不同有機(jī)物料投入下黃河故道土壤有機(jī)碳積累特征的研究①

楊 蘇，劉耀斌，王 靜，汪吉東，張永春*，李輝信，艾玉春

(1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江蘇耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014；2南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095)

土壤有機(jī)碳庫的儲(chǔ)量變化受碳投入與礦化間的平衡關(guān)系調(diào)控[1-2]。明確土壤有機(jī)碳的累積特征對(duì)于發(fā)揮土壤固碳潛力、培育土壤肥力具有重要意義[3]。施用外源有機(jī)物料不僅能夠直接增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改變碳的有效性、恢復(fù)重建退化土壤，還會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳庫的轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響到土壤碳的固定和 CO2的排放[4-5]。但有機(jī)質(zhì)總量在短時(shí)間內(nèi)，不能靈敏而全面地反映土壤有機(jī)質(zhì)的內(nèi)在組分變化，近年來土壤活性有機(jī)質(zhì)與土壤碳庫管理指數(shù)代替總有機(jī)質(zhì)成為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤管理的重要指標(biāo)[6-7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，土壤呼吸釋放的 CO2量占生態(tài)系統(tǒng)呼吸總量的 60% ~ 90%[8]，是土壤碳礦化分解的主要途徑。近年來對(duì)土壤呼吸的研究越來越多，Spaccini等[9]對(duì) 3 種農(nóng)田土壤固碳潛力的研究表明，外源有機(jī)物料的添加能夠直接增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤的固碳潛力[10]。侯建偉等[11]認(rèn)為不同有機(jī)物料還田均能增加土壤有效養(yǎng)分和微生物生物量碳、氮含量，這是由于有機(jī)物料的投入，抵消了土壤呼吸損失的碳，總體來說“入大于出”表現(xiàn)為農(nóng)田土壤的“碳匯”[12-13]。由于有機(jī)物料對(duì)土壤碳提升具有重要作用，因此提高有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)、增強(qiáng)土壤的固碳潛力、減少有機(jī)物的礦化分解對(duì)于改良貧瘠土壤具有重要作用，但多數(shù)研究集中在中緯度的溫帶草地和森林[9,14]，對(duì)連年施用菌渣及有機(jī)肥對(duì)潮土固碳特征的研究匱乏。

黃河故道區(qū)江蘇段食用菌產(chǎn)量大，菌菇生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的菌菇渣，該菌菇渣經(jīng)濟(jì)易得，含有豐富的有機(jī)物質(zhì)[15]，是生產(chǎn)商品有機(jī)肥的重要原料。但是在生產(chǎn)上易遭隨意丟棄，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，若加以利用，一方面可以補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，促進(jìn)廢棄物的資源化利用；另一方面，菌菇渣進(jìn)入土壤后在微生物及酶的作用下被分解[16]，使有機(jī)物顆粒變小，碳氮比下降，釋放養(yǎng)分[17-19]，是培肥改土經(jīng)濟(jì)可行的方法。在“減肥增效”的大背景和現(xiàn)實(shí)需求下，有機(jī)肥被大量使用，但存在價(jià)格高、推廣難等問題。而對(duì)于分布面積廣[20]、土壤結(jié)構(gòu)差、肥力低下[21]、土壤生態(tài)平衡容易遭到破壞[22]的潮土，提升等量的有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)應(yīng)需要投入的有機(jī)肥量更大，利用菌菇渣直接還田，如能獲得與有機(jī)肥相當(dāng)?shù)男Ч瑒t為黃河故道區(qū)潮土質(zhì)量提升提供新的思路和方法。目前提高潮土有機(jī)碳含量的研究，未能給出詳細(xì)的最佳方案。本試驗(yàn)基于此目的，通過連續(xù)兩年施用秸稈菌渣、樹枝菌渣及有機(jī)肥，探究土壤不同組分有機(jī)碳變化及碳的積累與礦化量，為準(zhǔn)確估算外源有機(jī)物料添加下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力提供依據(jù)，為有機(jī)物料的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省鹽城市濱?？h界牌鎮(zhèn)三壩村黃河灣綠色科技有限公司試驗(yàn)基地內(nèi)(33°43′N，119°37′E)，試驗(yàn)區(qū)地處北溫帶，氣候溫和，降雨充沛，常年平均氣溫14.1 ℃，最高溫39 ℃，最低溫 -10 ℃。降雨量536 ~ 1 372 mm，年平均降雨量為942.6 mm。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，土壤類型為脫鹽潮土。樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量4.41 g/kg，全氮0.18 g/kg，有效磷2.63 mg/kg，速效鉀63.3 mg/kg，pH 8.58。小麥秸稈全氮含量6.95 g/kg，全磷0.96 g/kg，速效鉀121 mg/kg，有機(jī)碳270 g/kg，碳氮比66.86。添加的有機(jī)物料為有機(jī)肥(M)，由阿古利斯有限公司提供，主要原材料為中藥渣；秸稈菌渣(S)系草菇生產(chǎn)后的秸稈類菌渣，簡(jiǎn)稱秸稈菌渣；樹枝菌渣(B)系香菇生產(chǎn)后樹枝類菌渣，簡(jiǎn)稱樹枝菌渣；于2017年玉米季開始施用，其養(yǎng)分含量如表1所示。

