沼肥灌施配合机械深松对柑橘园土壤团聚体组成、有机质含量及矿化特征的影响

罗友进 陈 霞 胡佳羽 吴纯清 程玥晴 谢永红 张义刚

(重庆市农业科学院果树研究所，重庆 401329)

土壤有机碳库在土壤肥力维持与农业生态系统稳定等方面具有重要作用。土壤有机碳的固定和矿化过程对全球大气CO2浓度起到重要的调节作用[1-2]。土壤有机碳矿化可以逐渐降低土壤中的活性有机碳含量，同时土壤理化性质、生物性状、肥力水平等也会发生相应变化[3-4]；另外，土壤有机碳矿化增加了CO2的释放量，进而增强了温室效应，而气温升高又会促进土壤有机碳矿化[5-6]。土壤团聚体是土壤物质和能量转化代谢的主要场所，其分布组成比例会影响土壤有机碳含量及其稳定性，对土壤有机碳固存与分解起着关键作用[7]。苗淑杰等[8]研究发现对于东北典型黑土，1～2 mm 和0．053～0．250 mm 土层土壤团聚体对有机碳的保护作用最大，认为是碳分配和矿化作用的综合结果。

施肥作为影响土壤有机碳循环的重要因素之一，目前已有较多研究评价了施肥对农田土壤有机碳循环的影响[9-14]，但有关果园施肥对土壤有机碳矿化影响的研究较少[15-16]。近年来，沼渣沼液肥料化利用越来越受科研工作者的重视，已有研究表明果园施用沼肥不仅能满足树体生长所需养分需求，而且还大幅度提高了土壤中的有机质含量，改善了果园土壤结构[17-20]。随着果园机械化耕作水平提高，深松培肥技术在果园的应用越来越广，但目前关于沼肥灌施配合机械深松对柑橘果园土壤碳影响的研究尚鲜见报道。因此，本研究以柑橘果园沼肥定位试验土壤为研究对象，在分析沼肥灌施配合机械深松对柑橘果园土壤有机碳分布特征的基础上，结合室内培养试验，对柑橘果园土壤有机碳矿化特征进行探讨，以期为机械深松果园沼肥合理施用和有机替代提供科学与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试柑橘品种为10年生渝红橙，其砧木为枳橙。试验柑橘果园位于重庆市江津区先锋镇仙池坝(29°13′N，106°17′E)，属丘陵地貌，平均海拔295 m。土壤类型为紫色壤土，土层厚度达65 cm 以上，土壤pH 值6．3，含有机质10．3 g.kg-1，全氮0．88 g.kg-1，全磷0．26 g.kg-1，全钾15．2 g.kg-1，碱解氮76．8 mg.kg-1，速效磷38．7 mg.kg-1，速效钾125．3 mg.kg-1。

1.2 试验设计

试验始于2014年3月，试验小区长宽分别为50 m和9 m，种植株、行距为3 m×3 m，以60 cm 排水沟隔离。机械深松作业采用翼铲式深松机，工作宽幅为2 m，深松行间距为50 cm，翼铲入土深度大于30 cm。试验共设置5个处理：(1) CK：单施柑橘专用复合肥(2 500 kg.hm-2)；(2)T1：沼肥灌施量为45 t.hm-2，未深松；(3)T2：沼肥灌施量为135 t.hm-2，2 条深松沟；(4)T3：沼肥灌施量为180 t.hm-2，3 条深松沟；(5)T4：沼肥灌施量为270 t.hm-2，5 条深松沟；3 次重复，共15 个小区，随机排列。在柑橘春梢萌发期和壮果期施用；独立排灌，其他生产管理方式保持一致。供试沼肥为基地旁养猪场的液态沼肥，其干物质含量15%，经发酵、剪切、匀浆调配，pH 值7．2，其养分含量分别为有机质68．50 g.kg-1，全氮5．24 g.kg-1，全磷1．85 g.kg-1，全钾3．08 g.kg-1。供试复合肥为九禾股份有限公司生产的柑橘专用复合肥(氮-磷-钾配比为18-8-16)。

1.3 测定项目与方法

于2017年6月在每小区采集土样，采用随机多点采样法采集0～30 cm 土层土样，尽量保持原有的结构状态。土壤团聚体筛选参照文献[21]，采用重铬酸钾容量法测定各粒级团聚体有机碳含量[21]。

