2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
2. Institute of Agricultural Resource and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
土壤有机碳氮是影响土壤物理化学性质和作物产量的重要物质,也是表征土壤质量的重要指标。通过保护性耕作技术增加土壤碳氮储量,可缓解大气CO2和N2O浓度的升高,进而降低全球范围内的温室效应[1],是减缓气候变化的重要技术措施。
耕作改变土壤的孔隙结构,影响土壤有机质的分解、转化与消耗过程,进而改变土壤剖面有机碳氮的储量与分布[2],开展耕作方式对不同区域农田土壤有机碳氮储量影响的对比联网研究,有助于科学评估保护性耕作在各地的实施效果,为后续保护性耕作措施的大面积推广提供理论依据和实践支持。大量研究结果认为,与传统耕作方式相比,免耕秸秆覆盖技术可以提高表层土壤中的有机碳储量[1–2],具有一定的碳氮截获功能[3],但对深层土壤有机碳含量是否增加结论不一致[4]。在对43年长期定位试验研究后,Ussiri等[5]发现,免耕减少对土壤的扰动进而降低土壤有机碳的矿化速率,最终使0—15 cm土层有机碳含量得以增加,但不同的耕作措施对15—30 cm土层有机碳含量的影响并不存在显著差异。Vanden等[6]着重研究深度超过30 cm的农田土壤,发现经免耕处理后的这部分深层土壤有机碳含量比同深度的翻耕土壤有机碳含量还要低。Sainju等[7]认为免耕处理降低了土壤氮素的侵蚀损失,从而增加土壤中的全氮含量。还有研究表明,免耕秸秆覆盖仅仅将土壤有机碳储量进行垂直剖面上的分层,而有机碳总储量并未增加[8]。目前,在免耕处理是否增加深层土壤中全氮含量的研究中,其试验结果并不一致。López-Fando等[9]研究认为,免耕显著提高表层 0—5 cm的全氮含量,但对 5—30 cm土壤全氮含量影响较小;而 Varvel等[10]认为,相比较翻耕,免耕等保护性耕作措施提高 0—150 cm土壤全氮含量。由此可见,在不同区域、不同耕作年限的研究中,农田保护性耕作技术所表现出的碳氮截获能力差异较大。现有的涉及耕作技术对土壤碳氮储量影响研究的土壤样品多取自30 cm及以上的深度,30 cm以下的土壤有机质变化多为推算得出,并且研究区域多集中于单一试验点[11–13]。本研究将样品深度扩展到80 cm及以上,并借助现有的4个长期定位试验平台开展联网研究,试验结果与结论更加具有普适意义。
本试验以山西寿阳 (SSY)、山西临汾 (SLF)、河北廊坊 (HLF) 和吉林公主岭 (GZL) 4个长期定位基地的农田土壤为研究对象,借助田间调研和取样分析,探讨不同耕作方式对我国东北和华北地区土壤有机碳、氮储量影响差异,为评价保护性耕作对不同农田土壤碳氮的固持效应提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验点分布在我国的东北与华北地区,各试验点在土壤质地和气候类型等方面存在差异 (表 1)。
每个试验点灌溉、除草等田间管理按照当地管理习惯进行,但施肥量和秸秆还田数量等方面存在差异。其中,河北廊坊每季的氮、磷、钾施肥量为150、120、75 kg/hm2,还田秸秆量为3.2 t/hm2;山西寿阳氮、磷施肥量均在105 kg/hm2,秸秆全量还田;山西临汾氮、磷施肥量为120、105 kg/hm2,还田秸秆量为3.75 t/hm2;吉林公主岭氮、磷、钾施肥量为80、60、45 kg/hm2,秸秆全量还田。试验设置包括传统耕作 (CT)、免耕 (NTN) 和浅旋耕 (NTD) 在内的3种耕作处理 (表 2)。受田间实际操作技术的限制,临汾试验点缺少浅旋耕 (NTD) 处理,廊坊、寿阳和公主岭3个试验点均取到3种耕作处理下的土壤样品。作物收获结束后 (2017年9—11月),利用经典的多点混合取样法,在4个地点的试验小区用土钻取0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、和60—80 cm土壤样品,多点采样后充分混匀,风干后样品装袋备用。环刀样的采集选用挖剖面法,在清除地表残枝败叶后,取样器垂直地面入土,将挖出的带土环刀周边多余土块小心削去后装入环刀盒,带回室内分析测定。
