不同耕作措施对渭北旱塬土壤碳库管理指数及其构成的影响

以渭北旱塬9 a（2007—2016年）的不同耕作定位试验为对象,研究了在秸秆还田条件下3种连年单一耕作即翻耕（CC）、免耕（NN）、深松（SS）和3种轮耕措施即免耕-深松（NS）、深松-翻耕（SC）、翻耕-免耕（CN）对农田土壤固碳速率（CSE）、碳库管理指数（CPMI）、小麦产量和秸秆还田后表观腐殖化系数的影响。结果表明：以翻耕（CC）作为参照土样,免耕提高了0~10 cm表层土壤的固碳速率、有机碳（SOC）及其易氧化组分（EOC）的含量,并增加了表层（0~10 cm）土壤的碳库管理指数（CPMI）,在>10 cm土层SOC、EOC含量虽有所减少,但提高了有机碳的稳定系数（K_OS）;深松则提高了表层和35~50 cm土层的SOC、EOC含量、CSE及CPMI,并增加了0~10 cm、35~50 cm土层的EOC/SOC值和10~20 cm土层的K_OS;轮耕处理各土层的CSE、SOC和EOC含量均有所增加,且增加了0~10 cm、35~50 cm土层的EOC/SOC值,其中NS和CN轮耕处理各层CPMI都有所增加。深松、免耕和轮耕处理提高了小麦产量和小麦秸秆量,其中NS处理增加幅度最大,分别为14.3%（籽粒）和12.9%（秸秆）;进行9 a小麦秸秆还田,免耕、深松和轮耕措施提高了还田秸秆的表观腐殖化系数,其中NS处理的表观腐殖化系数显著高于翻耕处理。     

不同土壤耕作方式下秸秆还田量对晚稻土壤养分与微生物的影响

在耕翻、少耕和免耕条件下研究了早稻秸秆还田量对晚稻土壤养分与微生物的影响,结果表明,①秸秆还田显著提高土壤有效磷和速效钾含量,对土壤碱解氮含量的提高体现在水稻生育后期;秸秆还田对土壤碱解氮和有效磷含量的提高效果在免耕条件下最好,而对速效钾含量的提高效果在少耕条件下最好;②不同耕作方式下宜实行不同秸秆还田量,就提高有效磷和速效钾含量而言,耕翻和少耕条件下宜实行全部秸秆还田,而免耕条件下宜实行2/3秸秆还田;③秸秆还田使土壤真菌和嫌气性细菌数量减少,放线菌和好气性细菌数量增加;耕翻使土壤真菌和嫌气性细菌数量减少,好气性细菌数量增加;④土壤耕作有利于晚稻生育前期与后期土壤微生物活度的提高,秸秆还田量对土壤微生物活度的影响在不同耕作方式下表现不同,耕翻条件下以2/3还田量处理的土壤微生物活度最高,而少免耕条件下1/3还田量处理最高.     

华北平原不同农田管理措施对于土壤碳库的影响

华北平原是我国重要的粮食生产基地,土壤碳氮水平直接作用于区域的土壤肥力和粮食生产.通过长期定位实验,研究了包括自然恢复(F)、清茬翻耕(N)、秸秆还田免耕(S)和秸秆还田翻耕(TS)这4个处理下土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全碳(TS)、全氮(TN)含量和储量以及13C和15N分布状况.结果表明,与F相比,在0~20 cm土层,N、S和TS的土壤有机碳储量分别降低21.6%、12.3%和3.4%,土壤无机碳储量变化不显著.在20~40 cm土层,土壤有机碳储量变化不显著,而3个农田耕作处理的土壤无机碳储量较F分别增加4.1%(N)、7.3%(S)和5.0%(TS),无机碳增加主要是次生碳酸盐的贡献,农田土壤PIC增加了97%~261%.与自然恢复地相比,农田土壤表层δ15N、δ13CSIC、δ13CSOC偏高且δ13CSOC达显著差异,20~40 cm土层δ15N、δ13CSIC偏低而δ13CSOC偏高.该地区农田土壤中原生碳酸盐以分解作用为主,土壤-作物系统通过增加CO_2含量促进次生碳酸盐的形成,秸秆还田是恢复农田耕作引起土壤碳库储存下降的有效措施.对于华北平原,今后应加强关于秸秆还田和耕作措施对土壤有机碳和无机碳影响的综合研究,对于表层以下层次土壤的碳转化和变化规律需要更多的长期观测.     

