深松和秸秆还田对旋耕农田土壤有机碳活性组分的影响

2020-11-30 13:53田慎重张玉凤边文范JiafaLuo郭洪海
农业工程学报 2020年2期
关键词:碳库土壤有机耕作

田慎重,张玉凤,边文范,董 亮,Jiafa Luo,郭洪海

深松和秸秆还田对旋耕农田土壤有机碳活性组分的影响

田慎重1,张玉凤1,边文范1,董 亮1,Jiafa Luo2,郭洪海1※

(1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所,农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室,山东省环保肥料工程技术研究中心,济南 250100;2. Agriculture Research,Ruakura Research Centre,Hamilton 3240,New Zealand)

土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)及其活性组分能够敏感响应耕作方式变化及有机物输入。为对比长期旋耕农田进行深松后土壤有机碳各活性组分及比例变化,该研究基于连续7a的旋耕转变为深松和秸秆管理长期定位试验,对比了旋耕无秸秆还田处理(rotary tillage with straw removal,RT)、旋耕秸秆还田处理(rotary tillage with straw return,RTS)、旋耕转变为深松无秸秆还田处理(rotary tillage conversion to subsoiling with straw removal,RT-DT)、旋耕转变为深松秸秆还田处理(rotary tillage conversion to subsoiling with straw return,RTS-DTS)下土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)、易氧化有机碳(readily oxidizable organic carbon,ROC)、微生物生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)、溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)、活性有机碳(labile organic carbon,LOC)在土壤有机碳中比例的变化及各组分间的相互关系。研究结果表明,耕作方式从旋耕转变为深松和秸秆还田对SOC及其各活性组分均产生显著影响,耕作方式转变、秸秆还田及两者的交互效应是影响SOC及其活性组分的主要因素。秸秆还田显著提高了RTS处理和RTS-DTS处理的SOC含量,分别比RT和RT-DT处理高6.1%~15.6%和19.1%~32.3%。并且转变耕作方式后RTS-DTS处理比于RTS处理SOC含量提高16.9%~20.0%。同时,RTS-DTS处理的POC含量比RTS处理高13.6%~53.8%;但RT-DT和RTS-DTS处理的土壤ROC含量较RT和RTS处理都呈下降趋势,RTS-DTS处理的ROC含量比RTS处理下降4.6%~10%;MBC含量降低23.8%~30.6%。虽然秸秆还田显著提高了各处理的DOC含量,但RTS转变为RTS-DTS处理后,其3个土层的DOC含量下降了8%~41%。相比于RT和RTS处理,RT-DT和RTS-DTS处理0~30 cm各土层中LOC在SOC中的比例显著下降。相关性分析结果表明,除POC与ROC之间无显著性相关关系外,SOC及各组分间均呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)的相关关系。耕作方式转变为深松和秸秆还田提高了SOC含量的同时,显著降低了SOC中的活性有机碳组分,这更有利于SOC的有效积累,促进土壤碳库的稳定固存。

土壤;有机碳;秸秆还田;深松;活性有机碳;旋耕;碳组分

0 引 言

土壤有机碳中的活性组分如颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)、易氧化有机碳(readily oxidizable organic carbon,ROC)、微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)、溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)等对田间管理措施的变化响应迅速[1-2],能够及时反映土壤有机碳库总量的微小变化[3],这些活性虽然只占土壤全碳的一小部分,但受植物、微生物影响强烈、具有一定溶解性且易矿化分解,更有利于植物、微生物利用[4]。在农业生态系统中,土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)含量的高低只表明其土壤中的有机质数量多少,并不能直接说明其质量,尤其是土壤有机质的潜在的分解性质;而土壤有机碳及其活性组分是土壤中易被分解转化、活跃程度最高的有机碳组分,这些组分的变化对土壤有机碳及土壤养分的周转起着重要作用,能更敏感的响应土壤耕作、施肥管理、植物残体或有机物料还田等农业管理措施变化[5-6],被认为是土壤有机碳库及土壤质量早期变化的敏感指标之一[3]。

