膜下滴灌連作棉田土壤有機碳及其活性變化分析

高文翠，楊衛君，史春玲，陳 磊

(新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】農田土壤有機碳含量、有機碳組成不僅是土壤有機質水平高低的體現，更反映出農田系統的穩定性和持續性[1]。掌握農田土壤有機碳平衡及其變化規律可對農田土壤肥力及其演變做更好評價，也可對有機物質分配起到調控作用，也為制定合理的可持續發展管理措施提供參考[1]。棉田多年連作會導致的土壤肥力下降、作物產量降低、品質下降等問題。研究棉田長年連作對農田土壤質量的影響，為連作棉田有機碳儲量估算、固碳潛力分析有重要意義。【前人研究進展】研究表明，滴灌棉田連作初期土壤肥力增加、有機質含量升高[2]、土壤酶活性改變，土壤質量不斷提高[3]，化肥配施有機肥可有效改善連作13 a的綠洲灰漠土土壤質量[4]。隨著連作年限持續增長棉田土壤質量轉而下降[2]，土壤各耕層微量元素含量均不同程度減少，部分甚至降到初始耕作水平[5]，土壤緊實度增加、土壤容重增大、土壤有機質逐漸減少、土壤結構逐漸被破壞，導致土壤理化性質改變[6-8]。土壤利用強度、不同種植管理措施等會使農田土壤逐漸退化[9,10]。土壤活性有機碳作為有機碳庫中活性最大的部分，是評價和衡量有機碳庫變化及土壤質量的有效參數，其對農田利用方式及管理措施響應較靈敏[11]。土壤有機碳密度大小受土壤容重及有機碳含量影響，通常認為土壤有機碳密度大時土壤碳儲量高[12]。碳庫管理指數能夠從土壤有機碳組分的質和量上對土壤有機碳的變化進行系統、敏感地監測，全面動態地反映不同土地利用方式和管理措施對土壤碳庫的影響[11]。【本研究切入點】基于不同形式下的農田有機碳活性及有機碳密度研究較少。研究膜下滴灌連作棉田土壤有機碳及其活性變化。【擬解決的關鍵問題】以北疆主產棉區長期連作棉田為研究對象，采用田間調查、取樣分析法，分析連作年限對膜下滴灌棉田土壤有機碳及其活性組分及有機碳密度的影響，為該地區棉田土壤碳庫質量改善、區域碳儲量潛力估算等提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗地位于新疆昌吉州呼圖壁縣大豐鎮，地處天山中段北麓、準噶爾盆地南緣，東距烏魯木齊100 km，距呼圖壁縣城28 km，屬典型中溫帶大陸性氣候，光照資源充沛，降雨稀少，晝夜溫差大。年平均氣溫為6.7℃，極端最高氣溫為41.7℃，極端最低溫為-36℃，年日照時間為3 104 h，無霜期為177 d，≥10℃年有效積溫為3 553℃，年降水量為161 mm，年蒸發量為2 361.1 mm，為典型綠洲灌溉農業區。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用隨機取樣方式，根據不同棉田連作年限，將棉田劃分為連作5 a、12 a、17 a 3個等級，以連作1 a為對照。選取種植品種相同的不同等級棉田為調查取樣對象，所選樣地均為該區域不同農戶的連作棉田。

棉花播種前，采用多點混合法在不同連作棉田以“S”型路線在樣地上分別采集0～20和20～40 cm土壤樣品。為避免田塊面積過大造成取樣誤差，在樣點附近每15鉆為1個混合樣，重復3次，依次采集不同連作棉田原狀土，剔除沙礫及可見動植物殘體，風干研磨后裝袋保存，用于土壤各項指標測定。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤指標

土壤總有機碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法測定；土壤易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定；土壤有機碳與易氧化有機碳的差值為土壤穩態碳；環刀法測土壤容重[13]。

1.2.2.2 土壤有機碳密度

土壤有機碳密度計算公式[14,15]：

SOCDj=(TOCj×βj×Hj)/100.

