奶牛糞沼液對(duì)小麥-玉米輪作土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的影響

陳皓 婁夢(mèng)函 徐軒 靳紅梅,4 朱寧,4 楊月

0 引言

土壤有機(jī)碳(SOC)在陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程發(fā)揮著重要作用,是評(píng)估土壤肥力和功能的核心指標(biāo)[1]．農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中人為干擾最明顯和最活躍的系統(tǒng),在全球碳平衡中具有重要的地位[2]．農(nóng)田耕層(0～20 cm)土壤中有近90%的SOC位于土壤團(tuán)聚體內(nèi)[3],深入剖析耕層土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳數(shù)量和活性的變化對(duì)揭示人為干擾下土壤碳庫及其動(dòng)態(tài)具有重要意義．

畜禽糞便沼液是養(yǎng)殖場(chǎng)糞便經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后的液體產(chǎn)物,年產(chǎn)生量超過4億t．還田利用是畜禽糞便沼液最有效和最可行的消納途徑之一,不僅可以減少農(nóng)田化學(xué)肥料的投入,而且能有效改良土壤,提升作物品質(zhì),也是推動(dòng)種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑[4]．畜禽糞便源沼液等外源有機(jī)質(zhì)的輸入可改變土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性,對(duì)SOC周轉(zhuǎn)產(chǎn)生著深刻的影響[5-7]．前期研究發(fā)現(xiàn),牛糞沼液施用可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[8],對(duì)表層SOC庫存量具有顯著的正效應(yīng)[9];在潮土、紅壤和沙土連續(xù)多年施用豬糞沼液后,耕層土壤大團(tuán)聚體(粒徑>0.25 mm)含量增加[10-11],團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高,且與活性有機(jī)碳含量呈正相關(guān)[12];豬糞沼液施用可顯著增加紅壤耕層土壤大團(tuán)聚體中SOC的儲(chǔ)存量[13],而在貧瘠沙土中SOC庫雖無顯著變化,但活性有機(jī)碳組分含量顯著提高[14]．

活性有機(jī)碳(ASOC)是土壤中有效性較高、易被微生物和植物利用、對(duì)農(nóng)田管理措施響應(yīng)最敏感的SOC組分[15],與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和碳庫動(dòng)態(tài)高度相關(guān)[16]．研究發(fā)現(xiàn),能被333 mmol/L高錳酸鉀(KMnO4)氧化的有機(jī)碳在作物種植過程中變化最大[17-18],故此部分易氧化有機(jī)碳通常被作為土壤活性有機(jī)碳的指示因子[19],也是目前國際上公認(rèn)的評(píng)價(jià)土壤碳庫動(dòng)態(tài)變化的良好指標(biāo)[20]．國內(nèi)外對(duì)于秸稈還田、固體有機(jī)肥施用后ASOC的研究較多,而對(duì)于畜禽糞便沼液還田后土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及其活性組分的研究十分缺乏[21]．明晰畜禽糞便沼液施用對(duì)土壤有機(jī)碳庫的變化特征及其過程機(jī)制的影響,特別是探明其對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的影響,對(duì)全面準(zhǔn)確評(píng)估沼液還田的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)具有重要的意義．

小麥-玉米輪作系統(tǒng)是我國重要的作物種植體系,該體系中施用沼液的相關(guān)研究主要集中在華北地區(qū),而對(duì)于華東地區(qū)的研究較少．基于此,本研究以江蘇省北部典型小麥-玉米輪作農(nóng)田為研究對(duì)象,通過連續(xù)2年施用奶牛糞沼液替代化肥作為基肥,探討耕層(0～20 cm)土壤團(tuán)聚體、碳庫及其有機(jī)碳活性組分的變化特征,明確土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分與土壤有機(jī)碳庫累積的關(guān)系,為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)增匯和土壤固碳潛力提升提供關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)參數(shù)支撐．

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省宿遷市泗洪縣(118°2′42″E,33°21′36″N)某規(guī)模奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的配套農(nóng)田內(nèi)．該地區(qū)氣候類型為暖溫帶季風(fēng)性氣候,年平均日照2 200 h,年平均氣溫14.3 ℃,全年無霜期約200 d,年降水量約1 000 mm．土壤類型屬黃褐土,耕層土壤基本理化特征詳見表1．奶牛糞沼液還田利用定位試驗(yàn)開始于2018年4月,種植方式為夏玉米-冬小麥輪作．玉米在每年6月播種,9月下旬收獲;小麥在每年10月初播種,次年6月上旬收獲．

