不同施肥处理黑土覆膜后秸秆碳氮在团聚体中的固存特征

刘 旭,李庭宇,安婷婷,徐英德,葛 壮,朱 平,李双异,*,汪景宽

1 沈阳农业大学土地与环境学院,农业部东北耕地保育重点实验室和土肥资源高效利用国家工程实验室,沈阳 110866

2 吉林省农业科学院,农业资源与环境研究所,长春 130033

土壤有机碳和氮的物质循环与能量流动是农田生态系统最基本的生态过程,该过程对农田生态系统的稳定性和生产力产生重要影响[1]。团聚体是土壤有机碳和氮固定的重要场所,土壤有机碳和氮不仅可与矿物颗粒胶结形成稳定的团聚体,团聚体的物理保护机制还将固持在其中的有机碳和氮与微生物和胞外酶之间形成空间“隔离”[2—3],从而减少土壤有机碳和氮的损失。此外,不同粒级团聚体对有机碳和氮的固持能力各不相同[4]。因此,了解农田土壤有机碳和氮在团聚体中的固定和转化具有重要意义。

在旱作农业生产中,地膜覆盖在作物增产方面发挥了重大作用,但覆膜后良好的水热条件也提高了微生物活性,加速土壤有机碳和氮的转化[5—6]。目前,关于地膜覆盖对土壤有机碳和氮含量的影响仍存在一定的不确定性。研究发现长期地膜覆盖能向土壤中输入更多的根生物量及根际碳沉积物[7—8],通过不断增加外源有机碳的输入量来弥补土壤有机碳的矿化量,进而提高和维持土壤有机碳的含量。然而地膜覆盖对外源有机碳输入的影响很大程度上取决于施肥类型。在施用有机肥结合覆膜条件下土壤有机碳的储量下降,需要额外投入更多的有机物质来提高土壤有机碳储量[9]。此外,覆膜还可以通过减少干湿交替强度来影响团聚体的形成与稳定过程[10],使得团聚体中有机碳和氮再次经历生化分解以及物理重新分配的过程[11]。目前,关于长期施肥和地膜覆盖这双重因素对团聚体有机碳和全氮对外源有机碳和氮的响应鲜有报道,尤其是在较长时间尺度内。对于土壤有机碳平衡和氮素循环而言,地膜覆盖是否是一种可持续的农田管理措施还尚不清楚。东北黑土区是我国重要的粮食生产基地,在保障粮食安全中发挥着举足轻重的作用。因此,本研究利用黑土长期定位施肥试验,通过13C15N同位素示踪技术探究不同施肥处理黑土覆膜900 d后秸秆来源碳和氮在团聚体中的固存特征,旨在为旱地农业生产中地膜覆盖措施的可持续应用以及覆膜措施下黑土的肥力培育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在农业部公主岭黑土生态环境重点野外科学观测试验站(43°30′N,124°48′E)进行。该试验站建于1990年,属于温带大陆性季风气候,年平均气温5.6 ℃,年平均降水量594.8 mm,无霜期144 d。土壤为发育在第四纪黄土状沉积物上的中层典型黑土。本试验选取其中3种典型施肥(29年)处理进行研究,分别为不施肥(CK)、单施化肥(NPK；施化肥N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2和K2O 82.5 kg/hm2)和有机肥配施化肥(MNPK；施有机肥含N为115 kg/hm2、施化肥N 50 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2和K2O 82.5 kg/hm2)。试验前(2018年)土壤的基本理化性状见表1。

表1 供试土壤的基本理化性质(2018年)Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil in 2018

供试有机物料为13C15N双标记的玉米秸秆,其δ13C值为246.9‰,δ15N值为11231.5‰,全碳含量355.85 g/kg,全氮含量10.20 g/kg,标记过程参见An等[12]和徐英德等[13]。

