耕作措施对旱作农田土壤颗粒态有机碳的影响*

武 均, 蔡立群,3, 张仁陟,3**, 齐 鹏, 张 军,3



耕作措施对旱作农田土壤颗粒态有机碳的影响*

武 均1,2, 蔡立群1,2,3, 张仁陟1,2,3**, 齐 鹏1,2, 张 军1,2,3

(1. 甘肃农业大学资源与环境学院 兰州 730070; 2. 甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070; 3. 甘肃省节水农业工程技术研究中心 兰州 730070)

为了探明耕作措施对陇中黄土高原旱作农田土壤有机碳的影响, 以连续进行17年的不同耕作措施长期定位试验为研究对象, 利用碘化钠重液分组法, 探索了传统耕作(T)、传统耕作+秸秆还田(TS)、免耕(NT)、免耕+秸秆覆盖(NTS)4种耕作措施对陇中黄土高原旱作农田土壤游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳的影响。结果表明: 土壤总有机碳含量随土层加深而降低, 游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳的含量和占土壤总有机碳的比例均随土层加深而降低, 而矿质结合态有机碳含量和占土壤总有机碳比例则随土层加深而增加。在0~40 cm各土层, 各处理土壤颗粒态有机碳占总有机碳的比例(54.02%~76.78%)均高于矿质结合态有机碳占总有机碳的比例(31.78%~46.11%)。较之T处理, TS和NTS处理均不同程度提升土壤游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳的含量和占土壤总有机碳的比例, 其中NTS处理的提升效果最显著, TS处理次之。虽然NT、TS、NTS处理可提升土壤矿质结合态有机碳含量, 但T处理下的矿质结合态有机碳占总有机碳的比例高于NT、TS和NTS处理。耕作模式和秸秆添加模式均对土壤总有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳的提升具有显著效应, 但秸秆添加模式的效应高于耕作模式。同时, 免耕模式仅对0~10 cm各土层土壤总有机碳的提升效应达到显著水平, 对0~20 cm各土层土壤碳组分的提升效应均达显著水平, 而添加秸秆对0~40 cm各土层土壤总有机碳和各组分均发挥着显著提升效应。综合来看, 免耕配合秸秆还田可以提升土壤活力, 促进土壤固碳, 有利于该区构建环境友好型和可持续发展型农业生产模式。

陇中黄土高原;旱作农田; 秸秆还田; 土壤总有机碳; 颗粒态有机碳; 矿质结合态有机碳

土壤有机碳是地球陆地生态系统中最大且最活跃的碳库, 据估算全球土壤固定的有机碳约为1 500 Pg, 超过了植被与大气有机碳储量之和[1], 其微小变化都可能导致全球大气CO2含量的较大起伏[2-3]。所以, 藏碳于土是减少温室气体排放的重要途径[3]。土地管理措施和利用方式对土壤碳库均具有非常重要的影响[4], 耕作和秸秆还田等农艺活动可促使农田土壤有机碳的数量和质量发生变化[5-8]。土壤碳库最初变化主要发生在土壤中周转速率快、易分解的活性碳库中[9], 随着时间推移, 逐渐形成难被微生物分解的稳定态有机碳。因此, 周转速率快、易分解的组分可以作为反映农业管理措施引起的土壤质量改变的敏感性指标, 而稳定性组分则对有机碳固存具有重要意义[10-11]。土壤有机碳物理分组法将土壤中的有机碳主要分为两种形式, 一种是游离态的, 该部分为不分解或部分分解的动植物残体和微生物生物量, 介于植物残体和腐殖化有机碳之间[11-12], Golchin等[13]又将其细分为游离态和闭蓄态。另一种是有机-无机复合体, 即通过化学键合作用吸附于土壤矿质黏粒的土壤有机碳, 即土壤矿质结合态有机碳, 该组分形态稳定, 较难被土壤微生物分解[12-14]。

