有機(jī)肥替代不同比例化肥對土壤有機(jī)碳組分的影響

張久明，匡恩俊，劉亦丹，遲鳳琴，張一雯，宿慶瑞，石艷香

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，土壤肥料與環(huán)境資源研究所/黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150086; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030)

土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)是土壤肥力的重要指標(biāo)，為微生物代謝提供能量和底物，在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中起著極為關(guān)鍵的作用[1-2]。SOC的變化在短期內(nèi)不易顯現(xiàn)，對不同農(nóng)田管理措施作用下土壤質(zhì)量的改變反應(yīng)不靈敏，通常需要幾年的檢測才能得出SOC的質(zhì)量及數(shù)量的改變[3]。土壤活性碳組分主要包括易氧化有機(jī)碳(readily organic carbon, ROC)、溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)和微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)、顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon, POC)，作為土壤有機(jī)碳的重要組成部分，對田間管理措施響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)化迅速，被認(rèn)為是早期土壤質(zhì)量改變的敏感指標(biāo)[4-5]。

東北黑土區(qū)是我國寶貴的耕地資源，不論其作為經(jīng)濟(jì)作物主產(chǎn)區(qū)，還是作為重要的商品糧基地，在全國乃至世界都占據(jù)優(yōu)勢[6]。然而不合理的開墾、掠奪性的生產(chǎn)方式、長期重用輕養(yǎng)且不平衡的培肥措施等導(dǎo)致黑土區(qū)土壤退化、肥力快速下降，后期生產(chǎn)必須投入大量化肥才能獲得高產(chǎn)[7]，尤其是長期大量氮化肥的施用已經(jīng)造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)出報酬遞減規(guī)律。隨著人們對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注，有機(jī)肥作為一種環(huán)保肥料被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。大量研究表明，有機(jī)、無機(jī)肥配施能夠有效改善土壤理化性狀，控制農(nóng)田面源污染，穩(wěn)定甚至增加作物產(chǎn)量，提高作物品質(zhì)[8-9]。有機(jī)肥和化肥配施是提升土壤可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，但最佳配施比例在不同地區(qū)和土壤中不盡相同。本研究在東北春麥區(qū)進(jìn)行田間試驗，將不同配比的有機(jī)肥和化肥一次性施入土壤，分析春小麥生育期耕層土壤(0～20 cm)有機(jī)碳、氮組分含量及其相關(guān)指標(biāo)變化，探討有機(jī)肥替代化肥減施技術(shù)與土壤碳、氮組分之間的相互關(guān)系，以期為明確東北春麥區(qū)有機(jī)肥替代化肥的最佳用量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在黑龍江省嫩江中儲糧北方公司科技園區(qū)進(jìn)行(125°27′5″N，49°33′35″E)。試驗區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫 -1.4～0.8 ℃，降水量450 mm，無霜期 115 d，有效積溫2 150 ℃。試驗地土壤為黑土，厚層粘底，0～20 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)5個處理：(1)不施肥(CK)；(2)有機(jī)肥代替100%化學(xué)氮肥(M)；(3)有機(jī)肥替代替50%化學(xué)氮肥(M1N1)；(4)有機(jī)肥替代替25%化學(xué)氮肥(M2N2)；(5)全量化學(xué)氮肥(N)。小區(qū)面積 24 m2，3次重復(fù)。全化肥用量為當(dāng)?shù)匦←湻N植常規(guī)施用量，其中氮肥施用量為75.00 kg·hm-2，磷肥施用量為P2O575.00 kg·hm-2，鉀肥施用量為K2O 37.50 kg·hm-2。化肥分別為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀；有機(jī)肥為商品有機(jī)肥，其養(yǎng)分含量為N 5.05%、P2O52.75%、K2O 1.50%，有機(jī)質(zhì)含量 31.20%。有機(jī)肥替代100%、50%和25%化學(xué)氮肥的各處理有機(jī)肥用量分別為1 500、750和375 kg·hm-2，磷、鉀肥用量為常規(guī)用量減去有機(jī)肥中磷、鉀元素含量，以保證各施肥處理施入土壤養(yǎng)分含量一致。所有肥料均按照設(shè)計用量作為基肥播種前一次性施入。

