2. 重庆市江津区农业技术推广中心, 重庆 402260;
3. 四川农业大学资源学院, 成都 611130
2. Chongqing Jiangjin District Agricultural Technology Extension Center, Chongqing 402260, China;
3. College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
紫色土是我国重要的农业土壤, 集中分布于长江上游丘陵山区, 总面积2.19×105 km2[1], 其中, 四川盆地(含重庆)紫色土耕地面积约4 666.67 km2, 占该区域耕地面积的68%[2].由于紫色土具有成土作用迅速、可耕性强和宜种性广等特点, 为四川盆地农业发展提供了重要的生产资料, 并极大地促进了社会经济的发展[3].然而, 土壤的成土特性和肥料的不合理施用导致紫色土酸化严重, 不仅造成土壤肥力下降, 也潜在影响了土壤有机碳的储量, 对生态系统的稳定带来极大挑战.因此, 改良酸化紫色土是促进区域经济发展和保障生态环境安全的重要手段[4, 5].有研究表明, 施用改良剂不仅能缓解土壤酸化, 增加土壤有机质含量[6], 还能调控土壤有机碳库各组分的相互转化, 提升土壤肥力[7, 8].Zhao等[9]对东北黑土的田间试验表明, 玉米秸秆和腐殖质等改良剂的施用不仅提高了土壤的综合肥力, 也使土壤有机质、轻组有机质和活性有机质组分含量分别增加了4.79~9.41、3.01~4.52和4.84~6.39 g·kg-1;Seleem等[10]将禽粪和酒渣混施入埃及石灰性土壤后, 显著增加了土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量, 使土壤有机碳(SOC)和微生物量碳(MBC)含量分别提高了22.5%和70.8%.土壤有机质和养分含量是土壤质量的重要指标, 可以用土壤综合肥力指数(IFI)评价[11, 12].土壤中的活性有机碳库由于其转化速率较快, 具有反映土壤碳循环和指示有效养分周转的关键作用[13], 根据不同活性有机碳指标, Lefroy等[14]和Blair等[15]提出了碳库管理指数(CPMI)的概念.CPMI不仅可以反映土壤有机碳及其组分转化情况, 也能够指示土壤肥力和土壤质量的变化[16].张影等[17]对壤质潮土和砂土的田间试验表明, 施入生物炭和小麦秸秆等改良剂显著增加了土壤中有机碳和全氮含量, 使土壤CPMI提高了31.50%~64.99%;Jiang等[18]研究表明, 于喀斯特地区两个生态站点施用烟草生物炭后, 显著增加了土壤速效磷和有机碳及其组分含量, 土壤CPMI增幅为2.60%~39.23%.
目前对紫色土的改良研究多集中于阐明土壤pH、速效养分与有机碳组分等理化特性对不同改良剂的响应机制, 采用土壤综合肥力指数(IFI)和碳库管理指数(CPMI)作为土壤质量指标来定量评价改良剂对紫色土养分及有机碳组分影响的研究甚少, 其效应及相互关系尚不明确.鉴于此, 为探究4种改良剂对紫色土综合肥力和活性有机碳组分的影响, 本文以重庆市江津区花椒产业园的酸性紫色土为研究对象, 采用田间试验, 对比石灰、有机肥、生物炭和酒糟基生物质灰渣这4种供试改良剂配施化肥对酸性紫色土养分含量、土壤综合肥力指数(IFI)、土壤活性有机碳含量和有效率及土壤碳库管理指数(CPMI)的影响, 以期为紫色土改良及养分管理提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验地位于重庆市江津区先锋镇(E 106°13′03″, N 29°07′13″), 地处江津区中部.江津区紫色土约占耕地面积的78.5%, 主要地形为丘陵, 属亚热带季风湿润气候区, 年平均气温18.4℃.四季分明, 年降雨量930 mm, 无霜期341 d.供试土壤的基本理化性质:pH为4.35, ω(SOM)为9.89 g·kg-1, ω(TN)为1.15 g·kg-1, ω(TP)为0.88 g·kg-1, ω(AP)为90.67 mg·kg-1, ω(AK)为485.4 mg·kg-1.土壤为沙溪庙组母质发育而成的灰棕紫泥土.
1.2 供试材料供试4种改良剂的TOC和TN含量等基本理化性质如表 1所示.生物质灰渣为酒糟在800~900℃有氧灼烧而成, 生物炭由稻壳在400~500℃条件下限氧热解制备.
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表 1 供试土壤改良剂基本性质1) Table 1 Basic properties of the tested soil amendments |
本试验施用的氮、磷和钾肥分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)和硫酸钾(K2O 52%).
1.3 试验设计本试验开展时间为2021年5月至2022年6月, 设置6个处理:①不施肥(CK)、②单施化肥(F)、③石灰+化肥(SF)、④有机肥+化肥(OM)、⑤生物炭+化肥(BF)、⑥酒糟灰渣+化肥(JZ), 每个处理选择5株树冠和树势相近的花椒树作为供试植株, 各处理均设置3个重复, 随机区组排列.于施肥前15 d将酒糟灰渣、石灰、有机肥和生物炭等改良剂一次性均匀撒施于树干左右的土壤表层, 然后翻耕使其与土壤混匀, 施肥时间根据当地施肥习惯确定.各处理改良剂和肥料施用遵循等氮等磷原则, 各处理具体施肥和改良剂施用量见表 2.
