2022, Vol. 43
2. 重庆市林业科学研究院, 重庆 400036
2. Chongqing Academy of Forestry, Chongqing 400036, China
土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)是评价耕地质量和农业可持续发展的重要指标, 也是大气CO2主要的源和汇[1, 2].耕地有机碳是重要的陆地碳库, 受自然环境和人为影响最为剧烈, 具有明显的空间变异性, 其微小变化便会引起农田生态系统不同组分间碳通量的变化, 进而影响区域及全球碳循环[3~5]. 土壤侵蚀是造成SOC迁移和流失的主要原因, 也是影响大气-土壤系统碳循环与碳收支平衡的重要动力过程[6~9].因此, 采用合理的耕作管理措施增加土壤有机碳库是提升坡耕地土地生产力、保证粮食安全和缓解气候变化的重要途径.当前, 生物炭被广泛应用于环境科学和土壤学领域, 在农业土壤改良、环境污染修复、土壤碳库提升和温室气体减排等方面发挥了重大作用[10~13].Lei等[11]的研究表明添加5%的生物炭能有效促进土壤团聚体形成, 并降低土壤容重、增加土壤有机质和激发微生物活性; Abrol等[12]在以色列对2种易蚀性土壤添加生物炭试验表明, 应用2%的生物炭能显著增加最终入渗率1.7倍, 并减少土壤流失3.6倍; Major等[13]通过4 a的研究发现, 生物炭施加第二年起玉米逐年增产, 分别较对照组产量提高28%、30%和140%.
紫色土坡耕地是西南地区重要的耕地资源, 也是长江中上游和三峡库区水土流失和面源污染的主要策源地[7, 14].耕层是人类为栽培作物, 经耕作、施肥和灌溉等活动及自然因素的综合作用下形成的农业表层土壤, 其功能主要是能协调水、肥、气、热并满足作物生长发育的需要[15].在水蚀区坡耕地地块尺度, 由降雨和耕作引发的土壤侵蚀首先破坏的便是耕层土壤, 这不仅可以改变坡耕地SOC的空间分布, 进而改变农业生态系统碳源汇格局, 还能造成土壤养分流失, 导致面源污染和水体富营养化, 对周边生态环境安全构成潜在威胁[6, 7, 16~18].因此, 研究土壤侵蚀和耕作管理双重驱动下的坡耕地耕层SOC含量变化特征, 对分析农田土壤碳储量和碳循环、提高耕地土壤碳库和土地生产力具有重要意义.目前国内外学者对农业SOC分布及流失特征等方面已有较多研究, 而关于施用生物炭对坡耕地侵蚀性耕层SOC的恢复效应研究较少.因此, 本文以三峡库区典型紫色土坡耕地耕层为研究对象, 通过建立5种侵蚀程度的原位试验小区, 以不施肥(CK)为对照措施, 设置生物炭配施化肥(BF)和单施化肥(F)两种恢复性管理措施, 重点分析了不同侵蚀程度和管理措施对SOC的影响及SOC沿耕层剖面的分布特征, 同时研究了设置恢复措施3 a来耕层SOC的年际变化特征, 以期为坡耕地合理耕层调控途径和土壤肥力提升提供基础参数.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验小区位于重庆市万州区熊家镇(108°25′51″E, 30°55′10″N), 位于长江上游、三峡库区腹地, 属亚热带季风气候, 年平均气温17.7℃, 年平均日照时数1 484.4 h, 无霜期305 d, 年平均降水1 243 mm且多集中于5~9月, 土壤类型为以中生代侏罗系沙溪庙组紫色沙泥页岩母质发育的中性紫色土, 坡耕地主要种植方式为玉米/油菜.
