青海東部地膜覆蓋對土壤固碳能力和肥力水平的影響

楊 凱，胡慶蘭，王金貴,2

（1青海大學農牧學院，西寧 810016；2省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，西寧 810016）

0 引言

土壤不僅是全球碳循環的源，同時作為碳循環的匯，其微小變化就會引起大氣中二氧化碳濃度的較大變動，從而影響全球環境變化[1]。據相關研究表明，土壤中的碳庫含量約為陸地總碳庫的2/3，是大氣的2倍，其總量達1550 Pg[2]。根據IPCC（國際碳循環計劃）建議，提高土壤固碳能力可較少89%的農業溫室氣體的排放[3]，而相關研究也認為，農業土壤固碳技術是一項控制氣候變化的綠色環保措施[4]。全球環境變化和土壤肥力水平變化均與土壤有機碳的循環轉化具有密切相關性[5]。土壤腐殖質在全球碳平衡過程中起到非常重要的作用[6]，在土壤微生物的主導作用下形成的土壤腐殖質用來表征土壤的生物學肥力[7]。土壤腐殖質是土壤中氮、磷的主要來源，可通過改善土壤結構及膠體狀況，形成的良好土壤結構，從而可以增加土壤蓄水保肥和緩沖性能[8]。另外，可提取腐殖質對污染物質具有吸附、絡合等作用，從而可以減少污染物對土壤的污染[9]?？梢?，雖然土壤腐殖質占土壤總質量的比重較小，但它在土壤肥力形成、環境保護等方面發揮著重要作用。

土壤有機質的輸入與不同的農業管理措施密切相關，管理條件不同其對土壤有機碳的分解轉化和腐殖質的形成影響也不同。地膜覆蓋后改變了土壤的水熱氣等狀況，從而導致土壤物理、化學和生物學性狀發生一系列的變化[10]。本文研究了青海東部地區地膜覆蓋條件下單施化肥對耕層土壤有機碳和腐殖質組分特性的影響，以期為該地區單施化肥地膜覆蓋栽培模式對土壤固碳能力和土壤肥力水平的影響提供科學的判斷依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究區位于青海省海東市民和縣(N 35°45′—36°26′，E 102°26′—103°04′)，屬高原大陸性干旱氣候，年均溫度9℃，年均降水量360 mm左右，無霜期198天，土壤類型以栗鈣土、黑鈣土和灰鈣土為主。海拔最高4220 m，最低1650 m，平均海拔2200 m。全縣農作物播種面積4.45萬hm2，其中覆膜玉米種植面積2020年超過2.67萬hm2，為青海省最大覆膜玉米種植區。本研究試驗地在李二堡鎮祁家村(N 36°13′，E 101°38′)，海拔1924 m。該區域覆膜玉米種植集中且面積較大，具有代表性。試驗開始前耕層(0～20 cm)土壤理化性質為：pH 8.03、有機質17.63 g/kg、堿解氮79.07 g/kg、速效磷18.05 mg/kg、速效鉀118.29 mg/kg。

1.2 試驗設置

試驗設置覆膜和露地2種栽培模式（覆膜栽培模式用FM表示，露地栽培模式用OF表示），小區面積為4 m×5 m=20 m2，每個處理設置3個重復。供試玉米品種為‘金凱3號’（玉米雜交種），行距為55 cm，株距為35 cm。各小區均不施基肥，只在播種時使用一次玉米配方肥，肥料分析式18-12-15(N-P2O5-K2O)，總養分≥45%，用量為300 kg/hm2，其他管理均和大田一致。該試驗于2018、2019、2020年連續種植3年，以2018年試驗開始前為對照(CK)。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集 于每年玉米收獲后，按照“S”型5點采樣法每個小區采集耕層(0～20 cm)土壤樣品。將各點土壤混合均勻，然后除去根系、殘膜和石子等雜物后留1 kg左右裝自封袋帶回實驗室，自然晾干后研磨過篩備用。