不同耕作措施下土壤有机碳含量的模拟研究

应用甘肃农业大学定西旱农综合试验站的2001-2008年长期定位实验数据对DNDC模型进行验证,4个处理的相对误差均小于±10%,均方根误差在6.41%~12.96%之间,模型模拟值与实测值表现出较强的一致性,证明DNDC在模拟预测该地区土壤有机碳储量上是可行的。对定位试验的4个处理的长期(100 a)模拟表明,免耕覆盖秸秆(NTS)和传统耕作+秸秆还田(TS)能够较大幅度地提高土壤有机碳含量,其土壤有机碳含量分别较初始值增加了74.76%和71.13%,免耕(NT)处理下土壤有机碳含量增加了39.18%,趋势较为平缓。而传统耕作不覆盖(T)处理下土壤有机碳呈下降趋势,较初始值减少了35.54%。土壤有机碳含量对土壤性状以及耕作管理措施变化的响应模拟研究表明,秸秆还田和施用有机肥是最有效的提高土壤有机碳含量的耕作措施,而土壤性状,尤其是初始有机碳含量是影响土壤有机碳变化的最主要敏感因素。DNDC模型模拟得出,实行秸秆覆盖或还田及免耕等耕作措施将有效持续地增加土壤有机碳含量,提高土壤的可持续利用能力。     

不同土地利用方式及栽培措施对土壤有机碳及δ~(13)C值的影响

以河北曲周县原状草地土壤和农田土壤为研究对象,结合稳定性碳同位素方法,分析不同秸秆还田方式、耕作方式和施肥水平对土壤有机碳特性的影响.研究表明,华北原状草地改变为农田后(34 a),土壤有机碳显著降低,且因农田栽培方式不同而异,1 m土层降低幅度在13.3%～35%之间,但降低显著发生在0～40 cm.经过8 a施加底肥,可以提高土壤有机碳0.83g.kg-1.免耕方式可以显著提高土壤有机碳,且主要发生在0～10 cm土层.翻耕操作会引起10～15 cm和15～20 cm土层的土壤有机碳高于免耕处理的现象.土壤有机碳的δ13C值的比变化主要发生在0～20 cm土层,玉米种植输入的有机碳主要集中在土壤0～20 cm层次.在土壤0～5 cm表层,源于农作物的土壤有机碳所占的最高比例为18%,到15～20 cm已经降到了5%左右.     

耕作深度调控秸秆还田对农田土壤呼吸的影响

秸秆还田和耕作深度处理是影响农田土壤呼吸最重要的农业管理措施之一,但二者交互作用影响农田土壤呼吸的机制尚不清楚.基于此,针对中国的旱地农田生态系统,利用已发表的116篇研究论文,借助Meta分析技术,探究秸秆还田和耕作深度处理及其二者交互作用对农田土壤呼吸的影响及其调控因素,为农田生态系统实现“碳中和”提供重要的数据支撑和理论依据.结果表明,免耕导致土壤呼吸减少了8.3%,而浅耕和深耕处理对土壤呼吸的影响不显著,但对土壤呼吸的增加量仍呈现出深耕>浅耕>免耕的趋势.虽然,浅耕和深耕对土壤呼吸和土壤有机碳（SOC）的影响均相对较小,但是免耕导致土壤呼吸减少了8.3%的同时却又导致SOC增加了7.05%,因此实施免耕措施对农田土壤固碳减排具有重要意义.此外,耕作深度会显著调控秸秆还田对土壤呼吸的影响,且土壤呼吸的增加量呈现出深耕秸秆还田>浅耕秸秆还田>免耕秸秆还田的趋势,整体平均增加了14.51%.秸秆还田后不同深度耕作处理下土壤呼吸的增加量与土壤容重、农作物产量、土壤有机碳、以及土壤温度和水分的改变量密切相关,且对土壤呼吸增加量的贡献呈现出土壤容重>农作物产量>土壤有机碳>土壤水分>土壤温度的趋势.虽然SOC在深耕秸秆还田、浅耕秸秆还田和免耕秸秆还田处理下分别增加了29.32%、10.12%和23.94%,但是土壤呼吸在深耕秸秆还田和浅耕秸秆还田处理分别增加了29.32%和18.92%,而在免耕秸秆还田处理下仅增加1.2%.所以,免耕秸秆还田也有利于农田土壤固碳减排.因此,在中国的旱地农田生态系统中,耕作深度会调控秸秆还田对土壤呼吸的影响程度,而这种调控主要与土壤理化性质有关,尤其与土壤容重关系最为紧密,且免耕和免耕秸秆还田均是有利于农田土壤固碳减排的重要农业管理措施.     

