徐海靜,柳開樓,郭長城,婁翼來,王義東
(1.天津師范大學(xué)天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室,天津 300387;2.天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,天津 300387;3.江西省紅壤研究所國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,南昌 331717;4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081)
土壤有機質(zhì)(soil organic matter,SOM)作為評價農(nóng)田土壤質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù),對土壤肥力、作物產(chǎn)量、地球碳循環(huán)和全球氣候變化有著不可忽視的影響[1].土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)的固存取決于碳輸入與碳輸出之間的動態(tài)平衡[2].農(nóng)田系統(tǒng)中外源碳輸入不僅受碳投入量的影響,還受到固碳效率的影響;碳輸出則主要為SOC 的礦化[3].土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,與SOC 相互依存:SOC 作為重要的膠結(jié)物質(zhì),有利于團聚體的形成;團聚體為SOC 提供物理保護,防止其被微生物分解[4].根據(jù)形態(tài)和大小,通常將土壤團聚體分為大團聚體(>0.250 mm)和微團聚體(<0.250 mm),進一步可細分為≥2.000 mm、[0.250,2.000)mm、[0.053,0.250)mm 和< 0.053 mm 4 種粒級團聚體,研究不同粒級團聚體的SOC 含量有利于深入了解SOC 的物理保護機制[5].秸稈還田作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種應(yīng)用廣泛的耕作措施,能夠促進團聚體的形成,增加SOC 含量,改善土壤養(yǎng)分狀況.目前有關(guān)秸稈還田的研究主要集中在土壤團聚體及其有機碳含量上,對亞熱帶稻田紅壤固碳效率的研究較少[6].
本研究依托江西省紅壤研究所的長期定位實驗,以稻田紅壤為研究對象,基于濕篩法,利用元素分析儀測定土壤團聚體的碳、氮含量,計算土壤固碳效率,探討常規(guī)+秸稈還田處理下土壤團聚體的碳、氮含量和固碳效率,以期為亞熱帶稻田紅壤的固碳培肥及秸稈的合理利用提供科學(xué)參考.
研究基地位于江西省進賢縣的江西省紅壤研究所(28°35′24″N,116°17′60″E),地處鄱陽湖流域,屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候,年無霜日289 d,年平均氣溫為18.1 ℃,年平均降水量和年平均蒸發(fā)量分別為1 537 mm和1 150 mm,海拔29.65 m.研究區(qū)土壤類型為稻田紅壤,主要耕作模式為早稻-晚稻-冬閑.
1981 年實驗開始前,耕層土壤(0~20 cm)的基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下:SOC 含量為16.30 g/kg,土壤pH 值為6.9,總氮(total nitrogen,TN)含量為1.49 g/kg,堿解氮含量為144 mg/kg,總磷含量為0.49 g/kg,速效磷含量為9.50 mg/kg,總鉀含量為10.4 g/kg,速效鉀含量為81.2 mg/kg,土壤容重為1.03 g/cm3.
本研究共設(shè)置常規(guī)處理和常規(guī)+秸稈還田處理2種處理方法,其中常規(guī)處理為對照組.
(1)常規(guī)處理:對土壤實施常規(guī)管理措施,具體為:人工種植早稻和晚稻,在早稻移栽前一周(4 月上旬)和早稻收獲后(7 月下旬)分別旋耕1 次,旋耕深度為15~20 cm.氮、磷、鉀肥分別為尿素(46%N)、過磷酸鈣(16%P2O5)和氯化鉀(60%K2O),每季N、P2O5和K2O 的施用量分別為90、75 和45 kg/hm2.其中,磷肥作為基肥一次性施入土壤,氮肥和鉀肥均以3 ∶7 的基追比分2 次施入土壤.水稻收獲后記錄稻谷的產(chǎn)量,并將水稻秸稈全部清除出稻田.
(2)常規(guī)+秸稈還田處理:常規(guī)管理措施+秸稈還田,具體措施為:在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上,每季以4 500 kg/hm2(鮮重)的水稻秸稈量進行還田.其中,水稻秸稈的含水量為6%,風(fēng)干后水稻秸稈的C、N 含量分別為410 g/kg、3.3 g/kg.
每種處理方法設(shè)3 次重復(fù),小區(qū)面積為46.67 m2,為了防止各小區(qū)之間串水串肥,分別用水泥埂進行分隔,水稻品種每5 年更換一次.所有小區(qū)的播種、移栽、灌溉和打藥等田間管理措施均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的習(xí)慣保持一致.
