炉渣与生物炭配施对福州平原稻田土壤团聚体及碳、氮分布的影响
  环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (5): 1989-1998
炉渣与生物炭配施对福州平原稻田土壤团聚体及碳、氮分布的影响    [PDF全文]
陈晓旋1 , 黄晓婷1 , 陈优阳1 , 安婉丽1 , 王维奇1,2     
1. 福建师范大学地理研究所, 福州 350007;
2. 福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 350007
摘要: 土壤水稳性团聚体及土壤碳、氮含量是影响土壤肥力的关键因素.以福州平原稻田为研究区,在早稻和晚稻生长季,对对照、炉渣、生物炭和炉渣与生物炭配施处理下耕层和犁底层土壤团聚体分布及其稳定性,包括>0.25 mm团聚体含量(DR0.25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)及土壤碳、氮含量进行了测定和分析.研究结果表明:早稻和晚稻不同土层,对照、炉渣、生物炭和配施4种处理团聚体均以 < 0.25 mm粒级为主;>0.25 mm水稳定性大团聚体数量随深度增加而增加,土壤团聚体的稳定性随土层加深而增强;早稻组中,生物炭施加后MWD、GMD和DR0.25较对照组分别减少了20.08%、15.12%和21.87%,D值增加了3.67%,炉渣和配施后差异不显著(p>0.05);晚稻组中,生物炭施加后MWD、GMD和DR0.25较对照组分别增加了23.00%、13.82%和16.75%,配施后MWD、GMD和DR0.25较对照组分别增加了16.77%、9.80%和15.37%,D值分别减少了3.75%和2.59%,炉渣施加后差异不显著(p>0.05);炉渣、生物炭和配施3种处理都显著增加了早稻耕层和晚稻耕层土壤的碳含量,生物炭和配施处理都显著增加了早稻耕层和晚稻耕层土壤的氮含量(p < 0.05),3种处理都显著增大了早稻耕层土壤C/N比(p < 0.05),同时,土壤不同粒级团聚体碳、氮含量百分比主要集中在>0.25 mm粒级大团聚体.
关键词: 炉渣、生物炭     土壤团聚体     碳、氮     稻田     福州平原    
Effects of slag and biochar mixed amendment on soil aggregates and carbon, nitrogen distribution in paddy field of Fuzhou plain
CHEN Xiaoxuan1, HUANG Xiaoting1, CHEN Youyang1, AN Wanli1, WANG Weiqi1,2    
1. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007;
2. Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007
Received 20 October 2017; received in revised from 26 December 2017; accepted 26 December 2017
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41571287, 31000209), the Key Programs of Science and Technology Department of Fujian Province (No.2018R1034-1) and the Fujian Provincial Outstanding Young Scientists Program (2017)
Biography: CHEN Xiaoxuan(1993-), male, E-mail:chencxx1027@163.com
*Corresponding author: WANG Weiqi, E-mail:wangweiqi15@163.com
Abstract: Soil water stable aggregates, soil carbon and nitrogen content were the key factors controlling soil fertility. Taken the Fuzhou plain as the study area, the effect of slag and biochar mixed amendment on the distribution, stability of soil water stable aggregates, soil carbon and nitrogen content in early and late paddy field in Fuzhou plain, including >0.25 mm soil aggregates (DR0.25), mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter(GMD), fractal dimension (D), soil carbon and nitrogen of plow layer and plow bottom layer were determined in the control, slag, biochar and mixed amendment plots. The results showed that the aggregates were mainly < 0.25 mm for the control, slag, biochar and mixed four kinds treatments. The amount of >0.25 mm water stability large aggregates were increased with soil depth, and the soil aggregates stability was enhanced with the increment of soil layer. In the early paddy field group, the MWD, GMD and DR0.25 were reduced by 20.08%, 15.12% and 21.87%, respectively, and the D value was increased by 3.67%, and the difference between the slag and the mixed amendment was not significantly different (p>0.05). In the late paddy field group, the MWD, GMD and DR0.25 were increased by 23.00%, 13.82% and 16.75%, respectively, compared with the control group, the values of MWD, GMD and DR0.25 were increased by 16.77%, 9.80% and 15.37%, respectively. The D values were decreased by 3.75% and 2.59%, respectively, and the difference was not significantly different (p>0.05). Slag, biochar and mixed three kinds of treatments were all significantly increased the carbon content of early and late paddy field soil, and the nitrogen contents were significantly increased by biochar and mixed in early and late paddy field (p < 0.05), moreover, the C/N ratio was significantly increased for three treatments in plow layer soil of the early paddy field (p < 0.05).
Key words: slag, biochar     soil aggregates     carbon, nitrogen     paddy field     Fuzhou plain    
1 引言(Introduction)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元(Tisdall et al., 1982),也是微生物和土壤养分固持的主要场所,以0.25 mm为界限,上下分为大团聚体和微团聚体,且不同粒级对土壤养分的固持作用不同(Paul et al., 2013).土壤团聚体也是维持土壤肥力和提高农业可持续生产的基础(Wang et al., 2017王丽等,2014),其稳定性对调节土壤中水、肥关系以及植物生长有重要的作用(蔡立群等,2008).

