劉璇,龐茹月,趙健,司彤,王月福,鄒曉霞*,矯巖林*
(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島266109;2.山東省煙臺市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,煙臺265500)
土壤活性有機(jī)碳庫是指在一定時空條件下,受植物、微生物影響強(qiáng)烈且活性比較高的那一部分土壤碳素,主要包括易氧化有機(jī)碳(Readily oxidizable carbon,ROC)、可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon,DOC)、微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)和潛在礦化有機(jī)碳(Potential mineralization carbon,PMC)等[1-3],雖然這部分有機(jī)碳僅占土壤總有機(jī)碳的較小部分,但由于較快的周轉(zhuǎn)速率,以及對環(huán)境變化的高度敏感性,其對土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)有著重要影響,常被用作表征土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)變化的早期指標(biāo)[4]。土壤碳礦化即土壤有機(jī)物質(zhì)在微生物作用下分解釋放出CO2的過程,是陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行碳循環(huán)的重要一環(huán),據(jù)統(tǒng)計(jì)每年通過土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2為68~75 Pg,是石油和煤等化石燃料燃燒釋放量的12~16 倍[5],土壤有機(jī)碳的礦化動態(tài)將極大影響全球溫室效應(yīng)。
土地利用和種植方式的改變會使土壤有機(jī)碳累積和礦化的平衡狀態(tài)發(fā)生改變,直接影響土壤在全球碳收支過程所扮演的源/匯角色。適宜的輪作方式有利于維持或提升土壤碳庫總量,并調(diào)節(jié)碳分配,促進(jìn)土壤碳庫內(nèi)部各組分之間的轉(zhuǎn)化[6-7]。趙思騰等[8]研究發(fā)現(xiàn),與玉米-馬鈴薯輪作模式相比,玉米-苜蓿輪作更有利于土壤有機(jī)碳的積累,改善土壤結(jié)構(gòu)。常規(guī)輪作常與秸稈還田相結(jié)合,如:李雨諾等[9]的研究表明,在小麥-玉米輪作體系下雙季秸稈還田能顯著提高0~20 cm土層活性碳組分含量;郭金瑞[10]研究發(fā)現(xiàn),相較于玉米-大豆輪作和大豆連作處理,長期玉米連作的高秸稈還田量和微生物量導(dǎo)致了更高的礦化量;但李小涵等[11]認(rèn)為,與連作相比,輪作增加土壤碳的作用更強(qiáng),但不同輪作之間差異不顯著,且有機(jī)碳的增加主要表現(xiàn)在0~15 cm深度的表層土壤。
作物種植多元化是提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性和保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)固碳減排的有利措施[12]。花生、小麥與玉米是華北地區(qū)的主要糧油作物,然而由于花生產(chǎn)區(qū)規(guī)模相對集中,長期單一種植產(chǎn)生的特定根系分泌物會刺激土壤中病原微生物大量繁殖,導(dǎo)致微生物群落多樣性下降,土壤板結(jié)[13]。常規(guī)生產(chǎn)采用簡單的小麥-玉米輪作,但隨著輪作年限的增加,輪作優(yōu)勢也逐漸減弱。與簡單輪作相比,更多樣化的輪作增加了土壤微生物群落代謝多樣性和活性[14]?,F(xiàn)有研究表明,當(dāng)前茬作物為豆科作物時,后茬作物產(chǎn)量優(yōu)勢明顯[15] 。
農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大舉措,也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域“雙碳”目標(biāo)的必然選擇。近年來,基于花生的多元化種植模式日益增多,但不同花生輪作模式對土壤碳庫特征的影響尚不清楚。因此,明確不同花生輪作模式下土壤有機(jī)碳、活性碳組分及碳礦化特征對于全面、綜合評價不同種植模式的科學(xué)性,維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。
