不同轮作模式对土壤活性碳组分及矿化的影响.pdf
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1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023,42(8):1768-17772023年8月刘璇,庞茹月,赵健,等.不同轮作模式对土壤活性碳组分及矿化的影响J.农业环境科学学报,2023,42(8):1768-1777.LIU X,PANG R Y,ZHAO J,et al.Effects of different rotation modes on the concentrations of soil activate carbon fractions and characteristics of carbonmineralizationJ.Jo
2、urnal of Agro-Environment Science,2023,42(8):1768-1777.不同轮作模式对土壤活性碳组分及矿化的影响刘璇1,庞茹月1,赵健2,司彤1,王月福1,邹晓霞1*,矫岩林2*(1.青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室,青岛 266109;2.山东省烟台市农业科学研究院,烟台 265500)Effects of different rotation modes on the concentrations of soil activate carbon fractions and characteristicsof carbon mineral
3、izationLIU Xuan1,PANG Ruyue1,ZHAO Jian2,SI Tong1,WANG Yuefu1,ZOU Xiaoxia1*,JIAO Yanlin2*(1.College of Agronomy,Qingdao Agricultural University/Shandong Key Lab.of Dry Farming Techniques,Qingdao 266109,China;2.YantaiAcademy of Agricultural Sciences,Yantai 265500,China)Abstract:To assess the effects o
4、f various planting modes on soil active carbon pools in field experiments,four rotation modes were appliedwith continuous cultivation of peanut(Arachis hypogaea Linn.)(CP)as a control.The four rotation modes were as follows:spring peanut winter wheat(Triticum aestivum L.)-summer maize(Zea mays L.)ro
5、tation(PW-M),winter wheat-summer maize rotation(W-M),winter wheat-summer peanut rotation(W-P),winter wheat-summer peanut winter wheat-summer maize rotation(W-PW-M).Theconcentration of soil organic carbon(SOC)and active carbon fractions such as dissolved organic carbon(DOC)and microbial biomasscarbon
6、(MBC),and carbon mineralization characteristics were assessed.The results showed that compared with CP,PW-M significantlyincreased the content of SOC(52.7%53.3%),DOC(13.3%344.8%),and MBC(25.3%101.4%).W-P significantly increased thecontent of SOC in the 040 cm soil layers(39.3%46.8%)and that of DOC(2
7、71.4%)and MBC(44.3%)in the 020 cm layer.Theconcentrations of all carbon fractions in the W-PW-M treatment were significantly decreased.Carbon mineralization in all plantingmodes was consistent with the first-order dynamic model.Lower potentially mineralized carbon(C0)was found in CP and W-P,while W-
8、收稿日期:2022-11-14录用日期:2023-03-03作者简介:刘璇(1998),女,山东青岛人,硕士研究生,主要从事花生栽培与生理生态研究。E-mail:*通信作者:邹晓霞E-mail:;矫岩林E-mail:基金项目:国家花生产业技术体系项目(CARS-13)Project supported:China Agriculture Research System of MOF and MARA(CARS-13)摘要:为研究不同花生轮作模式下土壤活性碳库变化,在大田条件下进行定位试验。试验以春花生一年一作(CP)为对照,设置4种轮作种植模式:春花生冬小麦-夏玉米两年三作(PW-M)、冬小麦
