农田土壤有机碳是陆地生态系统最为重要的碳库之一, 对维持土壤肥力、保障农田生产力有重要作用^[1]。紫色土坡耕地是长江上游山地丘陵区最主要的耕地资源, 占其耕地总面积的78%, 但由于山地丘陵地区人多地少, 耕作活动强烈, 导致紫色土坡耕地土壤质量严重退化, 土壤有机碳损失量大, 土壤有机碳库减小。因此, 增加紫色土坡耕地土壤有机碳库、增强土壤有机碳稳定性对防治土壤退化、提升紫色土耕地土壤肥力和保障区域粮食安全具有重要意义。

不同粒级土壤团聚体不仅能调控土壤养分供应^[2]、改善土壤结构与组成^[3], 还能影响土壤水力学性质和生物学性质^[4]。另外, 土壤团聚体一方面能包裹土壤有机碳, 从而对土壤有机碳起到物理保护, 另一方面土壤有机碳又可促进团聚体自身的形成^[5-7]。因此, 土壤团聚体的结构特征已被认为是土壤有机碳贮存潜力的主控因子之一^[8], 其稳定性已成为表征土壤有机碳稳定性的重要指标。当前, 土壤团聚体平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是评价土壤团聚体稳定性的两个重要指标, MWD和GMD值越大则表示团聚体越稳定^[9]。

土壤碳库的改变需要较长时间, 长期施肥对土壤团聚体的形成及稳定有一定影响。生物炭作为一种能改善土壤物理结构的新型肥料, 不仅能促进土壤团聚体的形成, 还能增加土壤有机碳含量^[10], 而秸秆中含有农作物生长需要的氮、磷、钾、硫等多种营养元素, 两者皆可以作为农业生产中重要的肥料资源, 但两者的长期施用对土壤团聚体和团聚体有机碳的影响尚不明确。所以, 研究生物炭及秸秆的长期施用对土壤团聚体及其有机碳含量和分布的影响已成为热点。孙天聪等^[11]通过25年的长期定位试验发现, 秸秆配施量的不同对提高褐土不同粒级团聚体有机碳含量效果不一。向艳文等^[12]对红壤水稻土研究表明, 化肥和稻草长期配合施用能显著助提高团聚体有机碳含量, 提升土壤肥力。侯晓娜等^[9]采集砂姜黑土进行室内培养试验, 发现秸秆单施对提高团聚体稳定性优于单施生物炭, 而生物炭施用反而降低了大团聚体有机碳贡献率。紫色土坡耕地土壤有机质含量较少, 土质疏松, 易发生水土流失^[13], 选取合理施肥措施对稳定土壤结构, 提升土壤有机质, 维持紫色土地区农业可持续发展十分重要。虽然已有研究表明生物炭及秸秆可增加农田土壤有机碳含量和土壤结构稳定性, 然而关于生物炭及秸秆对紫色土团聚体组成及团聚体有机碳分布的影响尚不十分清楚。

本研究通过对紫色土团聚体组成、稳定性以及各粒级团聚体有机碳分布的变化进行研究, 明确生物炭及秸秆对紫色土团聚体组成及有机碳分布的影响, 旨在为紫色土农业区建立合理的施肥制度提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验依托中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站长期施肥试验观测平台(105°27′E, 31°16′N)。该站位于四川盆地中北部, 地形以中深丘为主, 属于典型亚热带湿润季风气候, 年均气温17.3 ℃, 降水集中在夏季, 平均降雨量为826 mm, 年无霜期290 d。土壤为蓬莱镇组石灰性紫色土, 土壤母质为泥岩, 土层厚度为20~60 cm, pH为8.1, 田间持水率0.28~0.37 cm³·cm^-3, 凋萎含水率为0.07~0.10 cm³·cm^-3。

1.2 试验设计与样品采集

试验小区建于2002年6月, 海拔420 m, 坡向为西北-东南走向, 坡度6.5°, 坡长8 m, 宽度4 m, 面积为32 m², 土层厚度约为60 cm, 种植制度为冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)。设置不施肥(对照, CK)、氮磷钾无机肥配施(NPK)、秸秆还田(RSD)、秸秆还田与氮磷钾配施(RSDNPK)、生物炭与氮磷钾配施(BCNPK)5种处理, 每个处理设置3个重复, 共15个小区。BCNPK处理小麦季、玉米季分别施加生物炭0.29 kg·m^-2(生物炭由河南商丘三利公司生产, pH为10.22, 含碳量83.4%, 全氮量1.5%)^[14]。NPK处理冬小麦季施加氮肥130 kg(N)·hm^-2 (NH₄HCO₃)、磷肥[Ca(H₂PO₄)₂]90 kg·hm^-2(以P₂O₅计)、钾肥(KCl)36 kg·hm^-2(以K₂O计); 夏玉米季施加氮肥150 kg·hm^-2, 其余施肥量与冬小麦季相同。小麦和玉米季肥料均以基肥一次性施入, 后期不追肥, 无灌溉, 大田管理与当地农民习惯一致。每年测定当季秸秆中全氮含量(冬小麦季施用玉米秸秆, 夏玉米季施用小麦秸秆), 随后将秸秆用铡刀切成约15 cm短段还田后翻耕施入耕作层表土。RSD处理秸秆夏季施用量为10 t·hm^-2, 冬季施用量为7 t·hm^-2。RSDNPK处理需氮量无机氮肥占60%、秸秆占40%。BCNPK处理和RSDNPK处理磷肥和钾肥含量同NPK处理。

