轮耕对夏玉米田土壤活性有机碳及碳库管理指数

  轮耕对夏玉米田土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响

  张 莉,张洋洋,付国占, 焦念元,梁超贺,杨 秀

  (河南科技大学农学院,河南 洛阳 471003)

  摘要:采用田间定位试验,研究秸秆还田条件下,连续常规耕作(3C)、1年深翻+2年常规耕作(DP2C)、2年深翻+1年常规耕作(2DPC)和连续3年深翻(3DP)对活性有机碳的时空变化以及碳库活度、活度指数、碳库指数和碳库管理指数的影响。结果表明,秸秆还田条件下,各处理0~40 cm土层土壤活性有机碳含量均随生育进程的推进先增后降,开花期达到峰值。与常规耕作相比,深翻能够显著提高0~40 cm土层活性有机碳、总有机碳和碳库管理指数,分别平均提高2.33%、4.54%和3.82%。不同耕作处理间0~40 cm土层土壤总有机碳和活性有机碳含量以3DP处理最高、2DPC处理次之,两者均显著高于3C处理。从土壤空间角度看,3DP处理和2DPC处理能够有效延缓土壤总有机碳、活性有机碳含量的降低速度,促进有机碳在土层中的均匀分布。但从生态效益和节本增效的角度出发,连读多年常规耕作后,秸秆还田条件下,隔一年深翻既能增强土壤碳汇能力,又可改善大气环境,是适合该地区的耕作方式。

  教育期刊网 http://www.jyqkw.com关键词:轮耕;夏玉米田;总有机炭;活性有机碳;碳库管理指数

  中图分类号:S513;S153.6 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2015)04-0802-05

  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.04.009

  收稿日期:2014-06-30

  基金项目:河南省重点科技攻关计划项目(132102110028);河南科技大学研究生创新基金资助项目(CXJJ-Z021);河南科技大学大学生

  训练计划(SRTP)项目(2013233)

  作者简介:张 莉(1987-),女,河南信阳人,在读硕士研究生,研究方向为作物栽培与耕作,(电话)15896675906(电子信箱)dazhang0376@163.com;

  通信作者,付国占(1963-),男,教授,主要从事作物生理生态研究,(电子信箱)fuguozhan@163.com。

  长期以来,土壤有机碳一直是科研工作者的研究热点。一些研究发现,土壤有机碳是土壤物质循环的养分库,能量流动的能量库,也是评价土壤质量的重要指标。土壤有机碳含量在全球二氧化碳循环中起着重要作用[1],但其数量不能直接反映营养物质的有效性,而活性有机碳周转速度快,直接参与微生物的生命活动,影响植物的养分供给,能够准确敏感地反映因管理措施改变而引起的土壤碳库变化[2-4]。国外学者Blair等[5]提出碳库管理指数,结合了外在条件影响下土壤碳库指标和碳库活度两方面的内容,不仅能够反映外界条件对土壤有机碳数量的影响,而且能够反映有机碳质量的变化,从而更加全面、动态地反映外界条件对土壤有机质性质的影响和土壤质量更新的程度,进而预测土壤性能的发展方向[6,7]。前人研究发现,保护性耕作具有较高的生态效益,通过减少土壤的扰动次数,降低有机碳矿化速率,可有效提高土壤的碳汇能力[8]。华北地区长期采用以旋代翻的耕作方法,引发了土壤耕层变浅,养分富集,土壤质量下降等一系列问题[9]。如何构建合理的耕作方式,提高土壤肥力,是当前农业亟待解决的问题。国内学者指出了以少耕为主,定期翻耕或深松的轮耕模式[10],但由于轮耕周期长,难度大,关于轮耕对土壤肥力的研究很少,且主要集中在土壤的物理、化学性状方面[11,12],针对秸秆还田条件下,轮耕对土壤活性有机碳时空变化和碳库管理指数的影响尚未见报道。本试验于豫西半干旱冬小麦-夏玉米两熟地区进行,在秸秆还田条件下,开展常规耕作、深翻对土壤活性有机碳和碳库管理指数影响的研究,以期确定适宜该地区的耕作方式,为提高土壤碳汇能力提供理论依据。

