农田土壤有机碳平衡及氮循环特征范文

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《中国农业科学杂志》2015年第二十三期

中国北方旱作农业多分布于低山丘陵地区，四季分明，降水少且分布集中。长期以来，旱作农业区水土流失严重、生产力低下、贫困人口众多。新中国建国以来坚持不懈的农田基本建设、改革开放三十多年以来农业生产投入的持续增加及十多年来陡坡耕地的退耕，使旱作农田生产条件得到逐步改善，土壤有机质含量也有所增加[1]。但是，由于地处东南季风的边缘地带，降水量及其分布波动大，在春季和夏初作物生长常常受到干旱影响；部分区域由于海拔高而气温低，热量不足也限制作物生长和产量的形成。从整体来讲，克服水热条件限制是提高旱作农田生产力和资源利用效率、增加农民收入和促进区域生态恢复的关键所在。地膜覆盖技术在中国半干旱区很早就有应用，但是旱作粮食作物中的大面积应用仅有十多年的时间。20世纪90年代后期，在旱地集水农业思想带动下[2-3]，作为田间微集水技术的各种地膜覆盖方式层出不穷，在经历近10余年的比较筛选之后，几种效果显著的覆膜栽培方式逐渐成为主流，特别是地膜覆盖与沟垄栽培技术相结合形成了地膜覆盖沟垄栽培模式，被认为是半干旱区提升耕地生产力的创新性技术体系[4]，应用面积不断扩大。随着地膜覆盖技术的应用面积迅速扩大，人们对其与农田生态可持续性关系的关注也越来越多。本文在笔者团队研究成果的基础上，结合国内外相关文献，对旱作农田地膜覆盖的增产效果、土壤有机碳平衡和氮循环过程方面的研究进展进行综述，为今后进一步研究提供借鉴。

1地膜覆盖的增产效果和机理

国外的地膜覆盖生产系统主要针对园艺、蔬菜等高附加值作物，针对大田作物生产的还很少。国内地膜覆盖也是首先应用于温室大棚生产，从20世纪90年代才开始针对大田作物开展研究和示范推广。甘肃省以黄土高原为核心的旱作农业区先后在小麦、马铃薯、玉米等大田作物生产中大规模采用地膜覆盖技术，使该省旱作农业区粮食生产跃上了一个新台阶，制定了5年实现旱作农业净增产50亿kg粮食生产能力的规划。目前沟垄地膜覆盖种植玉米已经成为了主流，其中全膜覆盖双垄集水沟播玉米栽培模式是目前推广面积最大的技术模式，它是将农田整理成宽垄和窄垄相间（所谓的“双垄”，也有的称之为“宽窄行”，宽垄主要是方便田间农艺操作），然后用聚乙烯膜将地面完全覆盖（即全膜覆盖），播种时将玉米种植于沟内（沟播）。沟宽视具体的水热条件而定，在甘肃半干旱区水热条件严重不足的地区，常采用V型沟，也就是沟宽为零，实际上是在两垄相邻处自然形成的沟。地膜覆盖沟垄栽培模式的主要功能之一是集水。沟垄本身具有将降水从垄面向沟底部汇集的功能，但是，在未覆膜的情况下，垄面径流的产生以垄面表层土壤渗吸雨水达到饱和为前提，所以当降水强度小而且持续时间短的情况下，沟垄的集水效果是极为有限的，一部分降水将被垄肩土壤所渗吸而后快速蒸发损失，特别是因沟垄微地形增大了土壤蒸发面积，从而有加大土壤水分蒸发损失的可能性。而当地膜覆盖以后，由于地膜的疏水性和不透水性，垄面的降水才可以被几乎全部汇聚到垄的底部，并由渗水孔进入土壤。在地膜覆盖沟垄栽培模式下，玉米是种植在沟内的。这样，所谓的无效降水（小雨）可以被重新分配叠加到作物根区土壤中被根系所吸收而成为有效降水。

