等碳量不同有机物料添加对红壤团聚体组分分布及有机碳、氮含量的影响

吴 艳,宋惠洁,胡丹丹,徐小林,胡志华,冀建华,黄尚书,黄建清,柳开楼①

(1.江西省红壤及种质资源研究所,江西 南昌 331717;2.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所,江西 南昌 330200)

红壤是我国面积最广的土壤类型,主要分布在长江以南的热带和亚热带地区,总面积218万km2,占全国土地总面积的22.7%[1-2]。红壤具有酸、瘦、黏等特点,高温高湿的自然因素和人类不合理开发利用造成红壤退化非常严重[3-4],导致土壤结构不稳定,影响土壤肥力特别是有机碳和全氮的蓄积,使红壤地区的作物生产能力受到限制。随着我国红壤开发等一系列工程的实施,红壤肥力显著改善,但红壤酸、瘦、黏的特性仍没有得到根本性改变[5]。在土壤肥力指标中,团聚体作为土壤有机碳、氮分配的重要载体,其与土壤化学、生物学特性及作物生长等均存在密切关系[6-7]。大量研究证明,外源添加有机物料一方面可以显著增加土壤有机碳、氮的含量和储量[8-9],另一方面则通过土壤有机碳直接影响土壤质量与功能[10],土壤有机碳作为团聚体的重要胶结物质,能促进土壤团粒结构形成,从而显著提高团聚体稳定性,改良土壤结构[11-12]。因此,在我国红壤地区,通过有机物料改善土壤团聚体结构成为农业生产中的主要施肥措施。秸秆类有机物料和家禽养殖产生的粪便等农业废弃物资源巨大,而这些资源的不合理利用不仅造成资源浪费,还可能导致环境污染。在常规的农业集约化生产中,普遍存在过度施用化学肥料而忽视有机物料投入的现象,造成农田土壤固碳和固氮潜力受到严重影响。如何合理高效资源化利用农业废弃物,已成为我国农业可持续发展面临的主要挑战之一。

对于秸秆和畜禽粪便等农业废弃物,就地还田施用仍然是目前行之有效的方式之一。据估算,全国表层土壤(0～20 cm)平均有机碳储量(以C计)从1980年的28.6 Mg·hm-2增加到2011年的32.9 Mg·hm-2,平均每年净增加140 kg·hm-2[13]。土壤有机碳是陆地碳库储量的主要组成部分,增强土壤有机碳含量能够显著影响CO2等温室气体的减排能力[14]。此外,将农业废弃物或畜禽粪便等外源有机物料投入土壤,还能有效增加土壤全氮等养分含量[15],对于土壤供氮能力提升和氮肥减施增效也具有重要意义。但是,由于不同种类有机物料施用量及其有机碳组分存在差异,其对土壤有机碳、氮和团聚体的影响存在较大差别[8-9,12]。有研究表明,外源添加猪粪有机物料还田对于土壤有机碳含量的提升效果优于秸秆类有机物料[16-17]。也有学者研究发现,鸡粪与稻秆生物炭混施提高砖红壤团聚体稳定性的效果最佳[18]。潘艳斌等[19]通过室内培养试验发现,秸秆混匀、猪粪混匀还田均能显著提高土壤有机碳和土壤团聚体稳定性。而徐虎等[12]的研究则表明,有机肥比秸秆更有利于土壤碳、氮的积累。进一步结合团聚体分级发现,投入有机肥可显著提高土壤各团聚体组分的有机碳、氮含量[20-21]。武均等[22]研究表明,秸秆有机物料长期还田可以显著增加团聚体中有机碳、氮含量。

