2021, Vol. 42
2. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041
2. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China
土壤团聚体作为土壤结构的基础单元[1], 既是土壤肥力的综合反映, 也是决定土壤肥力的最主要因素之一, 土壤团聚体的粒度组成和稳定性调控着土壤三相(固相、液相、气相)平衡和孔隙性状等.土壤有机碳作为土壤养分转化和质量演变的核心, 影响着土壤养分循环和土壤微生物活性等[2].同时, 其作为评价土壤地力的重要指标, 与土壤团聚体相互作用、相辅相成, 共同影响着土壤理化性质[3~5].玉米秸秆是西南地区主要的农业废弃物, 采用直接焚烧的处理方式会对环境造成污染, 若利用其有机质含量高的特点, 施入土壤, 则有保持土壤质量和促进资源循环的作用[6~8]; 而生物炭是一种富含碳元素的高度羧酸酯芳香有机物, 其丰富的孔隙结构与巨大的比表面积和表面能, 促进了微生物活动, 现常应用于土壤改良[9, 10].了解生物炭和秸秆还田对土壤团聚体和有机碳的影响, 对改良土壤结构和提升土壤质量具有重要意义.
目前国内外学者关于生物炭和秸秆还田对土壤理化性状的影响进行了大量研究.Huang等[11]通过长期定位试验研究得出, 生物炭和秸秆还田促进了>0.25 mm大中团聚体的形成, 显著增加了土壤有机碳含量; Qi等[12]在紫色土上的研究表明, 生物炭施用可减少蔬菜对化肥的需求, 且能有效抑制碳排放, 增加土壤有机碳储量; 高洪军等[3]在黑钙土上的试验结果表明, 土壤有机碳含量随秸秆还田量增加而增加, 且主要固持在大团聚体中; 张红雪等[13]在红壤上的试验结果表明, 生物炭可提高红壤大团聚体含量与稳定性以及土壤碳氮含量.新垦紫色土因缺少长期培肥过程, 存在耕作层浅薄、肥力水平低下和土壤结构不良等诸多问题[14], 与多年耕作的熟化土壤有显著差异, 而国内外学者关于生物炭和秸秆还田对土壤团聚体和有机碳的影响主要集中在多年耕作的熟化土壤, 对新垦紫色土添加生物炭和秸秆还田是否可以快速改良土壤团聚体结构和增加碳的储量尚不十分清楚.因此, 本文依托于中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所三峡库区水土保持和环境研究试验站, 以2017年新垦紫色土旱坡地为研究对象, 通过观测不同施肥处理下土壤团聚体组成与结构和有机碳含量特征, 通过明确生物炭和秸秆还田对新垦紫色土旱坡地不同粒径土壤团聚体含量及其有机碳贡献率的影响, 以期为制定生物炭和秸秆还田的农业管理措施提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况如图 1所示, 研究区位于重庆市忠县石宝镇(108°08′~108°12′E, 30°24′~30°30′N), 属三峡库区腹心地带, 区域内丘陵、阶地、河谷等相间分布, 属典型丘陵地貌, 土壤为侏罗系沙溪庙组(J2S)沙泥岩形成的中性紫色土.研究区属中亚热带湿润季风气候, 年均温18.2℃, 降雨量约1 100 mm, 无霜期约320 d.成库前为坡耕地, 该区域自然植被主要有柏树、桑树等, 种植作物主要有柑橘、水稻、小麦、玉米和油菜, 其中油菜-玉米轮作为旱地常见的种植模式.
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图 1 研究区位置示意 Fig. 1 Location of the study area |
本试验以标准径流小区的形式进行, 装填土壤为试验区周边未利用的新垦紫色土, 是三峡库区最为典型土壤之一. 2015年建成后, 进行2 a的匀种试验, 于2017年10月21日开始本试验处理, 供试土壤基本理化性质为: pH 8.33、有机质7.56 g ·kg-1、全氮0.35 g ·kg-1、全磷0.30 g ·kg-1、全钾32.31 g ·kg-1、碱解氮25.71 mg ·kg-1、有效磷9.16 mg ·kg-1和速效钾0.10 g ·kg-1.
