王西和,楊金鈺,王彥平,麥爾耶姆·亞森,黃 建,劉 驊
(新疆農業(yè)科學院土壤肥料與農業(yè)節(jié)水研究所/國家灰漠土肥力與肥料效益監(jiān)測站/農業(yè)農村部新疆北部耕地保育與農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站,新疆 烏魯木齊 830091)
我國農業(yè)土壤的碳庫處于負平衡狀態(tài),因此,通過施肥等措施增加碳儲量,探索其作用機理是當前研究的熱點。土壤團聚體是保持土壤結構和肥力的物質基礎,其對土壤有機碳的物理保護是土壤有機碳穩(wěn)定的重要機制。然而,由于團聚體對土壤有機碳的物理保護機制非常復雜,明顯受到土壤類型、土壤管理措施、土層深度及有機碳降解難易程度等因素的影響[1]。因此,分析團聚體穩(wěn)定性和周轉速率,將有助于更加深入地了解團聚體對維持土壤有機碳穩(wěn)定的重要作用。
土壤的固碳功能伴隨著土壤團聚體的形成、穩(wěn)定及更新周轉過程的始終[2]。濕篩法是土壤團聚體物理穩(wěn)定性測定的方法之一,采用濕篩法對團聚體的研究表明,紅壤水稻土長期施肥后,土壤團聚體分布以<63 μm的粉粒和粘粒為主,長期施用有機肥有利于促進大團聚體的形成,土壤碳主要貯存在63~125和<63 μm土壤粒級中[3]。紅壤大團聚體有機碳含量與團聚體穩(wěn)定性呈極顯著的相關關系[4]。褐土秸稈深還田能夠提升土壤團聚體的穩(wěn)定性,有利于增加土壤團聚體碳含量[5]。黃褐土上生物炭化肥配施能顯著增加>0.25 mm粒級團聚體的百分含量,而秸稈化肥配施可以顯著提高>1 mm粒級團聚體的含量,生物炭和秸稈配施化肥能顯著促進>0.25 mm粒級團聚體的形成,土壤團聚體的穩(wěn)定性順序為:秸稈與化肥配施>生物炭和秸稈與化肥配施>生物炭與化肥配施,但是,生物炭配施化肥對團聚體穩(wěn)定性的影響不顯著[6]??梢?,由于施肥的方式不同,對不同土壤團聚體有機碳的分布及團聚體穩(wěn)定性影響也不同。因此,不同級別團聚體中有機碳受到的保護程度也不同。為更加深入地了解團聚體對維持土壤有機碳穩(wěn)定的重要作用,也有研究者根據Six等[7]提出的將大團聚體的周轉用于解釋施肥對土壤團聚體中碳的影響機制,其方法是將大團聚體經過密度分組可分為粗顆粒態(tài)有機碳(>250 μm)、細顆粒態(tài)有機碳(53~250 μm)和土壤粉粘粒有機碳(<53 μm)3個物理組分,用于分析新增碳在大團聚體中的分配效應,并以大團聚體中細顆粒有機質與粗顆粒有機質的比值作為評價大團聚體周轉速率的指標。比值越大,表明大團聚體周轉越慢,比值越小,大團聚體周轉越快。苑亞茹等[8]采用此方法對東北不同有機肥施用量下的黑土團聚體有機碳的研究認為,東北黑土施用有機培肥加速了土壤大團聚體的周轉,大團聚體周轉速率隨著有機肥施用量的增加而加快。而針對干旱區(qū)灰漠土不同施肥措施下,土壤大團聚體的周轉速率變化尚無報道。因此,定量研究不同管理措施下灰漠土大團聚體內部新增碳的分配效應及周轉速率將有助于認識團聚體對維持土壤有機碳穩(wěn)定的重要作用。