样品采集于2017年8月, 每个小区按S型重复采集耕层(0~20 cm)土样7次并混合为1个样品, 装入自封袋带回实验室风干。在风干过程中, 沿裂隙掰为1 cm³左右的小土块, 待土样风干、混匀后, 用4分法取样200 g进行团聚体分级, 另取一部分研磨过100目尼龙筛, 备用。用环刀法进行土壤容重测定^[15]。

1.3 土壤团聚体分组及有机碳的测定

湿筛法是进行土壤团聚体分级的常用方法, 该方法将土壤团聚体分为大团聚体(> 2 mm, macroaggregates)和微团聚体(< 0.25 mm, microaggregates)^[16], 0.25~2 mm土壤颗粒为中团聚体(small macroaggregates)^[17]。本研究采用土壤团聚体湿筛法^[18]进行团聚体粒径分级, 即:称取过8 mm筛的风干土样200 g, 用纯水将土样浸没在5 mm筛上5 min, 再通过一套筛子(2 mm、0.25 mm、0.053 mm), 在纯水环境中进行湿筛(振幅3 cm, 频率50次·2min^-1), 得到 > 2 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm的水稳定团聚体, < 0.053 mm的水稳定团聚体含量用差减法获得, 将各级筛上团聚体用纯水冲洗入烧杯中, 在60 ℃下干燥24 h后称量, 并计算各粒级水稳性团聚体的含量, 计算方法如下:

$ {\rm{团聚体含量}}\left( \% \right) = {\rm{各级团聚体烘干重}}\left( {\rm{g}} \right)/测定团聚体的风干土重\left( {\rm{g}} \right) \times 100\% $

(1)

将烘干后的各级团聚体研磨过100目筛后用浓度为0.1 mol·L^-1稀盐酸去除土中碳酸盐, 随后烘干, 研磨过100目筛, 最后用全自动元素分析仪(vario TOC cube, Elementar, 德国)测定各粒级团聚体有机碳(SOC)和全氮(TN)含量。

1.4 团聚体稳定性评价指标

采用平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)评价团聚体稳定性, 对于 > 0.25 mm的团聚体用R_0.25指标进行评价^[19-20], 分别按以下公式计算:

$ {\rm{MWD}} = \sum\limits_{i = 1}^n {({{\bar x}_i}{w_i})} $

(2)

$ {\rm{GMD}} = {\rm{EXP}}\left[ {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{m_i}\ln {{\bar x}_i}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{m_i}} }}} \right] $

(3)

$ {R_{0.25}} = \frac{{{M_{T > 0.25}}}}{{{M_T}}} $

(4)

式中: ${\bar x_i}$为i粒级团聚体平均直径, w_i为i粒级团聚体含量, m_i为土壤不同粒级团聚体的重量, R_0.25粒径 > 0.25 mm的团聚体含量, M_T为团聚体的总重量, M_{T> 0.25}为粒径 > 0.25 mm的团聚体重量。

1.5 数据分析

采用Excel 2016进行数据整理, R语言进行LSD多重比较, 分析不同施肥处理措施土壤有机碳含量的差异特征, 显著性水平为0.05, Origin 9.0绘图。所有结果均为3次测定结果的平均值。

2 结果与分析 2.1 不同施肥处理对土壤基本理化性质的影响

长期施肥处理下表层土壤(0~20 cm)理化性质如表 1所示。施肥可显著提高土壤有机碳(SOC)和土壤全氮含量(TN, P < 0.05), 降低土壤容重。与CK处理相比, NPK、RSD、RSDNPK和BCNPK处理SOC含量分别增加43.13%、82.93%、79.15%和90.52%, 其中RSDNPK和BCNPK处理的SOC含量分别比NPK处理高25.17%、33.11%;生物炭的添加显著提高表层(0~20 cm)土壤有机碳储量(SOCS), BCNPK处理相比CK增加90.52%, 相比NPK处理增加33.1%, RSD处理与RSDNPK处理均能显著增加表层土壤有机碳储量, 但两者差异不大。RSDNPK处理土壤全氮含量相比RSD和NPK处理分别显著增加62.00%和44.64%, RSD与NPK处理无显著差异; RSDNPK处理表层土壤全氮储量比BCNPK处理显著增加29.55%。