定位試驗(yàn)始于2018 年10 月,研究區(qū)位于煙臺市農(nóng)科院(37°45′ N,121°43′ E)內(nèi),屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫13.24 ℃,年均日照時數(shù)2 504.2 h,供試土壤為棕壤,前茬作物為春花生,實(shí)驗(yàn)前0~20 cm 土層土壤基本理化性質(zhì)如下:有機(jī)質(zhì)13.74 g·kg-1,堿解氮124.84 mg·kg-1,銨態(tài)氮76.62 mg·kg-1,硝態(tài)氮51.7 mg·kg-1,有效磷361.55 mg·kg-1,速效鉀159.63 mg·kg-1,pH 6.5。
研究以春花生一年一作(CP)為對照,設(shè)置4種輪作種植模式:春花生→冬小麥-夏玉米兩年三作(P→W-M)、冬小麥-夏玉米一年兩作(W-M)、冬小麥-夏花生一年兩作(W-P)、冬小麥-夏花生→冬小麥-夏玉米兩年四作(W-P→W-M),共計(jì)5個處理。每個處理小區(qū)面積66.7 m2,隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次,春花生起壟覆膜種植,夏花生平種。按當(dāng)?shù)爻R?guī)技術(shù)措施進(jìn)行種植和管理,具體如表1 所示,保證不同輪作模式下同種作物在其生育期內(nèi)施肥量一致。小麥及玉米秸稈在作物收獲后直接翻入樣地,作還田處理,花生由于整株收獲,殘留量很小故視為不還田。小麥及玉米根據(jù)當(dāng)年作物產(chǎn)量進(jìn)行秸稈產(chǎn)量換算,計(jì)算公式:
表1 不同作物田間管理措施Table 1 Field management measures for different crops
秸稈產(chǎn)量(kg·hm-2)=草谷比×籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)
其中草谷比:小麥1.38,玉米1.17[16]。
試驗(yàn)期間各處理秸稈還田量具體如表2所示。
表2 不同輪作模式秸稈還田量(kg·hm-2)Table 2 Straw returning amount in different rotation modes(kg·hm-2)
供試春花生品種為“花育22”,夏花生品種為“花育20”,供試玉米品種為“連勝208”,供試小麥品種為“煙農(nóng)1212”。春花生每年5月15日前后播種,9月15日前后收獲,夏花生每年6 月15 日前后播種,10 月10日前后收獲,小麥每年10 月10 日前后播種,次年6 月15 日前后收獲,玉米每年6 月15 日前后播種,9 月15日前后收獲。
采樣時間為2020 年作物收獲后,其中春花生一年一作(CP)模式為9月15日春花生收獲后,春花生→冬小麥-夏玉米兩年三作(P→W-M)模式為6月15日冬小麥?zhǔn)斋@后,冬小麥-夏玉米一年兩作(W-M)模式與冬小麥-夏花生→冬小麥-夏玉米兩年四作(W-P→W-M)模式為9月15日夏玉米收獲后,冬小麥-夏花生一年兩作(W-P)模式為10月10日夏花生收獲后。
采用“S”形采樣法采集土壤樣品并避開邊行,利用土鉆采集0~40 cm 土壤剖面樣(20 cm 為一個土層),每小區(qū)采集5 個樣品,充分混勻。土壤剖面樣裝入帶有冰袋的保溫箱,立即帶回實(shí)驗(yàn)室。一部分樣品保存于4 ℃恒溫冰箱中,用于微生物生物量碳、可溶性碳測定和碳礦化培養(yǎng);另一部分樣品自然風(fēng)干,剔除植物根系、石礫,過100 目篩,用于土壤總有機(jī)碳測定。利用環(huán)刀法[17]進(jìn)行原狀土采集,每小區(qū)采集3 個土壤樣品,采集的原狀土用密封袋密封,完整帶回,進(jìn)行土壤含水率和容重的測定。
土壤有機(jī)碳及其活性有機(jī)碳測定方法:采用重鉻酸鉀外加熱法[18]測定土壤有機(jī)碳含量;采用K2SO4提取-重鉻酸鉀外加熱法測定可溶性有機(jī)碳含量;采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法[19]測定土壤微生物生物量碳含量。采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)-堿液吸收法[20]測定土壤礦化情況,25 ℃下預(yù)培養(yǎng)一周后,于25 ℃恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)28 d,在第1、3、5、7、10、14、21,28天取出燒杯,加入過量的BaCl2溶液,以酚酞為指示劑,用鹽酸滴定,測定吸收液中的CO2-C,計(jì)算土壤有機(jī)碳礦化量(C,以CO2計(jì))和礦化速率。公式如下[21]:
式中:CHCl為滴定鹽酸的濃度,mol·L-1;V0為對照滴定的鹽酸體積,mL;Vl為處理滴定的鹽酸體積,mL。
土壤有機(jī)碳礦化速率(mg·kg-1·d-1)=培養(yǎng)時間內(nèi)有機(jī)碳累積礦化量(mg·kg-1)/培養(yǎng)時間(d)。
有機(jī)碳累積礦化量(Ct)是從培養(yǎng)開始至某一時間點(diǎn)的土壤CO2總釋放量(mg·kg-1),采用一級動力學(xué)方程進(jìn)行擬合,并得到動力學(xué)方程各參數(shù)值。擬合方程為:
式中:C0為潛在礦化有機(jī)碳,mg·kg-1;k為有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率常數(shù);t為培養(yǎng)時間,d。
采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理、計(jì)算和制圖,用DPS 17.10 進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan 多重比較(P<0.05),用Origin 2021 進(jìn)行一級動力學(xué)方程擬合,圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
表3 顯示了不同輪作模式對土壤含水率和容重的影響。各模式間含水率差異在表層(0~20 cm)更為顯著,而容重的差異則更顯著地表現(xiàn)在深層(20~40 cm)土壤。相較于CP 模式,各輪作模式兩土層含水率均顯著下降,降幅分別為3.9~4.7 個百分點(diǎn)和2.9~5.1個百分點(diǎn),其中0~20 cm 土層以W-P和W-P→WM 模式最低(均為5.2%),20~40 cm 土層以P→W-M模式最低(4.6%)。與CP 模式相比,P→W-M 模式0~20 cm 和20~40 cm 土層容重分別顯著降低了2.7%和3.7%,W-M 和W-P模式20~40 cm 土層容重顯著降低了2.1%和4.7%。但W-P→W-M 模式顯著提高了20~40 cm土層容重。
表3 不同輪作模式土壤含水率及容重Table 3 Moisture content and bulk density in different rotation modes
由圖1 可知,不同模式下0~20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量均顯著高于20~40 cm土層(CP模式除外)。最有利于土壤有機(jī)碳含量提高的是P→W-M 和W-P 模式,與CP模式相比,P→W-M、W-P模式的0~20 cm和20~40 cm 土層土壤有機(jī)碳含量分別顯著增加了52.7%、53.3%和46.8%、39.3%,但W-M 模式與CP 模式無顯著差異。W-P→W-M 模式20~40 cm 土層有機(jī)碳含量較CP 模式顯著降低了25.8%,不利于深層土壤有機(jī)碳的積累。
圖1 不同輪作模式土壤有機(jī)碳含量Figure 1 Soil organic carbon content in different rotation modes
由圖2 可知,可溶性有機(jī)碳含量除CP 模式0~20 cm 土層顯著低于20~40 cm 土層外,其余各模式0~20 cm 土層均顯著高于20~40 cm 土層,表明CP模式下可溶性有機(jī)碳更易向深層土壤遷移。與CP 模式相比,各輪作模式0~20 cm 土層可溶性有機(jī)碳增加48.7%~344.8%,其中以P→W-M 模式增幅最高。但在20~40 cm 土層中,只有P→W-M 模式可溶性有機(jī)碳含量較CP 增加顯著(13.3%),而W-M 和W-P→W-M 模式則較CP模式分別降低41.7%和57.3%,且差異顯著??梢?,各輪作模式中,以P→W-M 模式更有利于可溶性有機(jī)碳含量的提升。
圖2 不同輪作模式土壤可溶性有機(jī)碳含量Figure 2 Dissolved organic carbon content in different rotation modes
由圖3可知,P→W-M、W-M、W-P模式0~20 cm土層土壤微生物生物量碳含量顯著高于20~40 cm土層,CP和W-P→W-M模式兩土層間則無顯著差異。與CP模式相比,P→W-M和W-M模式0~40 cm土層微生物生物量碳均顯著提升,0~20 cm 土層分別顯著提高了101.4%和54.3%,20~40 cm土層分別顯著提高了25.3%和17.8%。W-P模式0~20 cm土層微生物生物量碳含量較CP模式顯著提高了44.3%,但20~40 cm土層則顯著下降了13.9%。W-P→W-M模式0~20 cm土層微生物生物量碳含量與CP模式無顯著差異,但20~40 cm土層顯著下降了20.6%。綜上,P→W-M和W-M模式更有利于0~40 cm土層微生物生物量碳含量的提升。
圖3 不同輪作模式土壤微生物生物量碳含量Figure 3 Microbial biomass carbon content in different rotation modes
2.5.1 土壤有機(jī)碳礦化速率及累積礦化量