土壤有机碳的矿化量测定采用室内恒温培养、碱液吸收法[21]。称取风干土样20．00 g 于500 mL 培养瓶中，加水至田间持水量的60%，随机排列置于25℃恒温培养箱中，预培养2 周以恢复土壤微生物活性。之后将盛有25 mL 0．01 mol.L-1NaOH 溶液的特制玻璃瓶置于培养瓶底，加盖密封后继续培养。于培养后的第1、第3、第5、第7、第10、第15、第21、第28、第42天取出吸收瓶，将其内溶液完全洗入三角瓶中，加入2 mL 1 mol.L-1BaCl2溶液及2 滴酚酞指示剂，用标准盐酸滴定至微红色，根据CO2的释放量计算土壤有机碳的矿化量[4]。采用一级动力学反应方程模拟土壤有机碳矿化：

式中，Ct为经过t(d)时间后土壤有机碳的累积矿化量，mg C.kg-1；C0为土壤潜在矿化碳库，mg C.kg-1；C1为土壤快速矿化碳库，mg C.kg-1；k 为土壤有机碳矿化系数，mg CO2-C.kg-1.d-1。采用Marquardt 方法对C0和k进行方式迭代优化。半衰期t1/2(d)：t1/2＝ln2/k。采用初始潜在矿化率(C0k)、t1/2及C0描述矿化过程。

1.4 数据处理

采用Origin Pro 8．5 软件进行土壤各粒级团聚体及其有机碳含量等指标的差异显著性检验分析(least significant difference，LSD)和一级反应方程拟合，采用Excel 2003 制图。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成

由表1 可知，各处理中不同粒级团聚体含量均存在显著差异，但不同处理中各粒级团聚体含量高低次序各不相同。在CK、T3 和T4 中以0．25 ～2 mm 团聚体含量最高，在T1 和T2 中则以＞5 mm 团聚体含量最高。为进一步描述不同沼肥灌施量对土壤团聚体分布特征的影响，计算其平均重量直径(mean weighted diameter，MWD)。与CK 相比，施用沼肥有利于提高表层土壤团聚体平均重量直径，但其增加量与沼肥灌施量无明显相关性。其中，以T1 的增量最大(增幅达76．8%)，其次是T2 和T4，T3 的增量相对较少，但增幅也达到26．9%。

2.2 土壤团聚体有机碳分布特征

由表2 可知，在CK、T2 和T4 中以0．25 ～2 mm 团聚体中有机碳含量最高；在T1 和T3 中以2 ～5 mm 团聚体中有机碳含量最高。在CK 中，0．25 ～2 mm 和＞5 mm土壤团聚体中有机碳含量明显高于2～5 mm 和＜0．25 mm 土壤团聚体；在T1 和T2 中＞5 mm 土壤团聚体有机碳含量明显低于其他各粒级土壤团聚体；在T3 和T4 中，各粒级土壤团聚体有机碳含量存在显著差异，其中在T3 中各粒级团聚体有机碳含量以2 ～5 mm团聚体、0．25 ～2 mm 团聚体、＞5 mm 团聚体和＜0．25 mm团聚体依次下降，在T4 处理中则以0．25 ～2 mm 团聚体、2 ～5 mm 团聚体、＞5 mm 团聚体和＜0．25 mm团聚体依次下降。不同沼肥灌施量条件下，同一粒级团聚体有机碳含量也存在显著差异，各粒级团聚体有机碳含量均以T3 最高(除＜0．25 mm 团聚体外)。

表1 不同沼肥灌施量下柑橘果园土壤团聚体的组成特征Table 1 The characteristics of the soil aggregates composition under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

由表3 可知，沼肥灌施配合机械深松影响柑橘果园土壤有机碳含量，其中，T3 土壤有机碳含量最高，且显著高于其他处理，其次是T4，CK、T1 和T2 的有机碳含量相对较低且处理之间无显著差异。为探讨各粒级土壤团聚体有机碳的储量状况，计算各粒级团聚体有机碳储量(由各粒级土壤团聚体含量和其有机碳含量相乘得到)，同时计算其在整个土层中的贡献率。在CK、T3 和T4 中，0．25 ～2 mm 团聚体是其土壤有机碳的主要载体，其贡献率分别为44．70%、48．16%和44．24%；在T1 和T2 中，＞5 mm 团聚体是其土壤有机碳的主要载体，其贡献率分别为54．38%和35．45%。

