長(zhǎng)期施有機(jī)肥對(duì)黃壤旱地不同粒徑有機(jī)碳礦化的影響

安世花， 李 渝， 王小利*， 段建軍， 張雅蓉， 蔣太明

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站， 貴州 貴陽(yáng) 550006； 3.貴州大學(xué) 煙草學(xué)院/貴州省煙草品質(zhì)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

土壤有機(jī)碳作為土壤肥力的重要指標(biāo)[1]，其輸入方式主要有自然輸入(地上部分的植株落葉和地下部分的根系分泌物)和人為投入(施肥)，輸出主要通過土壤有機(jī)碳礦化釋放CO2。土壤有機(jī)碳的固碳能力是有機(jī)碳輸入和輸出平衡的結(jié)果。不同粒徑有機(jī)碳作為生物有效性的重要限制因子，會(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)與粘土顆粒之間在結(jié)合方式及結(jié)構(gòu)等方面存在差異，也會(huì)影響微生物活性，從而導(dǎo)致不同粒徑有機(jī)碳的礦化存在差異。粒徑小的有機(jī)質(zhì)含量高于大粒徑組分，且小粒徑組分含量越高，土壤有機(jī)碳的礦化越易進(jìn)行[2]。郝瑞軍等[3]指出，水稻土中不同粒級(jí)團(tuán)聚體之間有機(jī)碳礦化速率存在明顯差異，均以1～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體最高， <0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體最低。長(zhǎng)期施肥通過影響土壤氧化還原環(huán)境、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、粒級(jí)分布和養(yǎng)分含量進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的礦化[4-5]。在水稻土、栗褐土、黃土高原區(qū)旱地、南方紅壤旱地上長(zhǎng)期用化肥及有機(jī)無機(jī)肥配施可促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化，且CO2釋放速率在培養(yǎng)前期較高，培養(yǎng)后期趨于穩(wěn)定；就礦化速率和累積礦化量而言，單施有機(jī)肥具有提高作用，而長(zhǎng)期施肥卻降低土壤有機(jī)碳累積礦化量占總有機(jī)碳含量的比例，有利于土壤碳的固持和積累[6-12]。

目前，將不同粒徑組分、長(zhǎng)期施肥和土壤有機(jī)碳礦化結(jié)合在一起研究土壤有機(jī)碳礦化的變化規(guī)律相對(duì)較少。在海拔、氣候、降雨量和溫度相同的條件下，由于水田和旱地的利用方式不同，土壤含水量不一樣，使土壤有機(jī)碳含量具有差異性，土壤有機(jī)碳的礦化作用存在差異。針對(duì)不同粒徑組分旱地土壤有機(jī)碳礦化規(guī)律與施肥的關(guān)系，以貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的黃壤性旱地為研究對(duì)象，研究長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)不同粒徑有機(jī)碳礦化的影響，探討長(zhǎng)期定位施肥下不同粒徑有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳礦化間的關(guān)系，為制定黃壤合理的培肥措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)(106°07′E、26°11′N)，平均海拔1 071 m。氣候溫和，熱量豐富，且熱、水、光同期，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫約15.3℃，年平均日照時(shí)數(shù)約1 354 h，相對(duì)濕度75.5%，全年無霜期約270 d，年降雨量1 100～1 200 mm。試驗(yàn)地為黃壤旱地，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁(yè)巖殘積物。1995年土壤0～20 cm基本性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量15.15 g/kg,全氮0.85 g/kg,全磷0.71 g/kg,全鉀13.29 g/kg,堿解氮67.9 mg/kg,有效磷15.9 mg/kg,速效鉀109.2 mg/kg,pH 5.39。種植作物為單季玉米，品種分別為交3單交( 1995—1998年)、黔單10號(hào)(1999—2000年、2002—2003年)、農(nóng)大108( 2001年) 、黔玉2號(hào)( 2004—2005年)、黔單16號(hào)( 2006—2012年)、金玉818( 2013—2014年)、中農(nóng)大239(2015年)。玉米通常于4月份播種，8月中下旬收獲，玉米秸稈及根茬直接還田，其余時(shí)間休閑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為1995-2017年共22年。試驗(yàn)設(shè)單施有機(jī)肥(M)和不施肥(CK)2個(gè)處理，有機(jī)肥施肥量約為2 000 kg/667m2。采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，不設(shè)重復(fù)，每處理面積340 m2，有機(jī)肥為牛廄肥(含C 413.8 g/kg，N 2.7 g/kg，P2O51.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg)。

