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年內(nèi)輪耕對(duì)小麥—玉米兩熟農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳、氮分布的影響

2015-01-07 00:16聶良鵬李增嘉寧堂原郭利偉馮宇鵬李娜丁娜
山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年9期
關(guān)鍵詞:小麥

聶良鵬+李增嘉+寧堂原郭利偉+馮宇鵬+李娜+丁娜

摘要:在華北平原小麥—玉米兩熟區(qū),設(shè)置6種年內(nèi)輪耕模式,即小麥季免耕玉米季免耕(WZ-MZ)、小麥季免耕玉米季深松(WZ-MS)、小麥季深松玉米季免耕(WS-MZ)、小麥季深松玉米季深松(WS-MS)、小麥季翻耕玉米季免耕(WC-MZ)、小麥季翻耕玉米季深松(WC-MS),探討年內(nèi)輪耕模式對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳、氮分布的影響。結(jié)果表明,MS的年內(nèi)輪耕模式比MZ有利于0~40 cm土層微團(tuán)聚體聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體和保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞;無(wú)論玉米季免耕還是深松條件下,與WZ、WC相比,WS能提高10~40 cm土層>0.25 mm粒級(jí)的大團(tuán)聚體含量;WZ和WS比WC能顯著提高土壤表層有機(jī)碳及全氮,使更多的碳、氮在土壤表層聚集;MS比MZ能降低0~10 cm和提高10~40 cm 土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳及全氮含量;WZ能顯著提高土壤0~10 cm土壤團(tuán)聚體中C/N;無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式,MS比MZ能降低0~10 cm和提高10~40 cm土層團(tuán)聚體中C/N。

關(guān)鍵詞:年內(nèi)輪耕;小麥-玉米兩熟;土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體;碳、氮分布

中圖分類(lèi)號(hào):S158.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào):A文章編號(hào):1001-4942(2014)09-0063-06

團(tuán)聚體是維持土壤質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ),對(duì)土壤的理化性質(zhì)有著重要影響[1]。土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要因子,它影響著土壤的結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚[2]。土壤有機(jī)質(zhì)是團(tuán)聚體分級(jí)的主要膠結(jié)劑,水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成,必須有賴(lài)于土壤中的有機(jī)質(zhì)[3,4],它的積累與分解是維持與提高耕地質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)[5]。土壤有機(jī)氮的礦化過(guò)程是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的核心,影響礦化過(guò)程的各種人為和自然因素都直接對(duì)土壤氮素供給和作物生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響[6]。王勇等[7]研究表明,與傳統(tǒng)耕作相比,深松、旋耕、免耕措施能提高土壤0~40 cm深度大團(tuán)聚體含量及有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。劉瑋等[6]研究表明壟作免耕顯著促進(jìn)了土壤中氮素礦化作用的進(jìn)行。Angers等[8]認(rèn)為耕作方式和強(qiáng)度影響有機(jī)碳和氮素的礦化速率及碳、氮在土壤中的積累。前人對(duì)不同耕作措施對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及碳、氮的分布和穩(wěn)定性做了較多研究[9~11]。而關(guān)于小麥—玉米兩熟區(qū)年內(nèi)采用不同耕作方式組合的輪耕模式對(duì)土壤團(tuán)聚體碳、氮分布的研究較少。隨著保護(hù)性耕作技術(shù)在華北平原的應(yīng)用,多年少、免耕后,出現(xiàn)了土壤變硬、容重增大、孔隙變小等土壤質(zhì)量下降的問(wèn)題[12]。適宜的輪耕模式能改善土壤質(zhì)量[13]。因此,在華北平原小麥—玉米兩熟區(qū)開(kāi)展年內(nèi)輪耕模式試驗(yàn)研究,分析年內(nèi)輪耕對(duì)土壤團(tuán)聚體碳、氮分布的影響,為該地區(qū)選取適宜的年內(nèi)輪耕模式和提高土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2010~2012年在山東省滕州市西崗鎮(zhèn)半閣村(34°95′N(xiāo), 117°04′E)進(jìn)行。研究區(qū)為華北平原典型的小麥—玉米一年兩熟區(qū),屬暖溫帶季風(fēng)氣候,四季分明,年均日照時(shí)數(shù)2 383.0 h,年平均氣溫13.6℃,年平均降水量 773.1 mm,且主要集中在7~9月。供試土壤為砂姜黑土,質(zhì)地粘壤,地下水在5 m以下。試驗(yàn)前 0~20 cm土壤 pH值6.77,容重1.36 g/cm3,有機(jī)質(zhì)25.08 mg/g,全氮1.48 mg/g,速效磷50.16 mg/kg,速效鉀192.33 mg/kg;20~40 cm 土壤 pH值7.48,容重1.45 g/cm3,有機(jī)質(zhì)16.87 mg/g,全氮0.96 mg/g,速效磷4.11 mg/kg,速效鉀155.67 mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì),主區(qū)為小麥季耕作,分為小麥季免耕(WZ)、小麥季深松(WS)、小麥季翻耕(WC)。副區(qū)為玉米季耕作,分為玉米季深松(MS)和玉米季免耕(MZ)兩種。兩因素相互組合共6個(gè)年內(nèi)輪耕處理(表1)。試驗(yàn)采用冬小麥—夏玉米輪作體系,各處理統(tǒng)一田間管理,小麥季基施氮磷鉀三元復(fù)混肥(18-15-12)750 kg/hm2,后期不追肥,玉米季基施氮磷鉀(30-5-5)配方肥 300 kg/hm2,大喇叭口期追施尿素 600 kg/hm2。小區(qū)面積 15 m×50 m=750 m2,重復(fù)3次。小麥玉米秸稈等量還田,小麥還田量 8 974 kg/hm2,玉米還田量9 968 kg/hm2。深松采用間隔深松,間隔60 cm,深松取樣地點(diǎn)為深松作業(yè)處,其他耕作處理為隨機(jī)取樣,重復(fù)5次。