华北平原作为中国的粮食主产区,常年以小麦、玉米一年两熟种植为主。旋耕是该地区主要的耕作方式,但是近年来,由于长期的旋耕导致的耕层浅薄、犁底层上移、土壤质量下降等问题严重制约了该地区粮食作物持续高产、稳产[7-9]。而对农田进行深松作业是恢复耕层深度、改善土壤结构、促进作物的高产稳产的有效方法之一[10-12]。因此,目前农业生产中对长期旋耕农田进行周期性深松作业已经被广泛采用[10]。但这种耕作方式变化必然会对原来稳定的耕层结构和微环境带来强烈影响,从而影响土壤养分周转及微生物活性。我们前期的研究结果表明,深松措施可显著提升SOC含量及有机碳累积速率,具有较大的土壤固碳潜力[13-14];而将长期旋耕农田进行深松能够显著提高耕层土壤团聚体稳定性及团聚体关联碳库水平,稳定的团聚体结构和其关联的土壤碳库大小是决定土壤有机碳水平的重要因素[15]。同时,耕作方式转变为深松后还能够显著降低土壤碳库活性及土壤碳库管理指数,这些前期研究结果证明将长期旋耕农田转变为深松能够促进土壤团聚体对SOC的物理保护,降低土壤碳库活性和碳库管理指数,促进土壤碳库的稳定固存[16]。但这种耕作方式变化后土壤有机碳库中各活性组分变化趋势如何,目前并无相关报道。耕作方式变化后土壤碳库活性和碳库管理指数的降低进一步说明土壤有机碳库中的不同活性组分能够敏感响应耕作措施变化而导致的土壤碳库变化,而这些有机碳活性组分之间的相互影响也会显著影响土壤有机碳库的动态平衡[4]。因此,本研究通过对比长期旋耕转变为深松后土壤POC、ROC、DOC、MBC等活性组分及在有机碳中的比例变化,探讨深松和秸秆还田对长期旋耕农田SOC库中不同活性组分的影响及相互关系,对进一步深入了解深松及耕作方式变化后土壤有机碳库各活性组分间的响应变化及土壤碳库周转具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地位于山东省泰安市(36°09′N,117°09′E)。该地区位于华北平原南部,四季分明,年平均气温12.9 ℃,年均降雨量697 mm。供试土壤为棕壤土,土层深厚。试验地土壤为棕壤土,含砂粒40%、粉粒44%、黏粒16%。试验开始时,0~30 cm土层平均土壤容重为1.35 g/cm3,有机碳质量分数为7.19 g/kg,全氮质量分数为1.3 g/kg,全磷质量分数为8.09 g/kg,全钾质量分数为2.16 g/kg,土壤pH值为7.09。

1.2 试验设计

本试验在2002年开始的保护性耕作和秸秆还田长期定位试验基础上于2008年将其中的旋耕(RT)处理等分为2个处理,其中一个处理保持原来的旋耕方式不变,另一半处理将耕作方式转变为深松(DT),即旋耕-深松处理,深松和秸秆还田长期试验在此基础上开展。试验采用裂区设计,主区为2种耕作方式,旋耕(RT)和旋耕-深松处理,副区为2种秸秆管理方式:无秸秆还田和秸秆还田,共4个处理,分别为旋耕无秸秆还田处理(RT)、旋耕秸秆还田处理(RTS)、旋耕转变为深松无秸秆还田处理(RT-DT)、旋耕转变为深松秸秆还田处理(RTS-DTS),在处理区内进行3次重复。

试验地采用华北平原典型的小麦-玉米一年两熟种植模式。每年小麦播种前(10月上旬)进行耕作,旋耕耕深12~15 cm,深松耕深30 cm。小麦播种期一般为每年10月上旬,品种为济麦22,收获期在第二年6月上旬;玉米播种为免耕直播,播种期一般为6月中下旬,品种为郑单958,玉米收获在当年10月上旬。小麦玉米均采用机械收获,将秸秆粉碎还田或整株移除。小麦播种前基施N为160 kg/hm2,P2O5为150 kg/hm2,K2O为105 kg/hm2,在小麦拔节期统一追施N为80 kg/hm2;玉米播种前基施N为120 kg/hm2,P2O5为120 kg/hm2,K2O为100 kg/hm2,在玉米大喇叭口期追施N为120 kg/hm2。

