减少温室气体排放和增加碳汇是应对气候变化的首要途径。研究表明少免耕、秸秆及其他有机物料还田等适当的农作措施可以增加农田土壤固碳,其中有机肥或其他物料还田可以增加土壤固碳量达50~150kg/hm2。中国是目前世界上农业废弃物料产出量最大的国家,每年农作物秸秆总产量约为6.5亿t,畜禽粪便产生量约为17.3亿t,还有约0.457亿t食用菌菌渣等有机废弃物,约合7亿t的标准煤。然而目前这些废弃物并没有得到合理利用,据统计每年仅有15%造肥还田,剩余部分只有少量作为饲料和工业原料,综合利用率不到40%。加强农业有机废弃物料还田不仅能促进废弃物的资源化利用,还能促进土壤固碳,提高土壤质量,是循环农业发展的重要途径之一。
土壤团聚体和土壤有机碳浓度是反映土壤类型、环境、植 株 类 型 以 及 土 壤 管 理 措 施 的 综 合 指标。前人研究已证实团聚体的包裹大大降低外源有机质的分解速率,被认为是土壤碳固定的最重要机制;另一方面,土壤有机质是团聚体形成的基础,物料加入土壤促进水稳性团聚体的增加。
Aoyama等通过18年牛粪还田试验发现牛粪处理有利于土壤较大团聚体对C的保护作用,之后又采用13C标记葡萄糖培养试验证实了粪肥促进大团聚体的转化形成矿质结合态复合体。
然而也有研究认为物料品质并不影响TOC的稳定机制,不过随着物料品质的提高加速了物料分解以及物源C与团聚体的并合。
许多研究认为有机质与微团聚体尤其是大团聚体中的微团聚体的并合是土壤有机质长期稳定的重要途径。Six等提出的团聚体模型中指出表现为有机质分解的大团聚体转化影响短期的养分循环以及土壤有机碳的长期稳定。国内外许多研究都认为无机养分主要是N素有利于土壤有机碳含量的增加。不同C/N物料施入后改变了土壤原来的N素水平从而影响团聚体的转化。一般地,C/N低的物料加快大团聚体的转化,更容易释放出养分;对于C/N较高的物料,活性N含量相对低限制微生物的新陈代谢。但加入外源N后可改变N源不足的状况,促进微生物活动加快有机质的分解。因此土壤中的C和N是影响团聚体形成和稳定的关键因素,对土壤固碳起着重要作用。基于此,本研究通过测定土壤水稳性团聚体及团聚体结合C、N含量比较来源于不同系统的有机废弃物料还田对土壤团聚体以及土壤TOC和N含量影响并分析不同粒径土壤颗粒对土壤C和N作用,以期为促进有机废弃物料还田应用提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 试验地点试验地点位于河北省中国农业大学吴桥实验站(北纬37°41′,东经116°37′)。该地区年均降雨量562mm,主要分布在6—8月份。年平均气温为12.9 ℃,全年积温 (≥0 ℃)为4 826 ℃,无霜期201d,年日照时数为2 724h。土壤为冲积型盐化潮土,土壤质地为典型粉砂壤土(美国制),具体性质如表1,灌溉水电导率为0.1S/m,pH8.25。【表1】
1.2 试验设计与方法试验选用5种来源于不同系统的有机物料配施无机肥进行还田,外加3个无物料还田的处理,共8个处理,分别为:
1)麦(玉米)秸+无机肥(CS);2)沼渣+无机肥(BR);3)菌渣+无机肥(MR);4)酒渣+无机肥(WR);5)猪粪+无机肥(PM);6)单施无机肥(CF);7)不施加有机物料和无机肥(CK);8)裸地,不施加有机物料和无机肥也不种植作物(FL),其中秸秆来自农田系统,沼渣来自能源系统,菌渣来自种植系统,酒渣来自农产品加工系统,猪粪来自畜牧系统。每个处理设置3次重复,随机区组排列。
