中国生态农业学报  2018, Vol. 26 Issue (3): 347-356  DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.170603
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引用本文 

毛海兰, 王俊, 付鑫, 李蓉蓉, 赵丹丹. 秸秆和地膜覆盖条件下玉米农田土壤有机碳组分生长季动态[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(3): 347-356. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.170603
MAO H L, WANG J, FU X, LI R R, ZHAO D D. Seasonal dynamics of soil organic carbon fractions under straw and plastic film mulching of spring maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(3): 347-356. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.170603

基金项目

国家自然科学基金面上项目（31570440）资助

通讯作者

王俊, 主要从事农田生态学研究。E-mail: wangj@nwu.edu.cn

作者简介

毛海兰, 主要从事农田土壤碳氮研究。E-mail: maohl0414@163.com

文章历史

收稿日期：2017-06-30
接受日期：2017-10-17
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
秸秆和地膜覆盖条件下玉米农田土壤有机碳组分生长季动态*
毛海兰1, 王俊1,2, 付鑫1, 李蓉蓉1, 赵丹丹1     
1. 西北大学城市与环境学院 西安 710127;
2. 西北大学陕西省地表系统与环境承载力重点实验室 西安 710127
收稿日期：2017-06-30；接受日期：2017-10-17
*基金项目：国家自然科学基金面上项目（31570440）资助
**通讯作者：王俊, 主要从事农田生态学研究。E-mail: wangj@nwu.edu.cn.
毛海兰, 主要从事农田土壤碳氮研究。E-mail: maohl0414@163.com.
摘要：基于黄土高原8 a的春玉米覆盖定位试验，研究了秸秆和地膜覆盖下土壤有机碳、微生物量碳、潜在可矿化碳及颗粒有机碳在作物不同生育期的季节变化特征，探讨旱作农田不同碳组分对地表覆盖的响应规律。结果表明：1）秸秆和地膜覆盖下土壤有机碳及其各组分含量在玉米生长期间总体呈苗期下降、拔节期上升、大喇叭口-抽雄期下降、灌浆和收获期回升的变化趋势。2）与不覆盖对照相比，秸秆覆盖在大部分作物生育期均显著提高了土壤有机碳各组分含量，有助于培肥地力和土壤固碳；而地膜覆盖在作物生育后期导致土壤有机碳及各组分含量显著下降。3）秸秆覆盖下表层土壤颗粒有机碳对总有机碳变化具有重要贡献，地膜覆盖后土壤有机碳变化可能主要来自于潜在可矿化碳和颗粒有机碳，而土壤微生物量碳相对含量在不同处理间差异不大。4）对照和地膜覆盖处理土壤潜在可矿化碳和颗粒有机碳的相对含量在大喇叭口-抽雄期均有显著下降，而秸秆覆盖下两种组分的相对含量则保持平稳，表明秸秆覆盖对生育后期土壤潜在可矿化碳和颗粒有机碳有重要的补给作用。总之，黄土高原的春玉米田秸秆覆盖具有明显的提升土壤有机碳及组分含量的作用，地膜覆盖则无明显效果，且在春玉米生育后期降低了土壤总有机碳及各组分的含量。
关键词：秸秆覆盖    地膜覆盖    土壤有机碳    碳组分    春玉米    生育期    
Seasonal dynamics of soil organic carbon fractions under straw and plastic film mulching of spring maize*
MAO Hailan1, WANG Jun1,2, FU Xin1, LI Rongrong1, ZHAO Dandan1     
1. College of Urban and Environmental Sciences, Northwest University, Xi'an 710127, China;
2. Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity, Xi'an 710127, China
*This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31570440)
** Corresponding author, WANG Jun, E-mail: wangj@nwu.edu.cn
Received Jun. 30, 2017; accepted Oct. 17, 2017
Abstract: It is important to investigate soil microbial biomass carbon, potential mineralized carbon and particulate organic carbon under different tillage patterns, mulching methods and fertilization regimes for evaluation of soil carbon pool change due to agricultural management. Based on a long-term mulching experiment in dry highland of the Losses Plateau, this study investigated dynamic changes of soil organic carbon at different crop growth stages under straw and plastic film