1.2 试验设计于2018年2月建立铲土侵蚀模拟试验小区, 田面坡度15°, 共设无侵蚀(S0)、侵蚀5 cm(S5)、侵蚀10 cm(S10)、侵蚀15 cm(S15)和侵蚀20 cm(S20)共5个侵蚀程度和不施肥(CK)、单施化肥(F)和生物炭配施化肥(BF)这3种管理措施, 各处理设置3次重复, 共45个小区, 各小区面积12 m2(3 m×4 m).本文采用的铲土侵蚀模拟法是一种模拟试验研究方法, 反映侵蚀与耕作对坡耕地耕层土壤影响的真实情况[14, 19], 具体方法见文献[14].根据公式(1)计算不同侵蚀程度下的耕层土壤组成特征：
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式中, hi为原始i土层的厚度; d为多年平均侵蚀厚度(根据重庆紫色丘陵地区土壤侵蚀情况, 在此为0.25 cm); m、m′为耕作层厚度(20 cm); n为侵蚀年限.
小区建立前当地施肥水平为复合肥(N∶P2O5∶K2O=25∶12∶18)277.5 kg·hm-2, 同时每年追加两次尿素(总氮≥45%).小区建立后, 以同样水平管理F及BF措施小区, 同时以15 t·hm-2生物炭(原料为水稻秸秆)均匀撒在BF措施小区土壤表面, 经过人工翻耕将化肥及生物炭混入耕层.
1.3 土壤样品采集与分析分别于2018年1月小区建设前采集土壤样品测试背景值, 于2018年8月、2019年8月和2020年8月玉米收获前一周进行采样.在每个小区中部挖掘土壤剖面(1 m×1 m×0.4 m)进行垂直分布样品采集, 以0~10、10~20、20~30和30~40 cm土层分层采样, 分别采3 kg左右散样并用塑料薄膜密封好带回室内风干, 用于土壤基本理化性质测定.分层采集铝盒样品并用烘干法测定土壤含水率, 采集100 cm3土壤环刀样品测定土壤容重和总孔隙, 各样品采集3份, 重复3次测试.土壤质地采用吸管法, 土壤有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法, pH采用电位法, 全氮采用半微量凯氏定氮法, 全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法, 全钾采用NaOH熔融-火焰光度计法, 碱解氮采用碱解扩散法, 有效磷采用Olsen法, 速效钾采用NH4Ac-火焰光度计法, 阳离子交换量采用乙酸铵交换法.
1.4 数据处理采用SPSS 24.0统计软件进行统计分析、相关性分析和单因素方差分析, 采用Excel 2016制作图表, 采用Design-Expert.V8.0.6.1进行响应曲面分析及绘制.
2 结果与分析 2.1 土壤侵蚀和管理措施对耕层土壤有机碳的影响不同管理措施对紫色土坡耕地耕层SOC含量影响差异显著(P＜0.05), 其中生物炭配施化肥措施能显著提升耕层SOC含量[图 1(a)].总的来看, 耕层土壤ω(SOC)为5.10~20.38 g·kg-1, 变异系数(CV)为35.14%, 属中等变异. 3种措施下耕层ω(SOC)大小依次为: BF[(13.87±3.60)g·kg-1, CV=25.92%]、F[(11.20±2.55)g·kg-1, CV=22.77%]和CK[(7.29±1.47)g·kg-1, CV=20.11%], 其中BF和F措施下的SOC含量相较CK提升了90.25%和53.63%, BF措施的SOC较F提升了23.84%.
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不同大写字母表示SOC在不同措施间的显著性差异(P＜0.05), 不同小写字母表示SOC在同一措施下的显著性差异(P＜0.05) 图 1 土壤侵蚀和管理措施对耕层SOC的影响 Fig. 1 Effects of soil erosion and management measures on SOC of cultivated-layer |
土壤侵蚀对不同管理措施下紫色土坡耕地耕层SOC的影响如图 1(b)所示.总的来看, 土壤侵蚀能显著(P＜0.05)降低CK措施下耕层SOC含量, 侵蚀5~20 cm分别较无侵蚀(侵蚀0 cm)下降12.25%、17.15%、19.77%和27.74%; 在F措施下, SOC含量随侵蚀程度加剧而下降但不显著(P＞0.05), 侵蚀5~20 cm分别较无侵蚀下降8.31%、11.59%、19.70%和18.09%; 而在BF措施下, SOC随侵蚀程度的加剧呈现“波浪式”减少的趋势, 但亦不显著(P＞0.05).
