轮耕对豫北潮土速效养分及可溶性有机碳结构特性的影响*

朱宣霖, 朱长伟, 陈 琛, 李 洋, 牛润芝, 姜桂英, 杨 锦, 申凤敏,刘 芳, 刘世亮

(河南农业大学资源与环境学院 郑州 450002)

土壤可溶性有机物(dissolved organic matter,DOM)是指能够通过0.45 μm滤膜的水溶性有机物质的总称。土壤可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)作为其中的重要组分, 即使在土壤有机质中的占比很小, 却是陆地生态系统中极其活跃的组分, 拥有高度的流动性, 生物圈碳平衡很小的变化就会引起DOC的反馈, 对环境的变化非常敏感, 对自然和人为干扰的响应快速且具有指示作用; 而DOC的组分和结构特性的改变会影响其化学稳定性、可利用性和在土壤中的吸附特性。所以, 不同耕作模式对DOC产生的影响会进而影响到整个土壤的有机碳库, 因此, 研究不同的耕作模式对DOC的影响特征, 有利于进一步完善土壤有机碳周转机理。

前人研究表明, 长期的连续旋耕很容易使土壤养分发生“上富下贫”的现象, 而合理的轮耕措施较单一旋耕则能够显著改善这一状况, 起到均衡土壤养分并促进0～40 cm土层土壤速效养分含量增加的作用。王丽等研究表明, 免耕提高表层土壤有机碳和DOC含量并降低其季节变动性, 也就更有利于土壤有机碳及DOC的稳定。虽然免耕覆盖减少了人为因素所造成的扰动, 但长期免耕覆盖会使土壤容重增加, 养分分层加剧, 因此长期免耕后采用旋耕、深耕等轮耕措施更有助于下层土壤可溶性有机碳含量的增加。Liu 等研究认为, DOC与土壤有机碳之间呈显著正相关关系, 而不同的耕作模式又能够对土壤有机碳的形成和分解产生显著的影响, 因此土壤DOC组分的结构特性也会随耕作模式的不同而在各个波长的紫外可见光谱下显示不同。目前, 对DOC结构研究采用最广泛的是紫外可见光谱法, 该法不仅能够详细了解DOC组分的微观分子结构, 而且具有操作简单、分析快速、不破坏样品的优势。其中紫外光谱吸收值SUVA260和SUVA280分别表示DOC的疏水组分比例与芳香化程度及其分子量大小; A250/A365和A300/A400分别表示DOC的腐殖化程度与有机质分子量及其聚合度。不同耕作模式对DOC结构的影响直接表现在以上紫外光谱特征指标上。张伟等研究表明, 单一且不合理的耕作方式会导致土壤团聚体破碎, 促进DOC组分中结构较为简单且稳定性差的小分子化合物的产生, 导致土壤DOC的大量损失。而适当且合理的轮耕措施则能够显著增加土壤大团聚体的机械稳定性, 从而促进土壤DOC的积累。有研究发现土壤DOC的淋失量会随着翻耕频率的增加而增加, 并且DOC组分的光谱特性与DOC的淋失量具有显著的负相关关系。

综上所述, 前人虽然在不同耕作模式对土壤速效养分含量变化方面研究较多, 但大多针对单一的耕作模式, 不同耕作模式组合对不同土层深度土壤养分的影响还需进一步探究; 且耕作模式对DOC及其结构特征的研究较少。因此, 本研究以豫北潮土为研究对象, 通过对不同轮耕模式下土壤速效养分与可溶性有机物的研究与分析, 探究不同轮耕模式对土壤可溶性有机物含量和结构特性的影响, 从而为该地区适宜轮耕模式的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验开始于2016年, 在河南省新乡市原阳县河南农业大学科教园区(35°19′N, 113°50′E)进行,当地年均温度为14.5 ℃,年均降水量615 mm,年均日照时数为2324 h, 是典型的暖温带大陆性季风气候。土壤类型为砂质潮土, 试验前0～20 cm土层基本理化性质为: 有机质含量17.3 g·kg, 全氮1.00 g·kg, 碱解氮71.33 mg·kg, 有效磷21.6 mg·kg, 速效钾108.0 mg·kg, pH 7.2。种植制度为冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)轮作。

1.2 试验设计

采用大田小区设计, 在前茬作物秸秆全量还田的条件下, 在小麦季设置5种轮耕模式, 3年为一个周期: 1)连续旋耕(RT-RT-RT); 2)深耕-旋耕-旋耕(DT-RT-RT); 3)深耕-旋耕-条旋耕(DT-RT-SRT);4)深耕-条旋耕-条旋耕(DT-SRT-SRT); 5)深耕-条旋耕-旋耕(DT-SRT-RT)。小区面积为16 m×6.2 m=99.2 m,3次重复。

