青海东部地膜覆盖对土壤固碳能力和肥力水平的影响

杨 凯，胡庆兰，王金贵,2

（1青海大学农牧学院，西宁 810016；2省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁 810016）

0 引言

土壤不仅是全球碳循环的源，同时作为碳循环的汇，其微小变化就会引起大气中二氧化碳浓度的较大变动，从而影响全球环境变化[1]。据相关研究表明，土壤中的碳库含量约为陆地总碳库的2/3，是大气的2倍，其总量达1550 Pg[2]。根据IPCC（国际碳循环计划）建议，提高土壤固碳能力可较少89%的农业温室气体的排放[3]，而相关研究也认为，农业土壤固碳技术是一项控制气候变化的绿色环保措施[4]。全球环境变化和土壤肥力水平变化均与土壤有机碳的循环转化具有密切相关性[5]。土壤腐殖质在全球碳平衡过程中起到非常重要的作用[6]，在土壤微生物的主导作用下形成的土壤腐殖质用来表征土壤的生物学肥力[7]。土壤腐殖质是土壤中氮、磷的主要来源，可通过改善土壤结构及胶体状况，形成的良好土壤结构，从而可以增加土壤蓄水保肥和缓冲性能[8]。另外，可提取腐殖质对污染物质具有吸附、络合等作用，从而可以减少污染物对土壤的污染[9]。可见，虽然土壤腐殖质占土壤总质量的比重较小，但它在土壤肥力形成、环境保护等方面发挥着重要作用。

土壤有机质的输入与不同的农业管理措施密切相关，管理条件不同其对土壤有机碳的分解转化和腐殖质的形成影响也不同。地膜覆盖后改变了土壤的水热气等状况，从而导致土壤物理、化学和生物学性状发生一系列的变化[10]。本文研究了青海东部地区地膜覆盖条件下单施化肥对耕层土壤有机碳和腐殖质组分特性的影响，以期为该地区单施化肥地膜覆盖栽培模式对土壤固碳能力和土壤肥力水平的影响提供科学的判断依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于青海省海东市民和县(N 35°45′—36°26′，E 102°26′—103°04′)，属高原大陆性干旱气候，年均温度9℃，年均降水量360 mm左右，无霜期198天，土壤类型以栗钙土、黑钙土和灰钙土为主。海拔最高4220 m，最低1650 m，平均海拔2200 m。全县农作物播种面积4.45万hm2，其中覆膜玉米种植面积2020年超过2.67万hm2，为青海省最大覆膜玉米种植区。本研究试验地在李二堡镇祁家村(N 36°13′，E 101°38′)，海拔1924 m。该区域覆膜玉米种植集中且面积较大，具有代表性。试验开始前耕层(0～20 cm)土壤理化性质为：pH 8.03、有机质17.63 g/kg、碱解氮79.07 g/kg、速效磷18.05 mg/kg、速效钾118.29 mg/kg。

1.2 试验设置

试验设置覆膜和露地2种栽培模式（覆膜栽培模式用FM表示，露地栽培模式用OF表示），小区面积为4 m×5 m=20 m2，每个处理设置3个重复。供试玉米品种为‘金凯3号’（玉米杂交种），行距为55 cm，株距为35 cm。各小区均不施基肥，只在播种时使用一次玉米配方肥，肥料分析式18-12-15(N-P2O5-K2O)，总养分≥45%，用量为300 kg/hm2，其他管理均和大田一致。该试验于2018、2019、2020年连续种植3年，以2018年试验开始前为对照(CK)。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 样品采集 于每年玉米收获后，按照“S”型5点采样法每个小区采集耕层(0～20 cm)土壤样品。将各点土壤混合均匀，然后除去根系、残膜和石子等杂物后留1 kg左右装自封袋带回实验室，自然晾干后研磨过筛备用。

