陳 超,宓文海,,居 靜,吳良?xì)g,趙海濤
(1.揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009;2.浙江大學(xué) 教育部環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058)
黃泥田是我國(guó)浙江、福建、江西等南方省份廣泛分布的一種中低產(chǎn)水稻土,其主要特征是耕層淺薄、熟化度低及保肥性能差[1]。為了提高黃泥田土壤肥力,增加土壤碳庫(kù)和構(gòu)建一個(gè)適宜的土壤結(jié)構(gòu)是2個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ),是有機(jī)碳分解與積累的主要場(chǎng)所[2]。而有機(jī)碳作為膠結(jié)物質(zhì)又促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定。因此,土壤團(tuán)聚體的形成與土壤有機(jī)碳密切相關(guān),其數(shù)量和組成決定著土壤固定與儲(chǔ)存有機(jī)碳的能力。很多田間試驗(yàn)表明[3-5],通過(guò)化肥與有機(jī)肥配合施用的方法可以結(jié)合化肥速效性和有機(jī)肥持久性的優(yōu)點(diǎn),在保持作物穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的同時(shí)能明顯改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤碳庫(kù)。秸稈和牛糞是2種常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物,均可以作為改良土壤的有機(jī)肥源。高鳴慧等[6]在棕壤進(jìn)行玉米連作試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),化肥配施秸稈處理較單施化肥處理能顯著提高表層土壤中大團(tuán)聚體的占比,且提高了大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。魏宇軒等[7]在黑土種植玉米試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)化肥配施牛糞處理較單施化肥處理顯著提高了耕層土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量。而謝鈞宇等[8]在塿土上研究發(fā)現(xiàn),在小麥-玉米輪作體系下化肥配施秸稈與單施化肥處理中大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相近,沒(méi)有顯著差異。以往的研究雖然報(bào)道了化肥與秸稈或牛糞配施后對(duì)土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳的影響,但多關(guān)注在耕層土壤,對(duì)亞表層土壤中團(tuán)聚體及碳氮分布的影響還不清楚。此外,不同培肥措施在改善黃泥田土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳提升的效果上是否一致仍需要進(jìn)一步研究。
土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性除了與團(tuán)聚體物理保護(hù)作用影響外,還與其本身結(jié)構(gòu)的抗分解性有關(guān)。目前,傅里葉紅外光譜技術(shù)能夠通過(guò)測(cè)定SOC的化學(xué)官能團(tuán)對(duì)紅外光的選擇性吸收差異確定有機(jī)碳的成分,有效地反映土壤中含氧官能團(tuán)的性質(zhì)、反應(yīng)特性和結(jié)構(gòu)變化等方面的信息[9-11],用來(lái)表現(xiàn)不同施肥管理措施下SOC的化學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性特征。常漢達(dá)等[12]通過(guò)5 a田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期秸稈還田增加了脂肪族和醇酚相對(duì)峰強(qiáng)度,但芳香族和多糖相對(duì)峰強(qiáng)度降低,土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性逐漸提高。盛明等[13]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田增加了黑土團(tuán)聚體脂肪族碳吸收峰的相對(duì)面積,降低了芳香族碳紅外吸收峰的相對(duì)面積。由于長(zhǎng)期不同施肥措施下碳投入的種類不同,可能引起土壤有機(jī)碳含量和質(zhì)量的變化。