1.2 研究方法

田间微区培养试验于2018年在长期定位施肥小区附近进行,避免秸秆残体对土壤的影响。首先挖4个长×宽×高为0.9 m×0.6 m×0.4 m的微区,然后将聚氯乙烯材料的盒子(长×宽×高为0.9 m×0.6 m×0.6 m)分别垂直插入其中。为避免其他土壤对微区试验的影响,盒顶端高出地面20 cm。盒子底部与顶部连通以允许排水。设置不覆膜+不加秸秆、覆膜+不加秸秆、不覆膜+加标记秸秆和覆膜+加标记秸秆4种微区,每种微区内3个施肥土壤均设置3次重复,计9个隔断(0.3 m×0.2 m隔断),共36个处理。将3个施肥处理中0—40 cm土壤挖出分层堆放,再把挖出的20—40 cm土壤回填到相应PVC隔板中,采集的0—20 cm表层土壤挑出根系、石块等其他物质后过7 mm筛子,均匀混入13C15N双标记的玉米秸秆(大小为0.5—1.0 cm,秸秆添加量为1 kg土壤中加2.3 g秸秆)后,还入相应的微区隔断内。覆膜处理在地表加盖透光地膜。在试验期间,所有微区均未种植作物。

于地膜覆盖后第900天(2020年10月)采集0—20 cm表层土壤。采样时,利用不锈钢铲在各微区三点采集原状土样,沿自然裂隙将原状土壤轻轻掰成碎块,尽量避免挤压和土壤结构破坏,采用硬质塑料保鲜盒将土样带回实验室。在室内将新鲜土壤样品中的石粒、植物碎片以及未完全分解的玉米秸秆(>0.5 cm)挑出。

1.3 测定方法

1.3.1团聚体分级

本研究采用干筛法进行团聚体分级[14]：将新鲜土壤风干至土壤含水量为8%—10%左右时,进行团聚体分级。称取100 g土样(<5 mm)置于自动筛分仪(Retsch AS 200,德国)0.25 mm套筛上,在振幅为1.5 mm条件下震荡2 min,得到大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm),分别称重。然后将各粒级土样风干后研磨并过100目筛,供分析团聚体中有机碳和全氮的含量及δ13C和δ15N值。

1.3.2团聚体中有机碳和全氮的含量及δ13C和δ15N值的测定

土壤及团聚体中有机碳和全氮的含量及δ13C和δ15N值利用元素分析仪-稳定同位素比例质谱联用仪(EA-IRMS,Element analysis Stable 100 Isotope Ratio Mass Spectrometer,德国)测定。δ13C和δ15N值的测定分别以美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层中的拟箭石化石(Pee Dee Belemnite,PDB)为标准物质)和0.0036765(以纯净大气氮(Air Nitrogen,AN)为标准物质)[15—16]。

1.4 计算方法

某粒级团聚体中有机碳(Caggregate,g/kg soil)和全氮(Naggregate,g/kg soil)含量的计算公式：

Caggregate=Ccon-aggregate×Maggregate

(1)

Naggregate=Ncon-aggregate×Maggregate

(2)

式中,Caggregate(Naggregate)为某粒级团聚体有机碳(氮)测试浓度(g/kg soil)；Maggregate为某粒级团聚体所占的质量百分比(%)。

有机碳中秸秆来源碳贡献率(Fmc,%)和全氮中秸秆来源氮贡献率(Fmn,%)

(3)

(4)

公式(3)中δ13Csm(‰)为添加秸秆处理土壤有机碳的δ13C值；δ13Cs(‰)为不添加秸秆处理土壤有机碳的δ13C值；δ13Cm(‰)为初始添加秸秆的δ13C值。公式(4)中δ15Nsm(‰)为添加秸秆处理土壤全氮的δ15N值；δ15Ns(‰)为不添加秸秆处理土壤全氮的δ15N值；δ15Nm(‰)为初始添加秸秆的δ15N值。

有机碳中原土壤有机碳贡献率(Fsc,%)和全氮中原土壤氮贡献率(Fsn,%)的计算公式如下：

Fsc=100-Fmc

(5)

