膜下秸稈還田添加腐解劑對旱地土壤碳氮積累及土壤肥力性狀的影響
2019-09-24 06:58:32楊封科何寶林張國平張立功高應平
草業學報 2019年9期
楊封科，何寶林， 張國平， 張立功， 高應平
(1.甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農業科學院旱地農業研究所，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省莊浪縣農技推廣中心，甘肅 莊浪 744600)
秸稈還田(straw incorporation, S)作為土壤碳氮(soil organic carbon, SOC; total nitrogen, TN)和土壤肥力管理的重要措施之一越來越受到重視[1-2]。秸稈還田同時也是秸稈處置的有效途徑之一[3-4]。以往秸稈焚燒或移除他用不僅減少了歸還土壤有機物質的數量，降低了土壤肥力，還導致了土壤退化與環境污染[5]。而長期秸稈還田增加了土壤有機質[6-7]，提高了土壤碳氮含量[8-10]和穩定性[11-12], 增加了耕層土壤養分含量[13-16]，改善土壤理化性狀[17-19]、質量[20]和肥力[21-22]，增加了作物產量[19,23]。即使短期秸稈還田也有提高土壤肥力的潛勢[24]。但低秸稈腐解率[18]限制了秸稈還田在黃土高原地區的應用[19]。因此，探索更加高效的秸稈還田土壤肥力管理方法至關重要。
還田秸稈腐解與養分釋放是秸稈還田培肥土壤的關鍵[3]。作物秸稈養分含量中以玉米(Zeamays)氮和磷養分含量最高[16], 但在自然狀態下，特別是北方旱區春秋低溫環境下降解的速度較慢[3,18]，地表覆蓋還田則更慢[2]，制約了養分的釋放。將秸稈粉碎后與土壤混合，通過改善土壤水熱條件促進秸稈腐解是新的嘗試[3]，在此基礎上添加秸稈纖維素分解菌劑(即腐解劑)促進作物秸稈腐解、縮短腐解轉化時間、增加其養分釋放量也是促腐的新手段[14,25-27]。配施秸稈腐熟劑有利于有益微生物繁殖，增加微生物多樣性和活性，降低秸稈C/N，加速秸稈腐熟[28]。秸稈腐解也受還田方式、耕作方式、地點等交互作用的影響。秸稈還田與免耕深松、旋耕結合也有利于秸稈腐解與養分釋放[3,29-30]。秸稈還田還可改善土壤結構、降低土壤酸度[3,14]，而改善土壤相關性狀。秸稈還田釋放的氮、磷、鉀營養元素可替代化肥而減少化肥使用量[1,16,28]。
秸稈還田、全膜雙壟溝播(full plastic film mulched ridge-furrow tillage, FMRF)是旱地農業生產實踐上土壤水肥調控的有效措施，二者耦合(full plastic film mulched ridge-furrow tillage with straw incorporation, FMRFS)通過膜秸雙覆蓋在改善土壤水熱環境的增效作用，加速了還田秸稈腐解與養分釋放，從而有效提高了旱地土壤有機質(soil organic matter, SOM)和養分含量，是一種更加高效的旱地土壤肥力管理增效模式[4,14,31]。但是，由于秸稈分解及養分釋放率仍然很低，這種模式仍不足以滿足獲得可持續產量所需的土壤肥力水平[30]。如何進一步促進膜下還田秸稈腐解和養分釋放，更高效地提升土壤肥力水平是需要深入研究的科學問題。
土壤有機碳(SOC)是影響土壤肥力的決定性因子，是土壤肥力和質量管理的核心[10,32]。土壤有機碳和全氮(TN)積累與土壤氮、磷、鉀等營養元素含量正相關[32]。秸稈還田向土壤添加了大量的有機碳源、添加腐解劑促進了秸稈腐解與養分釋放，對SOC和TN積累與存貯、轉化和循環，維持和提高土壤肥力等方面均起著極其重要的作用。但在FMRFS技術中添加腐解劑的研究還鮮有報道。基于此，本研究將設置3年田間定位試驗，重點探討全膜雙壟種植膜下秸稈還田添加腐解劑對土壤SOC和TN積累的影響，以及對土壤肥力性狀指標N、P、K養分含量以及土壤容重(soil bulk density, BD)和pH的響應，從而實現旱地全膜雙壟膜下秸稈還田培肥土壤的創新模式，為更新或提升旱地全膜雙壟溝播集雨種植技術提供支撐。
