2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态院重点实验室, 海伦农田生态系统国家野外观测研究站, 黑龙江哈尔滨 150081;
3. 哈尔滨师范大学地理科学学院, 黑龙江哈尔滨 150025
2. Key Laboratory of Mollisols Agroecology, National Observation Station of Hailun Agroecology System, Northeast Institute of Geograpthy and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081, China;
3. College of Geographical Science, Harbin Normal University, Harbin 150025, China
在全球气候变化背景下,研究如何提高农田土壤有机碳的储量与稳定性对于促进农业可持续发展及减缓全球温室效应具有重要意义[1-2]。团聚体物理保护所产生的有机碳与微生物之间的空间“隔离”现象是土壤有机碳主要的稳定机制之一[3]。土壤有机碳与团聚体相互作用紧密,有机碳与矿物颗粒形成稳定的团聚体,同时,团聚体对有机碳又发挥着物理保护作用。大团聚体是由多糖、作物根系和微生物菌丝体粘结微团聚体后形成的集合体,而微团聚体主要由有机-矿质复合体组成[4-5]。土壤团聚体的形成过程决定了土壤有机碳的稳定性,大团聚体( > 0.25 mm)中的有机碳以物理保护为主,周转速度较快[6],而被禁锢在大团聚体内、与矿物粘粒结合的微团聚体( < 0.25 mm)是有机碳长期固定和稳定的场所,这些微团聚体中的有机碳以化学保护为主,其成分主要为微生物来源的腐殖物质,具有较强的抗分解能力[5, 7]。土壤受到外界扰动时,大团聚体粒级的有机碳首先发生变化,微团聚体内的有机碳对外界环境的响应具有一定的滞后性[8]。
腐殖物质是土壤有机质的主体,在促进团聚体的形成与稳定中发挥着重要作用,由于腐殖物质具有特殊的高分子结构,不易被微生物分解利用,因此,腐殖物质被看作是维持团聚体稳定性的持久性有机质[9],腐殖酸和团聚体之间存在“双向分选”,即不同粒级团聚体中腐殖酸的数量与结构特征不同,腐殖酸性质上的差异又将会胶结形成不同粒级的团聚体[10-11]。腐殖物质的数量与结构特征体现了土壤有机碳的化学固定机制。根据团聚体层次模型,与大团聚体相比,微团聚体中应具有更高比例的腐殖酸含量[12],此外, < 0.053 mm粒级中胡敏酸分子缩合度较高,芳香性/脂族性比值较大,结构更复杂[13]。
施用有机肥是土壤培育的重要措施。有机肥的输入促进了土壤团聚体的形成,改变土壤有机碳在不同团聚体中的分配与组成特征,从而影响着土壤有机碳的固持能力,这种改变与有机肥的输入量密切相关。目前,关于团聚体有机碳分布与有机肥输入量之间的关系已开展了一定的研究,但由于土壤质地、有机碳背景值以及施肥量的差异导致所得结果不尽相同[14-15]。东北黑土是我国重要的商品粮生产土壤类型,以其土质肥沃和有机质含量高而闻名,由于有机物质输入不足,近些年来黑土有机碳的水平呈逐渐下降趋势[16],因此,研究有机肥输入量与土壤有机碳稳定性之间的关系对于提高黑土肥力和固碳能力具有重要意义。本文以黑龙江省海伦市国家野外科学观测研究站的长期定位试验为平台,选择连续10年化肥配施不同剂量有机肥处理的黑土为研究对象,系统探讨了黑土团聚体有机碳分布及其中腐殖酸的含量与光学特征,以期为阐明黑土有机碳的稳定机制与固碳潜力提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验土壤采集于黑龙江省海伦市国家野外科学观测研究站(N47°26′,E126°38′)试验区内,地处我国东北黑土带的中心区域,属于温带大陆性季风气候,年均温为1.5℃,年降雨量500~600 mm,无霜期130 d左右,年有效积温(≥10℃) 2450~2500℃。土壤为第四纪黄土状亚粘土发育而成的中厚黑土。
1.2 试验设计试验起始于2001年,本研究选择了4个施肥处理,分别为:1) OM0,化肥NPK,不施有机肥;2) OM1,NPK+有机肥Ⅰ[7.5 t/(hm2·a)];3) OM2,NPK+有机肥Ⅱ[15 t/(hm2·a)];4) OM3,NPK+有机肥Ⅲ [22.5 t/(hm2·a)],每个处理3次重复,小区面积为12 m × 5.6 m,随机区组排列。作物种植方式采用小麦-玉米-大豆轮作,一年一熟制,每年化肥用量为小麦N 75 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 30 kg/hm2,玉米N 120 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 30 kg/hm2、大豆N 20 kg/hm2、P2O552 kg/hm2、K2O 30 kg/hm2。有机肥为腐熟的猪粪,每年所施猪粪碳氮含量的平均值分别为265±15.1 g/kg和21±1.8 g/kg,有机肥于每年秋收后撒施于地表。