2017 年11 月晚稻收獲后采集土壤樣品,按照“S”型五點取樣法,在每個小區(qū)內(nèi)采集0~20 cm 深度的土樣.將土樣混合均勻后裝入密封袋中全部帶回實驗室,放置在通風(fēng)且陰涼的地方自然風(fēng)干.在風(fēng)干過程中去除土壤樣品中植物的碎屑、根系和小石塊等雜質(zhì),風(fēng)干后的土樣保存?zhèn)溆?
采用濕篩法對團聚體進行分組[7]:第一步,稱取100 g 風(fēng)干土樣,將其平均分成4 份后分別平鋪在土壤套篩(孔徑大小分別為2.000、0.250 和0.053 mm)的上端,然后將套篩放置在土壤團聚體分析儀(XY-100 型,北京祥宇偉業(yè)儀器設(shè)備公司)的鐵桶中浸泡5 min,隨后以50 次/min 的頻率(振幅3 cm)上下來回振蕩6 min;第二步,取出套篩,用去離子水將留在每個網(wǎng)篩上的土樣依次沖洗到鋁盒中,60 ℃烘干至恒重,從而獲得≥2.000 mm、[0.250,2.000)mm 和[0.053,0.250)mm 3 個粒級團聚體;第三步,在桶內(nèi)加入25 mL CaCl2(0.25 mol/L),靜置過夜,采用虹吸的方式排出上清液,然后用去離子水將底部沉淀的土樣沖洗到鋁盒中并烘干(60 ℃)至恒重,得到<0.053 mm 粒級團聚體;第四步,分別稱取4 個粒級團聚體的質(zhì)量,計算各級團聚體的質(zhì)量占比.使用元素分析儀(2400 Ⅱ型,美國PerkinElmer 公司)測定各級團聚體的SOC 和TN 含量.
土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)包括粒徑大于0.25 mm 粒級團聚體的質(zhì)量占比(WSA0.25)、平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)和分形維數(shù)(fractal dimension,D).穩(wěn)定性指標(biāo)和各級團聚體養(yǎng)分貢獻率的計算公式為[8]
式中:Wa>0.25為粒徑大于0.25 mm 的團聚體的質(zhì)量占比;ri為第i 級團聚體的平均粒徑,mm;Wi為第i 級團聚體的質(zhì)量占比,%;n 為總粒級數(shù)量,n =4;W(a SOC 固存量的計算公式為[9] 式中:St為2017 年各處理的SOC 儲量,t/hm2;Csoc為耕層土壤的SOC 含量,g/kg;BD 為土壤容重,g/cm3(常規(guī)處理,1.05 g/cm3;常規(guī)+秸稈還田處理,1.04 g/cm3);H為耕層的深度,為20 cm;ΔSt為37 a 不同處理下SOC的固存量,t/hm2;S0為1981 年初始SOC 儲量,t/hm2. 累積碳投入量的計算公式為[10] 式中:Cinput-root為37 a 累積根碳投入量,t/hm2;ERshoot為37 a 早稻地上總生物量,t/hm2;LRshoot為37 a 晚稻地上總生物量,t/hm2;Wroot為水稻地上部分的含水率,為14%,Rroot/shoot為水稻根年均生物量與地上總年均生物量的平均比,為0.087;Croot為風(fēng)干后水稻根的碳質(zhì)量濃度,為41%;0.673 為水稻根際沉積與水稻根的生物量比值[11];Cinput-straw為37 a 累積秸稈碳投入量,t/hm2;Istraw為每年秸稈的添加量,t/hm2(常規(guī)+ 秸稈還田處理,4.5 t/hm2;常規(guī)處理,0);Wstraw為新鮮秸稈的含水率,為6%;Cstraw為風(fēng)干后秸稈的碳濃度,為410 g/kg;Cinput-total為37 a累積碳投入量,t/hm2. 固碳效率(carbon sequestration efficiency,CSE)的計算方法如下[12] 利用Excel 2016 統(tǒng)計并處理原始數(shù)據(jù),利用SPSS 18.0 進行單因素方差分析(one-way ANOVA),通過Tukey 多重比較法和獨立樣本T 檢驗(independentsamples T Test)來檢驗數(shù)據(jù)的差異是否具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),應(yīng)用Origin 2018 軟件繪圖. 2 種處理下稻田土壤各級團聚體的質(zhì)量占比和土壤穩(wěn)定性指標(biāo)分別如圖1 和圖2 所示. 圖1 2 種處理下稻田土壤團聚體的質(zhì)量占比Fig.1 Mass proportion of soil aggregates under two treatments in the paddy fields 圖2 2 種處理下稻田土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Fig.2 Stability indices of soil aggregates under two treatments in the paddy fields 由圖1 可知,2 種處理下,相同粒級團聚體質(zhì)量占比之間的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.