土壤碳、氮影响土壤质量及其功能(Jian et al., 2016),对促进团粒结构的形成、提高土壤的团聚性有重要作用(Zhu et al., 2017),同时团聚体也是土壤碳、氮赋存与固持的重要载体(魏朝富等,2003刘恩科等,2010Bimüller et al., 2016).因此,研究土壤团聚体与土壤碳、氮相互作用的稳定性机制及碳平衡具有重要的理论与现实意义(徐虎等,2015刘哲等,2017).

近年来,国内外关于土壤团聚体的研究越来越多,主要探讨耕作方式(武均等,2015)、种植年限(李玮等,2014)、施肥(易亚男等,2013)和土地利用变化(邱晓蕾等,2015)对土壤团聚体的影响,土地类型多为旱地耕作,而关于不同稻季之间土壤团聚体及其对外界环境的响应研究较少.炉渣和生物炭作为土壤改良剂,近年来受到广泛关注(Herath et al., 2013Wang et al., 2015),如炉渣含有大量的活性氧化铁和二氧化硅,在土壤中起到氧化剂的作用(Singla et al., 2015),生物炭含有丰富的碳、氮、磷及其它元素,既能改善土壤肥力,还能增加作物产量(Hu et al., 2016),当前炉渣与生物炭对稻田土壤团聚体稳定性的研究都是独立开展的,且以单季水稻种植的研究为主,如Lu等(2014)通过稻壳生物炭的施加发现6%的稻壳生物炭添加提高了大团聚体的含量,减少了微团聚体的含量,提高了土壤团聚体的稳定性,主要原因是稻壳生物炭增大土壤孔隙,使土壤具有更高的持水能力;朱秋丽等(2016)研究了不同废弃物施加对稻田土壤团聚体的影响,发现单施炉渣施加提高了早稻土壤团聚体稳定性,但在不同水稻生长季节的响应如何,随着气候与管理方式的转变,土壤团聚体变化的响应是否一致,值得开展相关研究.与此同时,炉渣与生物炭配施对稻田土壤团聚体稳定性是否有增强作用?对早稻和晚稻的土壤团聚体稳定性影响效果又如何?配施是否影响土壤的碳、氮分布?都值得我们深入探讨.此外,前人多采用风干土测定团聚体,本研究认为采用新鲜土样测定团聚体稳定性更符合自然状态,但这种鲜土测定与干土测定土壤团聚体结果如何,均值得尝试.

基于当前炉渣、生物炭及配施对稻田土壤团聚体及土壤碳、氮影响研究的不足,本文对早稻和晚稻生长期土壤团聚体稳定性及土壤碳、氮分布对炉渣、生物炭及配施的响应开展研究,以强化水稻田生产管理,为稻田土壤团聚体稳定性提升提供科学数据,并对稻田的可持续生产具有重要意义.

2 研究区与研究方法(Study area and methods) 2.1 研究区概况

研究区位于福建省福州市城郊南部,乌龙江的北岸,属亚热带海洋季风气候,年均气温19.6 ℃,无霜期长达325~330 d,年均降水量为1392.5 mm,蒸发量为1413.7 mm,相对湿度为77.6%,区内地貌主要为冲海积平原,地表平坦,海拔3~5 m,零星分布剥蚀丘陵地貌(陈世亮,2009).本实验区位于福建省仓山区盖山镇福建省水稻研究所吴凤综合实验基地(26.1°N,119.3°E)内,该实验基地共有红壤稻田7 hm2(马永跃等,2012).实验区内实行早稻-晚稻-蔬菜的轮作制度.实验前对翻耕后的田地进行人工整平,以保持土壤的均一性.