陇中黄土高原雨养农业区干旱少雨, 土壤贫瘠, 生产力低下[15], 加之该区传统的耕作模式(三耕两耱)加剧了土壤有机碳的矿化[5], 同时也促进了温室气体的排放, 致使土壤有机碳、氮等元素无效损失[16]。从农田肥力角度考虑, 人们希望活性有机碳含量高, 以利于矿化和提高养分供给水平; 但从农田固碳角度考虑, 则希望稳定性有机碳含量高, 以利于土壤有机碳的固定[3]。众多研究[3,15,17]皆已表明以少免耕和秸秆覆盖为主体技术的保护性耕作对土壤有机碳组成及土壤有机碳库产生了较为明显的影响, 但有关保护性耕作, 尤其是长期保护性耕作对农田土壤颗粒态有机碳变化影响的相关研究鲜见报道。因此, 为了探明长期保护性耕作措施对陇中黄土高原旱作农田土壤颗粒态有机碳的影响, 本研究依托甘肃农业大学在定西市安定区李家堡镇自2001年布设的长期不同耕作措施定位试验, 利用Six等[8]的重液分组法对试区2017年土壤颗粒态有机碳进行测定分析, 旨在查明不同耕作措施下游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳的分布特征, 以及耕作模式和秸秆添加模式对不同碳组分的效应, 并为该区筛选适宜土壤固碳、环境友好型的耕作措施提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验设于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西市李家堡镇麻子川村(35°28′N, 104°44′E)。试区干旱多灾, 属中温带半干旱区。农田土壤为典型的黄绵土, 质地均匀、土质绵软。平均海拔2 000 m, 无霜期140 d, 年均日照时数2 476.6 h, 年均太阳辐射594.7 kJ·cm-2, 年均气温6.4 ℃, ≥0 ℃积温2 933.5 ℃, ≥10 ℃积温2 239.1 ℃, 干燥度2.53; 多年平均降水390.9 mm, 年蒸发量1 531.0 mm, 80%保证率的降水量为365 mm, 变异系数为24.3%, 为典型的雨养农业区。

1.2 试验设计

试验地采取春小麦(L.)、豌豆(L.)轮作体系, 即豌豆→小麦。试验设4个处理(表1), 3次重复, 随机区组设计, 共12个小区, 小区面积20 m×4 m=80 m2。供试春小麦品种为‘定西40号’, 豌豆品种为‘绿农1号’。豌豆于2017年4月播种, 7月收获, 播种量100 kg×hm-2, 行距24 cm, 各处理均施N 20 kg×hm-2, P2O5105 kg×hm-2(过磷酸钙+二铵)。所有肥料均作为基肥在播种时同时施入。覆盖处理所用秸秆为前茬作物秸秆, 收获后打碾切碎均匀撒布于小区内。试区土壤基本理化性质: pH 8.45, 有机碳8.32 g×kg-1, 全氮0.86 g×kg-1, 全磷0.82 g×kg-1, 全钾28.00 g×kg-1, 碱解氮51.10 mg×kg-1, 速效磷21.19 mg×kg-1, 速效钾100.90 mg×kg-1, 0~200 cm平均土壤容重1.17 g×cm-2。

表1 试验各耕作处理描述

1.3 测定方法

试验于2017年8月豌豆收获后采用五点法(随机)分别采集各小区0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~ 40 cm土层土样500 g左右, 带回实验室风干。土壤总有机碳利用0.5 mol×L-1的HCl除无机碳后采用碳氮联合分析仪测定(Multi N/C 2100s, Jena, Germany)。

土壤颗粒态碳组分中有机碳采用Six等[8]的方法, 利用(1.70±0.02) g×cm-3的碘化钠重液分离, 0.5 mol×L-1的HCl除无机碳后利用碳氮联合分析仪测定, 具体步骤如下:

1)土壤游离态颗粒有机碳(FPOC): 称取10. 00 g过2 mm筛的风干土样, 放置于100 mL离心管中, 并在离心管中加入50 mL NaI溶液[密度(1.70±0.02) g×cm-3], 用手摇动1 min, 将离心管放入摇床后振荡(60 r×min-1)30 min后, 将离心管放入离心机, 离心(3 500 r×min-1)15 min。离心结束后, 将管中的上清液抽吸至0.45 μm的滤膜上, 用超纯水洗涤滤膜上的样品3次后(每次50 mL), 用超纯水将滤膜上的样品冲洗至铝盒中, 40 ℃恒温烘干(以避免高温引起样品中碳损失)至恒重(至少48 h)后称重, 即可得到土壤游离态颗粒有机碳供试样品。2)土壤闭蓄态颗粒有机碳(OPOC): 在1)中的离心管中继续加入50 mL超纯水后手摇1 min, 利用超声波将离心管中剩余的样品进一步打碎(分散土壤团聚体)后, 将悬浊液通过孔径为53 μm的尼龙筛, 用超纯水冲洗筛子至无浑浊液为止。残留于筛上的样品即为土壤闭蓄态颗粒有机碳供试样品, 将其用超纯水洗入铝盒中, 40 ℃恒温烘干至恒重后称重。3)土壤矿质结合态有机碳(MOC): 在2)中通过53 μm尼龙筛的样品即为土壤矿质结合态有机碳供试样品, 将其用超纯水洗入铝盒中, 40 ℃恒温烘干至恒重后称重。将以上3个步骤所得到的供试样品利用0.5 mol×L-1的HCl除无机碳后, 采用碳氮联合分析仪测定。其中, 颗粒态有机碳(POC)=游离态颗粒有机碳(FPOC)+闭蓄态颗粒有机碳(OPOC)[11]。

0~40 cm土壤总有机碳(STOC)和各碳组分平均含量采用加权平均法计算, 以STOC为例, 具体见公式(1):

