文章信息
- 朱经伟, 张云贵, 李志宏, 冉传贤, 张恒, 刘青丽, 李雪华, 石俊雄
- ZHU Jingwei, ZHANG Yungui, LI Zhihong, RAN Chuanxian, ZHANG Heng, LIU Qingli, LI Xuehua, SHI Junxiong
- 不同土壤改良剂对整治烟田土壤团聚体组成的影响
- Effects of different soil amendments on soil aggregate composition from a renovated tobacco field
- 南京农业大学学报, 2018, 41(2): 341-348
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2018, 41(2): 341-348.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201705012
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文章历史
- 收稿日期: 2017-05-08
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所烟草行业 生态环境与烟叶质量重点实验室, 北京 100081;
3. 贵州省烟草公司遵义市公司, 贵州 遵义 563000;
4. 石家庄市藁城区农业技术推广中心, 河北 石家庄 052160
2. Key Laboratory of Eco-environment and Leaf Tobacco Quality, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. Zunyi Branch of Guizhou Provincial Tobacco Company, Zunyi 563000, China;
4. Agricultural Technology Extension Center of Gaocheng District, Shijiazhuang 052160, China
土壤团聚体是土壤结构的基本单位, 其数量和品质对土壤的理化性状和综合肥力均具有重要意义。良好的土壤团聚体有利于协调土壤的水、肥、气、热, 改善土壤养分的供应能力, 对改善作物根系生长环境有积极作用[1]。
土地平整是农田改良的重要措施, 在西南黄壤烟区普遍推行。农田整治降低了农业生产成本, 增加收益, 但同时可能导致土壤团聚体破坏, 表现为较大粒径组分比例降低而小粒径组分大幅升高[2]。例如, 遵义地区整治烟田中, 小于0.25 mm粒径的水稳定性土壤团聚体占50%以上, 显著高于鄢广奎[3]对黄壤土壤团聚体研究的结果。因此, 如何快速降低土壤中小于0.25 mm团聚体组分的数量, 改善黄壤团聚体组分比例, 已成为亟待解决的问题。
针对土壤团聚体的改良措施研究, 投入外源有机碳和施用石灰是普遍接受的两种土壤改良措施。Long等[4]田间试验结果表明:秸秆等外源有机物可通过释放多糖作为微生物生长的基质来促进潮土团聚体结构的形成, 2.7 t·hm-2的外源秸秆碳使大团聚体比例提高14%, 微团聚体比例提高3%, 平均质量直径提高20%, 但土壤团聚体的快速改良受到秸秆作用时间的限制[5]。将秸秆等生物质材料制成炭基肥料是外源有机碳投入的另一种形式。生物质炭可以改善土壤的物理性质(如土壤团粒结构), 土壤通气性、保水性增强[6], 能够提高团聚体组分和稳定性[7]。而Du等[8]则认为, 与秸秆直接还田相比, 低量4.5 t·hm-2和高量9.0 t·hm-2玉米秸秆炭的施用均未对土壤团聚体结构的稳定性造成显著影响。Aye等[9]研究发现, 农田土壤施用一定量的石灰能够矫正酸性土壤的酸度, 也能够改善酸性土壤结构并增强土壤团聚体稳定性；Muñoz等[10]与Six等[11]报道, 1 t·hm-2的石灰连续施用13年, 能够降低土壤酸性并协调团聚体组分。此外, 施用石灰还能够减少土壤结皮的形成, 通过增加土壤持水能力、团聚体稳定性和渗透性等方式提高土壤团聚体的稳定性[12]。然而, 秸秆、炭化秸秆对黄壤整治烟田土壤(黄壤)团聚体综合效应的影响尚不清楚。