灰漠土是荒漠地區(qū)具有代表性的一類土壤,在中國耕地面積有62.3萬hm2,其中80%分布在新疆境內的天山北坡地帶,是支撐北疆農業(yè)生產的主要土壤類型。由于干旱的氣候條件,對土壤等環(huán)境資源的發(fā)育和穩(wěn)定構成威脅,土壤有機質含量少,養(yǎng)分貧乏,長期連作、重用輕養(yǎng),進一步導致了土壤板結、養(yǎng)分失調等理化性狀惡化問題[9]。因此,提高灰漠土有機碳對于支撐北疆農田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重大意義。已有研究表明,灰漠土長期施用有機肥土壤有機碳含量持續(xù)增加,有機碳累積量隨著有機肥施用量的增加而增加,秸稈還田土壤有機碳含量增加較為緩慢[10]。而且灰漠土中團聚體有機碳主要富集在大團聚體中[11],但灰漠土團聚體穩(wěn)定性及大團聚體的周轉尚不清晰。本研究針對長期不同施肥措施下的灰漠土,定量分析土壤團聚體有機碳分布及穩(wěn)定性等的變化,旨在為新疆綠洲灰漠土的合理培肥及土壤固碳措施提供理論依據與技術實踐。
試驗位于新疆烏魯木齊市安寧渠鎮(zhèn)“國家灰漠土肥力與肥料效益監(jiān)測站”,地處我國西北的天山北坡綠洲帶中游。中溫帶干旱半干旱荒漠氣候,海拔600 m,年平均氣溫7.6℃,有效積溫1734℃,常年降水量310 mm,無霜期156 d,年平均日照時數2594 h。土壤為灰漠土,質地為砂壤土,耕層土壤初始基本理化性質:有機質15.2 g·kg-1,全氮0.868 g·kg-1,全磷0.667 g·kg-1,全鉀23 g·kg-1,堿 解 氮55.2 mg·kg-1,有 效 磷3.4 mg·kg-1,速效鉀288 mg·kg-1,pH 8.1,陽離子交換量16.2 cmol·kg-1,容重1.25 g·cm-3。
本研究依托起始于1989年的長期定位施肥監(jiān)測試驗,選擇其中6個處理:①撂荒(不耕作,CK0);②不施肥(CK);③氮(N);④氮磷鉀(NPK);⑤氮磷鉀+有機肥(NPKM);⑥氮磷鉀+秸稈還田(NPKS)?;侍幚矸柿嫌昧糠謩e為:氮(N)241.5 kg·hm-2、磷(P2O5)138.0 kg·hm-2、鉀(K2O)61.9 kg·hm-2;氮磷鉀+有機肥處理肥料用量分別為:氮(N)151.8 kg·hm-2、磷(P2O5)90.4 kg·hm-2、鉀(K2O)19.0 kg·hm-2,有 機 肥為60 t·hm-2(干羊糞),碳、氮含量分別為348、18.8 g·kg-1;氮磷鉀+秸稈還田處理肥料用量分別 為:氮(N)216.7 kg·hm-2、磷(P2O5)116.6 kg·hm-2、鉀(K2O)52.0 kg·hm-2,秸 稈 多 年平均還田量7072.6 kg·hm-2(干重),碳、氮平均含量分別為385.8、5.5 g·kg-1。采用基肥與追肥配合的施肥方式,化肥采取總氮量的40%及全部磷、鉀肥作為基肥施用,60%的氮肥分2次隨滴灌追施,有機肥和秸稈均在翻耕前撒施。氮磷鉀化肥分別用尿素、磷酸二銨和硫酸鉀,有機肥為羊糞,秸稈為本田秸稈機械粉碎后全部還田,每個處理小區(qū)面積為34.4 m×13.6 m,無重復,但因小區(qū)面積較大,可以將各個處理小區(qū)分成3個子小區(qū),用于分析處理中的某些空間變化。種植制度為冬小麥-棉花-玉米輪作,一年一熟制。
將每個小區(qū)平均劃分為11.5 m×13.6 m的3個子小區(qū),作物收獲后采集深度為0~20 cm的原狀土壤樣品,每個子小區(qū)設5個取樣點制成一個混合樣,采樣時避免破壞土壤結構,將采集的土壤樣品用鋁盒裝好帶回實驗室自然風干,當土壤含水量達到塑限時,用手將大土塊沿著土壤的自然破碎面輕輕掰開,將礫石及植物殘體等撿除,過8 mm土篩,待樣品風干后,用于水穩(wěn)性團聚體組分的分離備用。在采集原狀土壤樣品的同時,將每個混合樣品按四分法分出部分土樣用于測定土壤有機碳。
