徐英德, 汪景寬, 王思引, 孫雪冰, 李君薇, 張明垚, 高曉丹

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玉米殘體分解對不同肥力棕壤團聚體組成及有機碳分布的影響*

徐英德, 汪景寬, 王思引, 孫雪冰, 李君薇, 張明垚, 高曉丹**

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點實驗室/土肥資源高效利用國家工程實驗室 沈陽 110866)

以棕壤肥料長期定位試驗(29 a)形成的高、低兩種肥力水平棕壤為研究對象, 采用不同部位玉米殘體為試驗試材, 分別向兩種土壤中加入玉米根茬和莖葉, 進行田間原位培養(yǎng)試驗, 試驗設(shè)置6個處理: 低肥力土壤添加玉米根茬(LF+R)、低肥力土壤添加玉米莖葉(LF+S)、高肥力土壤添加玉米根茬(HF+R)、高肥力土壤添加玉米莖葉(HF+S)和未添加玉米殘體的對照處理(LF, HF)。本研究旨在探明玉米根茬、莖葉添加后不同肥力土壤團聚體組成及有機碳分布的變化規(guī)律, 為構(gòu)建合理的秸稈還田與施肥措施, 減少土壤侵蝕提供理論依據(jù)。結(jié)果表明: 1)添加玉米殘體后低肥力棕壤團聚體穩(wěn)定性、較大級別團聚體(>2 mm和1~2 mm)有機碳貢獻率的提升幅度比高肥力棕壤大, 說明低肥力土壤對外源有機質(zhì)的響應(yīng)更敏感, 向大團聚體轉(zhuǎn)化的速率更快。2)培養(yǎng)結(jié)束時, 高肥力棕壤添加莖葉處理團聚體穩(wěn)定性顯著高于添加根茬處理, 而添加根茬處理各粒級團聚體有機碳含量顯著高于添加莖葉處理; 低肥力棕壤中根茬和莖葉添加處理團聚體穩(wěn)定性及有機碳含量之間差異不明顯。3)在田間原位培養(yǎng)過程中, 棕壤>2 mm和1~2 mm團聚體所占比例和團聚體穩(wěn)定性呈現(xiàn)出前期(0~360 d)快速增加, 后期(360~720 d)趨于穩(wěn)定的趨勢。可以看出, 玉米殘體對土壤團聚體團聚化過程的作用強度逐漸減弱。以上結(jié)果表明, 作物殘體輸入對棕壤團聚體組成及有機碳分布的影響與棕壤肥力水平和不同殘體部位間的差異關(guān)系密切。

棕壤; 土壤肥力; 玉米殘體; 根茬; 莖葉; 土壤團聚體; 土壤有機碳

土壤團聚體和有機碳是評估土壤肥力的兩大指標[1]。土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的最小功能單元和物理基礎(chǔ), 其組成和特性決定著土壤養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)和微生物活動[2]。穩(wěn)定的團聚體對支撐動植物的生命、調(diào)節(jié)土壤水分、減緩溫室氣體排放及防治水土流失等具有重要意義[3-5]。土壤有機碳是土壤質(zhì)量的核心要素, 在土壤物理、化學(xué)和生物特性中發(fā)揮著巨大的作用, 同時是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子[6]。土壤團聚體與有機碳有著密不可分的關(guān)系: 團聚體可以通過自身的物理保護作用將有機碳包被起來, 從而免受微生物的分解, 增加土壤有機碳的穩(wěn)定性; 土壤有機碳是團聚體形成過程中重要的膠結(jié)物質(zhì), 能夠促進團聚體的形成, 增加團聚體的團聚能力[1,7]。因此, 提高土壤團聚體的穩(wěn)定性及團聚體結(jié)合碳的含量對培肥地力、增加土壤抗蝕性以及緩解全球氣候變化具有重要意義。