长期不同耕作方式下紫色水稻土和上覆水中汞及甲基汞的分布特征

为了解不同耕作方式对稻田中甲基汞的影响,在免耕冬水、垄作免耕、厢作免耕、水旱轮作和常规平作等5种耕作方式的长期定位试验地,分层采集土壤和上覆水样品,分析了汞及甲基汞的垂直分布特征.结果表明,免耕冬水、垄作免耕以及厢作免耕条件下土壤总汞含量在10~20 cm层最高,其中免耕冬水富集效果相对明显;而水旱轮作和常规平作处理则随土层加深呈下降趋势,其中水旱轮作更有利于汞的迁移转化.免耕冬水、厢作免耕、常规平作土壤甲基汞含量在剖面的分布规律与土壤总汞类似,除水旱轮作土壤汞甲基化能力在底层比表、中层较强外,其余4种处理则相反.5种耕作方式下稻田上覆水中溶解态汞(DHg)和溶解态甲基汞(DMe Hg)含量均随水深而增加,且水旱轮作和常规平作相对较高.各处理孔隙水中DHg含量与该层次土壤总汞含量有关,两者在土壤剖面上的波动趋势基本相同.免耕冬水、垄作免耕的孔隙水中DMe Hg含量及DMe Hg占DHg比例均在10~20 cm层出现最大值.水旱轮作和常规平作的孔隙水DMe Hg含量则相反,在10~20 cm层有最低值,两种处理的DMe Hg占DHg比例随土壤深度增加而上升.不同处理孔隙水中DMe Hg含量及DMe Hg占DHg比例均大于对应处理上覆水的值.     

保护性耕作对土壤养分及碳库管理指数的影响

2008-2010年在丹江口库区坡耕地进行了保护性耕作试验,观测了不同保护性耕作措施对坡耕地土壤养分和碳库管理指数的影响。结果表明:不同保护性耕作措施在改善土壤养分和碳库管理指数上存在差异",免耕+秸秆覆盖"(NTS)在土壤全量养分和速效养分的保持上均表现出了相对较好的效果。相对于传统的坡耕地种植模式,不同保护性耕作措施可以显著改善土壤碳库管理指数,促使土壤系统向着良性方向转变,其中改善措施以"免耕+秸秆覆盖"(NTS)最为明显,相对传统耕作(T)增加了32.73%,其次为横坡垄作(CSP),最后为免耕(NT)。     

西南丘陵区保护性耕作下小麦农田土壤呼吸及影响因素分析

为了探讨保护性耕作对旱作农田土壤呼吸的影响,采用LI6400-09呼吸室在重庆北碚西南大学试验农场对平作(T)、垄作(R)、平作+覆盖(TS)、垄作+覆盖(RS)这4种处理下的西南紫色土丘陵区小麦/玉米/大豆套作体系中小麦作物生长季节的土壤呼吸及其水热生物因子进行了测定和分析.结果表明,小麦生殖生长阶段农田土壤呼吸速率变化范围为1.100～2.508μmol.(m2.s)-1,各处理的土壤呼吸速率差异显著,表现为RS>R>TS>T.各处理10 cm土层的土壤温度表现为T>R>TS>RS.土壤呼吸与土壤温度的关系符合指数函数,Q10值分别为1.25、1.20、1.31和1.26.5 cm土层的土壤含水量高低排序为TS>RS>T>R.土壤水分与土壤呼吸以抛物线曲线拟合最好,说明存在土壤呼吸最强的土壤含水量点,本研究得出小麦生殖生长阶段在土壤含水量的响应阈值为14.80%～17.47%.土壤动物中优势类群为弹尾目和螨目,与土壤呼吸存在一定相关性,对照处理和垄作下相关性高,而秸秆覆盖的处理土壤呼吸与土壤动物没有明显的相关性.     

