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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 9 期摇 摇 2013 年 5 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
可持续发展研究的学科动向 茶摇 娜,邬建国,于润冰 (2637)……………………………………………………
代谢异速生长理论及其在微生物生态学领域的应用 贺纪正,曹摇 鹏,郑袁明 (2645)…………………………
植物内生菌促进宿主氮吸收与代谢研究进展 杨摇 波,陈摇 晏,李摇 霞,等 (2656)………………………………
中国园林生态学发展综述 于艺婧,马锦义,袁韵珏 (2665)………………………………………………………
个体与基础生态
基于最小限制水分范围评价不同耕作方式对土壤有机碳的影响 陈学文,王摇 农,时秀焕,等 (2676)…………
草原土壤有机碳含量的控制因素 陶摇 贞,次旦朗杰,张胜华,等 (2684)…………………………………………
外源钙离子与南方菟丝子寄生对喜旱莲子草茎形态结构的影响 车秀霞,陈惠萍,严巧娣,等 (2695)…………
毛竹出笋后快速生长期茎秆色素含量与反射光谱的相关性 刘摇 琳,王玉魁,王星星,等 (2703)………………
巴郎山异型柳叶片功能性状及性状间关系对海拔的响应 冯秋红,程瑞梅,史作民,等 (2712)…………………
外源磷或有机质对板蓝根吸收转运砷的影响 高宁大,耿丽平,赵全利,等 (2719)………………………………
不同猎物饲喂对南方小花蝽捕食量和喜好性的影响 张昌容,郅军锐,莫利锋 (2728)…………………………
捕食风险对东方田鼠功能反应格局的作用 陶双伦,杨锡福,姚小燕,等 (2734)…………………………………
基于线粒体细胞色素 c氧化酶亚基 I基因序列的帘蛤科贝类分子系统发育研究
程汉良,彭永兴,董志国,等 (2744)
………………………………
……………………………………………………………………………
不同实验生态环境对海刺猬遮蔽行为的影响 常亚青,李云霞,罗世滨,等 (2754)………………………………
种群、群落和生态系统
基于 RS与 GIS的赣江上游流域生态系统服务价值变化 陈美球,赵宝苹,罗志军,等 (2761)…………………
长江口及邻近海域富营养化指标响应变量参照状态的确定 郑丙辉,朱延忠,刘录三,等 (2768)………………
长江口及邻近海域富营养化指标原因变量参照状态的确定 郑丙辉,周摇 娟,刘录三,等 (2780)………………
鸭绿江口及邻近海域生物群落的胁迫响应 宋摇 伦,王年斌,杨国军,等 (2790)…………………………………
杭州西溪湿地大型底栖动物群落特征及与环境因子的关系 陆摇 强,陈慧丽,邵晓阳,等 (2803)………………
生物土壤结皮对荒漠土壤线虫群落的影响 刘艳梅,李新荣,赵摇 昕,等 (2816)…………………………………
大棚模拟条件下角倍蚜春季迁飞数量动态及其与气象因子的关系 李摇 杨,杨子祥,陈晓鸣,等 (2825)………
宁南山区植被恢复对土壤团聚体水稳定及有机碳粒径分布的影响 程摇 曼,朱秋莲,刘摇 雷,等 (2835)………
1958—2008 年太白山太白红杉林碳循环模拟 李摇 亮,何晓军,胡理乐,等 (2845)……………………………
不同干扰对黄土区典型草原物种多样性和生物量的影响 陈芙蓉,程积民,刘摇 伟,等 (2856)…………………
乌拉山自然保护区白桦种群的年龄结构和点格局分析 胡尔查,王晓江,张文军,等 (2867)…………………
西南干旱对哀牢山常绿阔叶林凋落物及叶面积指数的影响 杞金华,章永江,张一平,等 (2877)………………
阿尔泰山小东沟林区乔木物种丰富度空间分布规律 井学辉,曹摇 磊,臧润国 (2886)…………………………
景观、区域和全球生态
太湖流域生态风险评价 许摇 妍,高俊峰,郭建科 (2896)…………………………………………………………
基于 GIS的关中鄄天水经济区土地生态系统固碳释氧价值评价 周自翔,李摇 晶,冯雪铭 (2907)………………
资源与产业生态
淹水条件下控释氮肥对污染红壤中重金属有效性的影响 梁佩筠,许摇 超,吴启堂,等 (2919)…………………
研究简报
高温强光对小麦叶绿体 Deg1 蛋白酶和 D1 蛋白的影响及水杨酸的调节作用
郑静静,赵会杰,胡巍巍,等 (2930)
…………………………………
……………………………………………………………………………
不同 CO2 浓度变化下干旱对冬小麦叶面积指数的影响差异 李小涵,武建军,吕爱锋,等 (2936)……………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*308*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*32*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄05
封面图说: 肥美的当雄草原———高寒草甸是在寒冷的环境条件下,发育在高原和高山的一种草地类型。 其植被组成主要是多
年生草本植物,冬季往往有冰雪覆盖,土壤主要为高山草甸土。 当雄草原位于藏北高原, 藏南与藏北的交界地带,
海拔高度为 5200—4300m, 受海洋性气候影响,呈现高原亚干旱气候,年平均降水量 293—430mm。 主要有小嵩草草
甸、藏北嵩草草甸和沼泽草甸等,覆盖度为 60%—90% ,其中小嵩草草甸分布面积最大,连片分布于广阔的高原面
上。 高寒草甸草层低,草质良好,是畜牧业优良的夏季牧场。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 9 期
2013 年 5 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 9
May,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41201217, 31170483, 41101241); 中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2鄄EW鄄QN307)
收稿日期:2012鄄01鄄18; 摇 摇 修订日期:2012鄄09鄄25
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: zhangxiaoping@ neigae. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201201180112
陈学文,王农,时秀焕,张晓平,梁爱珍,贾淑霞,范如芹,魏守才. 基于最小限制水分范围评价不同耕作方式对土壤有机碳的影响. 生态学报,
2013,33(9):2676鄄2683.