土壤團聚體作為一種特殊的有機-無機復(fù)合物, 其組成及穩(wěn)定過程十分復(fù)雜, 并且不同粒級團聚體對有機碳的保蓄能力也存在一定的差異[8]。土壤團聚體組成及其有機碳均受土壤本身理化特性的調(diào)控, 還受人為活動等因素的影響[8-9]。首先, 不同土壤肥力水平能夠在不同程度上影響土壤團聚體的組成與有機碳的分布[10]。已有研究表明施用有機肥促進大團聚體的形成[8], 顯著提高土壤水穩(wěn)定團聚體的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)值[8], 同時明顯提高團聚體結(jié)合碳的含量[11]。其次, 土壤團聚體的形成及穩(wěn)定主要是依靠各種膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用, 增加有機碳能夠有效地提高土壤的團聚能力[12]。而植物殘體在輸入土壤后不僅可以作為土壤有機碳的重要來源, 而且在其腐解過程中對團聚體的形成還會產(chǎn)生一定的促進作用[13]。有報道指出向土壤中添加粉碎作物殘體等有機質(zhì)能明顯增加土壤中有機膠結(jié)物質(zhì)的含量, 進而促進土壤團聚體的形成, 提高團聚體的穩(wěn)定性[14-15]。同一作物不同器官的化學(xué)組成及腐解進程均存在高度的差異性[16], 不同器官殘體勢必會影響土壤有機碳的固定及團聚體的形成、穩(wěn)定過程。然而關(guān)于作物不同部位殘體在不同肥力水平土壤還田條件下土壤團聚體的組成及其有機碳的響應(yīng)情況尚鮮見報道。本研究以長期玉米連作體系下兩種不同施肥水平棕壤為基礎(chǔ), 通過田間原位培養(yǎng)的方法, 探討了不同部位玉米殘體(根茬、莖葉)還田條件下農(nóng)田土壤團聚體組成及有機碳分布的變化情況, 以闡明秸稈還田下土壤碳庫的穩(wěn)定性及其保護機制。本研究結(jié)果對構(gòu)建合理的秸稈還田與培肥措施, 減少土壤侵蝕具有一定指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長期定位試驗站進行(41°49￠N, 123°34￠E)。該試驗站始建于1987年, 土壤為發(fā)育在黃土性母質(zhì)上的壤質(zhì)棕壤[17]。試驗站長期種植作物為玉米(L.), 每年4月中下旬播種, 9月中下旬收獲。具體試驗布置與施肥處理參見安婷婷等[18]。本試驗共選用2個肥力水平棕壤, 即低肥力棕壤(連續(xù)29 a未施用任何肥料的處理, LF)和高肥力棕壤(多年施用高量有機肥配施氮磷肥的處理, HF)。

供試有機物料為2014年9月玉米收獲后采集的玉米殘體。首先將玉米殘體在105 ℃下殺青30 min, 然后在60 ℃下烘8 h。將根茬、莖葉分開, 并剪成2 cm小段, 用秸稈粉碎機粉碎, 過40目篩后備用。試驗所需土壤樣品及玉米殘體的主要理化性質(zhì)見表1。

表1 供試棕壤、玉米殘體基本理化性質(zhì)

同列不同小寫字母表示不同肥力水平棕壤間差異顯著(<0.05), 同列不同大寫字母表示不同部位玉米殘體間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences at 5% level between different brown soils; different capital letters mean significant differences at 5% level between different residue parts of maize.

1.2 研究方法

本試驗采用田間原位培養(yǎng)法, 共設(shè)6個處理, 分別為: 低肥力土壤添加玉米根茬(LF+R)、低肥力土壤添加玉米莖葉(LF+S)、高肥力土壤添加玉米根茬(HF+R)、高肥力土壤添加玉米莖葉(HF+S), 同時以不添加玉米殘體的2種肥力土壤作為對照(LF, HF), 每個處理3次重復(fù)。按照試驗設(shè)計方案, 于2016年4月翻地后將18個長×寬×高為0.4 m×0.3 m×0.8 m的PVC盒埋入相對應(yīng)肥力水平小區(qū), PVC盒頂端高出地表10~15 cm。按照0.5%的重量比(干秸稈重/烘干土重)向微區(qū)中加入不同部位玉米殘體(根茬、莖葉), 使殘體與0~20 cm耕層土壤均勻混合。在微區(qū)玉米出苗后, 每個微區(qū)保留1株長勢較好的玉米, 微區(qū)的管理按照常規(guī)田間管理方法進行。分別于試驗布置后的0 d、360 d和720 d對各微區(qū)進行采集, 采集深度為0~20 cm。采樣時, 利用不銹鋼鏟對各微區(qū)三點采集原狀土樣, 每份200 g, 混勻后留取200 g備用。為防止土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞, 采用硬質(zhì)塑料保鮮盒將土樣帶回實驗室。

