施豬糞對水稻土有機碳剖面分布的影響

宋哲岳，宋照亮，單勝道

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江臨安 311300）

土壤有機質(zhì)在陸地生態(tài)系統(tǒng)演變和功能方面起著至關(guān)重要的作用［1－2］。土壤有機碳可根據(jù)土壤顆粒的大小分為砂粒（50～2 000 μm），粉粒（2～50 μm）和黏粒（＜2 μm）［3］有機碳。砂粒有機碳主要是處于新鮮的動植物殘體和腐殖化有機物之間暫時的或過渡的有機碳，對土壤環(huán)境和管理措施的變化十分敏感。土壤粉粒有機碳和黏粒有機碳周轉(zhuǎn)較慢［4－5］，其比例大小可間接表征土壤有機碳的抗氧化程度與難利用的程度。目前，國內(nèi)外對旱地不同粒級有機碳的形成、穩(wěn)定性以及與土壤肥力關(guān)系的研究已取得了一定的進展［5－6］，但豬糞等有機肥施加對水稻土等土壤各粒級有機碳分布及穩(wěn)定性的影響研究鮮見報道。土壤中水溶性有機碳（water soluble organic carbon，WSOC）的變化及其結(jié)構(gòu)特征的研究對了解土壤有機質(zhì)質(zhì)量以及土壤養(yǎng)分循環(huán)方面有著重要的作用［7－9］。近年，土壤熱水溶性有機碳（hot water organic carbon，HWOC）的損失預(yù)示易氧化有機養(yǎng)分及微生物量的降低，也表明土壤結(jié)構(gòu)的可能退化。因此，土壤熱水溶性有機碳是土壤質(zhì)量測定的重要組成部分［10］。在中國，施肥（化肥和有機肥）對糧食增產(chǎn)的貢獻率已占到50%以上［11］，然而長期養(yǎng)分非均衡施用及連續(xù)施用無機肥料將導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞以及土壤的物理、化學(xué)、生物化學(xué)質(zhì)量與生產(chǎn)力的下降和有機碳的虧損［12］。畜禽糞便是一種優(yōu)質(zhì)的有機肥料源，它在栽培食用菌、加工飼料、生產(chǎn)沼氣及提升土壤有機碳等方面有很大的用途［13］。本試驗通過長期的不同施豬糞處理，了解土壤總有機碳、土壤熱水溶性有機碳的剖面分布特征，以及有機碳在不同粒級土壤中的分布特征，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及畜禽廢棄物的循環(huán)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江省平湖市，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16.0℃，年平均日照時數(shù)為2 000.0 h，年平均降水量1 170.0 mm，全年無霜期225 d左右。為了解施豬糞對水稻土有機碳的影響，在平湖市開展了水稻土施豬糞試驗。供試水稻土田間（黃斑田）表層土（0～15 cm）基本情況：pH 6.40，總有機碳為 20.95 g·kg－1；粒級組成：砂粒占52.87%，粉粒占44.23%，黏粒占 2.90%（表1）。試驗時間為 1999年 4月至 2009年 4 月，施干質(zhì)量豬糞量 3.75 kg·m－2·a－1于地面上。面積為667 m2·地塊－1，試驗共設(shè)3個處理：①施豬糞0 a的地塊（L0）；②施豬糞 5 a的地塊（L5）；③施豬糞 10 a的地塊（L10）。重復(fù) 3次·處理－1，隨機排列。除豬糞外無其他肥料施加。供試肥料為純豬糞，其有機碳、全磷、有效磷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為252.60，14.70 和 870.80 mg·kg－1。

表1 供試土壤的粒級分布Table 1 Distribution of different sized particles of the soil used in the experiment

1.2 樣品采集與處理

2009年4月，人工開挖土壤剖面到地下水水位為止，自下而上采集土壤剖面樣品（不少于1.0 kg·樣品－1）。采樣深度為85 cm（分 6層，上5層 15 cm，第 6層 10 cm）。樣品現(xiàn)場用聚乙烯塑料袋密封包裝。樣品自然風(fēng)干后，去掉植物根須及植物殘枝和腐葉，粉碎，過篩。用于測pH值和粒度分級的樣品過10目篩，用于其他項目測試的土樣過200目篩。

1.3 樣品測試方法及數(shù)據(jù)處理

樣品常規(guī)分析測定方法見參考文獻［14］。按水土比為2.5∶1.0測定土壤pH值。土壤堿熔后，用鉬藍比色法測定二氧化硅和總磷。重鉻酸鉀法測土壤有機碳（organic carbon，OC）。采用沉降方法［14］，將土壤有機礦質(zhì)復(fù)合體物理分級，然后得到砂粒（50～2 000 μm），粉粒（2～50 μm）和黏粒（＜2 μm）各粒級，各粒級有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（各粒級中的有機碳量/土壤總量）測定采用重鉻酸鉀法?；厥章蕿楦髁＜売袡C碳之和與總有機碳的比值。

采用Microsoft Office Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)、做圖，采用SPSS 13.0軟件進行統(tǒng)計分析，所有測定數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，不同施肥處理之間采用Duncan’s新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果