參考Yan等[12]提供的濕篩法,稱100 g風干土進行土壤團聚體組分分離,對土壤團聚體進行>2000(試驗未篩出>2000 μm的團聚體組分)、250~2000、53~250、<53 μm 4個粒級分組,再根據Six等[7]的方法,稱取已獲得的干燥烘干的大團聚體50 g,轉移至250 mL離心管中,加入150 mL密度為1.85 g·cm-3的ZnBr溶液,用往復式振蕩器振蕩30 min。取出離心管,再用10 mL同樣的ZnBr溶液將粘附在離心管蓋子和管壁的顆粒物質完全沖洗至懸浮液中。隨后,將懸浮液置于離心機中,3000 r·min-1低溫離心30 min,靜置20 min后取出,用0.45 μm的聚酰胺膜將上清液抽濾10 min,以分離去除輕質有機碳組分。將保留在離心管中的土壤顆粒沉淀用去離子水沖洗3遍,再用150 mL質量分數0.5%的六偏磷酸鈉溶液將土壤顆粒沉淀再次分散,隨后放置振蕩器持續(xù)振蕩18 h,再將分散過后的懸浮液通過預先準備好的250和53 μm篩,并用清水沖洗直至瀝濾液澄清,將保留在篩上的土壤烘干、稱重,測定粗團聚體內顆粒態(tài)有機碳、細團聚體內顆粒態(tài)有機碳和粉粘粒有機碳亞組分。
土壤有機碳采用元素分析儀(Flash EA 1112,Italy)測定,其間每隔10個樣品夾帶1個國家標準樣品進行準確性校驗。
采用團聚體的平均重量直徑(MWD)作為評價團聚體穩(wěn)定性指標[13],計算如下:
式中,MWD代表平均重量直徑(mm),Xi代表第i個篩子上團聚體粒級組分的平均直徑(mm),Wi代表第i個篩子上團聚體粒級組分占土壤總質量的百分含量(%)。
采用Excel 2016進行數據整理,不同處理間的差異顯著性通過SPSS 16.0的LSD法進行統(tǒng)計分析,顯著性檢驗水平0.05。
對土壤有機碳分析表明(圖1),與撂荒(CK0)處理相比,長期耕作后,除施用有機肥(NPKM)和秸稈還田(NPKS)處理土壤有機碳增加顯著外,其他處理均無顯著變化。NPKM處理土壤有機碳含量達39.7 g·kg-1,與CK、CK0相比,均提高了1.8倍,與NPK、N化肥處理相比,平均提高了1.7倍,達到了顯著水平(P<0.05);NPKS處理土壤有機碳含量達16.5 g·kg-1,比CK、CK0處理均提高了0.2倍,比化肥處理平均提高了0.1倍,均達顯著水平(P<0.05);單獨施用化肥和撂荒處理未見顯著提高。有機物料投入的效果表明,施用有機肥土壤有機碳含量是秸稈還田的2.4倍,秸稈還田對提高土壤有機碳的效果僅是有機肥的8.8%,有機肥對提高土壤有機碳的效果遠大于秸稈還田。
對灰漠土團聚體的分布分析表明(圖2),灰漠土各級團聚體中,微團聚體含量最高,占團聚體總量的55.2%~71.0%;大團聚體次之,占總量的9.8%~33.8%;粉粘粒最低,占總量的9.8%~20.1%。有機物料的施用,主要提高了灰漠土大團聚體的水平,其對大團聚體的提高作用顯著優(yōu)于化肥和不施肥,且施用有機肥的效果顯著高于秸稈還田,與CK相比,NPKM和NPKS土壤大團聚體分別提高了246%和147%;撂荒處理大團聚體含量顯著高于化肥和不施肥,可能因為施用化肥和不施肥的管理措施使土壤大團聚體崩解所致;施用化肥對大團聚體的提高作用顯著高于不施肥;各處理大團聚體含量依次為NPKM>NPKS>CK0>NPK>N>CK。和土壤大團聚體相比,不同處理對微團聚體和粉粘粒的影響沒有那么強烈,施用有機物料微團聚體和粉粘粒的含量顯著降低,施用化肥或不施肥,微團聚體和粉粘粒含量相對減少。與CK相比,其他各處理粉粘粒含量均顯著下降,施用有機肥下降了45.3%,秸稈還田和單施化肥處理平均下降了26.2%,與CK0相比,耕作和施肥顯著提高了粉粘粒含量。