顆粒有機(jī)碳是動(dòng)植物殘?bào)w向土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的活性中間產(chǎn)物,穩(wěn)定性較低,更易受人為管理措施的影響[14-15]。礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是有機(jī)物的最終分解產(chǎn)物與土壤黏、粉粒結(jié)合的有機(jī)碳,這部分碳的生物利用率低,周轉(zhuǎn)緩慢,是惰性有機(jī)碳[12]。蔡岸冬等[16]研究發(fā)現(xiàn),礦物結(jié)合碳有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳積累在農(nóng)田中呈顯著正相關(guān)。因此,本研究依托長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn),對(duì)比探究了不同施肥措施下表層和亞表層土壤總有機(jī)碳含量及其碳組分的影響,以期找到適合黃泥田土壤碳庫(kù)提升的最佳施肥模式。
1.1 試驗(yàn)方法
長(zhǎng)期定位試驗(yàn)于2011年6月至2020年12月在浙江省金華市瑯琊鎮(zhèn)新朱村(29°01′19″ N,119°27′99″ E,海拔86 m)進(jìn)行。該區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年平均溫度17.5 ℃,年均降水量1 424 mm。供試土壤為黃泥田水稻土,試驗(yàn)開(kāi)始前耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量26.3 g/kg,全氮含量1.53 g/kg,堿解氮含量108.5 mg/kg,有效磷含量17.0 mg/kg,速效鉀含量97.0 mg/kg,土壤pH值5.14。試驗(yàn)種植制度為單季稻,供試水稻品種為兩優(yōu)培九(2011—2016年),甬優(yōu)12(2017—2020年)。水稻于每年6月上旬移栽,10月中下旬收獲。
本試驗(yàn)選擇了4個(gè)不同施肥處理:CK.不施肥;F.單施化肥;FM.化肥+牛糞;FS.化肥+水稻秸稈。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)面積為50 m2(10 m×5 m),小區(qū)間設(shè)置田埂,并用塑料薄膜包裹。
各施肥處理化肥氮、磷、鉀每年施用量保持一致,2011—2014年各施肥處理化肥用量分別為N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。2015年以后化學(xué)氮肥與磷肥的用量不變,化學(xué)鉀肥提高到200 kg/hm2。試驗(yàn)中所用化學(xué)氮肥為尿素(N 46%)、磷肥為過(guò)磷酸鈣(P2O512%)、鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。每年有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理為:牛糞鮮質(zhì)量13 500 kg/hm2、水稻秸稈干質(zhì)量3 000 kg/hm2。其中磷肥、鉀肥、牛糞、秸稈均作為基肥一次性投入,氮肥按照基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3的比例撒施。牛糞和秸稈每年碳投入量約為1 300 kg/hm2。
1.2 土壤樣品采集與樣品處理
本試驗(yàn)土樣于2020年11月采集,通過(guò)“S”形5點(diǎn)采樣法,分別采集各小區(qū)0~15 cm和15~30 cm的原狀土壤,各土層采集5個(gè)點(diǎn),將土樣裝入硬質(zhì)容器內(nèi)密封后帶回實(shí)驗(yàn)室。將土樣自然風(fēng)干后,過(guò)篩,去除作物殘留物、根系和石塊,用于土壤基本理化性狀測(cè)試和近紅外光光譜測(cè)定。
1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法
土壤總有機(jī)碳和全氮采用Vario EL cube元素分析儀測(cè)定。
不同粒級(jí)團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法進(jìn)行[2]。首先在土樣風(fēng)干過(guò)程中,按照土塊自然裂痕剝離為直徑10 mm左右的小塊,剔除動(dòng)植物殘?bào)w和石塊;稱取100 g土壤樣品置于由0.250,0.053 mm孔徑土篩由上而下組成的篩組上,加入蒸餾水至淹沒(méi)土樣2 cm位置浸泡10 min,然后以振幅3 cm,30 次/min的上下移動(dòng)篩組5 min,隨后收集各孔徑篩子上土樣于鋁盒中,水桶中土樣使用自然沉降后離心的方法收集,在60 ℃下烘干稱質(zhì)量,在60 ℃下烘干稱質(zhì)量后計(jì)算團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)。
顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的測(cè)定方法[17]如下:將去除根系雜物的風(fēng)干土過(guò)2 mm篩,稱取10 g土樣放入塑料瓶后加入50 mL的5 g/L的六偏磷酸鈉溶液。在100 r/min下振蕩18 h后過(guò)0.053 mm篩,將篩上部分反復(fù)沖洗至鋁盒。篩上部分為顆粒有機(jī)碳,篩下部分為礦物結(jié)合有機(jī)碳。將分離出的組分在60 ℃下烘干稱質(zhì)量后,土壤總有機(jī)碳和全氮采用Vario EL cube元素分析儀測(cè)定。
采用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet IS5)進(jìn)行測(cè)定傅里葉紅外光譜[12],具體方法如下:將樣品與KBr(光譜純)按1∶200比例在瑪瑙研缽中充分研磨混勻,通過(guò)傅里葉變換紅外光譜儀掃描并記錄光譜圖。光譜測(cè)定范圍4 000~400 cm-1,掃描次數(shù)32 次。
1.4 數(shù)據(jù)分析方法
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 26和Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析,使用Origin 2019繪制圖表。用OMNIC 8.2對(duì)紅外光譜圖像進(jìn)行透光率和吸光度轉(zhuǎn)化。試驗(yàn)結(jié)果均為3個(gè)重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,采用SSR法(Ducan檢驗(yàn))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,在P<0.05條件下認(rèn)為存在顯著性差異。
2.1 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響
由表1可知,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成在不同土壤深度上存在明顯差異。各處理0~15 cm土層中>0.250 mm粒徑百分含量均超過(guò)60%,高于15~30 cm土層中各處理大團(tuán)聚體百分含量。化肥與牛糞配施處理中>0.250 mm團(tuán)聚體百分含量最高,在0~15 cm和15~30 cm土層中較不施肥對(duì)照分別提高了7.1,11.0百分點(diǎn)(P<0.05)。與不施肥相比,單施化肥處理顯著提高了15~30 cm土層>0.250 mm團(tuán)聚體百分含量(8.6百分點(diǎn),P<0.05),而在0~15 cm土層2個(gè)處理間沒(méi)有明顯差異。微團(tuán)聚體(0.053~0.250 mm)百分含量上,化肥與牛糞配施和單施化肥處理較無(wú)肥對(duì)照在15~30 cm顯著降低了7.7~7.9百分點(diǎn)(P<0.05)。平均質(zhì)量直徑(MWD)方面,化肥與牛糞配施處理在0~15 cm和15~30 cm土層均為最大值,較無(wú)肥對(duì)照顯著提高了8.8%和28.6%(P<0.05)。
表1 長(zhǎng)期不同施肥方式下黃泥田水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成Tab.1 Composition of water-stable aggregates under different fertilization treatments in yellow clayey paddy soil
2.2 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳及全氮含量的影響
由圖1可知,各處理不同粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量大小分布為:>0.250 mm大于0.053~0.250 mm大于<0.053 mm。施肥方式顯著影響了不同粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量。在0~15 cm,單施化肥(F)、化肥與牛糞配施(FM)和化肥與秸稈配施(FS)處理中>0.250 mm團(tuán)聚體SOC含量較無(wú)肥對(duì)照(CK)相比分別增加了14%,51%和27%(P<0.05)。在0.053~0.250 mm團(tuán)聚體上SOC含量分別增加了2%,20%和15%。與CK處理相比,F(xiàn)、FM和FS處理下>0.250 mm團(tuán)聚體中TN含量分別提高了21%,42%和32%(P<0.05),0.053~0.250 mm團(tuán)聚體中TN含量分別增加了2%,20%和9%。不同施肥處理間比較,化肥與牛糞配施處理各粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量均為最高,分別較單施化肥處理提高19%~32%和18%~25%。
不同小寫(xiě)字母表示同一粒級(jí)團(tuán)聚體不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同。Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same aggregate size of soil(P<0.05).The same as Fig.2.
