2023, Vol. 44
2. 广东省农业环境与耕地质量保护中心(广东省农业农村投资项目中心), 广州 510500
, LIN Bi-shan2 , RAO Guo-liang2
, DAI Wen-ju2 , LI Ping1 , WU Yong-pei1 , HUANG Jian-feng1 , ZENG Zhao-bing2 , SONG Hui-min1 , TANG Shuan-hu1 , ZHANG Mu1 , XU Pei-zhi1
2. The Protection Center of Agricultural Environment and Cultivated Land Quality of Guangdong Province(Guangdong Rural Investment Center), Guangzhou 510500, China
农田土壤有机碳(SOC)是重要的有机碳库, 在全球碳循环过程中发挥着重要作用[1]; 同时, SOC是土壤肥力的基础, 对维持耕地质量、粮食稳产高产和农业可持续发展起着至关重要的作用[2].华南地区酸性水稻土SOC含量低, 土壤肥力普遍较低, 水稻产量不高[3].探索土壤酸化改良与有机碳含量提升技术, 对华南酸性水稻土可持续利用和农业绿色生产具有重要指导意义.
我国农作物秸秆量大, 2015年全国农作物秸秆总产量达10.4亿t, 且呈不断增加趋势[4].农作物秸秆含有丰富的Ca、Mg和K等碱性金属离子, 秸秆还田可提高酸性水稻土的碱性物质输入量和酸缓冲性能, 减缓水稻土酸化速率[5], 但不能显著提高酸性土壤的pH值[6].石灰可显著提高土壤pH值[7], 但长期施用会导致土壤板结和土壤Ca、Mg和K等养分不平衡.秸秆还田还有效改善土壤结构, 平衡土壤养分[8], 因此, 秸秆还田配施石灰可充分发挥石灰“快速改酸”和秸秆“抑酸培土”的双重效果, 提升酸性水稻土的耕地质量.有研究表明, 秸秆还田配施石灰可以显著提高酸性水稻土pH值, 改善耕地质量, 实现增产增收, 在华南地区广泛推广应用[9].以往的研究多关注秸秆还田配施石灰对土壤养分有效性[10]、安全利用[11]和作物产量[9]的影响, 但秸秆还田配施石灰对酸性水稻土SOC的影响鲜见报道.
秸秆还田是人为调控性较强的农田土壤固碳措施, 有试验结果表明, 秸秆还田可提高SOC含量12.8%[12, 13].石灰能加速秸秆的腐解速率, 可能会影响秸秆还田的碳转化过程和固碳效果[14].同时, 施用石灰可促进碳酸钙胶体的形成, 提高农田土壤固碳能力[15]; 并提高酸性水稻土的pH值和土壤肥力水平, 进而促进作物生长和根际碳沉积等有机碳输入量[16].但是, 施用石灰可提高酸性水稻土的土壤微生物活性, 加快SOC矿化速率, 可能会导致SOC流失[17].也有研究认为, 石灰通过钙离子键提高了土壤颗粒的黏结力, 促进土壤团聚体形成和积累, 提高土壤颗粒的稳定性, 从而降低SOC的矿化作用[18, 19].
综上可知, 秸秆还田配施石灰是改善华南地区水稻土酸化问题的有效措施, 节肥增产增收效果显著, 且可能引起土壤有机碳变化.有研究发现, 秸秆还田配施石灰可降低土壤的CO2排放量, 并提高SOC含量和稳定性[15, 20], 但对有机碳碳组分的影响尚未见报道.当前, 秸秆还田配施石灰条件下, 酸性水稻土的有机碳含量及其组分变化情况尚不明确.因此, 探索秸秆还田配施石灰条件下酸性水稻土有机碳及碳库管理指数的变化情况, 对稻田固碳减排和耕地质量提升具有重要意义.基于前人研究结果, 秸秆还田配施石灰可能有助于提高酸性水稻土的有机碳和碳库管理指数, 并导致土壤有机碳组分发生变异.为了验证该假设, 本研究通过开展田间试验, 探讨华南双季稻区秸秆还田配施石灰对酸性水稻土总有机碳、有机碳组分和碳库管理指数的影响, 以期为稻田固碳减排和耕地质量提升提供理论依据, 促进水稻绿色、可持续生产.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验在广东省农业科学院试验基地(位于广州市白云区钟落潭镇, 23°39′N, 113°43′E, 白云点)和惠州市惠阳区农业农村综合服务中心试验基地(位于惠州市惠阳区平潭镇, 23°05′N, 114°60′E, 惠阳点)进行.白云点年平均气温24.0℃, 年降雨量1 778 mm, 无霜期长达350 d, 土壤类型为水稻土, 土壤质地为砂壤土.惠阳点年平均气温22.0℃, 年降雨量1 770 mm, 无霜期长达350 d, 土壤类型为水稻土, 土壤质地为黏壤土.试验前耕层(0~20 cm)土壤理化性质见表 1.