1.2 供試奶牛糞沼液

供試奶牛糞沼液(以下簡稱“沼液”)取自規(guī)模奶牛場(chǎng)內(nèi)的黑膜厭氧發(fā)酵池,單體容積為5 000 m3,共5個(gè)．該養(yǎng)殖場(chǎng)奶牛存欄量常年穩(wěn)定在2 800～3 000頭,清糞方式為鏈條式機(jī)械刮糞,收集到的糞尿及沖圈廢水首先經(jīng)過螺旋擠壓式固液分離機(jī),分離液進(jìn)入黑膜沼氣池,水力停留時(shí)間常年維持在90～120 d,已正常運(yùn)行3年．發(fā)酵后的沼液通過管道輸送至周邊農(nóng)田,作為底肥進(jìn)行施用,施用裝置采用自主研發(fā)的沼液噴灌機(jī)(ZL 201921944557.5)．施用期間供試沼液的基本理化特性詳見表2．

表2 供試奶牛糞沼液的理化特性Table 2 Physical and chemical properties of digested dairy slurry in the field experiment

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)施肥處理,分別為:不施肥的對(duì)照處理(CF0)、化肥處理(CF100)、100%沼液氮替代處理(BS100)、150%沼液氮替代處理(BS150)．每個(gè)處理重復(fù)3次,12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列．小區(qū)面積為30 m2(長7.5 m、寬4.0 m),各小區(qū)間設(shè)置1.5 m寬的保護(hù)行．種植的玉米和小麥品種分別為煙農(nóng)19和雅玉8號(hào)．根據(jù)作物養(yǎng)分需求,夏季CF100組的尿素(CH4N2O)、過磷酸鈣[Ca(H2PO4)2]、氯化鉀(KCl)施用量分別為293.7、937.7和187.7 kg/hm2,冬季施用量分別為390.7、1 500.0和200.0 kg/hm2．根據(jù)等氮量替代原則,夏季BS100和BS150處理的沼液施用量分別為47.0和70.9 t/hm2,冬季施用量分別為40.1和60.1 t/hm2．施用沼液的處理中不足的磷和鉀分別添加Ca(H2PO4)2和KCl予以補(bǔ)充．各處理的其他田間管理措施相同．

1.4 樣品采集與分析

1.4.1 土壤樣品采集

土壤樣品取樣時(shí)間為2020年5月20日(即小麥?zhǔn)斋@后),采用五點(diǎn)取樣法,用土鉆分別取0～10 cm和10～20 cm深度的土壤樣品各1 kg左右,放入自封袋中密封,12 h內(nèi)將土樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室．在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將土壤樣品沿其結(jié)構(gòu)、自然縫隙輕輕掰成小土塊,并剔除根茬、石塊和動(dòng)物殘?bào)w,混勻后分為兩部分:一部分放置在陰涼通風(fēng)處進(jìn)行風(fēng)干,另一部分置于 -20 ℃ 冰箱中保存,待測(cè)．土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀法．

1.4.2 作物產(chǎn)量測(cè)定

小麥或玉米成熟后,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m 的樣方對(duì)作物進(jìn)行測(cè)產(chǎn),并折算成每公頃作物的產(chǎn)量．

1.4.3 土壤團(tuán)聚體分級(jí)

采用Elliott等[22]的方法進(jìn)行團(tuán)聚體分級(jí)．取上述風(fēng)干土樣250 g,放置于干篩組(孔徑依次為2、1、0.5和0.25 mm)中,放在震蕩機(jī)(上虞市瞬龍實(shí)驗(yàn)儀器廠,浙江)上震蕩15 min．然后將每個(gè)篩上的團(tuán)聚體按粒徑類別稱重,計(jì)算各粒徑干篩團(tuán)聚體所占團(tuán)聚體質(zhì)量百分比;按干篩的各粒徑團(tuán)聚體所占比例配成50 g土樣,置于篩組(孔徑依次為0.25和0.053 mm)中,在室溫條件下用蒸餾水浸潤5 min,以30次/min速度在蒸餾水中震蕩2 min,上下振幅為3 cm;篩分完成后,收集每一層篩子上的水穩(wěn)性團(tuán)聚體,將各篩上的團(tuán)聚體分別沖洗到燒杯中,獲得>0.25 mm(大團(tuán)聚體)、0.053～0.25 mm(微團(tuán)聚體)和<0.053 mm(粉黏團(tuán)聚體)3個(gè)組分．置于55℃烘箱中烘干并稱重,計(jì)算各粒徑團(tuán)聚體的占比：

