和江鵬 王雨晴 趙海超 王炯琪 李璠 黃智鴻 盧海博 劉子剛
摘要:為研究冀西北寒旱區(qū)不同秸稈還田方式對土壤碳素組分及碳庫管理指數(shù)(CPMI)的影響,采用秸稈還田翻耕、秸稈還田旋耕、大壟輪播秸稈還田3種春玉米秸稈還田方式,利用連續(xù)燒失法測定0~100 cm土層土壤各種碳組分,計(jì)算碳庫管理指數(shù)。結(jié)果表明,土壤總碳(TC)含量為60.89~111.27 g/kg,土壤有機(jī)碳(SOC)含量為33.04~56.16 g/kg,秸稈還田能顯著提高0~40 cm土層土壤碳素含量,其中秸稈還田旋耕下SOC含量增幅最大;土壤活性有機(jī)碳(ASOC)含量為1.60~10.09 g/kg,秸稈還田可以顯著提高0~40 cm土層ASOC含量,其中大壟輪播秸稈還田方式下ASOC含量的增幅最大。土壤CPMI為44.35~610.92,土壤碳庫活性指數(shù)(LI) 為0.55~4.71,秸稈還田可顯著提高0~40 cm土層的CPMI和LI,秸稈還田翻耕處理的20~40 cm土層增幅最大,秸稈還田旋耕對0~20 cm土層土壤的CPMI和LI提高幅度最大??梢?,秸稈還田主要影響0~40 cm土層土壤碳素含量及CPMI,對深層的影響相對較小,秸稈還田后旋耕、翻耕和大壟輪播秸稈還田可以提高土壤有機(jī)碳活性,對于冀西北寒旱區(qū)采用大壟輪播秸稈還田方式更能夠發(fā)揮春玉米秸稈還田的固碳能力,促進(jìn)春玉米農(nóng)田可持續(xù)利用。
關(guān)鍵詞:秸稈還田;碳組分;碳庫管理指數(shù);春玉米;冀西北寒旱區(qū)
中圖分類號: S153.6;S513.06? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號:1002-1302(2021)21-0224-07
收稿日期:2021-03-07
基金項(xiàng)目:河北省教育廳重大項(xiàng)目 (編號:ZD2019097);河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系 (編號:HBCT2018020203)。
作者簡介:和江鵬(1997—),男,河北邢臺人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)資源與利用相關(guān)研究。E-mail:2429931150@qq.com。
通信作者:趙海超,博士,副教授,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)相關(guān)研究。E-mail:haichaozhao19@163.com。
玉米秸稈還田是重要生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)措施,其既能夠增加農(nóng)田土壤碳庫,使外來能源進(jìn)入土壤[1],改變土壤結(jié)構(gòu)[2],又可以解決焚燒引起的環(huán)境污染問題,使秸稈得到利用[3],防止資源浪費(fèi)[1],提升土壤固碳減排潛力[4]。玉米秸稈中含有大量營養(yǎng)物質(zhì),還田后能提高土壤有機(jī)碳含量,改善土壤肥力,改良環(huán)境[4],增加微生物活性,進(jìn)而改變農(nóng)田土壤組分、化學(xué)組成[5]和有機(jī)碳活性及穩(wěn)定性[1],有利于土壤碳循環(huán)[6]。近年來,我國科學(xué)工作者研發(fā)了適應(yīng)不同區(qū)域氣候特征的玉米秸稈還田模式,包括秸稈還田淺旋、秸稈地表覆蓋、秸稈還田翻壓等,研究表明不同模式的秸稈還田對土壤有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)的影響存在明顯差異[1,7]。
