保護性耕作下土壤碳庫動態(tài)監(jiān)測的有效性

土壤中的有機碳儲量由不同的穩(wěn)定性組成，其概括包括活、慢和壞的光譜。土壤總有機碳可能在較短時間內(nèi)對因農(nóng)業(yè)管理措施導(dǎo)致的土壤質(zhì)量的變化反映不甚敏感。因此,前人試圖用土壤有機碳亞庫來指示全碳變化。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施(如土壤耕作管理、植物殘體或有機物料的還田等)引起土壤碳庫的最初變化主要是易分解、礦化,即活性碳部分。一些研究發(fā)現(xiàn),土壤活性有機碳對耕作方式和秸稈還田的反應(yīng)更為迅速。盡管這部分碳素占全碳的比例很小,但它們對土壤碳素的轉(zhuǎn)化很重要,而且與土壤生產(chǎn)力密切相關(guān)。測定土壤活性有機碳組分方面,提出過許多方法,如物理組分、化學(xué)氧化和生物活性測定法等。這些方法中,KMnO4氧化法被認為是簡單易行,并被廣泛用來研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施對土壤活性有機碳的影響。這個方法最早由Loginow等(1987)提出,他根據(jù)高錳酸鉀氧化強度來確定土壤有機碳的活性部分。Blair等對此方法進行了修改,并在此基礎(chǔ)上提出了表示土壤活性碳的一些相關(guān)概念。國外在這方面的研究已經(jīng)不少,而我國的研究還不多。保護性耕作是對農(nóng)田實行免耕、少耕,并用作物秸稈覆蓋地表,以減少風(fēng)蝕、水蝕,提高土地肥力和抗旱能力的先進農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)。近年來的研究表明,保護性耕作有利于土壤碳固定,減少溫室氣體排放,通過改變農(nóng)業(yè)管理措施(耕作措施和秸稈覆蓋)和農(nóng)業(yè)投入而使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳含量提高,同時減少CO2向大氣中的釋放。但是關(guān)于耕作措施對土壤活性碳庫及碳庫管理指數(shù)的影響還未見報道。本研究運用高錳酸鉀氧化法測定了保護性耕作下土壤活性碳,并計算出了土壤碳庫管理指數(shù),旨在探討土壤碳庫管理指數(shù)對長期保護性耕作下土壤碳庫動態(tài)監(jiān)測的有效性,旨在為深入研究和評價保護性耕作對土壤有機碳的影響提供依據(jù)。1材料和方法1.1試驗地和試驗土保護性耕作長期定位試驗于2001年在中科院欒城生態(tài)試驗站進行。試驗站位于河北省石家莊市欒城縣聶家莊鄉(xiāng),114°40′E,37°50′N,海拔50.1m,年均氣溫12.2℃,年平均降雨量480.7mm。試驗土壤為潮褐土,質(zhì)地為壤土,是典型的小麥/玉米一年兩熟農(nóng)作區(qū)。在2005年10月份于小麥播種前取樣,其中不同處理各點分0～10cm,10～20cm和20～30cm三個層次,采集5個點的混合土樣,當(dāng)天運回實驗室,撿去作物根系和小石頭,自然風(fēng)干,過0.25mm篩,用于土壤總有機碳和活性碳的測定。1.2耕作秸稈還田試驗采用大田方法,共設(shè)4個處理:翻耕秸稈不還田(對照);翻耕秸稈還田;旋耕秸稈還田和免耕秸稈還田。其中秸稈還田是指播種小麥時玉米秸稈還田,每處理0.333hm2,每個處理選擇地力均勻的3個點進行取樣與測定。1.3活性有機碳的測定土壤總有機碳的測定采用常規(guī)方法。