9、-夏玉米一年两作(W-M)、冬小麦-夏花生一年两作(W-P)、冬小麦-夏花生冬小麦-夏玉米两年四作(W-PW-M),共计5个处理,研究不同种植模式下土壤有机碳及土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳等活性碳组分含量变化和碳矿化特征。结果发现:相较于CP模式,PW-M模式显著提高了040 cm土层有机碳(52.7%53.3%)、可溶性有机碳(13.3%344.8%)及微生物生物量碳含量(25.3%101.4%),W-P模式显著提高了040 cm土层有机碳(39.3%46.8%)及020 cm土层可溶性有机碳(271.4%)、微生物生物量碳含量(44.3%),W-PW-M模式则显著降低了2040 cm土
10、层各碳组分含量。各种植模式土壤有机碳矿化速率均符合一级动力学模型。CP和W-P模式具有较低的潜在矿化有机碳库,W-M和W-PW-M模式显著提高了潜在矿化有机碳库与土壤有机碳的比值。研究表明,PW-M和W-P模式可提升土壤有机碳和活性碳组分含量,有效降低土壤潜在矿化有机碳量,提高土壤有机碳的固持。关键词:花生;轮作模式;可溶性碳;微生物生物量碳;碳矿化中图分类号:S512.11;S513;S565.2文献标志码:A文章编号:1672-2043(2023)08-1768-10doi:10.11654/jaes.2022-1165刘璇,等:不同轮作模式对土壤活性碳组分及矿化的影响2023年8月土壤活
11、性有机碳库是指在一定时空条件下,受植物、微生物影响强烈且活性比较高的那一部分土壤碳素,主要包括易氧化有机碳(Readily oxidizable carbon,ROC)、可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)、微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)和潜在矿化有机碳(Potential mineralization carbon,PMC)等1-3,虽然这部分有机碳仅占土壤总有机碳的较小部分,但由于较快的周转速率,以及对环境变化的高度敏感性,其对土壤养分的转化和供应有着重要影响,常被用作表征土壤有机碳(Soil organic
12、carbon,SOC)变化的早期指标4。土壤碳矿化即土壤有机物质在微生物作用下分解释放出CO2的过程,是陆地生态系统进行碳循环的重要一环,据统计每年通过土壤有机碳矿化释放的CO2为6875 Pg,是石油和煤等化石燃料燃烧释放量的1216倍5,土壤有机碳的矿化动态将极大影响全球温室效应。土地利用和种植方式的改变会使土壤有机碳累积和矿化的平衡状态发生改变,直接影响土壤在全球碳收支过程所扮演的源/汇角色。适宜的轮作方式有利于维持或提升土壤碳库总量,并调节碳分配,促进土壤碳库内部各组分之间的转化6-7。赵思腾等8研究发现,与玉米-马铃薯轮作模式相比,玉米-苜蓿轮作更有利于土壤有机碳的积累,改善土壤结构
13、。常规轮作常与秸秆还田相结合,如:李雨诺等9的研究表明,在小麦-玉米轮作体系下双季秸秆还田能显著提高020 cm土层活性碳组分含量;郭金瑞10研究发现,相较于玉米-大豆轮作和大豆连作处理,长期玉米连作的高秸秆还田量和微生物量导致了更高的矿化量;但李小涵等11认为,与连作相比,轮作增加土壤碳的作用更强,但不同轮作之间差异不显著,且有机碳的增加主要表现在015 cm深度的表层土壤。作物种植多元化是提高农业生态系统多样性和保障农业生产固碳减排的有利措施12。花生、小麦与玉米是华北地区的主要粮油作物,然而由于花生产区规模相对集中,长期单一种植产生的特定根系分泌物会刺激土壤中病原微生物大量繁殖,导致微生
14、物群落多样性下降,土壤板结13。常规生产采用简单的小麦-玉米轮作,但随着轮作年限的增加,轮作优势也逐渐减弱。与简单轮作相比,更多样化的轮作增加了土壤微生物群落代谢多样性和活性14。现有研究表明,当前茬作物为豆科作物时,后茬作物产量优势明显15。农业绿色低碳发展是促进农业可持续发展的重大举措,也是实现农业领域“双碳”目标的必然选择。近年来,基于花生的多元化种植模式日益增多,但不同花生轮作模式对土壤碳库特征的影响尚不清楚。因此,明确不同花生轮作模式下土壤有机碳、活性碳组分及碳矿化特征对于全面、综合评价不同种植模式的科学性,维持土壤生态系统平衡,促进农业可持续发展具有积极意义。1材料与方法1.1 研
15、究区概况定位试验始于2018年10月,研究区位于烟台市农科院(3745 N,12143 E)内,属温带大陆性季风气候,年平均气温13.24,年均日照时数2 504.2 h,供试土壤为棕壤,前茬作物为春花生,实验前 020cm土层土壤基本理化性质如下:有机质13.74 gkg-1,碱解氮124.84 mgkg-1,铵态氮76.62 mgkg-1,硝态氮51.7 mgkg-1,有效磷 361.55 mgkg-1,速效钾 159.63mgkg-1,pH 6.5。1.2 试验设计研究以春花生一年一作(CP)为对照,设置4种轮作种植模式:春花生冬小麦-夏玉米两年三作(PW-M)、冬小麦-夏玉米一年两作(
16、W-M)、冬小麦-夏花生一年两作(W-P)、冬小麦-夏花生冬小麦-夏玉米两年四作(W-PW-M),共计5个处理。每个处理小区面积66.7 m2,随机区组排列,重复3次,春花生起垄覆膜种植,夏花生平种。按当地常规技术措施进行种植和管理,具体如表1所示,保证不同轮作模式下同种作物在其生育期内施肥量一致。小麦及玉米秸秆在作物收获后直接翻入样地,作还田处理,花生由于整株收获,残留量很小故视为不还田。小麦及玉米根据当年作物产量进行秸秆产量换算,计算公式:秸秆产量(kghm-2)=草谷比籽粒产量(kghm-2)M and W-PW-M significantly increased the value o
17、f C0/SOC.In conclusion,PW-M and W-P can increase the concentration of SOCand active carbon fractions,reduce the potentially mineralized carbon,and improve soil organic carbon sequestration.Keywords:peanut;rotation modes;dissolved organic carbon;microbial biomass carbon;carbon mineralization1769农业环境科