供試小麥品種為克春4號，播量為300 kg·hm-2，播期為2019年4月8日，收獲期為8月9日。處理之間除肥料種類不同外，其他栽培管理措施相同。

1.3 樣品采集

2019年小麥?zhǔn)斋@后采集0～20 cm土壤樣品，每個小區(qū)均勻設(shè)3個采樣點，土樣混合均勻后采用四分法留取分析樣品。新鮮土樣取一部分通過2 mm網(wǎng)篩，保存在4 ℃冰箱內(nèi)用于測定微生物碳含量；另一部分自然風(fēng)干后磨碎過篩，用于測定其他指標(biāo)。

1.4 測定方法

土壤有機(jī)碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀氧化法[10]；土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量采用硫酸鉀浸提法[11]；土壤顆粒有機(jī)碳(POC)含量采用六偏磷酸納分散法[12]；微生物量碳(MBC)含量采用三氯甲烷熏蒸法[13]；土壤易氧化有機(jī)碳(ROC)含量采用高錳酸鉀氧化法[14]。敏感性指數(shù)計算公式[15]如下：

敏感指數(shù)=(施肥處理活性碳組分-CK活性碳組分)/CK活性碳組分×100%

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2007和SPSS 20.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳、氮組分含量

如表2所示，施肥對提高土壤有機(jī)碳含量具有促進(jìn)作用，但不同施肥處理的效果有所不同。土壤SOC含量以M處理最高，為24.30 g·kg-1，以CK處理最低，為22.68 g·kg-1，M處理土壤SOC含量顯著高于M2N2和CK處理(P< 0.05)，但與M1N1、N處理間無顯著差異。施肥能夠增加土壤全氮(TN)含量，N處理下TN含量最高，為2.70 g·kg-1，顯著高于其他處理(P<0.05)。土壤C/N維持在9.89～12.28，施用有機(jī)肥可以增加土壤C/N，但各處理與對照間無顯著差異；N處理下C/N顯著低于其他處理(P< 0.05)。

表2 不同施肥處理土壤碳氮變化特征

2.2 土壤活性有機(jī)碳組分含量

不同施肥處理下0～20 cm土壤有機(jī)碳活性組分含量存在不同程度差異(圖1)。土壤中POC含量表現(xiàn)為M1N1>M2N2>M>N>CK，有機(jī)無機(jī)配施處理POC含量顯著高于M、N及CK處理，M1N1處理下POC含量較N處理增加了 33.98%，較CK處理增加了40.82%。土壤中DOC含量表現(xiàn)為M>M2N2>N>CK>M1N1，M處理下DOC含量為325.97 mg·kg-1，顯著高于其他處理，較N處理增加了5.97%，較CK處理增加了7.33%，較M1N1處理增加了 7.34%。土壤中ROC及MBC含量在各處理中變化趨勢一致，均表現(xiàn)為M2N2>M1N1>N>M>CK，M2N2處理下ROC及MBC含量分別為 4.69 g·kg-1和317.40 mg·kg-1，均顯著高于其他處理，較N處理分別增加了10.35%和 39.66%，較CK處理分別增加了28.84%和 71.67%。由表3可知，土壤ROC、MBC、POC含量間存在極顯著相關(guān)關(guān)系 (P<0.01)；DOC與SOC含量顯著相關(guān)(P<0.05)，與POC、ROC、MBC含量沒有顯著相關(guān)性。

表3 有機(jī)碳組分間 Pearson 相關(guān)性分析(r)

