吳 艷,宋惠潔,胡丹丹,徐小林,胡志華,冀建華,黃尚書,黃建清,柳開樓①

(1.江西省紅壤及種質資源研究所,江西 南昌 331717;2.江西省農業(yè)科學院土壤肥料與資源環(huán)境研究所,江西 南昌 330200)

紅壤是我國面積最廣的土壤類型,主要分布在長江以南的熱帶和亞熱帶地區(qū),總面積218萬km2,占全國土地總面積的22.7%[1-2]。紅壤具有酸、瘦、黏等特點,高溫高濕的自然因素和人類不合理開發(fā)利用造成紅壤退化非常嚴重[3-4],導致土壤結構不穩(wěn)定,影響土壤肥力特別是有機碳和全氮的蓄積,使紅壤地區(qū)的作物生產能力受到限制。隨著我國紅壤開發(fā)等一系列工程的實施,紅壤肥力顯著改善,但紅壤酸、瘦、黏的特性仍沒有得到根本性改變[5]。在土壤肥力指標中,團聚體作為土壤有機碳、氮分配的重要載體,其與土壤化學、生物學特性及作物生長等均存在密切關系[6-7]。大量研究證明,外源添加有機物料一方面可以顯著增加土壤有機碳、氮的含量和儲量[8-9],另一方面則通過土壤有機碳直接影響土壤質量與功能[10],土壤有機碳作為團聚體的重要膠結物質,能促進土壤團粒結構形成,從而顯著提高團聚體穩(wěn)定性,改良土壤結構[11-12]。因此,在我國紅壤地區(qū),通過有機物料改善土壤團聚體結構成為農業(yè)生產中的主要施肥措施。秸稈類有機物料和家禽養(yǎng)殖產生的糞便等農業(yè)廢棄物資源巨大,而這些資源的不合理利用不僅造成資源浪費,還可能導致環(huán)境污染。在常規(guī)的農業(yè)集約化生產中,普遍存在過度施用化學肥料而忽視有機物料投入的現(xiàn)象,造成農田土壤固碳和固氮潛力受到嚴重影響。如何合理高效資源化利用農業(yè)廢棄物,已成為我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

對于秸稈和畜禽糞便等農業(yè)廢棄物,就地還田施用仍然是目前行之有效的方式之一。據(jù)估算,全國表層土壤(0～20 cm)平均有機碳儲量(以C計)從1980年的28.6 Mg·hm-2增加到2011年的32.9 Mg·hm-2,平均每年凈增加140 kg·hm-2[13]。土壤有機碳是陸地碳庫儲量的主要組成部分,增強土壤有機碳含量能夠顯著影響CO2等溫室氣體的減排能力[14]。此外,將農業(yè)廢棄物或畜禽糞便等外源有機物料投入土壤,還能有效增加土壤全氮等養(yǎng)分含量[15],對于土壤供氮能力提升和氮肥減施增效也具有重要意義。但是,由于不同種類有機物料施用量及其有機碳組分存在差異,其對土壤有機碳、氮和團聚體的影響存在較大差別[8-9,12]。有研究表明,外源添加豬糞有機物料還田對于土壤有機碳含量的提升效果優(yōu)于秸稈類有機物料[16-17]。也有學者研究發(fā)現(xiàn),雞糞與稻稈生物炭混施提高磚紅壤團聚體穩(wěn)定性的效果最佳[18]。潘艷斌等[19]通過室內培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn),秸稈混勻、豬糞混勻還田均能顯著提高土壤有機碳和土壤團聚體穩(wěn)定性。而徐虎等[12]的研究則表明,有機肥比秸稈更有利于土壤碳、氮的積累。進一步結合團聚體分級發(fā)現(xiàn),投入有機肥可顯著提高土壤各團聚體組分的有機碳、氮含量[20-21]。武均等[22]研究表明,秸稈有機物料長期還田可以顯著增加團聚體中有機碳、氮含量。

