2023, Vol. 44
2. 农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100
2. Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-environment of Northwest, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, China
我国苹果总产量和种植面积在全球占比分别为48.6%和43.3%, 均居世界首位[1], 其中陕西省更是主要的苹果产区之一.陕西渭北旱塬一带, 日照时间长、海拔高且昼夜温差大, 有利于果树的生长, 是我国唯一满足优质苹果生产7项指标要求的区域[2].受传统观念“施肥越多, 产量越高”、“要高产必须多施肥”等影响, 果农过量投入化肥轻施有机肥, 导致果实品质下降、土壤质量降低和温室气体排放等问题[3].因此, 我国农业部推出“两减”行动, 在保证作物不减产和减少对土壤生态破坏的前提下, 有机肥替代化肥的可行性研究成为热点[4].土壤有机碳作为评价土壤肥力的重要指标[5], 在短期内的变化不易体现, 对人为活动和环境因子变化响应不灵敏, 但一些活性指标, 如微生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(EOC)和颗粒有机碳(POC)[6], 虽然占比较少, 但其转换迅速, 是土壤质量改变的敏感指标[7].以上活性碳组分转化周期短且易被微生物分解利用, 可以指示土壤有机碳的早期变化.近年来不少研究学者开始关注土壤有机碳库的稳定性[8, 9], 常用土壤有机碳的物理分组来反映, 根据物理分组可分为颗粒有机碳和矿质结合态碳(MOC), 颗粒有机碳又细划分为游离态颗粒有机碳(FPOC)和闭蓄态颗粒有机碳(OPOC)[10].POC在土壤中周转速度快, 对表层土壤有机物含量变化敏感, 矿质结合态碳属于惰性有机碳, 该组分形态稳定, 不易被微生物分解利用, 因此POC可作为土壤有机碳库变化的敏感指标, MOC对有机碳固存具有重要意义[11, 12].农田生态系统中, 碳库管理指数(carbon pool management index, CPMI)常与土壤碳库和碳库活度结合, 用于表征不同农业管理措施下的土壤碳库状况, CPMI值越高说明农业管理措施对土壤培肥起到的作用越大[13].农业温室气体CH4和CO2作为大气碳素循环的一部分也参与土壤碳库循环, 温室气体排放导致大气温度升高, 温度升高加速了有机碳的分解, 而土壤有机碳分解的加快增加了大气CO2浓度, 从而进一步使大气温度增加[14], 充足的DOC是CH4排放的必要条件[15], 土壤稳定性有机碳含量增加可促进CO2排放[16].
目前我国对果园有机无机肥配施的研究多集中于土壤理化性质[17]、果实品质[18]和生态环境[19, 20]等方面, 关于果园有机无机肥配施对土壤碳库的影响研究较少, 尤其是对活性有机碳的关注甚少.对于渭北旱塬果园, 有机无机肥配施对土壤有机碳库和温室气体影响的长期定位试验也鲜见报道.因此, 本文以苹果园有机无机肥配施13 a长期定位试验为研究对象, 分析了有机无机肥配施对苹果园有机碳组分及碳库管理指数的影响, 并进一步探讨了有机无机肥配施中各有机碳组分含量与CH4和CO2累积排放量之间的相关性, 以期为提高苹果园土壤质量和土壤碳库活性提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验地位于陕西省渭南市白水县西北农林科技大学苹果试验站, 海拔850 m, 该区属暖温带大陆性气候, 年均气温11.4℃, 年降雨量为577.8 mm左右, 土壤类型为黄墡土.2008年0~20 cm土层土壤背景值如表 1所示.
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表 1 土壤背景值 Table 1 Soil background values |
1.2 试验设计
长期试验始于2008年, 已持续定位13 a.供试品种为长富二号(Malus domestica Borkh.), 基砧为M26, 株行距2 m×4 m, 果树于2010年开始挂果.本试验共设置4个处理, 分别为: 不施肥(CK)、单施有机肥(M)、单施化肥(NPK)、有机无机配施(MNPK), 每个处理设置3次重复.有机肥秋季一次性施入, 氮肥分3次施入(秋季65%、坐果期15%、膨果期20%), 磷肥分3次施入(秋季70%、坐果期20%、膨果期10%), 钾肥分3次施入(秋季40%、坐果期20%、膨果期40%).施用肥料为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O516%)和硫酸钾(K2O 50%), 有机肥为羊粪(有机碳35.02 g·kg-1、全氮6.01 g·kg-1、速效磷39 mg·kg-1、速效钾41 mg·kg-1), 基肥为开沟施入, 沟深40 cm, 追肥为穴状施肥, 具体施肥量见表 2, 其中单施化肥处理和有机无机配施处理为等氮量投入(根据有机肥中的氮素含量及矿化量计算出可以用氮含量, 替代相应化学氮肥用量), 单施有机肥处理(M)的氮投入量为68 kg·hm-2, 有机无机配施(MNPK)处理中有机肥提供的氮含量为34 kg·hm-2.