旋耕操作为: 玉米收获后, 秸秆灭茬粉碎1～2遍,旋耕机整地2遍, 深度13～15 cm, 常规播种小麦; 深耕的操作为: 玉米收获后, 秸秆灭茬粉碎1～2遍, 铧式犁耕翻1遍, 深度28～30 cm, 旋耕机整地2遍, 深度15～18 cm; 条旋耕的操作为: 玉米收获后, 秸秆灭茬粉碎1～2遍, 浅旋整地2遍, 深度5～8 cm。

小麦品种为‘郑麦369’, 播量232.5 kg·hm; 基肥施用量为N∶PO∶KO=20∶16∶16的小麦专用肥[150 kg(N)·hm, 120 kg(PO)·hm, 120 kg(KO)·hm]750 kg·hm, 追肥69 kg(N)·hm(150 kg·hm尿素, 含氮量为46%)。

1.3 取样与测定

在2020年6月(一个轮耕周期后)小麦收获后进行田间取样。采取五点取样法在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm共5个深度取样,去除非土壤污染物后进行风干处理, 并过20目和60目筛。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量, 采用0.5 mol·LNaHCO浸提-钼蓝比色法测定土壤有效磷含量, 采用NHOAc浸提-火焰光度计法测定土壤速效钾含量。DOC采用去离子水浸提-岛津TOC总有机碳分析仪(日本岛津公司生产, 型号 TOCVWP)测定。DOC的紫外吸收特性: 采用紫外-可见分光光度计(L5)进行扫描, 用去离子水做空白, 在200～800 nm范围内间隔1 nm用光程为10 mm的石英比色皿扫描, 记录250 nm、260 nm、280 nm、300 nm、365 nm和400 nm等特征紫外吸光度值, 并在其中250 nm与365 nm、300 nm与400 nm以及260 nm、280 nm与可溶性有机物浓度之间作比值计算; 利用这些参数和参数之间的相关性, 对水溶性有机物的特性进行分析评价, 如表1所示。

表1 可溶性有机物(DOM)的紫外-可见光谱特征参数描述及表征意义Table 1 Description and significance of characteristic parameters of ultraviolet-visible spectroscopy of dissolved organic matter(DOM)

1.4 统计及分析

本研究通过LSD法(P＜0.05)进行不同处理间的差异比较, 采用Excel 2010进行数据统计, 采用OriginPro 8.5及派森诺基因云平台进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同轮耕模式对土壤速效养分的影响

由图1A可知, 总体上土壤碱解氮含量随土壤深度的增加而下降。处理间的差异主要表现在0～40 cm土层。在0～10 cm土层中, DT-RT-SRT、DT-SRTSRT和DT-SRT-RT处理碱解氮含量显著高于RTRT-RT(P＜0.05), 其中DT-SRT-SRT处理碱解氮含量相对较高。在10～40 cm土层中, 4种轮耕模式下碱解氮含量均显著高于RT-RT-RT处理(P＜0.05), 其中DT-SRT-RT处理在10～20 cm和30～40 cm土层中相对效果较好, DT-SRT-SRT处理在20～30 cm土层中相对效果较好。总体来看, DT-RT-SRT、DT-SRTSRT和DT-SRT-RT轮耕模在轮耕周期内均显著增加了0～40 cm土层碱解氮含量。

由图1B可知, 总体上, 土壤速效磷的含量随土壤深度的增加而下降。处理间的差异主要表现在0～40 cm的土层。在0～10 cm和30～40 cm土层中,DT-RT-SRT、DT-SRT-SRT和DT-SRT-RT处理速效磷含量显著高于RT-RT-RT(P＜0.05), 其中DT-SRTSRT和DT-SRT-RT处理相对含量较高。在10～30 cm的土层中, 4种轮耕模式下速效磷含量均显著高于RT-RT-RT处理(P＜0.05), 其中DT-SRT-RT处理的相对效果较好。总体来看, DT-SRT-SRT 和DTSRT-RT 在轮耕周期内均显著增加了0～40 cm土层土壤速效磷含量。