1.3 土壤样品采集与分析

于2014年、2015年玉米收获期按0~10、>10~20和>20~30 cm土层分别采集新鲜土壤样品并按层次充分混匀,用冰盒带回实验室。一部分土样风干后挑出碎石、植物根系残渣并过2 mm 筛,用以测定SOC、POC、ROC含量;另一部分过2 mm 筛后冷藏,用以测定MBC、DOC。SOC含量测定采用重铬酸钾氧化法[17],POC含量测定采用六偏磷酸纳分离法[18];ROC 采用高锰酸钾氧化法[19];DOC采用去离子水浸提法[20];MBC采用氯仿熏蒸法[21];本文中的SOC和LOC含量分别以2014年和2015年的平均含量计算。

1.4 数据分析

本文中对不同土壤有机碳活性组分差异来源进行作用力分析,计算耕作方式转变、秸秆还田及其交互效应对所引起的变异在总变异中所占的比例,作用力由其所产生的平方和占总平方和的百分比表示。本文中数据采用SPSS 17.0进行数据分析,采用Duncan多复极差法进行多重比较,采用Sigma Plot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 深松和秸秆还田对长期旋耕农田土壤有机碳的影响

由图1可知,在无秸秆还田条件下,RT-DT处理的SOC含量在0~10和>20~30 cm分别比RT处理降低了6.2%和7.3%,而在>10~20 cm则提高了7.7%;而在秸秆还田条件下,与RTS相比,RTS-DTS处理显著提高0~10和>10~20 cm土层的SOC含量,分别提高了16.9%和20.0%,但在>20~30 cm,RTS处理和RTS-DTS处理的SOC含量变化无显著性差异。秸秆还田显著提高RTS处理和RTS-DTS处理的SOC含量,在3个土层分别比RT和RT-DT处理高6.1%~15.6%和19.1%~32.3%。

2.2 深松和秸秆还田对长期旋耕农田土壤颗粒有机碳含量的影响

由图2可知,将长期旋耕农田转变为深松和秸秆还田都显著提高了POC含量。秸秆还田条件下,RTS-DTS处理的0~30 cm土层POC含量显著高于RTS处理,在0~10、>10~20、>20~30 cm土层其POC含量分别比RTS处理高53.8%、30.7%、13.6%。RTS-DTS和RTS处理显著提高了各土层的POC含量,如RTS-DTS处理的0~30 cm土层POC含量分别比RT-DT处理高36.8%、24.5%、34.0%。各处理中土壤表层(0~10 cm)的POC含量显著高于>10~20和>20~30 cm土层。

注:RT为旋耕无秸秆还田处理,RT-DT为旋耕转变为深松无秸秆还田处理;RTS为旋耕秸秆还田处理,RTS-DTS为旋耕转变为深松秸秆还田处理。不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P <0.05)。下同。

图2 深松和秸秆还田对土壤颗粒有机碳含量的影响

2.3 深松和秸秆还田对长期旋耕农田土壤易氧化有机碳含量的影响

由图3可知,旋耕转变为深松后,RT-DT和RTS-DTS处理的土壤ROC含量较RT和RTS处理都呈下降趋势。无秸秆还田条件下,RT-DT处理0~10、>10~20和>20~30 cm土层的ROC含量较RT处理分别降低了19.9%、13.0%和67.9%;而秸秆还田下,相比于RTS处理,RTS-DTS处理3个土层的ROC含量分别下降了6.6%、10.0%和4.6%。与RT和RT-DT处理相比,RTS和RTS-DTS显著提高了3个土层的ROC含量。随着土层的加深,各处理土壤ROC含量呈下降趋势。

图3 深松和秸秆还田对土壤易氧化有机碳含量的影响

2.4 深松和秸秆还田对长期旋耕农田土壤微生物量碳含量的影响

与RT和RTS处理相比,RT-DT和RTS-DTS显著降低了0~10 cm 和>10~20 cm土层的MBC含量(图4)。在秸秆还田条件下,RTS-DTS处理0~10、>10~20和>20~30 cm土层的MBC含量分别比RTS处理降低23.9%、30.6%、23.8%。