STOC0~40 cm=(STOC0~5 cm+STOC5~10 cm+STOC10~20 cm×2+STOC20~40 cm×4)/8 (1)

1.4 数据处理

文中数据、图表采用Microsoft Excel 2013处理, 利用SPSS 19.0软件进行统计分析, 显著性差异分析和双因素方差分析采用新复极差法。进行双因素方差分析时, 将本试验分为两个因素, 即耕作模式(tillage)和秸秆添加模式(straw)。其中, 耕作模式为传统耕作模式(T和TS处理, T模式)和免耕模式(NT和NTS处理, NT模式), 秸秆添加模式为无秸秆添加模式(T和NT处理, NS模式)和添加秸秆模式(TS和NTS处理, S模式)。

2 结果与分析

2.1 耕作措施对土壤总有机碳的影响

由图1可知, 各处理土壤总有机碳(STOC)含量均随土层加深而降低。0~5 cm和5~10 cm土层, 各处理STOC含量排序为NTS>TS>NT>T, 且NTS、TS和NT处理均显著(P≤5%)高于T处理。10~20 cm和20~40 cm土层, 各处理STOC含量排序为TS>NTS>NT>T, 且TS和NTS处理均显著高于T处理。0~40 cm土层, 各处理STOC平均含量(加权平均)排序为NTS>TS>NT>T, 且NTS和TS处理均显著高于NT和T处理。

结合图1, 由表2可知, 在0~5 cm土层, 耕作模式和秸秆添加模式均对STOC的含量发挥着显著效应(P≤0.1%), 且秸秆添加模式的效应高于耕作模式的效应; 较之传统耕作模式(T和TS处理的均值, T模式), 免耕模式(NT和NTS处理的均值, NT模式)可显著提升STOC含量18.93%; 较之无秸秆添加模式(T和NT处理的均值, NS模式), 添加秸秆模式(TS和NTS处理的均值, S模式)可显著提升STOC含量25.92%。在5~10 cm土层, 耕作模式和秸秆添加模式均对STOC的变化具有显著效应, 且秸秆添加模式的效应高于耕作模式的效应; 较之T模式, NT模式可显著提升STOC含量13.53%; 较之NS模式, S模式可显著提升STOC含量18.01%。在10~20 cm和20~40 cm土层, 仅秸秆添加模式对STOC具有显著效应, 较之NS模式, S模式可显著提升STOC含量(土层自上而下)16.35%和4.29%。

图1 耕作措施对不同土层土壤总有机碳含量的影响

同一土层不同小写字母表示不同处理间≤5%水平差异显著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

表2 耕作模式和秸秆添加模式对不同深度土壤总有机碳含量的影响效应

*、**和***分别表示在P≤5%、P≤1%和P≤0.1%水平下有显著效应, n.s.表示在P>5%水平下无显著效应; 表中数值为检验值。*, **, *** indicate significant effects at P ≤5%, P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

2.2 耕作措施对土壤游离态颗粒有机碳含量的影响

由图2可知, 各处理土壤游离态颗粒有机碳(FPOC)含量均随土层加深而降低。在0~20 cm各土层, 各处理土壤FPOC含量排序均为NTS>TS>NT>T, 且NTS、TS处理均显著高于T处理。而在20~40 cm土层, 各处理土壤FPOC含量排序为TS>NTS>NT>T, 且TS和NTS处理均显著高于T处理。在0~40 cm土层, NTS处理的FPOC含量则高于TS处理, 且NTS和TS处理均显著高于NT和T处理。

结合图2, 由表3可知, 各土层中秸秆添加模式对土壤FPOC含量的影响高于耕作模式, 且秸秆添加模式的效应在各土层中均达到显著水平, 而耕作模式仅在0~20 cm各土层有显著效应。在0~40 cm各土层, 较之NS模式, S模式可显著提升FPOC(土层自上而下)36.15%、26.77%、26.50%和23.72%。在0~20 cm各土层, 较之T模式, NT模式可显著提升土壤FPOC含量(土层自上而下)25.99%、19.60%和7.48%。

图2 耕作措施对不同土层土壤游离态颗粒有机碳含量的影响

同一土层不同小写字母表示不同处理间≤5%水平差异显著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

表3 耕作模式和秸秆添加模式对不同深度土壤游离态颗粒有机碳含量的影响效应

**和***分别表示在P≤1%和P≤0.1%水平下有显著效应, n.s.表示在P>5%水平下无显著效应; 表中数值为检验值。**, *** indicate significant effects at P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

