沼肥灌施配合機(jī)械深松對(duì)柑橘園土壤團(tuán)聚體組成、有機(jī)質(zhì)含量及礦化特征的影響

羅友進(jìn) 陳 霞 胡佳羽 吳純清 程玥晴 謝永紅 張義剛

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，重慶 401329)

土壤有機(jī)碳庫(kù)在土壤肥力維持與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要作用。土壤有機(jī)碳的固定和礦化過程對(duì)全球大氣CO2濃度起到重要的調(diào)節(jié)作用[1-2]。土壤有機(jī)碳礦化可以逐漸降低土壤中的活性有機(jī)碳含量，同時(shí)土壤理化性質(zhì)、生物性狀、肥力水平等也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[3-4]；另外，土壤有機(jī)碳礦化增加了CO2的釋放量，進(jìn)而增強(qiáng)了溫室效應(yīng)，而氣溫升高又會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化[5-6]。土壤團(tuán)聚體是土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化代謝的主要場(chǎng)所，其分布組成比例會(huì)影響土壤有機(jī)碳含量及其穩(wěn)定性，對(duì)土壤有機(jī)碳固存與分解起著關(guān)鍵作用[7]。苗淑杰等[8]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于東北典型黑土，1～2 mm 和0．053～0．250 mm 土層土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用最大，認(rèn)為是碳分配和礦化作用的綜合結(jié)果。

施肥作為影響土壤有機(jī)碳循環(huán)的重要因素之一，目前已有較多研究評(píng)價(jià)了施肥對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳循環(huán)的影響[9-14]，但有關(guān)果園施肥對(duì)土壤有機(jī)碳礦化影響的研究較少[15-16]。近年來，沼渣沼液肥料化利用越來越受科研工作者的重視，已有研究表明果園施用沼肥不僅能滿足樹體生長(zhǎng)所需養(yǎng)分需求，而且還大幅度提高了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，改善了果園土壤結(jié)構(gòu)[17-20]。隨著果園機(jī)械化耕作水平提高，深松培肥技術(shù)在果園的應(yīng)用越來越廣，但目前關(guān)于沼肥灌施配合機(jī)械深松對(duì)柑橘果園土壤碳影響的研究尚鮮見報(bào)道。因此，本研究以柑橘果園沼肥定位試驗(yàn)土壤為研究對(duì)象，在分析沼肥灌施配合機(jī)械深松對(duì)柑橘果園土壤有機(jī)碳分布特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，對(duì)柑橘果園土壤有機(jī)碳礦化特征進(jìn)行探討，以期為機(jī)械深松果園沼肥合理施用和有機(jī)替代提供科學(xué)與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

供試柑橘品種為10年生渝紅橙，其砧木為枳橙。試驗(yàn)柑橘果園位于重慶市江津區(qū)先鋒鎮(zhèn)仙池壩(29°13′N，106°17′E)，屬丘陵地貌，平均海拔295 m。土壤類型為紫色壤土，土層厚度達(dá)65 cm 以上，土壤pH 值6．3，含有機(jī)質(zhì)10．3 g.kg-1，全氮0．88 g.kg-1，全磷0．26 g.kg-1，全鉀15．2 g.kg-1，堿解氮76．8 mg.kg-1，速效磷38．7 mg.kg-1，速效鉀125．3 mg.kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2014年3月，試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)寬分別為50 m和9 m，種植株、行距為3 m×3 m，以60 cm 排水溝隔離。機(jī)械深松作業(yè)采用翼鏟式深松機(jī)，工作寬幅為2 m，深松行間距為50 cm，翼鏟入土深度大于30 cm。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理：(1) CK：?jiǎn)问└涕賹Ｓ脧?fù)合肥(2 500 kg.hm-2)；(2)T1：沼肥灌施量為45 t.hm-2，未深松；(3)T2：沼肥灌施量為135 t.hm-2，2 條深松溝；(4)T3：沼肥灌施量為180 t.hm-2，3 條深松溝；(5)T4：沼肥灌施量為270 t.hm-2，5 條深松溝；3 次重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列。在柑橘春梢萌發(fā)期和壯果期施用；獨(dú)立排灌，其他生產(chǎn)管理方式保持一致。供試沼肥為基地旁養(yǎng)豬場(chǎng)的液態(tài)沼肥，其干物質(zhì)含量15%，經(jīng)發(fā)酵、剪切、勻漿調(diào)配，pH 值7．2，其養(yǎng)分含量分別為有機(jī)質(zhì)68．50 g.kg-1，全氮5．24 g.kg-1，全磷1．85 g.kg-1，全鉀3．08 g.kg-1。供試復(fù)合肥為九禾股份有限公司生產(chǎn)的柑橘專用復(fù)合肥(氮-磷-鉀配比為18-8-16)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

