不同施肥模式下黄泥田水稻土团聚体稳定性及有机碳矿化特征

高 强,宓文海,2,夏斯琦,刘明月,居 静,张祖建,毛 伟,赵海涛*

(1 扬州大学环境科学与工程学院,扬州 225127；2 浙江大学资源与环境学院,杭州 310058；3扬州大学农学院,扬州 225009；4 扬州市耕地质量保护站,扬州 225101)

丰富的有机质含量和优良的土壤结构是维持较高耕地地力的关键。土壤有机碳含量及其矿化作用对于土壤质量的影响十分明显[1-3]。日常的农事操作、农田微生物生长繁殖等均是影响土壤有机碳矿化特征的重要因子[4]。施肥作为农事生产实践中最为普遍保证和提升土壤肥力的一种农事操作措施,对土壤结构及土壤系统中有机碳矿化具有明显的作用效果。长期施肥可改变土壤氧化还原环境、土壤团聚体组成、土壤稳定性和养分含量,从而对有机碳的矿化产生影响[5-7]。研究表明,单施化肥或有机肥,以及二者配施均提高了黑土有机碳矿化速率,同时提升了累积矿化量[8]。施肥模式是南方红壤微生物结构组成的重要因素,有机物料投入的施肥模式下土壤微生物种群较丰富,活性更强[9-10]。对重庆大面积分布的紫色土研究表明,土壤有机碳的累积矿化量及其周转速度由于秸秆的施入而显著提高[11]。目前,有关长期施肥对红壤、栗钙土及东北黑土有机碳矿化特征的研究较多,而对于南方大面积分布的黄泥田土壤的研究相对较少。本试验采用长期定位手段,研究分析长期施肥条件下黄泥田土壤的团聚体组成、稳定性以及不同粒径团聚体有机碳矿化特征,以期为调控黄泥稻田土壤碳库、提升耕地地力等提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验田(土壤类型为黄泥田)位于浙江省金华市琅琊镇新朱村(29°01′19″N,119°27′99″E),施肥试验于2011年6月开始。试验开始前耕层土壤基础养分含量为:碱解氮117.1 mg·kg-1、速效钾78 mg·kg-1、有机质28.1 g·kg-1、全氮1.75 g·kg-1、速效磷11.6 mg·kg-1,pH 5.24。

1.2 试验设计

试验设置单施化肥(NPK)、控释BB 肥配施牛粪(CM)、化肥配施秸秆添加快腐菌剂(RS) 3 个施肥处理,共9 个(3 次重复)试验小区,小区面积为30 m2(6 m×5 m)。当地水稻耕作制度为双季稻,早稻及晚稻栽培过程中各处理均为等氮、等磷、等钾投入:N 180 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2(仅为化学肥料施入量,不包括秸秆、牛粪中氮磷钾含量),其中尿素施用早稻按照当地施肥习惯:基肥、蘖肥、穗肥投入比例为4 ∶3 ∶3 分次施用,晚稻按基肥、蘖肥比例为4 ∶6 分次施用,腐熟牛粪投入量为13 500 kg·hm-2,秸秆为3 000 kg·hm-2,菌剂添加量为30 kg·hm-2。其中发酵牛粪、秸秆、菌剂、钾肥(K2O)、磷肥(P2O5) 及控释BB 肥均作为基肥一次投入。所投入的秸秆和牛粪C 含量分别为438 g·kg-1、289 g·kg-1,N 含量为9.0 g·kg-1、21 g·kg-1,P 含量为1.0 g·kg-1、10 g·kg-1,K 含量为20 g·kg-1、12 g·kg-1。

1.3 土壤样品采集处理

于早稻成熟期(2018年7月25日)采用“S”型路线选择10 个采样点采集土壤样品放入硬质采样盒中,带回室内风干。在土壤样品风干过程中时刻关注土壤样品含水量变化,当达到塑水限时,按照土样自然干裂纹路进行破碎,将风干破碎的样品过孔径5 mm 筛后进行团聚体分级。

1.4 团聚体筛分及水稳性评价

采用湿筛法进行团聚体分级:取100 g 土壤过孔径5 mm 筛,土壤样品置于团聚体分析仪上层壤筛中,向团聚体分析仪水桶中注水至刚好没过上层土壤筛,启动仪器上下往复震荡30 min。收集＜0.25 mm、0.25—2.00 mm、＞2.00 mm 团聚体,烘干称重。

