不同施肥處理黑土覆膜后秸稈碳氮在團聚體中的固存特征

劉 旭,李庭宇,安婷婷,徐英德,葛 壯,朱 平,李雙異,*,汪景寬

1 沈陽農業大學土地與環境學院,農業部東北耕地保育重點實驗室和土肥資源高效利用國家工程實驗室,沈陽 110866

2 吉林省農業科學院,農業資源與環境研究所,長春 130033

土壤有機碳和氮的物質循環與能量流動是農田生態系統最基本的生態過程,該過程對農田生態系統的穩定性和生產力產生重要影響[1]。團聚體是土壤有機碳和氮固定的重要場所,土壤有機碳和氮不僅可與礦物顆粒膠結形成穩定的團聚體,團聚體的物理保護機制還將固持在其中的有機碳和氮與微生物和胞外酶之間形成空間“隔離”[2—3],從而減少土壤有機碳和氮的損失。此外,不同粒級團聚體對有機碳和氮的固持能力各不相同[4]。因此,了解農田土壤有機碳和氮在團聚體中的固定和轉化具有重要意義。

在旱作農業生產中,地膜覆蓋在作物增產方面發揮了重大作用,但覆膜后良好的水熱條件也提高了微生物活性,加速土壤有機碳和氮的轉化[5—6]。目前,關于地膜覆蓋對土壤有機碳和氮含量的影響仍存在一定的不確定性。研究發現長期地膜覆蓋能向土壤中輸入更多的根生物量及根際碳沉積物[7—8],通過不斷增加外源有機碳的輸入量來彌補土壤有機碳的礦化量,進而提高和維持土壤有機碳的含量。然而地膜覆蓋對外源有機碳輸入的影響很大程度上取決于施肥類型。在施用有機肥結合覆膜條件下土壤有機碳的儲量下降,需要額外投入更多的有機物質來提高土壤有機碳儲量[9]。此外,覆膜還可以通過減少干濕交替強度來影響團聚體的形成與穩定過程[10],使得團聚體中有機碳和氮再次經歷生化分解以及物理重新分配的過程[11]。目前,關于長期施肥和地膜覆蓋這雙重因素對團聚體有機碳和全氮對外源有機碳和氮的響應鮮有報道,尤其是在較長時間尺度內。對于土壤有機碳平衡和氮素循環而言,地膜覆蓋是否是一種可持續的農田管理措施還尚不清楚。東北黑土區是我國重要的糧食生產基地,在保障糧食安全中發揮著舉足輕重的作用。因此,本研究利用黑土長期定位施肥試驗,通過13C15N同位素示蹤技術探究不同施肥處理黑土覆膜900 d后秸稈來源碳和氮在團聚體中的固存特征,旨在為旱地農業生產中地膜覆蓋措施的可持續應用以及覆膜措施下黑土的肥力培育提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在農業部公主嶺黑土生態環境重點野外科學觀測試驗站(43°30′N,124°48′E)進行。該試驗站建于1990年,屬于溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫5.6 ℃,年平均降水量594.8 mm,無霜期144 d。土壤為發育在第四紀黃土狀沉積物上的中層典型黑土。本試驗選取其中3種典型施肥(29年)處理進行研究,分別為不施肥(CK)、單施化肥(NPK；施化肥N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2和K2O 82.5 kg/hm2)和有機肥配施化肥(MNPK；施有機肥含N為115 kg/hm2、施化肥N 50 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2和K2O 82.5 kg/hm2)。試驗前(2018年)土壤的基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(2018年)Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil in 2018

供試有機物料為13C15N雙標記的玉米秸稈,其δ13C值為246.9‰,δ15N值為11231.5‰,全碳含量355.85 g/kg,全氮含量10.20 g/kg,標記過程參見An等[12]和徐英德等[13]。

