王富華 黃 容 高 明 王子芳 田 冬
(西南大學資源環(huán)境學院,重慶 400715)
土壤團聚體和有機碳是評價土壤地力的重要指標[1]。土壤團聚體能協(xié)調土壤中的水、肥、氣、熱,穩(wěn)定土壤疏松熟化層,作為農(nóng)田土壤的重要組成部分,其結構組成和形態(tài)穩(wěn)定(尤其是水穩(wěn)定性)對土壤肥力、結構、性質等方面有顯著影響[2]。土壤有機碳是團聚體的膠結物質,對團粒結構的形成和穩(wěn)定有重要影響,同時土壤團聚體為有機碳提供了保護場所減緩微生物分解,促進土壤有機碳穩(wěn)定和累積,因此,土壤團聚體的形成、轉化與土壤固碳過程密不可分[3-4]。人類的耕作活動會降低水穩(wěn)定性大團聚體的含量和有機碳庫儲量[5],而施用秸稈、生物質炭能增加土壤團聚化過程,可在一定程度上減少耕作活動對團聚體的破壞作用,提高土壤大團聚體的含量[6]。毛霞麗等[7]對浙江省稻田長期定位試驗表明,秸稈還田顯著提高了大團聚體水穩(wěn)定性,同時強化團聚體對有機碳的保護作用。張鵬等[8]的研究也表明不同秸稈還田處理下>0.25 mm粒級團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均顯著高于CK處理。但是關于生物質炭施入土壤對土壤團聚體及其穩(wěn)定性的研究結果仍存在著爭議。付琳琳等[9]研究表明,生物質炭施入土壤后可以顯著提高土壤團聚體中有機碳含量,但也有研究表明單施生物質炭對土壤大團聚體含量和穩(wěn)定性的影響不顯著,甚至降低了土壤團聚體的穩(wěn)定性,而生物質炭與秸稈配合的效果比較明顯[10-11]。紫色土的抗侵蝕能力弱,其團聚體結構也易破壞。以往的研究多集中單施秸稈或生物質炭對土壤團聚體中有機碳的研究,尤其是在黃土丘陵區(qū)和南方紅壤上研究頗多,而對生物質炭與秸稈配合施用的研究較少,且它們的不同施用量對土壤團聚體組成及其有機碳的分布特征影響尚不清楚,尤其是在西南紫色土丘陵區(qū)還鮮有報道。本試驗通過田間微區(qū)試驗,研究了油菜/玉米輪作下單施秸稈、生物質炭以及它們的配施對紫色土團聚體和有機碳的影響,旨在為改善四川盆地紫色土壤結構特征及團聚體中有機碳的分布提供參考。
試驗布置于重慶市北碚區(qū)西南大學試驗農(nóng)場內(nèi),該地屬于亞熱帶季風濕潤氣候,雨量充沛,年降雨量為1 087 mm,有春早、夏熱、秋短、冬遲特征,最高氣溫44.3℃,最低氣溫-3.1℃,年平均氣溫18.2℃,≥10℃的積溫6 006℃,年日照時數(shù)1 277 h,海拔高度266.3 m。
供試土壤為侏羅紀沙溪廟組紫色泥頁巖發(fā)育形成的紫色土,中性紫色土亞類,灰棕紫泥土屬,是重慶、四川紫色土區(qū)分布最廣的一種土壤。其基本理化性質為:有機碳9.98 g·kg-1,堿解氮135.7 mg·kg-1,有效磷17.38 mg·kg-1,速效鉀206.3 mg·kg-1,pH 為6.7。
試驗中所用生物質炭由四川省久晟農(nóng)業(yè)有限責任公司提供,以油菜秸稈為原料在500℃高溫厭氧條件下熱解2 h燒制,其碳含量為62.58%,C/N 為45.52,pH 為 8.9。油菜秸稈的有機碳含量為392.1 g·kg-1,C/N為 41.56,玉米秸稈的有機碳含量為 412.5 g·kg-1,C/N為 47.74。