表1 有機(jī)物料的基本性質(zhì)Table 1 Basic physiochemical properties of tested organic materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理，分別為單施氮磷鉀肥作為對(duì)照(CK)，其他處理在單施氮磷鉀肥的基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥6 000 kg/hm2(M1)、有機(jī)肥12 000 kg/hm2(M2)、樹枝菌渣6 000 kg/hm2(B1)、樹枝菌渣12 000 kg/hm2(B2)、秸稈菌渣6 000 kg/hm2(S1)、秸稈菌渣12 000 kg/hm2(S2)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，采用完全隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積為96 m2(長(zhǎng)12 m，寬8 m)。試驗(yàn)區(qū)種植制度為玉米-小麥輪作，有機(jī)物料添加始于2017年玉米季，玉米品種均為蠡玉31號(hào)，小麥品種為華麥7號(hào)。第一季種植玉米于2017年7月5日播種，10月20日收獲；第二季種植小麥于2017年10月26日播種，2018年6月26日收獲；第三季種植玉米于2018年7月2日播種，10月23日收獲；玉米株間距為25 cm，行間距為70 cm，小麥行間距為15 cm。在小麥?zhǔn)斋@后玉米種植前進(jìn)行麥稈覆蓋還田。玉米季施復(fù)合肥(18:12:10) 600 kg/hm2，有機(jī)肥和菌渣做基肥在播種前一次性施入，在拔節(jié)期和大喇叭口期追施尿素，尿素用量占化肥總氮的30%，化肥及有機(jī)物料的施用均采用人工撒施的方式進(jìn)行。在每個(gè)小區(qū)相同的株間位置固定一個(gè)長(zhǎng)期測(cè)氣的PVC圓柱形底座(高20 cm，直徑20 cm)，為了減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，初次測(cè)定在PVC底座插入土壤 24 h后進(jìn)行。為防止有機(jī)物料添加不均對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，先計(jì)算出PVC管內(nèi)土壤的體積，再按比例添加有機(jī)物料。試驗(yàn)開始監(jiān)測(cè)前將PVC底座固定在每個(gè)小區(qū)相同的位置，且PVC底座露出地面的高度均為7 cm，確保密閉區(qū)域體積相同，以便估算呼吸通量。在測(cè)定前一天，檢查PVC底座是否完好，并用剪刀貼地剪除底座內(nèi)的可見植物，減少植物呼吸和土壤擾動(dòng)的影響。于2018年玉米生長(zhǎng)的苗期(7月7日)、拔節(jié)期(8月4日)、抽雄-授粉期(8月28日)、乳熟期(9月22日)和成熟期(10月12日)，從8:00—10:00測(cè)定CO2通量，同時(shí)監(jiān)測(cè)0 ~ 10 cm土壤溫度和濕度，在玉米收獲時(shí)測(cè)產(chǎn)，并在每個(gè)小區(qū)S形采取0 ~ 10 cm 土壤樣品5個(gè)，組成混合樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干、研磨、過篩，測(cè)定土壤不同組分有機(jī)質(zhì)含量。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤呼吸監(jiān)測(cè)采用開路式土壤碳通量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，儀器型號(hào)為 Li-8100 ( Li-COR，Lincoln，NE，USA)，取玉米不同生育期(8:00—10:00)土壤呼吸速率為當(dāng)天呼吸的平均值，然后乘以生長(zhǎng)期天數(shù)，求出不同生育期呼吸總量，對(duì)不同生育期呼吸總量求和得到玉米整個(gè)生長(zhǎng)期土壤呼吸總量(沒有測(cè)定日期的土壤呼吸采用內(nèi)插法估算)。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定。采用3 種濃度 33、167、333 mmol/L的 KMnO4氧化法分別測(cè)定高活性、中活性和活性有機(jī)質(zhì)含量。

