添加外源有機(jī)物對(duì)長(zhǎng)期不同施肥處理水稻土有機(jī)碳礦化的影響

冷雪梅,錢(qián)九盛,張旭輝,謝文逸,劉曉雨,鄭聚鋒,郭世偉,李戀卿,潘根興

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所,江蘇 南京 210095)

土壤是地球表層系統(tǒng)中最主要的碳庫(kù),土壤有機(jī)碳是土壤的重要組成部分和關(guān)鍵物質(zhì),在維持土壤肥力、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面起著重要作用[1-2]。水稻土是中國(guó)特色的水耕人為土類(lèi)型,約占全國(guó)農(nóng)作物耕地總面積的20%。近20年來(lái),我國(guó)南方水稻土有機(jī)質(zhì)含量明顯升高,固碳速率提高,水稻土在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)固碳中具有越來(lái)越重要的作用[3-4]。因此,水稻土碳循環(huán)的生物地球化學(xué)特點(diǎn)與長(zhǎng)期固碳效應(yīng)也成為當(dāng)前土壤碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[5]。

土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性與大氣中CO2等溫室氣體的波動(dòng)密切相關(guān),因此在全球碳循環(huán)和調(diào)節(jié)溫室氣體中起著重要作用[6]。土壤有機(jī)碳可能會(huì)通過(guò)以下幾個(gè)機(jī)制來(lái)促進(jìn)其穩(wěn)定性:1)土壤粉黏粒保護(hù)土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性;2)微團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù);3)形成難降解土壤有機(jī)質(zhì)的生物化學(xué)穩(wěn)定性[7]。土壤有機(jī)碳庫(kù)根據(jù)其被微生物降解的速度快慢和難易程度可以分為活性碳庫(kù)、慢性碳庫(kù)和惰性碳庫(kù)。土壤活性碳庫(kù)是土壤中含量相對(duì)較少但對(duì)環(huán)境變化敏感或生物活性較高的有機(jī)碳組分,是表征土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的敏感性指標(biāo)之一[8-10]。顆粒態(tài)有機(jī)碳作為物理活性碳庫(kù),代表了土壤有機(jī)碳中的緩慢碳庫(kù),在團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)中起保護(hù)土壤有機(jī)碳免受微生物消耗分解的作用。易氧化態(tài)有機(jī)碳一般指用化學(xué)氧化法所測(cè)得的碳,常用來(lái)表征土壤中易氧化和易分解的活性有機(jī)碳庫(kù)?？扇苄杂袡C(jī)碳是土壤中具有一定溶解性且易發(fā)生分解和礦化較為活躍的碳庫(kù)。微生物量碳是指土壤中微生物體內(nèi)碳的總和,代表了土壤中最為活躍的碳庫(kù),且對(duì)土壤有效養(yǎng)分供給具有重要意義。

農(nóng)田土壤中作物根系殘留、秸稈還田及有機(jī)肥施用等均會(huì)使有機(jī)物質(zhì)不斷輸入到土壤中,而這些有機(jī)質(zhì)的輸入可能會(huì)通過(guò)激發(fā)效應(yīng)來(lái)影響土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[11]。利用穩(wěn)定性同位素δ13C示蹤技術(shù),可以研究外源有機(jī)質(zhì)輸入對(duì)土壤有機(jī)礦化的影響[12]。施肥是保證農(nóng)作物增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要農(nóng)田管理措施,不同施肥措施可在一定程度上影響土壤理化性質(zhì)及土壤微生物群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化分解及其穩(wěn)定性[13]。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究表明,有機(jī)與無(wú)機(jī)肥配施在提高土壤有機(jī)碳礦化作用的同時(shí)還可提高土壤有機(jī)碳含量,單施有機(jī)肥處理的這種趨勢(shì)會(huì)更加顯著[14-15]。

