黑土團聚體結合碳對不同有機肥施用量的響應

苑亞茹,鄒文秀,郝翔翔,李 娜,尤孟陽,韓曉增,*

1 哈爾濱師范大學地理科學學院,哈爾濱 150025 2 中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點實驗室, 哈爾濱 150081

作為地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要和活躍的碳庫,農(nóng)田土壤有機碳深刻影響著大氣CO2濃度、土壤肥力及其生態(tài)功能,因此,通過合理的管理措施提高農(nóng)田土壤碳截留,對于緩解氣候變化和保障糧食安全具有雙重意義[1]。大量研究顯示,有機肥的施用可以有效地提高農(nóng)田土壤有機碳的水平[2-4],土壤有機碳含量隨著有機肥輸入量的增加呈線性增加[5-6]。然而一些研究顯示,在某些土壤,尤其是有機碳含量高的土壤,有機碳含量并沒有隨著有機碳輸入量的增加而顯著的變化,而是穩(wěn)定在某一特定值[7-9]。表明,土壤對有機碳的固持并非無限度增加,而是存在閾值,即碳飽和水平,一旦達到此值,即使向土壤輸入再多的碳,土壤有機碳含量也不會繼續(xù)增加。因此,研究某種土壤有機碳對有機肥輸入量的響應對于評價其碳匯功能大小與固碳潛力具有重要的意義。

土壤有機碳可分為具有不同周轉周期和生物穩(wěn)定性的有機碳組分。土壤團聚體對土壤有機碳的物理保護是土壤有機碳穩(wěn)定的重要機制[10],目前基于團聚體分組的物理分級方法廣泛應用于土壤有機碳的動態(tài)研究[11-12]。由于不同粒徑團聚體膠結物質和作用強度不同,因此,不同級別團聚體中有機碳受到的保護程度和能力也不同。一般而言,粉粘粒比大團聚體和微團聚體更具穩(wěn)定性,但固持有機碳的能力有限[13]；大團聚體固持有機碳的能力高于微團聚體,但穩(wěn)定性稍差,易受農(nóng)田管理措施等外界環(huán)境條件變化的影響；微團聚體固持有機碳的能力較小,但較大團聚體穩(wěn)定[14]。由于大團聚體和微團聚體自身穩(wěn)定性的差異,大團聚體中粗顆粒有機質穩(wěn)定性相對較差[15],微團聚體,尤其是閉蓄態(tài)微團聚體中細顆粒有機質穩(wěn)定性相對較強[16]。因此,定量研究土壤團聚體及其內部組分有機碳的變化將有助于理解不同管理措施下土壤有機碳的變化及潛在機制。

東北黑土富含有機質,潛在肥力高,是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地。然而,過去幾十年來由于掠奪式的經(jīng)營加之不合理的管理措施,如秸稈移除農(nóng)田和無外源有機肥的投入等,導致黑土有機碳含量顯著下降[17]。這不僅嚴重影響和制約了糧食生產(chǎn),同時造成黑土對大氣CO2“源/匯”效應的改變。研究表明,有機培肥能夠促進土壤的團聚化作用,提升農(nóng)田黑土有機碳的水平[18-19]。然而,目前對于有機碳含量高的黑土,土壤團聚體及其內部組分有機碳對不同有機肥輸入量的響應尚不清楚。因此,本研究以連續(xù)11年不同有機肥用量(0、7.5、15 Mg hm-2a-1和22.5 Mg hm-2a-1)的長期定位試驗為平臺,定量研究不同有機肥施用量下農(nóng)田黑土團聚體結合有機碳的變化,以期從團聚體尺度揭示黑土有機碳的物理穩(wěn)定性機制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗位于黑龍江省海倫市海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(47°26′N,126°38′E),地處我國東北黑土帶的中心區(qū)域。該區(qū)域屬于溫帶大陸性季風氣候,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨,雨熱同季。年均氣溫1.5℃,年均降水量550 mm,65%集中在6—8月。土壤為第四紀黃土狀亞粘土發(fā)育而成的中厚黑土。土壤質地比較粘稠,耕層土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別為258、332 g/kg和410 g/kg。

