王 飛, 李清華, 何春梅, 王 珂, 游燕玲, 黃毅斌

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所 福州 350013)

土壤有機碳(SOC)是土壤肥力的基礎(chǔ), 在促進土壤結(jié)構(gòu)形成方面發(fā)揮重要作用[1]。而作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元, 團聚體形成過程也是土壤碳固持的重要機制, 對提高土壤肥力以及調(diào)節(jié)養(yǎng)分有重要作用[2-3]。土壤團聚體能夠反映土壤持水性、通透性、供儲養(yǎng)分的能力, 不同粒級團聚體的數(shù)量、分布以及性質(zhì)是決定土壤侵蝕、壓實、板結(jié)等物理退化過程的重要指標之一[4-5]。土壤中大約有90%的有機碳儲存在團聚體中[6]。一般而言, 粉黏粒比大團聚體和微團聚體更具穩(wěn)定性, 但其固持有機碳的能力有限[7];大團聚體固持有機碳的能力高于微團聚體, 但穩(wěn)定性稍差[8]。長期施肥能夠促進紫色水稻土大團聚體的形成, 從而增強團聚體對有機碳的物理保護作用[9]。另一方面, 土壤中大團聚體的形成及穩(wěn)定性取決于土壤有機質(zhì)或碳水化合物的數(shù)量, 有機質(zhì)能夠減少團聚體的分散率[10]。有機和無機肥配施(豬糞+氮肥)不僅增加棕壤大團聚體(＞0.25 mm)含量, 還提高了團聚體穩(wěn)定性, 增加了各粒級團聚體SOC含量[11]。黑土中0.25～2 mm粒級團聚體為優(yōu)勢粒級, 長期有機無機肥料配施促進了大團聚體的形成和固碳作用[12]。前人研究施肥對團聚體形成及有機碳固持的影響多集中在北方旱作區(qū), 受氣候生態(tài)、土壤類型與耕作方式的影響, 施肥對團聚體及固碳能力影響在不同區(qū)域研究結(jié)果差異較大, 存在不確定性, 且農(nóng)田有機碳變化是一個長期過程, 區(qū)域性土壤需要長時間才可完整掌握變化規(guī)律。

黃泥田為南方紅黃壤區(qū)廣泛分布的一類中低產(chǎn)田, 主要分布在山地丘陵、山前傾斜平原、濱海臺地和河谷階地, 約占福建低產(chǎn)田面積的40%, 具有酸、瘦、黏、淺、旱等特性[13]。目前對于有機碳含量低的紅黃壤區(qū)的黏瘦型黃泥田, 長期施肥下土壤團聚體對有機碳的固持情況尚不明確。此外, 物理分組方法由于破壞性小而成為近些年來研究土壤有機碳組分的主流, 但團聚體系由更多級的微團粒凝聚而成, 不同施肥下黃泥田土壤團聚體內(nèi)有機碳組分分配情況也缺乏系統(tǒng)研究。因此, 明確不同施肥對該類水稻土團聚體有機碳固持及其組分的影響, 對南方中低產(chǎn)田改良培肥及固碳管理具有重要意義。

