保护性耕作措施对西南旱地玉米田土壤有机碳、氮组分及玉米产量的影响

2021-06-28戴伊莎贾会娟刘帮艳王龙昌

干旱地区农业研究 2021年3期

戴伊莎，贾会娟，熊瑛,2，刘帮艳，成欣，王龙昌

(1.西南大学农学与生物科技学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，南方山地农业教育部工程研究中心，重庆 400715；2. 河南科技大学农学院，河南洛阳 471003)

近年来，随着全球气候变暖，土壤碳循环相关研究成为了全球生态学领域的热点[1]，且取得了众多新进展。农田土壤有机碳库在全球碳库中属于最活跃的部分，对维持全球碳库平衡具有非常重要的作用[2]，传统耕作导致土壤有机碳流失严重，使得农田成为了一大碳源[3]。氮素是影响粮食生产效益和潜力的关键因素[4]。Franzluebbers等[5]、Zibilske等[6]研究发现，免耕、垄作等保护性耕作措施可显著提高表层土壤的全氮含量。此外，土壤全氮与有机碳相互关联、相互制约，共同维持农田生态系统的稳定，因此研究有机碳、氮之间的耦合关系十分重要。

保护性耕作具有培肥地力、抵御风蚀、抑制农田扬沙等功效，逐渐成为发展旱区农业、促进农业可持续发展的重要措施[7-8]。据中国科学院东北地理与农业生态研究所监测，土壤表层20 cm有机质含量在连续实施保护性耕作5 a后增加10%，10 a后增加21%，15 a后增加52%，表明保护性耕作不仅可以防治因管理不善导致的土壤退化，而且可以加强土壤固碳作用，显著改善表层土壤有机碳含量[9-10]。最近20多年来，中国保护性耕作的面积逐年上升，保护性耕作研究越来越受到重视，逐渐成为中国农业耕作制度研究的一个热点[11-12]。

垄作、深松、残茬覆盖、秸秆覆盖等是保护性耕作的核心技术[11]。垄作具有集水、保肥等作用[12]。秸秆富含C、N等营养元素，是土壤碳素重要的源和库。研究表明，蚕豆秸秆就地还田可以改善土壤理化性质，提高土壤有机质含量，增加土壤的碳氮养分[13-14]；具有保持土壤肥力、优化土壤结构、增加土壤微生物种类及数量、蓄水保墒等作用[15-16]。

我国的保护性耕作技术相关研究主要集中在东北、西北、华北等地[16]，在西南丘陵地区尚处于起步阶段。西南丘陵地区地形复杂，旱作农田占总耕地面积的60%以上，存在土层浅薄、水土流失严重、多发季节性干旱、灌溉困难等问题[13,15]，然而关于在西南“旱三熟”种植区实行不同的保护性耕作措施所产生的土壤碳氮效应的相关研究鲜有报道。本文通过研究“旱三熟”种植模式下的玉米田土壤碳氮对垄作、秸秆覆盖两种保护性耕作措施的响应，旨在探寻合理的保护性耕作技术模式，因地制宜地优化西南丘陵地区旱田保护性耕作制度，促进农田固碳减排，提高农业生产效益和生态效益。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于重庆市北碚区西南大学教学实验农场(29°51′N, 106°27′E)，海拔244 m，属亚热带季风湿润气候，年均太阳总辐射量87 108 kJ·cm-2，年均日照时数598.4 h，多年平均气温18℃，≥10℃积温5 979.5℃，夏季最高气温可达40℃，全年无霜期359 d，年均降雨量1 133.7 mm。该试验地坡度较缓，地力相对均匀，已连续6 a开展“小麦/玉米/大豆”、“小麦/玉米/甘薯”等旱三熟种植模式下的保护性耕作研究，每年的耕作处理保持一致。供试土壤为旱地紫色土，土壤基础理化性状见表1，2014年重庆市月均降雨量和气温见图1。