1.2 研究方法

田間微區培養試驗于2018年在長期定位施肥小區附近進行,避免秸稈殘體對土壤的影響。首先挖4個長×寬×高為0.9 m×0.6 m×0.4 m的微區,然后將聚氯乙烯材料的盒子(長×寬×高為0.9 m×0.6 m×0.6 m)分別垂直插入其中。為避免其他土壤對微區試驗的影響,盒頂端高出地面20 cm。盒子底部與頂部連通以允許排水。設置不覆膜+不加秸稈、覆膜+不加秸稈、不覆膜+加標記秸稈和覆膜+加標記秸稈4種微區,每種微區內3個施肥土壤均設置3次重復,計9個隔斷(0.3 m×0.2 m隔斷),共36個處理。將3個施肥處理中0—40 cm土壤挖出分層堆放,再把挖出的20—40 cm土壤回填到相應PVC隔板中,采集的0—20 cm表層土壤挑出根系、石塊等其他物質后過7 mm篩子,均勻混入13C15N雙標記的玉米秸稈(大小為0.5—1.0 cm,秸稈添加量為1 kg土壤中加2.3 g秸稈)后,還入相應的微區隔斷內。覆膜處理在地表加蓋透光地膜。在試驗期間,所有微區均未種植作物。

于地膜覆蓋后第900天(2020年10月)采集0—20 cm表層土壤。采樣時,利用不銹鋼鏟在各微區三點采集原狀土樣,沿自然裂隙將原狀土壤輕輕掰成碎塊,盡量避免擠壓和土壤結構破壞,采用硬質塑料保鮮盒將土樣帶回實驗室。在室內將新鮮土壤樣品中的石粒、植物碎片以及未完全分解的玉米秸稈(>0.5 cm)挑出。

1.3 測定方法

1.3.1團聚體分級

本研究采用干篩法進行團聚體分級[14]：將新鮮土壤風干至土壤含水量為8%—10%左右時,進行團聚體分級。稱取100 g土樣(<5 mm)置于自動篩分儀(Retsch AS 200,德國)0.25 mm套篩上,在振幅為1.5 mm條件下震蕩2 min,得到大團聚體(>0.25 mm)和微團聚體(<0.25 mm),分別稱重。然后將各粒級土樣風干后研磨并過100目篩,供分析團聚體中有機碳和全氮的含量及δ13C和δ15N值。

1.3.2團聚體中有機碳和全氮的含量及δ13C和δ15N值的測定

土壤及團聚體中有機碳和全氮的含量及δ13C和δ15N值利用元素分析儀-穩定同位素比例質譜聯用儀(EA-IRMS,Element analysis Stable 100 Isotope Ratio Mass Spectrometer,德國)測定。δ13C和δ15N值的測定分別以美國南卡羅來納州白堊紀皮狄組層中的擬箭石化石(Pee Dee Belemnite,PDB)為標準物質)和0.0036765(以純凈大氣氮(Air Nitrogen,AN)為標準物質)[15—16]。

1.4 計算方法

某粒級團聚體中有機碳(Caggregate,g/kg soil)和全氮(Naggregate,g/kg soil)含量的計算公式：

Caggregate=Ccon-aggregate×Maggregate

(1)

Naggregate=Ncon-aggregate×Maggregate

(2)

式中,Caggregate(Naggregate)為某粒級團聚體有機碳(氮)測試濃度(g/kg soil)；Maggregate為某粒級團聚體所占的質量百分比(%)。

有機碳中秸稈來源碳貢獻率(Fmc,%)和全氮中秸稈來源氮貢獻率(Fmn,%)

(3)

(4)

公式(3)中δ13Csm(‰)為添加秸稈處理土壤有機碳的δ13C值；δ13Cs(‰)為不添加秸稈處理土壤有機碳的δ13C值；δ13Cm(‰)為初始添加秸稈的δ13C值。公式(4)中δ15Nsm(‰)為添加秸稈處理土壤全氮的δ15N值；δ15Ns(‰)為不添加秸稈處理土壤全氮的δ15N值；δ15Nm(‰)為初始添加秸稈的δ15N值。

有機碳中原土壤有機碳貢獻率(Fsc,%)和全氮中原土壤氮貢獻率(Fsn,%)的計算公式如下：

Fsc=100-Fmc

(5)

