孟祥天，蔣瑀霽，王曉玥，孫 波 *

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生物質(zhì)炭和秸稈長期還田對(duì)紅壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳的影響①

孟祥天1,2，蔣瑀霽1，王曉玥1，孫 波1 *

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

生物質(zhì)炭和秸稈還田是提高土壤有機(jī)碳含量和改良土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的有效方法，但在長期尺度上生物質(zhì)炭與秸稈還田改良土壤的效率仍不清楚。本研究針對(duì)中亞熱帶第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤，基于等碳量不同碳源投入的5 a田間定位試驗(yàn)，包括對(duì)照、單施化肥、秸稈還田、秸稈–豬糞配施和生物質(zhì)炭還田5個(gè)處理，采用干篩和濕篩法分析了不同施肥處理對(duì)土壤團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性和有機(jī)碳分布的影響。研究表明：施用等碳量的不同有機(jī)碳源5 a后顯著增加了土壤有機(jī)碳含量，其增幅順序?yàn)椋荷镔|(zhì)炭還田>秸稈–豬糞配施>秸稈還田。干篩法分析結(jié)果表明：與單施化肥處理相比，秸稈–豬糞配施和生物質(zhì)炭還田處理顯著增加>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(0.25)和平均重量直徑(mean weight diameter, MWD)；秸稈還田和生物質(zhì)炭還田處理顯著增加了0.25 ~ 2 mm團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。濕篩法分析結(jié)果表明：與單施化肥處理相比，秸稈還田和秸稈–豬糞配施處理顯著增加0.25和MWD，但生物質(zhì)炭還田處理和單施化肥處理相比差異不顯著；秸稈還田和秸稈–豬糞配施處理顯著降低團(tuán)聚體破壞率(PAD)，生物質(zhì)炭還田處理顯著增加了PAD；秸稈配施豬糞處理和秸稈還田處理顯著增加了>2 mm團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率?？傮w上，秸稈配施豬糞協(xié)同提高團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用比秸稈還田和生物質(zhì)炭還田要強(qiáng)。

秸稈還田；生物質(zhì)炭；豬糞；紅壤團(tuán)聚體；有機(jī)碳

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元和土壤肥力的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。土壤團(tuán)聚體的數(shù)量是反映土壤供儲(chǔ)養(yǎng)分、持水性、通透性的重要指標(biāo)，不同粒級(jí)的團(tuán)聚體數(shù)量、分布及其性質(zhì)是決定土壤侵蝕、壓實(shí)、板結(jié)等物理退化過程的重要指標(biāo)之一[2-3]。土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物，土壤團(tuán)聚體形成與土壤有機(jī)碳含量存在正相關(guān)關(guān)系[4]。秸稈還田是提高我國農(nóng)田表土有機(jī)碳含量的主要措施之一[5]，秸稈還田不僅能夠改善土壤的養(yǎng)分狀況，增加土壤有機(jī)碳含量，促進(jìn)團(tuán)聚體形成，同時(shí)也對(duì)土壤理化性質(zhì)和肥力有著重要影響[6]。王海霞等[7]和崔榮美等[8]研究秸稈還田對(duì)旱作土壤團(tuán)聚體影響的結(jié)果表明，秸稈還田可以增加表層土壤>0.25 mm團(tuán)聚體的含量，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。孫漢印等[9]對(duì)不同秸稈還田模式下水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布研究表明，秸稈還田顯著增加> 2 mm和0.053 ~ 0.25 mm團(tuán)聚體含量，而< 0.053 mm微團(tuán)聚體含量則明顯降低，并且秸稈還田促進(jìn)了大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的增加。相比于秸稈還田，豬糞和秸稈配施還田不僅能調(diào)節(jié)秸稈碳氮比，還能對(duì)秸稈分解起正激發(fā)作用促進(jìn)有機(jī)碳的積累。將秸稈在厭氧條件下低溫?zé)峤獬缮镔|(zhì)炭(biochar)還田被認(rèn)為是未來有效的秸稈處理方式之一。秸稈燒制成生物質(zhì)炭的過程中，化學(xué)活性較高的含氧官能團(tuán)大量減少，疏水性增強(qiáng)，碳化產(chǎn)生了更多的芳香結(jié)構(gòu)，增加了生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性[10]。Lu等[11]研究稻殼生物質(zhì)炭對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的結(jié)果表明，生物質(zhì)炭還田顯著提高變性黏土2 ~ 5 mm 和0.25 ~ 0.5 mm 大團(tuán)聚體含量。而Busscher等[12]設(shè)置添加不同梯度生物質(zhì)炭(5、10、20 g/kg)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)研究表明，添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤團(tuán)聚體影響不顯著。米會(huì)珍等[13]進(jìn)行旱作農(nóng)田生物質(zhì)炭添加的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，使用生物質(zhì)炭2 a后，表層土>0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量呈增加趨勢，且顯著增加了不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。目前，由于秸稈、豬糞和生物質(zhì)炭等外源有機(jī)物種類繁多，其組成成分、碳源結(jié)構(gòu)以及礦化分解的過程復(fù)雜，制約了對(duì)土壤中有機(jī)碳和團(tuán)聚體形成與轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究[14]。

