长期不同养分循环再利用途径对农田土壤养分演替规律与培肥效果的影响研究*

邢 力,张玉铭,胡春胜,董文旭,李晓欣,刘秀萍,张丽娟,文宏达**

(1.河北农业大学资源与环境科学学院 保定 0710001;2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022)

养分是土壤地力的核心,促进土壤养分库容扩增是培肥地力的重要内容。农业生态系统养分循环再利用是我国农业施肥的传统,对土壤养分的涵养发挥着重要作用,是培肥地力的有效措施,特别是在适量施肥基础上保持养分循环再利用,既可满足丰产作物的养分需求和平衡土壤养分收支,还可减少过剩养分进入环境,从而弱化不合理施肥造成的环境风险,对培育基础地力、改善耕地质量、促进农业的绿色可持续发展意义重大。

纵观我国农业发展史,农业的经营管理模式经历了不同的发展时期。早期为移耕农业,进入20世纪40-50年代,农业经营模式以有机农业为主,由于人口流动少、粮食输出量小,养分通过人或牲畜过腹归还农田,基本实现养分在农田生态系统内部循环再利用;进入60-70年代,由于化肥的引入,施肥模式发展为化肥与圈肥相结合,即有机无机相结合的农业经营模式占主导,养分也基本是在农业生态系统内部进行循环再利用;进入80年代,石油农业崛起,有机农业受到挑战,农业生产中施用化肥占主导;进入90年代末期,秸秆还田措施开始实施,发展成为化肥+秸秆还田的现代农业经营模式,养分通过秸秆直接还田实现循环再利用。由此可见,随着农业经营模式的变迁,养分的循环再利用途径发生了改变,养分归还的载体亦随之发生了变化,由过去的施用有机粪肥变为以秸秆直接还田为主。随着归还农田的有机物料的改变,势必会引起土壤养分转化的生物、物理、化学过程的变化,从而影响土壤养分固持与释放以及养分库的容量与组分构成,影响土壤的供肥与保肥能力。因此,探究农业经营制度改变后不同养分循环再利用途径对土壤养分演替规律的影响、解析其培肥效果显得尤为迫切。

20世纪90年代末至21世纪初,沈善敏和刘鸿翔两个团队分别针对东北地区的褐土和黑土开展了施肥和养分循环再利用对土壤养分动态与收支平衡等方面的研究。张璐等研究了辽西褐土施肥及养分循环再利用对土壤肥力变化的影响,发现经过12年的养分循环再利用明显提高了耕层土壤有机碳氮含量,改善了土壤肥力。沈善敏等研究发现,在施氮磷肥基础上,每年以80%的收获籽粒和2/3 的秸秆喂猪、垫圈,猪圈肥循环回田,经过11年的养分循环再利用,不仅粮食平均产量提升了17%,土壤供应氮磷能力也显著提高。刘鸿翔等比较了松嫩平原黑土区不同养分循环结构农业经营制度对土壤养分的影响,结果表明,移耕农业和传统农业系统生产力低,土壤速效养分库脆弱,石油农业和有机无机相结合农业制度显著提高了系统生产力,石油农业改善了氮素质量,提高了土壤速效磷、钾,而有机无机相结合农业制度下土壤全量和速效氮、磷、钾均有所增长。上述研究中仅涉及养分过腹还田循环利用途径对农田生产力和土壤肥力的影响,近年来,随着秸秆还田措施的普及,养分循环再利用的载体逐渐由有机粪肥转换成为秸秆,秸秆还田的培肥作用日渐备受关注,但同步比较两种养分循环再利用途径对农田地力影响的系统研究相对较少。近期的研究表明,秸秆还田可以有效维持和提升土壤有机碳储量,在有机碳固定方面潜力巨大。Yang 等研究表明,5年秸秆还田0～30 cm 土层土壤有机碳(SOC)提高4.45%～9.00%。刘玲等发现,秸秆粉碎直接还田和过腹还田下,潮土SOC 较常规施肥分别增加28.70%和12.40%,全氮(TN)分别增加24.66%和21.92%,秸秆直接还田较过腹还田更有利于土壤SOC 和TN 库容建设;而微生物碳氮在总有机碳氮中所占比例则以过腹还田高于秸秆粉碎还田,作物产量亦以过腹还田高于直接还田。这表明秸秆过腹还田较直接还田更有利于改善土壤有机碳氮库的结构,对土壤有机质质量提升更为有利。由此可见,养分循环再利用方式不仅对土壤碳氮库容产生影响,还可调节土壤养分库结构,从而影响土壤养分的保蓄与供应能力以及农田生产能力。

土壤有机质是稳定而长效的碳源物质,并且几乎含有作物所需的各种营养元素,其中,活性有机质对植物养分供应具有直接作用,是衡量土壤肥力的重要指标。净固碳效率可较好地反映土壤有机质数量上的变化,土壤碳库管理指数结合了土壤碳库指数和碳库活度两个方面的指标,能较好地反映土壤有机质质量变化或更新程度。系统分析土壤净固碳效率与土壤碳库管理指数间的相关关系,可以较好地反映农业管理措施对土壤质量的影响强度与方向。目前,国内有关长期施肥措施特别是养分循环再利用对土壤养分库动态变化的研究多局限在养分总量、活性养分和惰性养分含量的变化特征方面,尚缺乏对土壤养分库管理指数、活度指数、容量指标的系统研究,系统分析土壤养分库的容量指标和质量指标的耦合关系及其对农业管理措施的响应,可为优化区域养分综合管理方案提供依据。