土壤紧实度采用紧实度仪 (SC900型) 在田间小区实地测定。
土壤容重采用环刀法测定,按公式ρV=(m2−m1)/V计算。式中:ρV—土壤容重 (g/cm3);m1—环刀质量 (g);m2—环刀+烘干土质量 (g);V—环刀容积 (cm3)。
土壤有机碳、氮质量分数测定;风干土样过0.15 mm筛,利用vario MACRO cube CHN元素分析仪测定。
土壤有机碳储量计算:
SOCs(M)=H× B × V × SOC/10
式中:SOCs(M)—土壤有机碳储量 (kg/m3);H—土层厚度 (cm);B—土壤容重 (g/cm3);V—环刀底面积 (cm2);SOC—土壤有机碳含量 (g)。同理计算土壤氮储量。
试验数据的处理、统计分析和作图通过SPSS 20和Excel 2003软件完成,处理间差异进行方差分析检验 (P < 0.05)。
2 结果与分析 2.1 土壤容重与紧实度土壤容重和紧实度是土壤重要的基本物理性质,也是影响土壤碳氮储量的主要因素。不同耕作技术影响了土壤容重,改变了物理结构对有机碳的保护机制,从而影响土壤碳氮储量。
不同耕作处理对0—10 cm土壤容重的影响存在差异 (图 1)。廊坊试验点CT处理土壤容重值为1.51 g/cm3,NTN与NTD处理与CT差异不显著 (P > 0.05)。临汾试验点CT处理土壤容重为1.40 g/cm 3,与NTN处理差异不显著 (P > 0.05)。寿阳试验点NTN处理土壤容重与CT处理无显著差异,NTD处理较CT处理显著降低了7.52%。公主岭试验点以NTN处理土壤容重最高,达1.56 g/cm 3,CT与NTD处理土壤容重值均为1.33 g/cm3,降低了14.70%左右,差异显著 (P < 0.05)。
[注(Note):CT−传统耕作 Conventional tillage;NTN−免耕 No-tillage;NTD−浅旋耕 Shallow rotary tillage. 柱上不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters above bars are significantly different at 5% level.] |
4个试验点农田土壤的紧实度不同 (图 2)。0—5 cm土层,各地不同耕作处理的土壤紧实度无明显差异;在5—25 cm土层,寿阳NTN处理土壤紧实度显著低于CT和NTD处理,廊坊、临汾和公主岭的NTN和NTD处理土壤紧实度值均不同程度地高于CT处理;25—45 cm层,廊坊、寿阳和临汾土壤紧实度的处理间差异不显著,公主岭NTN和NTD处理土壤紧实度均显著高于CT处理。
[注(Note):CT—传统耕作 Convertional tillage;NTN—免耕 No-tillage;NTD—浅旋耕 Shallow rotary tillage.] |
3种耕作处理土壤有机碳与总氮的含量均随土壤剖面的加深而下降,下降趋势随土层的加深而减缓 (图 3、图 4)。不同耕作处理对土壤有机碳含量的影响在4个试验点存在差异,公主岭试验点NTN与NTD处理土壤有机碳含量在0—80 cm剖面上均显著高于CT处理。廊坊试验点0—15 cm层,NTN和NTD处理土壤有机碳含量均高于CT处理;15—60 cm层,土壤有机碳含量大小为NTD > CT > NTN,60—80 cm土壤有机碳含量的处理间差异不显著。临汾试验点0—15 cm层,NTN处理土壤有机碳含量高于CT处理;15—40 cm层,CT处理土壤有机碳含量高于NTN处理;40—80 cm土壤碳含量的处理间差异不显著。寿阳0—50 cm土壤有机碳含量顺序为NTD > CT > NTN,50—80 cm土壤有机碳含量的处理间差异不显著。
