地膜覆盖对北方旱地土壤水稳性团聚体及有机碳分布的影响

刘 秀,司鹏飞,张 哲,陈保青,董雯怡,*,严昌荣,刘恩科

1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081 2 农业农村部农膜污染防控重点实验室,北京 100081 3 辽宁省农业科学院,沈阳 110161

土壤团聚体由有机物和无机物凝结而成,是土壤结构的基本单元,土壤团聚体稳定性和有机碳含量是农田生态系统的土壤质量和环境的可持续发展的关键指标[1-3],而不同农田管理方式对土壤团聚体的组成及分布产生重要影响[4]。土壤团聚体作为土壤有机碳存在的重要场所,团聚体的稳定性大小和分布直接影响土壤有机碳的储备,不仅可通过降低土壤侵蚀减少碳损失,而且还可通过物理保护降低有机碳的分解[5]。与此同时,土壤团聚体的团聚过程是土壤固碳最重要的途径之一[6],而土壤有机碳作为团聚体形成必不可少的胶结物质,是影响土壤团聚结构最重要的因素[7-8]。因此,土壤团聚体和有机碳的研究密不可分。近几十年来,随着温室效应加剧而引发的全球气候变暖等一系列环境问题的凸显,土壤团聚体与有机碳固持的研究越来越为人们所重视。

在旱作农业生产中,地膜覆盖对粮食增产做出了重大贡献[9],主要由于地膜覆盖能减少土壤水分蒸发,提高土壤含水量,阻挡土壤热量散失,提高土壤温度[10-12],进而促进种子萌发和作物根系生长[13],提高作物对水分和养分的吸收能力[14-15]。而团聚体中有机碳的转化和形成时刻受发生在土壤耕层的农业管理措施的影响。刘希玉等[16]和Guo等[17]通过研究不同耕作措施对团聚体稳定性影响结果表明,秸秆还田显著提高水稳性团聚体含量和团聚体有机碳含量。付鑫等[18]通过研究陕西长武县进行秸秆覆盖和地膜覆盖对比试验,结果表明地膜覆盖和秸秆覆盖均提高了0—10 cm土层水稳性团聚体的平均重量粒径值,其中秸秆覆盖显著提高0—10 cm土壤团聚体(0.25—0.5 mm粒径除外)有机碳含量,而地膜覆盖处理对土壤团聚体10—40 cm的团聚体有机碳有降低的趋势。因此,地膜覆盖作为主要的农业管理措施,可对土壤团聚体的稳定性和有机碳变化产生重要影响：首先地膜覆盖可减少干湿交替强度,影响土壤团聚体的再分配,其次地膜覆盖改变了碳输入和输出,改变了各级团聚体的有机碳的再分配。

辽宁阜新旱作农业区位于我国东北部,年均降雨量350—500 mm,是典型的半干旱区域。秋覆膜作为新的覆膜方式,在春覆膜的基础上延长了覆膜时间,减少了作物在非生育期内的无效蒸发[19-20],表现出良好的增产效果[21],在此地区广泛应用。近年来,关于地膜覆盖对作物产量、水分等研究较多,但关于地膜覆盖措施尤其是不同覆膜时期对土壤团聚体碳固定机制及潜力方面研究涉及较少。探寻不同地膜覆盖措施对土壤团聚体稳定特征及其对有机碳保护机制,对明确人为干预下土壤有机碳固定的主导因素和主要途径,提高土壤有机碳含量,提升土壤质量具有重要作用。为此,本文试图通过辽宁阜新地区5年不同时间覆膜定位试验,研究秋覆膜(AP,Autumn plastic film mulching)、春覆膜(SP,Spring plastic film mulching)和不覆膜(CK,Non-mulching)对土壤团聚体及有机碳的影响,以期为旱区农田土壤质量的改善和生产力的提高提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该定位试验开始于2012年,试验地位于辽宁省西北部阜新市蒙古族自治县农业部阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站。地理位置北纬42°02′,东经121°67′,年均温度7.2℃,年均无霜期135—165 d,年均降水483 mm,年均蒸发量为1727.3—1783.4 mm,属半干旱季风型大陆气候区。实行一年一熟制度,种植作物为春玉米,土壤类型为石灰性褐土,试验地势平坦,无灌溉条件,试验开始前的土壤有机质10.52 g/kg,全氮0.456 g/kg,全磷0.66 g/kg,全钾2.463 g/kg。