许多文献对半干旱地区地膜覆盖沟垄栽培模式的这种集水（降水的重新分配）功能进行了描述，最近Jiang和Li利用人工模拟降水和亮蓝染色技术相结合的方法对其进行了试验观察和说明。地膜覆盖沟垄栽培模式的第二个功能是抑制土面蒸发。地膜覆盖的这一功能是从地膜覆盖能够增加土壤含水量而引申出来的。一般提倡沟垄设置和地膜覆盖在先一年的秋季、土壤封冻前进行，这样可以有效减少冬季休闲期土壤蒸发，使秋季降水在春季被利用。Liu等报道，在甘肃省榆中县中连川乡土壤封冻期之前采用地膜覆盖与不覆盖相比较，第二年玉米播种时2m土壤剖面中多储存43mm水分。地膜覆盖对作物生育期土壤含水量的影响与作物生长发育阶段有关。地膜覆盖一般在玉米苗期到拔节前可以显著增加土壤含水量，而在生长发育的盛期，这种影响不显著甚至会降低土壤含水量。这是因为地膜覆盖下作物生长发育加快，冠层覆盖和叶面积显著增加，从而显著增加了蒸腾消耗，苗期因减少土面蒸发而保蓄的水分在生长盛期被作物吸收利用。地膜覆盖降低土面蒸发的效果被地膜覆盖下增加的作物蒸腾而掩盖的这一原理最近被Liu等通过田间试验而说明。在甘肃省榆中县小康营，在未种植作物的情况下，地膜覆盖的沟垄试验地中，整个玉米生长季至收获时可以使170cm土层内土壤含水量达到田间持水量，可以比不覆盖处理多保蓄100mm的降水量。由此说明地膜覆盖沟垄栽培模式的集水抑制土壤蒸发效果非常显著。

地膜覆盖沟垄栽培模式的第三个功能是增加表土层温度。用透光地膜覆盖的增温效应灭除土壤中的虫卵和病菌已经有半个多世纪了。在甘肃黄土高原地区，覆盖地膜增加地表土壤温度的效应主要发生在作物生长发育的前期（苗期和拔节期）。Hai等在甘肃省榆中县小康营发现，地膜覆盖与不覆盖相比较，在不种植玉米情况下，全生育期增加白昼0—15cm土壤温度3.0℃；而在种植玉米情况下，仅在拔节期之前增加土壤温度2.8℃。很显然，这一结果说明在玉米生长发育的后期正是由于冠层的遮盖使太阳直接辐射难以到达地膜覆盖的土壤而使地膜覆盖的增温效果不明显。地膜覆盖的土壤增温效果是玉米能够在热量条件不足的高海拔地区种植的关键。苗期的土壤增温作用使玉米在苗期能够正常生长、尽早扩展冠层进行光合积累、形成果实达到成熟。一般地，玉米在地膜覆盖下比不覆盖早出苗和早成熟1—2周，收获指数也显著增加。地膜覆盖沟垄栽培模式对作物的增产效果存在明显的地域性。在因热量条件限制不能种植玉米的区域或者玉米临界种植区域增产幅度比较大，而在玉米的传统种植区域增产效应则比较小。在甘肃省榆中县中连川乡（海拔2400m）地膜覆盖沟垄栽培模式下玉米产量可以数倍于平作无覆盖的玉米或者小麦，在榆中县小康营（海拔2100m）沟垄地膜覆盖相对于不覆盖垄作玉米产量增加70%—102%。在陕西省长武县（海拔1200m）地膜覆盖沟垄比不覆盖平作玉米产量增加39%—89%。Wang等在甘肃省宁县（海拔1264m）连续三年比较了地膜覆盖对玉米产量的影响，沟垄地膜覆盖与垄作不覆盖相比较，玉米产量2008和2010年分别增加了50%和25%，而在2009年产量降低了21%。在他们的试验中，2009年玉米生产季的前期降水比一般年份偏少持续干旱，实质性的降水来得迟。