2.2 样地设置及施加处理设计

水稻生长期水分管理采用传统的灌溉方式,即水稻前期实行水淹管理,水稻分蘖期后实行淹水-烤田-湿润灌溉相结合.本实验于2015年在水稻田内分别设置对照、炉渣、生物炭和炉渣-生物炭配施4种处理,采样深度为耕层和犁底层,即早稻耕层(此后简称为ZG)、早稻犁低层(此后简称为ZD)、晚稻耕层(此后简称为WG)和晚稻犁底层(此后简称为WD).炉渣来源于福建金星钢铁公司,主要含有SiO2(27.7%,质量分数,下同)、CaO(35.7%)、Fe2O3(6.2%)、SO3(1.3%)、MgO(4.3%)、P2O5(0.1%)和K2O(2.7%).生物炭采用沈阳农业大学陈温福院士研究团队的专利炭化炉和亚高温缺氧干馏技术,选取水稻秸秆制备,主要含有C(56.6%)、N(1.4%)、P(1.0%)、K(1.8%)、S(0.6%)、Ca(0.5%)、Mg(1.0%)、Fe(0.2%).

在水稻移栽前一次性施加到土壤中(0~15 cm),炉渣与生物炭先过2 mm的筛子再使用(Wang et al., 2015),炉渣与生物炭施加量分别为8 t·hm-2,配施处理施加量为炉渣与生物炭各施8 t·hm-2.其次,复合肥(N-P2O5-K2O=16-16-16)和尿素(46%N)是本研究中的主要施加肥料,底肥在移栽前1 d施加,包括42 kg·hm-2(N)、40 kg·hm-2(P2O5)和40 kg·hm-2(K2O),分蘖肥在移栽大约1周后施加,包括35 kg·hm-2(N)、20 kg·hm-2(P2O5)和20 kg·hm-2(K2O),穗肥在大约8周后施加,包括18 kg·hm-2(N)、10 kg·hm-2(P2O5)和10 kg·hm-2(K2O)(朱秋丽等,2016).早稻生长期为2015年4月16日—7月16日,晚稻生长期为2015年7月25日—11月6日.

2.3 土壤样品采集及测定

根据耕层(0~15 cm)和犁底层(15~30 cm)的深度,每个处理利用土壤采样器采集3个重复,样品采集后,立即放入自封袋,并带回实验室,去除杂质,部分经自然风干后,取其中部分样品过100目(0.149 mm)孔筛,保存,待测,用于测定土壤全碳、土壤全氮等指标(曾从盛等,2008).

团聚体测定参照Haynes(1993)的方法做适当调整:称好已挑去肉眼所见的杂质的鲜土100 g,装于自封袋并加适当水量浸泡鲜土24 h,将浸泡后的鲜土置于套筛顶部(套筛孔径从大到小依次为2、1、0.5、0.25 mm(Kemper et al., 1986),底部装有底盒),并用网兜固定好整一套筛子,双手扶住套筛,确保套筛在水中不会分离,之后将套筛缓慢放入水桶中,使水面离套筛顶部约3 cm,以30次·min-1的速率在水中上下幅度保持3 cm左右震荡2 min,将各级粒径的土样分别洗入烧杯中,烘干后称量,记为Mi.各级团聚体土壤全碳、全氮采用土壤碳氮元素分析仪(Elementar Vario MAX CN,Germany)测定(Zhou et al., 2007).

2.4 土壤团聚体稳定性量计算方法

本实验稳定性团聚体含量计算方法参考南京土壤所编制的土壤理化分析方法(中国科学院南京土壤研究所,1978).

(1)
(2)

式中, Wi为第i级团聚体质量所占的百分比,Mwi为团聚体各粒级团聚体的质量,DR0.25指粒径>0.25 mm团聚体的百分含量.