1.3 土壤樣品采集

土壤樣品于2017年玉米收獲后進(jìn)行采集。每個(gè)處理區(qū)分為3個(gè)小區(qū)，以“S”形5點(diǎn)取0～20 cm的土壤樣品，混合均勻，每小區(qū)取3次土樣，撿除土壤樣品中的動(dòng)植物殘?bào)w及大顆粒石塊，風(fēng)干后過2 mm篩備用。

1.4 土壤有機(jī)碳的分組

利用濕篩法將過2 mm篩的土壤樣品分為粗顆粒(粒徑>250)、微團(tuán)聚體(53≤粒徑≤250)、單粉粘粒有機(jī)碳(2≤粒徑<53)和單黏粒有機(jī)碳(粒徑<2)4個(gè)組分[13-14]。具體步驟:微團(tuán)聚體分離器套篩由2個(gè)不同目徑的篩子組成，頂部篩為250 μm，底部篩為53 μm。試驗(yàn)開始前固定好套篩，放入盛有一定蒸餾水的鋁盆中，稱取30 g過2 mm篩的風(fēng)干土樣平鋪于頂部篩中，使蒸餾水淹沒土壤高出約3 mm，向頂部篩中加入30個(gè)直徑0.5 mm的玻璃珠，啟動(dòng)裝置，讓其擺動(dòng)20 min，關(guān)閉電源，頂部篩上的物質(zhì)為粗顆粒組分，底部篩上的則是微團(tuán)聚體組分，鋁缽中的水土混合液為單粉粘粒有機(jī)碳，水土混合液在900 r/min下離心7 min后，沉淀部分為單粉粒有機(jī)碳，上層液再在3 200 r/min下離心15 min棄去上清液，沉淀則為單黏粒有機(jī)碳。分離出的各個(gè)粒徑組分用蒸餾水轉(zhuǎn)移至鋁盒中于60℃下烘干，研磨，保存于自封袋中，貼上標(biāo)簽。每個(gè)土樣至少重復(fù)5次以達(dá)到后期礦化培養(yǎng)及各個(gè)粒徑有機(jī)碳測(cè)定所需的質(zhì)量。

1.5 不同粒徑組分的培養(yǎng)

稱取原土、粗顆粒、微團(tuán)聚體、單粉粒和單黏粒4組分各3 g，分別放入已貼好標(biāo)簽的小燒杯中，緩慢加蒸餾水至適度(田間持水量的60%)，轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)瓶中，蓋緊瓶蓋，25℃恒溫暗培養(yǎng)24 h后，向培養(yǎng)瓶中放入裝有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的小燒杯，再蓋緊瓶蓋繼續(xù)暗培養(yǎng)，依次在培養(yǎng)后2 d、4 d、6 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、19 d、22 d、25 d、28 d取出瓶中燒杯，依次加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液、2滴0.5%的酚酞指示劑，再用濃度為0.1 mol/L的HCl滴定(滴定時(shí)先標(biāo)定鹽酸實(shí)際濃度)，溶液由紅色變?yōu)榘咨礊榈味ńK點(diǎn)，記下所消耗的鹽酸量。通過HCl消耗量計(jì)算CO2釋放量[9,15]。培養(yǎng)的土壤用稱質(zhì)量法補(bǔ)充水分至恒重，打開瓶蓋通氣30 min后裝入新盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的燒杯，蓋緊瓶蓋繼續(xù)密閉暗培養(yǎng)。整個(gè)培養(yǎng)過程每個(gè)組分設(shè)置3次重復(fù)，并設(shè)空白對(duì)照。

1.6 測(cè)定方法

不同粒徑有機(jī)碳采用外加熱重鉻酸鉀氧化法[16]測(cè)定，土壤有機(jī)碳含量(CO2，g/kg)、土壤有機(jī)碳礦化速率[CO2，g/(kg·d)]和土壤有機(jī)碳累積礦化量參照郭振等[7]的方法測(cè)定。

采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程Ct=C0(1/ekt) 對(duì)土壤累積礦化的CO2進(jìn)行擬合[8,12, 15]。

1.7 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析和LSD多重比較。用Excel 2010作圖，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程用Origin 9.0 擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑組分土壤有機(jī)碳含量