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表 2 试验设计1)/kg·hm-2 Table 2 Experiment design/kg·hm-2 |
1.3 样品采集与测定 1.3.1 土壤样品采集
2021年10月中旬苹果收获后采集0~20 cm土层土壤样品, 采集后分为两部分, 一部分用于测定土壤含水量、速效氮、微生物量碳和可溶性有机碳; 另一部分自然风干用于测定有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳、速效钾、速效磷和pH.土壤pH采用DELTA320 pH计测定(水土比为2.5 ∶1), 有机碳用重铬酸钾外加热法, 速效氮用1 mol·L-1 KCl溶液浸提, 速效磷用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法, 速效钾用1 mol·L-1 NH4OAc浸提-火焰光度法[21].微生物量碳采用氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1 K2SO4浸提[22], 可溶性有机碳采用蒸馏水浸提(土水比为1 ∶5)[23], 易氧化有机碳采用0.333 mol·L-1 KMnO4氧化法[24], 游离态颗粒有机碳采用(1 ∶3)H2SO4-0.2 mol·L-1 K2Cr2O7外加热法测定, 闭蓄态颗粒有机碳和矿物结合态有机碳采用H2SO4-K2Cr2O7外加热法测定[25].
1.3.2 气体样品采集气体样品采集使用静态箱-气相色谱法.从2020年9月开始, 采气间隔为两周一次, 基肥和追肥施入后隔2~3 d测一次, 降雨后适当增加采气频率.气体采集时间为08:00~11:30, 分别在集气箱安置好的第0、10、20和30 min用60 mL注射器抽取4次, 并记录箱内温度, 抽取的气体存于气袋中带回实验室, 用7890B气相色谱仪(美国Agilent公司)进行分析测定CO2和CH4的排放通量.
1.4 计算公式CH4和CO2的气体排放通量计算公式为[26]：
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(1) |
式中, F为气体的排放通量[mg·(m2·h)-1]; H为箱体的高度(m); M为CH4和CO2的摩尔质量(g·mol-1); p为标准大气压, 为1.013×105 Pa; R为普适气体常数, 8.314 J·(mol·K)-1; T为采样时静态箱内平均温度(℃); dc/dt表示单位时间内气体排放速率[mL·(m3·h)-1].
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(2) |
式中, fi为第i次与第i-1次时间间隔内气体累积排放量(mg·m-2); Fi为第i次气体排放通量; Fi-1为第i-1次气体排放通量; d为两个相邻测定日期的间隔天数; n为累积排放量观测时间内总的测定次数.
根据年生育周期内CH4和CO2累积排放量, 计算气体的综合增温潜势(total global warming potential, TGWP, 以CO2计, 单位为kg).其中1个CH4分子在100 a时间尺度下的增温潜势是1个CO2分子的25倍[27].计算公式如下:
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(3) |
碳库管理指数的计算:
以CK处理作为参考土壤, 依据文献[28]计算不同施肥处理下的碳库活度(L)、碳库活度指数(LI)、碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CPMI).将CK处理土壤总有机碳和碳库活动的平均值作为参考土壤的TOC含量和L0值.
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式中, L0为对照的碳库活度.
1.5 数据分析采用Excel 2016进行数据整理计算, Origin 2022作图, 利用IBM SPSS 22.0对数据进行方差齐性检验, 若结果齐性(Sig.>0.05), 采用单因素方差分析进行总体比较, 发现差异用LSD(least significant difference)法对各处理进行多重比较, P＜0.05为差异显著; 若非齐性(Sig.＜0.05), 则对原始数据进行标准化处理, 满足方差齐性检验要求后, 进行统计计算.
2 结果与分析 2.1 施肥方式对苹果园土壤总有机碳和有机碳组分的影响如图 1所示, 各施肥处理对活性有机碳组分提升效果为: M处理>MNPK处理>NPK处理.M和MNPK处理的土壤总有机碳(TOC)较CK处理分别显著提高了104.94%和82.84%;M和MNPK处理ω[微生物量碳(MBC)]分别为352.18 mg·kg-1和382.8 mg·kg-1, 相比于CK处理(230.19 mg·kg-1), 均显著提升, 分别提高了52.99%和66.30%;施用有机肥的M和MNPK处理易氧化有机碳(EOC)含量显著高于CK处理, 增幅分别为123.53%和93.28%, M和MNPK处理颗粒有机碳(POC)含量相较于CK处理提高了218.14%和145.80%.M处理矿质结合态碳(MOC)含量显著高于其它处理, 较CK处理提高了127.77%.