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表 2 各处理单株花椒施肥及改良剂总量1) Table 2 Total amount of fertilizer and amendment per plant |
1.4 土样采集、测定与分析方法 1.4.1 土样采集
2022年6月花椒收获后, 分别于树干滴水线内采集表层土壤(0 ~ 20 cm), 将同一处理的5株花椒树干两侧土样采用四分法均匀混合成1个样品, 约4 kg.采集后的土壤样本分为两部分, 一部分存放于-20℃冰箱, 用于土壤微生物量碳及土壤可溶性有机碳测定;另一部分土壤挑出碎石、植物根系残渣后风干过筛, 用于后续其他土壤理化性质的测定.
1.4.2 土样测定及分析方法土壤理化指标均采用鲍士旦[19]的方法测定:pH采用水土比5∶1玻璃电极pH计测定;碱解氮(AN)采用碱解蒸馏法;速效磷(AP)采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法;速效钾(AK)采用火焰光度法;有机质(SOM)采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法;总有机碳(TOC)采用常规的土壤农化方法测定[20].
土壤颗粒有机碳(POC)采用Cambardella等的方法测定[21];土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[22];溶解性有机碳采用Jones等[23]的方法测定.
1.5 数据计算 1.5.1 土壤综合肥力指数(IFI)计算方法用土壤有机质、pH、碱解氮、速效磷和速效钾作为分肥力指标, 计算分肥力指数(IFIi), 然后利用修正的内梅罗公式[24]来计算土壤综合肥力指数(IFI).计算公式为:
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(1) |
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(2) |
式中, IFIi为分肥力指数, X为该属性测定值, Xa为分级标准下限, Xp为分级标准上限, Xc为介于分级标准上、下限之间, Xa、Xc和Xp参考第二次土壤普查标准, 见表 3;IFI为土壤综合肥力指数, IFIi平均为各属性分肥力均值, IFIi最小为土壤各属性分肥力最小值, n为评价指标个数.
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表 3 土壤各属性分级标准值 Table 3 Standard value of classification of soil attributes |
1.5.2 土壤活性有机碳各组分有效率
计算方法[25]:
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计算方法[24]:
采用333 mmol·L-1 KMnO4氧化法测定各处理总活性有机碳(AOC)的含量[25], 以CK处理为参考土壤.ω(总有机碳)为5.38 g·kg-1, ω(总活性有机碳)为1.63 g·kg-1.土壤碳库管理指数计算方法如下:
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基于以上参数可以得到:
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本试验数据利用Excel 2016软件计算和整理后, 采用SPSS 23.0软件对数据进行one-way ANOVA统计分析, 采用Duncan新复极差法(P < 0.05)检验样品之间的差异显著性, 相关性分析采用Pearson法, 显著水平设置为P < 0.05;采用Canoco 5.0软件进行冗余分析;采用Origin 2022软件作图.
2 结果与分析 2.1 4种改良剂对土壤综合肥力指数(IFI)的影响从表 4可知, 施用改良剂显著提高了土壤SOM、AN、AP和AK含量(P < 0.05).相较于CK处理, 有机肥+化肥(OM)处理和酒糟灰渣+化肥(JZ)处理SOM含量提高了108.00%和66.99%;AN含量提高了211.98%和33.70%;AP含量提高了87.84%和58.40%;AK含量提高了98.79%和122.85%.土壤IFI值的范围在1.15~3.11之间, 其中以OM处理和JZ处理提高最为显著(P < 0.05), 与对照相比, 分别提高了1.96和0.77, 增幅为170.43%和66.96%.各处理IFI值高低顺序为:有机肥+化肥(OM) > 酒糟灰渣+化肥(JZ) > 石灰+化肥(SF) > 生物炭+化肥(BF) > 单施化肥(F) > 对照处理(CK), 且处理间IFI值具有显著的统计学差异(P < 0.05), 说明不同改良剂的改良效果差异显著.
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表 4 不同处理土壤肥力指标含量及土壤综合肥力指数1) Table 4 Contents of soil fertility index and indices of soil integrated fertility |
2.2 4种改良剂对土壤碳库组分含量的影响 2.2.1 改良剂对土壤活性碳库各组分含量的影响
由图 1可知, 土壤活性碳库组分含量由高到低依次为:颗粒态有机碳 > 微生物量碳 > 溶解性有机碳.施用不同改良剂对土壤活性碳组分具有显著影响(P < 0.05).作为土壤活性有机碳库的源泉, 颗粒有机碳(POC)在微生物的作用下向其他组分转化.改良剂的施用均增加了土壤中POC含量, 其中以OM处理增幅最大, 相较对照增加了110.30%;JZ处理和BF处理POC含量较对照分别提高了84.81%和82.63%, 且该两处理间无显著的统计学差异(P > 0.05).微生物量碳(MBC)是土壤有机碳最活跃的组分, 含量高低是衡量土壤肥力的重要指标.相比CK处理, OM处理、SF处理和JZ处理土壤MBC含量分别显著提高了61.08%、56.08%和46.56%;BF处理和F处理土壤MBC含量虽然较对照处理略有增加, 但这3个处理间统计学差异并不显著(P > 0.05).各处理间土壤溶解性有机碳(DOC)含量高低顺序为:有机肥+化肥(OM) > 酒糟灰渣+化肥(JZ) > 石灰+化肥(SF) > 生物炭+化肥(BF) > 单施化肥(F) > 对照处理(CK), 与对照相比, OM处理和JZ处理土壤DOC含量分别提高了195.87%和141.67%.