土壤碳素是影響土壤理化結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo),其中土壤有機(jī)碳(SOC)含量可以用來衡量土壤肥力和表征土壤質(zhì)量[8]。土壤無機(jī)碳(SIC)主要是指土壤碳酸鹽,包括原生碳酸鹽和次生碳酸鹽,在全球碳循環(huán)中具有重要作用[9],研究土壤無機(jī)碳含量的變化對于干旱-半干旱地區(qū)的碳固持對環(huán)境變化的響應(yīng)有重要意義[10]。土壤有機(jī)碳不同組分對土壤理化性狀及肥力效應(yīng)的作用存在差異,土壤活性有機(jī)碳(active soil organic carbon,簡稱ASOC)在有機(jī)碳總量中占比較小[11],在土壤中循環(huán)速率快、有效性較高,但是穩(wěn)定性比較差[12],可以在短時間內(nèi)降解[11]。土壤腐殖質(zhì)碳(humus carbon,簡稱HC) 可直接作為微生物活動的能量來源,并參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化和土壤養(yǎng)分循環(huán)[11]。土壤碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index,簡稱CPMI)可以檢測土壤有機(jī)碳含量的動態(tài)變化,由此判斷土壤管理措施引起土壤有機(jī)質(zhì)含量的增減情況 [13],反映土壤有機(jī)碳及其組分的增減動態(tài)變化情況[1,4,14]。冀西北寒旱區(qū)氣候干旱少雨,冷涼低溫短季,農(nóng)田土壤貧瘠[15],農(nóng)田土壤多為沙質(zhì)栗鈣土[16]。亟須研究該區(qū)域秸稈還田技術(shù)對土壤碳素的影響,進(jìn)而形成寒旱區(qū)春玉米農(nóng)田保護(hù)性耕作措施。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域與采樣
研究區(qū)域位于河北省西北張家口市蔚縣(114°13′~115°04′E,39°34′~40°10′N),屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,夏季氣候涼爽﹑秋季氣候多變;年降水量在380.0~682.7 mm之間,平均氣溫在 6.8~7.6 ℃之間;也是我國典型的春玉米種植寒旱區(qū),土壤類型為沙質(zhì)栗鈣土。
1.2 秸稈還田方式
本試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個處理:秸稈還田翻耕(JF)處理,玉米收獲后全部秸稈粉碎覆蓋地表,播種前進(jìn)行深翻(深度為20~25 cm);秸稈還田旋耕(JX)處理,玉米收獲后全部秸稈粉碎覆蓋地表,播種前進(jìn)行淺旋耕(深度為10~12 cm);大壟輪播秸稈還田(JL)處理,玉米收獲后全部秸稈粉碎還田,采用高起壟(壟高20 cm,壟距60 cm)播種,第2年在上一年壟背開溝起壟種植,依次輪換位置開溝起壟種植(圖1);以秸稈不還田作對照(CK)。每個處理種植面積為 0.33 hm2,連續(xù)種植2年,2017年、2018年10月進(jìn)行秸稈還田,2018年、2019年5月3日播種,玉米品種為誠信16號,春季隨播種施入玉米專用肥 50 kg/0.067 hm2,壟距60 cm,株距32 cm,株數(shù)為 233.33株/hm2。在2019年9月利用全球定位系統(tǒng)(GPS)定位,選擇3個樣方,每個樣方4 m2,樣方按“S”形采樣法收取5個點(diǎn)的土壤,每個樣點(diǎn)采集0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm土層土壤。處理好采集的土樣,置于塑封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,測定土壤的各種碳組分的含量。不同處理理化指標(biāo)如表1所示。
1.3 樣品測定與方法
1.3.1 土壤活性有機(jī)碳含量的測定 取一定量的白金坩堝分別稱質(zhì)量并標(biāo)上編號,分別稱取干燥土壤樣品2 g左右依次倒入白金坩堝中,然后將白金坩堝依次放入馬弗爐中,設(shè)置溫度為180 ℃并灼燒2 h,灼燒完畢后等馬弗爐內(nèi)溫度冷卻至室溫,取出白金坩堝后立即用天平稱質(zhì)量,再放入馬弗爐中在 180 ℃ 灼燒30 min,冷卻,稱質(zhì)量,重復(fù)至恒質(zhì)量。燒失量(LOI180,即土壤與白金坩堝原質(zhì)量與灼燒后土壤與白金坩堝質(zhì)量的差值)即為活性有機(jī)碳量。