(1)

其中,wi表示土壤某一級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%),mi表示土壤某一級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量(g),m表示土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體總質(zhì)量(g),100表示換算系數(shù)．

1.4.4 土壤有機(jī)碳及其活性組分測(cè)定

土壤總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TSOC,單位為g/kg)采用K2Cr2O7容量-外加熱法測(cè)定[23]:

(2)

其中,C0為FeSO4的濃度(mol/L),V0為空白滴定消耗FeSO4體積(mL),V為樣品滴定消耗FeSO4體積(mL),3為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量(g/mol),1.1為氧化校正系數(shù),m為樣品稱樣量(g)．

土壤活性有機(jī)碳(ASOC)采用KMnO4氧化法[18]．KMnO4濃度分別為333、167和33 mmol/L,分別測(cè)定的是低活性有機(jī)碳(LSOC)、中活性有機(jī)碳(MSOC)和高活性有機(jī)碳(HSOC)．ASOC(單位為g/kg)計(jì)算式為：

ASOC=C×25×250×9/(m×1 000),

(3)

其中,C為KMnO4濃度(mmol·L-1),25和250分別為KMnO4用量(mL)和稀釋倍數(shù),9為1 mmol KMnO4消耗碳量(mg),m為烘干土質(zhì)量(g)，1 000為換算數(shù)．

1.5 數(shù)據(jù)分析

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(Mean Weight Diameter,MWD):

(4)

土壤有機(jī)碳庫存量[24]:

SOCS=SOC×BD×D×10,

(5)

其中,SOCS為土壤有機(jī)碳庫存量(Mg/hm2,以C計(jì)),SOC為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg),BD為土壤容重(Mg/m3),D為土層深度(m),10為單位換算系數(shù)．

土壤碳庫活度:

(6)

其中,AC為碳庫活度,CA為土壤活性有機(jī)碳(即能夠被333 mmol/L KMnO4氧化的有機(jī)碳)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg),CNA為土壤非活性有機(jī)碳(即不能夠被333 mmol/L KMnO4氧化的有機(jī)碳)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)．

各指標(biāo)在不同處理間的差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA),多重比較采用最小顯著性差異(LSD)法,α=0.05;同一土壤在不同土層間的差異性分析采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)法;TSOC與各活性有機(jī)碳組分間的關(guān)系采用線性回歸分析．統(tǒng)計(jì)分析軟件為SPSS 26.0 v.,圖形繪制軟件為Origin 2018 v.．

2 結(jié)果與分析

2.1 施用沼液對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量的影響

各處理的小麥和玉米產(chǎn)量如圖1所示．2019和2020年各處理的小麥產(chǎn)量均無顯著差異(圖1a),說明在現(xiàn)有土壤肥力條件下,施用沼液替代化肥不會(huì)造成小麥產(chǎn)量降低．施用沼液第1年對(duì)青貯玉米的產(chǎn)量沒有明顯提升;但施用第2年,BS100和BS150處理的青貯玉米產(chǎn)量顯著(P<0.05)高于CF100和CF0處理(圖1b)．同時(shí),沼液施用后第2年的青貯玉米產(chǎn)量顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.001)高于第1年．這說明與施用化肥的處理相比,沼液施用對(duì)作物生長具有明顯促進(jìn)作用．

注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3);不同小寫和大寫字母分別表示不同處理間小麥和青貯玉米產(chǎn)量的差異顯著(P<0.05);*和***分別表示同一處理不同年份間的差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.001).圖1 沼液連續(xù)施用后小麥(a)和青貯玉米(b)的產(chǎn)量Fig.1 Yields of (a)wheat and (b)silage maize in the experiment after application of digested dairy slurry