地膜覆盖下玉米生长发育速度快，使得花期（需水关键期）与干旱期大部分重叠，生殖生长受到了干旱胁迫的严重影响，而地膜不覆盖下玉米生长速度慢，花期滞后于干旱期，生殖生长受到的干旱胁迫影响小，从而导致在他们的试验中2009年地膜覆盖降低了玉米产量。因此，在热量不是主要限制因素的地区，地膜覆盖可能有降低玉米产量的风险。在山西省代县（海拔869m）和寿阳县（海拔1202m）沟垄地膜覆盖比不覆盖平作增加玉米产量14%—59%。地膜覆盖也应用于马铃薯和小麦等作物生产。在应用于马铃薯时一般也采用垄作，但是马铃薯一般种植在垄上或半垄上，也有种植在沟底的。种植在垄上或半垄上时，要在沟底专门设置渗水孔，以利于降水快速入渗于土壤。覆膜与不覆膜相比较可以增产20%以上，有的甚至增产1倍以上。地膜覆盖应用于小麦，大多是平作但也有垄作（垄上覆膜、膜侧种植）。地膜覆盖的小麦产量效应变异非常大，多数报道都增产。但是李凤民报道1997年在甘肃省定西县唐家堡地膜覆盖使春小麦减产40%—50%。王淑娟等于2002—2009年在陕西杨陵研究了地膜覆盖对冬小麦生产的影响。在6个生产周期中3年覆盖与不覆盖相比较冬小麦产量增加16%—32%，两年不增产，而另一年减产7%。近年来在甘肃省中部地区试验推广小麦膜上覆土栽培技术，与不覆盖相比较小麦产量增加43%—80%。膜上覆土的目的是利用地膜覆盖的保水作用而减小其增温效应，因为小麦相对于玉米比较耐低温，在热量不是限制因子的地区土壤增温不一定有利于小麦生产。地膜覆盖下作物产量和生物量的增加也意味着水分利用效率和养分吸收的增加，因为地膜覆盖对作物耗水总量和生物量中养分浓度的影响很小。

2地膜覆盖对土壤有机碳平衡的影响

土壤有机质是土壤肥力的基础，地膜覆盖对土壤有机碳的影响是人们关注的首要问题。土壤有机碳含量是土壤有机质输入与矿化相平衡的结果。地膜覆盖促进土壤有机碳矿化。这首先可以从地膜覆盖促进土壤氮素矿化得到佐证，因为土壤碳矿化与土壤养分矿化是耦合在一起的。其次，地膜覆盖增加土壤微生物活性。一般地，在作物生育期地膜覆盖下土壤微生物量显著高于不覆盖处理。地膜覆盖增加土壤葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶活性。地膜覆盖增加土壤微生物量及酶活性的机理可能是由于水热条件的改善促进了微生物的生长、繁殖及代谢活动。但是，地膜覆盖也可能通过使作物根际过程（根际碳沉积及根际效应）增强而间接地增加土壤微生物活性，因为地膜覆盖下玉米根生物量是增加的。

地膜覆盖还很可能通过对土壤微生物群落组成的改变而影响土壤的微生物活性，因为已经知道土壤升温改变土壤的微生物群落组成。Liu等报道在黄土高原地膜覆盖3个月导致AM真菌群落组成发生变化。地膜覆盖下土壤微生物活性的增加意味着土壤矿化速度的增加。但是，在田间通过测定土壤呼吸来说明地膜覆盖对土壤有机碳矿化速率的影响是困难的。困难不在于土壤微生物呼吸与根呼吸的区分，而是在于在地膜覆盖情况下要采集到能够真正反映土壤呼吸速率的气体样品是一个挑战。Wang[10]和Liu等用尼龙网袋法测定了地膜覆盖对玉米秸秆腐解速率的影响，发现地膜覆盖显著促进埋置的玉米秸秆碳的丢失，从而间接说明地膜覆盖促进土壤有机碳矿化。Wang等[10]在甘肃省宁县所进行的试验中（三年分别在三块不同的试验地实施）每年收获时对土壤采样测定地膜覆盖对土壤碳水化合物碳（中等强度酸提取）、轻组碳（密度＜1.8g•cm-3）和可矿化有机碳（10天恒温培养中的呼吸量）含量的影响。他们发现，经过一个生长季以后，所测定的这几个土壤有机碳组分含量在覆盖处理中都降低了。他们将这一结果解释为地膜覆盖促进土壤有机碳的矿化，因为这些组分是最容易分解的。一般地，根生物量及根际碳沉积物是旱作农田土壤有机碳输入的主要来源。Amos和Walters综合分析了关于玉米根生物量研究的45篇论文及部分关于玉米根际碳沉积的研究论文，得出的一般估计是，玉米一生通过根生物量生产及根际碳沉积输入到土壤中的有机质量相当于玉米收获时地上生物量的29%。根据这个估计，如果玉米籽粒产量为10Mg•hm-2的话，地下有机质输入总量（根及根际沉积量）约为5.8Mg•hm-2（收获指数以0.5计），这个量是相当可观的。