华北平原作为我国重要的粮食主产区之一,承载着国家粮食安全与供应、农业资源高效利用与可持续发展的生态经济功能,在国家粮食增产规划中承担着50%的增产任务。农民为了追求高产,“大水大肥”现象普遍存在,粮食生产过度依赖化肥的问题日益凸显,由此引发了资源浪费、利用效率低下、环境风险提升和土壤环境退化等问题。改善土壤质量、培肥地力是实现化肥减量控失、养分高效的基础。充分发挥有机粪肥和作物秸秆的培肥作用,挖掘有机养分循环再利用的地力培育和作物增产潜力是减少化肥用量、遏制环境污染、持续提升粮食产量和资源效率的关键。本研究基于中国科学院栾城农业生态系统试验站长期农业经营制度定位试验,研究不同养分循环再利用途径下土壤养分演替规律与土壤固碳效应,解析土壤养分库不同组分变化对总养分库容量的影响,揭示养分循环再利用培肥机制,为制定地力培育和提升土壤固碳潜能的农业管理措施提供理论依据,对本区域农业绿色可持续发展提供科技支撑和服务。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于河北省石家庄市栾城区中国科学院栾城农业生态系统试验站(114°40′E,37°50′N,平均海拔50.1 m)。地处冀中平原西部,属暖温带大陆性半湿润季风气候,年平均气温12.8 ℃,无霜期205 d,降水量474.0 mm,降雨集中在7、8、9月,雨热同期。供试土壤类型为潮褐土,代表华北平原高产农业生态类型,种植制度为冬小麦()-夏玉米()轮作。

1.2 试验设计

本研究依托始于2001年的有机养分循环再利用长期定位试验进行,选择对照处理(CK,不施肥)、化肥+猪粪(MNPK)、全部施用化肥(NPK)和化肥+秸秆还田(SNPK) 4 个处理作为研究对象,每个处理3次重复,小区面积120 m。CK 代表我国早期的移耕农业模式: 不施肥,地上部全部移除,农田土壤地力属于完全耗竭状态;MNPK 代表20世纪60-70年代养分循环再利用农业经营模式: 在施用化肥基础上,地上部收获物80%经饲喂猪后过腹还田,饲喂试验过程中不给猪饲喂任何其他外源物质,全年的粪肥全部用于小麦底肥;NPK 代表20世纪80年代石油农业模式: 施用化肥,地上部生物全部移出,完全靠化肥投入支撑农业生产;SNPK 代表现代农业经营模式: 施用化肥,秸秆全部直接还田,玉米秸秆采用粉碎旋耕还田,小麦秸秆采用覆盖还田,这一模式是目前本区域常规采用的农业经营模式。除CK 外,其他处理中每年施用化肥N 300 kg·hm、PO120 kg·hm、KO 75 kg·hm,化肥氮和钾小麦季和玉米季各施用全年用量的1/2,其中,小麦季钾肥全部用于底肥,氮肥底肥和拔节期追肥各占当季用量的1/2;玉米季氮钾肥全部于大喇叭口期施用;全年的磷肥全部于小麦底肥施用,玉米季利用前茬作物的磷肥后效。

1.3 样品采集与分析测定

2002年起每年9月底玉米收获后在各小区内按照S 型采样法采集0～20 cm 土样2 kg,风干,除去杂质,粉碎后供分析测试用。2020年采集样品后留出部分鲜样测定土壤水分、硝态氮、铵态氮、微生物碳氮、可溶性有机碳、微生物群落组成等指标,其余样品风干备用。

土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法、全氮采用硫酸消煮-凯氏定氮法、碱解氮采用碱解扩散法测定,硝态氮和铵态氮采用KCl 浸提-全自动化学分析仪(SMART ChEM 140)测定,惰性有机碳采用6 mol·L的HCl 酸解18 h、洗涤烘干后用元素分析仪(vario MACRO cube)测定,易氧化有机碳采用 333 mmol·LKMnO氧化、分光光度计(565 nm)比色法测定,可溶性有机碳采用硫酸钾浸提、碳氮分析仪(Vario TOC SELECT)测定,氨基糖采用水解、纯化、衍生、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS,Finnigan Trace,Thermo Electron Finnigan Co.Ltd.,USA)测定。

1.4 相关参数计算

式中: T OCs和 T Ns分别为有机碳和全氮储量(t·hm),和分别为 土壤有机碳和全氮含量(g·kg),ρ为土壤容重(g·cm),为耕层厚度(在此为20 cm)。

1.4.2 净固碳效率(net carbon sequestration efficiency,NCSE)

固碳效率(carbon sequestration efficiency,CSE)计算公式:

式中:CSE为固碳效率(kg·hm·a),TOCs和TOCs分别为试验进行到第年和试验初始时耕层土壤有机碳储量(t·hm),为试验进展的年限(本试验为18年)。

净固碳效率(NCSE)计算公式:

式中: NCSE为处理的净固碳效率(kg·hm·a),CSE和 CSE分别为第年处理和对照(CK)处理的固碳效率。

碳库管理指数(carbon pool management index,CPMI)是指碳库指数与活度指数的乘积的100 倍。其中,碳库指数(carbon pool index,CPI)为样品中土壤有机碳(TOC)含量与参考土样TOC 含量的比值(本研究中选取2019年CK 处理0～20 cm 土层的土样作为参考土样进行计算);活度指数(activity index,AI)为样本碳库活度与参考土样碳库活度比值,碳库活度(activity,)为土壤易氧化有机碳(LOC)与(TOC-LOC)的比值。

