土壤团聚体是土壤结构的基本单元, 其结构组成和分布是指示良好土壤团粒结构的重要指标.土壤团聚体的大小分布和稳定性决定着土壤养分物质的循环和微生物活动, 从而影响着土壤生物地球化学反应^[1].有机碳是土壤团聚体形成的重要胶结物质, 其数量提升有利于土壤团聚体的形成及其稳定性的提高, 而土壤团聚体对有机碳的物理保护作用被认为是土壤碳固定和稳定的主要机制^[2].可见, 团聚体和有机碳关系密切, 前者是后者存在的场所, 后者是前者存在的胶结物质^[3].通过团聚体的形成提高土壤碳库可以有效缓解温室效应.因此, 促进团聚体形成和提高土壤对有机碳固持具有重要意义^[4].

农田土壤是受人类活动影响最为频繁的土壤类型之一, 近年来国内外对土壤团聚体稳定性及其有机碳的研究开展得较多, 但主要集中于农田管理措施, 包括耕作方式、种植模式、施肥以及秸秆还田等方面^[5~8].有机物质的输入可以促进团聚体的形成, 增强土壤的团聚化作用, 从而改变土壤团聚体有机碳含量和分配比例, 最终影响团聚体有机碳的周转及土壤有机碳的固定^[9].不同农业管理措施对土壤固碳的影响主要体现在土壤团聚体更新与转化速度的改变, 从而使有机碳的保护机制发生变化^[10].秸秆还田不仅可以提高土壤有机碳含量、改善土壤结构及理化性质, 还可以显著提高土壤水稳性大团聚体含量.生物炭施入土壤被认为有巨大的固碳增汇潜力, 不少学者已证实生物炭能改善土壤理化性质和土壤结构、提高作物产量和品质、增强土壤“碳汇”功能和减少温室气体排放, 但关于生物炭施入土壤对土壤团聚体及其稳定性的研究相对较少且研究结果存在争议.叶丽丽等^[11]通过室内培养试验发现生物炭添加到红壤中不能提高大团聚体含量, 甚至降低了土壤团聚体的稳定性, 但也有研究认为生物炭能显著提高团聚体的稳定性^[12].侯晓娜等^[13]对砂姜黑土的盆栽试验表明, 单施生物炭对土壤大团聚体含量和稳定性的影响不显著, 而生物炭与秸秆配合效果明显.以往的研究主要集中多为盆栽试验或模拟试验, 而对油菜/玉米轮作系统下施用生物炭及秸秆还田对土壤团聚体组成及其固碳特征影响的研究还鲜有报道.因此, 本文以紫色土为研究对象, 通过田间试验, 分析了油菜/玉米轮作下秸秆与生物炭还田处理的土壤团聚体及其有机碳分布特征, 有利于阐明秸秆与生物炭还田下土壤碳库的稳定性及其保护机制.本研究结果对认识土壤碳固定机制和指导紫色土培肥改良、选择合理的秸秆还田方式具有一定的指导作用.

试验设在重庆市北碚区西南大学试验农场内, 海拔266.3 m, 年平均气温18.3℃.最高气温7月平均28.7℃, 最低气温1月平均7.7℃, ≥10℃积温6 006℃, 年降雨量1 086.6 mm, 年日照时数1 276.7 h, 属于亚热带季风气候.试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土, 中性紫色土亚类, 灰棕紫泥土属, 是重庆四川紫色土区分布最广的一种土壤.其基本理化性质为：有机碳含量9.98 g·kg^-1, 碱解氮135.65 mg·kg^-1, 速效磷17.38 mg·kg^-1, 速效钾206.32 mg·kg^-1, pH为6.7.

试验所用生物炭由四川省久晟农业有限责任公司提供, 以油菜秸秆为原料在500℃高温厌氧条件下热解2 h烧制, 其碳含量为625.80 g·kg^-1, C/N为45.52, pH为8.9.秸秆速腐剂购自康源绿洲生物科技有限公司, 产品形态为液体, 有效活菌数≥200×10⁸cfu·mL^-1.水稻秸秆为干样, 含水量为24.53%, 有机碳含量为412.50 g·kg^-1, C/N为47.74;油菜秸秆为鲜样, 含水量为83.55%, 有机碳含量为392.05 g·kg^-1, C/N为41.56.