图4 深松和秸秆还田对土壤微生物量碳含量的影响

2.5 深松和秸秆还田对长期旋耕农田土壤可溶性有机碳含量的影响

由图5可知,RT和RTS处理转变为RT-DT和RTS-DTS处理后,土壤DOC含量发生了显著变化。除>10~20 cm土层外,RT-DT和RTS-DTS处理的土壤DOC含量较RT和RTS处理显著降低。无秸秆还田下,RT-DT处理0~10和>20~30 cm土层的DOC含量比RT处理分别降低了13.4% 和10.1%。在秸秆还田条件下,当RTS转变为RTS-DTS处理后,其3个土层的DOC含量下降了8%~41%。相比于RT和RT-DT处理,RTS和RTS-DTS处理的DOC含量显著提高。

图5 深松和秸秆还田对土壤可溶性有机碳含量的影响

2.6 旋耕和旋耕转深松模式下土壤有机碳中活性组分含量及其比例

通过对比RT和RTS处理转变为RT-DT和RTS-DTS处理前后的LOC含量及其在SOC中比例的变化可以看出(图6),各土层中RT-DT和RTS-DTS处理的SOC含量显著高于RT和RTS处理,但各处理SOC中的LOC含量有明显差异。除>20~30 cm土层外,秸秆还田处理RTS和RTS-DTS的LOC含量要显著高于RT和RT-DT。从SOC中的活性组分比例变化可知,相比于RT和RTS处理,RT-DT和RTS-DTS处理0~30 cm各土层的LOC/SOC比例显著下降。

注:LOC为土壤活性有机碳,g∙kg-1;SOC为土壤有机碳,g∙kg-1。

2.7 耕作方式变化和秸秆还田对不同土壤有机碳活性组分的作用力分析

耕作方式转变、秸秆还田及两者的交互效应显著影响SOC、POC、DOC含量(<0.01,表1),其中耕作因素对SOC含量的作用力为6.5%~30.9%,而秸秆因素达到57.4%~80.7%,两者的交互效应为0.3%~27.0%;而耕作方式对POC变化的作用力达到23.8%~63.0%,秸秆因素为24.2%~72.4%,两者的交互效应为2.6%~25.1%;耕作因素对DOC含量影响的作用力在0~10 cm达到了62.4%(<0.01),但在>10~20 cm,影响DOC含量的主要作用力为秸秆还田,达到了93.9%。在0~10和>20~30 cm土层,ROC含量主要受耕作方式、秸秆还田及两者的交互效应的显著影响(<0.01),且其作用力大小均为耕作方式>秸秆还田>两者交互效应,在>10~20 cm土层,耕作和秸秆因素是影响其含量变化的主要作用力(<0.01)。土壤表层(0~10 cm)的MBC含量变化作用力主要来自耕作方式和秸秆还田(<0.01),而在>20~30 cm,其交互效应也达到了极显著水平(<0.01)。

2.8 旋耕转变为深松后土壤有机碳与各活性有机碳组分间的相关关系

通过分析SOC及其活性组分之间的相互关系可以看出(表2),旋耕转变为深松和秸秆还田条件下,SOC与POC、ROC、DOC、MBC之间均呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)的相关关系。土壤POC与ROC(<0.01)、MBC(<0.05),ROC与DOC(<0.01)、MBC(<0.01),DOC与MBC之间均表现出显著的正相关关系(<0.01)。

表1 深松和秸秆还田对土壤有机碳活性组分影响的作用力分析

注:表中“*”代表<0.05;“**”代表<0.01。下同。

Note: “*” and “**” indicate<0.05 and<0.01, respectively. Same as below.