除了有机物料用量之外,土壤肥力水平也是影响土壤团聚体碳、氮积累速率的重要因素,且受开发年限、种植作物和农艺管理措施的影响,红壤地区不同田块的肥力水平存在较大差异[23]。但是,关于不同肥力水平下不同有机物料种类对红壤团聚体碳、氮分配的影响还缺乏深入探讨。因此,笔者以高肥力和低肥力红壤为研究对象,通过设置等碳量投入下不同有机物料种类的培养试验,比较秸秆类有机物料和猪粪添加对土壤团聚体组分及有机碳、氮含量的影响,以期获得不同肥力水平红壤中最佳有机物料种类,从而为精准分类筛选红壤培肥产品提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与试验材料

试验地位于江西省进贤县张公镇小蒋村(28°35′24″ N,116°17′60″ E),地处中亚热带气候区,年均气温18.1 ℃,≥10 ℃年积温6 480 ℃,年降雨量1 537 mm,年蒸发量1 150 mm,年无霜期约289 d,年日照时数约1 950 h。试验土壤为第四纪红黏土发育的红壤,于2022年3月选择长期进行花生、油菜轮作的红壤旱地,采集0～20和>20～40 cm深度土壤样品,分别代表高肥力和低肥力红壤。同时,在当地收集水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆及猪粪4种有机物料,不同肥力土壤和各有机物料的理化指标见表1。

表1 试验土壤和有机物料的理化性质

1.2 试验设计

将高肥力和低肥力土壤样品风干后,采用干筛方法配置成200 g的土壤各20份,装入1 000 mL塑料瓶中。设置不施有机物料(C0)对照,并按照等碳投入量分别设置添加油菜秸秆碳(OSC)、水稻秸秆碳(RSC)、玉米秸秆碳(MSC)、猪粪碳(PMC)4个处理,每个处理3次重复。OSC、RSC、MSC和PMC的碳投入量均为每200 g土壤2.50 g(参考大田花生种植的有机肥用量,并根据土壤质量换算得到)。依据不同有机物料的有机碳含量,分别计算各处理的有机物料用量和有机碳投入量(表2)。有机物料加入后,与土壤样品混匀,加入50 mL蒸馏水,置于黑暗环境中,保持25 ℃室温,培养90 d。

表2 各处理的有机物料用量和有机碳投入量

表3 不同处理下团聚体组分有机碳含量变化

表4 不同处理下团聚体全氮含量变化

表5 不同处理下团聚体C/N比变化

1.3 测定指标

培养试验结束后,将土壤样品从塑料瓶中全部倒出,捡出肉眼可见的残渣后风干,采用湿筛法[24]获得>2、>0.25～2、≥0.053～0.25和<0.053 mm团聚体组分。风干后称重,计算各团聚体组分的质量分数。采用H2SO4-K2CrO7外加热法测定有机碳含量,凯氏法测定全氮含量[25]。

采用Microsoft Excel 2010 软件分析试验数据。采用SPSS 20.0软件,运用Duncan新复极差法检验分析不同处理间的差异显著性。采用Origin 8.5软件作图,采用线性方程拟合有机物料投入C/N比和土壤团聚体组分C/N比的关系。

2 结果与分析

2.1 等碳量不同有机物料添加对红壤团聚体组分的影响

由图1可见,高肥力和低肥力土壤中,投入等碳量的不同有机物料均可显著影响红壤团聚体组分的比例(P<0.05)。高肥力和中肥力土壤中,C0对照的土壤主要以>0.25～2 mm 团聚体比例较高(分别为41.25%和43.27%),而各有机物料处理的土壤则均表现为>2和>0.25～2 mm团聚体比例较高(分别为30.51%～43.65%和27.52%～59.84%)。与C0对照相比,各有机物料处理显著提高了>2 mm团聚体比例,在高肥力土壤中,OSC、RSC、MSC和PMC处理>2 mm团聚体组分比例分别比C0对照增加217.89%、283.97%、286.63%和210.63%,低肥力土壤中上述处理的增幅分别为72.25%、84.45%、72.11%和46.47%。同时,高肥力土壤中,OSC、RSC、MSC和PMC处理>0.25～2 mm团聚体比例则分别比C0对照降低22.62%、33.28%、24.90%和23.76%,<0.053 mm团聚体比例分别降低41.64%、45.34%、55.85%和41.97%,而≥0.053～0.25 mm团聚体比例则无显著差异;在低肥力土壤中,OSC、RSC、MSC和PMC处理≥0.053～0.25 mm团聚体比例分别比C0对照降低45.15%、33.31%、70.27%和70.39%,>0.25～2 和<0.053 mm团聚体组分占比则无明显变化规律。

