• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

不同气候和施肥条件下保护性耕作对农田土壤碳氮储量的影响

李倩 李晓秀 吴会军 宋霄君 王碧胜 武雪萍

引用本文:
Citation:

不同气候和施肥条件下保护性耕作对农田土壤碳氮储量的影响

    作者简介: 李倩 E-mail: 18811013158@163.com;
    通讯作者: 李晓秀, E-mail:lxiaoxiu0548@sina.com ; 吴会军, E-mail:wuhuijun@caas.cn

Effects of conservation tillage practices on soil carbon and nitrogen stocks in farmland under different climatic types and fertilization conditions

    Corresponding author: LI Xiao-xiu, E-mail:lxiaoxiu0548@sina.com ;WU Hui-jun, E-mail:wuhuijun@caas.cn ;
  • 摘要: 【目的】 土壤有机碳氮是影响土壤肥力与作物产量的重要物质,而耕作是影响土壤碳氮储量的重要因素。通过分析不同耕作措施对我国东北、华北地区农田土壤碳氮储量的影响,为优化农田耕作管理、实现固碳减排、保护土壤提供科学依据。 【方法】 基于山西寿阳 (SSY)、山西临汾 (SLF)、河北廊坊 (HLF) 和吉林公主岭 (GZL) 四个长期定位试验,选择传统耕作 (CT)、免耕 (NTN) 和浅旋耕 (NTD) 三个耕作处理,分析了0—80 cm土壤剖面有机碳、氮的储量分布。 【结果】 1) 与传统耕作相比,浅旋耕显著降低褐土 (寿阳) 容重,免耕增加黑土 (公主岭) 容重,保护性耕作对沙性土 (临汾) 和潮土 (廊坊) 的影响很小。2) 耕作影响0—60 cm土壤有机碳储量。与传统耕作处理相比,黑土 (公主岭) 采用免耕和浅旋耕可显著提高0—60 cm土壤中的有机碳含量;免耕可提高褐土 (寿阳)0—50 cm的有机碳含量;沙性土 (临汾)、潮土 (廊坊) 免耕由于表层秸秆覆盖可提高0—15 cm土壤有机碳含量,但降低15—50 cm层土壤碳储量;潮土 (廊坊)15—60 cm土层,浅旋耕可增加土壤有机碳储量,而免耕则相反。3) 免耕处理的潮土 (廊坊) 土壤氮储量比传统耕作高出260 kg/hm2,差异不显著;黑土 (公主岭) 免耕和浅旋耕土壤氮储量则分别高出112 kg/hm2和207 kg/hm2,差异显著,保护性耕作降低临汾和寿阳1 m深土壤的氮储量。4) 保护性耕作加剧了0—20 cm沙性土和潮土壤氮储量的分层,对黑土 (公主岭) 和褐土 (寿阳) 土壤碳储量的层间分布影响很小。 【结论】 耕作影响0—60 cm土壤有机碳储量,免耕可以增加褐土的碳储量和潮土的氮储量,免耕和浅旋耕配合秸秆覆盖可显著增加黑土的碳、氮储量。因此,免耕适用于褐土和潮土,免耕和浅旋耕适用于黑土,沙性土采用保护性耕作的效果不显著。
  • 图 1  四个试验点0—10 cm土壤容重

    Figure 1.  0−10 cm soil bulk density in four experimental sites

    图 2  四个试验点土壤紧实度

    Figure 2.  Penetrometer resistance in the four experimental sites

    图 3  四个试验点土壤有机碳含量

    Figure 3.  Soil organic C contents in the four experimental sites

    图 4  四个试验点土壤全氮含量

    Figure 4.  Soil total N contents in the four experimental sites

    图 5  试验点1 m深土壤有机碳和总氮储量

    Figure 5.  Soil organic C and N stocks in 1 m depth soil in the tested sites

    图 6  寿阳地区土壤碳氮储量的剖面分布

    Figure 6.  The profile distribution of soil organic C and total N stocks in Shouyang

    图 7  不同深度土层间有机碳储量比率

    Figure 7.  Ratios of organic C stocks between interfacing soil

    图 8  不同深度土层间总氮储量比率

    Figure 8.  Ratios of total N stocks between interfacing layers

    表 1  四个试验地点基本信息

    Table 1.  Basic information of the four experimental sites

    地点
    Site
    试验起始年
    Experiment
    starting year
    年均气温
    Annual average
    temperature (℃)
    年均降水
    Annual precipitation
    (mm)
    作物
    Crop
    土壤质地
    Soil texture
    pH 有机质
    OM
    (g/kg)
    全氮
    Total N
    (g/kg)
    河北廊坊 (HLF)
    Langfang, Hebei
    2009 11.9 550.0 小麦−玉米
    Winter wheat−summer corn
    砂质土
    Sand
    7.96 11.0 0.85
    山西寿阳 (SSY)
    Shouyang, Shanxi
    2003 7.4 461.8 春玉米
    Spring corn
    壤质土
    Loam
    7.65 25.7 1.04
    山西临汾 (SLF)
    Linfen, Shanxi
    1992 10.7 555.0 冬小麦
    Winter wheat
    壤质土
    Loam
    7.71 22.4 0.50
    吉林公主岭 (GZL)
    Gongzhuling, Jilin
    1990 5.6 594.8 春玉米
    Spring corn
    粘质土
    Clay
    7.38 38.6 1.42
    下载: 导出CSV