式中: C PMI 为碳管 理指数,C PI为 碳库指数,AI为 活度指数,A 和A分别为样本和参考土样的碳库活度,为某处理的土壤样本,为参考土壤样本。

1.5 数据统计分析方法

采用Microsoft Excel 2013 软件处理数据及绘图,采用SPSS 17.0 进行不同处理间差异的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同有机养分循环再利用模式对土壤有机质含量及有机碳组分的影响

土壤有机质对土壤肥力和土壤功能具有重要影响,对粮食生产至关重要。图1a 给出了长期不同农业经营模式下土壤有机质含量的动态变化情况。从图可知,经过18年不同农业经营模式后,土壤有机质发生了显著改变,有机养分的循环再利用(MNPK 和SNPK)有效促进了有机质在土壤中的积累。随着试验年限的延长,各处理间有机质含量的差异日渐明显,实施地上收获物过腹还田(MNPK)和秸秆直接还田(SNPK)处理由于增加了有机物料的输入,均较单独施用化肥(NPK)提升土壤有机质含量的效果更为显著,表现在时间上更快,数量上更多。MNPK 处理在试验进展到第4年后土壤有机质显著高于其他处理(＜0.05),而SNPK 处理则在第5～6年后方显著高于NPK 和CK (＜0.05)。NPK 处理与对照(CK)处理间土壤有机质表现出显著性差异则费时更长,在试验开始的前10年内NPK 和CK 间土壤有机质基本无差异,随着试验年限的延长,NPK 处理的有机质含量方逐渐显著高于CK (＜0.05)。试验第10年(2012年),MNPK、SNPK 和NPK 分别较CK 的土壤有机质增加38.3%、32.8%和6.6%;随着试验的进行,增加幅度进一步增大,到2020年时分别增加62.5%、38.2%和20.5%。与NPK 相 比,2020年MNPK 和SNPK 土壤有机质分别提升34.9%和14.8%,这表明地上物通过过腹还田较秸秆的直接还田更有利于土壤有机质的积累。

图1 长期不同农业经营模式对土壤有机质含量(a)和年递增率(b)的影响Fig.1 Effects of different long-term agricultural management patterns on contents (a) and annual change rates (b) of soil organic matter

秸秆直接还田与过腹还田土壤有机质积累的动态模式存在差异。以试验伊始土壤有机质含量为基础,计算了不同农业经营模式下土壤有机质随时间的年递增速率(图1b)。结果表明,MNPK 和SNPK 两个处理的年递增速率始终为正值,表明有机质始终处于积累状态,其中,MNPK 处理有机质积累速度显著高于SNPK 处理(＜0.05)。试验初期,MNPK 处理土壤有机质积累速度较快,随后积累速度放缓,进行到第10年后,积累速度趋于平稳,土壤有机质基本以2%的年递增率稳步提升;而SNPK 处理土壤有机质的增长则以先缓后快的模式增长,试验开始后的前10年内土壤有机质仅以0.3%～1.0%的年递增率增长,随后,进入增速平稳期,基本以1%左右的年递增率增长。对于NPK 处理,试验开始的前12年内,土壤有机质年递增率均为负值,表明有机质呈持续下降状态,即土壤有机质分解速度大于积累速度;到2014年后,土壤有机质的年递增率徘徊在0 左右,表明此时期土壤有机质积累与降解基本达到平衡。对于对照CK 处理,土壤有机质年递增速率始终为负值,表明其土壤有机质始终处于降解速度快于积累的状态,有机质含量每年基本以1%左右的递减速率下降。

TOCs 决定于农田有机物料的输入与降解的平衡,指示不同碳组分周转平衡后的结果。从表1可知,2002-2020年,实施有机养分循环再利用的经营模式显著扩增了耕层土壤有机碳库容量(＜0.05),MNPK 和SNPK 有机碳储量分别增加9.21 t(C)·hm和4.51 t(C)·hm,对土壤有机碳库的扩增效果以秸秆过腹还田显著优于秸秆直接还田(＜0.05)。NPK 处理经历18年后土壤有机质无显著性增加,土壤有机碳库仅增加0.64 t(C)·hm,表明在华北太行山前平原高产类型区小麦-玉米轮作农田,本研究中的化肥用量且无有机物料的添加下仅仅能维持土壤有机碳库的不耗损或基本平衡,而对于有机碳库扩增无显著效果;这也暗示,在当今提倡化肥减施增效情况下,勿忽略加强有机养分循环再利用或外源有机物料的添加。对于CK 处理,由于长时间的缺少外源物质的投入,有机碳库严重耗竭,2020年TOCs 显著低于试验开始时的2002年,18年间土壤有机碳库亏缺2.79 t(C)·hm。与对照(CK)相比,经历18年的各种施肥措施,土壤碳库库容得到了有效扩充,NPK、SNPK 和MNPK 处理的土壤有机碳库依次增加了4.29 t(C)·hm、7.72 t(C)·hm和12.39 t(C)·hm;与NPK处理相比较,SNPK 和MNPK 处理的土壤有机碳库分别增加了3.43 t(C)·hm和8.10 t(C)·hm。总体而言,施用化肥基础上实施养分的循环再利用或添加外源有机物料可显著扩增TOCs,本研究的化肥施用水平仅仅只能维持有机碳库基本平衡。

表1 长期不同农业经营模式下土壤有机碳储量变化Table 1 Change of soil organic carbon storage under different long-term agricultural management patterns t(C)·hm-2