由圖2可知,深層土壤(15~30 cm)中各處理不同粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量呈現(xiàn)與表層土壤(0~15 cm)相似的分布趨勢(shì)。此外,施肥方式也顯著影響了不同粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量。在15~30 cm,單施化肥(F)、化肥與牛糞配施(FM)和化肥與秸稈配施(FS)處理中>0.250 mm團(tuán)聚體SOC含量較無(wú)肥對(duì)照(CK)相比分別顯著增加了38%,78%和39%(P<0.05)。在0.053~0.250 mm團(tuán)聚體SOC含量分別增加了89%,84%和53%(P<0.05)。
在土壤全氮含量上,與CK處理相比,F(xiàn)和FM處理>0.250 mm團(tuán)聚體中TN含量分別顯著提高了48%和26%(P<0.05),0.053~0.250 mm團(tuán)聚體中TN含量分別顯著提高了56%和44%(P<0.05)。
圖2 15~30 cm不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳及全氮含量Fig.2 Soil organic carbon and total nitrogen content in different size of soil aggregates in 15—30 cm
2.3 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的影響
由表2 可知,與單施化肥相比,化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0~15 cm土層中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量,分別提高98.7%和51.5%(P<0.05)。而在深層土壤(15~30 cm)中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量各施肥處理間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。與單施化肥相比,化肥與牛糞配施處理降低了表層土壤(0~15 cm)中礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量,降幅為7%。在深層土壤(15~30 cm)中各處理間礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量沒(méi)有顯著差異。2層土壤各處理間礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量均無(wú)明顯差異。
與單施化肥相比,化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0~15 cm土層中土壤有機(jī)碳含量,增幅為18.7%和12.7%(P<0.05)。在深層土壤(15~30 cm)中,與單施化肥相比,化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理提高了土層中土壤有機(jī)碳含量,分別增加了12.1%和6.8%(P<0.05)。
由表2 可知,與單施化肥相比,化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0~15 cm土層中POC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率,分別提高了16.4,8.4百分點(diǎn)(P<0.05)。在深層土壤(15~30 cm)中,與單施化肥相比,化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理提高了土層中POC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率,增加分別為4.7,5.7百分點(diǎn)。與之相反,與單施化肥相比,化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著降低了0~15 cm土層中Min-OC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率,分別降低了16.4,8.4百分點(diǎn)(P<0.05)。而在深層土壤(15~30 cm)Min-OC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率在各施肥處理間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
表2 不同施肥處理各土壤組分有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Tab.2 Contribution of soil particulate organic carbon and mineral-associated carbon to total soil organic carbon under different fertilization treatments
2.4 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響
如圖3所示,不同深度和不同施肥處理的紅外光譜譜型基本相似,主要吸收帶位于3 690~3 000 cm-1,1 650 cm-1,1 030 cm-1,797 cm-1等。根據(jù)紅外光譜吸收峰歸屬解析,0~15 cm土壤中3 650,3 430 cm-1和15~30 cm土壤中3 639,3 450 cm-1主要為醇酚締合-OH伸縮振動(dòng)。1 650 cm-1主要來(lái)源于芳香族酰胺C=O(1 650~1 620 cm-1);1 031 cm-1除來(lái)源于糖類的C-O外,還有部分的有機(jī)硅化合物Si-O。797,517 cm-1也是有機(jī)硅化合物Si-O伸縮振動(dòng)。各處理間比較,0~15 cm土壤中單施化肥處理1 030 cm-1吸收峰強(qiáng)度低于其他處理,即單施化肥處理中碳水化合物含量低于不施肥處理和有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理。而在更深層土壤(15~30 cm),化肥與牛糞配施處理(FM)1 030 cm-1吸收峰強(qiáng)度要明顯高于其他各處理。