C0为不施有机物料对照;OSC为油菜秸秆碳;RSC为水稻秸秆碳;MSC为玉米秸秆碳;PMC为猪粪碳。

2.2 等碳量不同有机物料添加对红壤团聚体组分有机碳含量的影响

由表3可知,在不同肥力土壤中,与C0对照相比,有机物料投入后各处理不同粒径团聚体组分有机碳含量均显著提升。

在高肥力土壤中,各有机物料处理>2、>0.25～2、≥0.053～0.25和<0.053 mm团聚体组分有机碳含量分别比C0对照增加8.23%～48.71%、122.57%～184.86%、11.18%～28.53%和35.35%～62.37%;在低肥力土壤中,各有机物料处理则分别比C0对照增加120.73%～320.45%、918.44%～1 340.40%、244.61%～637.07%和261.13%～605.02%。但不同肥力土壤中各有机物料处理下团聚体组分有机碳含量增幅差异较大,以>2 mm团聚体组分有机碳含量为例,高肥力土壤表现为RSC和MSC处理较高,而低肥力土壤则以OSC处理较高。

2.3 等碳量不同有机物料添加对红壤团聚体组分全氮含量的影响

与C0相比,高肥力和低肥力土壤中添加不同有机物料均显著增加了>0.25～2 和<0.053 mm团聚体组分全氮含量(表4),且各处理均大体呈现出PMC处理最高的趋势。高肥力土壤中,与C0对照相比,OSC、RSC、MSC和PMC处理>0.25～2 mm团聚体组分全氮含量分别增加50.82%、69.47%、53.15%和114.31%;<0.053 mm团聚体组分全氮含量增幅分别为46.23%、67.72%、61.23%和79.83%。在低肥力土壤中,与C0对照相比,OSC、RSC、MSC和PMC处理>0.25～2 mm团聚体组分全氮含量分别增加217.98%、160.22%、148.67%和287.62%,<0.053 mm团聚体组分全氮含量增幅分别为139.27%、101.84%、83.40%和245.58%,≥0.053～0.25 mm团聚体组分全氮含量分别提高66.81%、40.60%、92.10%和143.04%。但是高肥力土壤中仅有PMC处理≥0.053～0.25 mm团聚体组分全氮含量显著高于C0对照(增幅为38.15%)。

2.4 等碳量不同有机物料添加对红壤团聚体组分C/N比的影响

在高肥力和低肥力土壤中,有机物料投入均增加了团聚体组分C/N比(表5),但高肥力和低肥力土壤存在明显分异。在高肥力土壤中,>2 mm团聚体组分C/N比表现为RSC和MSC处理显著高于C0对照,而>0.25～2和≥0.053～0.25 mm团聚体组分C/N比则表现为OSC、RSC和MSC处理显著高于C0对照。

在低肥力土壤中,>2和>0.25～2 mm团聚体组分C/N比表现为OSC、RSC、MSC和PMC处理显著高于C0对照,≥0.053～0.25 mm团聚体组分C/N比表现为RSC、MSC和PMC处理显著升高,<0.053 mm团聚体组分C/N比则表现为MSC和PMC处理较高的趋势。进一步比较发现,不同肥力土壤中各有机物料处理下团聚体组分C/N比的增幅差异较大,以>0.25～2 mm团聚体组分C/N比为例,高肥力土壤中OSC、RSC和MSC处理较高,而低肥力土壤中则表现为RSC和MSC处理较高,且大体呈现出PMC处理下土壤团聚体组分C/N比显著低于其他有机物料处理的趋势。