1.2 试验设计

共设3个试验处理,分别为：秋覆膜(AP)、春覆膜(SP)和不覆膜(CK),每个处理3次重复,共9个小区,每个小区面积6 m×10 m,采用完全随机区组设计。秋覆膜处理于当年收获后,11月底前覆膜,覆膜时一次性施肥。春覆膜于第二年4月进行整地、施肥和覆膜,覆膜方式统一为全覆膜平作方式。覆膜之后进行播种,种植方式为平作穴播。春玉米供试品种为郑单958,种植密度60000 株/hm2,行距50 cm,株距33.3 cm。各处理的肥料用量一致,分别为氮肥尿素N 240 kg/hm2、磷肥P2O5150 kg/hm2、钾肥K2O 75 kg/hm2。

1.3 测试指标与方法

本试验于2017年9月28日玉米收获后取样,每个小区按“M”型采样法分5个重复取样点,取样深度为0—10、10—20 cm。田间采原状土样,室内自然风干,当土壤含水量达到塑限时,沿土壤自然结构轻掰成直径约1 cm的小土块,剔除植物残体和石子等杂质,过8 mm筛后继续风干备用。

依据Elliott等[22]湿筛法测定土壤团聚体,共分为>2 mm、0.25—2 mm、0.053—0.25 mm和<0.053 mm 4种级别的团聚体。具体操作为：将四个筛子从大到小依次叠放在一起,称取100 g自然风干土放置于最上层筛子,静置于水中浸泡5 min,之后利用团聚体分析仪(型号XY-100)以40次/min运行速度震荡10 min,振幅为5 cm。将筛子从桶中缓慢取出,静置后转移至铝盒中,分级后收集各级团聚体,在55℃下烘干,称重。测定团聚体的稳定性和有机碳含量,有机碳含量采用重铬酸钾容量法[23]测定。并根据Tisdall等[7]分级方法,把>0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性大团聚体(Macro-aggregate),<0.250 mm粒级的团聚体称为水稳性微团聚体(Micro-aggregate)。

1.4 数据处理

采用SPSS 17.0软件包进行单因素方差(One-Way ANOVA)分析,不同处理之间多重比较采用LSD(Least-significant difference)方法,然后经过t检验(P<0.05)。绘图用SigmaPlot 10.0软件完成。

团聚体稳定性采用平均重量直径(mean weight diameter,MWD)计算[24]：

(1)

式中,Xi为第i个筛子上团聚体的平均直径,Wi为第i个筛子上团聚体重量百分比。

耕层团聚体的有机碳储量计算：

MSOC=MS·CC·0.001
Ms= 容重·耕层体积

(2)

式中,MSOC为有机碳储量(kg/hm2),MS为单位面积土壤质量(kg/hm2),CC为土壤有机碳含量(g/kg)。

耕层团聚体中有机碳贡献率计算：

(3)

式中,CSOC为团聚体中有机碳贡献率(%),GS为该级别团聚体中有机碳含量(kg/hm2),C为该级别团聚体的含量(%),MC为耕层土壤中有机碳含量(kg/hm2)。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜处理下土壤水稳性团聚体的分布及稳定性

经过5年连续地膜覆盖定位试验可以看出,覆膜显著提高了0—10 cm土壤>2 mm的水稳性团聚体的含量(P<0.05),而覆膜对水稳性微团聚体在0—10 cm土层和10—20 cm土层均没有明显影响(表1)。与不覆盖地膜(CK)土壤相比,秋覆膜(AP)和春覆膜(SP)处理显著提高0—10 cm土层>2 mm水稳性大团聚体含量(P<0.05),且分别增加了36.5%和26.7%,但降低了0.25—2 mm的水稳性大团聚体含量。覆膜处理对土壤团聚体分布的影响主要集中在0—10 cm土层,而对10—20 cm土层中土壤水稳性团聚体的分布没有显著影响(P<0.05)。

表1 覆膜对土壤水稳性团聚体的分布影响

同一列上的不同小写字母表示同一层次不同处理在5%水平上的差异显著性(LSD); CK：不覆膜,Non-mulching；SP：春覆膜,Spring plastic film mulching；AP：秋覆膜,Autumn plastic film mulching

图1 覆膜对团聚体的平均重量直径的影响 Fig.1 Mean weight diameter (MWD) of aggregate under plastic film mulching practices CK：不覆膜,Non-mulching；SP：春覆膜,Spring plastic film mulching；AP：秋覆膜,Autumn plastic film mulching

由图1可以看出,地膜覆盖显著改变了0—10 cm土层的土壤团聚体平均重量直径(P<0.05),且不同处理0—10 cm土层团聚体平均直径大小依次为：AP>SP>CK,而对10—20 cm土层的团聚体的平均重量直径没有显著影响(P>0.05)。说明与不覆盖地膜相比,地膜覆盖显著提高了0—10 cm土壤团聚体的水稳定性,提高土壤团聚程度,使得土壤结构得到改善。

