張 奇, 陳 粲, 陳效民, 任曉明, 張志龍, 劉 巍
(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095; 2.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院, 江蘇 南京210044)
秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一類重要的生物資源,是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源,秸稈中含有豐富的N,P,K,Ca,Mg等農(nóng)作物生長所必需的養(yǎng)分元素。我國是農(nóng)業(yè)大國,擁有豐富的秸稈資源。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年秸稈產(chǎn)量約為2.00×109t,我國每年秸稈產(chǎn)量約占全球秸稈總量的1/3,其中水稻秸稈約占50%。這些秸稈所含養(yǎng)分相當(dāng)于3.00×106t氮肥,7.00×105t磷肥,7.00×106t鉀肥,約占全國化肥使用量的25%[1]。目前,與歐美等國相比,我國秸稈還田率僅占其1/3左右,且還田秸稈的利用率偏低[2],同時(shí)還存在大量露天焚燒秸稈的現(xiàn)象,造成極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題,如何合理利用秸稈資源,解決資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題已成為當(dāng)務(wù)之急。還田是對(duì)秸稈回收再利用的一種重要方式,它不僅可以改良土壤物理性狀,蓄水保墑,緩解水土流失,為土壤提供大量的養(yǎng)分[3],也可以解決露天焚燒秸稈帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的問題[4],但農(nóng)田20 cm以下土層土壤堅(jiān)實(shí)緊密,作物不易扎根,有機(jī)質(zhì)輸入較少,導(dǎo)致土壤肥力低下[5],為提高土壤肥力和還田秸稈的利用效率,研究和分析秸稈不同還田深度對(duì)農(nóng)業(yè)資源的合理利用具有重要的意義。土壤微生物生物量碳、氮是反映土壤微生物量大小的重要的指標(biāo),能夠反映土壤中有效養(yǎng)分和生物活性狀況,盡管土壤微生物生物量碳、氮只占土壤總碳和全氮的1%~4%和2%~6%,但卻是土壤中最活躍的組分,因其周轉(zhuǎn)速率快,在土壤碳循環(huán)和氮循環(huán)中起著非常重要的作用[6-8]。秸稈還田后向土壤中輸送大量的有機(jī)碳,為土壤微生物的生長繁殖提供了所需的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的生存場(chǎng)所,有利于提高土壤微生物活性,同時(shí)土壤微生物通過分解還田后的秸稈,能夠有效的提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量,改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀,保持土壤水分,提高土壤肥力,增加土壤透氣性,降低土壤溫差[9],且隨著土壤有機(jī)質(zhì)和氮素的增加,土壤養(yǎng)分水平提高,有效地改善了土壤質(zhì)量。不同深度秸稈還田能有效避免土壤水分和養(yǎng)分流失,培肥地力,段華平等[10]研究表明秸稈還田可顯著土壤有機(jī)碳含量,張麗等[11]研究表明深松結(jié)合秸稈還田可以緩解土壤板結(jié),也有研究發(fā)現(xiàn)秸稈深埋比覆蓋對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境有更好的改善作用[12],翻耕和旋耕結(jié)合秸稈還田可以增加微生物生物量碳氮和酶活性[13],但目前有關(guān)秸稈還田的研究主要側(cè)重于秸稈還田對(duì)土壤表層和耕層的耕作方式和物理特性以及對(duì)肥力水平的影響,而對(duì)20 cm 以下的土層以及不同深度秸稈還田后對(duì)土壤氮素特性和微生物量特性的影響還鮮有報(bào)道。因此,本文選擇黃棕壤作為供試土壤,研究不同深度秸稈還田條件下土壤氮素和微生物量的變化規(guī)律,探討最佳的秸稈還田深度,以期為提高秸稈資源利用效率,改善水土保持能力,提高作物產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。