土壤碳庫管理指數(shù)以不施肥為參考土壤，其計(jì)算方法[20]：

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品全碳含量(g/kg)/參考土壤全碳含量(g/kg)；

碳庫活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量；

碳庫活度指數(shù)(AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫管理指數(shù)(CPMI，%)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0 軟件中Pearson雙尾檢驗(yàn)進(jìn)行玉米產(chǎn)量與土壤不同組分有機(jī)質(zhì)含量及碳庫管理指數(shù)的相關(guān)性分析；平均值多重比較采用Duncan’s New Multiple Range Test 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P< 0.05)；采用單因素方差分析對(duì)不同處理全生育期內(nèi)土壤呼吸速率平均值進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。采用 Microsoft Excel 2007 和 Origin 8.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料投入對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

外源有機(jī)物料施入土壤后，均會(huì)顯著增加玉米產(chǎn)量，且隨有機(jī)物料施用量的增加玉米產(chǎn)量呈增加的趨勢(shì)，其中2018年玉米總產(chǎn)量高于2017年，增產(chǎn)效果也優(yōu)于2017年，兩年平均增產(chǎn)幅度在21.75% ~ 58.32%(圖1)。就有機(jī)物料種類而言，對(duì)玉米的增產(chǎn)效果表現(xiàn)為：樹枝菌渣>秸稈菌渣≥有機(jī)肥，即12 000 kg/hm2的樹枝菌渣增產(chǎn)效果最優(yōu)，2018年增產(chǎn)69.05%，2017年增產(chǎn)46.73%，兩年平均增產(chǎn)58.32%。

2.2 有機(jī)物料施用對(duì)土壤不同組分有機(jī)質(zhì)含量的影響

有機(jī)物料施用后土壤不同活性有機(jī)質(zhì)含量介于0.46 ~ 2.70 g/kg，占總有機(jī)質(zhì)的7.4% ~ 35%(表2)，有機(jī)物料施用下，活性有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)比例最高，其次為中活性有機(jī)質(zhì)和高活性有機(jī)質(zhì)。有機(jī)肥的活性有機(jī)質(zhì)含量最低，為1.72 g/kg，其次為秸稈菌渣2.14 g/kg，樹枝菌渣最高為2.70 g/kg，表明菌菇渣對(duì)土壤總有機(jī)質(zhì)以及不同組分有機(jī)質(zhì)的提升效果優(yōu)于有機(jī)肥。B2處理的總有機(jī)質(zhì)、中活性有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)質(zhì)含量高于S2和M2，分別比S2、M2高0.62、1.08，0.05、0.10，0.56、0.98 g/kg。碳庫管理指數(shù)(CPMI)與不同組分有機(jī)質(zhì)含量趨勢(shì)相同，由小到大為：M1