1.2 試驗設計與樣品采集

長期定位試驗始于2001年,研究選擇以下4個施肥處理：① OM0,不施有機肥,僅施化肥NPK；②OM1,低量有機肥(7.5 Mg hm-2a-1)+化肥NPK；③OM2,中量有機肥(15 Mg hm-2a-1)+化肥NPK；④OM3,高量有機肥(22.5 Mg hm-2a-1)+化肥NPK,有機肥用量以烘干基計,各處理化肥用量相同。每個處理3次重復,隨機區(qū)組排列,小區(qū)面積為12 m×5.6 m。作物種植方式為玉米-大豆輪作,一年一熟制?；适┯昧繛椋河衩?20 kg N/hm2、60 kg P2O5/hm2、30 kg K2O/hm2；大豆20 kg N/hm2、52 kg P2O5/hm2、30 kg K2O/hm2。肥料種類為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。大豆和玉米基肥的施用方式均采用條施,大豆不追肥,玉米的追肥方式為穴施。有機肥為腐熟后的豬糞,C、N含量(以烘干基計)分別為265 g/kg和21 g/kg,于每年秋收后撒施,然后機械翻耕進入土壤。采用傳統(tǒng)耕作方式,耕作深度約為20 cm,秋季作物收獲后地上部秸稈全部移除。土壤樣品于秋季作物收獲后、有機肥施用前采集,采樣深度為0—20 cm,每個試驗小區(qū)按S形布設5個取樣點,然后將土壤樣品均勻混合為1 個混合土樣,用硬紙盒將土樣帶回實驗室,手動剔除礫石、侵入體及粗有機體。當土塊含水量達到塑限時,用手把大土塊沿自然破碎面扳開,待樣品完全風干后,備用。試驗初始土壤的理化性質如下：有機碳28.0 g/kg,全氮2.1 g/kg,全磷0.72 g/kg,全鉀21.2 g/kg。

1.3 測試與分析方法

土壤樣品分級參考Yan等[20]的方法。第一步：采用濕篩法將土壤樣品篩分為4個粒級：>2000 μm團聚體、250—2000 μm團聚體、微團聚體(m, 53—250 μm)和粉黏粒(S&C, <53 μm)；第二步：按全土>2000 μm團聚體和250—2000 μm團聚體的質量百分比稱取大團聚體(M, >250 μm)15 g,采用微團聚體分離裝置將大團聚體分離得到粗顆粒有機質(coarse iPOM)、閉蓄態(tài)微團聚體(mM)和粉粘粒(S&C_M)3個組分；第三步：采用0.5%六偏磷酸鈉溶液分離閉蓄態(tài)微團聚體(mM),得到細顆粒有機質(fine iPOM)和粉粘粒(S&C_mM)2個組分。各步篩分得到的所有組分于60℃烘干稱重。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

土壤全土、團聚體及團聚體內部組分有機碳采用元素分析儀測定(Heraeus Elementar Vario EL,Hanau,Germany)；采用平均重量直徑(Mean Weight Diameters, MWD)作為評價團聚體穩(wěn)定性指標[14]；不同處理間的差異顯著性通過SPSS 16.0采用LSD法進行統(tǒng)計分析,顯著性檢驗設P<0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤總有機碳

與OM0相比,有機培肥處理土壤有機碳含量均有顯著提高,OM1、OM2、OM3分別提高了7.1%、12.4%和15.7%(圖1)。OM3土壤有機碳含量顯著高于OM1,但OM2與OM3或與OM1差異并不顯著。

圖1 不同有機肥施用量對土壤總有機碳含量的影響 Fig.1 Total organic C content of soils across four manure application rate treatmentsOM0：無有機肥, 僅施化肥, only mineral fertilizers with no manure application；OM1：低量有機肥(7.5 Mg hm-2 a-1)+化肥,organic manure at the lowest level (7.5 Mg hm-2 a-1) plus mineral fertilizers；OM2：中量有機肥(15 Mg hm-2 a-1)+化肥, organic manure at the medium level (15 Mg hm-2 a-1) plus mineral fertilizers；OM3：高量有機肥(22.5 Mg hm-2 a-1)+化肥, organic manure at the highest level (22.5 Mg hm-2 a-1) plus mineral fertilizers