試驗地種植模式為油菜/玉米輪作種植。本試驗共設置6個處理,每個處理3次重復,采用隨機區(qū)組排列在18個微區(qū)中,微區(qū)大小為2 m×1 m,能獨立排灌,各個微區(qū)的水肥管理均相同。六個處理分別為CK(單施化肥,無物料還田)、BC(8 000 kg·hm-2生物質炭配施化肥還田)、0.5BC(4 000 kg·hm-2生物質炭配施化肥還田)、CS(8 000 kg·hm-2秸稈配施化肥還田)、0.5CS(4 000 kg·hm-2秸稈配施化肥還田)、BC+CS(4 000 kg·hm-2生物質炭+4 000 kg·hm-2秸稈配施化肥還田)。本試驗以“等碳量”的原則施用秸稈或生物質炭,施入的具體措施為在油菜季還玉米秸稈,在玉米季還油菜秸稈;生物質炭由油菜秸稈而制成;將秸稈通過粉碎機粉碎成2 cm左右,生物質炭過10 mm篩,移栽作物前3 d將秸稈或生物質炭均勻覆蓋于地表,然后進行10 cm深翻耕。
試驗于2015年10月11日開始,2016年8月1日結束,各作物的氮、磷、鉀、硼養(yǎng)分用量根據(jù)《中國主要作物施肥指南》來確定,各季作物栽培方式和田間管理措施按照當?shù)亓晳T進行。其中油菜(96V44,密度 8萬株·hm-2)于2015年10月11日育苗, 2015年11 月3日移栽,2016年4月19日收獲。玉米(中豪9號,密度 4萬株·hm-2)于2016年4月9日育苗,4 月20日移栽,8月1日收獲。油菜季的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥和硼肥用量分別為150、90、90和15 kg·hm-2。氮肥分基肥和薹肥兩次施用(基肥占70%),磷鉀硼肥做基肥一次性施用。基肥和薹肥分別于2015年11月1日和2016年2月20日施用,施用方法為小雨前后撒施。玉米季各處理的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥分別為180、60、90 kg·hm-2,全部作為基肥在玉米移栽時施入。氮、磷、鉀和硼肥品種分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%、硫酸鉀(K2O 51%)、硼砂(含B 12%),所有處理田間管理技術與當?shù)剞r(nóng)民習慣一樣。
于2016年8月收獲玉米,隨后再采集土壤樣品。在每一個小區(qū)內(nèi)采集0~20 cm的原狀土壤,每個小區(qū)隨機采集5個樣點,將5個點采集的土壤混合為一個土壤樣品,然后裝入自封袋內(nèi)帶回實驗室。土壤樣品去除雜物,將大土塊沿土體自然裂隙輕輕掰開,過10 mm篩,用于土壤團聚體的測定。
團聚體根據(jù)Elliott[12]的土壤團聚體濕篩法測定:先將測定土壤團聚體的篩子依次套好(從上到下的順序依次為2 mm、0.25 mm、0.053 mm),然后稱取50 g風干土樣(過10 mm的篩)平鋪于2 mm的篩子上,將套篩放入木桶中浸泡5 min后,手動上下振蕩2 min(振幅3 cm,頻率為30次·min-1),然后按次序收集不同粒級孔篩中及木桶中的土樣于鋁盒中,依次分別為粒徑>2 mm的大團聚體、粒徑為0.25~2 mm的較大團聚體、粒徑為0.053~0.25 mm的微團聚體、粒徑<0.053 mm的黏粉粒組分,然后將鋁盒放置于烘箱,60℃烘干稱重,計算各級團聚體的質量百分比。然后將各粒級土研磨過0.25 mm的篩,分別放置于自封袋中于室溫下保存,用于測定不同粒級團聚體的有機質(采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法)。

土壤團聚體穩(wěn)定性指標采用平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和>0.25 mm團聚體含量(R0.25)描述。其計算公式如下:式中,為某級團聚體平均直徑(本研究各級團聚體平均直徑取值分別為大團聚體(6 mm)、較大團聚體(1.125 mm)、微團聚體(0.1515 mm)、黏粉粒組分(0.0265 mm)),Wi為第i級團聚體的質量。式中,MX<0.25為粒徑<0.25 mm團聚體的質量,MT為團聚體總質量。