圖柱上不同字母表示處理間差異達(dá) 5% 顯著水平。

2.3 土壤活性有機(jī)碳組分分配比率

土壤活性有機(jī)碳組分分配比率是指各活性有機(jī)碳組分在SOC中的占比。除DOC外，有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理能夠顯著提高各活性碳組分占土壤有機(jī)碳的比例(表4)。在所有處理中，ROC在土壤有機(jī)碳中的占比顯著高于其他活性碳組分所占比例(P<0.05)，其比值范圍為15.66%～ 20.45%；MBC/SOC所占比例最低，其比值范圍為 0.82%～1.39%。各施肥處理土壤DOC所占比例介于1.28%～1.34%之間。

表4 不同施肥處理土壤碳組分在有機(jī)碳中的占比

2.4 不同施肥處理對土壤碳組分敏感性指數(shù)的影響

敏感度指數(shù)(SI)可指示出土壤中對耕地管理措施反應(yīng)較靈敏的有機(jī)碳組分[16]。由表5可知，不同處理下，0～20 cm土壤中SOC、ROC、POC及MBC的SI值范圍分別為1.02%～ 6.58%、 4.40%～28.64%、5.95%～38.65%和 14.98%～71.76%。除SOC外，在不同處理中各活性有機(jī)碳組分均以M2N2處理處理最高，表明有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥25%能提高土壤中活性有機(jī)碳組分的靈敏性。在不同測定指標(biāo)中，以MBC的SI值最高，以SOC的SI值最低，表明土壤中活性碳組分MBC對環(huán)境變化反應(yīng)更為靈敏，在該地區(qū)可將MBC作為早期有機(jī)物變化的指 示物。

表5 不同施肥處理土壤SOC和有機(jī)碳組分的敏感度指數(shù)(SI)

3 討 論

3.1 有機(jī)無機(jī)配施對土壤總有機(jī)碳、氮含量的影響

土壤中有機(jī)碳能夠調(diào)節(jié)土壤物理性狀和化學(xué)性狀，是衡量農(nóng)田土壤肥力高低的重要指標(biāo)，關(guān)于添加氮肥對土壤肥力提高的影響研究早已有很多。土壤中碳、氮之間存在一定的耦合關(guān)系，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[17]。本研究結(jié)果表明，CK處理SOC含量較試驗前有所降低，各施肥處理SOC含量均高于CK處理。這可能是由于不施肥條件下無外來碳源，土壤有機(jī)質(zhì)僅以作物根茬殘留物碳循環(huán)為源，不能維持其平衡[18]。有研究表明，氮化肥和有機(jī)肥可有效提高土壤SOC和TN含量及其有效性，添加有機(jī)肥能夠增加外源有機(jī)物料，提高土壤對氮素的吸附能力，而氮的有效性高則可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[19]。在本研究中，單施化肥及單施有機(jī)肥均能顯著增加土壤SOC含量，M處理SOC含量最高，而有機(jī)無機(jī)肥配施則顯著降低SOC含量，是由于施用化肥氮素可降低農(nóng)田SOC的降解速率[20]，并且作物生長需要不斷吸收土壤中的有效養(yǎng)分，有機(jī)無機(jī)肥配施可以改善土壤理化性狀，增加土壤有效養(yǎng)分含量，促進(jìn)了作物對土壤養(yǎng)分的吸收[21]。土壤C/N是土壤礦化能力的標(biāo)志，直接影響土壤養(yǎng)分的有效性和作物生長，提高土壤C/N能促進(jìn)土壤微生物對土壤有機(jī)氮的分解和礦化作用[22]。在本研究中，施用有機(jī)肥會導(dǎo)致土壤C/N增加，而單施氮化肥C/N顯著降低，其原因可能是單施氮化肥導(dǎo)致土壤中殘留氮素較多，土壤碳含量低，最終導(dǎo)致C/N比降低[23]。