土壤團聚體分離采用Wang等[19]介紹的方法: 去除原狀土樣中的石粒和植物碎片并用手沿自然裂隙輕輕掰成大小不同的小土塊, 然后風(fēng)干至含水量12%左右時, 進行團聚體分級。稱取100 g的土樣土置于篩分儀(Retsch AS 200, 德國)套篩中, 首先在振幅1.5 mm條件下振動15 s, 分離出>2 mm的團聚體, 然后再依次振動20 s和45 s, 得到1~2 mm、0.25~1 mm和<0.25 mm粒級土壤團聚體, 分別稱重。然后將土樣風(fēng)干, 用研缽研磨并過100目篩, 并利用元素分析儀(Elementar Ⅱ, 德國)進行土壤有機碳的測定。

1.3 計算方法

平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)[8]以及分形維數(shù)()[20]的計算公式分別為:

式中:X為篩分出來的某一級別團聚體的平均直徑(mm),M為某一粒級團聚體的重量百分比(%)。

式中:W為某一粒級團聚體的重量(g),為土壤各粒級重量的總和。

對式(3)兩邊取對數(shù)可得式(4):

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進行方差分析, 不同處理間的差異顯著性水平采用Duncan法進行多重比較, 顯著水平為<0.05。圖表的繪制采用Microsoft Excel 2010軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加玉米殘體對土壤團聚體組成的影響

各處理土壤團聚體組成在添加玉米殘體后變化明顯, 且不同肥力棕壤的響應(yīng)有所差異(表2)。0.25~1 mm團聚體在各處理中所占比例最高, 成為優(yōu)勢級別且與其他級別相比差異顯著(<0.05), 而<0.25 mm團聚體含量最低(<0.05)。玉米殘體添加后, 明顯增加了>2 mm和1~2 mm團聚體的比例, 其中低肥力土壤的增加幅度更明顯。培養(yǎng)720 d時, 低肥力土壤添加玉米殘體處理>2 mm和1~2 mm團聚體所占比例比相應(yīng)對照處理平均增加60.32%, 高肥力土壤增加比例平均為39.50%。添加不同殘體部位處理在不同時期沒有一致的規(guī)律性。培養(yǎng)結(jié)束時, 低肥力土壤添加根茬和莖葉后團聚體組成差異不明顯(>0.05)。而在高肥力土壤中, 添加莖葉處理>2 mm級別所占比例顯著高于添加根茬處理(<0.05), 而<0.25 mm則相反。在培養(yǎng)的前360 d, 各處理>2 mm和1~2 mm團聚體所占比例均有不同程度的增長; 在360~720 d, 各粒級團聚體所占比例逐漸趨于穩(wěn)定。

表2 不同肥力棕壤添加不同部位玉米殘體不同時間后土壤團聚體的組成變化

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米莖葉。同行不同小寫字母表示同一處理不同團聚體級別差異顯著(<0.05), 同列不同大寫字母表示同一團聚體級別不同處理不同時間差異顯著(<0.05)。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf. Different lowercase letters mean significant differences at 5% level among different sizes of aggregates for the same treatment; different capital letters mean significant differences at 5% level among different treatments at different incubation times for the same aggregates size.

2.2 添加玉米殘體對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

2.2.1 平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)

MWD和GMD可以反映土壤團聚的大小分布狀況。MWD和GMD值越大, 說明團聚體的團聚程度越高, 團聚體越穩(wěn)定, 抗侵蝕能力越強[8]。不同肥力棕壤添加玉米殘體后MWD和GMD變化趨勢總體一致(圖1)。與對照相比, 添加玉米殘體處理MWD和GMD顯著提升(<0.05), 且對低肥力土壤團聚體MWD和GMD提升效果更顯著。其中, 低肥力土壤團聚體MWD和GMD平均提升幅度分別為28.10%和31.47%, 高肥力土壤分別提升13.6%和15.31%。而對于不同殘體部位之間, 除培養(yǎng)360 d時低肥力棕壤添加玉米根茬(LF+R)處理MWD和GMD明顯低于其他處理(<0.05)以及培養(yǎng)720 d時高肥力棕壤添加玉米莖葉(HF+S)處理最高(<0.05)外, 其余處理差異不顯著(>0.05)。在培養(yǎng)的前360 d, 土壤團聚體MWD和GMD均顯著增加(<0.05); 在360 d之后, 除HF+S處理MWD和GMD明顯增加(<0.05)外, 其余各處理均未發(fā)生明顯變化(>0.05)。

