長期不同養(yǎng)分循環(huán)再利用途徑對農(nóng)田土壤養(yǎng)分演替規(guī)律與培肥效果的影響研究*

邢 力,張玉銘,胡春勝,董文旭,李曉欣,劉秀萍,張麗娟,文宏達(dá)**

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 保定 0710001;2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點實驗室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室 石家莊 050022)

養(yǎng)分是土壤地力的核心,促進(jìn)土壤養(yǎng)分庫容擴(kuò)增是培肥地力的重要內(nèi)容。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)再利用是我國農(nóng)業(yè)施肥的傳統(tǒng),對土壤養(yǎng)分的涵養(yǎng)發(fā)揮著重要作用,是培肥地力的有效措施,特別是在適量施肥基礎(chǔ)上保持養(yǎng)分循環(huán)再利用,既可滿足豐產(chǎn)作物的養(yǎng)分需求和平衡土壤養(yǎng)分收支,還可減少過剩養(yǎng)分進(jìn)入環(huán)境,從而弱化不合理施肥造成的環(huán)境風(fēng)險,對培育基礎(chǔ)地力、改善耕地質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展意義重大。

縱觀我國農(nóng)業(yè)發(fā)展史,農(nóng)業(yè)的經(jīng)營管理模式經(jīng)歷了不同的發(fā)展時期。早期為移耕農(nóng)業(yè),進(jìn)入20世紀(jì)40-50年代,農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式以有機(jī)農(nóng)業(yè)為主,由于人口流動少、糧食輸出量小,養(yǎng)分通過人或牲畜過腹歸還農(nóng)田,基本實現(xiàn)養(yǎng)分在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)再利用;進(jìn)入60-70年代,由于化肥的引入,施肥模式發(fā)展為化肥與圈肥相結(jié)合,即有機(jī)無機(jī)相結(jié)合的農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式占主導(dǎo),養(yǎng)分也基本是在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)再利用;進(jìn)入80年代,石油農(nóng)業(yè)崛起,有機(jī)農(nóng)業(yè)受到挑戰(zhàn),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用化肥占主導(dǎo);進(jìn)入90年代末期,秸稈還田措施開始實施,發(fā)展成為化肥+秸稈還田的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式,養(yǎng)分通過秸稈直接還田實現(xiàn)循環(huán)再利用。由此可見,隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式的變遷,養(yǎng)分的循環(huán)再利用途徑發(fā)生了改變,養(yǎng)分歸還的載體亦隨之發(fā)生了變化,由過去的施用有機(jī)糞肥變?yōu)橐越斩捴苯舆€田為主。隨著歸還農(nóng)田的有機(jī)物料的改變,勢必會引起土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的生物、物理、化學(xué)過程的變化,從而影響土壤養(yǎng)分固持與釋放以及養(yǎng)分庫的容量與組分構(gòu)成,影響土壤的供肥與保肥能力。因此,探究農(nóng)業(yè)經(jīng)營制度改變后不同養(yǎng)分循環(huán)再利用途徑對土壤養(yǎng)分演替規(guī)律的影響、解析其培肥效果顯得尤為迫切。

20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初,沈善敏和劉鴻翔兩個團(tuán)隊分別針對東北地區(qū)的褐土和黑土開展了施肥和養(yǎng)分循環(huán)再利用對土壤養(yǎng)分動態(tài)與收支平衡等方面的研究。張璐等研究了遼西褐土施肥及養(yǎng)分循環(huán)再利用對土壤肥力變化的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過12年的養(yǎng)分循環(huán)再利用明顯提高了耕層土壤有機(jī)碳氮含量,改善了土壤肥力。沈善敏等研究發(fā)現(xiàn),在施氮磷肥基礎(chǔ)上,每年以80%的收獲籽粒和2/3 的秸稈喂豬、墊圈,豬圈肥循環(huán)回田,經(jīng)過11年的養(yǎng)分循環(huán)再利用,不僅糧食平均產(chǎn)量提升了17%,土壤供應(yīng)氮磷能力也顯著提高。劉鴻翔等比較了松嫩平原黑土區(qū)不同養(yǎng)分循環(huán)結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)經(jīng)營制度對土壤養(yǎng)分的影響,結(jié)果表明,移耕農(nóng)業(yè)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)力低,土壤速效養(yǎng)分庫脆弱,石油農(nóng)業(yè)和有機(jī)無機(jī)相結(jié)合農(nóng)業(yè)制度顯著提高了系統(tǒng)生產(chǎn)力,石油農(nóng)業(yè)改善了氮素質(zhì)量,提高了土壤速效磷、鉀,而有機(jī)無機(jī)相結(jié)合農(nóng)業(yè)制度下土壤全量和速效氮、磷、鉀均有所增長。上述研究中僅涉及養(yǎng)分過腹還田循環(huán)利用途徑對農(nóng)田生產(chǎn)力和土壤肥力的影響,近年來,隨著秸稈還田措施的普及,養(yǎng)分循環(huán)再利用的載體逐漸由有機(jī)糞肥轉(zhuǎn)換成為秸稈,秸稈還田的培肥作用日漸備受關(guān)注,但同步比較兩種養(yǎng)分循環(huán)再利用途徑對農(nóng)田地力影響的系統(tǒng)研究相對較少。近期的研究表明,秸稈還田可以有效維持和提升土壤有機(jī)碳儲量,在有機(jī)碳固定方面潛力巨大。Yang 等研究表明,5年秸稈還田0～30 cm 土層土壤有機(jī)碳(SOC)提高4.45%～9.00%。劉玲等發(fā)現(xiàn),秸稈粉碎直接還田和過腹還田下,潮土SOC 較常規(guī)施肥分別增加28.70%和12.40%,全氮(TN)分別增加24.66%和21.92%,秸稈直接還田較過腹還田更有利于土壤SOC 和TN 庫容建設(shè);而微生物碳氮在總有機(jī)碳氮中所占比例則以過腹還田高于秸稈粉碎還田,作物產(chǎn)量亦以過腹還田高于直接還田。這表明秸稈過腹還田較直接還田更有利于改善土壤有機(jī)碳氮庫的結(jié)構(gòu),對土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量提升更為有利。由此可見,養(yǎng)分循環(huán)再利用方式不僅對土壤碳氮庫容產(chǎn)生影響,還可調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分庫結(jié)構(gòu),從而影響土壤養(yǎng)分的保蓄與供應(yīng)能力以及農(nóng)田生產(chǎn)能力。