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不同小写字母表示不同处理下土壤活性有机碳组分含量差异显著(P < 0.05) 图 1 4种改良剂处理土壤活性有机碳组分含量 Fig. 1 Content of labile organic carbon fractions in soil treated by four amendments |
由图 2可知, 土壤中不同活性碳组分占总有机碳的比值在不同改良剂下表现不同, 其中颗粒有机碳占总有机碳的比例最大, 其次为微生物量碳和溶解性有机碳.相较CK处理, JZ处理土壤POC有效率显著提高(P < 0.05), SF处理POC有效率显著降低(P < 0.05).OM处理、F处理与CK处理间POC有效率无显著统计学差异[P > 0.05, 图 2(a)].各处理土壤MBC有效率与DOC有效率呈现出不同的趋势, 其反映的数据存在显著差异.除了SF处理与CK处理间MBC有效率无显著统计学差异(P > 0.05), 其余改良剂的施用均降低了MBC有效率, 各处理MBC有效率高低顺序为:石灰+化肥(SF) > 对照处理(CK) > 酒糟灰渣+化肥(JZ) > 有机肥+化肥(OM) > 单施化肥(F) > 生物炭+化肥(BF)处理.另外, 施用改良剂均提高了土壤DOC有效率, 其中以JZ处理、OM处理和SF处理提高最为显著(P < 0.05).
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不同小写字母表示不同处理下土壤活性有机碳组分有效性差异显著(P < 0.05) 图 2 4种改良剂处理土壤活性有机碳组分有效性 Fig. 2 Efficiency of soil labile organic carbon fractions by four amendments |
由表 5可知, 改良剂的施用均显著提高了土壤碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CMPI)(P < 0.05).其中以OM处理提高最为显著, 土壤CPI值和CMPI值较对照分别增加了107.34%和90.75%;与CK处理相比, BF处理和JZ处理的土壤CPI值分别提高了71.23%和66.43%, CPMI值分别提高了59.37%和59.16%, 且该两处理间的CPI与CPMI值分别都不具备显著的统计学差异(P > 0.05).JZ处理、F处理和SF处理的土壤碳库活度(L)与CK处理相比, 分别降低了4.39%、3.64%和2.39%, 且这3个处理间无显著的统计学差异(P > 0.05);SF处理的土壤L值虽然较对照略有下降, 但与对照处理统计学差异并不显著(P > 0.05).改良剂的施用均降低了土壤的碳库活度指数(LI), 其中以OM处理和BF处理下降最为显著(P < 0.05), 较对照分别降低了7.81%和7.32%;与CK处理相比, JZ处理、F处理和SF处理的LI值分别降低了4.39%、3.64%和2.39%, 且这3个处理间统计学差异不显著(P > 0.05).
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表 5 4种改良剂对土壤碳库管理指数(CPMI)的影响1) Table 5 Effect of four amendments on soil carbon pool management index (CPMI) |
2.4 土壤有机碳及其组分与土壤养分关系
如图 3所示, 土壤总有机碳(TOC)与其组分(POC、MBC、DOC)、活性有机碳(AOC)、碳库管理指数(CPMI)、土壤养分(SOM、AN、AP、AK)和综合肥力指数(IFI)均呈显著正相关(P < 0.05);有机碳组分(POC、MBC、DOC)与土壤AOC、CPMI和IFI均呈显著正相关(P < 0.05), 其中MBC和DOC与土壤pH、AK和AP显著正相关(P < 0.05);土壤CPMI与有机碳组分(POC、MBC、DOC)、pH、土壤养分(SOM、AN、AP、AK)和IFI呈显著正相关(P < 0.05).
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*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 土壤有机碳及其组分与土壤养分指标的相关性 Fig. 3 Correlation between soil organic carbon and its components and soil nutrient indexes |
冗余分析结果(图 4), 土壤pH和养分指标(AN、AP、AK、IFI)对土壤有机碳及其组分(TOC、POC、MBC、DOC、AOC、CPMI)的总解释率达到了96.53%, 第一轴解释了变量的88.84%, 第二轴解释了变量的7.69%.图 4中OM、JZ、SF处理和土壤pH、养分指标、有机碳及其组分均位于RDA1轴的左侧, 说明OM、JZ、SF与土壤碳及其组分以及土壤pH和养分均具有高度的正相关性.除了AP和AN, 其余养分指标对土壤有机碳及其组分的解释率均达到显著水平(P < 0.05).其中以IFI对土壤碳及其组分影响最为显著, 解释率达到了74.6%;土壤pH和AK对土壤碳及其组分解释率分别为11.7%、6.5%, AP和AN由于其解释率未达到显著水平, 因此不具备参考价值.