不同施肥措施下,灰漠土土壤團聚體MWD差異顯著(圖3),其中化肥配施有機物料顯著高于其他處理,可見有機物料的施用可以有效改善土壤結構,而有機肥的效果顯著高于秸稈還田。N處理MWD顯著高于NPK、CK0和CK,CK處理MWD最低??梢?,施肥或撂荒土壤團聚化程度均較不施肥有顯著提高;與單施化肥相比,化肥配施有機肥或秸稈還田均可明顯提高土壤團聚化程度,改善土壤結構,土壤有機碳含量越高,作用越明顯,說明外源有機碳的添加可以提高土壤大團聚體的含量、改善土壤的物理結構。
對土壤團聚體結合有機碳濃度分析表明(圖4),NPKM和CK處理土壤團聚體有機碳濃度均為大團聚體>微團聚體>粉粘粒,團聚體有機碳濃度隨團聚體粒徑增大而增加,施用有機肥雖然提高了土壤各級團聚體有機碳的濃度,但并未改變各級團聚體有機碳的比例。NPKS土壤團聚體有機碳濃度為粉粘粒>大團聚體>微團聚體,即粉粘粒占主導,NPK、N、CK0處理土壤團聚體有機碳濃度均為大團聚體>粉粘粒>微團聚體,即大團聚體結合有機碳占主導,可見,不同施肥措施對各級團聚體結合有機碳的影響不盡相同。而粉粘粒結合有機碳的變化表明,與CK相比,各處理均表現(xiàn)為顯著增加。施用有機肥各級團聚體結合有機碳較其他處理均有顯著增加。
通過對大團聚體進一步篩分,分析粗顆粒態(tài)有機碳、細顆粒態(tài)有機碳、粉粘粒有機碳在大團聚體中的分配特征(圖5)。與CK相比,CK0、N處理各組分有機碳含量沒有發(fā)生顯著變化,NPK僅有粗顆粒態(tài)有機碳顯著提高,NPKS僅細顆粒態(tài)有機碳顯著提高,另外的組分沒有發(fā)生顯著變化,NPKM各組分有機碳均顯著提高。大團聚體內各組分有機碳的變化幅度為細顆粒態(tài)有機碳>粉粘粒有機碳>粗顆粒態(tài)有機碳。各處理3個組分中,粗顆粒態(tài)有機碳含量均為最低,投入有機物料的處理(NPKM、NPKS)細顆粒態(tài)有機碳含量最高,分別較CK增加了3.9和1.2倍,其他處理粉粘粒有機碳最高??梢?,無論何種施肥措施,均對提高土壤大團聚體中的粗顆粒態(tài)有機碳含量有一定效果,有機物料的投入對提高土壤細顆粒態(tài)有機碳含量的效果最為顯著,且當土壤總有機碳含量提高到一定水平時,大團聚體內各級有機碳含量均可顯著增加??傊煌┓蚀胧┎粌H影響土壤中有機碳的蓄積,還影響著土壤有機碳在大團聚體內部的各組分中的分配,當土壤有機碳含量較低時(NPK、N、CK0、CK),粉粘粒有機碳含量占主要優(yōu)勢,而當土壤有機碳提高到一定水平后(NPKM、NPKS),細顆粒有機碳含量占主要優(yōu)勢。
輸入有機物料,大團聚體中細顆粒有機碳與粗顆粒有機碳的比值顯著高于化肥和不施肥,有機肥處理大團聚體中細顆粒有機碳與粗顆粒有機碳的比值也顯著高于秸稈還田處理,撂荒處理比值顯著高于施用化肥和不施肥,單施氮肥比值顯著高于不施肥。結果表明,有機肥和秸稈還田均可減緩土壤大團聚體周轉,而有機肥的周轉速率小于秸稈還田,撂荒對于減緩土壤大團聚體周轉的效果高于化肥,其中,有機肥處理大團聚體周轉速率分別是秸稈還田、化肥、撂荒和不施肥周轉速率的62%、39%、47%和33%,土壤大團聚體的周轉速率大小依次為:CK>NPK>N>CK0>NPKS>NPKM(圖6)。
