秸稈與地膜覆蓋對(duì)旱作土婁土碳氮組分的影響

張彤勛，皮小敏，孫本華,，柳媛媛，魏 靜，高明霞，馮 浩,3,4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；4.中國(guó)科學(xué)院水利部 水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

農(nóng)田地表覆蓋包括砂石覆蓋、作物秸稈覆蓋、農(nóng)田化學(xué)覆蓋物覆蓋和地膜覆蓋等，是干旱半干旱地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)措施。農(nóng)田地表覆蓋可以改善土壤水熱狀況，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[1]，改善土壤理化性質(zhì)，維持表層土壤穩(wěn)定性[2]。目前地膜覆蓋和秸稈覆蓋在西北干旱半干旱地區(qū)應(yīng)用最為廣泛。相關(guān)研究表明，地膜覆蓋具有調(diào)節(jié)土壤溫度，減少土壤水分無效蒸發(fā)，降低雜草與作物營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，減少土壤侵蝕等優(yōu)點(diǎn)[3]。秸稈覆蓋可以減少秸稈不合理利用帶來的環(huán)境污染問題，提高土壤肥力，調(diào)節(jié)土壤水熱平衡，提高水分利用率，從而實(shí)現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)的目的[3]。因此，近年來，地膜覆蓋和秸稈覆蓋作為一種高效經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)被快速推廣[4]。

土壤有機(jī)碳是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳素重要組成部分，也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量重要指標(biāo)，而不同覆蓋措施會(huì)影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[5-6]。在植物生長(zhǎng)所需眾多元素中，氮素占據(jù)舉足輕重地位，且植物所需大部分氮素來自土壤，而通過秸稈覆蓋和覆膜能夠改變土壤環(huán)境從而影響土壤氮素。 近年來，研究不同覆蓋措施對(duì)土壤碳氮和土壤養(yǎng)分影響相對(duì)較多，且許多研究表明，秸稈覆蓋有助于提高土壤中有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7-8]，但地膜覆蓋不利于土壤有機(jī)碳積累[9-10]。Tian等[11]研究結(jié)果顯示，地膜覆蓋提高土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。秸稈覆蓋增加了外來有機(jī)物，導(dǎo)致土壤微生物量碳和可溶性有機(jī)碳顯著提高[12]。解文艷等[13]研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋和地膜覆蓋都顯著降低0～200 cm 土層硝態(tài)氮累積量。Mccracken等[14]研究指出，覆蓋作物可以減少硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)。以往研究主要集中在單獨(dú)比較秸稈覆蓋和全膜覆蓋對(duì)土壤碳氮的影響，而對(duì)于半膜覆蓋，膜下土壤和膜間土壤碳氮組分研究尚未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)研究秸稈覆蓋﹑半膜和全膜覆蓋3種方式對(duì)碳氮組分總體影響，同時(shí)探討半膜覆蓋條件下膜下與膜間土壤養(yǎng)分和水分響應(yīng)差異，探求不同覆蓋措施對(duì)土壤肥力的影響機(jī)制，進(jìn)而為促進(jìn)農(nóng)田土壤可持續(xù)利用和提高土壤生產(chǎn)潛力提供科學(xué)理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本概況

試驗(yàn)地位于陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室灌溉試驗(yàn)站(108°24′E、34°20′N)，平均海拔為521 m，該地區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候區(qū)，全年無霜期為221 d，年平均氣溫為12.9 ℃，年均降水量為660 680 mm，年內(nèi)降雨分布不均，主要集中在7-10月，年均蒸發(fā)量1 400 mm。供試土壤為土墊旱耕人為土(土婁土)，中壤質(zhì)，表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳8.26 g·kg-1，全氮0.95 g·kg-1，全磷0.83 g·kg-1，全鉀20.42 g·kg-1，速效磷20.9 mg·kg-1，速效鉀287.0 mg·kg-1，體積質(zhì)量1.37 g·cm-3，pH為8.02。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2013年10月，設(shè)置不覆蓋(NM)、秸稈覆蓋(SM)、全膜覆蓋(FM)和半膜覆蓋(HFM)4個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為5 m×2 m，小區(qū)間有0.5 m保護(hù)行，采用隨機(jī)區(qū)組排列。供試作物為冬小麥和夏玉米，一年兩熟，品種分別為‘小偃22’和‘秦龍11’。小麥條播，行距為30 cm；玉米行距60 cm，株距40 cm。秸稈覆蓋和地膜覆蓋均在每季作物播種后立即進(jìn)行，覆蓋時(shí)間為整個(gè)作物生育期。秸稈覆蓋均為小麥秸稈粉碎后覆蓋，覆蓋率100%，覆蓋量為4 t·hm-2，在下一季作物播種時(shí)，將上一季覆蓋秸稈翻入土壤中。半膜覆蓋為作物上不覆膜，在每排作物行間覆膜；全膜覆蓋為作物和作物行間都覆膜，地膜厚度均為0.008 mm。小麥季基肥為純氮120 kg·hm-2，純P2O5100 kg·hm-2；拔節(jié)期追肥，施肥量為純氮30 kg·hm-2(氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣)。玉米季基肥為純氮225 kg·hm-2，純P2O590 kg·hm-2(氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨)。玉米生育期(2015-06-11-2015-10-09)降雨量為289.3 mm，降雨時(shí)間為43 d(圖1)。