除了有機物料用量之外,土壤肥力水平也是影響土壤團聚體碳、氮積累速率的重要因素,且受開發(fā)年限、種植作物和農藝管理措施的影響,紅壤地區(qū)不同田塊的肥力水平存在較大差異[23]。但是,關于不同肥力水平下不同有機物料種類對紅壤團聚體碳、氮分配的影響還缺乏深入探討。因此,筆者以高肥力和低肥力紅壤為研究對象,通過設置等碳量投入下不同有機物料種類的培養(yǎng)試驗,比較秸稈類有機物料和豬糞添加對土壤團聚體組分及有機碳、氮含量的影響,以期獲得不同肥力水平紅壤中最佳有機物料種類,從而為精準分類篩選紅壤培肥產品提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗材料

試驗地位于江西省進賢縣張公鎮(zhèn)小蔣村(28°35′24″ N,116°17′60″ E),地處中亞熱帶氣候區(qū),年均氣溫18.1 ℃,≥10 ℃年積溫6 480 ℃,年降雨量1 537 mm,年蒸發(fā)量1 150 mm,年無霜期約289 d,年日照時數(shù)約1 950 h。試驗土壤為第四紀紅黏土發(fā)育的紅壤,于2022年3月選擇長期進行花生、油菜輪作的紅壤旱地,采集0～20和>20～40 cm深度土壤樣品,分別代表高肥力和低肥力紅壤。同時,在當?shù)厥占窘斩?、玉米秸稈、油菜秸稈及豬糞4種有機物料,不同肥力土壤和各有機物料的理化指標見表1。

表1 試驗土壤和有機物料的理化性質

1.2 試驗設計

將高肥力和低肥力土壤樣品風干后,采用干篩方法配置成200 g的土壤各20份,裝入1 000 mL塑料瓶中。設置不施有機物料(C0)對照,并按照等碳投入量分別設置添加油菜秸稈碳(OSC)、水稻秸稈碳(RSC)、玉米秸稈碳(MSC)、豬糞碳(PMC)4個處理,每個處理3次重復。OSC、RSC、MSC和PMC的碳投入量均為每200 g土壤2.50 g(參考大田花生種植的有機肥用量,并根據(jù)土壤質量換算得到)。依據(jù)不同有機物料的有機碳含量,分別計算各處理的有機物料用量和有機碳投入量(表2)。有機物料加入后,與土壤樣品混勻,加入50 mL蒸餾水,置于黑暗環(huán)境中,保持25 ℃室溫,培養(yǎng)90 d。

表2 各處理的有機物料用量和有機碳投入量

表3 不同處理下團聚體組分有機碳含量變化

表4 不同處理下團聚體全氮含量變化

表5 不同處理下團聚體C/N比變化

1.3 測定指標

培養(yǎng)試驗結束后,將土壤樣品從塑料瓶中全部倒出,撿出肉眼可見的殘渣后風干,采用濕篩法[24]獲得>2、>0.25～2、≥0.053～0.25和<0.053 mm團聚體組分。風干后稱重,計算各團聚體組分的質量分數(shù)。采用H2SO4-K2CrO7外加熱法測定有機碳含量,凱氏法測定全氮含量[25]。

采用Microsoft Excel 2010 軟件分析試驗數(shù)據(jù)。采用SPSS 20.0軟件,運用Duncan新復極差法檢驗分析不同處理間的差異顯著性。采用Origin 8.5軟件作圖,采用線性方程擬合有機物料投入C/N比和土壤團聚體組分C/N比的關系。

2 結果與分析

2.1 等碳量不同有機物料添加對紅壤團聚體組分的影響

由圖1可見,高肥力和低肥力土壤中,投入等碳量的不同有機物料均可顯著影響紅壤團聚體組分的比例(P<0.05)。高肥力和中肥力土壤中,C0對照的土壤主要以>0.25～2 mm 團聚體比例較高(分別為41.25%和43.27%),而各有機物料處理的土壤則均表現(xiàn)為>2和>0.25～2 mm團聚體比例較高(分別為30.51%～43.65%和27.52%～59.84%)。與C0對照相比,各有機物料處理顯著提高了>2 mm團聚體比例,在高肥力土壤中,OSC、RSC、MSC和PMC處理>2 mm團聚體組分比例分別比C0對照增加217.89%、283.97%、286.63%和210.63%,低肥力土壤中上述處理的增幅分別為72.25%、84.45%、72.11%和46.47%。同時,高肥力土壤中,OSC、RSC、MSC和PMC處理>0.25～2 mm團聚體比例則分別比C0對照降低22.62%、33.28%、24.90%和23.76%,<0.053 mm團聚體比例分別降低41.64%、45.34%、55.85%和41.97%,而≥0.053～0.25 mm團聚體比例則無顯著差異;在低肥力土壤中,OSC、RSC、MSC和PMC處理≥0.053～0.25 mm團聚體比例分別比C0對照降低45.15%、33.31%、70.27%和70.39%,>0.25～2 和<0.053 mm團聚體組分占比則無明顯變化規(guī)律。