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蓝线表示各土壤有机碳及其组分(响应变量), 红线表示各土壤养分指标(解释变量) 图 4 土壤养分指标对土壤活性碳组分影响的冗余分析 Fig. 4 Redundant analysis of the effects of soil nutrient indexes on soil active carbon components |
土壤肥力是土壤质量的重要组成部分, 反映土壤提供植物所需养分和生物物质的能力, 直接影响着作物的生长发育状况[16].紫色土区农作措施及化肥的不合理施用引起土壤酸化, pH值下降[26].选用pH、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾计算的土壤肥力指数(IFI)可综合表征改良剂对土壤肥力的影响特征[10, 27].李艳霞等[27]和由乐林等[28]的研究表明, 施用改良剂能够提高土壤pH、有机质和速效养分的含量, 改善土壤肥力, 与本文研究结果一致.本试验发现施用的所有改良剂均影响土壤肥力指数相关的5个指标.施用改良剂处理土壤pH值的提高一方面是由于施用的酒糟灰渣(pH = 12.63)和石灰(pH = 12.59)等改良剂本身碱性较高, 能直接减少土壤酸度;另一方面, 在酒糟灰渣施入土壤后, 灰分中的氧化物与二氧化碳反应形成碳酸氢盐, 碳酸氢盐与铝离子及质子反应后导致土壤交换位点的质子数量下降及铝的酸水解减少[29], 土壤pH值由此增加.另外, 本研究结果(表 4)显示, 施用有机或无机改良剂均显著提高土壤有机质及速效养分(氮、磷、钾)含量, 对于有机改良剂(有机肥、酒糟灰渣、生物炭), 其施入土壤后, 自身能向土壤中输入大量有机物质及氮磷钾元素, 增加了微生物活动的底物, 刺激微生物繁殖, 从而加速了土壤养分的转化[30];而无机改良剂(石灰)虽然无法分解产生有机质, 但石灰缓解了土壤的酸性, 改善土壤结构[31], 且施用石灰能增强黏土与有机物的结合能力, 提高土壤团聚体稳定性, 促进作物生长的同时导致输入到土壤中的凋落物增多, 从而提高了土壤微生物的活性, 促进腐殖质的形成及养分的活化[32].
石灰作为改良酸性退化紫色土最常见的改良材料之一[33], 在本研究中, 提高土壤pH效果与施用酒糟灰渣无显著差异的同时, 对土壤肥力的促进效果较酒糟灰渣处理降低(表 4), 由此可见, 酒糟灰渣具有调节土壤pH值的潜力, 在改良酸性土壤方面可以作为一种替代石灰的改良材料.本研究中, OM和JZ处理条件下土壤速效养分含量和土壤肥力指数相较于CK明显提高, 且相比其他改良剂处理的效果更为显著, 说明施用有机肥及酒糟灰渣均显著提高了土壤综合肥力, 改善了酸化紫色土的土壤质量, 能够为花椒的生长提供充足的养分.
3.2 改良剂施用对土壤活性碳组分及碳库管理指数的影响土壤活性有机碳含量对土壤肥力与质量的变化情况比总有机碳更敏感[34].土壤活性有机碳组分虽然占SOC总量的比例较小, 但其有效性较高、转化速率快、易分解, 微生物活性较高[35], 常用颗粒有机碳(POC)、微生物量碳(MBC)和溶解性有机碳(DOC)指标来表征[36, 37].在本研究结果中, 施用改良剂处理土壤POC、MBC及DOC含量和对照相比均提高, 这与陈安强等[38]和Luce等[39]的研究结果一致.不施肥处理由于没有外源养分的输入, 仅通过土壤自身养分作为碳素来源, 造成土壤POC和DOC含量最低, 同时, 土壤微生物以碳素为活动底物, 导致不施肥土壤微生物量碳也处在最低水平.颗粒态有机碳(POC) 是动植物残体向土壤腐殖质转化的活性中间产物, 不稳定, 易降解, 土壤MBC和DOC均由POC经微生物分解转化后形成[40].本研究中OM处理和JZ处理的POC含量均显著高于对照处理(图 1), 与前人的研究结果相似[41].其原因可能是在土壤有机碳积累过程中, 有机肥主要进入颗粒态碳库.而酒糟灰渣有机质含量高且结构疏松, 施入土壤后分解成大量活性固体小颗粒, 这些颗粒主要存在于土壤团聚体孔隙中, 由未分解或正在分解的动植物残体、糖类和半木质素组成[42], 酒糟灰渣等有机物料提高了土壤中团聚体数量, 加速了动植物残体的分解, 从而导致了土壤POC含量的增加.MBC和DOC虽然在土壤中的占比较小, 却是活性有机碳库的重要组分, 其含量的轻微变化就可引起土壤碳循环过程及土壤碳活化能力的改变[43].本研究结果显示, OM和JZ处理的MBC和DOC含量较对照处理均显著提高(图 1), 说明有机肥和酒糟灰渣的施入为土壤直接提供了营养物质和外源碳, 提高了微生物活性, 进而影响土壤有机碳库各组分的相互转化, 改善了土壤环境及质量[16].值得注意的是, 施用石灰处理的土壤MBC含量涨幅与施用有机肥处理及酒糟灰渣处理无显著差异(图 1), 这与李梦丽等[44]的研究结果一致, 说明减少土壤酸度, 将土壤pH维持在微生物活动的适宜区间, 可以在一定程度上促进活性有机碳尤其是微生物量碳的积累.
有研究指出, 活性碳含量在土壤总有机碳中所占的比例比活性碳的绝对含量能更好地反映土壤碳库的现状, 且活性碳与总有机碳之比可以消除土壤总有机碳含量对活性碳的影响[45].本研究结果表明, 各处理间POC组分差异不显著, 施用改良剂MBC组分有效率较对照普遍降低, 而DOC组分有效率上升, 整体上看施用改良剂处理的活性碳组分有效率与对照处理相比虽然降低, 但处理间差异不显著(图 2), 这与沈宏等[25]的研究结果相反, 但与周吉祥等[24]和高欣等[16]的研究结果一致.说明有机肥的添加促进了总有机碳和活性有机碳含量的增加, 但活性有机碳增加的幅度要低于总有机碳, 而稳定态碳含量增加较多, 所以其有效率较CK虽然呈下降趋势, 但并不显著.综上所述, 施入有机肥和酒糟灰渣不仅能增加土壤活性碳库的含量, 促进土壤中有机质的分解和转化, 也能增加土壤稳定性碳库的库容.