2.2.2 分形維數(shù)

可以定量描述不同粒徑團聚體的穩(wěn)定性特征, 其值越小表示團粒結(jié)構(gòu)越好, 結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[21]。隨著培養(yǎng)時間的延長, 各處理土壤團聚體值均呈現(xiàn)出前360 d顯著下降(<0.05), 360 d后未發(fā)生明顯變化(>0.05)的趨勢(圖2)。其中低肥力土壤團聚體值的下降幅度更明顯, 平均下降21.91%, 而高肥力棕壤(HF)平均下降15.77%。在培養(yǎng)結(jié)束時, 低肥力棕壤(LF)處理值顯著高于其他處理(<0.05), 而高肥力棕壤添加玉米莖葉(HF+S)處理最小。

圖1 不同肥力棕壤添加不同部位玉米殘體不同時間后土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)值的變化

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米莖葉。不同小寫字母表示同一處理不同時間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示同一時間不同處理差異顯著(<0.05)。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf. Different lowercase letters mean significant differences at 5% level among different incubation times for the same treatment; different capital letters mean significant differences at 5% level among different treatments at the same incubation time.

圖2 不同肥力棕壤添加不同部位玉米殘體不同時間后土壤團聚體分形維數(shù)(D)值的變化

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米莖葉。不同小寫字母表示同一處理不同時間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示同一時間不同處理差異顯著(<0.05)。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf. Different lowercase letters mean significant differences at 5% level among different incubation times for the same treatment; different capital letters mean significant differences at 5% level among different treatments at the same incubation time.

2.3 添加玉米殘體對土壤總有機碳含量的影響

由圖3可知, 玉米殘體添加明顯增加了各處理的土壤有機碳含量(<0.05)。隨培養(yǎng)時間的延長, 各處理有機碳含量出現(xiàn)不同程度的降低, 其中高肥力水平各處理土壤有機碳含量降低趨勢更明顯; 培養(yǎng)720 d時, 高肥力水平各處理土壤有機碳較培養(yǎng)開始時平均下降22.46%, 低肥力水平土壤有機碳平均下降14.92%。720 d時, 除高肥力棕壤添加玉米根茬(HF+R)處理外, 其余添加玉米殘體處理土壤有機碳含量與對照處理差異已不明顯(>0.05)。從不同殘體部位來看, 培養(yǎng)360 d后, HF+R處理土壤有機碳含量明顯高于添加莖葉(HF+R)處理(<0.05), 而低肥力土壤中添加不同部位殘體后無明顯差異(>0.05)。

圖3 不同肥力棕壤添加不同部位玉米殘體后不同時間土壤有機碳含量的變化

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米莖葉。不同小寫字母表示同一處理不同時間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示同一時間不同處理差異顯著(<0.05)。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf. Different lowercase letters mean significant differences at 5% level among different incubation times for the same treatment; different capital letters mean significant differences at 5% level among different treatments at the same incubation time.

2.4 添加玉米殘體對土壤各粒級團聚體有機碳含量及分布的影響

2.4.1 各粒級團聚體有機碳含量

不同處理土壤團聚體中有機碳含量如表3所示。同一處理的不同粒級團聚體相比, 各處理均以<0.25 mm團聚體有機碳含量最高。玉米殘體添加在不同程度上增加了各級別團聚體有機碳含量。但在培養(yǎng)結(jié)束時, 僅高肥力土壤(HF)添加玉米殘體處理各粒級團聚體有機碳含量高于對照(0.05), 而低肥力土壤(LF)添加玉米殘體處理與對照處理無明顯差異(0.05)。培養(yǎng)720 d時, 低肥力土壤添加玉米殘體處理隨土壤團聚體粒級減小, 有機碳含量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢, 而高肥力土壤添加玉米殘體處理隨土壤粒級的減小, 有機碳含量呈現(xiàn)先減小后增加的V型趨勢。從不同殘體部位來看, 高肥力土壤添加根茬(HF+R)處理各粒級團聚體有機碳含量明顯高于添加莖葉(HF+S)處理(<0.05), 而低肥力土壤中則差異不顯著(0.05)。在整個培養(yǎng)過程中, 不同處理各粒級團聚體有機碳含量總體表現(xiàn)為HF+R>HF+S>HF>LF+R、LR+S>LF。

表3 不同肥力棕壤添加不同部位玉米殘體不同時間后土壤團聚體有機碳含量的變化

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米莖葉。同行不同小寫字母表示同一處理不同團聚體級別差異顯著(<0.05), 同列不同大寫字母表示同一團聚體級別不同處理不同時間差異顯著(<0.05)。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf. Different lowercase letters mean significant differences at 5% level among different sizes of aggregates for the same treatment; different capital letters mean significant differences at 5% level among different treatments at different incubation times for the same aggregates size.