MWD和GWD采用邱丽萍等(2006)推导出的公式计算:

(3)
(4)

分型维数采用杨培岭等(1993)推导的公式计算:

(5)

两边同时取对数,可得:

(6)

式中, Ri是筛分出来的某一级别团聚体的平均直径,MT是各个粒级团聚体的总质量,Rmax是团聚体的最大粒级,是M(r < Ri)粒级小于Ri的团聚体的质量.

2.5 数据处理

运用Excel 2010、Origin8.0、SPSS 20.0统计分析软件对测定数据进行整理.原始数据的平均值及标准偏差的计算采用Excel 2010分析,并计算出相关参数(包括百分含量Wi、分型维数D、平均质量直径MWD、平均几何直径GMD和DR0.25的均值与标准差,实验组和对照组相同土层和粒径的团聚体含量之间的差异性、相关参数以及土壤碳、氮含量之间的差异性均利用SPSS20.0统计分析软件进行单因素方差分析(p < 0.05),作图则用origin8.0软件.土壤团聚体各粒级含量及稳定性参数的相关性分析采用SPSS 20.0的Pearson相关性分析.

3 结果与分析(Result and analysis) 3.1 炉渣与生物炭配施对土壤团聚体分布特征的影响

早稻生长期,研究区4种处理团聚体百分含量均以 < 0.25 mm粒级为主(图 1).早稻耕层组中,施加炉渣、生物炭和配施处理各粒级与对照组相比较差异不显著(p>0.05);与对照组相比,施加炉渣处理中,< 0.25 mm粒级团聚体增加了7.81%,其它3个粒级团聚体分别减少了8.63%、23.34%和15.90%;与对照组相比,施加生物炭处理中,< 0.25 mm粒级团聚体增加了10.21%,其它3个粒级团聚体分别减少了17.17%、15.56%和22.76%.

图 1 炉渣与生物炭配施条件下土壤团聚体分布(图中不同大写字母表示同一季稻相同土层同一处理不同粒径间差异显著(p < 0.05),不同小写字母表示同一季稻相同土层同一粒径不同处理间差异显著(p < 0.05)) Fig. 1 Distribution of soil aggregates under conditions of slag and biochar

早稻犁底层组中,与对照组相比,施加炉渣处理中,< 0.25 mm和1~2mm粒级团聚体分别增加了1.78%和43.74%,0.25~0.5 mm和0.5~1 mm粒级团聚体分别减少了22.77%和28.73%,差异不显著(p>0.05);与对照组相比,施加生物炭处理中,< 0.25 mm和0.25~0.5 mm粒级团聚体分别增加了16.08%和2.70%,0.5~1 mm和1~2 mm粒级团聚体分别减少了58.05%和44.74%,差异显著(p < 0.05);与对照组相比,配施处理中,0.25~0.5 mm和1~2 mm粒级团聚体分别增加了4.79%和25.99%,< 0.25 mm和0.5~1 mm粒级团聚体分别减少了5.53%和8.65%,差异不显著(p>0.05).

晚稻耕层组中,施加炉渣处理与对照组各粒级团聚体含量差异不显著(p>0.05);与对照组相比,施加生物炭处理中,0.25~0.5 mm和1~2 mm粒级团聚体分别增加了11.64%和97.78%,< 0.25 mm和0.5~1 mm粒级团聚体分别减少了9.24%和1.99%;与对照组相比,配施处理中,< 0.25 mm粒级团聚体减少了7.34%,其它3个粒级团聚体分别减少了18.75%、12.08%和36.11%.

晚稻犁底层组中,施加炉渣、生物炭和配施处理各粒级与对照组相比较差异不显著(p>0.05);与对照组相比,施加炉渣处理中,< 0.25 mm粒级团聚体增加了5.36%,其它3个粒级团聚体分别减少了18.58%、15.01%和2.92%;与对照组相比,施加生物炭处理中,1~2 mm粒级团聚体增加了65.16%,其它3个粒级团聚体分别减少了4.27%、6.75%和18.60%;与对照组相比,配施处理中,1~2 mm粒级团聚体增加了62.85%,其它3个粒级团聚体分别减少了5.13%、2.41%和17.36%.