某粒級團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率

通過此公式可以計算出各粒級團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率。
利用SPASS version20軟件進行方差分析和多重比較,顯著性分析采用LSD(Duncan)法進行,本試驗作圖采用Origin 9.0,表格采用Excel 2016。
從表1 可以看出,除0.5 B C 外,各處理的土壤團聚體的優(yōu)勢粒徑為0.0 5 3 ~0.2 5 m m(29.45%~34.44%),其次為0.25~2 mm和<0.053 mm,而>2 mm(7.17%~18.56%)粒級土壤團聚體含量最少。除0.5 B C 處理,各處理較CK均能提高>2 mm粒級團聚體含量,其中CS處理效果最顯著,提高了117.8%,且CS處理較BC、CS+BC、0.5CS處理也均能顯著提高>2 mm粒級團聚體含量,分別提高了70.90%、84.68%、52.63%。在0.25~2 mm粒級團聚體中, BC、CS+BC、0.5CS處理較CK均有不同程度的提高,其中CS+BC處理最顯著,提高了13.31%,而CS、0.5BC處理卻降低了0.25~2 mm粒級團聚體含量。各處理的0.053~0.25 mm團聚體含量較CK處理均有所下降,但差異不顯著。在粒徑<0.053 mm土壤團聚體中,僅0.5BC處理較CK顯著提高了26.14%,其他各處理均降低了<0.053 mm粒級團聚體含量。總體上,單施秸稈、秸稈與生物質炭配施對團聚體含量的影響效果較單施生物質炭好。
不同處理對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響從表2可以看出,與CK相比,除0.5BC處理,各處理的水穩(wěn)性團聚體的MWD、GMD、R0.25均有不同程度的提高,其中CS處理的MWD、GMD、R0.25最高,分別較CK顯著提高了65.52%、57.14%、22.13%,其次為0.5CS處理,且CS+BC和BC處理的R0.25較CK分別提高了14.47%和9.29%。而0.5BC處理的MWD、GMD、R0.25較CK均有所降低。總體上單施秸稈效果較佳,且秸稈施用量越多,效果越顯著,而秸稈與生物質炭配施的效果優(yōu)于單施生物質炭。

表1 不同處理對各粒級團聚體含量的影響Table 1 Effects of the treatments on content of soil aggregates relative to fraction
秸稈與生物質炭還田對土壤總有機碳含量的影響如圖1所示,與CK相比,各處理均不同程度地提高了土壤總有機碳的含量,其中BC 處理的土壤總有機碳含量最高,較CK顯著提高了45.55%,其次為CS+BC,較CK顯著提高了44.45%,而CS處理較CK僅提高了15.30%,沒有達到顯著水平。而BC、CS+BC處理較CS處理分別顯著提高了26.24%、25.28%,同時BC處理較0.5BC處理顯著提高了17.87%。這表明單施生物質炭、秸稈與生物質炭配施對提高土壤總有機碳的效果要優(yōu)于單施秸稈,且隨著生物質炭施用量增多,土壤總有機碳含量呈增加趨勢。