Chen X W, Wang N, Shi X H, Zhang X P, Liang A Z, Jia S X, Fan R Q, Wei S C. Evaluating tillage practices impacts on soil organic carbon based on
least limiting water range. Acta Ecologica Sinica,2013,33(9):2676鄄2683.
基于最小限制水分范围评价不同耕作方式
对土壤有机碳的影响
陈学文1,王摇 农2,时秀焕1,3,张晓平1,*,梁爱珍1,贾淑霞1,范如芹1,3,魏守才1,3
(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春摇 130102;2. 吉林省国土规划研究室,长春摇 130051;
3. 中国科学院研究生院,北京摇 100049)
摘要:以 2009 年吉林省德惠市中层黑土上进行了 8a 的田间定位试验小区土壤为研究对象,对免耕和秋翻两种耕作方式及玉
米鄄大豆轮作和玉米连作两种种植方式下耕层有机碳进行分析,分别采用加权平均和分层两种方法计算最小限制水分范围
(LLWR),用其评价不同耕作方式对土壤有机碳的影响。 结果表明,免耕在玉米鄄大豆轮作和玉米连作下 0—5 cm土壤有机碳含
量分别比秋翻增加了 15. 2%和 11. 5% (P<0. 05)。 采用加权平均法计算的 LLWR 值为 0. 148—0. 166 cm3 / cm3,不同耕作方式
下玉米鄄大豆轮作的 LLWR高于玉米连作且在两种种植方式下均表现出免耕小于秋翻的特点;利用分层法计算得到的 LLWR值
介于 0. 130—0. 173 cm3 / cm3 之间,玉米鄄大豆轮作和玉米连作下免耕 0—5 cm LLWR均显著小于秋翻,而 5—30 cm LLWR数值
免耕大于秋翻(P>0. 05);玉米鄄大豆轮作下 0—30 cm各层 LLWR均高于玉米连作。 由于 LLWR可以评价不同耕作方式对土壤
有机碳的影响,因此采用加权平均法计算的 LLWR可以客观的反映不同耕作处理尤其是种植方式对土壤有机碳的影响;而采
用分层法计算的 LLWR则更清晰的刻画了土壤表层与亚表层固碳能力的差异。
关键词:最小限制水分范围;加权平均;分层;土壤有机碳;免耕
Evaluating tillage practices impacts on soil organic carbon based on least limiting
water range
CHEN Xuewen1, WANG Nong2, SHI Xiuhuan1,3, ZHANG Xiaoping1,*, LIANG Aizhen1, JIA Shuxia1, FAN
Ruqin1,3, WEI Shoucai1,3
1 Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China
2 Jilin Provincial Land Planning Research Laboratory, Changchun 130051, China
3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The least limiting water range (LLWR) is the range in soil water content within which limitations to plant growth
associated with water potential, aeration and mechanical resistance to root penetration are minimal. It has been proposed as
an index of the structural quality of soils for crop growth. In many studies, soil CO2 evolution rates are well explained by
changes in soil temperature and moisture using a Q10 equation. Even though soil temperature is one of the most important
factors influencing soil respiration, tillage鄄based differences in soil CO2 evolution are not fully explained by changes in soil
temperature because differences in soil temperature under different tillage practices are generally small and not significant
compared with much larger seasonal temperature fluctuations. Conversely, differences in soil moisture content under
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different tillage systems are more often reported to be large enough to influence soil CO2 evolution rates. This is probably
related to the fact that soil structure, which is changed by tillage practices, partially determines soil moisture content. Even
though bulk density and penetration resistance are commonly used measures of soil structure, they do not describe its
interactions with moisture. A multi鄄factor parameter might better represent the complex relationships that exist between soil
structure and moisture. The LLWR, which integrates several soil physical parameters, has been proposed as an index of soil
structural quality. The LLWR is the range of volumetric soil water contents ( cm3 / cm3 ) within a soil where biological
processes are not limited by soil water or O2 availability. Although the concepts of LLWR have been applied to processes in
plants, they have rarely been applied to microbial processes such as C mineralization and soil organic carbon (SOC). The
purpose of this study is to evaluate the effect of tillage on SOC based on the least limiting water range. Soil samples were
collected from a tillage trial established in Dehui County, Jilin Province, Northeast China, in fall 2001. Under different
tillage practices (no tillage, NT and moldboard plow, MP) with two rotations (corn鄄soybean and continuous corn), LLWR
was calculated using weighted average and stratification methods. The results showed that compared with MP, NT
significantly increased the SOC content in the top 0—5 cm of soil under the corn鄄soybean rotation and continuous corn
system by 15. 2% and 11. 5% , respectively (P<0. 05). The values of LLWR under different tillage and rotation practices
ranged from 0. 148 to 0. 166 cm3 / cm3 using the weighted average method, and were lower under NT than MP. The LLWR
under different tillage and rotation practices ranged from 0. 130 to 0. 173 cm3 / cm3 using the stratification method. LLWR in
the 0—5 cm soil layer were significantly lower under NT than MP (P<0. 05), whereas the difference in the 5—30 cm layer
was not significant (P>0. 05). The LLWR was higher under the corn鄄soybean rotation than under the continuous corn
system in each of the 0—30 cm layers. Because the LLWR can evaluate the impacts of different tillage practices on SOC,
LLWR calculated using the weighted average method can generally reflect the impact of different tillage practices, especially
crop rotation practices on SOC, while LLWR calculated from the stratification method more clearly indicated differences in
SOC sequestration between the soil surface and subsurface.
