秸稈和生物炭還田對稻田土壤有機碳及其礦化的影響

楊宏偉, 王小利, 龍大勇, 段建軍, 梅婷婷, 徐 彬, 蒙婼熙, 盧清濤

(1.貴州大學農學院,貴州貴陽 550025; 2.貴州大學煙草學院/貴州省煙草品質研究重點實驗室,貴州貴陽 550025)

有機碳(SOC)是土壤碳庫中最為活躍的一種物質,它對土壤的質量和肥力有著重要的影響,其礦化是土壤碳平衡、養分循環的關鍵過程,同時也是主要的溫室氣體排放源,研究其在農田中的含量變化和礦化特征有助于實現作物增產和稻田固碳減排的目標[1-3]。活性有機碳(AOC)是由土壤中活性高、易礦化且能快速周轉的一類有機碳組成的,盡管活性有機碳在土壤有機碳中占比較小,但反應靈敏,能夠對土壤碳庫變化迅速作出響應,對研究土壤肥力概況有重要意義[4-6]。碳庫管理指數(CPMI)通過土壤碳庫與碳庫活度來反映不同施肥方式下土壤有機碳含量和組分的變化,CPMI越高,相應的栽培措施對土壤的培肥作用就越大,可以反映出土壤的肥力和品質[7-8]。

過量施用肥料使得土壤酸化和養分流失,間接導致土壤質量嚴重下降[9]。最新數據顯示,我國秸稈資源產量約8.55億t,有超過半數的光合作用產物儲存于秸稈中,包括大量的有機碳和氮、磷、鉀等養分,其隨意丟棄或就地焚燒,既會造成資源的浪費,也會對生態產生危害[10-11]。秸稈在微生物作用下轉化為腐殖質,提高了土壤中有機質的含量,并為農作物的生長提供營養,秸稈經高溫熱解成生物炭還田被認為是增加土壤碳固存以及減少溫室氣體排放的一種有價值的手段[12-13]。在土壤中加入生物炭,既能很好地保持土壤濕度,增強土壤肥力,為農作物的生長提供良好的環境,更能降低有機碳礦化,提高土壤有機碳含量,起到固碳減排的效果[14-15]。

本研究利用秸稈和生物炭進行田間試驗,以不施肥和單施化肥作為對照,研究水稻耕層土壤總有機碳含量、活性有機碳含量、有機碳礦化及碳庫管理指數的特征變化,以揭示秸稈及其生物炭還田在黃壤性水稻土培肥方面的差異,以期為貴州省作物秸稈的開發利用與稻田固碳培肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點為貴州省安順市西秀區雞場鄉(106°5′58″E,26°7′10″N),屬亞熱帶季風濕潤性氣候,年均降水量968～1 309 mm,年均氣溫13.2～15.0 ℃,海拔1 204 m。試驗土壤為黃壤性水稻土,其基本性質為pH值5.19,有機質含量 35.16 g/kg,堿解氮含量177.03 mg/kg,速效磷含量9.14 mg/kg,速效鉀含量96.09 mg/kg。

1.2 試驗設計和試驗材料

本試驗共設置4個處理,依次為對照(CK,不施肥)、單施化肥(NPK,肥料施用量N 150 kg/hm2、P2O540 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2)、秸稈配施化肥還田(NPKS,還田量為15 t/hm2)、生物炭配施化肥還田(NPKB,還田量為4 t/hm2,15 t秸稈約能碳化得到4 t生物炭)。各處理小區面積為72 m2(4 m×18 m)采用大區對比試驗,不設重復。在播種前一次性施用全部秸稈、生物炭、磷肥及50%的氮肥、鉀肥,剩余50%氮肥按3 ∶2的追肥比例分別于分蘗期和抽穗期施用,剩余50%鉀肥則于抽穗期作追肥全部施用,并于2021年6月進行移栽,其他田間管理與當地水田管理保持一致,種植模式為單季稻。