2.2 生物炭及秸秆还田处理土壤团聚体组成

运用湿筛法将CK处理及4种不同施肥方式下的土壤团聚体进行分级, 分别得到 > 2 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm及 < 0.053 mm共4个粒级的土壤团聚体, 其含量分布如图 1所示。随着各级团聚体粒径的减小, 其含量呈现先增加后减小的趋势, 各处理7.4%~77.9%的土壤团聚体集中在0.053~2 mm粒径范围。BCNPK处理和RSDNPK处理0.053~2 mm粒径的团聚体含量分别为76.4%和77.9%, 与CK处理相比, 分别增加6.9%和9.1%。RSD处理0.25~2 mm粒径的团聚体含量高达45.5%, 与CK处理相比, 显著增加57.7%, 与NPK处理相比显著增加27.1%。BCNPK处理和RSDNPK处理对土壤团聚体影响效果相似, 两个处理降低了 > 2 mm、< 0.053 mm团聚体含量。

2.3 生物炭及秸秆还田处理土壤团聚体结构特征

不同施肥处理土壤团聚体MWD、GMD及R_0.25结果如表 2所示。施肥能显著提高土壤团聚体MWD、GMD及R_0.25。团聚体MWD大小依次为RSD处理 > RSDNPK处理 > BCNPK处理 > NPK处理 > CK处理, RSDNP比RSD处理团聚体MWD显著减小10.9%, BCNPK与NPK处理差异不显著, 而RSDNPK处理比NPK处理显著增加12.3%。团聚体GMD大小顺序与MWD一致, NPK、BCNPK和RSDNPK处理团聚体GMD无显著差异, RSDNPK处理比RSD处理减小15.38%。RSD处理团聚体R_0.25最大, 比CK和RSDNPK处理分别增加55.9%、20.5%。RSDNPK与BCNPK处理R_0.25没有显著差异, BCNPK处理比NPK处理提高19.5%。

2.4 生物炭及秸秆还田处理不同组分团聚体有机碳含量

4种施肥处理均能提高各粒级土壤团聚体有机碳含量, 但效果确不尽相同。如表 3所示, NPK、RSD处理各粒级土壤团聚体有机碳含量增长趋势与CK处理相似:随着团聚体粒径的减小, 团聚体有机碳含量呈增加—减小—增加的趋势; 而RSDNPK、BCNPK处理呈现随土壤团聚体粒径减小, 团聚体有机碳含量增加的趋势。说明生物炭及秸秆配施有助于提高土壤团聚体有机碳含量, 从而稳定土壤结构, 增加肥力。RSDNPK处理 < 0.053 mm的土壤团聚体有机碳含量最高, 相比同粒级的CK处理显著增加101.41%, 比NPK处理显著增加36.85%; BCNPK处理0.053~0.25 mm土壤团聚体有机碳含量相比CK处理显著提高133.97%, 比NPK处理显著增加47.97%; RSD处理 > 2 mm、< 0.053 mm团聚体有机碳含量相比CK处理分别显著增加102.89%、89.07%。结果表明RSD处理能显著增加土壤团聚体有机碳的含量, BCNPK处理有助于提高土壤微团聚体有机碳含量, RSDNPK处理土壤团聚体有机碳含量, 除0.053~0.25 mm粒径团聚体外, 其余粒径团聚体没有显著提升。

3 讨论 3.1 生物炭与秸秆施用对土壤团聚体含量与结构的影响

大量研究表明, 除沙漠耕作土壤外, 耕作可降低土壤团聚体的稳定性, 改变土壤团聚体的分布^[21-22], 因此可通过生物炭和秸秆等有机物料添加保持农田土壤团聚体稳定性, 保持和提升土壤肥力。侯晓娜等^[9]对姜砂黑土的研究发现, 生物炭、秸秆还田有利于大、中土壤团聚体的形成, 但秸秆还田减小了 < 0.25 mm粒级土壤团聚体含量, 而生物炭施用除对0.25~0.5 mm土壤团聚体减少外, 在其余粒级土壤团聚体都表现出显著性增加。在黑垆土旱地农田研究也表明, 生物炭的施用能促进0.053~2 mm土壤团聚体的形成, 团聚体随粒径的减小而增多^[23]。但本研究表明, 生物炭配施NPK(BCNPK)处理下土壤团聚体含量呈现随粒径减小先增多后减小的趋势, 且70%的土壤团聚粒径集中在0.053~2 mm; 虽然施肥有助于形成粒径为0.25~2 mm的中团聚体, 但BCNPK处理中团聚体含量较NPK处理没有显著性差异, 这可能因为生物炭本身在分解过程并中并不能产生黏液促进团聚体的形成^[24], 无法很好地团聚粒径较小的微团聚体。由于秸秆分解物能胶结团聚体^[25], 本研究中秸秆添加(RSD和RSDNPK)处理较单施无机肥(NPK处理)显著增大MWD和R_0.2, 增强土壤团聚体稳定性, 这与田慎重等^[26]在华北地区研究结果一致。本结果表明秸秆还田是改善紫色土坡耕地土壤结构的有效措施。