Key Words: least limiting water range; weighted average; stratification; soil organic carbon; no tillage
全球土壤有机碳(SOC)在 1m深度内的储量高达 1550 Pg[1],对全球陆地碳循环和气候变化过程具有至
关重要的影响[2]。 农田土壤对大气温室气体 CO2 积累贡献巨大,积累量是人类活动释放到大气中的 1 / 4[3]。
农田土壤的不合理使用能够改变土壤结构,加剧土壤侵蚀,降低土壤有机质含量[4鄄5],从而影响土壤碳存储量
及其循环周期[6]。 源于北美的保护性耕作(如免耕)不仅为农民带来效益,同时还有助于保护土壤和水资源,
保护生态环境,重建土壤肥力[7]。 大量研究表明,与传统耕作方式相比,免耕能够促进土壤储存更多的
碳[8鄄10],从而使农业土壤成为 CO2 的 “汇冶。 而有的研究也认为两种耕作方式下 SOC 储量的差异并不
明显[11鄄13]。
最小限制水分范围(LLWR),被定义为在土壤生物学过程中不被土壤水或者土壤氧气有效性限制的土壤
体积含水量的范围[14]。 LLWR 的特点是将与作物生长相联系的 3 个因素(水、气、硬度)整合成一个变量。
LLWR作为评价作物生长的土壤结构质量指标和管理措施对土壤持续生产力影响的表征参数,其在评价管理
措施与土壤持续生产力的实践过程中得到广泛应用[15鄄17],然而其在 SOC 矿化中过几乎没有被应用过[18],直
到 Yoo和Wander[19]首次尝试将 LLWR和土壤 CO2 释放联系起来,才将从植物生长过程发展过来的 LLWR概
念应用到 SOC矿化研究中。 他们研究发现 LLWR 和 SOC 矿化速率成正相关关系,当 LLWR 很小时,碳矿化
就会受到限制[19]。 Yoo等[20]和 Medeiros等[21]通过测定 LLWR等描述土壤结构质量的指标,发现其有助于解
释定位试验中 SOC固定的差异。
本文基于中国科学院东北地理与农业生态研究所 2001 年建立的黑土保护性耕作长期定位试验平台,利
用 LLWR作为评价指标,通过不同计算方法(加权平均和分层法)计算出的 LLWR 来对比评价不同耕作方式
7762摇 9 期 摇 摇 摇 陈学文摇 等:基于最小限制水分范围评价不同耕作方式对土壤有机碳的影响 摇
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对土壤有机碳的影响,旨在为东北黑土区进一步推广保护性耕作、促进农业可持续发展提供理论和实践参考。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区概况
摇 摇 研究区位于吉林省德惠市米沙子乡(44毅12忆 N,125毅33忆 E)中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土
农业试验示范基地。 试验区土壤类型为中层典型黑土,壤质粘土, 0—20 cm 土层 pH值在 6. 5 左右。 试验区
气候属于中温带大陆性季风气候,年平均气温 4. 4 毅C,年降水量为 520 mm,且主要集中在 6、7、8 三个月。 试
验区土壤理化性质详见梁爱珍等[22]。
试验始于 2001 年 9 月,此前小区耕作方式为传统耕作,以玉米连作为主。 试验小区采取单因素裂区、4
个重复的随机区组设计。 单因素为耕作方式:免耕(NT)、秋翻(MP)、垄作(RT)。 主处理裂分为玉米鄄大豆轮
作(C鄄S)以及玉米连作(C鄄C)两个辅助处理。 每个小区的面积为 5. 2 m伊20 m。 不同于传统耕作方式,所有处
理秸秆全部还田,除秋翻处理外,其它处理秸秆覆盖于地表。 (1)免耕处理,除进行播种外,全年不再搅动土
壤,前作残留物覆盖地表(玉米鄄大豆轮作下玉米、大豆秸秆和玉米连作下玉米秸秆均覆盖于地表,两种处理下
秸秆均 100%全部还田)。 采用可以联合作业牵引式免耕播种机(KINZE3000)播种。 播种机前部装有切刀,
在不拖移地表残留物的前提下开沟播种、施底肥、覆土和镇压,一次完成作业。 (2)秋翻处理,两种轮作方式
下在秋季收获后将秸秆 100%还田后进行耕翻(翻动土层深度大约为 20 cm),春季进行整地、播种、中耕和起
垄作业。 (3)垄作处理,除播种和 6 月份左右进行中耕和起垄外,收获后到播种前不再扰动土壤,垄高 16 cm,
垄宽 75 cm,秸秆覆盖于垄沟和垄傍上。 2009 年玉米鄄大豆轮作小区的当季采样作物是大豆,玉米连作小区当
季采样作物为玉米。
玉米地氮肥(N)作为底肥和追肥,一共施入 150 kg / hm2,而磷肥(P)和钾肥(K)只在播种时作为底肥施
入,施用量分别为 45. 5 和 80 kg / hm2。 大豆地只施底肥不追肥,底肥(N、P、K)的施用量分别为 40、60 kg / hm2
和 80 kg / hm2,具体施肥情况如表 1 所示。
表 1摇 不同耕作方式下施肥情况
Table 1摇 Applied fertilizers under different tillage practices
施肥时间
Fertilization time
施肥量
Fertilizing amount
/ (kg / hm2)
玉米鄄大豆轮作
corn鄄soybean rotation (C鄄S)
免耕
No tillage(NT)
秋翻
Moldboard plow
(MP)
玉米连作
continuous corn (C鄄C)
免耕
No tillage(NT)
秋翻
Moldboard plow
(MP)
底肥(2009 年 5 月 1 日) 氮肥 40 40 100 100
Base fertilizer 磷肥 60 60 45. 5 45. 5
钾肥 80 80 80 80
追肥(2009 年 7 月 10 日) 氮肥 0 0 50 50
Additional fertilizer 磷肥 0 0 0 0
钾肥 0 0 0 0
1. 2摇 样品采集
土壤样品采于 2009 年秋收后,分别取自 NT、MP 处理的玉米鄄大豆轮作和玉米连作小区。 利用特制取土
钻[23](直径 2. 64 cm,侧向开口)取土,从小区的中部四垄采取,采样点呈“S冶形分布,采样深度为 0—5、5—10、