供試水稻秸稈生物炭(B):炭化溫度450 ℃,pH值 8.65,有機碳含量344.97 g/kg,全氮含量 5.99 g/kg,全磷含量1.99 g/kg、全鉀含量27.15 g/kg。供試水稻秸稈(S):有機碳含量102.55 g/kg,全氮含量0.62 g/kg,全磷含量0.12 g/kg、全鉀含量 3.26 g/kg。供試化肥為含N 46.2%的尿素、含P2O516%的過磷酸鈣、含K2O 60%的氯化鉀。供試水稻品種為錦城優雅禾(錦城2A×雅禾),全生育期152 d。

1.3 土壤采集與測定

將各小區等分為3個樣塊(每個樣塊24 m2),作為3次重復。于2021年9月24日,采用“五點取樣”的方法,在所有處理內采集0～20 cm土壤樣品,剔除可見根系和植物殘體,混勻分成2份,一份風干后,分別過0.15、0.25 mm的篩子進行密封保存,用于土壤有機碳、全氮(TN)及易氧化有機碳(ROC)含量的測定,另外一份經過2 mm篩子后存放在 4 ℃ 的冰箱中,以備土壤有機碳的礦化培養和可溶性有機碳(DOC)、微生物量碳(MBC)的含量測定。SOC和TN含量按魯如坤的方法[16]測定。DOC含量采用0.5 mol/L的K2SO4浸提法[17]測定。土壤MBC含量采用三氯甲烷熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提法[17]測定。ROC含量采用0.333 mol/L KMnO4氧化法[18]測定。

1.4 室內恒溫培養試驗

采用堿液吸收法:每個田間重復設置3個室內平行,同時設6個空白作對照,一共42組礦化培養系統。每組礦化培養系統中,于50 mL廣口瓶中稱取2 mm的鮮土(4 ℃冷藏)30.0 g,并用蒸餾水調節土壤含水量至35%,置于1 000 mL培養瓶底部,加蓋密封,在25 ℃、濕度為45%的恒溫箱中暗預培養7 d。預培養后,在培養瓶的底部放置堿液吸收杯(1 mol/L NaOH溶液10 mL),分別于培養的第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45天時,調節礦化培養系統含水量并更換堿液吸收杯,向堿性吸收杯中加入1 mol/L BaCl2溶液2 mL和 2～3滴酚酞指示劑,最后用0.1 mol/L的 HCl溶液(用無水Na2CO3溶液標定)滴定直至紫紅色消失為止。

1.5 數據計算

1.5.1 碳庫管理指數 以CK處理作為參考土壤,具體計算方法如下:

穩態碳(SC,g/kg)=樣品有機碳含量(g/kg)-樣品易氧化有機碳含量(g/kg);

碳庫指數(CPI)=樣品有機碳含量(g/kg)/參考土壤有機碳含量(g/kg);

碳庫活度(A)=樣品易氧化有機碳含量(g/kg)/穩態碳含量(g/kg);

碳庫活度指數(AI)=樣品碳庫活度(A)/參考土壤碳庫活度(A0);

碳庫管理指數(CPMI)=CPI×AI×100。

1.5.2 有機碳礦化相關指標 有機碳礦化量(mg/kg)=c(HCl)×(V0-V1)×22/0.03。

式中:c(HCl)表示鹽酸濃度,mol/L;V0為空白滴定的體積,mL;V1為消耗鹽酸的體積,mL。

有機碳累積礦化量(g/kg)=從培養開始到結束土壤釋放的CO2量的總和;

礦化速率[mg/(kg·d)]=培養時間段內有機碳礦化量(mg/kg)/培養時間(d);

有機碳累積礦化率(%)=樣品有機碳累積礦化量(g/kg)/樣品有機碳含量(g/kg)。

1.6 數據分析

利用Excel 2010進行數據處理和作圖;采用SPSS 26.0軟件進行多重比較(Duncan’s法,α=0.05)和Pearson相關性分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈及其生物炭對稻田土壤碳氮比的影響