mulching conditions. The aim of the study was to explore seasonal responses of soil organic carbon and its fractions to surface mulching and deepen the understanding of soil carbon cycle in dry farmland. The data were collected from the 8 years experiment with the treatments of straw mulching, plastic film mulching and no mulching (CK) at pre-sowing, seeding, jointing, belling-heading, filling and harvest stages of spring maize. The seasonal dynamics of soil organic carbon, microbial biomass carbon, potential mineralized carbon and particulate organic carbon in 0-10 cm, 10-20 cm and 20-40 cm layers were determined. The results showed that:1) the contents of soil organic carbon, microbial biomass carbon, potential mineralized carbon and particulate organic carbon showed a tendency of decreasing at seedling stage, increasing at jointing stage, decreasing again at belling-heading stage and recovering at filling and harvest stages. 2) Compared with the CK, straw mulching effectively increased the contents of soil organic carbon and its fractions at most growth stages of spring maize, which improved soil fertility and enhanced carbon sequestration. Plastic film mulching did not show significant effects at the early growth stages, but decreased soil organic carbon and its fractions contents at the later stages of spring maize. 3) The ratio of microbial biomass carbon to soil organic carbon did not change with growth stages among treatments. However, particulate organic carbon in 0-10 cm under straw mulching was significantly higher than that under CK and plastic film mulching treatments, indicating that it hugely contributed to the dynamics of soil organic carbon in the topsoil layer under straw mulching treatment. The dynamics of soil organic carbon under plastic film mulching were mainly attributed to changes in particulate organic carbon and potential mineralized carbon. 4) The proportions of potential mineralized carbon and particulate organic carbon decreased at belling-filling stage with plastic film mulching or without any form of mulching, but did not change throughout the growing season with straw mulching. This indicated that straw mulching recharged soil potential mineralized carbon and particulate organic carbon during later growth stages. In conclusion, straw mulching of spring maize in the Loess Plateau significantly increased soil organic carbon and its fractions contents with obvious seasonal variations, while plastic film mulching showed decreasing effect at later growth stages of spring maize.
Key words: Straw mulching     Plastic film mulching     Soil organic carbon     Organic carbon fractions     Spring maize     Growing stage    