Fsn=100-Fmn

(6)

有机碳中秸秆来源碳含量(Cmc,g/kg)和全氮中秸秆来源氮含量(Cmn,g/kg)的计算公式：

(7)

(8)

公式(7)中Csmc(g/kg)为添加秸秆处理有机碳的含量。公式(8)中为Csmn(g/kg)为添加秸秆处理土壤全氮含量。

土壤有机碳中原土壤有机碳含量(Csc,g/kg)和全氮中原土壤氮含量(Csn,g/kg)的计算公式：

(9)

(10)

1.5 数据处理及结果分析

本文中的数据以3个重复的平均值及其标准差表示。运用SPSS 19.0统计分析软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和差异性显著分析(T检验和Duncan检验)。通过Origin 2018软件进行简单回归分析,建立了有机碳(Y)与氮(X)相关参数的线性关系。图表的绘制采用Origin 2018软件。

2 结果与分析

2.1 全土和团聚体中有机碳和全氮的含量

与裸地相比,地膜覆盖显著降低单施化肥(NPK)处理土壤有机碳的含量(P<0.05,图1)。地膜覆盖、施肥以及两者间的交互作用对有机碳和全氮含量的影响随团聚体粒级的不同而呈现较大差异(图1和表2)。与裸地不施肥(B-CK)和裸地单施化肥(B-NPK)处理相比,覆膜对大团聚体有机碳含量影响不显著(P>0.05),但在有机肥配施化肥(MNPK)处理中,覆膜条件下大团聚体有机碳含量较裸地处理显著提高了8.68%(P<0.05)。在微团聚体中,与B-CK、B-NPK和裸地有机肥配施化肥(B-MNPK)相比,覆膜不施肥(M-CK)、覆膜单施化肥(M-NPK)和覆膜有机肥配施化肥(M-MNPK)处理的有机碳含量分别降低34.12%、14.30%和30.50%。与M-CK处理相比,M-NPK处理大团聚体有机碳含量降低了5.41%。对于全氮而言,在微团聚体中,与B-CK、B-NPK和B-MNPK相比,M-CK、M-NPK和M-MNPK处理的全氮含量分别降低了35.56%、10.27%和30.87%。与微团聚体相比,大团聚体有机碳和全氮的含量较高。

图1 全土及团聚体中有机碳和全氮的含量Fig.1 Soil organic carbon and total nitrogen contents in bulk soils and aggregates不同大写字母表示裸地条件下不同施肥处理间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示覆膜条件下不同施肥处理间差异显著(P<0.05)；*表示相同施肥处理裸地和覆膜间差异显著(P<0.05)；**表示相同施肥处理裸地和覆膜间差异极显著(P<0.01)

表2 覆膜和施肥对土壤中各变量影响的方差分析Table 2 Variance analysis of the effects of mulching and fertilization on soil variables

2.2 全土和团聚体中不同来源碳和氮的含量

在NPK处理中,与裸地相比,地膜覆盖后全土中原土壤有机碳含量显著降低6.40%(P<0.05,图2)。此外,覆膜、施肥以及覆膜与施肥的交互作用对不同来源碳和氮含量的影响随团聚体粒级的不同而呈现差异(P<0.05,表2和图2)。在MNPK处理大团聚体中,覆膜条件下秸秆来源碳和氮含量较裸地分别降低35.58%和15.97%,但原土壤有机碳的含量显著提高9.16%(P<0.05)。在微团聚体中秸秆来源碳和氮以及原土壤有机碳和氮的含量均表现为裸地大于覆膜,与B-CK、B-NPK和B-MNPK处理相比,M-CK、M-NPK和M-MNPK处理中秸秆来源碳含量分别降低20.60%、5.26%和53.60%,秸秆来源氮含量分别降低33.06%、13.58%和49.50%。与M-CK处理相比,M-NPK处理大团聚体中秸秆来源碳的含量显著降低35.70%(P<0.05)。无论裸地还是覆膜,CK处理全土中秸秆来源碳和氮的含量最高(P<0.05)。与微团聚体相比,大团聚体中不同来源有机碳和全氮的含量较高。

