轮作和施肥对半干旱区作物地上部生物量与土壤有机碳的影响

中国农业科学2008,41(3):744-751ScientiaAgriculturaSinica收稿日期：2007-05-11；接受日期：2007-07-30基金项目：中国科学院知识创新方向项目（KZCX2-YW-424-2），国家自然科学基金（40771125）和中国科学院“西部之光”项目联合资助作者简介：郭胜利（1969-），男，河北栾城人，副研究员，博士，研究方向为土壤养分与生态。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]轮作和施肥对半干旱区作物地上部生物量与土壤有机碳的影响郭胜利1，吴金水1,2，党廷辉1（1西北农林科技大学/中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100；2中国科学院亚热带农业生态研究所，长沙410125）摘要：【目的】了解轮作与施肥对土壤有机碳的影响是建立持续发展措施的关键。【方法】以长期定位试验（1984～2002）中的10个典型处理为基础，分析了地上部生物量和耕层（0～20cm）土壤有机碳变化，探讨半干旱区轮作和施肥对0～20cm土层有机碳的影响，10个典型处理分别为休闲（F）；冬小麦连作体系中的3个施肥处理：不施肥（W/W+CK）、化肥（W/W+NP）、化肥有机肥（W/W+NP-FYM）；冬小麦-冬小麦+糜子-豌豆轮作体系中的3个施肥处理：不施肥（W/WM/P+CK）、化肥（W/WM/P+NP）、化肥有机肥（W/WM/P+NP-FYM）处理；1个冬小麦—冬小麦-红豆草轮作处理（W/W/S+NP）；人工苜蓿中2个施肥处理：不施肥（A/A+CK）和化肥有机肥处理（A/A+NP-FYM）。【结果】冬小麦连作体系（W/W）中，不施肥处理（W/W+CK）的地上部生物量平均为3.3t·ha-1，化肥处理（W/W+NP）和化肥有机肥处理（W/W+NP-FYM）依次为7.5和11.2t·ha-1；冬小麦-冬小麦+糜子-豌豆轮作（W/WM/P）体系中，不施肥处理（W/WM/P+CK）地上部生物量平均3.1t·ha-1，W/WM/P+NP和W/WM/P＋NP-FYM地上部生物量依次为7.1和8.3t·ha-1；冬小麦-冬小麦-红豆草轮作（W/W/S+NP）为8.5t·ha-1；苜蓿连作不施肥（A/A+CK）和化肥有机肥处理（A/A+NP-FYM）体系地上部生物量依次为4.1和5.0t·ha-1。18年期间，W/W+CK处理土壤有机碳含量（6.7g·kg-1）无显著变化，W/W+NP和W/W+NP-FYM处理提高13%和51%；W/WM/P+CK土壤有机碳含量（7.0g·kg-1）无显著变化，W/WM/P+NP和W/WM/P＋NP-FYM土壤有机碳提高7%和47%；W/W/S+NP处理土壤有机碳提高了29%；A/A+CK和A/A+NP-FYM处理有机碳提高了43%和71%。【结论】轮作与施肥显著影响土壤碳输入量，18年期间土壤蓄存的碳与累计输入土壤的有机碳存在显著的线性相关关系（SOC=1.65CReturned+5.95，R2＝0.95＊＊）。秸秆还田、草粮轮作或退耕还草是改善该地区土壤质量，实现土壤蓄存碳潜力的重要途径。关键词：半干旱区；施肥；轮作；土壤有机碳EffectsofCropRotationandFertilizationonAbovegroundBiomassandSoilOrganicCinSemi-aridRegionGUOSheng-li1,WUJin-shui1,2,DANGTing-hui1(1InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestUniversityofAgricultureandForestry/ChineseAcademyofSciences,Yangling712100,Shaanxi;2InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125)Abstract:【Objective】AbetterunderstandingofcroprotationandfertilizationonsoilorganicC(SOC)incroppingsoilsisvitalfordevelopmentofeffectiveagriculturalpractices.【Method】ChangesinsoilorganicC(0-20cm)andabovegroundbiomassfrom1984to2002wereinvestigatedintencroppingsystemsinalong-termfieldexperimentstartedfrom1984ontheLoessPlateau.Thetencroppingsystemsconsistoffallow(F),continuouswinterwheatcroppingsystem(W/W+CK,W/W+NP,andW/W+NP-FYM),wheat-wheat+millet-pearotationsystem(W/WM/P+CK,W/WM/P+NP,andW/WM/P+NP-FYM),wheat-wheat-sainfoin(Onobrychisviciaefolia)(W/W/S+NP),andcontinuousalfalfacontinuous(A/A+CK,A/A+NP-FYM).