通过计算平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)值对土壤结构稳定性进行评价。

式中:Ri表示第i个筛子的孔径(mm),R0=R1,Rn=Rn+1,n为筛子的数量,mi是第i个筛子上颗粒百分比。

式中:Xi为i粒级团聚体的平均直径(mm)；Wi为Xi相对应的粒级团聚体占总重的百分比。

1.5 有机碳测定及室内有机碳矿化培养

土壤有机碳含量采用元素分析仪(Vario EL cube,Elementar,德国)直接测定。

土壤有机碳矿化培养:称取各粒径风干土壤样品30 g 于50 mL 烧杯中,调节土壤含水率至约为田间最大持水量的60%(稻田水分管理为干湿交替,以田间最大持水量60%模拟稻田土壤含水率),称重记录后将烧杯置于1 000 mL 广口玻璃培养瓶中,为恢复土壤生物活性,将培养瓶置于25 ℃的恒温培养箱中暗培养7 d。待生物活性恢复培养结束后,把装有10 mL 0.1 mol∕L NaOH 的烧杯悬挂置于广口瓶内,同时设置空白对照组(培养瓶中不放置装有土壤样品的烧杯,其他条件与试验组一致),加盖密封后进行恒温培养,培养周期为30 d,取样滴定时间间隔为3 d,所有处理重复3 次。

滴定时把装有NaOH 的烧杯从培养瓶中取出,依次加入2 mL 1 mol∕L BaCl2溶液、2—3 滴0.5%酚酞指示剂,用0.05 mol∕L HCl 溶液进行滴定,滴定终点为溶液颜色由红色变为无色时,记录至滴定终点时所消耗的HCl 体积,滴定后用吹风机向培养瓶持续鼓风吹气1 min,使培养瓶内部和外界环境进行换气。

式中:CHCl为滴定所用盐酸浓度(mol∕L),V0为滴定空白对照组时所消耗的盐酸体积(mL),V1为滴定试验样品所消耗的盐酸体积(mL),m为土壤质量(kg),22 为CO2气体相对分子质量。

通过一级动力学方程Ct=C0(1 -e-kt)将培养时间与有机碳累积矿化量进行拟合分析,方程中Ct为经过t时间培养后的累积矿化量(g·kg-1),C0表示潜在可矿化有机碳量(g·kg-1),k为有机碳库周转常数(d-1),t表示培养天数(d),半周转期T1∕2=ln2∕k。

1.6 数据分析

利用Excel 2016 软件统计数据,使用SPSS 18.0 软件进行数据分析,图表绘制及方程拟合使用Origin 9.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体稳定性及有机碳分布

施肥显著影响了黄泥田土壤团聚体的稳定性。如图1a 所示,与NPK 处理相比,RS 与CM 处理均使土壤团聚体MWD 值显著提高(14%),GMD 值也分别提高4%和1%。不同施肥模式也显著影响黄泥田土壤的有机碳含量。如图1b 所示,与NPK 处理相比,RS 及CM 处理均显著提高了黄泥田土壤的有机碳含量,其中＜0.25 mm 团聚体提高了24%和22%,0.25—2.00 mm 团聚体提高了22%和28%,＞2.00 mm团聚体提高了18%、33%。不同施肥模式下不同粒径团聚体间土壤有机碳含量由高到低为＞2.00 mm、0.25—2.00 mm、＜0.25 mm。

图1 长期施肥条件下黄泥田土壤团聚体稳定性及有机碳分布特征Fig.1 Stability and distribution characteristics of organic carbon in soil aggregates in yellow mud field under long-term fertilization

2.2 土壤有机碳矿化特征

2.2.1 有机碳矿化速率

培养试验显示:土壤有机碳矿化速率和培养周期之间存在明显的对数函数相关关系,CO2释放表现为先上升后急剧下降然后逐渐变缓至稳定的规律(图2)。培养期内NPK、RS、CM 处理的耕层原状土有机碳矿化速率变化范围分别为31.1—80.2 mg·kg-1·d-1、37.8—93.3 mg·kg-1·d-1和36.8—98.6 mg·kg-1·d-1,日 均 矿 化 速 率 分 别 为 50.2 mg · kg-1· d-1、 59.6 mg · kg-1· d-1、62.1 mg·kg-1·d-1。黄泥田水稻土原状土壤及＜0.25 mm 粒径团聚体有机碳矿化速率在培养观察时间段内均显示出CM ＞RS ＞NPK 的变化趋势,RS 与CM 处理0.25.00—2.00 mm、＞2.00 mm 粒径团聚体的有机碳矿化速率差异较小,但均显著高于NPK 处理下对应粒径团聚体的有机碳矿化速率。

