耕作措施对土壤有机碳和活性有机碳的影响分析

2018-02-12胡娜李广

乡村科技 2018年30期

关键词：碳库土壤有机耕作

胡娜李广

（甘肃农业大学，甘肃兰州 730070）

在传统农业向现代化农业转型发展的过程中，土地整治越来越受重视。土地整治的主要目的是改善土壤质量并形成固碳，通过人为措施影响土壤碳库，为农作物生长提供更有利的环境，从而达到优化土地利用和促进农业增效的目的。

1 研究背景及现状

1.1 研究背景

农田土壤在陆地生态系统中占有重要地位，虽然受人为干扰较为严重，但也可在短时间内完成碳库调节，对全球碳循环有直接影响。土壤有机质对作物生长影响较大，但实际仅在土壤总质量中占据较小部分。土壤活性有机碳则是指土壤中容易分解的有机碳，对环境变化较为敏感，具有移动快、易氧化、易分解和易矿化等特点。通常将土壤中的活性有机碳称为植物的养分库，可以起到维持土壤结构稳定、为植物供给养分等作用。我国旱区耕地面积较大，但在传统的粗放式农业发展模式下，资源掠夺现象十分严重，进而引发了水土流失和土地荒漠化等问题。目前已经有超过80%的农田受到土壤侵蚀，有机碳及生产力水平不断下降。耕作措施作为土壤有机碳水平的重要影响因素，可以采取合理的翻耕方式，加快有机碳的形成，为植物生长提供养分的同时减少温室气体排放。因此，目前相关课题的研究逐渐受到了关注［1］。

1.2 相关研究现状

从现有研究成果来看，保护性耕作措施对于增加土壤中有机质含量有显著效果，相比于常规耕作方法，能够增加土壤表层生物活性，促进有机碳含量的提升，从而增加土壤团聚体的稳定性和水稳定性。比如，已经有学者对秸秆覆盖影响土壤容重和孔隙度等方面的机制展开研究，证明秸秆覆盖能够抑制地表水分流失，改善土壤通透性，优化肥力条件。土壤是碳和其他营养元素的主要存储空间和交换空间，有机碳含量仅次于海洋。但目前的研究主要集中于土壤有机碳和活性有机碳测定等方面，在农业生产过程中能够借鉴的经验较少，需要结合实际农业生产环境，研究耕种措施对土壤有机碳和活性有机碳的影响，从而为实际生产活动提供更多有价值的参考［2］。

2 试验研究方法

2.1 试验区概况

本次研究的试验区位于甘肃省定西市安定区凤翔镇安家坡村，该试验区属于黄土高原地貌，处于温带半干旱区，平均海拔2 000 m，年平均降雨量385 mm，年均气温6.4℃，无霜期为140 d。试验区以黄绵土为主，耕层容重为1.26 g/cm3。土壤中全氮含量为0.61 g/kg，土壤有机碳含量为6.21 g/kg。

2.2 试验方法

在本次试验中，选取定西市的常种纯小麦“定西42号”作为供试品种，在自然状态下种植。试验前首先调查了解当地的种植模式和施肥经验，根据了解到的情况，将试验地面积设计为24 m2，采用人工播种方式，播种量为187.5 kg/hm2，行间距设置为25 cm，将过磷酸二铵和尿素作为基肥，其中过磷酸二铵施用量为150.0 kg/hm2，尿素施用量为62.5 kg/hm2。在试验过程中共设计1个对照组和3个试验组，其中对照组采用传统耕作方式（T组）。3个试验组分别为传统耕作+秸秆覆盖方式（TS组）、免耕方式（NT组）、免耕+秸秆覆盖方式（NTS组）。每个处理重复进行3次，共计12个小区。分别在播种前、分蘖期、拔节期、开花期和成熟期，在田间按对角线方向随机选取3个采样点，钻取1～10 cm、10～20 cm、20～40 cm的土壤样品各1份封装于袋中，带回实验室进行去石头、去根系处理，经过风干后过0.15 mm筛，然后测定样品有机碳和活性有机碳含量。

2.3 测量及数据处理方法

分别采取以下方法对土壤样品中的总有机碳含量和活性有机碳含量进行测定。总有机碳采用重铬酸钾氧化外加热方法进行测定，在外加热条件下，采用重铬酸钾—硫酸溶液对土壤有机质进行氧化，剩余的重铬酸钾采用标准硫酸亚铁滴定，根据重铬酸钾消耗量计算总有机碳含量。活性有机碳采用高锰酸钾氧化方法进行测定，称取15 mg土壤样品，放置于离心管中，向离心管中加入20 mL浓度分别为33、167、333 mmol/L的高锰酸钾溶液，振荡1 h后，在2 000 r/min条件下进行离心处理，经过5 min后将上清液用离子水稀释，使用分光光度计对吸收后的样品进行测定，并与不加土壤的空白组对比，通过对比吸光度之差，计算高锰酸钾的浓度变化。然后对活性有机碳含量进行计算，在3个浓度条件下计算出的活性有机碳含量分别为高活性、中活性、活性有机碳含量。

