生物質(zhì)炭配比施肥對栗鈣土團聚體有機碳含量及其氧化穩(wěn)定性的影響

孫豐豪，潘付艷，張志春，盛海彥*，于嘉文

(1.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810001)

土壤團聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單位，為有機質(zhì)轉(zhuǎn)化和積累提供場所，是土壤構(gòu)成的基本單元[1]，有機碳對土壤團聚體形成、穩(wěn)定和周轉(zhuǎn)有著不可忽視的影響[2]。土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性是衡量土壤有機碳質(zhì)量的重要指標，關(guān)系到土壤有機碳抗氧化能力的強弱，一定程度上反映了土壤有機碳礦化的程度[3]。施肥是影響農(nóng)田土壤團聚體和有機碳的重要因素，不僅能滿足農(nóng)作物生長所需求的養(yǎng)分，還能促進土壤中有機質(zhì)的積累，提高土壤有機碳質(zhì)量，并對土壤結(jié)構(gòu)有一定的改善作用[4]。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在高溫厭氧條件下熱裂解形成的富碳產(chǎn)物，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量動植物廢料都可被制備成生物質(zhì)炭[5]。劉曉雨[6]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的施入有利于提高土壤旱地有機碳及其組分含量。Joseph等[7]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的施入可對土壤有機碳氧化穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，且在不同的土壤性質(zhì)以及外界環(huán)境條件中影響不同。

我國生物質(zhì)炭與化肥配比施用對土壤性質(zhì)的影響在紅壤、棕壤、黑土等農(nóng)田土壤中研究較為豐富[8]，但在高寒干旱地區(qū)對栗鈣土土壤性質(zhì)的影響鮮有報道。因此，本試驗在青海省西寧市湟中區(qū)李家山鎮(zhèn)依據(jù)當?shù)剞r(nóng)民施肥習(xí)慣研究不同配比施肥對栗鈣土團聚體有機碳含量及其氧化穩(wěn)定性的影響，為包括施用生物質(zhì)炭在內(nèi)的不同配比施肥對高寒干旱地區(qū)土壤性質(zhì)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗位于青海省西寧市湟中區(qū)李家山鎮(zhèn)大路村(101°37′15″ E，36°40′44″ N)，海拔2 674 m，年均溫度3～5 ℃，年均降水量420 mm，年均日照時數(shù)2 400～2 500 h，無霜期130～140 d。試驗土壤為栗鈣土，質(zhì)地砂壤；0～20 cm土層全氮1.23 g/kg，全磷1.99 g/kg，全鉀22.78 g/kg，堿解氮133 mg/kg，速效磷22 mg/kg，速效鉀107 mg/kg，pH為8.10。

1.2 試驗材料

(1)種植作物。馬鈴薯“青薯9號”，由青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院生物中心提供。

(2)配施肥料。尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%，P2O546%)，由青海省海寧肥料廠提供；緩釋復(fù)混肥(N 16%，其中緩釋N 3%、P2O514%、K2O 10%)由青海省榮澤農(nóng)業(yè)生物科技有限公司提供。生物質(zhì)炭(玉米秸稈炭含碳量432 g/kg，C/N為44.74)，由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院提供。

1.3 試驗設(shè)計和樣本采集

試驗處理分別為每公頃施300 kg尿素+300 kg磷酸二銨(NP)、300 kg尿素+300 kg磷酸二銨+7 500 kg生物質(zhì)炭(NP+C)、750 kg緩釋復(fù)混肥(RZ50)、750 kg緩釋復(fù)混肥+7 500 kg生物質(zhì)炭(RZ50+C)及空白對照(CK)5種處理。隨機區(qū)組排列，3個重復(fù)，小區(qū)面積 4 m×6 m，株距40 cm，密度為49 500株/hm2。

生物質(zhì)炭只在第一年施入，其余肥料作為基肥按照上述配比每年一次基施后覆膜，連續(xù)三年。于2017年10月馬鈴薯收獲后，按“S”型五點取樣法布置取樣點位，除去0.5 cm左右表土后，采集20 cm深土壤，四分法取約500 g樣品帶回實驗室風(fēng)干，撿去大于2 mm的石塊、植物根系等雜物后備用。