2.2 土壤有机碳沿耕层剖面变化特征紫色土坡耕地耕层SOC剖面分布如图 2所示, 各土层SOC含量差异显著(P＜0.05). ω(SOC)总体表现为随深度增加而减少, 分别为: 0~10 cm层[(13.69±4.50)g·kg-1, CV=32.85%]、10~20 cm层[(11.81±3.31)g·kg-1, CV=28.02%]、20~30 cm层[(9.03±2.14)g·kg-1, CV=23.70%]和30~40 cm层[(8.63±2.53)g·kg-1, CV=29.27%]; 10~20、20~30和30~40 cm层SOC含量分别较表层(0~10 cm)降低13.76%、34.06%和36.97%.在CK措施下, 10~40 cm土层SOC含量分别较表层降低8.53%、15.61%和29.67%; 在F措施下, 10~40 cm土层SOC分别较表层降低10.41%、34.53%和36.40%; BF措施下, 10~40 cm土层SOC分别较表层降低18.67%、42.06%和40.70%.此外, BF和F措施均能显著(P＜0.05)提升各土层SOC含量[图 2(a)], 且对表层SOC含量提升效果最明显, 分别为120.59%和66.90%, 而对10~40 cm提升效果分别为51.46% ~96.13%和29.49% ~63.46%.
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不同小写字母表示SOC在同一措施不同土层下的显著性差异(P＜0.05), 不同大写字母表示SOC在同一土层不同措施下的显著性差异(P＜0.05), 没有字母表示差异性不显著 图 2 耕层SOC的剖面分布特征 Fig. 2 Distribution characteristics of SOC along cultivated-layer profile |
如图 2(b)所示, 不同侵蚀程度下坡耕地耕层SOC剖面变化不显著(P＞0.05), 但均呈随土层深度加深而下降的趋势.无侵蚀时, 10~20、20~30和30~40 cm土层的SOC分别较表层下降10.55%、26.32%和34.03%; 侵蚀5 cm时, 10~40 cm的SOC分别较表层下降15.87%、31.01%、39.07%; 侵蚀10 cm时, 10~40 cm的SOC分别较表层下降15.18%、28.21%、36.07%; 侵蚀15 cm时, 10~40 cm土层的SOC分别较表层下降15.62%、42.25%和38.34%; 侵蚀20 cm时, 10~40 cm土层的SOC分别较表层下降11.58%、43.18%和37.38%.对各土层而言, 土壤侵蚀对SOC的影响亦不显著(P＞0.05), 但整体均呈随侵蚀程度加剧而减少的趋势.以表层为例, ω(SOC)随侵蚀程度变化趋势为：无侵蚀[(14.40±4.21)g·kg-1, CV=29.22%]＞侵蚀5 cm[(14.35±5.25)g·kg-1, CV=36.57%]＞侵蚀15 cm[(13.71±6.39)g·kg-1, CV=27.17%]＞侵蚀10 cm[(13.20±3.59)g·kg-1, CV=46.61%]＞侵蚀20 cm[(12.79±6.30)g·kg-1, CV=49.25%], 其余土层规律相似.