在库管理指数计算方面，则利用下列公式进行计算：①碳库指数=土壤有机碳含量/参考农田土壤有机碳含量；②碳库活度=活性有机碳×100/稳态碳；③稳态碳=土壤有机碳-活性有机碳。④碳库活度指数=碳库活度/参考土壤碳库活度；⑤碳库管理指数=碳库指数×碳库活度指数×100。在上述试验数据计算和整理过程中，主要采用SPSS13.0统计分析软件，并利用Excel制作图表。分别进行单因素方差分析，根据Duncan法采用0.05显著水平检验不同耕作措施的影响显著性。

3 结果与分析

3.1 对土壤有机碳的影响

在上述试验过程中，土壤各层的有机碳和活性有机碳含量均为NTS组＞TS组＞NT组＞T组。而且保护性耕作的有机碳土层分布情况为1～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm，活性有机碳的部分情况为1～10 cm＞20～30 cm＞10～20 cm。通过对相关指数进行计算和统计可知，保护性耕作的碳库管理指数明显高于传统耕作模式的碳库管理指数，且在保护性耕作中，NTS组的碳库管理指数最高。土壤中的有机碳含量反映的是碳循环和土壤质量水平，其稳定性和转化率可以作为评价农业生产可持续发展的指标。采取试验组中的免耕和覆盖措施，能够提高土壤表层的有机碳含量，相当于发挥着碳截获功能。农业耕作土壤的有机碳特征受长期耕作和施肥等方面的影响，改善农业耕作管理措施，不仅能够改善土壤有机碳含量水平和稳定性，而且能够减少碳净排放量。特别是在本次试验过程中1～10 cm土层的土壤有机碳含量明显高于传统耕作方式。在3种保护性耕作方式中，秸秆免耕处理的有机碳增加效果最为显著，这是由于免耕和秸秆覆盖措施都能减小因土壤耕作产生的碳损失量，抑制土壤在耕作过程中的碳释放过程，起到土壤碳固化的作用。

另外，传统处理方式下的表层以下土壤不断暴露，在干湿交替情况下，土壤中的有机碳积累条件发生改变。部分地上作物被收走后，更会加快传统土壤中有机碳含量的下降。在覆盖秸秆的情况下，虽然也对土壤进行翻耕，但作物收获后有还田的秸秆，可以对土壤中的有机碳进行补充。免耕方式的优势在于可以增加有机碳含量，减少土壤扰动，抑制土壤有机碳转化，从而有利于土壤中有机碳的积累。对于不同处理来说，3个土层中的有机碳含量高低顺序是一致的，这也有研究结果可以互相验证，主要是由于有机碳在土壤中移动较快，某一土层中的有机碳含量较高，其他土层也会较高。3个土层中含量最高的都是免耕和秸秆覆盖处理组，这种方式能够明显增加地表有机质输入，形成表聚作用。而且免耕方式有利于土壤中水分和养分的积累，能够为农作物生长提供一个良好的环境。

3.2 对活性有机碳的影响

从耕作措施对土壤中活性有机碳的影响情况来看，本次试验分别测定了高活性、中活性、活性有机碳含量。首先从对照组与试验组的对比情况来看，传统耕作方式下，由于土壤频繁受到扰动，潜在微生物出现碳裸露情况，活性有机碳被矿化而损失。相比之下，由于秸秆覆盖措施能够增加土壤团聚体保护作用，补充碳源，可以增强土壤碳库周转速率，提高土壤中的易氧化有机碳比例。免耕措施则是通过减少土壤扰动，降低活性有机碳转化，从而提升土壤中的活性有机碳含量。本次研究结果也表明，不同耕作措施对于土壤中的活性有机碳含量影响较大，实际上不同耕作方式的差别在于有机物质的投入、土壤耕作频率等。土壤表层的活性有机碳含量与有机碳含量变化基本趋于一致，而且比有机碳含量变化更快，说明活性有机碳对土壤条件的反应更加敏感。在3种保护性耕作方式下，土壤各分层机构中的活性有机碳含量均高于传统耕作方式，同样在1～10 cm土层中差距最为明显。除了上述原因外，传统耕作方式还会对土壤结构造成一定程度的破坏，导致土壤受到风蚀或水力侵蚀，进而导致土壤中的活性有机碳含量减少。在免耕+秸秆覆盖方式下，土壤中的活性有机碳含量最高，说明秸秆还田能够提供大量活性有机质，而且改善了土壤通气状况，有利于土壤微生物活动。相比之下，秸秆覆盖方式比免耕方式对提升活性有机碳含量的贡献率更高。