表2 土壤有机碳与各有机碳活性组分之间的相关分析

3 讨 论

在农田生态系统中,耕作方式和秸秆还田是农田土壤有机碳更新周转的主要驱动因素[22],土壤耕作加速有机碳矿化分解并影响土壤化学和生物学性质,其强度与频率是影响土壤碳库周转的关键;而土壤有机碳的活性组分容易受到气候变化和外界条件改变的影响,在土壤碳循环和碳固定中起着至关重要的作用[3]。已有研究表明,耕作方式变化会导致土壤活性有机碳及碳库管理指数的变化[16,23],显著影响土壤碳库活性,而土壤有机碳中的各活性组分能够敏感响应这种耕作方式变化[6]。本研究结果表明,耕作方式从旋耕转变为深松后,土壤有机碳中各活性组分表现出明显差异:土壤POC含量显著升高,但土壤ROC、MBC和DOC含量呈下降趋势,说明这些土壤有机碳的活性组分受到耕作方式变化的强烈影响。通过作用力分析表明,耕作、秸秆及两者的交互效应是影响土壤有机碳活性组分变化的主要因素。POC是土壤中与沙粒(直径53~2 000m)结合的有机碳部分,并进一步可能结合在土壤团聚体中,是有机质中的“慢性”库,可以作为有机碳长期累积性的指标[24],容易受到土地利用方式,尤其是耕作的影响[25]。我们前期的研究结果表明,RT和RTS处理转变为RT-DT和RTS-DTS处理后显著提高了SOC水平;同时显著提高了土壤大团聚体比例及稳定性[15],稳定的大团聚体能够保护团聚体内的POC免受分解[26],这可能是RT-DT和RTS-DTS提高土壤POC含量的主要原因。本研究中,深松作业一般主要作用在30 cm左右的土壤,其作业层以上的耕层土壤相比于旋耕方式扰动较小,更有利于土壤团聚体的结构稳定,稳定的团聚体结构能够提高SOC固定并对其中的POC起到物理保护作用;另一方面,土壤POC与SOC含量之间有极显著的正相关关系(<0.01),说明土壤中的POC一定程度上代表了SOC 的累积程度[14,27]。而RT和RTS处理转变为RT-DT和RTS-DTS处理后,土壤ROC、MBC和DOC含量呈下降趋势,这可能与耕作方式变化导致土壤结构、水分、微生物、土壤酶等理化性状发生了显著变化有关。虽然土壤MBC和DOC仅占土壤碳库的1%~4%,却是土壤有效养分的来源和库存[28-29],它参与土壤中有机物质的分解和养分循环转化[30]。一方面,耕作方式的转变导致土壤理化性质的变化进一步影响了土壤MBC和DOC含量;另一方面,秸秆等大量有机物质的还田给土壤微生物提供了足够的底物从而加速土壤有机碳的矿化,提高了土壤微生物活性,可能使土壤中MBC、DOC含量产生显著变化[31]。本研究结果表明,当耕作方式从旋耕转变为深松后,土壤MBC和DOC含量显著下降,说明深松后土壤微环境的变化可能抑制了土壤微生物对土壤有机碳的分解,更有利于土壤有机碳的稳定,促进了RTS-DTS处理土壤有机碳的有效积累。相关性分析结果也表明,土壤MBC和DOC含量显著影响SOC含量(<0.05),说明土壤POC、ROC、MBC、DOC含量的变化在较大程度上依赖于土壤有机碳库的分解和固存过程,这也是其作为土壤碳库早期变化指标的主要原因。另外,土壤POC、ROC、DOC和MBC之间均表现出显著(<0.05)或极显著(<0.01)的相关关系,说明这些有机碳活性组分之间的相互影响也会显著影响土壤有机碳库分解和固存的动态平衡,如土壤MBC与POC、ROC、DOC含量均呈显著的相关关系,说明土壤POC、ROC、DOC变化受微生物数量和活性的影响较大,进而显著影响SOC含量[27]。土壤活性有机碳含量越高,土壤有机碳容易被微生物分化,稳定性越差[3]。本研究中利用ROC表征土壤中活性有机碳含量(LOC),通过对比耕作方式变化前后土壤有机碳中活性组分比例变化发现,相比于RT和RTS处理,RT-DT和RTS-DTS处理0~30 cm各土层的SOC中的活性组分比例显著下降,由于RT-DT和RTS-DTS处理SOC含量较高,两处理中的LOC含量差异并不大,特别是在RTS和RTS-DTS处理,0~20 cm土壤中的LOC含量并没有显著性差异,但RT-DT和RTS-DTS处理的SOC含量更高,说明耕作方式转变为深松后显著促进了SOC的累积。我们前期研究结果表明,秸秆还田条件下,长期旋耕处理转变为深松可显著降低土壤碳库管理指数[16]。深松后土壤0~10 cm的碳库活度、碳库活度指数以及碳库管理指数均有所降低,难氧化有机碳在SOC中占比升高,可能与深松能够相对保护表层土壤结构的完整性,而对30 cm左右土层扰动更加剧烈,土壤结构破碎及其有机碳库的消耗也相对较多,使其土壤碳库活度降低[16,32]。但也有研究结论表明,深松较旋耕可通过提高土壤碳库活度而提高土壤碳库管理指数[33]。本研究中,虽然秸秆还田条件下,RTS和RTS-DTS处理的0~20 cm土层的土壤有机碳活性组分含量并无显著性差异,但RTS处理的SOC中的活性组分比例显著高于RTS-DTS处理,说明RTS处理土壤有机碳活性较高,这可能与旋耕对0~20 cm耕层的强烈扰动使土壤团聚体结构破坏,土壤与秸秆得到充分混匀,疏松的土壤环境更有利于土壤微生物活性,加速了土壤有机碳的矿化分解,提高了土壤有机碳活性组分的释放有关[34]。有研究表明,秸秆还田条件下,连年深松可促进根系向下伸展,提高下层土壤根茬残留量,增加土壤表层及 35~50 cm 土层土壤有机碳含量[16];同时,作物秸秆、根茬等是农田土壤有机物的主要来源,为土壤微生物活动提供了充足的碳源,提高了土壤微生物活性,微生物分解的有机物质以及秸秆腐解物是土壤有机碳活性组分的主要来源,有助于提高 DOC 和 MBC 的含量[35]。本研究结果也表明,秸秆还田可显著提高各处理的POC、MBC、DOC等有机碳活性组分含量。通过作用力分析可以看出,秸秆还田是影响土壤有机碳及其各活性组分的主要原因。并且,随着深松年限增加,土壤有机碳含量也呈逐渐上升趋势,这说明增加深松年限可一定程度上促进表层土壤有机碳积累,更有利于土壤有机碳的稳定固存[33]。连年旋耕后深松显著影响土壤有机碳及各活性组分变化,其深层差异机制仍需深入研究。

