保护性耕作对蚕豆根系生长及根际土壤有机碳动态的影响

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(1.西南大学农学与生物科技学院，南方山地农业教育部工程研究中心，三峡库区生态环境教育部重点实验室， 四川 重庆400715)

紫色土是我国一种特有的土壤资源，主要分布在四川盆地。西南紫色土地区由于其湿润的气候和复杂的地形等特点，加上人为活动的加剧，使得该区域内水土流失现象越来越严重。尤其是对于占本区耕地面积70%以上的旱作坡耕地，土层浅薄、土壤有机质下降、保水保土性能差等，已成为农业可持续发展的主要制约因素[1]。以秸秆覆盖[2]、垄作[3]为主的保护性耕作措施在改善土壤肥力、提高作物产量方面在该地区具有显著的效益。黄新君等发现，增施有机质的同时进行秸秆覆盖可作为紫色土区坡耕地减小土壤可蚀性的有效措施[4]。韩晓飞等通过长期定位试验发现，在保护性耕作下土壤上下层全磷、有效磷和各形态无机磷均有不同程度的增加，有利于土壤肥力提高[5]。R.Alvarez等认为，长期的保护性耕作能增加土壤有机碳库[6]。但针对紫色土丘陵区农田生态系统土壤碳循环的研究较少，从而限制了对其有机碳积累、转化的特殊性的进一步认识。

本文基于紫色土丘陵区坡耕地“蚕豆/玉米/甘薯”旱三熟种植模式，通过对比分析探究保护性耕作对蚕豆(ViciafabaL.)根系生长状况、土壤理化性状和根际土壤有机碳动态的影响，剖析各指标间的关联性，初步揭示保护性耕作影响根际土壤有机碳动态的内部机制，探究其适宜的保护性耕作措施，为合理利用该措施改善土壤有机质状况和解决生态效益低下问题提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于重庆市西南大学试验农场保护性耕作长期定位试验点，地处东经106°26′，北纬30°26′，海拔244 m，属于亚热带季风气候。年平均气温18.3℃，年平均降雨量1 133.4 mm，在蚕豆生育期的降雨量占全年降雨量的60%；年日照1 276.7 h，无霜期年均约334 d； 土壤为旱地中性紫色土，坡度较缓，地力均匀。土壤的基本理化性质如下：pH 6.47，土壤有机质28.00 g·kg-1，全氮1.68 g·kg-1，全磷1.46 g·kg-1，全钾34.54 g·kg-1，碱解氮35.23mg·kg-1，速效磷18.13 mg·kg-1，速效钾71.1 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验地已连续6年开展旱三熟种植模式下的保护性耕作研究，每年的耕作处理保持一致。本研究于2014年11月至2015年5月以“蚕豆/玉米/甘薯”旱三熟种植模式中第一季作物蚕豆田为研究对象设置田间试验。参试作物蚕豆(ViciafabaL.)的品种为“陵西一寸”，于2014年11月3日种植，2015年5月1日收获；点播，垄作处理植株种植在垄上，每条带2行，每行12窝，每窝3株，各处理均施复合肥225 kg·hm-2(含N 15%、P2O515%、K2O 15%)，作为基肥在播种的同时施入。试验共设6个处理(见表1)，采用随机区组排列，每个小区的面积为8.0 m×3.6 m。每个小区均分四厢共八个条带，每个条带宽度为1.0 m，长度为3.6 m。每个处理重复3次。覆盖处理所用的玉米秸秆，收获后人工截成10 cm左右，均匀覆盖于小区内，半量覆盖处理的小区覆盖秸秆量约为3 750 kg·hm-2，全量覆盖处理的小区覆盖秸秆量为7 500 kg·hm-2。田间管理措施同常规。

表1 试验处理Table 1 The experimental treatments

1.3 测定指标与方法

1.3.1蚕豆根系指标测定 在蚕豆的幼苗期、分枝期、开花期、结荚期、成熟期，随机选取各处理的小区内蚕豆4窝共12株，用三角锹挖出蚕豆根系，连根带土壤缓缓移出，除去地上部分，放入塑料袋中带回实验室。在分离出根际/非根际土壤后，用水冲根取样，采用小水慢冲、以不折损细根为原则，尽量保留根系完整。测定指标如下：