我國南方旱地紅壤由于其特殊的成土過程，土壤黏粒含量和氧化鐵、鋁含量高，有機(jī)質(zhì)含量較低，不利于土壤的團(tuán)聚作用[15-16]，加之近年來人為影響，加速土壤退化，使紅壤中土壤黏粒活性增強(qiáng)，無機(jī)膠結(jié)物減少和有機(jī)物質(zhì)難于積累[17]，嚴(yán)重影響了土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成及其數(shù)量的積累。本研究選擇第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤，設(shè)置了等碳投入量的3種秸稈還田方式(秸稈還田、秸稈豬糞配施還田和秸稈生物質(zhì)炭還田)，綜合研究土壤團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性以及有機(jī)碳含量和分布的變化特征，揭示不同外源碳投入對(duì)紅壤團(tuán)聚體形成與有機(jī)碳轉(zhuǎn)化過程的影響，為紅壤區(qū)合理利用秸稈資源和提高紅壤地力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)設(shè)置在江西省鷹潭市余江縣中國科學(xué)院紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(116°55′ E, 28°13′ N)，試驗(yàn)區(qū)屬濕潤的中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫17.8℃，海拔45.5 m，年均降水量1 795 mm。田間試驗(yàn)從2011 年開始，小區(qū)面積為100 m2(20 m × 5 m)。供試土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤(黏化濕潤富鐵土)，養(yǎng)分嚴(yán)重貧瘠，酸化嚴(yán)重[18]。試驗(yàn)前表層土壤(0 ~ 20 cm)基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

注：CEC指土壤陽離子交換總量。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試玉米品種為蘇玉24號(hào)。共設(shè)置5個(gè)施肥處理：①對(duì)照(CK)：不施肥；②單施化肥(N)：施氮磷鉀化肥；③秸稈還田(NS)：施氮磷鉀化肥，玉米秸稈還田；④秸稈和豬糞配施(NSM)：施氮磷鉀化肥，玉米秸稈和豬糞按9∶1的碳投入比配施；⑤生物質(zhì)炭還田(NB)：施氮磷鉀化肥，玉米生物質(zhì)炭還田。每個(gè)處理3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。

所有處理(除對(duì)照處理外)在播種前一次性施入尿素 N 150 kg/hm2，鈣鎂磷肥 P2O575 kg/hm2，氯化鉀 K2O 60 kg/hm2。生物質(zhì)炭利用風(fēng)干的玉米秸稈在生物質(zhì)炭爐中厭氧燃燒制備[19]，秸稈還田(NS)、秸稈和豬糞配施(NSM)和生物質(zhì)炭還田(NB)處理的碳輸入量均為每年1 000 kg/hm2，每年根據(jù)秸稈、豬糞和生物質(zhì)炭的含碳量進(jìn)行計(jì)算還田量，種植前隨化肥一起施入土壤并翻耕混勻。秸稈、豬糞和生物質(zhì)炭養(yǎng)分含量如表2所示。