4 结 论

1)深松和秸秆还田显著影响长期旋耕农田土壤有机碳活性组分含量。RTS-DTS处理的POC含量比RTS处理在0~10、>10~20、>20~30 cm土层分别提高53.8%、30.7%、13.6%,比无秸秆还田的RT-DT处理高36.8%、24.5%、34.0%;相比于RTS处理,RTS-DTS处理3个土层的ROC含量分别降低了6.6%、10.0%和4.6%,MBC含量分别降低了23.9%、30.6%、23.8%,DOC含量下降了8%~41%。耕作方式转变、秸秆还田及两者的交互效应是影响SOC各活性组分变化的主要作用力。

2)耕作方式转变和秸秆还田显著降低了LOC/SOC比例,耕作方式转变和秸秆还田提高了SOC含量的同时,SOC中的活性有机碳组分比例下降,更有利于SOC的有效积累,促进土壤碳库的稳定性。

3)旋耕转变为深松和秸秆还田下,SOC含量与POC、ROC、DOC、MBC之间均呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)的相关关系;除POC与DOC之间无显著性相关关系外,土壤POC与ROC(<0.01)、MBC(<0.05),ROC与DOC(<0.01)、MBC(<0.01),DOC与MBC之间均表现出显著的正相关关系(<0.01)。

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Effects of subsoiling and straw return on soil labile organic carbon fractions in continuous rotary tillage cropland

Tian Shenzhong1, Zhang Yufeng1, Bian Wenfan1, Dong Liang1, Jiafa Luo2, Guo Honghai1※

(1.,;,,,250100,; 2.,,3240,)