小区面积为4m×6m。试验于2010年6月开始种植作物,种植制度为夏玉米-冬小麦轮作。各物料处理配施与无机肥处理等量的N、P和K肥,施用标准为:150、26和124kg/hm2,肥料品种对应为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。有机物料等C量投入,按照循环的理念投入的C量用上一季秸秆处理地上部分收获秸秆所含碳为标准进行还田,2010年夏玉米-冬小麦与2011年夏玉米-冬小麦4个种植季还C量分别为2 362、2 302、1 220和2 841kg/hm2,物料品质见表2。各 季 通 过 物 料 投 入 大 田 的N量 见表3。【表2-3】
1.3 研究方法1)样品采集于2012年6月小麦成熟后采集土样。按“w”形分0~10和>10~20cm进行5点取样,每小区同层土样混合为一个土样。
2)土壤水稳性团聚体。将土样从田间取回以后,用手沿土壤自然破碎面掰开,当含水量达到塑限时,过8 mm筛 备 用。 水 稳 定 性 团 聚 体 参 照Elliott[38]的方法,将2、0.25和0.053mm各级套筛放在盛有去离子水的圆桶中,水面没过2mm筛上沿。称取2份过8mm风干土50g,土样放入置于水桶中的2mm筛目表面,浸泡5min后,上下振荡2min(机械式,振幅3cm,频率30次/min),保证震荡全过程筛面在水面以下,收集留在筛面的土壤,再取下2mm筛;用同样方法依次收集0.25和0.053mm筛面土壤,60 ℃烘干称重,室温下保存备用。即依次分离出超大团聚体(LMa:2~8mm),较小大团聚体(SMa:0.25~2 mm),微团 聚 体 (Mi:0.053~0.25mm)三级 团 聚 体 以 及 粉 粒 和 粘 粒 (S+C:<0.053mm)组分。利用各级稳定性团聚体质量分数换算平均重量直径(MWD)。【1】
式中:珚x代表第i级团聚体的平均粒径,Wi代表第i级团聚体的质量,Wt代表土样的质量,n代表团聚体级数。
3)大团聚体内微团聚体的分离参照Chivenge等的方法,在水稳性团聚体初步分级以后,将LMa与SMa按比例混合。取混合后的大团聚体(Ma:0.25~8mm)5~6g于室温下在50mL去离子水中浸泡20min后,置于0.25mm的网筛上并加上50个玻璃珠(半径为4mm),在连续水流下于互动摇床上以250r/min速度振荡5min,用0.053mm的筛收集流下物质,并用蒸馏水冲洗在60℃下烘干称重,收集于0.053mm筛面上的物质即为大团聚体内的微团聚体(Mm:0.053~0.25mm),收集的流过0.053mm筛的物质为大团聚体内的粘粉粒(Ms+c:<0.053mm)。
4)土壤C、N分析将收获后的土壤、水稳性团聚体分离的后各粒径土壤以及微团聚体分离后的土壤进行C、N分析。
C含量采用重铬酸钾外热法测定,N含量采用凯氏定氮法测定。
5)团聚体结合态TOC、N计算。土壤不同粒径结合态TOC、N及微团聚体结合态TOC、N含量计算按以下公式进行【2-3】
式中:TOCxi代表第i级团聚体所结合的TOC含量(全土),g/kg;CCi代表第i级团聚体分离后的有机碳密度(团聚体土壤),g/kg;WPi代表第i级团聚体的质量分数,%;Nxi是第i级团聚体所结合的N含量(全土),g/kg;CNi代表第i级团聚体分离后的N密度(团聚体土壤),g/kg。
1.4数据分析对结果用Excel进行整理和初步分析,用SAS8.2进行方差分析,多重比较采用Duncan检验,显着水平P<0.05。相关分析采用SAS 8.2进行。
2 结果与分析
