李虎,吳景貴,李建明
(吉林農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,長春 130118)
中國是玉米種植大國,秸稈產(chǎn)量大且呈逐年增多的趨勢,因此秸稈還田成為政府和農(nóng)業(yè)工作者大力倡導的土壤培肥途徑之一。玉米秸稈內含有豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂等多種元素,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥料來源[1]。秸稈還田能夠改善土壤物理性狀,提高土壤生物活性,可有效降低土壤容重,增加土壤總孔隙度,使耕層土壤變得疏松,秸稈還田后減少環(huán)境污染,是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的有效措施[2]。不同秸稈還田方式對土壤有機碳(SOC)固定及其機理等是國內外學者研究的重點[3-4]。張鑫等[5]、劉穎穎等[6]研究表明秸稈還田對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展具有積極的推動作用,能夠促進作物生長發(fā)育,提高產(chǎn)量。目前秸稈還田的方式主要有:秸稈覆蓋還田、秸稈旋耕還田、秸稈深翻還田[7]。相關研究表明,秸稈覆蓋還田容易造成地表溫度過低,出苗延遲,還會造成大部分碳礦化流失,不能被有效利用[8]。秸稈旋耕還田由于秸稈破碎程度不好,與土壤接觸不良,易造成漏風跑墑的現(xiàn)象,影響下一季作物播種[9]。秸稈深翻還田可以使秸稈碳被土壤固定,促進養(yǎng)分積累,但需要依靠大型機械,資金投入較高[10]。陳素英等[11]研究發(fā)現(xiàn)地區(qū)氣候、秸稈還田方式、還田數(shù)量、土壤性質、環(huán)境等因素會影響土壤蓄水保墑、溫度以及雜草生長等,從而造成減產(chǎn)[12]。不同的耕作和施肥措施是改變有機碳組分的重要原因,也是影響土壤養(yǎng)分轉化的主要驅動力[13]。徐明崗等[14]應用活性有機碳組分和碳庫管理指數(shù)客觀評價了長期定位耕作和施肥對紅壤、黑土等土壤質量和土壤管理指數(shù)的影響。
土壤有機碳是評價土壤質量狀況不可或缺的重要指標[15]。土壤活性有機碳庫極易受外界條件的影響,是土壤最敏感的有機碳庫[16],能更敏感地響應土壤耕作、施肥管理、植物殘體和有機畜禽糞還田等農(nóng)業(yè)管理措施[17]。土壤可溶性有機碳(DOC)雖然占總有機碳很小的一部分,但它參與了生物化學的轉化過程,是土壤微生物可直接利用的有機碳源,并影響著土壤中有機、無機物質的轉化、遷移和降解[18]。土壤微生物生物量碳(MBC)是土壤有機碳庫中最活躍和最易變化的部分,同時也是土壤中易于利用的養(yǎng)分庫及有機畜禽糞分解的動力[19]。土壤易氧化有機碳(EOC)是土壤有機碳中周轉最快的組分,能有效地反映土壤有機碳庫受環(huán)境變化的影響[20]?;钚杂袡C碳能夠高效直接地供給植物養(yǎng)分,容易被土壤微生物分解利用,因此活性有機碳被認為是評價土壤碳庫早期動態(tài)變化的良好指標[21]。
我國畜禽糞便資源豐富,據(jù)相關統(tǒng)計,數(shù)量可達3.16×109t,從畜禽糞便養(yǎng)分資源量看,總養(yǎng)分量來源以豬最大,其次為肉牛、羊和家禽,分別占總量的28.2%、22.8%、15.0%和14.0%[22]。畜禽糞便施入田中,通過促進土壤微生物的一系列相關活動來加快秸稈的有效分解,作為腐解劑可以實現(xiàn)秸稈快速還田,提升土壤速效養(yǎng)分[23]。本試驗中施用的腐熟豬糞與雞糞均采自于試驗田附近,既可減少環(huán)境污染,又可有效利用廢棄資源,對于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。