Fsn=100-Fmn

(6)

有機碳中秸稈來源碳含量(Cmc,g/kg)和全氮中秸稈來源氮含量(Cmn,g/kg)的計算公式：

(7)

(8)

公式(7)中Csmc(g/kg)為添加秸稈處理有機碳的含量。公式(8)中為Csmn(g/kg)為添加秸稈處理土壤全氮含量。

土壤有機碳中原土壤有機碳含量(Csc,g/kg)和全氮中原土壤氮含量(Csn,g/kg)的計算公式：

(9)

(10)

1.5 數據處理及結果分析

本文中的數據以3個重復的平均值及其標準差表示。運用SPSS 19.0統計分析軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和差異性顯著分析(T檢驗和Duncan檢驗)。通過Origin 2018軟件進行簡單回歸分析,建立了有機碳(Y)與氮(X)相關參數的線性關系。圖表的繪制采用Origin 2018軟件。

2 結果與分析

2.1 全土和團聚體中有機碳和全氮的含量

與裸地相比,地膜覆蓋顯著降低單施化肥(NPK)處理土壤有機碳的含量(P<0.05,圖1)。地膜覆蓋、施肥以及兩者間的交互作用對有機碳和全氮含量的影響隨團聚體粒級的不同而呈現較大差異(圖1和表2)。與裸地不施肥(B-CK)和裸地單施化肥(B-NPK)處理相比,覆膜對大團聚體有機碳含量影響不顯著(P>0.05),但在有機肥配施化肥(MNPK)處理中,覆膜條件下大團聚體有機碳含量較裸地處理顯著提高了8.68%(P<0.05)。在微團聚體中,與B-CK、B-NPK和裸地有機肥配施化肥(B-MNPK)相比,覆膜不施肥(M-CK)、覆膜單施化肥(M-NPK)和覆膜有機肥配施化肥(M-MNPK)處理的有機碳含量分別降低34.12%、14.30%和30.50%。與M-CK處理相比,M-NPK處理大團聚體有機碳含量降低了5.41%。對于全氮而言,在微團聚體中,與B-CK、B-NPK和B-MNPK相比,M-CK、M-NPK和M-MNPK處理的全氮含量分別降低了35.56%、10.27%和30.87%。與微團聚體相比,大團聚體有機碳和全氮的含量較高。

圖1 全土及團聚體中有機碳和全氮的含量Fig.1 Soil organic carbon and total nitrogen contents in bulk soils and aggregates不同大寫字母表示裸地條件下不同施肥處理間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示覆膜條件下不同施肥處理間差異顯著(P<0.05)；*表示相同施肥處理裸地和覆膜間差異顯著(P<0.05)；**表示相同施肥處理裸地和覆膜間差異極顯著(P<0.01)

表2 覆膜和施肥對土壤中各變量影響的方差分析Table 2 Variance analysis of the effects of mulching and fertilization on soil variables

2.2 全土和團聚體中不同來源碳和氮的含量

在NPK處理中,與裸地相比,地膜覆蓋后全土中原土壤有機碳含量顯著降低6.40%(P<0.05,圖2)。此外,覆膜、施肥以及覆膜與施肥的交互作用對不同來源碳和氮含量的影響隨團聚體粒級的不同而呈現差異(P<0.05,表2和圖2)。在MNPK處理大團聚體中,覆膜條件下秸稈來源碳和氮含量較裸地分別降低35.58%和15.97%,但原土壤有機碳的含量顯著提高9.16%(P<0.05)。在微團聚體中秸稈來源碳和氮以及原土壤有機碳和氮的含量均表現為裸地大于覆膜,與B-CK、B-NPK和B-MNPK處理相比,M-CK、M-NPK和M-MNPK處理中秸稈來源碳含量分別降低20.60%、5.26%和53.60%,秸稈來源氮含量分別降低33.06%、13.58%和49.50%。與M-CK處理相比,M-NPK處理大團聚體中秸稈來源碳的含量顯著降低35.70%(P<0.05)。無論裸地還是覆膜,CK處理全土中秸稈來源碳和氮的含量最高(P<0.05)。與微團聚體相比,大團聚體中不同來源有機碳和全氮的含量較高。