土壤有机碳含量是容量指标,不足以全面反映土壤质量的内在变化。为了更好地指征土壤养分供应和碳库储存特性,基于土壤有机碳在各种提取剂中的溶解性和氧化性不同,将有机碳分为活性和稳定性两种组分。活性组分主要包括可溶性有机碳和易氧化有机碳,稳定性有机碳组分主要包括难以分解的惰性有机碳。活性组分周转时间较短,与土壤养分的供应和作物生长密切相关,是植物营养的主要来源,可用以指示土壤有机质的早期变化,常被作为土壤有机质的活性指标。惰性有机碳(ROC)是土壤有机碳库中相对难分解、较稳定的部分,主要包括木质素、腐殖质、多酚及被保护的多糖等,其含量越高越有利于土壤有机碳的积累,惰性有机碳主要贡献于碳库建设。

2020年的不同长期农业经营模式下土壤有机碳组分如图2所示。惰性有机碳(ROC)和易氧化有机碳(LOC)含量由大到小的顺序均为MNPK＞SNPK＞NPK≈CK,可溶性有机碳(DOC) MNPK＞SNPK＞NPK＞CK。从不同处理对各组分有机碳积累的促进效果来看,NPK 处理 仅使DOC 略高于CK 处理,而LOC 和ROC 含量却较CK 处理略低,但差异未达到统计学上的显著水平。与NPK 相比,MNPK 和SNPK 显著提高了LOC 和ROC 含量(＜0.05),MNPK 处理的LOC 和ROC 分别提高165.2%和27.1%,SNPK 则分别提高146.4%和25.6%。表明施用化肥基础上实施养分的循环再利用对活性有机碳库的提升效果高于对惰性有机碳库的影响,即,活性有机碳库对农业管理措施反应敏感,惰性有机碳库积累过程缓慢。

图2 长期不同农业经营模式对土壤有机碳组分的影响Fig.2 Effects of different long-term agricultural management patterns on soil organic carbon components

土壤净固碳效率(net carbon sequestration efficiency,NCSE)是土壤碳固存潜力的重要指标,能较好地反映土壤有机碳对施肥措施的响应。本研究分析了经过18年的不同施肥措施后土壤的固碳效率和净固碳效率,结果表明,不同处理土壤固碳效率和净固碳效率由高到低的顺序均为MNPK＞SNPK＞NPK＞CK (表2)。从固碳效率来看,CK 处理表现为土壤有机碳的净释放,其他处理均为净固定。以CK的固碳效率为参考基础获得的各施肥处理的净固碳效率的结果表明,施用化肥基础上实施养分的循环再利用,显著提高了土壤的NCSE,MNPK 较NPK 提高2.5 倍(＜0.05),SNPK 较NPK 提高1.1 倍(＜0.05);且实施18年后,MNPK 处理较SNPK 处理土壤的净固碳效率显著提高63.6% (＜0.05)。表明实施养分的循环再利用或有机无机相结合可促进有机碳固存,培肥地力,养分的过腹还田较直接还田方式固碳潜力更高。

土壤碳库管理指数(carbon pool management index,CPMI)结合了人为影响下土壤碳库指标和土壤碳库活度,反映了外界条件对土壤有机质数量及土壤活性有机质数量的影响,能够较全面反映外界条件对土壤有机质性质的影响。本研究以2019年CK 处理的TOC 含量和土壤碳库活度基础值为参考值,计算了2020年各施肥处理的CPMI (表2)。结果表明,土壤的碳库活度以SNPK 最高,其次为MNPK,NPK 最低,与CK 相比,NPK 处理的碳库活度降低了33.3%,表明单独施用化肥情况下,作物根系和凋落物归还输入土壤的碳不足以维持输入与输出的平衡,降低了活性有机碳在总有机碳中的比例。与NPK 相比,MNPK和SNPK 各碳库指标均显著提高(＜0.05),表明实施养分的循环再利用显著改善了土壤有机碳库。比较MNPK 和SNPK 不难看出,有机碳库的活度指标均以SNPK 高于MNPK,这应该与归还农田有机物料特性不同有关,说明有机碳库建设中猪粪更有利于促进惰性碳库增长;碳库指数和管理指数则均以MNPK高于SNPK,表明MNPK 更有利于土壤向良性发展。

表2 长期不同农业经营模式对土壤净固碳效率和碳库管理指数的影响Table 2 Effects of different long-term agricultural management patterns on soil net carbon sequestration efficiency and carbon pool management index

为了进一步明确影响土壤固碳效率和碳库管理指数的有机碳组分,对碳库管理指数(CPMI)、有机碳净固碳效率(NCSE)与土壤有机碳(TOC)、易氧化有机碳(LOC)、惰性有机碳(ROC)进行相关性分析(表3),结果表明,TOC 与LOC 和ROC 均呈显著性正相关(＜0.05),且LOC、ROC 与TOC 的相关系数相近,表明LOC、ROC 对TOC 的影响程度基本相同,均可在一定程度上反映土壤TOC 含量的变化,且TOC 含量增加可引起LOC 和ROC 含量的增加。CPMI 与TOC 无显著性相关关系,而与LOC 存在极显著的正相关关系(＜0.001)、与ROC 存在显著相关关系(＜0.05),表明TOC 含量的变化不会对CPMI 产生影响,而ROC 和LOC 含量的改变可显著或极显著影响CPMI 走向,以LOC 对CPMI 的影响强度高于ROC,即LOC 增加更有利于土壤向良性方向发展,而LOC 减少则会导致质量恶化,这进一步说明LOC 是指示土壤碳库的灵敏指标,可以反映短期内土壤有机碳库的变化特征。NCSE 与TOC 含量呈极显著正相关关系(＜0.001),与LOC、ROC 和CPMI 呈显著性正相关关系(＜0.05),表明TOC 含量增加可极显著提升土壤的固碳效率,总有机碳是决定土壤碳库建设的最重要因素。CPMI 与LOC、ROC、NCSE均呈显著正相关关系,特别是与LOC 存在极显著正相关关系,这表明CPMI 不仅可以良好地表征土壤质量变化,还可表征土壤固碳潜力变化,能够较全面反映外界条件对土壤有机质性质的影响。

