膜下滴灌連作棉田土壤有機(jī)碳及其活性變化分析

高文翠，楊衛(wèi)君，史春玲，陳 磊

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳組成不僅是土壤有機(jī)質(zhì)水平高低的體現(xiàn)，更反映出農(nóng)田系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性[1]。掌握農(nóng)田土壤有機(jī)碳平衡及其變化規(guī)律可對(duì)農(nóng)田土壤肥力及其演變做更好評(píng)價(jià)，也可對(duì)有機(jī)物質(zhì)分配起到調(diào)控作用，也為制定合理的可持續(xù)發(fā)展管理措施提供參考[1]。棉田多年連作會(huì)導(dǎo)致的土壤肥力下降、作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降等問題。研究棉田長(zhǎng)年連作對(duì)農(nóng)田土壤質(zhì)量的影響，為連作棉田有機(jī)碳儲(chǔ)量估算、固碳潛力分析有重要意義。【前人研究進(jìn)展】研究表明，滴灌棉田連作初期土壤肥力增加、有機(jī)質(zhì)含量升高[2]、土壤酶活性改變，土壤質(zhì)量不斷提高[3]，化肥配施有機(jī)肥可有效改善連作13 a的綠洲灰漠土土壤質(zhì)量[4]。隨著連作年限持續(xù)增長(zhǎng)棉田土壤質(zhì)量轉(zhuǎn)而下降[2]，土壤各耕層微量元素含量均不同程度減少，部分甚至降到初始耕作水平[5]，土壤緊實(shí)度增加、土壤容重增大、土壤有機(jī)質(zhì)逐漸減少、土壤結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)改變[6-8]。土壤利用強(qiáng)度、不同種植管理措施等會(huì)使農(nóng)田土壤逐漸退化[9,10]。土壤活性有機(jī)碳作為有機(jī)碳庫(kù)中活性最大的部分，是評(píng)價(jià)和衡量有機(jī)碳庫(kù)變化及土壤質(zhì)量的有效參數(shù)，其對(duì)農(nóng)田利用方式及管理措施響應(yīng)較靈敏[11]。土壤有機(jī)碳密度大小受土壤容重及有機(jī)碳含量影響，通常認(rèn)為土壤有機(jī)碳密度大時(shí)土壤碳儲(chǔ)量高[12]。碳庫(kù)管理指數(shù)能夠從土壤有機(jī)碳組分的質(zhì)和量上對(duì)土壤有機(jī)碳的變化進(jìn)行系統(tǒng)、敏感地監(jiān)測(cè)，全面動(dòng)態(tài)地反映不同土地利用方式和管理措施對(duì)土壤碳庫(kù)的影響[11]。【本研究切入點(diǎn)】基于不同形式下的農(nóng)田有機(jī)碳活性及有機(jī)碳密度研究較少。研究膜下滴灌連作棉田土壤有機(jī)碳及其活性變化。【擬解決的關(guān)鍵問題】以北疆主產(chǎn)棉區(qū)長(zhǎng)期連作棉田為研究對(duì)象，采用田間調(diào)查、取樣分析法，分析連作年限對(duì)膜下滴灌棉田土壤有機(jī)碳及其活性組分及有機(jī)碳密度的影響，為該地區(qū)棉田土壤碳庫(kù)質(zhì)量改善、區(qū)域碳儲(chǔ)量潛力估算等提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)地位于新疆昌吉州呼圖壁縣大豐鎮(zhèn)，地處天山中段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東距烏魯木齊100 km，距呼圖壁縣城28 km，屬典型中溫帶大陸性氣候，光照資源充沛，降雨稀少，晝夜溫差大。年平均氣溫為6.7℃，極端最高氣溫為41.7℃，極端最低溫為-36℃，年日照時(shí)間為3 104 h，無(wú)霜期為177 d，≥10℃年有效積溫為3 553℃，年降水量為161 mm，年蒸發(fā)量為2 361.1 mm，為典型綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)取樣方式，根據(jù)不同棉田連作年限，將棉田劃分為連作5 a、12 a、17 a 3個(gè)等級(jí)，以連作1 a為對(duì)照。選取種植品種相同的不同等級(jí)棉田為調(diào)查取樣對(duì)象，所選樣地均為該區(qū)域不同農(nóng)戶的連作棉田。

棉花播種前，采用多點(diǎn)混合法在不同連作棉田以“S”型路線在樣地上分別采集0～20和20～40 cm土壤樣品。為避免田塊面積過大造成取樣誤差，在樣點(diǎn)附近每15鉆為1個(gè)混合樣，重復(fù)3次，依次采集不同連作棉田原狀土，剔除沙礫及可見動(dòng)植物殘?bào)w，風(fēng)干研磨后裝袋保存，用于土壤各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.2.1 土壤指標(biāo)

土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法測(cè)定；土壤易氧化有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定；土壤有機(jī)碳與易氧化有機(jī)碳的差值為土壤穩(wěn)態(tài)碳；環(huán)刀法測(cè)土壤容重[13]。

1.2.2.2 土壤有機(jī)碳密度

土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式[14,15]：

SOCDj=(TOCj×βj×Hj)/100.