由图1C可知, 总体上, 土壤速效钾的含量随土壤深度的增加而下降。处理间的差异主要表现在0～40 cm的土层。在0～40 cm土层中, DT-RT-SRT、DT-SRT-SRT和DT-SRT-RT处理速效钾含量显著高于RT-RT-RT处理(P＜0.05), 其中DT-SRT-SRT处理的速效钾含量在0～10 cm土层中相对较高; DT-SRTRT处理在10～40 cm的土层中相对效果较好。总体来看, DT-SRT-SRT、DT-SRT-RT和DT-RT-SRT在轮耕周期内均显著增加了0～40 cm土层土壤速效钾含量。

图1 不同处理下不同土层土壤碱解氮(A)、速效磷(B)和速效钾(C)含量Fig.1 Alkali hydrolyzable nitrogen (A), available phosphorus (B) and available potassium (C) contents in different soil layers under different treatments

2.2 不同轮耕模式对土壤可溶性有机碳含量及其结构特性的影响

2.2.1 对土壤可溶性有机碳含量的影响

由图2A可知, 总体上, 土壤可溶性有机碳(DOC)的含量随土壤深度的增加而下降。处理间的差异主要表现在0～40 cm的土层。在0～40 cm土层中, 4种轮耕模式下DOC含量均显著高于RT-RTRT(P＜0.05); 在0～10 cm和30～40 cm土 层 中, 均 是DT-SRT-RT 处理DOC含量最高且显著高于RT-RTRT处理(P＜0.05); DT-RT-SRT处理显著增加了10～20 cm和20～30 cm土层DOC含量(P＜0.05)。总体来看, DT-RT-RT、DT-RT-SRT和DT-SRT-RT在轮耕周期内均显著增加了0～40 cm土层DOC含量。

2.2.2 对土壤腐殖化程度的影响

由图2B可知, 总体上, 土壤的腐殖化程度随土壤深度的增加而下降。处理间的差异主要表现在0～40 cm土层。在0～10 cm土层中, 4种轮耕模式的腐殖化程度均显著高于RT-RT-RT(P＜0.05), 其中DTSRT-SRT处理程度相对较高; 10～30 cm土层中, DTRT-RT、DT-RT-SRT和DT-SRT-RT处理较RT-RTRT处理差异显著(P＜0.05), 其中DT-RT-SRT与DTSRT-RT处理分别在两个层次的土层中程度较大; 在30～40 cm土层中, DT-SRT-RT处理相对效果较好。总体来看, DT-RT-SRT显著增加了10～40 cm土层土壤腐殖化程度, DT-SRT-RT 显著增加了0～40 cm土层土壤腐殖化程度。

2.2.3 对土壤有机质分子量与聚合度的影响

由图2C可知, 各处理土壤有机质分子量与聚合度均随土层的加深呈上升趋势, 处理间的差异主要表现在0～40 cm土层。在0～10 cm土层中, DT-SRTSRT和DT-SRT-RT处理有机质分子量与聚合度显著低于RT-RT-RT(P＜0.05), 其中DT-SRT-SRT相对较低; 在10～30 cm土层中, 4种轮耕模式的有机质分子量与聚合度均显著低于RT-RT-RT(P＜0.05), 其中DT-RT-SRT和DT-SRT-RT 处理土壤有机质分子量与聚合度相对较低。总体来看, DT-SRT-SRT 显著降低了0～30 cm土层土壤有机质分子量与聚合度, DTSRT-RT显著降低0～40 cm土层土壤有机质分子量与聚合度。

图2 不同处理不同土层土壤可溶性有机碳含量(A)、腐殖化程度(A250/A365, B)、有机质分子量与聚合度(A300/A400, C)、疏水组分比例(SUVA260, D)和芳香化程度与分子量大小(SUVA280, E)Fig.2 Soil dissolved organic carbon content (A), degree of humification (A250/A365, B), molecular weight and polymerization degree of organic matter (A300/A400, C), proportions of hydrophobic components (SUVA260, D) and degree of aromatization and molecular weight (SUVA280, E) in different soil layers under different treatments

2.2.4 对土壤疏水组分比例的影响

由图2D可知, 总体上, 土壤疏水组分比例随土壤深度的增加而下降。处理间的差异主要表现在0～40 cm土层。在0～10 cm土层中, DT-SRT-SRT处理的土壤疏水组分比例最高且显著高于RT-RTRT(P＜0.05); 在10～40 cm的土层中, 均是DT-SRTRT处理土壤疏水组分比例相对较高。总体来看, DTSRT-SRT处理显著增加了0～10 cm土层疏水组分比例, DT-SRT-RT处理显著增加了0～40 cm土层疏水组分比例。