表3 土壤有机碳(TOC)、惰性有机碳(ROC)、易氧化有机碳(LOC)、碳库管理指数(CPMI)及净固碳效率(NCSE)之间的相关系数Table 3 Pearson correlation coefficients between total carbon(TOC),resistant organic carbon (ROC),labile organic carbon (LOC),carbon pool management index(CPMI) and net carbon sequestration efficiency(NCSE)

2.2 不同有机养分循环再利用模式对土壤氮库容量和氮库组成的影响

秸秆直接还田和过腹还田均可显著增加土壤全氮含量。图3a 表明长期采取不同农业经营模式可显著影响土壤全氮的动态变化特征,NPK、MNPK 和SNPK 处理均可显著提升土壤全氮含量,提升效果由大到小的顺序依次为MNPK＞SNPK＞NPK＞CK。其中,MNPK 处理增加土壤全氮的效果立竿见影,试验后的第2年该处理的全氮含量即显著高于其他处理(＜0.05),并随着试验的延续土壤全氮含量逐年提高;而SNPK 和NPK 提升土壤全氮含量的效果缓慢,与对照相比,持续到试验的第6年(2008年)有显著差异(＜0.01)。经过18年的持续试验,到2020年NPK、SNPK 和MNPK 各处理的土壤全氮分别较CK 处理增加21.4%、40.5%和59.7%;与仅施用化肥的NPK相比,增加秸秆直接还田和过腹还田均显著提高土壤全氮含量水平(＜0.01),SNPK 和MNPK 分别提高15.8%和31.6%。

MNPK 的土壤氮库库容扩增速度和扩增效果显著高于SNPK (＜0.01)。由于试验伊始土壤全氮含量较低,仅为0.94～0.97 g·kg,在试验开始后的前4年内各施肥处理的土壤全氮含量增速较快(图3b),MNPK 处理的年递增率最高,为4.8%～9.6%;SNPK 和NPK 处理的年递增率基本相当,为1.5%～3.2%。随着试验年限的延长,各施肥处理全氮含量的增速放缓,进入平稳增长期,MNPK 处理的年递增率保持在2.2%～3.2%,SNPK 和NPK 处理的年递增率分别为0.7%～2.2%和0.1%～1.3%。对于CK 处理,土壤全氮处于持续降低状态,年降低速率为0.1%～1.9%,降低速度以试验前期高于后期,究其原因,一方面是前期土壤中易降解有机物质含量高,有机物易于分解为作物生长提供所需的养分;另一方面该阶段作物产量仍处于较高水平,对养分的吸收和携出较多,造成了该阶段土壤氮素含量下降较快。随着试验时间的延长,长期无外源物质的投入,土壤氮素不断耗竭,土壤中剩余有机物多为难以降解类型,土壤养分供应严重不足,限制了作物的正常生长,作物产量很难形成,由此从土壤中携出的氮素量明显下降,从而减缓了后期土壤氮素下降速度

图3 长期不同农业经营模式对土壤全氮含量(a)和年递增率(b)的影响Fig.3 Effects of different long-term agricultural management patterns on contents (a) and annual change rates (b) of soil total nitrogen

由表4可知,经历18年的定位试验后,各处理间土壤氮库储量存在显著差异(＜0.05),而MNPK 和SNPK 处理的土壤氮库显著扩容(＜0.05),土壤氮素库容扩增效果由大到小的顺序依次为MNPK＞SNPK＞NPK;3 个施肥处理2020年比2002年试验初期的土壤氮储量分别增加47.6%、25.6%和7.2%;由于CK 处理长期的赤字经营,土壤氮库储量下降10.9%。与NPK 处理相比,MNPK 和SNPK 土壤全氮储量分别增加31.6%和15.5%。由此可见,过腹还田式的有机养分循环再利用较秸秆直接还田更能有效扩增土壤氮库容量。

表4 长期不同农业经营模式下土壤氮库储量变化Table 4 Change of soil nitrogen storage under different longterm agricultural management patterns t(N)·hm-2

有机养分的循环再利用可有效调控土壤氮库结构,提高土壤的供氮和保氮能力。2019年度分析了长期不同农业经营模式下土壤不同形态氮素含量,剖析了不同处理对土壤氮库组成的影响,以阐明农业管理措施对土壤氮素的供应与保持能力的影响。研究结果表明(图4A),长期不同农业经营模式下土壤全氮、碱解氮呈相同变化趋势,由高到低依次为MNPK＞SNPK＞NPK＞CK,全氮各处理间存在显著差异(＜0.05),碱解氮所有施肥处理均显著高于CK (＜0.05);与NPK 相比,MNPK 显著提高了土壤碱解氮和全氮含量(＜0.05),而SNPK 仅显著提高了全氮含量(＜0.05)。过渡性氮库(氨基糖态氮)由高到低顺序为SNPK＞NPK＞MNPK＞CK,速效性氮库(碱解氮)由高到低的顺序为MNPK＞SNPK＞NPK＞CK。秸秆还田显著增加了氨基糖态氮含量,推动了过渡性氮库建设,同时,显著降低了速效性氮库容量,表明秸秆还田显著提高了土壤微生物对氮素的固持,降低了速效性氮素含量及其向环境的迁移风险,利于农田生态系统的稳氮与供氮。而无机态氮和氨基糖态氮在MNPK 与NPK 两处理中基本相当,MNPK 无机氮显著高于SNPK 处理(＜0.05),氨基糖态氮显著低于SNPK 处理(＜0.05),表明秸秆过腹还田极大地扩增了土壤的速效性氮库,但并未促进微生物对氮素的固持,秸秆过腹还田对土壤氮库组成的调控作用低于秸秆直接还田。