3.2 炉渣与生物炭配施对土壤团聚体稳定性的影响

炉渣与生物炭配施后,ZG组土壤团聚体稳定性参数MWD、GMD、DR0.25中炉渣、生物炭及其配施处理下平均值均比对照组的低(p>0.05),其中生物炭处理平均值减少较为明显(p < 0.05).ZG组施加炉渣处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别减少了10.32%、8.14%和13.85%,施加生物炭处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别减少了12.39%、9.95%和18.01%,配施处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别减少了3.54%、2.71%和15.79%,3种处理的D值较对照组分别增加了1.60%、2.00%和0.55%,差异性不显著(p>0.05).

ZD组施加炉渣处理的MWD和GMD较对照组分别增加了12.47%和5.79%,配施处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别增加了10.69%、10.33%和8.74%,两种处理D值较对照组分别减少了3.26%和2.85%,施加生物炭处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别减少了26.72%、19.83%和25.45%,其D值较对照组增加了5.40%,整体差异性不显著(p>0.05).

WG组施加炉渣处理的MWD、GMD和DR0.25差异不显著(p>0.05),施加生物炭处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别增加了27.54%、17.99%和25.86%,配施处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别增加了13.77%、8.99%和20.53%,3种处理的D值较对照组分别减少了0.14%、4.06%和1.77%,生物炭处理的差异性较为显著(p < 0.05).

WD组施加生物炭处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别增加了18.21%、10.05%和9.18%,配施处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别增加了19.14%、10.53%和16.77%,两种处理D值较对照组均减少了3.34%,施加炉渣处理的MWD、GMD和DR0.25较对照组分别减少了5.25%、5.26%和12.34%,其D值则较对照组增加了0.69%,但差异性不显著(p>0.05).

表 1 炉渣与生物炭施加对早稻、晚稻田土壤团聚体MWD、GMD、DR0.25D的影响 Table 1 Effects of slag and biochar on soil aggregates MWD, GMD, DR0.25 and D in early rice and late paddy field
3.3 土壤团聚体各粒级含量与其稳定性参数的相关性分析

本研究中,土壤团聚体稳定性参数与各粒径含量的相关性发现(表 2),土壤团聚体稳定性参数MWD、GMD、DR0.25之间存在显著正相关关系(p < 0.01),稳定性参数均与分形维数D存在显著负相关关系(p < 0.01),其中MWD、GMD分别与1~2 mm粒径存在显著正相关关系(p < 0.01),而与 < 0.25 mm粒径存在显著负相关关系(p < 0.01);同时,分形维数D与土壤团聚体 < 0.25 mm粒径存在显著正相关关系(p < 0.01),与1~2 mm粒径存在显著负相关关系(p < 0.01),即随着土壤团聚体稳定性参数的增大,分形维数D值减少.

表 2 MWD、GMD、DR0.25D与各粒径团聚体含量相关性分析 Table 2 Correlation analysis of MWD, GMD, DR0.25 and D with particle size content
3.4 炉渣与生物炭配施对早稻、晚稻田土壤碳氮含量的影响

炉渣与生物炭配施下土壤碳、氮含量变化见图 2,土壤碳含量中,ZG组炉渣、生物炭及其配施处理下平均值分别为(35.03±3.28)、(51.29±6.15)和(48.95±9.33) g·kg-1,均比对照处理的高(p < 0.05);ZD组炉渣、生物炭及其配施处理下平均值分别为(17.48±2.67)、(21.60±1.88)和(18.31±1.29) g·kg-1,均比对照处理的高(p>0.05);ZG组各处理土壤碳含量均大于ZD组(p < 0.05).WG组炉渣、生物炭及其配施处理下平均值分别为(25.89±1.31)、(46.17±7.46)和(29.14±4.50) g·kg-1,均比对照处理的高(p < 0.05);WD组炉渣处理碳含量平均值分别为(23.50±3.28) g·kg-1,比对照处理的高(p < 0.05),生物炭及其配施处理下平均值分别为(17.90±2.83) g·kg-1和(15.78±2.36) g·kg-1,比对照处理的低(p>0.05);WG组各处理土壤碳含量均大于WD组(p < 0.05).

