皇甫呈惠,孫筱璐,劉樹堂,賈志越,趙洪翠

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué),山東 青島 266109)

秸稈含有豐富的碳源,秸稈還田作為土壤保護性耕作措施,可以保持和提高土壤肥力,對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。Lal[1]研究指出,在土壤本身存在固碳能力的基礎(chǔ)上,有機肥的投入可以進一步提高總固碳量的1/6,固碳量為0.4～1.5億t。中國是農(nóng)業(yè)大國,秸稈資源豐富,但大部分秸稈都作為農(nóng)業(yè)廢棄物形式流失,浪費資源,污染環(huán)境。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫之一就是農(nóng)田土壤有機碳,在穩(wěn)定土壤肥力和穩(wěn)固農(nóng)田生產(chǎn)力等方面發(fā)揮著重要影響[2]。土壤有機碳一方面可以為作物生長提供碳源,另一方面可以作為評價生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的指標之一。土壤有機碳庫不僅是土壤地力的關(guān)鍵影響因素,還是作物高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)[3-4]。

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成單元,含有大約九成的有機質(zhì),不僅影響著土壤水熱傳輸,養(yǎng)分的保持、供應(yīng)和轉(zhuǎn)化,而且不同種植施肥措施可以改變土壤團聚體結(jié)構(gòu),對其數(shù)量和活性有一定的影響[5-6]。土壤有機碳和土壤團聚體之間聯(lián)系密切,團聚體的包被作用可以提高有機碳的穩(wěn)定性[7]；土壤有機碳也能夠提高土粒的團聚性并促進形成團粒結(jié)構(gòu)[8-10]。目前,土壤團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的2個重要指標,MWD和GMD值越大則表示團聚體越穩(wěn)定[11]。

山東地區(qū)玉米小麥秸稈還田規(guī)模不斷擴大,關(guān)于秸稈連續(xù)還田模式下對土壤總有機碳及碳組分含量、團聚體穩(wěn)定性及團聚體有機碳研究相對較少。本試驗通過研究玉米-小麥秸稈連續(xù)還田10 a條件下的有機碳分布、團聚體粒級分布和團聚體有機碳含量,探究玉米-小麥輪作下長期定位秸稈還田對土壤碳組分、團聚體含量變化和團聚體有機碳含量的影響,為實現(xiàn)農(nóng)田土壤的固碳減排、發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)萊陽試驗站進行,土壤類型為非石灰性潮土。土壤pH值 6.8,有機質(zhì)含量5.01 g/kg,全氮含量0.60 g/kg,全磷含量0.64 g/kg,速效鉀含量72.00 mg/kg,有效磷含量16.34 mg/kg,陽離子交換量13.88 cmol/kg,土壤容重1.21 g/cm3,比重2.67,孔隙度51.40%。土壤發(fā)育于沖積母質(zhì)。

1.2 試驗設(shè)計

2009年秋建立了該長期秸稈還田定位試驗站。試驗設(shè)5個處理:CK(對照)、WN(一季秸稈還田配施氮肥)、WC(兩季秸稈還田)、WCN(兩季秸稈還田配施氮肥)、M(單施有機肥),具體施肥見表1。每個處理3次重復(fù),隨機分區(qū)排列,試驗田周邊設(shè)保護行,小區(qū)間用1.0 m深玻璃板隔開,防止處理間水肥漫灌,保證各試驗區(qū)能獨立排灌。各處理用水量及耕作管理一致。

本試驗為冬小麥-夏玉米輪作,每年2作,冬小麥、夏玉米品種為煙優(yōu)361、魯玉16號。尿素做無機肥,豬圈糞做有機肥(全氮量2.1～3.0 g/kg,全磷量0.48～2.20 g/kg,有機質(zhì)含量20～50 g/kg)。干燥的玉米、小麥秸稈全氮含量19.3 g/kg、施用高低量均以與無機氮肥等含氮量計算。

表1 試驗處理Tab.1 Experimental design

注：+.單季小麥秸稈還田；++.小麥-玉米兩季秸稈還田。

Note：+.Quarterly wheat straw returned;++.Wheat and corn straw returned two seasons.