2.2 施用沼液對(duì)耕層土壤團(tuán)聚體的影響

本研究中土壤團(tuán)聚體分布特征詳見表3．在0～10 cm土層中,土壤團(tuán)聚體以粉黏團(tuán)聚體居多,大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體顯著(P<0.05)低于粉黏團(tuán)聚體．與CF0和CF100相比,施用沼液后粉黏團(tuán)聚體占比顯著(P<0.05)降低,但BS100和BS150處理間無顯著差異;相應(yīng)地,微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體占比有所增加．其中,施用沼液后微團(tuán)聚體的增加不顯著,而BS150處理中大團(tuán)聚體占比則顯著(P<0.05)高于CF0處理．這說明施用沼液后表層土壤小團(tuán)聚體有向大團(tuán)聚體演化的趨勢(shì),且較大的施用量更有利于大團(tuán)聚體的形成,這與施用固體有機(jī)肥的研究結(jié)果相似[25]．

表3 不同處理中耕層土壤團(tuán)聚體分布特征Table 3 Distribution of soil aggregates in the depth of 0-20 cm soils for different treatments

與0～10 cm土層相比,10～20 cm土層中土壤團(tuán)聚體的分布略有差異,即粉黏團(tuán)聚體>微團(tuán)聚體>大團(tuán)聚體．大團(tuán)聚體的占比顯著(P<0.05)低于表層土壤,而微團(tuán)聚體和粉黏團(tuán)聚體占比卻明顯增加．施肥后,亞表層土壤大團(tuán)聚體有所提升,特別是施用沼液的處理,促進(jìn)大團(tuán)聚體形成的趨勢(shì)更為明顯．與CF100相比,BS100和BS150處理的土壤微團(tuán)聚體占比顯著(P<0.05)增加,而粉黏團(tuán)聚體相應(yīng)減少．

施用沼液后表層和亞表層土壤團(tuán)聚體MWD值顯著(P<0.05)高于對(duì)照和施用化肥的處理,這說明施用沼液后表層和亞表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性明顯增加,這與其他施用固體有機(jī)肥的研究結(jié)果相一致[5,26]．

2.3 施用沼液對(duì)耕層土壤碳庫與活度的影響

施用沼液后耕層土壤碳庫和活度的變化特征如圖2所示．施用沼液后耕層土壤碳庫存顯著(P<0.05)提高(圖2a)．在0～10 cm土層中,施用沼液后土壤碳庫存比對(duì)照處理增加19.7%,相對(duì)于施用化肥的處理增加了35.2%.在10～20 cm土層中,土壤碳庫均極顯著(P<0.001)降低,主要與植物凋落物和微生物活動(dòng)減少有關(guān)．施用沼液后10～20 cm土壤碳庫存比對(duì)照處理分別增加29.2%和27.8%,比施用化肥的處理分別增加27.2%和25.9%．施用沼液

注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3);不同大寫字母和小寫字母分別表示0～10 cm和10～20 cm土層不同處理之間的差異顯著(P<0.05);ns、*、**和***分別表示不同土層間差異不顯著(P>0.05)、差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01和0.001)．圖2 不同處理中0～10 cm和10～20 cm土層的土壤碳庫存(a)與土壤碳庫活度(b)Fig.2 (a)Soil carbon storage and (b)soil carbon pool activity in the soil layers of 0-10 and 10-20 cm for different treatments

后耕層土壤碳庫活度略有提高(圖2b)．在0～10 cm土層中,施用沼液相對(duì)于施用化肥的處理碳庫活度增幅不明顯,但BS150處理顯著(P<0.05)高于CF0處理．這說明施用沼液會(huì)通過活性碳的輸入提升表層土壤碳庫活度,不利于土壤碳庫的穩(wěn)定.在10～20 cm土層中,土壤碳庫活度相對(duì)于0～10 cm土層略有提升,其中CF100處理的增幅顯著(P<0.05)．這與土壤碳庫存的變化趨勢(shì)相反,說明亞表層土壤碳庫活度對(duì)外源有機(jī)物的輸入可能更加敏感．

2.4 施用沼液對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及其活性組分的影響

土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳及其活性組分的變化特征如圖3所示．在0～10 cm土層中,施用沼液處理的土壤大團(tuán)聚體中TSOC、MSOC和HSOC含量顯著(P<0.05)高于CF0和CF100處理(圖3a、c、d),而LSOC有小幅下降的趨勢(shì)(圖3b);在10～20 cm土層中,土壤大團(tuán)聚體中總有機(jī)碳及其各組分含量均顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01或0.001)低于表土層土壤,這與土壤有機(jī)碳隨土層深度的增加逐漸降低的結(jié)論一致．與CF0和CF100相比,施用沼液的處理中TSOC和MSOC含量均增加顯著(P<0.05),而LSOC和HSOC均沒有明顯變化．這說明施用沼液對(duì)土壤大團(tuán)聚體中活性較高的MSOC和HSOC有明顯的促進(jìn)作用．