土壤碳库管理指数作为反映和评估土壤碳素动态变化的重要指标, 可以灵敏地反映土壤肥力及碳库的变化[46].王晶等[47]的研究得出, 有机肥的施用显著增加了土壤有机碳及活性有机碳含量, 提高了土壤碳库管理指数.孔凡磊等[48]在田间试验的结果表明, 秸秆和菌渣改良剂均可增加沙化土壤有机碳库各组分含量, 提高土壤有机碳周转速率和碳库管理指数.上述报道与本研究施用改良剂均能显著提高土壤碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CPMI)结果一致.另外, 本试验结果表明, 施用改良剂处理的土壤碳库活度(L)和碳库活度指数(LI)均显著降低, 与张璐等[49]和杨旭等[50]施用有机物料对碳库活度指数与碳库活度影响显著的研究结果一致.碳库活度及其指数表明了土壤活性碳含量占土壤非活性碳的比例, 降低的原因是TOC变化的驱动因素, 有机碳的添加随后引起土壤微生物群落的变化, 而微生物又通过合成代谢将非稳态有机质转化为稳定态土壤有机质, 从而促进土壤有机碳固定.上述结果说明, 改良剂能够向土壤输送大量非活性有机碳, 使土壤稳定态碳含量增加, 有利于固定土壤碳, 这与上述的土壤碳素有效率降低的规律一致.
3.3 土壤有机碳及其组分与土壤肥力的关系相关性分析表明有机碳库各组分之间存在密切的转化关系(图 3), 这与杨淑琪等[35]和袁嘉欣等[51]的研究结果一致.土壤有机碳及其活性组分的形成与转化是复杂且多变的过程, 土壤有机质、pH和速效养分水平等因子的共同作用改变了SOC的周转过程, 最终影响SOC及其活性组分的含量.本研究结果表明, 土壤中速效钾含量与土壤有机碳及其各活性组分存在显著正相关关系(图 3), 且冗余分析中对活性碳组分的解释量均达到显著水平(图 4).钾作为重要的土壤养分因子, 其含量高低影响土壤中钾养分可利用性, 改变土壤中微生物群落结构从而改变不同酶的活性, 影响SOC的含量与质量[52];另外, 钾元素也可通过影响植物的生长水平, 从而改变有机质的输入, 最终导致土壤活性碳库组成的变化.
土壤综合肥力指数与土壤碳库管理指数存在显著相关性(图 3), 这与兰延等[53]的研究结果一致, 说明土壤综合肥力指数与碳库管理指数都能作为评价土壤质量的指标.在当地土壤肥力条件下, 改良剂的施用, 尤其是有机肥和酒糟灰渣等的施用, 均能显著提高土壤有机碳质量分数和土壤碳库管理指数, 有利于改善土壤质量, 提高土壤肥力, 为建立退化紫色土可持续的土壤管理和土地利用提供科学依据和参考价值.
4 结论(1) 与对照相比, 施用改良剂均显著提高土壤pH、有机质及速效养分含量, 施用有机肥和酒糟灰渣显著提高了土壤综合肥力指数(IFI).
(2) 施用酒糟灰渣、有机肥使土壤POC、MBC和DOC含量提高显著, 施用改良剂处理后土壤活性碳组分有效率虽然略有降低, 但整体上看与对照处理差异并不显著.改良剂的施用均显著提高土壤碳库管理指数(CPMI), 其中以施用有机肥处理效果最为显著.
(3) 土壤有机碳及其活性组分与土壤综合肥力指数呈显著正相关, 冗余分析表明施用改良剂各处理间分异性显著, 土壤IFI、pH和速效钾对有机碳及其组分的解释率均达到显著水平.
(4) 酸性紫色土施用酒糟灰渣和有机肥不仅能显著提高土壤的综合肥力, 也能够改变土壤有机碳组分的分布特征, 促进碳素活化的同时也具有较好固碳稳库的效果, 是退化酸性紫色土改良及养分管理的有效措施.