不同花生輪作模式的礦化特征見圖4,各輪作模式0~28 d 的土壤有機(jī)碳礦化速率均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,且前期0~20 cm 礦化速率高于20~40 cm 土層。不同輪作模式累積礦化量表現(xiàn)為:0~20 cm土層為WM>P→W-M>W(wǎng)-P>W(wǎng)-P→W-M>CP;20~40 cm土層為W-M>W(wǎng)-P→W-M>P→W-M>CP>W(wǎng)-P。截至第28天時W-M模式在0~20 cm和20~40 cm的累積礦化量均顯著高于其他模式,分別為561.92 mg·kg-1和454.39 mg·kg-1,表明其存在較高的有機(jī)碳分解速率。0~20 cm CP 模式累積礦化量最低為413.11 mg·kg-1,20~40 cm W-P模式累積礦化量最低為323.95 mg·kg-1。
圖4 不同輪作模式土壤有機(jī)碳礦化速率Figure 4 Mineralization rate of organic carbon in different rotation modes
2.5.2 土壤有機(jī)碳礦化動力模型
應(yīng)用一級動力學(xué)方程對不同輪作模式和不同土層土壤有機(jī)碳累積礦化量進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖5 所示。擬合方程的R2均≥0.882,達(dá)到了較好的擬合水平。在0~20 cm 土層,擬合曲線模型參數(shù)(表4)顯示,各模式土壤潛在礦化有機(jī)碳量(C0)介于415.66~527.53 mg·kg-1,占土壤有機(jī)碳總量(CSOC)的3.8%~6.7%。在20~40 cm 土層,各模式土壤C0介于311.45~441.96 mg·kg-1,占CSOC的3.2%~7.1%。CP和W-P模式的C0在兩土層均處于較低水平,W-M 模式的C0在0~20 cm和20~40 cm土層較CP模式分別顯著提高26.9%和30.3%。與CP模式相比,W-M和W-P→W-M模式顯著提高了C0/CSOC,而P→W-M 和W-P 模式則在0~20 cm 土層均顯著下降了1.4 個百分點(diǎn),在20~40 cm土層均顯著下降了1.6個百分點(diǎn)。
圖5 不同輪作模式土壤累積碳礦化量擬合曲線Figure 5 Fitting curves of soil accumulative mineralization of organic carbon in different rotation modes
表4 不同輪作模式土壤累積碳礦化量擬合曲線模型參數(shù)Table 4 Parameters of the kinetic equations of accumulative mineralization of organic carbon in different rotation modes
Pearson 相關(guān)性分析表明(圖6),土壤累積礦化量與潛在礦化有機(jī)碳庫在0~20 cm(r=0.84)和20~40 cm(r=0.95)土層均存在顯著正相關(guān)關(guān)系。微生物生物量碳與有機(jī)碳(r=0.74)及可溶性有機(jī)碳(r=0.89)僅在0~20 cm 土層存在顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤可溶性有機(jī)碳與有機(jī)碳在0~20 cm(r=0.75)和20~40 cm(r=0.85)土層均存在顯著正相關(guān)關(guān)系,而與累積礦化量在0~20 cm(r=0.71)顯著正相關(guān),在20~40 cm(r=-0.68)則表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)。土壤容重則與有機(jī)碳(r=-0.70,0~20 cm;r=-0.81,20~40 cm)及可溶性有機(jī)碳(r=-0.55,0~20 cm;r=-0.63,20~40 cm)在0~20 cm和20~40 cm土層均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。
圖6 土壤活性碳組分、礦化與環(huán)境因子的相關(guān)性熱圖Figure 6 Heatmap of correlation between soil activate carbon fractions,characteristics of carbon mineralization and environmental factors
不同的輪作組合對土壤碳庫的影響不同,豆科與非豆科作物輪作可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、提升地力[22-24]。本研究發(fā)現(xiàn)P→W-M 和W-P 輪作模式可顯著提高土壤有機(jī)碳含量,這一方面可能與不同植物分泌特異性碳源物質(zhì)調(diào)控根際土壤微生物影響土壤碳周轉(zhuǎn)過程有關(guān)[25-26],另一方面可能與豆科花生根瘤固氮改變土壤碳氮比調(diào)控土壤碳周轉(zhuǎn)有關(guān)[27-28]。此外,秸稈還田會產(chǎn)生碳激發(fā)效應(yīng),導(dǎo)致土壤有機(jī)碳分解加速,在一定程度上決定著土壤碳庫的周轉(zhuǎn)速率[29]。這或可解釋本研究中,W-M 和W-P→W-M 模式土壤秸稈還田量高但土壤有機(jī)碳含量低于P→W-M 模式的現(xiàn)象。
