秸秆含有丰富的碳源,秸秆还田作为土壤保护性耕作措施,可以保持和提高土壤肥力,对农业可持续发展具有重要意义。Lal[1]研究指出,在土壤本身存在固碳能力的基础上,有机肥的投入可以进一步提高总固碳量的1/6,固碳量为0.4～1.5亿t。中国是农业大国,秸秆资源丰富,但大部分秸秆都作为农业废弃物形式流失,浪费资源,污染环境。
陆地生态系统中最重要的碳库之一就是农田土壤有机碳,在稳定土壤肥力和稳固农田生产力等方面发挥着重要影响[2]。土壤有机碳一方面可以为作物生长提供碳源,另一方面可以作为评价生态系统可持续性的指标之一。土壤有机碳库不仅是土壤地力的关键影响因素,还是作物高产的物质基础[3-4]。
土壤团聚体作为土壤结构的基本构成单元,含有大约九成的有机质,不仅影响着土壤水热传输,养分的保持、供应和转化,而且不同种植施肥措施可以改变土壤团聚体结构,对其数量和活性有一定的影响[5-6]。土壤有机碳和土壤团聚体之间联系密切,团聚体的包被作用可以提高有机碳的稳定性[7]；土壤有机碳也能够提高土粒的团聚性并促进形成团粒结构[8-10]。目前,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2个重要指标,MWD和GMD值越大则表示团聚体越稳定[11]。
山东地区玉米小麦秸秆还田规模不断扩大,关于秸秆连续还田模式下对土壤总有机碳及碳组分含量、团聚体稳定性及团聚体有机碳研究相对较少。本试验通过研究玉米-小麦秸秆连续还田10 a条件下的有机碳分布、团聚体粒级分布和团聚体有机碳含量,探究玉米-小麦轮作下长期定位秸秆还田对土壤碳组分、团聚体含量变化和团聚体有机碳含量的影响,为实现农田土壤的固碳减排、发展绿色农业提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验区概况
试验于青岛农业大学莱阳试验站进行,土壤类型为非石灰性潮土。土壤pH值 6.8,有机质含量5.01 g/kg,全氮含量0.60 g/kg,全磷含量0.64 g/kg,速效钾含量72.00 mg/kg,有效磷含量16.34 mg/kg,阳离子交换量13.88 cmol/kg,土壤容重1.21 g/cm3,比重2.67,孔隙度51.40%。土壤发育于冲积母质。
1.2 试验设计
2009年秋建立了该长期秸秆还田定位试验站。试验设5个处理:CK(对照)、WN(一季秸秆还田配施氮肥)、WC(两季秸秆还田)、WCN(两季秸秆还田配施氮肥)、M(单施有机肥),具体施肥见表1。每个处理3次重复,随机分区排列,试验田周边设保护行,小区间用1.0 m深玻璃板隔开,防止处理间水肥漫灌,保证各试验区能独立排灌。各处理用水量及耕作管理一致。
本试验为冬小麦-夏玉米轮作,每年2作,冬小麦、夏玉米品种为烟优361、鲁玉16号。尿素做无机肥,猪圈粪做有机肥(全氮量2.1～3.0 g/kg,全磷量0.48～2.20 g/kg,有机质含量20～50 g/kg)。干燥的玉米、小麦秸秆全氮含量19.3 g/kg、施用高低量均以与无机氮肥等含氮量计算。
表1 试验处理
Tab.1 Experimental design
处理Treatment小麦秸秆Wheat straw玉米秸秆Corn straw有机肥/(kg/hm2)Manure氮肥/(kg/hm2)Nitrogenous fertilizerCK0000M0060 0000WN+00276WC++++00WCN++++0276
注：+.单季小麦秸秆还田；++.小麦-玉米两季秸秆还田。
Note：+.Quarterly wheat straw returned;++.Wheat and corn straw returned two seasons.