1.3.2 樣品分析 土壤總有機碳含量的測定采樣K2Cr2O7外加熱法[11]，具體方法：用 0.8 mol/L K2Cr2O7與濃H2SO41:1混合后，在170～180℃溫度條件下與樣品共煮5 min，然后測定土壤有機碳(a)。土壤活性有機碳的測定，采用Loginow等[12]提出的333 mmol/L KMnO4氧化法，具體方法：秤取風干土（過0.25 mm）1.5 g于100 mL離心管，然后加入333 mmol/L KMnO425 mL，恒溫25℃振蕩1 h，然后以2000 r/min轉速離心5 min，將上清液用去離子水按1:250稀釋后在565 nm比色，重復3次。最后根據KMnO4濃度變化計算活性有機碳含量(b)（氧化過程中1 mmol/L KMnO4消耗0.75 mmol/L或9 mg碳）。以氧化穩定系數KOS作為衡量有機碳氧化穩定性的指標，計算公式如(1)所示。

a為土壤有機碳，b為活性有機碳，a-b為非活性有機碳。

土壤腐殖質的提取和分離參照Kumada等[13]的方法，以0.1 mol/L焦磷酸鈉和0.1 mol/L氫氧化鈉混合液(pH 13)作為提取劑。提取的腐殖物質含碳量(CHE)、胡敏酸含碳量(CHA)采用重鉻酸鉀氧化法測定；富里酸含碳量(CFA)采用差減法得到，如式(2)～(3)所示。

不同土地管理措施對土壤有機碳庫和質量的影響可以通過土壤碳庫管理指數(CMI)來全面指示[14-15]，不同栽培模式土壤的CMI均以2018年試驗開始前的土壤為參照土壤，相應指標計算公式如(4)～(7)所示[16-17]。

1.3.3 數據處理 試驗數據采用SPSS 16.0軟件進行方差分析，采用Duncan法進行多重比較，同時采用Excel 2013進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同栽培模式下土壤有機碳和活性有機碳含量變化

試驗結果顯示（表1），不同栽培模式對土壤有機碳的積累具有不同的影響，隨著種植年限的增加OF栽培模式有機碳含量增加0.29%，而FM有機碳含量減小0.69%，但差異均未達到顯著水平(P＜0.05)。

表1 不同栽培模式下耕層土壤有機碳含量的變化情況 g/kg

土壤活性有機碳是土壤養分循環和土壤結構組成的直接參與者，能夠更加敏感的響應土地利用方式和管理措施所產生的影響[14,16]，從而可以更好的指示土壤質量和有機碳庫的變化[18-19]。試驗結果表明（圖1A），隨著種植年限的增加，與2018年相比，至2020年OF土壤活性有機碳含量增加了1.0%，而FM土壤活性有機碳含量減小了1.7%，但差異均未達到顯著水平(P＞0.05)。對于氧化穩定系數(KOS)而言，隨著種植年限的增加其變化規律與土壤活性有機碳相反（圖1B），其中OF與2018年相比，至2020年土壤氧化穩定系數減小了0.9%，而FM氧化穩定系數增加了1.6%，差異均不顯著(P＞0.05)。

圖1 不同栽培模式下土壤活性有機碳和氧化穩定系數變化趨勢

2.2 不同栽培模式對土壤碳庫管理指數的影響

Lefroy和Blair[20]于1993年，在活性有機碳庫容指標(CPI)建立的基礎上，計算和提出了CMI。若CMI有所上升，則表明耕作使土壤肥力有所增加，反之，則表明耕作使土壤肥力有所降低，土壤質量所以下降，意味著管理和施肥措施是不科學的[21-23]。

由表2可以看出，不同栽培模式和種植年限對耕層土壤碳庫管理指數的影響是不同的。其中，FM栽培模式條件下隨著種植年限的增加土壤有機碳(SOC)、活性有機碳(LOC)、碳庫指數(CPI)、活度指數(LI)和碳庫管理指數(CMI)均較CK逐漸減小，至2020年FM栽培模式使土壤LI和CMI分別比露地CK減小了5.62%和6.36%；OF比CK分別增加了2.09%和2.39%。

表2 不同栽培模式和種植年限對耕層土壤碳庫管理指數的影響

土壤中LOC/SOC及碳庫活度L可在一定程度上反映土壤有機碳的質量和穩定程度，該比例越大表示有機碳越不穩定，容易礦化、活性高；反之土壤有機碳越穩定，不易被礦化也不易被生物所利用[18,24]。隨著種植年限的增加，至2020年FM土壤LOC/SOC值和L值比試驗初始時分別降低了4.97%和5.96%，而OF土壤LOC/SOC值和L值比試驗初始時分別升高了1.11%和2.09%。