圖2 土壤及團聚體中不同來源碳和氮的含量Fig.2 The contents of carbon and nitrogen from different sources in bulk soils and aggregatesB-CK：裸地不施肥 No fertilization application with bare；B-NPK：裸地單施化肥 Inorganic fertilizer with bare；B-MNPK：裸地有機肥配施化肥 Inorganic fertilizer plus manure with bare；M-CK：覆膜不施肥 No fertilization application with plastic film mulching；M-NPK：覆膜單施化肥 Inorganic fertilizer with plastic film mulching；M-MNPK：覆膜有機肥配施化肥 Inorganic fertilizer plus manure with plastic film mulching

2.3 全土和團聚體中不同來源碳和氮的貢獻率

與B-CK處理相比,M-CK處理全氮中秸稈來源氮的貢獻率顯著提高(P<0.05,圖3)。F-MNPK處理大團聚體有機碳中秸稈來源碳的貢獻率和全氮中秸稈來源氮的貢獻率較裸地分別降低40.65%和16.02%(P<0.05)。與B-CK和B-NPK相比,M-CK和M-NPK處理微團聚體中秸稈來源碳的貢獻率分別提高20.57%和10.51%,而該值在MNPK處理中顯著降低33.16%(P<0.05)。但覆膜對CK和NPK處理微團聚體全氮中秸稈來源氮貢獻率的變化影響不顯著(P>0.05),MNPK處理微團聚體全氮中秸稈來源氮的貢獻率為裸地大于覆膜。無論覆膜與否,CK處理各粒級團聚體內有機碳中秸稈來源碳和全氮中秸稈來源氮的貢獻率最高(P<0.05)。與微團聚體相比,大團聚體有機碳中秸稈來源碳的貢獻率和全氮中秸稈來源氮的貢獻率較低。

圖3 土壤及團聚體中不同來源有機碳和氮的貢獻率Fig.3 The contribution percentage of organic carbon and nitrogen from different sources in bulk soils and aggregates

2.4 覆膜條件下有機碳和全氮參數間的相關關系

在覆膜條件下,隨團聚體粒徑的減小,秸稈來源碳含量與秸稈來源氮含量的線性方程斜率變化相似,而原土壤有機碳含量和原土壤氮含量的線性方程斜率隨團聚體粒徑的減小而減小(表3)。無論裸地還是覆膜條件下,土壤有機碳中秸稈來源碳的貢獻率和全氮中秸稈來源氮的貢獻率呈顯著的正相關關系(n=54,P<0.01)(圖4)。且秸稈來源碳的含量與秸稈來源氮的含量也呈顯著的正相關關系(n=54,P<0.01)。但秸稈來源碳含量和秸稈來源氮含量的線性方程斜率與原土壤有機碳含量和原土壤氮含量的線性方程斜率不相同。

表3 團聚體中有機碳與全氮參數間的相關關系Table 3 The relationship between organic carbon and total nitrogen related parameters in aggregates

圖4 有機碳與全氮參數間的相關關系Fig.4 The relationship between organic carbon and total nitrogen parameters

2.5 覆膜條件下有機碳與全氮的比值

與B-NPK處理相比,地膜覆蓋后全土和微團聚體中有機碳/全氮比值顯著降低,但秸稈來源碳/秸稈來源氮比值的變化無顯著差異(P>0.05,表4)。在MNPK處理中,裸地和覆膜條件下大團聚體中土壤有機碳/全氮比值分別為9.83和10.86,秸稈來源碳/秸稈來源氮比值分別為57.07和43.69。無論裸地還是覆膜條件下,與CK處理相比,MNPK處理全土中土壤有機碳/全氮比值較低,但秸稈來源碳/秸稈來源氮較高。