圖1 2015-01-01至2015-12-31每日降水量、最高氣溫和最低氣溫Fig.1 Daily precipitation,max and min air temperatures from January 1, 2015 to December 31, 2015

1.3 樣品采集方法

于玉米收獲后采集耕層土壤樣品，采用隨機(jī)多點(diǎn)混合原則，剔除土壤中動(dòng)植物殘?bào)w，混合均勻分成2份，一份風(fēng)干用于有機(jī)碳和全氮測(cè)定；另一份土壤鮮樣過2 mm篩保存于4 ℃冰箱中，用于微生物量碳氮與可溶性有機(jī)碳氮測(cè)定。在采集表層混合土壤樣品同時(shí)，采集0～200 cm土壤剖面樣，每20 cm為1個(gè)分析樣品，用于測(cè)定土壤硝態(tài)氮和水分。對(duì)于半膜覆蓋(HWF)處理，于膜下(HFMU)與膜間(HFMB)分別采集耕層和剖面土樣，并測(cè)定其相應(yīng)項(xiàng)目。

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[15]測(cè)定；土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸直接浸提法測(cè)定[16-17]；土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定[18]；可溶性全氮(TDN)采用堿性過硫酸鉀氧化法測(cè)定[19]；土壤硝態(tài)氮采用1 mol·L-1KCl浸提，用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定[20]；土壤含水量采用烘干法測(cè)定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤微生物量碳、氮計(jì)算：

MBC=EC/KEC

MBN=EN/KEN

其中EC、EN分別為熏蒸和未熏蒸土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值，KEC、KEN為轉(zhuǎn)化系數(shù)，兩者均為 0.45[16]。

土壤硝態(tài)氮累積量=C×H×D/10

其中C表示土層中硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·kg-1)；H表示土層深度(cm)；D表示土壤體積質(zhì)量(g·cm-3)。

土壤儲(chǔ)水量=W×H×D/10

其中W表示土壤質(zhì)量含水量(%)；H表示土層深度(cm)；D表示土壤體積質(zhì)量(g·cm-3)。

采用Excel 2007和SPSS 22進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋措施對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的影響

由表1可見，秸稈覆蓋處理下SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他處理(P<0.05)，分別較不覆蓋處理、全膜覆蓋處理和半膜覆蓋處理提高3.7%、4.3%和17.1%。半膜覆蓋處理的膜下和膜間的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于不覆蓋處理和全膜覆蓋處理(P<0.05)。說明秸稈覆蓋處理更有利于SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)累積，適合長(zhǎng)期作物栽培，地膜覆蓋處理在只施無機(jī)肥情況下，不利于土壤有機(jī)碳累積。各覆蓋處理中，半膜覆蓋處理的膜間土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于秸稈覆蓋處理(P<0.05)，且膜下的土壤碳氮比顯著低于全膜覆蓋處理(P<0.05)。

表1 不同覆蓋下土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Soil organic carbon and total nitrogen under different mulches

2.2 不同覆蓋措施對(duì)土壤微生物量碳氮的影響

不同處理下土壤微生物量碳和氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(表2)。秸稈覆蓋處理和半膜覆蓋處理的微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較不覆蓋處理顯著提高67.5%和30.6%(P<0.05)，但全膜覆蓋處理與不覆蓋處理差異不顯著(P>0.05)。各處理的土壤MBN與MBC變化趨勢(shì)相近，秸稈覆蓋處理土壤MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)較不覆蓋處理顯著提高56.2%(P<0.05)。半膜覆蓋處理的膜間土壤微生物量碳和氮分別較膜下提高54.0%和44.1%(P<0.05)。以上結(jié)果說明，秸稈覆蓋和半膜覆蓋能為土壤微生物提供良好生存環(huán)境，加快土壤微生物生長(zhǎng)繁殖，從而提高土壤MBC、MBN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；半膜覆蓋處理中膜間的土壤環(huán)境比膜下更有利于微生物生長(zhǎng)繁殖。

