不同轮作模式对土壤活性碳组分及矿化的影响

2023-09-18刘璇庞茹月赵健司彤王月福邹晓霞矫岩林

农业环境科学学报 2023年8期

刘璇，庞茹月，赵健，司彤，王月福，邹晓霞*，矫岩林*

（1.青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室，青岛266109；2.山东省烟台市农业科学研究院，烟台265500）

土壤活性有机碳库是指在一定时空条件下，受植物、微生物影响强烈且活性比较高的那一部分土壤碳素，主要包括易氧化有机碳（Readily oxidizable carbon，ROC）、可溶性有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）、微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）和潜在矿化有机碳（Potential mineralization carbon，PMC）等[1-3]，虽然这部分有机碳仅占土壤总有机碳的较小部分，但由于较快的周转速率，以及对环境变化的高度敏感性，其对土壤养分的转化和供应有着重要影响，常被用作表征土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）变化的早期指标[4]。土壤碳矿化即土壤有机物质在微生物作用下分解释放出CO2的过程，是陆地生态系统进行碳循环的重要一环，据统计每年通过土壤有机碳矿化释放的CO2为68～75 Pg，是石油和煤等化石燃料燃烧释放量的12～16 倍[5]，土壤有机碳的矿化动态将极大影响全球温室效应。

土地利用和种植方式的改变会使土壤有机碳累积和矿化的平衡状态发生改变，直接影响土壤在全球碳收支过程所扮演的源/汇角色。适宜的轮作方式有利于维持或提升土壤碳库总量，并调节碳分配，促进土壤碳库内部各组分之间的转化[6-7]。赵思腾等[8]研究发现，与玉米-马铃薯轮作模式相比，玉米-苜蓿轮作更有利于土壤有机碳的积累，改善土壤结构。常规轮作常与秸秆还田相结合，如：李雨诺等[9]的研究表明，在小麦-玉米轮作体系下双季秸秆还田能显著提高0～20 cm土层活性碳组分含量；郭金瑞[10]研究发现，相较于玉米-大豆轮作和大豆连作处理，长期玉米连作的高秸秆还田量和微生物量导致了更高的矿化量；但李小涵等[11]认为，与连作相比，轮作增加土壤碳的作用更强，但不同轮作之间差异不显著，且有机碳的增加主要表现在0～15 cm深度的表层土壤。

作物种植多元化是提高农业生态系统多样性和保障农业生产固碳减排的有利措施[12]。花生、小麦与玉米是华北地区的主要粮油作物，然而由于花生产区规模相对集中，长期单一种植产生的特定根系分泌物会刺激土壤中病原微生物大量繁殖，导致微生物群落多样性下降，土壤板结[13]。常规生产采用简单的小麦-玉米轮作，但随着轮作年限的增加，轮作优势也逐渐减弱。与简单轮作相比，更多样化的轮作增加了土壤微生物群落代谢多样性和活性[14]。现有研究表明，当前茬作物为豆科作物时，后茬作物产量优势明显[15] 。

农业绿色低碳发展是促进农业可持续发展的重大举措，也是实现农业领域“双碳”目标的必然选择。近年来，基于花生的多元化种植模式日益增多，但不同花生轮作模式对土壤碳库特征的影响尚不清楚。因此，明确不同花生轮作模式下土壤有机碳、活性碳组分及碳矿化特征对于全面、综合评价不同种植模式的科学性，维持土壤生态系统平衡，促进农业可持续发展具有积极意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

定位试验始于2018 年10 月，研究区位于烟台市农科院（37°45′ N，121°43′ E）内，属温带大陆性季风气候，年平均气温13.24 ℃，年均日照时数2 504.2 h，供试土壤为棕壤，前茬作物为春花生，实验前0～20 cm 土层土壤基本理化性质如下：有机质13.74 g·kg-1，碱解氮124.84 mg·kg-1，铵态氮76.62 mg·kg-1，硝态氮51.7 mg·kg-1，有效磷361.55 mg·kg-1，速效钾159.63 mg·kg-1，pH 6.5。