根据Liu和Zhou[36]等及笔者未发表的从多个试验点多年获得的数据来看，地膜覆盖下玉米收获时地下生物量与地上生物量是协同增加的，也就是说，玉米高产的同时向土壤输入的有机质量也是同步增加的。最近，An等在辽宁沈阳用13C脉冲标记技术清楚地说明地膜覆盖下玉米向土壤中的有机碳输入是增加的。vanderMeulen]在西班牙半干旱气候条件下发现，地膜覆盖弃耕5年地块（弃耕但地膜仍然保留在地面5年）土壤有机碳含量高于地膜不覆盖弃耕地土壤。谢驾阳等比较了陕西杨陵地膜覆盖与不覆盖冬小麦地在土壤有机质含量及生物学性质上的差异。试验于2002年10月开始，持续到2007年10月采样测定，发现0—10cm土层土壤有机碳含量在地膜覆盖与不覆盖之间没有显著差异。梁贻仓等[48]研究了陕西省长武县地膜覆盖对冬小麦地土壤有机碳含量的影响。试验于2008年9月开始，连续种植小麦，至2012年7月采集土壤样品进行分析，地膜覆盖与不覆盖处理0—30cm土壤有机碳含量差异不显著。Liu等[15]在甘肃榆中小康营地膜覆盖下连续种植玉米5年（2008—2012），试验开始和每年收获时对土壤有机碳含量进行测定发现，与不覆盖处理相比，地膜覆盖并不影响土壤有机碳含量。他们将这一结果归结为地膜覆盖下土壤有机碳矿化的增加量被有机碳输入的增加量所填补。但是，李世朋等[49]在辽宁沈阳研究发现，地膜覆盖对玉米地土壤有机碳含量的影响与施用有机肥（猪厩肥）有关：在不施用有机肥的情况下无论是否施用化肥，与不覆盖相比较，地膜覆盖总是增加土壤有机碳含量；而在施用有机肥的情况下地膜覆盖总是降低土壤有机碳氮含量。该试验于1987年开始，连续种植玉米17年至2004年8月采样。这说明地膜覆盖对土壤有机碳含量的影响可能与是否施用有机肥（种类及腐解程度）及土壤有机碳含量背景值等有关。有机碳含量高的土壤一般具有高的有机质矿化速率，因为土壤矿物质对有机质的保护作用是有限的。