本试验以“等碳量”原则还入秸秆或生物炭, 各处理施肥量相同, 共设置5个处理(见表 1), 3次重复, 随机区组排列在15个2 m×1 m能独立排灌的微区内, 各个微区的水肥管理均相同.

表 1 (Table 1)

表 1 试验处理描述 Table 1 Treatment design in the study 代码 处理 物料还田量/kg·hm-2 具体措施 CK 无物料还田 0 油菜季还水稻秸秆，玉米季还油菜秸秆；生物炭由油菜秸秆制成；将秸秆粉碎成2 cm左右，生物炭过10 mm筛，移栽作物前3 d将秸秆或生物炭均匀覆盖于地表，然后进行10 cm深翻耕 CS 秸秆还田 8 000 CSD 秸秆+速腐剂还田 8 000+16 BC 生物炭还田 5 274 CSBC 秸秆+生物炭还田 4 000+2 637

表 1 试验处理描述 Table 1 Treatment design in the study

试验种植模式采用“油玉两熟”制, 本试验于2015年10月11日开始, 2016年8月1日结束, 各作物的氮、磷、钾、硼养分用量根据文献[14]来确定, 各季作物栽培方式和田间管理措施按照当地习惯进行.其中油菜(96v44, 密度8万株·hm^-2)于2015年10月11日育苗, 2015年11月3日移栽, 2016年4月19日收获.玉米(中豪9号, 密度4万株·hm^-2)于2016年4月9日育苗, 4月20日移栽, 8月1日收获.油菜季的氮(N)、磷(P₂O₅)、钾(K₂O)肥和硼肥用量分别为150、90、90和15 kg·hm^-2.氮肥分基肥和薹肥两次施用(基肥占70%), 磷钾硼肥做基肥一次性施用.基肥和薹肥分别于2015年11月1日和2016年2月20日施用, 施用方法为小雨前后撒施.玉米季各处理的氮(N)、磷(P₂O₅)、钾(K₂O)肥分别为180、60、90 kg·hm^-2, 全部作为基肥在玉米移栽时施入.氮、磷、钾和硼肥品种分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P₂O₅ 12%)、硫酸钾(K₂O 51%)和硼砂(含B 12%).

2016年8月玉米收获后采集0~20 cm层原状土, 每个微区采集5点, 将5点土样混合成一个样品, 装入袋中运回实验室.在室内剔除石砾、肉眼可见的植物残体及根系等杂质, 用手将大土块沿土体自然裂隙轻轻掰碎, 过10 mm筛, 风干, 留待团聚体分析.

参照Elliott等^[15]的湿筛方法：称取过10 mm风干土50 g置于2、0.25、0.053 mm的套筛上, 将套筛放入水桶中浸泡5 min后, 手动上下振荡2 min(振幅3 cm, 频率30次·min^-1), 按次序收集各级孔筛及桶中土样于铝盒中, 依次分别为大团聚体(LM:>2 mm)、较大团聚体(SM: 0.25~2 mm)、微团聚体(MA: 0.053~0.25 mm)和黏粉粒组分(S+C: < 0.053 mm), 然后60℃烘干称重, 磨细过0.25 mm筛, 室温下保存, 采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定其有机碳含量^[16].

土壤团聚体稳定性指标采用平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、0.25 mm的团聚体含量(R_>0.25)和分形维数D来描述.计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

分形维数D的计算采用杨培岭等^[17]推导的公式：

(4)

利用公式(4), 通过数据拟合, 可求得D.

各粒级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率采用下式计算：

(5)

式中, x_i为某级团聚体平均直径[本研究中各级团聚体平均直径取值分别为大团聚体(6 mm)、较大团聚体(1.125 mm)、微团聚体(0.151 5 mm)、黏粉粒组分(0.026 5 mm)], W_i为第i级团聚体的质量, M_{r < xi}为粒径小于x_i的团聚体的质量分数, M_{r < 0.25}为粒径 < 0.25 mm团聚体的质量, M_T为团聚体总质量, x_max为团聚体的最大粒径, 本研究中其值为10 mm.