1.3 试验方法
本试验在连续10 a的长期定位秸秆还田试验站进行,在冬小麦和夏玉米收获后对土壤进行了取样,在各处理的小区中随机取5点,按照“S”形用土钻采取深度为0～20 cm的耕作层土壤,再将5点样品进行混匀用密封袋密封,带回实验室待测。将一部分土样在阴凉干燥处通风晾干,称质量磨细过2 mm筛,后另取10 g过2 mm筛的风干土再次磨细过0.15 mm筛,同时称取过筛后剩余砂子的质量计算砂土比,过2 mm筛和过0.15 mm筛的风干土样分别保存用于试验指标测定。每一土样除去动植物残体后装入普通封口袋中带回实验室阴干后进行总有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳、轻组有机碳的测定。
1.4 数据处理
试验数据通过Excel 2003进行处理,Origin Pro 7.5和SPSS 13.0软件进行图表绘制、相关性分析、显著性检验等。
2 结果与分析
2.1 长期定位秸秆还田对土壤总有机碳的影响
由图1可以看出,小麦季总有机碳含量的变化同玉米季总有机碳含量的变化具有一致性。5种处理土壤总有机碳含量总体趋势为M>WCN>WN>WC>CK,M、WCN、WN、WC处理均与CK差异显著。就小麦季而言,M、WCN、WN、WC处理较CK处理增幅为18.71%～99.78%,其中M处理增幅最大,WCN处理次之,较CK处理提高了99.78%,84.73%,二者之间差异不显著,WC处理增幅最小；就玉米季而言,M、WCN、WN、WC处理较CK处理增幅为34.39%～117.94%,其中M处理增幅最大,WCN处理次之,较CK处理提高了117.94%,98.03%,WC处理增幅最小。整体来看，M处理总有机碳含量最高,分别为9.29(小麦季)，8.87 g/kg(玉米季),说明长期施用有机肥有利于土壤有机碳的积累,WCN处理次之,分别为8.59(小麦季)，8.06 g/kg(玉米季),说明秸秆还田作为重要作为土壤有机碳来源,通过配施氮肥,加快了分解和腐解过程,增加了土壤总有机碳含量[12]。
不同字母表示不同处理间差异达5%显著水平。图2-5同。
Different letters mean significant difference among nitrogen treatments at 5%levels.The same as Fig.2-5.
图1 秸秆还田对土壤总有机碳含量的影响
Fig.1 Effect of straw returning on total organic carbon content
2.2 长期定位秸秆还田对土壤颗粒有机碳的影响
图2为不同处理对土壤颗粒有机碳的影响。整体来看,不同处理之间土壤颗粒有机碳的变化趋势小麦季同玉米季具有一致性,整体趋势为M>WCN>WN>WC>CK。与对照CK相比,M处理土壤颗粒有机碳含量最高,分别为3.567(小麦季)，3.234 g/kg(玉米季),分别显著提高了128.07%,120.90%,说明长期投入有机肥可以显著提高土壤颗粒有机碳的含量。施氮处理下的WCN处理较不施氮的WC处理土壤颗粒有机碳含量提高了85.38%(小麦季),29.48%(玉米季),说明在两季秸秆还田处理下,通过配施氮肥,可以显著提高土壤微生物活性,从而提高土壤颗粒有机碳的含量。
图2 秸秆还田对土壤颗粒有机碳含量的影响
Fig.2 Effect of straw returning on particle carbon content
2.3 长期定位秸秆还田对土壤水溶性有机碳的影响
如图3所示,不同模式的秸秆还田及有机肥投入对土壤水溶性有机碳的影响存在差异。整体上看,土壤水溶性有机碳含量小麦季>玉米季,这可能是在麦玉轮作周期小麦生长期内植物残体丰富及肥料投入量高从而直接提高了土壤水溶性有机碳含量。5种处理土壤水溶性有机碳含量总体趋势为M>WCN>WN>WC>CK。M、WCN、WN处理与CK差异显著。M处理水溶性有机碳含量最高,分别为478.45(小麦季),358.45 mg/kg(玉米季),相比对照分别提高了64.77%,88.28%,说明长期有机肥的投入可以显著提高土壤水溶性有机碳的含量。氮肥处理下,WN、WCN处理较CK处理增幅为20.91%～42.87%(小麦季),26.64%～54.88%(玉米季),增幅均大于WC处理,可能是因为氮肥的投入提高了秸秆的腐解过程及微生物的活性,从而提高了土壤水溶性有机碳含量。
2.4 长期定位秸秆还田对土壤易氧化有机碳的影响
土壤易氧化有机碳作为土壤活性有机碳的重要组成部分,是土壤碳库短期变化的指示因子[13]。由图4可以看出,M处理均显著高于其他处理,说明长期有机肥的投入有利于土壤易氧化有机碳含量的提高,5种处理易氧化有机碳高低顺序为:M>WCN>WN>WC>CK。就小麦而言,M、WCN、WN、WC处理比CK分别增加了95.53%,72.43%,58.93%,3.57%,其中M处理易氧化有机碳最高,为2.19 g/kg,其次是施氮模式下的WCN、WN处理,分别为1.92,1.78 g/kg,WC处理易氧化有机碳含量最低,为1.16 g/kg。玉米季土壤易氧化有机碳同小麦季一致。
