2. 江苏徐淮地区徐州农业科学研究所,江苏徐州 221131
土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库,全球约有1 500 Gt的碳以有机质形态固持在土壤中[1]。土壤碳固持对保持土壤肥力和缓解温室效应具有重要意义,影响着食品安全以及生态环境安全[2-3],因而受到研究者的广泛关注。施肥等农业管理措施是影响农田土壤碳储量的重要因素,但在土壤背景值较大的条件下,很难利用土壤总有机碳来评价不同施肥模式对土壤碳动态的影响[4]。因此,利用土壤碳组分含量变化能更好地把握施肥对土壤有机碳的影响。土壤有机碳作为农作物生产重要的肥力因素,各碳组分含量与土壤肥力密切相关,其中易氧化有机碳(EOC)和颗粒有机碳(POC)是土壤有机碳中周转速度快、较不稳定的部分,能反映土壤碳库的短期变化,是植物营养元素的主要来源,控制着土壤养分的流失; 矿物结合态有机碳(MOC)能稳定储存于土壤中,维持土壤肥力[5-7]。
近年来,国内外关于长期不同施肥下土壤有机碳及碳组分的演变特征已做了大量的研究。Liu等[8]研究了连续16 a黄绵土大豆-玉米轮作体系下不同施肥对土壤有机碳含量的影响,发现长期施用有机肥能显著增加土壤总有机碳含量,而长期单施化肥能减少土壤总有机碳含量; 兰宇等[9]利用棕壤长期定位31 a试验研究了不同施肥条件下表层土壤有机碳的含量和储量特点以及土壤固碳速率,结果表明有机(猪厮肥)无机肥配施有助于土壤固碳速率的提高; 李文军等[10]研究了26 a不同施肥模式对洞庭湖区典型双季稻轮作水稻土总有机碳及组分的影响,表明长期不同施肥有利于提升土壤总有机碳及组分含量,且以氮磷钾化肥配施有机肥处理效果最好; 王玲莉等[11]通过26 a不同施肥对棕壤有机碳组分的影响研究发现,长期单施化肥能降低土壤游离态颗粒有机碳含量,施用猪厮肥和猪厮肥配施化肥能增加土壤有机碳、颗粒有机碳和矿物结合态有机碳含量,且增加效果优于单施化肥。受肥料种类、施肥年限、种植方式、土壤类型等因素影响,对于长期不同施肥(如有机肥和化肥、NPK平衡施用和不平衡施用)如何影响土壤碳组分尚未得出统一的结论,尤其是潮土上的研究尚鲜有报道。
本研究借助潮土长期定位施肥试验平台,探讨长期不同施肥处理对土壤化学性质及易氧化有机碳(EOC)、颗粒有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MOC)等有机碳组分的影响,通过对土壤有机碳组分的分析与评价全面了解施肥对土壤有机碳状况的影响,以期为农业可持续发展提供施肥决策依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验地位于江苏徐淮地区徐州农业科学研究所第13耕作区(117°17′E,34°16′N)。该地处于苏、鲁、豫、皖四省接壤区,属暖温带半湿润气候,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨,年平均气温14℃,全年无霜期约210 d左右,年降水量860 mm。
1.2 供试土壤与作物试验土壤为黄泛冲积母质发育的砂壤质潮土。试验从1980年秋播开始,试验前进行了2季作物的匀地试验。2001年前采用小麦-玉米一年两熟轮作制,2002年后改为小麦-甘薯一年两熟轮作制。试验开始前表层土壤主要理化性状为:pH 8.01,有机质10.80 g·kg-1,全氮0.66 g·kg-1,有效磷12.00 mg·kg-1,速效钾63.00 g·kg-1[12]。
1.3 试验设计试验采用复因子裂区设计,主处理为不施有机肥和施有机肥,共设8个处理:①对照(CK,不施肥),②施氮肥(N),③施氮磷肥(NP),④施氮磷钾肥(NPK),⑤施有机肥(M),⑥施氮肥和有机肥(MN),⑦施氮磷肥和有机肥(MNP),⑧施氮磷钾肥和有机肥(MNPK)。每处理重复4次,随机区组排列,小区面积33.33 m2。
