保護(hù)性耕作對(duì)蠶豆根系生長(zhǎng)及根際土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響

馮 ， ， ， *， ， ，

(1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 重慶400715)

紫色土是我國(guó)一種特有的土壤資源，主要分布在四川盆地。西南紫色土地區(qū)由于其濕潤(rùn)的氣候和復(fù)雜的地形等特點(diǎn)，加上人為活動(dòng)的加劇，使得該區(qū)域內(nèi)水土流失現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。尤其是對(duì)于占本區(qū)耕地面積70%以上的旱作坡耕地，土層淺薄、土壤有機(jī)質(zhì)下降、保水保土性能差等，已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素[1]。以秸稈覆蓋[2]、壟作[3]為主的保護(hù)性耕作措施在改善土壤肥力、提高作物產(chǎn)量方面在該地區(qū)具有顯著的效益。黃新君等發(fā)現(xiàn)，增施有機(jī)質(zhì)的同時(shí)進(jìn)行秸稈覆蓋可作為紫色土區(qū)坡耕地減小土壤可蝕性的有效措施[4]。韓曉飛等通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在保護(hù)性耕作下土壤上下層全磷、有效磷和各形態(tài)無(wú)機(jī)磷均有不同程度的增加，有利于土壤肥力提高[5]。R.Alvarez等認(rèn)為，長(zhǎng)期的保護(hù)性耕作能增加土壤有機(jī)碳庫(kù)[6]。但針對(duì)紫色土丘陵區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的研究較少，從而限制了對(duì)其有機(jī)碳積累、轉(zhuǎn)化的特殊性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

本文基于紫色土丘陵區(qū)坡耕地“蠶豆/玉米/甘薯”旱三熟種植模式，通過(guò)對(duì)比分析探究保護(hù)性耕作對(duì)蠶豆(ViciafabaL.)根系生長(zhǎng)狀況、土壤理化性狀和根際土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響，剖析各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性，初步揭示保護(hù)性耕作影響根際土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的內(nèi)部機(jī)制，探究其適宜的保護(hù)性耕作措施，為合理利用該措施改善土壤有機(jī)質(zhì)狀況和解決生態(tài)效益低下問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于重慶市西南大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)，地處東經(jīng)106°26′，北緯30°26′，海拔244 m，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫18.3℃，年平均降雨量1 133.4 mm，在蠶豆生育期的降雨量占全年降雨量的60%；年日照1 276.7 h，無(wú)霜期年均約334 d； 土壤為旱地中性紫色土，坡度較緩，地力均勻。土壤的基本理化性質(zhì)如下：pH 6.47，土壤有機(jī)質(zhì)28.00 g·kg-1，全氮1.68 g·kg-1，全磷1.46 g·kg-1，全鉀34.54 g·kg-1，堿解氮35.23mg·kg-1，速效磷18.13 mg·kg-1，速效鉀71.1 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地已連續(xù)6年開(kāi)展旱三熟種植模式下的保護(hù)性耕作研究，每年的耕作處理保持一致。本研究于2014年11月至2015年5月以“蠶豆/玉米/甘薯”旱三熟種植模式中第一季作物蠶豆田為研究對(duì)象設(shè)置田間試驗(yàn)。參試作物蠶豆(ViciafabaL.)的品種為“陵西一寸”，于2014年11月3日種植，2015年5月1日收獲；點(diǎn)播，壟作處理植株種植在壟上，每條帶2行，每行12窩，每窩3株，各處理均施復(fù)合肥225 kg·hm-2(含N 15%、P2O515%、K2O 15%)，作為基肥在播種的同時(shí)施入。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理(見(jiàn)表1)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)小區(qū)的面積為8.0 m×3.6 m。每個(gè)小區(qū)均分四廂共八個(gè)條帶，每個(gè)條帶寬度為1.0 m，長(zhǎng)度為3.6 m。每個(gè)處理重復(fù)3次。覆蓋處理所用的玉米秸稈，收獲后人工截成10 cm左右，均勻覆蓋于小區(qū)內(nèi)，半量覆蓋處理的小區(qū)覆蓋秸稈量約為3 750 kg·hm-2，全量覆蓋處理的小區(qū)覆蓋秸稈量為7 500 kg·hm-2。田間管理措施同常規(guī)。