1.3.2 土壤腐殖質(zhì)碳含量的測定 將“1.3.1”節(jié)中灼燒后的土壤與白金坩堝,依次放入馬弗爐中,設(shè)置溫度為375 ℃并灼燒18 h,灼燒完畢后等馬弗爐內(nèi)溫度冷卻至室溫,取出白金坩堝后立即用天平稱質(zhì)量,再放入馬弗爐中在180 ℃灼燒30 min,冷卻,稱質(zhì)量,重復(fù)至恒質(zhì)量。燒失量(LOI375- LOI180)即為腐殖質(zhì)碳量。
1.3.3 土壤有機(jī)碳含量的測定 將“1.3.2”節(jié)中灼燒后的土壤與白金坩堝,依次放入馬弗爐中設(shè)置溫度為 550 ℃ 并灼燒6 h,灼燒完畢后等馬弗爐內(nèi)溫度冷卻至室溫,取出白金坩堝后立即用天平稱質(zhì)量,再放入馬弗爐中在550 ℃灼燒30 min,冷卻,稱質(zhì)量,重復(fù)至恒質(zhì)量。燒失量(LOI550)即為土壤有機(jī)碳含量,LOI550與LOI375的差值即為黑碳(BC)含量。
1.3.4 土壤無機(jī)碳和總碳(TC)含量的測定 將“1.3.3”節(jié)中灼燒后的土壤與白金坩堝,依次放入馬弗爐中設(shè)置溫度為950 ℃并灼燒4 h,灼燒完畢后等馬弗爐內(nèi)溫度冷卻至室溫,取出白金坩堝后立即用天平稱質(zhì)量,再放入馬弗爐中在950 ℃灼燒 30 min,冷卻,稱質(zhì)量,重復(fù)至恒質(zhì)量。燒失量(LOI950)即為土壤碳含量,燒失量LOI950與LOI550的差值即為無機(jī)碳量。
1.4 計(jì)算公式及數(shù)據(jù)分析
本試驗(yàn)以秸稈不還田的土壤作為參考土壤,則碳庫管理指數(shù)的計(jì)算公式如下:
碳庫指數(shù)(CPI)=樣品中總有機(jī)碳含量/參考土壤總有機(jī)碳含量;
碳庫活度(L)=樣品中活性有機(jī)碳含量/非活性有機(jī)碳含量;
碳庫活度指數(shù)(LI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度;
碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)(CPI)×碳庫活度指數(shù)(LI)×100。
數(shù)據(jù)和制圖均采用Excel 2003處理,采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 秸稈還田對土壤碳組分含量的影響
如圖2所示,不同秸稈還田方式土壤TC含量在60.89~111.27 g/kg之間,80~100 cm土層TC含量大小順序?yàn)镴X>CK>JF>JL,隨著深度的增加JF、JL、JX處理的TC含量呈波動型上升趨勢。在 0~40 cm土層,各種秸稈還田方式處理TC含量顯著高于CK,在40~80 cm土層,各模式秸稈還田土壤TC含量均低于CK。不同秸稈還田方式土壤SOC含量在33.04~56.16 g/kg之間,80~100 cm土層SOC含量大小順序?yàn)镴X>JF>CK>JL,隨著深度的增加各處理土壤SOC含量呈波動型上升趨勢;在0~40、80~100 cm土層,JF、JX的土壤SOC含量顯著高于CK;在40~60 cm土層,JF、JX與CK無顯著差異;在 60~80 cm土層,各種秸稈還田方式處理SOC含量顯著低于CK。不同秸稈還田方式土壤SIC含量在 27.85~55.70 g/kg之間,80~100 cm土層SIC含量大小順序?yàn)镴X>CK>JF>JL;在0~20 cm土層,JF與JL土壤SIC含量顯著高于CK;在20~40 cm土層,各秸稈還田土壤SIC顯著高于CK;在40~60 cm土層,CK、JX、JF的土壤SIC含量無顯著差異,但均顯著高于JL;在60~100 cm土層,JX與CK土壤SIC含量無顯著差異,JF與JL的土壤SIC含量均顯著低于JX。表明春玉米秸稈還田能顯著提高0~40 cm土層土壤TC、SOC和SIC含量,其中JF、JX對TC、SOC含量的增加作用高于JL。
2.2 秸稈還田對土壤有機(jī)碳組分含量的影響