1.4 土壤團聚體分離和氧化穩(wěn)定性測定

采用濕篩法[9]分離土壤團聚體，具體操作方法：將一套孔徑大小分別為2、1、0.5、0.25、0.154 mm的篩子依次固定在土壤團聚體檢測儀上，加水并調(diào)節(jié)高度至沒過最上層篩子，以振幅3 cm頻率30次/min上下震動10 min，收集桶中和每層篩中的土壤團聚體，分別移至鋁盒中烘干至恒重。采用 H2SO4+K2Cr2O7外加熱法[10]測定土壤有機碳含量及各粒級團聚體有機碳含量。

土壤有機碳氧化穩(wěn)定性的測定采用袁可能等[11]提出的方法，分別用下列條件確定土壤有機碳氧化穩(wěn)定性。

Ⅰ 0.40 mol K2Cr2O7+1∶1 H2SO4，170～180 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅱ 0.27 mol K2Cr2O7+1∶2 H2SO4，150～160 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅲ 0.20 mol K2Cr2O7+1∶3 H2SO4，130～140 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅳ 0.13 mol K2Cr2O7+1∶5 H2SO4，120～130 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅴ 0.073 mol K2Cr2O7+1∶10 H2SO4，110～120 ℃沙浴上煮沸5 min.

其中，Ⅰ測定結(jié)果為土壤總有機碳量(a)；Ⅲ測定結(jié)果為土壤易氧化有機碳量(b)；氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)的計算公式為：Kos=(a-b)/b，Kos越大，土壤有機碳活性越弱、氧化穩(wěn)定性越強；Kos越小，土壤有機碳活性越強、氧化穩(wěn)定性越弱。

依據(jù)土壤有機碳氧化的難易程度將不同組分土壤有機碳分別定義為高氧化活性有機碳(F1)、中氧化活性有機碳(F2)、低氧化活性有機碳(F3)和難氧化活性有機碳(F4)[12]。其中，F(xiàn)1=Ⅴ，F(xiàn)2=Ⅳ-Ⅴ，F(xiàn)3=Ⅲ-Ⅳ，F(xiàn)4=Ⅰ-Ⅲ。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗采用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比施肥對土壤有機碳含量和氧化穩(wěn)定性的影響

由表1可知，試驗各處理間土壤有機碳含量變幅為18.2～21.0 g/kg。除NP+C外，其余3種配比施肥土壤有機碳含量與CK無顯著差異，且NP與CK更加接近。NP+C與包括CK在內(nèi)的其他配比施肥相比土壤有機碳含量顯著降低(P<0.05)，這說明在適當?shù)呐浔仁┓蕳l件下生物質(zhì)炭的加入激發(fā)了原有土壤有機碳的活性，加速了有機碳的礦化；生物質(zhì)炭的加入未必能夠增加土壤有機碳的含量，甚至?xí)鹜寥烙袡C碳的加快流失。

NP+C與NP、RZ50之間的Kos值無顯著差異，但在具體數(shù)值上為所有處理中的最低值，這與上述NP+C加速土壤有機碳礦化流失的現(xiàn)象具有一致性。RZ50+C與CK之間的Kos值無顯著差異，但顯著高于NP、RZ50和NP+C，即生物質(zhì)炭與緩釋復(fù)混肥的配合施用與其他施肥處理相比能夠維持土壤有機碳氧化穩(wěn)定性。