[1] |
何毓蓉, 郑霖, 陈学华. 中国紫色土[M]. 北京: 科学出版社, 2003. He Y R, Zheng L, Chen X H. Purple soils in China[M]. Beijing: Science Press, 2003. |
[2] |
中国科学院成都分院土壤研究室. 中国紫色土(上篇)[M]. 北京: 科学出版社, 1991. Soil Research Office of Chinese Academy of Sciences Chengdu Branch. Purple soils in China (1)[M]. Beijing: Science Press, 1991. |
[3] |
黄兴成. 四川盆地紫色土养分肥力现状及炭基调理剂培肥效应研究[D]. 重庆: 西南大学, 2016. Huang X C. Soil fertility status and improvement with carbon-based amendments to purple soil in the Sichuan Basin[D]. Chongqing: Southwest University, 2016. |
[4] |
董杰, 罗丽丽, 杨达源, 等. 三峡库区紫色土坡地土壤退化特征: 土壤养分贫瘠化[J]. 地理与地理信息科学, 2007, 23(6): 58-64. Dong J, Luo L L, Yang D Y, et al. Characteristics of soil degradation of purple soil sloping field in the Three Gorges Reservoir area: Impoverishment of soil nutrient[J]. Geography and Geo-Information Science, 2007, 23(6): 58-64. DOI:10.3969/j.issn.1672-0504.2007.06.014 |
[5] |
刘莉, 李倩, 黄成, 等. 生物质炭和石灰对酸化紫色土的改良效果[J]. 环境科学与技术, 2019, 42(12): 173-179. Liu L, Li Q, Huang C, et al. Ameliorating effects of biochar and lime on acidified purple soil[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 42(12): 173-179. |
[6] |
韩晓芳, 田晓明, 杨永利, 等. 2种土壤复合改良剂对滨海盐渍土的改良及肥力作用[J]. 中国农学通报, 2022, 38(5): 54-59. Han X F, Tian X M, Yang Y L, et al. Two soil compound amendments: improvement and fertility effect on coastal saline soil[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2022, 38(5): 54-59. |
[7] | Tiritan C S, Büll L T, Crusciol C A C, et al. Tillage system and lime application in a tropical region: soil chemical fertility and corn yield in succession to degraded pastures[J]. Soil and Tillage Research, 2016, 155: 437-447. DOI:10.1016/j.still.2015.06.012 |
[8] | Moran-Salazar R G, Sanchez-Lizarraga A L, Rodriguez-Campos J, et al. Utilization of vinasses as soil amendment: consequences and perspectives[J]. SpringerPlus, 2016, 5(1). DOI:10.1186/s40064-016-2410-3 |
[9] | Zhao Z H, Zhang C Z, Wang H Y, et al. The effects of natural humus material amendment on soil organic matter and integrated fertility in the black soil of Northeast China: preliminary results[J]. Agronomy, 2023, 13(3). DOI:10.3390/agronomy13030794 |
[10] | Seleem M, Khalafallah N, Zuhair R, et al. Effect of integration of poultry manure and vinasse on the abundance and diversity of soil fauna, soil fertility index, and barley (Hordeum aestivum L.) growth in calcareous soils[J]. BMC Plant Biology, 2022, 22(1). DOI:10.1186/S12870-022-03881-6 |
[11] |
包耀贤, 徐明岗, 吕粉桃, 等. 长期施肥下土壤肥力变化的评价方法[J]. 中国农业科学, 2012, 45(20): 4197-4204. Bao Y X, Xu M G, Lü F T, et al. Evaluation method on soil fertility under long-term fertilization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(20): 4197-4204. |
[12] |
张建勇, 肖武, 王铮, 等. 基于全排列多边形图示指标法的土壤肥力质量评价[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(10): 1285-1292. Zhang J Y, Xiao W, Wang Z, et al. Evaluation of the quality of soil fertility using entire-array-polygon indicator method[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(10): 1285-1292. |
[13] | Schulz E. Influence of site conditions and management on different soil organic matter (som) pools[J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2004, 50(1): 33-47. DOI:10.1080/03650340310001627577 |
[14] | Lefroy R D B, Blair G J, Strong W M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and 13C natural isotope abundance[J]. Plant and Soil, 1993, 155(1): 399-402. |
[15] | Blair G J, Lefroy R D B, Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1995, 46(7): 1459-1466. DOI:10.1071/AR9951459 |
[16] |
高欣, 赵雪淞, 赵凤艳, 等. 有机培肥对连作花生土壤肥力及活性有机碳库的影响[J]. 土壤通报, 2023, 54(1): 67-76. Gao X, Zhao X S, Zhao F Y, et al. Effect of organic fertilizer on soil fertility and active organic carbon pool in monocultured peanut fields[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2023, 54(1): 67-76. |
[17] |
张影, 刘星, 任秀娟, 等. 秸秆及其生物炭对土壤碳库管理指数及有机碳矿化的影响[J]. 水土保持学报, 2019, 33(3): 153-159, 165. Zhang Y, Liu X, Ren X J, et al. Effects of straw and biochar on soil carbon pool management index and organic carbon mineralization[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(3): 153-159, 165. |
[18] | Jiang M H, Li C B, Gao W C, et al. Comparison of long-term effects of biochar application on soil organic carbon and its fractions in two ecological sites in karst regions[J]. Geoderma Regional, 2022, 28. DOI:10.1016/j.geodrs.2021.e00477 |
[19] | 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. (第三版). 北京: 中国农业出版社, 2000. |
[20] | 中国土壤学会. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000. |