本研究借助南方典型黃泥田36年長期定位試驗, 采用濕篩和重液懸浮法, 解析各粒級團聚體對總有機碳的固持貢獻以及團聚體內(nèi)有機碳組分質(zhì)量比重與含量等分配特征, 以期為南方黃泥田培肥模式構(gòu)建及土壤碳庫優(yōu)化管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點位于農(nóng)業(yè)部福建耕地保育科學(xué)觀測實驗站內(nèi)(福建省閩侯縣白沙鎮(zhèn)), 地處南亞熱帶與中亞熱帶過渡區(qū), 海拔高度15.4 m, 年平均溫度19.5 ℃, ≥10 ℃的活動積溫6422 ℃, 年降雨量1350.9 mm, 年蒸發(fā)量1495 mm, 年日照時數(shù)1812.5 h, 無霜期311 d。土壤類型為滲育型水稻土亞類黃泥田土屬, 成土母質(zhì)為低丘坡積物。定位試驗從1983年開始, 初始耕層(0～20 cm)土壤基本性質(zhì)為: pH 4.90, 有機碳12.5 g·kg-1, 堿解氮141 mg·kg-1, 速效磷12 mg·kg-1, 速效鉀41 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于1983年。試驗設(shè)4個處理, 分別為不施肥(CK)、單施化肥(NPK)、化肥+牛糞(NPKM)和化肥+稻秸全量還田(NPKS)。每個處理3個重復(fù),每個小區(qū)面積12 m2, 隨機區(qū)組排列。施肥處理每季統(tǒng)一施用化肥N 103.5 kg·hm-2、P2O527 kg·hm-2、K2O 135 kg·hm-2。牛糞養(yǎng)分平均含量如下: 有機碳249.9 g·kg-1、N 13.2 g·kg-1、P2O58.0 g·kg-1、K2O 8.9 g·kg-1, 干牛糞每茬施用量為3750 kg·hm-2。稻秸施用量是上茬稻秸全部還田, 風(fēng)干樣重量為3660～5150 kg·hm-2, 稻秸多年養(yǎng)分平均含量為有機碳377.3 g·kg-1、N 7.8 g·kg-1、P2O52.1 g·kg-1、K2O 27.1 g·kg-1。供試化肥分別用尿素、過磷酸鈣、氯化鉀。一半的氮肥和鉀肥作基肥, 另一半作分蘗追肥, 磷肥全部作基肥施用。試驗地1983-2004年種植雙季稻, 2005年始種植單季稻。水稻品種每3～4年更換一次, 與當(dāng)?shù)刂髟云贩N保持一致。歷年水稻(Oryza sativa)品種為‘威優(yōu)64’ ‘丁優(yōu)’ ‘豆花’ ‘白沙428’ ‘粵優(yōu)938’‘宜香優(yōu)2292’ ‘中浙優(yōu)1號’ ‘中浙優(yōu)8號’, 其中2018年供試水稻品種為‘中浙優(yōu)8號’。

1.3 樣品采集與分析

2018年水稻收割后(10月中旬)第2天, 使用不銹鋼采土器采集各試驗小區(qū)0～20 cm耕層土壤樣品,每小區(qū)隨機選取5個取樣點, 然后將樣品均勻混合作為一個重復(fù)。樣品帶回實驗室后, 去除其中的石塊、植物殘體等雜質(zhì), 置于陰涼通風(fēng)處并適時翻動,將大土塊沿土壤自然結(jié)構(gòu)剝成小塊土樣(5 mm以內(nèi)), 風(fēng)干后樣品一部分用于土壤團聚體測定, 剩余部分用于SOC含量分析。

團聚體的分級采用濕篩法, 參考Six等[14]與徐江兵等[15]方法, 并稍作改進。稱取100 g風(fēng)干土, 在25 ℃環(huán)境下濕潤10 min, 然后將土壤放入濕篩筒中完全浸潤5 min, 最后通過土壤團粒分析儀(ZY200-Ⅱ型)上下勻速振動5 min, 振幅4 cm, 讓土樣依次通過2 mm、0.25 mm、0.053 mm的篩子, 得到4種粒級的團 聚 體: ＞2 mm, 0.25～2 mm, 0.053～0.25 mm, ＜0.053 mm (差減法), 將各個粒級的團聚體在40 ℃下烘干,并稱重。鑒于不同文獻對團聚體粒級命名方式不一,本研究將上述4種粒級分別命名為大團聚體、中間團聚體、微團聚體與粉+黏粒[16-17]。