1.3.2 样品分析 土壤总有机碳含量的测定采样K2Cr2O7外加热法[11]，具体方法：用 0.8 mol/L K2Cr2O7与浓H2SO41:1混合后，在170～180℃温度条件下与样品共煮5 min，然后测定土壤有机碳(a)。土壤活性有机碳的测定，采用Loginow等[12]提出的333 mmol/L KMnO4氧化法，具体方法：秤取风干土（过0.25 mm）1.5 g于100 mL离心管，然后加入333 mmol/L KMnO425 mL，恒温25℃振荡1 h，然后以2000 r/min转速离心5 min，将上清液用去离子水按1:250稀释后在565 nm比色，重复3次。最后根据KMnO4浓度变化计算活性有机碳含量(b)（氧化过程中1 mmol/L KMnO4消耗0.75 mmol/L或9 mg碳）。以氧化稳定系数KOS作为衡量有机碳氧化稳定性的指标，计算公式如(1)所示。

a为土壤有机碳，b为活性有机碳，a-b为非活性有机碳。

土壤腐殖质的提取和分离参照Kumada等[13]的方法，以0.1 mol/L焦磷酸钠和0.1 mol/L氢氧化钠混合液(pH 13)作为提取剂。提取的腐殖物质含碳量(CHE)、胡敏酸含碳量(CHA)采用重铬酸钾氧化法测定；富里酸含碳量(CFA)采用差减法得到，如式(2)～(3)所示。

不同土地管理措施对土壤有机碳库和质量的影响可以通过土壤碳库管理指数(CMI)来全面指示[14-15]，不同栽培模式土壤的CMI均以2018年试验开始前的土壤为参照土壤，相应指标计算公式如(4)～(7)所示[16-17]。

1.3.3 数据处理 试验数据采用SPSS 16.0软件进行方差分析，采用Duncan法进行多重比较，同时采用Excel 2013进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式下土壤有机碳和活性有机碳含量变化

试验结果显示（表1），不同栽培模式对土壤有机碳的积累具有不同的影响，随着种植年限的增加OF栽培模式有机碳含量增加0.29%，而FM有机碳含量减小0.69%，但差异均未达到显著水平(P＜0.05)。

表1 不同栽培模式下耕层土壤有机碳含量的变化情况 g/kg

土壤活性有机碳是土壤养分循环和土壤结构组成的直接参与者，能够更加敏感的响应土地利用方式和管理措施所产生的影响[14,16]，从而可以更好的指示土壤质量和有机碳库的变化[18-19]。试验结果表明（图1A），随着种植年限的增加，与2018年相比，至2020年OF土壤活性有机碳含量增加了1.0%，而FM土壤活性有机碳含量减小了1.7%，但差异均未达到显著水平(P＞0.05)。对于氧化稳定系数(KOS)而言，随着种植年限的增加其变化规律与土壤活性有机碳相反（图1B），其中OF与2018年相比，至2020年土壤氧化稳定系数减小了0.9%，而FM氧化稳定系数增加了1.6%，差异均不显著(P＞0.05)。

图1 不同栽培模式下土壤活性有机碳和氧化稳定系数变化趋势

2.2 不同栽培模式对土壤碳库管理指数的影响

Lefroy和Blair[20]于1993年，在活性有机碳库容指标(CPI)建立的基础上，计算和提出了CMI。若CMI有所上升，则表明耕作使土壤肥力有所增加，反之，则表明耕作使土壤肥力有所降低，土壤质量所以下降，意味着管理和施肥措施是不科学的[21-23]。

由表2可以看出，不同栽培模式和种植年限对耕层土壤碳库管理指数的影响是不同的。其中，FM栽培模式条件下随着种植年限的增加土壤有机碳(SOC)、活性有机碳(LOC)、碳库指数(CPI)、活度指数(LI)和碳库管理指数(CMI)均较CK逐渐减小，至2020年FM栽培模式使土壤LI和CMI分别比露地CK减小了5.62%和6.36%；OF比CK分别增加了2.09%和2.39%。

表2 不同栽培模式和种植年限对耕层土壤碳库管理指数的影响

土壤中LOC/SOC及碳库活度L可在一定程度上反映土壤有机碳的质量和稳定程度，该比例越大表示有机碳越不稳定，容易矿化、活性高；反之土壤有机碳越稳定，不易被矿化也不易被生物所利用[18,24]。随着种植年限的增加，至2020年FM土壤LOC/SOC值和L值比试验初始时分别降低了4.97%和5.96%，而OF土壤LOC/SOC值和L值比试验初始时分别升高了1.11%和2.09%。