[21] | Cambardella C A, Elliott E T. Particulate soil organic‐matter changes across a grassland cultivation sequence[J]. Soil science society of America journal, 1992, 56(3): 777-783. DOI:10.2136/sssaj1992.03615995005600030017x |
[22] | 吴金水, 林启美, 黄巧云, 等. 土壤微生物生物量测定方法及其应用[M]. 北京: 气象出版社, 2006. |
[23] | Jones D L, Willett V B. Experimental evaluation of methods to quantify dissolved organic nitrogen (DON) and dissolved organic carbon (DOC) in soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(5): 991-999. DOI:10.1016/j.soilbio.2005.08.012 |
[24] |
周吉祥, 张贺, 杨静, 等. 连续施用土壤改良剂对沙质潮土肥力及活性有机碳组分的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(16): 3307-3318. Zhou J X, Zhang H, Yang J, et al. Effects of continuous application of soil amendments on fluvo-aquic soil fertility and active organic carbon components[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(16): 3307-3318. |
[25] |
沈宏, 曹志洪. 长期施肥对不同农田生态系统土壤有效碳库及碳素有效率的影响[J]. 热带亚热带土壤科学, 1998, 7(1): 1-5. Shen H, Cao Z H. Efrect of long-term fertilization on soil available carbon pool and available ratio of soil carbon under different agroecosystems[J]. Tropical and Subtropical Soil Science, 1998, 7(1): 1-5. |
[26] |
凌云, 刘汉燚, 张小婷, 等. 西南地区典型土壤酸化特征及其与重金属形态活性的耦合关系[J]. 环境科学, 2023, 44(1): 376-386. Ling Y, Liu H Y, Zhang X T, et al. Characteristics of typical soil acidification and effects of heavy metal speciation and availability in southwest China[J]. Environmental Science, 2023, 44(1): 376-386. |
[27] |
李艳霞, 赵莉, 陈同斌. 城市污泥堆肥用作草皮基质对草坪草生长的影响[J]. 生态学报, 2002, 22(6): 797-801. Li Y X, Zhao L, Chen T B. The municipal sewage sludge compost used as lawn medium[J]. Acta Ecologica Sinica, 2002, 22(6): 797-801. |
[28] |
由乐林, 谢永红, 王子芳, 等. 改性酒糟生物炭对紫色土养分及酶活性的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(8): 4530-4540. You L L, Xie Y H, Wang Z F, et al. Effects of modified distiller's lees biochar on nutrients and enzyme activities in purple soil[J]. Environmental Science, 2023, 44(8): 4530-4540. |
[29] | Brady N C, Weil R R. The nature and properties of soils (14th ed[M]. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2008. |
[30] | Yang X Y, Ren W D, Sun B H, et al. Effects of contrasting soil management regimes on total and labile soil organic carbon fractions in a loess soil in China[J]. Geoderma, 2012, 177-178: 49-56. DOI:10.1016/j.geoderma.2012.01.033 |
[31] |
杨昕, 王克勤, 宋娅丽, 等. 施用土壤改良剂对坡耕地烤烟土壤有机碳及其组分的影响[J]. 土壤, 2023, 55(1): 178-186. Yang X, Wang K Q, Song Y L, et al. Effects of soil modifiers on soil organic carbon and its components in sloping farmland soil of flue-cured tobacco[J]. Soils, 2023, 55(1): 178-186. |
[32] |
田宁, 黄雪梅, 陈龙池, 等. 施石灰对杉木人工林土壤呼吸及其温度敏感性的影响[J]. 应用生态学报, 2023, 34(5): 1194-1202. Tian N, Huang X M, Chen L C, et al. Effects of liming on soil respiration and its sensitivity to temperature in Cunninghamia lanceolata plantations[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2023, 34(5): 1194-1202. |
[33] |
赵丽芳, 黄鹏武, 杨彩迪, 等. 牡蛎壳粉和石灰改良酸性水稻土对磷有效性、形态和酶活性的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(11): 5224-5233. Zhao L F, Huang P W, Yang C D, et al. Effects of oyster shell powder and lime on availability and forms of phosphorus and enzyme activity in acidic paddy soil[J]. Environmental Science, 2022, 43(11): 5224-5233. |
[34] |
宋瑞朋, 杨起帆, 郑智恒, 等. 3种林下植被类型对杉木人工林土壤有机碳及其组分特征的影响[J]. 生态环境学报, 2022, 31(12): 2283-2291. Song R P, Yang Q F, Zheng Z H, et al. Effects of three understory vegetation types on soil organic carbon and its components in Cunninghamia lanceolata plantation[J]. Ecology and Environment Sciences, 2022, 31(12): 2283-2291. |
[35] |
杨淑琪, 唐芬, 杨桦, 等. 滇南地区桃树种植模式对土壤有机碳组分及碳库管理指数的影响[J]. 生态学报, 2023, 43(1): 290-303. Yang S Q, Tang F, Yang Y, et al. Effects of peach tree planting patterns on soil organic carbon fractions and carbon pool management index in southern Yunnan[J]. Acta Ecologica Sinica, 2023, 43(1): 290-303. |
[36] | Wander M M, Traina S J, Stinner B R, et al. Organic and conventional management effects on biologically active soil organic matter pools[J]. Soil Science Society of America Journal, 1994, 58(4): 1130-1139. DOI:10.2136/sssaj1994.03615995005800040018x |
[37] | Song Y Y, Song C C, Yang G S, et al. Changes in labile organic carbon fractions and soil enzyme activities after marshland reclamation and restoration in the Sanjiang Plain in Northeast China[J]. Environmental Management, 2012, 50(3): 418-426. DOI:10.1007/s00267-012-9890-x |
[38] |