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表 1 土壤理化性质1) Table 1 Basic chemical properties of soil |
1.2 试验设计
本试验在2020年8~12月期间进行, 种植制度为双季稻, 白云点和惠阳点分别于7月15日和7月1日播种, 8月1日和7月17日移栽, 11月15日和10月28日收获, 水稻品种分别为华航丝苗和柳优香.试验共设3个处理, 分别为: 常规施肥(CK)、秸秆还田+常规施肥(RS)和秸秆还田配施石灰+常规施肥(RS+L), 各3个重复, 共9个小区, 小区面积30 m2(5.0 m×6.0 m), 随机区组排列.小区间筑埂后用塑料薄膜包覆隔离, 实行单独排灌, 防止水、肥渗透.CK处理将早稻秸秆全部移除; RS和RS+L处理将早稻秸秆切短(长度为8~12 cm), 均匀撒施于土表, 然后采用微耕机将秸秆翻耕入土, 秸秆还田量根据广东省早稻秸秆产量水平进行施用(6 000 kg·hm-2), 早稻秸秆的ω(C)和ω(K2O)分别为378.4 g·kg-1和17.0 g·kg-1.常规施肥处理的施肥量为: 氮肥(含腐殖酸尿素, 以N计)150 kg·hm-2、磷肥(过磷酸钙, 以P2O5计) 46 kg·hm-2和钾肥(氯化钾, 以K2O计)130 kg·hm-2.增施石灰处理采用熟石灰[Ca(OH)2], 施用量为450 kg·hm-2[21], 秸秆翻耕前将石灰均匀撒施于秸秆表面, 然后再进行旋耕作业, 避免石灰对肥料的影响.所有肥料做基肥在水稻移栽前1d全部施用.其他田间管理均按水稻高产栽培技术进行.
1.3 样品采集与处理分别于移栽后15、30、45、60、75 d和收获期(惠阳点103 d, 白云点106 d)采集土壤样品, 采用取土器在每小区随机取4个点次的耕层土壤样品(0~20 cm), 混匀成一个样品, 然后带回实验室风干, 研磨过2 mm和0.25 mm筛备测.收获期采多一份耕层土壤样品(0~20 cm), 去除秸秆、根系和沙砾等杂质, 保存于4℃冰箱备测.水稻成熟后, 调查每个小区的有效穗数、穗粒数、实粒数和千粒重等产量构成因子, 各小区采用人工实割单独测产.
1.4 土壤样品测定移栽后15、30、45、60、75 d和收获期(惠阳点103 d, 白云点106 d)土壤样品测定土壤总有机碳(TOC)和土壤溶解性有机碳(DOC)含量, 风干土壤样品过0.25 mm筛后采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定TOC, 风干土壤样品过2 mm筛后采用水浸提-C/N联用分析仪测定DOC.同时, 收获期土壤样品还测定土壤活性有机碳(LOC)、土壤颗粒态有机碳(POC)、土壤微生物量碳(MBC)和其他土壤理化性状(pH值、NO3--N、NH4+-N、AP和AK), 风干土壤样品过0.25 mm筛后采用高锰酸钾氧化法测定LOC; 风干土壤样品过2 mm采用六偏磷酸钠分散-重铬酸钾-浓硫酸外加热氧化法测定POC, 并采用鲍士旦的方法[21]测定pH值、AP和AK; 新鲜土壤样品采用氯仿熏蒸法测定MBC, 并采用CaCl2浸提-连续流动注射分析仪测定NO3--N和NH4+-N.