由圖1可知，與CK相比，長(zhǎng)期施有機(jī)肥能提高不同土壤粒徑組分的有機(jī)碳含量，M處理原土、粗顆粒、微團(tuán)聚體、細(xì)粉粒、細(xì)粘粒的有機(jī)碳含量依次是CK的1.17倍、1.19倍、1.27倍、1.29倍和1.25倍。2個(gè)處理不同粒徑組分的有機(jī)碳含量均存在顯著差異(P<0.05)，且兩者的變化趨勢(shì)一致；4種不同粒徑有機(jī)碳中，CK和M處理均以粗顆粒有機(jī)碳含量最高，分別為14.38 g/kg和17.16 g/kg，以細(xì)粘粒最低，為3.42 g/kg和4.28 g/kg。M處理的粗顆粒有機(jī)碳含量是細(xì)粘粒的4倍，是微團(tuán)聚體和細(xì)粉粒的1.8和2.6倍，CK處理的粗顆粒有機(jī)碳含量則是細(xì)粘粒的4.7倍。在原土有機(jī)碳含量中，4種不同粒徑組分的有機(jī)碳含量所占比例各不相同，其中以粗顆粒最大(CK占47%，M占47%)，細(xì)粘粒最小(CK占10%，M占11%)。

圖1 不同粒徑土壤有機(jī)碳含量

Fig.1 Organic carbon content of soil with different particle sizes

2.2 不同粒徑組分土壤有機(jī)碳礦化速率

從圖2可知，CK和M處理的不同粒徑有機(jī)碳礦化速率規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為先快速下降、緩慢上升、緩慢下降、最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在培養(yǎng)期間，CK和M處理原土及不同粒徑有機(jī)碳礦化速率在0.001 0～0.256 7 g/(kg·d)和0.001 1～0.342 2 g/(kg·d)，土壤有機(jī)碳礦化速率均以培養(yǎng)第2天達(dá)最大值，礦化速率為原土>單粘粒>微團(tuán)聚體>單粉粒>粗顆粒。前6天出現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，CK和M處理原土有機(jī)碳礦化速率分別下降0.217 2 g/(kg·d)和0.292 5 g/(kg·d)，4種不同粒徑有機(jī)碳礦化速率中，CK以粗顆粒下降最快，為0.083 1 g/(kg·d)；單粘粒下降最慢，為0.067 3 g/(kg·d)；而M則以單粘粒下降最快，為0.119 0 g/(kg·d)，粗顆粒下降最慢，為0.085 2 g/(kg·d)。6～12天緩慢上升，CK和M處理的上升幅度都不大，為-0.001 4～0.031 6 g/(kg·d)和-0.011～0.006 1 g/(kg·d)。12～19天緩慢下降，2個(gè)處理下降范圍分別為0.030 8～0.069 2 g/(kg·d)和0.028 9 ～0.048 4 g/(kg·d)。19～28天趨于穩(wěn)定，即CK和M處理原土及不同粒徑有機(jī)碳的礦化速率基本不再變化，趨于穩(wěn)定值。培養(yǎng)期間，CK和M處理各組分的礦化速率與培養(yǎng)時(shí)間符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性表現(xiàn)為極顯著水平(表2)。

圖2 不同粒徑有機(jī)碳化速率

表2 不同粒徑土壤有機(jī)碳礦化速率方程

注：y為CO2產(chǎn)生速率[g/(kg·d)]，x為培養(yǎng)天數(shù)(d)，“**”表示P<0.01。

Note:yis CO2production rate [g/(kg·d)],xis culture days (d), and ** meansP< 0.01.

2.3 不同粒徑組分土壤有機(jī)碳累積礦化量

由圖3可知，CK和M處理原土及4種不同粒徑有機(jī)碳的累積礦化量變化趨勢(shì)基本相同，均表現(xiàn)為隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳累積礦化量逐漸增加，但有機(jī)碳累積釋放強(qiáng)度逐漸減緩，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可顯著提高不同粒徑有機(jī)碳累積礦化量。培養(yǎng)0～16 d土壤有機(jī)碳累積礦化量變化較大，培養(yǎng)16～28 d則基本趨于穩(wěn)定，變化幅度較小。在CK處理中，培養(yǎng)28 d單粉粒有機(jī)碳累積礦化量最高，為3.847 5 g/kg。微團(tuán)聚體、原土、單粘粒居中，粗顆粒最低，為3.072 7 g/kg。而M處理原土及4種不同粒徑有機(jī)碳在每個(gè)培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)累積礦化量的大小差異明顯，在3.65～3.94 g/kg，表現(xiàn)為原土>單粉粒>單粘粒>微團(tuán)聚體>粗顆粒，與粗顆粒相比，原土培養(yǎng)28 d的累積礦化量提高7.95%。