于2017年6月在每小區(qū)采集土樣，采用隨機(jī)多點(diǎn)采樣法采集0～30 cm 土層土樣，盡量保持原有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。土壤團(tuán)聚體篩選參照文獻(xiàn)[21]，采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[21]。

土壤有機(jī)碳的礦化量測(cè)定采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法[21]。稱取風(fēng)干土樣20．00 g 于500 mL 培養(yǎng)瓶中，加水至田間持水量的60%，隨機(jī)排列置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中，預(yù)培養(yǎng)2 周以恢復(fù)土壤微生物活性。之后將盛有25 mL 0．01 mol.L-1NaOH 溶液的特制玻璃瓶置于培養(yǎng)瓶底，加蓋密封后繼續(xù)培養(yǎng)。于培養(yǎng)后的第1、第3、第5、第7、第10、第15、第21、第28、第42天取出吸收瓶，將其內(nèi)溶液完全洗入三角瓶中，加入2 mL 1 mol.L-1BaCl2溶液及2 滴酚酞指示劑，用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定至微紅色，根據(jù)CO2的釋放量計(jì)算土壤有機(jī)碳的礦化量[4]。采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程模擬土壤有機(jī)碳礦化：

式中，Ct為經(jīng)過t(d)時(shí)間后土壤有機(jī)碳的累積礦化量，mg C.kg-1；C0為土壤潛在礦化碳庫(kù)，mg C.kg-1；C1為土壤快速礦化碳庫(kù)，mg C.kg-1；k 為土壤有機(jī)碳礦化系數(shù)，mg CO2-C.kg-1.d-1。采用Marquardt 方法對(duì)C0和k進(jìn)行方式迭代優(yōu)化。半衰期t1/2(d)：t1/2＝ln2/k。采用初始潛在礦化率(C0k)、t1/2及C0描述礦化過程。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin Pro 8．5 軟件進(jìn)行土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體及其有機(jī)碳含量等指標(biāo)的差異顯著性檢驗(yàn)分析(least significant difference，LSD)和一級(jí)反應(yīng)方程擬合，采用Excel 2003 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體組成

由表1 可知，各處理中不同粒級(jí)團(tuán)聚體含量均存在顯著差異，但不同處理中各粒級(jí)團(tuán)聚體含量高低次序各不相同。在CK、T3 和T4 中以0．25 ～2 mm 團(tuán)聚體含量最高，在T1 和T2 中則以＞5 mm 團(tuán)聚體含量最高。為進(jìn)一步描述不同沼肥灌施量對(duì)土壤團(tuán)聚體分布特征的影響，計(jì)算其平均重量直徑(mean weighted diameter，MWD)。與CK 相比，施用沼肥有利于提高表層土壤團(tuán)聚體平均重量直徑，但其增加量與沼肥灌施量無明顯相關(guān)性。其中，以T1 的增量最大(增幅達(dá)76．8%)，其次是T2 和T4，T3 的增量相對(duì)較少，但增幅也達(dá)到26．9%。

2.2 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布特征

由表2 可知，在CK、T2 和T4 中以0．25 ～2 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高；在T1 和T3 中以2 ～5 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高。在CK 中，0．25 ～2 mm 和＞5 mm土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量明顯高于2～5 mm 和＜0．25 mm 土壤團(tuán)聚體；在T1 和T2 中＞5 mm 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量明顯低于其他各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體；在T3 和T4 中，各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在顯著差異，其中在T3 中各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以2 ～5 mm團(tuán)聚體、0．25 ～2 mm 團(tuán)聚體、＞5 mm 團(tuán)聚體和＜0．25 mm團(tuán)聚體依次下降，在T4 處理中則以0．25 ～2 mm 團(tuán)聚體、2 ～5 mm 團(tuán)聚體、＞5 mm 團(tuán)聚體和＜0．25 mm團(tuán)聚體依次下降。不同沼肥灌施量條件下，同一粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也存在顯著差異，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以T3 最高(除＜0．25 mm 團(tuán)聚體外)。

表1 不同沼肥灌施量下柑橘果園土壤團(tuán)聚體的組成特征Table 1 The characteristics of the soil aggregates composition under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

由表3 可知，沼肥灌施配合機(jī)械深松影響柑橘果園土壤有機(jī)碳含量，其中，T3 土壤有機(jī)碳含量最高，且顯著高于其他處理，其次是T4，CK、T1 和T2 的有機(jī)碳含量相對(duì)較低且處理之間無顯著差異。為探討各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的儲(chǔ)量狀況，計(jì)算各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量(由各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量和其有機(jī)碳含量相乘得到)，同時(shí)計(jì)算其在整個(gè)土層中的貢獻(xiàn)率。在CK、T3 和T4 中，0．25 ～2 mm 團(tuán)聚體是其土壤有機(jī)碳的主要載體，其貢獻(xiàn)率分別為44．70%、48．16%和44．24%；在T1 和T2 中，＞5 mm 團(tuán)聚體是其土壤有機(jī)碳的主要載體，其貢獻(xiàn)率分別為54．38%和35．45%。