保护性耕作对后茬冬小麦土壤CO2和N2O排放的影响

为研究保护性耕作对后茬冬小麦土壤CO2和N2O排放的影响,在前茬进行常规耕作(T)、免耕(NT)、免耕+秸秆覆盖(NTS)、常规耕作+秸秆施用(TS)这4种处理,采用静态箱-气相色谱法分析土壤CO2和N2O排放通量.结果表明,保护性耕作没有改变后茬土壤CO2和N2O排放的季节性规律,对冬小麦生物量无明显影响;保护性耕作显著减少了土壤CO2和N2O累积排放量.与T相比,TS、NT、NTS的全生育期土壤CO2累积排放量分别降低了5.95%(P=0.132)、12.94%(P=0.007)和13.91%(P=0.004),土壤N2O累积排放量分别减少了31.23%(P=0.000)、61.29%(P=0.000)和33.08%(P=0.000).本研究表明免耕与秸秆施用能减少后茬作物生长季土壤的CO2和N2O排放量.     

垄作秸秆覆盖下西南地区蚕豆田土壤呼吸与有机碳特征

土壤呼吸是土壤有机碳库输出的主要途径,为探讨垄作和不同秸秆覆盖量对旱三熟蚕豆田土壤呼吸及有机碳特征的影响,测定了平作无覆盖(T)、垄作无覆盖(R)、垄作+半量覆盖(RS1)、垄作+全量覆盖(RS2)这4个处理下的西南紫色土丘陵区蚕豆/玉米/甘薯旱三熟体系中蚕豆田土壤呼吸及有机碳变化,分析了土壤温度和水分与土壤呼吸的关系.结果表明,蚕豆生长季节农田土壤呼吸随作物生长一致,呈先增加后减弱的变化趋势,全生育期平均土壤呼吸速率差异显著,表现为RS2RS1TR,分别为3.365、2.935、2.683、2.263 g·(m~2·d)~(-1).垄作显著降低了蚕豆农田土壤呼吸速率,而秸秆覆盖显著提高土壤呼吸速率,且随着覆盖量的增加而增加.土壤呼吸速率随土壤温度(5 cm和10 cm)呈指数型增长,10 cm处的回归模型明显好于5 cm.10 cm土层Q10值表现为RS2RS1RT,分别为1.751、1.665、1.616、1.35.垄作和秸秆覆盖下土壤温度、水分与土壤呼吸速率的混合指数模型可以解释土壤呼吸速率变异的68%(R)、79%(RS1)和76%(RS2).垄作和秸秆覆盖下0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤有机碳含量均得到不同程度的提高,且随着覆盖量的增加而增加,其中5~10 cm、10~20 cm土层表现为RS2RS1RT,差异达显著水平,且5~10 cm土层有机碳含量增幅最大;但垄作和秸秆覆盖仅显著提高了颗粒有机碳0~30 cm加权平均值,对颗粒有机碳占土壤有机碳比例的影响效应不显著.     