本研究選取長(zhǎng)期不同施肥措施下的2種典型水稻土(白土和高砂土)作為研究對(duì)象,采用外源有機(jī)物(玉米秸稈)添加下的室內(nèi)恒溫培養(yǎng)法,研究不同施肥措施對(duì)水稻土有機(jī)碳和不同碳組分的影響及激發(fā)效應(yīng),以期了解不同施肥措施對(duì)水稻土有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響機(jī)制,探討促進(jìn)水稻土有機(jī)碳穩(wěn)定性的合理施肥措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇2種母質(zhì)水稻土的4個(gè)肥料處理為研究對(duì)象進(jìn)行肥料定位試驗(yàn),試驗(yàn)地分別位于江蘇省溧陽(yáng)市和如皋市,種植制度為冬小麥-夏水稻輪作,地力均勻,耕層深度0～15 cm。2種水稻土的基本背景:溧陽(yáng)白土(LY),發(fā)育自下蜀黃土母質(zhì),田間試驗(yàn)開(kāi)始于2015年,地點(diǎn)位于常州溧陽(yáng)市(31.47°N,119.42°E),該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫17.5 ℃,年均降水量為1 149.7 mm;如皋高砂土(RG),發(fā)育自江淮沖積物,田間試驗(yàn)開(kāi)始于2008年,地點(diǎn)位于如皋市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)平臺(tái)(32.44°N,120.49°E),該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫為14.7 ℃,年均降水量為1 056.8 mm。

2個(gè)試驗(yàn)地均設(shè)置4個(gè)肥料處理,試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì):1)不施肥(CK);2)農(nóng)民習(xí)慣施肥(FFP):氮肥300 kg·hm-2,磷肥(P2O5)90 kg·hm-2,鉀肥(K2O)90 kg·hm-2;3)優(yōu)化施肥(OPT):氮肥240 kg·hm-2,磷肥(P2O5)72 kg·hm-2,鉀肥(K2O)90 kg·hm-2;4)牛糞替氮(CMSN):氮肥240 kg·hm-2(牛糞20%、化學(xué)氮肥80%),磷肥(P2O5)72 kg·hm-2,鉀肥(K2O)90 kg·hm-2。每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)排列,共12個(gè)小區(qū)。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of the tested soil

1.2 土壤樣品采集與處理

于2019年11月水稻收獲期采集土壤樣品,采樣深度為0～15 cm,每個(gè)小區(qū)按五點(diǎn)法采集混合土樣。使用不銹鋼采樣鏟采集,去除土壤中的植物根系、動(dòng)物殘?bào)w、石塊、貝殼等,以四分法混勻。一部分樣品置于4 ℃冰箱保存,用于室內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)及土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量等測(cè)定;另一部分樣品風(fēng)干處理,磨細(xì)過(guò)篩,用于土壤養(yǎng)分等測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將低溫保存的各處理新鮮土壤樣品分別過(guò)2 mm篩并混勻,各稱(chēng)取100.00 g土樣(按烘干土重計(jì))于500 mL培養(yǎng)瓶中,試驗(yàn)共設(shè)置添加玉米秸稈(C1)和不添加玉米秸稈(對(duì)照組,C0)2個(gè)處理,C1處理添加過(guò)2 mm篩的風(fēng)干玉米秸稈1.00 g(使風(fēng)干玉米秸稈質(zhì)量占風(fēng)干土的1%),并充分混勻。每組處理設(shè)置 3個(gè)重復(fù),以去離子水代替土壤樣品的培養(yǎng)瓶作為空白對(duì)照,向培養(yǎng)瓶中添加一定量的去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至田間持水量的60%。在培養(yǎng)瓶瓶蓋上插一長(zhǎng)一短2根套有三通閥的橡膠管,密封好的培養(yǎng)瓶放入恒溫培養(yǎng)箱中,在25 ℃條件下黑暗培養(yǎng)60 d。定期采集氣體樣品,再按稱(chēng)重法補(bǔ)充土壤水分。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 不同形態(tài)土壤有機(jī)碳含量測(cè)定采用氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4浸提法測(cè)定微生物量碳(MBC);按水與土質(zhì)量比為5∶1浸提,用TOC/TN3100自動(dòng)分析儀測(cè)定可溶性有機(jī)碳(DOC)含量;采用5 g·L-1六偏磷酸鈉分散土樣,過(guò)53 μm篩后60 ℃烘干,計(jì)算其占全部土壤樣品的比例;同時(shí)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量,再換算成全部土壤樣品中顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)含量;采用 0.333 mol·L-1KMnO4氧化法測(cè)定易氧化有機(jī)碳(LOC)含量。