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

于2012年6月7日小麥?zhǔn)斋@后在田間用直徑10 cm環(huán)刀(避免外力擠壓,以保持原來(lái)的結(jié)構(gòu)狀態(tài))按“S”形分布5點(diǎn)分層采集有代表性的原狀耕層土壤,取樣深度分別為0~10、10~20、20~40 cm。運(yùn)回室內(nèi)后(運(yùn)輸時(shí)避免震動(dòng)和翻倒),沿土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕地剝開(kāi),將原狀土剝成小土塊,同時(shí)防止外力的作用而變形,過(guò)7 mm篩,并剔去根茬和石塊。土樣平攤在透氣通風(fēng)處,自然風(fēng)干。

小麥季免耕玉米季免耕

(WZ-MZ)前茬玉米秸稈全部粉碎還田,2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥秸稈全部粉碎還田,2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)

小麥季免耕玉米季深松

(WZ-MS)前茬玉米秸稈全部粉碎還田,2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥秸稈全部粉碎還田,ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍(深度35~40 cm),2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)

小麥季深松玉米季免耕

(WS-MZ)前茬玉米秸稈全部粉碎還田,ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍(深度35~40 cm),2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥季秸稈全部粉碎還田,2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)endprint

小麥季深松玉米季深松

(WS-MS)前茬玉米秸稈全部粉碎還田,ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍(深度35~40 cm),2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施底基肥、播種作業(yè)前茬小麥秸稈全部粉碎還田,ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍(深度35~40 cm),2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)

小麥季翻耕玉米季免耕

(WC-MZ)前茬玉米秸稈全部粉碎還田,鏵式犁翻耕1遍(深度15-18 cm),2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥季秸稈全部粉碎還田,2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)

小麥季翻耕玉米季深松

(WC-MS)前茬玉米秸稈全部粉碎還田,鏵式犁翻耕1遍(深度15~18 cm),2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)前茬小麥秸稈全部粉碎還田,ZS-180型震動(dòng)深松機(jī)深松1遍(深度35~40 cm),2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕(深度6 cm)、施基肥、播種作業(yè)

土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量采用濕篩法[14]。將25 g風(fēng)干土樣放入水穩(wěn)性團(tuán)聚體分析儀的套篩(5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm)頂層,浸潤(rùn)10 min,開(kāi)啟團(tuán)聚體分析儀,使之達(dá)到 20次/min(上下篩動(dòng)時(shí)套篩不能露出水面),定時(shí)2 min。篩好后,將套篩拆開(kāi),留在篩子上的各級(jí)團(tuán)聚體用細(xì)水流通過(guò)漏斗分別洗入鋁盒,待澄清后倒去上面的清液,烘箱55℃烘干,空氣中平衡2 h后稱(chēng)重[15],計(jì)算水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16],重復(fù)3次。土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全氮的測(cè)定采用常規(guī)分析方法[17]。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 和DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤團(tuán)聚體分布狀況