苹果园土壤呼吸的变化及生物和非生物因素的影响

了解果园土壤呼吸变化及其影响因素,有利于深入理解退耕还果条件下黄土高原地区土壤碳源汇功能.在长武农田生态系统国家野外站,以盛产期果园(2000年建成)为对象,利用土壤碳通量测量系统(Li-COR,Lincoln,NE,USA)于2011、2012年监测了果树冠幅下距树干不同距离处土壤呼吸、土壤水分和温度变化,分析了土壤呼吸的时空变化及其影响因素.结果表明:①土壤呼吸速率随着距树干距离延长而降低.与2 m处相比,0.5 m处土壤累积呼吸量2011年提高20%,2012年提高31%;0.5 m和2 m处土壤呼吸的温度敏感性(Q10)2011年相应依次为1.79和1.56,2012年依次为1.79和1.38.②距树干2 m处温度和水分稍高于0.5 m处,但差异不显著(P>0.05).土壤呼吸与土壤温度均呈显著的指数关系,而与土壤水分的相关性不显著.温度变化可解释土壤呼吸的季节性变化,但并不能解释距离树干不同处的差异.③距离树干不同位置处的根系密度差异是影响果园土壤呼吸空间变化及其温度敏感性的重要生物因素;④冠幅下土壤呼吸的变异系数为23%~31%.估算果园土壤呼吸需考虑其距离树干的空间差异性.     

不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响

为了探明不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响,采用定位试验,对比研究了深松耕(ST)、免耕(NT)、旋耕(RT)和翻耕(CT)这4种耕作方式下土壤呼吸速率的动态变化特征;并利用根去除法研究了根呼吸对土壤呼吸的贡献.结果表明,夏玉米生长季,4种耕作方式下土壤呼吸速率随生育期均呈单峰型变化趋势,在抽雄期达到最大,各生育期土壤呼吸速率大小顺序依次表现为:抽雄期开花期灌浆期成熟期拔节期苗期.不同耕作措施对平均土壤呼吸速率的影响表现为CTSTRTNT;土壤呼吸速率与土壤温度的相关系数达到显著性水平(P0.05),不同耕作措施下5 cm地温可以解释土壤呼吸速率变异的35%~75%.而土壤呼吸速率与土壤水分的相关系数却未达到显著性水平.夏玉米生长季中,不同耕作措施下根呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在45.13%~56.86%之间波动,均值为51.72%.因此,利用根去除法可以用来了解作物生长对土壤碳排放的贡献及比较不同耕作措施对根系呼吸贡献的影响,从而为筛选出减缓农田土壤有机碳分解的耕作措施提供依据.     

不同耕作方式下土壤水分状况对土壤呼吸的初期影响

以2001年在东北典型黑土上进行的保护性耕作长期定位试验下免耕、垄作及常规耕作土壤进行了室内培养实验,按照田间持水量(water-holding capacity,WHC)的30%、60%、90%、120%、150%、180%、210%、240%、270%设定了9个水分梯度,并分别对其二氧化碳(CO_2)排放量进行了22 d的短期观测,以研究不同耕作方式下土壤水分状况对土壤呼吸的初期影响.结果表明:1干土条件下在加水培养初期,3种耕作方式均产生了明显的激发效应,并且土壤呼吸速率与土壤含水量间存在正相关关系.2除干旱(30%WHC)及淹水(240%WHC、270%WHC)条件下,3种耕作方式CO_2排放通量分别为免耕垄作常规耕作.3对不同耕作方式下土壤水分状况及CO_2排放通量进行了方程拟合,在30%~270%WHC条件下,免耕的CO_2排放通量与水分状况拟合为二次回归方程,而垄作与常规耕作则是线性回归方程.在30%~210%WHC条件下,免耕与垄作下土壤CO_2排放通量与水分状况均可拟合为较好的对数方程,可决系数R~2分别为0.966、0.956.     

秸秆覆盖条件下小麦生长季根系呼吸对土壤呼吸作用的贡献

在紫色土丘陵区连续6年进行秸秆覆盖试验的"旱三熟"农田系统中,于2012年12月—2013年4月小麦生长季内对土壤呼吸进行测定,并对小麦根系生物量、土壤温度、土壤水分和土壤有机碳含量等指标进行监测,以分析土壤呼吸动态变化的影响因素.结果表明,秸秆覆盖措施显著提高了土壤呼吸速率,秸秆覆盖(S)和秸秆覆盖+腐熟剂(SD)处理分别比对照(CK)增加了45.0%和29.4%.曲线估计表明,土壤呼吸作用与根系生物量呈显著线性关系,通过建立二者的线性回归方程,采用生物量外推法估算小麦根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例,在分蘖期(2012年12月)、拔节期(2013年1月)、抽穗期(2012年3月)和灌浆期(2013年4月),根系呼吸分别占土壤呼吸的28.2%、44.0%、56.9%、56.2%,平均贡献为46.3%,并呈先增加再降低的趋势,在抽穗期达到最大,与根系生物量的变化同步.按照不同处理建立根系生物量与土壤呼吸间的线性回归方程,经计算得出CK、S和SD 3个处理中,根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例分别为42.9%、43.8%和43.7%,秸秆覆盖对根系呼吸作用比例无显著影响.     