除CK處理外,各處理的不同粒級團聚體有機碳含量從大到小依次為 <0.053 mm、0.25~2 mm、>2 mm、0.053~0.25 mm團聚體(表3)。與CK相比,BC處理顯著增加了各粒級團聚體有機碳含量。CS+BC和0.5CS處理較CK處理顯著增加了0.25~2 mm粒級團聚體有機碳含量,分別增加了9.48%和9.67%。CS和CS+BC處理顯著增加了<0.053 mm粒級團聚體有機碳含量,較CK處理分別增加了60.12%、117.3%。除0.5CS處理稍微降低了>2 mm粒級團聚體有機碳含量外,其他各處理均能增加各粒級團聚體有機碳含量,其中提高幅度最大的是<0.053 mm,增幅為41.04%~117.3%,>2 mm和0.25~2 mm粒級團聚體提高的幅度比較小。
秸稈與生物質炭還田對土壤團聚體有機碳的貢獻率的影響如表4所示,各處理對土壤團聚體有機碳貢獻率主要分布在0.25~2 mm和<0.053 mm粒級團聚體中,而對>2 mm和0.053~0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率較小。與CK相比,CS處理顯著提高了>2 mm粒級團聚體有機碳貢獻率,達到了53.53%,其他各處理對>2 mm粒級團聚體有機碳貢獻率影響不顯著。各處理對<0.053 mm粒級團聚體有機碳貢獻率均有所提高,表現(xiàn)為0.5BC>CS+BC>0.5CS>BC>CS,其中CS+BC、0.5BC處理分別較CK顯著提高了26.20%、48.63%。與CK相比,除BC處理提高了0.053~0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率外,其他處理均降低了該粒級團聚體有機碳貢獻率。

圖1 不同處理對土壤總有機碳的影響Fig. 1 Effects of the treatments on soil total organic carbon

表3 不同處理對土壤團聚體有機碳的影響Table 3 Effects of the treatments on soil aggregate organic carbon

表4 不同處理對土壤團聚體有機碳的貢獻率Table 4 Contribution rate of soil aggregates by fraction to soil organic carbon relative to treatment
從表5可以看出秸稈與生物質炭還田可以明顯提高作物產(chǎn)量。除0.5BC處理,各處理均能提高玉米和油菜的生物產(chǎn)量。各處理的玉米經(jīng)濟產(chǎn)量大小依次為BC>CS>CS+BC>CK>0.5CS>0.5BC,與CK(8.42 t·hm-2)相比,BC、CS、CS+BC處理分別提高了2.38%、2.14%、1.43%。與CK處理相比,CS、0.5CS處理的油菜經(jīng)濟產(chǎn)量均提高了5.59%,達到了顯著水平;CS+BC、BC處理分別提高了4.47%、3.35%,但不顯著。可以看出,與常規(guī)施肥相比,秸稈與生物質炭還田均能提高作物產(chǎn)量。

表5 不同處理對作物產(chǎn)量的影響Table 5 Effects of the treatments on crop yield
通常用>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體的數(shù)量來判斷土壤結構的好壞,其含量越高,表明土壤結構越好[13]。本研究表明,較對照CK而言,秸稈全量還田(CS)處理能顯著提高土壤中>2 mm粒級團聚體含量,且降低<0.053 mm粒級團聚體的含量。這與關松等[14]的研究結果一致。這是因為秸稈作為新鮮有機殘茬施入土壤會釋放養(yǎng)分,提高土壤中微生物的活性且促進土壤中真菌菌絲的生長和微生物的分泌液[13],微生物分解產(chǎn)生的有機酸、腐殖物質和秸稈中的多糖、木質素等這些土壤中重要的有機膠結物質與菌絲發(fā)生纏繞作用將土壤小顆粒膠結成微團聚體,進一步膠結成大團聚體[15]。