  1 材料与方法

  1.1 试验地概况

  试验于2009-2012年在河南省洛阳市洛龙区河南科技大学试验农场进行。该区属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候,年均日照为2 083~2 246 h,平均气温为14.1 ℃,无霜期184~224 d,多年平均降雨量为600 mm左右,采用小麦-玉米一年两熟种植制度。土壤为黄潮土,质地中壤,试验处理前0~20 cm土层土壤有机质10.80 g/kg、碱解氮75.00 mg/kg、速效磷9.21 mg/kg、速效钾120.00 mg/kg。

  1.2 试验设计

  本试验设4种耕作方式,分别为连续常规耕作(即小麦播种前翻耕或旋耕,深度小于20 cm,玉米免耕播种)(3C)、1年深翻(小麦播种前深翻,深度大于30 cm,玉米免耕播种)加2年常规耕作(DP2C)、2年深翻加1年常规耕作(2DPC)和连续3年深翻(3DP)。每个处理重复3次,小区面积30 m×5 m。供试玉米品种为郑单988。2012年10月8日播种,宽窄行种植(80 cm×40 cm),播种前底施N、P2O5和K2O分别为70.0、120.0、120.0 kg/hm2,大喇叭口期追施氮肥115.5 kg/hm2。试验地每个小区病虫害的防治、杂草清除等其他田间管理措施均采用常规管理模式。

  1.3 样品采集及项目测定

  于夏玉米拔节期、开花期、灌浆期和成熟期采集样品,按S型选取5点,分4层(0~10、10~20、20~30、30~40 cm)采集土样,去除植物残体,混匀风干后,过20 mm和100 mm筛备用。采用高猛酸钾氧化法[13]测定土壤活性有机碳含量;采用重铬酸钾外加热法[14]测定总有机碳含量;采用总有机碳-活性有机碳含量的计算方法测定非活性有机碳含量;参照徐明岗等[15]的方法计算土壤碳库管理指数,以连年传统耕作地土壤为参考土壤,计算公式如下:

  碳库指数(CPI)=样品全碳含量(g/kg)/参考土壤全碳含量(g/kg)

  碳库活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量

  碳库活度指数(AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度

  碳库管理指数(CPMI,%)=碳库指数×碳库活度指数×100。

  1.4 数据分析

  用Excel 2003和DPS7.0统计软件进行数据分析。

  2 结果与分析

  2.1 轮耕对土壤活性有机碳含量的影响

  由图1可知,随着土层的增加,各处理土壤活性有机碳含量呈逐渐降低的变化趋势,降低幅度为12.97%~50.67%,其中30~40 cm土层降低幅度明显低于其他土层。随着生育进程的推移,各处理活性有机碳含量动态变化为先逐渐增加,开花期达到峰值,随后逐渐降低,此变化趋势可能与秸秆季节性腐蚀分解和植物阶段性营养生长根系分泌物有关。不同处理之间活性有机碳含量因土层不同而表现出一定的差异性。0~10 cm土层,各处理活性有机碳均表现为3DP<2DPC<DP2C<3C,除了灌浆期、开花期,其他各时期处理间均无明显差异。20~30 cm土层各时期以3C最低,3DP最高,3DP处理明显高于3C处理,各时期依次提高14.62%、13.22%、8.58%和21.53%。30~40 cm土层,在拔节期和开花期,连年深翻活性有机碳含量略高于其他处理,其他时期各处理间无明显差异。其中,秸秆还田条件下,因养分的循环与利用,连年深翻活性有机碳含量在整个生育期均保持较高的水平。

  2.2 轮耕对土壤总有机碳含量的影响

  随着土层的增加,连年深翻和隔一年深翻处理可有效延缓有机碳的分解速率,降低有机碳层化率。长期秸秆还田条件下,各处理总有机碳含量在0~20 cm耕层差异不显著,可能是由于长期耕作表层土壤结构破坏,有机碳失去物理保护,加速其分解。长期连续常规耕作后,秸秆还田条件下,随着深翻频率的增加,20~30 cm土层总有机碳含量有显著(P<0.05)增加的趋势,其中连年深翻(3DP)最高,连年旋耕(3C)最低(图2)。主要是因为深翻改造耕层结构,促进上下土层有机物质混匀,利用植物残茬和根系的分布,其中3DP、2DPC、DP2C处理较3C分别增加了22.78%、14.97%和1.34%。

