保护性耕作下土壤碳库动态监测的有效性

保护性耕作下土壤碳库动态监测的有效性

土壤中的有机碳储量由不同的稳定性组成，其概括包括活、慢和坏的光谱。土壤总有机碳可能在较短时间内对因农业管理措施导致的土壤质量的变化反映不甚敏感。因此,前人试图用土壤有机碳亚库来指示全碳变化。其中农业生产措施(如土壤耕作管理、植物残体或有机物料的还田等)引起土壤碳库的最初变化主要是易分解、矿化,即活性碳部分。一些研究发现,土壤活性有机碳对耕作方式和秸秆还田的反应更为迅速。尽管这部分碳素占全碳的比例很小,但它们对土壤碳素的转化很重要,而且与土壤生产力密切相关。测定土壤活性有机碳组分方面,提出过许多方法,如物理组分、化学氧化和生物活性测定法等。这些方法中,KMnO4氧化法被认为是简单易行,并被广泛用来研究农业生产措施对土壤活性有机碳的影响。这个方法最早由Loginow等(1987)提出,他根据高锰酸钾氧化强度来确定土壤有机碳的活性部分。Blair等对此方法进行了修改,并在此基础上提出了表示土壤活性碳的一些相关概念。国外在这方面的研究已经不少,而我国的研究还不多。保护性耕作是对农田实行免耕、少耕,并用作物秸秆覆盖地表,以减少风蚀、水蚀,提高土地肥力和抗旱能力的先进农业耕作技术。近年来的研究表明,保护性耕作有利于土壤碳固定,减少温室气体排放,通过改变农业管理措施(耕作措施和秸秆覆盖)和农业投入而使农田生态系统中土壤碳含量提高,同时减少CO2向大气中的释放。但是关于耕作措施对土壤活性碳库及碳库管理指数的影响还未见报道。本研究运用高锰酸钾氧化法测定了保护性耕作下土壤活性碳,并计算出了土壤碳库管理指数,旨在探讨土壤碳库管理指数对长期保护性耕作下土壤碳库动态监测的有效性,旨在为深入研究和评价保护性耕作对土壤有机碳的影响提供依据。1材料和方法1.1试验地和试验土保护性耕作长期定位试验于2001年在中科院栾城生态试验站进行。试验站位于河北省石家庄市栾城县聂家庄乡,114°40′E,37°50′N,海拔50.1m,年均气温12.2℃,年平均降雨量480.7mm。试验土壤为潮褐土,质地为壤土,是典型的小麦/玉米一年两熟农作区。在2005年10月份于小麦播种前取样,其中不同处理各点分0～10cm,10～20cm和20～30cm三个层次,采集5个点的混合土样,当天运回实验室,捡去作物根系和小石头,自然风干,过0.25mm筛,用于土壤总有机碳和活性碳的测定。1.2耕作秸秆还田试验采用大田方法,共设4个处理:翻耕秸秆不还田(对照);翻耕秸秆还田;旋耕秸秆还田和免耕秸秆还田。其中秸秆还田是指播种小麦时玉米秸秆还田,每处理0.333hm2,每个处理选择地力均匀的3个点进行取样与测定。1.3活性有机碳的测定土壤总有机碳的测定采用常规方法。土壤活性有机碳测定:称量处理过约含15mg有机碳的土样,放在塑料瓶(100ml)内,用333mmol/LKMnO4溶液25ml震荡处理1h,震荡后离心5min(4000r/min),取上清夜,用去离子水按1∶250比例稀释,然后用分光光度计565nm比色测定,根据KMnO4浓度的变化计算活性有机碳含量,单位mgC/g(即每1g干土中含活性有机碳量)。1.4碳库活度的确定碳库指数(CPI)=农田土壤有机碳/参考农田土壤有机碳;碳库活度(A)=活性碳/稳态碳;碳库活度指数(AI)=农田碳库活度/参考土壤碳库活度;碳库管理指数(CPMI)=碳库指数×碳库活度指数×100。2结果与分析2.1秸秆还田对土壤有机碳的影响从图1可以看出,各处理下土壤总有机碳在3个层次中均表现为0～10cm大于10～20cm,大于20～30cm。但不同耕作方式和秸秆还田对土壤总有机碳量有很大影响,其0～30cm的平均总有机碳含量大小为旋耕>免耕>翻耕>对照。就秸秆是否还田的两块翻耕地来说,秸秆还田有利于提高0～20cm土层的总有机碳,0～10cm和10～20cm分别提高了5.732%和2.128%,但是却降低了20～30cm土层的总有机碳,对0～30cm土层来说,秸秆还田提高了1.896%土壤总有机碳。就秸秆还田的3种耕作方式来说,其0～30cm土层的有机碳含量分别是6.510g/kg,7.402g/kg和6.513g/kg,旋耕有利于提高土壤总有机碳,其次是免耕和翻耕。其中旋耕和免耕有利于提高表层土壤有机碳含量,旋耕和翻耕有利于提高耕层碳含量。对4个处理的各层次进行方差分析,只有0～10cm土层达到显著水平,即旋耕和免耕显著提高土壤表层总有机碳。2.230cm土壤活性有机碳含量表示单位质量土壤中的活性有机碳质量。从图2可以看出,各处理下土壤活性碳在3个层次中均与土壤总有机碳一致,即0～10cm大于10～20cm,大于20～30cm。但各处理土壤活性碳平均含量与总有机碳含量不一致,为旋耕>翻耕>对照>免耕。