隨后對大團聚體和中間團聚體固持的有機碳進行輕組組分與重組組分分級。分別稱取大團聚體與中間團聚體5.00 g樣品置于50 mL離心管中, 加入相對密度為1.78 g·cm-3的碘化鈉重液, 振蕩10 min,3500 r·min-1離心15 min, 隨后將含有輕組有機碳(LFC)的上清液倒入0.45 μm微孔濾膜中, 用去離子水沖洗濾膜5次。重復(fù)上述操作步驟3次, 過濾后的上清液在60 ℃下烘干。再用去離子水清洗剩余重組組分(每次50 mL, 3次), 再加入0.5%的六偏磷酸鈉溶液振蕩18 h進行分散, 分散后的重組組分依次倒入0.25 mm、0.053 mm篩子, 將留在篩子上的0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團聚體內(nèi)分別記為團聚體內(nèi)粗顆粒有機碳(CF)和團聚體內(nèi)細顆粒有機碳(FF), 通過0.053 mm 篩子的記為礦物結(jié)合態(tài)有機碳(mSOC)[15]。各組分60 ℃烘干稱重。

原土、各粒級團聚體和大中團聚體內(nèi)分離的各組分均研磨過100目篩, 其有機碳含量采用元素分析儀(TruMac CNS Analyzer, LECO, USA)進行檢測。

1.4 計算方法

有機碳投入: 包括水稻根系與稻茬碳投入、稻秸碳投入與牛糞碳投入, 計算方法參照Li等[18]與王飛等[19]的方法。各處理有機碳投入量如表1所示。

表 1 不同施肥處理有機碳多年平均投入量Table 1 Multi-year average of organic carbon inputs under different fertilization treatments t(C)·hm-2·a-1

式中: SOCi為各粒級有機碳含量,Wi為各粒級團聚體質(zhì)量所占比例。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2016、DPS7.05進行統(tǒng)計分析和作圖。方差分析采用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥處理對土壤團聚體組成的影響

圖1顯示, 各處理耕層(0～20 cm)土壤團聚體組成以大團聚體(＞2 mm)與中間團聚體(0.25～2 mm)為主。NPKM、NPKS處理后大團聚體質(zhì)量比重分別比CK處理提高22.0與15.5個百分點, 比NPK處理提高18.1與11.7個百分點, 差異顯著(P＜0.05)。與CK相比, NPK處理后中間團聚體質(zhì)量比沒有明顯變化, 而NPKM與NPKS處理分別使中間團聚體質(zhì)量比重顯著降低14.3與10.2個百分點(P＜0.05)。不同施肥處理使耕層土壤微團聚體(0.053～0.25 mm)質(zhì)量比重較CK降低2.4～6.1個百分點, 其中NPKM處理降低最為明顯(P＜0.05)。上述結(jié)果說明, 長期施肥增加了黃泥田土壤大團聚體的質(zhì)量比重, 而不同程度降低了其他粒級的比重, NPKM處理表現(xiàn)尤為明顯。

表 2 不同施肥處理下各粒徑團聚體對全土有機碳固持貢獻率Table 2 Contribution rates of organic carbon soil aggregates to bulk soil organic carbon under different fertilizations %

圖 1 不同施肥處理對耕層(0～20 cm)土壤團聚體組成的影響Fig.1 Effect of different fertilizations on the percentage of soil aggregates of 0-20 cm soil layer

圖 2 不同施肥處理對耕層(0～20 cm)土壤團聚體有機碳含量的影響Fig.2 Effect of different fertilizations on the organic carbon content of soil aggregates in 0-20 cm layer

2.2 長期不同施肥處理對各粒級土壤團聚體有機碳固持貢獻的影響

圖2顯示, 與CK相比各施肥處理的原土有機碳含量顯著升高16.9%～43.9% (P＜0.05); 與NPK相比,NPKM與NPKS處理的原土有機碳含量分別顯著提高23.1%與12.8% (P＜0.05)。各粒級團聚體中, 大團聚體(＞2 mm)中有機碳含量顯著高于其他粒徑團聚體(P＜0.05), 平均含量為其他粒級的1.3～1.6倍; 而且對原土有機碳固持貢獻率最高, 占44.48%～69.53%(表2)。不同施肥處理均提高了大團聚體、中間團聚體(0.25～2.00 mm)、粉黏粒(＜0.053 mm)有機碳的含量, 且NPKM與NPKS處理使大團聚體的有機碳含量較NPK處理分別顯著提高42.1%與28.3%(P＜0.05) (圖2)。與CK相比, NPKM與NPKS處理中大團聚體對有機碳固持貢獻率分別提高25.1和19.4個百分點(P＜0.05), 但施肥處理降低了中間團聚體、微團聚體、粉+黏粒三者粒級對原土有機碳固持貢獻率(表2)。上述結(jié)果表明長期施肥提高了黃泥田耕層土壤大團聚體的固碳貢獻, NPKM處理提升尤為明顯。