3.2 长期施用生物炭及秸秆还田对农田有机碳及其稳定性的影响

土壤团聚体是土壤保持肥力的重要结构, 有机碳又是土壤团聚体重要的胶结剂^[27], 长期施肥能增加紫色土农田土壤团聚体有机碳含量^[28]。生物炭与无机氮磷钾长期配施能增加紫色土坡耕地土壤有机质含量。添加生物炭能减小土壤团聚体粒径, 增加土壤惰性碳含量, 减缓土壤有机质流失^[29], 因此长期施用会稳定土壤碳库并可能增加土壤潜在碳库。现今对施用生物炭研究较多, 但对其长期施用后期效果研究较少。本研究表明BCNPK处理有助于提高土壤微团聚体有机碳含量, 除0.053~0.25 mm粒径团聚体外, 其余粒径团聚体有机碳有显著提升, 与NPK处理相比, BCNPK处理对提高SOC及土壤有机碳储量效果则最为显著, 这可能是由于无机氮磷钾的长期施用会降低土壤微团聚体有机碳储量所致^[30]。所以长期合理配施生物炭与无机氮磷钾是维持和提高紫色土坡耕土壤肥力的有效管理措施。

秸秆还田主要通过增加腐殖质含量来增加土壤有机质, 提高土壤肥力^[31], 长期秸秆还田能显著提高农田土壤有机碳含量和作物产量^[32]。例如韩玮等^[33]发现秸秆施用能显著提高水稻土土壤有机质含量; 赵士诚等^[34]对潮土研究发现, 秸秆还田与无机肥配施能显著提高土壤有机碳含量。本试验中, RSDNPK处理产量最高, 比CK处理增加高达262%, 比NPK处理增加13.8%, 说明紫色土坡耕地长期施用秸秆还田对于提高作物产量效果显著。不同还田年限对农田土壤团聚体及有机碳影响效果不一。张聪等^[35]依托甘肃农业大学平凉试验站长期玉米全量秸秆还田定位试验, 研究不同秸秆还田年限对土壤有机碳的影响, 发现随着秸秆还田年限的增加土壤有机碳增加减缓, 这可能是因为长期添加秸秆, 土壤碳库不断增大, 使得碳库增加速度减缓; 窦莉洋^[36]进行不同土壤类型长期秸秆还田试验发现, 连续秸秆还田能提高不同粒级土壤团聚体稳定性。以往研究表明, 秸秆还田能激发土壤原有的有机碳的分解^[35], 不同母质条件下发育的同类土壤也有较大差异, 这可能与土壤性质和有机碳含量有关。以红壤为例, 长期施肥处理下红砂岩风化物、红黏土、紫色砂岩风化物、花岗岩风化物4种成土母质发育下的红壤团聚体有机碳分布均不相同。不同母质紫色土有机碳和水稳定性团聚体稳定性差异较大^[37], 且长期秸秆还田有可能使得不同母质土壤团聚体有机碳含量和分布发生变化。

4 结论

1) 与CK处理相比, 施肥均能显著提高土壤有机碳、全氮含量及储量, 其中BCNPK处理对提高有机碳储量最显著, 而RSDNPK处理对提高土壤全氮储量最为显著。

2) 所有试验处理下土壤团聚体主要集中在0.053~2 mm, 其中RSD处理土壤团聚体又主要集中在0.25~2 mm, 且该处理MWD、GMD及R_0.25均为最大, 说明该处理土壤团聚体结构最为稳定; 相比CK处理, BCNPK处理和RSDNPK处理能降低大团聚体(> 2 mm)和微团聚体(< 0.053 mm)含量, 且显著提高MWD、GMD及R_0.25, 表明BCNPK和RSDNPK处理对稳定土壤团聚体结构效果显著。

3) 与NPK处理相比, RSDNPK和BCNPK处理均显著增加不同粒级土壤团聚体有机碳含量, 并且其团聚体有机碳含量随土壤团聚粒径减小而增加。因此, 长期施用生物炭及秸秆是改善紫色土旱地土壤结构, 提升土壤肥力的有效措施。