10—20 和 20—30 cm。 土钻每次钻到 30 cm,然后按采样深度将土柱分切为 4 段,分别收集。 每个采样小区取
7 次重复,将同一深度的 7 个重复样品混合成一个样品。 土壤样品带回实验室后称取部分样品,在 105 毅C 下
烘干,根据烘干土重、取土钻内径和采样深度计算土壤容重。 剩余样品风干。 四分法取风干土 15 g,去除肉眼
可见的有机残体,研磨后过 100 目筛,用元素分析仪(FlashEA1112,ThermoFinnigan,Italy)测定土壤总碳,供试
黑土不含碳酸盐,所以总碳即为 SOC含量。 每 12 个样品放置 1 个国家土壤成分分析标准物质(GSS鄄1)进行
标定和校准。 土壤粘粒含量(CLAY,% )(国际制)采用吸管法进行测定[24]。 采用等质量[25]方法计算 SOC
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储量。
1. 3摇 LLWR的计算方法
1. 3. 1摇 加权平均法
Yoo和 Wander[19]对计算 LLWR的公式进行了详述。 简单的说,是对土壤生物活性没有制约的最小水分
含量范围,通过当土壤较湿时限制生物活性的因素的较小值和当土壤干旱时限制土壤生物活性的因素的较大
值来确定一个范围,在这个范围内,土壤生物活性不受水分可利用性或土壤压实限制的影响。 限制值由土壤
水分释放曲线和土壤硬度曲线计算,土壤水分释放曲线通过土壤转换方程来构建[14]。
LLWR计算公式如下:
ln兹= -4. 15+0. 69lnCLAY+0. 40lnSOC+0. 27lnDb+(-0. 55+0. 11lnCLAY+0. 02lnSOC+0. 10lnDb)ln渍 (1)
lnSR= -3. 67-0. 14CLAY+0. 77SOC+(-0. 48-0. 12CLAY+0. 21SOC)ln兹+(3. 85+0. 10CLAY)lnDb (2)
Total porosity =1-Db
PD
(3)
式中,兹是土壤体积含水量( cm3 / cm3),CLAY 为 0—30 cm 土层粘粒含量的加权平均值(% ),具体算法为
CLAY在 0—30 cm的加权平均值 = [CLAY(0—5 cm) 伊5+ CLAY(5—10 cm) 伊5+ CLAY(10—20 cm) 伊10 +
CLAY(20—30 cm)伊10]衣30;SOC为 0—30 cm土层土壤有机碳含量的加权平均值(% ),具体算法为 SOC 在
0—30 cm的加权平均值=[SOC(0—5 cm)伊5+ SOC(5—10 cm)伊5+ SOC(10—20 cm)伊10+ SOC(20—30 cm)
伊10]衣30;Db是 0—30 cm土壤容重的加权平均值(g / cm3),具体算法为 Db 在 0—30 cm 的加权平均值 = [Db
(0—5 cm)伊5+ Db(5—10 cm)伊5+ Db(10—20 cm)伊10+ Db(20—30 cm)伊10]衣30。 渍是基质吸力(MPa),SR
(Soil resistance)表示土壤硬度(MPa)。 田间持水量(Field capacity,兹fc)( 渍 = 0. 01 MPa) [26]和萎蔫点(Wilting
point,兹wp)( 渍 =1. 5 MPa) [27]处的土壤体积含水量 兹fc 和 兹wp 由土壤水分释放曲线方程(1)计算得出。 土壤硬
度曲线方程(2)用来计算当 SR=2 MPa时的土壤体积含水量(兹sr),SR=2 MPa是土壤硬度成为作物生长限制
因素时的点[28]。 当土壤充气孔隙(afp)为 10%时的土壤体积含水量(兹afp)=土壤总孔隙度-0. 1[29],土壤总孔
隙度由公式(3)计算得出,PD为土壤密度,设定为 2. 65 g / cm3。 根据 Wu 等[30]的计算方法,将 兹fc 和 兹afp 定为
计算 LLWR值的上限值,兹wp 和 兹sr 定为下限值,用较小的上限值减去较大的下限值,得出 LLWR。
1. 3. 2摇 分层法
采用的计算公式与加权平均法相同,差别在于各输入值不使用加权平均值,而是各土层对应的土壤容重、
SOC和粘粒含量。
1. 4摇 数据分析
采用 Excel 2003 和 SPSS 11. 5 软件处理数据。 显著性差异采用方差分析中的 LSD检验,显著性检验水平
为 0. 05。 采用 Origin 7. 5 软件作图。
2摇 结果与分析
2. 1摇 不同耕作方式对 SOC的影响
耕层 SOC含量对不同耕作和轮作方式响应各不相同(图 1)。 玉米鄄大豆轮作下,NT与 MP 相比显著增加
了表层 0—5 cm 的 SOC 含量(P<0. 05),增加量达到了 15. 2% ,而在下层 5—30 cm 免耕比秋翻分别减少了
8郾 1% 、5. 3% 、6. 5% ,且在 5—20 cm时达到差异显性水平(P<0. 05)。 玉米连作下,NT比 MP 显著增加了 0—
5 cm土层 11. 5%的 SOC含量(P<0. 05),而在 5—10 cm土层 NT与 MP 相比 SOC含量显著减少了 7. 9% (P<
0郾 05),10—20 cm土层 NT SOC 含量比 MP 少 3. 1% ,20—30 cm 土层 NT 的 SOC 含量略低于 MP。 NT 处理
1215 Mg / hm2(约为 0—10 cm深度)等质量 SOC储量在玉米鄄大豆轮作和玉米连作下分别比 MP 增加了 3. 4%
和 3. 2% (表 2)。 然而,在 2497Mg / hm2(约为 0—20 cm深度)和 3790 Mg / hm2(约为 0—30 cm深度)等质量下
却表现出了相反的变化趋势(表 2)。
9762摇 9 期 摇 摇 摇 陈学文摇 等:基于最小限制水分范围评价不同耕作方式对土壤有机碳的影响 摇
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图 1摇 不同耕作和轮作方式下 SOC含量的变化
Fig. 1摇 Variation of SOC content induced by different tillage and rotation practices
表 2摇 不同耕作处理下等质量 SOC储量
Table 2摇 SOC storages on an equivalent mass under different tillage practices