表1 試驗(yàn)處理Table 1 The experimental treatments

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1蠶豆根系指標(biāo)測(cè)定 在蠶豆的幼苗期、分枝期、開(kāi)花期、結(jié)莢期、成熟期，隨機(jī)選取各處理的小區(qū)內(nèi)蠶豆4窩共12株，用三角鍬挖出蠶豆根系，連根帶土壤緩緩移出，除去地上部分，放入塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。在分離出根際/非根際土壤后，用水沖根取樣，采用小水慢沖、以不折損細(xì)根為原則，盡量保留根系完整。測(cè)定指標(biāo)如下：

根系總長(zhǎng)、根表面積、根平均直徑：采用winRHIZO根系分析系統(tǒng)(加拿大Regent公司)掃描測(cè)定；

根系生物量：將掃描后的根在105℃下殺青20 min，然后在75℃條件下烘干至恒重 (g)；

根系呼吸：采用LI6400便攜式光合作用系統(tǒng)(美國(guó)Li-Cor公司)連接的6400-09土壤呼吸室測(cè)定。在每個(gè)處理的第一個(gè)重復(fù)的四廂選擇一廂不種作物作為無(wú)根土壤的代表，分別測(cè)定無(wú)根土壤和種植作物帶的土壤呼吸。利用根排除法計(jì)算根呼吸，計(jì)算公式如下：

根呼吸=帶根土壤的二氧化碳通量-無(wú)根土壤的二氧化碳通量

1.3.2根際土壤有機(jī)碳活性組分 根際/非根際土壤樣品的采集：在蠶豆的幼苗期、分枝期、開(kāi)花期、結(jié)莢期、成熟期，隨機(jī)選取各處理的小區(qū)內(nèi)蠶豆3窩共9株，用三角鍬挖出蠶豆根系，連根帶土壤緩緩移出，除去地上部分，放入塑料袋中，仔細(xì)剔除無(wú)根分布的土體，并緩緩抖落根圍土壤，抖落掉的土壤為非根際土壤，剩余附著在根系上的土壤薄層(<10 mm)為根際土壤。測(cè)定指標(biāo)如下：

水溶性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)含量測(cè)定：釆用TOC-VCPH自動(dòng)測(cè)定儀(日本島津公司)測(cè)定。

微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)：釆用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定[7]。

顆粒態(tài)有機(jī)碳(particulate organic carbon，POC)：釆用六偏磷酸鈉分散法測(cè)定[8]。

土壤有機(jī)碳礦化特征分析：采用短期土壤培養(yǎng)法[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17.0軟件對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下蠶豆根系生長(zhǎng)特性的動(dòng)態(tài)變化

2.1.1保護(hù)性耕作對(duì)蠶豆根系生物量的影響 根系生物量是研究根系生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。隨著蠶豆生育期的推進(jìn)，其根系生物量逐漸增加，結(jié)莢期達(dá)到最大；結(jié)莢期到成熟期，蠶豆根系逐漸衰老死亡，根系生物量減少(圖1)。

除幼苗期外，蠶豆其他各生育期的根系生物量在不同處理間的變化有相同規(guī)律，其大小排序?yàn)椋篢

圖1 不同生育期蠶豆根系生物量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of root biomass in growth period of broad bean注：不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),下同Note：Different small-letter means significant differece between different treatments at the 0.05 level，the same as below

2.1.2保護(hù)性耕作對(duì)蠶豆根系形態(tài)變化的影響 由表2可知，蠶豆總根長(zhǎng)(total root length，TRL)隨著生育期的推進(jìn)逐漸增大。除幼苗期外，其余各生育期的趨勢(shì)為：T

蠶豆根表面積(root surface area，RSA)也是隨著生育期的推進(jìn)逐漸增大。在蠶豆幼苗期和開(kāi)花期，秸稈半量覆蓋處理(TS1、RS1)的根表面積最大。在分枝期，根表面積的順序?yàn)椋篢