表2 不同沼肥灌施量下柑橘果园土壤团聚体有机碳含量特征Table 2 The characteristics of the soil organic carbon content of sizes soil aggregates under different biogas fertilizer application in Citrus orchard /(g·kg-1)

表3 不同沼肥灌施量下柑橘果园各粒级土壤团聚体有机碳储量及贡献率Table 3 The organic carbon stock and its contribution rate in each sizes soil aggregates under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

2.3 土壤有机碳矿化特征

由图1 可知，各处理(除T3 外)土壤有机碳矿化速率的变化规律相似，在培养前期(3 d)迅速达到最大值，之后大幅度下降，至培养28 d 左右回落到一个低值，之后日矿化速率均较小(约4 mg CO2-C.kg-1.d-1)且逐渐平缓。经过3年不同的沼肥灌施量处理，柑橘果园土壤有机碳的数量和质量存在一定的差异，因此，有机碳矿化速率也不同。在培养前10 d，T1 和T4 的土壤有机碳矿化速率较高，其次是CK，T3 和T2 相对较低；在培养15 ～28 d 期间，CK 和T1 的土壤有机碳矿化速率较高，其次是T3，T2 和T4 则相对较低；在培养28 d 后各处理土壤有机碳矿化速率差异相对较小。

图1 不同沼肥灌施量下柑橘果园土壤有机碳的日矿化率Fig.1 The daily mineralization rate of soil organic carbon under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

表4 不同沼肥灌施量下柑橘土壤有机碳矿化拟合模型参数及决定系数(R2)Table 4 The fitting model parameters and determination of soil organic carbon mineralization under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

通过土壤有机碳矿化速率转化得到土壤有机碳累积矿化量，能够较直观地反映土壤有机碳释放量的增长过程，是土壤有机碳矿速率表征之一。由图2 可知，同一处理不同培养时间段土壤有机碳矿化释放量的增长幅度明显不同，前15 d 释放量较多，后期释放量较少。在整个培养周期内，各处理土壤有机碳累积矿化量在279．83～310．53 mg CO2-C.kg-1之间，占总有机碳的2．05%～3．05%；其中前15 d，各处理土壤有机碳累积矿化量在168．42～190．84 mg CO2-C.kg-1之间，占整个培养周期累积矿化量的58．46%～62．09%。

图2 不同沼肥灌施量下柑橘果园土壤有机碳的累积矿化量Fig.2 The cumulative mineralization of soil organic carbon under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

运用一级动力学方程对沼肥灌施配合机械深松处理柑橘果园土壤有机碳的累积矿化量进行拟合，得到其参数及决定系数，如表4 所示。决定系数R2介于0．985～0．997 之间，表明该模型拟合效果较好。土壤快速矿化碳库(C1)以T4 最大，且显著高于其他处理，其次是T3、T1 和T2，CK 最小。土壤潜在可矿化碳库(C0)以T3 最大，其次是CK、T1 和T4，且T3、CK、T1和T4 之间均无显著差异但显著高于T2。土壤有机碳矿化系数(k)以T1 最大，且显著高于其他处理，其次是T2、CK、T4，T3 最小且与其他处理间存在显著差异。此外，在各处理中土壤有机碳半衰期(t1/2)以T3、T4、CK、T2 和T1 依次下降；易矿化碳库(C0+C1)以T3、T4、CK、T1 和T2 依次下降；初始潜在矿化率(C0k)以T1、CK、T4、T2 和T3 依次下降。

2.4 土壤有机碳矿化参数与团聚体

对沼肥灌施配合机械深松处理柑橘果园土壤有机碳矿化参数与各粒级团聚有机碳含量、有机碳储量进行相关分析，结果如表5 所示。土壤有机碳矿化系数(k)与0．25～2 mm 团聚体有机碳含量和有机碳储量呈显著负相关，与＞5 mm 团聚体有机碳储量呈显著正相关；半衰期(t1/2)与0．25 ～2 mm 团聚体有机碳含量和有机碳储量呈显著正相关，与＞5 mm 团聚体有机碳储量呈显著负相关；其余各土壤有机碳矿化参数与各粒级团聚体有机碳含量、有机碳储量均无显著相关性。