本研究在常规施肥条件下, 探究配施石灰以及玉米秸秆、玉米秸秆炭两种还田方式对烟田整治黄壤团聚体的影响, 旨在为优化利用玉米秸秆还田, 快速改善土壤团聚体提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验地位于贵州省遵义市市坪乡, 土壤类型为典型酸性黄壤, 有机质含量25.1 g·kg-1, 全氮含量1.53 g·kg-1, 全磷含量1.02 g·kg-1, 全钾含量40.24 g·kg-1, 碱解氮含量86.5 mg·kg-1, 速效磷含量18.3 mg·kg-1, 速效钾含量258.8 mg·kg-1, 土壤pH5.1, 容重1.1 g·cm-3。土壤水稳定性团聚体方面, 粒径小于0.25 mm的团聚体组分比例最高, 达77.61%;粒径介于0.5~0.25 mm的组分比例为13.81%;其余组分之和小于10%。
玉米秸秆取自2013年当地夏玉米, 经自然风干后切割成3~5 cm段。玉米秸秆的有机碳含量458.2 g·kg-1、全氮含量14.3 g·kg-1、碳氮比67.7, pH6.4。取一部分段状玉米秸秆在田间阴燃炭化, 控制炭化温度在500 ℃左右, 并持续炭化1.5 h, 冷却后制成玉米秸秆炭, 其有机碳含量、全氮含量、碳氮比和pH值分别为291.1 g·kg-1、11.9 g·kg-1、24.5和10.2。所用石灰(水与石灰的质量比为5:1)pH值为13.0。
1.2 田间试验试验在烤烟生产常规施肥的基础上配施不同种类和用量的土壤改良剂, 共设6个处理, T1~T6, 各个处理物料投入量见表 1。表 1中T3与T5处理、T4与T6处理玉米秸秆的施用量相同。每个处理重复3次, 田间排列采用随机区组。试验中以全部的磷肥、2/3的氮肥和3/5的钾肥做基肥, 剩余氮肥、钾肥均做追肥。石灰在烤烟移栽前3周撒施并翻犁入土, 玉米秸秆和玉米秸秆炭于烤烟移栽前1周沟施并起垄。烤烟于2014年4月下旬移栽完成, 9月20日完成烤烟采收, 期间的田间管理按照标准的农艺操作进行。
| 处理 Treatments |
化肥/(kg·hm-2) Chemical fertilizer |
石灰/(t·hm-2) Lime |
有机物料/(t·hm-2) Organic materials |
|||
| N | P2O5 | K2O | 玉米秸杆 Corn stalks |
玉米秸秆炭 Carbonized corn stalks |
||
| T1 | 90 | 135 | 270 | 0 | 0 | 0 |
| T2 | 90 | 135 | 270 | 22.5 | 0 | 0 |
| T3 | 90 | 135 | 270 | 0 | 15 | 0 |
| T4 | 90 | 135 | 270 | 0 | 0 | 5 |
| T5 | 90 | 135 | 270 | 22.5 | 15 | 0 |
| T6 | 90 | 135 | 270 | 22.5 | 0 | 5 |
采用5点混合取样法, 采集烤烟移栽后120 d各试验小区垄体原状表土(0~20 cm)混合样品2 kg, 将土样自然风干至土壤含水量为20%, 挑去肉眼可见的细根和石块后置于硬质纸盒中运回实验室, 运输过程中应避免剧烈震动。采用四分法从土样中分选1 kg待测样品, 用喷雾器将其中粒径大于10 mm的土块润湿, 并轻轻掰碎, 重新风干后进行干筛、湿筛操作。干筛, 即用孔径分别为5、3、2、1、0.5和0.25 mm筛子进行筛分待测样品; 湿筛为按干筛后各粒级团聚体质量分数配成50.00 g样品置于土壤团聚体分析仪(XY-100)的套筛上, 套筛由上至下孔径依次为5、2、1、0.5和0.25 mm, 在土样充分浸润后, 以每分钟上下振动30次、振幅3 cm振动30 min。振动结束后, 取出套筛, 收集各层筛中的残留团聚体, 并在60 ℃烘箱中烘干至恒质量并称量, 得到水稳定性团聚体的粒径分布[13]。
通过称量各级粒径土壤团聚体的质量, 计算各粒级团聚体质量分数、破坏率(PAD)、水稳定性大团聚体数量、平均质量直径(MMD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D), 相关计算公式如下[14-17]:
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(1) |
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(2) |
式中:mD(α>r>β)和mW(α>r>β)分别表示干筛法和湿筛法所得粒径介于α与β间的团聚体质量。
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(3) |
式中:mr为团聚体的湿筛质量; m0为总样品质量。
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(4) |
|
(5) |