1.3 試驗方法

本試驗在連續(xù)10 a的長期定位秸稈還田試驗站進行,在冬小麥和夏玉米收獲后對土壤進行了取樣,在各處理的小區(qū)中隨機取5點,按照“S”形用土鉆采取深度為0～20 cm的耕作層土壤,再將5點樣品進行混勻用密封袋密封,帶回實驗室待測。將一部分土樣在陰涼干燥處通風(fēng)晾干,稱質(zhì)量磨細過2 mm篩,后另取10 g過2 mm篩的風(fēng)干土再次磨細過0.15 mm篩,同時稱取過篩后剩余砂子的質(zhì)量計算砂土比,過2 mm篩和過0.15 mm篩的風(fēng)干土樣分別保存用于試驗指標測定。每一土樣除去動植物殘體后裝入普通封口袋中帶回實驗室陰干后進行總有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳、輕組有機碳的測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)通過Excel 2003進行處理,Origin Pro 7.5和SPSS 13.0軟件進行圖表繪制、相關(guān)性分析、顯著性檢驗等。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期定位秸稈還田對土壤總有機碳的影響

由圖1可以看出,小麥季總有機碳含量的變化同玉米季總有機碳含量的變化具有一致性。5種處理土壤總有機碳含量總體趨勢為M>WCN>WN>WC>CK,M、WCN、WN、WC處理均與CK差異顯著。就小麥季而言,M、WCN、WN、WC處理較CK處理增幅為18.71%～99.78%,其中M處理增幅最大,WCN處理次之,較CK處理提高了99.78%,84.73%,二者之間差異不顯著,WC處理增幅最小；就玉米季而言,M、WCN、WN、WC處理較CK處理增幅為34.39%～117.94%,其中M處理增幅最大,WCN處理次之,較CK處理提高了117.94%,98.03%,WC處理增幅最小。整體來看，M處理總有機碳含量最高,分別為9.29(小麥季)，8.87 g/kg(玉米季),說明長期施用有機肥有利于土壤有機碳的積累,WCN處理次之,分別為8.59(小麥季)，8.06 g/kg(玉米季),說明秸稈還田作為重要作為土壤有機碳來源,通過配施氮肥,加快了分解和腐解過程,增加了土壤總有機碳含量[12]。

不同字母表示不同處理間差異達5%顯著水平。圖2-5同。Different letters mean significant difference among nitrogen treatments at 5%levels.The same as Fig.2-5.

2.2 長期定位秸稈還田對土壤顆粒有機碳的影響

圖2為不同處理對土壤顆粒有機碳的影響。整體來看,不同處理之間土壤顆粒有機碳的變化趨勢小麥季同玉米季具有一致性,整體趨勢為M>WCN>WN>WC>CK。與對照CK相比,M處理土壤顆粒有機碳含量最高,分別為3.567(小麥季)，3.234 g/kg(玉米季),分別顯著提高了128.07%,120.90%,說明長期投入有機肥可以顯著提高土壤顆粒有機碳的含量。施氮處理下的WCN處理較不施氮的WC處理土壤顆粒有機碳含量提高了85.38%(小麥季),29.48%(玉米季),說明在兩季秸稈還田處理下,通過配施氮肥,可以顯著提高土壤微生物活性,從而提高土壤顆粒有機碳的含量。