    表 2  三种不同耕作处理详细信息

    Table 2.  Specific characteristics of the three different tillage treatments

    耕作方式Tillage 处理方法Treatment
    传统耕作 (CT)
    Conventional tillage
    成熟期后移除秸秆,深翻或旋耕田地后播种,播前撒施化肥
    Removing straws, then deep ploughed and sowed, applying fertilizer on field surface
    免耕 (NTN)
    No-tillage
    地表平整,秸秆粉碎还田后用免耕播种机直接播种,播种点间穴施化肥
    Field flattened, straw smashed and covered on field, sowed with machine and fertilizer applied into holes
    浅旋耕 (NTD)
    Shallow rotary tillage
    秸秆粉碎还田并配合撒施化肥,浅旋10 cm后用免耕播种机直接播种
    Straw smashed and covered on field with fertilizer applied at field surface, then rotary ploughed 10 cm deep
    and sowed with machine
    下载: 导出CSV
  • [1] Puget P, Lal R. Soil organic carbon and nitrogen in a Mollisol in central Ohio as affected by tillage and land use[J]. Soil and Tillage Research, 2004, 80(1): 201–213
    [2] 盛婧, 赵德华, 陈留根. 农业生产措施对土壤碳库的影响[J]. 生态环境, 2006, 15(2): 386–390 doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2006.02.039
    Sheng J, Zhao D H, Chen L G. Effects of agricultural managements on soil carbon sequestration[J]. Ecology and Environment, 2006, 15(2): 386–390 doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2006.02.039
    [3] Roldan A, Caravaca F, Hernandez M T, et al. No-tillage, crop residue additions and legume cover cropping effects on soil quality characteristic under maize in Patzcuaro watershed[J]. Soil and Tillage Research, 2003, 17(2): 65–73
    [4] Zhang H L, Sun G F, Chen J K, et al. Advances in research on effects of conservation tillage on soil carbon[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(12): 4275–4281
    [5] Ussiri D A N, Lal R. Long-term tillage effects on soil carbon storage and carbon dioxide emissions in continuous corn cropping system from an Alfisolin Ohio[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 104(1): 39–47 doi: 10.1016/j.still.2008.11.008
    [6] Vanden A J, Gregorich E G, Angers D A. Influence of agricultural management on soil organic carbon: a compendium and assessment of Canadian studies[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2003, 83(4): 363–380 doi: 10.4141/S03-009
    [7] Sainju U M, Singh B P, Whitehead W F. Long-term effects of tillage,cover crops,and nitrogen fertilization on organic carbon and nitrogen concentrations in sandy loam soil in Georgia, USA[J]. Soil and Tillage Research, 2002, 63(3/4): 167–179
    [8] Dolan M S, Clapp C E, Allmaras R R, et al. Soil organic carbon and nitrogen in a Minnesota soil a related to tillage, residue and nitrogen management[J]. Soil & Tillage Research, 2006, 89: 221–231
    [9] Lopez-Fando C, Pardo M T. Use of a partial-width tillage system maintains benefits of no-tillage in increasing total soil nitrogen[J]. Soil and Tillage Research, 2012, 118: 32–39 doi: 10.1016/j.still.2011.10.010
    [10] Varvel G E, Wilhelm W W. No-tillage increases soil profile carbon and nitrogen under long-term rainfed cropping systems[J]. Soil and Tillage Research, 2011, 114(1): 28–36 doi: 10.1016/j.still.2011.03.005
    [11] Kahlon M S, Lal R, Ann-Varughese M. Twenty two years of tillage and mulching impacts on soil physical characteristics and carbon sequestration in Central Ohio[J]. Soil and Tillage Research, 2013, 126: 151–158 doi: 10.1016/j.still.2012.08.001
    [12] 罗珠珠, 黄高宝, Li Guangdi, 等. 保护性耕作对旱作农田耕层土壤肥力及酶活性的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(5): 1085–11092 doi: 10.3321/j.issn:1008-505X.2009.05.015
    Luo Z Z, Huang G B, Li G D, et al. Effects of conservation tillage on soil nutrients and enzyme activities in rainfed area[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(5): 1085–11092 doi: 10.3321/j.issn:1008-505X.2009.05.015
    [13] 姬强, 孙汉印, 王旭东. 不同耕作措施对冬小麦-夏玉米复种连作系统土壤有机碳和水分利用效率的影响[J]. 应用生态学报, 2014, 25(4): 1029–1035
    Ji Q, Sun H Y, Wang X D. Impact of different tillage practices on soil organic carbon and water use efficiency under continuous wheat-maize binary cropping system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(4): 1029–1035
    [14] 刘武仁, 郑金玉, 罗洋, 等. 玉米留高茬少、免耕对土壤环境的影响[J]. 玉米科学, 2008, 16(4): 123–126
    Liu W R, Zheng J Y, Luo Y, et al. Effect of zero tillage and minimum tillage with higher corn straw reside on soil environment[J]. Journal of Maize Sciences, 2008, 16(4): 123–126
    [15] Fernandez-Ugalde O, Virto I, Bescansa P, et al. No-tillage improvement of soil physical quality in calcareous, degradation-prone, semiarid soil[J]. Soil & Tillage Research, 2009, 106(1): 29–35
    [16] 王昌全, 魏成明, 李廷强, 孙凤琼. 不同免耕方式对作物产量和土壤理化性状的影响[J]. 四川农业大学学报, 2001, 19(2): 152–157
    Wang C Q, Wei C M, Li T Q, Sun F Q. Effects of different no-tillage measurements on crop yield and soil physicochemical property[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2001, 19(2): 152–157
    [17] 关振寰, 李巧云, 张仁陟, 等. 保护性耕作对土壤易氧化和总有机碳的影响[J]. 土壤通报, 2014, 45(2): 420–426
    Guan Z H, Li Q Y, Zhang R Z, et al. Effects of conservation tillage on readily oxidizable and total organic carbon in soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2014, 45(2): 420–426
    [18] 王恩姮, 柴亚凡, 陈祥伟. 大机械作业对黑土区耕地土壤结构性特征的影响[J]. 应用生态学报, 2008, 19(2): 351–356
    Wang E H, Chai Y F, Chen X W. Effects of heavy machinery operation on the structural characters of cultivated soils in black soil region of Northeast China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(2): 351–356
    [19] 李景, 吴会军, 武雪萍, 等. 长期不同耕作措施对土壤团聚体特征及微生物多样性的影响[J]. 应用生态学报, 2014, 25(8): 2341–2348
    Li J, Wu H J, Wu X P, et al. Effects of long-term tillage measurements on soil aggregate characteristic and microbial diversity[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(8): 2341–2348
    [20] 康轩, 黄景, 吕巨智, 等. 保护性耕作对土壤养分及有机碳库的影响[J]. 生态环境学报, 2009, 18(6): 2339–2343 doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2009.06.061
    Kang X, Huang J, Lü J Z, et al. Effects of conservation tillage on soil nutrient and organic carbon pool[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(6): 2339–2343 doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2009.06.061
