西南紫色土丘陵區不同耕作方式對土壤水熱條件、有機碳含量及蠶豆產量的影響

陳 嬌，黃召存，熊 瑛，2，王龍昌，馬淑敏，邢毅，張小短

(1. 西南大學農學與生物科技學院，南方山地農業教育部工程研究中心，三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400716；2. 河南科技大學農學院，河南 洛陽 471003)

土壤作為陸地生態系統最大的碳庫，土壤呼吸作為陸/氣間碳通量的重要組成部分，是影響大氣CO2濃度的關鍵因素之一[1-2]，而土壤呼吸受土壤溫度、水分、土壤肥力、植被類型、耕作方式的影響[3]。農田土壤有機碳庫是土壤肥力的重要指標，是作物高產穩產的基礎[4]。據估計，全球陸地碳貯量的10%以上都是農田土壤碳貯量。農田土壤碳貯量作為陸地土壤碳庫最活躍的部分，對農田管理措施反應敏感，對固定大氣CO2、減緩溫室效應有巨大潛力。農田土壤有機碳固定是一個十分復雜的過程，受氣候、土壤性質以及人為活動的影響。已有研究表明，合理的耕作方式、施肥可以促進農田土壤固碳[5-6]，提高有機碳含量，是實現溫室氣體減排的有效措施[7-8]。我國農作物秸稈資源十分豐富，2008年全國以玉米、小麥為主的秸稈總量高達94 283.12萬t，且逐年增加[9]，但秸稈處理的不合理帶來了很多的生態環境危害，如加劇溫室效應、造成大氣環境質量下降、能源大量浪費、引起火災等[10]。所以，如何合理有效地利用廢棄秸稈已成為我國農業生產面臨的關鍵問題。農作物秸稈中含有豐富的碳源[11]，還田則是其中較為有效的秸稈利用方式，不僅可以有效降低秸稈燃燒帶來的資源浪費和環境問題，而且還可以增加土壤的有機質含量[11-12]，提高土壤質量，減少溫室氣體的排放[13-14]，促進農業可持續發展[15]。已有研究表明，秸稈覆蓋、壟作為主的保護性耕作在保土保水、改善土壤肥力、提高作物產量方面的效益顯著[16-18]，但對于西南紫色土丘陵區旱作農田保護性耕作對蠶豆田土壤水熱條件和有機碳變化方面尚缺乏深入研究。本試驗選擇紫色土丘陵區蠶豆/玉米/甘薯旱三熟模式中的蠶豆為研究對象，探討不同耕作方式對土壤水熱條件、有機碳含量和蠶豆產量的影響以及它們之間的相關關系，為蠶豆生產選擇合理的耕作方式奠定科學基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地位于重慶市北碚區西南大學教學試驗農場，北緯29°51′，東經106°27′,海拔244 m，屬亞熱帶季風濕潤氣候，年均太陽總輻射量為87 108 kJ·cm-2，年均總日照時數1 276.7 h，多年平均氣溫18℃，≥10℃積溫5 979.5℃，夏季最高氣溫達40℃左右，無霜期達359 d，多年平均降雨量1 133.7 mm。試驗地土壤為旱地紫色土，坡度較緩，地力相對均勻。土壤容重1.21 g·cm-3，pH值為6.47，土壤有機質含量28.00 g·kg-1，全氮含量1.68 g·kg-1，全磷含量1.46 g·kg-1，全鉀含量34.54 g·kg-1，速效磷含量18.13 mg·kg-1，速效鉀含量270.23 mg·kg-1，堿解氮含量35.23 mg·kg-1。

試驗地已連續6年開展旱三熟種植模式下的壟作和秸稈覆蓋保護性耕作研究，每年的耕作處理保持一致。本研究于2013年11月至2014年5月以“蠶豆/玉米/甘薯”旱三熟種植模式中蠶豆農田為研究對象設置田間試驗。其中參試作物為蠶豆(ViciafabaL.)，品種為“陵西一寸”；于2013年11月初種植，2014年5月收獲；蠶豆采取撬窩點播，種植在壟上，每條帶2行，每行12窩，每窩3株，各處理均施復合肥225 kg·hm-2(含N15%、P2O515%、K2O15%)，作為基肥在播種的同時施入。試驗共設6個處理(如表1)，采用隨機區組排列，每個小區的面積為28.8 m2，長8.0 m，寬3.6 m。每個小區均分四廂共八個條帶，每個條帶寬度為1.0 m，長度為3.6 m。每個處理重復3次。覆蓋處理所用的玉米秸稈，收獲后直接覆蓋于小區內，半量覆蓋處理下的小區覆蓋秸稈10.8 kg(折合3 750 kg·hm-2)，全量覆蓋處理下的小區覆蓋秸稈21.6 kg(折合7 500 kg·hm-2)。田間管理措施同常規。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 土壤水分及溫度測定 分別在蠶豆的苗期(2013年12月3日)、分枝期(2014年1月3日)、現蕾期(2014年2月3日)、結莢期(2014年3月6日)、成熟期(2014年5月1日)，鉆取0～20 cm壟上耕層土壤，每個小區隨機選取5個采樣點。土壤水分采用干燥恒重法測定，取平均值。