1.3 样品采集与分析土壤样品于2011年4月采集(2010年种植大豆)。每个试验小区按“梅花形”采样法共布设5个取样点,采集0-20 cm表层土样,将5个样点的重复样品混合成1个样品。采样完毕后,尽量减少运输过程中对土样的扰动,以免破坏土壤结构。将土样带回实验室,用手把大土块沿自然破碎面轻轻掰开,剔除土样中砾石、侵入体及有机体,待土壤样品完全风干后,备用。供试土壤理化性质见表 1。
| 表1 供试土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soils |
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土壤团聚体分级采用Six[6]和Puget[17]的湿筛法并加以改进,具体方法如下:100 g风干土缓慢湿润5 min,再浸入蒸馏水中糊化5 min,然后转移到筛组(5、2、1、0.5和0.25 mm)上,振幅3.8 cm,32 r/min,湿筛10 min,将 > 5 mm和2~5 mm组分合并得到 > 2 mm团聚体,将1~2 mm和1~0.25 mm组分合并得到2~0.25 mm团聚体, < 0.25 mm团聚体再过0.053 mm筛,分离得到0.053~0.25 mm和 < 0.053 mm团聚体。将所有团聚体组分转移到50 mL小烧杯,50℃烘干、称重。各粒级团聚体中碳含量通过元素分析仪(Elementar,Germany)测定。土壤团聚体平均重量直径采用以下公式计算:
MWD=∑Wi × Mi
式中,Wi为第i个粒级团聚体的平均直径,Mi为第i个筛子上团聚体的百分比。
腐殖物质的分组采用腐殖质组成修改法[18],腐殖酸的含量采用重铬酸钾氧化法测定。E4/E6比值为腐殖酸溶液在波长465 m和665 m光密度的比值。
1.4 统计分析所有试验数据采用Excel和Origin 8.5进行整理分析、绘图制作,利用SPSS17.0软件进行方差分析(AVOVA),用最小显著差数法(LSD)进行显著性检验。
2 结果与分析 2.1 化肥配施不同剂量有机肥下土壤团聚体的粒级分布化肥配施不同剂量有机肥对各粒级团聚体的分布有着显著影响(表 2)。 > 2 mm和2~0.25 mm粒级团聚体的分配比例均随着有机肥剂量的增加逐渐升高;相反,0.25~0.053 mm团聚体所占比例随着有机肥剂量的增加而逐渐降低,与OM0相比,OM1、OM2和OM3处理的降低幅度分别为2%、18%和24%; < 0.053 mm团聚体所占比例并未随着有机肥剂量的增加而发生显著变化。总体看来,土壤团聚体集中分布在2~0.25 mm粒级,其次为0.25~0.053 mm和 > 2 mm粒级, < 0.053 mm粒级所占比例最低,各处理下不同粒级团聚体分配比例之间的差异显著。平均重量直径(MWD)是评价土壤团聚体稳定性的指标。MWD值随着有机肥剂量的增加逐渐升高,与OM0处理相比,OM1处理下MWD值变化不显著,但OM2和OM3处理使MWD值显著增加。回归拟合表明,有机肥施用量与团聚体MWD值之间呈现显著的正相关关系(r=0.9706,P=0.03)。
| 表2 化肥配施不同剂量有机肥处理土壤团聚体的粒径分布比例(%)及其平均重量直径(MWD) Table 2 Percentage of aggregates in different size and their mean weight diameters (MWD) in soils amended with different rates of organic manure plus mineral fertilizer |
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化肥配施不同剂量有机肥显著改变了各粒级团聚体中有机碳的含量(图 1)。不同处理下, > 2 mm、2~0.25 mm和0.25~0.053 mm各粒级团聚体中有机碳含量的变化趋势一致,均随着有机肥剂量的增加逐渐升高,从 < 0.053 mm团聚体中有机碳含量来看,各处理之间的差异未达到显著水平。同一处理下,各粒级团聚体中有机碳含量以0.25~0.053 mm和 > 2 mm粒级最高,其次为2~0.25 mm粒级,而 < 0.053 mm粒级中有机碳的含量显著低于其他粒级。