1.2 试验设计

研究以春花生一年一作（CP）为对照，设置4种轮作种植模式：春花生→冬小麦-夏玉米两年三作（P→W-M）、冬小麦-夏玉米一年两作（W-M）、冬小麦-夏花生一年两作（W-P）、冬小麦-夏花生→冬小麦-夏玉米两年四作（W-P→W-M），共计5个处理。每个处理小区面积66.7 m2，随机区组排列，重复3次，春花生起垄覆膜种植，夏花生平种。按当地常规技术措施进行种植和管理，具体如表1 所示，保证不同轮作模式下同种作物在其生育期内施肥量一致。小麦及玉米秸秆在作物收获后直接翻入样地，作还田处理，花生由于整株收获，残留量很小故视为不还田。小麦及玉米根据当年作物产量进行秸秆产量换算，计算公式：

表1 不同作物田间管理措施Table 1 Field management measures for different crops

秸秆产量（kg·hm-2）=草谷比×籽粒产量（kg·hm-2）

其中草谷比：小麦1.38，玉米1.17[16]。

试验期间各处理秸秆还田量具体如表2所示。

表2 不同轮作模式秸秆还田量（kg·hm-2）Table 2 Straw returning amount in different rotation modes（kg·hm-2）

供试春花生品种为“花育22”，夏花生品种为“花育20”，供试玉米品种为“连胜208”，供试小麦品种为“烟农1212”。春花生每年5月15日前后播种，9月15日前后收获，夏花生每年6 月15 日前后播种，10 月10日前后收获，小麦每年10 月10 日前后播种，次年6 月15 日前后收获，玉米每年6 月15 日前后播种，9 月15日前后收获。

1.3 样品采集与测定

采样时间为2020 年作物收获后，其中春花生一年一作（CP）模式为9月15日春花生收获后，春花生→冬小麦-夏玉米两年三作（P→W-M）模式为6月15日冬小麦收获后，冬小麦-夏玉米一年两作（W-M）模式与冬小麦-夏花生→冬小麦-夏玉米两年四作（W-P→W-M）模式为9月15日夏玉米收获后，冬小麦-夏花生一年两作（W-P）模式为10月10日夏花生收获后。

采用“S”形采样法采集土壤样品并避开边行，利用土钻采集0～40 cm 土壤剖面样（20 cm 为一个土层），每小区采集5 个样品，充分混匀。土壤剖面样装入带有冰袋的保温箱，立即带回实验室。一部分样品保存于4 ℃恒温冰箱中，用于微生物生物量碳、可溶性碳测定和碳矿化培养；另一部分样品自然风干，剔除植物根系、石砾，过100 目筛，用于土壤总有机碳测定。利用环刀法[17]进行原状土采集，每小区采集3 个土壤样品，采集的原状土用密封袋密封，完整带回，进行土壤含水率和容重的测定。

土壤有机碳及其活性有机碳测定方法：采用重铬酸钾外加热法[18]测定土壤有机碳含量；采用K2SO4提取-重铬酸钾外加热法测定可溶性有机碳含量；采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法[19]测定土壤微生物生物量碳含量。采用室内恒温培养-碱液吸收法[20]测定土壤矿化情况，25 ℃下预培养一周后，于25 ℃恒温箱内培养28 d，在第1、3、5、7、10、14、21，28天取出烧杯，加入过量的BaCl2溶液，以酚酞为指示剂，用盐酸滴定，测定吸收液中的CO2-C，计算土壤有机碳矿化量（C，以CO2计）和矿化速率。公式如下[21]：

式中：CHCl为滴定盐酸的浓度，mol·L-1；V0为对照滴定的盐酸体积，mL；Vl为处理滴定的盐酸体积，mL。

土壤有机碳矿化速率（mg·kg-1·d-1）=培养时间内有机碳累积矿化量（mg·kg-1）/培养时间（d）。

有机碳累积矿化量（Ct）是从培养开始至某一时间点的土壤CO2总释放量（mg·kg-1），采用一级动力学方程进行拟合，并得到动力学方程各参数值。拟合方程为：

式中：C0为潜在矿化有机碳，mg·kg-1；k为有机碳的周转速率常数；t为培养时间，d。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 进行数据的整理、计算和制图，用DPS 17.10 进行单因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan 多重比较（P＜0.05），用Origin 2021 进行一级动力学方程拟合，图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同花生轮作模式对土壤含水率及容重的影响