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CK: 不施肥, M: 有机肥, NPK: 单施化肥, MNPK: 有机无机配施; 相同的小写字母表示差异不显著, 不同小写字母表示差异显著(P＜0.05); 下同 图 1 不同施肥处理的土壤有机碳组分含量 Fig. 1 Soil organic carbon content under different fertilization treatments |
如表 3所示, 施用有机肥的M和MNPK处理的MBC和DOC在总有机碳的比例均显著低于CK和NPK处理, 但EOC和POC的比例均高于CK和NPK处理.M处理比例EOC较CK和NPK处理提高了8.73%和8.60%, MNPK处理EOC比例较CK和NPK处理提高了5.46%和5.33%; M处理POC比例较CK和NPK处理提高了46.33%和38.04%, MNPK处理POC比例较CK和NPK处理提高了25.58%和14.57%. M和MNPK处理MOC的比例低于CK和NPK处理, 其中M处理的MOC比例显著降低.
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表 3 土壤活性有机碳组分占总有机碳的比例1) Table 3 Ratio of soil active organic carbon to total organic carbon under different fertilization treatments |
土壤颗粒有机碳(POC)包含游离态颗粒有机碳(FPOC)和闭蓄态颗粒有机碳(OPOC).如图 2, 与CK处理相比, M和MNPK处理POC分配比例和MOC分配比例有变化, 其中处理M达到了显著性水平.和CK和NPK处理相比, M处理的POC分配比例分别增加了86.3%和61.32%, MOC比例则相应地降低, CK和NPK处理的POC分配比例和MOC分配比例无显著差异.
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图 2 不同施肥处理中土壤有机碳组分分配比例 Fig. 2 Distribution ratio of soil organic carbon components in different fertilization treatments |
如表 4所示, M处理的L、LI和CPI较NPK处理分别提高了76.07%、77.12%和86.36%.添加有机肥的M和MNPK处理CPMI比NPK处理显著提高了230.1%和111.35%, 以M处理的CPMI影响最大.因此可知, 单施有机肥可以显著提高苹果园土壤碳库活度(L)、碳库活度指数(LI)、碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CPMI), 而单施化肥对土壤碳库管理贡献不大, 对土壤培肥的效果较差.
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表 4 不同施肥处理的土壤碳库管理指数 Table 4 Soil carbon pool management index under different fertilization treatments |
2.4 施肥方式对产量、CH4与CO2累积排放量的影响
由表 5可知, MNPK处理产量最高, 较CK、M和NPK处理提高了93.87%、31.01%和15.87%.各施肥处理较CK处理CO2累积排放量均有所提高, 其中M处理提升效果显著, 为CK、NPK和MNPK处理的2.44倍、1.68倍和1.44倍.CH4累积排放量在各处理之间并未达到显著水平.通过计算各个处理的全球变暖潜能值(global warming potential, GWP)和温室气体排放强度(greenhouse gas emission intensity, GHGI)可以看出, M和MNPK处理的GWP值较CK处理提高了144.16%和69.85%, 且M显著高于MNPK处理.GHGI值是GWP与产量的比值, M处理的GHGI值显著高于其它处理, MNPK处理最低.
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表 5 不同施肥处理的产量、CH4与CO2累积排放量1) Table 5 Yield, CH4, and cumulative CO2 emissions under different fertilization treatments |
2.5 土壤有机碳组分与CH4与CO2累积排放量的相关性分析
如图 3, 相关性分析表明, SOC、DOC、EOC、POC和MOC与CO2累积排放量之间呈极显著正相关关系(P＜0.01), MBC与CO2累积排放量之间呈显著正相关(P＜0.05), CPMI与CO2累积排放量之间呈极显著正相关关系(P＜0.01), 与SOC、DOC、EOC、POC和MOC呈极显著正相关关系(P＜0.01), SOC与各活性有机碳组分之间均呈极显著正相关关系(P＜0.001).
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*为P＜0.05, **为P＜0.01, ***为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; GT表示地温, SWC表示土壤含水量 图 3 土壤有机碳组分与CH4与CO2累积排放量的相关性分析 Fig. 3 Correlation analysis between soil organic carbon components and cumulative emissions of CH4 and CO2 |
有机无机肥配施对于增加土壤活性有机碳含量具有重要作用[29].本试验经过13a长期定位施肥, 得出各施肥处理均可以提升土壤有机碳含量, 其中M和MNPK处理提升效果显著.土壤活性有机碳只占有机碳很小的一部分, 但可以作为土壤质量和养分循环的敏感指标.本研究表明, 各施肥处理对土壤MBC、DOC、EOC和POC含量的提升效果依次为: M处理>MNPK处理>NPK处理.有机肥投入为微生物提供了足够的碳源和能源, 直接促进了微生物的生长繁殖, 微生物活性提高, 分解释放出更多的活性有机碳, 增加土壤MBC、DOC和EOC含量[30~32].有研究表明, 有机肥施用会增加土壤POC含量[8].有机肥进入土壤后与部分砂粒相结合, 促进了外源有机物料的分解和原来有机物质的周转, 进而对POC的形成和转化起到促进作用[33].