針對東北黑土肥力下降、秸稈還田模式存在缺陷等問題,本研究旨在尋求最佳秸稈還田方式,縮短秸稈腐解時間,提高土壤質量,在減少資金投入、不影響植株出苗的同時,促進土壤養(yǎng)分積累。本試驗設計了秸稈田間條帶堆腐還田方法,即將秸稈與畜禽糞便集條帶混合。通過測定土壤活性碳庫中的溶解性有機碳、易氧化有機碳、微生物碳及有機碳的含量,綜合分析兩年秸稈田間條帶堆腐土壤活性有機碳的變化特征,為新型秸稈還田方式應用提供依據(jù)。
試驗地位于吉林省公主嶺市陶家鎮(zhèn)科技示范園區(qū)(43°65′02″N,124°98′60″E)。屬于寒溫帶大陸性季風氣候區(qū),年平均氣溫4~5 ℃,年平均降雨量450~600 mm,且 70% 集中在6、7、8 月份;無霜期 125~140 d,有效積溫2 600~3 000 ℃,年蒸發(fā)量1 200~1 600 mm,是典型的黑土。土壤理化性質為:堿解氮119.13 mg·kg-1,速效磷 38.04 mg·kg-1,速效鉀 134.27 mg·kg-1,有機質27.55 g·kg-1,pH值7.08。
本試驗始于2019 年4 月,試驗采用隨機區(qū)組設計,根據(jù)當?shù)亟斩掃€田習慣共設置4 個處理:秸稈覆蓋還田(即對照,CK)、玉米秸稈條帶還田(ST)、玉米秸稈條帶還田+豬糞(STP)、玉米秸稈條帶還田+雞糞(STC)。試驗小區(qū)的面積為40 m2,壟寬0.65 m,壟長5 m,每小區(qū)設置12壟,每個處理進行3次重復。田間管理同大田,供試作物為玉米(優(yōu)旗698),每年種植一季玉米。本試驗供試有機畜禽糞便均來自試驗地科技示范園,畜禽糞便經(jīng)無害化處理直接還田利用,符合《畜禽糞便還田技術規(guī)范》(GB/T 25246—2010)的要求,供試有機物料的基本性質見表1。
表1 物料基本性質(g·kg-1)Table 1 Basic properties of materials(g·kg-1)
在本試驗中(2019—2020 年),秸稈全量還田量為10 000 kg·hm-2,還田次數(shù)為1 次(時間為2019 年4月)。添加糞肥量(總碳含量為545.260 kg·hm-2)分別為:豬糞2 000 kg·hm-2、雞糞2 151 kg·hm-2,化肥施用量為當?shù)爻R?guī)施用量(化肥為復混肥N+P2O5+K2O,質量比為 24∶10∶15,總養(yǎng)分≥49%,施用量為 824 kg·hm-2)。采用玉米秸稈田間原位堆腐,秸稈每隔6壟歸攏成一個條帶(帶寬60~80 cm,長5 m),每個小區(qū)內有兩個條帶,玉米秸稈粉碎至10 cm 以下。春耕時將稱好的豬糞、雞糞與粉碎的玉米秸稈混合,然后覆土鎮(zhèn)壓,覆土厚度為2~5 cm。
在玉米播種后,分別在60、90、120、150、360、540 d 進行土壤樣品的采集。CK 處理取樣位置為距玉米植株10~20 cm 處0~20 cm土層,秸稈條帶堆腐還田取樣位置為條帶堆腐邊和條帶堆腐下,條帶邊為兩邊距條帶10~20 cm處0~20 cm土層(堆邊),兩邊土樣混合為一個土樣,條帶下在下方0~20 cm 土層(堆下)取樣。將待測土壤裝入自封袋中,土壤樣品帶回實驗室后分成兩部分,一部分鮮樣過2 mm篩,對土壤微生物生物量碳(MBC)和土壤溶解性有機碳(DOC)進行測定,另一部分樣品風干后,分別過1 mm 和0.25 mm篩,進行土壤基本理化性質和其他活性碳組分的測定[24]。土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀法-外加熱法[25],微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4提取法[26],土壤易氧化有機碳采用KMnO4氧化法[13],土壤溶解性有機碳采用0.5 mol·L-1硫酸鉀浸提法[15]。