C0為不施有機物料對照;OSC為油菜秸稈碳;RSC為水稻秸稈碳;MSC為玉米秸稈碳;PMC為豬糞碳。

2.2 等碳量不同有機物料添加對紅壤團聚體組分有機碳含量的影響

由表3可知,在不同肥力土壤中,與C0對照相比,有機物料投入后各處理不同粒徑團聚體組分有機碳含量均顯著提升。

在高肥力土壤中,各有機物料處理>2、>0.25～2、≥0.053～0.25和<0.053 mm團聚體組分有機碳含量分別比C0對照增加8.23%～48.71%、122.57%～184.86%、11.18%～28.53%和35.35%～62.37%;在低肥力土壤中,各有機物料處理則分別比C0對照增加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機物料處理下團聚體組分有機碳含量增幅差異較大,以>2 mm團聚體組分有機碳含量為例,高肥力土壤表現(xiàn)為RSC和MSC處理較高,而低肥力土壤則以OSC處理較高。

2.3 等碳量不同有機物料添加對紅壤團聚體組分全氮含量的影響

與C0相比,高肥力和低肥力土壤中添加不同有機物料均顯著增加了>0.25～2 和<0.053 mm團聚體組分全氮含量(表4),且各處理均大體呈現(xiàn)出PMC處理最高的趨勢。高肥力土壤中,與C0對照相比,OSC、RSC、MSC和PMC處理>0.25～2 mm團聚體組分全氮含量分別增加50.82%、69.47%、53.15%和114.31%;<0.053 mm團聚體組分全氮含量增幅分別為46.23%、67.72%、61.23%和79.83%。在低肥力土壤中,與C0對照相比,OSC、RSC、MSC和PMC處理>0.25～2 mm團聚體組分全氮含量分別增加217.98%、160.22%、148.67%和287.62%,<0.053 mm團聚體組分全氮含量增幅分別為139.27%、101.84%、83.40%和245.58%,≥0.053～0.25 mm團聚體組分全氮含量分別提高66.81%、40.60%、92.10%和143.04%。但是高肥力土壤中僅有PMC處理≥0.053～0.25 mm團聚體組分全氮含量顯著高于C0對照(增幅為38.15%)。

2.4 等碳量不同有機物料添加對紅壤團聚體組分C/N比的影響

在高肥力和低肥力土壤中,有機物料投入均增加了團聚體組分C/N比(表5),但高肥力和低肥力土壤存在明顯分異。在高肥力土壤中,>2 mm團聚體組分C/N比表現(xiàn)為RSC和MSC處理顯著高于C0對照,而>0.25～2和≥0.053～0.25 mm團聚體組分C/N比則表現(xiàn)為OSC、RSC和MSC處理顯著高于C0對照。

在低肥力土壤中,>2和>0.25～2 mm團聚體組分C/N比表現(xiàn)為OSC、RSC、MSC和PMC處理顯著高于C0對照,≥0.053～0.25 mm團聚體組分C/N比表現(xiàn)為RSC、MSC和PMC處理顯著升高,<0.053 mm團聚體組分C/N比則表現(xiàn)為MSC和PMC處理較高的趨勢。進一步比較發(fā)現(xiàn),不同肥力土壤中各有機物料處理下團聚體組分C/N比的增幅差異較大,以>0.25～2 mm團聚體組分C/N比為例,高肥力土壤中OSC、RSC和MSC處理較高,而低肥力土壤中則表現(xiàn)為RSC和MSC處理較高,且大體呈現(xiàn)出PMC處理下土壤團聚體組分C/N比顯著低于其他有機物料處理的趨勢。