2.1 施豬糞對水稻土pH值和總有機碳的影響

從表2可以看出：與 L0處理相比，L5處理的 0～15，15～30，30～45 cm土層總有機碳分別增加28.1%，35.1%和29.5%，L10處理的0～15，15～30，30～45 cm土層總有機碳則分別增加47.6%，105.3%和171.7%。以上分析表明：在0～45 cm土層的總有機碳隨施豬糞年限的增加而增加，且隨深度的增加其增加的幅度逐漸提高。在底土層（45～85 cm），施豬糞對其有機碳的分布影響不大。L0，L5，L10各處理在0～45 cm土層范圍內(nèi)隨剖面深度的增加土壤總有機碳逐漸降低，而45～85 cm土層的總有機碳變化不大。L5的45 cm以下土壤的有機碳少于對照處理，可能是初始土壤不均一所致。

pH值隨剖面深度的增加呈逐漸增加的趨勢。L5和L0相比較，除表層0～15 cm土壤pH值差異不顯著外，其他各土層pH值差異均達到顯著水平（P＜0.05）。L10和 L0相比較，15～30，30～45，75～85 cm土層之間pH值差異不顯著，其他各土層差異達顯著水平（P＜0.05）。L10和 L5相比較，0～15，15～30 cm間pH值差異不顯著，其他各土層pH值間差異均達到顯著水平（P＜0.05）。施豬糞地塊的pH值普遍高于無豬糞地塊，其中施加5 a的pH值最大。

2.2 施豬糞對水稻土顆粒有機碳分布的影響

從表3得知：砂粒碳的分布特征和總有機碳的分布特征非常相似。對于砂粒碳，施豬糞顯著增加了各處理 0～45 cm土層中的砂粒碳。L5處理的 0～15，15～30，30～45 cm土層有機碳分別增加39.8%，68.0%和150.8%，L10處理的 0～15，15～30，30～45 cm土層有機碳分別增加36.1%，155.1%和616.4%。L10處理與L5處理相比增加幅度分別為－2.6%，51.9%和185.6%。對于粉粒碳，L10處理的0～45 cm土層顯著高于對照 L0（P＜0.05），且 0～15，15～30，30～45 cm土層有機碳分別增加38.3%，77.3%和88.5%。L10處理與L5處理相比，各土層含量值間差異顯著（P＜0.05），0～15，15～30，30～45，45～60，60～75，75～85 cm土層有機碳分別增加42.8%，79.5%，69.7%，12.5%，12.0%和18.0%，說明施豬糞年限的增加有利于粉粒中有機碳的積累；對于黏粒碳，各土層有機碳含量差異不大。

表2 不同土層次的土壤pH值和總有機碳Table 2 Total organic carbon contents and pH in the differnt soil depths

從圖1得知：對于各個處理剖面，砂粒碳相對百分比隨剖面深度的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，其范圍為7%～77%，是變化范圍最大的；而黏粒碳的百分比例則呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，其范圍為3%～42%；粉粒碳范圍為18%～56%。

2.3 施豬糞對熱水溶性有機碳的影響

從表4中得知：各處理的熱水溶性有機碳隨剖面深度的增加先降低后增加的趨勢。表層土熱水溶性有機碳較高，其原因主要與植物凋落物和根系分布特征有關(guān)。30～60 cm土層，根系難以分布，該土層土壤熱水溶性有機碳較低且變化平緩，這與Flessa［15］的研究結(jié)果一致；60 cm以下土層土壤熱水溶性有機碳又逐漸升高，這是受地下水位影響的結(jié)果［15］，且隨施豬糞年限的增加土壤熱水溶性有機碳逐漸增加。土壤中水溶性有機碳不僅與土壤肥力、植被類型、施肥和季節(jié)等因素有關(guān)，而且受提取方法不同的影響［16］。本研究中不同處理不同層次土壤熱水溶性有機碳占總有機碳比例范圍為2.31%～27.36%。下層土壤熱水溶性有機碳占土壤總有機碳的比例高，可能是總有機碳在土壤剖面下層分布少的緣故。

3 討論

本試驗表明：施豬糞主要增加土壤0～45 cm土層有機碳，且隨施加年限的增加而增加。很多研究者也得出有機無機肥料配施能顯著提高不同類型、氣候條件和利用方式的土壤有機碳含量［4，6，17－19］。如馬力等［19］對長期（26 a）不同施肥處理條件下水稻土有機碳分布變異及其礦化動態(tài)的研究表明，長期施肥使水稻土表層有機碳顯著升高，施有機肥和秸稈還田較單施化肥更能促進土壤表層有機碳累積。又如周萍等［4］對太湖地區(qū)長期（16 a）不同施肥處理（化肥與秸稈配施、化肥與豬糞配施、單施化肥和不施肥）下黃泥土總有機碳及深度分布特征的研究表明，不同施肥處理主要增加耕作層土壤的總有機碳，但是不同施肥處理并沒有改變總有機碳的深度分布格局。這與本研究結(jié)果相符。

