10 a保護性耕作下輪作系統土壤碳氮磷生態化學計量特征

陸姣云， 王振南， 楊惠敏， 沈禹穎

(蘭州大學 草地農業科技學院 草地農業生態系統國家重點實驗室， 甘肅 蘭州 730020)

10 a保護性耕作下輪作系統土壤碳氮磷生態化學計量特征

陸姣云， 王振南， 楊惠敏， 沈禹穎

(蘭州大學 草地農業科技學院 草地農業生態系統國家重點實驗室， 甘肅 蘭州 730020)

摘要：[目的] 研究長期免耕和秸稈覆蓋對輪作系統土壤質量的影響規律和機制。[方法] 比較分析了10 a傳統耕作、免耕、傳統耕作+秸稈覆蓋和免耕+秸稈覆蓋的玉米—冬小麥—大豆輪作系統0—200 cm內土壤有機碳、全氮、全磷含量及其生態化學計量比變化。[結果] 長期免耕提高土壤表層C和N的含量，僅秸稈覆蓋對C和N含量的影響不大；長期保護性耕作對土壤P含量沒有顯著影響；保護性耕作使N和P最低含量均出現在20—30 cm，而傳統耕作則在30—60 cm土層最低；土壤C/N，C/P和N/P均普遍低于10 a前，C/P和N/P的變化量隨土層深度增加均呈現出先降低后增高的趨勢。[結論] 10 a保護性耕作對C，N，P的影響均不明顯，但4種耕作模式下，土壤C/N，C/P和N/P均普遍低于10 a前。

關鍵詞：免耕； 秸稈覆蓋； 土壤肥力； 生態化學計量比

土壤養分的有效、可持續供應決定了土壤系統的可持續性。傳統農業耕作模式往往導致嚴重的水土流失，引起土壤營養耗竭，生態環境惡化，農業系統生產力難以為繼。此外，為了維持生產力而大量使用化肥則進一步造成了土壤質量下降和生態環境惡化加劇。保護性耕作是現代農業的新模式，可能是解決上述問題的有效措施。保護性耕作措施對土壤養分的影響已成為農業、生態研究的重要內容和熱點問題之一[1]。

美國拓荒時期的“黑風暴”事件導致了農田肥沃表土的大量流失，農田生產能力下降，催生了“保護性耕作”(conservation tillage)概念和實踐的產生。環境惡化加劇、糧食安全問題以及人們日益增強的環境保護意識則進一步促進了保護性耕作的推廣。實施保護性耕作是以秸稈覆蓋留茬還田，少、免耕播種施肥復式作業為主要內容，具有防治農田揚塵和水土流失、增強蓄水墑、節本增效、減少秸稈焚燒和溫室氣體排放等作用[2]，促進農業可持續發展。保護性耕作措施減少了對農田地表土層的干擾，使土壤結皮并覆蓋作物殘茬，降低了土壤的水蝕和風蝕，還能夠培肥土壤，提高土壤肥力。研究表明，免耕可以提高土壤表層肥力，增加有機碳、全氮和全磷含量[3-4]，秸稈覆蓋可以改善養分循環，增加土壤養分，維持土壤地力。輪作與免耕和秸稈覆蓋結合，能夠提高土壤肥力，還能保證養分的均衡利用。隨著時間延長，輪作、免耕和秸稈覆蓋的正向作用效果表現出加強的趨勢[5]。然而，長期實施保護性耕作對土壤養分元素的特征有怎樣的影響尚不明確。

生態化學計量學(ecological stoichiometry)是研究碳、氮、磷等化學元素協同變化和動態平衡的一種綜合方法[6-7]。從土壤碳、氮、磷生態化學計量特征變化的角度進行研究可能有助于闡明保護性耕作影響土壤質量的機制。本研究以2001年建立的玉米—冬小麥—大豆輪作系統為對象，比較10 a免耕和秸稈覆蓋對土壤有機碳、全氮和全磷含量及其生態化學計量比的影響，分析長期保護性耕作改善土壤質量的機制，以期為輪作模式下的保護性耕作實踐提供理論支持。

1材料與方法

1.1　試驗地概況

試驗地位于隴東黃土高原中部甘肅省慶陽市西峰區什社鄉(東經107°51′，北緯35°39′)境內，蘭州大學慶陽黃土高原試驗站，海拔1 298 m。自然氣候冬春寒冷干燥，夏季炎熱多雨，是典型的大陸性季風氣候。年降雨量480～660 mm，全年降雨60%以上集中在7—9月，年蒸發量1 100～1 500 mm，年均氣溫8～10 ℃，極端最高氣溫達到39.6 ℃，極端最低氣溫-22.4 ℃，年日照時數2 300～2 700 h，無霜期150～190 d，土壤質地為黑壚土，pH值為8～8.5。