表5 土壤有机碳矿化参数与团聚体有机碳含量、有机碳储量的相关关系Table 5 Correlation coefficients of content and stock of carbon in soil aggregates with parameter in model of soil organic carbon mineralization

3 讨论

土壤有机碳矿化直接影响养分元素释放与供应、土壤肥力维持及温室气体排放等，探讨土壤有机碳的矿化规律对科学管理土壤养分具有重要意义[4]。土壤有机碳的矿化过程受诸多因素影响，如施肥制度[22]、植被覆盖等[23]；在不同施肥条件下，土壤物理、化学、生物学等属性均会发生改变，影响土壤有机碳的转化和分解。王义祥等[15]对不同菌渣肥施用条件下柑橘果园土壤有机碳矿化的研究结果表明，各施肥处理土壤CO2累积释放量由高到低依次为单施有机肥、有机无机肥配施、单施化肥、不施肥处理；但在有机无机肥配施处理中，土壤潜在可矿化碳量占有机碳的比例未随着有机肥施用量的增加而增加。本研究结果表明，各处理中土壤有机碳的累积矿化量在整个培养周期整体以T1、T4、CK、T3 和T2 依次下降；易矿化碳库(C0+C1)占总有机碳比例表现为T1＞CK＞T4≈T2＞T3，即随着沼肥灌施量的增加(除T4 外)土壤易矿化碳占有机碳比例依次下降，说明沼肥灌施配合机械深松有利于柑橘果园土壤有机碳的累积。

土壤团聚体形成及其周转过程与土壤呼吸(CO2排放)密切相关[24]。Wu 等[25]认为不同土壤粒级团聚体的有机碳储存及其矿化作用存在一定的差异，并指出大团聚体中有机碳分解是土壤团聚体有机碳矿化引起CO2流失的主要原因。王菁等[26]通过对不同粒级土壤团聚体呼吸特征的研究指出土壤团聚体组成对土壤呼吸速率影响较大，其中以＞5 mm 土壤团聚体对土壤碳排放的贡献最大。本研究发现，土壤有机碳矿化系数与0．25～2 mm 团聚体有机碳含量和有机碳储量呈显著负相关，与＞5 mm 团聚体有机碳储量呈显著正相关；半衰期与0．25～2 mm 团聚体有机碳含量和有机碳储量呈显著正相关，与＞5 mm 团聚体有机碳储量呈显著负相关。这可能与土壤各团聚体中有机碳组成及微生物等因素有关。一般而言，土壤大团聚体中有机碳结构较小、团聚体简单，易被微生物分解利用[27-28]。李睿等[29]研究发现在林地、撂荒地和果园等土地利用方式下，以0．25～2 mm 团聚体中的活性有机碳储量最高；在坡耕地中则以＜0．053 mm 团聚体中活性有机碳储量最高。刘敏英等[30]研究发现茶园土壤中微生物碳含量总体随着团聚体直径的减小而降低，以2 ～5 mm团聚体中含量最高。同时，不同粒级土壤团聚体有机碳矿化差异除与土壤微生物以及有机碳含量有关外，还受其他多种因素的影响，如土地利用方式、耕作

方式与团聚体湿润程度等[12，28-29]。徐程等[31]研究发现在土壤水分含量较低时，团聚体稳定性较高，水分会促进大团聚体破碎分解成微团聚体，进而影响土壤有机碳矿化。因此，今后需进一步加强果园土壤有机碳周转速率与土壤微生物学特性方面的相关性研究，并结合田间原位试验阐明果园土壤有机碳的循环机理。

4 结论

本研究结果表明，沼肥灌施配合机械深松有利于改善柑橘果园表层土壤团聚体结构组成，提高表层土壤有机碳含量，改善有机碳在团聚体中的分布特征，减少土壤可矿化碳和易矿化碳含量，有助于柑橘果园土壤有机碳累积，其灌施量以180 或270 t.hm-2为佳。