土壤團聚體的穩(wěn)定機制十分復雜,不僅受自然條件的影響,而且還受土壤有機碳、土壤微生物、土地利用方式等的影響[14]。平均重量直徑(MWD)反映了土壤團聚體大小分布狀況,是評價水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的一個重要指標,MWD越大,表明土壤的團聚化程度越高,其穩(wěn)定性也越強[15-16]。本試驗通過對灰漠土團聚體的研究發(fā)現(xiàn),施用有機肥可顯著提高MWD,秸稈還田措施與施有機肥表現(xiàn)出相同的效果,兩者均顯著高于施用化肥處理??梢?,施用有機肥和秸稈還田均可提高灰漠土團聚體的穩(wěn)定性。許多研究認為,施用有機肥或秸稈還田,能夠促進大團聚體的形成,提升土壤團聚體的穩(wěn)定性[3,5,17]。但在本研究中,秸稈還田的作用強度不如施用有機肥,這可能是因為兩者用量和碳源類型的不同,產生了土壤有機碳含量的差異。Li等[18]研究也認為,土壤團聚體中碳氮含量主要受施肥方式的影響,施用有機肥和化肥能提高土壤團聚體穩(wěn)定性,改善土壤結構,施用有機肥效果更顯著。董莉麗[19]的研究表明,土壤有機質與水穩(wěn)性團聚體MWD線性正相關。章明奎等[20]對紅壤水穩(wěn)性團聚體的研究發(fā)現(xiàn),水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性均與土壤有機質含量呈正相關。王哲峰[21]在對草地土壤的研究中發(fā)現(xiàn),碳水化合物(尤其是稀酸提取的碳水化合物)是影響水穩(wěn)性團聚體形成和穩(wěn)定的關鍵因素。魏朝富等[22]對紫色土水穩(wěn)性團聚體研究表明,有機肥施用促進了土壤有機質和無定形氧化鐵的變化,是土壤水穩(wěn)性團聚體改善的根本原因。Elliott[23]認為,有機質能夠減少土壤團聚體的分散率,與大團聚體的穩(wěn)定性顯著相關。以上觀點主要認為施肥方式影響了土壤有機碳,而土壤有機碳含量又進一步影響著土壤團聚體穩(wěn)定性。一方面,有機肥的施用提高了土壤有機碳含量,這部分有機碳可以提供更多的有機膠結物質,同時增強土壤微生物活性和增加微生物的代謝產物如多糖等,進而促進了水穩(wěn)性大團聚體的形成[24],也就是說,連續(xù)施用有機肥較秸稈還田更能有效促進團聚體膠結物質的提高,形成更多的大團聚體(圖2)。另一方面,土壤大團聚體的穩(wěn)定性也增強了團聚體抵抗外部因素侵蝕的能力,降低了團聚體內有機碳暴露并分解的風險,兩者相互促進,對土壤固碳和團聚體穩(wěn)定性起著重要作用。影響土壤團聚體穩(wěn)定性的因素很多,目前,受到國內外認可的團聚體穩(wěn)定機制主要包括2種膠結劑的作用,一種是土壤有機質、根系菌絲及其分泌物等有機膠結劑對團聚體的粘結作用;另一種是粘粒、多價金屬離子、氧化物等無機膠結劑與團聚體顆粒間的相互作用力[25]。陳芳等[26]對紅壤、黃棕壤、黃褐土3種典型地帶性土壤研究發(fā)現(xiàn),游離態(tài)鐵鋁氧化物(尤其是游離態(tài)氧化鋁)是影響3種土壤團聚體水穩(wěn)性的最重要因素,而有機質對增強黃褐土、黃棕壤團聚體水穩(wěn)性有顯著促進作用。