有机无机配施对巫溪县植烟土壤碳库的影响

汪忠坪,李钠钾,汪代斌,李 正,张福光,郑林林,叶协锋,罗贞宝

(1.河南农业大学烟草学院/国家烟草栽培生理生化研究基地/烟草行业烟草栽培重点实验室,郑州 450002;2.中国烟草总公司重庆市公司烟草科学研究所,重庆 400023;3.中国烟草总公司重庆市公司巫溪分公司,重庆 405800;4.贵州省烟草公司毕节市公司,贵州 毕节 551799)

【研究意义】土壤有机碳(Total organic carbon,TOC)是土壤的重要组成部分,是评价土壤质量和可持续发展的重要指标之一[1-3]。徐明岗等[4]研究表明,提高农田土壤有机碳水平,不仅能够改良土壤,显著增强养分供应能力,促进作物的高产稳产,而且增加农田土壤有机碳固定,对于减缓温室效应具有重要意义。土壤总有机碳含量与储量是各种有机物输入与输出、矿化分解与腐殖化合成形成动态平衡的结果,并不能很好的反映土壤有机碳的动态变化[5-6]。随着科技工作者对土壤有机碳研究的深入,土壤有机碳中活性有机碳组分所占的比例和土壤碳库管理指数(CPMI)被广泛应用于评价土壤质量和土壤管理,同时土壤有机碳官能团组成和结构能够一定程度上反映土壤有机碳组成和稳定性变化[6-8]。因此,研究土壤有机碳的组成及其官能团结构对评价土壤质量状况具有重要意义。【前人研究进展】烤烟质量的形成与土壤质量状况密切相关[9]。研究表明有机肥和无机肥配施可显著提高土壤有机质活性和碳库管理指数[10]。秦燚鹤等[11]通过盆栽试验研究表明,添加有机物料能够一定程度上提高土壤各有机碳组分含量以及碳库管理指数。姜利红等[12]通过4年定位试验研究有机无机配施对双季稻田土壤碳库的影响结果表明,有机肥与化肥配施显著提高了稻田土壤微生物生物量碳含量和土壤碳库管理指数,并且长期进行有机无机配施能有效扩大土壤碳库含量,提升土壤质量。郭亚军等[13]研究表示施用有机肥能够显著提高马铃薯农田土壤闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳、总有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳含量,提升土壤塔库管理指数;施用有机肥有利于土壤活性有机碳积累,能够改变土壤有机碳组分分布特征。张贵龙等[14]研究表明,施有机肥或有机无机适当配施能提高土壤有机碳含量和土壤碳库管理指数,有利于改善土壤质量,提高土壤肥力,并且碳库管理指数能够在一定程度上指示土壤生产力的变化。对土壤有机碳官能团组成进行研究,可以更深入了解土壤有机碳组成和稳定性变化。张玉兰等[15]研究指出土壤有机碳中脂肪族碳组分越多,芳构化程度越高,其与无机微粒结合能力越强,有利于土壤团聚体的形成。毛霞丽等[16]研究表明,施用有机肥的处理下烷烃、烯烃类以及芳香C化合物均高于长期单施化肥和对照处理的相对百分含量,说明长期施用有机肥可以增加土壤有机碳的脂族性和芳构化。罗璐等[17]研究表明,施用有机肥不仅能够提高土壤有机碳含量,还可以显著提高土壤有机质抗微生物分解的能力,稻田土壤有机碳的化学稳定性明显增强。【本研究切入点】重庆是我国的主要烟区之一,烟农在种烟时大量施用化肥,常年连作,用养地结合不够,土壤质量下降,影响了烟叶产质量,限制了重庆烟区的可持续发展。【拟解决的关键问题】本研究在前人研究的基础上,设置不同有机肥与无机肥配施处理,探究其土壤有机碳组分及有机碳官能团特征,为提高烟田土壤质量、合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于重庆市巫溪县(108°44′～109°58′ E,31°14′～31°44′ N),属亚热带暖湿季风气候,四季分明。低山河谷年平均气温18 ℃左右,山地年平均气温小于5 ℃。多年平均降水量1030～1950 mm。日照时间低山区多年平均1589 h,中山区多年平均1568.7 h,高山区多年平均1378 h。试验地属于低山河谷区,土壤类型为壤土,土壤基本理化性质为:pH 6.58,有机质14.78 g/kg,全氮1.38 g/kg,碱解氮68.01 mg/kg,速效钾197.83 mg/kg,速效磷28.50 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2020年4—10月进行。试验各处理在等氮条件下进行,纯氮用量106.80 kg/hm2,氮磷钾比例为1∶1∶2.83。设4个处理,分别为:纯化肥(CF)、纯化肥+菇渣有机肥(CMO)、纯化肥+高碳基肥(CHB)、纯化肥+生物有机肥(CBO),每个处理重复3次,每个小区66.7 m2。生物有机肥养分含量忽略不计,菇渣有机肥和高碳基肥按含氮量减施化肥,磷和钾分别用过磷酸钙和硫酸钾补足。4月28日移栽,有机肥起垄前一次性条施,化肥在起垄前施用一部分,5月12日追施剩余化肥,其他农事操作按当地生产标准执行。肥料信息和施肥量见表1。