图3 秸秆还田对土壤水溶性有机碳含量的影响
Fig.3 Effect of straw returning on water soluble carbon content
图4 秸秆还田对土壤易氧化有机碳含量的影响
Fig.4 Effect of straw returning on easily oxidized carbon content
2.5 长期定位秸秆还田对土壤轻组有机碳的影响
土壤轻组有机碳主要由土壤中的孢子、菌丝、植物残体等构成,是一种介于动植物残体与腐殖质之间的物质,大约占了土壤总有机碳含量的15%～32%,该活性碳的转化时间大约几周至几年,是中等活性的有机碳库,是不稳定有机碳库的一部分[14-15]。由图5看出,不同处理轻组有机碳含量的变化趋势小麦季与玉米季具有一致性,整体趋势为M>WCN>WN>WC>CK。就小麦季而言,M、WCN、WN处理与CK差异显著,与CK对比分别增加了48.15%,25.92%,18.52%,其中M处理最高,为0.40 g/kg,显著高于其他处理,施氮处理的WCN、WN处理次之,分别为0.34,0.32 g/kg,WC处理轻组有机碳含量最低,为0.29 g/kg。说明有机肥的投入可以显著提高土壤轻组有机碳的含量,秸秆还田配施氮肥也可以提高土壤轻组有机碳的含量。
图5 秸秆还田对土壤轻组有机碳含量的影响
Fig.5 Effect of straw returning on light carbon content
2.6 长期定位秸秆还田土壤活性碳组分之间的相关性分析
小麦-玉米轮作不同处理土壤总有机碳与各活性有机碳组分的相关性分析结果见表2，3。土壤总有机碳与颗粒有机碳、轻组有机碳、水溶性有机碳、易氧化有机碳之间极显著正相关,在小麦季、玉米季的相关系数分别为0.92,0.94,0.94,0.99和0.97,0.94,0.97,1.00,其中土壤易氧化有机碳与总有机碳的相关系数最高,能够更加敏感地反映不同处理对土壤有机碳库的影响。
2.7 长期定位秸秆还田对土壤团聚体的影响
2.7.1 对水稳性团聚体组成的影响 小麦-玉米周年轮作玉米收获后,取样分析0～20 cm土壤样品水稳性团聚体组成,如表4所示。水稳性团聚体不同粒级含量不同(0.25～2.00 mm)>(0.053～0.250 mm)>(<0.053 mm)。0.25～2.00 mm粒级中,各处理的质量分数所占比例为57.9%～68.1%,大小顺序为M>WCN>WN>WC>CK,其中M处理和WCN处理分别较对照显著提高了10.2,9.6百分点。0.053～0.250 mm及<0.053 mm粒级中,各处理的质量分数所占比例分别为20.1%～23.9%,12.6%～15.3%,其中M处理的质量分数较对照分别降低了3.8,2.7百分点,WCN处理较对照分别降低了2.5,2.4百分点,差异均显著。结果表明,施用有机肥及两季秸秆还田配施氮肥均能够提高0.25～2.00 mm粒级的质量分数,降低0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒级的质量分数,从而不利于0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒级的形成。
表2 小麦活性碳组分与总碳的相关性
Tab.2 Correlation between activated carbon and total carbon in wheat
项目 Project 总有机碳TOC颗粒有机碳POC轻组有机碳LFOC水溶性有机碳DOC颗粒有机碳POC0.92**轻组有机碳LFOC0.94**0.92**水溶性有机碳DOC0.94**0.92**0.86*易氧化有机碳LOC0.99**0.91*0.95**0.95**
注：TOC.总有机碳；POC.颗粒有机碳；LFOC.轻组有机碳；DOC.水溶性有机碳；LOC.易氧化有机碳；*.P<0.05；**.P<0.01。表3同。
Note：TOC. Total organic carbon；POC. Granular organic carbon；LFOC. Light group organic carbon；DOC. Water-soluble organic carbon；LOC. Easy to oxidize organic carbon； *.Significant difference at the 5% level；**.Extremely significant difference at the 1% level. The same as Tab.3.