由表2可以看出,不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)0~10 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響不同。MZ、MS條件下,小麥季三種耕作方式對(duì)5~7 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響均表現(xiàn)為WZ>WS>WC,差異顯著(P<0.05),且小麥季深松和翻耕條件下5~7 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體在總團(tuán)聚體中的分布最少。0~10 cm土層的水穩(wěn)性團(tuán)聚體多集中在2~5 mm,且數(shù)量顯著高于其他粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布,各處理之間差異不顯著。在1~2 mm粒級(jí),WS-MS水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布與WS-MZ無(wú)顯著性差異,均顯著高于其他處理。不同年內(nèi)輪耕措施在0.5~1 mm和0.25~0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布表現(xiàn)為WC的年內(nèi)輪耕模式顯著高于WS和WZ。在0.05~0.25 mm粒級(jí),玉米季免耕條件下,小麥季三種耕作方式對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布無(wú)顯著差異;玉米季深松條件下,WZ顯著高于WS和WC。在玉米季免耕條件下,小麥季三種耕作方式對(duì)<0.05 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響表現(xiàn)為WZ的年內(nèi)輪耕模式顯著高于WS和WC;玉米季深松條件下,WZ對(duì)<0.05 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布顯著大于WS。比較玉米季耕作方式對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量的影響發(fā)現(xiàn),MS的年內(nèi)輪耕模式條件下5~7 mm和<0.05 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量小于MZ,說(shuō)明MS有利于0~10 cm土層微團(tuán)聚體團(tuán)聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體和保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞的作用。

由表3可以看出,不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)10~20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布影響不同。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,在5~7 mm和1~2 mm粒級(jí),小麥季三種耕作方式對(duì)團(tuán)聚體數(shù)量的影響為WS>WZ>WC;而在2~5 mm、0.05~0.25 mm和<0.05 mm粒級(jí)卻表現(xiàn)為WC顯著高于WS。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,在0.5~1 mm粒級(jí)團(tuán)聚體分布中,小麥季免耕與小麥季深松的年內(nèi)輪耕模式無(wú)顯著差異,均顯著大于小麥季翻耕的年內(nèi)輪耕模式。在0.25~0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布中,玉米季免耕條件下,小麥季三種耕作方式對(duì)該粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量的影響為WS>WC>WZ,玉米季深松條件下表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。無(wú)論MZ還是MS的年內(nèi)輪耕模式下,WS比WZ、WC能降低10~20 cm土層<0.25 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體數(shù)量。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式,MS比MZ能降低2~7 mm和<0.05 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量。說(shuō)明MS有利于10~20 cm土層微團(tuán)聚體團(tuán)聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體并具保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞的作用。

不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)20~40 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布影響不同(表4)。20~40 cm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布要比0~20 cm更為廣泛。WZ處理的年內(nèi)輪耕模式水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在2~5 mm粒級(jí),WS為2~5 mm和0.5~1 mm,而WC模式為0.5~1 mm粒級(jí)。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,在0.5~1 mm粒級(jí),小麥季三種耕作方式對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量的影響表現(xiàn)為WC>WS>WZ;而在<0.05 mm粒級(jí),則表現(xiàn)為WC>WZ>WS。在5~7 mm和1~2 mm粒級(jí),無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,WZ處理的年內(nèi)輪耕模式水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量比WS和WC多;而在2~5 mm粒級(jí),則表現(xiàn)為WS>WZ>WC,差異顯著。無(wú)論MZ還是MS的年內(nèi)輪耕模式下,WS比WZ、WC能降低20~40 cm土層<0.25 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體數(shù)量。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式,MS比MZ能降低5~7 mm和<0.05 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量,顯著降低1~2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布。說(shuō)明MS有利于20~40 cm土層微團(tuán)聚體團(tuán)聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體和具保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞的作用。

2.2年內(nèi)輪耕對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

由表5可以看出,不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)0~40 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量產(chǎn)生了較大影響,使之表現(xiàn)出不同含量的分布趨勢(shì)。在0~40 cm土層,WZ和WS的年內(nèi)輪耕模式下,有機(jī)碳含量隨著土層的加深,含量逐漸降低;WC的年內(nèi)輪耕模式下,由于WC對(duì)0~18 cm土層的翻轉(zhuǎn)作用,0~20 cm土層內(nèi)有機(jī)碳含量并無(wú)顯著變化,20~40 cm土層內(nèi)有機(jī)碳含量降低。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,小麥季三種耕作方式對(duì)0~10 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳的影響表現(xiàn)為WZ>WS>WC。在10~20 cm土層,WS和WC年內(nèi)輪耕模式下有機(jī)碳含量顯著高于WZ,WS和WC之間無(wú)顯著差異。在20~40 cm土層,無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,小麥季三種耕作方式對(duì)20~40 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳的影響表現(xiàn)為WS>WC>WZ。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式,MS比MZ能降低0~10 cm和提高10~40 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量,但差異不顯著。endprint