圖2 秸稈還田對土壤顆粒有機碳含量的影響Fig.2 Effect of straw returning on particle carbon content

2.3 長期定位秸稈還田對土壤水溶性有機碳的影響

如圖3所示,不同模式的秸稈還田及有機肥投入對土壤水溶性有機碳的影響存在差異。整體上看,土壤水溶性有機碳含量小麥季>玉米季,這可能是在麥玉輪作周期小麥生長期內(nèi)植物殘體豐富及肥料投入量高從而直接提高了土壤水溶性有機碳含量。5種處理土壤水溶性有機碳含量總體趨勢為M>WCN>WN>WC>CK。M、WCN、WN處理與CK差異顯著。M處理水溶性有機碳含量最高,分別為478.45(小麥季),358.45 mg/kg(玉米季),相比對照分別提高了64.77%,88.28%,說明長期有機肥的投入可以顯著提高土壤水溶性有機碳的含量。氮肥處理下,WN、WCN處理較CK處理增幅為20.91%～42.87%(小麥季),26.64%～54.88%(玉米季),增幅均大于WC處理,可能是因為氮肥的投入提高了秸稈的腐解過程及微生物的活性,從而提高了土壤水溶性有機碳含量。

2.4 長期定位秸稈還田對土壤易氧化有機碳的影響

土壤易氧化有機碳作為土壤活性有機碳的重要組成部分,是土壤碳庫短期變化的指示因子[13]。由圖4可以看出,M處理均顯著高于其他處理,說明長期有機肥的投入有利于土壤易氧化有機碳含量的提高,5種處理易氧化有機碳高低順序為:M>WCN>WN>WC>CK。就小麥而言,M、WCN、WN、WC處理比CK分別增加了95.53%,72.43%,58.93%,3.57%,其中M處理易氧化有機碳最高,為2.19 g/kg,其次是施氮模式下的WCN、WN處理,分別為1.92,1.78 g/kg,WC處理易氧化有機碳含量最低,為1.16 g/kg。玉米季土壤易氧化有機碳同小麥季一致。

圖3 秸稈還田對土壤水溶性有機碳含量的影響Fig.3 Effect of straw returning on water soluble carbon content

圖4 秸稈還田對土壤易氧化有機碳含量的影響Fig.4 Effect of straw returning on easily oxidized carbon content

2.5 長期定位秸稈還田對土壤輕組有機碳的影響

土壤輕組有機碳主要由土壤中的孢子、菌絲、植物殘體等構(gòu)成,是一種介于動植物殘體與腐殖質(zhì)之間的物質(zhì),大約占了土壤總有機碳含量的15%～32%,該活性碳的轉(zhuǎn)化時間大約幾周至幾年,是中等活性的有機碳庫,是不穩(wěn)定有機碳庫的一部分[14-15]。由圖5看出,不同處理輕組有機碳含量的變化趨勢小麥季與玉米季具有一致性,整體趨勢為M>WCN>WN>WC>CK。就小麥季而言,M、WCN、WN處理與CK差異顯著,與CK對比分別增加了48.15%,25.92%,18.52%,其中M處理最高,為0.40 g/kg,顯著高于其他處理,施氮處理的WCN、WN處理次之,分別為0.34,0.32 g/kg,WC處理輕組有機碳含量最低,為0.29 g/kg。說明有機肥的投入可以顯著提高土壤輕組有機碳的含量,秸稈還田配施氮肥也可以提高土壤輕組有機碳的含量。

圖5 秸稈還田對土壤輕組有機碳含量的影響Fig.5 Effect of straw returning on light carbon content

2.6 長期定位秸稈還田土壤活性碳組分之間的相關(guān)性分析

小麥-玉米輪作不同處理土壤總有機碳與各活性有機碳組分的相關(guān)性分析結(jié)果見表2，3。土壤總有機碳與顆粒有機碳、輕組有機碳、水溶性有機碳、易氧化有機碳之間極顯著正相關(guān),在小麥季、玉米季的相關(guān)系數(shù)分別為0.92,0.94,0.94,0.99和0.97,0.94,0.97,1.00,其中土壤易氧化有機碳與總有機碳的相關(guān)系數(shù)最高,能夠更加敏感地反映不同處理對土壤有機碳庫的影響。