表1 耕层土壤基础理化性状

1.2 试验设计

基于2013年11月至2014年10月进行的“蚕豆/玉米/甘薯”旱三熟种植模式，以玉米田为研究对象，供试作物为玉米(ZeamaysL.)(西单1号)，育苗移栽，于2014年3月20日育苗，4月8日移栽，7月29日收获。采用3×2 双因素试验设计。设2种耕作方式：(1)平作(F)，秋季整地后不起垄；(2)垄作(R)，于秋季整地后横向起垄，垄高20 cm。3个覆盖水平：(1)无覆盖(T)，整个生育期内无覆盖；(2)秸秆半量覆盖(H)，每个小区均匀覆盖10.8 kg(折合3 750 kg·hm-2)蚕豆秸秆；(3)秸秆全量覆盖(W)，每个小区均匀覆盖21.6 kg(折合7 500 kg·hm-2)蚕豆秸秆。共6个处理：平作无覆盖(FT)、垄作无覆盖(RT)、平作+秸秆半量覆盖(FH)、垄作+秸秆半量覆盖(RH)、平作+秸秆全量覆盖(FW)、垄作+秸秆全量覆盖(RW)，随机区组排列，3次重复，共18个小区。每小区面积28.8 m2(8.0 m×3.6 m)，均分为4厢共8个条带，每个条带宽1.0 m，长3.6 m。每条带种植两行，每行8窝，每窝2株，总计每小区128株，种植密度4.5万株·hm-2。所有小区均基施复合肥225 kg·hm-2(含N15%、P2O515%、K2O 15%)，拔节期追施尿素450 kg·hm-2。其它田间管理措施同常规。

1.3 测定指标与方法

土样采集时期为玉米拔节期(2014-05-08)、大喇叭口期(2014-06-04)、灌浆期(2014-07-06)、成熟期(2014-07-29)。采集时用土钻在各处理区中分别按0～10、10～20 cm分层取样，各处理区随机采集5个样点的土样，去除作物根系、小石头等杂物后，将每小区5个样点同一土层的土样混合均匀，用四分法取出足够的样品，将一部分土样迅速装入自封袋并置于冰盒内，带回实验室后存于4℃冰箱内，用于微生物量碳氮测定；另一部分于室温下自然风干，研磨，过2 mm筛，用于土壤其他碳氮指标的测定。

用TOC-L总有机碳分析仪(岛津-日本)测定土壤总有机碳(TOC)，高锰酸钾氧化法[18]测定土壤易氧化有机碳(ROC)，六偏磷酸钠分散法[19]测定颗粒有机碳(POC)；采用半微量凯氏定氮法[20]测定全氮(TN)；采用TOC-VCPH自动分析仪(岛津，日本)[21]测定水溶性有机碳氮(DOC、DN)。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理并绘制图表，用SPSS 17.0软件对试验所得数据进行方差分析、显著性检验和相关分析。

2 结果和分析

2.1 保护性耕作对玉米田土壤有机碳组分的影响

2.1.1 保护性耕作对玉米田土壤总有机碳(TOC)含量的影响由表2可知，各处理间玉米田土壤TOC含量在土层之间分布表现为0～10 cm>10～20 cm，同一生育期内TOC含量差异显著，但是随着时间的变化无明显规律性。除拔节期外，FH始终显著高于其他处理(P<0.05)。成熟期RT、FH、FW、RH、RW的TOC含量均显著高于FT (P<0.05)，说明垄作、覆盖处理对TOC的促进作用显著，两者结合对TOC含量能产生更大的促进作用。从移栽前到成熟期的土壤TOC含量变化来看，RT、RH、FW均表现为增加，其中以RH的增加幅度最大；而FT、FH、RW均表现为下降，说明垄作条件下过量的秸秆覆盖会抑制土壤TOC含量的增加。

表2 不同处理下玉米田土壤总有机碳含量的比较/(g·kg-1)Table 2 Comparison of TOC content in maize field under different treatments