3地膜覆盖对农田氮素循环的影响

土壤温度和水分是影响土壤氮素矿化最重要的环境因子[53]，地膜覆盖所导致的土壤水热变化必然会加快土壤氮素的矿化、进而对土壤氮素有效性产生影响。但是该方面的研究目前非常少，笔者检索到的仅是Zhang等[33]和Hai等的工作。Zhang等[33]应用原位土壤培养法在山东省蒙阴研究了地膜覆盖对花生地（未施氮肥）土壤氮素矿化过程的影响。他们发现，花生开花期和结夹期地膜覆盖处理表层20cm土壤净氮矿化速率分别是不覆盖处理的2倍和1.2倍。Hai等[14]于2011和2012年连续两个生长季在甘肃省榆中县小康营利用原位土壤培养法研究了沟垄栽培下地膜覆盖对施用了尿素的玉米地表层15cm土壤氮素矿化的影响。2011年玉米全生长季无地膜覆盖的土壤氮累计净矿化量为47—60kg•hm-2，而在地膜覆盖处理中氮净矿化量为97—126kg•hm-2；2012年全生长季无地膜覆盖下净氮矿化量为95—136kg•hm-2，而在地膜覆盖下的净氮矿化量为341—354kg•hm-2。这些结果表明，地膜覆盖显著增加土壤氮素矿化，从而贡献于作物生育期土壤氮素有效性的增加。一些研究发现地膜覆盖能显著增加作物收获时土壤中的无机氮残留[11,14,54-55]，这也与地膜覆盖下氮素矿化增加有关。地膜覆盖对土壤反硝化作用的影响是人们非常关注的环境效应之一。韩建刚[56]、白红英[57-58]和阎佩云[59]等报道在黄土高原地膜覆盖增加土壤N2O排放通量，但是没有报道全生育期N2O的排放总量。Berger等[60]在韩国萝卜菜地发现地膜覆盖降低生长季N2O排放总量，而Liu等[16]发现在黄土高原的陕西长武地膜覆盖不影响玉米全生育期农田土壤N2O排放总量。在Berger和Liu[16]等的研究中，他们所报告的不同处理下作物生育期N2O累积排放量在氮素损失总量中所占比例都很小。在Berger等的研究中，覆盖和不覆盖的萝卜和大豆地在4个月生长季中的累积N2O-N排放量均小于0.95kg•hm-2，而在Liu等的不覆盖玉米地N2O-N累积排放量为1.70kg•hm-2，在覆盖处理的累积排放量为1.57kg•hm-2（P＞0.05）。Kim等用LandscapeDNDC模型模拟得出地膜覆盖萝卜地（与Berger等[60]为同一地点）在全年生产中N2O-N排放量为2—3kg•hm-2。这些工作说明虽然地膜覆盖可能影响反硝化作用，但是其氮氧化物排放对地膜覆盖下土壤氮素损失的贡献非常小。地膜覆盖显著增加作物氮素的吸收，但是增加的吸收量是来自于土壤氮还是肥料氮是一个重要问题，它关系到氮肥的利用效率及氮肥用量的合理确定。目前该方面的研究文献也很少。党廷辉等用15N示踪法发现在陕西省长武县地膜未覆盖处理玉米地上部分的尿素氮（用量为120kgN•hm-2）回收率（利用率）为54.6%，而在覆盖下则为47.5%，但统计学差异不显著（P＞0.05）。Liu等利用15N示踪技术于2011和2012年（尿素仅在2011年标记）所做的地膜覆盖对尿素氮去向影响的研究，结果发现，在第一个生长季（2011），与不覆盖相比较，地膜覆盖处理玉米氮素总吸收量增加了53%，而对化肥氮的吸收量却降低了19%，这和前面文献是一致的，说明在该试验中地膜覆盖下增加的氮吸收量不是来自于当季施用的肥料而是来自于土壤有机氮的矿化。肥料氮的当季利用率（吸收量占施用量的百分比）由不覆盖下的23%降低为覆盖下的18%。他们推测，第一个生长季可能由于土壤有机氮矿化速率的增加而导致氮素有效性的增加，从而稀释了尿素氮在土壤总有效氮中的摩尔分数，使尿素氮被作物吸收的机会降低所致。但是在第二个生长季（2012），玉米对残留的标记尿素氮的吸收量在地膜覆盖处理中比不覆盖处理增加了63%。他们推测这可能也与地膜覆盖下氮素矿化速率增加有关。先一年由尿素氮转化的有机氮应该是不稳定易矿化的有机氮；这些有机氮在地膜覆盖下因土壤水热条件的改善在第二年优先于土壤中原本存在的较稳定的有机氮组分而矿化，使得与不覆盖处理相比其残留的标记无机氮在土壤总有效氮中的比例增加，因而被玉米吸收的机会增加。这些推测是否正确需要进一步研究。Liu等[63]发现，在第一年（2011）玉米收获时，170cm土壤剖面中残留的标记氮含量地膜覆盖处理显著大于不覆盖处理，据此推断地膜覆盖下尿素氮的挥发损失降低，这是因为：（1）在所有处理中至收获时标记氮还未迁移至170cm深度；（2）反硝化作用对氮素损失的贡献很小。土壤氮素的淋溶损失取决于土壤剖面上部氮的荷载量与土壤剖面内下行水流的强弱。Zhang等报道，地膜覆盖降低花生地（两行花生种在60cm宽的垄上，氮矿化和淋洗测定装置被埋置在垄里，40cm宽的沟没有覆盖）土壤氮的淋溶损失。Liu等于2010—2012年在陕西长武研究发现，在降水量较多的2010和2011年收获时，100—200cm土层中NO3-N的增加量地膜覆盖处理比不覆盖处理低48%—86%，说明地膜覆盖显著降低了上层土壤NO3-N的淋溶损失。但是，Hai等[14]通过对甘肃省榆中小康营两个生长季（2011和2012）不同处理下15cm表层土壤无机氮平衡状况的估算推测，地膜覆盖可能增加表层土壤氮的淋溶损失。Liu等[63]通过15N标记尿素氮在土壤剖面上的分布状况及第二年残留氮的损失量相对于不覆盖处理增加来推断，地膜覆盖可能增加化肥氮的淋溶损失。在Zhang等[33]的研究中对花生未施氮肥，在Liu等[32]的研究中玉米施氮量为225kg•hm-2，低于地膜覆盖处理下玉米的氮素吸收总量（约250kg•hm-2），而在Hai[14]和Liu[63]等的研究中，玉米施氮量为276kg•hm-2（农技推广部门的推荐量），远高于地膜覆盖处理玉米的氮素吸收总量（约200kg•hm-2）。所以上述研究中关于地膜覆盖对氮素淋溶损失影响的不一致性可能与施肥量有关。