土壤碳库作为陆地生态系统中最大且最活跃的碳库之一, 是全球碳循环的核心组成。农田土壤有机碳(SOC)占土壤总有机碳的10%[1-2], 是表征土壤质量和肥力的核心指标, 其质量和数量会影响耕地的生产力与稳定性。土壤微生物量碳(MBC)和潜在可矿化碳(PCM)属于土壤活性有机碳库, 二者不仅可以表征土壤微生物活性和土壤肥力, 而且可以在一个作物生长季内对田间管理措施的变化做出快速响应, 是土壤碳循环的关键和动力[3]。土壤颗粒有机碳(POC)是介于活性与惰性之间的半活性组分, 其对管理措施的响应也十分迅速, 可以指示土壤有机碳的早期变化[4]。因此, 针对土壤微生物量碳、潜在可矿化碳和土壤颗粒有机碳等的测定对于评价由耕作、覆盖、施肥等措施所引起的土壤碳库变化具有重要意义[5]。

近年来, 秸秆和地膜覆盖技术因其良好的保墒增产作用在我国北方旱作农业区得到广泛应用[6], 其对土壤碳库的影响也颇受关注。研究表明, 秸秆覆盖可以提高土壤有机碳及其活性组分[5], 而地膜覆盖对土壤有机碳组分的影响却因气候条件、作物生育期、覆盖年限等不同而结果迥异[7-8]。目前来看, 相关研究多集中在覆盖方式对某一时期(如收获期)土壤有机碳的影响[5, 7, 9], 对土壤有机碳的生育期动态关注较少, 对土壤活性或半活性碳组分(土壤微生物量碳、潜在可矿化碳和土壤颗粒有机碳等)的季节动态更是鲜有报道。本文以黄土高原旱作春玉米田为研究对象, 基于长期田间定位试验, 比较分析了秸秆和地膜覆盖条件下作物不同生育期土壤碳组分的动态变化特征, 旨在探讨旱作农田不同碳组分对地表覆盖的季节性响应规律, 加深对农田土壤碳循环过程的理解。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验地位于陕西省长武县十里铺村南1 km的旱塬上(107°45'E, 35°12'N), 海拔1 200 m, 年平均气温9.1 ℃, 年平均降水579 mm, 且55%以上集中在7—9月。土壤母质为中壤质马兰黄土, 土质疏松, 土层深厚。2008年布设试验前土壤基本化学性质如表 1所示[10]。2016年为干旱年, 生育期降水及气温分布如图 1所示, 气温、降水数据来自中国科学院长武黄土高原农业生态试验站。

表1 试验布设前试验地0~40 cm土壤基本化学性质 Table 1 Soil chemical properties at 0-40 cm depths before the experiment
图 1 2016年春玉米生育期内降水及气温分布 Figure 1 Precipitation and temperature during the growing season of spring maize in the investigation year of 2016
1.2 试验设计

春玉米覆盖试验布设于2008年9月[11], 设秸秆覆盖(SM)、地膜覆盖(PM)、对照不覆盖(CK)3个处理。各处理重复3次, 共9个小区, 小区面积66.7 m2, 随机排列。秸秆覆盖处理使用收获后的玉米秸秆整株于玉米播种后均匀覆盖于行间, 覆盖量为9 000 kg·hm-2。地膜覆盖处理采用1.2 m宽白色透明地膜覆盖整个小区。秸秆与地膜覆盖均为生育期全程覆盖。春玉米在每年4月中旬播种, 9月中旬收获, 随后试验田闲置。播种前清除上一年的秸秆或地膜, 松土并施加基肥。供试化肥为尿素(N≥46.6%)和过磷酸钙(总P2O5≥43%)。各小区施基肥N为135 kg·hm-2、P2O5为90 kg·hm-2。作物生长期间不追肥、不灌溉, 人工除草。本研究于2016年春玉米生育期进行, 供试玉米品种为‘先玉335’, 于4月21日播种, 9月10日收获。在播种施肥前(4月8日)、苗期(5月17日)、拔节期(6月17日)、大喇叭口—抽雄期(7月17日)、灌浆期(8月17日)及收获期(9月17日), 以“S”形五点采样法采集各小区0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm土样, 同层土样混合均匀后以四分法取样作为1次重复。土样采回后, 剔除石块和动植物残体等杂质, 置于避光处自然风干。研磨土样过0.1 mm筛以待测土壤有机碳, 过2 mm筛以待测土壤微生物量碳、潜在可矿化碳及颗粒有机碳。

1.3 测定指标及方法

1) 土壤有机碳:用10%稀盐酸去除土样中无机碳[12], 过0.1 mm筛后用EA 3000元素分析仪测定。2)土壤潜在可矿化碳:采用密闭培养碱液吸收法[13]测定, 取10 g土样于烧杯中, 用蒸馏水调节至50%的田间持水量, 与装有2 mL 0.5 mol·L-1 NaOH的烧杯共置于1 L的培养瓶中, 在21 ℃下密闭培养10 d, 随后以1.5 mol·L-1的BaCl2和0.l mol·L-1的HC1滴定NaOH吸收的CO2, 以此来测定潜在可矿化碳含量。3)土壤微生物量碳:采用氯仿熏蒸培养法[14]测定, 取10 g土样于烧杯中, 用蒸馏水调节至50%的田间持水量培养10 d, 氯仿熏蒸24 h后再培养10 d, 用与潜在可矿化碳相同的方法测定土壤微生物量碳含量。4)土壤颗粒有机碳:采用六偏磷酸钠分散法[15]测定, 称取风干土样10 g, 加入5 g·L-1的六偏磷酸钠溶液30 mL, 振荡16 h后将溶液置于53 μm筛上, 用蒸馏水冲洗至沥滤液澄清, 将过滤出的土壤在55 ℃下烘干至恒重, 计算其占整个土样的百分比。去除无机碳后, 用EA 3000元素分析仪测定烘干样品, 将烘干样品中的有机碳含量换算为单位质量土样对应组分的有机碳含量即为颗粒有机碳含量。