式中SOCDj為j層土壤有機(jī)碳密度(kg/m2)、TOCj為j層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)、βj為j層土壤容重(g/cm3)、Hj為j層深度(cm)。

1.2.2.3 碳庫(kù)管理指數(shù)

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)能夠有效反映土壤碳庫(kù)變化的靈敏程度，綜合體現(xiàn)土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)態(tài)碳的動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算如下[16]：

碳庫(kù)活度(A)=易氧化有機(jī)碳/穩(wěn)態(tài)碳；

碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)=碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度；

碳庫(kù)指數(shù)(CPI)=農(nóng)田土壤有機(jī)碳/參考農(nóng)田土壤有機(jī)碳；

碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)=CPI×AI×100。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010及SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、制圖及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作年限對(duì)長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤總有機(jī)碳的影響

研究表明,不同連作年限土壤總有機(jī)碳存在差異，0～40 cm土層土壤總有機(jī)碳含量均隨連作年限增加呈先增后降趨勢(shì)，與連作1 a對(duì)照相比，連作5 a土壤總有機(jī)碳含量顯著升高(P<0.05)，連作12 a后土壤總有機(jī)碳呈下降趨勢(shì)，但與連作5 a差異不顯著，連作17 a時(shí)土壤有機(jī)碳含量顯著下降(P<0.05)。不同土層之間，20～40 cm深層土壤有機(jī)碳含量整體低于0～20 cm表層。圖1

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同Note:Different small letters in this figure indicate significant difference at the level of 0.05.The same as below圖1 長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤總有機(jī)碳變化Fig.1 Change of soil total organic carbon of cotton field under long-term mulched drip irrigation

2.2 連作年限對(duì)長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤易氧化有機(jī)碳的影響

研究表明，0～40 cm土層土壤易氧化有機(jī)碳含量均隨連作年限增加呈先增后降趨勢(shì)，與土壤SOC含量變化趨勢(shì)基本一致。與連作1 a對(duì)照相比，連作5 a土壤易氧化有機(jī)碳含量顯著升高(P<0.05)，連作12 a后土壤易氧化有機(jī)碳呈下降趨勢(shì)，但與連作5 a差異不顯著，連作17 a時(shí)土壤易氧化有機(jī)碳含量顯著下降(P<0.05)。不同土層之間，20～40 cm深層土壤易氧化有機(jī)碳含量整體低于0～20 cm表層。圖2

圖2 長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤易氧化有機(jī)碳變化Fig.2 Change of soil oxidized organic carbon of cotton field under long-term drip irrigation

2.3 長(zhǎng)期連作膜下滴灌棉田土壤容重變化特征

研究表明，連作棉田土壤容重隨連作年限增加而增大，大多數(shù)作物根系適宜的土壤容重在1.2～1.5 g/cm3，連作棉田土壤容重值均在適宜根系生長(zhǎng)范圍內(nèi)，且深層(20～40 cm)土壤容重整體大于表層土壤容重，不同處理間差異均不顯著。圖3

圖3 長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤容重變化Fig.3 Soil bulk density under long-term mulched drip irrigation

2.4 連作年限對(duì)長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤有機(jī)碳密度的影響

研究表明，隨連作年限的增加土壤有機(jī)碳密度呈先升后降的趨勢(shì)，連作5 a時(shí)有機(jī)碳密度顯著高于連作17 a及對(duì)照有機(jī)碳密度，并且不同土層間變化規(guī)律基本一致，20～40 cm土層土壤有機(jī)碳密度低于0～20 cm土壤有機(jī)碳密度，與土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳變化趨勢(shì)相同。圖4

圖4 長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤有機(jī)碳密度變化Fig.4 Organic carbon density of cotton field under long-term mulched drip irrigation

2.5 連作年限對(duì)長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

研究表明，隨著連作年限增加，土壤CPMI逐漸降低，但無(wú)顯著性差異，不同土層變化規(guī)律基本一致。土壤CPMI下降，土壤肥力下降。表1

表1 長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)及相關(guān)指標(biāo)Table 1 Carbon pool management index of cotton field under long-term mulched drip irrigation

