于土壤耕層有機(jī)碳的儲(chǔ)存。

3 討 論

3.1 耕作方式對(duì)土壤呼吸及有機(jī)碳的影響

土壤呼吸是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要過(guò)程，是農(nóng)田土壤中有機(jī)碳以CO形式返回到大氣的主要途徑。研究表明，東北、華北、華南地區(qū)單作或輪作農(nóng)田秸稈還田腐解后能提高土壤有機(jī)碳含量，從而促進(jìn)了土壤呼吸和CO排放，西北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)秸稈還田降低了CO排放量，秸稈制成的生物炭可以顯著降低溫室氣體排放。免耕由于減少了作物殘茬與土壤的接觸，保護(hù)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)免受破壞。免耕可減少CO排放。本研究中，小麥/玉米→小麥/玉米→小麥/玉米、小麥-冬油菜→玉米→小麥、小麥→玉米→小麥三種輪作模式在免耕條件下土壤呼吸速率有效降低，其中2016-2018年傳統(tǒng)耕作CT1-W、CT1-M、CT2、CT3處理的土壤呼吸速率分別較相應(yīng)免耕處理增加了5.51%～37.08%、1.26%～ 6.44%、5.37%～68.63%%、16.74%～71.92%。這與生態(tài)系統(tǒng)演替理論認(rèn)為的傳統(tǒng)耕作等擾動(dòng)環(huán)境下土壤呼吸量觀點(diǎn)較大一致，可能是由于免耕有效降低土壤通透性、增加土壤緊實(shí)度，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳損失減少，CO釋放量降低。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最重要、最活躍的碳庫(kù)，對(duì)土壤肥力和基礎(chǔ)地力起到最基本的保障作用，影響著農(nóng)田耕地生產(chǎn)力及其可持續(xù)性。Liu等研究表明，免耕覆蓋和深松可以增加0～30 cm土層有機(jī)碳含量，而李婧妤等研究發(fā)現(xiàn)，免耕顯著提高了0～10 cm表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，但對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量影響存在區(qū)域性差異，這主要是由于地區(qū)氣候、作物類(lèi)型、土壤性質(zhì)等的差異，說(shuō)明土壤物理及化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化。在自然和人為雙重干擾下，農(nóng)田土壤碳庫(kù)較為活躍。本試驗(yàn)中，隨著種植年限的增加，傳統(tǒng)耕作表層土(0～5 cm)壤有機(jī)碳高于免耕處理，與前人研究結(jié)果不一致，這可能與耕作導(dǎo)致的作物地上地下生物量分配、生物因子、土壤容重、孔隙度、通氣性、持水能力、微生物活性及耕作、施肥、灌溉等人為因子的變化密切相關(guān)，因此仍需要從機(jī)理方面對(duì)河西荒漠綠洲區(qū)基于保護(hù)性輪作開(kāi)展進(jìn)一步研究。

3.2 輪作對(duì)土壤呼吸及有機(jī)碳的影響

種植模式的不同會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田小氣候環(huán)境不同，其中間套作系統(tǒng)內(nèi)不同作物形態(tài)和生態(tài)型上的錯(cuò)位搭配形成的空間生態(tài)位互補(bǔ)和生育期上的時(shí)間生態(tài)位互補(bǔ)會(huì)影響農(nóng)田碳排放。Chen等研究表明，冬小麥-大豆輪作農(nóng)田通過(guò)增溫和秸稈還田增加了不同生長(zhǎng)季節(jié)土壤呼吸。Xavier等對(duì)16年連續(xù)田間定位試驗(yàn)研究了作物輪作和序列效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期免耕后CO排放時(shí)間變化的影響，結(jié)果表明，土壤水分可以解釋單作/輪作條件下50%以上土壤CO排放變化。盧闖等對(duì)夏玉米-冬小麥輪作期土壤呼吸的溫度敏感性分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)輪作周年，土壤溫度和土壤含水率分別解釋54%、28%的土壤呼吸變化。本研究不同種植模式土壤呼吸速率在各年份表現(xiàn)不一致，有必要對(duì)土壤呼吸進(jìn)行長(zhǎng)期自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，以明確作物不同生育期土壤呼吸的敏感性及其與溫度、水分的關(guān)系。

有研究表明，輪作能促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成，有利于增加土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量，可改善土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性，增加土壤的固碳能力，影響土壤有機(jī)碳組分的變化，但不同輪作模式間有差異。本研究中，2017和2018年度，小麥-冬油菜→玉米→小麥種植模式0～5 cm和5～20 cm土層土壤有機(jī)碳較小麥/玉米→小麥/玉米→小麥/玉米和小麥→玉米→小麥有所增加，且有利于提高土壤重組有機(jī)碳。土壤微生物量碳、溶解性有機(jī)碳、重組有機(jī)碳與總有機(jī)碳相比，更能反映土壤質(zhì)量及肥力變化，促進(jìn)土壤養(yǎng)分供應(yīng)。本研究中免耕輪作有利于提高土壤微生物量碳和重組有機(jī)碳，以免耕小麥/玉米和間作和小麥-冬油菜→玉米→小麥效果較佳。因此，在西北荒漠綠洲灌溉農(nóng)田中，可以通過(guò)免耕留茬結(jié)合輪作使空氣中更多的CO進(jìn)入農(nóng)田系統(tǒng)，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)固碳增匯減排的目的。