2024, Vol. 56
2. 甘肃省水利科学研究院, 兰州 730000
近年来，我国对粮食需求的总量不断增加，为了确保粮食安全，改善耕地质量成为农业工作的重点。长期的传统耕作会破坏土壤结构，降低土壤肥力和有机碳含量，提高土壤有机质的分解和转化，使土壤微生物结构多样性降低，造成土壤侵蚀和土壤质量降低等一系列问题[1]。少免耕等保护性耕作有利于提升土壤有机碳含量，改善土壤理化性质，进而提高作物产量[2]，同时，还会减少土壤侵蚀，提高土壤质量和土地生产力。大量研究表明，少免耕减少了土壤扰动，降低了地表蒸发量，从而提高了土壤水分，降低了水土流失，改善了土壤结构[3]，通过少动土、少裸露实现了保土、保肥、节水和稳产[4]。长期连作会导致土壤质量和微生物多样性下降[5]，间作和轮作可改善连作障碍[6]，为作物生长提供良好的生长环境[7]。轮作和间作较连作改善土壤质量，在农田土壤中起到保持土壤肥力和防止水土流失的重要作用[8]。
土壤碳组分是土壤重要的组成部分，是评价农田生态环境和土壤肥力的核心因子[9]，在维持土壤肥力、作物产量以及维护农田生态环境等方面均起重要作用。在农田系统中，土壤碳组分含量不是由单一因素决定的，而是由不同的自然环境、土壤耕作方式、土壤类型以及种植模式等多方面综合决定的[10]。耕作方式和种植模式的不同，会改变土壤温度和湿度以及进入土壤中的肥料和植物残体的数量，从而影响土壤中养分的矿化、运输、吸收和利用，改变土壤理化性质，进而影响土壤微生物碳含量。有研究认为，免耕是农田土壤碳截存最有效的措施之一[11-12]。但也有研究认为，免耕只是改变了碳在土层中的分布，使其在表层富集，对土壤碳截存并无作用[13-14]。薛建福等[15]研究表明，土壤表层有机碳在保护性耕作下能够显著增加。Guo等[16]研究表明，相比翻耕，免耕能够提高土壤可溶性碳和微生物生物量碳含量。目前，已有大量保护性耕作对农田土壤有机碳的影响研究，很多学者开始将保护性耕作对土壤碳组分的研究作为研究热点。
本研究以2016年开始的长期保护性耕作定位试验为平台，研究免耕与不同种植模式耦合对农田土壤理化性质和碳组分的影响，以探索适宜当地生产和生态环境的耕作方式和种植模式的组合，进而为西北旱区制定合理的种植模式和土壤耕作制度提供相应的理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验于甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农业大学校地联合绿洲农业科研教学基地进行。该基地位于河西走廊东端(37°96′N，102°64′E)，属典型的内陆荒漠季风气候，具有干旱少雨、日照充足、昼夜温差大等特点，平均海拔1 506 m，多年平均气温约7.2 ℃，多年平均降水量156 mm，多年平均无霜期156 d，年均蒸发量约2 400 mm，年太阳辐射总量504 ~ 630 kJ/cm2。试区土壤为厚层灌漠土，土壤容重为1.57 g/cm3，耕层土壤有机质含量为14.62 g/kg，全氮、全磷含量分别为0.74 g/kg、1.31 g/kg，起沙风7.9 m/s[17]。
1.2 试验设计试验始于2016年3月，设置大田裂区试验，主因素为免耕和传统耕作2种耕作方式，副因素为玉米/小麦间作、玉米–小麦轮作、麦后插种冬油菜还田玉米轮作3种种植方式，共6个处理，如表 1所示。每个处理3个重复，共18个小区，小区面积为10 m×11 m。2021年作物种植基本概况如表 2所示。
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表 1 试验设计 Table 1 Experimental design |
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表 2 2021年作物种植基本概况 Table 2 Basic overview of crop planting in 2021 |
于2021年9月作物成熟期，在各试验小区采用“S”形5点法分别采集0 ~ 5、5 ~ 20 cm耕层土样，其中小麦/玉米间作处理分别在各样带采集土样。采集的土样用7号自封袋分装带回实验室，在室内风干且去除杂质，研磨过0.25 mm筛用于土壤理化性质和土壤碳组分含量的测定。