图2 土壤有机碳矿化速率Fig.2 Mineralization rate of soil organic carbon

培养期内不同处理的耕层原状土日均矿化速率表现为CM(62.1 mg·kg-1·d-1) ＞RS(59.6 mg·kg-1·d-1) ＞NPK(50.2 mg·kg-1·d-1),各处理不同粒径团聚体日均矿化率未出现显著差异,分别为45.0—45.8 mg·kg-1·d-1( ＜0.25 mm)、51.8—52.3 mg·kg-1·d-1(0.25—2. 00 mm)、55.2—55.4 mg·kg-1·d-1( ＞2.00 mm)。观察对比不同粒径团聚体土壤在试验培养期内有机碳矿化速率变化特征,发现＜0.25 mm 粒径土壤有机碳矿化速率变化幅度较大,表现为前期迅速升高后期急剧下降的规律,有机碳固持能力较弱；而＞0.25 mm 团聚体有机碳矿化速率变化幅度较小,有机碳固持能力相对较强。

2.2.2 有机碳累积矿化量及矿化动力学参数

将土壤有机碳累积矿化量与培养时间利用一级动力学方程Ct =(1- e-kt) 进行拟合分析,拟合决定系数(R2)均显示为0.99 以上(表1),表明该拟合方程模型能很好地反映有机碳累积动态过程。RS 与CM 处理的耕层原状土壤及不同粒径团聚体有机碳累积矿化量(Ct)及潜在可矿化有机碳量(C0)明显大于NPK 处理。3 种施肥模式对于土壤潜在可矿化有机碳增加的促进作用表现为CM 最强,RS 次之,NPK最弱。RS 和CM 两种有机施肥模式均较NPK 处理提高了＜0.25 mm 团聚体有机碳周转速率。3 种施肥模式下＜0.25 mm 团聚体有机碳库周转速率(k)及半周转期(T1∕2)均表现为CM ＞RS ＞NPK 的变化规律。

表1 土壤有机碳矿化动力学参数Table 1 Kinetic parameters of soil organic carbon mineralization

研究发现,不同处理的＜0.25 mm 粒径土壤团聚体的潜在可矿化有机碳含量变化范围为1.71—2.14 g·kg-1,明显低于＞2.00 mm 及0.25—2.00 mm(1.82—2.40 g·kg-1)粒径团聚体,同时发现有机碳半周转期变化规律与潜在可矿化有机碳含量变化规律一致,而土壤碳库周转系数变化规律则表现为相反的变化规律。整体来看,黄泥田＜0.25 mm 粒径土壤可矿化有机碳含量和有机碳半周转期较其他2 级粒径团聚体低,而其有机碳库周转系数相对较高。可见,随着团聚体粒径的减小,其对于土壤有机碳的固持能力逐渐变弱。

相关分析(表2)表明:Ct与C0、SOC、MWD、GMD呈极显著正相关,C0与SOC、MWD、GMD、T1∕2呈显著正相关,表明土壤有机碳含量及土壤结构是影响土壤有机碳矿化的重要因子。MWD及GMD与SOC呈显著正相关,表明较为稳定的土壤团聚体结构是维持土壤有机碳库储量的重要保障。

表2 耕层土壤有机碳矿化动力学参数与土壤有机碳含量及团聚体稳定性相关分析Table 2 Correlation analysis between kinetic parameters of topsoil organic carbon mineralization and soil organic carbon content and aggregate stability

3 讨论

3.1 长期施肥对黄泥田土壤团聚体稳定性及有机碳含量的影响

有机培肥模式能够显著改善红壤、黑垆土及棕壤的土壤结构,同时增加土壤的有机碳含量[12-14]。本研究发现,与长期单施化肥(NPK)处理相比,化肥配施秸秆(RS)与一次性基施控释BB 肥配施牛粪(CM)处理均显著提高了黄泥田土壤团聚体结构的稳定性及各粒径团聚体的有机碳含量。长期有机培肥显著增加了土壤中有机碳的输入,降低了土壤结构体的亲水性,减缓了土壤团聚体结构受水分湿润而破碎的速度,消弱了土壤颗粒中填充空气对于土壤结构的破坏能力[15-16]。有机碳吸水能力强于土壤矿物,增强了团聚体之间的黏结和抗张强度,是土壤形成水稳性团聚体的前提[17-19]。同时,长期有机培肥能够改善土壤营养环境状况,大幅提升土壤的有机碳含量[20-22]。

本研究还表明,CM 处理对于团聚体稳定性及有机碳含量的提升效果明显优于RS 处理。其原因是由于秸秆与牛粪这两种有机物料本身理化性质不同,两种施肥模式配施的化学肥料种类及方式不同,从而使这两种施肥方式下黄泥田土壤结构的稳定性和土壤有机碳储量及矿化规律出现差异。同时由于RS 施肥模式下所添加的秸秆快腐菌作用发挥较慢,从而导致返回至农田的农作物秸秆出现腐熟较慢、养分释放缓慢、有机酸积累等问题,不利于形成较为良好的土壤结构和土壤养分积累[23-24]。而CM 处理所添加的是充分发酵腐熟的牛粪,能够迅速及时分解,且一次性基施控释BB 肥减少了人为因素对土壤结构的扰动。控释BB 肥肥效持久,能够满足水稻各个生长时期的养分需求,水稻植株健壮,地上部和地下部生长协调[25],促进了黄泥田良好团聚体结构的形成。