2.1.2 保护性耕作对玉米田土壤易氧化有机碳(ROC)、颗粒有机碳(POC)含量的影响如图2、图3所示，玉米田土壤ROC、POC含量在土层之间的分布特征基本呈现为0～10 cm>10～20 cm，土壤ROC、POC含量随时间的变化呈现较明显规律，在大喇叭口期出现最低点。在0～10 cm土层中，成熟期时RT、RH、FW处理的ROC含量相较于移栽前增加较多，而RW处理的ROC含量减少，说明垄作和适当的秸秆覆盖均有助于提升ROC含量，垄作条件下过量的秸秆覆盖则不利于ROC含量的增加。成熟期时仅RH处理的POC含量显著高于FT(P<0.05)，其它处理与FT无显著差异甚至低于FT，说明POC含量对单一的垄作或者秸秆覆盖的响应不灵敏，但是垄作+秸秆覆盖有利于提高POC含量。10～20 cm土层的ROC、POC含量变化趋势与0～10 cm土层基本一致。

同一生育期内，各处理间ROC、POC含量差异显著，表现为：RH、RW>RT，FH、FW>FT。不同处理下的ROC与POC含量在大喇叭口期之前变化趋势一致，而在灌浆期～成熟期RT、FH、RH处理的ROC含量表现为上升，POC含量表现为下降。从图1可知，试验年份的玉米灌浆期降雨量较大，说明在土壤水分充足时，RT、FH、RH可以促进POC转化为ROC，有利于增加ROC、POC的存储；而FT、FW、RW对两者的相互转化没有明显促进作用，说明FW和RW不利于POC转化为ROC，对提高土壤有机碳的稳定性没有明显促进作用。

2.1.3 保护性耕作对玉米田土壤水溶性有机碳(DOC)含量的影响如表3所示，玉米田土壤DOC含量无明显土层分布规律，随时间的动态变化规律表现为在大喇叭口期出现谷值。结合表1，整个生育期内各处理下玉米田土壤DOC的含量占TOC的比值介于24.0%～46.5%之间，且随时间的变化表现为上升。0～10 cm土层中，有秸秆覆盖的处理除RW外，DOC含量于灌浆期至成熟期基本呈现上升趋势；无秸秆覆盖处理的DOC含量在灌浆期至成熟期呈下降趋势。10～20 cm土层中，RW的DOC含量始终显著低于其它处理(P<0.05)。同一生育期内，各处理间DOC含量的差异无显著规律性。与FT相比，RT、FH、RH从大喇叭口期开始表现出对DOC含量的显著性增加作用。而FW对其没有明显作用，RW表现出减少作用。说明垄作和适量的秸秆覆盖可以显著增加土壤DOC含量，但是垄作条件下过量的覆盖处理对土壤DOC含量表现出减少作用。

表3 不同处理下玉米田土壤水溶性有机碳含量的比较/(g·kg-1)

2.2 保护性耕作对玉米田土壤氮组分的影响

2.2.1 保护性耕作对玉米田土壤全氮(TN)含量的影响由表4可见，玉米田土壤TN含量的变化规律与TOC含量基本一致，玉米田0～10 cm土层的TN含量始终高于10～20 cm土层，TN含量随时间的变化无明显规律。相较于移栽前，0～10 cm土层中各处理TN含量除FH和RW外均表现为上升。无秸秆覆盖条件下，同一生育期内F处理的TN含量总体低于R处理；有秸秆覆盖条件下，F处理的TN含量基本显著高于R处理(P<0.05)，H处理和W处理的差异不显著。成熟期玉米田0～10 cm土层中RT、FH、FW、RH处理的TN含量分别较FT显著高出0.83%、15.42%、14.39%、17.29%(P<0.05)；RW的TN含量与FT差异不显著。说明垄作和秸秆覆盖处理均具有减少土壤氮组分流失的作用，两者结合效果更优，但是垄作条件下过量的覆盖处理未能表现出明显作用。

