秸秆与地膜覆盖对旱作土娄土碳氮组分的影响

张彤勋，皮小敏，孙本华,，柳媛媛，魏 静，高明霞，冯 浩,3,4

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；4.中国科学院水利部 水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

农田地表覆盖包括砂石覆盖、作物秸秆覆盖、农田化学覆盖物覆盖和地膜覆盖等，是干旱半干旱地区重要的农业措施。农田地表覆盖可以改善土壤水热状况，从而促进植物生长发育[1]，改善土壤理化性质，维持表层土壤稳定性[2]。目前地膜覆盖和秸秆覆盖在西北干旱半干旱地区应用最为广泛。相关研究表明，地膜覆盖具有调节土壤温度，减少土壤水分无效蒸发，降低杂草与作物营养竞争，减少土壤侵蚀等优点[3]。秸秆覆盖可以减少秸秆不合理利用带来的环境污染问题，提高土壤肥力，调节土壤水热平衡，提高水分利用率，从而实现作物稳产和增产的目的[3]。因此，近年来，地膜覆盖和秸秆覆盖作为一种高效经济农业栽培技术被快速推广[4]。

土壤有机碳是农业生态系统中碳素重要组成部分，也是评价土壤质量重要指标，而不同覆盖措施会影响土壤有机碳质量分数[5-6]。在植物生长所需众多元素中，氮素占据举足轻重地位，且植物所需大部分氮素来自土壤，而通过秸秆覆盖和覆膜能够改变土壤环境从而影响土壤氮素。 近年来，研究不同覆盖措施对土壤碳氮和土壤养分影响相对较多，且许多研究表明，秸秆覆盖有助于提高土壤中有机碳和全氮质量分数[7-8]，但地膜覆盖不利于土壤有机碳积累[9-10]。Tian等[11]研究结果显示，地膜覆盖提高土壤可溶性有机碳质量分数，降低土壤微生物量碳质量分数。秸秆覆盖增加了外来有机物，导致土壤微生物量碳和可溶性有机碳显著提高[12]。解文艳等[13]研究结果表明，秸秆覆盖和地膜覆盖都显著降低0～200 cm 土层硝态氮累积量。Mccracken等[14]研究指出，覆盖作物可以减少硝态氮淋溶风险。以往研究主要集中在单独比较秸秆覆盖和全膜覆盖对土壤碳氮的影响，而对于半膜覆盖，膜下土壤和膜间土壤碳氮组分研究尚未见报道。因此，本试验研究秸秆覆盖﹑半膜和全膜覆盖3种方式对碳氮组分总体影响，同时探讨半膜覆盖条件下膜下与膜间土壤养分和水分响应差异，探求不同覆盖措施对土壤肥力的影响机制，进而为促进农田土壤可持续利用和提高土壤生产潜力提供科学理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本概况

试验地位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站(108°24′E、34°20′N)，平均海拔为521 m，该地区属暖温带季风半湿润气候区，全年无霜期为221 d，年平均气温为12.9 ℃，年均降水量为660 680 mm，年内降雨分布不均，主要集中在7-10月，年均蒸发量1 400 mm。供试土壤为土垫旱耕人为土(土娄土)，中壤质，表层(0～20 cm)土壤有机碳8.26 g·kg-1，全氮0.95 g·kg-1，全磷0.83 g·kg-1，全钾20.42 g·kg-1，速效磷20.9 mg·kg-1，速效钾287.0 mg·kg-1，体积质量1.37 g·cm-3，pH为8.02。

1.2 试验设计

试验始于2013年10月，设置不覆盖(NM)、秸秆覆盖(SM)、全膜覆盖(FM)和半膜覆盖(HFM)4个处理，每个处理3个重复，共12个小区。小区面积为5 m×2 m，小区间有0.5 m保护行，采用随机区组排列。供试作物为冬小麦和夏玉米，一年两熟，品种分别为‘小偃22’和‘秦龙11’。小麦条播，行距为30 cm；玉米行距60 cm，株距40 cm。秸秆覆盖和地膜覆盖均在每季作物播种后立即进行，覆盖时间为整个作物生育期。秸秆覆盖均为小麦秸秆粉碎后覆盖，覆盖率100%，覆盖量为4 t·hm-2，在下一季作物播种时，将上一季覆盖秸秆翻入土壤中。半膜覆盖为作物上不覆膜，在每排作物行间覆膜；全膜覆盖为作物和作物行间都覆膜，地膜厚度均为0.008 mm。小麦季基肥为纯氮120 kg·hm-2，纯P2O5100 kg·hm-2；拔节期追肥，施肥量为纯氮30 kg·hm-2(氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙)。玉米季基肥为纯氮225 kg·hm-2，纯P2O590 kg·hm-2(氮肥为尿素，磷肥为磷酸二铵)。玉米生育期(2015-06-11-2015-10-09)降雨量为289.3 mm，降雨时间为43 d(图1)。