[注(Note):CT—传统耕作 Convertional tillage;NTN—免耕 No-tillage;NTD—浅旋耕 Shallow rotary tillage.] |
从图 4可以发现,与CT处理相比,廊坊试验点NTN处理增加0—25 cm土壤全氮含量,25—60 cm土壤全氮含量降低,NTD处理显著增加0—60 cm土壤全氮含量,3种耕作处理对60—80 cm土壤全氮含量的影响很小;临汾试验点0—15 cm土层,NTN处理土壤全氮含量高于CT处理,15—40 cm,CT处理土壤全氮含量高于NTN处理,40—80 cm土壤全氮含量处理间无差异;寿阳试验点0—45 cm土层,NTN和NTD处理土壤全氮含量高于CT处理,45—80 cm土壤全氮含量大小为CT > NTD > NTN;公主岭试验点NTN和NTD处理土壤全氮含量在0—80 cm剖面均高于CT处理。
[注(Note):CT—传统耕作 Convertional tillage;NTN—免耕 No-tillage;NTD—浅旋耕 Shallow rotary tillage.] |
总体来看,4个试验点的1 m深土壤有机碳和总氮储量存在显著差异 (图 5、图 6)。与传统耕作 (CT) 相比,免耕 (NTN) 和浅旋耕 (NTD) 处理显著增加4个试验农田土壤的有机碳储量,增加量在2.02~2.27 t/hm2。其中,廊坊试验点CT和NTN处理土壤有机碳储量无显著差异,NTD处理1 m土壤有机碳储量比CT处理高2.02 t/hm2,差异显著;临汾试验点1 m深土壤有机碳储量处理间无显著差异;寿阳CT和NTN处理土壤有机碳储量无显著差异,NTD处理1 m土壤有机碳储量比CT处理高2.13 t/hm2,差异显著;公主岭的NTN和NTD处理1 m深土壤有机碳储量均为2.27 t/hm2,比传统耕作提高了21.78%。不同耕作方式对4个试验点土壤氮储量的影响存在差异。其中,廊坊试验点NTN土壤氮储量比CT处理高出0.03 t/hm2,NTD处理土壤氮储量显著下降;临汾和寿阳试验点的保护性耕作处理土壤氮储量均显著低于CT处理公主岭NTN和NTD处理土壤氮储量比CT处理分别高出0.11 t/hm2和0.21 t/hm2。
[注(Note):CT—传统耕作 Conventional tillage;NTN—免耕 No-tillage;NTD—浅旋耕 Shallow rotary tillage 柱上不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters above bars are significantly different at 5% level.] |
[注(Note):CT—传统耕作 Convertional tillage;NTN—免耕 No-tillage;NTD—浅旋耕 Shallow rotary tillage.] |
分析研究4个试验点农田土壤有机碳、氮储量的分层比率,可以发现,3种耕作处理的单位深度有机碳氮分层比率存在显著差异 (图 7、图 8)。廊坊试验点传统耕作 (CT) 土壤的0—10 cm与10—20 cm以及0—10 cm与20—40 cm层次之间的单位深度有机碳储量比率分别为1.23和0.96,氮储比率分别为1.16和0.81,免耕 (NTN) 和浅旋耕 (NTD) 同一层次的碳氮储量比率均有所提高,其中,碳储比率分别提升至1.70、1.68和1.25、1.23。临汾试验点传统耕作 (CT) 土壤的0—10 cm与10—20 cm以及0—10 cm与20—40 cm层次之间的单位深度有机碳储量比率分别为1.19和1.01,氮储比率分别为1.09和0.75,免耕 (NTN) 中,同一层次的碳储比率分别提升至1.78和1.25。寿阳试验点土壤单位深度碳储量比率处理间差异不显著。公主岭试验点NTN和NTD单位深度土壤有机碳储量比率小于CT处理,而NTN处理单位深度氮储量比率高于CT处理。
