膜下滴灌连作棉田土壤有机碳及其活性变化分析

高文翠，杨卫君，史春玲，陈 磊

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】农田土壤有机碳含量、有机碳组成不仅是土壤有机质水平高低的体现，更反映出农田系统的稳定性和持续性[1]。掌握农田土壤有机碳平衡及其变化规律可对农田土壤肥力及其演变做更好评价，也可对有机物质分配起到调控作用，也为制定合理的可持续发展管理措施提供参考[1]。棉田多年连作会导致的土壤肥力下降、作物产量降低、品质下降等问题。研究棉田长年连作对农田土壤质量的影响，为连作棉田有机碳储量估算、固碳潜力分析有重要意义。【前人研究进展】研究表明，滴灌棉田连作初期土壤肥力增加、有机质含量升高[2]、土壤酶活性改变，土壤质量不断提高[3]，化肥配施有机肥可有效改善连作13 a的绿洲灰漠土土壤质量[4]。随着连作年限持续增长棉田土壤质量转而下降[2]，土壤各耕层微量元素含量均不同程度减少，部分甚至降到初始耕作水平[5]，土壤紧实度增加、土壤容重增大、土壤有机质逐渐减少、土壤结构逐渐被破坏，导致土壤理化性质改变[6-8]。土壤利用强度、不同种植管理措施等会使农田土壤逐渐退化[9,10]。土壤活性有机碳作为有机碳库中活性最大的部分，是评价和衡量有机碳库变化及土壤质量的有效参数，其对农田利用方式及管理措施响应较灵敏[11]。土壤有机碳密度大小受土壤容重及有机碳含量影响，通常认为土壤有机碳密度大时土壤碳储量高[12]。碳库管理指数能够从土壤有机碳组分的质和量上对土壤有机碳的变化进行系统、敏感地监测，全面动态地反映不同土地利用方式和管理措施对土壤碳库的影响[11]。【本研究切入点】基于不同形式下的农田有机碳活性及有机碳密度研究较少。研究膜下滴灌连作棉田土壤有机碳及其活性变化。【拟解决的关键问题】以北疆主产棉区长期连作棉田为研究对象，采用田间调查、取样分析法，分析连作年限对膜下滴灌棉田土壤有机碳及其活性组分及有机碳密度的影响，为该地区棉田土壤碳库质量改善、区域碳储量潜力估算等提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地位于新疆昌吉州呼图壁县大丰镇，地处天山中段北麓、准噶尔盆地南缘，东距乌鲁木齐100 km，距呼图壁县城28 km，属典型中温带大陆性气候，光照资源充沛，降雨稀少，昼夜温差大。年平均气温为6.7℃，极端最高气温为41.7℃，极端最低温为-36℃，年日照时间为3 104 h，无霜期为177 d，≥10℃年有效积温为3 553℃，年降水量为161 mm，年蒸发量为2 361.1 mm，为典型绿洲灌溉农业区。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用随机取样方式，根据不同棉田连作年限，将棉田划分为连作5 a、12 a、17 a 3个等级，以连作1 a为对照。选取种植品种相同的不同等级棉田为调查取样对象，所选样地均为该区域不同农户的连作棉田。

棉花播种前，采用多点混合法在不同连作棉田以“S”型路线在样地上分别采集0～20和20～40 cm土壤样品。为避免田块面积过大造成取样误差，在样点附近每15钻为1个混合样，重复3次，依次采集不同连作棉田原状土，剔除沙砾及可见动植物残体，风干研磨后装袋保存，用于土壤各项指标测定。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤指标

土壤总有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸外加热氧化法测定；土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定；土壤有机碳与易氧化有机碳的差值为土壤稳态碳；环刀法测土壤容重[13]。

1.2.2.2 土壤有机碳密度

土壤有机碳密度计算公式[14,15]：

SOCDj=(TOCj×βj×Hj)/100.

式中SOCDj为j层土壤有机碳密度(kg/m2)、TOCj为j层土壤有机碳含量(g/kg)、βj为j层土壤容重(g/cm3)、Hj为j层深度(cm)。

1.2.2.3 碳库管理指数

土壤碳库管理指数能够有效反映土壤碳库变化的灵敏程度，综合体现土壤有机碳、易氧化有机碳和稳态碳的动态变化，计算如下[16]：

碳库活度(A)=易氧化有机碳/稳态碳；

碳库活度指数(AI)=碳库活度/参考土壤碳库活度；

碳库指数(CPI)=农田土壤有机碳/参考农田土壤有机碳；

碳库管理指数(CPMI)=CPI×AI×100。

1.3 数据处理

采用Excel 2010及SPSS 25.0 统计软件进行数据处理、制图及分析。

2 结果与分析

2.1 连作年限对长期膜下滴灌棉田土壤总有机碳的影响

研究表明,不同连作年限土壤总有机碳存在差异，0～40 cm土层土壤总有机碳含量均随连作年限增加呈先增后降趋势，与连作1 a对照相比，连作5 a土壤总有机碳含量显著升高(P<0.05)，连作12 a后土壤总有机碳呈下降趋势，但与连作5 a差异不显著，连作17 a时土壤有机碳含量显著下降(P<0.05)。不同土层之间，20～40 cm深层土壤有机碳含量整体低于0～20 cm表层。图1

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同Note:Different small letters in this figure indicate significant difference at the level of 0.05.The same as below图1 长期膜下滴灌棉田土壤总有机碳变化Fig.1 Change of soil total organic carbon of cotton field under long-term mulched drip irrigation