式中: Ri为某级团聚体平均直径; mi表示相应粒径范围内的团聚体质量。
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(6) |
式中: Ri为某级团聚体平均直径; m(δ < Ri)表示粒径小于Ri的团聚体的质量; m0为团聚体总质量; Rmax为团聚体的最大直径。
将公式(6)的等号两边取对数, 得:lg[m(δ < Ri)/m0]=(3-D)lg(Ri/Rmax), 分别以lg[m(δ < Ri)/m0]、lg(Ri/Rmax)为纵、横坐标作图, 3-D即为lg(Ri/Rmax)和lg[m(δ < Ri)/m0]直线的斜率, 即可求出土壤D值。
施用某种单一物料对土壤团聚体指标的效应(贡献率)以及2种物料间的交互效应对土壤团聚体指标影响的贡献率计算公式如下:
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(7) |
|
(8) |
采用Excel 2013软件处理数据, 采用Sigmaplot 10.2绘图。采用SAS 9.1软件进行数据方差分析, 并用Duncan′s测验法进行差异显著性分析。
2 结果与分析 2.1 不同土壤改良剂对土壤水稳定性团聚体粒径分布的影响从图 1可知:T1处理的整治烟田土壤10~5 mm、5~3 mm、3~2 mm和2~1 mm粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数均小于10%, 1~0.5 mm和0.5~0.25 mm粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数为10%~20%, 小于0.25 mm粒径的团聚体组分质量分数最高, 达57.6%。以T1处理为对照, T2、T5处理中5~3 mm、3~2 mm、2~1 mm粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数显著增加, 0.5~0.25 mm和小于0.25 mm粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数则显著降低。这表明常规施肥条件下施用石灰或再配施玉米秸秆有利于减少水稳定性团聚体中较小粒径组分的质量分数; 在T3、T4处理中, 分别有4、5个粒径组分的质量分数与T1处理相比无差异, 对土壤水稳定性团聚体整体的影响规律并不显著; T6处理中小于0.25 mm粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数显著高于T5处理, 表明常规施肥条件下, 玉米秸秆较玉米秸秆炭更适于配施石灰以降低水稳定性大团聚体中小粒径组分的质量分数。
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图 1 不同土壤改良剂对土壤水稳定性团聚体粒径分布的影响 Figure 1 Effects of different soil amendments on particle size distribution of water stable aggregates 同一粒径范围带有不同小写字母者表示在0.05水平差异显著。下同。 Different small letters indicate significant difference in the same particle size range at 0.05 level. The same as follows. |
从图 2可知:以T1处理为对照, T2处理中10~5 mm、5~3 mm、3~2 mm的粒径组分以及大团聚体破坏率均显著降低, 表明配施石灰有利于阻碍水对土壤团聚体的分散能力; T3、T4处理间相比, 除3~2 mm外, 大于0.25 mm粒径的团聚体组分破坏率均差异不显著(P>0.05);T5处理中5~3 mm、3~2 mm、2~1 mm、1~0.5 mm、0.5~0.25 mm粒径范围内的团聚体破坏率均低于T1处理; 而T6处理中1~0.5 mm粒径范围内的团聚体破坏率均高于T1, 其他粒径范围的团聚体破坏率差异均不显著。这表明常规施肥条件下, 玉米秸秆较玉米秸秆炭更适于配施石灰以提高土壤团聚体阻碍水的破坏作用的能力。
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图 2 不同土壤改良剂对团聚体破坏率的影响 Figure 2 Effects of different soil amendments on destruction rate of aggregates |