根系总长、根表面积、根平均直径：采用winRHIZO根系分析系统(加拿大Regent公司)扫描测定；

根系生物量：将扫描后的根在105℃下杀青20 min，然后在75℃条件下烘干至恒重 (g)；

根系呼吸：采用LI6400便携式光合作用系统(美国Li-Cor公司)连接的6400-09土壤呼吸室测定。在每个处理的第一个重复的四厢选择一厢不种作物作为无根土壤的代表，分别测定无根土壤和种植作物带的土壤呼吸。利用根排除法计算根呼吸，计算公式如下：

根呼吸=带根土壤的二氧化碳通量-无根土壤的二氧化碳通量

1.3.2根际土壤有机碳活性组分 根际/非根际土壤样品的采集：在蚕豆的幼苗期、分枝期、开花期、结荚期、成熟期，随机选取各处理的小区内蚕豆3窝共9株，用三角锹挖出蚕豆根系，连根带土壤缓缓移出，除去地上部分，放入塑料袋中，仔细剔除无根分布的土体，并缓缓抖落根围土壤，抖落掉的土壤为非根际土壤，剩余附着在根系上的土壤薄层(<10 mm)为根际土壤。测定指标如下：

水溶性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)含量测定：釆用TOC-VCPH自动测定仪(日本岛津公司)测定。

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

颗粒态有机碳(particulate organic carbon，POC)：釆用六偏磷酸钠分散法测定[8]。

土壤有机碳矿化特征分析：采用短期土壤培养法[9]。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17.0软件对试验所得数据进行方差分析、显著性检验和相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理下蚕豆根系生长特性的动态变化

2.1.1保护性耕作对蚕豆根系生物量的影响 根系生物量是研究根系生长状况的重要指标。随着蚕豆生育期的推进，其根系生物量逐渐增加，结荚期达到最大；结荚期到成熟期，蚕豆根系逐渐衰老死亡，根系生物量减少(图1)。

除幼苗期外，蚕豆其他各生育期的根系生物量在不同处理间的变化有相同规律，其大小排序为：T

图1 不同生育期蚕豆根系生物量动态变化Fig.1 Dynamic changes of root biomass in growth period of broad bean注：不同小写字母表示不同处理间差异达到显著水平(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保护性耕作对蚕豆根系形态变化的影响 由表2可知，蚕豆总根长(total root length，TRL)随着生育期的推进逐渐增大。除幼苗期外，其余各生育期的趋势为：T

蚕豆根表面积(root surface area，RSA)也是随着生育期的推进逐渐增大。在蚕豆幼苗期和开花期，秸秆半量覆盖处理(TS1、RS1)的根表面积最大。在分枝期，根表面积的顺序为：T

除幼苗期外，蚕豆根系平均直径(average diameter，AD)在各生育期的大小顺序基本为：T

综上所述，在蚕豆生育期内，相同耕作条件下，全量秸秆覆盖处理相对于无覆盖处理，能显著增加根系生物量并促进其形态发育。在相同秸秆覆盖量下，垄作较平作更能改善作物根系形态，且其促进作用主要表现在生育后期，证明通过秸秆覆盖和垄作的保护性耕作措施均能改善农田微环境，不同程度促进蚕豆根系生长，进而促进作物生长。

表2 不同耕作措施对蚕豆根系形态变化的影响Table 2 Effect of different tillage systems on morphology of root system of broad bean

2.2 保护性耕作对蚕豆根系呼吸的影响

根系的呼吸速率采用根系排除法计算得出，如图2所示，根系呼吸速率在整个生育期波动较大，从蚕豆幼苗期到开花期根系呼吸呈缓慢增加趋势，从开花期到结荚期，根系呼吸显著提高，至成熟期，根系呼吸明显下降。

除幼苗期外，各生育期平作处理的呼吸速率均大于垄作处理，差异显著。在幼苗期，各处理根系呼吸差异不显著；分枝期和开花期，平作处理随秸秆覆盖量的增大，根系呼吸逐渐增大，且差异显著，垄作各处理差异不显著；结荚期和鼓粒期，TS1、TS2、RS2的根系呼吸速率较对照T显著提高；成熟期，TS1、RS1、TS2、RS2的根系呼吸速率较对照T显著提高。