2.2 土壤團聚體組成與穩(wěn)定性

不同有機肥施用量并沒有顯著影響>2000 μm團聚體和微團聚體的含量,但對250—2000 μm團聚體和粉粘粒含量影響明顯(圖2)。隨著有機肥施用量的增加,250—2000 μm團聚體含量呈增加趨勢,粉粘粒含量相應呈下降趨勢。OM0、OM1、OM2和OM3處理土壤水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑分別為0.48、0.50、0.57 mm和0.59 mm(圖3)?？梢?與單施化肥相比,有機培肥明顯促進了土壤的團聚化作用,隨著有機肥施用量的增加,土壤團聚體的平均重量直徑增大,土壤團聚體穩(wěn)定性增強,但中量與高量有機肥處理土壤各粒徑團聚體的質量分數(shù)和平均重量直徑均沒有顯著差異(圖2和圖3)。

2.3 土壤團聚體中有機碳的分布

各處理土壤團聚體有機碳濃度均為[>2000 μm團聚體]> [250—2000 μm團聚體]> [53—250 μm微團聚體]> [<53 μm粉粘粒],即團聚體有機碳濃度隨團聚體粒徑增大而增加(圖4)。有機肥的施用并沒有顯著影響粉粘粒結合有機碳濃度(19.0—19.8 g C/kg粉黏粒)；隨著有機肥施用量的增加,大團聚體(>250 μm),尤其 >2000 μm團聚體中有機碳濃度增加趨勢明顯,微團聚體中有機碳濃度呈小幅度增加,而當有機肥施用量最大時,微團聚體中有機碳無顯著變化,僅大團聚體有機碳仍繼續(xù)增加。

圖2 不同有機肥施用量對土壤水穩(wěn)性團聚體質量分數(shù)的影響Fig.2 Weight proportion of water-stable aggregates of soils across four manure application rate treatments

圖3 不同有機肥施用量對土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑的影響Fig.3 The mean weight diameters (MWD) of water-stable aggregates of soils across four manure application rate treatments

2.4 大團聚體內部組分有機碳含量

研究將各處理大團聚體(>250 μm)進一步篩分為粗顆粒有機質、閉蓄態(tài)微團聚體和粉粘粒3個組分(圖5),以分析新增碳在大團聚體中的分配效應。由圖可見,各處理粉粘粒中有機碳含量并沒有顯著變化,粗顆粒有機質和閉蓄態(tài)微團聚體中有機碳含量隨著有機肥施用量的增加呈增加趨勢,但響應程度不同。閉蓄態(tài)微團聚體中有機碳含量對不同有機肥施用量的響應相對較小,有機培肥處理顯著高于單施化肥處理,但低量、中量和高量有機肥處理間沒有顯著差異；粗顆粒有機質中有機碳含量增加則較為明顯,OM1、OM2和OM3處理土壤粗顆粒有機質中有機碳較OM0分別增加了1.8倍、2.1倍和2.3倍。當有機肥施用量達到最高時,僅粗顆粒有機質中有機碳含量升高,其他組分有機碳含量均無顯著變化。

圖4 不同有機肥施用量對土壤團聚體中有機碳濃度的影響 Fig.4 Aggregate associated carbon concentration of soils across four manure application rate treatments

圖5 不同有機肥施用量對大團聚體內部組分有機碳含量的影響 Fig.5 Carbon content of subfractions within macroaggregates of soils across four manure application rate treatments coarse iPOM：大團聚體中粗顆粒有機質, coarse particulate organic matter in macroaggregate；mM：閉蓄態(tài)微團聚體, microaggregate in macroaggregate；S&C_M：大團聚體中粉黏粒組分, silt and clay particles in macroaggregate

圖6 大團聚體中細顆粒有機質與粗顆粒有機質的重量比 Fig.6 Weight ratio of fine inter-macroaggregate particulate organic matter to coarse inter-macroaggregate particulate organic matter (fine iPOM/coarse iPOM) of soils across four manure application rate treatments

2.5 大團聚體的周轉

大團聚體中細顆粒有機質與粗顆粒有機質的比值常作為評價大團聚體周轉速率的指標[11],比值越大,表明大團聚體周轉越慢；相反,比值越小,表明大團聚體周轉越快。如圖6所示,與單施化肥相比,有機培肥處理顯著降低了大團聚體中細顆粒有機質與粗顆粒有機質的比值,隨著有機肥施用量增加,這一比值呈下降趨勢。表明,有機培肥加速了土壤大團聚體的周轉,土壤大團聚體周轉速率隨著有機肥施用量的增加而加快。