[注(Note):CT—传统耕作 Conventional tillage;NTN—免耕 No-tillage;NTD—浅旋耕 Shallow rotary tillage.柱上不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters above bars are significantly different at 5% level.] |
[注(Note):CT—传统耕作 Conventional tillage;NTN—免耕 No-tillage;NTD—浅旋耕 Shallow rotary tillage. 柱上不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters above bars are significantly different at 5% level.] |
土壤容重与紧实度是直观反映土壤压实程度的常用指标。在众多关于不同耕作处理对农田土壤容重的影响研究中,学者们对不同地域、不同土壤剖面深度的研究结果存在分歧。刘武仁等[14]研究了东北黑土的容重变化,发现0—20 cm土层,免耕处理的土壤容重大于传统翻耕处理;Fernandez-Ugalde等[15]也发现免耕会增加表层0—5 cm容重,下层差异不大;王昌全等[16]通过8年田间定位研究表明,与传统耕作方式相比,免耕的土壤容重较小,并且随田间免耕年数的增加,土壤容重呈降低趋势,说明耕作处理对土壤容重的影响差异可能由试验的年限差异引起的。本研究中,4个试验点土壤紧实度均随土壤剖面深度的增加而升高,这可能与深层土壤透气性较差,微生物数量减少,根系体积小有关。廊坊的免耕覆盖和浅旋耕覆盖处理土壤容重与紧实度高于传统耕作,对表层土壤而言,传统犁耕因机械扰动而增加田间土壤孔隙度[17],容重值有所下降,而免耕秸秆覆盖缺少传统的翻耕动土活动,加上播种时机械的压实过程,在一定程度上造成土壤容重与紧实度的提升。临汾和寿阳试验点种植制度均为一年一熟,传统耕作中的机械翻耕活动对土壤压实程度的缓解作用较小,因而土壤容重值高于免耕覆盖和浅旋耕覆盖处理。王恩姮等[18]研究了机械作业对黑土区耕地土壤结构的影响,发现中小型机械使土壤容重值呈现降低趋势,对土壤结构表现出一定的改良作用。公主岭地区免耕覆盖处理的容重值显著高于传统耕作和浅旋耕覆盖处理,与前人的结果一致。本研究中,在不同的耕作处理下,各试验点土壤的有机碳与总氮含量变化均呈现随土壤剖面深度的增加而降低趋势,可能原因有以下两点:1) 免耕减少机械农具对土壤的压实与扰动,有利于增加农田土壤团聚体结构的稳定性,进而保证土壤有机碳的增加与积累[19–20];2) 秸秆覆盖增加土壤有机碳、氮的输入量,同时减少风蚀水蚀造成的碳氮损失[21],这同样解释了廊坊与临汾地区0—15 cm处的有机碳含量对NTN耕作处理的响应大致相同的现象。公主岭试验点免耕与浅旋耕处理的土壤有机碳含量在0—80 cm剖面上始终显著高于CT处理,廊坊试验点浅旋耕处理的土壤有机碳含量也始终高于CT处理,这主要是因为小幅度的土壤扰动对土壤导水性和生物活性产生一定的有益效应[22],有机质向下层土壤迁移和淋溶速率较传统耕作处理快。临汾试验点0—15 cm土层,NTN处理土壤有机碳含量高于CT处理;15—40 cm土层,CT处理土壤有机碳含量高于NTN处理;40—80 cm土壤碳含量处理间差异不显著。这主要是因为秸秆还田增加碳的输入量,土壤表层的碳含量增加,再加上保护性耕作降低了对土壤的扰动压实和表层土壤的容重与呼吸作用,减缓了有机碳的流失[23],因而15 cm以上土壤有机碳含量高于传统耕作,但这种对土壤结构的改良效果随土层深度的增大而降低,保护性耕作对40 cm及以下土壤有机碳含量的影响也随之变小。寿阳试验点0—50 cm土壤有机碳含量大小为NTD > CT > NTN,这主要因为浅旋耕降低土壤扰动程度,减少有机质的淋溶流失,土壤水热条件好,有机质分解状况好,有利于碳的固定 [24],传统耕作处理破坏土壤结构,呼吸作用加强,同时在没有外源有机质加入的情况下,土壤中易矿化的有机碳因不断被矿化而损失,导致土壤有机碳含量下降[25]。