如圖3所示,不同秸稈還田方式土壤ASOC含量在1.60~10.09 g/kg之間,隨著土層深度的增加,JF、JL、JX的ASOC含量總體呈下降趨勢。在 0~40 cm土層,各處理土壤ASOC含量均顯著高于CK,可見秸稈還田能增加土壤ASOC含量;在40~60 cm土層,JF的土壤ASOC含量顯著高于其他處理;在60~80 cm 土層,JF的土壤ASOC含量最高,JX與JL的土壤ASOC含量顯著低于CK;在80~100 cm土層,JF、JX比CK分別提高了60%、67%,JL與CK無顯著差異。不同秸稈還田方式土壤HC含量在8.57~12.71 g/kg之間,隨著土層深度的增加,HC含量均呈先下降后上升趨勢;在0~20、40~80 cm土層,各處理的HC含量無顯著差異;在20~40 cm土層,JF、JL的土壤HC含量顯著低于CK;在80~100 cm土層,JF、JX、JL比CK分別提高了21%、30%、18%。不同秸稈還田方式土壤BC含量在19.59~37.16 g/kg之間,隨著土層深度的增加,BC含量整體均呈上升趨勢;在0~60 cm土層,各處理土壤BC含量無顯著差異;在60~80 cm土層,各處理BC含量顯著低于CK;在80~100 cm土層,JX的土壤BC含量顯著高于JL,所有處理與CK無顯著差異。綜上所述,秸稈還田能夠顯著提高0~40 cm 土層土壤ASOC含量,大壟輪播秸稈還田增幅低于還田后旋耕、翻耕處理;大壟輪播秸稈還田有利于提高0~20 cm土層土壤HC含量,降低土壤BC含量。
2.3 秸稈還田對土壤碳庫管理指數(shù)的影響
如表2所示,以CK為參考,不同秸稈還田方式的LI在0.55~4.71之間,隨著土層深度的增加各處理的LI呈先增加后降低趨勢,且均在20~40 cm土層時最大。CPMI在44.35~610.92之間,隨著土層深度的增加各處理的CPMI整體上呈先增加后降低的趨勢,且在20~40 cm土層時最大,在0~40 cm土層,各處理CPMI均高于CK;在40~60 cm土層,JF比CK的CPMI提高了121.42%;在60~80 cm土層,JL、JX比CK分別降低了30.27%、55.65%;在80~100 cm土層,各處理的CPMI均高于CK。以CK為參考,不同秸稈還田方式的CPI在0.69~1.31之間,隨著土層深度的增加各處理的CPI呈先增加后降低趨勢,在0~40 cm土層,各處理的CPI均高于CK;在40~80 cm土層,各處理的CPI均低于CK,且JL的最低,在80~100 cm,JF與JX的CPI高于CK,JL的CPI低于CK。綜上所述,秸稈還田能夠明顯提高0~40 cm土層的CPMI和LI,進(jìn)而提高土壤中有機(jī)碳的活性,增加土壤供肥能力,特別是可提高20~40 cm 土層有機(jī)碳活性,0~20 cm大壟輪播秸稈還田處理對CPMI和LI的增加作用低于秸稈還田后旋耕和翻耕。
3 討論
3.1 寒旱區(qū)春玉米秸稈還田對碳組分影響機(jī)制
作物秸稈中含有碳元素,經(jīng)過人工耕作進(jìn)入土壤,同時秸稈還田通過對土壤微生物群落的調(diào)節(jié),進(jìn)而影響土壤碳素形態(tài),不同秸稈還田方式可以通過影響春玉米秸稈的數(shù)量、組成及其分解方式,引起有機(jī)碳含量的不同[12]。前人研究得出秸稈還田可以提高SOC含量[17-18],本試驗(yàn)結(jié)果與之一致。秸稈中無機(jī)碳含量較低,主要是通過影響微生物活動,間接影響土壤SIC含量,本試驗(yàn)結(jié)果表明秸稈還田會增加0~40 cm土壤無機(jī)碳含量,這與曾駿等單施秸稈不會增加土壤無機(jī)碳含量的研究結(jié)果[19]不同,研究區(qū)域氣溫低降水量少是典型的寒旱區(qū),且該區(qū)域土壤貧瘠土壤微生物活動較弱,由于秸稈以及根茬、凋落物等進(jìn)入土壤,促進(jìn)微生物活動,使微生物分解作用增強(qiáng),進(jìn)而在一定作用下促進(jìn)土壤的有機(jī)碳向無機(jī)碳轉(zhuǎn)化,對大氣中的CO2吸附固定,不同秸稈還田方式能夠通過影響土壤有機(jī)碳-無機(jī)碳轉(zhuǎn)化過程而改變土壤對大氣CO2的截存潛力。一些人為因素如灌溉、耕作、施肥等使得無機(jī)碳向深層轉(zhuǎn)移,使農(nóng)田深層無機(jī)碳含量高于淺層,這與張旭博等對不同深度的農(nóng)田土壤無機(jī)碳深層含量高于淺層的研究結(jié)果[10]一致。