本试验所用生物炭由勤丰众成生物质新材料(南京)有限公司提供, 其全氮、全磷和有机碳的含量分别为0.807 7、1.754和238.52 g ·kg-1, C/N为295; 玉米秸秆由当地农户提供, 其有机碳含量为(207.53 g ·kg-1), C/N比为35.78.
1.3 试验设计本研究试验时间为2017年10月至2020年10月, 试验小区坡度10°, 各小区投影面积为100 m2(20 m×5 m)底面以及四周均为混凝土修筑, 试验共设置5个处理, 3次重复, 分别为不施肥处理(CK)、常规施肥处理(NPK)、优化施肥处理(GNPK)、化肥减量配施秸秆(RSD)和化肥减量配施生物炭(BC), 其中优化施肥(GNPK)由当地农业部门提供的优化施肥方案, 秸秆和生物炭在油菜种植前2 d均匀覆盖于地表; 种植模式为油菜-玉米轮作, 油菜和玉米种植方式均为育苗移栽, 种植密度分别为8万株·hm-2和4万株·hm-2.具体各处理施肥量与种收时间如表 1所示.
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表 1 各处理施肥量及作物田间管理 Table 1 Fertilization amount of each treatment and crop field management |
1.4 土样采集与分析
土壤样品于2020年8月2日玉米收获后采集, 以对角线五点取样法在各小区0~20 cm土层进行取样, 土样在剥离植物根系、碎屑和大石块后混合均匀, 以四分法取适量土壤, 风干后进行指标测定.
土壤基本理化性质的测定主要参照文献[15]中的常用方法, 土壤pH采用梅特勒-托利多便携式pH计测定, 水土比为1.5 ∶1; 土壤容重采用环刀法.机械性团聚体和水稳性团聚体采用萨维诺夫干筛法和湿筛法, 分离出: >5、5~2、2~1、1~0.5、0.5~0.25和 < 0.25 mm粒级的团聚体, 优势粒级为该处理土壤团聚体含量最高粒级, 且满足该粒级高于其他粒级2%, 劣势粒级为该处理土壤团聚体含量最低粒级, 且满足该粒级低于其他粒级2%; 将湿筛法获得的各粒级土样研磨过0.25 mm的筛, 于室温下保存, 采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定各粒级团聚体有机碳.
1.5 评价指标土壤团聚体稳定性采用平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、>0.25 mm团聚体含量(R0.25)、分形维数D[16]和土壤结构体破坏率(PAD0.25)指标进行描述, 计算公式如下:
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(1) |
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(2) |
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(3) |
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(4) |
式中, xi为第i级团聚体平均直径, 本研究各粒级团聚体平均直径取该粒径上下标平均值, >5 mm取6 mm和<0.25 mm取0.125 mm; Wi为第i级团聚体的质量; Mx < 0.25为粒径 < 0.25 mm团聚体的质量; MT为团聚体总质量; xmax为最大团聚体平均直径.
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(5) |
式中, Wd为粒径>0.25 mm的力稳性团聚体质量分数; Ws为粒径>0.25 mm的水稳性团聚体质量分数.
各粒级团聚体有机碳的贡献率计算公式如下:
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(6) |
数据基于Excel 2016进行统计与计算; 采用SPSS 21.0进行方差分析和Pearson相关性分析, 其中处理间差异采用Duncan多重比较法; 采用Origin 9.0进行图表绘制.
2 结果与分析 2.1 生物炭和秸秆还田对土壤性状的影响由表 2可知, 不同处理间土壤全氮具体表现为: BC>RSD>GNPK>NPK>CK(P < 0.05), 其中BC处理全氮增幅高达71.01%;与CK相比, 各施肥处理全磷含量均显著增加, 但各施肥处理间差异不显著; 速效磷具体表现为: RSD>BC>GNPK>NPK>CK, 其中RSD处理显著高于其他处理(27.23% ~139.50%); 与CK相比, 各施肥处理硝态氮和铵态氮含量均显著增加(P < 0.05), 其中NPK、BC和RSD处理硝态氮含量显著高于GNPK和CK处理, 而铵态氮具体表现为: BC>RSD>NPK>GNPK>CK; 各处理间pH差异不显著.总体来看, 各施肥处理能不同程度提高土壤养分含量, 提高土壤肥力水平, 尤以生物炭和秸秆还田效果最好.