表3 显示了不同轮作模式对土壤含水率和容重的影响。各模式间含水率差异在表层（0～20 cm）更为显著，而容重的差异则更显著地表现在深层（20～40 cm）土壤。相较于CP 模式，各轮作模式两土层含水率均显著下降，降幅分别为3.9～4.7 个百分点和2.9～5.1个百分点，其中0～20 cm 土层以W-P和W-P→WM 模式最低（均为5.2%），20～40 cm 土层以P→W-M模式最低（4.6%）。与CP 模式相比，P→W-M 模式0～20 cm 和20～40 cm 土层容重分别显著降低了2.7%和3.7%，W-M 和W-P模式20～40 cm 土层容重显著降低了2.1%和4.7%。但W-P→W-M 模式显著提高了20～40 cm土层容重。

表3 不同轮作模式土壤含水率及容重Table 3 Moisture content and bulk density in different rotation modes

2.2 不同花生轮作模式对土壤有机碳含量的影响

由图1 可知，不同模式下0～20 cm 土层土壤有机碳含量均显著高于20～40 cm土层（CP模式除外）。最有利于土壤有机碳含量提高的是P→W-M 和W-P 模式，与CP模式相比，P→W-M、W-P模式的0～20 cm和20～40 cm 土层土壤有机碳含量分别显著增加了52.7%、53.3%和46.8%、39.3%，但W-M 模式与CP 模式无显著差异。W-P→W-M 模式20～40 cm 土层有机碳含量较CP 模式显著降低了25.8%，不利于深层土壤有机碳的积累。

图1 不同轮作模式土壤有机碳含量Figure 1 Soil organic carbon content in different rotation modes

2.3 不同花生轮作模式对土壤可溶性有机碳含量的影响

由图2 可知，可溶性有机碳含量除CP 模式0～20 cm 土层显著低于20～40 cm 土层外，其余各模式0～20 cm 土层均显著高于20～40 cm 土层，表明CP模式下可溶性有机碳更易向深层土壤迁移。与CP 模式相比，各轮作模式0～20 cm 土层可溶性有机碳增加48.7%～344.8%，其中以P→W-M 模式增幅最高。但在20～40 cm 土层中，只有P→W-M 模式可溶性有机碳含量较CP 增加显著（13.3%），而W-M 和W-P→W-M 模式则较CP模式分别降低41.7%和57.3%，且差异显著。可见，各轮作模式中，以P→W-M 模式更有利于可溶性有机碳含量的提升。

图2 不同轮作模式土壤可溶性有机碳含量Figure 2 Dissolved organic carbon content in different rotation modes

2.4 不同花生轮作模式对土壤微生物生物量碳含量的影响

由图3可知，P→W-M、W-M、W-P模式0～20 cm土层土壤微生物生物量碳含量显著高于20～40 cm土层，CP和W-P→W-M模式两土层间则无显著差异。与CP模式相比，P→W-M和W-M模式0～40 cm土层微生物生物量碳均显著提升，0～20 cm 土层分别显著提高了101.4%和54.3%，20～40 cm土层分别显著提高了25.3%和17.8%。W-P模式0～20 cm土层微生物生物量碳含量较CP模式显著提高了44.3%，但20～40 cm土层则显著下降了13.9%。W-P→W-M模式0～20 cm土层微生物生物量碳含量与CP模式无显著差异，但20～40 cm土层显著下降了20.6%。综上，P→W-M和W-M模式更有利于0～40 cm土层微生物生物量碳含量的提升。

图3 不同轮作模式土壤微生物生物量碳含量Figure 3 Microbial biomass carbon content in different rotation modes