图2 土壤及团聚体中不同来源碳和氮的含量Fig.2 The contents of carbon and nitrogen from different sources in bulk soils and aggregatesB-CK：裸地不施肥 No fertilization application with bare；B-NPK：裸地单施化肥 Inorganic fertilizer with bare；B-MNPK：裸地有机肥配施化肥 Inorganic fertilizer plus manure with bare；M-CK：覆膜不施肥 No fertilization application with plastic film mulching；M-NPK：覆膜单施化肥 Inorganic fertilizer with plastic film mulching；M-MNPK：覆膜有机肥配施化肥 Inorganic fertilizer plus manure with plastic film mulching

2.3 全土和团聚体中不同来源碳和氮的贡献率

与B-CK处理相比,M-CK处理全氮中秸秆来源氮的贡献率显著提高(P<0.05,图3)。F-MNPK处理大团聚体有机碳中秸秆来源碳的贡献率和全氮中秸秆来源氮的贡献率较裸地分别降低40.65%和16.02%(P<0.05)。与B-CK和B-NPK相比,M-CK和M-NPK处理微团聚体中秸秆来源碳的贡献率分别提高20.57%和10.51%,而该值在MNPK处理中显著降低33.16%(P<0.05)。但覆膜对CK和NPK处理微团聚体全氮中秸秆来源氮贡献率的变化影响不显著(P>0.05),MNPK处理微团聚体全氮中秸秆来源氮的贡献率为裸地大于覆膜。无论覆膜与否,CK处理各粒级团聚体内有机碳中秸秆来源碳和全氮中秸秆来源氮的贡献率最高(P<0.05)。与微团聚体相比,大团聚体有机碳中秸秆来源碳的贡献率和全氮中秸秆来源氮的贡献率较低。

图3 土壤及团聚体中不同来源有机碳和氮的贡献率Fig.3 The contribution percentage of organic carbon and nitrogen from different sources in bulk soils and aggregates

2.4 覆膜条件下有机碳和全氮参数间的相关关系

在覆膜条件下,随团聚体粒径的减小,秸秆来源碳含量与秸秆来源氮含量的线性方程斜率变化相似,而原土壤有机碳含量和原土壤氮含量的线性方程斜率随团聚体粒径的减小而减小(表3)。无论裸地还是覆膜条件下,土壤有机碳中秸秆来源碳的贡献率和全氮中秸秆来源氮的贡献率呈显著的正相关关系(n=54,P<0.01)(图4)。且秸秆来源碳的含量与秸秆来源氮的含量也呈显著的正相关关系(n=54,P<0.01)。但秸秆来源碳含量和秸秆来源氮含量的线性方程斜率与原土壤有机碳含量和原土壤氮含量的线性方程斜率不相同。

表3 团聚体中有机碳与全氮参数间的相关关系Table 3 The relationship between organic carbon and total nitrogen related parameters in aggregates

图4 有机碳与全氮参数间的相关关系Fig.4 The relationship between organic carbon and total nitrogen parameters

2.5 覆膜条件下有机碳与全氮的比值

与B-NPK处理相比,地膜覆盖后全土和微团聚体中有机碳/全氮比值显著降低,但秸秆来源碳/秸秆来源氮比值的变化无显著差异(P>0.05,表4)。在MNPK处理中,裸地和覆膜条件下大团聚体中土壤有机碳/全氮比值分别为9.83和10.86,秸秆来源碳/秸秆来源氮比值分别为57.07和43.69。无论裸地还是覆膜条件下,与CK处理相比,MNPK处理全土中土壤有机碳/全氮比值较低,但秸秆来源碳/秸秆来源氮较高。