1.2　試驗設計

試驗地完全隨機區組排列，每個處理設4個重復，共計16個小區，每小區面積均為52 m2(4 m×13 m)，小區間距均為l m，區組間距為2 m。

設有4個處理：傳統耕作(t)、傳統耕作+秸稈覆蓋(ts)、免耕(nt)和免耕+秸稈覆蓋(nts)。傳統耕作處理分別于作物播種前和收獲后各耕作1次，耕層30 cm左右；免耕處理在作物收獲后至播種前不擾動土壤，用免耕播種機播種；秸稈覆蓋處理，作物收獲后除玉米按產量50%的秸稈覆蓋外，其余全部還田作為覆草處理；傳統耕作+秸稈覆蓋處理，分別于作物播種前和收獲后各耕作1次，耕深30 cm左右，并將前茬作物收獲后玉米按產量50%的秸稈覆蓋，其余秸稈全部還田。

作物的輪作序列是玉米—冬小麥—大豆。品種分別為：玉米(Zeamays)中單2號，冬小麥(Triticumaestivum)西峰24號，大豆(Glycinemax)豐收12號，均為當地商用品種。

1.3　播種和管理

試驗地為2001年開始的輪作系統。每年4月播種玉米，行距38 cm，株距40 cm，播量30 kg/hm2，9月下旬至10月上旬收獲后立即播種小麥，行距為15 cm，播量為187 kg/hm2，次年6月收獲小麥，及時播種大豆，其行距和株距均為25 cm，10月中旬收獲后至下一年4月為休閑期。

小麥播種前以300 kg/hm2的磷二銨作為底肥，在拔節期以150 kg/hm2的尿素(含氮46%)作為追肥；玉米播種前以300 kg/hm2的磷二按作為底肥，再以300 kg/hm2的尿素作為追肥；大豆只在播種前施用P2O563 kg/hm2的磷肥作為底肥。

1.4　土壤樣品采集與指標測定

于2001和2011年，在玉米播種前，用土鉆在每個小區內以五點取樣法分層(0—5，5—10，10—20，20—30，30—60，60—90，90—120，120—150和150—200 cm)采集土樣，同層混合。在36 ℃下烘干后，過0.5 mm的篩測定土壤全磷，過0.25 mm的篩測定土壤有機碳和全氮。

采用重鉻酸鉀加熱氧化法(K2Cr2O7—H2SO4氧化法)、凱氏定氮法和NaOH熔融—鉬銻抗比色法分別測定土壤有機碳(C)、全氮(N)和全磷(P)含量。

1.5　數據統計與分析

所有試驗數據采用Excel 2007輸入與整理，用SPSS 16.0和Genstat軟件進行差異性分析。

元素生態化學計量學計算為：

C/N=有機碳含量/全氮含量；C/P=有機碳含量/全磷含量；N/P=全氮含量/全磷含量。

考慮到樣地土壤初始條件的差異，10 a后各模式下土壤指標參數的實測值無法準確體現處理效應，因此，對10 a后的指標參數進行換算，使用參數變化(Δ)來表示。如，10 a保護性耕作后土壤C和C/N含量變化分別為：

ΔC=(2011年C含量實測值-2001年C含量實測值)/2001年C含量實測值

ΔC/N=(2011年C/N含量實測值-2001年C/N含量實測值)/2001年C/N含量實測值

對其它指標參數做同樣處理。正值表示10 a保護性耕作對土壤指標參數有正向效應，反之亦反。

2結果與分析

2.1　10 a保護性耕作下土壤有機碳含量

4種耕作模式間相同土層C含量變化(ΔC)沒有明顯的差異(表1)。同一耕作模式下，土壤ΔC隨土層的加深往往呈現出先降低后增高的趨勢，nt和nts處理下的土壤表層(0—5 cm)C含量顯著高于20—30 cm土壤C含量(表1)，而t處理下的則沒有明顯變化，免耕提高了土壤表層的C含量。土層0—20 cm下，t，nt和ntsC含量明顯高于10 a前，而ts下的則在各土層下均低于10 a前，秸稈覆蓋對土壤C的積累影響不明顯。4種耕作模式下，20 cm以下大部分土層C含量均低于10 a前，僅nt下90—120 cm土層、nts下120—200 cm土層和ts下120—150 cm土層C含量大于10 a前。

表1　輪作系統中不同耕作方式下土壤碳含量變化(ΔC)