就秸秆是否还田的两块翻耕地来说,秸秆还田有利于提高0～10cm和20～30cm土层的活性碳,但是却降低了10～20cm土层的活性碳。就秸秆还田的3种耕作方式来说,其0～30cm土层的有机碳含量分别是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,免耕则降低土壤活性碳,尤其是10～20cm土层活性碳比旋耕下降了27.33%。2.3不同土层管理指数的比较将对照看作参照土壤,对不同处理不同层次的碳库管理指数进行计算如表2。从表中可以看出,在0～10cm土层和0～30cm土层平均值中,各参数的变化趋势大致相同,即UAC和CPI为旋耕>免耕>翻耕>对照,且旋耕和免耕显著大于翻耕和对照,A和AI为翻耕>对照>免耕>旋耕,CPMI为翻耕>旋耕,而0～10cm土层CPMI为免耕>对照,0～30cm平均值中则相反。说明在华北平原0～30cm土层的碳库各项指数受表层的影响比较大,其中保护性耕作(少免耕和秸秆还田)能增加土层的总有机碳、稳态碳和碳库指数;而翻耕秸秆还田则提高A和AI,少免耕则降低了土壤的A和AI;就碳库管理指数来讲,秸秆还田的贡献大于耕作措施。在10～30cm土层各管理指数变化很大。在10～20cm土层中,UAC和CPI为翻耕>对照>旋耕>免耕,A和AI为旋耕>对照>翻耕>免耕,CPMI为旋耕>对照>翻耕>免耕。在耕层免耕的碳库各项管理指数均最低,少耕秸秆还田提高了碳库活度、活度指数和碳库管理指数,翻耕秸秆还田提高稳态碳和碳库指数。在20～30cm土层中,UAC和CPI为旋耕>对照>免耕>翻耕,A和AI为翻耕>免耕>对照>旋耕,CPMI为免耕>翻耕>对照>旋耕。在该层次中旋耕提高了稳态碳和碳库指数,却降低了碳库活度、活度指数和碳库管理指数。3旋耕和秸秆还田对土壤有机碳的积累与发展土壤有机碳是指存在于土壤中所有含碳的有机物质,它包括土壤中的各种动、植物残体,微生物体及其分解和合成的各种有机物质。尽管土壤有机碳只占土壤总重量的很小一部分,但它在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面均起着极其重要的作用。一方面它含有植物生长所需要的各种营养元素,使土壤生物生命活动的能源,对土壤物理、化学和生物学性质都有着深刻的影响。另一方面,土壤有机碳对全球碳平衡起着重要作用,被认为是影响全球“温室效应”的主要因素。一般认为农田SOC含量与有机质输入和耕作程度呈线性相关。本研究认为,就秸秆是否还田的两个翻耕处理来说,秸秆还田0～30cm土层比翻耕秸秆不还田提高了1.896%,这种土壤有机碳的提高主要是因为秸秆还田的效果,这与前人研究的结果相同。秸秆都还田的3种耕作方式下0～30cm土层的有机碳含量分别是6.510g/kg,7.402g/kg和6.513g/kg,旋耕和免耕分别比翻耕提高了13.702%和0.0461%,比对照提高了15.855%和1.941%,旋耕秸秆还田对土壤有机碳的积累效果最好,主要是因为保护性耕作减少了地面作业,降低了土壤扰动,同时保留残茬也能通过减低雨滴的击溅来加强土壤水的入渗,从而减少了含较高有机碳表土的流失。但是免耕秸秆还田提高有机碳含量并不是太理想,与前人的研究结果相差很大,如在英国,免耕土壤比传统耕作提高8%的碳含量。分析原因可能在于免耕作物生物量低,秸秆还田量少,2004～2005年翻耕、旋耕和免耕的还田量分别是59.056kg/hm2,55.377kg/hm2和46.905kg/hm2;免耕条件下秸秆聚集在5cm的土层,与翻耕和旋耕相比分解速度比较慢,与其他国外的长期定位试验相比免耕的时间相对较短,秸秆效应没有完全体现出来。Dalal和Chan按化学性质把土壤有机碳分为3个部分,即活跃碳库、非活跃碳库和惰性碳库。活跃碳库(activeCpool)的特征是其在土壤中的更新速率快,能迅速得到更新。活跃碳一般指的是颗粒有机质(particulateorganicmatter),或者是指大致为保存在粒径>20μm或>53μm砂粒中的有机碳。活跃碳库有机质绝大部分由植物残体的分解物质、微生物的菌丝和存在于粉粒和粘粒级别上的很小但数量很大的微生物生物量及其产物组成。一般认为土壤中活性有机碳占总有机碳的百分比可以用来反映土壤有机碳的质量,活性有机碳所占的百分比越大,表示有机碳越易被微生物分解,质量也就越高。本实验研究认为,翻耕秸秆还田比对照活性碳含量提高0.982%,这与张付申的研究相同。秸秆都还田的翻耕、旋耕和免耕0～30cm土层的有机碳含量分别是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,免耕则降低土壤活性碳,尤其是10～20cm土层活性碳比旋耕下降了27.33%。从各项管理指数可以看出,华北平原0～30cm土层的碳库各项指数受表层