    [21] 杨景成, 韩兴国, 黄建辉, 潘庆民. 土壤有机质对农田管理措施的动态响应[J]. 生态学报, 2003, 23(4): 787–796 doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2003.04.022
    Yang J C, Han X G, Huang J H, Pan Q M. The dynamics of soil organic matter in cropland responding to agricultural practices[J]. Acta Ecological Sinica, 2003, 23(4): 787–796 doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2003.04.022
    [22] Melero S, López-Garrido R, Murillo J M, et al. Conservation tillage: Short- and long-term effects on soil carbon fractions and enzymatic activities under Mediterranean conditions[J]. Soil & Tillage Research, 2009, 104: 292–298
    [23] 严昌荣, 刘恩科, 何文清, 等. 耕作措施对土壤有机碳和活性有机碳的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2010, (6): 58–63 doi: 10.3969/j.issn.1673-6257.2010.06.011
    Yan C R, Liu E K, He W Q, et al. Effects of different tillage on soil organic carbon and active organic carbon[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2010, (6): 58–63 doi: 10.3969/j.issn.1673-6257.2010.06.011
    [24] 刘爽, 严昌荣, 何文清, 等. 不同耕作措施下旱地农田土壤呼吸及其影响因素[J]. 生态学报, 2010, 30(11): 2919–2924
    Liu S, Yan C R, He W Q, et al. Soil respiration and its affected factors under different tillage systems in dryland production system[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(11): 2919–2924
    [25] 陈娟, 马思明, 刘莉莉, 等. 不同耕作方式对土壤有机碳、微生物量及酶活性的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(3): 667–675
    Chen J, Ma S M, Liu L L, et al. Effect of tillage system on soil organic carbon, microbial biomass and enzyme activities[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(3): 667–675
    [26] 姜学兵, 李运生, 欧阳竹, 等. 免耕对土壤团聚体特征以及有机碳储量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(3): 270–278
    Jiang X B, Li Y S, Ouyang Z, et al. Effect of no-tillage on soil aggregate and organic storage[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(3): 270–278
    [27] Chen H Q, Hou R X, Gong Y S, et al. Effects of 11 years of conservation tillage on soil organic matter fractions in wheat monoculture in Loess Plateau of China[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 106(1): 85–94 doi: 10.1016/j.still.2009.09.009
    [28] 戴晓琴, 李运生, 欧阳竹. 免耕系统土壤氮素有效性及其管理[J]. 土壤通报, 2009, 40(3): 691–696
    Dai X Q, Li Y S, Ouyang Z. Availability of nitrogen and its management in no-tillage system[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(3): 691–696
    [29] 李玉洁, 王慧, 赵建宁, 等. 耕作方式对农田土壤理化因子和生物学特性的影响[J]. 应用生态学报, 2015, 26(3): 939–948
    Li Y J, Wang H, Zhao J N, et al. Effects of tillage methods on soil physicochemical properties and biological characteristics in farmland[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(3): 939–948
    [30] 范如芹, 梁爱珍, 杨学明, 等. 耕作与轮作方式对黑土有机碳和全氮储量的影响[J]. 土壤学报, 2011, 48(4): 788–793
    Fan R Q, Liang A Z, Yang X M, et al. Effect of tillage and rotation on the stocks of soil organic carbon and total nitrogen in a Mollisol[J]. Acta Pedologica Sinica, 2011, 48(4): 788–793
    [31] Qin R J, Stamp P, Richner W. Impact of tillage on maize rooting in a Camisoles and Luvisol in Switzerland[J]. Soil & Tillage Research, 2006, 85: 50–61
    [32] 胡宁, 娄翼来, 梁雷, 等. 保护性耕作对土壤有机碳、氮储量的影响[J]. 生态环境学报, 2009, 18(6): 223–226
    Hu N, Lou Y L, Liang L, et al. Effects of conservation tillage on the stocks of soil organic carbon and total nitrogen[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(6): 223–226
  • [1] 南雅芳郭胜利李娜娜张彦军陈爱霞荣丽媛刘京 . 不同地形条件下青藏高原农田土壤有机碳的分布特征. 植物营养与肥料学报, 2013, 21(4): 946-954. doi: 10.11674/zwyf.2013.0422
    [2] 王树会张旭博孙楠李忠芳徐明岗 . 2050年农田土壤温室气体排放及碳氮储量变化SPACSYS模型预测. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(6): 1550-1565. doi: 10.11674/zwyf.18216
    [3] 王碧胜蔡典雄武雪萍李景梁国鹏于维水王相玲杨毅宇王小彬 . 长期保护性耕作对土壤有机碳和玉米产量及水分利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 23(6): 1455-1464. doi: 10.11674/zwyf.2015.0610
    [4] 宋霄君吴会军武雪萍李倩王碧胜李生平梁国鹏李景刘彩彩张孟妮 . 长期保护性耕作可提高表层土壤碳氮含量和根际土壤酶活性. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(6): 1588-1597. doi: 10.11674/zwyf.18227
    [5] 王少博曹亚倩冯倩倩郭亮亮梁海王雪洁韩惠芳宁堂原 . 保护性耕作对棕壤粒径分形特征及碳氮比分布的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(5): 792-804. doi: 10.11674/zwyf.18157
    [6] 王改玲郝明德许继光洪坚平 . 保护性耕作对黄土高原南部地区小麦产量及土壤理化性质影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 19(3): 539-544. doi: 10.11674/zwyf.2011.0388
    [7] 王彩霞岳西杰葛玺祖黄婷王勇王旭东 . 保护性耕作对土壤微团聚体碳、氮分布的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 18(3): 642-649. doi: 10.11674/zwyf.2010.0318
    [8] 张晓伟许明祥师晨迪邱宇洁 . 半干旱区县域农田土壤有机碳固存速率及影响因素以甘肃庄浪县为例. 植物营养与肥料学报, 2012, 20(5): 1089-1098. doi: 10.11674/zwyf.2012.12104
    [9] 杨雨林郭胜利马玉红车升国孙文艺 . 黄土高原沟壑区不同年限苹果园土壤碳氮磷变化特征 . 植物营养与肥料学报, 2008, 16(4): 685-691. doi: 10.11674/zwyf.2008.0411
    [10] 陈娟马忠明刘莉莉吕晓东 . 不同耕作方式对土壤有机碳、微生物量及酶活性的影响. 植物营养与肥料学报, 2016, 24(3): 667-675. doi: 10.11674/zwyf.15246
    [11] 张志霞许明祥吴永斌张立功 . 黄土丘陵区县域农田土壤有机碳空间变异性-----以甘肃省庄浪县为例. 植物营养与肥料学报, 2013, 21(4): 955-963. doi: 10.11674/zwyf.2013.0423
    [12] 党亚爱李世清王国栋邵明安 . 黄土高原典型土壤全氮和微生物氮剖面分布特征研究. 植物营养与肥料学报, 2007, 15(6): 1020-1027. doi: 10.11674/zwyf.2007.0606
    [13] 姜丽娜王强单英杰符建荣马军伟叶静俞巧钢 . 用土壤全氮与有机质建立油菜测土施氮指标体系的研究. 植物营养与肥料学报, 2012, 20(1): 203-209. doi: 10.11674/zwyf.2012.11193
    [14] 汤秋香任天志雷宝坤翟丽梅胡万里张继宗林涛刘宏斌 . 洱海北部地区不同轮作农田氮、磷流失特性研究. 植物营养与肥料学报, 2011, 19(3): 608-615. doi: 10.11674/zwyf.2011.0381
    [15] 李建政王道龙王立刚王迎春李虎 . 华北冬小麦/夏玉米农田水氮管理的温室效应评价. 植物营养与肥料学报, 2016, 24(4): 921-929. doi: 10.11674/zwyf.15252
    [16] 徐明岗张旭博孙楠张文菊 . 农田土壤固碳与增产协同效应研究进展. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(6): 1441-1449. doi: 10.11674/zwyf.17340
    [17] 龚海青付海美徐明岗郜红建朱平高洪军 . 黑土有机氮肥替代率演变及其对土壤有机碳的响应. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(6): 1520-1527. doi: 10.11674/zwyf.18151
    [18] 冯倩倩韩惠芳张亚运许菁曹亚倩王少博宁堂原李增嘉 . 耕作方式对麦–玉轮作农田固碳、保水性能及产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(4): 869-879. doi: 10.11674/zwyf.17452
    [19] 吴瑞娟王迎春朱平贺美黄诚诚王立刚张凤路 . 长期施肥对东北中部春玉米农田土壤呼吸的影响. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(1): 44-52. doi: 10.11674/zwyf.17109
    [20] 郭胜利党廷辉刘守赞郝明德 . 磷素吸附特性演变及其与土壤磷素形态、土壤有机碳含量的关系. 植物营养与肥料学报, 2005, 13(1): 33-39. doi: 10.11674/zwyf.2005.0106
  • 加载中
图(8)表(2)
计量
  • 文章访问数:  70
  • HTML全文浏览量:  25
  • PDF下载量:  12
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-03
  • 刊出日期:  2018-11-01

