地表覆蓋方式對黃土旱塬區土壤碳氮的影響

李蓉蓉，毛海蘭

（西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127）

地表覆蓋方式對黃土旱塬區土壤碳氮的影響

李蓉蓉，毛海蘭

（西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127）

為了解不同覆蓋方式對土壤總有機碳（SOC）、全氮（TN）、微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）的影響，旨在為該區域土壤碳氮動態變化以及旱作農田管理方式提供理論依據?；谔镩g定位試驗，以黃土旱塬區春玉米田為研究對象，設置無覆蓋對照、全生育期9 000 kg/hm2秸稈覆蓋（SM）、全生育期地膜覆蓋（PM）3種處理方式，結果表明：（1）與無覆蓋對照相比，秸稈和地膜覆蓋均顯著增加土壤表層SOC、TN和MBC、MBN的含量，且秸稈覆蓋處理的影響程度高于地膜覆蓋處理，說明秸稈覆蓋處理更加有利于土壤碳氮的累積；（2）不同覆蓋方式除TN與MBC無顯著相關性，其他各指標間均呈顯著的正相關關系，說明土壤有機碳與全氮之間關系密切，MBC和MBN在較大程度上依賴于土壤SOC和TN的貯存量，對SOC的動態變化響應較快；（3）各處理表層土壤SOC、TN、MBC、MBN含量隨土層的深入而降低。

地表覆蓋；黃土旱塬區；微生物量碳；微生物量氮

土壤碳氮庫的動態變化關系到農田生態系統的穩定以及農業的可持續發展，因此日益受到國際地學界、環境學界和生態學界重視［1］。土壤有機碳主要是指存在于土壤中各種動植物殘體、微生物體及其分解和合成的所有含碳的有機物質［2］，其微小變化不僅影響到全球大氣CO2濃度，還對土壤的質量具有關鍵性作用；土壤全氮主要包括有機態氮和無機態氮，有機態氮占全氮的90%左右［3］，是影響作物生長的主要限制因素之一，氮素缺乏會導致土壤肥力下降，從而影響作物生長。土壤有機碳與全氮之間具有密切的相關性，直接制約著農田有機質的循環，其動態變化直接或間接地影響著土壤肥力狀況及作物產量［4-7］。土壤微生物量碳氮在土壤碳氮庫中所占比例很小，但卻是土壤養分的重要來源，影響農作物的生長發育［8］。研究表明，與土壤總有機碳和全氮相比，土壤微生物量碳氮周轉周期快，較土壤有機碳、全氮對土壤環境變化的響應更加迅速和敏感，可以作為土壤理化性質、養分循環和土壤有機質變化的早期指標［9-12］。長久以來，干旱半干旱地區水資源的缺乏成為我國西北地區農作物發展的重要限制因素，如何高效利用有限的水資源，減少土壤水分蒸發，增加貯水量，提高農作物產量一直備受學者重視，而秸稈和地膜覆蓋由于具有保墑蓄水，增加有機質，提高作物產量等作用［13-14］，在我國北方旱地得到了廣泛應用。大量研究表明，秸稈覆蓋有利于土壤碳氮的積累，而覆蓋地膜對微生物量碳氮含量影響的研究結果不太一致。黃土高原作為西北干旱半干旱典型的雨養農業區，目前在農業生產中廣泛應用的覆蓋材料為地膜和秸稈。研究不同地表覆蓋方式對土壤碳氮的影響對于該地區農業可持續發展具有重大意義。本研究以田間定位試驗為基礎，探討了秸稈和地膜兩種覆蓋方式對土壤總有機碳、全氮和微生物量碳、氮的影響，從而為該地區土壤碳氮庫動態變化和農業可持續發展奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于陜西省咸陽市長武縣十里鋪村中科院黃土高原農業生態實驗站（35° 12'53.64''N，107°45'3.10''E），地處東南暖濕地區與西北干旱地區的過渡帶，年均降水量約584.1 mm，且降水主要集中在夏閑期，年均氣溫9.2℃，無霜期171 d，年輻射總量為484 kJ/cm2。作物主要以小麥、玉米為主，近年來大量種植蘋果。土壤類型為粘壤質黑壚土，土質疏松，0～20 cm土層土壤的基本理化性質見表1［15］。