1.4 数据统计分析

计算土壤有机碳活性组分的相对含量, 计算公式:碳组分绝对含量/土壤有机碳含量×100%[5]。采用Microsoft Excel 2010处理数据, Origin 19作图, SPSS 20进行单因素方差分析, 各处理、各生育时期之间差异显著性的多重比较采用最小显著差异(LSD0.05)法。

2 结果与分析 2.1 不同覆盖处理下土壤有机碳含量

表 2为覆盖8 a后土壤有机碳的生长季动态特征。0~10 cm土层, SM处理土壤有机碳在玉米苗期无显著变化, 拔节期显著上升, 随后下降回复到苗期水平, 收获期回升播前水平; PM和CK处理土壤有机碳含量在各个时期差异不显著。10~20 cm土层, SM处理土壤有机碳在苗期和拔节期无明显变化, 随后下降, 灌浆和收获期回升; PM的动态与0~10 cm土层SM基本一致, 而CK在生育期无明显变化。20~40 cm土层, SM土壤有机碳在苗期无变化, 随后逐渐降低并趋于平缓, 收获期回升; PM和CK处理则均表现为苗期、拔节期显著下降, 随后降低并趋于平缓, 收获期回升。

表2 长期不同地表覆盖下春玉米不同生育期土壤有机碳含量动态 Table 2 Soil organic carbon contents under long term different mulching treatments at different growth stages of spring maize

处理间比较而言, SM处理有机碳始终高于CK、PM。0~10 cm土层, SM较CK的增幅为8.47%~11.92% (P＜0.05), 其中收获期增幅最大。PM处理有机碳在灌浆期较CK有显著下降。10~20 cm土层, 与CK相比, SM处理在除大喇叭口—抽雄期外的其他时期均显著提高了有机碳含量, 增幅为3.20%~9.77%(P＜0.05), 其中在收获期增幅最大, 而PM处理有机碳含量在各生育期均显著低于SM, 且在大喇叭口—抽雄期和灌浆期分别较CK降低了5.12%和3.65%(P＜0.05)。20~40 cm土层, SM在苗期、拔节期、大喇叭口—抽雄期、灌浆期较CK和PM显著提高了土壤有机碳含量, 其中较CK的增幅为2.72%~7.37% (P＜0.05), CK和PM的差异在各个时期均不显著。

2.2 不同覆盖处理下土壤微生物量碳含量

生育期内各处理土壤微生物量碳动态如表 3所示。0~10 cm土层, SM处理微生物量碳表现为苗期下降、拔节期上升、大喇叭口—抽雄期下降、灌浆和收获期回升, PM、CK不同时期均无显著变化。10~20 cm土层, SM处理苗期土壤微生物量碳与播前差异不大, 随后的变化趋势与0~10 cm土层相同, PM在各时期差异不显著; CK则表现为播前和收获期高于大喇叭口—抽雄期(P＜0.05)。20~40 cm土层, SM处理拔节期与播前和苗期相比无显著变化, 变化趋势与0~10 cm土层相同, PM处理微生物量碳在苗期有所下降, 随后趋于稳定; CK处理呈现逐渐下降—回升趋势, 其中最低值出现在大喇叭口—抽雄期。

表3 长期不同地表覆盖下春玉米不同生育期土壤微生物量碳含量动态 Table 3 Soil microbial biomass carbon contents under long term different mulching treatments at different growth stages of spring maize