表3 玉米活性碳与总碳的相关性
Tab.3 Correlation between activated carbon and total carbon in corn
项目 Project 总有机碳TOC颗粒有机碳POC轻组有机碳LFOC水溶性有机碳DOC颗粒有机碳POC0.97**轻组有机碳LFOC0.94**0.97**水溶性有机碳DOC0.97**0.92**0.87*易氧化有机碳LOC1.00**0.95*0.92**0.96**
表4 长期定位秸秆还田对水稳性团聚体组成的影响
Tab.4 Effect of long-term positioning of straw returning to field on the composition of water-stable aggregates %
处理Treatment团聚体粒级组成The size of aggregates 0.25～2.00 mm0.053～0.250 mm<0.053 mmCK57.9±1.2c23.9±0.7a15.3±0.5aM68.1±1.4a20.1±0.6c12.6±0.4bWN63.2±1.3b21.9±0.7b14.6±0.4aWC59.6±1.2c23.7±0.7c15.1±0.5aWCN67.5±1.4a21.4±0.6b12.9±0.4b
注：不同字母表示不同处理间差异达5%显著水平。表5-6同。
Note：Different letters mean significant difference among nitrogen treatments at 5% levels.The same as Tab.5-6.
2.7.2 对土壤团聚体稳定性的影响 小麦-玉米周年轮作玉米收获后,取样分析0～20 cm土壤样品几何平均直径(GMD)与平均质量直径(MWD)的数据,如表5所示。几何平均直径与平均质量直径的数值越大,说明土壤团聚体结构越稳定。由表5可得,各个处理几何平均直径大小顺序为M>WCN>WN>WC>CK,其中M处理、WCN处理、WN处理及WC处理较CK处理分别提高53.1%,45.8%,31.9%,16.8%,差异显著,可见有机肥投入比秸秆还田配施氮肥能提高几何平均直径,两季秸秆还田配施氮肥处理的几何平均直径高于一季秸秆还田配施氮肥,而秸秆还田配施氮肥处理的几何平均直径高于秸秆还田不施氮肥处理,可能是氮肥的施入调节了土壤碳氮比,提高了土壤微生物活性和植物的生长能力,土壤团聚体含量增加。长期定位秸秆还田对平均质量直径的影响与几何平均直径具有一致性,其中M处理、WCN处理较CK平均质量直径分别提高10.9%,5.4%,可见有机肥的投入以及两季秸秆还田配施氮肥均能提高平均质量直径的含量。
表5 长期定位秸秆还田对团聚体稳定性的影响
Tab.5 Effect of long-term straw returning to field on the stability of aggregates mm
处理Treatment几何平均直径Geometric mean diameter(GMD)平均质量直径Mean weight diameter(MWD)CK0.38±0.011e0.73±0.022bM0.58±0.017a0.81±0.024aWN0.50±0.014c0.76±0.023bWC0.44±0.013d0.73±0.022bWCN0.55±0.016b0.77±0.023ab