土壤有機(jī)質(zhì)是穩(wěn)定而長效的碳源物質(zhì),并且?guī)缀鹾凶魑锼璧母鞣N營養(yǎng)元素,其中,活性有機(jī)質(zhì)對植物養(yǎng)分供應(yīng)具有直接作用,是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。凈固碳效率可較好地反映土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量上的變化,土壤碳庫管理指數(shù)結(jié)合了土壤碳庫指數(shù)和碳庫活度兩個方面的指標(biāo),能較好地反映土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量變化或更新程度。系統(tǒng)分析土壤凈固碳效率與土壤碳庫管理指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系,可以較好地反映農(nóng)業(yè)管理措施對土壤質(zhì)量的影響強(qiáng)度與方向。目前,國內(nèi)有關(guān)長期施肥措施特別是養(yǎng)分循環(huán)再利用對土壤養(yǎng)分庫動態(tài)變化的研究多局限在養(yǎng)分總量、活性養(yǎng)分和惰性養(yǎng)分含量的變化特征方面,尚缺乏對土壤養(yǎng)分庫管理指數(shù)、活度指數(shù)、容量指標(biāo)的系統(tǒng)研究,系統(tǒng)分析土壤養(yǎng)分庫的容量指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)的耦合關(guān)系及其對農(nóng)業(yè)管理措施的響應(yīng),可為優(yōu)化區(qū)域養(yǎng)分綜合管理方案提供依據(jù)。

華北平原作為我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一,承載著國家糧食安全與供應(yīng)、農(nóng)業(yè)資源高效利用與可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)經(jīng)濟(jì)功能,在國家糧食增產(chǎn)規(guī)劃中承擔(dān)著50%的增產(chǎn)任務(wù)。農(nóng)民為了追求高產(chǎn),“大水大肥”現(xiàn)象普遍存在,糧食生產(chǎn)過度依賴化肥的問題日益凸顯,由此引發(fā)了資源浪費(fèi)、利用效率低下、環(huán)境風(fēng)險提升和土壤環(huán)境退化等問題。改善土壤質(zhì)量、培肥地力是實現(xiàn)化肥減量控失、養(yǎng)分高效的基礎(chǔ)。充分發(fā)揮有機(jī)糞肥和作物秸稈的培肥作用,挖掘有機(jī)養(yǎng)分循環(huán)再利用的地力培育和作物增產(chǎn)潛力是減少化肥用量、遏制環(huán)境污染、持續(xù)提升糧食產(chǎn)量和資源效率的關(guān)鍵。本研究基于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站長期農(nóng)業(yè)經(jīng)營制度定位試驗,研究不同養(yǎng)分循環(huán)再利用途徑下土壤養(yǎng)分演替規(guī)律與土壤固碳效應(yīng),解析土壤養(yǎng)分庫不同組分變化對總養(yǎng)分庫容量的影響,揭示養(yǎng)分循環(huán)再利用培肥機(jī)制,為制定地力培育和提升土壤固碳潛能的農(nóng)業(yè)管理措施提供理論依據(jù),對本區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐和服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于河北省石家莊市欒城區(qū)中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(114°40′E,37°50′N,平均海拔50.1 m)。地處冀中平原西部,屬暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫12.8 ℃,無霜期205 d,降水量474.0 mm,降雨集中在7、8、9月,雨熱同期。供試土壤類型為潮褐土,代表華北平原高產(chǎn)農(nóng)業(yè)生態(tài)類型,種植制度為冬小麥()-夏玉米()輪作。

1.2 試驗設(shè)計

本研究依托始于2001年的有機(jī)養(yǎng)分循環(huán)再利用長期定位試驗進(jìn)行,選擇對照處理(CK,不施肥)、化肥+豬糞(MNPK)、全部施用化肥(NPK)和化肥+秸稈還田(SNPK) 4 個處理作為研究對象,每個處理3次重復(fù),小區(qū)面積120 m。CK 代表我國早期的移耕農(nóng)業(yè)模式: 不施肥,地上部全部移除,農(nóng)田土壤地力屬于完全耗竭狀態(tài);MNPK 代表20世紀(jì)60-70年代養(yǎng)分循環(huán)再利用農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式: 在施用化肥基礎(chǔ)上,地上部收獲物80%經(jīng)飼喂豬后過腹還田,飼喂試驗過程中不給豬飼喂任何其他外源物質(zhì),全年的糞肥全部用于小麥底肥;NPK 代表20世紀(jì)80年代石油農(nóng)業(yè)模式: 施用化肥,地上部生物全部移出,完全靠化肥投入支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn);SNPK 代表現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式: 施用化肥,秸稈全部直接還田,玉米秸稈采用粉碎旋耕還田,小麥秸稈采用覆蓋還田,這一模式是目前本區(qū)域常規(guī)采用的農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式。除CK 外,其他處理中每年施用化肥N 300 kg·hm、PO120 kg·hm、KO 75 kg·hm,化肥氮和鉀小麥季和玉米季各施用全年用量的1/2,其中,小麥季鉀肥全部用于底肥,氮肥底肥和拔節(jié)期追肥各占當(dāng)季用量的1/2;玉米季氮鉀肥全部于大喇叭口期施用;全年的磷肥全部于小麥底肥施用,玉米季利用前茬作物的磷肥后效。

1.3 樣品采集與分析測定

2002年起每年9月底玉米收獲后在各小區(qū)內(nèi)按照S 型采樣法采集0～20 cm 土樣2 kg,風(fēng)干,除去雜質(zhì),粉碎后供分析測試用。2020年采集樣品后留出部分鮮樣測定土壤水分、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、微生物碳氮、可溶性有機(jī)碳、微生物群落組成等指標(biāo),其余樣品風(fēng)干備用。

土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法、全氮采用硫酸消煮-凱氏定氮法、堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定,硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用KCl 浸提-全自動化學(xué)分析儀(SMART ChEM 140)測定,惰性有機(jī)碳采用6 mol·L的HCl 酸解18 h、洗滌烘干后用元素分析儀(vario MACRO cube)測定,易氧化有機(jī)碳采用 333 mmol·LKMnO氧化、分光光度計(565 nm)比色法測定,可溶性有機(jī)碳采用硫酸鉀浸提、碳氮分析儀(Vario TOC SELECT)測定,氨基糖采用水解、純化、衍生、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS,Finnigan Trace,Thermo Electron Finnigan Co.Ltd.,USA)測定。

1.4 相關(guān)參數(shù)計算

式中: T OCs和 T Ns分別為有機(jī)碳和全氮儲量(t·hm),和分別為 土壤有機(jī)碳和全氮含量(g·kg),ρ為土壤容重(g·cm),為耕層厚度(在此為20 cm)。

1.4.2 凈固碳效率(net carbon sequestration efficiency,NCSE)

固碳效率(carbon sequestration efficiency,CSE)計算公式:

式中:CSE為固碳效率(kg·hm·a),TOCs和TOCs分別為試驗進(jìn)行到第年和試驗初始時耕層土壤有機(jī)碳儲量(t·hm),為試驗進(jìn)展的年限(本試驗為18年)。

凈固碳效率(NCSE)計算公式:

式中: NCSE為處理的凈固碳效率(kg·hm·a),CSE和 CSE分別為第年處理和對照(CK)處理的固碳效率。

碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index,CPMI)是指碳庫指數(shù)與活度指數(shù)的乘積的100 倍。其中,碳庫指數(shù)(carbon pool index,CPI)為樣品中土壤有機(jī)碳(TOC)含量與參考土樣TOC 含量的比值(本研究中選取2019年CK 處理0～20 cm 土層的土樣作為參考土樣進(jìn)行計算);活度指數(shù)(activity index,AI)為樣本碳庫活度與參考土樣碳庫活度比值,碳庫活度(activity,)為土壤易氧化有機(jī)碳(LOC)與(TOC-LOC)的比值。

式中: C PMI 為碳管 理指數(shù),C PI為 碳庫指數(shù),AI為 活度指數(shù),A 和A分別為樣本和參考土樣的碳庫活度,為某處理的土壤樣本,為參考土壤樣本。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel 2013 軟件處理數(shù)據(jù)及繪圖,采用SPSS 17.0 進(jìn)行不同處理間差異的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)養(yǎng)分循環(huán)再利用模式對土壤有機(jī)質(zhì)含量及有機(jī)碳組分的影響

土壤有機(jī)質(zhì)對土壤肥力和土壤功能具有重要影響,對糧食生產(chǎn)至關(guān)重要。圖1a 給出了長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下土壤有機(jī)質(zhì)含量的動態(tài)變化情況。從圖可知,經(jīng)過18年不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式后,土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生了顯著改變,有機(jī)養(yǎng)分的循環(huán)再利用(MNPK 和SNPK)有效促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)在土壤中的積累。隨著試驗?zāi)晗薜难娱L,各處理間有機(jī)質(zhì)含量的差異日漸明顯,實施地上收獲物過腹還田(MNPK)和秸稈直接還田(SNPK)處理由于增加了有機(jī)物料的輸入,均較單獨(dú)施用化肥(NPK)提升土壤有機(jī)質(zhì)含量的效果更為顯著,表現(xiàn)在時間上更快,數(shù)量上更多。MNPK 處理在試驗進(jìn)展到第4年后土壤有機(jī)質(zhì)顯著高于其他處理(＜0.05),而SNPK 處理則在第5～6年后方顯著高于NPK 和CK (＜0.05)。NPK 處理與對照(CK)處理間土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)出顯著性差異則費(fèi)時更長,在試驗開始的前10年內(nèi)NPK 和CK 間土壤有機(jī)質(zhì)基本無差異,隨著試驗?zāi)晗薜难娱L,NPK 處理的有機(jī)質(zhì)含量方逐漸顯著高于CK (＜0.05)。試驗第10年(2012年),MNPK、SNPK 和NPK 分別較CK 的土壤有機(jī)質(zhì)增加38.3%、32.8%和6.6%;隨著試驗的進(jìn)行,增加幅度進(jìn)一步增大,到2020年時分別增加62.5%、38.2%和20.5%。與NPK 相 比,2020年MNPK 和SNPK 土壤有機(jī)質(zhì)分別提升34.9%和14.8%,這表明地上物通過過腹還田較秸稈的直接還田更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。

圖1 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤有機(jī)質(zhì)含量(a)和年遞增率(b)的影響Fig.1 Effects of different long-term agricultural management patterns on contents (a) and annual change rates (b) of soil organic matter

秸稈直接還田與過腹還田土壤有機(jī)質(zhì)積累的動態(tài)模式存在差異。以試驗伊始土壤有機(jī)質(zhì)含量為基礎(chǔ),計算了不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下土壤有機(jī)質(zhì)隨時間的年遞增速率(圖1b)。結(jié)果表明,MNPK 和SNPK 兩個處理的年遞增速率始終為正值,表明有機(jī)質(zhì)始終處于積累狀態(tài),其中,MNPK 處理有機(jī)質(zhì)積累速度顯著高于SNPK 處理(＜0.05)。試驗初期,MNPK 處理土壤有機(jī)質(zhì)積累速度較快,隨后積累速度放緩,進(jìn)行到第10年后,積累速度趨于平穩(wěn),土壤有機(jī)質(zhì)基本以2%的年遞增率穩(wěn)步提升;而SNPK 處理土壤有機(jī)質(zhì)的增長則以先緩后快的模式增長,試驗開始后的前10年內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)僅以0.3%～1.0%的年遞增率增長,隨后,進(jìn)入增速平穩(wěn)期,基本以1%左右的年遞增率增長。對于NPK 處理,試驗開始的前12年內(nèi),土壤有機(jī)質(zhì)年遞增率均為負(fù)值,表明有機(jī)質(zhì)呈持續(xù)下降狀態(tài),即土壤有機(jī)質(zhì)分解速度大于積累速度;到2014年后,土壤有機(jī)質(zhì)的年遞增率徘徊在0 左右,表明此時期土壤有機(jī)質(zhì)積累與降解基本達(dá)到平衡。對于對照CK 處理,土壤有機(jī)質(zhì)年遞增速率始終為負(fù)值,表明其土壤有機(jī)質(zhì)始終處于降解速度快于積累的狀態(tài),有機(jī)質(zhì)含量每年基本以1%左右的遞減速率下降。

TOCs 決定于農(nóng)田有機(jī)物料的輸入與降解的平衡,指示不同碳組分周轉(zhuǎn)平衡后的結(jié)果。從表1可知,2002-2020年,實施有機(jī)養(yǎng)分循環(huán)再利用的經(jīng)營模式顯著擴(kuò)增了耕層土壤有機(jī)碳庫容量(＜0.05),MNPK 和SNPK 有機(jī)碳儲量分別增加9.21 t(C)·hm和4.51 t(C)·hm,對土壤有機(jī)碳庫的擴(kuò)增效果以秸稈過腹還田顯著優(yōu)于秸稈直接還田(＜0.05)。NPK 處理經(jīng)歷18年后土壤有機(jī)質(zhì)無顯著性增加,土壤有機(jī)碳庫僅增加0.64 t(C)·hm,表明在華北太行山前平原高產(chǎn)類型區(qū)小麥-玉米輪作農(nóng)田,本研究中的化肥用量且無有機(jī)物料的添加下僅僅能維持土壤有機(jī)碳庫的不耗損或基本平衡,而對于有機(jī)碳庫擴(kuò)增無顯著效果;這也暗示,在當(dāng)今提倡化肥減施增效情況下,勿忽略加強(qiáng)有機(jī)養(yǎng)分循環(huán)再利用或外源有機(jī)物料的添加。對于CK 處理,由于長時間的缺少外源物質(zhì)的投入,有機(jī)碳庫嚴(yán)重耗竭,2020年TOCs 顯著低于試驗開始時的2002年,18年間土壤有機(jī)碳庫虧缺2.79 t(C)·hm。與對照(CK)相比,經(jīng)歷18年的各種施肥措施,土壤碳庫庫容得到了有效擴(kuò)充,NPK、SNPK 和MNPK 處理的土壤有機(jī)碳庫依次增加了4.29 t(C)·hm、7.72 t(C)·hm和12.39 t(C)·hm;與NPK處理相比較,SNPK 和MNPK 處理的土壤有機(jī)碳庫分別增加了3.43 t(C)·hm和8.10 t(C)·hm。總體而言,施用化肥基礎(chǔ)上實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用或添加外源有機(jī)物料可顯著擴(kuò)增TOCs,本研究的化肥施用水平僅僅只能維持有機(jī)碳庫基本平衡。