從各級團聚體的整體組成情況來看,不同處理下的土壤團聚體粒級組成特征保持一致,具體表現(xiàn)為:[0.250,2.000)mm 粒級團聚體的質(zhì)量占比(常規(guī)處理:40.64%,常規(guī)+秸稈還田處理:47.04%)顯著高于其他3 個粒級團聚體,且其他3 個粒級團聚體之間的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.由圖2可以看出,2 種處理下,相同土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)(WSA0.25、MWD、GMD 和D)之間的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義. 2 種處理下稻田土壤的有機碳含量、總氮含量和C/N 如圖3 所示. 圖3 2 種處理下稻田土壤的有機碳、總氮含量和碳氮比Fig.3 SOC content,TN content,and C/N under two treatments in the paddy fields 由圖3(a)可以看出,與1981 年SOC 初始含量(16.30 g/kg)相比,37 a 常規(guī)處理和常規(guī)+秸稈還田處理后全土中SOC 含量分別顯著提高了26.70%和43.91%.常規(guī)+秸稈還田處理下全土SOC 含量比常規(guī)處理的數(shù)值高13.60%,但2 種處理下相同粒級團聚體SOC 含量之間的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.由圖3(b)可知,常規(guī)+秸稈還田處理下全土的TN 含量比常規(guī)處理的數(shù)值高10.17%,但2 種處理下相同粒級團聚體的TN 含量之間的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.由圖3(c)可以看出,2 種處理下,相同粒級團聚體C/N 之間的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.整體上,2 種處理下,≥2.000 mm 粒級團聚體的C/N 顯著高于其他3 個粒級團聚體的數(shù)值,且其他3 個粒級團聚體C/N 之間的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義. 各級團聚體有機碳和總氮的貢獻率如圖4 所示.由圖4 可以看出,除[0.250,2.000)mm 團聚體TN 的貢獻率外,不同處理下相同粒級團聚體的SOC、TN 貢獻率之間的差異均不具有統(tǒng)計學(xué)意義.總體上,2 種處理下土壤各級團聚體SOC 和TN 貢獻率的分布規(guī)律基本一致,具體表現(xiàn)為:[0.250,2.000)mm 粒級團聚體的SOC 和TN 貢獻率均顯著高于其他3 個粒級團聚體的數(shù)值. 圖4 2 種處理下不同粒級團聚體中土壤有機碳、總氮的貢獻率Fig.4 Contribution rates of SOC and TN in different aggregate sizes under two treatments 研究期間2 種處理下土壤的SOC 固存量、累積碳投入量和固碳效率如表1 所示.由表1 可以看出,與SOC 儲量初始值(33.58 t/hm2)相比,37 a 常規(guī)處理和常規(guī)+秸稈還田處理后土壤的SOC 儲量均顯著增加.研究期間常規(guī)+秸稈還田處理后土壤的SOC 儲量和SOC 固存量分別比常規(guī)處理后的數(shù)值高12.50%和55.37%.37 a 常規(guī)+秸稈還田處理后土壤的累積碳投入量比常規(guī)處理的數(shù)值高216.76%,但2 種處理方法之間累積根碳投入量的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.常規(guī)+秸稈還田處理后土壤的固碳效率比常規(guī)處理的數(shù)值低50.85%.此外,常規(guī)+秸稈還田處理后土壤的累積秸稈碳投入量比累積根碳投入量高116.76%. 表1 2 種處理的SOC 固存量、累積碳投入量和固碳效率Tab.1 SOC sequestration amount,cumulative carbon input amount,and carbon sequestration efficiency of two treatments 本研究顯示,經(jīng)過37 a 不同處理,稻田紅壤均以[0.250,2.000)mm 粒級團聚體為主,其質(zhì)量占比(40.64%~47.04%)顯著高于其他3 個團聚體組分,這主要歸因于氮、磷、鉀肥及根茬的投入.