图1 2015-01-01至2015-12-31每日降水量、最高气温和最低气温Fig.1 Daily precipitation,max and min air temperatures from January 1, 2015 to December 31, 2015

1.3 样品采集方法

于玉米收获后采集耕层土壤样品，采用随机多点混合原则，剔除土壤中动植物残体，混合均匀分成2份，一份风干用于有机碳和全氮测定；另一份土壤鲜样过2 mm筛保存于4 ℃冰箱中，用于微生物量碳氮与可溶性有机碳氮测定。在采集表层混合土壤样品同时，采集0～200 cm土壤剖面样，每20 cm为1个分析样品，用于测定土壤硝态氮和水分。对于半膜覆盖(HWF)处理，于膜下(HFMU)与膜间(HFMB)分别采集耕层和剖面土样，并测定其相应项目。

土壤有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法[15]测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸直接浸提法测定[16-17]；土壤可溶性有机碳(DOC)采用总有机碳分析仪测定[18]；可溶性全氮(TDN)采用碱性过硫酸钾氧化法测定[19]；土壤硝态氮采用1 mol·L-1KCl浸提，用连续流动分析仪测定[20]；土壤含水量采用烘干法测定[21]。

1.4 数据处理

土壤微生物量碳、氮计算：

MBC=EC/KEC

MBN=EN/KEN

其中EC、EN分别为熏蒸和未熏蒸土壤有机碳、全氮质量分数差值，KEC、KEN为转化系数，两者均为 0.45[16]。

土壤硝态氮累积量=C×H×D/10

其中C表示土层中硝态氮质量分数(mg·kg-1)；H表示土层深度(cm)；D表示土壤体积质量(g·cm-3)。

土壤储水量=W×H×D/10

其中W表示土壤质量含水量(%)；H表示土层深度(cm)；D表示土壤体积质量(g·cm-3)。

采用Excel 2007和SPSS 22进行数据统计分析，用Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖措施对土壤有机碳和全氮的影响

由表1可见，秸秆覆盖处理下SOC质量分数显著高于其他处理(P<0.05)，分别较不覆盖处理、全膜覆盖处理和半膜覆盖处理提高3.7%、4.3%和17.1%。半膜覆盖处理的膜下和膜间的SOC质量分数均显著低于不覆盖处理和全膜覆盖处理(P<0.05)。说明秸秆覆盖处理更有利于SOC质量分数累积，适合长期作物栽培，地膜覆盖处理在只施无机肥情况下，不利于土壤有机碳累积。各覆盖处理中，半膜覆盖处理的膜间土壤TN质量分数显著低于秸秆覆盖处理(P<0.05)，且膜下的土壤碳氮比显著低于全膜覆盖处理(P<0.05)。

表1 不同覆盖下土壤有机碳和全氮质量分数Table 1 Soil organic carbon and total nitrogen under different mulches

2.2 不同覆盖措施对土壤微生物量碳氮的影响

不同处理下土壤微生物量碳和氮的质量分数差异显著(表2)。秸秆覆盖处理和半膜覆盖处理的微生物量碳质量分数分别较不覆盖处理显著提高67.5%和30.6%(P<0.05)，但全膜覆盖处理与不覆盖处理差异不显著(P>0.05)。各处理的土壤MBN与MBC变化趋势相近，秸秆覆盖处理土壤MBN质量分数较不覆盖处理显著提高56.2%(P<0.05)。半膜覆盖处理的膜间土壤微生物量碳和氮分别较膜下提高54.0%和44.1%(P<0.05)。以上结果说明，秸秆覆盖和半膜覆盖能为土壤微生物提供良好生存环境，加快土壤微生物生长繁殖，从而提高土壤MBC、MBN的质量分数；半膜覆盖处理中膜间的土壤环境比膜下更有利于微生物生长繁殖。