1.5 数据计算与分析以本研究中对照处理的土壤作为对照土壤, 计算不同秸秆还田处理的土壤碳库管理指数, 其计算公式为[23]:
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采用Microsoft Excel对试验数据进行整理.采用R 4.05软件进行方差分析、相关分析和主成分分析, 多重比较采用LSD最小极差法(P=0.05), 并采用R语言作图, 图表数据均为3次重复的平均值±标准误.
2 结果与分析 2.1 土壤总有机碳和溶解性有机碳从图 1(a)和图 1(b)可见, 与CK相比, RS处理的TOC含量提高了2.66% ~13.51%(白云)和6.68% ~17.61%(惠阳), 平均增幅为8.34%(白云)和10.20%(惠阳); 白云试验点中, RS和RS+L处理15、30、45、60和106 d的TOC含量显著高于CK处理(P＜0.05), 平均增幅分别为8.34%和10.24%; 惠阳试验点中, RS处理15、60和103 d的TOC含量显著高于CK处理(P＜0.05), 平均增幅为10.20%, RS+L处理15、30、45、60、75和103 d的TOC含量均显著高于CK处理(P＜0.05), 平均增幅为17.79%.惠阳试验点RS+L处理15 d和60 d的TOC含量显著高于RS处理(P＜0.05), 其余生育期差异不显著; 白云试验点RS+L处理和RS处理的TOC含量无差异.
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不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P＜0.05) 图 1 秸秆还田配施石灰对酸性水稻土总有机碳和溶解性有机碳含量的影响 Fig. 1 Effects of straw returning with lime on soil total organic carbon and dissolved organic carbon |
从图 1(c)和图 1(d)可见, 不同秸秆还田处理显著影响DOC含量, 水稻生长前期(移栽后15~45 d期间)的影响更明显.白云试验点, RS和RS+L处理15、30、45、75和106 d的DOC含量显著高于CK处理(P＜0.05), 全生育期的平均增幅分别为40.68%和48.79%; 惠阳试验点, RS和RS+L处理15、45和60 d的DOC含量显著高于CK处理(P＜0.05), 平均增幅分别为31.42%和59.68%.白云试验点, RS+L处理15 d的DOC含量显著高于RS处理(P＜0.05), 增幅达16.08%, 其他生育期差异不显著; 惠阳试验点, RS+L处理15、45和60 d的DOC含量显著高于RS处理(P＜0.05), 其增幅分别为16.08%、7.05%和7.68%.
2.2 土壤活性有机碳、颗粒有机碳和微生物量碳含量从图 2可见, 不同秸秆还田处理显著影响LOC、POC和MBC含量.惠阳试验点, RS处理的LOC含量显著高于CK处理(P＜0.05), 增幅达42.70%.与CK处理相比, RS+L处理显著提高了LOC、POC和MBC含量, 其增幅分别为34.49% ~44.37%、19.27% ~23.59%和33.36% ~43.26%(P＜0.05).RS和RS+L处理间的LOC、POC和MBC含量无显著差异.
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不同小写字母表示同一试验点不同处理间差异显著(P＜0.05) 图 2 秸秆还田配施石灰对酸性水稻土活性有机碳、颗粒有机碳和微生物量碳含量的影响 Fig. 2 Effects of straw returning with lime on labile organic carbon, particulate organic carbon, and microbial biomass carbon |
不同秸秆还田处理对酸性水稻土的土壤碳库管理指数影响见表 2.与CK处理相比, RS+L处理显著提高IOC含量, 增幅为8.32% ~15.57%(P＜0.05); RS处理显著提高白云试验点IOC含量, 增幅达13.34%(P＜0.05).与CK处理相比, RS和RS+L处理显著提高CPI, 其增幅分别为14.00% ~18.00%和14.00% ~20.00%(P＜0.05).不同处理的L、CPAI和CPMI无显著差异.