2.1不同物料还田对团聚体分级比例和稳定性的影响由表4所示,与无机肥相比,有机物料处理总体上提高了土壤团聚体的稳定性;0~10cm和>10~20cm土壤MWD值平均较无机肥分别高31%和9%,比不施肥分别高出38%和18%,而较裸地则分别要低18%和6%。这表明有机物料还田对0~10cm土壤MWD的效果强于>10~20cm。5种物料的MWD值总体表现为酒渣>秸秆>菌渣>猪粪>沼渣,但仅酒渣与沼渣存在显着性差异(P<0.05)。
各团聚体的质量分数随着团聚体粒径的减小而加大。由于供试土壤为粉砂壤土,土壤中粉粘粒含量占主要部分,即物料还田土壤中的S+C仍是土壤的主要组成部分。相对于Mi和S+C,土壤的大团聚体(包括LMa和SMa)具有较大的变异系数,表明大团聚体对处理措施的更为敏感。由表4可知,有机物料处理0~10和>10~20cm土壤的大团聚体含量平均较无机肥分别高45%和23%,较不施肥分别高57%和41%。物料间,酒渣处理的大团聚体含量最高,平均较秸秆、猪粪、菌渣、沼渣处理高37%、74%、76%和204%。有机物料处理同样促进了土壤Mi含量,0~10cm层与>10~20cm层分别比无机肥、不施肥以及裸地高5%、7%、30%和11%、12%、8%。
5种物料的团聚体总量依次为酒渣>秸秆>猪粪>沼渣>菌渣。
有机物料促进了大团聚体内的微团聚体含量,尤其是酒渣处理显着地增加了Mm含量(表4)。总体上,有机物料处理的Mm含量平均较无机肥高34%,比不施肥高59%,较裸地高24%。物料的Mm含量变化趋势与大团聚体一致,表明Mm含量由大团聚体含量所决定。
2.2 不同物料还田对土壤TOC及团聚体TOC含量的影响物料还田提高了土壤TOC浓度(表5),0~10cm层土 壤TOC浓 度 总 体 高 于>10~20cm层。与无机肥、不施肥和裸地相比,0~10cm层有机物料处理的TOC平均浓度分别高出76%、83%和29%,其中酒渣和猪粪处理显着高于无机肥和不施肥;>10~20cm层则分别高出47%、51%和18%,但差 异 不 显 着。不 同 有 机 物 料 处 理 土 壤TOC含量差异不显着,总体表现为猪粪>酒渣>秸秆>菌渣>沼渣。土壤不同粒径结合态TOC含量具有随着粒径的减小而增加的趋势,不同处理的大团聚体和Mi结合态TOC含量的变异系数远大于S+C结合态TOC变异系数表明处理措施主要影响大团聚体和Mi,对S+C结合态TOC影响不大。有机物料还田促进了Mm结合态TOC含量的提高,比无机肥平均增加了72%,比不施肥增 加131%,较裸地增加30%(表5)。各物料中猪粪的Mm结合态TOC含量最高,分别比酒渣、秸秆、菌渣和沼渣高11%、75%、75%和144%;其中猪粪和酒渣显着高于其他物料处理(P<0.05)。
图1为土壤TOC在不同粒径土壤中的分配比 例,如 图 所 示 有 机 物 料 处 理 促 进 了 土 壤TOC在团聚体中的聚集,降低了S+C结合态TOC所占比例。与无机 肥、不施肥及裸地相 比,有 机 物料处理的S+C结合态TOC所占比例平均下降了21%~22%,而表5已经表明各物料处理的S+C结合态TOC含量与无机肥和不施肥无显着差异,表明有机物料主要通过增加团聚体结合态TOC含量从而增加土壤TOC含量。各物料中以菌渣所含 团聚体 结合态TOC含 量 最 高,其 次 为猪粪、沼渣以及酒渣,秸秆的团聚体结合态TOC量最低。2.3不同物料还田对土壤全N、团聚体结合态N含量的影响表6为各处理土壤全N含量、不同粒径结合态N含量以及大团聚体内各粒径结合态N含量。有机物料处理均不同程度地促进了土壤全N含量的增加。平均来看0~10cm层,有机物料还田使土壤全N含量比无机肥增加了35%,比不施肥和裸地分别增加48%和35%;>10~20cm层使土壤全N含量比无机肥增加55%,比不施肥和裸地高28%。