式中:A為碳庫活度;QEOC為土壤易氧化有機碳含量,g·kg-1;QSOC為土壤有機碳含量,g·kg-1;AI為碳庫活度指數(shù);A′為參考碳庫活度;CPI為碳庫指數(shù);QSOC′為參考有機碳含量,g·kg-1;CPMI為碳庫管理指數(shù);QSSOC為土壤穩(wěn)定性有機碳含量,g·kg-1;Kos為氧化穩(wěn)定系數(shù)。
所有測得數(shù)據(jù)均采用Excel 2010、Origin 2017 進行整理、計算和繪圖,采用SPSS 13.0 軟件進行統(tǒng)計分析。
秸稈田間條帶堆腐還田添加畜禽糞對土壤SOC含量的影響如圖1 所示,各處理均不同程度增加土壤SOC 含量,SOC 含量在 60 d 至 540 d 呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢。堆邊各處理土壤SOC 平均含量依次為 STC(22.72 g·kg-1)>STP(21.99 g·kg-1)>ST(20.85 g·kg-1)>CK(19.49 g·kg-1)。堆腐150 d 時各處理SOC含量與CK 相比顯著增加,STC、STP、ST處理土壤SOC較 CK 提高了 3.09%~12.05%。540 d 時 STC、STP、ST處理土壤SOC 含量較CK 處理提高了5.71%~15.35%,均存在顯著性差異。堆下各處理土壤平均SOC 含量在 22.12~24.67 g·kg-1,表現(xiàn)為 STC>STP>ST>CK。150 d 時 STC、STP、ST、CK 處理土壤 SOC 含量分別為 25.29、23.61、23.08、20.42 g·kg-1,540 d 時 STC、STP、ST、CK 處理土壤 SOC 含量分別為 26.05、24.85、24.20、20.63 g·kg-1。連續(xù)兩年秸稈條帶堆腐還田添加畜禽糞便處理SOC 含量均高于ST與CK 處理,其中以添加雞糞處理效果最佳,與CK處理相比,SOC含量平均增加了26.42%。
由圖2 可知,各處理土壤MBC 含量在60~540 d呈現(xiàn)先增加后降低再升高的趨勢,在90 d時各處理土壤MBC 含量達到最大值。堆邊各處理土壤平均MBC含量依次為 STC(149.07 mg·kg-1)>STP(141.70 mg·kg-1)>ST(124.33 mg·kg-1)>CK(107.85 mg·kg-1)。與CK 處理相比,秸稈條帶堆腐各處理在 60、90、120、150、360、540 d 土壤 MBC 含量分別提高了 5.94%~45.72%、13.03%~30.25%、18.32%~49.41%、18.53%~33.97%、14.12%~29.73%、21.22%~42.49%。堆下各處理土壤平均MBC 含量在144.21~179.40 mg·kg-1之間,表現(xiàn)為STC>STP>ST>CK。與CK 處理相比,秸稈條帶堆腐各處理在60、90、120、150、360、540 d,土壤MBC 含量分別提高23.90%~70.10%、41.96%~80.92%、38.79%~99.40%、29.88%~41.32%、25.93%~38.06%、38.16%~463.39%。與 150 d 相比,540 d 后堆邊 STC、STP、ST 處理分別提高17.62%、15.38%、13.10%,堆下STC、STP、ST 處理分別提高 27.85%、24.68%、17.63%。