采用SPSS 17.0和Excel 2003软件进行数据处理、绘图制表.所有的结果均用3次测定结果的平均值表示.不同处理之间的多重比较采用LSD最小显著差数法(P < 0.05).

秸秆与生物炭还田下各粒级团聚体的分布表现出相同的规律(见表 2), 各粒级团聚体含量随着粒径减小大致呈现先增加后减小的变化趋势, 除CSD处理外, 其它处理的0.25~0.053 mm团聚体含量占优势支配地位(最高).与CK处理相比, CS、CSD处理能显著地提高>2 mm团聚体含量(P < 0.05), 分别提高117.78%和94.00%, 而BC、CSBC处理仅提高27.41%和17.99%.秸秆与生物炭处理降低了 < 0.25 mm团聚体含量, 其中显著降低了 < 0.053 mm团聚体含量(P < 0.05). CSD较CK处理能显著地促进2~0.25 mm团聚体形成, 提高了21.27%(P < 0.05), 而CS处理的2~0.25 mm团聚体含量反而降低, 但差异不显著.

表 2 (Table 2)

表 2 秸秆与生物炭还田对各级土壤团聚体含量的影响1) Table 2 Soil aggregate distribution with application of straw or biochar 处理 各粒级团聚体含量/% > 2 mm 2~0.25 mm 0.25~0.053 mm < 0.053 mm CK 8.52±3.46Cb 26.59±2.53Bb 34.44±2.75Aa 30.44±3.29ABa CS 18.56±2.02Ba 24.32±1.61Bb 34.29±4.77Aa 22.83±3.19Bb CSD 16.53±2.93Ca 32.25±3.71Aa 26.86±1.46Bb 24.36±0.54Bb BC 10.86±2.80Bb 27.52±3.16Aab 34.19±4.8 Aa 27.44±3.65Aab CSBC 10.05±0.54Bb 31.09±1.84Aab 31.70±4.12Aab 27.15±4.10Aab 1)数据均以平均值±标准差表示, 同一列的不同小写字母表示同一团聚体粒级下不同处理间的差异显著(P＜0.05);同一行的不同大写字母表示同一处理下不同团聚体粒级组分之间的差异显著(P＜0.05), 下同

表 2 秸秆与生物炭还田对各级土壤团聚体含量的影响1) Table 2 Soil aggregate distribution with application of straw or biochar

从表 3可以看出, 各处理水稳性团聚体的MWD大小顺序为：CS>CSD>BC>CSBC>CK, 其中CS、CSD处理较CK处理分别显著提高66.08%、61.11%(P < 0.05), BC、CSBC比CK处理提高了17.23%、15.89%, 但差异不显著.与CK相比, 各处理水稳性团聚体的GMD均增加, 其中CS、CSD、BC、CSBC分别提高了56.91%、65.58%、17.24%、21.58%. CSD处理能显著提高R_0.25, 提高38.92%(P < 0.05).秸秆与生物质炭还田处理较CK均降低了分形维数D值, 其中CS处理降低了2.06%, 差异显著, 其余3个处理与CK差异不显著.

表 3 (Table 3)

表 3 秸秆与生物炭还田对土壤水稳性团聚体稳定性的影响 Table 3 Soil aggregates stability with application of straw or biochar 处理 MWD/mm GMD/mm R0.25/% D CK 0.87±0.20Bb 0.21±0.04Bb 35.11±4.26Ab 2.68±0.03Aa CS 1.44±0.13Aa 0.33±0.04ABa 42.88±3.62Aab 2.62±0.04Ab CSD 1.40±0.14ABa 0.35±0.02ABa 48.78±1.33Aa 2.63±0.00Aab BC 1.02±0.19Bb 0.25±0.05Bb 38.37±5.65Ab 2.66±0.03Aab CSBC 1.01±0.02Bb 0.26±0.02Bb 41.15±1.31Ab 2.65±0.04Aab

表 3 秸秆与生物炭还田对土壤水稳性团聚体稳定性的影响 Table 3 Soil aggregates stability with application of straw or biochar

由图 1可知, 秸秆与生物炭还田均能提高土壤有机碳含量, 其中BC处理的有机碳含量最高, 较CK显著提高了45.55%(P < 0.05), 其次依次为CSBC、CSD、CS处理, 分别提高了41.48%、23.04%、15.30%.添加不同物料的处理之间也存在显著差异, BC处理比CS、CSD处理分别高26.24%、18.30%(P < 0.05).