1.4 测定项目及方法土壤含水率采用铝盒烘干法测定；pH采用电位法测定；容重采用环刀法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用HClO4-H2SO4消煮法测定；速效磷采用钼锑抗比色法测定，有机碳采用K2Cr2O7-H2SO4氧化外加热法测定[18]；颗粒有机碳参照Cambardella和Elliott[19]的方法测定；水溶性有机碳参照蒋友如等[20]的方法测定；重组有机碳参照赵靖静等[21]的方法测定；微生物生物量碳参照林启美等[22]的方法测定。
1.5 数据处理与分析使用Excel 2019进行表格与图的制作，SPSS 25.0进行方差分析和相关性分析。
2 结果与分析 2.1 耕作方式对土壤理化性质的影响由表 3可知，与传统耕作处理相比，免耕处理降低了0 ~ 5 cm土层的pH，其中，CT.WM6与NT.WM.1和NT.WRM3处理间差异显著(P < 0.05)。在5 ~ 20 cm土层，NT.WM.1和NT.WM5处理较相应的传统耕作处理CT.WM.2和CT.WM6均增加了土壤pH，且土壤pH随着土层的加深而增加。土壤含水率在不同处理间均表现为免耕处理大于传统耕作处理。与传统耕作处理相比，免耕处理显著降低了土壤容重。NT.WM5处理0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层土壤容重在各处理中最小，与NT.W1、NT.WM.1、NT.WRM3处理相比，分别降低了9.66%、5.07%、5.76% 和8.00%、6.12%、2.82%。且在不同耕作处理下土壤容重随着土层的加深而增加。
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表 3 不同处理对土壤pH、含水率以及容重的影响 Table 3 Effects of different treatments on soil pH, water content and bulk density |
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表 4 不同处理对土壤全氮、全磷、速效磷的影响 Table 4 Effects of different treatments on soil total nitrogen, total phosphorus and available phosphorus |
由表 4可知，在0 ~ 5 cm土层，免耕处理较传统耕作处理土壤全氮含量有所提高，NT.W1、NT.WM.1、NT.WRM3、NT.WM5处理土壤全氮含量较相应传统耕作处理CT.W2、CT.WM.2、CT.WRM4、CT.WM6增加了17.22%、3.82%、33.04%、31.58%；且随着土层深度的增加，土壤全氮含量降低。在0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层，NT.W1处理土壤全磷含量较NT.WM.1、NT.WRM3、NT.WM5处理分别增加了35.79%、21.70%、24.04% 和29.47%、6.03%、20.59%。在各处理间，除CT.WM6处理0 ~ 5 cm土层土壤速效磷含量高于NT.WM5处理外，其他处理均表现出免耕处理大于传统耕作处理。除NT.WM.1和CT.WM.2处理外，土壤速效磷含量均随着土层深度的增加而降低。
2.2 耕作方式对土壤碳组分的影响 2.2.1 耕作方式对土壤有机碳的影响由图 1可知，与传统耕作处理相比，免耕处理提高了土壤有机碳含量，但各免耕处理有机碳含量变化不一致。在0 ~ 5 cm土层，免耕处理NT.W1、NT.WM.1、NT.WRM3、NT.WM5土壤有机碳含量较相应传统耕作处理CT.W2、CT.WM.2、CT.WRM4、CT.WM6分别增加了15.56%、12.61%、36.57%、1.31%。在免耕处理下，各种植方式处理土壤有机碳含量表现出差异性，其中，NT.WM5处理在0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层有机碳含量均高于其他免耕处理，较NT.W1、NT.WM.1、NT.WRM3处理分别增加了35.68%、35.17%、1.06% 和35.73%、35.46%、38.82%。免耕处理下，土壤有机碳含量随土壤深度的增加而降低。
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(柱图上方不同大写字母表示同一处理不同土层间差异达到显著水平(P < 0.05)，不同小写字母表示同一土层不同处理间差异达到显著水平(P < 0.05)，下同) 图 1 不同处理对土壤有机碳含量的影响 Fig. 1 Effects of different treatments on soil organic carbon |