秸稈田間條帶堆腐各處理均提高了土壤溶DOC含量,如圖3 所示,在60~540 d 呈現(xiàn)先增加后下降再增加的趨勢,并且各處理在90 d 時達到最大值,表現(xiàn)為STC>STP>ST>CK。與CK 處理相比,堆邊STC、STP、ST 處 理 在 150 d 時 土 壤 DOC 含 量 分 別 增 加27.46%、25.19%、6.54%,在540 d時土壤DOC含量分別增加30.75%、19.99%、8.90%,各處理均差異顯著。與CK 處理相比,堆下 STC、STP、ST 處理在 150 d 時土壤DOC 含量分別增加55.67%、42.32%、30.16%,在540 d 時土壤DOC 含量分別增加52.60%、42.46%、27.24%,各處理間均差異顯著。與150 d 相比,540 d時堆邊 STC、STP、ST 處理提高了 2.80%~10.02%,堆下STC、STP、ST處理提高了4.84%~13.79%。
秸稈田間條帶堆腐各處理對土壤EOC 的影響如圖4 所示,各處理均提高土壤EOC 含量,其中添加畜禽糞便處理提升幅度更大,與空白處理差異顯著。隨著采樣期的延長,土壤EOC 含量呈先增加后降低再增加的趨勢,在90 d 時EOC 含量最高。堆邊150 d 時各處理土壤均顯著高于CK 處理。540 d 時STC 和STP 處理與CK 相比,土壤EOC 含量顯著提升,而STC與STP 處理間差異不顯著。堆下各處理在150 d 時EOC 含量顯著高于CK 處理,540 d 時各處理間EOC含量均存在顯著差異。與150 d相比,540 d堆邊土壤EOC 各處理提高了5.52%~18.49%,堆下各處理提高了11.52%~22.35%。
土壤的CPMI是評價有機碳的重要指標,由表2可知,秸稈田間條帶堆腐對提高CPMI、CPI、AI、A具有積極意義。與 CK 處理相比,堆邊 STC、STP、ST 處理 土 壤CPMI分 別 提 高 了 152.38% 、126.15% 、28.86%,土壤CPI分別提高了15.38%、11.54%、5.38%,土壤AI分別提高了119.48%、102.60%、22.08%,土壤A分別提高了117.74%、101.61%、20.97%。與ST處理相比,STC、STP處理土壤CPMI分別提高了95.86%、75.51%,土壤CPI分別提高了9.49%、5.84%,土壤AI分別提高了79.79%、65.96%,土壤A分別提高了80.00%、66.67%。與CK 處理相比,堆下 STC、STP、ST 處理土壤CPMI分別提高了178.19%、125.98%、83.09%,土壤CPI分別提高了26.15%、20.77%、16.92%,土壤AI分別提高了120.78%、83.12%、57.14%,土壤A分別提高了119.35%、87.10%、56.45%。與ST處理相比STC、STP處理土壤CPMI分別提高了51.94%、23.43%,土壤CPI分別提高了7.89%、3.29%,土壤AI分別提高了40.50%、19.83%,土壤A分別提高了40.21%、19.59%。秸稈條帶堆腐添加畜禽糞便處理與CK 處理差異顯著,顯著增加土壤AI、CPI、CPMI,說明土壤中有機碳分解更快,且質量更高。
表2 玉米秸稈添加畜禽糞田間條帶堆腐對土壤碳庫管理指數(shù)的影響Table 2 Effects of adding livestock and poultry manure and corn straw field strip composting on soil carbon pool management index
氧化穩(wěn)定性是土壤有機碳的重要性質之一,關系到土壤有機碳分解的難易程度以及養(yǎng)分釋放。通常使用氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)來衡量土壤的氧化穩(wěn)定性,Kos值越大,氧化穩(wěn)定性越大,反之則越小。秸稈條帶堆腐對土壤Kos的影響如圖5 所示,各處理間Kos含量存在較大差異,表現(xiàn)為CK>ST>STP>STC。堆邊STC、STP、ST 處理較 CK 分別降低了 51.39%、50.41%、17.81%。堆下 STC、STP、ST 處理較 CK 分別降低了54.59%、46.64%、35.63%。