2.3 土壤有机碳对土壤侵蚀与管理措施交互作用的响应特征当土壤侵蚀和人为耕作管理同时发生时, 紫色土坡耕地耕层SOC对二者的交互作用表现为曲面关系(图 3).以侵蚀程度(A)和管理措施(B)为自变量, SOC为因变量, 通过Design Expert软件进行曲面拟合并建立回归方程, 结果如下：
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图 3 耕层SOC对土壤侵蚀与管理措施交互作用的响应曲面 Fig. 3 Response surface of SOC of cultivated-layer to interaction between soil erosion and management measures |
回归模型方程式(2)的P＜0.01(极显著), 决定系数R2为98.63%, F值为129.67, 表明模型的回归方程拟合优度较好且模型具有显著性.这说明该回归模型能较好地表示耕层SOC与土壤侵蚀和耕作管理之间的关系, 表明土壤侵蚀和管理措施的交互作用对紫色土坡耕地耕层SOC含量影响显著.同时通过回归方程生成SOC的响应曲面(图 3), 响应曲面的陡峭程度反映了因变量SOC随自变量土壤侵蚀和管理措施的变化程度, 曲线越陡峭表示其影响越显著, 反之影响越小.从图 3可知, 在CK措施时, SOC的下降幅度最大, 而在BF和F措施下, SOC含量随侵蚀程度的变化不明显, 但总体均呈现随侵蚀程度增加而减小的趋势; 而在同一侵蚀程度条件下, SOC含量在不同管理措施下差异显著, BF措施能显著提升SOC含量, 这些与单因素分析的结果一致.与侵蚀程度相比, 管理措施对SOC含量的影响更大.耕层SOC最大含量在BF措施、侵蚀0 cm水平下, 而最低值出现在CK措施、侵蚀20 cm水平下.
2.4 土壤有机碳的年际变化特征经过连续3 a不施肥、单施化肥和生物炭配施化肥管理后, 紫色土坡耕地耕层SOC含量发生了显著变化(P＜0.01), 但不同措施下的变化趋势和程度各不相同[图 4(a)].在CK措施下, SOC含量逐年下降, 2018~2020年后分别比背景值有机碳含量减少20.75%、29.63%和41.87%, 平均每年损失12.52%.在F措施下, 3 a管理以来SOC含量波动变化, 差异不显著(P＞0.01), 分别比背景值增加2.80%、减少0.31%、增加7.65%.在BF措施下, SOC含量逐年增高, 分别比背景值提升8.89%、19.05%和25.43%, 平均每年提升9.31%.
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不同小写字母表示SOC在同一措施下的年际变化有显著性差异(P＜0.05), 没有字母表示差异性不显著 图 4 耕层SOC的年际变化特征 Fig. 4 Interannual variation of SOC in cultivated-layer |
不同侵蚀程度下耕层SOC含量年际变化差异不显著(P＞0.01), 但年均增量总体呈现随侵蚀程度加剧而下降的趋势[图 4(b)].在无侵蚀条件下, SOC年均增量为4.27%; 在侵蚀10 cm和侵蚀15 cm条件下, SOC含量基本不增加; 而在侵蚀20 cm条件下, SOC年均减少1.76%.在CK措施下, 经过连续3 a定位试验, 5种侵蚀程度下SOC较背景值减少10.89% ~66.14%, 年均降低6.53% ~18.87%; 在F措施下, 管理3 a后, SOC较背景值减少13.36%至增加18.31%不等, 侵蚀0~10 cm条件下SOC年均提升2.06% ~5.69%, 而在侵蚀15 cm和20 cm条件下, SOC年均减少0.33% ~0.70%; 在BF措施下, 管理3 a后, SOC较背景值最高增加29.24%, 且在5种侵蚀程度下年均增量分别为7.14% ~10.86%.
从耕层剖面角度, 连续3 a定位试验后, 耕层SOC的剖面分布差异不大, 整体均表现为表层SOC含量最高(图 5).总体来看, 且各土层SOC含量均随管理年限的延长呈现“波浪式”微增加趋势, 以表层为例, 连续3 a定位试验后, SOC整体较背景值分别提升了0.76%、4.52%和3.71%.而针对不同耕作措施而言, 这种规律有所不同.
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图 5 耕层SOC的剖面分布年际变化特征 Fig. 5 Interannual variation of profile distribution characteristics of SOC |
如表 1所示, 在CK措施下, 表层SOC含量逐年显著下降, 连续3 a分别比背景值降低18.92%、31.28%和56.46%, 平均每年比上一年降低16.17%, 10~40 cm层规律类似, 年均SOC损失率为6.84% ~13.60%; F措施下, 表层SOC分别增加1.53%、3.86%和6.25%, 平均每年增加2.13%, 10~40 cm层年均SOC增加1.94% ~2.92%; BF措施下, 表层SOC分别增加14.28%、25.38%和29.07%, 平均每年增加10.72%, 10~40 cm土层SOC年均增加6.66% ~9.19%.
