長期不同施肥模式對中低產(chǎn)黃泥田土壤團聚體組成及碳組分的影響

陳 超，宓文海，，居 靜，吳良?xì)g，趙海濤

(1.揚州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009；2.浙江大學(xué) 教育部環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康重點實驗室，浙江 杭州 310058)

黃泥田是我國浙江、福建、江西等南方省份廣泛分布的一種中低產(chǎn)水稻土，其主要特征是耕層淺薄、熟化度低及保肥性能差[1]。為了提高黃泥田土壤肥力，增加土壤碳庫和構(gòu)建一個適宜的土壤結(jié)構(gòu)是2個重要的研究內(nèi)容。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是有機碳分解與積累的主要場所[2]。而有機碳作為膠結(jié)物質(zhì)又促進了土壤團聚體形成與穩(wěn)定。因此，土壤團聚體的形成與土壤有機碳密切相關(guān)，其數(shù)量和組成決定著土壤固定與儲存有機碳的能力。很多田間試驗表明[3-5]，通過化肥與有機肥配合施用的方法可以結(jié)合化肥速效性和有機肥持久性的優(yōu)點，在保持作物穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的同時能明顯改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤碳庫。秸稈和牛糞是2種常見的農(nóng)業(yè)有機廢棄物，均可以作為改良土壤的有機肥源。高鳴慧等[6]在棕壤進行玉米連作試驗中發(fā)現(xiàn)，化肥配施秸稈處理較單施化肥處理能顯著提高表層土壤中大團聚體的占比，且提高了大團聚體中有機碳含量。魏宇軒等[7]在黑土種植玉米試驗中發(fā)現(xiàn)化肥配施牛糞處理較單施化肥處理顯著提高了耕層土壤大團聚體中有機碳的含量。而謝鈞宇等[8]在塿土上研究發(fā)現(xiàn)，在小麥-玉米輪作體系下化肥配施秸稈與單施化肥處理中大團聚體有機碳含量相近，沒有顯著差異。以往的研究雖然報道了化肥與秸稈或牛糞配施后對土壤團聚體及有機碳的影響，但多關(guān)注在耕層土壤，對亞表層土壤中團聚體及碳氮分布的影響還不清楚。此外，不同培肥措施在改善黃泥田土壤結(jié)構(gòu)和有機碳提升的效果上是否一致仍需要進一步研究。

土壤有機碳的穩(wěn)定性除了與團聚體物理保護作用影響外，還與其本身結(jié)構(gòu)的抗分解性有關(guān)。目前，傅里葉紅外光譜技術(shù)能夠通過測定SOC的化學(xué)官能團對紅外光的選擇性吸收差異確定有機碳的成分，有效地反映土壤中含氧官能團的性質(zhì)、反應(yīng)特性和結(jié)構(gòu)變化等方面的信息[9-11]，用來表現(xiàn)不同施肥管理措施下SOC的化學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性特征。常漢達(dá)等[12]通過5 a田間試驗發(fā)現(xiàn)，長期秸稈還田增加了脂肪族和醇酚相對峰強度，但芳香族和多糖相對峰強度降低，土壤有機質(zhì)穩(wěn)定性逐漸提高。盛明等[13]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田增加了黑土團聚體脂肪族碳吸收峰的相對面積，降低了芳香族碳紅外吸收峰的相對面積。由于長期不同施肥措施下碳投入的種類不同，可能引起土壤有機碳含量和質(zhì)量的變化。

顆粒有機碳是動植物殘體向土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的活性中間產(chǎn)物，穩(wěn)定性較低，更易受人為管理措施的影響[14-15]。礦物結(jié)合態(tài)有機碳是有機物的最終分解產(chǎn)物與土壤黏、粉粒結(jié)合的有機碳，這部分碳的生物利用率低，周轉(zhuǎn)緩慢，是惰性有機碳[12]。蔡岸冬等[16]研究發(fā)現(xiàn)，礦物結(jié)合碳有機碳含量與土壤有機碳積累在農(nóng)田中呈顯著正相關(guān)。因此，本研究依托長期定位施肥試驗，對比探究了不同施肥措施下表層和亞表層土壤總有機碳含量及其碳組分的影響，以期找到適合黃泥田土壤碳庫提升的最佳施肥模式。

1 材料和方法

1.1 試驗方法

長期定位試驗于2011年6月至2020年12月在浙江省金華市瑯琊鎮(zhèn)新朱村(29°01′19″ N，119°27′99″ E，海拔86 m)進行。該區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均溫度17.5 ℃，年均降水量1 424 mm。供試土壤為黃泥田水稻土，試驗開始前耕層土壤有機質(zhì)含量26.3 g/kg，全氮含量1.53 g/kg，堿解氮含量108.5 mg/kg，有效磷含量17.0 mg/kg，速效鉀含量97.0 mg/kg，土壤pH值5.14。試驗種植制度為單季稻，供試水稻品種為兩優(yōu)培九(2011—2016年)，甬優(yōu)12(2017—2020年)。水稻于每年6月上旬移栽，10月中下旬收獲。