不同耕作处理下4个试验农田土壤有机碳、氮的分布及储量结果表明,随着土层的加深,土壤有机碳和总氮含量均呈下降趋势,主要是由于随着深度的增加,作物根系及根系分泌物等有机质投入减少,降低了土壤有机碳的循环与转化[26]。保护性耕作处理显著增加1 m深土壤有机碳储量。如与传统耕作处理相比,公主岭免耕和浅旋耕处理截获碳储量均为2.27 t/hm2,廊坊浅旋耕处理的土壤有机碳储量增加2.02 t/hm2,寿阳浅旋耕处理截获土壤碳储量为2.22 t/hm2,差异显著,这主要是由于秸秆的覆盖还田增加了碳的输入量,使得土壤表层碳储量显著增加,再加上免耕与浅旋耕降低对土壤的压实与扰动,减少径流损失造成的。不同耕作方式对各地土壤氮储量的影响存在差异,如与传统耕作处理相比,公主岭免耕和浅旋耕处理显著增加1 m深度土壤总氮储量,截获量分别为0.11 t/hm2和0.21 t/hm2,廊坊免耕处理的土壤氮储量增加0.03 t/hm2,这是因为秸秆覆盖增加有机质输入量,保护性耕作增加土壤有机质含量,有机质可以固定土壤的氮素,减少土壤氮的淋洗与挥发损失[27]。而廊坊试验点浅旋耕处理和寿阳、临汾试验点保护性耕作处理下的土壤氮储量有所降低,这可能是因为免耕与浅旋耕处理的还田秸秆多撒播在土壤表面,导致表层土壤有机碳和全氮相对富集[28],再加上免耕年限较长,土壤根系多集中在表层,营养物质向深层土壤的输送过程受阻,降低了一定深度的氮储量。
有研究表明,免耕增加土壤理化性质的分层化现象[29]。本研究发现,传统耕作 (CT) 各试验点土壤0—10 cm与10—20 cm土层、0—10 cm与20—40 cm土层间的单位深度有机碳、氮储量均接近于数值1,说明传统耕作中的翻土犁耕活动改变了土壤原有结构,促成不同深度土层中有机质的匀化,缩小了作物根茬部位有机质储量的层间差异。廊坊与临汾的NTN和NTD处理的土壤,其单位深度土壤的有机碳、氮储量比率均有所上升,由此说明,保护性耕作技术加剧了耕作层土壤有机碳储量的分层现象,这可能是由于保护性耕作处理部分或者完全摒弃传统的翻土活动,有效维持农田土壤的原有结构,降低了根茬部位有机质的垂直匀化的活动强度,因而表现出一定的有机碳分层现象。此外,可能的原因还有两点:第一,秸秆经粉碎后均匀撒于地表,增加了土壤表层有机碳的外源输入量,再加上有机质具有移动性较差的特点,一定程度上促成了有机质的分层现象[30];第二,相比传统耕作,免耕土壤中作物的根系密度分布沿土层深度发生变化,即深层土壤中根系密度小,浅层土壤根系密度大[31],进而影响有机质向深层土壤的运输,加剧有机质的分层化。与CT处理土壤相比,廊坊与寿阳试验点经NTN与NTD处理土壤的单位深度碳氮储量比率有所下降,可能的原因为:廊坊试验点的沙质土壤结构较为疏松,有机质在土壤中的移动性相对活跃,耕作活动对其移动速率的影响较小,有机物质在各层次之间的分布差异不大;寿阳试验点农田一年一熟的种植制度,使得土壤具有较长的休耕期,农作物根系的不均匀分布对土壤中有机物质向下运输强度的影响十分有限,这也在一定程度上维护了不同耕作处理下土壤有机质的垂直匀化过程[32],减轻了保护性耕作可能造成的有机质分层现象。
4 结论1) 耕作显著影响0—60 cm土层的有机碳储量。与传统耕作处理相比,黑土 (公主岭) 采用免耕和浅旋耕都可显著提高0—60 cm土壤中的有机碳含量;免耕在褐土 (寿阳) 可提高0—50 cm土壤有机碳含量;而在沙性土 (临汾)、潮土 (廊坊) 免耕仅可提高0—15 cm土壤有机碳含量,15—50 cm层土壤的碳储量反而低于传统耕作;浅旋耕在潮土 (廊坊) 可增加15—60 cm土层有机碳储量。
2) 免耕处理的潮土 (廊坊) 1 m土壤氮储量略高于传统耕作处理,差异不显著;免耕和浅旋耕处理在黑土 (公主岭) 均显著提高土壤氮储量,与传统耕作相比分别高出0.11 t/hm2和0.21 t/hm2,然而临汾和寿阳,免耕和浅旋耕处理均降低1 m深土壤的氮储量。
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