2.5 不同花生轮作模式对土壤有机碳矿化的影响

2.5.1 土壤有机碳矿化速率及累积矿化量

不同花生轮作模式的矿化特征见图4，各轮作模式0～28 d 的土壤有机碳矿化速率均呈现逐渐下降的趋势，且前期0～20 cm 矿化速率高于20～40 cm 土层。不同轮作模式累积矿化量表现为：0～20 cm土层为WM＞P→W-M＞W-P＞W-P→W-M＞CP；20～40 cm土层为W-M＞W-P→W-M＞P→W-M＞CP＞W-P。截至第28天时W-M模式在0～20 cm和20～40 cm的累积矿化量均显著高于其他模式，分别为561.92 mg·kg-1和454.39 mg·kg-1，表明其存在较高的有机碳分解速率。0～20 cm CP 模式累积矿化量最低为413.11 mg·kg-1，20～40 cm W-P模式累积矿化量最低为323.95 mg·kg-1。

图4 不同轮作模式土壤有机碳矿化速率Figure 4 Mineralization rate of organic carbon in different rotation modes

2.5.2 土壤有机碳矿化动力模型

应用一级动力学方程对不同轮作模式和不同土层土壤有机碳累积矿化量进行拟合，结果如图5 所示。拟合方程的R2均≥0.882，达到了较好的拟合水平。在0～20 cm 土层，拟合曲线模型参数（表4）显示，各模式土壤潜在矿化有机碳量（C0）介于415.66～527.53 mg·kg-1，占土壤有机碳总量（CSOC）的3.8%～6.7%。在20～40 cm 土层，各模式土壤C0介于311.45～441.96 mg·kg-1，占CSOC的3.2%～7.1%。CP和W-P模式的C0在两土层均处于较低水平，W-M 模式的C0在0～20 cm和20～40 cm土层较CP模式分别显著提高26.9%和30.3%。与CP模式相比，W-M和W-P→W-M模式显著提高了C0/CSOC，而P→W-M 和W-P 模式则在0～20 cm 土层均显著下降了1.4 个百分点，在20～40 cm土层均显著下降了1.6个百分点。

图5 不同轮作模式土壤累积碳矿化量拟合曲线Figure 5 Fitting curves of soil accumulative mineralization of organic carbon in different rotation modes

表4 不同轮作模式土壤累积碳矿化量拟合曲线模型参数Table 4 Parameters of the kinetic equations of accumulative mineralization of organic carbon in different rotation modes

2.6 土壤活性碳组分、矿化与环境因子的相关性分析

Pearson 相关性分析表明（图6），土壤累积矿化量与潜在矿化有机碳库在0～20 cm（r=0.84）和20～40 cm（r=0.95）土层均存在显著正相关关系。微生物生物量碳与有机碳（r=0.74）及可溶性有机碳（r=0.89）仅在0～20 cm 土层存在显著正相关关系。土壤可溶性有机碳与有机碳在0～20 cm（r=0.75）和20～40 cm（r=0.85）土层均存在显著正相关关系，而与累积矿化量在0～20 cm（r=0.71）显著正相关，在20～40 cm（r=-0.68）则表现为显著负相关。土壤容重则与有机碳（r=-0.70，0～20 cm；r=-0.81，20～40 cm）及可溶性有机碳（r=-0.55，0～20 cm；r=-0.63，20～40 cm）在0～20 cm和20～40 cm土层均存在显著负相关关系。

图6 土壤活性碳组分、矿化与环境因子的相关性热图Figure 6 Heatmap of correlation between soil activate carbon fractions，characteristics of carbon mineralization and environmental factors