各处理肥料施用情况如表 1。肥料种类为尿素(N 460 g·kg-1)、磷酸二铵(N 180g·kg-1,P2O5 460 g·kg-1)、硫酸钾(K2O 500 g·kg-1)。种植甘薯时,肥料作为基肥一次性施入; 种植小麦时,肥料分为基肥和追肥两次施入,基追比1:1。有机肥为堆积制腐的厩肥,每年施用量(鲜基)为1981-1984年施马粪75 t·hm-2; 1985年以后改为施牛粪37.50 t·hm-2。有机肥平均含纯N为6.31 mg·kg-1、P2O5 5.14 mg·kg-1、K2O 7.39 mg·kg-1,C/N为20.30。
土壤采样时间为2016年10月甘薯收获后,按之字型采集各小区耕层(0~20 cm)的混合土样,样品风干后过1 mm和0.25 mm筛备用。
土壤酸碱度(pH)和电导率(EC)采用pH计(雷磁PHS-3C,上海)和电导率仪(雷磁DDSJ- 308A,上海)测得; 土壤全氮(TN)用半微量凯氏法测定; 土壤有机碳(SOC)用重铬酸钾氧化-外加热法测定; 有效磷用0.5 mol·L-1碳酸氢钠溶液浸提,钼锑抗比色法测定; 速效钾用1.0 mol·L-1醋酸铵溶液浸提,火焰光度计法测定[13]; 土壤易氧化有机碳采用0.02 mol·L-1高锰酸钾氧化法[14]测定; 颗粒有机碳采用六偏磷酸钠分散,重铬酸钾氧化-外加热法测定,矿物结合态有机碳采用差值法求得[15-16]。
1.5 数据处理试验结果统计与分析采用Excel 2013和SPSS 18.0软件进行,所有数据测定结果均以平均值±标准差(Mean ± SD)表示。不同施肥处理之间采用邓肯(Duncan)新复极差法进行差异显著性检验(P < 0.05)。
2 结果 2.1 长期不同施肥下土壤化学性质的变化长期不同施肥对土壤化学性质影响显著(表 2)。与CK相比,NP、NPK、MN、MNP和MNPK处理均使土壤pH显著降低(P < 0.05);单施化肥处理(N、NP和NPK)电导率降低幅度为7.74%~56.35%,施用有机肥处理(M、MN、MNP、MNPK)电导率降低幅度为55.47%~71.27%。施肥能显著增加土壤全氮和有效磷含量(P < 0.05),施有机肥处理土壤全氮、有效磷含量分别较不施有机肥处理平均高75%和10.94倍; NP和NPK处理的土壤有效磷含量较不施肥处理分别高3.9倍和4.4倍。MNPK处理土壤速效钾含量最高,常年不施钾肥的CK、N、NP处理土壤速效钾含量显著低于NPK处理和有机肥处理(P < 0.05)。
施肥(N处理除外)使土壤有机碳(SOC)含量显著增加(P < 0.05)(图 1)。施有机肥处理SOC含量较不施有机肥处理(CK、N、NP和NPK)平均增加86.03%,M、MN、MNP和MNPK处理的SOC含量分别较CK处理高107.9%、133.4%、140.2%、132.1%;对比化肥不同施用模式,不施有机肥情况下,SOC含量总体表现为:NPK > NP > N(P < 0.05),施有机肥情况下,三种化肥施用模式的SOC含量无显著差异(P > 0.05)。
与CK相比,施肥显著增加土壤易氧化有机碳(EOC)含量,MNPK处理对EOC含量的提高效果最为显著,提高比例达72.17%(P < 0.05)(图 2),其次为M处理,MN和MNP处理的EOC含量无显著差异,但显著高于不施有机肥处理。在化肥施用模式一致的条件下,增施有机肥可显著提高土壤EOC含量,MN、MNP和MNPK处理EOC含量分别较N、NP和NPK处理提高23.18%、12.53%和25.92%(P < 0.05)。
土壤中易氧化有机碳分配比例是指EOC在SOC含量中的占比,可反映土壤中易被微生物分解利用的有机碳含量。各施肥处理土壤易氧化有机碳分配比例介于2.45%~4.35%之间,N处理的土壤易氧化有机碳分配比例最高,为4.35%,MN处理最低,为2.45%。施加有机肥后土壤中易氧化有机碳分配比例明显降低(P < 0.05);对比化肥不同施用模式,不施有机肥条件下EOC分配比例总体表现为:N ≥ NP ≤ NPK,施有机肥条件下则表现出相反的规律,即MNPK > MNP = MN(P < 0.05)(图 3)。