2.2.2 保护性耕作对玉米田土壤水溶性氮(DN)含量的影响由表5可知，玉米田土壤DN含量基本表现为0～10 cm土层高于10～20 cm土层，随时间的变化呈现明显规律性，在灌浆期出现最低点。结合表4，玉米田土壤DN含量占TN的比值介于19.9%～53.5%之间。相较于移栽前，成熟期玉米田土壤所有处理的DN含量在0～10 cm和10～20 cm土层中均表现为下降，且其它处理的下降趋势显著缓于FT处理(P<0.05)。同一生育期内各处理DN含量变化无规律性。整个生育期H、W处理的DN下降趋势比T处理缓慢。DN的含量变化受降水量影响较大，根据图1降雨量数据，灌浆期降雨量较大时，垄作与平作处理的DN含量无明显差异，有秸秆覆盖处理DN含量显著低于无秸秆覆盖处理；其它时期降雨量较小，垄作的DN含量显著高于平作，有秸秆覆盖处理DN含量显著高于无秸秆覆盖处理。

表4 不同处理下玉米田土壤全氮含量的比较/(g·kg-1)

表5 不同处理下玉米田土壤水溶性氮含量的比较/(g·kg-1)

2.3 保护性耕作对玉米产量的影响

根据图4数据，各处理玉米产量在5 000～9 000 kg·hm-2。不同处理间玉米产量差异显著(P<0.05)，表现为秸秆覆盖处理下的玉米产量均显著高于无秸秆覆盖处理，且全量覆盖的增产幅度较半量覆盖更大。FT产量略高于RT但差异不显著(P<0.05)，说明垄作对玉米没有明显的增产作用。FW产量大于RW但差异不显著(P<0.05)，说明垄作与秸秆覆盖对产量的提升未能产生明显的互作效应。

2.4 土壤有机碳、氮组分的相关性分析

根据表6可知，土壤有机碳、氮组分之间存在正相关性。TOC、ROC、POC、TN之间呈极显著正相关(P<0.01)关系，说明土壤活性有机碳含量的动态变化来表征土壤总有机碳含量，土壤有机碳组分与氮组分的变化规律相近，碳氮组分间存在耦合关系。DOC、DN之间呈正相关性，但是与其他碳氮组分之间均无显著相关性，说明DOC、DN之间均有内在联系，两者的动态变化规律与其它碳氮组分之间存在差别。玉米产量与TOC、POC、ROC呈极显著正相关(P<0.01)，说明三种土壤活性有机碳组分含量的增加对玉米产量有显著促进作用；玉米产量与DOC无显著相关性，说明土壤DOC含量对玉米产量无显著影响。

表6 玉米农田土壤有机碳、氮组分间的相关系数

3 讨论

土壤有机碳与土壤理化性质、生物学特性等密切相关，是衡量土壤肥力的重要指标[18,22]。通常情况下，难以通过短期的研究监测土壤中元素的变化趋势，其数量和质量的动态主要通过其活性部分的变化来表现，所以通常用活性有机碳的变化来表征有机碳的动态特征。土壤活性有机碳常用易氧化有机碳、颗粒有机碳和水溶性碳等来指示[23]。土壤全氮包括有机和无机氮素，是所有形态的氮素含量之和，是土壤向植物供应有效氮素的源和库[24]。

3.1 土壤碳组分的土层分布及动态变化特征

在土层分布特征上，本研究中土壤有机碳组分基本表现为随着深度的增加而降低，各处理有机碳含量在土层分布中基本呈现0～10 cm>10～20 cm的特征，与魏燕华等[25]的试验结果一致。乐丽鑫[26]研究发现，与翻耕处理相比，免耕秸秆还田处理对0～5 cm土层的有机碳组分影响显著，对5～15 cm以及15～30 cm土层的有机碳组分影响不显著。

在土壤动态变化特征上，本研究中ROC与TOC、POC的含量变化规律基本一致，但TOC含量在各处理之间差异不显著。王琳等[27]通过研究发现，ROC对不同耕作措施的响应比TOC更灵敏。易氧化有机碳含量占总有机碳的比例可以表征土壤有机碳的稳定性[28]，本试验结果表明，RT、FH、RH在降雨较大时可以促进POC转化为ROC，其它处理无明显作用，说明垄作+适量秸秆覆盖在降雨较大时可以提高土壤有机碳的稳定性，减少强降雨带来的有机碳损失，Fontaine[29]等的研究印证了这一结果；而平作和过量的秸秆覆盖均不利于土壤有机碳稳定性的提高，说明秸秆覆盖量并不是越多越好。这与张静[30]的研究结果一致。土壤DOC含量无明显规律性，Zsolnay等[31]通过研究发现，在降雨量特别少的年份采集的土壤样品中的DOC含量较其它年份增加约33%。本试验中土壤DOC含量无明显规律可能是玉米生育期内降雨量不稳定，土壤水分含量变化导致的[32]。