2.2 连作年限对长期膜下滴灌棉田土壤易氧化有机碳的影响

研究表明，0～40 cm土层土壤易氧化有机碳含量均随连作年限增加呈先增后降趋势，与土壤SOC含量变化趋势基本一致。与连作1 a对照相比，连作5 a土壤易氧化有机碳含量显著升高(P<0.05)，连作12 a后土壤易氧化有机碳呈下降趋势，但与连作5 a差异不显著，连作17 a时土壤易氧化有机碳含量显著下降(P<0.05)。不同土层之间，20～40 cm深层土壤易氧化有机碳含量整体低于0～20 cm表层。图2

图2 长期膜下滴灌棉田土壤易氧化有机碳变化Fig.2 Change of soil oxidized organic carbon of cotton field under long-term drip irrigation

2.3 长期连作膜下滴灌棉田土壤容重变化特征

研究表明，连作棉田土壤容重随连作年限增加而增大，大多数作物根系适宜的土壤容重在1.2～1.5 g/cm3，连作棉田土壤容重值均在适宜根系生长范围内，且深层(20～40 cm)土壤容重整体大于表层土壤容重，不同处理间差异均不显著。图3

图3 长期膜下滴灌棉田土壤容重变化Fig.3 Soil bulk density under long-term mulched drip irrigation

2.4 连作年限对长期膜下滴灌棉田土壤有机碳密度的影响

研究表明，随连作年限的增加土壤有机碳密度呈先升后降的趋势，连作5 a时有机碳密度显著高于连作17 a及对照有机碳密度，并且不同土层间变化规律基本一致，20～40 cm土层土壤有机碳密度低于0～20 cm土壤有机碳密度，与土壤有机碳和活性有机碳变化趋势相同。图4

图4 长期膜下滴灌棉田土壤有机碳密度变化Fig.4 Organic carbon density of cotton field under long-term mulched drip irrigation

2.5 连作年限对长期膜下滴灌棉田土壤碳库管理指数的影响

研究表明，随着连作年限增加，土壤CPMI逐渐降低，但无显著性差异，不同土层变化规律基本一致。土壤CPMI下降，土壤肥力下降。表1

表1 长期膜下滴灌棉田土壤碳库管理指数及相关指标Table 1 Carbon pool management index of cotton field under long-term mulched drip irrigation

3 讨 论

不同农田土壤及不同土壤深度条件下土壤总有机碳含量存在差异，通常土壤总有机碳含量随土层加深逐层降低[17]。试验结果显示，各连作棉田土壤总有机碳含量0～20 cm处均高于20～40 cm处，其易氧化有机碳也呈相同变化趋势。短期连作可以增加土壤碳储量[18]，随着连作年限的延长，土壤有机碳含量表现为先升后降，这与研究结果相似。试验中连作1～5 a时棉田土壤有机碳含量显著上升，连作5～12 a时缓慢下降，直至连作17 a时土壤有机碳显著下降，一方面植被年归还量及其分解速率决定着土壤有机碳含量变化[16]，在连作前期作物残体分解补充了土壤有机质，随着连作年限延长作物生长大量吸收土壤养分，导致返还到土壤中的养分逐渐减少[18]；另一方面不同连作年限棉田土壤容重不同、物质总量及分解程度存在差异，导致同一区域不同年限土壤有机碳含量不同。在土壤垂直剖面，表层有机碳含量最高，结合试验土壤容重结果分析发现，表层土壤容重小，则土壤结构性、通气性好，腐殖质较厚，有利于有机碳积累[19-21]。

连作不仅改变棉田表层土壤有机碳量，更通过影响土壤容重影响深层土壤有机碳变化。土壤容重高时，土壤孔隙度较低，透水性和通气性差，不利于植物根系生长和微生物生存，导致土壤有机碳积累变化。土壤表层土壤容重小时，水气交换条件良好，土壤有机碳富集在表层转化分解较快，相应的土壤活性有机碳含量及碳库活度较高，随着土层深度增加容重相应增加，植物根系数量减少，有机质积累量减少。研究结果相似，短期(1～5 a)连作通过提高土壤AI，从而提高土壤CPMI。短期连作土壤碳库活化，周转速度快，损耗也随之提高，随着连作年限增长(5～17 a)，土壤惰性碳库消耗加速，总有机碳含量下降，碳库指数下降。这可能是因为长期膜下滴灌会使盐分下移[22]，使下层土壤环境发生改变，不利于有机质快速转化，使易氧化有机碳向稳态碳进行转化，使碳库活度也呈现相同的趋势。随连作年限的增加土壤碳汇能力呈逐渐下降趋势。通常较适宜的耕作年限为5～10 a，此后则要通过调整种植方式，如轮作、倒茬等措施缓解土壤质量退化，保证土壤质量始终处于良性发展[23]。

通常0～40 cm土层是土壤受扰动频繁而导致变化最多最快的土层[24]。土壤有机碳含量垂直分布随土层深度增加而降低，尤其是随着连作年限增长有机碳密度降低幅度显著，一方面因为土壤表层受扰动较为频繁，另一方面膜下滴灌影响田间土壤温度，温度影响土壤有机碳的释放速率。土壤微生物作为土壤养分分解和转化的主要驱动因子对土壤温度变化较为敏感，当土壤温度降低时，土壤微生物活性下降，而在一定温度范围内，较高的土壤温度会提高土壤微生物活性，促进土壤有机碳分解[25]。

4 结 论

长期膜下滴灌下，棉花不同连作年限的土壤容重会随土壤深度的加深呈逐渐增加趋势，连作17 a时土壤容重达到最高。短期连作可以提高土壤总有机碳、易氧化有机碳含量，随着连作年限延长，土壤有机碳及活性有机碳含量显著下降，土壤碳库管理指数下降，连作降低土壤肥力。