2.2.5 对土壤芳香化程度和分子量大小的影响

由图2E可知, 总体上, 土壤芳香化程度与其分子量的大小是随土壤深度的增加而降低的。处理间的差异主要表现在0～40 cm土层。在0～10 cm土层中, DT-SRT-SRT处理土壤芳香化程度与分子量显著最高(P＜0.05); 在10～20 cm和30～40 cm的土层中,DT-SRT-RT 处理土壤芳香化程度与分子量最高; 而在20～30 cm土层中, DT-RT-SRT处理土壤芳香化程度与分子量最高且显著高于RT-RT-RT处理(P＜0.05)。总体来看, DT-SRT-SRT显著增加了0～30 cm土层土壤芳香化程度与分子量大小, DT-RT-RT和DT-SRT-RT处理均显著增加了0～40 cm土层土壤芳香化程度与分子量大小。

2.3 轮耕模式、土层及其交互作用对速效养分含量主体间效应检验

由表2可知, 土层、轮耕及其交互作用的P值均小于0.05, 说明土层、轮耕模式以及二者之间的交互作用均能显著影响土壤速效养分的含量。

表2 轮耕模式对不同土层土壤速效养分含量的主体间效应检验Table 2 Tests on the intersubjective effects of rotation tillage patterns on soil available nutrients contents in different soil layers

2.4 轮耕模式、土层及其交互作用对可溶性有机碳含量及其结构特性主体间效应检验

由表3可知, 土层、轮耕及其交互作用的P值均小于0.05, 不同土层、轮耕模式以及二者之间的交互作用均能显著影响土壤可溶性有机碳含量及其腐殖化程度、有机质分子量与聚合度、疏水组分比例和芳香化程度与分子量大小等结构特性指标。

表3 轮耕模式对不同土层土壤可溶性有机碳及其结构特性主体间效应的检验Table 3 Tests on the intersubjective effects of rotation tillage patterns on soil dissolved organic carbon and its structural characteristics in different soil layers

2.5 不同土层下各指标相关性分析

由图3可知, 总体上, 各指标之间的相关性随土层深度的增加而减小。在0～10 cm土层中, 除有机质分子量与聚合度和疏水组分比例, 碱解氮和速效钾,DOC和碱解氮、芳香化程度, 腐殖化程度和碱解氮、芳香化程度之间不存在显著相关性, 其余各项指标之间均呈显著相关关系(P＜0.05); 在10～20 cm土层中, 除碱解氮和有机质分子量与聚合度之间不存在相关性, 其余各项指标之间均呈显著相关关系(P＜0.05); 在20～30 cm土层中, 除疏水组分比例和芳香化程度、碱解氮, 芳香化程度和速效钾、DOC、腐殖化程度, 碱解氮和有机质分子量与聚合度、DOC、腐殖化程度之间不存在相关性, 其余各项指标之间均呈显著相关关系(P＜0.05); 在30～40 cm土层中, 除碱解氮和速效钾、疏水组分比例、有机质分子量与聚合度之间不存在相关性, 其余各项指标之间均呈显著相关关系(P＜0.05); 在40～50 cm土层中, 除碱解氮和速效钾, DOC和腐殖化程度之间呈现出显著相关关系(P＜0.05), 其余项指标之间均不存在显著相关关系。

图3 0～50 cm土层不同深度土壤养分指标与可溶性有机物紫外光谱参数的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of soil nutrient indices and UV spectral parameters of dissolved organic matter in different depthes of 0-50 cm soil layer

3 讨论

3.1 不同轮耕模式对土壤速效养分的影响

土壤速效养分是植物根系养分吸收的重要来源,也是评价土壤肥力的重要指标之一, 不同的农田管理措施均能对土壤养分产生不同的影响。大量研究表明, 耕作模式能够对土壤结构产生影响, 进而影响到土壤养分的转化程度。张琦等研究发现, 较单一耕作而言, 轮耕能显著增加土壤养分含量, 从而达到培肥土壤的目的; 张建军等研究发现, 免耕覆盖措施能够促进表层土壤养分含量的富集。本研究结果表明, 随着土层深度的增加, 土壤速效养分的含量呈递减趋势, 并且相比单一的旋耕而言, DT-SRTRT处理对0～40 cm土层土壤养分含量的增加效果尤为突出, 这与张琦等的研究结果类似; 这或许是因为深耕对土壤扰动较大, 增加了土壤的疏松程度, 使养分在土壤中流动性加快, 有利于表层土壤养分向底层土壤的迁移。而条旋耕则有助于增强土壤的保水能力, 使其不仅能够促进土壤养分的流动, 还能够促进土壤微生物的生长, 进而促进了土壤难溶性养分的矿化分解。DT-SRT-SRT处理能够显著增加0～10 cm土层速效养分含量, 这与张建军等的研究结果类似, 这可能是因为连续两年的条旋耕处理对土壤扰动程度较小, 使得大量养分在表层土壤聚集, 造成下层土壤养分含量较低。