2.3 長期不同施肥處理對土壤大團聚體和中間團聚體內(nèi)有機碳組分分配的影響

與CK相比, 施肥處理使大團聚體內(nèi)輕組有機碳(LF-C)含量顯著上升20.7%～32.3% (P＜0.05), 以NPKS處理增幅最為明顯(圖3A); NPKM和NPKS處理分別使大團聚體中LF-C對原土有機碳固持貢獻率分別上升8.9與9.3個百分點(表3)。與CK相比, NPKM處理使大團聚體內(nèi)粗顆粒有機碳(CF-C)和礦物結(jié)合態(tài)有機碳(mSOC)顯著增加(P＜0.05) (圖3A)。在大團聚體中, 以mSOC組分質(zhì)量比重最大, 占50.7%～57.7%, 且對原土有機碳固持貢獻率最大, 其次為LFC組分質(zhì)量比重與其有機碳固持貢獻(圖3B, 表3)。

與CK相比, 不同施肥處理對中間團聚體中LFC、CF-C和mSOC沒有顯著影響; NPKM處理的FFC顯著高于NPKS (P＜0.05), 與另外兩個處理差異不顯著 (圖4A)。圖4B顯示, 中間團聚體內(nèi), 以mSOC組分所占比例最大, FF-C組分所占比例最小, 這與大團聚體內(nèi)的上述兩種有機碳組分質(zhì)量比重分布趨勢基本一致。與CK相比, 施肥不同程度提高了LF-C與CF-C組分質(zhì)量比重, 其中NPKS處理對LF-C組分質(zhì)量比重的提升效果最明顯 (圖4B)。中間團聚體中各組分對原土總有機碳含量的分配貢獻也有所差別, mSOC組分分配貢獻率最高, 對原土有機碳的貢獻率為14.30%～26.22% (表4)。表4表明, 與CK及NPK處理相比, NPKM和NPKS處理顯著降低了中間團聚體內(nèi)LF-C、CF-C與mSOC組分對原土有機碳的固持貢獻率(P＜0.05)。

表 4 不同施肥處理下中間團聚體內(nèi)有機碳組分對全土有機碳固持的貢獻率Table 4 Contribution rates of organic carbon fractions in soil medium-aggregates to bulk soil organic carbon under different fertilizations %

表 5 團聚體有機碳組分含量與水稻產(chǎn)量及有機碳投入的相關(guān)性Table 5 Relationship between rice yield, soil organic carbon and organic carbon input

圖 3 不同施肥處理對土壤大團聚體(＞2 mm)內(nèi)有機碳組分含量(A)與質(zhì)量比例(B)的影響Fig.3 Effect of different fertilizations on contents (A) and mass proportions (B) of different organic carbon fractions in soil macroaggregates (＞2 mm)

圖 4 不同施肥處理對土壤中間團聚體有機碳組分含量(A)與質(zhì)量比例(B)的影響Fig.4 Effect of different fertilizations on contents (A) and mass proportions (B) of different organic carbon fractions in soil mediumaggregates

表 3 不同施肥處理下土壤大團聚體(＞2 mm)有機碳組分對原土有機碳固持的貢獻率Table 3 Contribution rates of organic carbon fractions in soil macro-aggregates to bulk soil organic carbon under different fertilizations %