田間小區(qū)試驗(yàn)開始于2017年10月在南京市江浦區(qū)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(32°03′N,118°51′E,海拔約22 m)進(jìn)行,該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,多年平均溫度為15.6 ℃,降水量約為1 100 mm,日照時(shí)數(shù)1 910 h,無霜期223 d,地下水埋深1.5 m 以下,土壤類型為典型的地帶性土壤—黃棕壤。供試土壤的基本理化性質(zhì)詳見表1。
表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)
本研究采用不添加秸稈對(duì)照(CK)和添加秸稈到土壤不同深度的處理,分別為:對(duì)照處理(CK)、秸稈表面覆蓋(T0)、秸稈10 cm還田(T10)、秸稈20 cm 還田(T20)、秸稈30 cm 還田(T30),共計(jì)5個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),每個(gè)小區(qū)面積為4 m×4 m=16 m2,采用拉丁方無序隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)1 m 的保護(hù)行,小區(qū)間設(shè)0.5 m的排水溝。試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田按常規(guī)施肥處理:各處理的肥料施用量一致,共計(jì)施肥225 kg/hm2,麥拔節(jié)期統(tǒng)一追施純氮60 kg/hm2,澆拔節(jié)水160 mm。秸稈材料采用水稻秸稈,按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)用量將其截成5 cm 左右小段,秸稈添加量為7 500 kg/hm2,有機(jī)碳含量為405.80 g/kg,全氮含量為5.23 g/kg,秸稈碳氮比為77.59。于2017年10月28日一次性添加入土壤,后期不再添加秸稈。T0,T10,T20,T30處理是采用機(jī)械分別將秸稈翻埋入土壤10,20,30 cm 深處。供試小麥品種采用鎮(zhèn)麥360。
采樣于2018年3月,在CK,T0,T10,T20和T30各處理小區(qū)按對(duì)角線布點(diǎn),進(jìn)行5點(diǎn)混合取樣,10 cm為1層分4層采集0—40 cm的土樣。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后,一部分新鮮土樣過2 mm 篩用于土壤微生物生物量碳、氮以及土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定,其余土樣風(fēng)干過篩后用于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的測(cè)定。
土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定方法參考土壤農(nóng)化分析[14];土壤微生物生物量碳和氮含量采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測(cè)定。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理并繪圖,采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性和方差分析,多重比較采用LSD法。顯著性水平設(shè)為α=0.05。
添加秸稈處理后不同深度土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量變化詳見表2。由表2可知,與不添加秸稈的CK相比,T0,T20,T10和T30秸稈還田處理的有機(jī)質(zhì)含量分別增加了14.47%,13.53%,13.02%和8.76%,且差異均達(dá)到顯著水平,其中T0,T10和T20之間無明顯差異。通過比較不同處理和不同深度土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量變化后發(fā)現(xiàn),在0—40 cm不同深度土層中秸稈還田處理后,各處理間土壤氮素差異明顯。T0,T10,T20和T30處理較不添加秸稈CK處理均顯著提高了土壤全氮和硝態(tài)氮含量,降低了土壤銨態(tài)氮含量。在0—40 cm整個(gè)土層中,與不添加秸稈CK相比,T0,T20,T10和T30處理分別提高土壤全氮含量為16.52%,23.02%,20.67%和12.01%,達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。與不添加秸稈CK相比,T10,T20,T0和T30處理均降低了土壤銨態(tài)氮含量,降低幅度為14.75%~21.80%,各處理銨態(tài)氮含量高低順序?yàn)椋篊K>T30>T0>T20>T10。秸稈還田處理的硝態(tài)氮含量高于不添加秸稈CK,其中T0和T10處理的硝態(tài)氮含量與CK相比顯著提高,分別提高了43.94%和49.46%。