如图 2所示，与传统耕作处理相比，免耕耕作处理土壤可溶有机碳含量和重组有机碳含量在0 ~ 5 cm土层有所提高，但各处理间有所差异。在0 ~ 5 cm土层，免耕处理NT.W1、NT.WM.1、NT.WRM3、NT.WM5土壤可溶性有机碳含量和重组有机碳含量较相应传统耕作处理CT.W2、CT.WM.2、CT.WRM4、CT.WM6分别增加了2.63%、2.38%、4.20%、4.78% 和15.06%、10.63%、11.05%、1.75%。
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图 2 不同处理对土壤可溶性有机碳和重组有机碳的影响 Fig. 2 Effects of different treatments on soil soluble carbon and recombinant organic carbon |
免耕处理下，NT.W1处理在0 ~ 5 cm土层土壤可溶性有机碳较NT.WM.1、NT.WRM3、NT.WM5处理分别增加了11.08%、19.58%、32.33%。土壤可溶性有机碳除CT.WM.2处理表现出5 ~ 20 cm土层高于0 ~ 5 cm土层外，其他处理均表现出土壤可溶性有机碳含量随土壤深度的增加而降低。土壤重组有机碳含量在0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层均表现出NT.WRM3 > NT.W1 > NT.WM5 > NT.WM.1。不同处理土壤重组有机碳含量随土壤深度的增加而降低。
2.2.3 耕作方式对土壤颗粒有机碳和微生物生物量碳的影响不同处理土壤颗粒有机碳和微生物生物量碳含量如图 3所示。与传统耕作处理相比，免耕处理增加了土壤0 ~ 5 cm土层颗粒有机碳和微生物生物量碳含量，但各处理间颗粒有机碳含量变化不同，其总体表现为免耕处理NT.W1、NT.WM.1、NT.WRM3、NT.WM5土壤颗粒有机碳和微生物生物量碳含量较相应传统耕作处理CT.W2、CT.WM.2、CT.WRM4、CT.WM6分别增加了27.79%、2.07%、35.22%、35.22% 和2.08%、11.68%、8.17%、5.43%。在5 ~ 20 cm土层，NT.W1和NT.WM5处理土壤颗粒有机碳含量较CT.W2和CT.WM6处理分别降低了2.59%、17.48%，其他处理均表现出免耕处理大于传统耕作处理；除NT.W1处理土壤微生物生物量碳含量小于CT.W.2处理外，其他处理表现为免耕大于传统耕作处理。在免耕耕作处理下，土壤微生物生物量碳含量在5 ~ 20 cm土层中均表现为NT.WM5 > NT.WRM3 > NT.WM.1 > NT.W.1。不同处理土壤微生物生物量碳含量均随着土层深度的增加而降低。
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图 3 不同处理对土壤颗粒有机碳和微生物生物量碳的影响 Fig. 3 Effects of different treatments on soil particulate organic carbon and microbial biomass carbon |
本研究对土壤理化性质与土壤碳组分进行了相关性分析，结果如表 5所示。土壤有机碳与容重、全磷呈极显著负相关，与速效磷呈极显著正相关。土壤可溶性有机碳与土壤pH呈极显著负相关，与容重、全氮、全磷呈显著正相关。土壤颗粒有机碳与速效磷呈极显著正相关，与pH呈显著负相关。土壤重组有机碳、速效磷和可溶性有机碳呈极显著正相关。土壤微生物生物量碳与含水率、容重呈极显著负相关，与速效磷呈极显著正相关。
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表 5 土壤理化性质与土壤碳组分的相关性 Table 5 Correlations between soil physicochemical properties and carbon components |