2.3 耕作措施对土壤闭蓄态颗粒有机碳含量的影响

由图3可知, 随着土层的加深, 各处理土壤闭蓄态颗粒有机碳(OPOC)含量均呈现出逐渐降低的趋势。0~20 cm土层, 各处理土壤OPOC含量均以NTS最高, TS处理次之, T处理最低, 且NTS、TS和NT处理均显著高于T处理。20~40 cm土层, TS处理的OPOC含量最高, NTS处理次之, T处理最低, 且TS和NTS处理均显著高于T和NT处理。0~40 cm土层中, 各处理OPOC平均含量排序为NTS> TS>NT>T, 且各处理间差异均达显著水平。

结合图3, 由表4可知, 各土层中耕作模式对土壤OPOC的效应低于秸秆添加模式, 且秸秆添加模式的效应在各土层均达显著水平, 而耕作模式的效应仅在0~20 cm各土层达显著水平。在0~5 cm、5~10 cm和10~20 cm土层, 较之T模式, NT模式可分别显著提升OPOC含量24.53%、17.22%和8.01%。较之NS模式, S模式可分别显著提升0~5 cm、5~ 10 cm、10~20 cm和20~40 cm各土层的OPOC含量33.81%、22.98%、22.16%和17.90%。

图3 耕作措施对不同土层土壤闭蓄态颗粒有机碳含量的影响

同一土层不同小写字母表示不同处理间≤5%水平差异显著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

表4 耕作模式和秸秆添加模式对不同深度土壤闭蓄态颗粒有机碳含量的影响效应

**和***分别表示在P≤1%和P≤0.1%水平下有显著效应, n.s.表示在P>5%水平下无显著效应; 表中数值为检验值。**, *** indicate significant effects at P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

2.4 耕作措施对土壤颗粒态有机碳含量的影响

由图4可知, 4种处理的土壤颗粒态有机碳(POC)含量均随土层加深呈现出降低的趋势。0~20 cm各土层, 各处理土壤POC含量排序为NTS>TS>NT>T, 且T处理均显著低于其他3种处理。20~40 cm土层, TS处理的土壤POC含量最高, NTS次之, 且NTS、TS和NT处理均显著高于T处理。各处理0~40 cm土层的土壤POC平均含量排序为NTS>TS>NT>T, 且各处理间差异均达显著水平。

结合图4, 由表5可知, 秸秆添加模式对各土层土壤POC的效应高于耕作模式, 且秸秆添加模式的效应在各土层均达显著水平, 而耕作模式仅在0~20 cm各土层达到显著效应。在0~5 cm、5~10 cm和10~20 cm土层, 较之T模式, NT模式可分别显著提升土壤POC含量25.10%、18.17%和7.78%。在0~40 cm各土层, S模式的OPOC含量分别高于NS模式(土层由上而下)34.72%、24.50%、24.03%和20.36%。

图4 不同耕作措施下不同土层土壤颗粒态有机碳含量

同一土层不同小写字母表示不同处理间≤5%水平差异显著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

表5 耕作模式和秸秆添加模式对不同深度土壤颗粒态有机碳含量的影响效应

*、**和***分别表示在P≤5%、P≤1%和P≤0.1%水平下有显著效应, n.s.表示在P>5%水平下无显著效应; 表中数值为检验值。*, **, *** indicate significant effects at P ≤5%, P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

2.5 耕作措施对土壤矿质结合态有机碳含量的影响

由图5可知, 各处理土壤矿质结合态有机碳(MOC)含量均随土层的降低而增加。0~40 cm各土层中, 各处理土壤MOC含量排序均为NTS>TS> NT>T, 且NTS、TS处理均显著高于T处理。各处理0~40 cm土层的土壤MOC平均含量排序与各土层中的趋势一致, 且各处理间差异显著。

结合图5, 由表6可知, 各土层中耕作模式对土壤MOC的效应不及秸秆添加模式, 且秸秆添加模式的效应在各土层均达显著水平, 而耕作模式仅在0~20 cm各土层达显著。在0~5 cm、5~10 cm和10~ 20 cm土层, 较之T模式, NT模式可分别显著提升土壤MOC含量4.37%、3.02%和2.47%。在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土层, 较之NS模式, S模式可分别显著提升MOC含量7.44%、5.23%、7.71%和8.35%。

图5 不同耕作措施下不同土层土壤矿质结合态有机碳含量

同一土层不同小写字母表示不同处理间≤5%水平差异显著。Different lowercase letters for the same soil layer stand for significant differences among different treatments at≤ 5% level.

表6 耕作模式和秸秆添加模式对不同深度土壤矿质结合态有机碳含量的影响效应

*、**和***分别表示在P≤5%、P≤1%和P≤0.1%水平下有显著效应, n.s.表示在P>5%水平下无显著效应; 表中数值为检验值。*, **, *** indicate significant effects at P ≤5%, P ≤1% and P ≤0.1%, respectively. n.s. indicates no significant effect at P >5%. The values arestatistic values in the table.

