有機物料添加對黑土團聚體穩(wěn)定性及有機碳影響1)

韓明釗 趙雨森 翟國慶 李永江 王恩姮

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其組成和穩(wěn)定性是土壤性質(zhì)和功能的基礎(chǔ)[1-2]。土壤有機碳作為形成土壤團聚體最重要的膠結(jié)物質(zhì)[3]，直接決定土壤肥力水平和土地生產(chǎn)力[4-5]。因此，增加土壤有機碳和提高團聚體穩(wěn)定性對保持土壤質(zhì)量和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，其中添加外源有機物料是增加團聚體穩(wěn)定性、提高農(nóng)業(yè)土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速而有效的途徑。除施用傳統(tǒng)有機肥外[6-7]，秸稈還田是一種常見的管理措施，增加土壤碳庫的同時[8]，可促進土壤微生物活動，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強保水性能[9]，進而提升農(nóng)田土壤生產(chǎn)力[10]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈添加量的增加，土壤大團聚體呈現(xiàn)出先上升后基本不變的規(guī)律[11]。生物炭由于富含較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定性碳[12]，近年來在改善農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量方面也受到大量關(guān)注[13]。Zhang et al.[14]發(fā)現(xiàn)秸稈和生物炭還田均能提高黑土團聚體穩(wěn)定性和有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；但在西南紫土區(qū)，生物炭還田對團聚體穩(wěn)定性的改善效果明顯不如秸稈還田[15]；還有研究指出，添加過多的生物炭可能對土壤團聚作用產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，甚至降低紅壤團聚體穩(wěn)定性[16]。由此可見，因土壤類型及環(huán)境條件的差異，不同種類及不同施用量有機物料均會對土壤團聚體組成、穩(wěn)定性及有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響產(chǎn)生差異。

東北黑土區(qū)是我國最重要的商品糧生產(chǎn)基地之一，該區(qū)長期高強度機械耕作與坡面侵蝕共同作用導(dǎo)致土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐年降低，土壤質(zhì)量退化日趨嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)[17]，退化黑土修復(fù)以及如何保持黑土生產(chǎn)力水平是亟待解決的現(xiàn)實問題。本研究以典型黑土區(qū)長期耕作的耕層土壤(0～20 cm)為研究對象，通過室內(nèi)恒溫恒濕培養(yǎng)分析了秸稈、生物炭和豬糞肥分別在3種施用量水平下對黑土團聚體組成、穩(wěn)定性及有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，旨在為改善耕層黑土結(jié)構(gòu)和提升黑土生產(chǎn)力提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于黑龍江省西北部的克山農(nóng)場(48°12′～48°23′N、125°8′～125°37′E)，海拔240～340 m，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫0.9 ℃，年均降水量501.7 mm，年均蒸發(fā)量1 329 mm，土壤以黏化濕潤腐土為主，屬于典型黑土區(qū)。坡緩而長，具有明顯的漫川漫崗地形特征。該區(qū)已全面實現(xiàn)機械作業(yè)，鏵式犁深翻配合圓盤靶整平是最常用的整地管理措施，整地深度為20～30 cm。

2 材料與方法

2.1 供試材料

2018年10月，以該區(qū)開墾年限約為60年的耕地(前茬作物為青貯玉米)為研究對象，采集0～20 cm耕層土樣帶回實驗室，在室內(nèi)剔除石礫、肉眼可見的植物殘體及根系等雜質(zhì)，風(fēng)干過2 mm篩，留待室內(nèi)培養(yǎng)。機械組成為砂粒27.87%，粉粒37.18%，黏粒34.95%；基本理化性質(zhì)為平均土壤密度1.10 g·cm-3，pH=5.91，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)23.12 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.84 g·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.52 g·kg-1。

添加秸稈為玉米秸稈，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.8%，碳氮比為25.8；生物炭由南京智融聯(lián)科技有限公司提供，以玉米秸稈為原料在500 ℃高溫厭氧條件下熱解燒制而成，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.8%，碳氮比為36.1；有機肥為豬糞發(fā)酵肥，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.6%，碳氮比為11.0。

2.2 室內(nèi)培養(yǎng)

共設(shè)置10個處理，分別為無添加對照(CK)、添加秸稈(0.5S、1.0S、2.0S)、添加生物炭(0.5B、1.0B、2.0B)、添加豬糞肥(0.5M、1.0M、2.0M)。其中，S處理依據(jù)典型黑土區(qū)實際秸稈還田量(12 000 kg·hm-2)、還田深度(20 cm)、還田耕層平均土壤密度(1.10 g·cm-3)進行計算；依據(jù)S處理添加量分別設(shè)置0.5倍(0.5S)、1.0倍(1.0S)和2.0倍(2.0S)添加梯度，每個處理3次重復(fù)。為使有機物料初始形態(tài)一致，3種物料均過2 mm篩處理。在相同倍數(shù)下，生物炭和豬糞肥采取與秸稈“等碳量”原則，最終分別將2.73、5.45、10.90 g秸稈，2.09、4.18、8.36 g生物炭和3.55、7.10、14.20 g豬糞肥添加至1 000 g風(fēng)干過2 mm篩的土樣，混合均勻后調(diào)節(jié)水分至田間持水量的65%，放入恒溫(25 ℃)通風(fēng)培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，采用恒質(zhì)量法補充水分，培養(yǎng)90 d。