土壤活性有機碳測定:稱量處理過約含15mg有機碳的土樣,放在塑料瓶(100ml)內(nèi),用333mmol/LKMnO4溶液25ml震蕩處理1h,震蕩后離心5min(4000r/min),取上清夜,用去離子水按1∶250比例稀釋,然后用分光光度計565nm比色測定,根據(jù)KMnO4濃度的變化計算活性有機碳含量,單位mgC/g(即每1g干土中含活性有機碳量)。1.4碳庫活度的確定碳庫指數(shù)(CPI)=農(nóng)田土壤有機碳/參考農(nóng)田土壤有機碳;碳庫活度(A)=活性碳/穩(wěn)態(tài)碳;碳庫活度指數(shù)(AI)=農(nóng)田碳庫活度/參考土壤碳庫活度;碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100。2結(jié)果與分析2.1秸稈還田對土壤有機碳的影響從圖1可以看出,各處理下土壤總有機碳在3個層次中均表現(xiàn)為0～10cm大于10～20cm,大于20～30cm。但不同耕作方式和秸稈還田對土壤總有機碳量有很大影響,其0～30cm的平均總有機碳含量大小為旋耕>免耕>翻耕>對照。就秸稈是否還田的兩塊翻耕地來說,秸稈還田有利于提高0～20cm土層的總有機碳,0～10cm和10～20cm分別提高了5.732%和2.128%,但是卻降低了20～30cm土層的總有機碳,對0～30cm土層來說,秸稈還田提高了1.896%土壤總有機碳。就秸稈還田的3種耕作方式來說,其0～30cm土層的有機碳含量分別是6.510g/kg,7.402g/kg和6.513g/kg,旋耕有利于提高土壤總有機碳,其次是免耕和翻耕。其中旋耕和免耕有利于提高表層土壤有機碳含量,旋耕和翻耕有利于提高耕層碳含量。對4個處理的各層次進行方差分析,只有0～10cm土層達到顯著水平,即旋耕和免耕顯著提高土壤表層總有機碳。2.230cm土壤活性有機碳含量表示單位質(zhì)量土壤中的活性有機碳質(zhì)量。從圖2可以看出,各處理下土壤活性碳在3個層次中均與土壤總有機碳一致,即0～10cm大于10～20cm,大于20～30cm。但各處理土壤活性碳平均含量與總有機碳含量不一致,為旋耕>翻耕>對照>免耕。就秸稈是否還田的兩塊翻耕地來說,秸稈還田有利于提高0～10cm和20～30cm土層的活性碳,但是卻降低了10～20cm土層的活性碳。就秸稈還田的3種耕作方式來說,其0～30cm土層的有機碳含量分別是1.748g/kg,1.788g/kg和1.604g/kg,旋耕和翻耕有利于提高土壤活性碳,免耕則降低土壤活性碳,尤其是10～20cm土層活性碳比旋耕下降了27.33%。2.3不同土層管理指數(shù)的比較將對照看作參照土壤,對不同處理不同層次的碳庫管理指數(shù)進行計算如表2。從表中可以看出,在0～10cm土層和0～30cm土層平均值中,各參數(shù)的變化趨勢大致相同,即UAC和CPI為旋耕>免耕>翻耕>對照,且旋耕和免耕顯著大于翻耕和對照,A和AI為翻耕>對照>免耕>旋耕,CPMI為翻耕>旋耕,而0～10cm土層CPMI為免耕>對照,0～30cm平均值中則相反。說明在華北平原0～30cm土層的碳庫各項指數(shù)受表層的影響比較大,其中保護性耕作(少免耕和秸稈還田)能增加土層的總有機碳、穩(wěn)態(tài)碳和碳庫指數(shù);而翻耕秸稈還田則提高A和AI,少免耕則降低了土壤的A和AI;就碳庫管理指數(shù)來講,秸稈還田的貢獻大于耕作措施。在10～30cm土層各管理指數(shù)變化很大。在10～20cm土層中,UAC和CPI為翻耕>對照>旋耕>免耕,A和AI為旋耕>對照>翻耕>免耕,CPMI為旋耕>對照>翻耕>免耕。在耕層免耕的碳庫各項管理指數(shù)均最低,少耕秸稈還田提高了碳庫活度、活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù),翻耕秸稈還田提高穩(wěn)態(tài)碳和碳庫指數(shù)。