2.3 不同栽培模式下土壤腐殖质各组分碳含量变化

土壤腐殖质可分为胡敏酸(Humic acid，HA)，富里酸(Fulvic acid，FA)和胡敏素(Humin，Hu)[25]，其中 HA只溶于碱，FA既溶于酸也溶于碱，Hu为惰性物质。HA的CEC含量最高，呈微酸性，在腐殖质中的活性最高，是土壤结构形成的主要参与者[5]；FA具有较高的活性和较小的分子量，是形成HA和HA分解的首要产物，影响着HA的积累和更新[5]。

由表3可知，在连续3年试验中OF和FM 2种栽培模式下土壤可提取腐殖质碳(CHE)占土壤全碳含量比例分别为37.0%～40.4%、35.4%～37.9%；胡敏酸碳(CHA)占全碳比例分别为12.5%～13.2%、13.2%～14.0%；富里酸碳(CFA)占全碳比例分别为24.5%～27.3%、22.2%～23.9%。2种不同栽培模式下耕层CHE含量均为富里酸高于胡敏酸，且CHE、CHA和CFA均随着种植年限的增加而逐渐增加。从2018年到2020年，OF和FM土壤CHE含分别增加了9.5%和6.4%，其中OF的增加量差异显著(P＜0.05)，而FM差异不显著(P＞0.05)；CHA含量分别增加了5.5%和5.2%，其增加量差异均未达到显著水平(P＞0.05)；CFA分别增加了11.6%和7.0%，其差异均不显著(P＞0.05)。

表3 不同栽培模式下土壤腐殖质组分相对含量变化 g/kg

2.4 不同栽培模式下土壤腐殖质碳组成相对比例变化趋势

随着土壤腐殖质组分碳含量变化，其相对比例也呈现出一定的变化规律（表4和图1）。以往研究通过CHA/CFA值或PQ值来作为衡量土壤腐殖质腐殖化程度和土壤腐殖质品质好坏的一个重要指标[5]。随着CHA/CFA值或PQ值越大，土壤胡敏酸含量越高、分子量越大、分子结构越复杂，意味着腐殖质活性越高，品质越好[26]。因此，可以通过CHA/CFA值或PQ值来表征不同处理对土壤腐殖质活性和品质的影响。

由图2可以看出，OF栽培模式下CHA/CFA值和PQ值均随着种植年限呈先增大再减小的变化趋势，FM栽培模式下CHA/CFA值和PQ值均随着种植年限呈先减小再增大的变化趋势，CHA/CFA值和PQ值的变化趋势基本一致。其中，OF的土壤CHA/CFA在0.48～0.0.52之间，FM的土壤CHA/CFA在0.57～0.59之间，变幅均不显著(P＞0.05)；OF的土壤PQ值在0.32～0.34之间，FM的土壤PQ值在0.36～0.37之间，变化幅度均不显著(P＞0.05)。通过单因素方差分析结果表明，FM土壤的CHA/CFA在2018年和2020年显著高于OF(P＜0.05)，而2019年差异不显著(P＞0.05)；PQ值在年际间和不同栽培模式条件下的变化均不显著。总之，FM的土壤CHA/CFA和PQ值均大于OF，由此可推断在本试验阶段FM栽培模式有利于土壤腐殖质的更新和活化，进而可以提高腐殖质的品质。

图2 不同栽培模式下土壤腐殖质组成相对比例的变化趋势

3 结论

与露地相比地膜覆盖栽培模式土壤有机碳、活性有机碳、土壤碳库管理指数均有所减小；可提取腐殖质碳、胡敏酸碳和富里酸碳均随着种植年限的增加而增加，但总体上均小于露地。如果长期进行单施化肥的覆膜栽培模式可能会对该地区土壤碳平衡和养分循环转化产生不良影响，最终对该模式的可持续生产和作物产量的稳定性产生不利的影响。