2.3 指標(biāo)測定

培養(yǎng)結(jié)束后，采用土壤團粒分析儀(點將科技股份有限公司，WS1020)測定土壤水穩(wěn)性團聚體。具體操作為：稱取過10 mm篩風(fēng)干土50 g置于2.000、0.250、0.053 mm的套篩上，振幅5 cm，震動3 min，共50次。收集土篩及桶中土樣于錫紙盒中，獲得粒徑(D)>2.000 mm、0.250 mm

2.4 指標(biāo)計算

團聚體穩(wěn)定性由平均重量直徑(MWD，mm)表示，采用公式(1)計算[15]：

MWD=∑(Di×Wi/W)。

(1)

各粒級團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率(Pi，%)采用公式(2)計算[15]：

Pi=[(Ci×Wi)/(SOC×W)]×100%。

(2)

式(1)和式(2)中：Di為第i級團聚體平均直徑(mm)；Wi為第i級團聚體質(zhì)量(g)；W為團聚體總質(zhì)量(g)；Ci為第i級團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)；SOC為土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)。

2.5 統(tǒng)計分析

不同處理之間采用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進行差異性分析(α=0.05)；各指標(biāo)間相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析(α=0.05)，統(tǒng)計分析為IBM SPSS Statistics 25。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水穩(wěn)性團聚體組成及穩(wěn)定性

添加有機物料后，整體表現(xiàn)為D>0.250 mm的大粒徑團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，D<0.250 mm的團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低(表1)。其中，0.5S、1.0S、2.0S、1.0M、2.0M處理較CK顯著提高D>2.000 mm團聚體粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，且2.0S和2.0M分別顯著高于0.5S和0.5M(P<0.05)，等碳量添加條件下，秸稈效果相對較優(yōu)。對于0.250 mm0.250 mm團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效果優(yōu)于生物炭。

添加不同有機物料對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響差異明顯(表1)。與CK相比，添加秸稈、豬糞肥均顯著提高土壤團聚體MWD，提高幅度分別為20.0%～53.3%和7.8%～23.3%。而添加生物炭僅1.0B處理顯著提高MWD(P<0.05)，0.5B和2.0B處理均無明顯效果。總體而言，在改善土壤團聚體穩(wěn)定性方面，添加秸稈效果最佳，其次是豬糞肥，且添加量越大效果越顯著。

表1 添加不同有機物料后各級土壤團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)及穩(wěn)定性

3.2 土壤總有機碳及團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3種有機物料均能不同程度提高土壤總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見表2)，添加生物炭和豬糞肥處理較CK分別提高2.6%～24.7%和5.9%～10.9%，且除0.5B處理外均達顯著水平(P<0.05)；但添加秸稈對提高土壤總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)效果不顯著。各粒級團聚體有機碳對不同有機物料的響應(yīng)整體上呈D>0.250 mm團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加、D<0.053 mm團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的趨勢(見表2)。其中1.0S和2.0S處理較CK分別顯著提高0.053 mm0.053 mm團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較另外2種有機物料更為明顯，且2.0M均顯著高于0.5M，其中，0.250 mm

表2 添加不同有機物料后土壤總有機碳及團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg-1

3.3 各粒徑團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻

各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的相對貢獻率與各粒級團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持基本一致的變化規(guī)律(見表3、表1)，土壤有機碳主要分布在0.250 mm80%)。與CK相比，0.5S、1.0S、2.0S處理均能顯著提高D>2.000 mm團聚體有機碳的貢獻率，且2S顯著高于0.5S，同時在等碳量添加下，秸稈處理均顯著高于生物炭和豬糞肥處理(P<0.05)；0.5M、1.0M、2.0M處理不但提高了D>2.000 mm團聚體有機碳貢獻率，其中2.0M處理顯著高于0.5M、1.0M處理，同時還顯著提高了0.250 mm

表3 添加不同有機物料后各粒徑團聚體有機碳對總有機碳的貢獻率

3.4 團聚體穩(wěn)定性與團聚體組成及有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤團聚體的MWD與D>2.000 mm團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)(R=0.981，P<0.01)，與0.053 mm