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表 1 不同管理措施下耕层SOC的剖面分布年际变化1) Table 1 Interannual variation of SOC profile distribution under different management measures |
2.5 土壤有机碳与耕层理化性质的相关性分析
表 2展示了紫色土坡耕地耕层SOC与土壤理化性质之间的相关关系.整体来看, 耕层SOC与pH(0.499)、全氮(0.700)、全磷(0.784)、全钾(0.483)、碱解氮(0.603)、有效磷(0.707)、速效钾(0.814)、阳离子交换量(0.500)、容重(-0.339)和含水率(0.511)有高度相关性, 除与容重呈高度负相关关系外, 其余均为正相关关系.但不同土层下有机碳与理化性质的相关性不同, 随土壤层次加深, 有机碳含量与各理化性质的相关性均整体减弱.表层土壤有机碳与pH(0.755)、全氮(0.677)、全磷(0.813)、全钾(0585)、碱解氮(0.683)、有效磷(0.727)、速效钾(0.854)、阳离子交换量(0.621)和容重(-0.729)有高度相关性, 而在30~40 cm层, 土壤有机碳仅与速效钾(0.547)有一定相关性.
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表 2 不同土层SOC与土壤理化性质相关系数1) Table 2 Correlation coefficient between SOC and soil physicochemical properties in different soil layers |
3 讨论 3.1 土壤质地和pH对耕层土壤有机碳的影响
SOC的蓄积过程是对气候、植被、土壤理化性质和人类活动的综合响应[1, 20~23].气候因子是大尺度范围影响SOC空间分布的主导因素, 而土壤理化性质和人类活动在小尺度范围影响SOC, 其中土壤质地、结构、pH值与养分状况均会不同程度地影响SOC的固定和分解[20, 21].本研究的结果与以往的研究主要有两点不同, 一是SOC与土壤质地之间无明显相关性, 二是SOC与pH值呈正相关关系.
不同质地的土壤孔隙、水分、热量和透气状况不同, 这直接影响了土壤微生物的生存环境及其代谢活性, 进而影响土壤碳分解和固定[24].同时, 土壤质地通过细颗粒(黏粒+粉粒)与有机质的结合等方式, 使土壤有机质吸附在黏粒表面以有机-矿物复合体形式存在于土壤中, 这种吸附作用可为土壤碳固存提供保护, 防止有机碳进一步分解和矿化[25, 26].赵青等[27]对武夷山不同海拔林地SOC含量的研究表明, 0~20 cm层SOC与土壤粉粒和黏粒呈极显著相关关系, 20~30 cm层SOC与砂粒和黏粒有极显著相关关系, 并认为粉粒含量可作为衡量土壤表层SOC含量的重要因素.刘波等[25]的研究认为六盘山林地SOC与粗粉粒含量和黏粒含量呈显著负相关关系, 这是由于高海拔地区受强风及淋溶作用的共同影响, 导致土壤细颗粒随海拔升高而逐渐降低.上述研究区域均为未受人类活动扰动的自然生态系统, 故自然环境因素对有机碳的分布影响强烈.而本文的研究对象为水蚀区耕作土壤, 一方面由于人为耕作活动和降雨侵蚀的共同作用破坏了土壤的自然结构, 扰乱了SOC的物理和化学等保护机制, 加速了SOC的分解和土壤细颗粒随径流的流失[9, 18]; 另一方面施加的生物炭和化肥, 是营养性有机碳输入的主要外源[20], 生物炭的加入可影响微生物活性和群落结构, 进而改变SOC的分解与积累速率, 使坡耕地土壤碳库发生改变.因此, 多因素综合作用导致SOC与土壤质地之间关系不显著.