轮作方式
Rotation
耕作方式
Tillage 1215 Mg C / hm
2 2497 Mg C / hm2 3790 Mg C / hm2
玉米鄄大豆轮作 C鄄S 秋翻 20. 6a 41. 4a 59. 9a
免耕 21. 3a 40. 9a 58. 2a
玉米连作 C鄄C 秋翻 21. 7A 43. 2A 63. 0A
免耕 22. 4A 41. 8A 61. 8A
摇 摇 以 1215、2497、3790 Mg分别作为 10 cm、20 cm、30 cm深度等质量方法计算 SOC库储量的统一质量;表中同一列字母相同表示同种轮作方式
下不同耕作处理差异不显著(小写字母表示玉米鄄大豆轮作,大写字母表示玉米连作)(P<0. 05)
2. 2摇 加权平均法计算的 LLWR
从表 3 可以看出,0—30 cm 土层 SOC 含量和粘粒含量在不同耕作和轮作方式下均没出现显著性差异
(P>0. 05),而土壤容重在相同耕作处理不同轮作方式下表现出了显著性差异(P<0. 05),即玉米鄄大豆轮作的
土壤容重显著低于玉米连作,而在相同轮作方式下不同耕作处理的土壤容重没有表现出差异显著(P>0. 05)。
采用加权平均值计算出不同种植和耕作方式下的 LLWR均值介于 0. 148—0. 166 cm3 / cm3 之间。 尽管耕作方
式对 LLWR没有显著影响(P>0. 05),但 NT 降低了 LLWR 值,轮作和连作下分别降低了 2. 5%和 3. 4% 。 值
得一提的是,轮作方式显著影响了 LLWR(P<0. 05),且 NT和 MP 下玉米鄄大豆轮作小区的 LLWR都显著高于
玉米连作,分别高出 9. 4%和 8. 5% (P<0. 05),可以看出 LLWR数值对于轮作方式变化较为敏感。
表 3摇 不同耕作和轮作方式下的 LLWR、土壤有机碳含量、土壤容重、粘粒含量(加权平均值)
Table 3摇 LLWR, soil organic carbon, soil bulk density and clay content under different tillage and rotation systems (weighted average value)
轮作方式
Rotation
耕作方式
Tillage
土壤有机碳含量
Soil Organic Carbon
/ (g / kg)
土壤容重
Soil Bulk Density
/ (g / cm3)
粘粒含量
Clay Content
/ %
LLWR
/ (cm3 / cm3)
玉米鄄大豆轮作 C鄄S 秋翻 15. 79a 1. 19c 35. 69a 0. 166a
免耕 15. 88a 1. 23bc 35. 84a 0. 162a
玉米连作 C鄄C 秋翻 16. 17a 1. 27ab 36. 06a 0. 153b
免耕 16. 60a 1. 31a 36. 58a 0. 148b
摇 摇 相同字母表示同列值在 0. 05 置信水平上没有显著性差异
2. 3摇 分层法计算的 LLWR
不同土层的 LLWR存在差异,LLWR值介于 0. 130—0. 173 cm3 / cm3 之间,其范围比采用加权平均值计算
0862 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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出的 LLWR差异加大。 耕作方式显著影响表层 0—5 cm 的 LLWR 值(P<0. 05),两种轮作方式下 NT 处理的
0—5 cm的 LLWR值分别较 MP 低 16. 8% (轮作)和 18. 5% (连作) (P<0. 05);且 NT 在两种轮作方式下的
LLWR值都随着土壤深度增加而变大。 就种植方式而言,无论是 NT 还是 MP 处理,玉米鄄大豆轮作下 0—30
cm各层的 LLWR均高于玉米连作且在 5—30 cm时达到差异显著性水平(P<0. 05)(表 4)。
表 4摇 不同耕作和轮作方式下的 LLWR(cm3 / cm3)(分层值)
Table 4摇 LLWR under different tillage and rotation systems (cm3 / cm3) (stratification value)
深度 Depth / cm
玉米鄄大豆轮作 C鄄S
免耕 NT 秋翻 MP
玉米连作 C鄄C
免耕 NT 秋翻 MP
0—5 0. 133b 0. 155a 0. 130b 0. 154a
5—10 0. 156a 0. 156a 0. 143b 0. 143b
10—20 0. 170a 0. 169a 0. 147b 0. 147b
20—30 0. 173a 0. 173a 0. 162b 0. 161b
摇 摇 同行相同字母表示在 0. 05 置信水平上没有显著性差异
3摇 讨论
3. 1摇 不同耕作方式对 SOC的影响
不同耕作处理 SOC在不同土壤层次上的分布存在较大差异。 与 MP 相比,NT 的 SOC 明显在表层 0—5
cm富集,原因可能是 NT秸秆覆盖于地表且其减少了风蚀和水蚀使得 SOC逐年积累。 NT处理对 SOC的累积
作用仅限于土壤表层在其他研究中已被广泛报道[5, 31鄄32]。 全国明等[33]也指出 NT 可使 SOC 在土壤表层富
集。 由于 NT耕作地表覆盖度增加,减少了地表的裸露,有效的抑制了土壤的过度通气,减少了有机碳的氧化
降解,使 SOC水平表现出提高的趋势。 5—30 cm SOC 含量 NT 低于 MP,则是因为 NT 常年不翻动土壤使得
SOC在表层逐年积累,有机物质输入仅局限于表层,5—30 cm土层很难得到新的输入,而且 5 cm以下土壤有
机质还在持续矿化,故造成了免耕下 SOC的分层现象。 Yang 和 Kay[34],Franzluebbers[35]和 Piovanelli 等[36]都
指出,由于 NT表层残茬的积累,而使得 SOC含量高于翻耕,下层较高的 SOC 分解率使得免耕的 SOC 含量低
于翻耕。 也有研究指出,在质地粘重、排水不良以及侵蚀微弱的土壤上实施免耕并不能明显增加 SOC 的含
量[37],同样也有研究指出 NT对土壤有机质积累产生负作用的报道[38]。 等质量方法计算的 SOC 储量在 0—