圖3 不同深度不同施肥處理下的黃泥田紅外光譜特征Fig.3 Infrared spectroscopy characteristics of yellow clayey paddy soil under different fertilization treatments at different soil depths
本研究結(jié)果表明,不同施肥處理和土壤深度下,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以大團(tuán)聚體(>0.250 mm)為主,表層土壤大團(tuán)聚體比例要高于亞表層土壤。這主要是由于表層土壤含有更多的有機(jī)物質(zhì)如作物根系殘?bào)w、多糖和微生物菌絲體[2],促進(jìn)了微團(tuán)聚體結(jié)合形成大團(tuán)聚體。此外,表層土壤的黏粉粒比例(12.8%)明顯低于亞表層土壤(25.6%)。這可能是由于表層土壤微生物活性較強(qiáng),更多的微生物殘?bào)w如氨基糖與土壤黏粉粒的結(jié)合促進(jìn)了微團(tuán)聚體的形成[18]。而且,這種有機(jī)物質(zhì)與礦物的結(jié)合作用也是有機(jī)碳穩(wěn)定的決定性調(diào)控因子[19]。本研究發(fā)現(xiàn),表層土壤各處理<0.053 mm粒徑中有機(jī)碳含量均高于深層土壤各處理,說(shuō)明有機(jī)碳在黏粉粒中呈現(xiàn)明顯積累的趨勢(shì)。因此,深層土壤固碳潛力巨大,這對(duì)于緩解氣候變化和糧食安全具有重要意義[20]。
土壤團(tuán)聚體粒徑及其有機(jī)碳分布除受土壤深度影響外,還受到施肥的影響[21]。本研究發(fā)現(xiàn),與不施肥對(duì)照相比,長(zhǎng)期單施化肥不能夠顯著影響表層土壤團(tuán)聚體粒徑的分布。然而,聶鑫等[22]在湖南省雙季稻區(qū)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期單施化肥較不施肥處理顯著提高了耕作層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>2 mm 和1~2 mm)的比例。這可能是由于輪作制度的差異。由于雙季稻每年種植兩季,與單季稻相比,單施化肥處理下有更多的根茬進(jìn)入到耕層,進(jìn)而促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),與單施化肥處理相比,化肥與牛糞配施能夠顯著提高土壤大團(tuán)聚體的比例,而化肥與秸稈配施與單施化肥處理間無(wú)顯著差異。此外,大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量也有相似的結(jié)果。相似的,Zhou等[23]總結(jié)了我國(guó)28個(gè)雙季稻長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),化肥與畜禽糞肥較化肥與秸稈配施有更高的固碳效率。這可能是化肥與秸稈配施處理中更多的外源碳以CO2或者CH4的形式損失掉,沒(méi)有真正固持到土壤中。而腐熟發(fā)酵的牛糞中含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、可溶性的碳水化合物,有利于微生物的吸收利用。近年來(lái),Liang等[24]提出的土壤微生物碳泵概念強(qiáng)調(diào)了土壤微生物的同化合成產(chǎn)物是土壤穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)的重要貢獻(xiàn)者。此外,本研究結(jié)果進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),化肥與牛糞配施顯著提高了耕層土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量及其占總有機(jī)碳的比例。這是由于牛糞的施用提高了外源碳的投入。另一方面,化肥與牛糞配施較其他各處理顯著提高了水稻產(chǎn)量和地上部生物量[1],因而每年有更多的根茬及根系殘?bào)w進(jìn)入到土壤中,促進(jìn)了土壤顆粒態(tài)碳含量的提升。藍(lán)賢瑾等[25]在紅壤性水稻土上的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)也有相近的報(bào)道,長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)配施提高了土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳的含量及其占總有機(jī)碳的比例,并且隨著有機(jī)物料施用比例的提高而提高。本研究通過(guò)紅外光譜定性分析證實(shí)了化肥與牛糞配施提高了土壤中多糖的含量。
與單施化肥相比,連續(xù)10 a化肥與牛糞配施能夠顯著提升水穩(wěn)性大團(tuán)聚體百分比,總有機(jī)碳及各粒徑土壤有機(jī)碳和顆粒態(tài)有機(jī)碳含量。而化肥與秸稈處理僅僅能夠顯著提高表層土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量及其對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)。綜合考慮,化肥與牛糞配施處理在改善土壤結(jié)構(gòu)和提升土壤碳庫(kù)方面效果最佳。