表1 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下土壤有機(jī)碳儲量變化Table 1 Change of soil organic carbon storage under different long-term agricultural management patterns t(C)·hm-2

土壤有機(jī)碳含量是容量指標(biāo),不足以全面反映土壤質(zhì)量的內(nèi)在變化。為了更好地指征土壤養(yǎng)分供應(yīng)和碳庫儲存特性,基于土壤有機(jī)碳在各種提取劑中的溶解性和氧化性不同,將有機(jī)碳分為活性和穩(wěn)定性兩種組分。活性組分主要包括可溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳,穩(wěn)定性有機(jī)碳組分主要包括難以分解的惰性有機(jī)碳。活性組分周轉(zhuǎn)時間較短,與土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和作物生長密切相關(guān),是植物營養(yǎng)的主要來源,可用以指示土壤有機(jī)質(zhì)的早期變化,常被作為土壤有機(jī)質(zhì)的活性指標(biāo)。惰性有機(jī)碳(ROC)是土壤有機(jī)碳庫中相對難分解、較穩(wěn)定的部分,主要包括木質(zhì)素、腐殖質(zhì)、多酚及被保護(hù)的多糖等,其含量越高越有利于土壤有機(jī)碳的積累,惰性有機(jī)碳主要貢獻(xiàn)于碳庫建設(shè)。

2020年的不同長期農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下土壤有機(jī)碳組分如圖2所示。惰性有機(jī)碳(ROC)和易氧化有機(jī)碳(LOC)含量由大到小的順序均為MNPK＞SNPK＞NPK≈CK,可溶性有機(jī)碳(DOC) MNPK＞SNPK＞NPK＞CK。從不同處理對各組分有機(jī)碳積累的促進(jìn)效果來看,NPK 處理 僅使DOC 略高于CK 處理,而LOC 和ROC 含量卻較CK 處理略低,但差異未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)上的顯著水平。與NPK 相比,MNPK 和SNPK 顯著提高了LOC 和ROC 含量(＜0.05),MNPK 處理的LOC 和ROC 分別提高165.2%和27.1%,SNPK 則分別提高146.4%和25.6%。表明施用化肥基礎(chǔ)上實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用對活性有機(jī)碳庫的提升效果高于對惰性有機(jī)碳庫的影響,即,活性有機(jī)碳庫對農(nóng)業(yè)管理措施反應(yīng)敏感,惰性有機(jī)碳庫積累過程緩慢。

圖2 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤有機(jī)碳組分的影響Fig.2 Effects of different long-term agricultural management patterns on soil organic carbon components

土壤凈固碳效率(net carbon sequestration efficiency,NCSE)是土壤碳固存潛力的重要指標(biāo),能較好地反映土壤有機(jī)碳對施肥措施的響應(yīng)。本研究分析了經(jīng)過18年的不同施肥措施后土壤的固碳效率和凈固碳效率,結(jié)果表明,不同處理土壤固碳效率和凈固碳效率由高到低的順序均為MNPK＞SNPK＞NPK＞CK (表2)。從固碳效率來看,CK 處理表現(xiàn)為土壤有機(jī)碳的凈釋放,其他處理均為凈固定。以CK的固碳效率為參考基礎(chǔ)獲得的各施肥處理的凈固碳效率的結(jié)果表明,施用化肥基礎(chǔ)上實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用,顯著提高了土壤的NCSE,MNPK 較NPK 提高2.5 倍(＜0.05),SNPK 較NPK 提高1.1 倍(＜0.05);且實施18年后,MNPK 處理較SNPK 處理土壤的凈固碳效率顯著提高63.6% (＜0.05)。表明實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用或有機(jī)無機(jī)相結(jié)合可促進(jìn)有機(jī)碳固存,培肥地力,養(yǎng)分的過腹還田較直接還田方式固碳潛力更高。

土壤碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index,CPMI)結(jié)合了人為影響下土壤碳庫指標(biāo)和土壤碳庫活度,反映了外界條件對土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量及土壤活性有機(jī)質(zhì)數(shù)量的影響,能夠較全面反映外界條件對土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的影響。本研究以2019年CK 處理的TOC 含量和土壤碳庫活度基礎(chǔ)值為參考值,計算了2020年各施肥處理的CPMI (表2)。結(jié)果表明,土壤的碳庫活度以SNPK 最高,其次為MNPK,NPK 最低,與CK 相比,NPK 處理的碳庫活度降低了33.3%,表明單獨(dú)施用化肥情況下,作物根系和凋落物歸還輸入土壤的碳不足以維持輸入與輸出的平衡,降低了活性有機(jī)碳在總有機(jī)碳中的比例。與NPK 相比,MNPK和SNPK 各碳庫指標(biāo)均顯著提高(＜0.05),表明實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用顯著改善了土壤有機(jī)碳庫。比較MNPK 和SNPK 不難看出,有機(jī)碳庫的活度指標(biāo)均以SNPK 高于MNPK,這應(yīng)該與歸還農(nóng)田有機(jī)物料特性不同有關(guān),說明有機(jī)碳庫建設(shè)中豬糞更有利于促進(jìn)惰性碳庫增長;碳庫指數(shù)和管理指數(shù)則均以MNPK高于SNPK,表明MNPK 更有利于土壤向良性發(fā)展。

表2 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤凈固碳效率和碳庫管理指數(shù)的影響Table 2 Effects of different long-term agricultural management patterns on soil net carbon sequestration efficiency and carbon pool management index