与CK相比,施肥(N处理除外)显著增加土壤颗粒有机碳(POC)含量(P < 0.05)(图 4),施有机肥处理的POC含量较不施有机肥处理平均增加92.69%。对比施有机肥处理,MNPK处理的POC含量显著高于M处理和MN处理(P < 0.05),其他处理间POC含量的差异未达到显著性水平(P > 0.05)。对比化肥不同施用模式,NP、NPK处理的POC含量显著高于N处理(P < 0.05)。
施有机肥处理的矿物结合态有机碳(MOC)含量较CK平均增加10.06%(P < 0.05)(图 5),单施化肥不能增加土壤MOC含量(P > 0.05)。在化肥施用模式一致的条件下,增施有机肥可显著提高土壤MOC含量,MN、MNP和MNPK处理MOC含量分别较N、NP和NPK处理高93.04%、79.45%和41.59%,不同化肥施用模式间MOC含量无显著差异。
与CK相比,各施肥处理中仅MNPK处理的POC分配比例和MOC分配比例有显著变化(P < 0.05)(图 6),其中POC分配比例增加了13.33%,MOC分配比例相应降低; N处理的POC分配比例显著低于除MN处理之外的其他施肥处理,其他各施肥处理的POC分配比例和MOC分配比例无显著差异(P > 0.05)。
采用下式计算长期不同施肥模式下土壤中增加的总有机碳进入不同有机碳组分的比例:施肥对有机碳组分的贡献率(%)=(施肥处理土壤中某有机碳组分含量-CK处理中某有机碳组分含量)÷(施肥处理土壤总有机碳含量-CK处理土壤总有机碳含量)×100[17]。结果表明,单施化学N肥条件下,增加的总有机碳基本全部进入MOC组分; 施NP和NPK肥条件下,增加的总有机碳主要进入POC组分; 施M、MN、MNP条件下,增加的总有机碳主要进入MOC组分; 氮磷钾平衡施用并增施有机肥(MNPK)条件下,所增加的总有机碳可1:1进入POC和MOC组分(图 7)。
陆海飞等[18]在长期定位施肥30 a的红壤性水稻土上的研究得出,与CK处理相比,各施肥处理中仅MNPK处理能提升土壤全氮含量,N和NPK处理不能显著提升土壤全氮含量。本研究发现,与CK相比,各施肥处理的土壤全氮含量均显著提升(表 2),这可能是由于各施肥样地长期进行施氮处理和作物根茬、秸秆还田的缘故。相比CK处理,施磷钾肥或有机肥的处理(NPK、M、MN、MNP和MNPK)土壤有效磷和速效钾含量增加,而不施磷钾肥或有机肥的处理(N和NP)土壤速效钾含量降低,有机无机肥配施的MNPK处理有效养分含量最高(表 2),导致这种现象的原因可能是作物生长要不断吸收土壤中的有效养分,根茬和秸秆还田的有效养分量少于作物吸收的量,长期有机无机肥配施可以更好地补充土壤速效养分[19-22]。与CK相比,各施肥处理能显著降低土壤pH和电导率,其中有机无机肥配施对土壤电导率的降低效果优于单施化肥(表 2),这可能是由于常年施用有机肥后,土壤中有机胶体数量增加,吸附盐基离子能力增强。
3.2 长期不同施肥对土壤碳组分的影响本研究结果表明,各施肥处理对土壤有机碳含量的提升效果由高到低依次为有机无机肥配施处理、单施有机肥处理、单施化肥处理(图 1)。龚伟等[23]对华北平原小麦-玉米轮作农田的18 a田间施肥试验研究表明,施用有机肥及有机无机肥配合施用是增加土壤有机碳的关键,与本研究结果一致。在仅施化肥的情况下,与CK相比,NP和NPK处理也显著增加了土壤有机质含量,可能与化肥能促进根系和微生物活动、增加作物生物量和秸秆归还等有关,但增加幅度不如施用有机肥的大; 单施氮肥处理的土壤有机碳含量与CK无显著差异(图 1),这与Treseder[24]和Liu等[25]的研究结果--单施氮肥能减少土壤有机碳含量不一致,分析原因可能一方面与试验年限有关,周晶等[26]总结前人研究发现10 a以上的定位施肥试验的结论均支持施氮肥能增加土壤有机碳,另一方面可能与秸秆、根茬等是否还田有关。