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表 2 不同施肥处理对土壤pH和养分含量的影响1) Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil pH and nutrient content |
2.2 生物炭与秸秆还田对土壤团聚体组成的影响
如图 2所示, 各处理优势粒级均为 < 0.25 mm, 除CK无次优势粒级和劣势粒级外, 其他处理次优势粒级均为5~2 mm, 劣势粒级均为>5 mm.与CK处理相比, NPK、GNPK、RSD和BC处理均能促进5~2、2~1、1~0.5和0.5~0.25 mm粒级团聚体的形成, 其中显著提高了5~2、2~1和1~0.5 mm粒级团聚体的占比(P < 0.05); NPK、GNPK、RSD和BC处理显著降低了 < 0.25 mm粒级团聚体的占比(P < 0.05).与GNPK处理相比, RSD和BC处理促进了>5 mm和5~2 mm粒级团聚体的形成, 其中显著提高了>5 mm粒级土壤水稳性团聚体的占比(P < 0.05), 增幅分别为78.68%和159.88%, 此外BC处理显著降低了1~0.5 mm土壤水稳性团聚体的占比(P < 0.05).可见, 施肥能不同程度促进>0.25 mm粒级的大中团聚体的形成, 而生物炭和秸秆还田对促进>2 mm粒级的大团聚体形成效果最好.
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竖线表示标准差, 不同大写字母表示同一粒级不同处理间差异显著(P＜0.05), 不同小写字母表示同一处理不同粒级间差异显著(P＜0.05) 图 2 不同施肥处理各粒径土壤团聚体占比 Fig. 2 Percentages of different size soil aggregates under different fertilization treatments |
如表 3所示, 施肥能显著提高土壤水稳性团聚体的MWD、GMD和R0.25的值, 显著降低D和PAD0.25的值.各处理团聚体MWD大小顺序为: BC>NPK>RSD>GNPK>CK, 与CK相比, 各处理MWD显著提高了30.18% ~57.55%(P < 0.05).团聚体GMD大小顺序为: BC>NPK>RSD>GNPK>CK, 各处理较CK均显著提高了78.13% ~103.13%(P < 0.05).与CK相比, 各处理R0.25均显著提高、D均显著降低, 但各处理间差异不显著.各处理团聚体PAD0.25均有显著差异, 其大小顺序为: CK>BC>RSD>NPK>GNPK(P < 0.05).团聚体MWD、GMD和R0.25的值越大, D和PAD0.25的值越小代表团聚度越高、稳定性越强, 总体来看, 化肥减量配施生物炭(BC)对提高土壤团聚体稳定性效果最显著, 而秸秆还田(RSD)和常规施肥(NPK)的效果优于优化施肥(GNPK)效果.
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表 3 不同施肥处理土壤团聚体稳定性1) Table 3 Stability of soil water-stable aggregates under different fertilization treatments |
2.4 生物炭与秸秆还田对土壤有机碳的影响
如图 3所示, 各施肥处理均能提高土壤有机碳含量, SOC含量大小顺序为: BC>RSD>NPK>GNPK>CK, 与CK处理相比, NPK、GNPK、RSD和BC处理SOC含量显著提高了59.17%、12.22%、71.83%和112.22%(P < 0.05).不同施肥处理间也存在显著差异, 其中BC处理土壤有机碳含量最高, 较NPK、GNPK和RSD显著提高了33.33%、85.31%和23.51%(P < 0.05).