3.2 不同轮耕模式对土壤可溶性有机碳及其光谱特性的影响

土壤可溶性有机碳作为可溶性有机物中的一种,主要来源于动植物残体、根系分泌物、微生物以及土壤有机质的分解等, 具有较高的生物有效性与流动性, 是土壤碳库的重要组成部分, 也是土壤肥力的重要来源。孔凡磊等研究表明, 合理的轮耕有利于提高土壤可溶性有机碳含量, 同时能够促进其在耕层中的分布。本研究结果表明, 相较于单一旋耕, 4种轮耕处理均能显著增加0～40 cm土层可溶性有机碳含量, 其中DT-SRT-RT处理对比另外3种轮耕处理有着相对较为突出的效果, 这与孔凡磊等的研究结果相似。这可能是由于在秸秆全量还田的条件下, 表层土壤含有大量的植物残体, 可以产生较多的碳源, 而第一年所采用的深耕处理对土壤扰动程度较大, 增加了底层土壤与秸秆的接触, 提高了其中有机碳的转化速率, 第二年在深耕基础上所采用的条旋耕处理对土壤扰动程度小, 减小了深层土壤有机碳的矿化速率, 因而进一步避免了深层土壤有机碳的损失。

由于土壤DOC拥有高度的敏感性, 因此不同的农田管理措施会对DOC的周转产生较大的影响, 使其矿质化程度、腐殖化进程等性质存在差异, 这些差异都会呈现出不同的光谱反应。靳世蕊研究表明, AA值越大, 土壤腐殖化程度越高, 与之相对应A/A值就会越小, 越小说明有机质分子的分子量越高。而苏冬雪等研究表明, 土壤可溶性有机碳的芳香化程度越高, 其所形成的化合物越复杂、分子量越大, 也就具有更高的稳定性, 那么可溶性有机物中疏水性组分就具有更大的C/N比和芳香性,因此更不易被分解, 具有更长的周转周期, 也就更有利于土壤有机质的积累。本研究结果表明, 与单一旋耕相比, 各轮耕处理均能增加0～40 cm土层土壤腐殖化程度、芳香化程度与分子量、疏水组分比例,并降低有机质分子量与聚合度; 这与靳世蕊和苏

冬雪等的研究结果相符合, 说明轮耕能够对土壤有机质的积累产生更为良好的促进作用, 其中DTSRT-RT处理在4项指标当中均达到了显著且较为突出的效果, 这或许由于在第一年进行深耕处理对土壤扰动较大, 增加了土壤的疏松程度, 促进了表层土壤有机质向下部土层的迁移, 而第二年所采用的条旋耕处理对土壤扰动程度较小, 减少了深层土壤接触空气的机会, 因此对于有机质的积累产生了进一步的促进作用。说明在旋耕的基础上加入深耕和条旋耕是更有利于碳储存的、更为良好的耕作管理措施。

通过对其垂直分布研究发现, 随着土层深度的加深, 各个指标之间的相关性逐渐减小, 说明轮耕对于深层土壤的影响效果相对有限, 这或许是由于表层土壤有机碳含量较高而黏粒及铁铝氧化物含量较少, 而底层土壤则正好相反, 因此其相对表层土壤而言拥有着更多可利用的吸附点位, 也就有着更强的对DOC的吸附能力, 导致底层土壤的DOC组分难以被植物所利用。

4 结论

1)相较于连续旋耕, 轮耕对豫北潮土区土壤速效养分和可溶性有机碳及其结构特性产生显著且有益的影响, 土层深度与轮耕模式以及二者之间的交互效应均显著影响这些指标, 随着土层深度的增加,各处理下各指标间的相关性也随之减弱, 在40～50 cm土层中最为明显。

2)相比连续旋耕, 深耕-条旋耕-旋耕模式能够显著提高0～40 cm土层土壤碱解氮、速效磷、速效钾、可溶性有机碳、腐殖化程度、疏水组分比例、芳香化程度与分子量大小; 并降低土壤有机质分子量与聚合度; 同时相比4种轮耕模式, 该模式在10～30 cm土层中效果最为突出。

综上所述, 深耕-条旋耕-旋耕模式效果最为突出,推荐为豫北潮土地区适宜的轮耕模式。