為了進(jìn)一步明確影響土壤固碳效率和碳庫管理指數(shù)的有機(jī)碳組分,對碳庫管理指數(shù)(CPMI)、有機(jī)碳凈固碳效率(NCSE)與土壤有機(jī)碳(TOC)、易氧化有機(jī)碳(LOC)、惰性有機(jī)碳(ROC)進(jìn)行相關(guān)性分析(表3),結(jié)果表明,TOC 與LOC 和ROC 均呈顯著性正相關(guān)(＜0.05),且LOC、ROC 與TOC 的相關(guān)系數(shù)相近,表明LOC、ROC 對TOC 的影響程度基本相同,均可在一定程度上反映土壤TOC 含量的變化,且TOC 含量增加可引起LOC 和ROC 含量的增加。CPMI 與TOC 無顯著性相關(guān)關(guān)系,而與LOC 存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(＜0.001)、與ROC 存在顯著相關(guān)關(guān)系(＜0.05),表明TOC 含量的變化不會對CPMI 產(chǎn)生影響,而ROC 和LOC 含量的改變可顯著或極顯著影響CPMI 走向,以LOC 對CPMI 的影響強(qiáng)度高于ROC,即LOC 增加更有利于土壤向良性方向發(fā)展,而LOC 減少則會導(dǎo)致質(zhì)量惡化,這進(jìn)一步說明LOC 是指示土壤碳庫的靈敏指標(biāo),可以反映短期內(nèi)土壤有機(jī)碳庫的變化特征。NCSE 與TOC 含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(＜0.001),與LOC、ROC 和CPMI 呈顯著性正相關(guān)關(guān)系(＜0.05),表明TOC 含量增加可極顯著提升土壤的固碳效率,總有機(jī)碳是決定土壤碳庫建設(shè)的最重要因素。CPMI 與LOC、ROC、NCSE均呈顯著正相關(guān)關(guān)系,特別是與LOC 存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,這表明CPMI 不僅可以良好地表征土壤質(zhì)量變化,還可表征土壤固碳潛力變化,能夠較全面反映外界條件對土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的影響。

表3 土壤有機(jī)碳(TOC)、惰性有機(jī)碳(ROC)、易氧化有機(jī)碳(LOC)、碳庫管理指數(shù)(CPMI)及凈固碳效率(NCSE)之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficients between total carbon(TOC),resistant organic carbon (ROC),labile organic carbon (LOC),carbon pool management index(CPMI) and net carbon sequestration efficiency(NCSE)

2.2 不同有機(jī)養(yǎng)分循環(huán)再利用模式對土壤氮庫容量和氮庫組成的影響

秸稈直接還田和過腹還田均可顯著增加土壤全氮含量。圖3a 表明長期采取不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式可顯著影響土壤全氮的動態(tài)變化特征,NPK、MNPK 和SNPK 處理均可顯著提升土壤全氮含量,提升效果由大到小的順序依次為MNPK＞SNPK＞NPK＞CK。其中,MNPK 處理增加土壤全氮的效果立竿見影,試驗后的第2年該處理的全氮含量即顯著高于其他處理(＜0.05),并隨著試驗的延續(xù)土壤全氮含量逐年提高;而SNPK 和NPK 提升土壤全氮含量的效果緩慢,與對照相比,持續(xù)到試驗的第6年(2008年)有顯著差異(＜0.01)。經(jīng)過18年的持續(xù)試驗,到2020年NPK、SNPK 和MNPK 各處理的土壤全氮分別較CK 處理增加21.4%、40.5%和59.7%;與僅施用化肥的NPK相比,增加秸稈直接還田和過腹還田均顯著提高土壤全氮含量水平(＜0.01),SNPK 和MNPK 分別提高15.8%和31.6%。

MNPK 的土壤氮庫庫容擴(kuò)增速度和擴(kuò)增效果顯著高于SNPK (＜0.01)。由于試驗伊始土壤全氮含量較低,僅為0.94～0.97 g·kg,在試驗開始后的前4年內(nèi)各施肥處理的土壤全氮含量增速較快(圖3b),MNPK 處理的年遞增率最高,為4.8%～9.6%;SNPK 和NPK 處理的年遞增率基本相當(dāng),為1.5%～3.2%。隨著試驗?zāi)晗薜难娱L,各施肥處理全氮含量的增速放緩,進(jìn)入平穩(wěn)增長期,MNPK 處理的年遞增率保持在2.2%～3.2%,SNPK 和NPK 處理的年遞增率分別為0.7%～2.2%和0.1%～1.3%。對于CK 處理,土壤全氮處于持續(xù)降低狀態(tài),年降低速率為0.1%～1.9%,降低速度以試驗前期高于后期,究其原因,一方面是前期土壤中易降解有機(jī)物質(zhì)含量高,有機(jī)物易于分解為作物生長提供所需的養(yǎng)分;另一方面該階段作物產(chǎn)量仍處于較高水平,對養(yǎng)分的吸收和攜出較多,造成了該階段土壤氮素含量下降較快。隨著試驗時間的延長,長期無外源物質(zhì)的投入,土壤氮素不斷耗竭,土壤中剩余有機(jī)物多為難以降解類型,土壤養(yǎng)分供應(yīng)嚴(yán)重不足,限制了作物的正常生長,作物產(chǎn)量很難形成,由此從土壤中攜出的氮素量明顯下降,從而減緩了后期土壤氮素下降速度

圖3 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤全氮含量(a)和年遞增率(b)的影響Fig.3 Effects of different long-term agricultural management patterns on contents (a) and annual change rates (b) of soil total nitrogen

由表4可知,經(jīng)歷18年的定位試驗后,各處理間土壤氮庫儲量存在顯著差異(＜0.05),而MNPK 和SNPK 處理的土壤氮庫顯著擴(kuò)容(＜0.05),土壤氮素庫容擴(kuò)增效果由大到小的順序依次為MNPK＞SNPK＞NPK;3 個施肥處理2020年比2002年試驗初期的土壤氮儲量分別增加47.6%、25.6%和7.2%;由于CK 處理長期的赤字經(jīng)營,土壤氮庫儲量下降10.9%。與NPK 處理相比,MNPK 和SNPK 土壤全氮儲量分別增加31.6%和15.5%。由此可見,過腹還田式的有機(jī)養(yǎng)分循環(huán)再利用較秸稈直接還田更能有效擴(kuò)增土壤氮庫容量。

表4 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下土壤氮庫儲量變化Table 4 Change of soil nitrogen storage under different longterm agricultural management patterns t(N)·hm-2

有機(jī)養(yǎng)分的循環(huán)再利用可有效調(diào)控土壤氮庫結(jié)構(gòu),提高土壤的供氮和保氮能力。2019年度分析了長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下土壤不同形態(tài)氮素含量,剖析了不同處理對土壤氮庫組成的影響,以闡明農(nóng)業(yè)管理措施對土壤氮素的供應(yīng)與保持能力的影響。研究結(jié)果表明(圖4A),長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下土壤全氮、堿解氮呈相同變化趨勢,由高到低依次為MNPK＞SNPK＞NPK＞CK,全氮各處理間存在顯著差異(＜0.05),堿解氮所有施肥處理均顯著高于CK (＜0.05);與NPK 相比,MNPK 顯著提高了土壤堿解氮和全氮含量(＜0.05),而SNPK 僅顯著提高了全氮含量(＜0.05)。過渡性氮庫(氨基糖態(tài)氮)由高到低順序為SNPK＞NPK＞MNPK＞CK,速效性氮庫(堿解氮)由高到低的順序為MNPK＞SNPK＞NPK＞CK。秸稈還田顯著增加了氨基糖態(tài)氮含量,推動了過渡性氮庫建設(shè),同時,顯著降低了速效性氮庫容量,表明秸稈還田顯著提高了土壤微生物對氮素的固持,降低了速效性氮素含量及其向環(huán)境的遷移風(fēng)險,利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)氮與供氮。而無機(jī)態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮在MNPK 與NPK 兩處理中基本相當(dāng),MNPK 無機(jī)氮顯著高于SNPK 處理(＜0.05),氨基糖態(tài)氮顯著低于SNPK 處理(＜0.05),表明秸稈過腹還田極大地擴(kuò)增了土壤的速效性氮庫,但并未促進(jìn)微生物對氮素的固持,秸稈過腹還田對土壤氮庫組成的調(diào)控作用低于秸稈直接還田。