表2 秸稈、豬糞和生物質(zhì)炭的主要養(yǎng)分含量

1.3 土壤樣品采集

本研究在連續(xù)施肥5 a后(2015年)的玉米抽雄期采集土壤樣品。各小區(qū)按S型采樣法采集表層土 (0 ~ 20 cm) 10個(gè)樣點(diǎn)，分別采集原狀土樣和混合土樣。原狀土樣風(fēng)干后用于團(tuán)聚體測定；混合土樣采用四分法取800 g土壤樣品，其中一部分風(fēng)干，用于測定土壤理化性質(zhì)，另一部分鮮樣于–80℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體測定 采用干篩法：將100 g 風(fēng)干土樣置于套篩(孔徑依次為2 mm和0.25 mm)頂部，以30 次/min 手工上下振蕩5 min。振動(dòng)結(jié)束后，留在2 mm篩子上的團(tuán)聚體為>2 mm的粒級(jí)，將其收集；通過2 mm篩子而留在0.25 mm篩子以上的為0.25 ~ 2 mm的團(tuán)聚體，通過0.25 mm篩子的為<0.25 mm的團(tuán)聚體。將每層土壤樣品風(fēng)干并稱重，記為di。

1.4.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定 采用濕篩法：將50 g 風(fēng)干土壤樣品在室溫下放置于孔徑2 mm的篩上，在蒸餾水中浸泡5 min，篩子上下振蕩幅度為3 cm，頻率為25次/min，振動(dòng)2 min。振動(dòng)結(jié)束后，仍然留在篩子上的團(tuán)聚體為> 2 mm的粒級(jí)，將其收集。將剩余的土壤樣品溶液繼續(xù)依次過0.25、0.053 mm的篩子，振動(dòng)方式相同，同時(shí)得到0.25 ~ 2、0.053 ~ 0.25 mm的團(tuán)聚體。同時(shí)收集濾出液于最后一級(jí)團(tuán)聚體懸液中，為<0.053 mm團(tuán)聚體。將每層土壤樣品風(fēng)干并稱重，記為wi。

1.4.3 土壤有機(jī)碳(SOC)含量測定 采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法：將土壤樣品風(fēng)干過篩后，準(zhǔn)確稱取0.5 g土壤樣品，用控溫式鋁體消煮爐測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，將測定的土壤有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)乘以0.58的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)換算成土壤有機(jī)碳含量(g/kg)。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

1.5.1 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算 干篩和濕篩法各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量所占比例()分別按式(1)和式(2)計(jì)算[20]。

式(1)和式(2)中：ω表示各粒級(jí)團(tuán)聚體所占比例，di表示干篩法各粒級(jí)土壤質(zhì)量，wi表示濕篩法各粒級(jí)土壤烘干土質(zhì)量。

利用各粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)據(jù)，計(jì)算>0.25 mm團(tuán)聚體占比(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和團(tuán)聚體破壞率(PAD)，分別按式(3)、式(4)和式(5)計(jì)算。

團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率按式(6)計(jì)算：

式中：SOC為各粒級(jí)有機(jī)碳含量。

1.5.2 數(shù)據(jù)分析 文中結(jié)果均以烘干土(105℃，24 h)來表達(dá)，利用SPSS17.0軟件，數(shù)據(jù)差異顯著性分析用方差分析法(ANOVA)的Duncan法(< 0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 等碳量生物質(zhì)炭和秸稈長期還田對(duì)土壤團(tuán)聚體分布狀況的影響