Soil organic carbon (SOC) and its labile carbon fractions (LOC) including particulate organic carbon (POC), readily oxidized organic carbon (ROC), microbial biomass carbon (MBC), dissolved organic carbon (DOC), can sensitive response to tillage method change and organic matters input. We compared the contents changes of SOC, POC, ROC, MBC, DOC and their correlations, and analyzed change in the proportion of LOC fractions in soil organic carbon (LOC/SOC), based on a 7 years old experiment for tillage method change and straw management including the rotary tillage with straw removal (RT), rotary tillage with straw return (RTS), rotary tillage conversion to subsoiling with straw removal (RT-DT) and rotary tillage conversion to subsoiling with straw return (RTS-DTS). The results showed that SOC contents in the depths of 0-10 and >10-20 cm under RTS-DTS increased by 16.9% and 20.0% compared with those of RTS treatment, respectively; while there had no significant difference on SOC in the depth of >10-20 cm between RTS-DTS and RTS treatments. Compared with the RT and RT-DT treatments, SOC content was increased 6.1%-15.6% and 19.1%-32.3% by the RTS and RTS-DTS treatments in three soil layers. POC contents increased after rotary tillage conversion to subsoiling awith straw return, its contents under RTS-DTS treatment in the 0-10, >10-20 and >20-30 cm soil depths were high 53.8%, 30.7% and 13.6% than those of the RTS treatment, respectively. POC contents were increased 36.8%, 24.5% and 34.0% by RTS-DTS in comparison to RT-DT. The highest POC content was generally observed at the 0-10 cm soil depth in each treatment. These differences of POC contents were significant affected by soil tillage (23.8%-63.0%), straw management (24.2%-72.4%) and their interaction effect (2.6%-25.1%). Compared with the RTS treatment, whereas, the contents of ROC, MBC and DOC were decreased by RTS-DTS in three soil depths. Soil ROC in the 0-10, >10-20 and >20-30 cmsoil depths under RT-DT treatment were declined 19.9%, 13.0% and 67.9% than those of RT treatment, and their contents under RTS-DTS treatment were declined with 6.6%, 10.0% and 4.6% than those of RTS treatment, respectively. These decreases were significant related with the tillage method change and straw return (<0.05). The straw return increased ROC contents in the 0-30 cm soil layers and the content was decreased with the deepening of soil depth. Compared with the RTS treatment, soil MBC contents in three soil depths were decreased 23.9%, 30.6% and 23.8% by RTS-DTS, respectively. Although soil DOC content was increased after crop straw return, the contents were significant decreased by the tillage method change (<0.05). For example, DOC content was declined 8%-41% by the RTS converting to RTS-DTS. There had significant positive correlations between SOC and POC (=0.87,<0.01), ROC (=0.82,<0.01), DOC (=0.55,<0.05), MBC (=0.68,<0.05). Meanwhile, there were significant positive correlations among soil POC and ROC (=0.75,<0.01), POC and MBC (=0.66,<0.05), ROC and DOC (=0.75,<0.01), ROC and MBC (=0.77,<0.01), DOC and MBC (=0.65,<0.05). The proportions of LOC/SOC were significant decreased by RT-DT and RTS-DTS. Rotary tillage conversion to subsoiling with straw return could increase the SOC and POC content while decrease ROC, MBC, DOC fractions and LOC/SOC proportions, which would advantage to accelerate accumulation and stability for SOC pool.

soils; organic carbon; straw return; subsoiling; labile organic carbon; rotary tillage; carbon fraction

田慎重,张玉凤,边文范,董 亮,Jiafa Luo,郭洪海. 深松和秸秆还田对旋耕农田土壤有机碳活性组分的影响[J]. 农业工程学报,2020,36(2):185-192. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.022 http://www.tcsae.org

Tian Shenzhong, Zhang Yufeng, Bian Wenfan, Dong Liang, Jiafa Luo, Guo Honghai.Effects of subsoiling and straw return on soil labile organic carbon fractions in continuous rotary tillage cropland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 185-192. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.022 http://www.tcsae.org

2019-07-11

2019-12-27

国家自然科学基金(41701337);山东省重点研发计划(2018GNC111017);公益性行业(农业)科研专项(201503121);山东省农业科学院创新工程(CXGC2018E03);山东省大科学计划(2018-001);“海外泰山学者”建设工程专项经费共同资助。

田慎重,博士,副研究员。研究方向为土壤耕作与农业生态。Email:tiansz1616@163.com

郭洪海,研究员,研究方向为循环农业。Email:honghaig@163.com.

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.022

S343.1

A

1002-6819(2020)-02-0185-08

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