4存在问题与今后研究的重点

中国地膜覆盖的农业应用领域和区域都已经十分广泛，但是对大田作物应用最多的可能主要集中在西北的半干旱地区和干旱地区的绿洲农业区。以半干旱和半湿润易旱区为主的旱作农业发展中，地膜覆盖的增产效应发挥了重大作用，对于克服旱作农业水热条件不足导致的粮食生产能力低而不稳的被动局面、改善农民生计发挥了重要作用。虽然社会上对地膜覆盖技术还有一些担忧，但是由于中国耕地少，人口多，对粮食生产是一个刚性需求，在可预见的未来，地膜覆盖技术的研究和应用不仅不会消弱，反而会逐步加强。人们对地膜覆盖的担忧主要是地膜残留问题。目前政府和农技推广部门对这一问题已经十分重视，鼓励农民和企业尽可能回收利用，以减少残留。这方面的工作应该进一步加强，同时，地膜残留对土壤质量和生产力的影响应是亟待加强的研究领域。对地膜覆盖的另一个担忧是该技术可能会过度消耗地力，影响农田生产力的可持续性。然而，尽管地膜覆盖在世界范围内应用于植物生产时间已经很久，但应用于旱地粮食作物生产的时间还很短，现有文献多是关于增产效果和水分效应，而关于地膜覆盖对土壤有机碳平衡和氮素循环影响的研究还很少。已有的文献[15，47-48]显示地膜覆盖对黄土高原土壤有机碳含量的影响可能是中性的，输入与输出之间基本能够达到平衡，但是这一初步结果还有待于通过持续较长时间的田间试验进一步验证。地膜覆盖下有机碳输入与输出基本平衡背后的事实是土壤有机碳的周转速率加快，地膜覆盖下土壤有机质的稳定性及其增强机制是需要研究的重要问题。有限的研究结果表明，地膜覆盖显著促进土壤氮素的矿化，改变肥料氮的去向[62-63]。当然，这些结果需要长期多点试验的进一步验证，并揭示其中的机理。如何增强地膜覆盖下土壤氮素矿化与固定之间的耦合（如通过增加有机碳输入），以及适应这一过程的变化以有效地进行养分管理，也是需要研究的重要方向。因地膜覆盖的增产效果具有明显的地域性，在旱作农业区，水热条件限制越强烈的地区其增产效果越明显；反之，则增产效果降低。因此，在水热条件较好的地区，建议加强与秸秆覆盖的结合研究，以减少地膜使用，并促进生产力的提高。

作者：李小刚 李凤民 单位：兰州大学生命科学学院干旱农业生态研究所/草地农业生态系统国家重点实验室