1 材料與方法
1.1 研究區概況
試驗設在甘肅省農業科學院莊浪試驗站南坪試驗基地(106°05′28″ E，35°10′30″ N)。代表區域具有黃土丘陵溝壑的典型地貌特征，也是全膜雙壟溝播集雨技術與秸稈還田的重點推廣區域之一。海拔1765 m，多年平均氣溫7.9 ℃，無霜期145 d，≥0 ℃積溫3280.6 ℃，≥10 ℃活動積溫2640.4 ℃，年均降水量510.4 mm，主要集中在7-9月。平均蒸發量為1289.1 mm，平均干燥度1.55，是典型的干旱半干旱氣候類型。研究期2015-2017年，玉米生育期(4-9月)年降水量和蒸發量分別為349.9、291.9、351.4 mm和 1305、1310、1290 mm, 與2000-2016年玉米生育期平均降水391 mm比，都屬于干旱年。試驗地為耕作黃綿土，基礎土壤性狀見表1。
表1 試驗地0～20 cm土層基礎理化性狀Table 1 Basal physicochemical characteristics of the 0-20 cm soil layers at the experimental fields
1.2 研究方法
1.2.1試驗設計 本研究為3年定位試驗，以先玉335玉米種為指示作物, 設6個處理(表2)。共18個小區，隨機區組設計，3次重復。小區面積5 m×8 m=40 m2，玉米種植密度為 55000 株·hm-2，株行距為55 cm×33 cm。施P2O590 kg·hm-2(過磷酸鈣含P2O512%)、N 540 kg·hm-2(尿素含N 46%)。磷肥全做底肥，N肥1/3作底肥，2/3于玉米拔節期(出苗后55～60 d)在玉米種植行間追施，施深10 cm。每年玉米收獲后，常規種植小區1、2、3按常規進行田間耕作，不再加秸稈和腐解劑；4、5、6小區清除殘膜，于次年玉米播種前2～3周重建，不另加秸稈和腐解劑。3年的播種期為4月15-18日，收獲期為9月27-10月2日。
1.2.2采樣與試驗分析 采用“S”型5點取樣方法，于2017年9月底玉米收獲后，用直徑為5.5 cm 的土鉆，按30 cm的取樣深度，每小區取5個樣，混合成一個1 kg的混合樣。將土樣去除植物根系和石塊，充分混勻帶回實驗室，分別用重鉻酸鉀氧化法、凱氏定氮法、堿解擴散法、氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法、碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提-火焰光度計法測定土壤有機質、土壤全氮含量、堿解氮、全磷、速效磷和速效鉀含量[23]。用環刀法[33]和酸度計法[23]測定土壤容重和pH。
1.2.3參數計算 土壤有機碳(SOC)含量以及SOC和TN貯量，參照Wang等[6]的方法，按下式計算：
SOC=SOM×0.58
(1)
D=EC×BD×H×10
(2)
式中:SOC為土壤有機碳含量(g·kg-1)；SOM為土壤有機質(g·kg-1)；0.58為SOM轉化為SOC的轉化因子；D為SOC和TN的貯量(mg C·hm-2, mg N·hm-2); EC為碳氮元素含量(g·kg-1)；BD為土壤容重(g·cm-3)；H為土壤深度(m)，本研究取0.3 m(30 cm耕層深度)；10是單位調整常數。
秸稈碳固存效率(straw-C sequestration efficiency, CSE)[6]:
(3)
式中:SOC+S和SOC-S分別是有無秸稈還田處理的SOC貯量(mg C·hm-2)；∑SC是試驗期間累計秸稈碳輸入(mg C·hm-2)，依據本試驗設計，研究期間總投入的秸稈碳為3.62 mg C·hm-2。
1.3 數據處理