注：(1) 表中數據為平均值±標準誤差，其中，平均值為參數變化(Δ)的平均值； (2) 不同小寫字母表示同一耕作模式下各土層之間差異顯著。下同。

2.2　10 a保護性耕作下土壤氮(N)含量

4種耕作模式間相同土層N含量變化(ΔN)在0—5 cm土層ts與nts間，20—30 cm土層t與免耕(nt和nts)間表現出差異顯著性(p<0.05)。同一耕作模式下，土壤上層(0—20 cm)ΔN往往大于下層，但土層間ΔN無明顯差異(表2)，最低值出現在30—60 cm土層(t)和20—30 cm土層(nt，ts和nts)。保護性耕作(nt，ts和nts)下，土壤表層(0—5 cm)ΔN最高，而t處理下則在亞表層(5—20 cm)最高。4種耕作模式下，大部分土層N含量均高于10 a前。免耕和免耕+秸稈覆蓋能顯著提高表層土壤N含量，僅秸稈覆蓋對土壤N含量的影響不明顯。

表2　輪作系統中不同耕作方式下土壤氮含量變化(ΔN)

注：(1) 表中不同小寫字母表示同一耕作模式下各土層之間差異顯著；(2) 不同大寫字母表示同一土層在不同耕作模式之間差異顯著。下同。

2.3　10 a保護性耕作下土壤磷含量

與土壤N含量變化特征(表2)類似，4種耕作模式間相同土層P含量變化(ΔP)差異不明顯(表3)，僅0—5 cm土層t與ts間，20—30 cm土層傳統耕作(t和ts)與免耕(nt和nts)間表現出顯著性差異(p<0.05)。4種耕作模式均表現為，表層的P含量最高。同一耕作模式下，土壤上層(0—20 cm)ΔP大于下層，但土層間ΔP無明顯差異(表3)，最低值出現在30—60 cm土層(t)和20—30 cm土層(nt，ts和nts)(p<0.05)。4種耕作模式下，土壤P含量明顯大于10 a前，可能與長期施肥有關。

表3　輪作系統中不同耕作方式下土壤磷含量變化(ΔP)

2.4　10 a保護性耕作下土壤C/N

4種耕作模式間相同土層C/N變化(ΔC/N)無明顯差異(表4)，僅在0—5 cm土層保護性耕作(nt，ts和nts)下ΔC/N顯著低于t下p<0.05)。同一耕作模式下，土壤ΔC/N隨土層深度增加呈現先降低后增高的趨勢，與土壤C含量變化特征(表1)類似。4種耕作模式下，各土層C/N往往小于10 a前，但t下0—20和120—200 cm土層，nt下5—20和90—150 cm土層，nts下120—200 cm土層例外。

表4　輪作系統中不同耕作方式下土壤C/N變化(ΔC/N)

2.5　10 a保護性耕作下土壤C/P

4種耕作模式間相同土層C/P變化(ΔC/P)無明顯差異(表5)。同一耕作模式下，各土層間ΔC/P無明顯差異(表5)，但ΔC/P呈現隨土層深度增加先降低后增高的趨勢。長期施肥使土壤P含量(表3)普遍高于10 a前，可能是導致C/P低于10 a前(除nts下150—200 cm土層)的主要原因之一。

表5　輪作系統中不同耕作方式下土壤C/P變化(ΔC/P)

2.6　10 a保護性耕作下土壤N/P

4種耕作模式間相同土層N/P變化(ΔN/P)無明顯差異(表6)，僅0—5 cm土層t與nts有顯著差異(p<0.05)。同一耕作模式下，土壤ΔN/P隨土層深度增加呈現先減小后增大趨勢(表6)。4種耕作模式下N/P普遍低于10 a前(除nts下0—5 cm土層)。

表6　輪作系統中不同耕作方式下土壤N/P變化(ΔN/P)

3討 論

相比于傳統耕作，保護性耕作具有改善表層土壤肥力的作用[5]。長期免耕避免了耕作的培肥缺點，減少了土壤擾動次數，有利于土壤腐殖質的積累和土壤結構體的形成[8-9]，使得富含碳、氮的土壤團聚體數量和穩定性增加[10]，并使土壤養分向表層富集[11]。但秸稈還田對作物生產的影響還存在爭議[12]。相較于傳統耕作，免耕增加了土壤有機碳含量[13-14]，并且隨著保護性耕作時間延長，土壤有機質增加[15]。而本研究顯示，10 a后，相對于傳統耕作，免耕效應不明顯。可能因為經過長時間的保護性耕作后，土壤有機碳含量雖然提高，且在一個較高的水平上保持相對穩定，但各種耕作間在耕層造成的影響沒有明顯差異。此外，免耕下表層土壤有機碳含最大[16]，而隨著土壤深度的增加，土壤養分含量降低。同時，免耕降低了土壤可侵蝕性，減少了土壤有機質的流失[17]。本研究也得到了類似結果。土壤全氮含量隨土壤深度的增加呈降低趨勢，且免耕下表層土壤全氮含量最高。本研究也得到了類似結果。長期免耕有利于淺層土壤硝態氮不斷積累，減少了氮肥的淋溶損失。同時，免耕下土壤耕層變淺，植物根系大多聚集在表層，植物殘體進入下層土壤的數量減少，而傳統耕作使肥土相融，進入下層的植物殘體相對較多，導致表層氮含量較低[18]。長期的保護性耕作下，土壤全磷含量基本隨土層的加深而降低，表層土壤(0—5 cm)的全磷含量最高，表現出土壤養分逐漸向表層富集化的現象，與前人研究結果一致[3,11,19-20]。