土壤溫度采用PC2850測定20 cm處壟上土壤溫度，每個小區隨機取5個點，取平均值。

表1 試驗處理描述Table 1 Treatment descriptions

1.2.2 土壤有機碳含量測定 在蠶豆各生育期按照5點法取樣，每個處理3個重復，以植株為中心，以15 cm為半徑將整個植株從土壤中挖出，帶回實驗室后，抖掉與根系松散結合的土壤，作為非根際土壤，然后用鑷子刮取附在根系上的一薄層(<10 mm)土壤作為根際土壤[19]。并將取得的土樣弄碎混勻，按4分法取樣，用塑料袋包好，除去雜物后，自然風干研磨。稱取過0.25 mm 篩的土樣0.15～0.2 g于900℃燃燒，采用日本島津總有機碳(TOC)分析儀(SSM-5000A)。測定有機碳含量。經測定本試驗地的土壤pH值低于6.5，偏酸性，無機碳含量忽略不計，總碳即為有機碳含量。

1.2.3 蠶豆產量、百粒重測定 產量：于蠶豆收獲期按小區收獲，產量為各小區蠶豆籽粒的風干重。百粒重：隨機選100粒蠶豆稱其重量，重復3次，取其平均值。

1.3 數據分析

用Excel 2007軟件進行數據記錄與處理，并制作圖表，用SPSS 17.0軟件進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤水熱條件的變化

蠶豆整個生育期，大氣溫度是先降低后上升，土壤溫度也隨之先下降后上升(圖1)。在苗期和分枝期，各處理間土壤溫度呈現RS2>RS1>R， TS2>TS1>T趨勢，而在結莢期和成熟期，各處理間土壤溫度呈現RS2

注: 柱狀圖上不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Notes: Small letters on the histogram show significant difference at P<0.05 among different treatments at same stage. The same below.圖1 不同處理土壤溫度的動態變化Fig.1 Dynamic changes of soil temperature under different treatments

由圖2可知，土壤水分在整個生育期一直保持在20.09%～31.83%之間，總體表現為RS2>TS2>RS1>TS1>R>T。在苗期、分枝期、開花期和成熟期，RS2土壤水分均顯著高于R(P<0.05)；在分枝期、開花期和成熟期TS2土壤水分均顯著高于T(P<0.05)；在相同秸稈覆蓋量下，分枝期RS2土壤水分顯著高于TS2(P<0.05)，開花期和成熟期，RS1土壤水分顯著高于TS1(P<0.05)，其余時期壟作和平作差異均不顯著。可見，壟作和秸稈覆蓋可以在田間起到保墑作用，秸稈覆蓋效果更為明顯。

2.2 不同耕作方式對根際和非根際土壤有機碳含量的影響

由圖3可知，整個生育時期各處理蠶豆根際土壤有機碳含量均高于對照T，但不同時期差異程度不同。在苗期，TS2和RS2處理下的有機碳含量與T處理之間達到極顯著差異(P<0.01)，分別比其高出12.26%、14.09%；與TS1和R達到了顯著性差異(P<0.05)；而R、TS1、RS1之間沒有顯著性差異。在分枝期，RS2處理下的有機碳含量與T處理之間達到極顯著差異(P<0.01)，比其高出21.23%；TS2的有機碳含量比T處理下增加15.61%，達到顯著性差異(P<0.05)；而R、TS1、RS1與T無顯著性差異。在開花期，RS2處理的有機碳含量比T、R、TS1分別增加21.04%、15.73%、18.64%，且達到了極顯著性差異(P<0.01)；TS2的有機碳含量比TS1、R分別增加了13.04%、9.94%，均達到了顯著性差異(P<0.05)。在結莢期，RS2處理的有機碳含量比T、R、TS1分別高出22.39%、18.24%、18.24%，且達到了極顯著性差異(P<0.01)；RS1和TS2處理與T處理之間達到了顯著性差異(P<0.05)，有機碳含量分別增加了13.85%、14.71%。在成熟期，各處理之間的差異顯著性與結莢期一致。說明以T為對照，RS2、TS2、RS1、TS1、R各處理均能提高蠶豆根際土壤有機碳含量，其中以RS2效果最為顯著。無論在壟作或平作下，全量秸稈覆蓋均能顯著提高蠶豆根際土壤有機碳含量；在相同秸稈覆蓋量下，壟作與平作差異不顯著。