圖4 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤氮庫構(gòu)成(A)和土壤氨基葡萄糖(Glu)和胞壁酸(Mur)含量(B)的影響Fig.4 Effects of long-term agricultural management patterns on soil nitrogen pool composition (A) and contents of soil glucosamine (Glu) and muramic acid (Mur) (B)

氨基糖是土壤微生物細(xì)胞壁的組成成分,由于其穩(wěn)定性和異源性,可作為微生物殘留物標(biāo)識物,用來研究土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和積累過程中不同微生物群落的貢獻(xiàn)。氨基葡萄糖是真菌幾丁質(zhì)的唯一成分和脫酰基幾丁質(zhì)的主要成分,真菌是其主要來源;胞壁酸則是細(xì)菌中脂多糖和細(xì)胞壁中肽聚糖的成分,細(xì)菌是其唯一來源?？赏ㄟ^分析氨基糖含量變化來了解真菌和細(xì)菌殘留物的積累和轉(zhuǎn)化,闡釋真菌和細(xì)菌在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的作用。SNPK 處理的氨基葡萄糖顯著高于其他處理(＜0.05),其他處理之間差異不顯著;胞壁酸含量以MNPK 處理最高,顯著高于NPK 和CK 處理(＜0.05),與SNPK 差異不顯著(圖4B)。這表明當(dāng)前本區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的施用化肥下秸稈直接還田更有利于促進(jìn)真菌的生長繁殖,在施用化肥下配施豬圈肥更有利于促進(jìn)細(xì)菌的生長繁殖。

氨基葡萄糖和胞壁酸(Glu/Mur)的比值可以衡量微生物群落中真菌和細(xì)菌在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中作用的相對貢獻(xiàn),若其比值較大說明真菌相對貢獻(xiàn)占優(yōu)勢,反之則說明細(xì)菌相對貢獻(xiàn)占優(yōu)勢。從圖4B 可以看出,MNPK 處理的Glu/Mur 比值最低,顯著低于NPK 和SNPK 處理(＜0.05)。說明在本研究中,長期實施農(nóng)田產(chǎn)出物的過腹還田,土壤中細(xì)菌在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的相對貢獻(xiàn)更大。其他處理中則為真菌的貢獻(xiàn)更大。

2.3 不同有機(jī)養(yǎng)分循環(huán)再利用模式對土壤磷庫的影響

從圖5a 可知,MNPK 處理較其他處理更能有效促進(jìn)土壤有效磷含量的提升;而SNPK 和NPK 對土壤有效磷含量的影響基本相當(dāng),兩種處理(SNPK 和NPK)下土壤有效磷含量均顯著低于MNPK(＜0.001),卻顯著高于CK 處理(＜0.01)。至2020年,MNPK、SNPK 和NPK 處理下土壤有效磷含量較CK 分別增加40.4 倍、9.2 倍和10.2 倍。

圖5 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤有效磷含量(a)和年遞增率(b)的影響Fig.5 Effects of long-term agricultural management patterns on contents (a) and annual change rates (b) of soil available phosphorus

為了進(jìn)一步了解土壤有效磷的動態(tài)變化特征,以試驗伊始土壤有效磷含量為基數(shù),計算了土壤有效磷含量的年遞增率(圖5b),結(jié)果表明,試驗開始后的前4～5年內(nèi)不同處理間土壤有效磷的遞增速率差異較大,MNPK 處理土壤有效磷增速極高,年遞增率為45.4%～81.5%,隨著試驗?zāi)晗扪娱L,增速相對放緩,2007年起年遞增率逐漸由37.1%降至14.0%。而SNPK 和NPK 處理土壤有效磷年遞增率顯著低于MNPK 處理(＜0.001);并且在試驗開始的前幾年,SNPK 處理土壤有效磷年遞增率為負(fù)值,表明有效磷含量不增反減,這很可能是由于秸稈輸入為微生物提供了更容易獲取的有機(jī)碳源,影響了土壤微生物對磷素的降解代謝和合成代謝進(jìn)程的相對強(qiáng)弱,增強(qiáng)了微生物對土壤和肥料來源有效磷的固持有關(guān);隨著試驗?zāi)晗薜难娱L,2008年起其年遞增率持續(xù)轉(zhuǎn)為正值,表現(xiàn)出土壤有效磷呈不斷增加狀態(tài),并基本以5.0%～10.5%的年遞增率增加。

MNPK 處理顯著提高了微生物多樣性和與磷素轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性?？v觀不同施肥處理下土壤有效磷的動態(tài)變化特征不難發(fā)現(xiàn),MNPK 處理土壤有效磷含量以遠(yuǎn)高于其他處理的遞增速率上升,究其原因,一方面施用豬糞輸入到農(nóng)田的磷量、微生物量和種類遠(yuǎn)高于秸稈直接還田,另一方面施用豬糞還會對土壤土著微生物起激發(fā)效應(yīng)。多重誘因促進(jìn)了微生物多樣性和活性增加,顯著提高了堿性磷酸酶和植酸酶活性(圖6A),從而提高了MNPK 土壤有效性磷的積累。此外,由于糞肥和秸稈組成成分不同,長期施用后誘導(dǎo)微生物群落組成發(fā)生了顯著變化。從圖6B 可以看出,MNPK 處理顯著提高了細(xì)菌群落的多樣性,提高了細(xì)菌在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的相對貢獻(xiàn);而長期秸稈還田則顯著提高了真菌群落的多樣性,提高了真菌在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的相對重要性。MNPK 處理的真菌+細(xì)菌總Chao1 指數(shù)顯著高于其他處理,這亦有可能是MNPK 有效磷含量顯著高于其他處理的重要原因。

圖6 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤磷素轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性(A)和與微生物多樣性(B)的影響Fig.6 Effects of different long-term agricultural management patterns on soil enzyme activities related to phosphorus transformation (A) and microbial diversity (B)