式中SOCDj為j層土壤有機碳密度(kg/m2)、TOCj為j層土壤有機碳含量(g/kg)、βj為j層土壤容重(g/cm3)、Hj為j層深度(cm)。

1.2.2.3 碳庫管理指數

土壤碳庫管理指數能夠有效反映土壤碳庫變化的靈敏程度，綜合體現土壤有機碳、易氧化有機碳和穩態碳的動態變化，計算如下[16]：

碳庫活度(A)=易氧化有機碳/穩態碳；

碳庫活度指數(AI)=碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫指數(CPI)=農田土壤有機碳/參考農田土壤有機碳；

碳庫管理指數(CPMI)=CPI×AI×100。

1.3 數據處理

采用Excel 2010及SPSS 25.0 統計軟件進行數據處理、制圖及分析。

2 結果與分析

2.1 連作年限對長期膜下滴灌棉田土壤總有機碳的影響

研究表明,不同連作年限土壤總有機碳存在差異，0～40 cm土層土壤總有機碳含量均隨連作年限增加呈先增后降趨勢，與連作1 a對照相比，連作5 a土壤總有機碳含量顯著升高(P<0.05)，連作12 a后土壤總有機碳呈下降趨勢，但與連作5 a差異不顯著，連作17 a時土壤有機碳含量顯著下降(P<0.05)。不同土層之間，20～40 cm深層土壤有機碳含量整體低于0～20 cm表層。圖1

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同Note:Different small letters in this figure indicate significant difference at the level of 0.05.The same as below圖1 長期膜下滴灌棉田土壤總有機碳變化Fig.1 Change of soil total organic carbon of cotton field under long-term mulched drip irrigation

2.2 連作年限對長期膜下滴灌棉田土壤易氧化有機碳的影響

研究表明，0～40 cm土層土壤易氧化有機碳含量均隨連作年限增加呈先增后降趨勢，與土壤SOC含量變化趨勢基本一致。與連作1 a對照相比，連作5 a土壤易氧化有機碳含量顯著升高(P<0.05)，連作12 a后土壤易氧化有機碳呈下降趨勢，但與連作5 a差異不顯著，連作17 a時土壤易氧化有機碳含量顯著下降(P<0.05)。不同土層之間，20～40 cm深層土壤易氧化有機碳含量整體低于0～20 cm表層。圖2

圖2 長期膜下滴灌棉田土壤易氧化有機碳變化Fig.2 Change of soil oxidized organic carbon of cotton field under long-term drip irrigation

2.3 長期連作膜下滴灌棉田土壤容重變化特征

研究表明，連作棉田土壤容重隨連作年限增加而增大，大多數作物根系適宜的土壤容重在1.2～1.5 g/cm3，連作棉田土壤容重值均在適宜根系生長范圍內，且深層(20～40 cm)土壤容重整體大于表層土壤容重，不同處理間差異均不顯著。圖3

圖3 長期膜下滴灌棉田土壤容重變化Fig.3 Soil bulk density under long-term mulched drip irrigation

2.4 連作年限對長期膜下滴灌棉田土壤有機碳密度的影響

研究表明，隨連作年限的增加土壤有機碳密度呈先升后降的趨勢，連作5 a時有機碳密度顯著高于連作17 a及對照有機碳密度，并且不同土層間變化規律基本一致，20～40 cm土層土壤有機碳密度低于0～20 cm土壤有機碳密度，與土壤有機碳和活性有機碳變化趨勢相同。圖4

圖4 長期膜下滴灌棉田土壤有機碳密度變化Fig.4 Organic carbon density of cotton field under long-term mulched drip irrigation