1.4.2 土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)采用Agilent公司的GC-7890A氣相色譜儀測(cè)定CO2含量,用Delta plus-GasBench Ⅱ同位素質(zhì)譜儀測(cè)定CO2δ13C,用IsoPrime100-EA同位素質(zhì)譜儀測(cè)定供試土壤和玉米秸稈 δ13C 值。供試玉米秸稈:碳含量為381.02 g·kg-1,全氮含量為5.66 g·kg-1。

CO2-C釋放速率的計(jì)算公式[16]:

F=ρ×V/W×ΔC/Δt×273/(273±T)×α

(1)

式中:F為CO2產(chǎn)生速率(μg·g-1·d-1或μg·kg-1·d-1);ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體密度,CO2密度為1.98 kg·m-3;V為培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)氣體體積(L);W為土樣質(zhì)量(g);ΔC/Δt為在一定時(shí)間內(nèi)氣體濃度的變化速率;T為培養(yǎng)溫度(℃);α為氣體換算到C或N的轉(zhuǎn)化因子,CO2為12/44。

添加秸稈后相對(duì)激發(fā)效應(yīng)(PE)的計(jì)算公式:

RES=(δs-δC3)/(δC4-δC3)×100%

(2)

CO2-Ctreatment=(1-RES)×CO2-C

(3)

PE=(CO2-Ctreatment-CO2-Ccontrol)/CO2-Ccontrol×100%

(4)

式中:RES為添加的玉米秸稈對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率;δs為添加玉米秸稈土壤釋放CO2的δ13C(%);δC3為對(duì)照土壤的δ13C(%);δC4為玉米秸稈的δ13C(%);CO2-Ctreatment為添加秸稈處理后土壤有機(jī)碳釋放的CO2含量;CO2-Ccontrol為未添加玉米秸稈的有機(jī)碳釋放的CO2含量;CO2-C為土壤有機(jī)碳釋放的總CO2含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019軟件和Origin 2020b軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,采用SPSS 26.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性檢驗(yàn)和Duncan’s顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加玉米秸稈對(duì)不同施肥處理水稻土有機(jī)碳礦化速率的影響

從圖1可知:添加玉米秸稈的各施肥處理的CO2-C釋放速率隨培養(yǎng)時(shí)間的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),且表現(xiàn)出明顯的階段性特征。第1階段為0～4 d,CO2-C釋放速率逐漸升高;第2階段為5～15 d,CO2-C釋放速率迅速下降;第3階段為16～60 d,CO2-C釋放速率逐漸下降,且幅度較為緩慢。與CK相比,白土在培養(yǎng)4 d時(shí)各處理CO2-C釋放速率均顯著增加,其中OPT處理最高;在15 d時(shí),各處理間CO2-C釋放速率無(wú)顯著性差異。高砂土在培養(yǎng)4 d時(shí),OPT處理CO2-C釋放速率顯著高于其他處理;在15 d時(shí),各處理間CO2-C釋放速率無(wú)顯著性差異。未添加玉米秸稈的各施肥處理CO2-C釋放速率隨培養(yǎng)時(shí)間的增加無(wú)明顯波動(dòng),維持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 添加玉米秸稈對(duì)不同施肥處理水稻土CO2-C釋放速率的影響Fig.1 Effects of maize straw addition on CO2-C emission rate of different treatmentsC1:添加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))玉米秸稈Add 1% maize straw. 下同The same as follows.

添加玉米秸稈后不同施肥處理的水稻土有機(jī)碳礦化量如表2所示。白土中,未添加玉米秸稈(C0)土壤有機(jī)碳礦化量從大到小的處理依次為CK、FFP、CMSN、OPT,FFP、CMSN和OPT處理較CK分別降低8.33%、19.22%和28.62%;添加玉米秸稈(C1)后土壤有機(jī)碳礦化量從大到小的處理依次為CK、OPT、CMSN和FFP。高砂土中,C0和C1土壤有機(jī)碳礦化量從大到小的處理依次為OPT、CMSN、FFP、CK,OPT、CMSN和FFP在C0處理下分別較CK提高104.18%、63.33%和37.98%,在C1處理下分別較CK提高30.38%、13.38%和3.23%。OPT和CMSN對(duì)白土添加玉米秸稈后有機(jī)碳礦化量提高幅度高于CK,但對(duì)高砂土提高幅度低于CK;OPT對(duì)白土提高幅度在各種施肥處理中最高,但對(duì)高砂土的提高幅度最低;FFP對(duì)白土和高砂土的有機(jī)碳礦化量提高幅度均低于CK。