2.4.2 有機碳在各粒級團聚體中的分配

未添加玉米殘體的對照處理土壤有機碳主要分布在0.25~1 mm粒級團聚體, 而<0.25 mm團聚體分布最低(圖4)。玉米殘體添加明顯增加了>2 mm和1~2 mm團聚體有機碳的貢獻率(<0.05); 其中, 低肥力土壤在培養(yǎng)結(jié)束時較對照處理平均增加38.52%, 高肥力土壤平均增加16.67%。從不同殘體部位來看, 在培養(yǎng)結(jié)束時, 高肥力添加莖葉(HF+S)土壤中>2 mm和1~2 mm團聚體有機碳的貢獻率高于添加根茬(HF+R)處理, 且差異顯著(<0.05), 而低肥力土壤中添加根茬(LF+R)和莖葉(LF+S)間無明顯差異(0.05)。培養(yǎng)720 d時, 添加玉米殘體各處理>2 mm和1~2 mm團聚體有機碳的貢獻率均占50%以上,且表現(xiàn)為HF+S>HF+R>LF+S>LF+R>HF>LF, <1 mm團聚體則表現(xiàn)出相反的規(guī)律。

3 討論

玉米殘體還田明顯提高較大級別團聚體(>2 mm和1~2 mm)所占比例及團聚體的穩(wěn)定性, 與張鵬等[22]和安婉麗等[23]的研究結(jié)果一致且符合Six等[24]的土壤團聚體周轉(zhuǎn)胚胎發(fā)育模型。本研究在此基礎(chǔ)上進一步突出了肥力水平及殘體部位對土壤團聚體組成的影響。本研究中, 玉米殘體輸入對低肥力土壤較大級別團聚體數(shù)量和團聚體穩(wěn)定性提升的效果更明顯, 表明在相同條件下殘體還田對低肥力土壤結(jié)構(gòu)的改善作用更強。已有研究表明, 有機物料的腐解過程與土壤團聚體的形成之間存在著復(fù)雜的相互作用[25]。有報道指出植物殘體在低肥力土壤中的腐解速率更快[26-27], 表明外源有機物料在低肥力土壤中較快的周轉(zhuǎn)速率對土壤結(jié)構(gòu)的改善產(chǎn)生了更積極的影響。此外, 本試驗站中低肥力棕壤含有更多的黏粒含量[28], 而缺少有機膠體與其結(jié)合, 也就是黏粒膠體大量的“固碳位點”處于空置狀態(tài)[29]。此外, 黏土礦物具有更強的表面吸附能力, 當外源物料輸入時, 這些無機膠體(黏粒)會迅速與有機物緊密結(jié)合[26], 形成較穩(wěn)定的有機-無機復(fù)合體, 從而加快了土壤由微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化的進程。

圖4 不同肥力棕壤添加不同部位玉米殘體不同時間后土壤各粒級團聚體有機碳的相對貢獻率

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米莖葉。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf.

田間原位培養(yǎng)結(jié)束時, 添加不同部位殘體對不同肥力土壤團聚體形成作用效果不同?？梢? 殘體部位也是影響作物殘體還田對土壤團聚體形成的重要因素。在低肥力土壤中添加不同部位殘體后團聚體組成未表現(xiàn)出明顯差異; 而高肥力土壤以添加莖葉處理中較大級別團聚體所占比例和團聚體穩(wěn)定性更高。這可能是由于不同肥力背景條件下作物殘體不同的腐解模式所導(dǎo)致。高肥力土壤中添加不同殘體部位后團聚體組成及穩(wěn)定性差異較大, 說明高肥力土壤團聚體對莖葉的輸入反應(yīng)更敏感, 而莖葉中較高含量的糖類、纖維素和半纖維素含量[30]為團聚體的形成提供了更多的膠結(jié)物質(zhì), 從而使微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)移。而在低肥力土壤中, 微生物的生長處于缺氮的“饑餓”狀態(tài), 微生物會在殘體輸入后迅速對其進行分解以滿足自身生長的需要[31]。此外, 相對于低肥力土壤中較穩(wěn)定的土壤有機質(zhì), 微生物會優(yōu)先利用更易分解的外源有機物料[32]。這些條件使得不同部位玉米殘體在低肥力土壤中的腐解過程類似, 從而產(chǎn)生了對土壤團聚體相似的作用強度。有報道[26]指出, 高肥力土壤更能擴大土壤微生物量在施入不同部位殘體后的差異性, 這也支持了本研究的結(jié)果。