不同气候和施肥条件下保护性耕作对农田土壤碳氮储量的影响

    作者简介:李倩 E-mail: 18811013158@163.com
    通讯作者: 李晓秀, lxiaoxiu0548@sina.com
    通讯作者: 吴会军, wuhuijun@caas.cn
  • 1. 首都师范大学,北京 100048
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081

摘要:  目的 土壤有机碳氮是影响土壤肥力与作物产量的重要物质,而耕作是影响土壤碳氮储量的重要因素。通过分析不同耕作措施对我国东北、华北地区农田土壤碳氮储量的影响,为优化农田耕作管理、实现固碳减排、保护土壤提供科学依据。 方法 基于山西寿阳 (SSY)、山西临汾 (SLF)、河北廊坊 (HLF) 和吉林公主岭 (GZL) 四个长期定位试验,选择传统耕作 (CT)、免耕 (NTN) 和浅旋耕 (NTD) 三个耕作处理,分析了0—80 cm土壤剖面有机碳、氮的储量分布。 结果 1) 与传统耕作相比,浅旋耕显著降低褐土 (寿阳) 容重,免耕增加黑土 (公主岭) 容重,保护性耕作对沙性土 (临汾) 和潮土 (廊坊) 的影响很小。2) 耕作影响0—60 cm土壤有机碳储量。与传统耕作处理相比,黑土 (公主岭) 采用免耕和浅旋耕可显著提高0—60 cm土壤中的有机碳含量;免耕可提高褐土 (寿阳)0—50 cm的有机碳含量;沙性土 (临汾)、潮土 (廊坊) 免耕由于表层秸秆覆盖可提高0—15 cm土壤有机碳含量,但降低15—50 cm层土壤碳储量;潮土 (廊坊)15—60 cm土层,浅旋耕可增加土壤有机碳储量,而免耕则相反。3) 免耕处理的潮土 (廊坊) 土壤氮储量比传统耕作高出260 kg/hm2,差异不显著;黑土 (公主岭) 免耕和浅旋耕土壤氮储量则分别高出112 kg/hm2和207 kg/hm2,差异显著,保护性耕作降低临汾和寿阳1 m深土壤的氮储量。4) 保护性耕作加剧了0—20 cm沙性土和潮土壤氮储量的分层,对黑土 (公主岭) 和褐土 (寿阳) 土壤碳储量的层间分布影响很小。 结论 耕作影响0—60 cm土壤有机碳储量,免耕可以增加褐土的碳储量和潮土的氮储量,免耕和浅旋耕配合秸秆覆盖可显著增加黑土的碳、氮储量。因此,免耕适用于褐土和潮土,免耕和浅旋耕适用于黑土,沙性土采用保护性耕作的效果不显著。