图 1

Fig. 1

图 1 秸秆与生物炭还田下土壤有机碳含量 Fig. 1 Total soil organic carbon content with application of straw orbiochar

向土壤中施入有机物料能增加土壤有机碳含量, 但新碳与各粒级团聚体结合能力有差异(表 4).结果表明, 随着团聚体粒径的增大, 团聚体有机碳含量呈现先降低后增高再降低的趋势, 大体呈“V”形变化.各添加物料的处理均在 < 0.053 mm团聚体中有机碳含量最高, 而0.25~0.053 mm团聚体中有机碳含量最低, 显著低于其它粒级的团聚体有机碳含量(P < 0.05).与CK处理相比, 秸秆与生物炭还田均能增加各粒级团聚体有机碳含量, 其中提高幅度最大的为 < 0.053 mm, 增幅为47.70%~117.31%, 但其(除CSBC外)有机碳含量与CK无显著差异; 其次为0.25~0.053 mm, 增幅为14.12%~61.11%. BC处理2~0.25 mm、0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳含量均显著高于其它处理, 较CK分别增加了23.23%、61.11%(P < 0.05); CS和CSD处理各粒级团聚体有机碳含量与CK处理的差异不显著, 而CSBC处理仅在 < 0.053 mm粒级团聚体有机碳含量显著高于CK处理(P < 0.05), 其它各粒级团聚体有机碳含量与CK均无显著差异.

表 4 (Table 4)

表 4 秸秆与生物炭还田下土壤团聚体有机碳含量 Table 4 Organic carbon content of aggregates with application of straw or biochar 处理 团聚体有机碳含量/g·kg-1 > 2 mm 2~0.25 mm 0.25~0.053 mm < 0.053 mm CK 13.16±0.50Ba 16.49±1.44Ab 7.52±0.42Cb 12.16±1.54Bb CS 15.70±2.70Aa 16.30±0.90ABb 8.58±0.40Cb 19.47±3.43Aab CSD 16.18±2.64Aa 16.87±1.03Ab 9.07±0.82Bb 17.96±5.44Ab BC 17.43±3.78Aa 20.32±0.99Aa 12.12±2.60Ba 21.20±6.71Aab CSBC 15.44±2.36Ba 16.79±1.30Bb 9.43±0.53Cb 26.42±2.34Aa

表 4 秸秆与生物炭还田下土壤团聚体有机碳含量 Table 4 Organic carbon content of aggregates with application of straw or biochar

通过计算各粒级团聚体贡献率发现(表 5), 土壤有机碳主要分布在 < 0.053 mm、2~0.25 mm, 其次为0.25~0.053 mm, >2 mm粒级团聚体分布最低, 且 < 0.053 mm、2~0.25 mm粒级团聚体有机碳贡献率显著高于0.25~0.053 mm和>2 mm(P < 0.05), 表明有机碳主要分布在 < 2 mm粒级团聚体上.从表 5可以看出, 与CK处理相比, CS和CSD处理提高了>2 mm团聚体有机碳贡献率, 增幅为53.51%和42.92%, 而BC和CSBC处理则降低了>2mm团聚体有机碳贡献率, 降幅为8.01%和20.74%; CS、BC、CSBC处理较CK处理, 降低了2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率, 分别降低了18.22%、7.12%、12.64%和1.53%、23.18%、18.27%, 而CSD处理则分别提高了5.06%和9.42%.与CK处理比较, 其它处理(除CSD外)均增加了 < 0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率.