土壤pH通过影响土壤微生物活性影响SOC含量, pH值过高或过低都会抑制微生物与酶的活性, 使其对有机物质的分解速率降低[4, 5, 28].通常认为SOC含量与土壤pH呈负相关关系[4, 28, 29].这是因为土壤酸性条件下微生物以真菌为主, 活性较低, 对有机物质的分解作用较弱; 而中性和弱碱性土壤中细菌和放线菌的含量增高, 活性较强, 对有机物质的分解作用也有所增强[5, 30].而与本研究结果不一致的主要原因是添加了生物炭.由于生物炭疏松多孔、比表面积大, 且本身呈碱性, 施入酸性土壤中能聚集大量负电荷, 中和土壤中H+, 提高土壤pH[31, 32], 因此表现出SOC含量与pH值呈正相关关系.
3.2 土壤侵蚀对坡耕地耕层土壤有机碳的影响土壤侵蚀是导致坡耕地退化、面源污染和土壤生产力下降的主要驱动力, 其直接表现为坡耕地耕层变薄、土壤理化性质恶化和作物减产, 严重制约了农业可持续发展及区域粮食安全[17, 33~37].Bouchoms等[33]的研究基于土壤剖面模型对比分析了欧洲和美国耕地产量, 表明土壤侵蚀造成37%的SOC流失, 由此引发的土地生产力下降使土壤-大气碳交换减少了30%; Duan等[34]在干热河谷的研究表明, 与无侵蚀相比, 随着土壤侵蚀程度增加至“轻微”、“中度”和“严重”, 有机物含量分别下降15.29%、18.00%和27.37%, 玉米产量下降1.56%、29.18%和35.03%.SOC是农田肥力的基础和核心, 是影响坡耕地土壤质量的关键因素.现阶段, 学界对土壤侵蚀在全球碳循环中的作用是“源”还是“汇”具有争议[9, 38, 39], Smith等[38]通过研究美国密西西比河支流土壤侵蚀对SOC的影响, 认为土壤侵蚀减少了SOC的矿化, 是全球碳循环的“汇”; 而Lal[39]的研究认为随降雨径流迁移的SOC中有20%会被矿化进入大气, 所以侵蚀是大气CO2的“源”.通常认为, 由于自然因素(降雨、地形)和人为耕作的共同影响, 导致坡耕地土壤碳在景观内重新分布, 即坡面上部侵蚀区SOC随侵蚀迁移到坡底或低洼部位沉积, 同时侵蚀又改变了侵蚀-沉积区SOC的矿化速率, 是影响区域及全球碳循环的重要驱动力[9, 18].郭太龙等[37]的试验表明SOC的流失主要以侵蚀泥沙作为载体, 流失的SOC中近95%是随侵蚀泥沙携带迁移的.熊子怡等[7]的研究认为可溶性有机碳是紫色土旱坡地SOC的主要流失形式, 占SOC总流失通量的99.31% ~99.94%, 且壤中流是可溶性有机碳的主要流失途径.
土壤侵蚀影响坡耕地SOC的固定与释放, 是影响区域及全球气候变化的重要动力过程.然而坡耕地SOC的动态变化是由降雨(水蚀)、地形、土壤类型和耕作管理等多过程和多因素相互作用影响的, 如何准确识别各因素对坡耕地SOC迁移和流失的贡献还有待进一步研究.