图 2 炉渣与生物炭配施对早稻、晚稻田土壤碳、氮含量及C/N比的影响(图中不同大写字母表示同一处理不同土层间差异显著(p < 0.05),不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著(p < 0.05)) Fig. 2 Effects of slag and biochar on soil carbon and nitrogen and C/N ratio in early rice and late paddy field

土壤氮含量中,ZG组生物炭及配施处理下平均值分别为(0.23±0.03) g·kg-1和(0.23±0.03) g·kg-1,均比对照处理的高(p>0.05);ZD组对照处理土壤氮含量比其它处理的高(p>0.05);ZG组各处理土壤氮含量均大于ZD组(p < 0.05).WG组炉渣、生物炭及其配施处理下平均值分别为(0.20±0.01)、(0.23±0.03)和(0.20±0.03) g·kg-1,均比对照处理的高(p>0.05);WD组则各处理土壤氮含量差距不显著(p>0.05);WG组各处理土壤氮含量均大于WD组(p < 0.05).

土壤C/N比中,ZG组炉渣、生物炭及其配施处理下平均值分别为(18.47±0.92)、(21.91±0.36)和(20.89±1.36),均比对照处理的高(p < 0.05);ZD组炉渣、生物炭及其配施处理下平均值分别为(13.30±0.93)、(15.18±0.75)和(15.44±1.13),均比对照处理的高(p < 0.05);ZG组各处理土壤C/N比值均大于ZD组(p < 0.05).WG组炉渣、生物炭及其配施处理下平均值分别为(12.86±0.31)、(19.60±1.34)和(14.35±0.55),均比对照处理的高(p < 0.05);WD组炉渣、生物炭及其配施处理下平均值分别为(13.21±0.34)、(13.51±0.92)和(13.43±0.91),均比对照处理的高(p>0.05);WG组各处理土壤C/N比值均大于WD组(p < 0.05).

3.5 炉渣与生物炭配施对不同粒级团聚体碳氮含量百分比的影响

不同粒级团聚体碳、氮含量百分比见图 3,其中,碳、氮含量百分比主要集中在>0.25 mm粒级大团聚体.在早稻耕层组中,1~2 mm粒级团聚体中碳含量百分比从对照、炉渣、生物炭和配施处理依次递减,对照组碳含量百分比最大,数值为30.98%,0.5~1 mm粒级团聚体对照组碳含量百分比最小,数值为25.92%,0.25~0.5 mm和 < 0.25 mm粒级团聚体差异不显著(p>0.05);在晚稻耕层组中,生物炭处理中1~2 mm和0.5~1 mm粒级团聚体碳含量百分比最大,数值分别为30.08%和30.80%,与对照组差异较为明显(p < 0.05).在早稻犁底层中,生物炭和配施处理1~2 mm粒级团聚体中碳含量百分比较对照和炉渣处理的大,分别为27.28%和27.72%;在晚稻犁底层中,1~2 mm粒级团聚体中碳含量百分比从对照、炉渣、生物炭和配施处理依次递减,但生物炭和配施处理中0.5~1 mm粒级团聚体碳含量百分比较对照和炉渣处理的大,分别为32.90%和33.82%,0.25~0.5 mm和 < 0.25 mm粒级团聚体差异不显著(p>0.05).

图 3 团聚体各粒级土壤碳、氮含量百分比 Fig. 3 The percentage of carbon and nitrogen in soils of aggregates

除晚稻耕层生物炭处理1~2 mm粒级团聚体氮含量百分比较大,早稻和晚稻土壤不同层次中,对照、炉渣、生物炭和配施处理中各粒级团聚体中碳和氮含量百分比差异性不大(p>0.05).

4 讨论(Discussion)

当前关于团聚体分离的方法主要包括风干土筛选与鲜土筛选两种,对于风干土方法而言,测定水稳性团聚体之前要进行预湿润的处理,预湿润引起水分的快速渗入,致其土粒空隙中O2和N2密度发生变化,造成土粒内外压力不同引起土粒不同程度的破裂和崩解(王风等,2007),最终致使土粒的破裂和团聚体的崩解(彭新华等,2003),同时,样品中的膨胀性矿物吸水膨胀改变土粒中的胶结程度,破坏团聚体稳定性(Bartlova et al., 2015),此外,浸润时间和筛选时间对土壤水稳定团聚体测定的影响较大,而采用鲜土进行筛选与团聚体测定时,土粒内外的压力差变化较小和不易破裂(赵玉明等,2013),是一种自然状态下长期适应所形成的固有特征,特别是对于水稻田而言,长期淹水过程中促成了团聚体的形成与分配.因此,对于淹水土壤而言,采用鲜土进行团聚体的测定更符合自然状态.