表 5 (Table 5)

表 5 秸秆与生物炭还田下土壤团聚体有机碳的相对贡献率 Table 5 Relative contributions of organic carbon in aggregates after straw or biochar application 处理 团聚体有机碳相对贡献率/% > 2 mm 2~0.25 mm 0.25~0.053 mm < 0.053 mm CK 11.60±5.89Cab 35.32±4.72Aa 21.74±2.48Bab 31.34±7.24ABb CS 17.81±2.68Ba 28.88±3.51Aa 21.41±3.27Bab 31.90±3.72Aab CSD 16.58±4.77Bab 37.11±4.84Aa 16.70±2.65Bb 29.61±7.97Ab BC 10.67±1.86Bb 32.81±7.56Aa 23.79±4.61Aa 32.73±4.79Aab CSBC 9.19±1.47Db 30.85±0.82Ba 17.77±2.97Cb 42.18±3.36Aa

表 5 秸秆与生物炭还田下土壤团聚体有机碳的相对贡献率 Table 5 Relative contributions of organic carbon in aggregates after straw or biochar application

土壤团聚体是土壤结构的基本单元, 其结构组成和分布是指示良好土壤团粒结构的重要指标.保护性耕作^[18]、有机肥与无机肥配施^[6]、秸秆与生物炭混施^[13]均能增加土壤大团聚体含量并提高团聚体稳定性.本研究结果显示, CS和CSD处理显著提高了>2mm和2~0.25 mm团聚体含量, 显著降低了< 0.053 mm团聚体含量(P < 0.05).这是由于秸秆还田后分解产生如多糖、蛋白质等有机质以及由于土壤中微生物活性提高而形成的腐殖物, 这些重要的有机胶结质对大团聚体的形成及稳定性产生了积极影响^[19]; 同时, Jastrow^[20]认为植物残体输入土壤能促进真菌菌丝体生长和微生物的分泌液将土壤微团聚体、土壤矿物质和粗颗粒有机物胶结为大团聚体.添加秸秆速腐剂可以加快秸秆的分解速率, 促进大团聚体的形成^[21], 这与本研究中的CSD处理的结果相一致.本研究中, CSD处理的>0.25mm团聚体含量显著高于其他处理, 可见, 秸秆+速腐剂还田促进土壤团聚化效果最明显.此外, 本研究结果还显示BC处理并未显著提高土壤大团聚体的含量, 这与侯晓娜等^[13]的研究结果一致.这是因为高温制备的生物炭高度羧酸酯化和稳定的芳香化结构, 以惰性碳为主, 难以被微生物分解利用^[22], 同时, 生物炭对土壤酶的吸附降低了与有机碳周转相关酶的活性^[23].

平均重量直径MWD、平均几何直径GMD和R_0.25常作为反映土壤团聚体的大小分布状况的指标, 且表征土壤团聚体稳定性具有一致性, 大团聚体含量越高, 值越大, 团聚体越稳定^[24].本研究发现, 秸秆、秸秆+速腐剂还田显著提高了土壤MWD、GWD、R_0.25, 而生物炭、秸秆+生物炭则无显著影响(表 3), 这与Glaser等^[25]发现生物炭施用促进土壤大团聚的形成, 进而显著提高土壤团聚体稳定性的结果不一致, 这可能与生物炭制备原料、土壤类型以及施用时间等因素有关^[26].土壤团聚体分形维数D能较好地反映土壤团聚体组成和稳定性, 其值越小表明土壤团聚体分布和稳定性越好.本试验中, 各处理均能降低土壤的分形维数, 其中CS处理最低.综上所述, 秸秆和秸秆+速腐剂还田促进团聚体形成、改良土壤结构和显著提高土壤团聚体稳定性的效果优于生物炭和秸秆+生物炭还田.

与CK相比, 秸秆与生物炭还田各处理的土壤有机碳含量显著增加了15.30%~45.55%, 且BC、CSBC处理显著高于CS、CSD处理(P < 0.05), 这与安婉丽等^[8]和侯晓娜等^[13]的研究结果类似.这是因为秸秆还田后腐解, 为农田土壤提供大量的外源有机碳输入, 从而提高土壤微生物量及其活性, 进而增加土壤有机碳含量^[27]; 生物炭施入土壤中, 会促进土壤腐殖质的形成, 有助于碳水化合物、芳香烃等有机大分子的形成, 进而提高有机碳的含量^[28].虽然秸秆与生物炭还田均能显著增加土壤总有机碳含量, 但提高程度存在差异, 秸秆含有大量新鲜易分解碳, 秸秆还田的碳通过土壤呼吸作用损失较多, 而生物炭具有极强的生物化学稳定性, 施入土壤后显著降低了土壤呼吸^[29], 因此秸秆还田下土壤有机碳含量低于生物炭还田.