2.6 耕作措施对不同土壤有机碳组分分布的影响

由图6可知, 各处理土壤总有机碳均以颗粒态有机碳为主(POC/STOC范围为54.02%~76.78%), 颗粒态有机碳又以闭蓄态颗粒有机碳为优势组分(OPOC/POC范围为31.78%~46.11%)。各处理FPOC/STOC、OPOC/STOC和POC/STOC均随土层深度增加而降低, 而MOC/STOC反之。在0~20 cm各土层中, 各处理FPOC/STOC、OPOC/STOC和POC/ STOC排序均为NTS>TS>NT>T; 而在20~40 cm土层, FPOC/STOC和POC/STOC排序均为TS>NTS>NT>T, OPOC/STOC排序为TS>NTS>T>NT。0~10 cm各土层, 各处理MOC/STOC排序均为T>NT>TS>NTS, 而在10~40 cm各土层, T处理的MOC/STOC最高, NT处理次之, TS处理最低。

图6 不同耕作措施下不同土层土壤有机碳组分分布特征

FPOC: 土壤游离态颗粒有机碳; OPOC: 土壤闭蓄态颗粒有机碳; MOC: 土壤矿质结合态有机碳。FPOC: soil free particulate organic carbon; OPOC: soil occluded particulate organic carbon; MOC: soil mineral-associated organic carbon.

3 讨论

农田土壤总有机碳数量主要取决于有机碳的输入和降解之间的平衡[18]。杨永辉等[7]、张仁陟等[16]、Song等[19]研究发现, 免耕或免耕结合秸秆覆盖可不同程度提升土壤有机碳含量, 这与本研究结果一致。本研究发现, NT、TS和NTS处理均可不同程度提升土壤总有机碳含量, 其中NTS处理对0~40 cm土层的土壤总有机碳提升效果最好。同时, NT模式对STOC的提升效应仅在0~10 cm各土层达显著水平, 而S模式对0~40 cm各土层土壤总有机碳的提升效应均达显著水平。这主要是由于: 1)NT处理可有效地避免因翻耕而引起的土壤团聚体破坏[19-20], 使得更多土壤有机碳可以受到团聚体的物理保护[5], 降低其与土壤微生物的接触可能, 减缓了微生物的分解作用; 2)作为外源有机物而被引入土壤的秸秆, 含有大量的有机碳, 可有效弥补因翻耕而引起的土壤有机碳输入和降解之间的不平衡; 3)秸秆还田和免耕均可降低土壤温室气体的排放[16], 可有效降低土壤有机碳的无效损失。本研究还发现, 虽然NTS和TS处理均可提升土壤总有机碳, 但在10~40 cm各土层, NTS处理下土壤有机碳略低于TS处理, 但差异并未达显著水平。这可能是由于: 1)TS处理可将秸秆翻埋进入土壤[耕深(18±2) cm], 有利于秸秆与0~20 cm土体的接触, 而NTS处理仅将秸秆覆盖于土壤表层; 2)NTS处理可提升土壤总孔隙度, 提升土壤入渗速率[16,21], 有利于土壤可溶解态有机态的下渗, 随着秸秆还田年限的延长, 将会有更多的可溶解态有机碳积累于下层土壤; 3)TS处理虽然可以促进下层土壤与秸秆的接触, 为下层土壤增加外源有机碳, 但由于增加了土壤与秸秆的接触面, 使得微生物接触到的秸秆量增加, 促进了土壤微生物对秸秆的分解, 加之翻耕对土壤结构体的扰动, 有利于微生物可接触到更多的秸秆。因此, NTS和TS处理下10~40 cm各土层土壤总有机碳虽有差异, 但未达显著水平。同时, 随着秸秆还田时间的推移, NTS处理下10~40 cm各土层土壤总有机碳将有可能高于TS处理。

土壤颗粒态有机碳按照其在土壤结构中的位置和受保护程度的不同可分为游离态颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳[22]。游离态颗粒有机碳存在于团聚体与团聚体之间的大空隙中, 主要是颗粒较大的没有分解或半分解的动、植物和根系残体; 而闭蓄态颗粒有机碳是分布在团聚体内部的动、植物残体[23-24]。本研究发现, 较之T处理, TS和NTS均可不同程度提升土壤游离态颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳含量及其占总有机碳的比例, 其中NTS处理的效果最优。这主要归因于三耕两耱会将土壤团聚结构破坏, 致使颗粒态有机碳分解加快; 同时, Huang等[15]研究发现, NT、TS和NTS处理均可提高作物生物量, 这意味着NT处理下的作物残茬量, TS和NTS处理的残茬和秸秆还田量均会增加, 故而提升土壤颗粒态有机碳的含量。本研究发现, 颗粒态有机碳占土壤总有机碳的比例最高, 表明各处理下土壤有机碳库活性较高, 同时, OPOC/STOC高于FPOC/STOC, 表明土壤活性有机碳主要受团聚体物理保护。本研究还发现, 秸秆添加模式和耕作模式均对土壤游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳和颗粒态有机碳具有显著效应, 但秸秆添加模式的效应高于耕作措施; 同时, NT模式仅在0~20 cm各土层具有显著提升效应, 而S模式在0~40 cm各土层均具有显著提升效应。这说明颗粒态有机碳及其各组分含量的增加应主要归结于作物残茬和秸秆等外源有机物料的输入, 这与王朔林等[11]和韩晓日等[22]的研究观点相吻合。