除幼苗期外，蠶豆根系平均直徑(average diameter，AD)在各生育期的大小順序基本為：T

綜上所述，在蠶豆生育期內(nèi)，相同耕作條件下，全量秸稈覆蓋處理相對(duì)于無(wú)覆蓋處理，能顯著增加根系生物量并促進(jìn)其形態(tài)發(fā)育。在相同秸稈覆蓋量下，壟作較平作更能改善作物根系形態(tài)，且其促進(jìn)作用主要表現(xiàn)在生育后期，證明通過(guò)秸稈覆蓋和壟作的保護(hù)性耕作措施均能改善農(nóng)田微環(huán)境，不同程度促進(jìn)蠶豆根系生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)。

表2 不同耕作措施對(duì)蠶豆根系形態(tài)變化的影響Table 2 Effect of different tillage systems on morphology of root system of broad bean

2.2 保護(hù)性耕作對(duì)蠶豆根系呼吸的影響

根系的呼吸速率采用根系排除法計(jì)算得出，如圖2所示，根系呼吸速率在整個(gè)生育期波動(dòng)較大，從蠶豆幼苗期到開(kāi)花期根系呼吸呈緩慢增加趨勢(shì)，從開(kāi)花期到結(jié)莢期，根系呼吸顯著提高，至成熟期，根系呼吸明顯下降。

除幼苗期外，各生育期平作處理的呼吸速率均大于壟作處理，差異顯著。在幼苗期，各處理根系呼吸差異不顯著；分枝期和開(kāi)花期，平作處理隨秸稈覆蓋量的增大，根系呼吸逐漸增大，且差異顯著，壟作各處理差異不顯著；結(jié)莢期和鼓粒期，TS1、TS2、RS2的根系呼吸速率較對(duì)照T顯著提高；成熟期，TS1、RS1、TS2、RS2的根系呼吸速率較對(duì)照T顯著提高。

2.3 保護(hù)性耕作對(duì)根際土壤有機(jī)碳相關(guān)組分的影響

2.3.1保護(hù)性耕作對(duì)根際土壤水溶性有機(jī)碳的影響 由圖3可知，不同處理下蠶豆根際DOC平均含量表現(xiàn)為：RS1

不同處理下蠶豆非根際DOC平均含量表現(xiàn)為：TS1

在生育前期，除秸稈全量覆蓋外，不同處理的根際DOC含量與非根際土壤差異并不顯著，即表明DOC無(wú)根際富集效應(yīng)，但與秸稈覆蓋量有相關(guān)性。土壤水溶性有機(jī)碳作為土壤有機(jī)碳最活躍的組成部分,可通過(guò)全量秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作措施進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

圖2 蠶豆條帶根系呼吸動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of root respiration in broad bean belt

圖3 不同耕作方式下根際與非根際土壤可溶性有機(jī)碳含量的變化Fig.3 Changes in content of dissolved organic carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

2.3.2保護(hù)性耕作對(duì)根際土壤微生物量碳的影響 圖4結(jié)果表明，不同秸稈覆蓋處理的根際MBC含量在各生育期都有如下規(guī)律：T

綜上可知，不同處理的根際MBC含量均高于非根際土壤，除RS2處理差異不顯著，其余處理均存在顯著差異，即表現(xiàn)出根際MBC富集效應(yīng)。證明根際微環(huán)境土壤是受作物根系生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)影響最強(qiáng)烈的部分。

圖4 不同處理下根際與非根際土壤微生物量碳含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Changes in content of microbial biomass carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

2.3.3保護(hù)性耕作對(duì)根際土壤顆粒有機(jī)碳的影響 不同耕作方式對(duì)根際/非根際POC含量的影響如圖5所示。在蠶豆各生育期，根際POC含量均表現(xiàn)為壟作和平作的秸稈全量覆蓋處理(TS2、RS2)大于對(duì)照T處理，且差異顯著。秸稈半量覆蓋下，除苗期和結(jié)莢期外，壟作POC含量顯著優(yōu)于平作。在除開(kāi)花期外，非根際POC含量也均表現(xiàn)為全量覆蓋處理(TS2、RS2)顯著大于對(duì)照T處理。表明在秸稈半量覆蓋下，壟作優(yōu)于平作；而壟作和平作在秸稈全量覆蓋下均有利于POC的積累，對(duì)于提高土壤肥力水平、改善土壤質(zhì)量具有重要的意義。