English Abstract

  • 土壤有机碳氮是影响土壤物理化学性质和作物产量的重要物质,也是表征土壤质量的重要指标。通过保护性耕作技术增加土壤碳氮储量,可缓解大气CO2和N2O浓度的升高,进而降低全球范围内的温室效应[1],是减缓气候变化的重要技术措施。

    耕作改变土壤的孔隙结构,影响土壤有机质的分解、转化与消耗过程,进而改变土壤剖面有机碳氮的储量与分布[2],开展耕作方式对不同区域农田土壤有机碳氮储量影响的对比联网研究,有助于科学评估保护性耕作在各地的实施效果,为后续保护性耕作措施的大面积推广提供理论依据和实践支持。大量研究结果认为,与传统耕作方式相比,免耕秸秆覆盖技术可以提高表层土壤中的有机碳储量[12],具有一定的碳氮截获功能[3],但对深层土壤有机碳含量是否增加结论不一致[4]。在对43年长期定位试验研究后,Ussiri等[5]发现,免耕减少对土壤的扰动进而降低土壤有机碳的矿化速率,最终使0—15 cm土层有机碳含量得以增加,但不同的耕作措施对15—30 cm土层有机碳含量的影响并不存在显著差异。Vanden等[6]着重研究深度超过30 cm的农田土壤,发现经免耕处理后的这部分深层土壤有机碳含量比同深度的翻耕土壤有机碳含量还要低。Sainju等[7]认为免耕处理降低了土壤氮素的侵蚀损失,从而增加土壤中的全氮含量。还有研究表明,免耕秸秆覆盖仅仅将土壤有机碳储量进行垂直剖面上的分层,而有机碳总储量并未增加[8]。目前,在免耕处理是否增加深层土壤中全氮含量的研究中,其试验结果并不一致。López-Fando等[9]研究认为,免耕显著提高表层 0—5 cm的全氮含量,但对 5—30 cm土壤全氮含量影响较小;而 Varvel等[10]认为,相比较翻耕,免耕等保护性耕作措施提高 0—150 cm土壤全氮含量。由此可见,在不同区域、不同耕作年限的研究中,农田保护性耕作技术所表现出的碳氮截获能力差异较大。现有的涉及耕作技术对土壤碳氮储量影响研究的土壤样品多取自30 cm及以上的深度,30 cm以下的土壤有机质变化多为推算得出,并且研究区域多集中于单一试验点[1113]。本研究将样品深度扩展到80 cm及以上,并借助现有的4个长期定位试验平台开展联网研究,试验结果与结论更加具有普适意义。

    本试验以山西寿阳 (SSY)、山西临汾 (SLF)、河北廊坊 (HLF) 和吉林公主岭 (GZL) 4个长期定位基地的农田土壤为研究对象,借助田间调研和取样分析,探讨不同耕作方式对我国东北和华北地区土壤有机碳、氮储量影响差异,为评价保护性耕作对不同农田土壤碳氮的固持效应提供理论依据。

    • 试验点分布在我国的东北与华北地区,各试验点在土壤质地和气候类型等方面存在差异 (表 1)。

      地点
      Site
      试验起始年
      Experiment
      starting year
      年均气温
      Annual average
      temperature (℃)
      年均降水
      Annual precipitation
      (mm)
      作物
      Crop
      土壤质地
      Soil texture
      pH 有机质
      OM
      (g/kg)
      全氮
      Total N
      (g/kg)
      河北廊坊 (HLF)
      Langfang, Hebei
      2009 11.9 550.0 小麦−玉米
      Winter wheat−summer corn
      砂质土
      Sand
      7.96 11.0 0.85
      山西寿阳 (SSY)
      Shouyang, Shanxi
      2003 7.4 461.8 春玉米
      Spring corn
      壤质土
      Loam
      7.65 25.7 1.04
      山西临汾 (SLF)
      Linfen, Shanxi
      1992 10.7 555.0 冬小麦
      Winter wheat
      壤质土
      Loam
      7.71 22.4 0.50
      吉林公主岭 (GZL)
      Gongzhuling, Jilin
      1990 5.6 594.8 春玉米
      Spring corn
      粘质土
      Clay
      7.38 38.6 1.42

      表 1  四个试验地点基本信息

      Table 1.  Basic information of the four experimental sites

    • 每个试验点灌溉、除草等田间管理按照当地管理习惯进行,但施肥量和秸秆还田数量等方面存在差异。其中,河北廊坊每季的氮、磷、钾施肥量为150、120、75 kg/hm2,还田秸秆量为3.2 t/hm2;山西寿阳氮、磷施肥量均在105 kg/hm2,秸秆全量还田;山西临汾氮、磷施肥量为120、105 kg/hm2,还田秸秆量为3.75 t/hm2;吉林公主岭氮、磷、钾施肥量为80、60、45 kg/hm2,秸秆全量还田。试验设置包括传统耕作 (CT)、免耕 (NTN) 和浅旋耕 (NTD) 在内的3种耕作处理 (表 2)。受田间实际操作技术的限制,临汾试验点缺少浅旋耕 (NTD) 处理,廊坊、寿阳和公主岭3个试验点均取到3种耕作处理下的土壤样品。作物收获结束后 (2017年9—11月),利用经典的多点混合取样法,在4个地点的试验小区用土钻取0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、和60—80 cm土壤样品,多点采样后充分混匀,风干后样品装袋备用。环刀样的采集选用挖剖面法,在清除地表残枝败叶后,取样器垂直地面入土,将挖出的带土环刀周边多余土块小心削去后装入环刀盒,带回室内分析测定。