物料处理的全N含量随着物料C/N的增加而降低,5种物料中酒渣最高,依次为酒渣>猪粪>菌渣>沼渣>秸秆,物料之间差异不显着。随着土壤粒径减小,团聚体结合态N含量呈增加趋势(表5)。各处理S+C结合态N含量是土壤全N的主要组成部分,占土壤各粒径总N含量的31%~67%以上;其次为土壤Mi结合态N,占22%~49%(图2)。受处理措施影响较大的部分为LMa结合态N以及SMa结合态N。与无机肥相比,有机物料还田的团聚体结合态N平均增加了42%,并比不施肥增加38%,但较裸地低38%,说明作物种植是土壤N消耗的主要途径。
Mm结合态N占大团聚体结合态N的26%~57%(0~10cm)和14%~59%(>10~20cm),亚表层(>10~20cm)总体高于表层(0~10cm),表明土壤表层N活跃性大于亚表层。有机物料总体上促进了Mn结合态N含量增加,0~10cm层比无机肥高81%,比不施肥高118%,较裸地高22%;>10~20cm层则分别高62%,92%和83%。可见有机物料较大程度地促进了N素在土壤的积累。
其中,酒渣>猪粪>菌渣=秸秆>沼渣;酒渣显着高于菌渣、秸秆和沼渣(P<0.05),猪粪显着高于沼渣(P<0.05)。2.4物料品质对土壤以及团聚体特性的影响为探讨投入物料的品质对土壤团聚体特性的影响,对物料各组成成分的积累投入量与土壤团聚体性质进行了相关分析。如表7所示,土壤结构受物料纤维素投入量影响较大。纤维素投入量显着促进LMa含量的增加,从而有利于MWD的提高;0~10cm纤维素的累积投入量与MWD呈显着正相关,但对>10~20cm土壤MWD影响不显着。物料中可溶性物质投入量,N投入量不利于LMa的形成,与LMa含量呈现显着负相关。对土壤碳库而言,物料各品质参数与土壤TOC无直接相关关系,但纤维素投入量显着促进LMa结合态TOC含量,同时显着提高Mm结合态TOC含量。
S+C部分是土壤的主要组成部分,是受物料影响最为显着的部分,S+C结合态TOC含量与半纤维素投入量、可溶性物质、物料C投入量以及多酚呈显着正相关关系。等C量物料投入条件下,物料各成分投入量对土壤氮 库 影 响 不 大。
N投 入 量 的 增 加 不 利 于LMa结合态N含量的提高,与>10~20cm层LMa结合态N含量呈显着负相关。2.5不同粒径团聚体对土壤TOC及全N的影响为进一步分析不同粒径团聚体与土壤C、N含量的关系,选择了团聚体性状与土壤TOC、N浓度进行相关分析,结果见表8。如表8所示,土壤TOC含量受S+C粒径土壤影响大,与S+C含量呈负相关关系,与S+C内的TOC密度呈极显着正相关,与S+C结合态TOC含量显着正相关;此外,与SMa结合态TOC含量极显着相关,与LMa结合态TOC含量显着相关。可见土壤TOC浓度主要受土壤粘粉粒(S+C)中有机碳的密度以及较小大团聚体(SMa)结合的TOC含量决定,该结果与李辉信等的结果相似,这是因为土壤粘粉粒是试验所在地土壤的主要组成部分,其TOC浓度的增加更有利于整土TOC浓度的提高;而大团聚体最容易受到处理措施的影响,尤其是较小大团聚体具有比超大团聚体(LMa)更高的质量分数和更大TOC密度,其对土壤TOC的贡献也更突出。土壤LMa、SMa和Mi含量对全N含量影响不显着,但与其存在负相关关系,这是由于土壤N含量越高越能促进微生物 对 有 机 质 的 分 解,从 而 加 速 团 聚 体 的 降解。土壤全N含量受LMa以及SMa中N密度影响显着,与SMa结合态N含量呈显着正相关。
大团聚体是对处理措施最为敏感的部分,外界措施主要通过作用于大团聚体而产生影响,因此大团聚体尤其是较小大团聚体是影响土壤N含量主要因素。
3 讨论