  2.3 轮耕对土壤碳库管理指数的影响

  由表2可知,各处理对0~40 cm土层碳库活度、碳库活度指数、碳库指数和碳库管理指数影响表现不一致。碳库活度和碳库活度指数以3C处理最高,其他处理较低(0~20 cm),各处理间碳库指数和碳库管理指数表现为3DP>2DPC>DP2C>3C(0~10 cm、10~20 cm土层除外)。连年常规耕作破坏了土壤结构,使有机碳暴露于空气中,有助于提高0~10 cm和10~20 cm土层碳库活度、碳库活度指数,但不利于碳库指数和碳库管理指数的提高。深翻促进秸秆均匀分布在各个土层中,有助于提高下层活性有机碳、碳库指数和碳库管理指数,由此说明秸秆还田条件下,深翻主要通过增加活性有机碳,提高总有机碳含量。

  3 小结与讨论

  耕作措施是农业生产管理措施的重要内容之一,在提高土壤肥力、改善土壤质量方面扮演重要的角色。活性有机碳直接影响土壤养分的有效性、植物生长发育以及环境质量[16,17]。大量研究表明,秸秆还田条件下少耕、免耕为主的保护性耕作,能够增加土壤紧实度,减少有机碳与空气的接触面积,降低有机碳矿化速率,同时秸秆还田又可降低土壤温度,导致土壤呼吸减弱,进而降低土壤向大气释放二氧化碳的数量,促进土壤有机碳的积累,提高土壤碳库管理指数,减缓全球变暖的趋势[18-20]。本研究也证实了这一点,与参照土壤相比,连续3年秸秆还田,各处理的0~40 cm土层总有机碳含量、活性有机碳含量均明显增加,分别平均提高9.65%、24.27%,可见秸秆还田主要通过提高活性有机碳含量,增强土壤碳汇能力。这可能是因为秸秆还田过程中引入了外源有机质,并且秸秆与土壤充分混合使有机碳受到物理性保护,与此同时,随着秸秆的分解和腐殖化,进一步促进了秸秆有机碳向土壤有机碳转化与更新,维持和提高了土壤有机碳的含量和活性[20-22]。

  随着生育进程的推移,各处理活性有机碳呈先增后降的变化趋势,在作物生长旺盛时期开花期达到峰值,可能与植物根系分泌量增加和微生物活动具有季节性差异有紧密联系[23]。不同耕作方式之间0~40 cm土层活性有机碳、稳态碳、碳库指数以及碳库管理指数基本遵循3DP>2DPC>DP2C>3C的规律,3DP、2DPC处理明显高于3C处理,总有机碳含量不同间隔年限间表现为连年深翻最高、隔一年深翻次之,连年常规耕作最低。而土壤碳率活度和碳库活度指数随着深翻频率增加而递增的趋势并不十分明显。由此可见连年浅耕,在一定程度上破坏了耕层土壤的物理结构,不利于有机碳的积累,而深翻能够改善土壤肥力和大气环境。本研究与武际等[24]、罗友进等[25]、杨敏芳等[26]、梁爱珍等[27]的研究结果一致,均表明秸秆还田条件下,连续免耕后实行深翻耕,可改善土壤的理化性状,增加耕层厚度,提高整个土层活性有机碳和碳库管理指数,确保作物高产、稳产。区惠平等[28]研究表明,免耕引起农田有机碳的分层,这与本研究结果相似。各处理间土壤有机碳及其组分随着土层深度的增加,活性有机碳、总有机碳、碳库活度以及碳库指数均有不同程度的降低。与连年常规耕作相比,深翻各处理均延缓了其降低速度,相对提高了下层(20~40 cm)活性有机碳、总有机碳及碳库管理指数,其原因为一方面秸秆均匀分布在耕层,改变了有机碳的分布特征;另一方面深翻打破犁地层,促进根系分泌有机物质,增加土壤水稳定团聚体数量,增强了土壤有机碳物理保护能力[29]。综合考虑生态效益和节本增效的作用,秸秆还田条件下,隔一年深翻是试验地比较理想的轮耕方式,但是本研究结果只是针对豫西半干旱地区,其他地区以及秸秆不还田条件下轮耕对土壤有机碳的变化尚有待进一步研究。

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