本試驗選擇了4個不同施肥處理：CK.不施肥；F.單施化肥；FM.化肥+牛糞；FS.化肥+水稻秸稈。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。每個小區(qū)面積為50 m2(10 m×5 m)，小區(qū)間設(shè)置田埂，并用塑料薄膜包裹。

各施肥處理化肥氮、磷、鉀每年施用量保持一致，2011—2014年各施肥處理化肥用量分別為N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。2015年以后化學(xué)氮肥與磷肥的用量不變，化學(xué)鉀肥提高到200 kg/hm2。試驗中所用化學(xué)氮肥為尿素(N 46%)、磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)、鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。每年有機無機配施處理為：牛糞鮮質(zhì)量13 500 kg/hm2、水稻秸稈干質(zhì)量3 000 kg/hm2。其中磷肥、鉀肥、牛糞、秸稈均作為基肥一次性投入，氮肥按照基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3的比例撒施。牛糞和秸稈每年碳投入量約為1 300 kg/hm2。

1.2 土壤樣品采集與樣品處理

本試驗土樣于2020年11月采集，通過“S”形5點采樣法，分別采集各小區(qū)0～15 cm和15～30 cm的原狀土壤，各土層采集5個點，將土樣裝入硬質(zhì)容器內(nèi)密封后帶回實驗室。將土樣自然風(fēng)干后，過篩，去除作物殘留物、根系和石塊，用于土壤基本理化性狀測試和近紅外光光譜測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

土壤總有機碳和全氮采用Vario EL cube元素分析儀測定。

不同粒級團聚體分級采用濕篩法進行[2]。首先在土樣風(fēng)干過程中，按照土塊自然裂痕剝離為直徑10 mm左右的小塊，剔除動植物殘體和石塊；稱取100 g土壤樣品置于由0.250，0.053 mm孔徑土篩由上而下組成的篩組上，加入蒸餾水至淹沒土樣2 cm位置浸泡10 min，然后以振幅3 cm，30 次/min的上下移動篩組5 min，隨后收集各孔徑篩子上土樣于鋁盒中，水桶中土樣使用自然沉降后離心的方法收集，在60 ℃下烘干稱質(zhì)量，在60 ℃下烘干稱質(zhì)量后計算團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)。

顆粒態(tài)有機碳和礦物結(jié)合態(tài)有機碳的測定方法[17]如下：將去除根系雜物的風(fēng)干土過2 mm篩，稱取10 g土樣放入塑料瓶后加入50 mL的5 g/L的六偏磷酸鈉溶液。在100 r/min下振蕩18 h后過0.053 mm篩，將篩上部分反復(fù)沖洗至鋁盒。篩上部分為顆粒有機碳，篩下部分為礦物結(jié)合有機碳。將分離出的組分在60 ℃下烘干稱質(zhì)量后，土壤總有機碳和全氮采用Vario EL cube元素分析儀測定。

采用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet IS5)進行測定傅里葉紅外光譜[12]，具體方法如下：將樣品與KBr(光譜純)按1∶200比例在瑪瑙研缽中充分研磨混勻，通過傅里葉變換紅外光譜儀掃描并記錄光譜圖。光譜測定范圍4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)32 次。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 26和Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，使用Origin 2019繪制圖表。用OMNIC 8.2對紅外光譜圖像進行透光率和吸光度轉(zhuǎn)化。試驗結(jié)果均為3個重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用SSR法(Ducan檢驗)進行統(tǒng)計分析，在P<0.05條件下認(rèn)為存在顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥處理對土壤水穩(wěn)性團聚體組成的影響

由表1可知，土壤水穩(wěn)性團聚體組成在不同土壤深度上存在明顯差異。各處理0～15 cm土層中>0.250 mm粒徑百分含量均超過60%，高于15～30 cm土層中各處理大團聚體百分含量。化肥與牛糞配施處理中>0.250 mm團聚體百分含量最高，在0～15 cm和15～30 cm土層中較不施肥對照分別提高了7.1，11.0百分點(P<0.05)。與不施肥相比，單施化肥處理顯著提高了15～30 cm土層>0.250 mm團聚體百分含量(8.6百分點，P<0.05)，而在0～15 cm土層2個處理間沒有明顯差異。微團聚體(0.053～0.250 mm)百分含量上，化肥與牛糞配施和單施化肥處理較無肥對照在15～30 cm顯著降低了7.7～7.9百分點(P<0.05)。平均質(zhì)量直徑(MWD)方面，化肥與牛糞配施處理在0～15 cm和15～30 cm土層均為最大值，較無肥對照顯著提高了8.8%和28.6%(P<0.05)。