表2 添加玉米秸稈60 d后不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳礦化量的影響Table 2 Effects of maize straw addition on mineralization of organic carbon under different treatments in 60 d

2.2 添加玉米秸稈對(duì)不同施肥處理水稻土各形態(tài)有機(jī)碳含量的影響

從圖2可知:添加玉米秸稈后白土和高砂土各處理土壤有機(jī)碳含量顯著提高。白土中,C1處理的CK、FFP、OPT和CMSN土壤有機(jī)碳含量較C0分別增加12.63%、20.18%、16.43%和12.27%;C0處理,CMSN有機(jī)碳含量顯著高于其他處理,較CK提高17.85%;C1中CMSN較CK提高17.48%。高砂土中,C1處理的CK、FFP、OPT和CMSN土壤有機(jī)碳含量較C0分別增加10.93%、10.75%、17.98%和16.27%;C1處理,FFP、OPT和CMSN有機(jī)碳含量均顯著提高,分別較CK提高8.69%、8.67%和11.37%。添加玉米秸稈后,OPT對(duì)白土和高砂土的有機(jī)碳含量提高幅度均高于CK;CMSN對(duì)高砂土有機(jī)碳提高幅度高于CK,與白土表現(xiàn)相反。

圖2 添加玉米秸稈60 d后對(duì)不同施肥處理水稻土有機(jī)碳含量的影響Fig.2 Effects of maize straw addition on soil organic carbon content of different treatments in 60 d 不同大寫(xiě)字母表示相同施肥下不同處理間差異顯著,不同小寫(xiě)字母表示相同處理不同施肥間差異顯著(P<0.05)。下同。Different capital letters indicate significant difference of different treatments under the same fertilization,and different small letters indicate significant difference of different fertilizations under the same treatment(P<0.05). The same as follows.

添加玉米秸稈對(duì)各處理水稻土的DOC、MBC、LOC和POC含量均有不同程度的影響(圖3)。白土中,CMSN施肥條件下C1較C0的DOC含量提高44.47%,其他施肥條件下C1與C0之間無(wú)顯著性差異;在C1處理中,CMSN的DOC含量顯著高于CK、FFP和OPT。高砂土中,FFP施肥條件下C1處理的DOC含量較C0增加38.84%,其他施肥條件下C1與C0之間無(wú)顯著差異。

圖3 添加玉米秸稈60 d后對(duì)不同施肥處理水稻土活性碳庫(kù)組分的影響Fig.3 Effects of maize straw addition on soil labile organic carbon content of different treatments in 60 d

添加玉米秸稈顯著提高M(jìn)BC含量,CK、FFP、OPT和CMSN施肥條件下土壤MBC含量C1較C0處理分別提高1.79、0.86、1.09和1.48倍;原土MBC含量從大到小的處理依次為OPT、FFP、CMSN、CK,C0處理MBC含量從大到小的處理依次為FFP、OPT、CK、CMSN,C1處理MBC含量從大到小的處理依次為FFP、OPT、CK、CMSN。CK、FFP、OPT和CMSN施肥條件下高砂土MBC含量C1較C0處理分別提高1.03、1.79、1.51和0.66倍;CMSN施肥條件下C0處理土壤MBC含量高于FFP和CK,C1處理土壤FFP和OPT的MBC含量高于CMSN和CK。CMSN對(duì)添加玉米秸稈處理后白土和高砂土MBC含量提高幅度均低于CK。

CK、FFP、OPT和CMSN施肥條件下土壤LOC含量C1較C0處理分別提高36.30%、29.00%、29.77%和15.42%;原土LOC含量從大到小的處理依次為CMSN、FFP、CK、OPT,C0處理CMSN的LOC含量最高,C1處理各施肥間無(wú)顯著性差異。CK、FFP、OPT和CMSN施肥條件下高砂土LOC含量C1較C0分別提高22.59%、22.85%、21.05%和23.75%;C0和C1處理各施肥間無(wú)顯著差異。

白土CK、FFP、OPT和CMSN土壤POC含量C1較C0處理分別提高40.31%、45.77%、25.12%和29.71%;原土、C0和C1處理CMSN的POC含量較CK 顯著提高。高砂土CK、FFP、OPT和CMSN土壤POC含量C1處理較C0分別提高30.40%、26.92%、61.86%和26.55%;原土CMSN土壤POC含量高于CK和FFP,C1處理OPT土壤中POC含量高于CK、FFP和CMSN。OPT對(duì)添加玉米秸稈處理后白土和高砂土POC含量提高幅度高于CK,CMSN對(duì)白土和高砂土提高幅度均低于CK。