2.3 不同栽培模式下土壤腐殖質各組分碳含量變化

土壤腐殖質可分為胡敏酸(Humic acid，HA)，富里酸(Fulvic acid，FA)和胡敏素(Humin，Hu)[25]，其中 HA只溶于堿，FA既溶于酸也溶于堿，Hu為惰性物質。HA的CEC含量最高，呈微酸性，在腐殖質中的活性最高，是土壤結構形成的主要參與者[5]；FA具有較高的活性和較小的分子量，是形成HA和HA分解的首要產物，影響著HA的積累和更新[5]。

由表3可知，在連續3年試驗中OF和FM 2種栽培模式下土壤可提取腐殖質碳(CHE)占土壤全碳含量比例分別為37.0%～40.4%、35.4%～37.9%；胡敏酸碳(CHA)占全碳比例分別為12.5%～13.2%、13.2%～14.0%；富里酸碳(CFA)占全碳比例分別為24.5%～27.3%、22.2%～23.9%。2種不同栽培模式下耕層CHE含量均為富里酸高于胡敏酸，且CHE、CHA和CFA均隨著種植年限的增加而逐漸增加。從2018年到2020年，OF和FM土壤CHE含分別增加了9.5%和6.4%，其中OF的增加量差異顯著(P＜0.05)，而FM差異不顯著(P＞0.05)；CHA含量分別增加了5.5%和5.2%，其增加量差異均未達到顯著水平(P＞0.05)；CFA分別增加了11.6%和7.0%，其差異均不顯著(P＞0.05)。

表3 不同栽培模式下土壤腐殖質組分相對含量變化 g/kg

2.4 不同栽培模式下土壤腐殖質碳組成相對比例變化趨勢

隨著土壤腐殖質組分碳含量變化，其相對比例也呈現出一定的變化規律（表4和圖1）。以往研究通過CHA/CFA值或PQ值來作為衡量土壤腐殖質腐殖化程度和土壤腐殖質品質好壞的一個重要指標[5]。隨著CHA/CFA值或PQ值越大，土壤胡敏酸含量越高、分子量越大、分子結構越復雜，意味著腐殖質活性越高，品質越好[26]。因此，可以通過CHA/CFA值或PQ值來表征不同處理對土壤腐殖質活性和品質的影響。

由圖2可以看出，OF栽培模式下CHA/CFA值和PQ值均隨著種植年限呈先增大再減小的變化趨勢，FM栽培模式下CHA/CFA值和PQ值均隨著種植年限呈先減小再增大的變化趨勢，CHA/CFA值和PQ值的變化趨勢基本一致。其中，OF的土壤CHA/CFA在0.48～0.0.52之間，FM的土壤CHA/CFA在0.57～0.59之間，變幅均不顯著(P＞0.05)；OF的土壤PQ值在0.32～0.34之間，FM的土壤PQ值在0.36～0.37之間，變化幅度均不顯著(P＞0.05)。通過單因素方差分析結果表明，FM土壤的CHA/CFA在2018年和2020年顯著高于OF(P＜0.05)，而2019年差異不顯著(P＞0.05)；PQ值在年際間和不同栽培模式條件下的變化均不顯著?？傊?，FM的土壤CHA/CFA和PQ值均大于OF，由此可推斷在本試驗階段FM栽培模式有利于土壤腐殖質的更新和活化，進而可以提高腐殖質的品質。

圖2 不同栽培模式下土壤腐殖質組成相對比例的變化趨勢

3 結論

與露地相比地膜覆蓋栽培模式土壤有機碳、活性有機碳、土壤碳庫管理指數均有所減??；可提取腐殖質碳、胡敏酸碳和富里酸碳均隨著種植年限的增加而增加，但總體上均小于露地。如果長期進行單施化肥的覆膜栽培模式可能會對該地區土壤碳平衡和養分循環轉化產生不良影響，最終對該模式的可持續生產和作物產量的穩定性產生不利的影響。