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表 2 秸秆还田配施石灰对酸性水稻土碳库管理指数的影响1) Table 2 Effects of straw returning with lime on soil carbon pool management indices |
2.4 土壤有机碳各组分的相关性
从图 3可知, TOC与各种有机碳组分均存在极显著/显著正相关性, 其相关系数大小表现为: IOC>DOC>MBC>LOC>POC; LOC与DOC显著正相关, CPAI与LOC极显著正相关, 与其他土壤有机碳组分的相关性不显著; CPMI与LOC存在极显著正相关性, 并与DOC显著正相关.
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TOC表示土壤总有机碳, DOC表示溶解性有机碳, LOC表示活性有机碳, MBC表示微生物量碳, POC表示颗粒态有机碳, IOC表示稳定性有机碳, CPAI表示碳库活度指数, CPMI表示碳库管理指数; *表示P＜0.05, **表示P＜0.01, ***表示P＜0.001; 红色表示正相关, 蓝色表示负相关, 颜色深浅表示相关性强弱 图 3 土壤有机碳各组分的相关性 Fig. 3 Correlation analysis of soil organic carbon components |
从表 3可知, 与CK处理相比, RS和RS+L处理的产量和产量构成因子均无显著差异.从表 4可知, RS处理的土壤速效钾含量高于CK处理, 其中惠阳试验点RS处理的速效钾含量显著高于CK处理(P＜0.05), 增幅达23.87%; RS+L处理的土壤pH值显著高于CK处理(P＜0.05); RS和RS+L处理的土壤硝态氮、铵态氮和有效磷含量较CK处理有一定的提高趋势, 但差异不显著.
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表 3 秸秆还田配施石灰对水稻产量及其构成因素的影响1) Table 3 Effects of straw returning with lime on the yield of rice |
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表 4 秸秆还田配施石灰对土壤理化性质的影响 Table 4 Effects of straw returning with lime on the soil properties |
2.6 秸秆还田配施石灰对有机碳和碳库管理指数的综合影响
以TOC、DOC、LOC、POC、MBC、IOC、MBC、CPAI、CPMI、NO3--N、NH4+-N、AP、AK、pH和水稻产量为原始变量, 采用主成分降维分析方法, 探讨秸秆还田配施石灰对有机碳和碳库管理指数的综合影响, 其结果如图 4所示.从图 4(a)可知, 通过主成分将各种有机碳指标降维为主成分一(PC1)和主成分二(PC2).PC1主要由TOC、DOC、POC、MBC、LOC和CPMI等土壤有机碳指标构成, PC2主要由CPAI和IOC等土壤有机碳指标构成.从图 4(b)可知, CK、RS和RS+L处理在PC1和PC2平面上的空间分布相对聚集, 重复性高; RS和RS+L处理在PC1和PC2平面上的空间分布相对集中, 均沿着PC1和PC2的正轴方向与CK处理明显分开, 说明RS和RS+L处理的有机碳含量和组分构成情况较接近, 且区别于CK处理.其中, RS与CK处理的置信区间有一定的交叉, 而RS+L处理则明显远离CK处理.从图 4(a)可知, 与CK处理相比, RS和RS+L处理整体往土壤有机碳含量和碳库管理指数提升的方向迁移, 尤其与POC、MBC和IOC提升的方向高度重合; 同时, RS+L处理的迁移距离较RS处理更大.另外, 与CK处理相比, RS和RS+L处理往pH、NO3--N、NH4+-N、AP和AK提升的方向迁移, 表明秸秆还田配施石灰通过改善酸性水稻土的pH值和养分含量, 驱动MBC和POC等有机碳组分的形成和积累, 促进TOC的提升.水稻产量主要与DOC、LOC、CPAI和CPMI相关, 但对土壤有机碳和碳库管理指数变化的贡献率较低.与CK处理相比, RS和RS+L处理往水稻产量提升的方向迁移小.