2.5 等碳量有機物料投入C/N比與團聚體組分C/N比的相關關系

隨著有機物料投入C/N比增加,土壤團聚體組分C/N比呈增加趨勢(圖2)。結合擬合方程(表6)可知,高肥力土壤中,>2、>0.25～2和≥0.053～0.25 mm團聚體組分C/N比與有機物料投入C/N比呈顯著正相關關系,當有機物料C/N比增加1個單位,>0.25～2和>2 mm 團聚體組分C/N比顯著升高,分別增加0.16和0.10。與高肥力土壤不同,低肥力土壤中僅>0.25～2 mm團聚體組分C/N比與有機物料投入C/N比呈顯著正相關,且當有機物料投入C/N比增加1個單位時,低肥力土壤>0.25～2 mm團聚體組分C/N比增加0.40,明顯高于高肥力土壤(0.16)。

圖2 有機物料投入C/N比與紅壤團聚體C/N比的相關關系

表6 有機物料投入C/N比(x)與紅壤團聚體組分C/N比(y)的擬合方程

3 討論

3.1 等碳量有機物料添加對紅壤團聚體組分比例的影響

土壤團聚體粒徑分布是評價土壤結構質量優(yōu)劣的重要指標[6-7],適當?shù)牧椒植伎梢跃S持良好的土壤結構、保持土壤穩(wěn)定性,從而達到抵御人為或自然因素影響的目的[26]。大量研究表明,外源添加有機物料可以增加團聚體穩(wěn)定性,利于大團聚體形成[20-22]。

該研究中,未添加有機物料對照的土壤團聚體組分以>0.25～2和<0.053 mm為主,而添加有機物料后>2 mm團聚體組分比例均顯著提升。這說明對于不同肥力水平的土壤,投入外源有機物料均可以促使大團聚體形成,主要原因是有機物料在腐解過程中形成膠結物質,利于土壤團聚體粒徑增加[27],提升土壤穩(wěn)定性。但由于不同種類有機物料的腐解速率差異較大,在相同肥力條件下,不同種類有機物料處理>2 mm團聚體組分比例的增幅存在明顯差異。有研究表明,秸稈類有機物料中木質素和纖維素等有機物質分解產生的膠結物質與微生物分解有機物質產生的菌絲兩者共同作用,使細小顆粒聚成大顆粒團聚體[28];而豬糞易于被細菌分解,且分解后土壤團聚作用沒有秸稈類有機物料明顯,偏向形成較小的團聚體組分[29]。同時,不同肥力水平也顯著影響有機物料對>2 mm團聚體組分比例的提升效果。筆者研究結果顯示,高肥力土壤中有機物料處理>2 mm團聚體比例的增幅明顯高于低肥力土壤。究其原因,一方面與高肥力土壤具有良好的團聚體結構和較高的有機碳含量有關;另一方面,低肥力土壤中微生物活躍程度明顯弱于高肥力土壤[30],可能導致低肥力土壤對有機物料的碳轉化效果較低,這與徐英德等[31]發(fā)現(xiàn)高肥力土壤對有機物料投入更加敏感的研究結論相符。呂美蓉等[32]研究表明,添加有機物料短期內提高了土壤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,在后續(xù)研究中,建議進一步探討不同有機物料對土壤微生物群落的影響,并結合13C同位素標記技術分析不同有機物料的腐解途徑和碳轉化過程,以期精準區(qū)分不同有機物料對土壤團聚體結構的貢獻程度。