圖2 不同處理下土壤水分的動態變化Fig.2 Dynamic changes of soil moisture under different treatments

注:不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異達P<0.05顯著水平，不同大寫字母表示同一時期不同處理間差異達P<0. 01顯著水平，下同。Note:Small and capital letters indicate significent difference at 0.05 and 0.01 level respectively among different treatments at same stage. The same below.圖3 不同處理下根際土壤有機碳含量動態變化Fig.3 Dynamic changes of organic carbon content of rhizosphere soil under different treatment

圖4為非根際土壤有機碳含量的動態變化。在整個生育期內，RS2處理的非根際土壤有機碳含量與T處理之間都達到了極顯著差異(P<0.01)。在苗期，TS1、RS1、TS2處理和T、R之間都達到了顯著性差異(P<0.05)。在分枝期，RS2處理極顯著高于T、R、TS1處理(P<0.01)，顯著高于RS1處理(P<0.05)；RS1處理極顯著高于T、R處理(P<0.01)，顯著高于TS1處理(P<0.05)；R處理顯著高于T處理(P<0.05)。在開花期，TS2顯著高于T處理(P<0.05)，RS2顯著高于T、R(P<0.05)處理，其他處理間無明顯差異。在結莢期，RS2、RS1、TS2處理顯著高于T處理(P<0.05)，其他處理間無明顯差異。在成熟期，RS2、RS1和TS2處理極顯著高于T、R、TS1處理(P<0.01)處理，其他處理間無明顯差異。說明以T為對照，RS2、TS2、RS1、TS1、R各處理均能提高蠶豆非根際土壤有機碳含量，其中以RS2效果最為顯著。無論在壟作或平作下，全量秸稈覆蓋均能顯著提高蠶豆非根際土壤有機碳含量；在相同秸稈覆蓋量下，壟作與平作差異不顯著。

由圖3、圖4可以看出，在秸稈覆蓋處理下(RS2、TS2、RS1、TS1)，土壤根際、非根際有機碳含量隨蠶豆的生育進程均基本呈上升趨勢。這可能是因為0～20cm耕層土壤有機碳含量的變化主要受到耕作因素的影響，隨著蠶豆生育進程，覆蓋在土壤表層的秸稈進一步腐解，土壤有機質含量增加，進而增加土壤有機碳含量。

圖4 不同處理下非根際土壤有機碳含量動態變化Fig.4 Dynamic changes of organic carbon content of non-rhizosphere soil under different treatment

2.3 不同耕作方式對蠶豆產量的影響

由圖5、圖6可知，不同耕作方式對蠶豆產量和百粒重的影響不同。T、R、TS1、RS1、TS2、RS2處理的蠶豆產量分別為3 349、3 468、3 657、3 680、3 710、3 769 kg·hm-2，與對照T相比，R、TS1、RS1、TS2、RS2處理的蠶豆產量分別增產3.55%，9.20%，9.88%，10.78%，12.54%。表明不同耕作方式對蠶豆產量影響存在差異，壟作和秸稈覆蓋都有利于提高產量，在相同耕作方式下，全量秸稈覆蓋>半量秸稈覆蓋>無秸稈覆蓋。不同耕作方式下蠶豆的百粒重保持在56.10～65.80 g之間，以T為對照，R、TS1、RS1、TS2、RS2的百粒重比對照增加0.10%、3.03%、4.11%、6.92%、14.7%。說明壟作和秸稈覆蓋也能提高蠶豆的百粒重，其中RS2效果最為顯著。而蠶豆的百粒重是產量的重要構成因素，提高百粒重是蠶豆增產的關鍵。

圖5 不同耕作方式對蠶豆產量的影響Fig.5 Effects of tillage modes on yield of broad bean

圖6 不同耕作方式對蠶豆百粒重的影響Fig.6 Effects of tillage modes on hundred-grain weight of broad bean

2.4 土壤有機碳含量與蠶豆產量之間的相關性

相關分析表明，蠶豆根際土壤和非根際土壤有機碳含量與蠶豆產量均呈顯著正相關(P<0.05)，相關系數分別為0.865和0.892。可見，壟作和秸稈覆蓋下，蠶豆產量的增加與蠶豆根際和非根際土壤有機碳含量的增加存在密切的關系。