表4 全土和團聚體中有機碳和全氮比Table 4 The ratio of organic carbon to total nitrogen in bulk soils and soil aggregates

3 討論

3.1 覆膜對不同施肥黑土團聚體中各來源有機碳和全氮含量的影響

方差分析結果表明覆膜對團聚體中不同來源有機碳和氮含量的影響隨團聚體粒級的不同而呈現一定的差異(表2)。這說明地膜覆蓋后秸稈來源碳和秸稈來源氮以及原土壤有機碳與原土壤氮在團聚體中的賦存機制各不相同。與各施肥處理裸地相比,地膜覆蓋降低微團聚體中秸稈來源碳和氮以及原土壤有機碳和原土壤氮的含量。地膜覆蓋可直接降低雨滴對團聚體的破壞性影響[17],而在裸地條件下雨水可快速進入土壤孔隙中,土壤干濕交替強度較高,對粘粒部分產生不均勻的水合作用和膨脹作用,使得存在于毛細管孔隙中的閉蓄態空氣被壓縮,造成團聚體內部壓強增大從而發生崩解[18]。隨著干濕交替次數的增加,團聚體破碎后形成的微團聚體增多[19]。因此,裸地條件下微團聚體各來源有機碳和全氮含量高于地膜覆蓋。此外,與裸地相比,覆膜單施化肥處理微團聚體中不同來源有機碳和氮含量的下降幅度最小(圖2),說明在單施化肥處理中覆膜能減緩微團聚體有機碳和全氮的分解速率。而在有機肥配施化肥處理中,覆膜在顯著降低大團聚體中秸稈來源碳和氮含量的同時,還提高了大團聚體中原土壤有機碳的含量。在有機肥和化肥配施土壤中進行地膜覆蓋后,良好的水熱條件和充足的土壤養分極大促進了土壤微生物的生長、繁殖及代謝活動[20—21],增加的土壤微生物量和活性加速大團聚體中秸稈來源碳和氮的礦化。與此同時添加秸稈促成微生物對分解底物的選擇性利用,削弱微生物對原土壤有機碳的利用[22],進而促進大團聚體中原土壤有機碳的積累。

此外,秸稈來源碳和氮在土壤中的固持特征還受施肥措施的影響。本研究發現與覆膜不施肥處理相比,覆膜單施化肥處理大團聚體中秸稈來源碳含量顯著降低35.70%,而微團聚體中原土壤有機碳含量顯著提高31.46%(圖2),說明覆膜單施化肥處理大團聚體中秸稈來源碳的損失導致其土壤有機碳含量低于覆膜不施肥處理(圖1和圖2)。研究發現與不施肥土壤相比,長期施用化肥(12年)土壤中水穩性團聚體的平均重量直徑降低了55%[23],這意味著秸稈來源碳受大團聚體的物理保護作用變弱,覆膜條件下微生物數量和酶活性的增加提高大團聚體中秸稈來源碳被分解的可能性。

3.2 覆膜對不同施肥黑土團聚體中各來源碳和氮貢獻率的影響

地膜覆蓋通過改善水熱狀況來提高土壤微生物活性和酶活性[24],進而影響外源碳氮的分解動力學及其在土壤中的積累模式。在單施化肥處理中,秸稈來源碳對微團聚體有機碳的貢獻率表現為覆膜大于裸地,而在有機肥配施化肥處理各粒級團聚體中,秸稈來源碳對有機碳以及秸稈來源氮對全氮的貢獻率均表現為裸地大于覆膜(圖2)。與有機肥配施化肥處理相比,未分解或半分解的秸稈在土壤微生物數量少及活性低的單施化肥土壤中殘留的相對較多[25]。因此,在單施化肥土壤中覆膜可促進微生物對更多殘留秸稈來源碳的轉化。由于單施化肥土壤中無機膠體較多,使得秸稈來源碳以有機-無機復合體形式積累在微團聚體中[26]；而在有機肥配施化肥土壤中,覆膜加快秸稈來源碳和氮在大團聚體和微團聚體中的礦化。在養分有效性較高的土壤中,改善的水熱條件和添加的秸稈為微生物提供適宜的環境和初始的能量來源,微生物活性能被最大程度地激發[27],進而加速各粒級團聚體中秸稈來源碳和氮的分解。