2.3 不同覆盖措施对土壤可溶性有机碳氮的影响

可溶性有机碳氮(DOC和DON)是土壤活性组分的重要组成部分，极易被微生物分解和利用。各处理的土壤DOC变异很大(表3)，与不覆盖处理相比，秸秆覆盖处理升高了18%，全膜覆盖处理下降了13.1%，半膜覆盖处理无显著差异。不覆盖处理的土壤DON最高，秸秆覆盖处理、全膜覆盖处理和半膜覆盖处理分别较其降低52.5%、31.6%和54.3%。半膜覆盖处理的膜间土壤DOC质量分数显著高于膜下和全膜覆盖处理，而DON质量分数结果与此相反，表现为半膜覆盖处理的膜下显著高于膜间。各覆盖处理可溶性有机碳氮比值(DOC/DON)均高于不覆盖处理，半膜覆盖处理的膜下显著低于膜间。各覆盖处理的DOC/SOC(%)主要表现为半膜覆盖处理的膜间最高，不覆盖处理最低；各覆盖处理的DON/TN(%)均显著低于不覆盖处理(P<0.05)，半膜覆盖处理的膜下显著高于膜间。说明秸秆覆盖能加快作物根系生长发育，加快微生物生长繁殖，加快有机碳矿化分解。同时，各覆盖处理均能加快作物和微生物对土壤DON的吸收利用。

表2 不同覆盖下土壤微生物量碳和氮质量分数Table 2 Soil MBC and MBN under different mulches

表3 不同覆盖下土壤可溶性有机碳氮质量分数Table 3 Soil DOC and DON under different mulches

2.4 不同覆盖措施对土壤剖面硝态氮的影响

2.5 不同覆盖措施对土壤剖面水分的影响

不同覆盖处理对土壤剖面储水量影响不同(表5)。0～20 cm、20～100 cm和0～200 cm土层土壤储水量各处理间均无显著性差异，而半膜覆盖的膜间土壤储水量显著高于膜下；100～200 cm土层土壤储水量覆膜处理(全膜和半膜膜下)均显著低于不覆膜的处理。说明由于受到降雨的影响，覆盖对土壤水分的影响并不明显，需要后期进一步的研究。

图2 不同覆盖处理土壤剖面硝态氮分布Fig.2 Distribution of in soil profile under different mulches

表4 不同覆盖处理下土壤剖面硝态氮累积量Table 4 Accumulation of in soil profile under different mulches

表5 不同覆盖处理土壤剖面储水量Table 5 Soil water storage in soil profile under different mulches

3 讨 论

本研究结果表明，秸秆覆盖处理的土壤有机碳质量分数显著高于无覆盖及地膜覆盖处理(表1)，主要原因是每年玉米收获后，将所覆盖的秸秆翻埋于土壤中，秸秆覆盖中的土壤有机碳随覆盖年限的增加有一定程度的补充[22-23]，这与“将作物残茬回收再利用可以减少土壤有机碳下降速率”[24]的研究结论相一致。Mbah等[25]、吴荣美等[26]研究发现薄膜覆盖为微生物提供了适宜的生长环境，加速了土壤微生物对土壤有机碳的转化和分解，但本研究发现全膜覆盖处理下土壤有机碳质量分数与不覆盖处理差异不显著，而半膜覆盖处理的膜下和膜间的土壤有机碳质量分数均显著低于不覆盖处理(表1)，原因可能是虽然地膜覆盖处理可加速土壤有机碳矿化分解[27]，但全膜覆盖处理降低土壤空气交换，从而在短期内减缓了土壤有机碳矿化分解[28]。由于本试验时间较短，关于塑料薄膜覆盖对土壤有机碳矿化分解的长期影响还有待于进一步研究。