表2 不同沼肥灌施量下柑橘果園土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量特征Table 2 The characteristics of the soil organic carbon content of sizes soil aggregates under different biogas fertilizer application in Citrus orchard /(g·kg-1)

表3 不同沼肥灌施量下柑橘果園各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量及貢獻(xiàn)率Table 3 The organic carbon stock and its contribution rate in each sizes soil aggregates under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

2.3 土壤有機(jī)碳礦化特征

由圖1 可知，各處理(除T3 外)土壤有機(jī)碳礦化速率的變化規(guī)律相似，在培養(yǎng)前期(3 d)迅速達(dá)到最大值，之后大幅度下降，至培養(yǎng)28 d 左右回落到一個(gè)低值，之后日礦化速率均較小(約4 mg CO2-C.kg-1.d-1)且逐漸平緩。經(jīng)過3年不同的沼肥灌施量處理，柑橘果園土壤有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量存在一定的差異，因此，有機(jī)碳礦化速率也不同。在培養(yǎng)前10 d，T1 和T4 的土壤有機(jī)碳礦化速率較高，其次是CK，T3 和T2 相對(duì)較低；在培養(yǎng)15 ～28 d 期間，CK 和T1 的土壤有機(jī)碳礦化速率較高，其次是T3，T2 和T4 則相對(duì)較低；在培養(yǎng)28 d 后各處理土壤有機(jī)碳礦化速率差異相對(duì)較小。

圖1 不同沼肥灌施量下柑橘果園土壤有機(jī)碳的日礦化率Fig.1 The daily mineralization rate of soil organic carbon under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

表4 不同沼肥灌施量下柑橘土壤有機(jī)碳礦化擬合模型參數(shù)及決定系數(shù)(R2)Table 4 The fitting model parameters and determination of soil organic carbon mineralization under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

通過土壤有機(jī)碳礦化速率轉(zhuǎn)化得到土壤有機(jī)碳累積礦化量，能夠較直觀地反映土壤有機(jī)碳釋放量的增長(zhǎng)過程，是土壤有機(jī)碳礦速率表征之一。由圖2 可知，同一處理不同培養(yǎng)時(shí)間段土壤有機(jī)碳礦化釋放量的增長(zhǎng)幅度明顯不同，前15 d 釋放量較多，后期釋放量較少。在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，各處理土壤有機(jī)碳累積礦化量在279．83～310．53 mg CO2-C.kg-1之間，占總有機(jī)碳的2．05%～3．05%；其中前15 d，各處理土壤有機(jī)碳累積礦化量在168．42～190．84 mg CO2-C.kg-1之間，占整個(gè)培養(yǎng)周期累積礦化量的58．46%～62．09%。

圖2 不同沼肥灌施量下柑橘果園土壤有機(jī)碳的累積礦化量Fig.2 The cumulative mineralization of soil organic carbon under different biogas fertilizer application in Citrus orchard

運(yùn)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)沼肥灌施配合機(jī)械深松處理柑橘果園土壤有機(jī)碳的累積礦化量進(jìn)行擬合，得到其參數(shù)及決定系數(shù)，如表4 所示。決定系數(shù)R2介于0．985～0．997 之間，表明該模型擬合效果較好。土壤快速礦化碳庫(kù)(C1)以T4 最大，且顯著高于其他處理，其次是T3、T1 和T2，CK 最小。土壤潛在可礦化碳庫(kù)(C0)以T3 最大，其次是CK、T1 和T4，且T3、CK、T1和T4 之間均無顯著差異但顯著高于T2。土壤有機(jī)碳礦化系數(shù)(k)以T1 最大，且顯著高于其他處理，其次是T2、CK、T4，T3 最小且與其他處理間存在顯著差異。此外，在各處理中土壤有機(jī)碳半衰期(t1/2)以T3、T4、CK、T2 和T1 依次下降；易礦化碳庫(kù)(C0+C1)以T3、T4、CK、T1 和T2 依次下降；初始潛在礦化率(C0k)以T1、CK、T4、T2 和T3 依次下降。

2.4 土壤有機(jī)碳礦化參數(shù)與團(tuán)聚體

對(duì)沼肥灌施配合機(jī)械深松處理柑橘果園土壤有機(jī)碳礦化參數(shù)與各粒級(jí)團(tuán)聚有機(jī)碳含量、有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表5 所示。土壤有機(jī)碳礦化系數(shù)(k)與0．25～2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著負(fù)相關(guān)，與＞5 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著正相關(guān)；半衰期(t1/2)與0．25 ～2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著正相關(guān)，與＞5 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著負(fù)相關(guān)；其余各土壤有機(jī)碳礦化參數(shù)與各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量、有機(jī)碳儲(chǔ)量均無顯著相關(guān)性。