表1 供試土壤基本理化性質

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗始于2008年，每年4月人工開溝播種，播種前清除上年覆蓋的秸稈，然后用圓盤耙機松土蓄墑，9月玉米收獲后農田休閑。設無覆蓋對照處理（CK）、生育期覆蓋秸稈9 000 kg/hm2（SM）、生育期地膜覆蓋（PM）3個處理，隨機區組設計，3次重復，小區面積66.7 m2。地膜覆蓋采用可降解地膜，秸稈覆蓋為整株覆蓋方式，兩種處理方式均在玉米播種后覆蓋，直到次年翻耕前清除。供試春玉米品種為戶農101，播種前各小區統一施基肥，化肥為過磷酸鈣（總P2O5≥46%、有效P2O5≥43%）和尿素（N≥46.6%），施肥量為P2O590 kg/hm2、N 135 kg/hm2。

1.2.2 土樣采集 2014年9月玉米收獲后，采用“S”形5點取樣法分別在各小區采集0～10、10～20 cm土層的土樣，將同一土層的土樣混勻作為一個土樣，用無菌自封袋裝好帶回實驗室自然風干，去除土樣里的動植物殘體及石礫，過2 mm篩備用。

1.2.3 測定指標與方法 （1）總有機碳/全氮：由于土壤偏堿性，先用鹽酸進行預處理去除無機碳后過0.15 mm篩，然后用EA3000元素分析儀測定。（2）微生物量碳/氮：氯仿熏蒸培養法［16］，并使用CleverChem200+全自動間斷化學分析儀測定濾液NH4-N和NO3-N的含量。

采用Microsoft Excel 2010整理數據和繪制圖表，運用SPSS 20.0軟件對變量進行單因素方差分析（ANOVA）和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋方式對土壤有機碳、全氮的影響

由圖1可知，土壤總有機碳含量變化范圍在9.1～10.3 g/kg。其中，0～10 cm土層，秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理的土壤總有機碳含量較無覆蓋對照分別提高了10.2%和3.2%，且秸稈覆蓋與對照差異顯著；10～20 cm土層，秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理的土壤總有機碳含量較無覆蓋對照分別提高11.8%和8.5%，且秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理與對照均差異顯著，說明兩種覆蓋方式均顯著有利于土壤有機碳的增加。0～20 cm土層中，土壤有機碳含量變化為無覆蓋對照＜地膜覆蓋＜秸稈覆蓋，且土壤有機碳隨著土層的深入而逐漸減少，各處理間差異顯著。

圖1 不同地表覆蓋方式下土壤有機碳的分布

由圖2可知，土壤全氮含量變化范圍在1.2～1.4 g/kg。其中，0～10 cm土層，秸稈覆蓋處理的土壤全氮含量比對照高12.7%，差異顯著，地膜覆蓋處理的全氮含量也有所增加，但差異不顯著；10～20 cm土層，與CK相比，秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理的土壤全氮含量分別提高4.3%和3.0%，差異均不顯著。在0～20 cm土層中，秸稈覆蓋處理的土壤全氮含量均高于無覆蓋對照和地膜覆蓋處理，但未達到顯著水平，且土壤全氮也隨著土層的增加而減少，與總有機碳變化趨勢一致。

圖2 不同地表覆蓋方式下土壤全氮的分布

2.2 不同覆蓋方式對土壤微生物量碳/氮的影響

圖3表示不同地表覆蓋方式對土壤微生物量碳的影響，各處理在0～10、10～20 cm土層的微生物量碳含量具有顯著差異，變化范圍在265.2～368.3 mg/kg。其中，0～10 cm土層，地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的土壤微生物量碳含量較無覆蓋對照分別提高30.4%和33.9%，差異顯著；10～20 cm土層，與CK相比，秸稈覆蓋處理的土壤微生物量碳含量增加27.8%，且差異顯著，而地膜覆蓋處理與對照差異不顯著。0～20 cm土層中，秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理的土壤微生物量碳含量較對照分別增加22.2%和11.4%，且秸稈覆蓋處理達顯著水平，說明可見秸稈覆蓋對微生物量碳的作用明顯于地膜覆蓋。另外，各處理的土壤MBC含量均隨著土層的深入而呈現下降趨勢。