土壤有機碳與活性有機碳各組分、CPMI及Kos相關分析見表3,堆邊土壤SOC、DOC、MBC、EOC 與CPMI呈極顯著正相關,相關系數(shù)分別為0.804、0.861、0.827、1.000,SOC、DOC、MBC、EOC 與Kos呈極顯著負相關,相關系數(shù)分別為-0.827、-0.892、-0.868、0.977。堆下SOC、DOC、EOC、MBC 與CPMI呈極顯著正相關,相關系數(shù)分別為 0.935、0.969、0.936、1.000,SOC、DOC、EOC、MBC 與Kos極顯著負相關,相關系數(shù)分別為-0.929、-0.967、-0.941、-0.976。秸稈田間條帶堆腐土壤SOC 和土壤活性有機碳組分與CPMI間有著密切的關系,因此土壤CPMI能夠很好地表示土壤的碳素變化。
表3 玉米秸稈添加畜禽糞便田間條帶堆腐土壤有機碳組分與碳庫管理指數(shù)相關系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between active organic carbon and carbon pool management index of strip composting soil in the field with corn straw adding livestock manure
秸稈還田作為農(nóng)田管理過程中重要的技術措施,是提高土壤SOC 含量和培肥地力的重要途徑[27]。張銀平等[28]研究發(fā)現(xiàn),秸稈粉碎混土還田較秸稈免耕覆蓋還田更有利于秸稈的腐解和土壤肥力的提升。李江濤等[29]研究也證實了這一點,施用畜禽糞便有機肥有利于土壤SOC的積累,一方面促進作物根系和土壤微生物活動,增加土壤中的有機代謝物,另一方面施用有機肥能夠為土壤提供有機碳源,增加土壤中總有機碳含量,這與本研究結果相一致。秸稈條帶堆腐還田各處理與CK 處理相比更有利于SOC 的儲存,可能是因為秸稈還田方式發(fā)生了改變,條帶堆腐使用粉碎秸稈(10 cm以下),并且在秸稈條帶上覆土鎮(zhèn)壓,有利于秸稈內部的保溫保濕效果,從而加快秸稈的腐解,且外源有機肥的添加為微生物提供了大量能源,能夠促進秸稈的更快速分解,從而增加土壤中的養(yǎng)分積累[30]。本研究中秸稈條帶堆腐添加雞糞較CK 處理土壤SOC 平均含量增加12.42%~35.44%,秸稈條帶添加豬糞較CK 處理增加11.27%~20.47%,并且STP、STC處理與ST、CK 處理SOC含量存在顯著性差異,證明秸稈條帶堆腐添加畜禽糞便處理能夠顯著增加土壤SOC含量,因此秸稈條帶堆腐添加畜禽糞便不僅能夠調節(jié)土壤的碳氮比,還能對秸稈的腐解起到正激發(fā)作用,促進SOC的積累[31]。
土壤MBC 來源于土壤微生物,是土壤有機物分解和礦化的動力,極易受到土壤管理措施的影響,對環(huán)境變化敏感[32],因此它能夠反映土壤養(yǎng)分的有效性和土壤的微生物狀況,且與土壤肥力關系密切。本研究發(fā)現(xiàn),與CK處理相比,秸稈條帶堆腐添加畜禽糞便明顯增加了MBC 含量,羅原駿等[33]也發(fā)現(xiàn)了相同規(guī)律,單施有機肥和有機肥配施化肥提高了土壤MBC含量??赡苁且驗榻斩挆l帶與畜禽糞便均勻混合,外源有機物與秸稈為土壤微生物提供了足夠的碳源與能量,促進了土壤微生物的生長繁殖,微生物活性增加,MBC含量也隨之增加。