采用Microsoft Excel 2013軟件對數據進行基本計算處理，用IBM SPSS 19 (IBM Institute Inc.USA)進行統計分析。采用單因素(One-way ANOVA)和LSD法對不同處理措施組合數據進行差異顯著性檢驗(α=0.05)。用SigmaPlot 14 (Systat Software Inc.)作圖。表中數據為平均值±標準差。
2 結果與分析
2.1不同處理對土壤有機質、有機碳、全氮含量及碳氮積累的影響
秸稈還田與不同耕作方式結合、不論添加腐解劑與否，都顯著地提高了0～30 cm 耕層土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)的含量(P<0.05)(表3)。全膜雙壟膜下秸稈還田處理(FMRFSD和FMRFS)效應顯著優于常規耕種加秸稈還田處理(CPS和CPSD)和全膜雙壟耕種(FMRF)本身，都與常規耕種(CP)差異顯著(P<0.05)，表現為FMRFSD>FMRFS>FMRF>CPSD>CPS>CP。測定結果表明，與CP相比，各處理使0～30 cm 耕層SOC和TN含量分別提高了0.34～0.98 g·kg-1和0.02～0.05 g·kg-1，相應地增加了3.70%～10.70%和1.90%～6.87%。其中，FMRFSD和 FMRFS處理使耕層SOC和TN的含量比CP分別提高了0.87～0.98 g·kg-1和0.04～0.05 g·kg-1，相應地增加了9.54%～10.70%和5.73%～6.87%；比FMRF處理分別提高了0.18～0.28 g·kg-1和 0.01～0.02 g·kg-1，相應地增加1.80%～2.95%和1.15%～2.29%；比CPSD和CPS處理分別平均提高了0.45、0.03 g·kg-1，相應地增加了4.69%和3.35%。
表3 不同處理組合對0～30 cm 耕層土壤有機碳和全氮的影響Table 3 Effect of different treatments on soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) of 0-30 cm topsoil
注：a, 按公式(1)計算得到的0～30cm耕層SOC含量；b, 按公式(2)計算得到的0～30cm耕層SOC貯量；c, 按公式(2)計算得到的0～30cm耕層TN貯量。表中小寫字母表示試驗處理在0.05水平差異顯著，下同。
Note: a, Soil organic carbon content in 0-30 cm topsoil calculated by formula (1); b, Soil organic carbon storage in 0-30 cm topsoil calculated by formula (2); c, Soil total nitrogen storage in 0-30 cm topsoil calculated by formula (2). The lowercase letters indicate significantly different at 0.05 level among different treatments at the same test time, respectively, the same below.
秸稈還田與不同耕作方式結合，顯著提高了秸稈碳的耕層固存效率(CSE)促進了SOC和TN的根層積累(表3)。3年累計，與CP比試驗各處理0～30 cm土層固定了5.15%～41.17% 的秸稈碳，以 FMRFSD和FMRFS處理最高，達到40.38%～41.17%；FMRF和 CPSD處理次之，18.21%～24.17%；CPs 處理最低，5.15%(圖1)。同時，各處理也使0～30 cm土層SOC和TN的積累量分別提高了0.58～2.27 mg C·hm-2、0.0056～0.1199 mg N·hm-2和1.70%～6.47%、0.19%～3.59%，相當于年均增加了0.19～0.79 mgC·hm-2和 0.0018～0.0400 mg N·hm-2，也都以FMRFSD和FMRFS處理最高，FMRF，CPSD和CPS處理次之，CP處理最低(表3)。秸稈還田添加腐解劑與常規耕作和全膜雙壟耕作結合，都有效地提高了0～30 cm土層SOC和TN含量和積累量，秸稈還田添加腐解劑與全膜雙壟耕作結合更高效。