土壤團聚體的組成及穩(wěn)定性隨培養(yǎng)時間的延長呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。在田間原位培養(yǎng)的前360 d, 土壤中較大粒級團聚體以及團聚體的穩(wěn)定性均有明顯增加(<0.05), 而在360~720 d逐漸趨于穩(wěn)定。許多研究顯示, 作物殘體還田1 a后殘體的礦化率均集中在55%~70%[33-34], 說明作物殘體的腐解過程主要發(fā)生在還田后的第1年。在此期間提高了微生物的活性, 促進了可作為膠結(jié)物質(zhì)的微生物菌絲的生長, 同時外源有機物質(zhì)也可作為團聚體形成過程中重要的膠結(jié)物質(zhì), 對團聚體的形成產(chǎn)生促進效應(yīng)[35]。而1 a后, 外源有機物料大部分已礦化, 而殘留在土壤中的部分也較穩(wěn)定地固定在土壤中[33], 因此對土壤團聚體團聚化過程的作用力逐漸減弱。

玉米殘體在添加到土壤初期明顯增加了土壤及各粒級團聚體的有機碳含量, 這與前人研究結(jié)果[1,7]類似, 說明作物殘體還田對土壤有機碳含量的提高具有重要作用。本研究在田間模擬條件下進一步表明, 玉米殘體輸入對土壤有機質(zhì)的提升作用主要發(fā)生在還田后的第1年。而在較長時期(720 d)的腐解過程中, 由于殘體自身較快的分解速率及其對土壤“老”有機碳產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)[36], 致使培養(yǎng)結(jié)束時添加作物殘體處理和對照處理土壤及團聚體有機碳含量差異不大。同時, 玉米殘體添加明顯增加了較大級別團聚體有機碳的貢獻率, 表明較大級別團聚體富集外源有機碳的能力更強, 殘體碳主要通過增加大團聚體中碳含量的方式來增加土壤有機碳的穩(wěn)定性[37]。外源碳的輸入會通過與土壤礦物的結(jié)合逐步形成大團聚體, 反過來團聚體的物理保護作用降低了微生物對有機碳的分解, 這與前人一些研究結(jié)果相符[1,27]。與對照相比, 添加玉米殘體使較小級別團聚體(0.25~1 mm和<0.25 mm)有機碳對土壤總有機碳的貢獻占主導(dǎo)地位逐漸轉(zhuǎn)化為較大級別團聚體占主導(dǎo)地位。不同肥力土壤相比較, 外源有機物料添加仍然對低肥力土壤較大級別團聚體有機碳貢獻率的提升效果更明顯。

不同部位殘體輸入對不同肥力土壤有機碳含量及團聚體有機碳分布的作用效果同樣存在差異。其中低肥力土壤中添加不同部位玉米殘體后, 土壤、團聚體有機碳含量及有機碳在團聚體中的分配差異不明顯(>0.05), 而高肥力土壤中則差異顯著(<0.05)。具體來看, 高肥力土壤中添加根茬對土壤及團聚體有機碳含量的提升效果更明顯且作用強度更持久。根茬較莖葉含有更多難被微生物利用的組分(如木質(zhì)素)[38], 因此在土壤中能保留更長的時間。Puget等[39]也認為根茬更有利于長期土壤有機質(zhì)的積累, 這也支持了本研究的結(jié)果。如前所述, 低肥力土壤中微生物對殘體的快速利用降低了不同殘體部位間的差異。

4 結(jié)論

1)肥力水平是影響作物殘體還田后土壤團聚體組成及有機碳分布的關(guān)鍵因素, 作物殘體還田對于改善低肥力土壤結(jié)構(gòu)狀況, 提高土壤團聚體穩(wěn)定性具有更明顯作用。