长期不同耕作方式对紫色水稻土重金属含量及有效性的影响

通过长期定位试验,研究了常规平作、水旱轮作、免耕冬水、垄作免耕和厢作免耕5种耕作方式对紫色水稻土剖面重金属(Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd)总量、有效量及水稻根、茎叶和糙米重金属含量的影响.结果表明,经过22 a的耕作,5种耕作方式对紫色水稻土剖面Fe、Cu、Zn、Pb、Cd总量的剖面分布状况影响不显著,而对土壤Mn的剖面分布状况影响显著,常规平作、水旱轮作及免耕冬水均导致表层土壤Mn向下层淋失.5种耕作方式下土壤Fe、Cu、Zn、Pb和Cd的有效量均随土层深度的增加呈降低趋势,而常规平作、免耕冬水、垄作免耕及厢作免耕土壤Mn有效量则表现出随土层深度的增加而增高的趋势.5种耕作方式下,表层土壤Fe、Mn有效量以水旱轮作最高,Zn、Pb有效量以常规平作最高,而Cu有效量受耕作方式的影响不显著.相关分析结果表明,表层土壤有效Fe与pH呈极显著的负相关关系,与有机质呈显著的负相关关系,有效Mn与pH和有机质均呈极显著的负相关关系,有效Zn与总Zn呈显著正相关关系.水旱轮作、垄作免耕及厢作免耕条件下水稻根部Fe、Mn含量,茎叶Fe、Mn、Cu、Cd含量,糙米Cu含量均高于常规平作和免耕冬水,水旱轮作能明显降低Cd向糙米的迁移系数,对降低糙米Cd含量有明显的效果,且水旱轮作条件下糙米Cd含量低于国家食品卫生标准.水稻根部Fe含量与pH呈极显著负相关关系,与有效Fe呈极显著正相关关系,根部Mn含量与pH呈极显著负相关关系,与有效Mn呈极显著正相关关系,茎叶中Mn含量与pH呈显著的负相关关系,与总Mn及有效Mn呈显著的正相关关系,茎叶和糙米Cu含量与pH均呈极显著的负相关关系,糙米中Zn含量与pH呈显著负相关关系,与CEC呈极显著正相关关系.结果表明,耕作方式主要通过影响土壤pH而影响土壤重金属的有效量及水稻重金属的含量,水旱轮作可提高表层土壤Fe、Mn活性,降低土壤Zn、Pb和Cd活性,并能在一定程度上降低糙米Pb、Cd含量,但也应注意长期的水旱轮作可能会导致表层土壤Mn过度向下层淋溶.     

Soil temperature and moisture sensitivities of soil CO2 e ux before and after tillage in a wheat field of Loess Plateau, China

As a conventional farming practice, tillage has lasted for thousands of years in Loess Plateau, China. Although recent studies show that tillage is a prominent culprit to soil carbon loss in croplands, few studies have investigated the influences of tillage on the responses of soil CO2 e ux (SCE) to soil temperature and moisture. Using a multi-channel automated CO2 e ux chamber system, we measured SCE in situ continuously before and after the conventional tillage in a rain fed wheat field of Loess Plateau, China. The changes in soil temperature and moisture sensitivities of SCE, denoted by the Q10 value and linear regression slope respectively, were compared in the same range of soil temperature and moisture before and after the tillage. The results showed that, after the tillage, SCE increased by 1.2–2.2 times; the soil temperature sensitivity increased by 36.1%–37.5%; and the soil moisture sensitivity increased by 140%–166%. Thus, the tillage-induced increase in SCE might partially be attributed to the increases in temperature and moisture sensitivity of SCE.