矿物结合态有机碳是有机物分解的最终产物, 与土壤黏粒和粉粒相结合的部分, 稳定性较强[12-14,25]。本研究发现, 矿物结合态有机碳的含量和占土壤总有机碳的比例均随土层加深而增加, 这与土壤总有机碳和颗粒态有机碳的变化趋势截然相反。这可能是由于上层土壤中作物秸秆和残茬量高于下层土壤, 致使其土壤活性有机碳含量和比例较高。本研究还发现, 较之T处理, NT、TS和NTS处理均可不同程度提升MOC含量, 究其原因可能是由于: 1)有机物料添加为微生物生存提供了大量能量物质, 导致微生物代谢分泌物增加, 而这些分泌物可以直接转移至细黏粒, 致使土壤矿物结合态有机碳积累[26]; 2)翻耕会促使有机碳矿化、分解, 加之无外源有机物料补充, 导致微生物对MOC的分解, 致使其含量降低。

4 结论

通过长达17年的不同耕作措施田间定位试验, 各处理土壤密度组分中有机碳均以颗粒态有机碳为优势组分, 闭蓄态颗粒有机碳为颗粒态有机碳的主要组成部分。长期保护性耕作可提升土壤总有机碳含量, 以及游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳含量, 也可提升FPOC/STOC、OPOC/STOC和POC/STOC, 其中NTS处理对0~40 cm土层的提升效果最好, 但T处理的MOC/STOC高于NT、TS和NTS处理。因此, 长期保护性耕作不仅可以提高土壤碳库活性, 也有利于土壤固碳, 但其主要以物理保护为主导作用。同时, 耕作模式、秸秆添加模式均对土壤总有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳发挥着显著效应, 秸秆添加模式的效应高于耕作模式, NT模式仅对0~10 cm各土层土壤总有机碳和0~20 cm各土层土壤碳组分的提升效应达显著水平, 而S模式对0~40 cm各土层土壤总有机碳和碳组分含量的提升均发挥着显著影响。综合来看, NTS处理更有利于陇中黄土高原旱作农田的土壤碳库活性提升, 促进土壤固碳能力, 有益于该区构建环境友好型和可持续发展型农业生产模式。

[1] 刘中良, 宇万太, 周桦, 等. 不同有机厩肥输入量对土壤团聚体有机碳组分的影响[J]. 土壤学报, 2011, 48(6): 1149–1157 LIU Z L, YU W T, ZHOU H, et al. Effect of application rate of barnyard manure on organic carbon fraction of soil aggregates[J]. Acta Pedologica Sinica, 2011, 48(6): 1149–1157

[2] SMITH P. Soils as carbon sinks: The global context[J]. Soil Use and Management, 2004, 20(2): 212–218

[3] 王虎, 王旭东, 田宵鸿. 秸秆还田对土壤有机碳不同活性组分储量及分配的影响[J]. 应用生态学报, 2014, 25(12): 3491–3498 WANG H, WANG X D, TIAN X H. Effect of straw-returning on the storage and distribution of different active fractions of soil organic carbon[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(12): 3491–3498

[4] BILLINGS S A. Soil organic matter dynamics and land use change at a grassland/forest ecotone[J]. Soil Biology and Bio­chemistry, 2006, 38(9): 2934–2943

[5] 武均, 蔡立群, 齐鹏, 等. 不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(3): 276–284WU J, CAI L Q, QI P, et al. Distribution characteristics of organic carbon and total nitrogen in dry farmland soil aggregates under different tillage methods in the Loess Plateau of central Gansu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(3): 276–284

[6] 姜学兵, 李运生, 欧阳竹, 等. 免耕对土壤团聚体特征以及有机碳储量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(3): 270–278 JIANG X B, LI Y S, OUYANG Z, et al. Effect of no-tillage on soil aggregate and organic carbon storage[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(3): 270–278

[7] 杨永辉, 武继承, 张洁梅, 等. 耕作方式对土壤水分入渗、有机碳含量及土壤结构的影响[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(2): 258–266YANG Y H, WU J C, ZHANG J M, et al. Effect of tillage method on soil water infiltration, organic carbon content and structure[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(2): 258–266