由圖1可知,NPKB處理土壤SOC含量最高,為19.42 g/kg;與CK相比,NPK、NPKS和NPKB處理均顯著提高了土壤SOC含量,增幅分別為8.34%、10.71%和18.20%(P<0.05);與NPK和NPKS處理相比,NPKB處理顯著提高了土壤SOC含量,增幅分別為9.10%和6.76%。NPKS處理土壤TN含量最高,為2.34 g/kg;與CK處理相比,NPK和NPKS處理均顯著提高了土壤TN含量,增幅分別為10.20%和19.39%,NPKB處理則無顯著影響。土壤C/N反映土壤的供肥能力,與CK相比,NPK和 NPKS處理對土壤C/N的影響不顯著;與CK、NPK和NPKS處理相比,NPKB處理顯著提高了土壤 C/N,增幅分別為21.33%、23.10%和30.85%。總體來看,添加生物炭對水稻土SOC含量和C/N提升效果最佳,添加秸稈對水稻土TN含量提升效果最佳。

2.2 秸稈及其生物炭對稻田土壤活性有機碳含量及其分配比例的影響

由表1可知,除ROC/SOC外,NPK、NPKS和NPKB處理較CK處理均不同程度地增加了土壤活性有機碳含量及其分配比例。其中,NPKS、NPKB處理較CK處理土壤ROC含量分別顯著增加25.64%、14.74%,較NPK處理分別顯著增加25.37%、14.50%(P<0.05);NPK、NPKS和NPKB處理的DOC含量較CK處理分別顯著增加20.21%、60.04%和36.43%,MBC含量分別顯著增加23.89%、68.25%和32.08%。ROC/SOC、DOC/SOC和MBC/SOC分別為26.36%～32.30%、0.37%～0.53%和1.21%～1.84%;與CK、NPK和NPKB處理相比,NPKS處理的ROC/SOC分別顯著增加13.67%、22.53%和16.73%,MBC/SOC分別顯著增加52.07%、33.33%和36.30%;與CK相比,NPK、NPKS和NPKB處理的DOC/SOC分別顯著增加10.81%、44.24%和13.51%。綜上可知,土壤活性有機碳含量及其有效率均以NPKS處理為最高,并與其他處理達顯著差異。

2.3 秸稈及其生物炭對稻田土壤碳庫管理指數的影響

采用 CK作為參照土壤,計算并分析了不同施肥條件下的土壤碳庫管理指數。由表2可知,NPKB可以大幅度提升SOC含量,這部分碳以穩定碳(SC)為主,活性較低。NPKS處理顯著提高了土壤碳庫活度(A)和碳庫活度指數(AI),其中NPKS處理的AI較CK、NPK和NPKB處理分別提高19.00%、32.22%和23.96%(P<0.05);NPKB處理顯著提高了土壤碳庫指數(CPI),比CK、NPK和NPKS處理分別提高18.00%、9.26%和6.31%。CPMI是衡量土壤有機碳質量的一個重要指標,NPKS、NPKB處理較CK、NPK處理可以顯著提高CPMI,分別提高32.38%、36.42%和13.00%、16.45%,NPK處理與CK相比,土壤碳庫管理指數無顯著差異,表明單施化肥對提高土壤碳庫管理指數的作用并不顯著,有機物料配施化肥則可以顯著提升土壤的培肥效果。

表1 不同處理的土壤活性有機碳含量及其分配比例

表2 不同處理的土壤碳庫管理指數

2.4 秸稈及其生物炭對稻田土壤有機碳礦化的影響

2.4.1 土壤有機碳礦化速率 由圖2可知,在礦化培養的45 d內,土壤有機碳礦化速率總體上均表現出相似的下降趨勢,其在第1天處于最大值并快速下降至第6天,第6天的礦化速率是第1天的51.96%～73.64%;第6～45天,礦化速率緩慢下降,第45天的礦化速率是第1天的26.99%～34.44%。在整個培養期間,與CK處理相比,NPKS處理可大幅度提升土壤有機碳礦化速率,NPKB處理可大幅度降低土壤有機碳礦化速率,NPK處理對土壤有機碳礦化速率影響較小。