2.3 不同覆蓋措施對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳氮的影響

可溶性有機(jī)碳氮(DOC和DON)是土壤活性組分的重要組成部分，極易被微生物分解和利用。各處理的土壤DOC變異很大(表3)，與不覆蓋處理相比，秸稈覆蓋處理升高了18%，全膜覆蓋處理下降了13.1%，半膜覆蓋處理無顯著差異。不覆蓋處理的土壤DON最高，秸稈覆蓋處理、全膜覆蓋處理和半膜覆蓋處理分別較其降低52.5%、31.6%和54.3%。半膜覆蓋處理的膜間土壤DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于膜下和全膜覆蓋處理，而DON質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果與此相反，表現(xiàn)為半膜覆蓋處理的膜下顯著高于膜間。各覆蓋處理可溶性有機(jī)碳氮比值(DOC/DON)均高于不覆蓋處理，半膜覆蓋處理的膜下顯著低于膜間。各覆蓋處理的DOC/SOC(%)主要表現(xiàn)為半膜覆蓋處理的膜間最高，不覆蓋處理最低；各覆蓋處理的DON/TN(%)均顯著低于不覆蓋處理(P<0.05)，半膜覆蓋處理的膜下顯著高于膜間。說明秸稈覆蓋能加快作物根系生長(zhǎng)發(fā)育，加快微生物生長(zhǎng)繁殖，加快有機(jī)碳礦化分解。同時(shí)，各覆蓋處理均能加快作物和微生物對(duì)土壤DON的吸收利用。

表2 不同覆蓋下土壤微生物量碳和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Soil MBC and MBN under different mulches

表3 不同覆蓋下土壤可溶性有機(jī)碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Soil DOC and DON under different mulches

2.4 不同覆蓋措施對(duì)土壤剖面硝態(tài)氮的影響

2.5 不同覆蓋措施對(duì)土壤剖面水分的影響

不同覆蓋處理對(duì)土壤剖面儲(chǔ)水量影響不同(表5)。0～20 cm、20～100 cm和0～200 cm土層土壤儲(chǔ)水量各處理間均無顯著性差異，而半膜覆蓋的膜間土壤儲(chǔ)水量顯著高于膜下；100～200 cm土層土壤儲(chǔ)水量覆膜處理(全膜和半膜膜下)均顯著低于不覆膜的處理。說明由于受到降雨的影響，覆蓋對(duì)土壤水分的影響并不明顯，需要后期進(jìn)一步的研究。

圖2 不同覆蓋處理土壤剖面硝態(tài)氮分布Fig.2 Distribution of in soil profile under different mulches

表4 不同覆蓋處理下土壤剖面硝態(tài)氮累積量Table 4 Accumulation of in soil profile under different mulches

表5 不同覆蓋處理土壤剖面儲(chǔ)水量Table 5 Soil water storage in soil profile under different mulches

3 討 論

本研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋處理的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于無覆蓋及地膜覆蓋處理(表1)，主要原因是每年玉米收獲后，將所覆蓋的秸稈翻埋于土壤中，秸稈覆蓋中的土壤有機(jī)碳隨覆蓋年限的增加有一定程度的補(bǔ)充[22-23]，這與“將作物殘茬回收再利用可以減少土壤有機(jī)碳下降速率”[24]的研究結(jié)論相一致。Mbah等[25]、吳榮美等[26]研究發(fā)現(xiàn)薄膜覆蓋為微生物提供了適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，加速了土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和分解，但本研究發(fā)現(xiàn)全膜覆蓋處理下土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與不覆蓋處理差異不顯著，而半膜覆蓋處理的膜下和膜間的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于不覆蓋處理(表1)，原因可能是雖然地膜覆蓋處理可加速土壤有機(jī)碳礦化分解[27]，但全膜覆蓋處理降低土壤空氣交換，從而在短期內(nèi)減緩了土壤有機(jī)碳礦化分解[28]。由于本試驗(yàn)時(shí)間較短，關(guān)于塑料薄膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳礦化分解的長(zhǎng)期影響還有待于進(jìn)一步研究。

土壤微生物是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的直接參與者[29]，而微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)是判斷土壤中微生物數(shù)量的重要指標(biāo)，也是判斷土壤肥力的重要標(biāo)志[30]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同覆蓋處理對(duì)土壤微生物量碳氮影響顯著(表2)，秸稈覆蓋處理顯著提高土壤微生物量碳氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這是由于秸稈覆蓋增加了土壤有機(jī)碳源輸入，為土壤微生物繁殖提供了營(yíng)養(yǎng)底物，促進(jìn)了其生長(zhǎng)和繁殖[31]。全膜覆蓋處理和半膜覆蓋處理膜下土壤微生物量碳與不覆蓋處理差異不顯著，這可能與地膜覆蓋影響土壤溫度有關(guān)，較高土壤溫度促進(jìn)了土壤微生物的代謝過程[26]；同時(shí)地膜覆蓋可以有效改善土壤水熱條件，加快土壤有機(jī)碳分解速率，在作物生長(zhǎng)后期，由于土壤微生物碳源不足，會(huì)導(dǎo)致土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降[32]。半膜覆蓋處理的膜間土壤微生物碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于膜下和全膜覆蓋處理，這可能是因?yàn)槟らg的土壤有機(jī)碳(表1)、可溶性有機(jī)碳(表3)以及水分(表4)均高于膜下，從而為微生物提供了充足的碳源和生長(zhǎng)環(huán)境，加速了微生物繁殖[33]；另外，地膜覆蓋阻礙了土壤CO2的釋放以及土壤與大氣中O2交換過程，因而影響了土壤微生物活動(dòng)[34]。