表1 長期不同施肥方式下黃泥田水穩(wěn)性團聚體組成Tab.1 Composition of water-stable aggregates under different fertilization treatments in yellow clayey paddy soil

2.2 長期不同施肥處理對各粒徑團聚體中有機碳及全氮含量的影響

由圖1可知，各處理不同粒徑團聚體中SOC和TN含量大小分布為：>0.250 mm大于0.053～0.250 mm大于<0.053 mm。施肥方式顯著影響了不同粒徑團聚體中SOC和TN含量。在0～15 cm，單施化肥(F)、化肥與牛糞配施(FM)和化肥與秸稈配施(FS)處理中>0.250 mm團聚體SOC含量較無肥對照(CK)相比分別增加了14%，51%和27%(P<0.05)。在0.053～0.250 mm團聚體上SOC含量分別增加了2%，20%和15%。與CK處理相比，F(xiàn)、FM和FS處理下>0.250 mm團聚體中TN含量分別提高了21%，42%和32%(P<0.05)，0.053～0.250 mm團聚體中TN含量分別增加了2%，20%和9%。不同施肥處理間比較，化肥與牛糞配施處理各粒徑團聚體中SOC和TN含量均為最高，分別較單施化肥處理提高19%～32%和18%～25%。

不同小寫字母表示同一粒級團聚體不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同。Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same aggregate size of soil(P<0.05).The same as Fig.2.

由圖2可知，深層土壤(15～30 cm)中各處理不同粒徑團聚體中SOC和TN含量呈現(xiàn)與表層土壤(0～15 cm)相似的分布趨勢。此外，施肥方式也顯著影響了不同粒徑團聚體中SOC和TN含量。在15～30 cm，單施化肥(F)、化肥與牛糞配施(FM)和化肥與秸稈配施(FS)處理中>0.250 mm團聚體SOC含量較無肥對照(CK)相比分別顯著增加了38%，78%和39%(P<0.05)。在0.053～0.250 mm團聚體SOC含量分別增加了89%，84%和53%(P<0.05)。

在土壤全氮含量上，與CK處理相比，F(xiàn)和FM處理>0.250 mm團聚體中TN含量分別顯著提高了48%和26%(P<0.05)，0.053～0.250 mm團聚體中TN含量分別顯著提高了56%和44%(P<0.05)。

圖2 15～30 cm不同粒級團聚體有機碳及全氮含量Fig.2 Soil organic carbon and total nitrogen content in different size of soil aggregates in 15—30 cm

2.3 長期不同施肥處理對顆粒態(tài)有機碳和礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量的影響

由表2 可知，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0～15 cm土層中顆粒態(tài)有機碳含量，分別提高98.7%和51.5%(P<0.05)。而在深層土壤(15～30 cm)中顆粒態(tài)有機碳含量各施肥處理間沒有統(tǒng)計學(xué)差異。與單施化肥相比，化肥與牛糞配施處理降低了表層土壤(0～15 cm)中礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量，降幅為7%。在深層土壤(15～30 cm)中各處理間礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量沒有顯著差異。2層土壤各處理間礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量均無明顯差異。

與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0～15 cm土層中土壤有機碳含量，增幅為18.7%和12.7%(P<0.05)。在深層土壤(15～30 cm)中，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理提高了土層中土壤有機碳含量，分別增加了12.1%和6.8%(P<0.05)。

由表2 可知，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0～15 cm土層中POC對SOC的貢獻率，分別提高了16.4，8.4百分點(P<0.05)。在深層土壤(15～30 cm)中，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理提高了土層中POC對SOC的貢獻率，增加分別為4.7，5.7百分點。與之相反，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著降低了0～15 cm土層中Min-OC對SOC的貢獻率，分別降低了16.4，8.4百分點(P<0.05)。而在深層土壤(15～30 cm)Min-OC對SOC的貢獻率在各施肥處理間沒有統(tǒng)計學(xué)差異。

表2 不同施肥處理各土壤組分有機碳對土壤總有機碳的貢獻率Tab.2 Contribution of soil particulate organic carbon and mineral-associated carbon to total soil organic carbon under different fertilization treatments