4.1 炉渣与生物炭配施对稻田土壤团聚体组成的影响

土壤团聚体是维持土壤质量的重要物质基础,其形成的内在因素多是依赖土壤中的有机胶结物质、无机胶结物质和有机无机复合体(王清奎等,2005谭文峰等,2007窦森等,2011).本研究中,在炉渣与生物炭配施之后,早稻耕层中对照、炉渣和配施处理的DR0.25高于晚稻耕层,这主要是由于在早稻期间,降水量丰富,耕层土壤淹水的时间比晚稻的时间更长,添加物分解速率较慢,碳的输入量减少且未能及时提高土壤微生物的活性,以及促进土壤中胶结物质的形成.此外,耕层含水量较多且通过溶解和软化团聚体的胶结物质,降低团聚体的胶结效果(徐爽等,2014),致使大团聚体的形成减少.与早稻种植不同的是晚稻种植降水量由多到少,后期雨水较少也是促进耕层土壤大团聚体形成的原因之一.

早稻犁底层中炉渣和配施处理中1~2 mm粒级团聚体含量显著高于对照组,晚稻犁底层中生物炭和配施处理中1~2 mm粒级团聚体含量显著高于对照组,同时,各处理犁底层1~2 mm粒级大团聚体含量整体高于耕层,且配施处理的效果最为明显.主要是犁底层不易受到扰动、水分和温度等环境因子的影响,粒径较小的团聚体在微生物作用下易胶结形成大团聚体.晚稻犁底层生物炭处理DR0.25显著高于早稻犁底层,主要是晚稻生长期温度较高,生物炭本身碳含量高,生物炭分解、有机碳输入和微生物活性增强,提高土壤中胶结物质的含量,促进大团聚体的形成(尚艺婕等,2015).此外,生物炭特殊的结构如多孔隙、比表面积大、吸附性强和电荷密度较高等(Chia et al., 2015),炉渣中大量金属离子易通过配位体交换与水中离子进行吸附和沉淀反应,吸附能力强,再加上粒径较小的炉渣比表面积大,与水体接触面积大,进一步增强吸附效果(Piatak et al., 2015),均能提高土壤养分含量和促进土壤胶结物质生成,进而提高大团聚体的数量.由此可见,炉渣与生物炭的配施比单施的效果明显,两者物理及化学特性的结合,提高了大团聚体的数量,更有利于稻田土壤团聚体的稳定性.

4.2 炉渣与生物炭配施对稻田土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体稳定性易受外界扰动,土壤微生物活性、土壤有机质含量、气候条件变化和植被覆盖度等因素影响(王清奎等,2005).团聚体的稳定性经常被作为土壤结构的指示因子,平均质量直径MWD、平均几何直径GMD和分形维数D可以较好的反应土壤团聚体的稳定性,MWD和GMD值越大,D值越小,团聚效果越好及团聚体越稳定(赵红等,2011;高飞等,2011),土壤结构越稳定.本研究中,土壤团聚体稳定性参数MWD和GMD之间存在显著正相关关系(p < 0.01),两者均与分形维数D存在显著负相关关系(p < 0.01),对于表征土壤团聚体稳定性具有很重要的参考价值,这与安婉丽等(2016)研究结果一致.

早稻耕层土壤中,炉渣、生物炭和配施3种处理的MWD和GMD均较低于对照组,D值则较高于对照组,差异性不显著,这与本研究中添加处理对稻田土壤水稳性大团聚体含量变化的影响不显著有关,主要原因是早稻生长期,降水丰富,稻田土壤处于长期淹水状态,使各处理对土壤水稳性大团聚体含量干扰变化不明显.通过与前人的研究对比发现,降水量差异导致外源物质施加后对土壤团聚体促成影响不同,朱秋丽等的研究中,收获期前一个月降水量约为176.9 mm(陈振南,2015),而本次研究收获期前一个月降水量约为262.9 mm,且属于持续性强降雨(陈振南,2016),降水量较高,使之降水量成为调节大团聚促成的主要因素;其次,降水的持续性延长了稻田淹水时间,阻碍土壤氧化环境,不利于促进土壤团聚.同时,犁底层对照、炉渣和配施3种处理的MWD和GMD均较高于耕层,D值则低于耕层,生物炭处理则相反,即随着土壤深度的增加,土壤稳定性增强.