[8] SIX J, ELLIOTT E T, PAUSTIAN K, et al. Aggregation and soil organic matter accumulation in cultivated and native grassland soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1998, 62(5): 1367–1377

[9] 王玉博, 赵光影, 臧淑英, 等. 人为干扰对小兴安岭森林湿地土壤碳组分和酶活性的影响[J]. 环境科学学报, 2017, 37(12): 4757–4764 WANG Y B, ZHAO G Y, ZANG S Y, et al. Effects of human disturbance on soil carbon fractions and enzyme activities in forest wetlands of Xiaoxing’an Mountains[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017, 37(12): 4757–4764

[10] 佟小刚, 黄绍敏, 徐明岗, 等. 长期不同施肥模式对潮土有机碳组分的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(4): 831–836 TONG X G, HUANG S M, XU M G, et al. Effects of the different long-term fertilizations on fractions of organic carbon in fluvo-aquic soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(4): 831–836

[11] 王朔林, 王改兰, 赵旭, 等. 长期施肥对栗褐土有机碳含量及其组分的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1): 104–111 WANG S L, WANG G L, ZHAO X, et al. Effect of long-term fertilization on organic carbon fractions and contents of cinnamon soil[J]. Journal of P1ant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(1): 104–111

[12] COOKSON W R, ABAYE D A, MARSCHNER P, et al. The contribution of soil organic matter fractions to carbon and nitrogen mineralization and microbial community size and structure[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(9): 1726–1737

[13] GOLCHIN A, OADES J M, SKJEMSTAD J O, et al. Study of free and occluded particulate organic matter in soils by solid state13C CP/MAS NMR spectroscopy and scanning electron microscopy[J]. Australian Journal of Soil Research, 1994, 32(2): 285–309

[14] 倪进治, 徐建民, 谢正苗. 土壤轻组有机质[J]. 环境污染治理技术与设备, 2000, 1(2): 58–64 NI J Z, XU J M, XIE Z M. Soil light fraction organic matter[J]. Techniques and Equipments for Environmental Pollution Control, 2000, 1(2): 58–64

[15] HUANG G B, ZHANG R Z, LI G D, et al. Productivity and sustainability of a spring wheat-field pea rotation in a semi-arid environment under conventional and conservation tillage systems[J]. Field Crops Research, 2008, 107(1): 43–55

[16] 张仁陟, 黄高宝, 蔡立群, 等. 几种保护性耕作措施在黄土高原旱作农田的实践[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(1): 61−69 ZHANG R Z, HUANG G B, CAI L Q, et al. Dry farmland practice involving multi-conservation tillage measures in the Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(1): 61–69

[17] VAN DEN PUTTE A, GOVERS G, DIELS J, et al. Assessing the effect of soil tillage on crop growth: A meta-regression analysis on European crop yields under conservation agriculture[J]. European Journal of Agronomy, 2010, 33(3): 231–241

[18] 梁尧, 韩晓增, 宋春, 等. 不同有机物料还田对东北黑土活性有机碳的影响[J]. 中国农业科学, 2011, 44(17): 3565–3574 LIANG Y, HAN X Z, SONG C, et al. Impacts of returning organic materials on soil labile organic carbon fractions redistribution of mollisol in northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(17): 3565–3574

[19] SONG K, YANG J J, XUE Y, et al. Influence of tillage practices and straw incorporation on soil aggregates, organic carbon, and crop yields in a rice-wheat rotation system[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 36602

[20] FUENTES M, HIDALGO C, ETCHEVERS J, et al. Conservation agriculture, increased organic carbon in the top-soil macro-aggregates and reduced soil CO2emissions[J]. Plant and Soil, 2012, 355(1/2): 183–197

[21] 武均, 蔡立群, 罗珠珠, 等. 保护性耕作对陇中黄土高原雨养农田土壤物理性状的影响[J]. 水土保持学报, 2014, 28(2): 112–117 WU J, CAI L Q, LUO Z Z, et al. Effects of conservation tillage on soil physical properties of rainfed field of the Loess Plateau in central of Gansu[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(2): 112–117

[22] 韩晓日, 王玲莉, 杨劲峰, 等. 长期施肥对土壤颗粒有机碳和酶活性的影响[J]. 土壤通报, 2008, 39(2): 266–269 HAN X R, WANG L L, YANG J F, et al. Effect of long-term fertilizations on particulate organic carbon and enzyme activities in a brown earth[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(2): 266–269

[23] Cambardella C A, ELLIOTT E T. Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992, 56(3): 777–783

[24] GOLCHIN A, OADES J M, SKJEMSTAD J O, et al. Soil structure and carbon cycling[J]. Australian Journal of Soil Research, 1994, 32(5): 1043–1068

[25] JENKINSON D S, FOX R H, RAYNER J H. Interactions between fertilizer nitrogen and soil nitrogen —The so-called ‘priming’ effect[J]. European Journal of Soil Science, 1985, 36(3): 425–444