土壤可溶性有機(jī)碳氮來源于植物凋落物、根系分泌物及微生物代謝物[35]。可溶性有機(jī)碳氮作為土壤中最活躍的組分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低與土壤有機(jī)碳礦化分解有密切關(guān)系[36]。與不覆蓋處理相比，秸稈覆蓋處理顯著提高土壤DOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表3)，這是由于秸稈覆蓋處理改善了土壤熱量狀況，加速了秸稈腐解以及作物根系代謝，提高溶解性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而為微生物提供了更多的碳源[37]。與微生物量碳結(jié)果相同，半膜覆蓋處理膜間的土壤DOC顯著高于其膜下和全膜覆蓋處理，原因可能是在玉米成熟期半膜覆蓋處理膜間的土壤微生物量高，土壤微生物不斷分解土壤有機(jī)質(zhì)，使其降解形成DOC[38]，從而提高土壤DOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤硝態(tài)氮是作物吸收氮素的主要形態(tài)。不同覆蓋方式對(duì)土壤硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及累積量影響較大(圖2和表4)。全膜覆蓋和半膜覆蓋處理提高表層硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及累積量，這可能是因?yàn)榈啬じ采w改善了土壤水分和溫度條件，增加了土壤呼吸強(qiáng)度，從而使土壤中有機(jī)質(zhì)礦化速率加快，有機(jī)氮庫(kù)下降，最終導(dǎo)致表層土壤硝態(tài)氮大量累積[39]。玉米生育期的總降雨量為283.9 mm，10月10日采樣，10月6、7日有降雨，降雨量為3.3 mm和0.7 mm(圖1)，地膜覆蓋阻斷了土壤水分的垂直蒸發(fā)，減少了采樣前期降雨對(duì)硝態(tài)氮淋洗，從而提高上層土壤硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。半膜覆蓋處理的膜間耕層土壤硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和累積量顯著低于膜下，這可能是膜間沒有地膜阻隔，硝態(tài)氮會(huì)隨著降雨遷移到下層土壤，從而降低表層土壤硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖2)。秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理都顯著地降低20 cm以下土層的硝態(tài)氮累積量，這可能是由于覆蓋處理改變了土壤微生物環(huán)境，從而影響土壤生物化學(xué)過程[40]，促進(jìn)了土壤中有機(jī)氮礦化分解和作物根系對(duì)土壤氮素的吸收，從而提高作物產(chǎn)量，降低土壤硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的風(fēng)險(xiǎn)[41]。

土壤水分在重力作用下向土壤深層遷移，但由于土壤水汽遷移和作物消耗導(dǎo)致了土壤水分的再分配[42]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm及20～100 cm土層，各覆蓋處理的土壤儲(chǔ)水量與不覆蓋處理差異不顯著(表4)，這可能是由于采樣前少量降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)充，土樣采集于10月10日，10月6日和10月7日降雨量分別為3.3 mm和0.7 mm(圖1)。0～20 cm、20～100 cm和0～200 cm土層半膜覆蓋處理膜間的土壤儲(chǔ)水量顯著高于其膜下，這可能是由于半膜覆蓋處理中地膜覆蓋部分將雨水匯入膜間土壤，導(dǎo)致其含水量高于膜下。這表明，覆蓋處理的土壤水分狀況會(huì)受到采樣時(shí)降雨的暫時(shí)影響，其對(duì)土壤水分的長(zhǎng)期影響還需要后期進(jìn)一步的研究探討。

4 結(jié) 論

秸稈覆蓋能提高土壤肥力，改善土壤環(huán)境，同時(shí)可降低硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的風(fēng)險(xiǎn)，是值得在本區(qū)域推薦的農(nóng)業(yè)耕作模式。半膜覆蓋相比于全膜覆蓋，成本更低，污染更少，對(duì)土壤養(yǎng)分及微生物量碳氮響應(yīng)更好，但地膜覆蓋(全膜和半膜)對(duì)土壤肥力長(zhǎng)期影響還尚不明確。