处理间比较, SM处理在各土层土壤微生物量碳含量始终高于PM和CK。其中, 0~10 cm土层, 拔节期、灌浆期、收获期SM均较CK差异显著, 增幅为19.51%~26.72%(P＜0.05)。在大喇叭口—抽雄期、收获期PM土壤微生物量碳含量分别较CK降低了21.43%、11.56%(P＜0.05)。10~20 cm土层, SM处理土壤微生物量碳在拔节期、灌浆期、收获期分别较CK提高了18.28%、31.00%和21.62%(P＜0.05), 而PM在收获期较CK降低了6.76%(P＜0.05)。20~40 cm土层, SM土壤微生物量碳含量在拔节期较CK提高了18.63%(P＜0.05)。PM在灌浆期、收获期较CK降低了24.18%、25.51%(P＜0.05)。另外在拔节、灌浆、收获期SM与PM处理在各个土层大多数差异显著。

土壤微生物量碳相对含量在玉米生育期的动态与其绝对含量基本一致(表 4)。0~10 cm土层, 与CK相比, SM处理土壤微生物量碳相对含量在灌浆期有显著提高, 而PM处理较CK在大喇叭口—抽雄期和收获期有显著下降, 并在拔节期、大喇叭口—抽雄期、灌浆期、收获期均显著低于SM处理。10~20 cm土层, 土壤微生物量碳相对含量SM在拔节期、灌浆期较CK有显著提高, PM在收获期较CK有显著下降。SM在拔节期、灌浆期、收获期显著高于PM处理。20~40 cm土层, 灌浆期、收获期土壤微生物量碳相对含量SM与CK差异不显著, 而同时期PM则较CK显著降低微生物量碳相对含量。

表4 长期不同地表覆盖下春玉米不同生育期土壤微生物量碳相对含量动态 Table 4 Proportions of microbial biomass carbon to soil organic carbon under long term different mulching treatments at different
2.3 不同覆盖处理下土壤潜在可矿化碳含量

土壤潜在可矿化碳的生育期动态如表 5所示。0~10 cm土层, SM在苗期无变化, 拔节期上升, 大喇叭口—抽雄期下降, 灌浆、收获期回升; PM的变化趋势与SM一致; CK前期变化与SM一致, 在大喇叭口—抽雄期下降后趋于稳定。10~20 cm土层, SM在苗期下降, 其余变化与0~10 cm土层一致; CK与SM变化一致; PM在苗期无变化, 拔节期上升, 随后下降, 灌浆、收获期回升。20~40 cm土层, SM、PM、CK均在苗期下降, 拔节期上升, 随后下降并趋于稳定, 收获期回升。

表5 长期不同地表覆盖下春玉米不同生育期土壤潜在可矿化碳含量动态 Table 5 Soil potential mineralized carbon contents under long term different mulching treatments at different growth stages of spring maize

生育期内SM处理的土壤潜在可矿化碳含量始终高于CK和PM。0~10 cm土层, 与CK相比, SM提高了播前、苗期、灌浆期、收获期的土壤潜在可矿化碳含量, 增幅为5.93%~28.30%(P＜0.05), 灌浆期增幅最大。PM在大喇叭口—抽雄期和收获期土壤潜在可矿化碳含量较CK显著下降, 降幅分别为30.39%和8.96%(P＜0.05)。10~20 cm土层, SM在播前、苗期、大喇叭口—抽雄期、灌浆期和收获期较CK提高土壤潜在可矿化碳含量, 增幅为13.26%~28.51%(P＜0.05), 其中灌浆期增幅最大。PM在大喇叭口—抽雄期和收获期较CK降低土壤潜在可矿化碳含量23.21%、7.18%(P＜0.05)。在除了拔节期的其他时期, SM与PM处理下0~20 cm两个土层均差异显著。20~40 cm土层, SM在收获期较CK提高了土壤潜在可矿化碳含量24.14%(P＜0.05), PM在苗期较CK降低潜在可矿化碳含量15.14% (P＜0.05), 苗期、收获期SM与PM的土壤潜在可矿化碳含量均差异显著。