2.4 團聚體有機碳及其組分含量與有機碳投入以及水稻產(chǎn)量的關(guān)系

表5顯示, 水稻產(chǎn)量與原土總有機碳含量、大團聚體有機碳含量以及該團聚體內(nèi)的LF-C均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 與大團聚體內(nèi)的CF-C組分含量和mSOC含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05); 全土總有機碳含量、大團聚體有機碳含量以及該粒級的LF-C含量與有機碳投入量也均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。對中間團聚體而言, 水稻產(chǎn)量與中間團聚體有機碳呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 但與中間團聚體有機碳組分相關(guān)性不明顯。進一步定量化方程擬合顯示, 水稻產(chǎn)量與原土有機碳含量、大團聚體有機碳含量呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系(P＜0.01), 與大團聚體中輕組有機碳含量呈冪函數(shù)關(guān)系(P＜0.01); 原土有機碳含量和大團聚體有機碳含量與有機碳投入呈冪函數(shù)關(guān)系(P＜0.01), 大團聚體中輕組有機碳含量與有機碳投入呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系(P＜0.01, 圖5)。上述表明, 大團聚體有機碳含量及該團聚體內(nèi)的輕組組分含量與黃泥田有機碳投入以及生產(chǎn)力關(guān)系密切。

圖 5 土壤和團聚體有機碳含量與水稻產(chǎn)量和有機碳投入的擬合方程Fig.5 Fitting curves between soil organic carbon content with grain yield and organic carbon input

3 討論

3.1 長期不同施肥處理對黃泥田不同粒徑團聚體質(zhì)量比及有機碳含量的影響

不同粒徑團聚體對土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和保持作用不同, 其既決定于土壤的水力性質(zhì), 也反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[20]。因此, 探明土壤有機碳及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用, 需關(guān)注各粒徑團聚體的分布及其有機碳的固持特征。瘠薄紅壤水稻土長期秸稈還田配施糞肥尤其是配施化肥顯著增加了＞0.25 mm粒級團聚體的含量[21]。周萍等[22]研究表明, 200～2000 μm的粗團聚體顆粒作為新增有機碳的主要載體, 隨不同耕作和施肥變化最為強烈。本研究中, 黃泥田土壤以＞2 mm、0.25～2 mm的大、中間團聚體為主(圖1),二者質(zhì)量比重合計占81.9%～89.6%。與CK和NPK相比, 施用有機肥顯著增加＞2 mm團聚體的質(zhì)量比,而降低0.25～2 mm團聚體的質(zhì)量比(圖1)。陳曉芬等[23]的研究結(jié)果也表明, 施用有機肥提高水稻土＞2 mm團聚體的質(zhì)量比。有機碳可以通過化學(xué)或物理過程結(jié)合土壤細顆粒, 是土壤顆粒聚集效應(yīng)的重要結(jié)合劑[24-25]。水稻秸稈還田和施用牛糞增加了水稻土有機物質(zhì)的輸入, 直接增加了土壤有機碳含量, 提高微生物活性, 促進有機質(zhì)腐殖化和有機膠結(jié)物質(zhì)的形成, 土壤顆粒在有機膠結(jié)物質(zhì)的作用下不斷粘結(jié)形成大團聚體[26-27]。