10 cm NT大于 MP,而 0—20 cm、0—30 cm NT小于 MP 应归因于 NT导致表层 SOC 含量增加,亚表层含量亏
损的缘故。 Yang等[11]在美国和加拿大壤质粘土上 8 年的耕作试验也发现,NT 虽然使地表 SOC 含量有所上
升,但并没有显著增加 0—30 cm SOC储量。 NT和 MP 两种处理 0—30 cm SOC 储量在其他研究中也没有出
现显著性差异[39]。
3. 2摇 基于 LLWR评价不同耕作方式对 SOC的影响
本研究中两种轮作方式下采用加权平均值计算出的 NT处理的 LLWR均小于 MP,根据 Yoo和Wander[19]
的研究结论,相对较低的 LLWR值说明土壤结构限制了土壤生物活性所必须的水分有效性,由此可以得出 NT
比 MP 处理下土壤结构对 SOC 矿化的限制作用更大,这与 Lapen 等[40]的结论吻合。 Medeiros 等[21]指出 NT
下 LLWR值低于传统耕作,NT通过改善土壤结构限制了 SOC 的矿化,LLWR 数值的大小可以预测不同耕作
方式对 SOC的固定能力。 因此,在本文中可以说明 NT 较 MP 能够固定更多的碳。 依此,玉米鄄大豆轮作的
LLWR高于玉米连作,能得出玉米连作比玉米鄄大豆轮作固碳能力强。 根据分层 LLWR的结果,0—5 cm玉米鄄
大豆轮作和玉米连作下 NT均显著小于 MP,可以得出 NT较 MP 处理,增强了 0—5 cm土层土壤的固碳能力;
而 5—30 cm的 LLWR在不同耕作和轮作方式下表现出 NT大于 MP 的特点,可以得出 5—30 cm NT与 MP 相
比 SOC含量减少了,这也与本文前面分析中 NT 导致表层 SOC 含量增加,亚表层含量亏损的结果一致。
Franzluebbers等[41]报道常规耕作下土壤矿化作用比免耕强,他们将这种结果归因于 NT较高的对 SOC的土壤
物理保护能力。 Ilstedt等[42]认为,维持微生物活性的土壤可利用水应该由土壤结构变化来决定,同样有报道
指出耕作影响了土壤结构,土壤结构又在一定程度上决定了土壤含水量[43]。 不同耕作方式下 LLWR 加权平
1862摇 9 期 摇 摇 摇 陈学文摇 等:基于最小限制水分范围评价不同耕作方式对土壤有机碳的影响 摇
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均值出现差异的原因在于土壤容重的加权平均值出现显著差异,而分层 LLWR出现差异的原因是计算 LLWR
时 SOC和土壤容重等输入值即存在明显的土层变化规律[22]。 本文中不同耕作方式下土壤容重等土壤物理
性质的变化导致土壤结构发生变化,进而影响了土壤水分的变化,这一变化对 SOC 的影响通过 LLWR 体现
出来。
由加权平均和分层计算方法计算出的 LLWR可以得出,0—5 cm LLWR是导致 LLWR加权平均值出现显
著性差异的原因,而由于加权平均的作用掩盖了 0—5 cm SOC 与其他各层的差异,导致其加权平均值没有达
到显著性差异。 以往计算 LLWR的方法都是基于加权平均法计算出的,从本文中可以看出采用加权平均法
计算出的 LLWR可以客观的反映不同耕作方式特别是轮作方式下土壤耕层的固碳能力,而采用分层法计算
出的 LLWR可能会更好的反映不同土层的固碳情况。
4摇 结论
8a的田间试验结果表明,NT 处理 SOC 含量在表层 0—5 cm 均有显著提高(P<0. 05),但在下层含量减
少。 NT 0—10 cm的等质量 SOC储量大于 MP,而在 0—30 cm NT较 MP 并没有增加碳储量。 利用加权平均
法计算的 LLWR可以客观的反映 0—30 cm土壤整体的固碳潜力,而分层法计算的 LLWR 可能会更好的反映
各层土壤固碳能力的差异。
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3862摇 9 期 摇 摇 摇 陈学文摇 等:基于最小限制水分范围评价不同耕作方式对土壤有机碳的影响 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 9 May,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
Analysis of subject trends in research on sustainable development CHA Na, WU Jianguo, YU Runbing (2637)………………………
Metabolic scaling theory and its application in microbial ecology HE Jizheng, CAO Peng, ZHENG Yuanming (2645)………………
Research progress on endophyte鄄promoted plant nitrogen assimilation and metabolism
YANG Bo, CHEN Yan, LI Xia,et al (2656)
…………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Review on the development of landscape architecture ecology in China YU Yijing, MA Jinyi, YUAN Yunjue (2665)………………
Autecology & Fundamentals
Evaluating tillage practices impacts on soil organic carbon based on least limiting water range
CHEN Xuewen,WANG Nong, SHI Xiuhuan, et al (2676)
…………………………………………
…………………………………………………………………………
Controls over soil organic carbon content in grasslands TAO Zhen, CI Dan Langjie, ZHANG Shenghua, et al (2684)………………