但本研究中生物質炭處理(BC)卻未能顯著提高土壤中>0.25 mm粒級水穩(wěn)性團聚體的含量和土壤MWD、GMD、R0.25的值,生物質炭減半處理(0.5BC)處理甚至降低了大團聚體的含量和土壤MWD、GMD、R0.25的值。雖然生物質炭本身作為膠結物質能將較小粒級的團聚體膠結成大團聚體,且其表面具有的特殊理化性質(CEC、巨大比表面積等)如同土壤黏粒一樣吸附微生物,促進團聚體形成[16]。但是與秸稈不同,生物質炭是在高溫條件下制備的(本研究中為500℃),屬惰性固體材料,具有高度羧酸酯化和穩(wěn)定的芳香化結構,較秸稈難以被微生物分解利用[17];還可能是生物質炭由于自身分解能力小,在施入土壤初期并不能產(chǎn)生足夠多的團聚體膠結黏液,因此對大團聚體的結合能力并不顯著[10]。所以生物質炭對提高土壤團聚體含量方面沒有秸稈效果好。但李江舟等[18]的研究則表明,不同用量的生物質炭處理(B15、B30)的土壤團聚體MWD、GMD、R0.25的值較常規(guī)施肥處理顯著增加。這主要是由于土壤類型和生物質炭施用水平等條件的差異[19],以及生物質炭制備的原料、溫度、培養(yǎng)時間的不同[20],會使不同來源的生物質炭處理對團聚體穩(wěn)定性影響效果不同。單施秸稈、生物質炭處理中,隨施用量增加土壤團聚體穩(wěn)定性也逐漸增加,這可能是因為土壤中有機物增加對土壤微生物活性有激活作用,達到提高微生物生物量的作用,進而分泌更多的土壤膠結物促進大團聚體形成[21]。目前關于秸稈與生物質炭配施的研究很少,其中侯曉娜等[11]研究表明秸稈與生物質炭配施處理較對照能顯著提高1~2 mm粒級團聚體含量;本研究中的秸稈與生物質炭配施處理較CK顯著提高了0.25~2 mm粒級團聚體含量,且秸稈與生物質炭配施處理的R0.25提高了14.47%。這是因為秸稈與生物質炭結合施入土壤中,不僅有秸稈這種新鮮有機物料能促進土壤真菌菌絲生長和微生物分泌的膠結物質,還有生物質炭其本身就可以作為土壤膠結物質,這些均可以將小粒級團聚體膠結成大團聚體,從而有利于大團聚體的形成,因此秸稈與生物質炭配施較生物質炭單獨施用能顯著提高大團聚體含量,改善土壤結構。
秸稈還田后經(jīng)過分解可以提高土壤總有機碳含量,減少土壤有機碳礦化分解[22]。而生物質炭本身含碳量非常高,施入農(nóng)田土壤后,不僅可以促進腐殖酸、富里酸等土壤腐殖質的形成,而且有助于土壤中碳水化合物、酯族、芳烴等有機大分子的形成,從而提高土壤有機碳含量[23]。本研究中,各處理較CK均能提高土壤總有機碳含量。一方面,有機碳作為團聚體重要的膠結物,有利于土壤中礦物和黏粒膠結形成水穩(wěn)性大團聚體,這符合本研究中各處理(除0.5BC處理)均能提高土壤>2 mm粒級團聚體含量和各項穩(wěn)定性指標。另一方面,土壤有機碳是土壤肥力和作物產(chǎn)量高低的決定性因子。隨著秸稈、生物質炭還田,本研究各處理(除0.5BC處理)的玉米和油菜的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量也均有所增加,尤其是秸稈全量還田、單施生物質炭及秸稈與生物質炭配施處理效果比較明顯,這與邱建軍等[24]的模擬研究結果類似,即在常規(guī)施肥的條件下,全國各地區(qū)均存在通過提高耕地有機碳含量增加產(chǎn)量的潛力。其中本研究中生物質炭處理(BC)和秸稈與生物質炭配施處理較對照分別顯著提高了45.55%、44.45%(P<0.05),效果較單施秸稈處理顯著,這與侯曉娜等[11]研究結果一致。這是因為一方面生物質炭其自身穩(wěn)定性較高,難以被土壤微生物降解利用,且能降低土壤呼吸[25]。另一方面生物質炭自身的孔隙結構和大的比表面積,能將土壤有機碳吸附在其表面或孔隙內(nèi),降低有機碳的生物活性或起到一定的隔離作用,這都會抑制土壤中被吸附的有機碳的分解[26]。而秸稈會促進土壤脫氫酶活性和土壤β-糖苷酶活性,加強土壤的呼吸作用,導致土壤碳素的損失[25],因此秸稈與生物質炭配施處理的土壤總有機碳含量高于單施生物質炭處理。