【Result】Forthecontinuouswinterwheatcroppingsystem(W/W),theabovegroundbiomasswithoutfertilization(W/W+CK)was3.3t·ha-1,theabovegroundbiomassinW/W+NPandW/W+NP-FYMwas2.2and3.4timesthatinW/W+CK.Forthewheat-wheat+millet-pearotationsystem(W/WM/P),theabovegroundbiomasswithoutfertilization(W/WM/P+CK)was3.1t·ha-1,theabovegroundbiomass3期郭胜利等：轮作和施肥对半干旱区作物地上部生物量与土壤有机碳的影响745inW/WM/P+NPandW/WM/P+NP-FYMwas2.3and2.7timesthatinW/W+CK.TheabovegroundbiomassinW/W/S+NP,A/A+CK,andA/A+NP-FYMwas8.5,4.1,and5.0t·ha-1,respectively.After18yearsSOCinW/W+CK(6.7g·kg-1)wasneartothevalue(6.5g·kg-1)atthebeginningoftheexperiment,increasedby13%and51%inW/W+NPandW/W+NP-FYM,respectively.SOCinW/WM/P+CKwas7.0g·kg-1,increasedby7%and47%inW/WM/P+NPandW/WM/P+NP-FYM,respectively.SOCinW/W/S+NP,A/A+CK,andA/A+NP-FYMincreasedby29%,43%and71%,respectively.【Conclusion】TheamountofreturnedCtosoilplaysanimportantroleinSOCinthesemi-aridregion.TherewasahighlysignificantcorrelationbetweenSOCandsoiltotalN(SOC=1.65CReturned+5.95，R2＝0.95＊＊).Incorporationofcropstrawintosoil,croprotationwithgrass,andconversionofcultivatedlandintograsslandcouldpromoteSOCaccumulationandsequestrationofCO2infarmlandsinthesemi-aridregion.Keywords:Semi-aridregion;Fertilization;Croprotation;SOC0引言【研究意义】黄土高原地区为中国古老的雨养农业区[1]，耕地面积为0.18亿公顷，为全国耕地面积的19%[2]。由于侵蚀和干旱的影响，黄土高原地区粮食产量一般低于2.0t·ha-1，为全国土壤生产力的低产水平[1]，主要土壤类型黄绵土有机碳密度1.14kg·m-2（0～20cm），低于同纬度黄淮海平原地区的主要土壤——潮土的有机碳密度（1.61kg·m-2）[3]。但20世纪80年代以来，随着抗旱高产作物品种的推广、化肥的普及，该地区冬小麦和春玉米的种植面积扩大，豆麦轮作制度逐渐为禾本科连作所代替，化肥投入超过农家肥成为农田肥料投入的主体，其施用量已由80年代前的不足50kg·ha-1提高到200kg·ha-1左右[4,5]，土壤生产力相应提高了一倍以上[6]。了解该地区轮作与施肥对土壤有机碳的影响是建立农业持续发展措施的关键。此外，提高农田土壤有机碳储量同时具有改善土壤质量和减缓温室效应的双赢效果。【前人研究进展】近期国际上以少耕、免耕等保护性耕作为基础，从全球和区域尺度对轮作条件下农田土壤有机碳的变化、蓄存速率、潜力等进行了大量的研究[7~13]。中国尽管已经开始大力推广保护性耕作，但目前相当部分农田仍以常规耕作为主，尤其在黄土区，农田土壤耕翻频繁、秸秆带离农田。此外，化肥对农田土壤有机碳的影响因土壤类型、种植制度和施肥措施等而不同[14~16]。【本研究切入点】但施肥及轮作方式对黄土高原旱农区农田土壤有机碳影响有何影响，研究报道较少。【拟解决的关键问题】本文以黄土旱塬农田长期试验（始于1984年）中豆麦轮作、禾本科连作、粮草轮作、牧草连作等典型轮作和化肥、有机肥、化肥有机肥配施等施肥处理为基础，分析了20世纪80年代以来中国黄土高原地区由于轮作与施肥导致的农田土壤有机碳库的变化及其影响因素。1材料与方法1.1试验地的自然条件研究区位于陕西省长武县（东经107°40′，北纬35°12′），海拔1200m。属于半干旱湿润性季风气候。1957～2002年间年均降水量为586mm，其中昀高年份为822mm，昀低年份为327mm。7～9月降水量占年总量的57%左右。年平均气温9.2℃，＞10℃积温为3029℃，年日照时数为2230h，日照率为51%，年辐射总量为484kJ·cm-2。研究区为黄土旱塬区，黏壤质黑垆土，1984年土壤有机碳含量为6.50g·kg-1，全氮含量0.80g·kg-1，pH8.4，CaCO3含量10.5%，黏粒含量（＜0.002mm）24%。1.2试验设计与管理试验始于1984年，包括11种轮作方式与7种施肥制度（不完全组合），共36个处理。3次重复，随机区组排列[17]。本研究选取其中的长期休闲地、冬小麦（TriticumaestivumL.）连作（3个施肥水平）、冬小麦-冬小麦+糜子（PanicumL.）-豌豆（PisumsativumL.）轮作（3个施肥水平）、冬小麦-冬小麦-红豆草（OnobrychisviciaefoliaScop.）轮作、苜蓿（MedicagosativaL.）连作（2个施肥水平），共计6种作物种植方式，10个处理（表1）。休闲处理人工及时去除杂草。冬小麦连作系统中，供试品种为长武131系列，9月下旬播种（播量150～190kg·ha-1，行距20cm），生长期间人工及时去除杂草，成熟期收获小区1/3以估算单位面积籽实产量。冬小麦收获（次年6月）后土壤休闲，期间园盘耙机耕（深度＜20cm）松土蓄墒，准备下一茬冬小麦苗床。冬小麦-冬小麦+糜子-豌豆系统中，冬小麦品种、播量、田间管理同冬