生育期内土壤潜在可矿化碳相对含量变化与绝对含量基本一致(表 6)。0~10 cm土层, 与CK相比, SM在灌浆期、收获期有显著提高, 而PM在大喇叭口—抽雄期、收获期有显著降低, 大喇叭口—抽雄期、灌浆期、收获期SM高于PM。在10~20 cm土层, 在播前、大喇叭口—抽雄期、灌浆期、收获期SM均显著高于CK和PM, 且PM在大喇叭口—抽雄期较CK显著降低。在20~40 cm土层, SM在收获期较CK显著提高了土壤潜在可矿化碳相对含量, PM在苗期较CK有显著降低。

表6 长期不同地表覆盖下春玉米不同生育期土壤潜在可矿化碳相对含量动态 Table 6 Proportions of potential mineralized carbon to soil organic carbon under long term different mulching treatments at different growth stages of spring maize
2.4 不同覆盖处理下土壤颗粒有机碳含量

土壤颗粒有机碳在春玉米生育期内的动态如表 7所示。0~10 cm土层, SM在苗期较播前有所下降, 拔节期无变化, 大喇叭口—抽雄期下降, 灌浆、收获期持续回升; PM的变化趋势与SM一致, 但收获期低于播前水平; CK在苗期和拔节期无显著变化, 随后趋势与SM一致, 且收获期低于播前水平。10~20 cm土层, SM在6个时期均无显著变化; PM在拔节期上升, 其余变化与SM 0~10 cm土层一致; CK与PM前中期变化一致, 只是灌浆、收获期回升后趋于稳定, 未达到播前水平。20~40 cm土层, SM在苗期、拔节期无明显变化, 随后趋势与SM 0~10 cm土层基本一致; PM与CK均在苗期下降, 拔节期无变化, 大喇叭口—抽雄期和灌浆期持续下降并趋于稳定, 收获期回升且低于播前水平。

表7 长期不同地表覆盖下春玉米不同生育期土壤颗粒有机碳含量动态 Table 7 Soil particulate organic carbon contents under long term different mulching treatments at different growth stages of spring maize

生育期内SM的颗粒有机碳含量始终高于另外两个处理。0~10 cm土层, 6个生育时期SM较CK增幅为34.68%~61.67%(P＜0.05), 收获期增幅最大; PM在大喇叭口—抽雄期较CK降低15.90%(P＜0.05), 且在各生育期均显著低于SM处理。在10~20 cm土层, 与CK相比, SM提高了除播前外其他时期的颗粒有机碳含量, 增幅为16.52%~59.44%(P＜0.05), 大喇叭口—抽雄期增幅最大; PM在播前、灌浆期较CK分别降低了12.30%、16.08%(P＜0.05), 且在各时期均显著低于SM处理。在20~40 cm土层, SM在拔节期、大喇叭口—抽雄期、灌浆期及收获期均较CK和PM显著提高了颗粒有机碳含量, 较CK的增幅为6.85%~43.69%(P＜0.05), 收获期增幅最大; PM颗粒有机碳含量在拔节期较CK降低了12.02% (P＜0.05)。

土壤颗粒有机碳相对含量的生育期动态与其绝对含量基本一致(表 8)。0~10 cm土层, SM在各生育期颗粒有机碳相对含量均显著高于其他处理, PM在大喇叭口—雄期显著低于CK。10~20 cm土层, SM较CK显著提高了除播前外其他时期的颗粒有机碳相对含量, PM在播前、灌浆期较CK有显著下降。20~40 cm土层, SM在大喇叭口—抽雄期、灌浆期、收获期显著高于CK, 而PM在拔节期较CK有显著降低。拔节期、大喇叭口—抽雄期、灌浆期、收获期SM与PM均差异显著。

表8 长期不同地表覆盖下春玉米不同生育期土壤颗粒有机碳相对含量动态 Table 8 Proportions of particulate organic carbon to soil organic carbon under long term different mulching treatments at different growth stages of spring maize
3 讨论