2.3年內(nèi)輪耕對(duì)團(tuán)聚體全氮的影響

由表6可以看出,不同年內(nèi)輪耕措施對(duì)0~40 cm土層團(tuán)聚體中全氮含量影響不同。在0~10 cm土層,無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,WZ和WS的年內(nèi)輪耕模式比WC能顯著提高團(tuán)聚體中全氮含量,WZ和WS兩者之間無(wú)顯著性差異。在10~20 cm土層,各種年內(nèi)輪耕模式對(duì)團(tuán)聚體中全氮含量影響無(wú)顯著差異。在20~40 cm 土層,無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,WS和WC的年內(nèi)輪耕模式比WZ能顯著提高團(tuán)聚體中全氮含量。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式,MS比MZ能降低0~10 cm和提高10~40 cm 土層團(tuán)聚體中全氮含量,但差異不顯著。

2.4年內(nèi)輪耕對(duì)土壤團(tuán)聚體C/N的影響

不同年內(nèi)輪耕對(duì)0~40 cm土層團(tuán)聚體中C/N影響不同(表7)。在0~10 cm土層,無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,小麥季三種耕作方式對(duì)C/N的影響表現(xiàn)為WZ>WS>WC,三者之間差異顯著。在10~20 cm土層,無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,WS和WC的年內(nèi)輪耕模式比WZ顯著提高團(tuán)聚體中C/N,WS和WC之間無(wú)顯著差異。在20~40 cm土層,各年內(nèi)輪耕措施對(duì)團(tuán)聚體中C/N無(wú)顯著差異。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式,MS比MZ能降低0~10 cm和提高10~40 cm土層團(tuán)聚體中C/N,但差異不顯著。

3結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明,不同年內(nèi)輪耕措施處理的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體在0~40 cm土層表現(xiàn)出不同的分布趨勢(shì)(表2~表4),這可能是不同耕作方式對(duì)土壤的耕作深度、擾動(dòng)程度等方面的差異,造成水穩(wěn)定團(tuán)聚體分布的差異[18]。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式,MS的年內(nèi)輪耕模式比MZ有利于0~40 cm土層微團(tuán)聚體聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體和保護(hù)大團(tuán)聚體免受破壞。王勇等[7]研究表明,與傳統(tǒng)耕作相比,深松能提高土壤0~40 cm深度大團(tuán)聚體含量。本研究表明,無(wú)論玉米季免耕還是深松條件下,WS比WZ、WC能降低10~40 cm土層<0.25 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體數(shù)量,說(shuō)明與WZ、WC相比,WS能提高10~40 cm土層>0.25 mm粒級(jí)的大團(tuán)聚體含量。

土壤團(tuán)聚體和不同土層中的有機(jī)碳、全氮含量在免耕處理中都顯著高于傳統(tǒng)耕作,且免耕對(duì)土壤碳、氮的分布產(chǎn)生分層現(xiàn)象,使碳、氮主要集中在0~10 cm土層,而傳統(tǒng)耕作使土壤碳、氮在0~30 cm均勻分布[19]。本研究表明,年內(nèi)輪耕能顯著影響0~40 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量及C/N。無(wú)論玉米季采用哪種耕作方式,WZ和WS比WC能顯著提高土壤表層有機(jī)碳及全氮,使更多的碳、氮在土壤表層聚集,但隨著土層的加深,有機(jī)碳、全氮含量逐漸降低(表5,表6),這可能是由于免耕、深松處理不翻動(dòng)土壤,秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)及全氮在表層土壤富集。無(wú)論小麥季采用哪種耕作方式,MS比MZ能降低0~10 cm和提高10~40 cm土層團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全氮含量及C/N,這可能是由于MS能增加根系等殘留物在10~40 cm的分布。前人研究表明,不同耕作措施不僅對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮影響的機(jī)理不同,而且不同生態(tài)環(huán)境條件下所得結(jié)論不完全一致[20,21]。結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀,需要進(jìn)一步研究和闡明不同環(huán)境條件下年內(nèi)輪耕對(duì)土壤團(tuán)聚體的作用及土壤固碳減排增效機(jī)制。

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