3.2 土壤氮组分的土层分布及动态变化特征

在土层分布特征上，氮组分与碳组分的分布规律相似，基本表现为0～10 cm>10～20 cm。郭亚飞等[4]通过长期定位试验发现垄作对0～10 cm土层的土壤全氮含量具有显著影响，本研究结果再次验证了这一观点，保护性耕作可以显著改善土壤表层的有机碳含量，对深层土壤的影响不显著。罗珠珠等[33]在黄土高原西部旱农区进行的保护性耕作研究表明，秸秆还田能显著提高0～10 cm土层的TN含量，对更深层土壤的TN含量无明显影响，与本试验的结果表现一致。

在土壤氮组分的动态变化特征上，TN、DN含量在整个玉米生育期内基本表现为下降，但是随时间的变化无明显动态规律。范如芹等[3]发现秸秆还田下的垄作可以促进TN含量的提高，郭亚飞等[4]提出保护性耕作对土壤TN的影响在10 a以上才能出现明显差异。因此，各处理下TN含量随时间的动态变化特征有待进一步验证。

张宇等[34]研究表明，在旱地土壤上采用秸秆覆盖+厢沟种植大豆可以有效减少地表径流水中的TN、DN等氮素含量，降低氮素流失量。结合本试验结果，成熟期玉米田土壤比移栽前RH对TN影响最大，RW对DN影响最大，说明垄作+秸秆覆盖处理可以有效减缓土壤氮素的流失。

3.3 土壤碳氮组分及玉米产量的耦合特征

各处理TOC、TN含量没有表现出明显规律性，但是ROC、POC、DN具有一定规律性，说明土壤活性有机碳、氮对各处理的响应更加敏感。根据相关性分析TOC与ROC、POC极显著相关(P<0.01)，说明可以用土壤活性有机碳含量的动态变化来表征土壤总有机碳含量。TOC与TN极显著相关(P<0.01)，各处理下两者的变化趋势基本一致，说明土壤碳氮组分间存在相互转化和联系。王小利等[35]研究发现，土壤碳氮之间存在一定的耦合关系，相互促进、相互抑制，印证了本试验的结果。胡玉福等[36]通过对4种不同的土地利用方式的对比试验发现DOC与TOC之间呈极显著正相关关系，但本试验通过相关性分析发现，DOC与TOC之间无显著相关性，可能是降雨量导致DOC变化不稳定造成的，其与TOC之间的耦合关系有待进一步控制条件试验求证。

此外，RW对土壤有机碳氮普遍表现为作用不明显，根据2014年重庆市降雨数据，ROC、POC、DOC、DN含量均在降雨量骤升的大喇叭口期-灌浆期出现转折。熊瑛等的试验结果[37-38]表明，垄作会降低土壤表层水分，过量的秸秆覆盖会在降雨较弱时阻隔水分自地表渗入[39]，导致土壤储水量下降。说明垄作条件下过量的覆盖可能不利于土壤水分的增加，从而降低覆盖处理对土壤有机碳、氮组分的促进作用。

本研究中玉米产量表现说明垄作+秸秆覆盖对玉米能产生显著增产效应，这与肖厚军等[40]的研究结果一致。RW和FW的增产幅度均高于其它处理，结合土壤有机碳、氮含量表现，说明土壤碳组分含量的增加对玉米产量有显著促进作用。RW、FW处理下土壤有机碳、氮组分含量变低也可能是全量秸秆覆盖下土壤中碳氮养分向植株过量输送转移导致的。玉米产量、土壤水分与土壤有机碳、氮组分之间的联系机制还有待进一步研究验证。