陈安强, 付斌, 鲁耀, 等. 有机物料输入稻田提高土壤微生物碳氮及可溶性有机碳氮[J]. 农业工程学报, 2015, 31(21): 160-167. Chen A Q, Fu B, Lu Y, et al. Exogenous organic materials applied to paddy field improving soil microbial biomass C, N and dissolved organic C, N[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(21): 160-167. DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.021 |
[39] | Luce M S, Whalen J K, Ziadi N, et al. Labile organic nitrogen transformations in clay and sandy-loam soils amended with 15N-labelled faba bean and wheat residues[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 68: 208-218. DOI:10.1016/j.soilbio.2013.09.033 |
[40] | Wander M M, Bidart M G. Tillage practice influences on the physical protection, bioavailability and composition of particulate organic matter[J]. Biology and Fertility of Soils, 2000, 32(5): 360-367. DOI:10.1007/s003740000260 |
[41] |
龚伟, 颜晓元, 蔡祖聪, 等. 长期施肥对小麦-玉米作物系统土壤颗粒有机碳和氮的影响[J]. 应用生态学报, 2008, 19(11): 2375-2381. Gong W, Yan X Y, Cai Z C, et al. Effects of long-term fertilization on soil particulate organic carbon and nitrogen in a wheat-maize cropping system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(11): 2375-2381. |
[42] |
黄璐, 李廷亮, 李顺, 等. 旱地冬小麦夏闲期种植不同豆科绿肥对还田养分和土壤有机碳、氮组分的影响[J]. 生态学杂志, 2022, 41(12): 2335-2343. Huang L, Li Y L, Li S, et al. Effects of planting legume green manure crops in summer fallow period of dryland winter wheat on nutrient returning, soil organic carbon and nitrogen components[J]. Chinese Journal of Ecology, 2022, 41(12): 2335-2343. |
[43] | Li J, Wen Y C, Li X H, et al. Soil labile organic carbon fractions and soil organic carbon stocks as affected by long-term organic and mineral fertilization regimes in the North China Plain[J]. Soil and Tillage Research, 2018, 175: 281-290. DOI:10.1016/j.still.2017.08.008 |
[44] |
李梦丽, 徐墨馨, 陈永山, 等. 石灰性土壤添加不同量碳酸钙对秸秆有机碳矿化的影响[J]. 生态环境学报, 2022, 31(10): 2002-2009. Li M L, Xu M X, Chen Y S, et al. Effects of different amounts of calcium carbonate on the mineralization of straw organic carbon in calcareous soil[J]. Ecology and Environment Sciences, 2022, 31(10): 2002-2009. |
[45] | Leifeld J, Knabner I K. Soil organic matter fractions as early indicators for carbon stock changes under different land-use?[J]. Geoderma, 2005, 124(1-2): 143-155. DOI:10.1016/j.geoderma.2004.04.009 |
[46] |
李硕, 李有兵, 王淑娟, 等. 关中平原作物秸秆不同还田方式对土壤有机碳和碳库管理指数的影响[J]. 应用生态学报, 2015, 26(4): 1215-1222. Li S, Li Y B, Wang S J, et al. Effects of different straw-returning regimes on soil organic carbon and carbon pool management index in Guanzhong Plain, Northwest China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(4): 1215-1222. |
[47] |
王晶, 朱平, 张男, 等. 施肥对黑土活性有机碳和碳库管理指数的影响[J]. 土壤通报, 2003, 34(5): 394-397. Wang J, Zhu P, Zhang N, et al. Effect of fertilization on soil active C and C pool management index of black Soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2003, 34(5): 394-397. |
[48] |
孔凡磊, 刘晓林, 陈伟, 等. 秸秆和菌渣改良剂对高寒沙地土壤有机碳库的影响[J]. 水土保持学报, 2020, 34(4): 288-294. Kong F L, Liu X L, Chen W, et al. Effects of granulated straw and fungus residue amendments on soil organic carbon pool in alpine sandy land[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(4): 288-294. |
[49] |
张璐, 任天宝, 阎海涛, 等. 不同有机物料对烤烟根际土壤碳库、酶活性及根系活力的影响[J]. 中国烟草科学, 2018, 39(2): 39-45. Zhang L, Ren T B, Yan H T, et al. Effects of different organic materials on rhizosphere soil carbon pool, enzyme activity and root activity of flue-cured tobacco[J]. Chinese Tobacco Science, 2018, 39(2): 39-45. |
[50] |
杨旭, 兰宇, 孟军, 等. 秸秆不同还田方式对旱地棕壤CO2排放和土壤碳库管理指数的影响[J]. 生态学杂志, 2015, 34(3): 805-809. Yang X, Lan Y, Meng J, et al. Effects of different stover-incorporation ways on CO2 emission in dryland brown soil and soil carbon pool management index[J]. Chinese Journal of Ecology, 2015, 34(3): 805-809. |
[51] |
袁嘉欣, 杨滨娟, 胡启良, 等. 长江中游稻田种植模式对土壤有机碳及碳库管理指数的影响[J]. 中国生态农业学报, 2021, 29(7): 1205-1214. Yuan J X, Yang B J, Hu Q L, et al. Effects of paddy field cropping patterns on soil organic carbon and carbon pool management index in the middle reaches of the Yangtze River[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(7): 1205-1214. |
[52] |
王玉鑫, 付晓莉, 王辉民, 等. 氮磷添加对杉木根叶分解残余物微生物群落结构及酶活性的影响[J]. 生态学报, 2021, 41(13): 5408-5416. Wang Y X, Fu X L, Wang H M, et al. Effects of nitrogen and phosphorus additions on microbial community structure and enzyme activity in root and leaf debris of Cunninghamia lanceolata [J]. Acta Ecologica Sinica, 2021, 41(13): 5408-5416. |
[53] |
兰延, 黄国勤, 杨滨娟, 等. 稻田绿肥轮作提高土壤养分增加有机碳库[J]. 农业工程学报, 2014, 30(13): 146-152. Lan Y, Huang G Q, Yang B J, et al. Effect of green manure rotation on soil fertility and organic carbon pool[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(13): 146-152. |