Tisdall等^[30]的研究表明土壤团聚体有机碳含量随着粒级增大而增大, 大团聚体能吸存更多碳素, 但本研究结果表明, 各处理随着粒径的增大, 团聚体有机碳含量呈现先降低后增大的“V”型变化趋势, 其中 < 0.053 mm团聚体有机碳提高幅度最大(47.70%~117.31%), 2~0.25 mm增幅最低, 这与侯晓娜等^[13]、Yu等^[31]的研究结果一致.这是因为在本试验中常规耕作频繁地进行机械翻耕使大团聚体破碎暴露受到微生物攻击, 导致其组分内的养分消耗, 而胡敏酸和富啡酸等腐质化程度较高的胶体组分相对富集在 < 0.053 mm团聚体内^[32], 同时, 腐质化程度较高的新碳或难以被微生物利用的芳香碳被粉黏矿物包裹结合稳定储存起来^[33].

通过分析各粒级团聚体有机碳分配比例的变化, 可以表观了解外源新碳在团聚体中的去向分布及对团聚体稳定性的影响, 有助于深入揭示土壤有机碳吸存保护机制.本研究中, 土壤有机碳主要分布在 < 0.053 mm粒级团聚体上, 其贡献率为29.61%~42.18%, >2 mm团聚体有机碳贡献率较小, 仅为9.19%~17.81%, 这与徐江兵等^[34]的研究结果类似.土壤团聚体有机碳的分布与土壤团聚体组成有一定不同, 如本研究中土壤团聚体占优势比例的是0.25~0.053 mm粒级团聚体, 而其(除BC处理外)有机碳贡献率却显著低于2~0.25 mm和 < 0.053 mm粒级团聚体, 这是由于团聚体有机碳贡献率由团聚体比例和团聚体有机碳含量共同决定, 而0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳含量显著低于其它粒级.本试验条件下, CS、CSD处理提高了>2 mm团聚体有机碳贡献率, 而BC、CSBC处理则表现出与之相反的变化, 表现为显著提高了 < 0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率(P < 0.05).这是因为秸秆还田后分解的有机物质更多地进入大团聚体中, 外源新碳在土壤团聚体中的分配均呈现团聚体越粗, 分配越多的趋势^[35], 说明向土壤中添加的秸秆新碳主要向大团聚体内分配, 秸秆+速腐剂还能促进较大团聚体内不同组分结合新碳, 生物炭、秸秆+生物炭的新碳主要向微团聚体富集.由于本研究仅开展了两个作物生长季, 周期短, 土壤团聚体对秸秆与生物炭的响应与还田时间密切相关, 因此, 还需长期田间试验来进一步验证和揭示秸秆与生物炭还田下紫色土团聚体特征和固碳机制, 为该地区选择科学合理的物料还田方式提供更有力的实践依据.

(1) CS、CSD处理显著提高了水稳性团聚体的MWD、GMD、R_0.25, 降低了D值, 而BC、CSBC对土壤大团聚体和团聚体稳定性的影响不显著, 秸秆、秸秆+速腐剂还田提高团聚体对土壤有机碳的物理保护, 促进团聚体长时期固存有机碳.

(2) 秸秆与生物炭还田各处理均能提高土壤有机碳含量15.30%~45.55%, 生物炭、秸秆+生物炭还田(16.88~17.37 g·kg^-1)效果优于秸秆和秸秆+速腐剂还田(13.76~14.68 g·kg^-1).

(3) 随着团聚体粒径的增大, 团聚体有机碳含量呈现先降低再增高然后再降低, 大体呈“V”形变化, 其中 < 0.053 mm最高, 且 < 0.053 mm团聚体对土壤有机碳贡献率最高(29.61%~42.18%), >2 mm团聚体有机碳贡献率最低(仅9.19%~17.81%).秸秆与生物炭还田更有利本身有机碳含量较高的小粒径团聚体有机碳含量的提高, 其中生物炭还田提高团聚体有机碳含量效果优于秸秆还田.