2.3 保护性耕作对根际土壤有机碳相关组分的影响

2.3.1保护性耕作对根际土壤水溶性有机碳的影响 由图3可知，不同处理下蚕豆根际DOC平均含量表现为：RS1

不同处理下蚕豆非根际DOC平均含量表现为：TS1

在生育前期，除秸秆全量覆盖外，不同处理的根际DOC含量与非根际土壤差异并不显著，即表明DOC无根际富集效应，但与秸秆覆盖量有相关性。土壤水溶性有机碳作为土壤有机碳最活跃的组成部分,可通过全量秸秆覆盖的保护性耕作措施进行有效调节。

图2 蚕豆条带根系呼吸动态变化Fig.2 Dynamic change of root respiration in broad bean belt

图3 不同耕作方式下根际与非根际土壤可溶性有机碳含量的变化Fig.3 Changes in content of dissolved organic carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

2.3.2保护性耕作对根际土壤微生物量碳的影响 图4结果表明，不同秸秆覆盖处理的根际MBC含量在各生育期都有如下规律：T

综上可知，不同处理的根际MBC含量均高于非根际土壤，除RS2处理差异不显著，其余处理均存在显著差异，即表现出根际MBC富集效应。证明根际微环境土壤是受作物根系生长和微生物活动影响最强烈的部分。

图4 不同处理下根际与非根际土壤微生物量碳含量的动态变化Fig.4 Changes in content of microbial biomass carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

2.3.3保护性耕作对根际土壤颗粒有机碳的影响 不同耕作方式对根际/非根际POC含量的影响如图5所示。在蚕豆各生育期，根际POC含量均表现为垄作和平作的秸秆全量覆盖处理(TS2、RS2)大于对照T处理，且差异显著。秸秆半量覆盖下，除苗期和结荚期外，垄作POC含量显著优于平作。在除开花期外，非根际POC含量也均表现为全量覆盖处理(TS2、RS2)显著大于对照T处理。表明在秸秆半量覆盖下，垄作优于平作；而垄作和平作在秸秆全量覆盖下均有利于POC的积累，对于提高土壤肥力水平、改善土壤质量具有重要的意义。

2.3.4保护性耕作对根际土壤可矿化碳的影响 土壤有机碳累积矿化量是土壤在特定培养环境中培养一定周期内释放的CO2数量。各耕作处理根际与非根际土壤有机碳累积矿化量的变化趋势较一致，在培养前期土壤矿化速度较快，随着培养时间的推进矿化速度下降，土壤有机碳矿化累积速度也逐步放缓。由表3的潜在可矿化碳(potential mineralized carbon，PMC)与矿化强度变化得出，在蚕豆幼苗期和分枝期，根际土壤有机碳矿化量小于非根际土壤，在开花期和成熟期，根际土壤有机碳矿化量大于非根际土壤。不同保护性耕作方式下根际土壤有机碳累积矿化量在苗期和分枝期都有以下变化规律：T

TS2、RS2处理的根际或非根际土壤矿化强度都显著小于对照T处理，说明全量覆盖处理下的土壤有机碳稳定性更强。在蚕豆幼苗期，根际土壤的矿化强度小于非根际土壤；其他三个生育期则表现为根际土壤矿化强度大于非根际土壤。这说明根际土壤有机碳矿化对于不同耕作处理的响应更为敏感。

图5 不同处理下根际与非根际土壤颗粒态有机碳含量的动态变化Fig.5 Changes in content of particulate organic carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

表3 不同处理下根际与非根际土壤有机碳累积矿化量和矿化强度动态特征Table 3 Changes in cumulative mineralization of organic carbon and mineralized intensity in rhizosphereand bulk soil under different tillage systems

3 讨论

杜天庆[10]等研究了4种豆科牧草，认为其根系生长特征呈S型，可分为缓增期、速增期和顶峰期。本试验研究结果表明蚕豆的根系生物量在结荚期达到最大，这与作物品种有关。秸秆覆盖处理可以提高蚕豆根系生物量，且秸秆全量覆盖提高效果更好。秸秆覆盖措施有助于延缓根系衰老，为蚕豆产量提高提供潜力，这与王彦庆等[11]的研究是一致的。