1)本研究表明有机物料还田增加了土壤大团聚体含量,提高土壤团聚体的稳定性,说明有机物料还田能改良农田土壤。这是由于土壤有机质促进土壤团聚体的形成。同时本研究发现无机肥处理的MWD值大于基础地力表明农田施用无机肥也对土壤改良也有一定作用,这是由于无机肥促进了作物的生长,增加了留在土壤中的残茬与根系量,增加了土壤有机质的来源。有机物料由于品质不同,对团聚体稳定性的提高幅度不尽一致。前人研究认为C/N低的物料加快大团聚体的转化,而C/N较高的物料更能增加大团聚体的稳定性。在本研究中,物料C/N对团聚体的稳定性没有明显的影响,这是因为团聚体的形成是微生物、作物根系、物料作用的结果。在等C量投入的基础上,配施外源无机肥改变了物料带入的C/N,削弱了物料本身C/N对团聚体形成的影响。在投入物料的组成成分中,纤维素和可溶性物质是影响土壤结构主要因素,这与Puttaso等所得的团聚体稳定性受抗降解性比较强的木质素、多酚影响比较大的结论不一致。
主要由于与其长期不动土试验相比,本研究每个作物季都进行了挠动,对原有的土壤结构进行破坏再添加新的物料,因而更易受到抗降解能力较弱的纤维素、可溶性物质的影响。土壤中的被大团聚体包裹的微团聚体是土壤稳定结构的重要组成部分,本研究结果表明有机物料还田增加了大团聚体内微团聚体的含量,可见有机物料对维持土壤的长期稳定性也具有积极作用。
2)有机物料还田是土壤有机质重要来源,进入土壤后势必会造成土壤TOC含量增加。本研究由于供试土壤的基础TOC含量比较低,2年有机物料还田对土壤总有机碳含量的提升作用比较明显。
本研究中秸秆处理使土壤TOC含量增加17.6%,这与黄不凡的2年麦秸还田21%的有机碳增幅相近,并在曾木祥等总结的华北农区秸秆还田下有机碳增幅0.174 ~1.74g/kg内。从土壤TOC含量比较,猪粪和酒渣效果优于其余物料,沼渣效果最差;但根据团聚体有机质稳定性粘粉粒结合的>微团聚体结合的>大团聚体内而微团聚体外>团聚体外游离的有机碳来比较,猪粪、菌渣和沼渣的土壤TOC稳定性高于秸秆、酒渣。
3)尽管通过物料带入的总N量相差较大,物料之间的土壤N库差异并不显着。前人研究表明与C/N较低的物料相比,C/N高的物料配施无机肥能降低N损失但不会影响N素的活性而减少作物对N的吸收。因而物料品质对保留在土壤中的N含量影响不显着。本研究中半纤维素含量与Mm、Ms+c结合态N含量显着正相关,这主要由于物料的投入对大团聚体的影响最大,因而有利于土壤大团聚体形成的成分都会间接对Mm以及Ms+c产生影响,尤其是在较短时期内促进大团聚体形成的物质。
4)试验地所在区域为华北平原,粘粉粒是土壤组成的主要部分,试验初始时仅有30%左右为团聚体。来自不同系统的有机废弃物料还田均不同程度地增加了土壤团聚体含量,同时团聚体内TOC及N的浓度普遍高于粘粉粒中的浓度,可见有机废弃物料还田能够促进土壤的固碳。另外,随着国家对农业加工业、畜牧业、养殖业以及沼气工程的重视,与农业相关的产业将进一步发展,来源于农田系统外的有机废弃物料量将更多。适当的有机废弃物还田措施将增加有机碳在土壤中的保留,促进养分循环,提高农田生产能力。
4 结论
有机物料还田能提高土壤团聚体含量,增加团聚体的稳定性,有效提高土壤TOC和全N含量。
5种物料中,酒渣、秸秆最有利于土壤团聚体形成和稳定;酒渣、猪粪最能促进土壤TOC和全N的增加;猪粪和菌渣对TOC在土壤稳定保存最有效果。土壤粘粉粒是决定土壤TOC、全N含量的基础,大团聚体容易受外界措施的作用是影响土壤TOC、全N含量的关键部分。
参考文献
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