通過干篩法可以獲得原狀土壤中機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體，包括非水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體，一般以0.25 mm為界限將團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)。>0.25 mm團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)，用R0.25表示>0.25 mm團(tuán)聚體所占的比例。NB和NSM處理R0.25值顯著高于N處理，NS和N處理R0.25差異不顯著(表3)。其中NB處理R0.25值最大(88.14%)且顯著大于NSM處理。不同處理機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布以0.25 ~ 2 mm團(tuán)聚體為主，占總團(tuán)聚體的45.72% ~ 51.11%，不同處理間0.25 ~ 2 mm團(tuán)聚體含量差異不顯著。和CK處理相比，N、NSM和NB處理顯著增加了>2 mm團(tuán)聚體的數(shù)量，而NS處理和CK差異不顯著。

濕篩法獲得的團(tuán)聚體是土壤中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要貢獻(xiàn)。不同處理對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體影響差異顯著(表3)，NSM和N S處理下R0.25值顯著高于N處理，其中NSM處理最大，為35.65%。不同處理>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體同樣以0.25 ~ 2 mm團(tuán)聚體為主，占總團(tuán)聚體的27.91% ~ 31.77%，其中NS處理顯著高于N處理；>2 mm團(tuán)聚體僅占總團(tuán)聚體的1.71% ~ 4.38%，其中NSM和NS處理顯著增加了>2 mm團(tuán)聚體所占比例，NSM處理>2 mm團(tuán)聚體含量最大，平均值為4.38%。

土壤團(tuán)聚體的形成過程主要有兩種不同的模式，一種認(rèn)為土壤大團(tuán)聚體是由小團(tuán)聚體團(tuán)聚后形成的[21]；一種則認(rèn)為先形成大團(tuán)聚體，由于大團(tuán)聚體中有機(jī)碳分解而破碎形成小團(tuán)聚體[22]。Six等[23-24]提出的大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)模型認(rèn)為：加入土壤的新鮮有機(jī)碳在微生物作用下，一部分與土壤礦物結(jié)合促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，剩下的部分繼續(xù)被微生物降解。秸稈等有機(jī)物料在紅壤中的分解主要受物料的化學(xué)組成和土壤的質(zhì)地、酸度以及利用方式等影響。有機(jī)物料的各種組分中，水溶性或苯醇溶性物質(zhì)以及蛋白質(zhì)等小分子物質(zhì)分解最快，其次是纖維素和半纖維素，最難分解的是木質(zhì)素。有研究表明，有機(jī)物料的分解速率隨木質(zhì)素含量升高而降低[25]，但有研究表明，物料分解和木質(zhì)素含量并不直接相關(guān)，而是和有機(jī)物料碳氮比值直接相關(guān)[26]。秸稈還田可以快速被微生物礦化，NS和NSM處理下增加了土壤團(tuán)聚體含量，而秸稈和豬糞的配施調(diào)節(jié)了秸稈的碳氮比，加速了秸稈的降解和團(tuán)聚體的形成。生物質(zhì)炭和秸稈不同，其碳源結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定，難以被微生物分解利用。然而生物質(zhì)炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)為微生物的生存和繁殖提供場所和能源物質(zhì)，間接促進(jìn)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成[27]。