2.3 土壤呼吸總量與單位碳投入下呼吸量

有機(jī)物料施用下土壤呼吸總量為C 3 245 ~4 650 kg/hm2(圖2)，處理間表現(xiàn)為：秸稈菌渣≥有機(jī)肥>樹枝菌渣>對(duì)照，在所有處理中S2呼吸總量最大，其值為4 650 kg/hm2，顯著高于CK，但與M2無顯著差異。各處理碳投入量為樹枝菌渣>有機(jī)肥>秸稈菌渣，樹枝菌渣碳投入量多，呼吸消耗量少，導(dǎo)致單位碳投入下的呼吸量顯著低于秸稈菌渣和有機(jī)肥(圖3)。相同用量的3種有機(jī)物料，樹枝菌渣對(duì)土壤有機(jī)碳的提升效果最佳。

表2 土壤碳投入和不同組分碳含量Table 2 Soil carbon inputs and carbon contents in different components

2.4 玉米產(chǎn)量與不同組分有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的相關(guān)性

通過Pearson雙變量相關(guān)分析表明，玉米產(chǎn)量與各組分有機(jī)質(zhì)含量和碳庫管理指數(shù)均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其中玉米產(chǎn)量與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性系數(shù)為0.775，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。有機(jī)質(zhì)與活性有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與中活性有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，而與高活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)相關(guān)性不顯著；活性有機(jī)質(zhì)與高活性和中活性有機(jī)質(zhì)均呈顯著正相關(guān)；碳庫管理指數(shù)的增加表明活性有機(jī)質(zhì)含量增加，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量。

表3 不同指標(biāo)之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between different indicators

2.5 碳投入與碳積累和碳礦化的擬合

通過圖4擬合曲線發(fā)現(xiàn)，碳投入量與碳積累量呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系，R2為0.838；投入量與碳礦化量擬合為三次函數(shù)效果較好，達(dá)到顯著水平，R2為0.609，表明碳礦化量隨碳投入量的成倍增加并不是呈倍數(shù)增加的，其增長(zhǎng)趨勢(shì)先上升后趨于平穩(wěn)甚至有降低趨勢(shì)。

3 討論

3.1 潮土施用有機(jī)物料對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

外源有機(jī)碳輸入是增加土壤有機(jī)碳含量、提高作物產(chǎn)量最直接有效的方式[20-21]。針對(duì)黃河故道潮土有機(jī)質(zhì)含量低的問題，通過施用外源有機(jī)物料發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物料可增加潮土有機(jī)質(zhì)含量，提高活性有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的比例，增加碳庫管理指數(shù)，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)的目的，這與Rondon等[22]和胡乃娟等[23]的研究結(jié)論相似。有機(jī)物料進(jìn)入土壤后，在微生物的作用下會(huì)氧化分解釋放養(yǎng)分，被作物吸收利用，從而提高作物產(chǎn)量。胡乃娟等[23]研究表明物料的分解與有機(jī)物料C/N相關(guān)，秸稈菌渣的C/N 最低，腐解最快，而樹枝菌渣的C/N 最高，腐解相對(duì)較慢[24]，因此固存到土壤中的養(yǎng)分多，有利于作物增產(chǎn)。而王丹丹和曹湊貴[25]的研究表明作物產(chǎn)量與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，本研究結(jié)果與此不一致。這可能與研究地區(qū)的土壤類型有關(guān)，本研究供試土壤為脫鹽潮土，有機(jī)質(zhì)含量極低，土壤結(jié)構(gòu)差；而王丹丹試驗(yàn)所用土壤類型為砂質(zhì)水稻土，土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分含量均優(yōu)于潮土。