2.7 長期定位秸稈還田對土壤團聚體的影響

2.7.1 對水穩(wěn)性團聚體組成的影響 小麥-玉米周年輪作玉米收獲后,取樣分析0～20 cm土壤樣品水穩(wěn)性團聚體組成,如表4所示。水穩(wěn)性團聚體不同粒級含量不同(0.25～2.00 mm)>(0.053～0.250 mm)>(<0.053 mm)。0.25～2.00 mm粒級中,各處理的質(zhì)量分數(shù)所占比例為57.9%～68.1%,大小順序為M>WCN>WN>WC>CK,其中M處理和WCN處理分別較對照顯著提高了10.2,9.6百分點。0.053～0.250 mm及<0.053 mm粒級中,各處理的質(zhì)量分數(shù)所占比例分別為20.1%～23.9%,12.6%～15.3%,其中M處理的質(zhì)量分數(shù)較對照分別降低了3.8,2.7百分點,WCN處理較對照分別降低了2.5,2.4百分點,差異均顯著。結(jié)果表明,施用有機肥及兩季秸稈還田配施氮肥均能夠提高0.25～2.00 mm粒級的質(zhì)量分數(shù),降低0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒級的質(zhì)量分數(shù),從而不利于0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒級的形成。

表2 小麥活性碳組分與總碳的相關(guān)性Tab.2 Correlation between activated carbon and total carbon in wheat

注：TOC.總有機碳；POC.顆粒有機碳；LFOC.輕組有機碳；DOC.水溶性有機碳；LOC.易氧化有機碳；*.P<0.05；**.P<0.01。表3同。

Note：TOC. Total organic carbon；POC. Granular organic carbon；LFOC. Light group organic carbon；DOC. Water-soluble organic carbon；LOC. Easy to oxidize organic carbon；*.Significant difference at the 5% level；**.Extremely significant difference at the 1% level. The same as Tab.3.

表3 玉米活性碳與總碳的相關(guān)性Tab.3 Correlation between activated carbon and total carbon in corn

表4 長期定位秸稈還田對水穩(wěn)性團聚體組成的影響Tab.4 Effect of long-term positioning of straw returning to field on the composition of water-stable aggregates %

注：不同字母表示不同處理間差異達5%顯著水平。表5-6同。

Note：Different letters mean significant difference among nitrogen treatments at 5% levels.The same as Tab.5-6.

2.7.2 對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響 小麥-玉米周年輪作玉米收獲后,取樣分析0～20 cm土壤樣品幾何平均直徑(GMD)與平均質(zhì)量直徑(MWD)的數(shù)據(jù),如表5所示。幾何平均直徑與平均質(zhì)量直徑的數(shù)值越大,說明土壤團聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由表5可得,各個處理幾何平均直徑大小順序為M>WCN>WN>WC>CK,其中M處理、WCN處理、WN處理及WC處理較CK處理分別提高53.1%,45.8%,31.9%,16.8%,差異顯著,可見有機肥投入比秸稈還田配施氮肥能提高幾何平均直徑,兩季秸稈還田配施氮肥處理的幾何平均直徑高于一季秸稈還田配施氮肥,而秸稈還田配施氮肥處理的幾何平均直徑高于秸稈還田不施氮肥處理,可能是氮肥的施入調(diào)節(jié)了土壤碳氮比,提高了土壤微生物活性和植物的生長能力,土壤團聚體含量增加。長期定位秸稈還田對平均質(zhì)量直徑的影響與幾何平均直徑具有一致性,其中M處理、WCN處理較CK平均質(zhì)量直徑分別提高10.9%,5.4%,可見有機肥的投入以及兩季秸稈還田配施氮肥均能提高平均質(zhì)量直徑的含量。

表5 長期定位秸稈還田對團聚體穩(wěn)定性的影響Tab.5 Effect of long-term straw returning to field on the stability of aggregates mm