2.2 等碳量生物質(zhì)炭和秸稈長期還田對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體MWD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)，MWD值越大，表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)。如表4所示，采用干篩法，不同處理對(duì)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD值影響差異顯著，為NB > NSM=N=NS > CK。采用濕篩法，不同處理的水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值存在顯著差異，為NS=NSM > NB=N=CK。團(tuán)聚體破壞率(PAD)是描述團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)，PAD越大，土壤結(jié)構(gòu)越容易崩解破碎，土壤越容易被侵蝕，其值越小，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高。如表4所示，不同處理PAD存在顯著差異，NB的PAD值最大，平均值為63.69%，顯著高于N和CK處理的60.73% 和59.18%；NS和NSM處理PAD值顯著低于CK和N處理，平均值分別為55.36% 和56.57%。綜合MWD和PAD值分析，和N處理相比，NSM處理顯著增加機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD，NS處理顯著增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD，NS和NSM處理PAD值顯著降低，秸稈還田和秸稈豬糞配施還田不僅增加土壤團(tuán)聚體含量，也增加了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)起很好的改良作用，其中秸稈豬糞配施還田的效果最好。郝翔翔等[6]研究連續(xù)秸稈還田對(duì)黑土團(tuán)聚體影響結(jié)果表明，連續(xù)秸稈還田顯著增加黑土大團(tuán)聚體含量和MWD值。和NS、NSM處理不同的是，NB處理機(jī)械性穩(wěn)定團(tuán)聚體的MWD值和PAD值顯著高于N處理，濕篩會(huì)破壞土壤中某些瞬變性、臨時(shí)性的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，這一部分物質(zhì)與水穩(wěn)性差的大團(tuán)聚體呈正相關(guān)[28]，生物質(zhì)炭還田顯著增加的團(tuán)聚體多為非水穩(wěn)性團(tuán)聚體，可能與我國南部旱地紅壤退化嚴(yán)重、黏粒含量多有關(guān)，土壤本身的粘結(jié)力差也放大了秸稈和生物質(zhì)炭對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性的差距[15]。此外，黃超等[29]和Busscher等[12]研究表明，土壤團(tuán)聚體含量和生物質(zhì)炭的投入量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系，本研究生物質(zhì)炭的投入量較低(每年投入約2 400 kg/hm2生物質(zhì)炭)，也可能是影響水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性的原因之一。濕篩法得到的水穩(wěn)性團(tuán)聚體更能反映土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)特征[30]，秸稈豬糞配施和秸稈還田增加土壤團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性比生物質(zhì)炭還田效果更好。

表3 不同施肥處理團(tuán)聚體組成(%)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(= 3)，表中同列小寫字母不同表示不同施肥處理間的差異達(dá)<0.05 顯著水平，下同。

表4 不同處理團(tuán)聚體穩(wěn)定性

2.3 等碳量生物質(zhì)炭和秸稈長期還田對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

如圖1A所示，不同處理SOC含量存在顯著差異，和N處理相比，NB和NSM處理顯著增加了SOC的含量，其中NB處理最多，平均值為4.92 g/kg，比N處理增加71.05%，其次為NSM處理，平均值為4.21 g/kg，比N處理增加46.14%。NS處理與N處理相比差異不顯著，但顯著高于CK，平均值為3.45 g/kg，比CK增加32.65%。不同粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量也存在顯著差異，如圖1B所示，采用干篩法時(shí)，和N處理相比，NB和NSM處理顯著增加不同粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量，NS處理顯著增加了<0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體SOC含量；采用濕篩法時(shí)(圖1C)，和N處理相比，NB處理顯著增加了各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量，其中>2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體SOC含量增加最明顯，NSM處理顯著增加了>2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體SOC含量，其他粒級(jí)SOC含量變化差異不顯著。生物質(zhì)炭作為一種含碳量很高且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的碳源，還田直接增加SOC含量，而秸稈還田和秸稈豬糞配施還田增加SOC的機(jī)制和生物質(zhì)炭不同。秸稈等有機(jī)物料進(jìn)入土壤后，首先在細(xì)菌作用下使易分解有機(jī)物質(zhì)快速礦化分解，促進(jìn)養(yǎng)分釋放；然后在緩慢的礦化階段中，殘留在土壤中的氮素及難分解物質(zhì)在真菌作用下進(jìn)行緩慢且復(fù)雜的變化過程，形成難分解的腐殖物質(zhì)，從而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量且更新有機(jī)質(zhì)組成[31]，此外，Six等[24]提出的大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)模型認(rèn)為添加新鮮有機(jī)碳能促進(jìn)大團(tuán)聚體形成，其內(nèi)部的有機(jī)碳受到物理保護(hù)作用而不斷累積。