3 討論

研究結果顯示,與單施化肥相比,有機培肥處理農(nóng)田黑土有機碳水平均有顯著提升。研究區(qū)由于地上部秸稈全部移除農(nóng)田,因此,有機肥和作物根茬是有機碳輸入的主要來源。有機培肥處理土壤有機碳含量較高與有機肥施用及根茬輸入量增加有關[21]。這與一些長期定位試驗的研究結果類似[3-4]。Yousefi等[6]通過連續(xù)5年向土壤分別施用0、50、75 Mg hm-2a-1和100 Mg hm-2a-1有機肥的試驗顯示,土壤有機碳含量隨著有機肥施用量的增加而呈顯著的線性增加。理論上土壤有機碳含量不可能隨著外源有機碳的投入而無限度增長,任何一種土壤類型在其特定的自然氣候條件和栽培模式下,均應達到自身相應的動態(tài)平衡點并在這一水平下保持相對穩(wěn)定,即處于碳飽和狀態(tài)。Campbell 等[7]基于長達31 年定位試驗的結果顯示,在有機碳含量豐富的土壤中,土壤有機碳含量并沒有隨著外源有機碳輸入增加而變化,而是穩(wěn)定在某一特定水平。本研究結果顯示,對于基礎有機碳水平較高(>27 g C/kg)的東北黑土,連續(xù)11年施用22.5 Mg/hm2豬糞后,土壤有機碳含量仍呈現(xiàn)明顯的增加趨勢,表明黑土對有機碳的固持仍未達到最大容量,黑土黏粒含量較高(>40%)被認為黑土固碳容量較大的重要原因[22]。關于東北黑土有機碳的飽和點,尚有待于進一步深入研究。

研究結果顯示,有機培肥明顯促進了土壤的團聚化作用,土壤大團聚體(>250 μm),尤其是250—2000 μm團聚體含量顯著增加。東北黑土黏粒含量高且以2∶1型黏土礦物為主[23],有機物是2∶1型黏土礦物有效且重要的膠結劑。外源有機肥的施用可以提供更多的有機膠結物質,同時增強土壤微生物活性和增加微生物的代謝產(chǎn)物如多糖等,進而促進了水穩(wěn)性大團聚體的形成[24]。大團聚體比例增加是土壤施用有機肥的一個普遍的特征[3,25-26]。然而,本研究發(fā)現(xiàn),當豬糞用量從0 Mg hm-2a-1增加至 15 Mg hm-2a-1,土壤大團聚體含量呈增加趨勢,但豬糞用量由15 Mg hm-2a-1繼續(xù)增加至22.5 Mg hm-2a-1,土壤各粒級團聚體的質量分數(shù)與穩(wěn)定性均沒有發(fā)生顯著變化。同樣,Leon等[27]連續(xù)4年有機肥施用的試驗結果顯示,與低量有機肥(38 Mg hm-2a-1)相比,高量有機肥(78 Mg hm-2a-1)對土壤團聚化的促進作用并不明顯。Xie等[28]基于30年的定位試驗顯示,與低量豬糞(13.5 Mg hm-2a-1)相比,高量豬糞投入(27 Mg hm-2a-1)反而降低了棕壤大團聚體的含量與穩(wěn)定性。與之相反,Yousefi等[6]通過連續(xù)5年不同用量有機肥試驗(0、50、75 Mg hm-2a-1和100 Mg hm-2a-1)研究顯示,土壤團聚體的平均重量直徑隨著有機肥施用量的增加而呈顯著的線性增加。土壤團聚體粒徑分布與穩(wěn)定性對有機肥用量的響應程度不同可能與外源有機肥投入的數(shù)量及質量、土壤類型、基礎有機碳水平、試驗年限等因素有關。