[26] 樊廷录, 王淑英, 周广业, 等. 长期施肥下黑垆土有机碳变化特征及碳库组分差异[J]. 中国农业科学, 2013, 46(2): 300–309 FAN T L, WANG S Y, ZHOU G Y, et al. Effects of long-term fertilizer application on soil organic carbon change and fraction in cumulic haplustoll of Loess Plateau in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(2): 300–309

Distribution of soil particulate organic carbon fractions as affected by tillage practices in dry farmland of the Loess Plateau of central Gansu Province*

WU Jun1,2, CAI Liqun1,2,3, ZHANG Renzhi1,2,3**, QI Peng1,2, ZHANG Jun1,2,3

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu EngineeringResearch Center for Agriculture Water-saving, Lanzhou 730070, China)

As a vital indicator of soil quality, soil organic carbon and its fractions play an essential role in soil productive capacity and crop yield, while may be affected by soil tillage methods in dry farmland areas. Organic carbon is a key component of soil because it carries many functions in agro-ecosystem. A study was carried out to investigate the effects of different tillage and straw application patterns on the distribution of soil particulate organic carbon fractions under spring wheat-pea rotation by using the density fraction method [NaI: (1.70±0.02) g×cm-3]. Four particulate fractions of soil total organic carbon (STOC), free particulate organic carbon (FPOC), occluded particulate organic carbon (OPOC), particulate organic carbon (POC) and mineral-associated organic carbon (MOC) were obtained. The study involved a 17-year local field experiment at the Rainfed Agricultural Experimental Station of Gansu Agricultural University, Dingxi, Gansu Province, China (35°28′N, 104°44′E). The experiment included four treatments, which were conventional tillage (T), no-tillage (NT), no-tillage with straw incorporation (NTS) and conventional tillage with straw mulching (TS) arranged in a complete randomized block design with three replications. The soil samples were taken at four different soil depths (0-5 cm, 5-10 cm, 10-20 cm and 20-40 cm) per plot. The results showed that the dominant fraction of STOC for each soil layer was POC (the ratio range was 54.02%-76.78%) in four treatments, and the main component of POC was OPOC, suggesting that the effect of physical protection was the crucial role for soil carbon sequestration and fixation in the area. The contents of STOC, FPOC, OPOC and POC were decreased with increasing soil layers, MOC content, however, was increased with increasing soil layers. FPOC/STOC, OPOC/STOC and POC/STOC were decreased with increasing soil layer, MOC/STOC was increased with increasing soil layers. In 0-40 cm soil depth, compared with treatment T, the mean values of STOC, FPOC, OPOC, POC and MOC in NT, TS and NTS treatments were greater, and NTS treatment exhibited the greatest effect. The same trend was represented for FPOC/STOC and POC/STOC. No tillage system represented significantly enhance effect on contents of FPOC, OPOC, POC and MOC in 0-20 cm soil depths, but the straw retention system showed significantly boosting effect on contents of STOC, FPOC, OPOC, POC and MOC in 0-40 cm soil depths, andtest values of straw retention were greater than that of tillage system, thereby the effects of straw retention were greater than that of tillage system. As a whole, NTS may be an ideal enhancer of farmland productivity in the semi-arid soil ecosystem through enhancing soil organic carbon pool which resulted in the maintenance of higher nutrient content, and subsequently helping in contributing sustainable agricultural development in the Loess Plateau of central Gansu Province.

Loess Plateau of central Gansu Province;Dry farmland; Straw retention; Soil total organic carbon; Particulate organic carbon; Mineral-associated organic carbon

, E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn

Jan. 16, 2018;

Mar. 7, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.180076

S153.6

A

1671-3990(2018)05-0728-09

张仁陟, 主要从事保护性耕作、节水农业及土壤生态学方面的教学与研究。E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn 武均, 主要研究方向为保护性耕作、土壤生态学。E-mail: wujun210@126.com

2018-01-16

2018-03-07

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31571594, 41661049), the “National Twelfth Five-Year Plan” Circular Agricultural Science and Technology Project of China (2012BAD14B03) and the Natural Science Foundation of Gansu Province of China (1606RJZA076).

* 国家自然科学基金项目(31571594, 41661049)、“十二·五”《循环农业科技工程》项目(2012BAD14B03)和甘肃省自然科学基金项目(1606RJZA076)资助

武均, 蔡立群, 张仁陟, 齐鹏, 张军. 耕作措施对旱作农田土壤颗粒态有机碳的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(5): 728-736

WU J, CAI L Q, ZHANG R Z, QI P, ZHANG J. Distribution of soil particulate organic carbon fractions as affected by tillage practices in dry farmland of the Loess Plateau of central Gansu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(5): 728-736