團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率是描述不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量占土壤有機(jī)碳總量的比例，是描述土壤有機(jī)碳分布的分析方法。采用干篩法時(shí)(表5)， NB、NSM和N處理>2 mm團(tuán)聚體對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率顯著高于CK和NS處理，NS和NB處理0.25 ~ 2 mm團(tuán)聚體對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率顯著高于N和NSM處理；采用濕篩法時(shí)(表5)，NSM和NS處理比CK和N處理顯著增加了>2 mm團(tuán)聚體對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率，其他處理不同粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率差異不顯著。郝翔翔等[6]研究表明，秸稈還田和對(duì)照相比增加了>2 mm和0.053 ~ 0.25 mm團(tuán)聚體中SOC的貢獻(xiàn)率，但0.25 ~ 2 mm和<0.053 mm團(tuán)聚體中SOC的貢獻(xiàn)率顯著低于對(duì)照處理，可能有兩個(gè)原因：一是秸稈還田提高了土壤團(tuán)聚體的碳含量，且大團(tuán)聚體提高的幅度高于小團(tuán)聚體；二是秸稈還田促進(jìn)小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，增加大團(tuán)聚體含量且降低了小團(tuán)聚體含量。孫漢印等[9]也得到相似的結(jié)論：玉米秸稈粉碎旋耕還田顯著增加了>0.25 mm團(tuán)聚體的含量和有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性。

圖1 不同處理土壤及團(tuán)聚體中SOC含量

表5 不同施肥處理土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)SOC含量的貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

在中亞熱帶第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤旱地上，連續(xù)5 a秸稈還田、秸稈配施豬糞還田和生物質(zhì)炭還田均能顯著提高紅壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量、穩(wěn)定性和土壤有機(jī)碳含量，其中秸稈還田和秸稈配施豬糞還田顯著增加紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性，以及>2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。生物質(zhì)炭還田增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量和穩(wěn)定性與對(duì)照差異不顯著，生物質(zhì)炭還田增加的團(tuán)聚體多為非水穩(wěn)性團(tuán)聚體。總體上，秸稈配施豬糞協(xié)同提高團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用比秸稈還田和生物質(zhì)炭還田要強(qiáng)。

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Effects of Long-term Application of Biochar and Straws on Red Soil Aggregate Compostion and Organic Carbon Distribution

MENG Xiangtian1,2, JIANG Yuji1, WANG Xiaoyue1, SUN Bo1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The applications of biochar and straws are effective methods to improve soil organic carbon and soil aggregate composition. However, their effectiveness in improving soil quality is unclear at the long-term scale. In this study, a 5-year field experiment was conducted to study the impact of organic manure and biochar with equal amount of carbon input on soil aggregate composition, stability and organic carbon contents in an upland red soil in middle subtropical region.The study included five treatments: blank treatment (CK), fertilizer (N), straw (NS), the mixed application of pig manure and straw (NSM) and the biochar (NB). Soil aggregate size fraction was examined by dry and wet sieving methods, respectively.The results showed that soil organic carbon contents increased significantly after 5-year application of different types of organic carbon sources, and the order was as follows: NB> NSM> NS. For dry sieving, the results revealed that macro-aggregate contents (R0.25) and mean weight diameters (MWD) were significantly higher under NSM and NB treatments than the N treatment. In general, the contributing rates of macro-aggregates to SOC in 0.25–2 mm fraction increased under NS and NB treatments. For wet sieving, the results revealed that R0.25and mean weight diameters MWD were significantly higher under NSM and NS treatments than the N treatment. The percentage of aggregate destruction (PAD) significantly reduced under NS and NSM treatments, but increased under NB treatment. The contributing rates of macro-aggregates to SOC in >2 mm fraction increased under NSM and NS treatments. In general, the mixed application of pig manure and straws had a stronger capacity to improve synergically soil aggregate stability and organic carbon content in comparison with the straw or biochar returning.

Straw returning; Biochar; Pig manure; Red soil aggregate; Organic carbon

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.015

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200300)和中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KFZD-SW-112)資助。

(bsun@issas.ac.cn)

孟祥天(1991—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail: 332725753@qq.com

S156.6，S158.5

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