2.3 添加玉米秸稈對(duì)不同施肥處理水稻土新老碳礦化和激發(fā)效應(yīng)的影響

表3是不同處理土壤在培養(yǎng)1、4和15 d測(cè)得的土壤呼吸釋放的CO2氣體δ13C同位素豐度值及計(jì)算的玉米秸稈處理土壤中來(lái)源于玉米秸稈(新碳)對(duì)于呼吸排放CO2的貢獻(xiàn)率。白土中,添加玉米秸稈1 d后FFP土壤釋放的CO2主要來(lái)源于土壤原有有機(jī)碳(老碳),其他處理3 d釋放的CO2均主要來(lái)源于新碳。高砂土中,添加玉米秸稈后4種施肥土壤3 d釋放的CO2主要來(lái)源于新碳。與CK相比,FFP分別顯著提高白土培養(yǎng)4和15 d的玉米秸稈貢獻(xiàn)率,OPT顯著提高白土培養(yǎng)15 d及高砂土培養(yǎng)1和15 d的貢獻(xiàn)率。

表3 各處理土壤釋放CO2的δ13C值Table 3 δ13C values of CO2 released from different treatments

從圖4可知:C1處理對(duì)白土4種施肥處理土壤中原有有機(jī)碳礦化均產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng),FFP和OPT處理添加玉米秸稈后隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)相對(duì)激發(fā)效應(yīng)逐漸減弱;與CK相比,FFP、OPT和CMSN在培養(yǎng)1 d的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)分別增加3.04、2.84和2.44倍,在培養(yǎng)15 d時(shí)相對(duì)激發(fā)效應(yīng)分別降低59.34%、26.69%和31.73%,OPT在培養(yǎng)4 d相對(duì)激發(fā)效應(yīng)較CK提高1.19倍。C1對(duì)高砂土的CK、FFP和OPT中原有有機(jī)碳產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng),CMSN在培養(yǎng)4和15 d產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng),且隨時(shí)間延長(zhǎng)負(fù)激發(fā)效應(yīng)減弱;與CK相比,FFP、OPT和CMSN在1 d的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)分別降低19.55%、57.49%和51.20%,OPT和CMSN在4 d時(shí)相對(duì)激發(fā)效應(yīng)分別降低53.42%和131.00%,CMSN在15 d時(shí)降低111.00%。

圖4 添加玉米秸稈對(duì)不同施肥處理培養(yǎng)1、4、15 d土壤激發(fā)效應(yīng)的影響Fig.4 Effects of maize straw addition on soil priming effect of different treatments in 1,4 and 15 d incubation

2.4 土壤有機(jī)碳礦化的影響因子

土壤類(lèi)型和施肥措施的交互作用對(duì)各個(gè)指標(biāo)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。C0處理下,土壤類(lèi)型對(duì)有機(jī)碳礦化量(Cmin)、SOC、MBC和POC有極顯著影響,對(duì)DOC和LOC有顯著影響;施肥處理對(duì)Cmin、SOC、MBC和LOC有極顯著影響,對(duì)POC有顯著影響;土壤類(lèi)型和施肥處理的交互作用對(duì)Cmin和MBC有極顯著影響,對(duì)LOC和POC有顯著影響。C1處理下,土壤類(lèi)型對(duì)SOC、MBC和POC有極顯著影響,對(duì)LOC有顯著影響;施肥處理對(duì)Cmin、SOC、MBC和POC有極顯著影響,對(duì)DOC有顯著影響;土壤類(lèi)型和施肥處理的交互作用對(duì)Cmin、DOC、MBC和POC有極顯著影響。

表4 土壤類(lèi)型和施肥處理對(duì)各指標(biāo)的方差分析結(jié)果(F值)Table 4 The result of variance analysis of soil type and fertilization treatment to each index(F-value)