土壤微團(tuán)聚體中總有機(jī)碳及各活性組分的變化特征如圖4所示．在0～10 cm土層中,施用沼液處理的土壤微團(tuán)聚體中TSOC、LSOC、MSOC和HSOC含量顯著(P<0.05)高于CF0處理,但與CF100處理相比,差異均不顯著;在10～20 cm土層中,土壤總有機(jī)碳及各組分的含量有所下降,這與大團(tuán)聚體中的結(jié)果一致．除了TSOC外(P<0.05),其他活性碳組分在各處理之間無顯著差異．總體來看,施用沼液對(duì)耕層土壤微團(tuán)聚體中總有機(jī)碳及各活性組分含量的影響不大．

注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3);不同大寫字母和小寫字母分別表示0～10 cm和10～20 cm土層不同處理之間的差異顯著(P<0.05);*、**和***分別表示不同土層間差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01和0.001).圖3 土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳及其活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Mass fractions of organic carbon and its active components in soil macro aggregates

注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3);不同大寫字母和小寫字母分別表示0～10 cm和10～20 cm土層不同處理之間的差異顯著(P<0.05);*、**和***分別表示不同土層間差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01和0.001)．圖4 土壤微團(tuán)聚體中總有機(jī)碳及其活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.4 Mass fractions of organic carbon and its active components in soil micro aggregates

土壤粉黏團(tuán)聚體中總有機(jī)碳及各活性組分的變化特征如圖5所示．在0～10 cm土層中,施用沼液對(duì)該層土壤有機(jī)碳及其活性組分的提升效果不顯著;在10～20 cm土層中,土壤總有機(jī)碳及各組分的含量有所下降,這與大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中的結(jié)果一致,但降幅與二者相比有所減少．然而,BS150處理中MSOC 含量有增加的趨勢(shì)(圖5c)．施用沼液后,土壤粉黏團(tuán)聚體中TSOC顯著(P<0.05)高于其他處理,LSOC和MSOC在各處理間沒有顯著變化,但HSOC有降低的趨勢(shì),特別是BS100處理降幅明顯(P<0.05,圖5d)．這表明短期沼液施用對(duì)土壤粉黏團(tuán)聚體中高活性有機(jī)碳沒有增效作用,更有利于土壤碳庫的穩(wěn)定和增加．

注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3);不同大寫字母和小寫字母分別表示0～10 cm和10～20 cm土層不同處理之間的差異顯著(P<0.05);*、**和***分別表示不同土層間差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01和0.001)．圖5 土壤粉黏團(tuán)聚體中總有機(jī)碳及其活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.5 Mass fractions of organic carbon and its active components in soil silty clay aggregates

2.5 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)碳庫的貢獻(xiàn)

不同團(tuán)聚體中有機(jī)碳及其活性組分在全土中的占比如圖6所示．總體來看,土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量大小為大團(tuán)聚體>微團(tuán)聚體>粉黏團(tuán)聚體[27]．在0～10 cm土層中,大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏團(tuán)聚體中的有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例分別在41.2%～47.2%、30.8%～34.3%和21.0%～25.0%之間(圖6a)．施用沼液后,大團(tuán)聚體中有機(jī)碳占比顯著(P<0.05)高于施用化肥和對(duì)照處理.在10～20 cm土層中,大團(tuán)聚體中有機(jī)碳占比明顯降低,而微團(tuán)聚體和粉黏團(tuán)聚體中有機(jī)碳的占比相應(yīng)增加,三者分別占該層土壤總有機(jī)碳的22.6%～27.6%、24.0%～42.8%和32.1%～48.4%．施用沼液后,大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中SOC的占比均顯著(P<0.05)提高．這進(jìn)一步證明,表層TSOC的增加主要源于大團(tuán)聚體的增加,而亞表層則主要源于大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體共同增加的結(jié)果．團(tuán)聚體各活性有機(jī)碳對(duì)全土的貢獻(xiàn)與上述結(jié)論基本一致(圖6b-d)．

注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3);不同大寫字母和小寫字母分別表示0～10 cm和10～20 cm土層不同處理之間的差異顯著(P<0.05)．圖6 不同團(tuán)聚體中有機(jī)碳及其活性組分在全土中的占比Fig.6 Proportions of SOC and its active compositions in aggregates to total soil organic carbon