平均质量直径(MMD)和几何平均直径(GMD)作为表征土壤团聚体粒级分布状况的指标, 其值越大, 土壤团聚体水稳定性越高, 土壤结构状况越好[12, 18]。从表 2可知:T4、T5处理中干筛法测得的MMD与GMD显著高于T1处理; T2、T5处理中湿筛法测得的MMD与GMD显著高于T1处理。综合干筛法与湿筛法结果, T5处理中的MMD与GMD均显著高于T1处理, 比T1处理分别增加37%~57%和33%~111%。这表明常规施肥条件下, 配施石灰和玉米秸秆有利于同时提高土壤水稳定性团聚体的MMD与GMD。T3、T6处理的各项指标与T1处理均差异不显著。
| mm | |||||
| 处理Treatments | 干筛法Dry sieving method | 湿筛法Wet sieving method | |||
| 平均质量直径MMD | 几何平均直径GMD | 平均质量直径MMD | 几何平均直径GMD | ||
| T1 | 5.4b | 2.6b | 0.7b | 0.3bc | |
| T2 | 5.4b | 2.6b | 1.2a | 0.4a | |
| T3 | 6.0b | 3.4b | 0.8b | 0.3b | |
| T4 | 7.4a | 5.7a | 0.7b | 0.3bc | |
| T5 | 7.4a | 5.5a | 1.1a | 0.4a | |
| T6 | 5.8b | 3.0b | 0.6b | 0.2c | |
| 注：同种筛选方法中不同处理间的小写字母表示在0.05水平差异显著。 Note: Different small letters indicate significant difference by the same method at 0.05 level. |
|||||
土壤团粒结构粒径分布的分形维数(D)反映了土壤水稳定性团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势, 即团粒结构粒径分布的分形维数越小, 则土壤结构与稳定性越好, 抗蚀能力越强[19]。如图 3所示:干筛法测得各处理土壤团聚体分形维数差异不明显。湿筛法测得的土壤团聚体分形维数中, T2、T5处理的分形维数比T1处理分别显著降低1.1%和0.8%, 但T6处理的分形维数显著高于T1处理, 表明常规施肥条件下配施石灰和玉米秸秆有利于提高土壤水稳定性团聚体的抗侵蚀能力。
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图 3 不同土壤改良剂对团聚体分形维数的影响 Figure 3 Effects of different soil amendments on the fractal dimension(D)of aggregates |
从表 3可见:配施石灰对PADr>0.25 mm和D的贡献率分别为-12.8%和-1.1%, 对MMD和GMD的贡献率分别为58.3%和40.4%, 表明配施石灰有利于降低大团聚体破坏率和分形维数, 提高平均质量直径和几何平均直径, 增强土壤团聚体的稳定性并促进土壤形成较大粒径团聚体; 玉米秸秆、玉米秸秆炭在PADr>0.25 mm、MMD、D方面的积极贡献不显著, 因此施用后在短时间内均不利于植烟土壤水稳定性团聚体结构的改良; 石灰与玉米秸秆配施产生的交互作用(石灰+玉米秸秆)对4项指标的贡献率均为负值, 与配施玉米秸秆的贡献率差异不显著; 石灰与玉米秸秆炭配施产生的交互作用(石灰+玉米秸秆炭)对4项指标贡献率的影响与配施石灰的贡献方向相反, 且差异显著。这表明常规施肥条件下, 石灰与玉米秸秆配施所产生的交互效应有利于提高土壤团聚体稳定性, 但石灰与玉米秸秆炭配施所产生的交互效应既不利于提高土壤团聚体稳定性也不利于改良团聚体粒径分布。因此, 各物料及其配施对土壤团聚体改良效果由优到劣依次排序为:石灰、石灰+玉米秸秆、玉米秸秆、玉米秸秆炭、石灰+玉米秸秆炭。
| % | ||||
| 物料 Materials |
贡献率Contribution rate | |||
| 大团聚体破坏率 PADr > 0.25 mm |
平均质量直径 MMD |
几何平均直径 GMD |
分形维数 D |
|
| 化肥Chemical fertilizer | — | — | — | — |
| 石灰Lime | -12.8d | 58.3a | 40.4a | -1.1d |
| 玉米秸秆Corn stalk | 1.4c | -0.8b | 5.1b | 0.1c |