本研究表明, 不同施肥方式对苹果园土壤MBC、DOC、EOC、POC和MOC在TOC的占比存在明显差异.土壤中活性有机碳组分与有机碳的比值能够反映土壤有机碳的活性, 比例越高则该活性有机碳组分对土壤有机碳的贡献率越高[34].TOC的活性程度越高, 即土壤中有机碳转化为微生物生物量的速度越快.本试验发现, 添加有机肥后MBC和DOC的占比下降, 这与郭振等[35]研究的结果有差异, 可能是由于施入一定量的有机肥后, 土壤有机碳的增加幅度大于土壤微生物量碳和可溶性有机碳的幅度[36].不同活性的有机碳组分在苹果园土壤中具有其独特的转化和利用方式, 土壤POC占比以M处理最高, 且与NPK处理有显著差异, 其次是MNPK处理.长期单施化肥只能提高土壤中非活性有机碳含量[37], 导致微生物可利用的碳源减少, 土壤中活性有机碳组分含量下降, MOC占比显著提升.
3.2 长期有机无机配施对土壤碳库管理指数的影响土壤碳库管理指数(CPMI)综合了碳库指数和碳库活度指数, 可以反映土壤质量高低[38, 39].本研究发现, M和MNPK处理的CPMI显著高于NPK处理, NPK处理与CK处理之间CPMI无显著差异.由相关分析可知, CPMI与土壤总有机碳和活性有机碳组分之间存在极显著正相关关系, 这表明施用有机肥对果园土壤具有显著的培肥效应, 使土壤处于良好管理状态, 而单施化肥对土壤培肥效果差.李小磊等[40]通过研究发现, 施用猪粪配施化肥对0~20 cm土层土壤碳库管理指数提升效果最好; 赵营等[41]通过田间定位试验研究发现, 连续施用有机肥定位培肥3 a以上才能显著提高土壤碳库管理指数.本研究在苹果园连续施用有机肥13 a后, M和MNPK处理的碳库管理指数显著高于NPK处理, 这也证实了前人的研究, 说明有机肥及有机无机配施既可以改善土壤质量, 培肥土壤, 也能够提高土壤碳库管理指数, 使土壤肥力水平处于较高状态.
有研究表明, 土壤活性有机碳与碳库管理指数以及物理化学性质具有显著相关性[42, 43], 这与本研究结果一致, 土壤总有机碳与微生物量碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳以及矿质结合态碳都具有极显著的相关性, 说明这些指标可以敏感地反映土壤有机碳库的动态变化.各有机碳组分之间也存在极显著关系, 各有机碳组分之间连接紧密, 相互影响、相互转化.
3.3 长期有机无机配施对CO2和CH4累积排放量及增温潜势的影响本研究发现, 有机无机肥配施后CO2累积排放量增加, 高于NPK处理, 这与前人研究的结果一致[44].有机肥添加后, 土壤微生物活性增强, 土壤质量得到改善, 促进作物根系生长[45], 导致CO2排放量增加, 同时有机无机配施处理增加了土壤有机碳含量, 促进土壤呼吸, 也会增加CO2排放通量[46].旱地苹果园作为CH4的汇[20], 苹果生育期内CH4累积排放量均为负值, 这与其他旱地土壤CH4排放通量研究结果一致[47].增温潜势是评估温室气体对气候潜在效应的指标, 刘晓雨[48]研究表明, 与NPK处理相比, 虽然有机无机配施增加了综合温室效应, 但却提高了作物产量, 降低了GHGI.本研究发现, 有机无机配施不仅能提高产量, 还可以降低GHGI.因此认为, 有机无机配施是实现经济效益和环境效应协调的最佳措施.本研究得出的结论对于苹果园施肥管理措施具有一定的参考价值, 但由于大田试验不可控因素多, 且土壤有机碳循环本身是一个复杂的过程, 对于未涉及到的活性有机碳组分还需要进一步测定, 关于苹果园不同施肥处理对于活性有机碳组分的影响以及活性有机碳各组分与温室气体排放量的关系也有待更加深入地研究.
4 结论长期施用有机肥(M和MNPK)能够明显改善苹果园土壤碳组分, 提高CPMI和土壤质量并维持碳库稳定.有机无机配施处理的产量最高, 温室气体排放强度最低, 相较于单施有机肥明显降低了温室气体增温潜势和排放强度.无论是从经济效益还是环境效应来看, 长期有机无机肥配施都优于单施有机肥.因此, 综合考虑苹果产量和生态环境效益, 有机无机配施是黄土高原旱地苹果园化肥减施、实现绿色可持续发展的关键施肥技术.
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