2.5 連作年限對長期膜下滴灌棉田土壤碳庫管理指數的影響

研究表明，隨著連作年限增加，土壤CPMI逐漸降低，但無顯著性差異，不同土層變化規律基本一致。土壤CPMI下降，土壤肥力下降。表1

表1 長期膜下滴灌棉田土壤碳庫管理指數及相關指標Table 1 Carbon pool management index of cotton field under long-term mulched drip irrigation

3 討 論

不同農田土壤及不同土壤深度條件下土壤總有機碳含量存在差異，通常土壤總有機碳含量隨土層加深逐層降低[17]。試驗結果顯示，各連作棉田土壤總有機碳含量0～20 cm處均高于20～40 cm處，其易氧化有機碳也呈相同變化趨勢。短期連作可以增加土壤碳儲量[18]，隨著連作年限的延長，土壤有機碳含量表現為先升后降，這與研究結果相似。試驗中連作1～5 a時棉田土壤有機碳含量顯著上升，連作5～12 a時緩慢下降，直至連作17 a時土壤有機碳顯著下降，一方面植被年歸還量及其分解速率決定著土壤有機碳含量變化[16]，在連作前期作物殘體分解補充了土壤有機質，隨著連作年限延長作物生長大量吸收土壤養分，導致返還到土壤中的養分逐漸減少[18]；另一方面不同連作年限棉田土壤容重不同、物質總量及分解程度存在差異，導致同一區域不同年限土壤有機碳含量不同。在土壤垂直剖面，表層有機碳含量最高，結合試驗土壤容重結果分析發現，表層土壤容重小，則土壤結構性、通氣性好，腐殖質較厚，有利于有機碳積累[19-21]。

連作不僅改變棉田表層土壤有機碳量，更通過影響土壤容重影響深層土壤有機碳變化。土壤容重高時，土壤孔隙度較低，透水性和通氣性差，不利于植物根系生長和微生物生存，導致土壤有機碳積累變化。土壤表層土壤容重小時，水氣交換條件良好，土壤有機碳富集在表層轉化分解較快，相應的土壤活性有機碳含量及碳庫活度較高，隨著土層深度增加容重相應增加，植物根系數量減少，有機質積累量減少。研究結果相似，短期(1～5 a)連作通過提高土壤AI，從而提高土壤CPMI。短期連作土壤碳庫活化，周轉速度快，損耗也隨之提高，隨著連作年限增長(5～17 a)，土壤惰性碳庫消耗加速，總有機碳含量下降，碳庫指數下降。這可能是因為長期膜下滴灌會使鹽分下移[22]，使下層土壤環境發生改變，不利于有機質快速轉化，使易氧化有機碳向穩態碳進行轉化，使碳庫活度也呈現相同的趨勢。隨連作年限的增加土壤碳匯能力呈逐漸下降趨勢。通常較適宜的耕作年限為5～10 a，此后則要通過調整種植方式，如輪作、倒茬等措施緩解土壤質量退化，保證土壤質量始終處于良性發展[23]。

通常0～40 cm土層是土壤受擾動頻繁而導致變化最多最快的土層[24]。土壤有機碳含量垂直分布隨土層深度增加而降低，尤其是隨著連作年限增長有機碳密度降低幅度顯著，一方面因為土壤表層受擾動較為頻繁，另一方面膜下滴灌影響田間土壤溫度，溫度影響土壤有機碳的釋放速率。土壤微生物作為土壤養分分解和轉化的主要驅動因子對土壤溫度變化較為敏感，當土壤溫度降低時，土壤微生物活性下降，而在一定溫度范圍內，較高的土壤溫度會提高土壤微生物活性，促進土壤有機碳分解[25]。

4 結 論

長期膜下滴灌下，棉花不同連作年限的土壤容重會隨土壤深度的加深呈逐漸增加趨勢，連作17 a時土壤容重達到最高。短期連作可以提高土壤總有機碳、易氧化有機碳含量，隨著連作年限延長，土壤有機碳及活性有機碳含量顯著下降，土壤碳庫管理指數下降，連作降低土壤肥力。