在20～30cm土層中,UAC和CPI為旋耕>對照>免耕>翻耕,A和AI為翻耕>免耕>對照>旋耕,CPMI為免耕>翻耕>對照>旋耕。在該層次中旋耕提高了穩(wěn)態(tài)碳和碳庫指數(shù),卻降低了碳庫活度、活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)。3旋耕和秸稈還田對土壤有機碳的積累與發(fā)展土壤有機碳是指存在于土壤中所有含碳的有機物質(zhì),它包括土壤中的各種動、植物殘體,微生物體及其分解和合成的各種有機物質(zhì)。盡管土壤有機碳只占土壤總重量的很小一部分,但它在土壤肥力、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均起著極其重要的作用。一方面它含有植物生長所需要的各種營養(yǎng)元素,使土壤生物生命活動的能源,對土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)都有著深刻的影響。另一方面,土壤有機碳對全球碳平衡起著重要作用,被認為是影響全球“溫室效應(yīng)”的主要因素。一般認為農(nóng)田SOC含量與有機質(zhì)輸入和耕作程度呈線性相關(guān)。本研究認為,就秸稈是否還田的兩個翻耕處理來說,秸稈還田0～30cm土層比翻耕秸稈不還田提高了1.896%,這種土壤有機碳的提高主要是因為秸稈還田的效果,這與前人研究的結(jié)果相同。秸稈都還田的3種耕作方式下0～30cm土層的有機碳含量分別是6.510g/kg,7.402g/kg和6.513g/kg,旋耕和免耕分別比翻耕提高了13.702%和0.0461%,比對照提高了15.855%和1.941%,旋耕秸稈還田對土壤有機碳的積累效果最好,主要是因為保護性耕作減少了地面作業(yè),降低了土壤擾動,同時保留殘茬也能通過減低雨滴的擊濺來加強土壤水的入滲,從而減少了含較高有機碳表土的流失。但是免耕秸稈還田提高有機碳含量并不是太理想,與前人的研究結(jié)果相差很大,如在英國,免耕土壤比傳統(tǒng)耕作提高8%的碳含量。分析原因可能在于免耕作物生物量低,秸稈還田量少,2004～2005年翻耕、旋耕和免耕的還田量分別是59.056kg/hm2,55.377kg/hm2和46.905kg/hm2;免耕條件下秸稈聚集在5cm的土層,與翻耕和旋耕相比分解速度比較慢,與其他國外的長期定位試驗相比免耕的時間相對較短,秸稈效應(yīng)沒有完全體現(xiàn)出來。Dalal和Chan按化學(xué)性質(zhì)把土壤有機碳分為3個部分,即活躍碳庫、非活躍碳庫和惰性碳庫?；钴S碳庫(activeCpool)的特征是其在土壤中的更新速率快,能迅速得到更新?；钴S碳一般指的是顆粒有機質(zhì)(particulateorganicmatter),或者是指大致為保存在粒徑>20μm或>53μm砂粒中的有機碳?；钴S碳庫有機質(zhì)絕大部分由植物殘體的分解物質(zhì)、微生物的菌絲和存在于粉粒和粘粒級別上的很小但數(shù)量很大的微生物生物量及其產(chǎn)物組成。一般認為土壤中活性有機碳占總有機碳的百分比可以用來反映土壤有機碳的質(zhì)量,活性有機碳所占的百分比越大,表示有機碳越易被微生物分解,質(zhì)量也就越高。本實驗研究認為,翻耕秸稈還田比對照活性碳含量提高0.982%,這與張付申的研究相同。秸稈都還田的翻耕、旋耕和免耕0～30cm土層的有機碳含量分別是1.748g/kg,1.788g/kg和1.604g/kg,旋耕和翻耕有利于提高土壤活性碳,免耕則降低土壤活性碳,尤其是10～20cm土層活性碳比旋耕下降了27.33%。從各項管理指數(shù)可以看出,華北平原0～30cm土層的碳庫各項指數(shù)受表層