施用肥料可增加＞2 mm、0.25～2 mm、＜0.053 mm團聚體的有機碳含量, 尤其是＞2 mm團聚體有機碳含量顯著增加(圖2), 對原土有機碳貢獻率最高(占47.70%～69.53%) (表2)。＞2 mm和0.25～2 mm團聚體有機碳含量與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(表5), 表明黃泥田水稻土有機碳主要貯存在這兩種團聚體中。紅壤長期定位試驗表明, 有機碳在1～2 mm團聚體中含量最高, ＞2 mm團聚體對原土有機碳貢獻率最大[23]。對不同粒徑團聚體有機碳含量變化而言, 相較于微團聚體, 大團聚體中有更多新增加的有機碳和不穩(wěn)定物質(zhì)[28], 運用13C示蹤法發(fā)現(xiàn)大團聚體比微團聚體中含有更多有機碳[29]。在旱地紅壤團聚體中, 有機碳含量隨團聚體粒級減小而降低[16]。本研究中, 大團聚體、中間團聚體、微團聚體這3種團聚體組成的有機碳含量隨粒徑減小而降低, 但粉+黏粒團聚體有機碳含量再次上升, 并高于中間團聚體與微團聚體有機碳含量(圖2)。相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn), ＜0.053 mm團聚體中有機碳含量最高, 這可能是因為＜0.053 mm粒級由粉粒和黏粒組成, 具有較大的比表面積和較高的永久表面電荷, 能夠吸附和穩(wěn)定有機碳[30], 也可能是該粒徑團聚體黏粒含量較高, 受到根系和真菌的作用粘合在一起, 易與有機碳形成復(fù)合體[31]。NPKM處理每年有機碳投入僅為NPKS處理的83.4% (雙季稻年份)與72.4% (單季稻年份) (表1), 但NPKM處理的原土與各粒徑團聚體有機碳含量均不同程度高于NPKS處理(圖2), 這可能與牛糞基質(zhì)纖維素含量高、微生物利用困難有關(guān)[32-33]。因此, 相對稻秸而言,牛糞礦化速率要低, 可固持更多的有機碳, 從中可看出不同來源有機物質(zhì)在黃泥田固碳潛力方面存在較大差異, 這可為黃泥田定向培肥提供參考。

3.2 長期不同施肥處理對黃泥田大、中團聚體有機碳組分分配的影響

施用糞肥與秸稈還田是農(nóng)田培肥的重要措施。不同施肥措施對團聚體中有機碳的分子結(jié)構(gòu)特征影響不同?；钚杂袡C碳是有機碳的重要組成。土壤活性碳組分在土壤中移動快、易礦化分解且循環(huán)周期短, 能更敏感地反映土壤有機碳的動態(tài)變化[34]。輕組有機碳(LF-C)屬于活性有機碳, 具有較強的生物活性, 對土壤養(yǎng)分積累、肥力調(diào)節(jié)等有重要作用。本研究中, 施肥處理后大團聚體內(nèi)的LF-C組分含量增幅20.7%～32.3%, 也提高了大團聚體內(nèi)LF-C組分對全土有機碳固持的貢獻率(圖3和表3)。大團聚體內(nèi)LF-C含量與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)。相關(guān)研究表明, 有機肥和秸稈還田與化肥配合施用是提高南方雙季稻田土壤活性有機碳組分和水解酶活性的有效措施[35]。5年定位試驗表明, 與常規(guī)施肥相比, 紫云英(Astragalus sinicus)、作物秸稈、商品有機肥、紫云英+商品有機肥處理的稻田土壤LF-C含量分別提高30.7%～98.7%[36]。本研究結(jié)果表明, 長期有機無機肥配施影響黃泥田土壤團聚體內(nèi)LF-C組分變化, 尤其是NPKM和NPKS處理, 也明顯促進了大團聚體內(nèi)LF-C的分配貢獻。另一方面, 重組有機碳作為土壤穩(wěn)定的碳庫, 對于維持團聚體結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。重組有機碳主要由高度分解后的物質(zhì)組成, 其所占比重較大, 分解速率緩慢[37]。本研究條件下, 與單施化肥相比, 無機肥和有機肥配施顯著增加大團聚體中重組礦物結(jié)合態(tài)有機碳(mSOC)對原土有機碳固持貢獻率(表3), 而降低中間團聚體中各組分對原土有機碳固持貢獻率(表4), 這可能與有機無機肥配施處理降低原土中間團聚體質(zhì)量比重有關(guān)。

4 結(jié)論

大團聚體與中間團聚體是黃泥田有機碳的主要載體。無機肥配施有機肥, 尤其是無機肥配施牛糞對原土總有機碳固持貢獻率明顯高于單施化肥。施肥顯著提高了大團聚體內(nèi)輕組有機碳組分含量, 尤其是無機肥配施秸稈和無機肥配施牛糞處理。大團聚體有機碳含量及其輕組有機碳含量與有機碳投入量及水稻產(chǎn)量關(guān)系密切, 是南方黃泥田生產(chǎn)力的關(guān)鍵指示。