2.3.4保護(hù)性耕作對(duì)根際土壤可礦化碳的影響 土壤有機(jī)碳累積礦化量是土壤在特定培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)一定周期內(nèi)釋放的CO2數(shù)量。各耕作處理根際與非根際土壤有機(jī)碳累積礦化量的變化趨勢(shì)較一致，在培養(yǎng)前期土壤礦化速度較快，隨著培養(yǎng)時(shí)間的推進(jìn)礦化速度下降，土壤有機(jī)碳礦化累積速度也逐步放緩。由表3的潛在可礦化碳(potential mineralized carbon，PMC)與礦化強(qiáng)度變化得出，在蠶豆幼苗期和分枝期，根際土壤有機(jī)碳礦化量小于非根際土壤，在開(kāi)花期和成熟期，根際土壤有機(jī)碳礦化量大于非根際土壤。不同保護(hù)性耕作方式下根際土壤有機(jī)碳累積礦化量在苗期和分枝期都有以下變化規(guī)律：T

TS2、RS2處理的根際或非根際土壤礦化強(qiáng)度都顯著小于對(duì)照T處理，說(shuō)明全量覆蓋處理下的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性更強(qiáng)。在蠶豆幼苗期，根際土壤的礦化強(qiáng)度小于非根際土壤；其他三個(gè)生育期則表現(xiàn)為根際土壤礦化強(qiáng)度大于非根際土壤。這說(shuō)明根際土壤有機(jī)碳礦化對(duì)于不同耕作處理的響應(yīng)更為敏感。

圖5 不同處理下根際與非根際土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Changes in content of particulate organic carbon in rhizosphere and bulk soil under different tillage systems

表3 不同處理下根際與非根際土壤有機(jī)碳累積礦化量和礦化強(qiáng)度動(dòng)態(tài)特征Table 3 Changes in cumulative mineralization of organic carbon and mineralized intensity in rhizosphereand bulk soil under different tillage systems

3 討論

杜天慶[10]等研究了4種豆科牧草，認(rèn)為其根系生長(zhǎng)特征呈S型，可分為緩增期、速增期和頂峰期。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明蠶豆的根系生物量在結(jié)莢期達(dá)到最大，這與作物品種有關(guān)。秸稈覆蓋處理可以提高蠶豆根系生物量，且秸稈全量覆蓋提高效果更好。秸稈覆蓋措施有助于延緩根系衰老，為蠶豆產(chǎn)量提高提供潛力，這與王彥慶等[11]的研究是一致的。

鄒聰明等[12]研究表明，秸稈覆蓋對(duì)苗期玉米根系的根長(zhǎng)、根表面積有顯著性提高。馮福學(xué)[13]的研究表明，免耕秸稈覆蓋處理下的冬小麥根系根長(zhǎng)、根表面積較傳統(tǒng)耕作有顯著性的提高。本試驗(yàn)中，壟作+秸稈覆蓋處理可以顯著提高蠶豆根系根長(zhǎng)，且全量覆蓋的根長(zhǎng)顯著大于半量覆蓋；壟作處理顯著提高蠶豆根系表面積，而秸稈覆蓋對(duì)根表面積的影響不顯著；秸稈全量覆蓋可以顯著提高蠶豆根系平均直徑。這是因?yàn)榻斩捀采w增大土壤水分，促進(jìn)根系發(fā)育，提高根系活力和根系生物量[14]，直接影響根系的生長(zhǎng)與構(gòu)形分布，且壟作+秸稈覆蓋可以有效降低土壤容重，促進(jìn)蠶豆根系生長(zhǎng)。