圖1 2015-2017年0～30 cm土層秸稈碳平均固存效率Fig.1 Average straw carbon sequestration efficiency (CSE) in 0-30 cm soil profile during 2015-2017(Mean±SD, n=3)
2.2 不同處理對土壤全磷全鉀和速效氮磷鉀含量的影響
試驗各處理顯著地提高了TP、TK、AN、AP和AK的含量，尤其是AP、AK和TK含量(表4)，但對不同營養元素含量的影響略有不同。FMRFSD處理有效地提高了TP含量，與其他處理間差異顯著(P<0.05)；FMRFSD和FMRFS處理更有利于提高AN的含量，并與其他處理間差異顯著(P<0.05)；而FMRFSD、FMRFS和FMRF處理都有效地提高了AP和AK的含量，與其他處理間差異顯著(P<0.05)。3年累計，各處理使0～30 cm耕層TP、TK、AN、AP和AK含量，比CP分別提高了0.01～0.05、1.23～3.05 g·kg-1和4.50～10.80、0.00～8.90、6.00～101.50 mg·kg-1，相應地提高了1.39%～6.94%、6.16%～15.28%、4.27%～10.24%、0～56.69%、3.27%～55.34%。添加秸稈腐解劑處理(FMRFSD和CPSD)在與同一耕作措施結合時都是最優的，FMRFSD在所有處理中是最優的。表明，秸稈還田添加腐解劑與全膜雙壟土壤耕作結合，更有效地提高了土壤速效磷、鉀的含量。
表4 不同處理組合對0～30 cm耕層土壤全磷、全鉀和有效氮、磷、鉀含量的影響Table 4 Effect of different treatments on the content of soil total phosphorus, potassium (TP, TK) and available nitrogen, phosphorus, potassium (AN, AP， AK) of 0-30 cm topsoil
2.3 不同處理對土壤容重和土壤pH的影響
各處理均顯著地降低了0～30 cm土層土壤容重(BD)，表現為FMRFSD
圖2 不同處理對0～30 cm 土層土壤容重的影響Fig.2 Effect of different treatments on soil bulk density in 0-30 cm soil layer (Mean±SD, n=3)
圖3 不同處理對0～30 cm 土層土壤pH的影響Fig.3 Effect of different treatments on soil pH in 0-30 cm soil layer (Mean±SD, n=3)
3 討論
3.1 秸稈還田添加腐解劑對土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)積累的影響
SOM含量與SOC和TN的積累量呈顯著正相關關系[6-7]。秸稈還田通過提高SOM含量，添加新鮮碳源，從而有效地促進了SOC和TN的積累[8-9]。秸稈還田添加秸稈腐解劑[14,28,32]，特別是與增施氮肥結合[14,29]，通過加速秸稈腐解進一步促進了SOC和TN的積累。本研究印證了以上研究結果，并證明FMRFSD顯著提高了還田秸稈碳的固存效率[6]，更高效地促進了SOC和TN的耕層積累。主要的原因是，秸稈還田增加了土壤有機物質的投入，在添加腐解劑[14,28,32]和優化了的土壤水熱環境[31-32,34]作用下，降低了秸稈C∶N[27]，激發了微生物活性，產生的增效作用有效地促進秸稈分解，釋放的秸稈碳和氮抵消了短期秸稈還田導致的土壤有機碳氮礦化和作物養分吸收導致的土壤碳氮含量降低的負面影響[35]。同時，加速了的秸稈分解-腐殖化過程效率和現有土壤有機質礦化速率之間達到了一個新的高水平的平衡[31]，從而比對照提高了SOC和TN的含量。但也有在低氮投入情況下增加碳投入加速作物系統碳流失的報道[36]。