3.2 有機(jī)無機(jī)配施對土壤活性有機(jī)碳組分含量的影響

施用有機(jī)肥可以為微生物提供足夠的底物從而加速土壤有機(jī)碳的礦化及有機(jī)物料的腐解，釋放更多活性碳組分[24]。本研究結(jié)果表明，各施肥處理對土壤POC、ROC及MBC含量的提升效果由高到低依次為有機(jī)無機(jī)肥配施處理、單施化肥處理、單施有機(jī)肥處理(圖2)。李忠徽等[25]通過研究施用有機(jī)肥對黃綿土有機(jī)碳組分的影響，發(fā)現(xiàn)施有機(jī)肥處理土壤ROC含量較不施有機(jī)肥處理增加了7.80%。本研究結(jié)果表明，M2N2處理土壤ROC含量較CK處理增加28.84%，較N處理增加10.35%，這也證實了前人的研究結(jié)論。賀 美等[26]對東北黑土的研究發(fā)現(xiàn)，長期有機(jī)肥無機(jī)肥配施能顯著提高土壤POC含量。本研究表明，施肥能顯著提高土壤POC含量，有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理較單施化肥及單施有機(jī)肥效果顯著。主要是因為有機(jī)肥進(jìn)入土壤后與部分砂粒結(jié)合，直接提供了與POC組成相近的有機(jī)碳組分，再加上配施化肥，在一定程度上促進(jìn)了外源有機(jī)物料的分解和原有有機(jī)物質(zhì)的周轉(zhuǎn)，促進(jìn)了POC的形成和轉(zhuǎn)化[27]。MBC被認(rèn)為是活性有機(jī)質(zhì)的主要成分，能直接參與土壤有機(jī)殘體的礦質(zhì)化和腐殖化過程，調(diào)節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，其自身結(jié)構(gòu)物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物也是土壤碳庫的重要組分[28]。陳潔等[15]在湖北武漢地區(qū)長期稻麥輪作區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥處理下MBC含量顯著高于施化肥處理，與本研究結(jié)果一致。主要是因為有機(jī)肥能夠為微生物的生長提供充足的碳源，改善微生物的生存環(huán)境，加速其代謝過程[29]。土壤DOC易分解、活性高、流動性強[30]。本研究中，M處理下DOC含量最高，主要因為有機(jī)肥的施用既能直接增加土壤DOC含量，又能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解，間接導(dǎo)致DOC含量升高。

土壤各活性有機(jī)碳組分與SOC的比例能夠反映土壤有機(jī)碳的有效性，可反應(yīng)該碳組分能被微生物分解利用的難易程度，比例越高則表示該碳組分對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)程度越高。本研究結(jié)果表明，在各處理中，各活性有機(jī)碳占SOC的百分比表現(xiàn)為：ROC>POC>DOC>MBC，可能是因為施肥種類不同對土壤微生物數(shù)量影響不同，對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也具有不同影響，施用機(jī)肥后細(xì)菌群落更占優(yōu)勢，同時更有利于微生物數(shù)量的增加，使有機(jī)物質(zhì)的周轉(zhuǎn)速度加快，最終釋放更多的ROC。

3.3 有機(jī)無機(jī)配施對土壤碳組分敏感性指數(shù)的影響

利用敏感性指數(shù)可確定土壤有機(jī)碳中對農(nóng)田管理措施反應(yīng)最靈敏的碳組分[16]。Sparling等[31]指出，可將MBC作為土壤中有機(jī)質(zhì)變化的敏感指標(biāo)。在本研究中，ROC、POC及MBC的敏感度均高于SOC(表5)，其中M2N2處理下MBC反應(yīng)最為靈敏，且MBC與ROC、POC之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系(表3)，說明在各活性有機(jī)碳組分中，MBC是指示該區(qū)域輪作制度下土壤碳庫存的最佳指標(biāo)。主要原因是雖然 MBC在土壤中比例很小，但MBC與其他活性碳組分之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，是調(diào)節(jié)土壤碳轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，對于評價土壤質(zhì)量的研究至關(guān)重要。