表5給出了試驗開始前后不同處理土壤有效磷庫儲量的變化情況。2002-2020年18年間,CK 處理有效磷庫存在耗竭現(xiàn)象,有效磷儲量減少11.11 t(P)·hm;而各施肥處理有效磷庫得到了顯著擴(kuò)容,NPK、SNPK 和MNPK 耕層土壤有效磷儲量依次增加29.00 t(P)·hm、24.68 t(P)·hm和144.87 t(P)·hm,MNPK 處理有效磷增量顯著高于NPK 和SNPK,表明實施地上產(chǎn)出物過腹還田可極顯著提高土壤有效磷庫儲量,對磷庫建設(shè)起到了積極作用;而NPK 和SNPK 兩處理間無顯著性差異,表明秸稈直接還田對土壤有效磷庫儲量擴(kuò)增影響甚微(表5和圖5)。

表5 長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式下土壤有效磷儲量變化Table 5 Change of soil available phosphorus storage under different long-term agricultural management patterns t(P)·hm-2

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)質(zhì)有助于維持土壤的長期健康與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,為作物提供養(yǎng)分,調(diào)節(jié)土壤通氣狀況和持水量,從而提高養(yǎng)分利用效率及養(yǎng)分保持能力等。因此,調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程,提升有機(jī)質(zhì)的積累是沃土培肥的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究的結(jié)果表明,養(yǎng)分循環(huán)再利用措施的實施增加了農(nóng)田有機(jī)碳循環(huán),改善了土壤養(yǎng)分循環(huán)過程,促進(jìn)了土壤有機(jī)碳增加(表1),增強(qiáng)了農(nóng)田土壤作為碳匯的功能。從土壤有機(jī)質(zhì)含量的動態(tài)變化過程來看,試驗初期,養(yǎng)分循環(huán)再利用情況下,土壤有機(jī)質(zhì)含量增長速度較快,隨著試驗?zāi)晗薜难娱L,增長速度逐漸趨緩(圖1b),表明隨著有機(jī)物料逐年還田使土壤有機(jī)碳含量逐漸增加,當(dāng)土壤有機(jī)碳儲量增加到一定程度后,特別是趨于飽和臨界值時,有機(jī)碳的進(jìn)一步積累逐漸困難。眾所周知,華北平原土壤質(zhì)地較粗,屬于堿性富鈣的石灰性土壤,表層土壤pH 中值高達(dá)8.18,堿性富鈣土壤環(huán)境有利于次生碳酸鹽的形成,加快土壤有機(jī)碳分解,不利于有機(jī)碳積累,這也可能是本區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)難以進(jìn)一步提升的原因之一。

不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營制度對土壤有機(jī)質(zhì)的影響存在顯著性差異。施用化肥基礎(chǔ)上實施有機(jī)養(yǎng)分的循環(huán)再利用較單獨(dú)施用化肥顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,對土壤有機(jī)質(zhì)的擴(kuò)增效果以地上產(chǎn)出物過腹還田優(yōu)于秸稈直接還田,這與前人的研究結(jié)果基本一致。究其原因,可能與兩種養(yǎng)分循環(huán)再利用模式所投入有機(jī)物料組成不同有關(guān)。與秸稈相比,豬糞主要是處于半分解狀態(tài)的有機(jī)質(zhì),更易腐解轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生多糖等代謝物,促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成,提升團(tuán)聚體穩(wěn)定性,增加碳吸附和固定;此外,其還田帶入更多有效態(tài)氮,提高了碳轉(zhuǎn)化效率;再之,施入豬糞向土壤中帶入大量微生物,促進(jìn)了微生物數(shù)量的增加和活性的提高,同時也激發(fā)了土壤中土著微生物的活性,促進(jìn)了碳氮代謝與固持,從而提高有機(jī)質(zhì)含量。對于單獨(dú)施用化肥的處理而言,試驗開始的最初幾年,土壤有機(jī)質(zhì)含量略有降低,處于分解釋放狀態(tài),試驗進(jìn)展到近10年時,有機(jī)質(zhì)逐漸進(jìn)入積累狀態(tài),其含量逐漸恢復(fù)至試驗初始狀態(tài)并略有提升。這表明,在該農(nóng)業(yè)管理模式的化肥施用水平下,如果不給予有機(jī)物質(zhì)的補(bǔ)充,僅依靠化肥投入不足以補(bǔ)充作物產(chǎn)量形成所需養(yǎng)分,需要土壤有機(jī)質(zhì)分解釋放養(yǎng)分供作物生長所用,以此來保證作物產(chǎn)量的提升。隨著作物產(chǎn)量提升,根茬殘留歸還到土壤中的有機(jī)物質(zhì)增加,以此來反哺土壤,促使有機(jī)質(zhì)的分解與積累趨于基本平衡或略有盈余。

從農(nóng)業(yè)經(jīng)營制度對碳庫組分的影響來看,單獨(dú)施用化肥與常年不施肥的對照相比其可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、惰性有機(jī)碳均未得到顯著性提高(圖2),這說明單獨(dú)施用化肥情況下,作物根系和凋落物歸還輸入土壤的碳不足以維持輸入與輸出的平衡,而作物根系生長過程中激發(fā)了微生物對土壤有機(jī)質(zhì)分解,加速了土壤碳的降解與釋放,很難使ROC 和LOC 得到有效積累。實施養(yǎng)分循環(huán)再利用的MNPK 和SNPK 處理由于增加了外源有機(jī)物料的輸入,ROC 和LOC 均顯著高于NPK 和CK 處理,這表明施用化肥基礎(chǔ)上實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用不僅促進(jìn)了穩(wěn)定性碳庫積累,亦擴(kuò)增了土壤活性碳庫。從活性有機(jī)碳庫在總有機(jī)碳庫的占比來看,經(jīng)過18年的有機(jī)養(yǎng)分的循環(huán)再利用,MNPK 和SNPK 顯著增加了(LOC+DOC)/TOC 比值,使其由NPK 的9.2%分別增加到了19.0%和16.3%,對提高土壤供肥能力起到了積極作用。綜上所述,僅僅依靠化肥難以維系土壤碳庫建設(shè),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需輔以有機(jī)物料投入,踐行有機(jī)無機(jī)相結(jié)合的原則,促進(jìn)活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳的協(xié)同提升,提高土壤的固碳保肥和供肥能力。