表1 不同配比施肥對土壤有機碳含量及氧化穩(wěn)定性的影響

2.2 不同配比施肥對各粒級團聚體有機碳含量和氧化穩(wěn)定性的影響

2.2.1 不同配比施肥對各粒級團聚體有機碳含量的影響 由表2可知，與CK相比NP和RZ50+C在>2 mm粒級團聚體中有機碳含量顯著提升，RZ50和NP+C在>2 mm粒級團聚體中有機碳含量顯著降低；NP在1～0.5 mm粒級團聚體中有機碳含量顯著提高。NP在>2 mm、1～0.5 mm粒級團聚體中有機碳含量大于RZ50，在0.25～0.154 mm粒級團聚體中有機碳含量則小于RZ50；NP+C在>2 mm、2～1 mm、0.25～0.154 mm、<0.154 mm粒級團聚體中有機碳含量小于RZ50+C。NP+C在>2 mm、1～0.5 mm和0.25～0.154 mm三個粒級團聚體中有機碳含量相較于NP分別下降了23.35%、24.52%、14.20%；RZ50+C在>2 mm粒級團聚體中有機碳含量相較于RZ50增加24.40%，在1～0.5 mm 和0.25～0.154 mm粒級團聚體中有機碳含量則分別減少11.16%、12.90%。生物質(zhì)炭與不同肥料配比施用未能顯著改變2～1 mm、0.5～0.25 mm、<0.154 mm粒級團聚體有機碳含量的占比，但在一定程度上降低了0.25～0.154 mm粒級團聚體有機碳含量的占比。

表2 不同粒級團聚體有機碳的含量

2.2.2 不同配比施肥對各粒級團聚體氧化穩(wěn)定性的影響 不同配比施肥對Kos值的影響主要體現(xiàn)在>2 mm、1～0.5 mm、0.25～0.154 mm三個粒級團聚體中，對2～1 mm、0.5～0.25 mm和<0.154 mm粒級團聚體影響不明顯(表3)。與CK相比，RZ50+C的Kos值在>2 mm粒級團聚體中顯著提高，RZ50和NP+C的Kos值有所降低，NP則幾乎沒有改變；在1～0.5 mm粒級團聚體中NP的Kos值提高幅度最大，NP+C次之，RZ50+C則有所降低；在0.25～0.154 mm粒級團聚體中，RZ50+C的Kos值與CK之間無顯著差異，其余各處理的Kos值均顯著降低。生物質(zhì)炭與不同肥料配比施用對>2 mm，1～0.5 mm兩個粒級團聚體的Kos值具有明顯影響，且對不同施肥配比響應(yīng)有較大不同。

表3 各粒級團聚體的氧化穩(wěn)定性

2.3 各粒級團聚體有機碳氧化難易組分占比

(1)在>2 mm粒級團聚體中，與CK相比，除NP外其余配比施肥皆使F1占比顯著提高，提高幅度順序為NP+C、RZ50、RZ50+C；NP、RZ50兩個未配施生物質(zhì)炭的處理使F2占比有小幅度提升，在配施生物質(zhì)炭的情況下使F2顯著降低；RZ50、RZ50+C皆使F3占比降低，其中RZ50+C降低顯著；RZ50+C顯著提高了F4占比，RZ50、NP+C顯著降低了F4占比，NP對F4的占比影響較小。

(2)在2～1 mm粒級團聚體中，與CK相比，除NP外其他配比施肥都使F1占比有所提高，NP+C提高幅度最大；NP使F2占比顯著提高，其余配比施肥均使F2占比有所降低；RZ50+C提高了F3的占比，而NP、NP+C、RZ50降低了F3占比且以NP+C降低幅度最大；RZ50+C使F4占比小幅度降低，其余配比施肥則使F4占比小幅度提高，無顯著差異。

(3)在1～0.5 mm粒級團聚體中，與CK相比，RZ50+C使F1占比顯著提高，其余配比施肥之間差異不明顯；各配比施肥不同程度地使F2占比下降，NP降低顯著；各配比施肥對F3占比影響較小；NP、NP+C使F4占比有較大幅度提高，RZ50+C則使F4占比顯著降低。

(4)在0.5～0.25 mm粒級團聚體中，與CK相比，不同配比施肥都使F1占比有所上升，且生物質(zhì)炭的施入促進了上升趨勢，其中RZ50+C上升最為明顯；所有配比施肥均不同程度地提高了F2的占比，尤以NP最為明顯；NP+C使F3的占比顯著提高，RZ50+C使F3的占比顯著降低；NP和RZ50與CK之間F3占比無顯著差異；所有配比施肥皆使F4占比有所降低，尤以NP+C最為明顯。