與常規(guī)處理相比,常規(guī)+秸稈還田處理對土壤團聚體的分布和土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)(WSA0.25、MWD、GMD 和D)均無顯著影響,這與前人的研究結(jié)果一致[10],主要與頻繁的耕作和干濕交替有關(guān)[9].與實驗初始值相比,常規(guī)處理和常規(guī)+秸稈還田處理37 a 后,全土的SOC 含量均顯著增加,這表明2 種處理均可以增加SOC 含量,這與Tang等[13]的研究結(jié)果一致.同時,常規(guī)+秸稈還田處理后SOC 的含量比常規(guī)處理的數(shù)值高,這表明常規(guī)+秸稈還田處理對SOC 含量的提升效果比常規(guī)處理更好,主要原因是:①秸稈還田直接增加了碳投入;②秸稈的投入直接影響土壤中的營養(yǎng)成分含量,從而改變了土壤中酶和微生物活性以及植物根系活動,使土壤產(chǎn)生更多有機代謝物質(zhì);③秸稈還田有利于土壤礦物基質(zhì)、金屬氧化物與有機分子形成有機-礦物復(fù)合體[14].相同粒級團聚體不同處理間的SOC 含量無顯著差異,其原因與SOC 在團聚體中的進一步稀釋有關(guān).但Wang等[15]和毛霞麗等[16]的研究結(jié)果卻表明常規(guī)+秸稈還田處理下各級團聚體的SOC 含量比常規(guī)處理的數(shù)值高,這與本研究結(jié)果存在差異,可能是不同SOC 初始水平和實驗?zāi)晗拊斐傻腫17-18].另外,除[0.250,2.000)mm 粒級團聚體TN 的貢獻率外,與常規(guī)處理相比,常規(guī)+秸稈還田處理對各團聚體組分的SOC、TN 含量及其貢獻率均沒有顯著影響,這表明碳、氮的固存具有協(xié)同作用. 與1981 年初始水平相比,2 種處理后土壤的SOC儲量均顯著增加,常規(guī)+秸稈還田處理的SOC 儲量顯著高于常規(guī)處理的數(shù)值(表1),這與Guo 等[19]和Zhao等[12]的研究結(jié)果一致.同時,這也與本研究中全土SOC含量的變化規(guī)律一致(圖3).常規(guī)處理的累積碳投入量主要來自水稻根茬及其分泌物,常規(guī)+秸稈還田處理中累積碳投入量主要來自水稻秸稈、根茬及其分泌物.本研究中,常規(guī)+秸稈還田處理下SOC 的固存量和累積碳投入量比常規(guī)處理的值高,但固碳效率卻相反,主要原因為:①秸稈和化肥配施為微生物提供了適宜的環(huán)境,提高了微生物的數(shù)量和活性,促進了新產(chǎn)生的和原有的SOC 的分解[20];②外源碳的來源(秸稈、根系和根際沉積)影響SOC 的分解速率,其中根碳更容易受到土壤的物理化學(xué)保護,進而更容易固存[21].Poeplau等[22]和Mendez-Millan 等[23]的研究結(jié)果也分別證實了根比莖、秸稈更有利于SOC 的固存.此外,本研究中常規(guī)處理和常規(guī)+秸稈還田處理的固碳效率分別為33.03%和16.23%,這與杭州(21%)[9]、烏魯木齊(26.7%)[24]和貴陽(26.62%)[25]的固碳效率相當(dāng),且在蔡岸冬[16]提出的固碳效率理論值的范圍內(nèi);鄭州市(6.9%)和北京市(7.7%)的固碳效率遠遠低于本研究結(jié)果[24],這是土壤屬性、氣候、實驗?zāi)晗抟约癝OC 初始水平等多種因素共同作用的結(jié)果[3,16]. 本研究基于江西省紅壤研究所的長期定位實驗,以稻田紅壤為研究對象,采用濕篩法對其進行團聚體分組,探討了土壤團聚體碳、氮含量和土壤固碳效率對常規(guī)+秸稈還田處理的響應(yīng).主要結(jié)論如下: (1)亞熱帶稻田紅壤37 a 常規(guī)處理與常規(guī)+秸稈還田處理后均以[0.250,2.000)mm 粒級團聚體為主.與常規(guī)處理相比,常規(guī)+秸稈還田處理對土壤團聚體的分布和穩(wěn)定性指標(biāo)均沒有顯著影響. (2)2 種處理中,[0.250,2.000)mm 粒級團聚體碳氮含量均比其他3 個團聚體組分的值高,這表明該粒級主要調(diào)節(jié)SOC 和TN 含量.與常規(guī)處理相比,常規(guī)+秸稈還田處理后全土的SOC 和TN 含量顯著增加,但各級團聚體的SOC 含量和TN 含量沒有顯著變化.另外,相較于常規(guī)處理,常規(guī)+秸稈還田處理的SOC 固存量和累積碳投入量均顯著提高,但固碳效率顯著降低.1.5 SOC 固存量、累積碳投入量和固碳效率
1.6 數(shù)據(jù)處理
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤團聚體分布
2.2 土壤有機碳、總氮含量與C/N
2.3 土壤有機碳儲量與累積碳投入量
3 討論
4 結(jié)論