表2 不同深度秸稈還田處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量的影響
注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3),同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。
由圖1—3可知,在不同處理下,土壤微生物生物量碳和氮含量變化范圍分別為46.44~143.77 mg/kg,4.94~18.59 mg/kg,土壤微生物生物量碳氮比的變化范圍為6.64~9.56。添加秸稈處理的土層,與不添加秸稈CK相比,土壤微生物生物量碳含量均有明顯增加。
注:不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著(p<0.05)。下同。
圖1 不同深度秸稈還田處理對(duì)土壤微生物量碳的影響
圖2 不同深度秸稈還田處理對(duì)土壤微生物量氮的影響
圖3 不同深度秸稈還田處理對(duì)土壤微生物量碳氮比的影響
在0—40 cm整體土層中,與不添加秸稈CK相比,T0,T10,T20和T30處理的土壤微生物生物量碳含量均有所提高,增加幅度為5.01%~35.78%,差異達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。各處理土壤微生物生物量碳含量從小到大排序?yàn)?CK 如圖4所示,土壤微生物生物量碳、氮,有機(jī)質(zhì),全氮,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用主成分分析,整合為2個(gè)主要成分,其方差貢獻(xiàn)率之和達(dá)到95.74%,可以用來反映原來多個(gè)變量所包含的主要信息,且第1主成分所含信息量在2個(gè)主成分中較高。由土壤性質(zhì)主成分載荷圖可知,微生物量碳、氮、有機(jī)質(zhì),全氮和硝態(tài)氮在第1主成分上均有較高的因子載荷,微生物量碳氮比在第2主成分上因子載荷較高。 圖4 不同深度秸稈還田處理土壤性質(zhì)主成分載荷 不同深度秸稈還田各處理土壤在2個(gè)主成分上得分情況詳見表3。綜合分析表明,不同深度秸稈還田各處理土壤性質(zhì)水平有較大的差異,不同處理下綜合得分次序?yàn)椋篊K 表3 不同深度秸稈還田各處理主成分得分表 秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量變化有顯著影響,可以明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和氮素積累水平[15-16]。土壤中有機(jī)質(zhì)含量變化主要依靠碳的輸入和輸出,土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)維持土壤肥力和質(zhì)量起著重要的作用[17]。本文研究表明,不添加秸稈的CK處理中土壤有機(jī)質(zhì)含量處于較低水平,而添加秸稈的各處理中土壤有機(jī)質(zhì)含量均有顯著增加,T10處理和T20處理土壤有機(jī)質(zhì)含量增加較多,尤其T10處理增加最多。這可能是,施用秸稈后提高了土壤的孔隙度,增加了土壤的通氣性,使土壤擁有更好地水熱條件,因而使秸稈腐解所需的時(shí)間比其它處理縮短[18],腐解的秸稈促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)的積累,增加了土壤有機(jī)質(zhì)[5]。秸稈擁有豐富的養(yǎng)分資源,除有機(jī)質(zhì)外,氮素也是其中之一,氮素是生態(tài)系統(tǒng)中生命體組成的重要因素,是農(nóng)作物生長必需的營養(yǎng)元素,氮素含量的高低是限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素之一[19]。閆翠萍等[20]研究表明,連續(xù)秸稈還田可以減少氮肥施用,提高水肥利用率。土壤氮素主要是由有機(jī)態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮組成,其中無機(jī)態(tài)氮的選擇和限制性表征土壤氮素有效性[21]。本文研究結(jié)果顯示,添加秸稈的各處理與不添加秸稈的CK處理相比土壤全氮含量明顯增加,T10處理和T20處理土壤氮素含量增加較多,且T0處理增加最多,這是由于土壤中有機(jī)態(tài)氮占全氮總量的92%~98%,而表層土中95%以上的氮為有機(jī)態(tài)氮,表層覆蓋秸稈,降低了氮揮發(fā),減少了氮的流失;此外,土壤微生物可以影響了土壤氮的礦化或固持,導(dǎo)致了土壤氮的動(dòng)態(tài)變化,促進(jìn)土壤氮的生物固持。