Zhang等[27]對熱帶土壤的研究認為,快速潤濕和濕攪拌后團聚體的歸一化平均重量直徑(NMWD)與土壤性質(如微聚集度、陽離子交換能力、K2O、Fe2O3或Al2O3)的相關性更大,而與土壤有機碳含量無關。李朝霞[28]對有機質含量小于20.0 g·kg-1的紅壤研究認為,土壤團聚體穩(wěn)定性與游離態(tài)Fe2O3、Al2O3、非晶形態(tài)Al2O3、SiO2和粘粒含量之間存在顯著或極顯著正相關關系,但與有機質相關關系不明顯。以上研究說明,土壤有機碳并非是影響團聚體穩(wěn)定性的決定性因素,因土壤類型和有機碳水平等不同,團聚體的穩(wěn)定機制存在差異。本研究中NPK、N、CK0處理間雖然有機碳無顯著差異,但團聚體穩(wěn)定性卻表現(xiàn)出顯著差異,這種差異可能主要由處理間無機膠結劑的差異所引起的,今后還需對無機膠體與土壤團聚體及其穩(wěn)定性的相關性做進一步研究。
農業(yè)土壤團聚體隨耕作不斷地形成和破壞,只有當團聚體的穩(wěn)定性最大而周轉速率最慢時,其對有機碳的固定才能最強。大團聚體周轉越慢,越有利于大團聚體內部產生更多的微團聚體,更有利于提高大團聚體的穩(wěn)定性,促進土壤有機碳的積累,相反大團聚體周轉快,使得易分解有機碳頻繁地暴露在外,易被微生物分解,不利于土壤有機碳的積累[29]。本試驗對灰漠土的研究也證明,有機肥和秸稈還田均可減緩土壤大團聚體的周轉速率,土壤有機碳顯著累積。徐江兵等[30]對旱地紅壤的研究也發(fā)現(xiàn),有機肥的施入降低了土壤大團聚體的周轉,秸稈處理對團聚體的形成和穩(wěn)定效果優(yōu)于廄肥處理。而苑亞茹等[8]對黑土的研究發(fā)現(xiàn),有機培肥加速了大團聚體的周轉,大團聚體的周轉速率隨著有機肥施用量的增加而加快。同樣,Gulde等[31]通過對連續(xù)32年施加不同量牛糞試驗的研究發(fā)現(xiàn),大團聚體中的細顆粒有機碳與粗顆粒有機碳的比值隨著牛糞施用量的增加而下降,土壤大團聚體周轉加速。得出以上2種截然相反結論的原因可能與輸入的碳源、土壤碳飽和度、土壤母質以及氣候有關。如糞肥主要由粗顆粒組成[32],當糞肥輸入土壤后,導致粗顆粒有機碳的選擇性輸入到土壤中,因此,更多的粗顆粒有機碳被團聚到大團聚體中(圖3),然而,如果不增加大團聚體的周轉量,粗顆粒有機碳將被分解為細顆粒有機碳,細顆粒有機碳再進一步分解為粉粘粒有機碳,細顆粒有機碳和粉粘粒有機碳均會增加(圖4),表明大團聚體周轉速率的減緩,增加了土壤粗顆粒有機碳向穩(wěn)定性更高的細顆粒有機碳轉化,這也可能與有機肥的施用量和有機碳的周轉速率有關。若有機肥足夠,提供的粗顆粒有機碳也相應足夠,微生物可能優(yōu)先取食新鮮的有機肥,而不是大團聚體中的有機物質,這樣一方面減少了微生物對大團聚體中有機物分解導致的大團聚體的破壞,另一方面,微生物的活動產生的多糖等粘合劑,進一步促進了微團聚體和粉粘粒向大團聚體的團聚。因此,灰漠土施用有機肥時,減緩了土壤大團聚體的周轉速率,是灰漠土有機碳的重要保護機制,但施用化肥處理也表現(xiàn)出大團聚體周轉速率下降?;夷链髨F聚體周轉速率的快慢與有機碳的累積是否存在必然關系,還有待進一步研究。
化肥配施有機肥可顯著提高灰漠土團聚體中粗顆粒態(tài)有機碳、細顆粒態(tài)有機碳和粉粘粒有機碳的含量,新增碳在大團聚體中主要以細顆粒態(tài)有機碳的形態(tài)儲存下來,形成了穩(wěn)定的團聚體結構,并降低大團聚體的周轉速率,是灰漠土有機碳的重要物理保護機制。