表1 试验主要肥料信息及用量Table 1 Information and dosage of main test fertilizers

1.3 样品采集与测定方法

在烟株移栽施肥前按照五点法采集试验田土壤测定基础肥力,采集临近的森林土壤作为参照农田土壤。在烟叶成熟采收完成后,在每个小区内采用“S”型采样法采集5个样点,采集深度为0～20 cm。将每个小区采样点的土样混合均匀,形成混合样品。一份拣去植物根系、碎屑等杂物,过2 mm筛,储藏于4 ℃冰箱中用于测定土壤微生物量碳、土壤可溶性有机碳[18];另一份风干后过0.25 mm筛,用于测定土壤易氧化态碳和有机碳官能团。

土壤总有机碳(TOC)采用重铬酸钾高温氧化法测定[20];可溶性有机碳(DOC)采用去离子水浸提法测定[19];微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[20];易氧化有机碳(EOC)采用KMnO4氧化法测定[21]。

土壤有机碳官能团测定。称取2 mg土壤样品,200 mg KBr放入玛瑙研钵中充分研磨均匀。采用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iS5,美国赛默飞尼高力)测定,扫描范围为400～4000 cm-1,分辨率为4 cm-1,重复扫描32次。

碳库管理指数采用文献[7]公式计算。参照农田土壤总有机碳为15.07 g/kg,活性有机碳为6.68 g/kg。碳素有效率为微生物生物量碳、易氧化态碳和可溶性有机碳分别与总有机碳的比值[11]。

烤后烟经济学性状。在第一次采收开始时分小区编杆挂牌,烘烤结束后将每个小区的烤后烟分级,按小区计产,产值按照当年收购价格计算。

1.4 数据处理

运用 Excel 2007进行数据处理,Origin 7.5进行绘图和峰面积计算,SPSS 22.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 有机无机配施对土壤碳库组分的影响

2.1.1 有机无机配施对土壤总有机碳的影响 土壤有机碳是指存在于土壤中的所有含碳的各种形态的有机物质,其本身就是养分的储藏库,同时深刻地影响土壤的物理、化学和生物学性质[22]。由图1可知,与CF处理相比,其它各处理的土壤总有机碳含量均略有增加,但增加幅度较小,其中增幅最大的为CBO处理,增加0.79 g/kg。CF、CMO、CHB、CBO处理土壤有机碳含量分别为13.64、13.96、13.70、14.43 g/kg。方差分析结果表明,各处理间总有机碳含量差异不显著(P<0.05)。

2.1.2 有机无机配施对土壤不同活性碳组分的影响 由表2可知,有机无机配施下土壤活性碳各组分含量均增加。土壤可溶性有机碳(DOC)只占土壤有机碳很少的一部分,但它与土壤有机碳其他组分之间可以在一定条件下相互转化,始终处于动态平衡之中。土壤DOC一方面容易被土壤微生物分解,为土壤提供养分,另一方面,它在水中可溶,对土壤生态系统中元素的生物地球化学循环及元素的迁移有重要影响[23]。有机无机配施下,各处理土壤DOC含量表现为CMO>CHB>CBO>CF,且各处理与CF相比均差异显著(P<0.05),CMO与CBO相比差异显著(P<0.05)。CMO处理下土壤DOC含量最高,分别比CHB、CBO增加12.84%和28.54%。