各元素在全球生物地球化學循環中并不是單獨進行的，而是存在相互作用。養分供應量是否充足是影響有機體生長、種群結構、物種相互作用和生態系統穩定性的重要因素，可以根據生態化學計量學的計量比(C/N，C/P和N/P)來判斷限制性元素[21]。土壤的C/N與有機質的分解、土壤呼吸等密切相關[22]。土壤C/N較低表明有機質具有較快的礦化作用，從而使土壤有效氮含量較高[23]。本研究也表明，在保護性耕作下，土壤C/N明顯低于傳統耕作，在土壤表層(0—20 cm)尤為突出。同時，4種耕作模式下，土壤碳含量相比于10 a前變化不大，而由于輪作系統中豆科植物固定了一定的氮素，使得土壤氮含量高于10 a前，從而使C/N普遍低于10 a前。目前，有部分土壤的氮儲量估算和生態系統碳模型研究中將C/N視為常數，并根據這個比值和土壤碳含量近似估計土壤的氮儲量[24]。由于施肥管理，使2011年土壤磷含量明顯大于2001年，從而使4種耕作模式的C/P普遍低于10 a前。有研究指出，土壤碳氮磷比可作為診斷養分限制、碳氮磷飽和的有效指標[25-26]。本研究中，土壤N/P低于10 a前可能是全磷含量相對于全氮含量升高幅度更大所致。而免耕下C/P和N/P高于耕作，可能因為耕作促使土壤碳和氮轉化為氣相而揮發釋放，從而使C/P和N/P變小。

4結 論

10 a免耕促進了C和N的積累，但與傳統耕作差異不大，而秸稈覆蓋對C和N的影響不明顯；保護性耕作對P累積沒有明顯的作用。4種耕作模式下，土壤C/N，C/P和N/P均普遍低于10 a前。

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Ecological Stoichiometric Characteristics of Soil Carbon， Nitrogen and Phosphorus After 10 Years Conservation Tillage in a Rotation System

LU Jiaoyun, WANG Zhennan, YANG Huimin, SHNE Yuying

(StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoral

AgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China)

Abstract：[Objective] To study the effects and mechanisms of long-term no-tillage and straw mulch on soil quality.[Methods] With comparing the soil characteristics from 2001 to 2011, the conventional tillage, no-tillage, conventional tillage + straw mulch and no-tillage + straw mulch were set for 10 years in a corn-wheat-soybean rotation system. Soils of 0—200 cm layers were taken for analyzing organic carbon(C), total nitrogen(N) and total phosphorus(P).[Results] Long-term no-tillage improved C and N contents of surface soils, and straw mulch only had little effect on them. Long-term conservation tillage had no significant effect on soil P level. Conservation tillage resulted in the lowest N and P contents at 20—30 cm soil layer, while under conventional tillage, it was at 30—60 cm layer. Soil C/N, C/P and N/P were generally lower than that of a decade ago and with soil depth increased, the variation of C/N, C/P and N/P showed a drop—rise trend.[Conclusion] Long-term conservation tillage had no significant effect on soil C, N and P. In the four tillage patterns, soil C/N, C/P and N/P were generally lower than a decade ago.

Keywords:no-tillage; stubble retention; soil fertility; ecological stoichiometric ratio

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)01-0096-06

中圖分類號：S158.5

通信作者：楊惠敏(1978—)，男(漢族)，湖北省應城市人，博士，教授，博士生導師，主要從事植物逆境生物學研究。E-mail:huimyang@lzu.edu.cn。

收稿日期：2014-01-13修回日期：2014-02-27

資助項目：甘肅省科技重大專項“慶陽黃土高原生態治理和水資源高效利用的技術體系研究與示范”(1203FKDA035)； 教育部科學技術研究重大項目(313028)； 國家自然科學基金項目(31172248)

第一作者：陸姣云(1989—)，女(漢族)，甘肅省蘭州市人，碩士，研究方向為草類生態化學計量學研究。E-mail:lujy09@lzu.edu.cn。