2)對于不同殘體部位而言, 高肥力棕壤中添加莖葉處理對土壤團聚體穩(wěn)定性的提高效果更明顯, 添加根茬處理對土壤團聚體有機碳含量提高效果更明顯; 而在低肥力棕壤中添加不同殘體部位后土壤團聚體穩(wěn)定性差異不明顯。

3)在本試驗條件下, 作物還田后的第1年明顯促進了土壤團聚體的團聚化過程并提高了團聚體有機碳含量。隨著田間原位培養(yǎng)時間的延長, 作物殘體對土壤團聚體形成的作用強度逐漸減弱。作物殘體還田后土壤團聚體組成及有機碳分布更長期的變化還有待進一步研究。

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Effects of maize residue decomposition on aggregate composition and organic carbon distribution of different fertilities Brown soils*

XU Yingde, WANG Jingkuan, WANG Siyin, SUN Xuebing, LI Junwei, ZHANG Mingyao, GAO Xiaodan**

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University / Key Laboratory of Arable Land Conservation (Northeast China), Ministry of Agriculture / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866, China)

Soil aggregate and organic carbon are two major indices for assessing soil fertility. Besides, crop residue return is an effective agricultural way to supplement soil carbon pool and promote soil aggregate formation. However, how soil fertility level and residue type affect soil aggregate stability and organic carbon distribution is not clearly understood yet. In this study, a field incubation experiment was carried out by adding maize (L.) root or stem and leaf to brown soil of different fertility levels. The samples of low fertility (LF) and high fertility (HF) soils were collected from a long-term (29 years) fertilization experiment. Six treatments were set, which were low fertility soil with maize root (LF+R), low fertility soil with maize stem and leaf (LF+S), high fertility soil with maize root (HF+R), high fertility soil with maize stem and leaf (HF+S), low or high fertility soil without maize residues (LF or HF). The objective of the study was to explore the dynamics of soil aggregate composition and allocation of organic carbon after residue incorporation. The study could have significant implications for developing residue management and reduce soil erosion in agro-ecosystems. The results showed that soil fertility significantly affected aggregates composition and organic carbon allocation of soil with crop residue incorporation. The addition of maize residue increased mean weight diameter, geometric mean diameter of soil aggregates and contribution rate of organic carbon in larger aggregates (>2 mm and 1–2 mm) in LF soil compared to those in HF soil. The results suggested that LF soil was more sensitive to organic matter input and had a rapid rate of transformation to macro-aggregate. 2) At the end of experiment, the addition of maize stem and leaf to HF soil had a more pronounced effect on soil aggregate stability compared to the addition of root. Then the addition of root had a more pronounced effect on organic carbon content in soil aggregates than the addition of stem and leaf. However, there was no significant difference between soil aggregate stability and organic carbon content in LF soil aggregate supplemented with different maize parts. The results further suggested that soil fertility level could change the effects of different parts of crop residues addition on soil aggregate stability and organic carbon distribution. 3) The proportion of >2 mm, 1–2 mm aggregates and soil aggregate stability sharply increased during the first 360 days. This then tended to stable during the later incubation period of 360–720 days. This indicated that the effect of maize residue on the formation of soil aggregate gradually weakened with time. It was concluded that the effects of maize residue addition on soil aggregates composition and organic carbon distribution were dependent on both soil fertility and residue part. Besides, crop residue addition had more obvious effect on improving the structure and stability of aggregates in LF soils.

Brown soil; Soil fertility; Maize residue; Root; Stem and leaf; Soil aggregate; Soil organic carbon

, E-mail: wataxi221@126.com

Nov. 24, 2017;

Feb. 3, 2018

S158.5

A

1671-3990(2018)07-1029-09

10.13930/j.cnki.cjea.171087

* 國家自然科學(xué)基金項目(41601230, 41671293, 41601307)資助

高曉丹, 主要從事土壤肥力與土壤化學(xué)研究。E-mail: wataxi221@126.com 徐英德, 主要從事土壤肥力與土壤生態(tài)研究。E-mail: yingdexu@126.com

2017-11-24

2018-02-03

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41601230, 41671293, 41601307).

徐英德, 汪景寬, 王思引, 孫雪冰, 李君薇, 張明垚, 高曉丹. 玉米殘體分解對不同肥力棕壤團聚體組成及有機碳分布的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(7): 1029-1037

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