3.2 黄泥田水稻耕层土壤有机碳矿化特征

微生物在有机碳矿化的过程中扮演着十分重要的角色,不同施肥模式下土壤微生物种群丰度及活性存在明显不同,从而使土壤有机碳矿化特征存在明显差异[26]。本研究显示,有机碳矿化培养试验期间,3种施肥模式下CO2释放速率均呈前期快后期慢的变化特征。这主要是因为在培养前期试验土壤中易降解的糖类和蛋白质等活性有机物质含量较高,作为微生物繁殖生长的底物极大促进了微生物活动[27]。随着培养时间的延长,保证微生物活性的有机底物含量逐渐减少,微生物活动受到一定抑制,继而有机碳矿化速率出现逐渐降低的变化趋势。本研究表明,黄泥田土壤有机碳矿化速率表现为先升高后降低的变化特征,而且与培养时间呈现出明显的对数函数变化关系,与前人研究结果一致[28-31]。

土壤系统中有机碳的输入与输出是影响土壤环境中有机碳含量的重要原因[32]。本研究发现,黄泥田耕层土壤有机碳矿化速率及潜在可矿化有机碳含量呈现CM ＞RS ＞NPK 的变化趋势。有机物料施入的施肥模式下土壤养分含量会明显升高,从而促进植物生长,植物根系分泌物也增多,使土壤中可矿化有机碳含量随之增多[33],故土壤有机碳输入量较输出量大,土壤有机碳矿化作用增强。有机碳累积矿化率(Ct∕SOC)是衡量土壤有机碳固持能力的重要指标,研究显示RS 与CM 处理的Ct∕SOC值较NPK 处理低,表明有机培肥模式下土壤有机碳固持能力较强。土壤理化性质、养分状况、结构特征、酸碱性均是影响有机碳转常数(k)的重要敏感因子[34],本次针对于黄泥田土壤有机碳矿化的研究与陈吉等[35]对于潮土有机碳矿化的研究结论相似,即有机碳周转常数对于施肥的响应并不明显。与NPK 处理相比,RS 与CM 处理表现出促进有机碳周转的趋势,原因可能是有机物料的输入改变了黄泥田土壤养分、结构等多种理化特征。

3.3 黄泥田土壤不同粒径团聚体有机碳分布与矿化特征

研究认为,分布在较大粒径团聚体中的有机碳较小颗粒团聚体中的有机碳易被分解矿化,这是由于分布在粒径较大中的团聚体多数为刚进入到土壤环境中的新碳,同时因为大粒径团聚体上所存在的小分子有机黏稠剂相对较少,有机培肥模式可以在一定程度上增加有机黏稠剂含量,从而进一步对土壤有机碳矿化产生影响[36]。土壤微生物活性是影响有机碳矿化的重要因素之一,而土壤结构特征是影响土壤微生物活动的主要因子[37]。总体来说,由于不同粒径团聚体上所分布的有机碳与土壤颗粒的结合附着方式不同及有机碳本身结构性质存在差异,进而导致微生物对于其有机碳的分解能力出现强弱的区别,最终不同粒径团聚体有机碳矿化特征呈现出显著的差异性。本研究发现,黄泥田不同粒径的团聚体上有机碳含量由高到低依次为＞2.00 mm、0.25—2.00 mm、＜0.25 mm 粒径团聚体。土壤粒径＜0.25 mm 团聚体有机碳矿化速率、累积矿化率及有机碳周转常数(k)较其他粒径团聚体高,表明微团聚体中所分布的有机碳稳定性较差、易矿化分解,有机碳难以长期储存,不同粒径团聚体上有机碳的分布特征是影响其有机碳矿化的重要因素,土壤母质、水肥管理、地上植被及生态环境均是重要的影响因子[38]。

4 结论

与单施化肥相比,长期有机物料输入的施肥模式均可以不同程度提高黄泥田土壤团聚体的稳定性、有机碳含量、有机碳累积矿化量及潜在可矿化有机碳含量,同时显著降低土壤有机碳累积矿化率。其中,一次性基施控释BB 肥配施牛粪的施肥模式最有利于黄泥田土壤团聚体稳定性及土壤有机碳固持能力的提高。