易氧化有机碳具有移动快、稳定性差与易氧化的特点,可以表征土壤有机质短暂的波动情况。本研究中,在不施有机肥的情况下,单施氮肥可促进土壤EOC含量增加,但效果不如NPK平衡施用(图 2);在施入有机肥时,所配施化肥的种类对土壤EOC含量有很大的影响,MN和MNP处理间无显著差异,MNPK处理提升效果最为显著,原因可能是加入有机肥后,供给微生物底物增多,加速了有机物质的周转,释放更多的土壤易氧化有机碳。李忠徽等[27]研究了有机肥施用对黄绵土有机碳组分的影响,发现施有机肥处理土壤EOC含量较不施有机肥处理增加7.8%;陈涛等[28]通过湖南省3个稻田长期定位施肥试验发现,化肥配施有机肥处理的土壤EOC含量显著高于不施肥对照,本研究结果表明施有机肥处理土壤EOC含量较不施有机肥处理增加27.12%,这也证实了前人的研究结论。但赵玉皓等[29]在褐土长期施肥研究中发现,尽管化肥和有机肥配合施用明显提升了土壤EOC含量,但单施化肥或有机肥对土壤EOC无明显影响,出现这种现象的原因可能是肥料养分形态影响了土壤微生物的活动,可能会使土壤EOC的生物消耗变大,土壤EOC总量变化不明显。
贺美等[30]对黑土的研究发现,长期有机无机配施对土壤POC含量提高显著,且有机肥用量越多提高效果越明显。本研究表明,施肥(单施氮肥除外)能显著提高土壤POC含量,有机无机肥配施较单施化肥或有机肥效果显著(图 4)。主要是因为有机肥进入土壤后与部分砂粒结合,直接提供了与POC组成相近的有机碳组分,再加上化肥的配施,也在一定程度上促进了外源有机物料的分解和原有有机物质的周转[31-32],对POC的形成和转化起到了促进作用。各施肥处理(N处理除外)均能在一定程度上增加土壤MOC和POC含量,但从碳组分分配比例来看,有机无机肥配施处理POC分配比例较单施化肥大,其中MNPK处理最高(图 6),主要是因为该处理新鲜有机物料年投入量最大,而新鲜有机物料在逐渐分解过程中优先进入POC组分[33]。施肥对有机碳组分的贡献度因化肥施用模式和有机肥施用与否而不同,单施N肥增加的总有机碳量较少; 施NP和NPK肥增加的总有机碳大多进入POC(图 7),可能与碳输入以根茬和秸秆为主,更有利于POC组分周转有关[34]; 施有机肥条件下,增加的总有机碳在MOC组分的分配率明显提高(图 7),可能与施有机肥能直接提供与MOC组成相近的有机碳组分有关[35]。不同施肥模式对有机碳组分的贡献度不同,分析原因可能是:一方面土壤碳输入类型(如秸秆、有机肥等)的相对比例因施肥处理不同而不同,而不同外源有机物料对POC和MOC的贡献可能是不一致的[36]; 另一方面,不同施肥处理对土壤微生物数量和群落结构的影响不同,施有机肥更有利于微生物数量增加和细菌群落占优势[37],从而更有利于新碳在MOC组分的分配。
4 结论长期施肥可显著改善土壤化学性质,施有机肥处理的土壤有机碳、全氮和有效磷含量较不施有机肥处理平均高86%、75%和10.94倍; 施有机肥能有效降低土壤pH和电导率,有机无机肥配施效果优于单施化肥或单施有机肥。施肥能显著提高土壤易氧化有机碳的含量,MNPK处理对土壤易氧化有机碳含量的提升效果最好,提升比例达72.17%。NPK平衡施用对颗粒有机碳和矿物结合态有机碳含量的提升效果优于仅施氮肥,但差于有机无机配施。MNPK处理所增加的总有机碳在颗粒有机碳与矿物结合态有机碳的分配率基本相等。由此可见,有机肥施用尤其是氮磷钾平衡施用并增施有机肥,对于改善土壤化学性质、提升土壤碳组分含量、促进新碳在各碳组分均衡分配有重要意义。
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