表2 有机无机配施土壤有机碳不同活性碳组分含量Table 2 Different active carbon components of organic and inorganic soil

图中不同小写字母表示不同处理间存在显著差异(P<0.05),下同。Different small letters in the figure indicate significant differences(P<0.05),the same as below.图1 有机无机配施对土壤总有机碳的影响Fig.1 Effect of organic allocation on total organic carbon

土壤微生物生物量碳(MBC)是微生物生物量的重要组成部分,与土壤中的C、N、P、S等养分循环密切相关。它既可以反映土壤有机碳微小的变化,又直接参与土壤生物化学转化过程,因此,在土壤肥力和植物营养中具有重要的作用。与土壤总有机碳相比,MBC对土壤管理措施如施用有机肥、秸秆还田的变化响应快,可以作为土壤总有机质变化的早期指标和活性有机质变化的指标[24]。配施有机肥后,土壤MBC含量表现为CBO>CMO>CHB>CF,且CBO、CMO与CF相比差异显著(P<0.05),CBO与CHB相比差异显著(P<0.05)。与CF相比,CMO、CHB、CBO土壤MBC含量分别增加22.04%、17.64%和42.32%。其中CBO处理下土壤MBC含量最高,分别比CMO、CHB增加16.62%和20.98%。

能被333 mmol/L的KMnO4氧化的有机碳为易氧化有机碳(EOC),土壤EOC能够估算不同管理措施下土壤有机碳变化,可以作为衡量农业可持续发展的指标[25]。有机肥配施无机肥下,土壤EOC含量表现为CHB>CBO>CMO>CF,CHB、CBO与CF相比差异均显著(P<0.05)。与CF相比,CHB、CBO土壤EOC含量分别增加11.43%和7.05%。其中CHB处理下土壤EOC含量最高,分别比CMO、CBO增加10.63%和4.09%。

有机无机配施下,与CF相比,土壤活性碳库各组分占总有机碳(TOC)比例均增加(表3)。土壤DOC的碳素有效率表现为CMO>CHB>CBO>CF,其中CMO、CHB与CF相比差异显著(P<0.05)。与CF相比,CMO、CHB、CBO土壤DOC碳素有效率分别提高65.71%、48.57%和22.86%。CMO处理土壤DOC碳素有效率最大,是CHB处理的1.12倍,是CBO处理的1.35倍。土壤MBC的碳素有效率表现为CBO>CMO>CHB>CF,其中CBO处理与CF相比差异显著(P<0.05)。CBO土壤MBC碳素有效率分别是CF、CMO、CHB的1.34、1.13、1.15倍。与CF相比,CMO、CHB、CBO土壤MBC碳素有效率分别提高19.02%、16.85%和34.24%。土壤EOC的碳素有效率表现为CHB>CBO>CMO>CF,各处理之间差异不显著。其中CHB土壤EOC碳素有效率最大,分别是CF、CMO、CBO的1.10、1.12、1.08倍。

表3 有机无机配施土壤活性碳库各组分碳素有效率Table 3 Effective of organic and inorganic application of soil active carbon reservoir for each component of carbon (%)

2.2 有机无机配施对土壤碳库管理指数的影响

有机无机配施下,土壤碳库管理指数见表4,与CF相比,CMO、CBO碳库指数有增加趋势,但差异不显著。CHB处理的土壤碳库活度、碳库活度指数较CF均有增加趋势,且碳库活度显著大于其他处理(P<0.05),与CF相比,碳库活度提高13.64%,碳库活度指数提高11.90%。CHB、CBO处理碳库管理指数显著大于CF和CMO(P<0.05),CHB处理分别比CF、CMO提高11.54%、8.33%,CBO处理分别比CF、CMO提高15.03%、11.72%。

表4 有机无机配施对碳库管理指数的影响Table 4 Effect of organic and inorganic allocation on carbon bank management index