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| 图1 化肥配施不同剂量有机肥处理土壤团聚体中有机碳含量 Fig. 1 Content of organic carbon in different size of aggregates in soils amended with different rates of organic manure plus mineral fertilizer [注(Note):柱上不同小写字母表示同一粒级不同处理间差异显著(P < 0.05) Different small letters above the bars indicate significant difference among treatments in the same size of aggregate at 0.05 level; 柱上不同大写字母表示同一处理不同粒级团聚体间差异显著(P < 0.05) Different capital letters above the bars indicate significant difference among different sizes of aggregates in the same treatment at 0.05 level.] |
化肥配施不同剂量有机肥对各粒级团聚体中有机碳的储存能力有着显著影响(表 3)。 > 2 mm和2~0.25 mm粒级中有机碳储量均随着有机肥剂量的增加而逐渐升高,且不同处理2~0.25 mm粒级有机碳储量之间差异显著,但0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm粒级中有机碳储量在不同处理之间的差异并不显著。从各粒级团聚体有机碳的分配比例来看,与OM0相比,有机肥施用增加了大团聚体( > 0.25 mm)有机碳的比例,但降低了微团聚体( < 0.25 mm)中有机碳的比例。土壤有机碳主要储存于2~0.25 mm粒级中,约占总有机碳的65.5%;其次为0.25~0.053 mm和 > 2 mm粒级,约占总有机碳的13.5%和8.7%; < 0.053 mm粒级的碳储量最低,仅占有机碳总量的3.2%。各处理不同粒级团聚体有机碳储量之间的差异均达到显著水平。
| 表3 化肥配施不同剂量有机肥处理土壤各粒级团聚体有机碳的储量与分配比例 Table 3 Organic carbon storage in different size of aggregates and the proportion in total organic carbon of soils amended with different rates of organic manure plus mineral fertilizer |
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化肥配施不同剂量有机肥处理后各粒级团聚体中腐殖酸碳(HC)的含量将发生明显变化(图 2)。与OM0相比,有机肥施用后 > 2 mm、2~0.25 mm和0.25~0.053 mm团聚体中HC的含量均明显增加,且随着有机肥剂量的增加逐渐升高;不同处理之间在 > 2 mm和2~0.25 mm粒级中HC含量上的差异显著,但在0.25~0.053 mm粒级HC含量上的差异不显著; < 0.053 mm粒级中HC的含量以OM2和OM3处理较高,二者间差异不显著,其次为OM1和OM0。总体来看,各粒级团聚体中HC含量以0.25~0.053 mm最高,其次是 > 2 mm和2~0.25 mm, < 0.053 mm中HC含量最低。
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| 图2 化肥配施不同剂量有机肥处理团聚体中腐殖酸碳的含量 Fig. 2 Humic carbon content in different size of aggregates of soils amended with different rates of organic manure plus mineral fertilizer [注(Note):柱上不同小写字母表示同一粒级不同处理间差异显著(P < 0.05) Different small letters above the bars indicate significant difference among treatments in the same size of aggregate at 0.05 level; 柱上不同大写字母表示同一处理不同粒级团聚体间差异显著(P < 0.05) Different capital letters above the bars indicate significant difference among different sizes of aggregates in the same treatment at 0.05 level.] |