图4 长期不同农业经营模式对土壤氮库构成(A)和土壤氨基葡萄糖(Glu)和胞壁酸(Mur)含量(B)的影响Fig.4 Effects of long-term agricultural management patterns on soil nitrogen pool composition (A) and contents of soil glucosamine (Glu) and muramic acid (Mur) (B)

氨基糖是土壤微生物细胞壁的组成成分,由于其稳定性和异源性,可作为微生物残留物标识物,用来研究土壤养分转化和积累过程中不同微生物群落的贡献。氨基葡萄糖是真菌几丁质的唯一成分和脱酰基几丁质的主要成分,真菌是其主要来源;胞壁酸则是细菌中脂多糖和细胞壁中肽聚糖的成分,细菌是其唯一来源。可通过分析氨基糖含量变化来了解真菌和细菌残留物的积累和转化,阐释真菌和细菌在养分转化中的作用。SNPK 处理的氨基葡萄糖显著高于其他处理(＜0.05),其他处理之间差异不显著;胞壁酸含量以MNPK 处理最高,显著高于NPK 和CK 处理(＜0.05),与SNPK 差异不显著(图4B)。这表明当前本区域农业生产中普遍采用的施用化肥下秸秆直接还田更有利于促进真菌的生长繁殖,在施用化肥下配施猪圈肥更有利于促进细菌的生长繁殖。

氨基葡萄糖和胞壁酸(Glu/Mur)的比值可以衡量微生物群落中真菌和细菌在养分转化中作用的相对贡献,若其比值较大说明真菌相对贡献占优势,反之则说明细菌相对贡献占优势。从图4B 可以看出,MNPK 处理的Glu/Mur 比值最低,显著低于NPK 和SNPK 处理(＜0.05)。说明在本研究中,长期实施农田产出物的过腹还田,土壤中细菌在养分转化中的相对贡献更大。其他处理中则为真菌的贡献更大。

2.3 不同有机养分循环再利用模式对土壤磷库的影响

从图5a 可知,MNPK 处理较其他处理更能有效促进土壤有效磷含量的提升;而SNPK 和NPK 对土壤有效磷含量的影响基本相当,两种处理(SNPK 和NPK)下土壤有效磷含量均显著低于MNPK(＜0.001),却显著高于CK 处理(＜0.01)。至2020年,MNPK、SNPK 和NPK 处理下土壤有效磷含量较CK 分别增加40.4 倍、9.2 倍和10.2 倍。

图5 长期不同农业经营模式对土壤有效磷含量(a)和年递增率(b)的影响Fig.5 Effects of long-term agricultural management patterns on contents (a) and annual change rates (b) of soil available phosphorus

为了进一步了解土壤有效磷的动态变化特征,以试验伊始土壤有效磷含量为基数,计算了土壤有效磷含量的年递增率(图5b),结果表明,试验开始后的前4～5年内不同处理间土壤有效磷的递增速率差异较大,MNPK 处理土壤有效磷增速极高,年递增率为45.4%～81.5%,随着试验年限延长,增速相对放缓,2007年起年递增率逐渐由37.1%降至14.0%。而SNPK 和NPK 处理土壤有效磷年递增率显著低于MNPK 处理(＜0.001);并且在试验开始的前几年,SNPK 处理土壤有效磷年递增率为负值,表明有效磷含量不增反减,这很可能是由于秸秆输入为微生物提供了更容易获取的有机碳源,影响了土壤微生物对磷素的降解代谢和合成代谢进程的相对强弱,增强了微生物对土壤和肥料来源有效磷的固持有关;随着试验年限的延长,2008年起其年递增率持续转为正值,表现出土壤有效磷呈不断增加状态,并基本以5.0%～10.5%的年递增率增加。

MNPK 处理显著提高了微生物多样性和与磷素转化相关的酶活性。纵观不同施肥处理下土壤有效磷的动态变化特征不难发现,MNPK 处理土壤有效磷含量以远高于其他处理的递增速率上升,究其原因,一方面施用猪粪输入到农田的磷量、微生物量和种类远高于秸秆直接还田,另一方面施用猪粪还会对土壤土著微生物起激发效应。多重诱因促进了微生物多样性和活性增加,显著提高了碱性磷酸酶和植酸酶活性(图6A),从而提高了MNPK 土壤有效性磷的积累。此外,由于粪肥和秸秆组成成分不同,长期施用后诱导微生物群落组成发生了显著变化。从图6B 可以看出,MNPK 处理显著提高了细菌群落的多样性,提高了细菌在土壤养分转化中的相对贡献;而长期秸秆还田则显著提高了真菌群落的多样性,提高了真菌在土壤养分转化中的相对重要性。MNPK 处理的真菌+细菌总Chao1 指数显著高于其他处理,这亦有可能是MNPK 有效磷含量显著高于其他处理的重要原因。