3 讨论

3.1 不同花生轮作模式对土壤碳组分含量的影响

不同的轮作组合对土壤碳库的影响不同，豆科与非豆科作物轮作可显著提高土壤有机质含量、提升地力[22-24]。本研究发现P→W-M 和W-P 轮作模式可显著提高土壤有机碳含量，这一方面可能与不同植物分泌特异性碳源物质调控根际土壤微生物影响土壤碳周转过程有关[25-26]，另一方面可能与豆科花生根瘤固氮改变土壤碳氮比调控土壤碳周转有关[27-28]。此外，秸秆还田会产生碳激发效应，导致土壤有机碳分解加速，在一定程度上决定着土壤碳库的周转速率[29]。这或可解释本研究中，W-M 和W-P→W-M 模式土壤秸秆还田量高但土壤有机碳含量低于P→W-M 模式的现象。

可溶性有机碳、微生物生物量碳和潜在矿化有机碳等土壤活性有机碳对土壤养分的转化供应有重要影响，是土壤质量状况的重要表征指标[30-31]。本研究发现，不同轮作方式对土壤活性碳组分有明显影响，P→W-M 模式更有利于土壤可溶性有机碳含量及微生物生物量的提升，而W-P→W-M 模式则显著降低了20～40 cm 各碳组分含量。土壤活性碳组分对环境变化有着高度的敏感性，土壤湿度、容重和秸秆还田量均可影响土壤活性有机碳库积累[32-34]，过高的土壤湿度和容重导致微生物的活性下降，使得分解碳源的微生物生物量减少，影响秸秆碳向活性碳组分的转化。P→W-M 模式较低的土壤含水率和容重创造了疏松透气的土壤环境，为微生物繁殖和碳周转提供了适宜的条件，有利于活性碳组分的增加[35]。而W-P→W-M 模式则相反，较高的土壤容重可能是限制活性有机碳库组分含量提升的原因。

3.2 不同花生轮作模式对土壤碳矿化的影响

本研究中不同土层及轮作模式土壤有机碳矿化速率均在培养第1 天达到峰值，然后迅速下降并趋于稳定，这与前人研究结果一致[36-37]，可能是由于土壤微生物优先分解由大部分植物残体、相当数量的微生物和周转迅速的微小动物碎片等组成的活性有机碳，导致有机碳矿化速率在培养前期迅速达到高峰，但随着培养时间的推移，土壤中活性有机碳逐渐减少，微生物开始分解纤维素和木质素等结构复杂的大分子有机物，微生物代谢相对减缓，矿化速率随之降低[38]。

有机碳矿化是土壤碳循环的重要过程之一，较易受外源物的影响[39]。W-M 模式下的玉米与小麦秸秆还田提高了表层有机碳含量，但秸秆碳稳定性较高，并经土壤团聚化被物理保护，短期内难以进入深层[40]，此外本研究相关性分析表明，容重是限制有机碳和可溶性有机碳含量提升的关键因素，W-M 模式表层过高的土壤容重使碳源向下垂直迁移时受阻[41]。本研究中W-M 与W-P→W-M 模式累积矿化量相对较高，应与作物残茬等外源物还田有关。作物类型不同导致还田秸秆量以及秸秆成分存在较大差异，WM 与W-P→W-M 模式较高的小麦玉米还田量可能产生正向激发效应[42]，促进土壤微生物繁殖，提高土壤碳矿化量。此外，植物根系也具有明显的激发效应，但根际分泌物中的部分碳会残留在土壤中，以补偿激发效应造成的碳损失[43]，如Cheng等[44]指出，植物根系对土壤有机质分解产生的抑制或促进作用可达-50%～380%，而这种巨大的变异性与土壤和微生物特性的不同以及外源碳投入数量和质量的差异密切相关[45]，这或许是本研究中P→W-M 和W-P模式C0/CSOC值显著降低的原因。前人的研究也证实豆科作物根系可向根际土壤微生物提供有机酸、糖类等根源碳分泌物，调控根际微生物代谢，介导土壤碳转化过程[46]，C0/CSOC表示土壤有机碳矿化分解作用消耗土壤有机碳的比例，与土壤固碳能力呈正相关[47]，P→W-M 和W-P 模式下C0/CSOC值的降低表明这两种模式具有较高的碳固持潜力，而W-M 和W-P→W-M 模式则相反，土壤固碳潜力较低。