表5 土壤有機(jī)碳礦化參數(shù)與團(tuán)聚體有機(jī)碳含量、有機(jī)碳儲(chǔ)量的相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlation coefficients of content and stock of carbon in soil aggregates with parameter in model of soil organic carbon mineralization

3 討論

土壤有機(jī)碳礦化直接影響?zhàn)B分元素釋放與供應(yīng)、土壤肥力維持及溫室氣體排放等，探討土壤有機(jī)碳的礦化規(guī)律對(duì)科學(xué)管理土壤養(yǎng)分具有重要意義[4]。土壤有機(jī)碳的礦化過程受諸多因素影響，如施肥制度[22]、植被覆蓋等[23]；在不同施肥條件下，土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)等屬性均會(huì)發(fā)生改變，影響土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和分解。王義祥等[15]對(duì)不同菌渣肥施用條件下柑橘果園土壤有機(jī)碳礦化的研究結(jié)果表明，各施肥處理土壤CO2累積釋放量由高到低依次為單施有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)肥配施、單施化肥、不施肥處理；但在有機(jī)無機(jī)肥配施處理中，土壤潛在可礦化碳量占有機(jī)碳的比例未隨著有機(jī)肥施用量的增加而增加。本研究結(jié)果表明，各處理中土壤有機(jī)碳的累積礦化量在整個(gè)培養(yǎng)周期整體以T1、T4、CK、T3 和T2 依次下降；易礦化碳庫(kù)(C0+C1)占總有機(jī)碳比例表現(xiàn)為T1＞CK＞T4≈T2＞T3，即隨著沼肥灌施量的增加(除T4 外)土壤易礦化碳占有機(jī)碳比例依次下降，說明沼肥灌施配合機(jī)械深松有利于柑橘果園土壤有機(jī)碳的累積。

土壤團(tuán)聚體形成及其周轉(zhuǎn)過程與土壤呼吸(CO2排放)密切相關(guān)[24]。Wu 等[25]認(rèn)為不同土壤粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳儲(chǔ)存及其礦化作用存在一定的差異，并指出大團(tuán)聚體中有機(jī)碳分解是土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化引起CO2流失的主要原因。王菁等[26]通過對(duì)不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體呼吸特征的研究指出土壤團(tuán)聚體組成對(duì)土壤呼吸速率影響較大，其中以＞5 mm 土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤碳排放的貢獻(xiàn)最大。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳礦化系數(shù)與0．25～2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著負(fù)相關(guān)，與＞5 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著正相關(guān)；半衰期與0．25～2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著正相關(guān)，與＞5 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著負(fù)相關(guān)。這可能與土壤各團(tuán)聚體中有機(jī)碳組成及微生物等因素有關(guān)。一般而言，土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳結(jié)構(gòu)較小、團(tuán)聚體簡(jiǎn)單，易被微生物分解利用[27-28]。李睿等[29]研究發(fā)現(xiàn)在林地、撂荒地和果園等土地利用方式下，以0．25～2 mm 團(tuán)聚體中的活性有機(jī)碳儲(chǔ)量最高；在坡耕地中則以＜0．053 mm 團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳儲(chǔ)量最高。劉敏英等[30]研究發(fā)現(xiàn)茶園土壤中微生物碳含量總體隨著團(tuán)聚體直徑的減小而降低，以2 ～5 mm團(tuán)聚體中含量最高。同時(shí)，不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化差異除與土壤微生物以及有機(jī)碳含量有關(guān)外，還受其他多種因素的影響，如土地利用方式、耕作

方式與團(tuán)聚體濕潤(rùn)程度等[12，28-29]。徐程等[31]研究發(fā)現(xiàn)在土壤水分含量較低時(shí)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性較高，水分會(huì)促進(jìn)大團(tuán)聚體破碎分解成微團(tuán)聚體，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳礦化。因此，今后需進(jìn)一步加強(qiáng)果園土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率與土壤微生物學(xué)特性方面的相關(guān)性研究，并結(jié)合田間原位試驗(yàn)闡明果園土壤有機(jī)碳的循環(huán)機(jī)理。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，沼肥灌施配合機(jī)械深松有利于改善柑橘果園表層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)組成，提高表層土壤有機(jī)碳含量，改善有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的分布特征，減少土壤可礦化碳和易礦化碳含量，有助于柑橘果園土壤有機(jī)碳累積，其灌施量以180 或270 t.hm-2為佳。