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图 4 不同处理土壤有机碳和碳库管理指数的主成分分析 Fig. 4 Principal component analysis of soil organic carbon and carbon pool management index in different treatments |
本研究结果表明, RS+L处理的TOC含量显著高于CK处理(图 1), 表明秸秆还田配施石灰可有效提高酸性水稻土TOC.秸秆还田提高了农田土壤的外源碳输入量, 秸秆进入水稻田后可通过土壤矿物吸附保护、微生物腐解同化等途径转化为土壤有机碳[24, 25]; 另一方面, 秸秆还田后为土壤微生物提供丰富有机养分, 有助于土壤MBC的积累(图 2).也有研究认为, 秸秆还田提高了微生物的数量和活性, 提升了SOC的矿化潜能, 可能造成土壤原SOC含量降低[26, 27].秸秆还田的净固碳效率受气候、种植模式、还田方式和管理措施等因素影响[28].本研究中, RS+L处理可显著提高酸性水稻土TOC, 表明对耕地土壤有机碳的补充量高于激发效应等引起的有机碳损失量, 有利于SOC的净积累[13, 29].其原因可能是: 第一, RS+L处理石灰溶解后释放出钙离子, 能与DOC结合形成矿物态有机碳, 提高SOC的稳定性[30, 31]; 第二, RS+L处理显著提高土壤pH值(表 4), 改善了土壤生境, 促进土壤微生物繁殖和扩繁, 进一步提高MBC含量(图 2)[16, 32]; 第三, RS+L处理显著提高了土壤AK(表 4), 改善了土壤肥力, 可能有助于促进水稻根系生长, 提高水稻根系分泌物和碳沉积, 从而提高SOC含量[16, 33]; 第四, 有研究发现配施石灰可促进秸秆腐殖化, 降低CH4排放, 实现稻田土壤净固碳[34, 35].但是, 施用石灰对农田土壤的固碳效应仍存在争议[16, 36].酸性土壤施用石灰可能会加快有机碳矿化速率, 导致SOC降低[17, 37].有研究发现, 施用石灰的同时, 增加农田土壤的碳输入量, 可实现SOC的净积累[16].本研究中, RS+L处理的秸秆还田量达6 000 kg·hm-2, 通过秸秆还田配施石灰可实现酸性水稻土TOC的净积累.
3.2 秸秆还田配施石灰对酸性水稻土有机碳组分的影响本试验结果表明, RS+L处理的DOC含量高于CK处理, 其增幅随着时间的发展逐渐缩小(图 1), 这与水稻秸秆还田后的腐解特征有关.DOC是土壤活性有机碳组分, 容易受秸秆分解、微生物活动等土壤过程影响.在秸秆还田起始阶段, 秸秆的可溶性类有机化合物快速分解, 秸秆碳释放率大幅提高, 从而显著提升土壤DOC含量[38].随着时间的推移, 秸秆易分解有机物组分大幅度减少, 而以纤维素、木质素等难分解有机物组分为主, 秸秆腐解速率明显放缓, 秸秆碳释放率快速下降[38]; 同时, 秸秆释放的DOC逐渐被土壤微生物吸收和矿化, 或者被土壤矿物吸附, DOC逐渐转化为MBC和POC等有机碳组分[39], 导致DOC含量增幅不断减小.本试验结果表明, 在水稻生长前期, RS+L处理的DOC含量显著高于RS处理(图 2), 这可能是由于增施石灰促进了水稻秸秆腐解.有研究发现, 增施石灰可提高酸性土壤有机碳分解相关功能的微生物和酶活性, 加快秸秆腐解速率[40].吕伟生等[14]研究也发现, 施用石灰显著促进了油菜秸秆还田前中期的腐解速率.
LOC和MBC的转化周期短、生物活性强, 能更灵敏反映土壤有机碳库变化特征.本试验结果表明, RS+L处理的LOC和MBC含量显著高于CK处理(图 2), 其主要原因是: 秸秆还田配施石灰促进秸秆中多糖、纤维素、半纤维素等有机化合物溶解进入土壤溶液, 有助于提高土壤LOC[41]; 同时, 秸秆溶解释放的大量有机物为土壤微生物提供丰富养分, 促进土壤微生物繁殖生长, 从而提高了MBC含量[42]; 另外, 酸性水稻土普遍存在“酸害”、“铝毒”和“缺磷”等土壤障碍, 制约土壤微生物活性和多样性[43].本研究结果表明秸秆配施石灰提高了酸性水稻土的pH值和有效磷含量(表 4), 改善了土壤微生物生境, 可能有助于提高土壤微生物量丰度和活性[44], 土壤微生物进一步促进秸秆中有机化合物的腐解和释放[45], 从而实现LOC和MBC含量的协同提升.