圖3 不同地表覆蓋方式下土壤微生物量碳的分布

由圖4可知，土壤微生物量氮含量變化范圍在77.9～108.5 mg/kg，不同地表覆蓋方式對0～10、10～20 cm土層微生物量氮含量具有顯著影響。其中，0～10 cm土層，地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的土壤微生物量氮含量較無覆蓋對照分別提高8.0%和36.5%，且秸稈覆蓋處理達到顯著水平；10～20 cm土層，與無覆蓋對照相比，地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理的土壤微生物量氮含量增加幅度相似，分別為22.3%和23.9%，且均與對照差異顯著。0～20 cm土層，秸稈覆蓋處理的土壤微生物量氮較對照高21.0%，且差異顯著，說明秸稈覆蓋處理的效果更佳。MBN含量表層含量最高，越往下層深入，MBN含量越低，其增長幅度變化也是如此，越往下層增長越緩慢。

圖4 不同地表覆蓋方式下土壤微生物量氮的分布

2.3 土壤SOC、TN、MBC、MBN間的相關性分析

由表2可知，不同的地表覆蓋方式下，土壤有機碳不僅與全氮顯著相關，還與微生物量碳、氮間形成極顯著正相關關系，而且土壤全氮與微生物量氮間也呈顯著的正相關關系，表明土壤有機碳與全氮之間具有密切的聯系，彼此促進和制約，土壤有機碳、全氮含量的增加能夠促進土壤微生物量碳、氮的累積，微生物量碳、氮可作為SOC動態變化的敏感指標。土壤MBC與MBN之間的相關系數為0.541，表明土壤微生物量碳與氮之間也具有顯著相關性，二者關系密切。

表2 土壤SOC、TN、MBC、MBN間的相關性

3 結論與討論

3.1 不同覆蓋方式對土壤SOC和TN的影響

本試驗結果表明秸稈和地膜兩種覆蓋方式均能顯著提高0～10、10～20 cm土層的SOC、TN和MBC、MBN含量，且秸稈覆蓋效果更明顯，在農業生產中實用性更高。不同覆蓋方式下除TN與MBC無顯著相關性，其他各指標間均具有顯著的正相關關系，可見，MBC和MBN在較大程度上依賴于土壤SOC和TN的貯存量，土壤微生物量碳、氮可作為土壤有機碳氮變化的敏感指標。

不同的地表覆蓋方式改變著土壤水熱條件，相應地影響到土壤有機碳氮的變化。研究表明，秸稈覆蓋有利于土層表層有機碳、全氮的累積，且均隨著土層的深入而降低，本試驗結果也表明秸稈覆蓋顯著增加了土壤0～20 cm土層的有機碳和全氮含量，且0～10 cm土層高于10～20 cm土層。這與王淑娟等［17］對陜西關中地區連續7年的田間定位試驗，表明長期覆草可以顯著提高土壤有機碳和全氮含量這一結論一致。秸稈覆蓋能夠增加土壤有機碳含量主要是因為秸稈具有保溫保濕的作用，另外秸稈自身腐化降解產生有機物質隨雨水下滲到土壤中從而有利于土壤有機碳的積累。全氮含量的分布于有機碳相似，這主要也在于全氮大部分來源于土壤植物殘體分解與合成的有機質。而地膜覆蓋對土壤有機碳以及全氮的影響結論不一致。本試驗結果表明，地膜覆蓋作用不明顯，這與Tian等［18］的研究結果較一致；而王琳等［19］認為覆膜具有增溫增濕作用，從而加速土壤中有機質的礦化，因此不利于土壤表層有機碳氮的積累。