Antagonistic interactive effects of exogenous calcium ions and parasitic Cuscuta australis on the morphology and structure of
Alternanthera philoxeroides stems CHE Xiuxia, CHEN Huiping,YAN Qiaodi, et al (2695)………………………………………
Correlation between pigment content and reflectance spectrum of Phyllostachys pubescens stems during its rapid growth stage
LIU Lin, WANG Yukui, WANG Xingxing, et al (2703)
…………
…………………………………………………………………………
Response of leaf functional traits and the relationships among them to altitude of Salix dissa in Balang Mountain
FENG Qiuhong, CHENG Ruimei, SHI Zuomin, et al (2712)
……………………
………………………………………………………………………
Effects of phosphate and organic matter applications on arsenic uptake by and translocation in Isatis indigotica
GAO Ningda, GENG Liping, ZHAO Quanli, et al (2719)
………………………
…………………………………………………………………………
Effect of different preys on the predation and prey preference of Orius similis ZHANG Changrong, ZHI Junrui, MO Lifeng (2728)…
Effects of predation risk on the patterns of functional responses in reed vole foraging
TAO Shuanglun,YANG Xifu,YAO Xiaoyan, et al (2734)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………
Phylogenetic analysis of Veneridae (Mollusca: Bivalvia) based on the mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I gene fragment
CHENG Hanliang, PENG Yongxing, DONG Zhiguo, et al (2744)
…
…………………………………………………………………
Effects of different ecological environments in the laboratory on the covering behavior of the sea urchin Glyptocidaris crenularis
CHANG Yaqing, LI Yunxia, LUO Shibin, et al (2754)
………
……………………………………………………………………………
Population, Community and Ecosystem
The ecosystem services value change in the upper reaches of Ganjiang River Based on RS and GIS
CHEN Meiqiu, ZHAO Baoping, LUO Zhijun,et al (2761)
…………………………………
…………………………………………………………………………
The reference condition for Eutrophication Indictor in the Yangtze River Estuary and adjacent waters response variables
ZHENG Binghui, ZHU Yanzhong, LIU Lusan, et al (2768)
…………
………………………………………………………………………
The reference condition for eutrophication Indictor in the Yangtze River Estuary and adjacent waters Causal Variables
ZHENG Binghui, ZHOU Juan, LIU Lusan, et al (2780)
……………
…………………………………………………………………………
The stress response of biological communities in China忆s Yalu River Estuary and neighboring waters
SONG Lun, WANG Nianbin, YANG Guojun,et al (2790)
…………………………………
…………………………………………………………………………
Ecological characteristics of macrobenthic communities and its relationships with enviromental factors in Hangzhou Xixi Wetland
LU Qiang,CHEN Huili,SHAO Xiaoyang, et al (2803)
……
……………………………………………………………………………
Effects of biological soil crusts on desert soil nematode communities LIU Yanmei, LI Xinrong, ZHAO Xin, et al (2816)……………