2.4 長期不同施肥處理對土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

如圖3所示，不同深度和不同施肥處理的紅外光譜譜型基本相似，主要吸收帶位于3 690～3 000 cm-1，1 650 cm-1，1 030 cm-1，797 cm-1等。根據(jù)紅外光譜吸收峰歸屬解析，0～15 cm土壤中3 650，3 430 cm-1和15～30 cm土壤中3 639，3 450 cm-1主要為醇酚締合-OH伸縮振動。1 650 cm-1主要來源于芳香族酰胺C=O(1 650～1 620 cm-1)；1 031 cm-1除來源于糖類的C-O外，還有部分的有機硅化合物Si-O。797，517 cm-1也是有機硅化合物Si-O伸縮振動。各處理間比較，0～15 cm土壤中單施化肥處理1 030 cm-1吸收峰強度低于其他處理，即單施化肥處理中碳水化合物含量低于不施肥處理和有機無機配施處理。而在更深層土壤(15～30 cm)，化肥與牛糞配施處理(FM)1 030 cm-1吸收峰強度要明顯高于其他各處理。

圖3 不同深度不同施肥處理下的黃泥田紅外光譜特征Fig.3 Infrared spectroscopy characteristics of yellow clayey paddy soil under different fertilization treatments at different soil depths

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，不同施肥處理和土壤深度下，土壤水穩(wěn)性團聚體均以大團聚體(>0.250 mm)為主，表層土壤大團聚體比例要高于亞表層土壤。這主要是由于表層土壤含有更多的有機物質(zhì)如作物根系殘體、多糖和微生物菌絲體[2]，促進了微團聚體結(jié)合形成大團聚體。此外，表層土壤的黏粉粒比例(12.8%)明顯低于亞表層土壤(25.6%)。這可能是由于表層土壤微生物活性較強，更多的微生物殘體如氨基糖與土壤黏粉粒的結(jié)合促進了微團聚體的形成[18]。而且，這種有機物質(zhì)與礦物的結(jié)合作用也是有機碳穩(wěn)定的決定性調(diào)控因子[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，表層土壤各處理<0.053 mm粒徑中有機碳含量均高于深層土壤各處理，說明有機碳在黏粉粒中呈現(xiàn)明顯積累的趨勢。因此，深層土壤固碳潛力巨大，這對于緩解氣候變化和糧食安全具有重要意義[20]。

土壤團聚體粒徑及其有機碳分布除受土壤深度影響外，還受到施肥的影響[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，與不施肥對照相比，長期單施化肥不能夠顯著影響表層土壤團聚體粒徑的分布。然而，聶鑫等[22]在湖南省雙季稻區(qū)長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，長期單施化肥較不施肥處理顯著提高了耕作層水穩(wěn)性大團聚體(>2 mm 和1～2 mm)的比例。這可能是由于輪作制度的差異。由于雙季稻每年種植兩季，與單季稻相比，單施化肥處理下有更多的根茬進入到耕層，進而促進了大團聚體的形成。本研究進一步發(fā)現(xiàn)，與單施化肥處理相比，化肥與牛糞配施能夠顯著提高土壤大團聚體的比例，而化肥與秸稈配施與單施化肥處理間無顯著差異。此外，大團聚體中有機碳含量也有相似的結(jié)果。相似的，Zhou等[23]總結(jié)了我國28個雙季稻長期定位施肥試驗發(fā)現(xiàn)，化肥與畜禽糞肥較化肥與秸稈配施有更高的固碳效率。這可能是化肥與秸稈配施處理中更多的外源碳以CO2或者CH4的形式損失掉，沒有真正固持到土壤中。而腐熟發(fā)酵的牛糞中含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、可溶性的碳水化合物，有利于微生物的吸收利用。近年來，Liang等[24]提出的土壤微生物碳泵概念強調(diào)了土壤微生物的同化合成產(chǎn)物是土壤穩(wěn)定有機碳庫的重要貢獻者。此外，本研究結(jié)果進一步發(fā)現(xiàn)，化肥與牛糞配施顯著提高了耕層土壤中顆粒態(tài)有機碳含量及其占總有機碳的比例。這是由于牛糞的施用提高了外源碳的投入。另一方面，化肥與牛糞配施較其他各處理顯著提高了水稻產(chǎn)量和地上部生物量[1]，因而每年有更多的根茬及根系殘體進入到土壤中，促進了土壤顆粒態(tài)碳含量的提升。藍(lán)賢瑾等[25]在紅壤性水稻土上的長期定位施肥試驗也有相近的報道，長期有機無機配施提高了土壤中顆粒態(tài)有機碳的含量及其占總有機碳的比例，并且隨著有機物料施用比例的提高而提高。本研究通過紅外光譜定性分析證實了化肥與牛糞配施提高了土壤中多糖的含量。

與單施化肥相比，連續(xù)10 a化肥與牛糞配施能夠顯著提升水穩(wěn)性大團聚體百分比，總有機碳及各粒徑土壤有機碳和顆粒態(tài)有機碳含量。而化肥與秸稈處理僅僅能夠顯著提高表層土壤中顆粒態(tài)有機碳含量及其對總有機碳的貢獻。綜合考慮，化肥與牛糞配施處理在改善土壤結(jié)構(gòu)和提升土壤碳庫方面效果最佳。