POC是相对稳定的活性有机碳组分, 属于土壤碳库中的“慢库”, 是表征农田土壤固碳潜能的重要指标[46, 47].本试验结果表明, RS+L处理的POC含量显著高于CK处理(图 2).其可能原因是: POC主要来源于未分解或半分解的动植物残体和作物根系残体, 秸秆还田配施石灰提高了酸性水稻土耕层土壤中的秸秆输入量, 从而有利于POC的形成和积累[48]; 其次, 秸秆还田配施石灰改善了酸性水稻土的肥力水平, 可能提高了水稻根系生物量及其残留量, 为POC的形成提供丰富有机碳源[10]; 第三, 秸秆还田配施石灰有助于提高土壤微生物数量, 微生物活动产生的菌丝、氨基糖等有机物质吸附在土壤颗粒表面或进入土壤颗粒缝隙, 从而提高了POC含量[12]; 第四, 酸性水稻土施用石灰可提高土壤黏土矿物的絮凝作用, 改善土壤团聚体的稳定性和结构, 并形成氢氧化物沉淀, 提高POC的稳定性[16, 49].
3.3 秸秆还田配施石灰对酸性水稻土碳库管理指数的影响土壤碳库管理指数可综合反映土壤有机碳数量和质量, 为农田土壤增碳固碳提供了量化依据[23].本研究中, RS+L处理的IOC和CPI显著高于CK处理(表 2), 表明秸秆还田配施石灰有助于提高酸性水稻土碳库的稳定性及其固碳减排能力.相关分析表明(图 3), IOC与MBC和DOC显著相关, 说明秸秆还田配施石灰处理可能通过“微生物碳泵”作用, 通过微生物同化作用将秸秆释放的DOC合成至自身生物量, 并促进IOC的形成和积累[50, 51].主成分分析结果表明, 秸秆还田配施石灰处理提高了土壤pH值、AP和AK等土壤肥力指标, 进而提高了土壤MBC和POC, 驱动土壤IOC的提升(图 4).有研究表明, 土壤微生物在土壤碳库形成和积累过程中具有重要作用, 土壤微生物通过同化作用经由“体内周转”途径将秸秆和土壤里易分解的有机物质转化为微生物生物量和自身代谢产物, 微生物残留物可相对稳定地保存在土壤中, 提高土壤碳库稳定性[52, 53].另外, 土壤微生物残留物更容易与土壤团聚体和土壤矿物等土壤颗粒结合形成矿物结合态有机碳, 土壤团聚体和土壤矿物通过吸附和空间上的物理隔离保护等机制保护SOC免受微生物分解利用, 进而提高SOC的稳定性[54].由于黏土和淤泥等土壤颗粒的物理保护作用, 与颗粒和矿物结合的SOC转化周期更长, 稳定性更高[55].东北黑土的田间试验也发现, 秸秆还田通过协同微生物氮矿化与碳降解功能, 促进颗粒有机碳库的碳积累, 提升SOC的稳定性[56].本研究中, RS+L处理的土壤碳库管理指数和碳库活度指数也有一定程度的提高, 但差异不显著(表 2), 可能是由于“微生物碳泵”作用将部分活性有机碳转化为稳定性有机碳库.
4 结论(1) 秸秆还田配施石灰可有效提高酸性水稻土的TOC, 及DOC、LOC、MBC和POC等有机碳组分含量.
(2) 秸秆还田配施石灰可有效提高酸性水稻土的IOC和CPI, 但对CPAI和CPMI没有影响.
(3) 秸秆还田配施石灰提高了酸性水稻土的pH值和AK, 有助于改善土壤肥力, 但对水稻产量无显著影响.
(4) 秸秆还田配施石灰有助于提高酸性水稻土的有机碳库及其稳定性, 是该类型耕地土壤有机碳提升的有效技术措施.
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