與不添加秸稈的CK處理相比,添加秸稈各處理土壤銨態(tài)氮含量降低,土壤硝態(tài)氮含量增加。秸稈還田可以有效降低土壤容重,提高土壤通氣性,有利于氮的硝化過程,促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,所以銨態(tài)氮含量降低,硝態(tài)氮含量增加,且10 cm秸稈還田微生物活性最高,硝化反應(yīng)更劇烈。一方面秸稈還田使土壤表層無機(jī)態(tài)氮含量增加,引起土壤氮礦化的正激發(fā)效應(yīng)[22];另一方面,秸稈還田提高了氮素利用率,促進(jìn)了硝化反應(yīng)的進(jìn)行,使硝態(tài)氮含量增加;另外,秸稈中碳氮比較高,土壤微生物在分解秸稈過程中需要利用一部分外界的無機(jī)氮來維持自身生命活動(dòng),影響土壤氮的固持,降低土壤中無機(jī)氮含量。 土壤微生物可以調(diào)節(jié)多種生物化學(xué)反應(yīng),如硝化、銨化和固氮等過程,因此,土壤微生物是土壤中最活躍的組分。土壤微生物生物量碳和氮是指示土壤微生物數(shù)量和活性的重要指標(biāo),也能有效在反映土壤肥力水平[23]。添加秸稈處理的各土層微生物生物量碳和氮顯著高于CK處理。研究表明,秸稈還田對(duì)提高土壤微生物生物量碳和氮有積極作用。添加秸稈可以改善土壤水力學(xué)特性,提高土壤肥力,降低土壤容重,增加土壤孔隙度,增加透氣性,使土壤水、肥、氣、熱狀況得到改善,為微生物生存提供了良好的生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)微生物的生長和繁殖,使土壤微生物量增加[3];另一方面,秸稈還田向土壤中輸送了大量的有機(jī)碳和氮素,為土壤微生物生命活動(dòng)營造了良好的生態(tài)環(huán)境,提供了豐富的碳源和氮源,從而促進(jìn)了微生物的生長繁殖,增加了土壤微生物數(shù)量使微生物種群朝多樣化方向發(fā)展。本研究表明,T10處理和T20處理與其它處理相比增幅較高,尤其T10處理效果最佳,可能是該層土壤透氣性好,干濕交替頻繁,適宜于好氣性微生物生長[5];而T0處理和T30處理的微生物生物量碳和氮含量較低的原因是秸稈表層覆蓋還田導(dǎo)致秸稈腐解速率較慢,微生物活性降低[18],30 cm秸稈還田深度土壤孔隙度較低,水氣熱條件較差,微生物活動(dòng)緩慢[5]。土壤微生物生物量碳氮比能夠反映土壤供氮能力,比值越低,土壤生物活性越強(qiáng),氮素?fù)p失越少。添加秸稈處理的各土層土壤微生物生物量碳氮比較CK處理均有顯著下降,其中T10處理和T20處理與其它處理相比下降最多,說明10 cm秸稈還田和20 cm秸稈還田處理中土壤氮素有效性較高,秸稈還田可以提高土壤氮素利用率。由于土壤微生物生物量碳氮比與土壤微生物種類和數(shù)量密切相關(guān),秸稈可以為微生物活動(dòng)提供豐富的資源,為微生物生存提供適宜的環(huán)境,使土壤微生物群落結(jié)構(gòu)完善,種群多樣性發(fā)展,從而使土壤微生物量碳氮比降低[12];秸稈碳氮比較高,且其它處理土壤透氣性和水熱條件比10和20 cm秸稈還田處理差,抑制了土壤微生物活性,因此10和20 cm秸稈還田處理土壤微生物生物量碳氮比下降較多。由不同深度秸稈還田各處理主成分得分表可知,T10處理和T20處理土壤有機(jī)質(zhì)、氮素和微生物生物量碳氮含量水平較高,尤其T10處理最高,說明秸稈還田在一定程度可以培肥地力,對(duì)土壤改良起著積極的作用。 (1) 秸稈還田處理可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和硝態(tài)氮含量,降低土壤銨態(tài)氮含量,土壤微生物生物量碳、氮含量顯著高于不添加秸稈處理,土壤微生物生物量碳氮比下降,提高土壤氮素水平,有效地改善土壤水土保持環(huán)境。 (2) 主成分分析表明,在10和20 cm深度秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、氮素和微生物生物量碳和氮含量的提高具有明顯的作用,尤其10 cm秸稈還田對(duì)土壤性質(zhì)的改良效果最為顯著。2.3 不同深度秸稈還田處理土壤性質(zhì)主成分分析
3 討 論
3.1 不同深度秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮素水平影響
3.2 不同深度秸稈還田對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響
4 結(jié) 論
——以南京市11個(gè)項(xiàng)目區(qū)為例
——以山東省五蓮縣為例
——以黑龍江省大慶市為例
——以貴州省白云巖喀斯特世界自然遺產(chǎn)地為例