3 討 論

西南紫色土丘陵區雖然降水資源較豐富，但季節性干旱發生頻率較高，其中冬旱、春旱常常對蠶豆生產構成威脅[16]。本試驗研究表明，壟作處理各生育期的含水量高于傳統耕作，說明壟作可以有效地提高蠶豆根際土壤的含水量，為植株生長提供充足的水分。而秸稈覆蓋處理的含水量一直高于傳統耕作，是因為秸稈覆蓋既可以減少水分的蒸發，同時秸稈本身也可以吸收大量的水分，起到保墑的作用，從而提高土壤的含水量。因而，壟作和秸稈覆蓋均有利于克服季節性干旱對蠶豆生產的影響。

壟作在土壤的溫度方面與傳統耕作沒有顯著差異，并沒有表現出郭仁卿研究得出的壟作可以增溫的效果[20]，其原因在于，在冬季和春季，西南丘陵區太陽輻射較差，限制了壟作增溫效應的發揮。在苗期和分枝期，秸稈覆蓋處理的土壤溫度明顯高于不覆蓋處理，是因為當大氣溫度較低時，秸稈覆蓋阻止了土壤與外界的直接接觸，起到保溫作用，秸稈覆蓋量越多，保溫效果越好；在結莢期和成熟期，秸稈覆蓋處理的土壤溫度明顯低于不覆蓋處理，是因為大氣溫度較高，秸稈覆蓋使土壤避免了太陽的直射，起到降溫作用，秸稈覆蓋量越多，降溫效果越好，這與蔡太義的研究結果一致[21-22]。因而，秸稈覆蓋可以有效地緩解溫度劇烈波動對蠶豆生長發育造成的不利影響。

土壤有機碳是指進入土壤的植物、動物及微生物體的遺體、排泄物、分泌物及其分解、合成的有機物質中的碳。首先，它是植物養分的來源，在有機碳分解過程中將逐步地釋放出植物生長所必需的氮、磷、硫等營養元素；其次，有機碳可以改善土壤的結構性能及物理、化學和生物學性質[23]。前人研究[24-25]認為秸稈覆蓋強化了土壤有機質的積累，改善了土壤碳庫組成，壟作能夠提高土壤表層有機質含量。崔鳳娟研究[26]認為秸稈覆蓋對于提高土壤有機碳庫的貢獻大于傳統耕作。本研究表明，壟作和秸稈覆蓋都能提高土壤的有機碳含量，其中RS2處理下效果最好，且根際土壤中的有機碳含量稍大于非根際土壤。從苗期到成熟期，土壤有機碳含量有一定的上升趨勢，其增加幅度為0.047～0.168個百分點，這可能是因為，隨著秸稈的腐爛，土壤中的有機質增加。

土壤有機碳是反映土壤肥力的重要指標[27]，土壤肥力好，則促進作物產量提高，作物生產力與土壤質量的高低密切相關。許多研究表明，保護性耕作可以提高作物產量15%～17%。孫向輝研究[28]得出壟作栽培小麥產量較傳統平作有顯著提高。薛蘭蘭研究[29]結果表明，秸稈覆蓋既可提高油菜的株高，又可提高產量。本試驗中，與T處理相比，不同保護性耕作方式對蠶豆的產量都有促進作用。RS2處理下的蠶豆產量最高，而蠶豆的百粒重是產量的重要構成因素，RS2處理下百粒重也最大，說明壟作和秸稈覆蓋都有利于提高產量，且秸稈覆蓋量越大，產量越高。同時本研究表明，蠶豆產量與蠶豆根際、非根際土壤有機碳均呈顯著正相關，說明壟作和秸稈覆蓋在促進土壤固碳的同時也提高了蠶豆的產量。

4 結 論

1)秸稈覆蓋在低溫時具有“增溫效應”，而高溫時則有“降溫效應”，而壟作的土壤溫度與平作間沒有明顯的差異。壟作和秸稈覆蓋在田間均起到保墑作用。

2)壟作和秸稈覆蓋能提高土壤的有機碳含量，其中RS2效果最顯著。隨著蠶豆的生長，土壤的有機碳含量隨之緩慢增加。不同處理間的有機碳含量表現出RS2>TS2> RS1>TS1>R>T的趨勢。

3)壟作和秸稈覆蓋能提高蠶豆的產量和百粒重。與對照T相比，R、TS1、RS1、TS2、RS2處理的蠶豆產量分別增加3.55%、9.20%、9.88%、10.78%、12.54%，百粒重分別增加0.10%、3.03%、4.11%、6.92%、14.7%。

4)蠶豆產量與土壤有機碳含量呈顯著正相關。