晚稻耕层土壤中,炉渣、生物炭和配施3种处理的MWD和GMD均高于对照组,D值则低于对照组,生物炭处理的差异性较为显著,这主要是生物炭富含碳水化合物和长链烯烃等有机大分子(尚艺婕等,2015),促进团聚体的形成与稳定.晚稻犁底层土壤中,生物炭和配施处理的MWD和GMD均较高于对照组,D值则较低于对照组,炉渣处理则相反,但差异性不显著.此外,晚稻耕层土壤稳定性高于早稻耕层,主要是因为早稻生长期降水较多,且温度相对较低,不利于土壤团聚体团聚作用的胶结物质产生,土壤吸附能力下降,稳定性降低;晚稻则相反,温度较高,加速碳分解输入,可提供更多的胶结物质,促进土壤结构稳定.此外,早晚稻中炉渣与生物炭配施处理MWD和GMD普遍高于单施炉渣与生物炭,D值则相反,说明配施处理提高了稻田土壤团聚体的稳定性.

4.3 炉渣与生物炭配施对稻田土壤碳氮含量变化和团聚体稳定性关系的影响

与对照组相比,炉渣、生物炭和配施3种处理均显著增加了早稻和晚稻耕层土壤的碳含量,其中,生物炭进入土壤后其自身丰富的碳含量增加了土壤碳含量(Enders et al., 2012).与对照组相比,生物炭和配施处理均显著增加了早稻和晚稻耕层土壤的氮含量,炉渣处理下差异不显著,生物炭施加后在土壤生物与非生物因素的交互作用下,通过释放营养元素而增加土壤养分含量(Mohammadi et al., 2016);此外,炉渣与生物炭的吸附特性将灌溉水养分含量吸附转移到土壤孔隙水中,加强对土壤养分的固持能力.早稻和晚稻栽培季节的气候环境不同,也是影响土壤碳、氮含量的原因之一,晚稻生长季节气温由高到低,日长由长到短,光照由强到弱,而早稻恰好相反,这为土壤碳、氮的固持提供了不同的条件.与对照组相比,炉渣、生物炭和配施3种处理都显著增大了早稻耕层土壤C/N比,由于土壤碳含量的升高而增大,也加强了土壤对氮素等其它土壤养分的固持.

本研究中,耕层土壤碳氮含量较犁底层的高,可能是水稻生长期间肥料主要施加在稻土表层,较深层次的土壤只能依靠养分的转移和传送,作物凋落物、根系分泌物和土壤微生物的代谢活动等主要集中在耕层土壤,耕层水热气等条件比犁底层良好,有机质更易分解矿化.土壤不同粒级团聚体碳、氮含量百分比主要集中在>0.25 mm粒级大团聚体,主要是大团聚体依赖于有机质对微团聚体的胶结形成(谭文峰等,2007),土壤碳素和氮素均可以充当胶结物质,同时植物根系、土壤腐殖质和蛋白质均可分解并合成(Rillig et al., 2015),形成土壤有机质等胶结物质,有利于大团聚体的形成.

5 结论(Conclusions)

1) 早稻和晚稻耕层和犁底层中,对照、炉渣、生物炭和配施4种处理团聚体均以 < 0.25 mm粒级为主,各处理耕层中0.25~0.5、0. 5~1和1~2 mm粒级含量依次减少,且耕层组中各处理团聚体间差异不显著.

2) 早稻耕层土壤中,炉渣、生物炭和配施3种处理的MWD和GMD均较低于对照组,D值则较高于对照组;晚稻耕层土壤中,炉渣、生物炭和配施3种处理的MWD和GMD均较高于对照组,D值则较低于对照组.

3) 炉渣、生物炭和配施3种处理都显著增加了早稻和晚稻耕层土壤的碳含量;生物炭和配施处理都显著增加了早稻和晚稻耕层土壤的氮含量,3种处理都显著增大了早稻耕层土壤C/N比;土壤不同粒级团聚体碳、氮含量百分比主要集中在>0.25 mm粒级大团聚体.

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