不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營制度對土壤固碳效應(yīng)和碳庫管理指數(shù)具有顯著影響。與單獨(dú)施用化肥的NPK 處理相比,實施養(yǎng)分循環(huán)再利用的MNPK 和SNPK 顯著提高了碳庫管理相關(guān)的各指標(biāo)值,但不同的養(yǎng)分循環(huán)利用途徑對各指標(biāo)的影響強(qiáng)度存在差異,養(yǎng)分的過腹還田較直接還田有增加碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)趨勢,但卻存在降低碳庫活度及活度指數(shù)的趨勢,這一趨勢與徐明崗等和史康婕等的研究結(jié)果基本一致。由碳庫活度指數(shù)的計算式可知,雖然MNPK 較SNPK 有提高LOC 含量趨勢,即活性有機(jī)質(zhì)含量增加,但由于ROC 增量遠(yuǎn)高于LOC 的增量(圖2),所以MNPK 的碳庫活度指數(shù)并未大幅提高,出現(xiàn)了MNPK 的碳庫活度及活度指數(shù)低于SNPK 的現(xiàn)象。從碳庫管理指數(shù)來看,MNPK 和SNPK 的CPMI 均大于100 (表2),表明實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用(MNPK 和SNPK)有利于使土壤向良性方向發(fā)展,并且MNPK 略優(yōu)于SNPK。而NPK 的CPMI 小余100,表明單獨(dú)施用化肥而不向土壤中補(bǔ)充有機(jī)物料有誘導(dǎo)土壤向不良方向發(fā)展的趨勢,不利于土壤質(zhì)量改善。相關(guān)性分析表明(表3),TOC 是影響NCSE 的關(guān)鍵因素,但對CPMI 無顯著性影響;LOC 含量很大程度上依賴于TOC 儲量,并極顯著地對CMPI 產(chǎn)生影響,是表征土壤碳庫平衡與土壤生物學(xué)肥力的敏感指標(biāo),可以反映土壤有機(jī)碳庫的變化特征。CMPI 不僅受到NCSE 影響,還與LOC、ROC 顯著相關(guān),因此,CPMI 可以全面反映外界條件對土壤有機(jī)質(zhì)的量質(zhì)影響。

長期不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤全氮積累過程的影響基本與有機(jī)質(zhì)相似,也存在先快后慢的趨勢,這主要與土壤碳氮轉(zhuǎn)化過程存在耦合關(guān)系有關(guān)。實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用顯著提高了土壤氮素水平(圖3a),其中以養(yǎng)分過腹還田處理效果最佳。從各處理對氮庫組分的影響來看,實施農(nóng)田地上產(chǎn)出物的過腹還田(MNPK)顯著增加了土壤速效性氮庫容量,有利于提高土壤供氮能力;秸稈直接還田(SNPK)則有利于提高土壤氨基糖態(tài)氮素含量,同時減少了可溶性無機(jī)氮含量(圖4A),這表明秸稈直接還田促進(jìn)微生物對無機(jī)氮的同化與固持,減少了氮素向環(huán)境輸出的風(fēng)險。大量研究表明,秸稈還田是一種環(huán)境友好型的生物質(zhì)處理方式,不僅可以改善土壤的物理結(jié)構(gòu),并且有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量,提高土壤肥力。而且,秸稈還田通過增加微生物可利用的能源物質(zhì)影響微生物生長及其活性,從而改變微生物參與的氮轉(zhuǎn)化等養(yǎng)分循環(huán)過程。微生物同化過程會快速地將肥料氮素轉(zhuǎn)化為微生物生物量氮,最終以微生物殘體(如微生物細(xì)胞壁組分氨基糖)的形式被保留下來。另一方面,微生物殘體作為潛在的可礦化有機(jī)氮組分,在土壤氮素受限或缺乏時,會被降解以滿足微生物和作物生長對氮素的需求。在這一過程中,微生物作為氮素的暫存庫或中轉(zhuǎn)庫在土壤氮素固持和轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮重要作用。因此,采取秸稈直接還田可促進(jìn)肥料氮素的微生物固持,不僅有助于減少氮素?fù)p失,還有助于提高土壤氮素的供蓄能力,改善土壤質(zhì)量。從MNPK 和SNPK 對真、細(xì)菌的Chao1 指數(shù)(圖6B)和微生物標(biāo)識物氨基糖含量(圖4B)的影響來看,養(yǎng)分過腹還田顯著增加了細(xì)菌的Chao1 指數(shù)和胞壁酸含量,表明施用豬糞增加了細(xì)菌在土壤中的生物多樣性,并提高了細(xì)菌在氮素轉(zhuǎn)化中的相對貢獻(xiàn);而秸稈還田顯著提高了真菌的Chao1 指數(shù)和氨基葡萄糖含量,表明秸稈直接還田更有利于增加真菌的生物多樣性及其在氮素轉(zhuǎn)化中的相對貢獻(xiàn)。

從各農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對土壤有效磷含量的動態(tài)變化特征的影響來看,兩種養(yǎng)分循環(huán)再利用模式對土壤有效磷的影響存在著顯著性差異,實施養(yǎng)分的過腹還田極顯著地增加了土壤磷素含量(圖5a),而比較NPK 和SNPK 兩處理土壤有效磷庫儲量的變化可知,秸稈直接還田并未促進(jìn)有效磷庫容的擴(kuò)增,究其原因,有可能是秸稈直接還田歸還的磷素不足以補(bǔ)充因為秸稈直接還田提升的作物產(chǎn)量攜出的土壤磷素。從2002年到2020年,MNPK 處理的土壤有效磷含量由6.7 mg(P)·kg增加至了71.1 mg(P)·kg,土壤有效磷由貧乏狀態(tài)轉(zhuǎn)至了極度豐富,這一轉(zhuǎn)變在提高土壤有效磷庫容量、為作物生長提供充足的有效磷的同時,也提高了農(nóng)田磷素淋失的風(fēng)險,一旦遇到強(qiáng)降雨或灌溉過量,將會導(dǎo)致磷素的向下遷移,對地下水污染造成威脅。因此,建議本區(qū)域可適量施用有機(jī)糞肥,在施用有機(jī)糞肥時適度控制化學(xué)磷肥的施用量,避免磷素在土壤中的過度積累。

綜上所述,本研究的化肥施用水平下,單獨(dú)施用化肥不利于土壤碳氮積累，施用化肥基礎(chǔ)上實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用不僅有效促進(jìn)養(yǎng)分庫容量的擴(kuò)增，還有效調(diào)控了土壤養(yǎng)分庫結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤質(zhì)量向良性發(fā)展。實施養(yǎng)分的循環(huán)再利用在促進(jìn)穩(wěn)定性碳庫積累的同時,亦擴(kuò)增了土壤活性碳庫,對提高土壤的保肥和供肥能力起到了積極作用。秸稈直接還田較過腹還田更有利于微生物將速效性氮素固持到過渡庫中,不僅降低了活性氮素向環(huán)境的輸出風(fēng)險,還提高了土壤對氮素的蓄供能力。即: 施用有機(jī)糞肥可提升土壤的供肥能力,而實施秸稈直接還田可提升土壤保肥能力,鑒于此,華北地區(qū)小麥-玉米輪作農(nóng)田推行兩季秸稈全量還田的同時,應(yīng)提倡有機(jī)糞肥替代部分化肥,以協(xié)同發(fā)揮不同類型有機(jī)物料在土壤養(yǎng)分的保蓄與供應(yīng)方面的優(yōu)勢,提高農(nóng)業(yè)管理措施的培肥效應(yīng)。