从团聚体中HC占有机碳的比例来看(表 4),与OM0相比,有机肥处理对 > 2 mm粒级中HC所占比例的影响并不显著,虽增加了2~0.25 mm粒级中HC的比例,但各处理间的差异未达到显著水平;0.25~0.053 mm粒级中HC的比例随着有机肥剂量的增加逐渐下降;有机肥施用增加了 < 0.053 mm粒级中HC的比例,但OM1与OM0之间的差异不显著,OM2和OM3处理显著高于前两者。此外,同一处理各粒级团聚体之间在HC/OC比例上的差异均未达到显著水平。
| 表4 化肥配施不同剂量有机肥处理团聚体中腐殖酸碳占有机碳的比例(%) Table 4 Proportion of humic carbon in organic carbon of different size of aggregates in soils amended with different rates of organic manure plus mineral fertilizer |
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团聚体中腐殖酸的E4/E6比值对不同剂量有机肥处理的响应有所差异(图 3)。与OM0处理相比,有机肥施用增加了各粒级团聚体中腐殖酸的E4/E6比值,其中,有机肥处理下 > 2 mm和0.25~0.053 mm团聚体中腐殖酸E4/E6比值与OM0处理间的差异显著,但各有机肥处理之间的差异不显著;各处理间2~0.25 mm粒级中腐殖酸E4/E6比值的差异不显著;OM3处理下 < 0.053 mm粒级中腐殖酸的E4/E6比值显著高于其他处理。从同一处理不同粒级团聚体中腐殖酸的E4/E6比值来看,在OM0、OM1和OM2处理下,各粒级团聚体之间在腐殖酸E4/E6比值的差异并不显著,但OM3处理下,2~0.25 mm团聚体中腐殖酸E4/E6比值显著低于其他粒级。
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| 图3 化肥配施不同剂量有机肥处理下团聚体中腐殖酸的E4/E6比值 Fig. 3 E4/E6 ratio in different size of aggregate in soils amended with different rates of organic manure plus mineral fertilizer [注(Note):柱上不同小写字母表示同一粒级不同处理间差异显著(P < 0.05) Different small letters above the bars indicate significant difference among treatments in the same size of aggregate at 0.05 level; 不同大写字母表示同一处理不同粒级团聚体间差异显著(P < 0.05) Different capital letters above the bars indicate significant difference among aggregates in the same treatment at 0.05 level.] |
土壤团聚体的形成与有机质的含量密切相关。本研究表明,连续10年化肥配施有机肥增加了土壤总有机碳的含量,有利于大团聚体的形成,且随着有机肥施用量的增加,大团聚体的数量与团聚体的平均重量直径呈现逐渐上升的趋势,这与短期施用不同数量有机肥下黄绵土团聚体的变化规律相一致[19]。根系、真菌菌丝体和不稳定碳水化合物是形成大团聚体的胶结物质[20]。施用有机肥对于土壤团聚体形成与稳定的促进作用主要在于:一方面,施用有机肥增加了土壤肥力,有利于作物根系的生长,产生更多的根系分泌物,根系的穿插缠绕及根系分泌物的胶结作用有助于团聚体的形成和稳定[21];另一方面,土壤的胶结物质得以增加,加快了土壤大团聚体的团聚作用[22, 23]。与之相反,有研究表明,在有机质含量较高的潮棕壤上,连续8年过量施用有机肥[50 t/(hm2·a)]减少了 > 2 mm团聚体的分布[24],连续26年施用有机肥9 t/(hm2·a)降低了黑土团聚体的稳定性[25],产生这种负面作用的原因可能在于有机肥的输入降低了土壤容重、增加了土壤孔隙度,导致微生物活性增加,加快了大团聚内土壤有机碳的分解。本研究中施用有机肥的数量或是施肥年限远低于上述试验,因此,并未出现施用有机肥抑制大团聚体形成的现象。