團聚體是土壤有機碳的重要儲存場所。安艷等[27]研究表明,土壤中添加生物質炭可以顯著提高團聚體中有機碳含量,且隨著施用量的增加而增加。本研究也發(fā)現(xiàn),生物質炭處理較對照顯著提高團聚體中有機碳含量,且隨著施用量的增加,有機碳含量呈增加趨勢,單施秸稈、秸稈與生物質炭配施同樣能提高團聚體中有機碳含量,但效果沒有生物質炭顯著。這是因為生物質炭和秸稈這兩種有機物料作為外加碳源,還田后能提高土壤碳庫。本研究中,有機碳主要分布在>0.25 mm和<0.053 mm粒級團聚體中,而粒徑為0.053~0.25 mm中有機碳含量分布最少,這與Huang等[28]研究結果一致。主要原因是有機碳本身作為膠結物質能將0.053~0.25 mm粒級團聚體膠結成大團聚體,同時大團聚體中一般較其他粒級團聚體含有較多的菌絲,而處于分解狀態(tài)的菌絲可以提高大團聚中有機碳濃度[29],因此>0.25 mm粒級團聚體中的有機碳含量較高。此外,<0.053 mm粒級團聚體中分布較多的<0.2 μm孔徑孔隙,其孔隙小于細菌所能通過的限度(3 μm),使該粒級有利于胡敏酸的形成和積累[30],從而增加了<0.053 mm粒級團聚體有機碳含量。但是由于大團聚體有機碳易受耕作方式等外界因素的影響,而粉粘粒包裹的有機碳受到了更強的物理保護,不易受到外界的影響[31]。所以本研究得出<0.053 mm粒級團聚體有機碳含量提高幅度最大,而>2 mm粒級團聚體提高幅度最小。
劉滿強等[30]研究指出<0.053 mm粒級團聚體中粉粒和黏粒具有較大的比表面積和表面電荷,能夠與有機碳緊密結合形成極為穩(wěn)定的有機-無機復合體,因此該粒級的團聚體有機碳極為穩(wěn)定。本研究中<0.053 mm粒級團聚體有機碳貢獻率相對較高,其貢獻率為31.34%~46.58%,其次為0.25~2 mm,而>2 mm粒級團聚體有機碳貢獻率較低。一方面是由于粉黏粒對有機碳庫有較好的保護,另一方面是因為團聚體有機碳貢獻率實際上是團聚體比例和團聚體有機碳含量共同決定的。雖然>2 mm粒級團聚體有機碳含量相對較高,但是該粒級團聚體所占比例較少。而<0.053 mm粒級團聚體不僅有機碳含量相對較高,其團聚體含量也相對較高,所以其團聚體有機碳貢獻率相對較高。新鮮有機質如秸稈進入土壤時,碳元素更傾向于或優(yōu)先被大團聚體所固定[32],因此本試驗條件下單施秸稈處理能顯著提高>2 mm粒級團聚體有機碳貢獻率,而其他粒級團聚體有機碳貢獻率較對照均有所下降,這與孫漢印等[33]研究結果一致。
單施秸稈對紫色土團聚體穩(wěn)定性有較大的改善作用,但并未對土壤碳水平的提升有顯著的影響,相反,單施生物質炭對紫色土總有機碳和各粒級團聚體有機碳含量均有顯著提高,但對土壤團聚體穩(wěn)定性影響較小,且單施秸稈和生物質炭均隨著施用量的增加,效果越好。此外,單施秸稈和單施生物質炭均能有效提高玉米和油菜的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量。秸稈與生物質炭配施不僅對紫色土團聚體穩(wěn)定性方面有明顯的改善作用,且能顯著提高土壤有機碳和各粒級團聚體中有機碳含量,同時能有效提高玉米和油菜的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量。綜合考慮,秸稈與生物質炭配施顯著提高了水穩(wěn)性大團聚體含量、土壤有機碳和團聚體有機碳含量,這不僅是增強紫色土抗侵蝕能力的重要途徑,也是提升土壤碳水平的較佳培肥措施。