图6 长期不同农业经营模式对土壤磷素转化相关的酶活性(A)和与微生物多样性(B)的影响Fig.6 Effects of different long-term agricultural management patterns on soil enzyme activities related to phosphorus transformation (A) and microbial diversity (B)

表5给出了试验开始前后不同处理土壤有效磷库储量的变化情况。2002-2020年18年间,CK 处理有效磷库存在耗竭现象,有效磷储量减少11.11 t(P)·hm;而各施肥处理有效磷库得到了显著扩容,NPK、SNPK 和MNPK 耕层土壤有效磷储量依次增加29.00 t(P)·hm、24.68 t(P)·hm和144.87 t(P)·hm,MNPK 处理有效磷增量显著高于NPK 和SNPK,表明实施地上产出物过腹还田可极显著提高土壤有效磷库储量,对磷库建设起到了积极作用;而NPK 和SNPK 两处理间无显著性差异,表明秸秆直接还田对土壤有效磷库储量扩增影响甚微(表5和图5)。

表5 长期不同农业经营模式下土壤有效磷储量变化Table 5 Change of soil available phosphorus storage under different long-term agricultural management patterns t(P)·hm-2

3 讨论与结论

土壤有机质有助于维持土壤的长期健康与结构稳定,为作物提供养分,调节土壤通气状况和持水量,从而提高养分利用效率及养分保持能力等。因此,调控土壤有机质的转化过程,提升有机质的积累是沃土培肥的关键环节。本研究的结果表明,养分循环再利用措施的实施增加了农田有机碳循环,改善了土壤养分循环过程,促进了土壤有机碳增加(表1),增强了农田土壤作为碳汇的功能。从土壤有机质含量的动态变化过程来看,试验初期,养分循环再利用情况下,土壤有机质含量增长速度较快,随着试验年限的延长,增长速度逐渐趋缓(图1b),表明随着有机物料逐年还田使土壤有机碳含量逐渐增加,当土壤有机碳储量增加到一定程度后,特别是趋于饱和临界值时,有机碳的进一步积累逐渐困难。众所周知,华北平原土壤质地较粗,属于碱性富钙的石灰性土壤,表层土壤pH 中值高达8.18,碱性富钙土壤环境有利于次生碳酸盐的形成,加快土壤有机碳分解,不利于有机碳积累,这也可能是本区域土壤有机质难以进一步提升的原因之一。

不同农业经营制度对土壤有机质的影响存在显著性差异。施用化肥基础上实施有机养分的循环再利用较单独施用化肥显著增加土壤有机质含量,对土壤有机质的扩增效果以地上产出物过腹还田优于秸秆直接还田,这与前人的研究结果基本一致。究其原因,可能与两种养分循环再利用模式所投入有机物料组成不同有关。与秸秆相比,猪粪主要是处于半分解状态的有机质,更易腐解转化并产生多糖等代谢物,促进土壤团聚体形成,提升团聚体稳定性,增加碳吸附和固定;此外,其还田带入更多有效态氮,提高了碳转化效率;再之,施入猪粪向土壤中带入大量微生物,促进了微生物数量的增加和活性的提高,同时也激发了土壤中土著微生物的活性,促进了碳氮代谢与固持,从而提高有机质含量。对于单独施用化肥的处理而言,试验开始的最初几年,土壤有机质含量略有降低,处于分解释放状态,试验进展到近10年时,有机质逐渐进入积累状态,其含量逐渐恢复至试验初始状态并略有提升。这表明,在该农业管理模式的化肥施用水平下,如果不给予有机物质的补充,仅依靠化肥投入不足以补充作物产量形成所需养分,需要土壤有机质分解释放养分供作物生长所用,以此来保证作物产量的提升。随着作物产量提升,根茬残留归还到土壤中的有机物质增加,以此来反哺土壤,促使有机质的分解与积累趋于基本平衡或略有盈余。

从农业经营制度对碳库组分的影响来看,单独施用化肥与常年不施肥的对照相比其可溶性有机碳、易氧化有机碳、惰性有机碳均未得到显著性提高(图2),这说明单独施用化肥情况下,作物根系和凋落物归还输入土壤的碳不足以维持输入与输出的平衡,而作物根系生长过程中激发了微生物对土壤有机质分解,加速了土壤碳的降解与释放,很难使ROC 和LOC 得到有效积累。实施养分循环再利用的MNPK 和SNPK 处理由于增加了外源有机物料的输入,ROC 和LOC 均显著高于NPK 和CK 处理,这表明施用化肥基础上实施养分的循环再利用不仅促进了稳定性碳库积累,亦扩增了土壤活性碳库。从活性有机碳库在总有机碳库的占比来看,经过18年的有机养分的循环再利用,MNPK 和SNPK 显著增加了(LOC+DOC)/TOC 比值,使其由NPK 的9.2%分别增加到了19.0%和16.3%,对提高土壤供肥能力起到了积极作用。综上所述,仅仅依靠化肥难以维系土壤碳库建设,在农业生产中需辅以有机物料投入,践行有机无机相结合的原则,促进活性有机碳和惰性有机碳的协同提升,提高土壤的固碳保肥和供肥能力。