长期定位试验研究表明,化肥配施有机肥不仅可以增加团聚体的数量,并且相应地增加了各粒级团聚体中有机碳的含量[26]。本研究指出, > 2 mm、2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级中有机碳含量随着有机肥剂量的增加而逐渐升高,但 < 0.053 mm粒级中有机碳的含量虽有增加,但变化并不显著。Gulde等[27]和Stewart等[28]通过试验提出土壤有机碳的等级饱和模型,即土壤有机碳碳浓度与碳输入量呈非线性相关,随着碳输入量的增加,小粒级的团聚体首先饱和,大粒级的团聚体后饱和,最终土壤碳库达到饱和。本研究中 < 0.053 mm团聚体中有机碳含量维持在较稳定的水平,是否由于小粒级团聚体已达到或接近饱和水平所导致的,仍需要进一步的研究来证明。通常大团聚体是由微团聚体通过有机质胶结而形成的,因此其有机碳含量高于微团聚体,但值得注意的是,本研究中由于团聚体有机碳的浓缩效应[29],导致黑土中0.25~0.053 mm团聚体中有机碳的含量与大团聚中有机碳含量之间的差异并不显著。
在耕作土壤中,大团聚体是最易受到扰动的部分,这部分团聚体的周转与土壤有机碳的存储密切相关。本研究中,随着有机肥剂量的增加,大团聚体( > 0.25 mm)中有机碳的储量逐渐升高,微团聚体( < 0.25 mm)中有机碳的储量并未发生显著变化,说明增施有机肥促进了土壤新碳在大团聚体中的积累。此外,对于黑土而言,2~0.25 mm团聚体是土壤有机碳的主要贮存场所,占土壤总有机碳含量的55.6%~72.7%,这与李海波等[30]的研究结果一致。而刘中良等[24]指出潮棕壤下0.25~0.053 mm团聚体是土壤有机碳的主要贮存场所,占有机碳储量的40%~54%,产生这一差异的原因可能在于土壤有机质背景值与土壤质地的不同。
腐殖物质是土壤团聚体形成的重要胶结物质,以腐殖酸形式存在的碳素具有更强的稳定性,其含量升高预示着土壤对碳有着更强的固持能力。本研究中化肥配施有机肥增加了各粒级团聚体中腐殖酸碳的含量,且高量有机肥对团聚体中腐殖酸碳的提升效果更为突出,说明增施有机肥提高了团聚体对有机碳的固持能力。团聚体层次模型指出[31],持久性有机物即腐殖质与原生颗粒复合形成微团聚体,而临时性(根系和真菌)和瞬时性有机物(根系和微生物分泌物)发挥着促进微团聚体聚合形成大团聚体的作用。与之相反,一些研究表明在农田土壤中,大团聚体中腐殖酸的含量及其占有机碳的比例显著高于微团聚体,认为经过农耕干扰之后,土壤腐殖酸从某种程度上可以被看做是一种临时性的团聚体胶结物质[32-33],本研究的结果也证明了这一论点,即 < 0.053 mm团聚体中腐殖酸碳的含量显著低于其他粒级,同时各粒级团聚体中腐殖酸碳占有机碳比例之间的差异并不显著。
腐殖物质胶结作用的发挥不仅与其数量相关,同时也取决于其结构特征。外源有机物质进入土壤后,将积极地参与土壤腐殖酸的形成与转化,随着施肥年限的增加,这些物质一部分通过矿化而损失,仅有一些抗分解组分长期积累于土壤腐殖物质中[34-35]。腐解化程度较高的有机物质形成具有高分子量的腐殖酸,而分子量较低的腐殖酸则来源于新鲜的有机物质。通常E4/E6比值与腐殖酸的分子量和芳构化程度成反比,即E4/E6比值越高,腐殖酸的分子量小,分子结构趋于简单化[36]。本研究中10年连续化肥配施有机肥导致各粒级团聚体中腐殖酸的E4/E6比值增加,表明腐殖酸的分子量减小,结构简单化,且高量有机肥的作用效果更为明显。新鲜有机物频繁地参与到大团聚体的形成过程中,使得大团聚体内的腐殖质“年轻化”,分子结构相对简单,但由于长时间的储存和较少干扰,微团聚体中的腐殖质结构比大团聚体“老”[13]。本研究中各粒级团聚体之间在E4/E6比值上并未表现出显著的差异性,究其原因可能在于长期耕作的扰动,使耕层土壤各粒级团聚体中腐殖酸的结构表现出“趋同现象”。
4 结论1) 连续10年化肥配施有机肥增加了土壤中大团聚体的分配比例,提高了土壤团聚体的稳定性,有利于土壤良好团粒结构的形成,且随着有机肥剂量的增加,大团聚体的比例与团聚体平均重量直径呈现逐渐增加的趋势。
2) 2~0.25 mm团聚体是黑土有机碳的主要贮存场所,占土壤有机碳总量的64.8%~68.8%。连续10年化肥配施有机肥增加了 > 2 mm和2~0.25 mm团聚体中有机碳的含量与储量,且二者随着有机肥剂量的增加呈现逐渐升高的趋势。
3) 连续10年化肥配施有机肥提高了各粒级团聚体中腐殖酸碳的含量,使各粒级团聚体对有机碳的固持能力增加,且各粒级团聚体中腐殖酸碳的含量随着有机肥剂量的增加逐渐升高。从各粒级团聚体腐殖酸碳占有机碳比例来看, < 0.053 mm团聚体中腐殖酸碳含量显著低于其他粒级,且各粒级团聚体中腐殖酸碳占有机碳的比例之间差异并不显著,从某种程度上说明腐殖酸并非形成微团聚体的主要胶结物质。
4) 连续10年化肥配施有机肥使各粒级团聚体中腐殖酸的分子量减小,结构趋于简单,有利于土壤肥力的提升,且高量有机肥[22.5 t/(hm2·a)]的效果更明显。
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