Associations between weather factors and the spring migration of the horned gall aphid, Schlechtendalia chinensis
LI Yang, YANG Zixiang, CHEN Xiaoming,et al (2825)
……………………
……………………………………………………………………………
Effects of vegetation on soil aggregate stability and organic carbon sequestration in the Ningxia Loess Hilly Region of northwest
China CHENG Man, ZHU Qiulian, LIU Lei, et al (2835)………………………………………………………………………
Simulation of the carbon cycle of Larix chinensis forest during 1958 and 2008 at Taibai Mountain, China
LI Liang, HE Xiaojun,HU Lile, et al (2845)
……………………………
………………………………………………………………………………………
Effects of different disturbances on diversity and biomass of communities in the typical steppe of loess region
CHEN Furong ,CHENG Jimin,LIU Wei, et al (2856)
…………………………
……………………………………………………………………………
Age structure and point pattern of Butula platyphylla in Wulashan Natural Reserve of Inner Mongolia
HU Ercha, WANG Xiaojiang, ZHANG Wenjun, et al (2867)
…………………………………
……………………………………………………………………
The impacts of the Southwest China drought on the litterfall and leaf area index of an evergreen broadleaf forest on Ailao Mountain
QI Jinhua, ZHANG Yongjiang, ZHANG Yiping,et aln (2877)
…
……………………………………………………………………
Spatial distribution of tree species richness in Xiaodonggou forest region of the Altai Mountains, Northwest China
JING Xuehui, CAO Lei, ZANG Runguo (2886)
……………………
……………………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
The ecological risk assessment of Taihu Lake watershed XU Yan, GAO Junfeng, GUO Jianke (2896)………………………………
The value of fixing carbon and releasing oxygen in the Guanzhong鄄Tianshui economic region using GIS
ZHOU Zixiang, LI Jing, FENG Xueming (2907)
………………………………
……………………………………………………………………………………
Resource and Industrial Ecology
Effect of different controlled鄄release nitrogen fertilizers on availability of heavy metals in contaminated red soils under waterlogged
conditions LIANG Peijun,XU Chao,WU Qitang,et al (2919)……………………………………………………………………
Research Notes
Effect of heat and high irradiation stress on Deg1 protease and D1 protein in wheat chloroplasts and the regulating role of salicylic
acid ZHENG Jingjing, ZHAO Huijie, HU Weiwei, et al (2930)…………………………………………………………………
The difference of drought impacts on winter wheat leaf area index under different CO2 concentration
LI Xiaohan, WU Jianjun, L譈 Aifeng, et al (2936)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
4492 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
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进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
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第 33 卷摇 第 9 期摇 (2013 年 5 月)
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