不同农业经营制度对土壤固碳效应和碳库管理指数具有显著影响。与单独施用化肥的NPK 处理相比,实施养分循环再利用的MNPK 和SNPK 显著提高了碳库管理相关的各指标值,但不同的养分循环利用途径对各指标的影响强度存在差异,养分的过腹还田较直接还田有增加碳库指数和碳库管理指数趋势,但却存在降低碳库活度及活度指数的趋势,这一趋势与徐明岗等和史康婕等的研究结果基本一致。由碳库活度指数的计算式可知,虽然MNPK 较SNPK 有提高LOC 含量趋势,即活性有机质含量增加,但由于ROC 增量远高于LOC 的增量(图2),所以MNPK 的碳库活度指数并未大幅提高,出现了MNPK 的碳库活度及活度指数低于SNPK 的现象。从碳库管理指数来看,MNPK 和SNPK 的CPMI 均大于100 (表2),表明实施养分的循环再利用(MNPK 和SNPK)有利于使土壤向良性方向发展,并且MNPK 略优于SNPK。而NPK 的CPMI 小余100,表明单独施用化肥而不向土壤中补充有机物料有诱导土壤向不良方向发展的趋势,不利于土壤质量改善。相关性分析表明(表3),TOC 是影响NCSE 的关键因素,但对CPMI 无显著性影响;LOC 含量很大程度上依赖于TOC 储量,并极显著地对CMPI 产生影响,是表征土壤碳库平衡与土壤生物学肥力的敏感指标,可以反映土壤有机碳库的变化特征。CMPI 不仅受到NCSE 影响,还与LOC、ROC 显著相关,因此,CPMI 可以全面反映外界条件对土壤有机质的量质影响。

长期不同农业经营模式对土壤全氮积累过程的影响基本与有机质相似,也存在先快后慢的趋势,这主要与土壤碳氮转化过程存在耦合关系有关。实施养分的循环再利用显著提高了土壤氮素水平(图3a),其中以养分过腹还田处理效果最佳。从各处理对氮库组分的影响来看,实施农田地上产出物的过腹还田(MNPK)显著增加了土壤速效性氮库容量,有利于提高土壤供氮能力;秸秆直接还田(SNPK)则有利于提高土壤氨基糖态氮素含量,同时减少了可溶性无机氮含量(图4A),这表明秸秆直接还田促进微生物对无机氮的同化与固持,减少了氮素向环境输出的风险。大量研究表明,秸秆还田是一种环境友好型的生物质处理方式,不仅可以改善土壤的物理结构,并且有利于增加土壤有机质和养分含量,提高土壤肥力。而且,秸秆还田通过增加微生物可利用的能源物质影响微生物生长及其活性,从而改变微生物参与的氮转化等养分循环过程。微生物同化过程会快速地将肥料氮素转化为微生物生物量氮,最终以微生物残体(如微生物细胞壁组分氨基糖)的形式被保留下来。另一方面,微生物残体作为潜在的可矿化有机氮组分,在土壤氮素受限或缺乏时,会被降解以满足微生物和作物生长对氮素的需求。在这一过程中,微生物作为氮素的暂存库或中转库在土壤氮素固持和转化方面发挥重要作用。因此,采取秸秆直接还田可促进肥料氮素的微生物固持,不仅有助于减少氮素损失,还有助于提高土壤氮素的供蓄能力,改善土壤质量。从MNPK 和SNPK 对真、细菌的Chao1 指数(图6B)和微生物标识物氨基糖含量(图4B)的影响来看,养分过腹还田显著增加了细菌的Chao1 指数和胞壁酸含量,表明施用猪粪增加了细菌在土壤中的生物多样性,并提高了细菌在氮素转化中的相对贡献;而秸秆还田显著提高了真菌的Chao1 指数和氨基葡萄糖含量,表明秸秆直接还田更有利于增加真菌的生物多样性及其在氮素转化中的相对贡献。

从各农业经营模式对土壤有效磷含量的动态变化特征的影响来看,两种养分循环再利用模式对土壤有效磷的影响存在着显著性差异,实施养分的过腹还田极显著地增加了土壤磷素含量(图5a),而比较NPK 和SNPK 两处理土壤有效磷库储量的变化可知,秸秆直接还田并未促进有效磷库容的扩增,究其原因,有可能是秸秆直接还田归还的磷素不足以补充因为秸秆直接还田提升的作物产量携出的土壤磷素。从2002年到2020年,MNPK 处理的土壤有效磷含量由6.7 mg(P)·kg增加至了71.1 mg(P)·kg,土壤有效磷由贫乏状态转至了极度丰富,这一转变在提高土壤有效磷库容量、为作物生长提供充足的有效磷的同时,也提高了农田磷素淋失的风险,一旦遇到强降雨或灌溉过量,将会导致磷素的向下迁移,对地下水污染造成威胁。因此,建议本区域可适量施用有机粪肥,在施用有机粪肥时适度控制化学磷肥的施用量,避免磷素在土壤中的过度积累。

综上所述,本研究的化肥施用水平下,单独施用化肥不利于土壤碳氮积累，施用化肥基础上实施养分的循环再利用不仅有效促进养分库容量的扩增，还有效调控了土壤养分库结构，促进土壤质量向良性发展。实施养分的循环再利用在促进稳定性碳库积累的同时,亦扩增了土壤活性碳库,对提高土壤的保肥和供肥能力起到了积极作用。秸秆直接还田较过腹还田更有利于微生物将速效性氮素固持到过渡库中,不仅降低了活性氮素向环境的输出风险,还提高了土壤对氮素的蓄供能力。即: 施用有机粪肥可提升土壤的供肥能力,而实施秸秆直接还田可提升土壤保肥能力,鉴于此,华北地区小麦-玉米轮作农田推行两季秸秆全量还田的同时,应提倡有机粪肥替代部分化肥,以协同发挥不同类型有机物料在土壤养分的保蓄与供应方面的优势,提高农业管理措施的培肥效应。