邹聪明等[12]研究表明，秸秆覆盖对苗期玉米根系的根长、根表面积有显著性提高。冯福学[13]的研究表明，免耕秸秆覆盖处理下的冬小麦根系根长、根表面积较传统耕作有显著性的提高。本试验中，垄作+秸秆覆盖处理可以显著提高蚕豆根系根长，且全量覆盖的根长显著大于半量覆盖；垄作处理显著提高蚕豆根系表面积，而秸秆覆盖对根表面积的影响不显著；秸秆全量覆盖可以显著提高蚕豆根系平均直径。这是因为秸秆覆盖增大土壤水分，促进根系发育，提高根系活力和根系生物量[14]，直接影响根系的生长与构形分布，且垄作+秸秆覆盖可以有效降低土壤容重，促进蚕豆根系生长。

秸秆还田可以提高土壤有机质的输入量，减少土壤有机碳的矿化分解，从而增加土壤有机碳含量[15]。本研究表明，秸秆覆盖处理较传统耕作方式表现出了明显的有机碳积累优势，尤其是秸秆全量处理的优势更显著，在秸秆半量覆盖的情况下，垄作有利于提高土壤TOC含量，其他情况则不一定，这可能是秸秆覆盖与垄作的交互作用引起的。

王丹丹等[16]的研究结果表明秸秆还田提升了水溶性碳、活性有机碳含量。符卓旺[17]对水稻根际土壤有机碳动态的研究表明，水溶性碳含量有明显的根际富集效应。本试验结果表明，土壤活性有机碳组分中，MBC表现出明显的根际富集效应，这是因为根际微环境土壤是受作物根系生长和微生物活动影响最强烈的部分。秸秆覆盖处理显著提高了MBC含量，且秸秆全量覆盖提高效果更好。秸秆全量覆盖显著提高了土壤DOC和POC含量。说明MBC对秸秆覆盖量的响应更敏感，这可能与种植制度有关。秸秆全量覆盖(TS2、RS2)的矿化强度均低于不覆盖处理(T、R)，说明秸秆覆盖处理可能会提高土壤有机碳的稳定性。同时，秸秆覆盖处理有利于土壤有机碳矿化量的增加，这主要是由于秸秆覆盖处理下的土壤总有机碳储量更多，有机碳矿化量也随之增多。

王健波等[18]认为，长期保护性耕作能够提高农田土壤固碳量，减少大气温室气体排放，对于改善土壤碳库和减排效果是一个良好的选择。熊瑛等[19]研究发现，垄作显著降低了蚕豆农田土壤呼吸速率，而秸秆覆盖显著提高土壤呼吸速率，且随着覆盖量的增加而增加。垄作和秸秆覆盖有利于蚕豆田生态系统的碳汇,以垄作+秸秆全量覆盖的效果最好。与本试验研究结果一致。秸秆覆盖提高蚕豆生育后期根系呼吸速率，这可能与秸秆覆盖下根系生物量显著提高有关；土壤呼吸是碳循环的重要环节。结荚期是生育期中土壤呼吸高峰期，这主要是因为开花期过后，大气回温，土壤温度逐渐上升，土壤微生物活动增强，且根系生物量达到最大，根系对土壤呼吸的贡献增大。垄作提高了根系生物量进而增加了根系呼吸，但其增加量并不能抵消微生物呼吸的降低量,最终表现为蚕豆田土壤呼吸显著低于平作。保护性耕作通过对植物根系生长的影响，从而对根际微环境碳循环产生调控效应。垄作+秸秆覆盖的耕作模式在促进作物根系生长的同时控制了土壤CO2排放量，有利于蚕豆田生态系统的碳汇，对于节能减排的农业可持续发展具有积极效用。

4 结论

秸秆覆盖处理显著提高了蚕豆根系生物量、单株根长度，根总表面积及根平均直径，各指标总趋势表现为：T

秸秆覆盖+垄作的保护性耕作措施较传统耕作方式表现出了明显的有机碳积累优势，尤其是秸秆全量处理优势更显著。秸秆覆盖可以提高根际MBC含量，且MBC含量与秸秆覆盖量呈正相关。TS2和RS2处理的根际土壤矿化强度显著低于传统平作(T)，说明秸秆覆盖可以改善土壤微环境，降低土壤矿化能力，提高土壤有机碳的稳定性及土壤固碳能力。