2.7.3 對土壤團聚體有機碳含量的影響 表6為團聚體有機碳含量分布情況。由表可知,各處理團聚體有機碳含量因粒級而異,在0～20 cm土壤中,各粒級團聚體有機碳含量順序為(2.00～0.25 mm)>(0.053～0.250 mm)>(<0.053 mm),說明有機碳的含量隨著土壤團聚體直徑的增大而提高。與CK相比,各處理均能顯著提高團聚體各粒級的有機碳含量,在不同粒級分布中,整體大小趨勢為M>WCN>WN>WC>CK,且各個處理間差異顯著。M處理較CK在2.00～0.25 mm,0.053～0.250 mm,<0.053 mm粒級有機碳含量增加,提高幅度為129.9%,317.8%,330.2%,其中在0.053～0.250 mm和<0.053 mm增加幅度較大。WCN處理較CK在2.00～0.25 mm,0.053～0.250 mm,<0.053 mm粒級有機碳含量增加,提高幅度為69.0%,166.6%,188.4%,其中在0.053～0.250 mm和<0.053 mm增加幅度較大。

表6 長期定位秸稈還田對團聚體有機碳的影響Tab.6 Effect of long-term positioning of straw returning to field on organic carbon of aggregates g/kg

3 討論與結(jié)論

秸稈還田主要通過提高腐殖質(zhì)含量來增加土壤有機質(zhì),通過提高土壤肥力、長期定位秸稈還田能顯著提高土壤有機碳含量[16]。本試驗得出的結(jié)論為有機肥施用下的土壤總有機碳含量最高,為9.29(小麥季)，8.87 g/kg(玉米季),因為有機肥的投入,更好地提高了土壤微生物活性,從而加速了有機質(zhì)的礦化分解,提高了土壤總有機碳含量；兩季秸稈還田配施氮肥處理次之,均高于兩季秸稈還田不施氮肥以及秸稈還田配施氮肥,說明長期秸稈配施氮肥能夠有效提高土壤有機質(zhì)的含量,提高土壤的質(zhì)量水平。

本試驗通過分析土壤活性碳組分與土壤總活性碳之間的相關(guān)性得出,各個處理活性碳組分同總有機碳之間呈極顯著正相關(guān),說明土壤總有機碳含量的增加可以提高各活性碳組分的含量,土壤各活性碳組分的變化能夠反映土壤有機碳庫的變化,可以作為土壤有機質(zhì)變化的敏感指標[17]。相比其他處理,單施有機肥(M)能夠提高土壤活性碳組分(輕組有機碳、顆粒有機碳、水溶性有機碳、易氧化有機碳)含量；兩季秸稈還田配施氮肥(WCN)土壤各活性碳組分含量均高于小麥秸稈還田配施氮肥(WN)、兩季秸稈還田(WC),說明長期秸稈還田配施氮肥能夠提高各土壤活性碳含量。這與張璐等[18]、Liang等[19]的研究相一致。

相關(guān)研究顯示,有機肥的施入可以提高土壤中>2.00 mm和2.00～0.25 mm水穩(wěn)定性大團聚體的含量[20]。本研究發(fā)現(xiàn),有機肥及秸稈還田配施氮肥處理均能提高0.25～2.00 mm粒級的質(zhì)量分數(shù),降低0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒級的質(zhì)量分數(shù)。

有機碳含量同團聚體的形成是一個相互促進的過程,因為團聚體對土壤有機質(zhì)起物理保護作用,而有機質(zhì)是團聚體形成的重要膠結(jié)劑。張聰?shù)萚21]進行不同土壤類型長期秸稈還田試驗發(fā)現(xiàn),連續(xù)秸稈還田能提高不同粒級土壤團聚體穩(wěn)定性。本研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田處理水穩(wěn)性團聚體不同粒徑中有機碳含量高于無秸稈處理,有機碳含量兩季秸稈還田配施氮肥(WCN)>一季秸稈還田配施氮肥(WN)。研究表明,秸稈還田不僅可以提高團聚體穩(wěn)定性,還能提高大團聚體中有機碳含量,與本研究結(jié)果一致。

綜上表明,有機肥處理及長期連續(xù)兩季秸稈還田配施氮肥能夠顯著提高土壤總有機碳和各活性有機碳組分含量；提高了土壤大粒徑團聚體數(shù)量,增加了土壤穩(wěn)定性,從而提高了土壤肥力。