2.7.3 对土壤团聚体有机碳含量的影响 表6为团聚体有机碳含量分布情况。由表可知,各处理团聚体有机碳含量因粒级而异,在0～20 cm土壤中,各粒级团聚体有机碳含量顺序为(2.00～0.25 mm)>(0.053～0.250 mm)>(<0.053 mm),说明有机碳的含量随着土壤团聚体直径的增大而提高。与CK相比,各处理均能显著提高团聚体各粒级的有机碳含量,在不同粒级分布中,整体大小趋势为M>WCN>WN>WC>CK,且各个处理间差异显著。M处理较CK在2.00～0.25 mm,0.053～0.250 mm,<0.053 mm粒级有机碳含量增加,提高幅度为129.9%,317.8%,330.2%,其中在0.053～0.250 mm和<0.053 mm增加幅度较大。WCN处理较CK在2.00～0.25 mm,0.053～0.250 mm,<0.053 mm粒级有机碳含量增加,提高幅度为69.0%,166.6%,188.4%,其中在0.053～0.250 mm和<0.053 mm增加幅度较大。
表6 长期定位秸秆还田对团聚体有机碳的影响
Tab.6 Effect of long-term positioning of straw returning to field on organic carbon of aggregates g/kg
处理Treatment团聚体有机碳含量Aggregate organic carbon content2.00～0.25 mm0.053～0.250 mm<0.053 mmCK6.13±0.18e3.41±0.07e2.75±0.08eM14.09±0.43a13.12±0.26a11.83±0.35aWN8.97±0.27c7.16±0.14c6.14±0.18cWC7.06±0.21d5.87±0.12d4.16±0.12dWCN10.36±0.31b9.09±0.18b7.93±0.24b
3 讨论与结论
秸秆还田主要通过提高腐殖质含量来增加土壤有机质,通过提高土壤肥力、长期定位秸秆还田能显著提高土壤有机碳含量[16]。本试验得出的结论为有机肥施用下的土壤总有机碳含量最高,为9.29(小麦季)，8.87 g/kg(玉米季),因为有机肥的投入,更好地提高了土壤微生物活性,从而加速了有机质的矿化分解,提高了土壤总有机碳含量；两季秸秆还田配施氮肥处理次之,均高于两季秸秆还田不施氮肥以及秸秆还田配施氮肥,说明长期秸秆配施氮肥能够有效提高土壤有机质的含量,提高土壤的质量水平。
本试验通过分析土壤活性碳组分与土壤总活性碳之间的相关性得出,各个处理活性碳组分同总有机碳之间呈极显著正相关,说明土壤总有机碳含量的增加可以提高各活性碳组分的含量,土壤各活性碳组分的变化能够反映土壤有机碳库的变化,可以作为土壤有机质变化的敏感指标[17]。相比其他处理,单施有机肥(M)能够提高土壤活性碳组分(轻组有机碳、颗粒有机碳、水溶性有机碳、易氧化有机碳)含量；两季秸秆还田配施氮肥(WCN)土壤各活性碳组分含量均高于小麦秸秆还田配施氮肥(WN)、两季秸秆还田(WC),说明长期秸秆还田配施氮肥能够提高各土壤活性碳含量。这与张璐等[18]、Liang等[19]的研究相一致。
相关研究显示,有机肥的施入可以提高土壤中>2.00 mm和2.00～0.25 mm水稳定性大团聚体的含量[20]。本研究发现,有机肥及秸秆还田配施氮肥处理均能提高0.25～2.00 mm粒级的质量分数,降低0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒级的质量分数。
有机碳含量同团聚体的形成是一个相互促进的过程,因为团聚体对土壤有机质起物理保护作用,而有机质是团聚体形成的重要胶结剂。张聪等[21]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。本研究发现,秸秆还田处理水稳性团聚体不同粒径中有机碳含量高于无秸秆处理,有机碳含量两季秸秆还田配施氮肥(WCN)>一季秸秆还田配施氮肥(WN)。研究表明,秸秆还田不仅可以提高团聚体稳定性,还能提高大团聚体中有机碳含量,与本研究结果一致。
综上表明,有机肥处理及长期连续两季秸秆还田配施氮肥能够显著提高土壤总有机碳和各活性有机碳组分含量；提高了土壤大粒径团聚体数量,增加了土壤稳定性,从而提高了土壤肥力。
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