利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析土壤CEC和游離氧化鐵對(duì)培養(yǎng)60 d后土壤有機(jī)碳礦化量和土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)性(表5)。白土原土土壤CEC與有機(jī)碳呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,游離氧化鐵對(duì)有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系;高砂土原土CEC和游離氧化鐵對(duì)有機(jī)碳礦化量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;原土CEC和游離氧化鐵對(duì)白土有機(jī)碳礦化量和高砂土有機(jī)碳含量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系;原土的黏粒含量對(duì)白土及高砂土的有機(jī)碳礦化量和土壤有機(jī)碳含量均無(wú)顯著性相關(guān)關(guān)系。

表5 培養(yǎng)60 d后有機(jī)碳礦化量和有機(jī)碳與土壤性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 5 The correlation analysis of soil characteristic with the content of mineralization of organic carbon

3 討論

不同施肥處理可以改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量會(huì)隨之發(fā)生改變,進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程產(chǎn)生顯著影響[17]。本研究中,添加玉米秸稈后各施肥處理的土壤有機(jī)碳礦化速率均表現(xiàn)出階段性變化,即培養(yǎng)初期土壤呼吸速率較快。這是因?yàn)樾迈r有機(jī)物的投入增加了碳源和養(yǎng)分,刺激微生物對(duì)活性碳源的優(yōu)先分解利用[18-19]。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),土壤中的有機(jī)質(zhì)以木質(zhì)素、多酚等難分解成分為主,微生物分解作用減弱,土壤呼吸速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定[20]。然而,沒(méi)有添加玉米秸稈的對(duì)照組土壤有機(jī)碳礦化速率始終保持平穩(wěn),這是因?yàn)橛糜谂囵B(yǎng)的土壤是未經(jīng)過(guò)風(fēng)干處理的水稻土鮮樣,保留了土壤中原始微生物生存條件,意味著土壤在沒(méi)有外界擾動(dòng)的條件下土壤微生物活動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

本研究中,添加玉米秸稈后2種水稻土均表現(xiàn)出OPT處理的土壤有機(jī)碳礦化速率最快,FFP處理土壤中有機(jī)碳礦化速率低于OPT和CMSN處理,施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率的影響要顯著大于土壤類(lèi)型的影響。外源有機(jī)質(zhì)輸入對(duì)土壤有機(jī)碳的影響可能與土壤的碳氮比有密切關(guān)系[21]。本研究中OPT處理土壤碳氮比顯著低于FFP處理,因此外源有機(jī)物添加后會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳分解速率顯著高于FFP處理。Meyer等[22]研究發(fā)現(xiàn),低氮素水平供應(yīng)會(huì)增加土壤有機(jī)碳礦化速率,高氮素供應(yīng)更有利于土壤有機(jī)碳固存。本研究中,等氮量施肥條件下,添加玉米秸稈后OPT處理高砂土的有機(jī)碳礦化速率顯著高于CMSN處理,這與牛糞替氮50%處理土壤有機(jī)碳礦化速率比單獨(dú)施化肥處理更高的研究結(jié)果相反[23]。原因可能由于有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施比例不同,高比例有機(jī)肥處理土壤中的活性有機(jī)碳含量更高[24],施加有機(jī)肥可以通過(guò)提高微生物生物量和酶活性促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化[25]。FFP可以增加白土和高砂土原土中土壤有機(jī)碳含量,且高砂土中OPT和CMSN處理都可以提高有機(jī)碳含量。其原因可能是長(zhǎng)期施肥的土壤會(huì)存在土壤有機(jī)碳的平衡點(diǎn),當(dāng)土壤有機(jī)碳含量低于平衡點(diǎn)時(shí),施肥就可以提高土壤有機(jī)碳含量,達(dá)到正平衡,起到固碳的效果[26]。CMSN處理中高砂土和白土外源有機(jī)質(zhì)添加后的土壤有機(jī)碳最高,因?yàn)榧S肥作為外源有機(jī)物是提高土壤有機(jī)碳含量和穩(wěn)定性的有效施肥措施之一[27]。