3.2 等碳量有機物料添加對紅壤有機碳、氮的影響

外源有機物料投入可直接影響不同粒徑團聚體有機碳、氮的積累與分布[20-21]。筆者研究發(fā)現(xiàn),不論是高肥力還是低肥力土壤,有機物料投入后,>2、>0.25～2、≥0.053～0.25和<0.053 mm團聚體組分有機碳含量均顯著提升,而全氮含量則呈現(xiàn)出>0.25～2和<0.053 mm團聚體組分顯著增加的趨勢。究其原因,主要是由于該研究設置的是等量有機碳投入,但不同有機物料種類的氮含量不同,導致各處理的氮投入量差異較大,再加上各團聚體組分本身的全氮含量差異也較大,造成各有機物料處理僅有>0.25～2和<0.053 mmmm團聚體組分全氮含量顯著增加。同時,不同肥力土壤中各有機物料處理下團聚體組分有機碳含量的增幅差異較大,以>2 mm團聚體組分有機碳含量為例,高肥力土壤表現(xiàn)為添加水稻秸稈和玉米秸稈處理較高,而低肥力土壤則以添加油菜秸稈處理較高。孫雪等[33]在潮土中的研究結果顯示,有機糞肥促進了易氧化有機碳在較大團聚體中的積累,而秸稈則促進了易氧化有機碳向較小粒徑團聚體遷移,原因主要與氣候條件和土壤性質差異有關。而對于團聚體全氮含量而言,大體呈現(xiàn)出添加豬糞處理團聚體組分全氮含量顯著升高的趨勢,這主要是由于不同有機物料在土壤中的分解速率和殘留量存在差異[34].。進一步分析發(fā)現(xiàn),筆者研究中,有機物料投入下高肥力和低肥力土壤中各團聚體組分有機碳、氮含量增幅較大,明顯高于其他研究結果[33-34],原因可能與筆者試驗選用的土壤有機碳和全氮含量較低、培肥潛力較大有關,避光密閉培養(yǎng)導致碳、氮礦化損失較少也是原因之一。此外,雖經90 d室內培養(yǎng),但在測定團聚體組分有機碳、氮含量時,可能包含了一部分腐殖質含量。在下一步分析中,還需考慮各團聚體組分中活性有機碳含量及殘留的木質素、纖維素和半纖維素含量。

3.3 等碳量有機物料添加對紅壤團聚體C/N比的影響

C/N比是表征有機物料腐殖化程度的指標之一,C/N比越高,表明有機物料的腐殖化程度低,不易被微生物分解,土壤有機碳含量越高[12]。筆者研究表明,投入有機物料增加了>0.25～2和>2 mm團聚體組分的C/N比,且土壤團聚體組分C/N比大體表現(xiàn)為添加豬糞處理顯著低于添加秸稈處理。潘艷斌等[19]研究發(fā)現(xiàn),添加秸稈處理對紅壤團聚體形成的提升作用小于添加豬糞處理。有機物料C/N比與土壤碳、氮礦化密切相關[35]。筆者研究發(fā)現(xiàn),有機物料C/N比增加使土壤團聚體組分C/N比呈增加趨勢。進一步分析可知,高肥力土壤中,有機物料C/N比顯著影響了土壤>2和>0.25～2 mm團聚體組分C/N比;而低肥力土壤中,僅>0.25～2 mm團聚體組分C/N比與有機物料投入C/N比呈顯著正相關關系。由擬合方程的斜率可知,當有機物料投入的C/N比增加時,高肥力土壤中>0.25～2 mm團聚體組分C/N比的增幅明顯小于低肥力土壤,這主要與低肥力土壤的初始有機碳含量較低、提升潛力較大有關。長期施肥試驗結果也表明,低肥力土壤的固碳潛力明顯較高[36]。但是,由于該研究為室內避光培養(yǎng),其溫度、光照等環(huán)境條件與自然環(huán)境存在較大差異,且未考慮降水、植物根系、土壤動物及微生物等因素的影響,相關結論還有待進一步結合田間試驗進行驗證。

4 結論

連續(xù)90 d避光培養(yǎng)試驗表明,在等碳量條件下,添加有機物料通過提升>2 mm團聚體組分的比例,顯著改善了高肥力和低肥力土壤的團聚體結構。添加有機物料顯著增加了各團聚體組分的有機碳含量以及>0.25～2、<0.053 mm團聚體組分的全氮含量,各團聚體組分的C/N比也顯著提升,但高肥力和低肥力土壤存在明顯差異。添加不同有機物料處理比較而言,大體表現(xiàn)為添加豬糞處理的團聚體組分有機碳含量顯著低于添加秸稈類有機物料處理,且團聚體組分C/N比也大體表現(xiàn)為添加豬糞處理顯著低于添加秸稈處理。進一步分析得出,有機物料投入的C/N比增加時,高肥力土壤中>0.25～2 mm團聚體組分C/N比的增幅明顯小于低肥力土壤。