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竖线表示标准差, 不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05) 图 3 不同施肥处理土壤有机碳含量 Fig. 3 Soil total organic carbon under different fertilization treatments |
如图 4所示, 随团聚体粒径增大, 除GNPK处理外, 各处理SOC含量呈先升高再降低的趋势.与CK处理相比, RSD和BC能显著增加各粒级团聚体SOC含量, RSD增加了36.19% ~126.75%, BC增加了75.28% ~206.13%; NPK显著增加了1~0.5 mm和 < 0.25 mm粒级团聚体SOC含量, GNPK仅显著增加了 < 0.25 mm粒级团聚体SOC含量(P < 0.05).与GNPK处理相比, RSD和BC显著增加了各粒级团聚体SOC含量, RSD增加了30.93% ~65.75%, BC增加了33.54% ~192.98%(P < 0.05).此外, BC处理在>5、5~2和2~1 mm粒级相较于其他处理增幅最为明显, 增幅高达29.61% ~206.13%, 总体来看, BC处理对提高土壤团聚体有机碳含量效果较佳.
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横线表示标准差, 不同大写字母表示同一粒级不同处理间差异显著(P＜0.05), 不同小写字母表示同一处理不同粒级间差异显著(P＜0.05) 图 4 不同施肥处理下各粒级团聚体有机碳含量与贡献率 Fig. 4 Organic carbon and contribution rate of soil aggregates under different fertilization treatments |
各处理土壤团聚体SOC贡献率主要分布在 < 0.25 mm粒级团聚体中, 且显著高于其它各粒级贡献率(P < 0.05), >5 mm粒级团聚体SOC贡献率最小, 其它粒级分布规律不明显.与CK处理相比, 各处理均显著提高了5~2、2~1和1~0.5 mm粒级团聚体的SOC贡献率, 其中NPK、GNPK和RSD还显著提高了0.5~0.25 mm粒级团聚体的SOC贡献率, 增幅分别为55.88%、41.16%和57.47%(P < 0.05); 此外, 各处理均显著降低了>5 mm和 < 0.25 mm粒级团聚体的SOC贡献率(P < 0.05).与GNPK处理相比, 生物炭和秸秆还田(RSD和BC)提高了>5 mm和5~2 mm粒级团聚体的SOC贡献率, 其中RSD还显著提高了0.5~0.25 mm粒级团聚体的SOC贡献率, 增幅为8.01%, 而BC还显著提高了2~1 mm粒级团聚体的SOC贡献率, 增幅为12.09%(P < 0.05).
2.5 生物炭与秸秆还田对作物产量的影响图 5所示, 各年份不同施肥处理均能显著提高作物产量(P < 0.05).由图 5(d)可知, 各处理油菜产量大小依次为: NPK>GNPK>BC>RSD>CK, 与CK处理相比, NPK、GNPK、RSD和BC产量显著提高了196.30%、183.95%、128.90%和145.25%(P < 0.05); 各处理玉米产量大小依次为: GNPK>NPK>RSD>BC>CK, 与CK处理相比, NPK、GNPK、RSD和BC产量显著提高了229.71%、263.39%、221.57%和213.69%(P < 0.05).与GNPK处理相比, RSD和BC两作物产量略有降低, 但差异不显著.从不同年份来看, 各处理间油菜产量有所变化, 但差异不显著; 玉米产量随试验年限增加呈上升趋势, 但仅有2019年GNPK和BC处理的玉米产量显著高于2018年(P < 0.05).
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竖线表示标准差, 不同大写字母表示同一年份同一作物不同处理间差异显著(P＜0.05), 不同小写字母表示同一处理同一作物不同年份差异显著(P＜0.05) 图 5 不同施肥处理各年份作物产量 Fig. 5 Annual crop yield under different fertilization treatments |
本研究结果表明, 生物炭和秸秆还田处理提高了土壤养分含量, 以速效养分速效磷、硝态氮和铵态氮效果尤其显著(P < 0.05).但全国第二次土壤普查养分分级表明, 当土壤中全氮低于0.75 g ·kg-1、全磷低于0.40 g ·kg-1和速效磷低于10.00 mg ·kg-1为低肥力水平, 詹江渝[17]的研究统计重庆市五大土类耕层土壤养分含量的结果表明, 紫色土全氮、全磷和速效磷平均值分别为0.98 g ·kg-1、0.76 g ·kg-1和17.80 mg ·kg-1, 而本研究各施肥处理土壤全氮、全磷和速效磷平均含量分别为0.59 g ·kg-1、0.29 g ·kg-1和5.15 mg ·kg-1, 故本研究土壤养分综合而言为低水平.