4 討論

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是診斷土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其形成和穩(wěn)定性對土壤固碳至關(guān)重要[18]。本研究中，添加秸稈有效促進了D>2.000 mm團聚體形成，這是由于秸稈含有豐富且不易分解的木質(zhì)素，可直接作為大團聚體的內(nèi)核吸附細小顆粒形成大團聚體[19]；其次，新鮮秸稈在分解過程中產(chǎn)生多種有機膠結(jié)物質(zhì)(如碳水化合物、蛋白質(zhì)等)，同時增強土壤微生物活性，增加微生物的代謝產(chǎn)物，進而促進大團聚體形成[20]。添加豬糞肥雖然顯著提高了0.250 mm2.000 mm團聚體形成的效果不如秸稈處理，這可能是由于與秸稈相比，豬糞肥的碳氮比較低，沒能像秸稈處理那樣為真菌生長創(chuàng)造有利的環(huán)境，所以其纏繞細小顆粒形成大團聚體的概率相對較低[21]。而生物炭一方面高溫?zé)峤庵瞥桑哂蟹€(wěn)定的芳香化結(jié)構(gòu)，難以進一步降解被微生物分解[22]，另一方面大量生物炭會導(dǎo)致土壤總孔隙度增加，阻礙了土壤顆粒之間的接觸[23]，因此不利于D>2.000 mm團聚體的形成。所以，基于團聚體組成的穩(wěn)定性(MWD)也呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，即添加秸稈、豬糞肥均顯著提高團聚體穩(wěn)定性，其中秸稈優(yōu)于豬糞肥；而添加生物炭效果相對不明顯。

添加3種有機物料均能增加土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但增加幅度有所差異，其中，2.00處理土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，且顯著高于1.0B、2.0S、2.0M處理(P<0.05)，這與王富華等[15]的研究結(jié)果相似。這是由于生物炭一方面含有大量的惰性碳與土壤團聚體結(jié)合后直接提高土壤有機碳[24]，另一方面其特殊的孔隙結(jié)構(gòu)和大比表面積使碳素吸附在其表面或孔隙內(nèi)，起到一定的隔離作用，削弱了土壤有機碳的分解[25]。而添加秸稈和豬糞肥為土壤微生物提供了良好的營養(yǎng)環(huán)境，首先易分解有機物在細菌的作用下快速礦化分解，然后難分解物質(zhì)在真菌作用下經(jīng)復(fù)雜的變化過程，形成難分解的腐殖物質(zhì)，進而增加土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[26-27]，但同時也會提高與有機碳周轉(zhuǎn)相關(guān)酶的活性，加強了土壤呼吸作用，削弱了碳素的積累[28]；因此，生物炭提高土壤總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)于秸稈和豬糞肥。也有研究發(fā)現(xiàn)，有機物料的碳氮比越高，越不易腐解[29]。本研究豬糞肥相比秸稈擁有更低的碳氮比，腐解速度更快，促進了團聚體對外源新碳的吸收和轉(zhuǎn)化，因此等碳量添加條件下，豬糞肥在提高土壤總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面優(yōu)于添加秸稈。還有研究表明，秸稈碳主要是以顆粒有機碳(POC)的形態(tài)積累在土壤團聚體中[30]。本研究中秸稈碳更傾向貯藏在0.053 mm

值得注意的是，雖然添加生物炭后土壤總有機碳提高幅度最大，但僅2.0B處理下顯著提高了0.250 mm0.053 mm團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于等碳量添加秸稈和豬糞肥處理，這可能是由于生物炭作為直接碳源并且自身穩(wěn)定，不易分解產(chǎn)生膠結(jié)物質(zhì)，進而在獲取水穩(wěn)性團聚體時部分結(jié)合不穩(wěn)定的生物炭發(fā)生流失所致，并不利于提高水穩(wěn)性團聚體中有機碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可能與本研究培養(yǎng)周期較短有關(guān)，在較長培養(yǎng)周期的研究中生物炭的效果也可能會更明顯[31-32]。此外，添加有機物料均顯著降低D<0.053 mm團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：一方面因為添加外源新碳加速了有機碳的周轉(zhuǎn)，提高了有機碳礦化分解[33]；另一方面可能是D<0.053 mm團聚體由于團聚到其他粒級，導(dǎo)致碳素發(fā)生了物理遷移[34]，加之本試驗培養(yǎng)時間較短，部分新碳還未充分轉(zhuǎn)移到微團聚體中，因此導(dǎo)致該粒級團聚體有機碳顯著降低。通過分析各粒級團聚體有機碳貢獻率發(fā)現(xiàn)，添加秸稈主要通過促進D>2.000 mm團聚體形成進而提高該團聚體有機碳貢獻率，豬糞肥則不僅能夠促進D>0.250 mm團聚體形成還可以有效促進團聚體結(jié)合外源新碳，因此1.0M、2.0M處理顯著提高D>0.250 mm團聚體有機碳貢獻率(P<0.05)，由此可見，添加秸稈、豬糞肥后，其碳素優(yōu)先固定在大團聚體中。

大團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)所占比例越大，團聚體越穩(wěn)定，因此本研究中MWD與D>2.000 mm團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與0.053 mm

5 結(jié)論

添加秸稈和豬糞肥分別通過促進D>2.000 mm和D>0.250 mm水穩(wěn)性團聚體的形成，顯著提高MWD，而添加生物炭對MWD的影響不顯著。相反，添加生物炭對土壤總有機碳的提高效果最好，豬糞肥次之，而秸稈未能顯著提高土壤總有機碳水平；此外，添加豬糞肥可以有效提高D>0.053 mm各個粒級團聚體有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而秸稈新碳更易貯藏在0.053 mm