3.2 有機(jī)物料投入下土壤碳的轉(zhuǎn)化與積累

土壤呼吸是碳礦化的主要方式。宋秋來等[26]的研究表明，CO2排放量隨有機(jī)物料投入量的增加而增加，本研究結(jié)果與此相似，但二者呈非線性關(guān)系，擬合為三次函數(shù)關(guān)系較好。不同有機(jī)物料由于自身物質(zhì)組成不同，添加到土壤中對(duì)土壤碳的礦化和積累的效果也不同。這可能是由于樹枝菌渣比秸稈菌渣的碳氮比高，分解樹枝菌渣的微生物群落繁殖速度慢；也可能是樹枝菌渣中含有較多的木質(zhì)素和其他難分解成分造成碳素釋放較秸稈菌渣低，對(duì)微生物分解礦化有機(jī)碳的激發(fā)作用弱。

Logninow 等[27]提出用 3 種不同濃度的 KMnO4(33、167、333 mmol/L)氧化土壤有機(jī)質(zhì)，把有機(jī)質(zhì)劃分為高活性、中活性和活性有機(jī)質(zhì)。許多研究表明，土壤中活性有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤碳的變化較非活性有機(jī)質(zhì)敏感得多，與總有機(jī)質(zhì)相比與土壤性質(zhì)關(guān)系更密切，而且土壤總有機(jī)質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)變化較小，不能像土壤活性有機(jī)質(zhì)與土壤碳庫管理指數(shù)一樣靈敏全面地反映土壤肥力的變化，因此可以將土壤活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤管理的重要指標(biāo)[28]。Conteh 等[29]認(rèn)為農(nóng)田土壤活性有機(jī)質(zhì)含量一般占總有機(jī)質(zhì)含量的 9% ~ 20%，同時(shí)土壤活性有機(jī)質(zhì)含量的變化并不與有機(jī)質(zhì)含量的變化成比例。本試驗(yàn)結(jié)果顯示土壤活性有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的 24% ~ 37%，且變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)一致，這可能與研究區(qū)的土地管理有關(guān)。且施用的菌菇渣主要為被食用菌菌絲利用后的有機(jī)殘?bào)w，具有極難降解性[30]，導(dǎo)致土壤中非活性有機(jī)質(zhì)占主導(dǎo)，但這部分有機(jī)質(zhì)可穩(wěn)定儲(chǔ)存于土壤中，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。研究結(jié)果顯示不同活性有機(jī)質(zhì)間差異顯著，表明外源添加有機(jī)肥和菌菇渣主要通過影響土壤中的不同活性有機(jī)質(zhì)含量來影響總有機(jī)質(zhì)含量。土壤碳庫管理指數(shù)是土壤碳素動(dòng)態(tài)變化靈敏而有效的指標(biāo)[31]，隨外源有機(jī)物料的添加，CPMI 增加了10.1% ~ 61.8%，表明外源碳輸入使土壤肥力趨向好的方向發(fā)展，這與李忠佩等[32]和 Li 等[33]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)研究表明，施用有機(jī)物料會(huì)顯著增加玉米產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)含量，但也會(huì)增加土壤碳的礦化量，總體而言碳的積累量大于礦化消耗量，最終表現(xiàn)為土壤的“碳匯”。有機(jī)物料對(duì)土壤總有機(jī)質(zhì)的影響主要通過增加不同活性有機(jī)質(zhì)含量來實(shí)現(xiàn)，與對(duì)照相比，碳庫管理指數(shù)顯著增加。相同用量的3種有機(jī)物料，由于碳氮比不同，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果也不同，表現(xiàn)為呼吸總量：秸稈菌渣≥有機(jī)肥>樹枝菌渣；碳積累量：樹枝菌渣>秸稈菌渣≥有機(jī)肥。綜上所述，用量為12 000 kg/hm2的樹枝菌渣對(duì)黃河故道潮土有機(jī)質(zhì)提升效果最佳，單位碳投入下的礦化量最少，有機(jī)質(zhì)積累量多，玉米產(chǎn)量高，兼具環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。