以往的研究表明在初始有機碳和全氮含量低的土壤中,外源有機碳和外源氮的貢獻率越大[13,28]。本研究通過900 d的田間原位培養試驗也發現,與有機肥配施化肥處理相比,不施肥處理全土和各粒級團聚體有機碳中秸稈來源碳的貢獻率以及全氮中秸稈來源氮的貢獻率顯著提高(圖3)。由于不施肥土壤中缺乏微生物生存所需的氮素養分,使得微生物通過降解玉米秸稈來優先利用較易分解秸稈中的氮素來滿足其對氮的需求[29]。與此同時秸稈來源碳和氮可被土壤微生物同化為微生物生物量碳和氮,隨后以土壤微生物死亡殘體的形式保留在土壤中[30],最終導致不施肥土壤團聚體有機碳中秸稈來源碳的貢獻率以及全氮中秸稈來源氮的貢獻率顯著提高(圖3),有利于土壤有機碳和全氮的更新。土壤有機碳/全氮比值也是影響土壤有機碳和氮循環的重要因子[31],全土有機碳/全氮的結果顯示(表4),與不施肥處理相比,有機肥配施化肥處理中秸稈來源碳/秸稈來源氮比值較高,說明在全土有機碳/全氮比值低的有機肥配施化肥處理中,添加秸稈可能引起土壤有機碳的正激發效應。由此可以看出,土壤養分的供應和土壤有機碳/全氮比值通過影響微生物的活性來改變秸稈來源碳和氮在土壤中的固持動態[32—33]。

3.3 覆膜條件下土壤有機碳及全氮的協同關系

回歸分析表明覆膜條件下,隨團聚體粒徑的減小,秸稈來源碳與氮含量的線性方程斜率變化相似,而原土壤有機碳和氮含量的線性方程斜率隨團聚體粒徑的減小而減小(表3)。研究發現團聚體粒徑越小,比表面積越大,對有機氮的吸附能力越強[34],并且土壤顆粒表面帶有負電荷會使較小粒級團聚體對銨根離子的吸附能力更大[35],導致微團聚體具有很強的保存和吸附氮素養分的能力。當微團聚體中輸入易分解的碳源后,微生物將分解較難利用但碳氮比較低的土壤有機質[36],以利用其中的氮素來滿足自身需要,因此,覆膜條件下,原土壤有機碳在微團聚體中的損失比其在大團聚體中的分解更受氮素限制。此外,無論覆膜與否,秸稈來源碳和氮以及原土壤有機碳和氮的相關參數間均存在協同關系(圖4),該結果從土壤有機碳和全氮的來源以及土壤的物理組成等方面支持了陸地生態系統中有機碳和氮耦合循環的理論框架。該結果與先前觀察到土壤有機碳和全氮的固定存在協同作用相一致[37—38],但秸稈來源碳與氮的積累與原土壤有機碳和氮的損失不同步(圖4)。

4 結論

地膜覆蓋顯著降低了微團聚體中不同來源有機碳和氮的含量。單施化肥處理覆膜后提高了秸稈來源碳對微團聚體有機碳的貢獻率,促進了微團聚體中碳源的更新。但覆膜條件下,單施化肥可能引起大團聚體中秸稈來源碳的分解,導致其全土有機碳含量顯著低于覆膜不施肥處理。有機肥配施化肥覆膜后加快了各粒級團聚體中秸稈來源碳和氮的分解,并有利于大團聚體中原土壤有機碳的積累。無論覆膜與否,不施肥處理秸稈來源碳和氮對團聚體有機碳和氮的貢獻比例均高于其他處理。微生物作為土壤團聚體形成過程以及土壤有機碳和氮循環過程中最活躍的生物因素,還需結合微生物的參與策略進一步研究秸稈來源碳和氮在團聚體中的轉化和固定機制。