3.2 不同覆蓋方式對土壤MBC和MBN的影響

土壤微生物量碳氮在土壤碳氮庫中所占比例很小，但卻是土壤養分的重要來源。研究表明，秸稈覆蓋改善了土壤理化性質條件，使得土壤微生物生長所需的碳氮源大量增加，微生物活性較大提高，刺激了微生物的生長與繁衍，加劇微生物對碳氮素的固定作用，從而增加了土壤中的微生物碳氮量［20-21］。本試驗結果表明，秸稈和地膜兩種覆蓋方式均有利于土壤微生物量碳、氮的提高，但秸稈覆蓋作用更加顯著，這與劉玲等［22］的研究結果較一致。而覆蓋地膜對微生物量碳、氮含量影響的研究結果不太一致，溫曉霞等［23］、Zhou等［24］研究表明，地膜覆蓋會增加土壤微生物量碳、氮含量；而謝駕陽等［25］認為地膜覆蓋會降低微生物量碳、氮含量；于樹等［26］則認為地膜覆蓋對微生物量碳、氮含量無顯著影響，與本試驗結果較一致。這可能是由于地膜改善了土壤的水熱條件，前期會顯著增加增加微生物量碳的含量，長期覆蓋后，地膜滲水性差，溫度增加，減少了雨水對土壤水的有效補充，而且使微生物處于低氧環境中，使得土壤有機碳等養分處于快速消耗狀態，導致后期養分供給不足，微生物活性不斷降低。

3.3 土壤SOC、TN、MBC、MBN的相關性分析

本試驗結果表明，土壤SOC、TN、MBC、MBN各指標間除TN與MBC間相關性較弱，其他指標間相關性均達顯著水平，與前人研究結果較一致。汪娟等［27］在黃土高原半干旱丘陵溝壑區進行的試驗結果表明，微生物量碳、微生物量氮與有機碳和全氮均呈顯著正相關，說明提高土壤有機質、全氮含量有利于土壤微生物碳與氮的積累；李花等［28］研究表明，土壤碳、氮水平顯著影響土壤MBC、MBN的含量；賈會娟［7］在玉米農田試驗中SOC與其他組分間的相關性依次為TN ＞MBN＞MBC。土壤碳氮組分間的相關性說明土壤有機碳氮組分間存在一定的耦合關系，相互促進相互制約，可以作為評價土壤質量的重要指標。其他組分與有機碳的相關性不同可能與作物生長、季節性有關，溫度和降水量等氣候因子的不同對土壤結構造成的影響也不同，進而對有機碳、氮組分產生不同的影響。

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（責任編輯 鄒移光）

Effects of mulching patters on soil carbon and nitrogen in arid area of Loess Plateau

LI Rong-rong，MAO Hai-lan
（College of Urban and Environment Science，Northwestern University，xi'an 710127，China）

The effects of different mulching patters on soil organic carbon，total nitrogen，microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen were studied to provide theoretical basis for the dynamic change of soil carbon and nitrogen，and the management of dry farmland. A positionable experiment of spring maize was conducted in Loess Plateau，which set up three different mulching patters：without mulching treatment as control （CK），straw mulching at a rate of 9 000 kg/hm2（SM）and degradable plastic film mulch（PM）. The results showed that compared with CK，straw and plastic film mulching significantly increased the contents of SOC，TN，MBC and MBN in soil layer. The effect of SM treatment was better than PM treatment. There were significant positive correlations among different indexes （P＜0.05），except TN and MBC，which showed close relationship between soil organic carbon and total nitrogen. The storage capacity of MBC and MBN in a large extent depended on SOC and TN，which respond rapidly to SOC dynamic change. The contents of SOC，TN，MBC and MBN decreased with the decline of soil layer.

mulching patter；arid areas of Loess Plateau；microbial biomass carbon；microbial biomass nitrogen

S153.6

A

1004-874X（2017）01-0076-06

2016-09-20

國家自然科學基金（31270484）

李蓉蓉（1991-），女，在讀碩士生，E-mail：szxydklrr@163.com

李蓉蓉，毛海蘭. 地表覆蓋方式對黃土旱塬區土壤碳氮的影響［J］.廣東農業科學，2017，44（1）：76-81.