2.3 有机无机配施土壤有机碳官能团红外光谱特征

由傅里叶红外光谱分析结果(图2)可以看出,各处理土壤有机碳红外光谱特征相似,出现峰值的波数位置基本一致,说明各处理有机碳官能团种类相近。主要吸收峰出现在3695 cm-1、3625 cm-1(矿物吸收峰中的O-H伸缩振动)[36]、3429 cm-1(-OH或-NH伸缩振动)[27]、1634 cm-1(C=C伸缩振动,芳烃类)[28]、1032 cm-1、1084 cm-1(Si-O伸缩振动,硅酸盐矿物或C-O伸缩振动,多糖)[27]、694 cm-1、779 cm-1(C-H面外弯曲,烯烃)[28]、468 cm-1(C=O伸缩振动,仲酰胺类)[28]。官能团主要包括酚醇类、芳烃、烯烃、仲酰胺类。

图2 不同处理下土壤有机碳的傅里叶变换红外光谱Fig.2 Fourier-transform infrared spectra of soil organic carbon under different treatments

根据以上分类,仅关注与土壤有机碳相关的吸收峰即1634、694、779、468 cm-1处吸收峰,并计算出这几处峰面积占总峰面积的百分比即相对峰面积。在测定条件一致的情况下,红外光谱的相对峰面积可以在一定程度上表明有机碳官能团含量的变化。由表5可知,与CF处理相比各处理的有机碳官能团相对峰面积无显著差异,说明在配施有机肥之后短期内土壤有机碳官能团变化不明显。

表5 不同处理下土壤有机碳红外吸收峰相对面积Table 5 Relative area of organic carbon infrared absorption peak in soil under different treatments (%)

对土壤有机碳红外吸收峰相对面积与土壤有机碳及其活性碳组分进行相关性分析(表6)可知,在1634 cm-1处的相对峰面积与土壤MBC含量呈显著正相关,在468 cm-1处的相对峰面积与土壤TOC含量呈显著负相关。

表6 土壤有机碳红外吸收峰相对面积与土壤有机碳及其活性碳组分相关性分析Table 6 Correlation analysis of the relative area of soil organic carbon FTIR absorption peak and soil organic carbon and its active carbon components

2.4 有机无机配施对烤后烟经济学性状的影响

由图3可知,CMO、CHB、CBO处理产量产值均显著高于CF处理。各处理产量范围在1614.15～2133.45 kg/hm2,CMO、CHB和CBO处理较CF处理分别显著提高23.67%、21.52%和32.17%;产值范围在2.91×104～4.13×104元/hm2,较CF处理分别显著提高33.68%、38.83%和41.92%。

图3 有机无机配施对烤后烟经济学性状的影响Fig.3 Effect of organic and inorganic dispensing on the economic traits of flue-cured tobacco leaf

3 讨 论

土壤有机碳的变化主要取决于系统碳的输入与输出水平[29]。在本研究中,与施纯化肥处理相比,无机肥配施不同有机肥,土壤TOC均有增加趋势。施用有机肥不仅能够直接向土壤中输入有机碳,而且能够促进土壤水稳性团粒结构的形成,进而提升土壤有机碳含量[30]。张秀芝等[31]研究表明,长期有机培肥能显著提高土壤有机碳含量,而单施化肥土壤有机碳含量下降。陆太伟等[32]研究表明,有机肥对总有机碳的提升幅度是化肥的4.3倍,而对各级团聚体有机碳的提升幅度是化肥的4.6～9.2倍(P<0.05)。

由于本研究为1年试验,因此,与纯化肥处理相比,本研究中的有机无机配施对土壤TOC含量增加不明显,但对土壤有机碳中的活性碳组分有明显的提高,土壤中各活性碳组分分配比例与各组分活性碳含量的变化基本一致。这是因为有机肥的施入,相当于增加了外源碳投入,为微生物提供充足的碳源,促进了微生物的生长、繁殖[33],而微生物分解的有机质是土壤活性碳组分的主要来源。秦燚鹤等[11]通过盆栽试验表明,与不施肥和单施化肥相比,添加不同有机物料各有机碳组分含量和碳素有效率均有提高趋势,这与本研究结果一致。不同种类有机肥对土壤中活性碳组分提高的幅度不同,配施菇渣有机肥,土壤可溶性有机碳含量显著高于配施生物有机肥处理;配施生物有机肥,土壤微生物生物量碳含量显著高于菇渣有机肥和高碳基肥处理,这可能与不同有机肥所含成分不同有关。有机质在矿化过程中能够释放大量可溶性有机碳[11],本研究中菇渣有机肥和高碳基肥2种肥料的有机质含量均高于生物有机肥,这也解释了配施生物有机肥的土壤DOC含量在3种有机肥中最低的原因。对土壤MBC而言,生物有机肥中含有大量活菌及各种生物活性物质[34],为土壤提供大量有益微生物,而MBC作为微生物体的元素之一,土壤中微生物数量越多,MBC含量越高。