表4 全土和团聚体中有机碳和全氮比Table 4 The ratio of organic carbon to total nitrogen in bulk soils and soil aggregates

3 讨论

3.1 覆膜对不同施肥黑土团聚体中各来源有机碳和全氮含量的影响

方差分析结果表明覆膜对团聚体中不同来源有机碳和氮含量的影响随团聚体粒级的不同而呈现一定的差异(表2)。这说明地膜覆盖后秸秆来源碳和秸秆来源氮以及原土壤有机碳与原土壤氮在团聚体中的赋存机制各不相同。与各施肥处理裸地相比,地膜覆盖降低微团聚体中秸秆来源碳和氮以及原土壤有机碳和原土壤氮的含量。地膜覆盖可直接降低雨滴对团聚体的破坏性影响[17],而在裸地条件下雨水可快速进入土壤孔隙中,土壤干湿交替强度较高,对粘粒部分产生不均匀的水合作用和膨胀作用,使得存在于毛细管孔隙中的闭蓄态空气被压缩,造成团聚体内部压强增大从而发生崩解[18]。随着干湿交替次数的增加,团聚体破碎后形成的微团聚体增多[19]。因此,裸地条件下微团聚体各来源有机碳和全氮含量高于地膜覆盖。此外,与裸地相比,覆膜单施化肥处理微团聚体中不同来源有机碳和氮含量的下降幅度最小(图2),说明在单施化肥处理中覆膜能减缓微团聚体有机碳和全氮的分解速率。而在有机肥配施化肥处理中,覆膜在显著降低大团聚体中秸秆来源碳和氮含量的同时,还提高了大团聚体中原土壤有机碳的含量。在有机肥和化肥配施土壤中进行地膜覆盖后,良好的水热条件和充足的土壤养分极大促进了土壤微生物的生长、繁殖及代谢活动[20—21],增加的土壤微生物量和活性加速大团聚体中秸秆来源碳和氮的矿化。与此同时添加秸秆促成微生物对分解底物的选择性利用,削弱微生物对原土壤有机碳的利用[22],进而促进大团聚体中原土壤有机碳的积累。

此外,秸秆来源碳和氮在土壤中的固持特征还受施肥措施的影响。本研究发现与覆膜不施肥处理相比,覆膜单施化肥处理大团聚体中秸秆来源碳含量显著降低35.70%,而微团聚体中原土壤有机碳含量显著提高31.46%(图2),说明覆膜单施化肥处理大团聚体中秸秆来源碳的损失导致其土壤有机碳含量低于覆膜不施肥处理(图1和图2)。研究发现与不施肥土壤相比,长期施用化肥(12年)土壤中水稳性团聚体的平均重量直径降低了55%[23],这意味着秸秆来源碳受大团聚体的物理保护作用变弱,覆膜条件下微生物数量和酶活性的增加提高大团聚体中秸秆来源碳被分解的可能性。

3.2 覆膜对不同施肥黑土团聚体中各来源碳和氮贡献率的影响

地膜覆盖通过改善水热状况来提高土壤微生物活性和酶活性[24],进而影响外源碳氮的分解动力学及其在土壤中的积累模式。在单施化肥处理中,秸秆来源碳对微团聚体有机碳的贡献率表现为覆膜大于裸地,而在有机肥配施化肥处理各粒级团聚体中,秸秆来源碳对有机碳以及秸秆来源氮对全氮的贡献率均表现为裸地大于覆膜(图2)。与有机肥配施化肥处理相比,未分解或半分解的秸秆在土壤微生物数量少及活性低的单施化肥土壤中残留的相对较多[25]。因此,在单施化肥土壤中覆膜可促进微生物对更多残留秸秆来源碳的转化。由于单施化肥土壤中无机胶体较多,使得秸秆来源碳以有机-无机复合体形式积累在微团聚体中[26]；而在有机肥配施化肥土壤中,覆膜加快秸秆来源碳和氮在大团聚体和微团聚体中的矿化。在养分有效性较高的土壤中,改善的水热条件和添加的秸秆为微生物提供适宜的环境和初始的能量来源,微生物活性能被最大程度地激发[27],进而加速各粒级团聚体中秸秆来源碳和氮的分解。