农田土壤有机碳含量由进入土壤与从土壤中损失的有机碳之间的动态平衡决定, 其季节变化特征是作物生育进程和管理措施交互作用的结果。本研究中, 秸秆覆盖在大部分生育期均高于对照处理, 其土壤有机碳含量表现出播前至苗期无变化、拔节期上升、大喇叭口—抽雄期下降、灌浆和收获期回升的季节变化特征。秸秆覆盖导致土壤有机碳含量提高, 一方面是由于增加了土壤有机质的输入[16], 另一方面是由于其显著的稳温保水作用有利于土壤有机碳的积累[9]。根据前人研究, 玉米在不同阶段吸收养分的数量和比例差异较大[17]。苗期玉米植株较小且生长缓慢, 所需养分较少, 土壤有机碳无明显变化; 进入拔节期, 覆盖的秸秆会逐渐腐解补充土壤碳库; 大喇叭口—抽雄期, 玉米营养生长与生殖生长并进, 旺盛的生育活动会刺激土壤微生物活动, 土壤有机碳下降; 灌浆和收获期植株生长基本停止, 对土壤养分需求较低, 此外该阶段植株根系分泌物增多、部分凋零枝叶开始补给土壤[18], 增加了土壤有机质的输入, 导致土壤有机碳含量回升。本文秸秆覆盖后土壤有机碳的生育期动态与蔡太义[19]在渭北旱塬的报道一致, 与卜玉山等[9]在山西寿阳的研究略有不同。后者研究表明, 秸秆覆盖仅在春玉米生育后期较对照显著提高了土壤有机碳, 这可能是由于其试验布设年限较短, 秸秆覆盖对土壤有机碳的累积补充作用不显著。地膜覆盖后土壤有机碳在耕层(0~20 cm)无显著季节变化, 且在生育后期(大喇叭口—抽雄期、灌浆及收获期)较对照有显著下降, 而在耕作下层变化趋势与秸秆覆盖相似, 这与卜玉山等[9]报道相一致。地膜覆盖后土壤温度升高, 会加速土壤碳的矿化过程[9], 不利于土壤有机碳积累; 而地膜覆盖下表层土壤有机碳在生育期无显著变化, 可能与覆盖方式对玉米根系空间分布的影响有关。前人研究表明, 地膜覆盖有利于促进旱地玉米根系下扎, 且随土层加深根系越发达, 更利于玉米植株吸收深层土壤的养分[20], 因此地膜覆盖下深层土壤更易受玉米生育进程的影响, 动态变化更明显。

土壤微生物量碳是土壤有机质中最活跃的部分, 对管理措施反映极为灵敏[21]。本文中, 秸秆覆盖较对照显著提高了拔节、灌浆及收获期的土壤微生物量碳含量, 这与贾会娟[22]在西南丘陵玉米田的研究结果一致, 但与吴荣美等[23]在半干旱黄土高原的研究略有不同, 可能是因为后者的试验设置为秸秆粉碎覆盖而非整株覆盖。苗期秸秆覆盖产生的低温效应使微生物活性降低[19], 拔节期逐渐腐解的秸秆可为微生物提供充足营养, 随后阶段作物与微生物对土壤养分的强烈竞争可能会抑制微生物生长, 而进入灌浆和收获期, 更多底物补给促使土壤微生物活动增强[24], 导致微生物量碳回升。与土壤有机碳相似, 地膜覆盖后土壤微生物量碳在耕层并无明显季节变化, 且在生育后期较对照有显著下降, 这与张成娥等[25]在黄土高原的研究一致。而李世清等[8]的研究则表明地膜覆盖会提高小麦生育期微生物量碳, 这可能与作物和试验年限不同有关。需要注意的是, 秸秆覆盖下表层和地膜覆盖处理的耕作下层土壤微生物量碳均在不同生育时期出现显著波动, 但其相对含量并无明显变化, 这说明尽管覆盖改变了土壤总有机碳库, 但并未影响到微生物量碳组分所占比例, 微生物量碳的增加或降低是土壤总有机碳变化的结果。