土壤微生物是土壤养分转化和循环的直接参与者[29]，而微生物量碳氮质量分数是判断土壤中微生物数量的重要指标，也是判断土壤肥力的重要标志[30]。本试验结果表明，不同覆盖处理对土壤微生物量碳氮影响显著(表2)，秸秆覆盖处理显著提高土壤微生物量碳氮的质量分数，这是由于秸秆覆盖增加了土壤有机碳源输入，为土壤微生物繁殖提供了营养底物，促进了其生长和繁殖[31]。全膜覆盖处理和半膜覆盖处理膜下土壤微生物量碳与不覆盖处理差异不显著，这可能与地膜覆盖影响土壤温度有关，较高土壤温度促进了土壤微生物的代谢过程[26]；同时地膜覆盖可以有效改善土壤水热条件，加快土壤有机碳分解速率，在作物生长后期，由于土壤微生物碳源不足，会导致土壤MBC质量分数下降[32]。半膜覆盖处理的膜间土壤微生物碳氮质量分数高于膜下和全膜覆盖处理，这可能是因为膜间的土壤有机碳(表1)、可溶性有机碳(表3)以及水分(表4)均高于膜下，从而为微生物提供了充足的碳源和生长环境，加速了微生物繁殖[33]；另外，地膜覆盖阻碍了土壤CO2的释放以及土壤与大气中O2交换过程，因而影响了土壤微生物活动[34]。

土壤可溶性有机碳氮来源于植物凋落物、根系分泌物及微生物代谢物[35]。可溶性有机碳氮作为土壤中最活跃的组分，其质量分数高低与土壤有机碳矿化分解有密切关系[36]。与不覆盖处理相比，秸秆覆盖处理显著提高土壤DOC的质量分数(表3)，这是由于秸秆覆盖处理改善了土壤热量状况，加速了秸秆腐解以及作物根系代谢，提高溶解性有机碳的质量分数，从而为微生物提供了更多的碳源[37]。与微生物量碳结果相同，半膜覆盖处理膜间的土壤DOC显著高于其膜下和全膜覆盖处理，原因可能是在玉米成熟期半膜覆盖处理膜间的土壤微生物量高，土壤微生物不断分解土壤有机质，使其降解形成DOC[38]，从而提高土壤DOC的质量分数。土壤硝态氮是作物吸收氮素的主要形态。不同覆盖方式对土壤硝态氮的质量分数及累积量影响较大(图2和表4)。全膜覆盖和半膜覆盖处理提高表层硝态氮质量分数及累积量，这可能是因为地膜覆盖改善了土壤水分和温度条件，增加了土壤呼吸强度，从而使土壤中有机质矿化速率加快，有机氮库下降，最终导致表层土壤硝态氮大量累积[39]。玉米生育期的总降雨量为283.9 mm，10月10日采样，10月6、7日有降雨，降雨量为3.3 mm和0.7 mm(图1)，地膜覆盖阻断了土壤水分的垂直蒸发，减少了采样前期降雨对硝态氮淋洗，从而提高上层土壤硝态氮的质量分数。半膜覆盖处理的膜间耕层土壤硝态氮的质量分数和累积量显著低于膜下，这可能是膜间没有地膜阻隔，硝态氮会随着降雨迁移到下层土壤，从而降低表层土壤硝态氮的质量分数(图2)。秸秆覆盖和地膜覆盖处理都显著地降低20 cm以下土层的硝态氮累积量，这可能是由于覆盖处理改变了土壤微生物环境，从而影响土壤生物化学过程[40]，促进了土壤中有机氮矿化分解和作物根系对土壤氮素的吸收，从而提高作物产量，降低土壤硝态氮向深层土壤淋溶的风险[41]。

土壤水分在重力作用下向土壤深层迁移，但由于土壤水汽迁移和作物消耗导致了土壤水分的再分配[42]。本试验发现，在0～20 cm及20～100 cm土层，各覆盖处理的土壤储水量与不覆盖处理差异不显著(表4)，这可能是由于采样前少量降雨对土壤水分的补充，土样采集于10月10日，10月6日和10月7日降雨量分别为3.3 mm和0.7 mm(图1)。0～20 cm、20～100 cm和0～200 cm土层半膜覆盖处理膜间的土壤储水量显著高于其膜下，这可能是由于半膜覆盖处理中地膜覆盖部分将雨水汇入膜间土壤，导致其含水量高于膜下。这表明，覆盖处理的土壤水分状况会受到采样时降雨的暂时影响，其对土壤水分的长期影响还需要后期进一步的研究探讨。

4 结 论

秸秆覆盖能提高土壤肥力，改善土壤环境，同时可降低硝态氮向深层土壤淋溶的风险，是值得在本区域推荐的农业耕作模式。半膜覆盖相比于全膜覆盖，成本更低，污染更少，对土壤养分及微生物量碳氮响应更好，但地膜覆盖(全膜和半膜)对土壤肥力长期影响还尚不明确。