土壤團聚體處于不斷的形成和破碎,即團聚體周轉的過程,團聚體周轉速率越慢,其保護有機質的能力越強,反之,周轉越快,其保護有機質的能力相對較弱,團聚體中有機質活性相對較強 。Six等[11]認為,隨著新鮮植物殘體輸入土壤,真菌和其他微生物利用粗顆粒有機質(coarse iPOM)形成大團聚體,粗顆粒有機質可再進一步分解成細顆粒有機質(fine iPOM)。如果大團聚體周轉慢,會有更多的細顆粒有機質形成,因此fine iPOM與coarse iPOM比值將會增加；相反,如果大團聚體周轉快,會抑制細顆粒有機質的形成,比值將會下降。因此,將大團聚體中fine iPOM與coarse iPOM的比值作為評價大團聚體的周轉速率的指標。本研究結果顯示,有機培肥加速了大團聚體的周轉,大團聚體的周轉速率隨著有機肥施用量的增加而加快(圖6)。同樣,Gulde等[8]通過對連續(xù) 32 年施加不同量牛糞試驗的研究發(fā)現(xiàn),大團聚體中的fine iPOM與coarse iPOM的比值隨著牛糞施用量的增加而下降,土壤大團聚體周轉加速。劉中良等[29]基于8年不同有機廄肥施用量的長期定位試驗也得到了類似的結果。隨著有機肥施用量的增加,微生物的活性增強,微生物會利用易降解的物質,如植物源的顆粒有機質和多糖等物質,作為其自身的能源物質。多糖作為土壤大團聚體的重要有機膠結物質,微生物對多糖的分解和利用會導致團聚體的破碎。同時,微生物在代謝時會產(chǎn)生新的多糖等膠結物質,這些物質會促進新的團聚體的形成。因此,當有機肥施用量增加時,大團聚體周轉速率加快,成為土壤中相對活躍的物理保護性碳庫。

農(nóng)田黑土不同粒徑團聚體有機碳濃度對不同有機肥施用量的響應不同。有機肥輸入并沒有顯著影響粉黏粒結合有機碳濃度,表明在無外源有機肥輸入的傳統(tǒng)管理措施下,黑土粉黏粒組分已接近或達到碳飽和水平。同時研究發(fā)現(xiàn),隨著有機肥輸入的增加,微團聚體有機碳呈小幅度增加趨勢,而當有機肥輸入量最大時,微團聚體有機碳濃度沒有明顯變化,僅大團聚體(>250 μm)有機碳仍呈顯著增加趨勢(圖4),表明,高量有機肥投入下,微團聚體結合碳庫已達到飽和水平,而更多的新增碳主要向大團聚體富集。通過對大團聚體內部組分有機碳含量進一步的解析發(fā)現(xiàn)(圖5),當外源有機肥輸入量最大時,閉蓄態(tài)微團聚體和粉黏粒結合有機碳濃度均沒有顯著變化,僅粗顆粒有機質中有機碳呈顯著增加,表明,高量有機肥投入下,大團聚體中有機碳的增加主要歸因于粗顆粒有機質(coarse iPOM)的增加。Kool等[30]在團聚體層級發(fā)育模型基礎上提出土壤有機碳的等級飽和模型,指出隨著有機碳輸入的增加,最小粒級的團聚體首先飽和,最大粒級的團聚體最后飽和,最終土壤碳庫飽和。Gulde等[8]基于32年不同有機肥用量(0, 60, 120 Mg hm-2a-1和180 Mg hm-2a-1)的定位試驗驗證了這一理論。本研究結果表明,黑土團聚體對有機碳的固持同樣存在由小到大的等級飽和機制,隨著有機碳輸入的增加,粉粘粒結合有機碳最先達到飽和,然后是微團聚體,而更多的新增碳流向粒徑相對較大的大團聚體,固持在粗顆粒有機質之中。

4 結論

與單施化肥相比,有機培肥處理土壤有機碳水平均有顯著提升,土壤有機碳的增幅隨著有機肥施用量的增加而增大。有機培肥促進了土壤的團聚化作用,隨著有機肥施用量的增加,250—2000 μm團聚體含量增加,粉粘粒含量降低,土壤團聚體的穩(wěn)定性增強,但與中量有機肥處理相比,高量有機肥輸入對土壤團聚化的作用并不明顯。有機培肥加速了土壤大團聚體的周轉,大團聚體周轉速率隨著有機肥施用量的增加而加快。黑土團聚體對有機碳的固持存在由小到大的等級飽和機制,隨著有機碳輸入的增加,粉粘粒結合有機碳最先達到飽和,然后是微團聚體,而更多的新增碳流向周轉不斷加快的大團聚體,固持在活性較強的有機碳庫—粗顆粒有機質之中。