(5)在0.25～0.154 mm粒級團聚體中，與CK相比，NP、NP+C、RZ50+C配比施肥顯著增加了F1的占比，RZ50使F1占比略有降低；所有配比施肥皆使F2占比提高，但提高幅度較低；未施用生物質(zhì)炭的處理顯著提高了F3的占比，施用生物質(zhì)炭的處理與CK相比，F(xiàn)3的占比保持相對穩(wěn)定；各施肥處理均使F4占比降低，但生物質(zhì)炭的施用讓F4的占比降幅有效收窄。

(6)在<0.154 mm粒級團聚體中，與CK相比，NP顯著降低F1占比而使F2占比顯著提高，其余配比施肥雖然使F1占比有所降低，但降低幅度不大。除RZ50+C外，其余配比施肥均使F2和F3占比有所提高，以NP提升F2占比最為顯著， NP+C、RZ50提升F3占比顯著，但前者較后者的提高幅度低且差異顯著；NP、RZ50使F4占比降低，其中以RZ50降幅最高，與單施NP、RZ50相比，生物質(zhì)炭的施入提高了該粒級F4的占比。

3 討論與結(jié)論

(1)本研究中，尿素配合磷酸二銨的常規(guī)施肥(NP)幾乎對栗鈣土有機碳含量沒有影響，但讓土壤有機碳氧化穩(wěn)定性顯著降低(P<0.05)，生物質(zhì)炭的加入不僅讓土壤有機碳含量顯著降低(P<0.05)，也讓土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性進一步降低，加速了土壤有機碳的礦化進程；施用緩釋復(fù)混肥(RZ50)既能讓土壤有機碳含量有所降低，又能讓土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性降低(P<0.05)，緩釋復(fù)混肥(RZ50)配施生物質(zhì)炭雖然讓土壤有機碳含量有微小幅度降低，但維持了土壤有機碳氧化穩(wěn)定性保持不變。這與胡立煌等[13]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭自身攜帶部分活性物質(zhì)進入土壤后使土壤微生物活性增強促進其礦化的結(jié)果一致，但RZ50+C的Kos值大于RZ50與其研究結(jié)論相悖，這是因為生物質(zhì)炭施加量達到一定數(shù)量時，土壤中活性較高組分所占比例降低，穩(wěn)定性較高的組分明顯增多，生物質(zhì)炭作為一種碳捕獲劑進而抑制土壤有機碳分解[14-15]造成的。

(2)與馬莉等[16]研究發(fā)現(xiàn)的施用生物質(zhì)炭能夠提高>2 mm、2～1 mm和<0.154 mm三個粒級團聚體中土壤易氧化有機碳含量的結(jié)論略顯不同，本研究提高了>2 mm、1～0.5 mm和0.25～0.154 mm粒級團聚體土壤易氧化有機碳所占份數(shù)，土壤團聚體有機碳氧化穩(wěn)定性影響主要在>2 mm、1～0.5 mm兩個粒級團聚體中，且不同配比施肥配施生物質(zhì)炭使用效果不同。

(3)Barreto等[12]認為不同系統(tǒng)土壤有機碳氧化活性組分的差異主要發(fā)生在F1上，本試驗中各粒級不同氧化難易組分的差異主要發(fā)生在高氧化活性有機碳上(F1)，其次為中氧化活性有機碳上(F2)，且不同粒級團聚體之間各組分變化幅度存在較大差異，其中>2 mm粒級團聚體各氧化難以組分占比變化幅度最為顯著；生物質(zhì)炭的施入對>2 mm、2～1 mm和0.25～0.154 mm粒級團聚體高氧化活性有機碳(F1)影響顯著；對>2 mm、1～0.5 mm、0.25～0.154 mm粒級團聚體中氧化活性有機碳(F2)影響顯著。

(4)生物質(zhì)炭不同配比施肥對于調(diào)節(jié)各粒級團聚體之間的有機碳含量，調(diào)節(jié)土壤有機碳氧化穩(wěn)定性，改善因施肥引起的土壤有機碳的消耗(或轉(zhuǎn)化)具有現(xiàn)實意義。