有機(jī)碳與各活性有機(jī)碳組分間的相關(guān)性分析結(jié)果如圖7所示．在0～10 cm和10～20 cm中,TSOC與LSOC、MSOC和HSOC均存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)(圖7a和a′)．這與前人的研究結(jié)果相似[15,28],即土壤有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)碳之間成顯著正相關(guān)．然而,在不同團(tuán)聚體中,ASOC與TSOC的相關(guān)性存在差異．具體表現(xiàn)為:在0～10 cm土層大團(tuán)聚體中TSOC與HSOC和MSOC呈顯著(P<0.05或0.01)正相關(guān)(圖7b),微團(tuán)聚體中TSOC與HSOC和LSOC呈顯著(P<0.05或0.01)正相關(guān),而與MSOC呈(P<0.05)負(fù)相關(guān)(圖7c),粉黏團(tuán)聚體中TSOC僅與HSOC呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)(圖7d);在10～20 cm土層大團(tuán)聚體中TSOC與HSOC和LSOC呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)(圖7b′);微團(tuán)聚體中TSOC與HSOC和MSOC呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)(圖7c′),粉黏團(tuán)聚體中TSOC與HSOC和MSOC呈顯著(P<0.05或0.01)正相關(guān)關(guān)系(圖7d′)．

注:*、**分別表示顯著(P<0.05)或極顯著相關(guān)性(P<0.01)．圖7 土壤活性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳的線性回歸分析Fig.7 Linear regression analysis between active soil organic carbon (ASOC)and total soil organic carbon (TSOC)

3 討論

土壤團(tuán)聚體是由不同尺度礦物顆粒和膠體物質(zhì)共同參與發(fā)生凝聚膠結(jié)作用而形成的大小不一的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)體[27],也是土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的主要影響因子,其中團(tuán)聚體的團(tuán)聚作用被認(rèn)為是土壤有機(jī)碳固定的核心機(jī)制．施用沼液后表層土壤小團(tuán)聚體有向大團(tuán)聚體演化的趨勢(shì),且施用量越大,大團(tuán)聚體數(shù)量越多,這與施用固體有機(jī)肥的研究結(jié)果相似[25]．水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素[29].相關(guān)模型認(rèn)為,大團(tuán)聚體由微團(tuán)聚體加上有機(jī)結(jié)合劑組成,可以提供土壤有機(jī)質(zhì)的物理化學(xué)保護(hù)機(jī)制,進(jìn)而保護(hù)有機(jī)碳不受微生物分解[30]．這說明,施用沼液后表層土壤自身穩(wěn)定性得以提高．MWD是綜合評(píng)估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[5],施用沼液后MWD的增加進(jìn)一步證實(shí)了上述研究結(jié)果．一方面沼液等有機(jī)物為團(tuán)聚體的形成提供了核心,另一方面沼液中的腐殖質(zhì)、微生物分泌物及死細(xì)胞等物質(zhì)能夠增加團(tuán)聚體之間的黏合能力,可將粉黏團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體等結(jié)合成大團(tuán)聚體,并增加團(tuán)聚體抵抗外力的能力,進(jìn)而增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[27]．

施用沼液后亞表層土壤中大團(tuán)聚體的占比顯著(P<0.05)低于表層土壤,這主要是由于土壤大團(tuán)聚體與植物凋落物、根系分泌物密切相關(guān),而亞表層土壤中二者都比表層土壤少,因此導(dǎo)致該層土壤大團(tuán)聚體減少[31];相反地,該層土壤微團(tuán)聚體和粉黏團(tuán)聚體占比卻明顯增加．與固體有機(jī)肥等有機(jī)物相比,畜禽糞便源沼液含水量高(95%以上),膠體含量高,細(xì)顆粒含量高,且更容易向深層土壤運(yùn)移,為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成提供了更多有機(jī)膠結(jié)物質(zhì);同時(shí),沼液中溶解性有機(jī)物含量高[32],更容易為土壤微生物活動(dòng)提供能量和養(yǎng)分,提高微生物的代謝活性,而微生物分泌的多糖、有機(jī)酸等親水性物質(zhì)與土壤礦物顆粒結(jié)合,又進(jìn)一步提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和土壤物理結(jié)構(gòu)的構(gòu)建．粉黏團(tuán)聚體是長期固碳的穩(wěn)定場(chǎng)所,其中的有機(jī)碳不易為微生物分解[27],說明沼液施用對(duì)深層土壤固碳有一定的促進(jìn)作用．