秸稈還田可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量，減少土壤有機(jī)碳的礦化分解，從而增加土壤有機(jī)碳含量[15]。本研究表明，秸稈覆蓋處理較傳統(tǒng)耕作方式表現(xiàn)出了明顯的有機(jī)碳積累優(yōu)勢(shì)，尤其是秸稈全量處理的優(yōu)勢(shì)更顯著，在秸稈半量覆蓋的情況下，壟作有利于提高土壤TOC含量，其他情況則不一定，這可能是秸稈覆蓋與壟作的交互作用引起的。

王丹丹等[16]的研究結(jié)果表明秸稈還田提升了水溶性碳、活性有機(jī)碳含量。符卓旺[17]對(duì)水稻根際土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的研究表明，水溶性碳含量有明顯的根際富集效應(yīng)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤活性有機(jī)碳組分中，MBC表現(xiàn)出明顯的根際富集效應(yīng)，這是因?yàn)楦H微環(huán)境土壤是受作物根系生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)影響最強(qiáng)烈的部分。秸稈覆蓋處理顯著提高了MBC含量，且秸稈全量覆蓋提高效果更好。秸稈全量覆蓋顯著提高了土壤DOC和POC含量。說(shuō)明MBC對(duì)秸稈覆蓋量的響應(yīng)更敏感，這可能與種植制度有關(guān)。秸稈全量覆蓋(TS2、RS2)的礦化強(qiáng)度均低于不覆蓋處理(T、R)，說(shuō)明秸稈覆蓋處理可能會(huì)提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。同時(shí)，秸稈覆蓋處理有利于土壤有機(jī)碳礦化量的增加，這主要是由于秸稈覆蓋處理下的土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量更多，有機(jī)碳礦化量也隨之增多。

王健波等[18]認(rèn)為，長(zhǎng)期保護(hù)性耕作能夠提高農(nóng)田土壤固碳量，減少大氣溫室氣體排放，對(duì)于改善土壤碳庫(kù)和減排效果是一個(gè)良好的選擇。熊瑛等[19]研究發(fā)現(xiàn)，壟作顯著降低了蠶豆農(nóng)田土壤呼吸速率，而秸稈覆蓋顯著提高土壤呼吸速率，且隨著覆蓋量的增加而增加。壟作和秸稈覆蓋有利于蠶豆田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯,以壟作+秸稈全量覆蓋的效果最好。與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。秸稈覆蓋提高蠶豆生育后期根系呼吸速率，這可能與秸稈覆蓋下根系生物量顯著提高有關(guān)；土壤呼吸是碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。結(jié)莢期是生育期中土壤呼吸高峰期，這主要是因?yàn)殚_(kāi)花期過(guò)后，大氣回溫，土壤溫度逐漸上升，土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)，且根系生物量達(dá)到最大，根系對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)增大。壟作提高了根系生物量進(jìn)而增加了根系呼吸，但其增加量并不能抵消微生物呼吸的降低量,最終表現(xiàn)為蠶豆田土壤呼吸顯著低于平作。保護(hù)性耕作通過(guò)對(duì)植物根系生長(zhǎng)的影響，從而對(duì)根際微環(huán)境碳循環(huán)產(chǎn)生調(diào)控效應(yīng)。壟作+秸稈覆蓋的耕作模式在促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)的同時(shí)控制了土壤CO2排放量，有利于蠶豆田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，對(duì)于節(jié)能減排的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極效用。

4 結(jié)論

秸稈覆蓋處理顯著提高了蠶豆根系生物量、單株根長(zhǎng)度，根總表面積及根平均直徑，各指標(biāo)總趨勢(shì)表現(xiàn)為：T

秸稈覆蓋+壟作的保護(hù)性耕作措施較傳統(tǒng)耕作方式表現(xiàn)出了明顯的有機(jī)碳積累優(yōu)勢(shì)，尤其是秸稈全量處理優(yōu)勢(shì)更顯著。秸稈覆蓋可以提高根際MBC含量，且MBC含量與秸稈覆蓋量呈正相關(guān)。TS2和RS2處理的根際土壤礦化強(qiáng)度顯著低于傳統(tǒng)平作(T)，說(shuō)明秸稈覆蓋可以改善土壤微環(huán)境，降低土壤礦化能力，提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性及土壤固碳能力。