3.3 生物炭对侵蚀性耕层土壤质量的改良作用土壤侵蚀通过影响土壤理化性质和耕层厚度而导致坡耕地生产力降低, 而合理的土壤管理是农业生产系列活动中有效改善土壤和促进土壤质量恢复的重要措施.施加生物炭可以提高耕地碳库容量、提高养分含量和改善土壤质量已被广泛验证[11~13, 40~43].本研究结果表明, 采用生物炭配施化肥是改善紫色土坡耕地侵蚀性耕层质量的有效措施.与本研究结果类似的, 如张旭辉等[40]的研究发现添加质量分数4.0%稻壳生物炭的黄壤, 有机质、全磷、有效磷和速效钾是CK的1.3、4.0、33.1和18.0倍, 而紫色土中上述指标是CK的1.4、1.5、3.8和6.0倍; 房彬等[41]的研究表明, 通过添加不同比例生物炭可以提升旱作农田有机质、硝态氮和有效磷含量分别为44.9% ~297.2%、26.3% ~88.4%和34.8% ~232.2%, 同时提升油菜籽实产量15.7% ~35.4%, 提升玉米产量7.6% ~20.3%.此外, 施加生物炭还能有效减少土壤侵蚀和养分淋溶, Hseu等[42]的研究结果表明施加稻壳生物炭后土壤容重下降12% ~25%, 土壤有效含水量增加18% ~89%, 土壤流失量显著降低35% ~90%; Chen等[43]的研究发现, 应用纳米生物炭有效降低了黄土高原坡面径流39.7% ~74.4%、泥沙8.9% ~41.8%和硝酸盐损失13.6% ~59.8%.
施加生物炭能改善土壤理化性质和提升土壤肥力的原因主要是生物炭本身疏松多孔, 加入土壤中可改善土壤微结构和提高土壤团聚体[44~46], 有研究表明SOC含量与团聚体含量呈显著正相关关系[45, 46], 随着土壤中有机碳含量的增加, 提高了土壤中的碳氮比, 进而促进了土壤对氮素和其他养分的吸持能力[46~48], 由此可提升作物对肥料的利用率, 达到培肥地力和提升作物产量的目的.此外生物炭含有羟基、羧基和苯环等官能团, 使得其具有强大的吸附能力、土壤持水能力和阳离子交换量[32, 49], 可以提升土壤对有机碳等养分的吸持能力, 并且复杂的芳香环结构使生物炭具备了可溶性低、抗氧化能力和抗生物分解能力强等特点[32, 41], 使其在土壤中可以长时间保持稳定而不易被矿化和分解, 延长有机质分解时间, 使土壤中形成稳定的有机质碳库[32, 44, 49].综上所述, 生物炭配施化肥这一措施可作为坡耕地侵蚀性耕层改良和侵蚀土壤肥力提升的重要耕作管理措施, 下一步还可继续研究施用不同类型和不同用量生物炭的改良效果, 为坡耕地侵蚀性耕层土壤固碳机制研究和土壤质量提升提供实践依据.
4 结论(1) 生物炭配施化肥措施能显著提升紫色土坡耕地耕层SOC含量, 土壤侵蚀能显著降低不施肥措施下SOC含量.BF措施平均较CK和F措施提升SOC含量90.25%和23.84%, BF、F和CK这3种措施下ω(SOC)依次为(13.87±3.60)、(11.20±2.55)和(7.29±1.47)g·kg-1; 在CK措施下, 侵蚀条件下的SOC含量较无侵蚀下降12.25% ~27.74%, BF和F措施下SOC随侵蚀程度加剧而下降的差异不显著.
(2) 坡耕地耕层剖面各土层SOC含量差异显著, 其中表层(0~10 cm)SOC含量最高.生物炭配施化肥和单施化肥措施均能显著提升各土层SOC, 且两种措施对表层SOC含量提升效果最明显, 分别为120.59%和66.90%.不同侵蚀程度下SOC的剖面分布差异不显著, 但含量均随土层深度增加而降低, 无侵蚀时, 10~40 cm土层SOC含量较表层降低10.55% ~34.03%, 侵蚀20 cm时, 分别下降11.58% ~43.18%.
(3) 经过连续3 a的定位试验, 坡耕地耕层SOC含量发生了显著变化.在CK措施下, SOC含量逐年下降, 年均损失12.52%; 在BF措施下, SOC年均提升9.31%.而不同侵蚀程度下耕层SOC年际变化差异不显著, 无侵蚀条件下, SOC年均增加4.27%; 而在侵蚀20 cm条件下, SOC年均损失1.76%.综上所述, 生物炭配施化肥措施是紫色土坡耕地侵蚀性耕层质量恢复、耕地地力提升的有效管理措施.
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