3 討 論

不同農(nóng)田土壤及不同土壤深度條件下土壤總有機(jī)碳含量存在差異，通常土壤總有機(jī)碳含量隨土層加深逐層降低[17]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，各連作棉田土壤總有機(jī)碳含量0～20 cm處均高于20～40 cm處，其易氧化有機(jī)碳也呈相同變化趨勢(shì)。短期連作可以增加土壤碳儲(chǔ)量[18]，隨著連作年限的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為先升后降，這與研究結(jié)果相似。試驗(yàn)中連作1～5 a時(shí)棉田土壤有機(jī)碳含量顯著上升，連作5～12 a時(shí)緩慢下降，直至連作17 a時(shí)土壤有機(jī)碳顯著下降，一方面植被年歸還量及其分解速率決定著土壤有機(jī)碳含量變化[16]，在連作前期作物殘?bào)w分解補(bǔ)充了土壤有機(jī)質(zhì)，隨著連作年限延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)大量吸收土壤養(yǎng)分，導(dǎo)致返還到土壤中的養(yǎng)分逐漸減少[18]；另一方面不同連作年限棉田土壤容重不同、物質(zhì)總量及分解程度存在差異，導(dǎo)致同一區(qū)域不同年限土壤有機(jī)碳含量不同。在土壤垂直剖面，表層有機(jī)碳含量最高，結(jié)合試驗(yàn)土壤容重結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，表層土壤容重小，則土壤結(jié)構(gòu)性、通氣性好，腐殖質(zhì)較厚，有利于有機(jī)碳積累[19-21]。

連作不僅改變棉田表層土壤有機(jī)碳量，更通過影響土壤容重影響深層土壤有機(jī)碳變化。土壤容重高時(shí)，土壤孔隙度較低，透水性和通氣性差，不利于植物根系生長(zhǎng)和微生物生存，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳積累變化。土壤表層土壤容重小時(shí)，水氣交換條件良好，土壤有機(jī)碳富集在表層轉(zhuǎn)化分解較快，相應(yīng)的土壤活性有機(jī)碳含量及碳庫(kù)活度較高，隨著土層深度增加容重相應(yīng)增加，植物根系數(shù)量減少，有機(jī)質(zhì)積累量減少。研究結(jié)果相似，短期(1～5 a)連作通過提高土壤AI，從而提高土壤CPMI。短期連作土壤碳庫(kù)活化，周轉(zhuǎn)速度快，損耗也隨之提高，隨著連作年限增長(zhǎng)(5～17 a)，土壤惰性碳庫(kù)消耗加速，總有機(jī)碳含量下降，碳庫(kù)指數(shù)下降。這可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期膜下滴灌會(huì)使鹽分下移[22]，使下層土壤環(huán)境發(fā)生改變，不利于有機(jī)質(zhì)快速轉(zhuǎn)化，使易氧化有機(jī)碳向穩(wěn)態(tài)碳進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使碳庫(kù)活度也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。隨連作年限的增加土壤碳匯能力呈逐漸下降趨勢(shì)。通常較適宜的耕作年限為5～10 a，此后則要通過調(diào)整種植方式，如輪作、倒茬等措施緩解土壤質(zhì)量退化，保證土壤質(zhì)量始終處于良性發(fā)展[23]。

通常0～40 cm土層是土壤受擾動(dòng)頻繁而導(dǎo)致變化最多最快的土層[24]。土壤有機(jī)碳含量垂直分布隨土層深度增加而降低，尤其是隨著連作年限增長(zhǎng)有機(jī)碳密度降低幅度顯著，一方面因?yàn)橥寥辣韺邮軘_動(dòng)較為頻繁，另一方面膜下滴灌影響田間土壤溫度，溫度影響土壤有機(jī)碳的釋放速率。土壤微生物作為土壤養(yǎng)分分解和轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土壤溫度變化較為敏感，當(dāng)土壤溫度降低時(shí)，土壤微生物活性下降，而在一定溫度范圍內(nèi)，較高的土壤溫度會(huì)提高土壤微生物活性，促進(jìn)土壤有機(jī)碳分解[25]。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)期膜下滴灌下，棉花不同連作年限的土壤容重會(huì)隨土壤深度的加深呈逐漸增加趨勢(shì)，連作17 a時(shí)土壤容重達(dá)到最高。短期連作可以提高土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量，隨著連作年限延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳含量顯著下降，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)下降，連作降低土壤肥力。