      耕作方式Tillage 处理方法Treatment
      传统耕作 (CT)
      Conventional tillage
      成熟期后移除秸秆,深翻或旋耕田地后播种,播前撒施化肥
      Removing straws, then deep ploughed and sowed, applying fertilizer on field surface
      免耕 (NTN)
      No-tillage
      地表平整,秸秆粉碎还田后用免耕播种机直接播种,播种点间穴施化肥
      Field flattened, straw smashed and covered on field, sowed with machine and fertilizer applied into holes
      浅旋耕 (NTD)
      Shallow rotary tillage
      秸秆粉碎还田并配合撒施化肥,浅旋10 cm后用免耕播种机直接播种
      Straw smashed and covered on field with fertilizer applied at field surface, then rotary ploughed 10 cm deep
      and sowed with machine

      表 2  三种不同耕作处理详细信息

      Table 2.  Specific characteristics of the three different tillage treatments

    • 土壤紧实度采用紧实度仪 (SC900型) 在田间小区实地测定。

      土壤容重采用环刀法测定,按公式ρV=(m2m1)/V计算。式中:ρV—土壤容重 (g/cm3);m1—环刀质量 (g);m2—环刀+烘干土质量 (g);V—环刀容积 (cm3)。

      土壤有机碳、氮质量分数测定;风干土样过0.15 mm筛,利用vario MACRO cube CHN元素分析仪测定。

      土壤有机碳储量计算:

      SOCs(M)=H× B × V × SOC/10

      式中:SOCs(M)—土壤有机碳储量 (kg/m3);H—土层厚度 (cm);B—土壤容重 (g/cm3);V—环刀底面积 (cm2);SOC—土壤有机碳含量 (g)。同理计算土壤氮储量。

      试验数据的处理、统计分析和作图通过SPSS 20和Excel 2003软件完成,处理间差异进行方差分析检验 (P < 0.05)。

    • 土壤容重和紧实度是土壤重要的基本物理性质,也是影响土壤碳氮储量的主要因素。不同耕作技术影响了土壤容重,改变了物理结构对有机碳的保护机制,从而影响土壤碳氮储量。

      不同耕作处理对0—10 cm土壤容重的影响存在差异 (图 1)。廊坊试验点CT处理土壤容重值为1.51 g/cm3,NTN与NTD处理与CT差异不显著 (P > 0.05)。临汾试验点CT处理土壤容重为1.40 g/cm 3,与NTN处理差异不显著 (P > 0.05)。寿阳试验点NTN处理土壤容重与CT处理无显著差异,NTD处理较CT处理显著降低了7.52%。公主岭试验点以NTN处理土壤容重最高,达1.56 g/cm 3,CT与NTD处理土壤容重值均为1.33 g/cm3,降低了14.70%左右,差异显著 (P < 0.05)。

      图  1  四个试验点0—10 cm土壤容重

      Figure 1.  0−10 cm soil bulk density in four experimental sites

      4个试验点农田土壤的紧实度不同 (图 2)。0—5 cm土层,各地不同耕作处理的土壤紧实度无明显差异;在5—25 cm土层,寿阳NTN处理土壤紧实度显著低于CT和NTD处理,廊坊、临汾和公主岭的NTN和NTD处理土壤紧实度值均不同程度地高于CT处理;25—45 cm层,廊坊、寿阳和临汾土壤紧实度的处理间差异不显著,公主岭NTN和NTD处理土壤紧实度均显著高于CT处理。

      图  2  四个试验点土壤紧实度

      Figure 2.  Penetrometer resistance in the four experimental sites

    • 3种耕作处理土壤有机碳与总氮的含量均随土壤剖面的加深而下降,下降趋势随土层的加深而减缓 (图 3图 4)。不同耕作处理对土壤有机碳含量的影响在4个试验点存在差异,公主岭试验点NTN与NTD处理土壤有机碳含量在0—80 cm剖面上均显著高于CT处理。廊坊试验点0—15 cm层,NTN和NTD处理土壤有机碳含量均高于CT处理;15—60 cm层,土壤有机碳含量大小为NTD > CT > NTN,60—80 cm土壤有机碳含量的处理间差异不显著。临汾试验点0—15 cm层,NTN处理土壤有机碳含量高于CT处理;15—40 cm层,CT处理土壤有机碳含量高于NTN处理;40—80 cm土壤碳含量的处理间差异不显著。寿阳0—50 cm土壤有机碳含量顺序为NTD > CT > NTN,50—80 cm土壤有机碳含量的处理间差异不显著。

      图  3  四个试验点土壤有机碳含量

      Figure 3.  Soil organic C contents in the four experimental sites

      图 4可以发现,与CT处理相比,廊坊试验点NTN处理增加0—25 cm土壤全氮含量,25—60 cm土壤全氮含量降低,NTD处理显著增加0—60 cm土壤全氮含量,3种耕作处理对60—80 cm土壤全氮含量的影响很小;临汾试验点0—15 cm土层,NTN处理土壤全氮含量高于CT处理,15—40 cm,CT处理土壤全氮含量高于NTN处理,40—80 cm土壤全氮含量处理间无差异;寿阳试验点0—45 cm土层,NTN和NTD处理土壤全氮含量高于CT处理,45—80 cm土壤全氮含量大小为CT > NTD > NTN;公主岭试验点NTN和NTD处理土壤全氮含量在0—80 cm剖面均高于CT处理。