圖3 不同粒徑土壤有機(jī)碳累積礦化量

2.4 不同粒徑土壤有機(jī)碳潛在礦化勢(shì)及周轉(zhuǎn)速率

從表3看出，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥模式下，通過一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程將不同粒徑組分有機(jī)碳累積礦化量與培養(yǎng)天數(shù)進(jìn)行擬合(P<0.01)，得出土壤潛在可礦化有機(jī)碳含量(C0)、有機(jī)碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)速率(k)及擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)礦化指標(biāo)。相關(guān)系數(shù)(R2)均達(dá)0.90以上，與不施肥處理相比，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可增加原土中的潛在可礦化碳含量、周轉(zhuǎn)速率和相關(guān)系數(shù)，但降低了半周轉(zhuǎn)期。在4種不同粒徑有機(jī)碳中，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥增加了粗顆粒和單粘粒的潛在可礦化碳含量，增長(zhǎng)率為7.9%和7.2%，降低了微團(tuán)聚體和單粉粒潛在可礦化碳，以微團(tuán)聚體下降最快，為27.6%。不同粒徑組分的周轉(zhuǎn)速率(k)和半周轉(zhuǎn)期(T1/2)存在差異但未達(dá)到顯著水平(P<0.05)，周轉(zhuǎn)速率為原土>單粘粒>微團(tuán)聚體>粗顆粒>單粉粒，半周轉(zhuǎn)期則與之相反。

表3 不同粒徑有機(jī)碳累積礦化指標(biāo)

注：C0為土壤潛在可礦化有機(jī)碳含量，k為有機(jī)碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)速率，R2為擬合的相關(guān)系數(shù)，T1/2為半周轉(zhuǎn)期，同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:C0is the soil potential mineralized organic carbon content,kis the turnover rate of the organic carbon pool,R2is the fitting correlation coefficient, andT1/2is the semi-turnover period. Different lowercase letters of the same column of data indicate significant differences between treatments (P<0.05).

3 結(jié)論與討論

研究表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥均能增加黃壤旱地不同粒徑土壤有機(jī)碳含量，大小依次是粗顆粒>微團(tuán)聚體>單粉粒>單粘粒，說明粒徑越大，有機(jī)碳含量越高。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)黃壤旱地不同粒徑有機(jī)碳的礦化速率影響較大，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)有機(jī)碳礦化速率呈先快速下降，再緩慢升高和下降，最后趨于穩(wěn)定。整個(gè)礦化過程中4種不同粒徑土粒的累積礦化量是先快速增加，然后緩慢增長(zhǎng)，大小依次是單粉粒>單粘粒>微團(tuán)聚體>粗顆粒。

土壤有機(jī)碳分解釋放出CO2的過程稱為碳礦化，主要受溫度、水分、施肥模式、土壤顆粒結(jié)構(gòu)等的影響。礦化速率大小的變化可以指示土壤的養(yǎng)分通量。研究中，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可提高不同粒徑有機(jī)碳含量，有機(jī)碳含量大小為粗顆粒>微團(tuán)聚體>單粉粒>單粘粒，此結(jié)果與王芳等[16-18]的研究結(jié)果一致，說明大團(tuán)聚體上分布有黏稠劑，而施肥主要提高了黏稠劑的含量，從而促使粗顆粒組分的有機(jī)碳含量提高。

土壤有機(jī)碳因其穩(wěn)定性不同可分為不穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)和穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)，不穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)具有易被土壤微生物分解和易礦化的特點(diǎn)。而后者則具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，在土壤中有利于碳的儲(chǔ)存。研究中，不同粒徑有機(jī)碳礦化速率在培養(yǎng)第2天達(dá)最大值，其原因是試驗(yàn)土壤經(jīng)過1周暗培養(yǎng)后，其微生物活性得到恢復(fù)，培養(yǎng)環(huán)境又提供了充足的養(yǎng)分。黃壤旱地原土及不同粒徑有機(jī)碳礦化速率的變化趨勢(shì)符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，與郝瑞軍等[3]的研究結(jié)果相同。

有研究表明，單獨(dú)施用有機(jī)肥可顯著提高土壤潛在可礦化碳含量，其原因是單獨(dú)施用有機(jī)肥的土壤會(huì)迫使土壤微生物分解大量的有機(jī)質(zhì)才得到相應(yīng)的養(yǎng)分元素。研究中，不施肥與單獨(dú)施用有機(jī)肥處理均以粗顆粒有機(jī)碳的累積礦化量最低，這可能與不同粒徑組分中不穩(wěn)定性有機(jī)碳含量所占的比例不同而導(dǎo)致，說明大團(tuán)聚體有機(jī)碳易被破壞，不利于有機(jī)碳的固定，反之則固碳能力最強(qiáng)，這與劉晶等[19-20]的研究結(jié)果一致。