2.5 等碳量有机物料投入C/N比与团聚体组分C/N比的相关关系

随着有机物料投入C/N比增加,土壤团聚体组分C/N比呈增加趋势(图2)。结合拟合方程(表6)可知,高肥力土壤中,>2、>0.25～2和≥0.053～0.25 mm团聚体组分C/N比与有机物料投入C/N比呈显著正相关关系,当有机物料C/N比增加1个单位,>0.25～2和>2 mm 团聚体组分C/N比显著升高,分别增加0.16和0.10。与高肥力土壤不同,低肥力土壤中仅>0.25～2 mm团聚体组分C/N比与有机物料投入C/N比呈显著正相关,且当有机物料投入C/N比增加1个单位时,低肥力土壤>0.25～2 mm团聚体组分C/N比增加0.40,明显高于高肥力土壤(0.16)。

图2 有机物料投入C/N比与红壤团聚体C/N比的相关关系

表6 有机物料投入C/N比(x)与红壤团聚体组分C/N比(y)的拟合方程

3 讨论

3.1 等碳量有机物料添加对红壤团聚体组分比例的影响

土壤团聚体粒径分布是评价土壤结构质量优劣的重要指标[6-7],适当的粒径分布可以维持良好的土壤结构、保持土壤稳定性,从而达到抵御人为或自然因素影响的目的[26]。大量研究表明,外源添加有机物料可以增加团聚体稳定性,利于大团聚体形成[20-22]。

该研究中,未添加有机物料对照的土壤团聚体组分以>0.25～2和<0.053 mm为主,而添加有机物料后>2 mm团聚体组分比例均显著提升。这说明对于不同肥力水平的土壤,投入外源有机物料均可以促使大团聚体形成,主要原因是有机物料在腐解过程中形成胶结物质,利于土壤团聚体粒径增加[27],提升土壤稳定性。但由于不同种类有机物料的腐解速率差异较大,在相同肥力条件下,不同种类有机物料处理>2 mm团聚体组分比例的增幅存在明显差异。有研究表明,秸秆类有机物料中木质素和纤维素等有机物质分解产生的胶结物质与微生物分解有机物质产生的菌丝两者共同作用,使细小颗粒聚成大颗粒团聚体[28];而猪粪易于被细菌分解,且分解后土壤团聚作用没有秸秆类有机物料明显,偏向形成较小的团聚体组分[29]。同时,不同肥力水平也显著影响有机物料对>2 mm团聚体组分比例的提升效果。笔者研究结果显示,高肥力土壤中有机物料处理>2 mm团聚体比例的增幅明显高于低肥力土壤。究其原因,一方面与高肥力土壤具有良好的团聚体结构和较高的有机碳含量有关;另一方面,低肥力土壤中微生物活跃程度明显弱于高肥力土壤[30],可能导致低肥力土壤对有机物料的碳转化效果较低,这与徐英德等[31]发现高肥力土壤对有机物料投入更加敏感的研究结论相符。吕美蓉等[32]研究表明,添加有机物料短期内提高了土壤8%～42%的微生物生物量碳含量和992%的微生物群落平均光密度。因此,在后续研究中,建议进一步探讨不同有机物料对土壤微生物群落的影响,并结合13C同位素标记技术分析不同有机物料的腐解途径和碳转化过程,以期精准区分不同有机物料对土壤团聚体结构的贡献程度。