土壤活性有機(jī)碳對環(huán)境變化比較敏感,尤其是對土地利用方式的變化,與土壤內(nèi)各種生物化學(xué)反應(yīng)有關(guān)[20],對于寒旱區(qū)農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳是評估土壤碳庫變化的敏感指標(biāo)[21],土壤活性有機(jī)碳只占土壤總有機(jī)碳一部分,但對于保持土壤營養(yǎng)及提高土壤碳含量方面有關(guān)鍵意義[20,22]。本試驗(yàn)中秸稈還田可以顯著提高0~40 cm土層活性有機(jī)碳含量,這是由于玉米凋落物和玉米秸稈還田可以補(bǔ)充活性有機(jī)碳的消耗,這與陳高起等的研究結(jié)果[23]一致。秸稈還田翻耕有機(jī)碳含量高于其他2種秸稈還田方式,是因?yàn)榉^程使秸稈進(jìn)入土壤中,促進(jìn)秸稈腐解,進(jìn)而增加深層土壤SOC、ASOC和HC含量,這與朱浩宇等的研究結(jié)果[12]一致。而大壟輪播秸稈還田方式,將秸稈翻壓入壟背表層土壤中,同時有利于增加土壤溫度,因此促進(jìn)表層(0~20 cm)土壤ASOC和HC含量。秸稈還田后旋耕使秸稈與表層土壤充分混合,促進(jìn)秸稈腐解,使表層土壤SOC和TC含量較高,但由于寒旱區(qū)表層土壤溫濕度低,不利于秸稈進(jìn)一步腐解,使表層土壤ASOC和HC含量低于大壟輪播處理。
3.2 寒旱區(qū)春玉米秸稈還田對土壤碳庫管理指數(shù)的影響機(jī)制
土壤CPI、CI、CPMI是一組相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo),通過CPMI和LI這2個指標(biāo)可以展現(xiàn)出耕作方式對土壤養(yǎng)分、土壤碳庫增減情況的影響[24],并且可以反映土壤活性有機(jī)碳和總有機(jī)碳的動態(tài)變化,進(jìn)而反映玉米秸稈進(jìn)入土壤后土壤治理的難易情況[24]。前人的試驗(yàn)證明,土壤碳庫管理指數(shù)與秸稈還田等措施關(guān)系密切,并且秸稈還田可提高土壤碳庫管理指數(shù)[4,25-26],這與本試驗(yàn)的結(jié)果一致。本研究中不同秸稈還田方式均可明顯提高0~40 cm土層土壤CPMI和LI,玉米秸稈還田能夠影響土壤的含水量、溫度,有利于微生物的活動和秸稈降解[27],進(jìn)而影響土壤SOC及ASOC含量。但不同春玉米秸稈還田方式對CPMI和LI的影響存在差異,秸稈還田旋耕對土壤表層的提高最明顯,秸稈還田翻耕對20~40 cm土層的提高作用最明顯,旋耕主要使秸稈在 0~20 cm土層與土壤混勻,翻耕使秸稈深埋在20~40 cm土層,進(jìn)而影響不同層次土壤的CPMI和LI,這與李碩等對小麥秸稈的研究結(jié)果[27]一致。大壟輪播秸稈還田方式相比秸稈還田后旋耕和翻耕土壤的CPMI和LI增幅較小,主要是因?yàn)榇髩泡啿p少秸稈的破碎,有利于秸稈還田對土壤各種碳素的累積,同時也減少機(jī)械的投入及土壤表層的擾動。相對冀西北寒旱區(qū)春季土壤風(fēng)蝕比較嚴(yán)重的條件,該區(qū)域推廣春玉米大壟輪播秸稈還田技術(shù),既能夠最大效率地增加秸稈還田對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn),又能提高土壤ASOC含量及土壤供肥能力,進(jìn)而達(dá)到培肥土壤的農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展。
4 結(jié)論
冀西北寒旱區(qū)春玉米不同模式秸稈還田土壤TC含量在60.89~111.27 g/kg之間,SOC含量在33.04~56.16 g/kg之間,不同模式秸稈還田可以顯著提高0~40 cm深度土壤的碳素含量,大壟輪播秸稈還田方式增幅低于秸稈還田翻耕、秸稈還田旋耕。
冀西北寒旱區(qū)春玉米秸稈還田土壤ASOC含量在1.60~10.09 g/kg之間,HC含量在8.57~12.71 g/kg 之間,秸稈還田可以顯著增加0~40 cm土壤ASOC含量,使0~20 cm土層土壤腐殖質(zhì)碳含量提高12.5%~15.5%,大壟輪播秸稈還田方式比秸稈還田旋耕和翻耕對ASOC含量的提高幅度大。
冀西北寒旱區(qū)春玉米不同模式秸稈還田土壤CPMI在44.35~610.92之間,秸稈還田可提高 0~40 cm土層的LI和CPMI,秸稈還田旋耕和翻耕對土壤CPMI和LI的提高幅度大于大壟輪播秸稈還田方式。對于冀西北寒旱區(qū)采用大壟輪播秸稈還田方式更能夠發(fā)揮春玉米秸稈還田的固碳能力,促進(jìn)春玉米農(nóng)田可持續(xù)利用。
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