本研究表明, 各施肥处理均能不同程度促进土壤团聚体的形成, 与CK相比, 生物炭和秸秆还田能显著提高5~2、2~1和1~0.5 mm粒级团聚体的含量(P>0.05), 可见生物炭和秸秆还田有利于大团聚体的形成, 进而提高土壤结构稳定性[18], 这一结果与侯晓娜等[18]的研究结果相似, 这可能是因为秸秆还田增加了新鲜残茬有机碳含量, 促进了有机质的胶结作用, 进而提高了大团聚的含量[3]; 而生物炭较高的CEC和巨大比表面积等物理性质促进了作物根系的发育、激发土壤微生物的活性, 间接提高了非稳定性胶结剂(真菌菌丝、根系、植物源的多糖等)的含量, 促进了团聚体胶结凝聚, 进而提升了团聚体的稳定性[19~21].虽然本试验各施肥处理均增加了土壤大团聚体的含量, 但土壤团聚体均主要集中在 < 0.25 mm粒级, 这与林洪羽等[22]在紫色土上的研究结果不同, 这可能是由于新垦紫色土土壤风化程度浅和养分贫瘠的缘故.RSD和BC处理>5 mm粒级的团聚体含量比CK略低, 其中RSD处理结果可能与秸秆的施入时间和颗粒大小有关, 因此在实际应用中秸秆还田应选择适当时间与较小颗粒秸秆, 以促进秸秆吸水膨胀, 加快秸秆腐殖化过程[23]; 而BC处理结果可能是因为生物炭分解过程中无法产生黏液以促进团聚体的形成[22, 24].
MWD、GMD、R0.25、D和PAD0.25常用来表明土壤团聚体的稳定性[1, 25~27].本研究结果表明, 生物炭和秸秆还田能显著提高各粒级团聚体的含量和土壤MWD、GMD、R0.25的值, 显著降低D和PAD0.25值(P < 0.05), 即化肥减量配施秸秆和生物炭处理下土壤团聚体稳定性更好, 这一结果与李传哲等[28]的研究结果相似.
3.2 生物炭和秸秆还田可增加土壤有机碳和各粒级团聚体有机碳含量本研究结果表明, 各施肥处理均能显著提高土壤有机碳含量, 这与安艳等[26]的研究结果相似, 这是因为秸秆还田后经腐解过程, 增加了外源有机碳的输入, 激发了土壤微生物的活性, 促进了秸秆中碳在土壤中的积累[7, 29]; 而生物炭施入土壤可促进富里酸和腐殖酸等土壤腐殖质以及土壤碳水化合物和芳烃等有机大分子的形成, 进而提高土壤有机碳含量[30, 31].RSD处理土壤SOC显著低于BC处理(P < 0.05), 这是因为秸秆含有大量新鲜易分解碳, 其通过土壤呼吸进行分解的过程碳损失较多, 而生物炭具有极强的生物化学稳定性, 施入土壤可抑制土壤呼吸, 故尽管两处理均能显著提高土壤有机碳, 但提高程度存在差异[32], 这一结果还可能与土壤性质、秸秆类型等因素影响秸秆还田后土壤激发效应有关[33].与徐国鑫等[34]在紫色土上的研究不同的是, 本研究中NPK处理有机碳含量显著高于GNPK处理, 且与RSD处理之间没有差异, 这主要是因为新垦紫色土作为浅风化土壤, 地力低下, 而较高的氮、磷和钾肥施用量为作物生长提供了必要的营养物质, 同时也促进了土壤的熟化过程, 提高了土壤有机碳的含量[35].与侯晓娜等[18]的研究结果不同的是, 本研究土壤有机碳含量总体较低(3.17~6.73 g ·kg-1), 这主要是因为常年耕作的土壤因肥料的施用, 加快了耕层有机质的积累[36], 而本研究供试土壤为新垦紫色土, 缺少长期培肥过程.而有机碳作为团聚体的重要胶结剂, 可促进土壤中矿物和黏粒胶结形成大团聚体, 即土壤团聚体稳定性增加常伴随着土壤有机碳的增加[4], 这与本研究得出生物炭和秸秆还田可促进土壤团聚体形成和提高其稳定性的结果相符[30, 37].但与代文才等[38]在熟化紫色土上的研究结果比较, 本研究生物炭和秸秆还田处理后新垦紫色土团聚体的稳定性较低, 这可能与本研究供试土壤有机碳含量仅为4.38 g ·kg-1有关.因此, 对于新垦紫色土而言, 增加土壤有机碳含量既是提高土壤养分含量的途径, 也是改良土壤结构的重要措施.