      图  4  四个试验点土壤全氮含量

      Figure 4.  Soil total N contents in the four experimental sites

    • 总体来看,4个试验点的1 m深土壤有机碳和总氮储量存在显著差异 (图 5图 6)。与传统耕作 (CT) 相比,免耕 (NTN) 和浅旋耕 (NTD) 处理显著增加4个试验农田土壤的有机碳储量,增加量在2.02~2.27 t/hm2。其中,廊坊试验点CT和NTN处理土壤有机碳储量无显著差异,NTD处理1 m土壤有机碳储量比CT处理高2.02 t/hm2,差异显著;临汾试验点1 m深土壤有机碳储量处理间无显著差异;寿阳CT和NTN处理土壤有机碳储量无显著差异,NTD处理1 m土壤有机碳储量比CT处理高2.13 t/hm2,差异显著;公主岭的NTN和NTD处理1 m深土壤有机碳储量均为2.27 t/hm2,比传统耕作提高了21.78%。不同耕作方式对4个试验点土壤氮储量的影响存在差异。其中,廊坊试验点NTN土壤氮储量比CT处理高出0.03 t/hm2,NTD处理土壤氮储量显著下降;临汾和寿阳试验点的保护性耕作处理土壤氮储量均显著低于CT处理公主岭NTN和NTD处理土壤氮储量比CT处理分别高出0.11 t/hm2和0.21 t/hm2

      图  5  试验点1 m深土壤有机碳和总氮储量

      Figure 5.  Soil organic C and N stocks in 1 m depth soil in the tested sites

      图  6  寿阳地区土壤碳氮储量的剖面分布

      Figure 6.  The profile distribution of soil organic C and total N stocks in Shouyang

    • 分析研究4个试验点农田土壤有机碳、氮储量的分层比率,可以发现,3种耕作处理的单位深度有机碳氮分层比率存在显著差异 (图 7图 8)。廊坊试验点传统耕作 (CT) 土壤的0—10 cm与10—20 cm以及0—10 cm与20—40 cm层次之间的单位深度有机碳储量比率分别为1.23和0.96,氮储比率分别为1.16和0.81,免耕 (NTN) 和浅旋耕 (NTD) 同一层次的碳氮储量比率均有所提高,其中,碳储比率分别提升至1.70、1.68和1.25、1.23。临汾试验点传统耕作 (CT) 土壤的0—10 cm与10—20 cm以及0—10 cm与20—40 cm层次之间的单位深度有机碳储量比率分别为1.19和1.01,氮储比率分别为1.09和0.75,免耕 (NTN) 中,同一层次的碳储比率分别提升至1.78和1.25。寿阳试验点土壤单位深度碳储量比率处理间差异不显著。公主岭试验点NTN和NTD单位深度土壤有机碳储量比率小于CT处理,而NTN处理单位深度氮储量比率高于CT处理。

      图  7  不同深度土层间有机碳储量比率

      Figure 7.  Ratios of organic C stocks between interfacing soil

      图  8  不同深度土层间总氮储量比率

      Figure 8.  Ratios of total N stocks between interfacing layers

    • 土壤容重与紧实度是直观反映土壤压实程度的常用指标。在众多关于不同耕作处理对农田土壤容重的影响研究中,学者们对不同地域、不同土壤剖面深度的研究结果存在分歧。刘武仁等[14]研究了东北黑土的容重变化,发现0—20 cm土层,免耕处理的土壤容重大于传统翻耕处理;Fernandez-Ugalde等[15]也发现免耕会增加表层0—5 cm容重,下层差异不大;王昌全等[16]通过8年田间定位研究表明,与传统耕作方式相比,免耕的土壤容重较小,并且随田间免耕年数的增加,土壤容重呈降低趋势,说明耕作处理对土壤容重的影响差异可能由试验的年限差异引起的。本研究中,4个试验点土壤紧实度均随土壤剖面深度的增加而升高,这可能与深层土壤透气性较差,微生物数量减少,根系体积小有关。廊坊的免耕覆盖和浅旋耕覆盖处理土壤容重与紧实度高于传统耕作,对表层土壤而言,传统犁耕因机械扰动而增加田间土壤孔隙度[17],容重值有所下降,而免耕秸秆覆盖缺少传统的翻耕动土活动,加上播种时机械的压实过程,在一定程度上造成土壤容重与紧实度的提升。临汾和寿阳试验点种植制度均为一年一熟,传统耕作中的机械翻耕活动对土壤压实程度的缓解作用较小,因而土壤容重值高于免耕覆盖和浅旋耕覆盖处理。王恩姮等[18]研究了机械作业对黑土区耕地土壤结构的影响,发现中小型机械使土壤容重值呈现降低趋势,对土壤结构表现出一定的改良作用。公主岭地区免耕覆盖处理的容重值显著高于传统耕作和浅旋耕覆盖处理,与前人的结果一致。本研究中,在不同的耕作处理下,各试验点土壤的有机碳与总氮含量变化均呈现随土壤剖面深度的增加而降低趋势,可能原因有以下两点:1) 免耕减少机械农具对土壤的压实与扰动,有利于增加农田土壤团聚体结构的稳定性,进而保证土壤有机碳的增加与积累[1920];2) 秸秆覆盖增加土壤有机碳、氮的输入量,同时减少风蚀水蚀造成的碳氮损失[21],这同样解释了廊坊与临汾地区0—15 cm处的有机碳含量对NTN耕作处理的响应大致相同的现象。公主岭试验点免耕与浅旋耕处理的土壤有机碳含量在0—80 cm剖面上始终显著高于CT处理,廊坊试验点浅旋耕处理的土壤有机碳含量也始终高于CT处理,这主要是因为小幅度的土壤扰动对土壤导水性和生物活性产生一定的有益效应[22],有机质向下层土壤迁移和淋溶速率较传统耕作处理快。临汾试验点0—15 cm土层,NTN处理土壤有机碳含量高于CT处理;15—40 cm土层,CT处理土壤有机碳含量高于NTN处理;40—80 cm土壤碳含量处理间差异不显著。这主要是因为秸秆还田增加碳的输入量,土壤表层的碳含量增加,再加上保护性耕作降低了对土壤的扰动压实和表层土壤的容重与呼吸作用,减缓了有机碳的流失[23],因而15 cm以上土壤有机碳含量高于传统耕作,但这种对土壤结构的改良效果随土层深度的增大而降低,保护性耕作对40 cm及以下土壤有机碳含量的影响也随之变小。寿阳试验点0—50 cm土壤有机碳含量大小为NTD > CT > NTN,这主要因为浅旋耕降低土壤扰动程度,减少有机质的淋溶流失,土壤水热条件好,有机质分解状况好,有利于碳的固定 [24],传统耕作处理破坏土壤结构,呼吸作用加强,同时在没有外源有机质加入的情况下,土壤中易矿化的有机碳因不断被矿化而损失,导致土壤有机碳含量下降[25]