3.2 秸稈還田添加腐解劑對土壤化學性狀的影響
作物秸稈含有豐富的C、N、P、K和微量元素，是重要的有機肥源[36]。秸稈還田增加的土壤有機質有助于養分供應，對提高土壤肥力發揮著關鍵作用[11,37]。 本研究結果表明，FMRFSD有效地提高了土壤全N、P、K和速效N、P、K含量，特別是顯著地提高了土壤AP和AK的含量。主要歸因于：一是秸稈還田增加了土壤中有機物質的輸入量；二是秸稈地膜雙覆蓋提高了土壤溫度和土壤水分保有量[31]，輸入的秸稈為微生物代謝活動提供了豐富的碳源而激發了其活性[38-41]，二者協同增效促進了還田秸稈的分解與養分釋放[34]，釋放的養分部分轉化為土壤養分[12-14]，部分抵消了作物快速生長養分吸收移除產生的土壤養分損失，從而保持或提升了土壤N、P、K養分含量[30]；三是膜下秸稈還田比地面秸稈覆蓋有效地加快了秸稈分解，玉米秸稈相對于小麥(Triticumaestivum)等其他作物秸稈分解快[2-3,13]，因而有較多的養分回歸土壤，與前人研究結果[13-15,31,34]基本一致。土壤磷含量的增加可增加作物根生物量及粗根的比重[42]，這對旱地作物汲取土壤深層養分和水分、抗旱增產具有重要意義。再者，秸稈還田后增加了土壤中的有機質含量，通過微生物的分解形成了腐殖酸，膠結土壤顆粒成土壤團聚體，使土壤孔隙度增大，土壤容重變小，更易于截留、吸附滲入土壤中的水分和釋放出的營養元素離子，而提高速效養分元素含量，標志著土壤有機質活性的提高和土壤肥力狀況的改善[25]。
3.3 秸稈還田添加腐解劑對土壤物理性狀的影響
長期秸稈還田降低了土壤BD，秸稈還田量與土壤BD呈負相關關系[5,33]。本研究充分驗證了這一結論，并證明FMRFSD模式更有效地降低了研究區土壤BD，主要歸因于添加腐解劑促進了還田秸稈腐解，產生更多的SOM，進而改善土壤結構、增大孔隙度、降低土壤容重[25]。同時，秸稈還田，特別是接種腐解菌，能有效促進有機質分解產生大量的銨而降低土壤pH[17]， 歸因于秸稈反硝化作用[11]。本研究結果表明，FMRFSD處理明顯地降低了的土壤pH值，證明了Liu等[17]的研究結果，但有悖于Malhi等[11]的結果，可能主要歸因于覆蓋溝壟耕作強的土壤水熱狀況改善作用、接種腐解劑和試驗年限的差異。
秸稈還田是中國大部分地區土壤肥力管理的一個有效措施[10]。秸稈還田添加腐解劑顯著提高SOM含量, SOM礦化形成植物可利用氮和其他養分的源和庫[31]。增加有機質回歸土壤維持著旱地土壤有機質水平[4,34]，釋放的養分補充平衡了土壤養分[4,35]，從而改善土壤質量和肥力[28]。
4 結論
秸稈還田添加腐解劑與全膜雙壟耕作結合，通過膜秸雙覆蓋創造的良好水熱環境與添加的微生物腐解劑結合，形成的協同增效作用加速了還田秸稈的腐解，產生的腐解產物抵消了土壤有機質礦化損失，腐解釋放的養分補充了作物生產對土壤養分的消耗；而土壤水熱及養分條件的改善，又加速作物生長，使更多的有機物(秸稈、落葉、根茬)回歸土壤，反過來又增加了土壤有機質、有機碳的積累。這種良性循環機制促進了SOC、土壤全量速效N、P、K含量顯著提升，尤其顯著提升了旱地土壤磷、鉀的含量。秸稈還田添加腐解劑與全膜雙壟耕作結合還顯著降低了土壤容重和土壤pH值，改善了土壤結構和孔隙狀況，增加了土壤保水、蓄肥能力，從而提高了土壤肥力水平。因此，秸稈還田添加腐解劑與全膜雙壟耕作結合是目前旱地農田有機質、碳庫和土壤肥力最有效管理模式。而全膜雙壟膜下秸稈還田添加腐解劑與適量增施氮肥結合，進一步提升土壤碳庫和肥力管理水平的研究還有待加強。