以往的研究表明在初始有机碳和全氮含量低的土壤中,外源有机碳和外源氮的贡献率越大[13,28]。本研究通过900 d的田间原位培养试验也发现,与有机肥配施化肥处理相比,不施肥处理全土和各粒级团聚体有机碳中秸秆来源碳的贡献率以及全氮中秸秆来源氮的贡献率显著提高(图3)。由于不施肥土壤中缺乏微生物生存所需的氮素养分,使得微生物通过降解玉米秸秆来优先利用较易分解秸秆中的氮素来满足其对氮的需求[29]。与此同时秸秆来源碳和氮可被土壤微生物同化为微生物生物量碳和氮,随后以土壤微生物死亡残体的形式保留在土壤中[30],最终导致不施肥土壤团聚体有机碳中秸秆来源碳的贡献率以及全氮中秸秆来源氮的贡献率显著提高(图3),有利于土壤有机碳和全氮的更新。土壤有机碳/全氮比值也是影响土壤有机碳和氮循环的重要因子[31],全土有机碳/全氮的结果显示(表4),与不施肥处理相比,有机肥配施化肥处理中秸秆来源碳/秸秆来源氮比值较高,说明在全土有机碳/全氮比值低的有机肥配施化肥处理中,添加秸秆可能引起土壤有机碳的正激发效应。由此可以看出,土壤养分的供应和土壤有机碳/全氮比值通过影响微生物的活性来改变秸秆来源碳和氮在土壤中的固持动态[32—33]。

3.3 覆膜条件下土壤有机碳及全氮的协同关系

回归分析表明覆膜条件下,随团聚体粒径的减小,秸秆来源碳与氮含量的线性方程斜率变化相似,而原土壤有机碳和氮含量的线性方程斜率随团聚体粒径的减小而减小(表3)。研究发现团聚体粒径越小,比表面积越大,对有机氮的吸附能力越强[34],并且土壤颗粒表面带有负电荷会使较小粒级团聚体对铵根离子的吸附能力更大[35],导致微团聚体具有很强的保存和吸附氮素养分的能力。当微团聚体中输入易分解的碳源后,微生物将分解较难利用但碳氮比较低的土壤有机质[36],以利用其中的氮素来满足自身需要,因此,覆膜条件下,原土壤有机碳在微团聚体中的损失比其在大团聚体中的分解更受氮素限制。此外,无论覆膜与否,秸秆来源碳和氮以及原土壤有机碳和氮的相关参数间均存在协同关系(图4),该结果从土壤有机碳和全氮的来源以及土壤的物理组成等方面支持了陆地生态系统中有机碳和氮耦合循环的理论框架。该结果与先前观察到土壤有机碳和全氮的固定存在协同作用相一致[37—38],但秸秆来源碳与氮的积累与原土壤有机碳和氮的损失不同步(图4)。

4 结论

地膜覆盖显著降低了微团聚体中不同来源有机碳和氮的含量。单施化肥处理覆膜后提高了秸秆来源碳对微团聚体有机碳的贡献率,促进了微团聚体中碳源的更新。但覆膜条件下,单施化肥可能引起大团聚体中秸秆来源碳的分解,导致其全土有机碳含量显著低于覆膜不施肥处理。有机肥配施化肥覆膜后加快了各粒级团聚体中秸秆来源碳和氮的分解,并有利于大团聚体中原土壤有机碳的积累。无论覆膜与否,不施肥处理秸秆来源碳和氮对团聚体有机碳和氮的贡献比例均高于其他处理。微生物作为土壤团聚体形成过程以及土壤有机碳和氮循环过程中最活跃的生物因素,还需结合微生物的参与策略进一步研究秸秆来源碳和氮在团聚体中的转化和固定机制。