3.2 等碳量有机物料添加对红壤有机碳、氮的影响

外源有机物料投入可直接影响不同粒径团聚体有机碳、氮的积累与分布[20-21]。笔者研究发现,不论是高肥力还是低肥力土壤,有机物料投入后,>2、>0.25～2、≥0.053～0.25和<0.053 mm团聚体组分有机碳含量均显著提升,而全氮含量则呈现出>0.25～2和<0.053 mm团聚体组分显著增加的趋势。究其原因,主要是由于该研究设置的是等量有机碳投入,但不同有机物料种类的氮含量不同,导致各处理的氮投入量差异较大,再加上各团聚体组分本身的全氮含量差异也较大,造成各有机物料处理仅有>0.25～2和<0.053 mmmm团聚体组分全氮含量显著增加。同时,不同肥力土壤中各有机物料处理下团聚体组分有机碳含量的增幅差异较大,以>2 mm团聚体组分有机碳含量为例,高肥力土壤表现为添加水稻秸秆和玉米秸秆处理较高,而低肥力土壤则以添加油菜秸秆处理较高。孙雪等[33]在潮土中的研究结果显示,有机粪肥促进了易氧化有机碳在较大团聚体中的积累,而秸秆则促进了易氧化有机碳向较小粒径团聚体迁移,原因主要与气候条件和土壤性质差异有关。而对于团聚体全氮含量而言,大体呈现出添加猪粪处理团聚体组分全氮含量显著升高的趋势,这主要是由于不同有机物料在土壤中的分解速率和残留量存在差异[34].。进一步分析发现,笔者研究中,有机物料投入下高肥力和低肥力土壤中各团聚体组分有机碳、氮含量增幅较大,明显高于其他研究结果[33-34],原因可能与笔者试验选用的土壤有机碳和全氮含量较低、培肥潜力较大有关,避光密闭培养导致碳、氮矿化损失较少也是原因之一。此外,虽经90 d室内培养,但在测定团聚体组分有机碳、氮含量时,可能包含了一部分腐殖质含量。在下一步分析中,还需考虑各团聚体组分中活性有机碳含量及残留的木质素、纤维素和半纤维素含量。

3.3 等碳量有机物料添加对红壤团聚体C/N比的影响

C/N比是表征有机物料腐殖化程度的指标之一,C/N比越高,表明有机物料的腐殖化程度低,不易被微生物分解,土壤有机碳含量越高[12]。笔者研究表明,投入有机物料增加了>0.25～2和>2 mm团聚体组分的C/N比,且土壤团聚体组分C/N比大体表现为添加猪粪处理显著低于添加秸秆处理。潘艳斌等[19]研究发现,添加秸秆处理对红壤团聚体形成的提升作用小于添加猪粪处理。有机物料C/N比与土壤碳、氮矿化密切相关[35]。笔者研究发现,有机物料C/N比增加使土壤团聚体组分C/N比呈增加趋势。进一步分析可知,高肥力土壤中,有机物料C/N比显著影响了土壤>2和>0.25～2 mm团聚体组分C/N比;而低肥力土壤中,仅>0.25～2 mm团聚体组分C/N比与有机物料投入C/N比呈显著正相关关系。由拟合方程的斜率可知,当有机物料投入的C/N比增加时,高肥力土壤中>0.25～2 mm团聚体组分C/N比的增幅明显小于低肥力土壤,这主要与低肥力土壤的初始有机碳含量较低、提升潜力较大有关。长期施肥试验结果也表明,低肥力土壤的固碳潜力明显较高[36]。但是,由于该研究为室内避光培养,其温度、光照等环境条件与自然环境存在较大差异,且未考虑降水、植物根系、土壤动物及微生物等因素的影响,相关结论还有待进一步结合田间试验进行验证。

4 结论

连续90 d避光培养试验表明,在等碳量条件下,添加有机物料通过提升>2 mm团聚体组分的比例,显著改善了高肥力和低肥力土壤的团聚体结构。添加有机物料显著增加了各团聚体组分的有机碳含量以及>0.25～2、<0.053 mm团聚体组分的全氮含量,各团聚体组分的C/N比也显著提升,但高肥力和低肥力土壤存在明显差异。添加不同有机物料处理比较而言,大体表现为添加猪粪处理的团聚体组分有机碳含量显著低于添加秸秆类有机物料处理,且团聚体组分C/N比也大体表现为添加猪粪处理显著低于添加秸秆处理。进一步分析得出,有机物料投入的C/N比增加时,高肥力土壤中>0.25～2 mm团聚体组分C/N比的增幅明显小于低肥力土壤。