保护性耕作对黔中黄壤团聚体稳定性及有机碳的影响研究

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贵州省是生态脆弱的典型喀斯特山区农业省份。保护性耕作是防控农田土壤侵蚀、保护农田生态环境的主要耕作措施。本文依托国家黄壤肥力与肥效长期定位试验,选取玉米单作(maize monoculture system,MM)、小麦|绿肥-玉米轮作(wheat(intercropping green manure)-maize rotation,WMR)和油菜-玉米轮作(rape-maize rotation,RMR)3种轮作模式探明轮作对土壤团聚体稳定性及有机碳含量的影响,以便进一步研究在油菜-玉米轮作的平地及坡地上实施常规耕作(FT1)、免耕(FT2)、少耕(FT3)、常规耕作+轻简化施肥(FT4)、免耕+轻简化施肥(FT5)、顺坡平作(ST1)、横坡垄作(ST2)、横坡垄作+秸秆覆盖(ST3)、横坡垄作+秸秆覆盖+等高植物篱(ST4)的差异性。分别测定以上9种不同耕作措施的土壤理化性质,利用团聚体干筛湿筛分组方法筛分出不同处理下不同粒级的机械稳定性团聚体(mechanical-stable aggregates)和水稳性团聚体(water-stable aggregates),并分别计算其平均重量直径(mean weight diameter,MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)、>0.25mm团聚体含量(R0.25)、土壤团聚体破坏率(percentage of aggregate destruction,PAD)、土壤团聚体不稳定团粒指数(unstable aggregate index,ELT)及分形维数(fractal dimension,D)6个团聚体稳性指标,同时确定不同措施下各粒级团聚体的有机碳含量并计算其对土壤总有机碳的贡献率。探明玉米-油菜轮作下,不同保护性耕作措施分别对平地及坡地黄壤团聚体组成、稳定及其有机碳的影响,为有效利用喀斯特地区养分资源及可持续发展旱地农业提供理论依据。主要结论概括如下:(1)轮作能有效改善土壤理化性质,提高大团聚体(>0.25mm团聚体)含量、稳定性、及其有机碳含量。与单作相比,不同轮作的土壤容重显著降低4.56%~7.20%,土壤孔隙度、饱和持水量显著增加5.41%~13.60%、3.42%~8.43%,有机碳、全氮显著增加24.01%~36.05%、10.40%~10.52%;PAD显著降低25.97%~31.32%,ELT显著降低30.65%~35.90%,D显著降低0.36%~0.71%;>0.25mm水稳性大团聚体的有机碳含量增加17.60%~41.32%。(2)在油菜-玉米轮作的平地上实施免耕、少耕、免耕+轻简化施肥能有效降低土壤容重、增加土壤孔隙,提高土壤养分。不同保护性耕作较常规耕作的土壤容重降低3.03%~7.45%,土壤孔隙度和饱和持水度分别增加2.29%~5.62%和6.18%~13.98%,有机碳和全氮显著增加7.94%~22.07%、6.72%~17.16%。免耕+轻简化施肥处理下团聚体稳定性最好,较其他处理的机械稳定性和水稳性MWD、GMD、R0.25最大可显著提升19.95%、31.58%、0.32%和26.39%、19.16%、5.55%,PAD、ELT、D最大可降低68.87%、60.84%、0.22%;其>5 mm、5-2 mm、2-1 mm、1-0.5 mm水稳性团聚体有机碳含量也最高,较其他处理分别提高39.29%~107.145%、15.91%~56.03%、36.37%~46.67%、7.69%~27.18%。(3)在油菜-玉米轮作的坡地上实施横坡垄作、横坡垄作+秸秆覆盖、横坡垄作+秸秆覆盖+等高植物篱能有效保持并提升土壤养分。不同保护性耕作较顺坡平作的土壤容重降低3.38%~6.60%,土壤孔隙度、饱和持水量增加1.91%~3.71%、5.54%~11.13%。横坡垄作+秸秆覆盖较其他处理而言有机碳含量及全氮含量最高,碳氮比值最大。横坡垄作+秸秆覆盖+等高植物篱的PAD、ELT较其他处理降低幅度最大。横坡垄作+秸秆覆盖的水稳性MWD、GMD、R0.25的增幅最大,较顺坡平作分别提升1.95%、2.34%、2.19%;且其>5 mm、5-2 mm、2-1 mm、1-0.5mm水稳性团聚体有机碳较其他处理最高,分别提升6.24%~16.92%、4.47%~12.13%、14.73%~24.68%、0.80%~9.55%。(4)在油菜-玉米轮作的平地及坡地上实施不同保护性耕作有利于提高土壤结构稳定性、储存土壤有机碳、保持土壤养分。不同保护性耕作处理下机械稳定性团聚体与水稳性团聚体均以>5mm团聚体为优势团聚体,且>0.25 mm的水稳性大团聚体有机碳对不同处理的土壤总有机碳贡献率均高达89%以上。
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