2.4.2 土壤有機碳累積礦化量和累積礦化率 如圖3-A所示,隨著培養時間的延長,各處理的有機碳累積礦化量逐漸增大并于第45天達最大值,其中以NPKS處理有機碳累積礦化量最高,NPKB處理有機碳累積礦化量最低,培養結束后(第45天),NPKS、NPKB處理的累積礦化量分別為2.82、2.14 g/kg。在培養期間,NPKB處理較 CK處理的土壤有機碳積累礦化量有所下降,其他處理的大幅上升,并且以NPKS處理提升幅度最大;培養結束后(第45天),NPKB處理較CK處理降低7.36%,其他處理較CK處理提高8.66%～22.08%,所以NPKB處理可以降低土壤有機碳礦化。

有機碳累積礦化率是土壤固碳能力的重要指標,其值越低表示固碳能力越強。如圖3-B所示,礦化培養結束后,各處理土壤有機碳累積礦化率在11.01%～15.51%,NPKS處理土壤有機碳累積礦化率顯著高于其他3個處理(P<0.05),增幅為10.39%～40.87%,NPK處理與CK差異不顯著,NPKB處理則顯著低于其他處理,表明NPKS處理對土壤的固碳有明顯的抑制作用,NPKB處理則對土壤的固碳有明顯的促進作用,生物炭還田能夠顯著增加土壤有機碳含量。

2.5 土壤有機碳礦化與各指標的關系

相關性分析所用數據為各指標的平均值。結果(表3)表明,土壤有機碳累積礦化量與MBC含量、ROC/SOC、A和AI呈顯著正相關關系(P<0.05),與TN含量、DOC/SOC和MBC/SOC呈極顯著正相關關系(P<0.01),與C/N呈極顯著負相關關系,與SOC、DOC、ROC、SC、CPI和CPMI的相關性未達到顯著水平。

表3 土壤有機碳累積礦化量與各指標的相關性

3 討論

3.1 秸稈及其生物炭對土壤碳氮比的影響

有機碳作為土壤的主要養分來源,其分解和固定都間接影響農業生態系統中的養分循環、水熱平衡、土壤有機質周轉和全球陸地生態系統碳平衡[19]。本研究表明,NPKB處理顯著提高了SOC含量和C/N,這與郭琴波等的研究結果[20]一致,原因可能是秸稈生物炭自身具有較高的C/N,難以降解的穩定態有機碳含量豐富,并且秸稈生物炭具有豐富的速效養分和較大的孔隙度,為微生物提供了活動場所和養分來源,有利于土壤有機碳固定積累[21-22]。有研究發現,秸稈配施化肥能夠影響土壤微生物促進土壤中無機氮向有機氮轉化過程,進而提高土壤全氮含量[23],這與本研究結果一致。

3.2 秸稈及其生物炭對土壤活性有機碳及其分配比例和碳庫管理指數的影響

有機碳庫因對外部因素的敏感性和周轉速率不同,它可以被分成三大類:活性有機碳、緩效有機碳、惰性有機碳,其中活性有機碳含量或組成的變化對田間施肥措施的響應相對較快,其能對土壤質量變化和養分循環做到敏感監測[24-25]。本研究顯示,秸稈、生物炭與化肥配合施用能增加土壤中的有機碳活性組分含量,其中以秸稈配施化肥效果最顯著,這與魏夏新等的研究結果[26]一致;因為秸稈自身就含有較高的有機碳,并且由于微生物的分解作用使其釋放出更多的養分,使得活性有機碳含量得以積累。有研究指出,ROC/SOC和DOC/SOC能夠反映土壤的碳庫狀況,其數值愈高,微生物對有機物的降解愈有利,反之則有機碳愈穩定[27]。在本研究中,NPKS處理能夠顯著提高ROC/SOC和DOC/SOC,究其原因是秸稈還田后經微生物降解,使土壤中 ROC、 DOC含量升高;MBC/SOC的變化則反映了土壤中MBC的來源及轉化效率[28],本研究中,通過秸稈與化肥配合施用,可以明顯地增加MBC/SOC值,表明在施用秸稈后,土壤有機碳的循環速度顯著提高。