本研究0～45 cm土層的砂粒為有機碳主要儲存體，且隨施豬糞年限的增加其有機碳增加。而在45～85 cm土層，有機碳主要儲存于粉粒和黏粒上。許多研究者對有機肥等不同施肥處理條件下黑壚土［20］、黃泥土［4］、 烏泥土［21］、 白土［22］、 紅壤性水稻土［6］耕作層各粒級團聚體中有機碳分布研究也表明，有機碳主要存在于土壤砂粒上，施加有機肥能顯著提高砂粒碳含量。周萍等［4］對太湖地區(qū)長期（16 a）有機肥等不同施肥處理下黃泥土砂粒有機碳深度分布進一步研究表明，不同施肥處理主要影響耕作層土壤的砂粒有機碳及改變砂粒碳的分配比例，但并沒有改變砂粒有機碳的深度分布格局。對土壤有機碳的團聚體物理保護作用研究［23］表明，砂粒作為新增有機碳的主要載體，主要受土壤管理方式的影響；粉粒、黏粒具有保護有機碳的能力，但其保護容量有限，主要受土壤質(zhì)地的影響。本研究土壤質(zhì)地是以粉粒和黏粒為主，粉粒和黏粒本身具有保護有機碳的能力。當(dāng)土壤中施加過量的外源有機物時，耕作層的粉粒和黏粒保護有機碳的容量會達到飽和狀態(tài)，多余的外源有機物被分配到砂粒部分，所以在土壤耕作層中砂粒碳在各粒級碳中所占的比例最大，且隨外源有機物施加年限的增加而增加；而在非耕作層，由于粉粒和黏粒與有機碳結(jié)合能力比砂粒強且自身保護有機碳的容量沒有達到飽和，所以在該層以粉粒碳和黏粒碳為主。由圖2可知：總有機碳和砂粒碳、粉粒碳之間呈極顯著的正相關(guān)性，且隨施豬糞年限的增加相關(guān)性越好，說明土壤總有機碳的增加主要是通過砂粒碳、粉粒碳的增加而增加的。而總有機碳和黏粒碳相關(guān)性不顯著，說明由于物理保護作用，黏粒碳比較穩(wěn)定，受外源碳輸入影響較小。

圖2 土壤總有機碳和各粒級碳之間的關(guān)系Figure 2 Relationship between soil TOC contents and OC contents in different sized soil particles

與對照處理相比，隨施豬糞年限的增加土壤熱水溶性有機碳增加，且各剖面土壤熱水溶性有機碳隨剖面深度增加先降低后升高。王連峰等［24］對長期不同施肥制度下的黑土熱水提取態(tài)有機碳的變化研究表明，與對照處理相比，有機肥和2倍量有機肥都能提高土壤的熱水溶性有機碳，后者的增加幅度更大。對廬山地區(qū)部分闊葉林土壤研究也發(fā)現(xiàn)，水溶性有機碳在0～40 cm土層降低，而在 40～80 cm 土層升高［25］。王艷等［26］研究了長期施肥對設(shè)施蔬菜栽培土壤水溶性有機碳剖面分布的影響表明，各處理水溶性有機碳在土壤剖面 0～20，20～40 和40～60 cm等3個土層中呈高低高的趨勢。王開峰等［27］研究了有機物循環(huán)對紅壤稻田土壤有機碳和熱水可提取碳的影響，發(fā)現(xiàn)在有機物循環(huán)下稻田土壤熱水溶性有機碳隨時間先下降后緩慢上升或趨于穩(wěn)定。許多研究［28］表明，秸稈還田也能夠增加土壤熱水溶性有機碳。有機肥的施入不僅能直接增加土壤有機碳，還通過增加土壤的作物產(chǎn)量和微生物量而提高土壤作物凋落物、根系分泌物以及微生物量等輸入，所以，高量有機肥的施入能大幅度提高土壤熱水溶性有機碳［24］。

表4 土壤中的熱水溶性有機碳及其與總有機碳比值Table 4 HWOC contents in the soil and the ratios of HWOC/TOC

4 結(jié)論

施豬糞增加了土壤的總有機碳，且隨著施加年限的增加而增加。不同處理的0～45 cm土層有機碳差異顯著。隨剖面深度的增加有機碳逐漸降低，且0～45 cm土層中的各分層有機碳差異顯著，45～85 cm土層中的各分層差異不顯著。

砂粒碳剖面分布規(guī)律與總有機碳的相似，即0～45 cm土層與45～85 cm土層有機碳有顯著差異。0～45 cm土層砂粒碳高，且其中的各土層差異顯著?？傆袡C碳和砂粒碳、粉粒碳之間呈顯著的正相關(guān)性關(guān)系。受土壤粉粒和黏粒對有機碳物理保護容量控制，施豬糞土壤的0～45 cm土層以砂粒碳為主，45～85 cm土層則以粉粒碳和黏粒碳為主。

土壤熱水溶性有機碳隨剖面深度增加先降低后增加，且隨施肥年限的增加而增加。土壤熱水溶性有機碳與總有機碳的比值隨剖面深度增加呈緩慢—快速—緩慢增加的趨勢。施豬糞可提高土壤熱水溶性有機碳。

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