2.2 不同覆膜处理下土壤水稳性团聚体中有机碳及碳储量的差异

不同覆膜处理对土壤各个粒级水稳性团聚体中有机碳含量及碳储量的影响如表2所示。在0—10 cm土层,>2 mm和0.25—2 mm两个级别的水稳性大团聚体有机碳的含量显著高于0.053—0.25 mm和<0.053 mm水稳性微团聚体(P<0.05)。在10—20 cm土层上,>2 mm土壤团聚体有机碳含量显著高于其他各级团聚体有机碳含量。而粒径<0.25 mm的土壤团聚体有机碳在0—10 cm和10—20 cm土层上均无显著性差异(P<0.05)。从同一级别水稳性团聚体中可以看出,在0—10 cm土层,粒径>2 mm团聚体有机碳含量表现为秋覆膜最高,显著高于春覆膜和不覆膜处理(P<0.05),0.25—2 mm土壤团聚体有机碳表现为秋覆膜和春覆膜显著高于裸地处理(P<0.05),秋覆膜和春覆膜之间没有显著性差异(P<0.05)。与不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜在0—10 cm土层>2 mm和0.25—2 mm两个级别有机碳含量分别增加了8.2%、1.9%和4.6%、4.4%。说明地膜覆盖可以显著增加0—10 cm土层土壤水稳性大团聚体有机碳的含量。

表2 覆膜对土壤水稳性团聚体有机碳含量的影响

同一列上的不同小写字母表示同一层次不同处理在5%水平上的差异显著性(LSD)

从表3中可以看出,在0—10 cm土层中,秋覆膜和春覆膜处理水稳性团聚体有机碳储量依次为[>2 mm团聚体]>[0.25—2 mm团聚体]>[<0.053 mm团聚体]>[0.053—0.25 mm团聚体],而不覆膜处理水稳性团聚体有机碳储量依次为[0.25—2 mm团聚体]>[>2 mm团聚体]>[<0.053 mm团聚体]>[0.053—0.25 mm团聚体],水稳性大团聚体有机碳储量显著高于水稳性微团聚体有机碳储量。从同一级别团聚体看,秋覆膜和春覆膜处理可以提高0—10 cm土层>2 mm团聚体有机碳储量(P<0.05),且表现为秋覆膜下的有机碳储量显著高于春覆膜且显著高于裸地(P<0.05),而降低了0.25—2 mm团聚体有机碳的储量。与不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜处理>2 mm团聚体有机碳储量分别增加了47.9%和29.2%,且处理之间差异显著(P<0.05)。而覆膜处理下0.25—2 mm团聚体有机碳储量则显著下降了12.2%和8.9%,说明地膜覆盖可促使土壤有机碳向>2 mm团聚体富集。

结合表2和表3可看出不同处理对各级别土壤水稳性团聚体的有机碳在>2 mm团聚体和0.25—2 mm团聚体中储量较高,且地膜覆盖主要影响0—10 cm土层各级团聚体有机碳储量(P<0.05),而对10—20 cm土层团聚体有机碳储量影响不显著。

表3 覆膜对土壤水稳性团聚体有机碳储量的影响

同一列上的不同小写字母表示同一层次不同处理在5%水平上的显著差异(LSD)

2.3 不同覆膜处理下水稳性团聚体中有机碳对土壤总有机碳贡献率的差异

对于不同土层,覆膜主要改变了0—10 cm土层中水稳性团聚体中有机碳含量对土壤总有机碳的贡献率(表4),与裸地不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜显著提高了37%和26.1%(P<0.05),而对10—20 cm土壤影响不显著。对于不同粒级团聚体,覆膜处理下微团聚体(0.053—0.25 mm和<0.053 mm)中有机碳含量对土壤有机碳贡献率没有显著影响。但是,覆膜处理显著提高了>2 mm团聚体中有机碳含量对土壤的贡献率(P<0.05)。

表4 土壤水稳性团聚体中有机碳含量对土壤总有机碳的贡献率

同一列上的不同小写字母表示同一层次不同处理在5%水平上的差异显著性(LSD)