土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì),其對(duì)土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有顯著影響[26],二者之間相輔相成的關(guān)系對(duì)土壤碳固存和有機(jī)碳活性都具有重要的作用[31]．施用沼液后耕層土壤碳庫存顯著(P<0.05)提高．沼液施用對(duì)土壤碳庫存增加主要有兩方面的作用:一是由沼液中有機(jī)碳輸入的直接影響[33]．前期研究發(fā)現(xiàn),本研究場(chǎng)區(qū)奶牛糞沼液中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為383.72 g/kg,依此核算,夏季會(huì)向土壤中帶入1.81×104～2.72×104kg/hm2有機(jī)碳,冬季向土壤中帶入2.72×104～4.08×104kg/hm2有機(jī)碳．二是沼液施用后提高了作物生物量,進(jìn)而通過根系分泌物和秸稈殘?bào)w進(jìn)入農(nóng)田而間接增加了有機(jī)碳輸入[34]．土壤碳庫活度可用來反映土壤碳庫穩(wěn)定性及土壤固碳能力,一般碳庫活度越大則穩(wěn)定性越差．施用沼液后耕層土壤碳庫活度略有提高,特別是亞表層土壤的碳庫活度比表層土壤大．這反映出施用沼液會(huì)通過活性碳的輸入提升土壤碳庫活度,可能造成短期內(nèi)土壤活性碳庫波動(dòng)較大,且亞表層土壤碳庫活度對(duì)外源有機(jī)物的輸入可能更加敏感．

土壤不同團(tuán)聚體中有機(jī)碳及其活性組分是土壤碳庫動(dòng)態(tài)變化的重要指標(biāo),對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)土壤固碳潛力具有積極作用．土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量大小依次為大團(tuán)聚體>微團(tuán)聚體>粉黏團(tuán)聚體[27]．本研究結(jié)果表明,施用沼液后表層TSOC的增加主要源于大團(tuán)聚體的增加,而亞表層則主要源于大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體共同增加的結(jié)果．土壤有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)碳之間為顯著正相關(guān)[15,28]．施用沼液對(duì)土壤大團(tuán)聚體中活性較高的MSOC和HSOC有明顯的促進(jìn)作用,而大量研究也表明這兩個(gè)活性組分變化對(duì)外源有機(jī)物的輸入更加敏感[35-36].短期施用沼液對(duì)土壤微團(tuán)聚體中總有機(jī)碳及各活性組分含量的影響不大,對(duì)土壤粉黏團(tuán)聚體中高活性有機(jī)碳沒有增效作用,更有利于土壤碳庫的穩(wěn)定和增加．施用沼液后耕層大團(tuán)聚體和粉黏團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳與HSOC均呈正相關(guān)關(guān)系,這也與梁彩群等[37]研究結(jié)果相似,即SOC與活性有機(jī)碳的相關(guān)性會(huì)隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而更加顯著．這說明施用沼液后HSOC的變化對(duì)土壤碳庫的影響最大．

4 結(jié)論

1)施用沼液后表層土壤小團(tuán)聚體有向大團(tuán)聚體演化的趨勢(shì),且較大的施用量更有利于大團(tuán)聚體的形成．亞表層土壤中微團(tuán)聚體占比顯著(P<0.05)增加,而粉黏團(tuán)聚體相應(yīng)減少．施用沼液后土壤團(tuán)聚體MWD值顯著(P<0.05)提高,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性明顯增加.

2)施用沼液后耕層土壤碳庫存顯著(P<0.05)提高,分別比對(duì)照處理增加了19.7%～29.2%,比施用化肥的處理增加了25.9%～35.2%．表層土壤有機(jī)碳的增加主要源于大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的增加,而亞表層則主要源于大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中有機(jī)碳共同增加的結(jié)果,HSOC的變化對(duì)土壤碳庫的影響最大.

3)施用沼液后耕層土壤碳庫活度略有提高,說明施用沼液會(huì)通過活性碳的輸入提升耕層土壤碳庫活度,且亞表層土壤碳庫活度對(duì)外源有機(jī)物的輸入更加敏感,這主要是土壤大團(tuán)聚體中活性較高的MSOC和HSOC有所增強(qiáng)所致．