潜在可矿化碳是土壤微生物分解有机物质过程中每单位微生物量所产生的CO2量, 其可以有效反映土壤有机碳的分解程度和土壤微生物活性[26]。本研究中秸秆覆盖下土壤潜在可矿化碳含量有显著提高, 其生育期动态与微生物量碳基本一致。秸秆覆盖可以增加土壤有机质的输入, 在一定程度上减少土壤有机碳的矿化分解, 进而提高潜在可矿化碳[27-28]。秸秆覆盖下土壤潜在可矿化碳的相对含量在各生育期变化不大, 土壤可矿化碳的增加或降低是土壤总有机碳变化的结果; 而对照处理在大喇叭口—抽雄期至收获期潜在可矿化碳相对含量有显著下降, 说明秸秆覆盖可能对玉米生育后期潜在可矿化碳有重要的补充作用。与对照相比, 地膜覆盖处理显著降低了生育后期的潜在可矿化碳含量。地膜覆盖下较高的温度加速了土壤有机碳的矿化分解, 在一定程度上会导致潜在可矿化碳含量下降。地膜覆盖下潜在可矿化碳的相对含量也有显著季节变化, 并且在大喇叭口—抽雄期表现的尤为明显, 这说明地膜覆盖下潜在可矿化碳组分的改变对总有机碳的动态变化有重要贡献。

颗粒有机碳是与土壤砂粒组分结合的有机碳, 其周转速度较土壤有机碳更快, 对表层土壤植物残体的积累和根系分布变化非常敏感[15]。本研究除10~20 cm土层颗粒有机碳无明显变化外, 其余土层颗粒有机碳的季节动态与土壤有机碳基本一致, 且秸秆覆盖显著提高了大多数生育时期的颗粒有机碳含量。秸秆覆盖对土壤起到一定的保护作用, 可以促进土壤的团聚作用[29], 因而可以提高颗粒有机碳。与对照相比, 地膜覆盖后在生育后期土壤颗粒有机碳含量有所下降, 表明覆膜引起的土壤水热条件变化后加速了土壤颗粒有机碳的矿化过程[5]。另外, 秸秆覆盖处理土壤表层以及地膜覆盖处理土壤颗粒有机碳的相对含量在不同生育期都发生了显著变化, 表明地表覆盖后容易引起土壤颗粒有机碳组分的改变, 而这种改变对总有机碳的动态具有重要贡献。

4 结论

本研究基于黄土高原8 a的田间定位试验, 比较分析了长期秸秆和地膜覆盖下土壤有机碳及其组分在玉米不同生育期的动态特征。获得的主要结论有: 1)除了地膜覆盖耕层土壤有机碳、微生物量碳和秸秆覆盖10~20 cm土层颗粒有机碳无显著变化外, 秸秆和地膜覆盖下土壤有机碳及其组分在春玉米生育期基本呈苗期下降、拔节期上升、大喇叭口—抽雄期下降、灌浆和收获期回升的变化趋势。2)与对照相比, 秸秆覆盖在作物大多数生育期均显著提高了土壤有机碳及其组分含量, 有助于培肥地力和土壤固碳; 而地膜覆盖在生育后期导致土壤有机碳及其组分出现显著下降。3)不同处理土壤微生物量碳相对含量在作物不同生育期差异不显著, 而秸秆覆盖下0~10 cm土层颗粒有机碳对土壤有机碳变化具有重要贡献, 而地膜覆盖后土壤有机碳变化可能主要来自于土壤潜在可矿化碳和颗粒有机碳。4)对照和地膜覆盖处理土壤潜在可矿化碳和颗粒有机碳的相对含量在大喇叭口—抽雄期均显著下降, 而秸秆覆盖下两种组分的相对含量则保持平稳, 表明秸秆覆盖对生育后期土壤潜在可矿化碳和颗粒有机碳有重要的补给作用。

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