3 讨论

3.1 覆膜措施对土壤团聚体组成及稳定性的影响

土壤团聚体作为土壤结构稳定的重要指标,其大小和数量影响着土壤质量。吕欣欣等[25]研究表明,覆膜条件下高施肥量显著提高土壤团聚体的稳定性及团聚体平均重量直径。安婉丽等[26]研究发现秸秆还田显著增加土壤水稳性大团聚体。本研究发现,与不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜可以显著提高0—10 cm土层水稳性大团聚体(粒径>2 mm)含量和该粒级团聚体平均重量直径,增加土壤团聚体的稳定性,而对土壤水稳性微团聚体影响不显著。这可能主要是由于与裸地不覆膜相比,地膜覆盖提高土壤含水量[27],使得雨水慢速湿润土壤,从而有效降低干湿交替强度。Park等[28]认为干湿强度增加通常降低团聚体的比例,引起团聚体的破坏。不覆盖处理土壤干湿交替强度较高,对粘粒部分产生不均匀的水合作用和膨胀作用,并且当水分快速进入土壤孔隙时,存在于毛细管孔隙中的闭蓄态空气被压缩[29]。而且毛细管变湿时,内部空气也可以扩散而导致团聚体微小的破坏。此外,地膜覆盖可有效提高玉米产量[15,30],进而促进了外源有机碳的输入、根系分泌物以及根系残留量的增加,为土壤微生物活动提供了充足的能量,从而促进其生物活性,有助于在大团聚体内部形成微粒有机质,而有机质是土壤水稳性团聚体形成的主要凝胶剂[31],从而增加团聚体结构稳定性[32]。地膜覆盖是否可持续提升土壤水稳性大团聚含量和稳定性,还需要长期的试验结果去验证。

3.2 覆膜措施对土壤各级团聚体中有机碳含量及储量的影响

土壤有机碳在土壤团聚体的形成和稳定性中占有重要作用[33]。本研究结果表明,地膜覆盖措施不仅可以改变0—10 cm土层土壤水稳性团聚体分布及稳定性,在各级别团聚体有机碳的含量和储量方面也有较大的提高,这与刘哲等[34]研究结果一致。连续5年地膜覆盖结果表明,在0—10 cm土层,秋覆膜处理下>2 mm土壤大团聚体有机碳和有机碳储量显著高于春覆膜和裸地不覆膜处理,而对土壤微团聚体无显著影响。大团聚体中有机碳含量对土壤的贡献率达到70.0%,其中>2 mm团聚体有机碳含量对土壤的贡献率达到37%。引起地膜覆盖处理不同粒级团聚体固碳能力差异的主要因素可能有两点：一是较春覆膜而言,秋覆膜通过延长覆膜时间,减少土壤水分在作物非生育期的蒸发,维持土壤高贮水量[19],从而大大减弱了土壤干湿交替强度。此外,不覆膜处理干湿交替强度较高,在毛细管变湿时,内部空气也可以扩散导致团聚体微小的破坏。团聚体的破坏能够释放物理保护的有机碳,使受物理保护的有机质暴漏,从而降低团聚体有机碳含量。此外,干湿交替影响土壤孔隙的大小和稳定性,尤其在含有较多大孔隙的土壤中。与微孔隙相比,大孔隙含有较低的结合力,因为小的毛细管压力减小了土壤颗粒、有机质和团聚体的收缩[35],减少有机碳含量和储量。二是与春覆膜和裸地不覆膜处理相比,秋覆膜处理下的作物地上部分和地下部分生物量较大,作物残体在表层土壤富集[36],增加了碳的输入,当外源有机碳的输入增加后,释放出大量的活性有机碳可供微生物利用,从而加速有机质的分解和矿化,极大促进了耕层土壤生物的活性,包括真菌生长、根系延伸以及土壤动物活动等,有利于在大团聚体内部结合形成有机物,同时有机物的增加又会促进团聚体的形成[37],大团聚体对有机碳有富集作用,从而改变了土壤团聚体的有机碳含量和分配比例[38],二者相互促进,逐渐形成固碳的良性循环[39]。

3.3 北方旱作农田有机碳提升的地膜措施探讨

我国北方旱区、半干旱地区耕地面积约占全国耕地面积的52%,在我国农业生产中战略地位十分重要[40]。地膜覆盖技术在本区域已大面积使用,探讨覆膜时间对北方旱区土壤团聚体分布、稳定性以及有机碳的分布和储量,对实现该区域农业生产和环境保护协调具有重要意义。与不覆膜相比,本研究中秋覆膜和春覆膜均不同程度提高了在0—10 cm土层土壤的固碳潜力,尤其是秋覆膜处理,不仅可以提高土壤水稳性团聚体的稳定性,还可以有效提高>2 mm团聚体的分布和有机碳含量,从而增加土壤有机碳的储量。但是,覆膜是否长期的增加耕层土壤有机碳,也跟土壤本底有机碳含量有关,因此下一步需要多点长期试验去验证。

4 结论

连续5年的地膜覆盖措施对土壤水稳性团聚体的稳定性、有机碳在各级团聚体的分布具有重要影响。与传统不覆膜相比,秋覆膜、春覆膜措施对水稳性微团聚体没有显著影响,但是能显著提高0—10 cm土层>2 mm大团聚体含量及比例,进而增加了土壤团聚体的稳定性。同时,地膜覆盖处理尤其是秋覆膜处理还可显著提高土壤水稳性大团聚体有机碳含量,增加水稳性大团聚体有机碳储量及其对土壤有机碳的贡献率,有效促进土壤有机碳的固持。