| 玉米秸秆炭Carbonized corn stalk | 12.5b | -4.6b | -3.2b | 0.8b |
| 石灰+玉米秸秆Lime+corn stalk | -0.8c | -9.4b | -14.0b | -0.1c |
| 石灰+玉米秸秆炭Lime+carbonized corn stalk | 20.2a | -60.7c | -46.2c | 1.5a |
本研究中, T2(常规施肥+石灰)处理的土壤团聚体组成得到明显改善, 充分表明了石灰对土壤团聚体的形成具有重要作用, 与Briedis等[20]和Fornara等[21]在酸性土壤中进行的长期研究结果相一致。石灰是应用最为广泛的酸性农田土壤改良剂之一, 其中的主要成分CaO与土壤水分作用后, 释放的OH-与酸性土壤中的活性酸H+以及潜性酸Al3+、Fe3+发生中和反应, 达到调节土壤pH值的作用; 残留在土壤中的Ca2+间接地提高了土壤盐基饱和度[22]。同时, 酸性土壤中Ca2+的加入也降低了Na+、K+被土壤颗粒吸附的概率, 削弱了Na+、K+对土壤颗粒及团聚体间的分散作用, 从而为土壤大团聚体的形成提供了良好的契机。同时, Ca2+本身也具有一定的胶结作用, 能够提高微团聚体间的黏结性, 促进大粒径团聚体的形成[12]。此外, 在石灰改良酸性土壤的过程中, 土壤pH值的提高改善了土壤微生物的生存环境, 增强了微生物对外源有机碳的分解作用, 从而形成氨基酸、腐殖酸等小分子有机物。这些小分子有机物对土壤颗粒具有一定的黏结作用, 促进土壤团聚体的形成[23], 这也为有机物料进一步改良土壤团聚体奠定了基础。
3.2 玉米秸秆及其炭化产物对土壤团聚体组成的影响外源碳的施用可促进土壤中大团聚体(>0.25 mm)的形成, 尤其以1~2 mm粒级增加的比例最大[5, 24]。薄国栋等[25]连续4年在山东棕壤上进行的田间试验发现, 玉米秸秆连续还田有利于促进土壤团聚体的形成, 提高团聚体的稳定性。本研究中, T3(常规施肥+玉米秸秆)与T4(常规施肥+玉米秸秆炭)处理对土壤团聚体改良效果与T1处理相比差异不显著, 但配施玉米秸秆和玉米秸秆炭对土壤团聚体的影响方式存在差异。原因在于玉米秸秆中含有丰富的木质素、多酚物质, 虽然其有利于形成团聚体, 但仍需要长期效应[25-26]; 此外, 玉米秸秆的归还方式也会影响其还田效果。本研究中玉米秸秆施用量较大, 垄体土壤无法将所有玉米秸秆完全覆盖以形成厌氧高湿环境, 导致秸秆外部的蜡质层腐解缓慢。因此, 配施的玉米秸秆无法在短时间内发挥改良土壤团聚体的作用。
本研究中, 玉米秸秆经炭化施入土壤后, 增加了土壤水稳定性团聚体中小粒径团聚体组分, 从而使土壤团聚体组分趋向失衡, 与前人在砂姜黑土、水稻土、黑垆土、塿土中的研究结果不一致[27-28]。造成该现象的主要原因是玉米秸秆炭对土壤物理性状的改良作用是基于为微生物提供多孔通透的生长环境, 促进微生物生长菌丝体或分泌具有胶结作用的代谢产物[29], 而在整治烟田土壤中, 土壤肥力和生物活性均处于较低水平, 因此施用玉米秸秆炭对土壤团聚体的改良效果不显著。此外, 有研究认为玉米秸秆炭用量达到10 t·hm-2, 甚至用量高达40~60 t·hm-2时, 对土壤团聚体组成的影响会得到明显改善[28, 30], 但由于秸秆炭的产出率较低, 大量施用并不利于提高烤烟种植收益。
3.3 石灰与玉米秸秆或玉米秸秆炭配施对土壤团聚体组成的影响多种物料间的交互效应能够较好地评价组合的适宜性。在常规施肥条件下, 石灰与玉米秸秆炭配施后对土壤团聚体PADr>0.25 mm、MMD、GMD、D所产生的交互效应均为负效应, 说明石灰与玉米秸秆炭配施既不利于提高大团聚体的稳定性, 也不利于降低小粒径团聚体的比例; 石灰与玉米秸秆配施后对土壤团聚体的MMD和GMD所产生的交互效应为负效应, 而对PADr>0.25 mm和D所产生的交互效应为积极效应, 说明石灰与玉米秸秆配施能够提高土壤团聚体的稳定性, 但不利于提高土壤团聚体的结构。西南地区水土流失较为严重, 对土壤团聚体稳定性的改良应当优先于对其结构的改良。此外, 配施玉米秸秆能够为土壤微生物提供丰富的外源有机碳, 与施用石灰(改良土壤pH和改善微生物生长环境)形成积极的正效应。同时, 玉米秸秆的快速分解能够提高土壤有机质含量, 使土壤团聚体中以钙离子为主的胶结物质逐渐被土壤有机胶结物质替代。因此, 常规施肥条件下将石灰和玉米秸秆配施还田, 在短期内能够促进烟田土壤形成较大粒径团聚体, 协调土壤团聚体粒径组分, 提高土壤团聚体稳定性, 达到改良黄壤整治烟田团聚体的效果。
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