可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳和潛在礦化有機(jī)碳等土壤活性有機(jī)碳對土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化供應(yīng)有重要影響,是土壤質(zhì)量狀況的重要表征指標(biāo)[30-31]。本研究發(fā)現(xiàn),不同輪作方式對土壤活性碳組分有明顯影響,P→W-M 模式更有利于土壤可溶性有機(jī)碳含量及微生物生物量的提升,而W-P→W-M 模式則顯著降低了20~40 cm 各碳組分含量。土壤活性碳組分對環(huán)境變化有著高度的敏感性,土壤濕度、容重和秸稈還田量均可影響土壤活性有機(jī)碳庫積累[32-34],過高的土壤濕度和容重導(dǎo)致微生物的活性下降,使得分解碳源的微生物生物量減少,影響秸稈碳向活性碳組分的轉(zhuǎn)化。P→W-M 模式較低的土壤含水率和容重創(chuàng)造了疏松透氣的土壤環(huán)境,為微生物繁殖和碳周轉(zhuǎn)提供了適宜的條件,有利于活性碳組分的增加[35]。而W-P→W-M 模式則相反,較高的土壤容重可能是限制活性有機(jī)碳庫組分含量提升的原因。
本研究中不同土層及輪作模式土壤有機(jī)碳礦化速率均在培養(yǎng)第1 天達(dá)到峰值,然后迅速下降并趨于穩(wěn)定,這與前人研究結(jié)果一致[36-37],可能是由于土壤微生物優(yōu)先分解由大部分植物殘體、相當(dāng)數(shù)量的微生物和周轉(zhuǎn)迅速的微小動物碎片等組成的活性有機(jī)碳,導(dǎo)致有機(jī)碳礦化速率在培養(yǎng)前期迅速達(dá)到高峰,但隨著培養(yǎng)時間的推移,土壤中活性有機(jī)碳逐漸減少,微生物開始分解纖維素和木質(zhì)素等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子有機(jī)物,微生物代謝相對減緩,礦化速率隨之降低[38]。
有機(jī)碳礦化是土壤碳循環(huán)的重要過程之一,較易受外源物的影響[39]。W-M 模式下的玉米與小麥秸稈還田提高了表層有機(jī)碳含量,但秸稈碳穩(wěn)定性較高,并經(jīng)土壤團(tuán)聚化被物理保護(hù),短期內(nèi)難以進(jìn)入深層[40],此外本研究相關(guān)性分析表明,容重是限制有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳含量提升的關(guān)鍵因素,W-M 模式表層過高的土壤容重使碳源向下垂直遷移時受阻[41]。本研究中W-M 與W-P→W-M 模式累積礦化量相對較高,應(yīng)與作物殘茬等外源物還田有關(guān)。作物類型不同導(dǎo)致還田秸稈量以及秸稈成分存在較大差異,WM 與W-P→W-M 模式較高的小麥玉米還田量可能產(chǎn)生正向激發(fā)效應(yīng)[42],促進(jìn)土壤微生物繁殖,提高土壤碳礦化量。此外,植物根系也具有明顯的激發(fā)效應(yīng),但根際分泌物中的部分碳會殘留在土壤中,以補(bǔ)償激發(fā)效應(yīng)造成的碳損失[43],如Cheng等[44]指出,植物根系對土壤有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的抑制或促進(jìn)作用可達(dá)-50%~380%,而這種巨大的變異性與土壤和微生物特性的不同以及外源碳投入數(shù)量和質(zhì)量的差異密切相關(guān)[45],這或許是本研究中P→W-M 和W-P模式C0/CSOC值顯著降低的原因。前人的研究也證實(shí)豆科作物根系可向根際土壤微生物提供有機(jī)酸、糖類等根源碳分泌物,調(diào)控根際微生物代謝,介導(dǎo)土壤碳轉(zhuǎn)化過程[46],C0/CSOC表示土壤有機(jī)碳礦化分解作用消耗土壤有機(jī)碳的比例,與土壤固碳能力呈正相關(guān)[47],P→W-M 和W-P 模式下C0/CSOC值的降低表明這兩種模式具有較高的碳固持潛力,而W-M 和W-P→W-M 模式則相反,土壤固碳潛力較低。
(1)相較于CP 模式,P→W-M 和W-P 模式顯著提高了0~40 cm 土層有機(jī)碳含量,降低了土壤潛在礦化有機(jī)碳庫,更有利于土壤有機(jī)碳的固持。
(2)相較于CP 模式,P→W-M 和W-P 模式分別提高了0~40 cm 土層和0~20 cm 土層可溶性有機(jī)碳及微生物生物量碳含量,對促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展有積極意義。
(3)W-M 和W-P→W-M 模式顯著提高了C0/CSOC值,雖然具有較高的秸稈還田量,但土壤固碳潛力較低。