少免耕等保护性耕作措施可以通过减少土壤的人为扰动来保持良好的土壤结构，是以保证作物产量为前提、提高土壤持续生产力为主要目的一种耕作措施。刘敏等[23]研究发现，免耕比传统翻耕处理降低了表层土壤容重。本试验结果表明，不同处理间0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层土壤容重变化不同，其中，与传统耕作相比，免耕下各种植方式处理降低了土壤容重，这与李友军等[24]的研究结果相同。本研究中，免耕显著增加0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层的土壤含水量，说明免耕耕作的保水能力要高于传统耕作。大量研究表明，免耕能够减少表层水分蒸发，进而增加土壤含水量，减少土壤侵蚀[25]。不同条件下土壤pH的稳定有利于作物的生长，土壤pH对土壤养分有重要的影响。本研究结果表明，土壤pH总体表现为免耕处理低于传统耕作处理，且随着土层的加深土壤pH也发生着不同的变化。王根林[26]研究表明，免耕处理土壤pH低于传统耕作处理，与本研究结果一致。
土壤理化性质随着耕作方式的不同而有所变化，免耕相对于其他传统耕作方式对土壤养分具有显著的影响。许多研究表明，免耕能够促进氮、磷、钾等元素在土壤表层的富集，而对亚表层土壤影响较小。肖剑英等[27]研究结果表明，免耕可以提高农田土壤全氮、全磷、速效磷、速效氮的含量，而对全钾和速效钾的增加不显著。杨云马等[28]研究发现，免耕能够增加麦田土壤速效磷含量，但是不利于磷素移动，因此，增加了磷素在土壤表层的聚集。康轩等[29]研究结果表明，免耕有利于提高表层土壤肥力，土壤中全氮、全磷、全钾含量都有不同程度的提高，且差异均达到了极显著水平。本研究结果表明，免耕处理较传统耕作处理更有利于增加土壤全氮和全磷含量，且随着土层的加深均有所降低，与上述研究结果基本一致。
3.2 耕作方式对土壤碳组分的综合影响土壤有机碳是衡量土壤质量、保证土地可持续利用的物质基础。免耕和种植模式耦合对土壤有机碳含量的变化有着不同的影响。丁晋利[30]研究表明，免耕等保护性耕作有利于提高农田表层土壤有机碳储量。本研究结果表明，免耕较传统耕作处理能够显著增加土壤有机碳含量，其中NT.WRM3和NT.WM5处理较其他处理更有利于提高土壤有机碳含量。魏燕华等[31]研究也表明，耕作措施不同能够改变农田土壤有机碳含量的分布，免耕可以增加农田土壤表层有机碳含量，降低农田土壤亚表层有机碳含量。李景[32]的研究也表明，免耕覆盖显著提高0 ~ 20 cm土层可溶性有机碳的含量。本研究中，土壤可溶性有机碳含量总体表现为免耕高于传统耕作，NT.W1处理与其他处理相比更有利于增加可溶性有机碳含量。不同耕作措施对土壤颗粒有机碳有不同影响，李位波[33]研究表明，与传统耕作相比，以免耕为主的保护性耕作均使土壤颗粒有机碳含量增加。孟凡乔等[34]研究表明，免耕等保护性耕作能够显著增加土壤表层的颗粒有机碳含量。本研究中，免耕较传统耕作更有利于增加土壤表层颗粒有机碳含量，而随着土层的加深颗粒有机碳含量表现出不同的变化规律，NT.WM5和NT.WRM3处理更有利于增加土壤颗粒有机碳含量。黄雅楠等[35]研究发现，土壤重组有机碳是土壤总有机碳的重要组成部分，免耕与其他耕作方式相比能够显著增加土壤重组有机碳含量，使其在土壤表层富集，本研究结果与之一致，且NT.WRM3处理在2021年度与其他处理相比显著增加了重组有机碳的含量。大量研究表明，长期免耕耕作有利于增加土壤表层微生物生物量碳，而随土壤深度的增加而降低[36]。徐阳春等[37]研究发现，与传统耕作相比，免耕处理土壤微生物生物量碳在0 ~ 5 cm土层显著增高。本研究也发现，NT.WM5处理与其他处理相比，更有利于增加0 ~ 5 cm土层土壤微生物生物量碳含量。
4 结论1) 与传统耕作相比，免耕增加了0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层全氮、全磷、速效磷含量和含水率，而降低了土壤的pH和容重。
2) 在不同种植模式之间，免耕小麦/玉米间作(NT.W1/NT.WM.1)处理较其他处理更有利于提高土壤容重、含水率、全氮、全磷和速效磷含量，且随着土层深度的增加，土壤全氮、全磷和速效磷含量逐渐降低。
3) 本研究中，土壤有机碳、可溶性有机碳、颗粒有机碳和微生物生物量碳含量总体表现为免耕处理高于传统耕作处理；免耕处理下，土壤有机碳、颗粒有机碳和微生物生物量碳含量在0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层表现为NT.WM5 > NT.WRM3 > NT.W.1/NT.WM.1，NT. WRM3处理土壤重组有机碳含量在0 ~ 5、5 ~ 20 cm土层均高于其他处理。
4) 相关性分析表明，有机碳、微生物生物量碳和速效磷呈极显著正相关，容重和有机碳呈极显著负相关。
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