18、学学报第42卷第8期其中草谷比:小麦1.38,玉米1.1716。试验期间各处理秸秆还田量具体如表2所示。供试春花生品种为“花育22”,夏花生品种为“花育20”,供试玉米品种为“连胜208”,供试小麦品种为“烟农1212”。春花生每年5月15日前后播种,9月15日前后收获,夏花生每年6月15日前后播种,10月10日前后收获,小麦每年10月10日前后播种,次年6月15日前后收获,玉米每年6月15日前后播种,9月15日前后收获。1.3 样品采集与测定采样时间为2020年作物收获后,其中春花生一年一作(CP)模式为9月15日春花生收获后,春花生冬小麦-夏玉米两年三作(PW-M)模式为6月15日冬小麦收
19、获后,冬小麦-夏玉米一年两作(W-M)模式与冬小麦-夏花生冬小麦-夏玉米两年四作(W-PW-M)模式为9月15日夏玉米收获后,冬小麦-夏花生一年两作(W-P)模式为10月10日夏花生收获后。采用“S”形采样法采集土壤样品并避开边行,利用土钻采集 040 cm 土壤剖面样(20 cm 为一个土层),每小区采集5个样品,充分混匀。土壤剖面样装入带有冰袋的保温箱,立即带回实验室。一部分样品保存于4 恒温冰箱中,用于微生物生物量碳、可溶性碳测定和碳矿化培养;另一部分样品自然风干,剔除植物根系、石砾,过100目筛,用于土壤总有机碳测定。利用环刀法17进行原状土采集,每小区采集3个土壤样品,采集的原状土用
20、密封袋密封,完整带回,进行土壤含水率和容重的测定。土壤有机碳及其活性有机碳测定方法:采用重铬酸钾外加热法18测定土壤有机碳含量;采用K2SO4提取-重铬酸钾外加热法测定可溶性有机碳含量;采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法19测定土壤微生物生物量碳含量。采用室内恒温培养-碱液吸收法20测定土壤矿化情况,25 下预培养一周后,于25 恒温箱内培养28 d,在第1、3、5、7、10、14、21,28天取出烧杯,加入过量的BaCl2溶液,以酚酞为指示剂,用盐酸滴定,测定吸收液中的 CO2-C,计算土壤有机碳矿化量(C,以CO2计)和矿化速率。公式如下21:C=CHCl(V0-Vl)22/0.03式中:CH
21、Cl为滴定盐酸的浓度,molL-1;V0为对照滴定的盐酸体积,mL;Vl为处理滴定的盐酸体积,mL。轮作模式Rotation modeCPPW-MW-MW-PW-PW-M2019年6月冬小麦Winter wheat00768.25777.77759.272019年9月夏玉米Summer maize00462.620466.012020年6月冬小麦Winter wheat0744.44736.46751.99730.262020年9月夏玉米Summer maize0330.29338.8300合计Total01 074.732 306.161 529.761 955.54作物品种Crop var
22、iety小麦烟农1212玉米连胜208春花生花育22夏花生花育20行距及株距Row and plant space行距18 cm行距60 cm株距25 cm垄宽80 cm,小行距35 cm,株距16 cm垄宽80 cm,小行距35 cm,株距14 cm施肥量Amount of fertilizer applied基肥:750 kghm-2复合肥;返青期追施:300 kghm-2尿素基肥:600 kghm-2复合肥;大喇叭口期追施:300 kghm-2尿素基肥:750 kghm-2复合肥基肥:750 kghm-2复合肥灌水量Amount of irrigation无无无无病虫害防治Pest co
23、ntrol穗期喷施吡虫啉防治蚜虫苗期喷施蚍虫啉防治蚜虫、灰飞虱;大喇叭口期喷施福戈防治玉米螟苗期喷施吡虫啉防治蚜虫后期喷施美甜防治叶斑病苗期喷施吡虫啉防治蚜虫后期喷施美甜防治叶斑病表2 不同轮作模式秸秆还田量(kghm-2)Table 2 Straw returning amount in different rotation modes(kghm-2)表1 不同作物田间管理措施Table 1 Field management measures for different crops注:CP为春花生一年一作,PW-M为春花生冬小麦-夏玉米两年三作,W-M为冬小麦-夏玉米一年两作,W-P为冬小麦
24、-夏花生一年两作,W-PW-M为冬小麦-夏花生冬小麦-夏玉米两年四作。下同。Note:CP,continuous cropping of spring peanut;PW-M,spring peanutwinter wheat-summer maize rotation;W-M,winter wheat-summer maizerotation;W-P,winter wheat-summer peanut rotation;W-PW-M,winter wheat-summer peanutwinter wheat-summer maize rotation.The same below.177
25、0刘璇,等:不同轮作模式对土壤活性碳组分及矿化的影响2023年8月土壤有机碳矿化速率(mgkg-1d-1)=培养时间内有机碳累积矿化量(mgkg-1)/培养时间(d)。有机碳累积矿化量(Ct)是从培养开始至某一时间点的土壤 CO2总释放量(mgkg-1),采用一级动力学方程进行拟合,并得到动力学方程各参数值。拟合方程为:Ct=C0(1-e-kt)式中:C0为潜在矿化有机碳,mgkg-1;k 为有机碳的周转速率常数;t为培养时间,d。1.4 数据处理采用Excel 2016进行数据的整理、计算和制图,用 DPS 17.10 进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和 Duncan 多重比
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