添加外源有機(jī)物顯著提高土壤MBC、LOC和POC的含量,而DOC含量除白土CMSN和高砂土FFP處理外均無(wú)顯著提高。這是由于添加玉米秸稈產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)從而釋放大量可溶性有機(jī)碳,這些碳是最具生物可用性的活性碳庫(kù)來(lái)源,微生物可迅速分解利用[28],最終導(dǎo)致其含量沒(méi)有提高。白土和高砂土中FFP和OPT處理MBC含量均高于CMSN,白土不施肥處理的MBC對(duì)玉米秸稈添加的響應(yīng)程度最高。這可能是因?yàn)榘淄恋氖┓侍幚頃r(shí)間較短,且氮含量對(duì)MBC含量有顯著影響。本研究中各處理全氮含量無(wú)顯著性差異可能導(dǎo)致各處理間土壤MBC含量無(wú)顯著性差異,而不施肥處理土壤中微生物由于一直處于饑餓脅迫狀態(tài),當(dāng)添加外源有機(jī)質(zhì)到土壤中后可能會(huì)短時(shí)激發(fā)微生物活性,從而增加微生物數(shù)量。有機(jī)、無(wú)機(jī)肥配施對(duì)于土壤MBC含量提高效果明顯優(yōu)于單施化肥[29-31]。本研究結(jié)果與其不一致,可能是由于外源有機(jī)物的投入源和施肥率、耕作管理、作物輪作、試驗(yàn)時(shí)間和具體場(chǎng)地的差異造成的。MBC含量在不同培養(yǎng)時(shí)期存在差異,在礦化培養(yǎng)的前期有機(jī)、無(wú)機(jī)配施處理含量最高,而后期不同施肥處理間差異相對(duì)較小[32]。礦化培養(yǎng)后的LOC含量在各個(gè)施肥處理之間無(wú)顯著差異。在原土中,CMSN處理土壤的POC含量最高,說(shuō)明有機(jī)、無(wú)機(jī)配施可以顯著提高POC含量,改善土壤結(jié)構(gòu),使土壤有機(jī)碳膠結(jié)在團(tuán)聚體中,有利于有機(jī)碳的物理保護(hù);添加玉米秸稈后,白土CMSN和高砂土OPT處理的POC含量高于其他施肥處理,這與土壤有機(jī)碳礦化量的變化一致,這也進(jìn)一步說(shuō)明有機(jī)、無(wú)機(jī)配施在短時(shí)間內(nèi)可促進(jìn)POC的積累。

外源輸入有機(jī)碳的類(lèi)型會(huì)影響土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng),向土壤中加入新鮮有機(jī)質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致正激發(fā)效應(yīng)[33]。本研究中,除高砂土CMSN處理外,在培養(yǎng)前期,添加玉米秸稈后各處理土壤有機(jī)碳礦化均表現(xiàn)為正激發(fā)效應(yīng),隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)激發(fā)效應(yīng)減弱。其中,白土OPT處理的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)高于FFP處理,而高砂土FFP處理的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)高于OPT處理,這可能與水稻土的土壤類(lèi)型有關(guān)[14]。本研究中相較于施肥處理,土壤類(lèi)型的差異對(duì)培養(yǎng)后土壤有機(jī)碳含量影響更強(qiáng)烈。添加玉米秸稈導(dǎo)致高砂土CMSN處理土壤在培養(yǎng)4和15 d呈現(xiàn)負(fù)激發(fā)效應(yīng),顯著抑制土壤原有有機(jī)碳的礦化分解作用,說(shuō)明CMSN施肥處理有利于高砂土中有機(jī)碳的固存。本研究中未添加玉米秸稈處理,白土與高砂土有機(jī)碳礦化量結(jié)果相反,可能由于白土的施肥年限僅有4年,當(dāng)不再投入養(yǎng)分后,饑餓狀態(tài)的微生物加速分解土壤中殘存有機(jī)質(zhì),導(dǎo)致其有機(jī)碳礦化量升高。在高砂土中,CK處理由于11年沒(méi)有投入養(yǎng)分,微生物將易分解的有機(jī)質(zhì)消耗殆盡,導(dǎo)致其有機(jī)碳礦化量降低。雙因素方差分析發(fā)現(xiàn),無(wú)論是土壤類(lèi)型、施肥處理,還是二者的交互作用都對(duì)C0處理有機(jī)碳礦化量有極顯著性影響,其具體影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

綜上所述,長(zhǎng)期施肥處理在不同類(lèi)型水稻土中的有機(jī)碳積累表現(xiàn)各異,添加外源有機(jī)物在短期內(nèi)能夠顯著提高水稻土不同形態(tài)有機(jī)碳的含量。牛糞替氮施肥即有機(jī)、無(wú)機(jī)肥配施措施可能對(duì)水稻土有機(jī)碳的固存有更積極的作用。