4 讨论

4.1 地膜覆盖对土壤有机碳的影响

本研究表明覆膜栽培模式下土壤有机碳和活性有机碳含量均随着种植年限的增加而减小，而露地栽培模式下均随着种植年限的增加而有所增加。这是由于地膜覆盖后土壤温度有所增加，加速了土壤养分的活化，增加了土壤养分的有效性，同时地膜覆盖避免了雨水对地表土壤的直接冲击和拍打，从而使土壤能够保持良好的结构，不易板结，增加了通气透水性[27]。与露地栽培模式相比地膜覆盖具有较好的水热条件和通气性，改变了微生态环境，从而降低了土壤中有机物料的腐解残留率，加速了土壤有机质的分解，从而导致地膜覆盖栽培条件下土壤有机碳和活性有机碳的减小，该结果与汪景宽等[28]和刘颖川等[29]研究的结论基本一致。土壤活性有机碳减小意味着土壤有机碳氧化稳定性更高，即氧化稳定系数(KOS)越大，可能会对土壤养分循环和结构组成形成负面影响。通过对土壤管理指数(CMI)的分析表明，OF栽培模式对土壤有培肥作用，土壤质量向良性发展，而覆膜栽培模式使土壤肥力有所下降。综合分析土壤有机碳、活性有机碳、KOS和CMI等指标可知地膜覆盖栽培模式不利于土壤培肥，从而可能会导致土壤肥力有所下降，如果长期地膜覆盖可能会改变土壤碳平衡。

4.2 地膜覆盖对土壤腐殖质的影响

土壤肥力水平的高低与土壤腐殖质的分解程度和积累量存在着密切关系，因此可以用来评价土壤肥料水平的高低[30]。相关研究表明，长期施用有机肥或有机肥配施化肥均有利于土壤腐殖质的积累和土壤肥料的提高[31-33]。张夫道[34]研究结果表明施用有机肥、不施肥及施用化肥对腐殖质积累的作用相同，也有研究表明，尽管长期施用化肥条件下土壤腐殖质含量能够维持基本平衡[34]，但由于化肥的施用使土壤腐殖质分子的缩合度进一步增大而是影响土壤养分的有效性[35]；还有一些不同的研究结果表明，长期施用化肥使土壤腐殖质含量有所下降[36]。由此可见，长期施用化肥对土壤腐殖质的作用效果也不尽相同。本研究结果表明，在单施化肥的条件下露地和覆膜栽培模式土壤腐殖质含量均随着种植年限的增加而增加，但与露地相比，覆膜后土壤腐殖质含量均有不同程度的下降（表3），这可能是由于覆膜条件下耕层土壤的水分、温度等条件得以改善，进而有利于作物生长，消耗了更多的土壤养分。

土壤肥力性质与土壤腐殖质中各组分含量和比例直接相关[37]，其组分中胡敏酸性质活跃，对土壤肥力特征具有较大的影响[38]，胡敏酸对土壤团聚体结构的形成具有重要作用[39]。相关研究表明，长期施用化肥条件下土壤HA/FA值有所增加[8]，也有研究结果表明长期施用化肥使土壤HA/FA有所降低[36]。本研究结果表明，两种栽培模式下土壤HA/FA均随种植年限的增加总体上有所减小，差异不显著(P＞0.05)；覆膜栽培条件下土壤HA/FA均高于露地栽培模式，差异不显著(P＞0.05)。相关研究表明，形成量和分解量的相对大小决定着土壤腐殖质的含量[40]，而其组分中是以胡敏酸为主还是以富里酸为主则主要取决于土壤环境条件的影响[41]。本研究结果表明，两种栽培模式下土壤腐殖质主要以富里酸为主，说明单施化肥土壤可提取腐殖质中富里酸所占比例较大，分子量小，腐殖质结构较简单，对土壤结构的团粒化作用减弱，土壤有机质品质向不良的方向发展，该结果与之前的土壤管理指数(CMI)的结果相一致。另外，土壤HA/FA还能反应土壤的熟化程度和肥力水平，即土壤肥力和熟化程度越高其比值越大[42]。一般认为高度熟化的土壤HA/FA可达1.4左右，中度熟化的土壤为0.5左右，初度熟化的土壤为0.2～0.3[43]。本研究结果表明，覆膜栽培模式下土壤HA/FA在0.57～0.59之间，而露地栽培模式下土壤HA/FA在0.48～0.52之间。由此可知，地膜覆盖的土壤熟化度高于露地栽培，地膜覆盖可能对土壤熟化具有促进作用，进而也可能会加速作物对土壤养分的消耗。