4 討論

4.1 地膜覆蓋對土壤有機碳的影響

本研究表明覆膜栽培模式下土壤有機碳和活性有機碳含量均隨著種植年限的增加而減小，而露地栽培模式下均隨著種植年限的增加而有所增加。這是由于地膜覆蓋后土壤溫度有所增加，加速了土壤養分的活化，增加了土壤養分的有效性，同時地膜覆蓋避免了雨水對地表土壤的直接沖擊和拍打，從而使土壤能夠保持良好的結構，不易板結，增加了通氣透水性[27]。與露地栽培模式相比地膜覆蓋具有較好的水熱條件和通氣性，改變了微生態環境，從而降低了土壤中有機物料的腐解殘留率，加速了土壤有機質的分解，從而導致地膜覆蓋栽培條件下土壤有機碳和活性有機碳的減小，該結果與汪景寬等[28]和劉穎川等[29]研究的結論基本一致。土壤活性有機碳減小意味著土壤有機碳氧化穩定性更高，即氧化穩定系數(KOS)越大，可能會對土壤養分循環和結構組成形成負面影響。通過對土壤管理指數(CMI)的分析表明，OF栽培模式對土壤有培肥作用，土壤質量向良性發展，而覆膜栽培模式使土壤肥力有所下降。綜合分析土壤有機碳、活性有機碳、KOS和CMI等指標可知地膜覆蓋栽培模式不利于土壤培肥，從而可能會導致土壤肥力有所下降，如果長期地膜覆蓋可能會改變土壤碳平衡。

4.2 地膜覆蓋對土壤腐殖質的影響

土壤肥力水平的高低與土壤腐殖質的分解程度和積累量存在著密切關系，因此可以用來評價土壤肥料水平的高低[30]。相關研究表明，長期施用有機肥或有機肥配施化肥均有利于土壤腐殖質的積累和土壤肥料的提高[31-33]。張夫道[34]研究結果表明施用有機肥、不施肥及施用化肥對腐殖質積累的作用相同，也有研究表明，盡管長期施用化肥條件下土壤腐殖質含量能夠維持基本平衡[34]，但由于化肥的施用使土壤腐殖質分子的縮合度進一步增大而是影響土壤養分的有效性[35]；還有一些不同的研究結果表明，長期施用化肥使土壤腐殖質含量有所下降[36]。由此可見，長期施用化肥對土壤腐殖質的作用效果也不盡相同。本研究結果表明，在單施化肥的條件下露地和覆膜栽培模式土壤腐殖質含量均隨著種植年限的增加而增加，但與露地相比，覆膜后土壤腐殖質含量均有不同程度的下降（表3），這可能是由于覆膜條件下耕層土壤的水分、溫度等條件得以改善，進而有利于作物生長，消耗了更多的土壤養分。

土壤肥力性質與土壤腐殖質中各組分含量和比例直接相關[37]，其組分中胡敏酸性質活躍，對土壤肥力特征具有較大的影響[38]，胡敏酸對土壤團聚體結構的形成具有重要作用[39]。相關研究表明，長期施用化肥條件下土壤HA/FA值有所增加[8]，也有研究結果表明長期施用化肥使土壤HA/FA有所降低[36]。本研究結果表明，兩種栽培模式下土壤HA/FA均隨種植年限的增加總體上有所減小，差異不顯著(P＞0.05)；覆膜栽培條件下土壤HA/FA均高于露地栽培模式，差異不顯著(P＞0.05)。相關研究表明，形成量和分解量的相對大小決定著土壤腐殖質的含量[40]，而其組分中是以胡敏酸為主還是以富里酸為主則主要取決于土壤環境條件的影響[41]。本研究結果表明，兩種栽培模式下土壤腐殖質主要以富里酸為主，說明單施化肥土壤可提取腐殖質中富里酸所占比例較大，分子量小，腐殖質結構較簡單，對土壤結構的團?；饔脺p弱，土壤有機質品質向不良的方向發展，該結果與之前的土壤管理指數(CMI)的結果相一致。另外，土壤HA/FA還能反應土壤的熟化程度和肥力水平，即土壤肥力和熟化程度越高其比值越大[42]。一般認為高度熟化的土壤HA/FA可達1.4左右，中度熟化的土壤為0.5左右，初度熟化的土壤為0.2～0.3[43]。本研究結果表明，覆膜栽培模式下土壤HA/FA在0.57～0.59之間，而露地栽培模式下土壤HA/FA在0.48～0.52之間。由此可知，地膜覆蓋的土壤熟化度高于露地栽培，地膜覆蓋可能對土壤熟化具有促進作用，進而也可能會加速作物對土壤養分的消耗。