      不同耕作处理下4个试验农田土壤有机碳、氮的分布及储量结果表明,随着土层的加深,土壤有机碳和总氮含量均呈下降趋势,主要是由于随着深度的增加,作物根系及根系分泌物等有机质投入减少,降低了土壤有机碳的循环与转化[26]。保护性耕作处理显著增加1 m深土壤有机碳储量。如与传统耕作处理相比,公主岭免耕和浅旋耕处理截获碳储量均为2.27 t/hm2,廊坊浅旋耕处理的土壤有机碳储量增加2.02 t/hm2,寿阳浅旋耕处理截获土壤碳储量为2.22 t/hm2,差异显著,这主要是由于秸秆的覆盖还田增加了碳的输入量,使得土壤表层碳储量显著增加,再加上免耕与浅旋耕降低对土壤的压实与扰动,减少径流损失造成的。不同耕作方式对各地土壤氮储量的影响存在差异,如与传统耕作处理相比,公主岭免耕和浅旋耕处理显著增加1 m深度土壤总氮储量,截获量分别为0.11 t/hm2和0.21 t/hm2,廊坊免耕处理的土壤氮储量增加0.03 t/hm2,这是因为秸秆覆盖增加有机质输入量,保护性耕作增加土壤有机质含量,有机质可以固定土壤的氮素,减少土壤氮的淋洗与挥发损失[27]。而廊坊试验点浅旋耕处理和寿阳、临汾试验点保护性耕作处理下的土壤氮储量有所降低,这可能是因为免耕与浅旋耕处理的还田秸秆多撒播在土壤表面,导致表层土壤有机碳和全氮相对富集[28],再加上免耕年限较长,土壤根系多集中在表层,营养物质向深层土壤的输送过程受阻,降低了一定深度的氮储量。

      有研究表明,免耕增加土壤理化性质的分层化现象[29]。本研究发现,传统耕作 (CT) 各试验点土壤0—10 cm与10—20 cm土层、0—10 cm与20—40 cm土层间的单位深度有机碳、氮储量均接近于数值1,说明传统耕作中的翻土犁耕活动改变了土壤原有结构,促成不同深度土层中有机质的匀化,缩小了作物根茬部位有机质储量的层间差异。廊坊与临汾的NTN和NTD处理的土壤,其单位深度土壤的有机碳、氮储量比率均有所上升,由此说明,保护性耕作技术加剧了耕作层土壤有机碳储量的分层现象,这可能是由于保护性耕作处理部分或者完全摒弃传统的翻土活动,有效维持农田土壤的原有结构,降低了根茬部位有机质的垂直匀化的活动强度,因而表现出一定的有机碳分层现象。此外,可能的原因还有两点:第一,秸秆经粉碎后均匀撒于地表,增加了土壤表层有机碳的外源输入量,再加上有机质具有移动性较差的特点,一定程度上促成了有机质的分层现象[30];第二,相比传统耕作,免耕土壤中作物的根系密度分布沿土层深度发生变化,即深层土壤中根系密度小,浅层土壤根系密度大[31],进而影响有机质向深层土壤的运输,加剧有机质的分层化。与CT处理土壤相比,廊坊与寿阳试验点经NTN与NTD处理土壤的单位深度碳氮储量比率有所下降,可能的原因为:廊坊试验点的沙质土壤结构较为疏松,有机质在土壤中的移动性相对活跃,耕作活动对其移动速率的影响较小,有机物质在各层次之间的分布差异不大;寿阳试验点农田一年一熟的种植制度,使得土壤具有较长的休耕期,农作物根系的不均匀分布对土壤中有机物质向下运输强度的影响十分有限,这也在一定程度上维护了不同耕作处理下土壤有机质的垂直匀化过程[32],减轻了保护性耕作可能造成的有机质分层现象。

    • 1) 耕作显著影响0—60 cm土层的有机碳储量。与传统耕作处理相比,黑土 (公主岭) 采用免耕和浅旋耕都可显著提高0—60 cm土壤中的有机碳含量;免耕在褐土 (寿阳) 可提高0—50 cm土壤有机碳含量;而在沙性土 (临汾)、潮土 (廊坊) 免耕仅可提高0—15 cm土壤有机碳含量,15—50 cm层土壤的碳储量反而低于传统耕作;浅旋耕在潮土 (廊坊) 可增加15—60 cm土层有机碳储量。

      2) 免耕处理的潮土 (廊坊) 1 m土壤氮储量略高于传统耕作处理,差异不显著;免耕和浅旋耕处理在黑土 (公主岭) 均显著提高土壤氮储量,与传统耕作相比分别高出0.11 t/hm2和0.21 t/hm2,然而临汾和寿阳,免耕和浅旋耕处理均降低1 m深土壤的氮储量。

参考文献 (32)

目录

    /

    返回文章
    返回