碳庫管理指數(CPMI)對土壤有機碳和活性成分的變化具有靈敏的監測作用,可以更好地反映土壤的品質,是評價土壤質量對施肥措施響應的重要指標[29]。本研究以不施肥耕層土壤作為參考,發現NPKS處理較NPKB處理顯著提高了CPMI,這說明秸稈直接還田較秸稈碳化還田更有利于土壤碳庫活度的提高及質量的改善,追究其原因在于總有機碳和穩態碳(SC)/活性碳(AOC)的含量和比值差異巨大,這與王毅等的研究結果[30-31]一致。

3.3 秸稈及其生物炭對土壤有機碳礦化的影響

微生物將有機碳降解為二氧化碳并釋放大量養分元素的過程稱之為有機碳礦化,是碳循環的重要組成部分,在全球氣候變化中發揮重大作用[32-33]。本研究中,所有處理CO2釋放速率均呈相似的下降趨勢,這與前人的研究結果[34-35]一致,這是由于在礦化初期,土壤中有大量的活性有機碳和速效養分,微生物活性增強,促進CO2釋放,隨著礦化時間的延長,土壤中的有機碳主要是難降解的惰性組分碳,微生物活性減弱,有機碳礦化被限制[36-37]。本試驗中,有機碳累積礦化量和有機碳累積礦化率均以NPKS處理為最高,以NPKB處理為最低,這可能是由于秸稈還田后,秸稈中的活性有機碳、纖維素和糖類等可直接利用的碳氮源,為微生物活動提供了足夠的養分源,而生物炭則因為其強吸附性和含有大量惰性有機碳,無法為微生物提供可利用碳源的同時降低了對土壤原生有機碳的降解,能夠將有機碳更好地長期固存于土壤中[38],這說明秸稈還田會降低土壤固碳能力,而生物炭還田則能夠顯著提高土壤固碳能力。

3.4 土壤有機碳礦化與各指標的關系

土壤碳氮比直接或間接地影響著有機碳礦化,土壤有機碳積累礦化量和土壤TN含量之間存在著極顯著的正相關性,而和C/N呈極顯著負相關關系,這與牛淑娟的研究結果[39]一致,但與土壤SOC含量無顯著相關性,這可能是由于外源碳的投入改變了土壤碳氮元素比例,間接影響了有機碳礦化。土壤有機碳累積礦化量與MBC含量、ROC/SOC呈顯著正相關關系,與MBC/SOC、DOC/SOC呈極顯著正相關關系,表明土壤活性有機碳能夠顯著影響有機碳礦化,這與林仕芳等的研究結果[40]一致;隨著微生物可利用礦化底物的增加,微生物的數量和活力也會增加,有機碳的礦化能力也會增強。而土壤有機碳累積礦化量與ROC含量的相關性較弱,這是由于施肥差異導致處理間土壤肥力不同,微生物群落對不同基質的利用能力也有一定的影響[41]。本研究中,土壤有機碳累積礦化量與A和AI呈顯著正相關關系,表明土壤有機碳礦化受碳庫活度的影響,碳庫活度越高,有機碳礦化越強。

4 結論

秸稈配施化肥還田,土壤全氮含量、活性有機碳含量、碳庫活度指數和碳庫管理指數均顯著增加;生物炭配施化肥還田,使土壤有機碳含量、碳庫指數和碳庫管理指數顯著增加,其中有機碳以穩態碳為主。

秸稈配施化肥對土壤有機碳礦化有明顯的促進作用,并使其穩定性下降;生物炭配施化肥則對土壤有機碳礦化有明顯抑制作用,增加了穩定態有機碳含量,有利于土壤固碳培肥。

綜上,從土壤固碳培肥的角度考慮,生物炭是更合理的水稻秸稈還田方式。