土壤EOC 是土壤有機碳中固定轉化最快的組分,是土壤有機質動態(tài)變化的敏感指標,可用于反映土壤SOC 的早期變化[34-36]。本研究發(fā)現(xiàn),相比于CK處理,秸稈條帶堆腐各處理均能夠提升土壤EOC 含量,其中以添加畜禽糞便處理表現(xiàn)最為顯著。這與王丹丹等[37]提出的免耕秸稈還田降低10~20 cm 土層土壤EOC 含量的研究結果有所差異,一方面可能是因為氣候條件、土壤類型、土壤質地的不同,另一方面可能是因為秸稈還田方式不同。本研究中,存在外源有機物的加入,進入土壤的有機物和秸稈被微生物分解,分解產(chǎn)物氧化穩(wěn)定性比較低,從而成為EOC 的重要來源。
DOC 主要來源于近期植物的枯枝落葉和土壤有機質中的腐殖質,雖然僅占SOC 很小的一部分,但它參與生物化學轉化過程,是土壤微生物可直接利用的有機碳源,影響著土壤中有機和無機物質的轉化、遷移和降解。DOC 是土壤中性質最活躍的有機碳,具有極強的溶解、吸附和轉移能力,DOC 易受自然環(huán)境、施肥措施和作物生長等因素的影響。本試驗結果顯示秸稈條帶堆腐各處理土壤DOC 含量均高于CK處理,可能是因為免耕減少了土壤的擾動,且秸稈條帶堆腐中添加畜禽糞便,增加了土壤微生物生物量、作物掉落物和根系分泌物,提高了土壤微生物學特性,從而增強了土壤有機化合物的分解與轉化,利于表層土壤DOC 的積累[38]。張黛靜等[39]認為,免耕和增施有機肥有利于提高土壤SOC、土壤MBC、土壤DOC、土壤EOC 含量,這與本研究結果一致。本研究發(fā)現(xiàn)在90 d 時各處理土壤DOC 含量達到最大值,這與張瑞等[40]研究結果一致,可能是因為秸稈還田方式的改變,短期內畜禽糞便與秸稈施入田中能夠增加土壤活性有機碳含量,提高作物生物量和根際分泌物,使微生物活動和降解活動加速,因此在短期內生成高濃度水溶性有機物,增加了土壤DOC含量。
本試驗研究結果顯示,相較于CK處理,秸稈條帶堆腐各處理顯著提高了土壤活性有機碳各組分,并且條帶堆腐下活性有機碳含量高于條帶堆腐邊,秸稈腐解養(yǎng)分垂直方向運移高于水平方向,這可能因為自然環(huán)境條件下,隨著季節(jié)性降雨,作物秸稈與有機物料隨著雨水下滲,而條帶堆腐邊缺少物料的輸入,導致其各組分活性有機碳含量較條帶堆腐下各處理含量低。
碳庫管理指數(shù)(CPMI)是反映土壤碳素動態(tài)變化的有效指標,能夠為培肥地力、提高土壤活性碳含量提供重要的依據(jù)[41]。Kos能反映有機碳分解和養(yǎng)分釋放的程度,Kos越高說明土壤有機質活性越低,土壤越貧瘠,反之土壤越肥沃。本研究發(fā)現(xiàn)STC 和STP 處理對土壤活性有機碳提升效果明顯,其碳庫活度(A)和碳庫活度指數(shù)(AI)也明顯上升,并且高于ST 處理與CK 處理,說明秸稈條帶堆腐添加畜禽糞便不僅能提高土壤活性有機碳,還能夠提升碳庫活度,解釋了在秸稈條帶堆腐添加畜禽糞便下活性有機碳較高的原因。條帶堆腐邊各處理中STC 處理CPMI最高,其次為STP 處理,最低為ST 處理,一方面可能是因為不同畜禽糞便化學組成不同,導致其分解速率不同;另一方面是可能因為雞的腸道短,吃進去的飼料消化利用不充分,大量營養(yǎng)物質隨糞便排出,施用后為微生物提供足夠的養(yǎng)分,更能夠促進秸稈腐解[42]。本研究中Kos也證實了這一點,CK 處理土壤Kos高于 ST、STP 與STC 處理,說明 ST、STP 與 STC 能有效提高土壤肥力,并且試驗中添加畜禽糞便更能增強土壤有機碳活性,提高土壤肥力。本研究中秸稈條帶堆腐處理下SOC、DOC、EOC、MBC與土壤CPMI間存在顯著或極顯著的相關性,各組分活性有機碳相互關聯(lián)、相互影響、相互包含。
(1)玉米秸稈田間條帶堆腐還田能夠增加土壤有機碳、溶解性有機碳、易氧化有機碳、微生物量有機碳與碳庫管理指數(shù),降低土壤氧化穩(wěn)定系數(shù),對改善黑土碳庫質量有積極作用。
(2)玉米秸稈田間條帶堆腐添加雞糞處理更有利于土壤有機碳、土壤活性有機碳的積累,具有良好的培肥效果,是提高土壤肥力的有效措施。