土壤碳库管理指数结合了人为影响下土壤碳库指标和土壤中碳库活度两个方面的内容,一方面反映了外界条件对土壤有机质数量的变化影响,另一方面反映了土壤活性有机质数量的变化,在表征土壤养分及碳素动态变化时,具有较高的灵敏性,该值越大表示碳库活度和质量越高[6],本研究结果表明,与单施化肥相比,配施高碳基肥能显著提高土壤碳库管理指数,这与配施高碳基肥提高土壤活性碳库有关。

傅里叶红外光谱技术已被广泛用来表征不同农田管理措施下SOC的化学结构特征和稳定性特征[26]。通过对有机碳化学官能团的测定,不同官能团对红外光的选择性吸收,从而较快速的测定有机碳的成分,可有效反映土壤中含氧官能团的性质、反应特性和结构变化等多方面的信息[27]。盛名等[26]研究发现,短期不同秸秆还田方式使土壤有机碳的脂肪族-CH红外吸收峰相对面积增加,芳香族C=C红外吸收峰相对面积减少,提高土壤有机碳中脂肪族碳的含量及团聚体对碳的保护能力,更利于碳的固存。李彬彬等[35]通过连续4个小麦生长季,对秸秆还田和不还田土壤DOC含量及其官能团特征研究发现,秸秆还田土壤DOC含量显著高于无秸秆还田土壤,而且DOC组分中的胺类物质(-CO-NH-)和芳香族化合物(-C=C-、苯环)的含量比例也明显增加。本研究通过对各处理的红外图谱对比发现,各处理红外图谱走势基本一致,土壤有机碳官能团种类基本相同,官能团主要包括酚醇类、芳烃、烯烃、仲酰胺类。通过相对峰面积对比发现,各处理的有机碳官能团含量变化不大,这可能是由于本研究的研究年限较短,而官能团变化过程较为缓慢。有机无机配施对土壤有机碳官能团的影响还需进一步延长研究年限。郝翔翔等[36]研究表明,在1630 cm-1处的吸收峰的相对峰面积与土壤稳定性有机质密切相关。本研究经过土壤有机碳红外吸收峰相对面积与土壤有机碳及其活性碳组分相关性分析发现,土壤MBC含量与在1634 cm-1处的相对峰面积呈显著正相关,而土壤MBC含量作为土壤总有机质变化的重要指标,与土壤有机碳的稳定性具有密切联系。土壤TOC含量与在468 cm-1处的相对峰面积呈显著负相关。说明,1634 cm-1处的相对峰面积可以表征土壤MBC的变化,468 cm-1处的峰表征C=O的伸缩振动,而C=O键属于不稳定化学键,因此其含量的多少影响了土壤TOC含量。

4 结 论

(1)有机无机配施对土壤总有机碳含量有提升趋势,显著提升了土壤有机碳中的DOC和EOC含量和碳素有效率。其中配施菇渣有机肥对土壤可溶性有机碳提升最多,配施生物有机肥对土壤微生物生物量碳提升最明显,配施高碳基肥对土壤易氧化有机碳和土壤碳库管理指数提高最显著。

(2)各处理土壤有机碳官能团主要包括酚醇类、芳烃、烯烃、仲酰胺类。但有机无机配施对土壤官能团的变化影响不大,这可能是因为本研究时长较短,还需进一步加长研究年限。

(3)通过对红外图谱峰面积研究发现,在1634 cm-1处的相对峰面积与土壤MBC含量呈显著正相关,在468 cm-1处的相对峰面积与土壤TOC含量呈显著负相关。

(4)有机无机配施显著增加烤后烟的产量产值,其中配施生物有机肥产量增加最多。