本研究中, BC处理对提高土壤团聚体有机碳含量效果最佳, 这与王富华等[30]的研究结果一致, 这一结果也表明, 生物炭不仅是改良紫色土的途径, 同样也是培肥新垦紫色土的手段.除BC处理外, 各处理5~2 mm粒级团聚体SOC含量最低, 且显著低于微小团聚体, 这可能与不同粒级团聚体SOC来源和耕作措施等因素有关.首先, 大团聚体SOC主要来源为植物残体与活性较高的有机质, 易被微生物分解, 而微小团聚体中有机碳主要来源为更稳定的有机质, 如微生物残体和腐殖质, 不易被微生物分解[33, 39, 40]; 其次, 本试验的油菜-玉米轮作过程中进行的机械翻耕措施, 会使大团聚体破碎暴露, 更容易被微生物分解利用, 致其组分内SOC消耗[41].各处理 < 0.25 mm粒级团聚体SOC贡献率最高, 这是因为微小团聚体中黏粒与粉粒具有比表面积和表面电荷较大的特点, 使得其能够与SOC紧密结合为有机-无机复合体, 达到极为稳定的状态[30].对于各粒级团聚体SOC含量高低, 与其对土壤SOC的贡献率大小不匹配的情况, 这是因为团聚体SOC贡献率是由某粒级团聚体含量与该粒级团聚体SOC含量共同决定[30, 34].土壤团聚体和有机碳含量还与作物根系和土壤微生物有关[42], 但本研究缺少相关分析, 故后续试验应进一步探索作物根系和土壤微生物对土壤结构的影响.
提高土壤养分和改良土壤结构是实现作物增产的重要手段.本研究结果表明, 化肥减量配施生物炭和秸秆相比于常规施肥和优化施肥呈稳产的现象.张涛等[43]的研究发现, 化肥减量配施有机肥增加了作物根系细菌和放线菌的数量, 可使黄瓜和辣椒达到稳产至增产的效果, 这与本研究结果相似.可见, 化肥减量配施生物炭和秸秆可实现资源投入降低、低环境代价和作物稳产的多重目标.
4 结论(1) 生物炭和秸秆还田可增加土壤养分含量、促进土壤大中团聚体形成, 有效提高土壤团聚体稳定性, 具体表现为各施肥处理均能显著增加5~0.5 mm粒级团聚体含量, 显著提高MWD、GMD和R0.25值, 显著降低D和PAD0.25值(P < 0.05).
(2) 土壤有机碳含量随团聚体稳定性增加而增加, 各施肥处理中尤以生物炭效果最为显著, 而土壤团聚体有机碳贡献率主要分布在 < 0.25 mm粒级团聚体中, 且显著高于其它各粒级贡献率(P < 0.05).
(3) 综合考虑, 生物炭和秸秆还田能提高新垦紫色土旱坡地土壤团聚体稳定性、增加土壤有机碳含量和改良土壤结构, 是培肥新垦紫色土、提高土壤质量的有效途径.
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