土壤团聚体组成与有机质含量是表征土壤结构状况和肥力水平的重要指标。土壤团聚体是土壤的重要组成部分,参与土壤多个物理化学过程[1],其数量和质量直接影响土壤理化性质和肥力高低[2]。土壤有机碳是土壤养分循环及营养供应的核心物质,对增强土壤颗粒团聚性、促进团粒结构形成具有重要作用[3–5]。研究不同施肥处理对土壤团聚体组成及其有机碳、全氮含量与分配比例的影响,可为阐明土壤有机碳及养分的循环和转化供应机制,揭示施肥条件下土壤肥力形成和变化规律提供参考。不少学者通过长期定位试验研究了施肥对团聚体分布及其有机碳、氮的影响,发现施用有机肥或有机无机肥配施可显著增加大团聚体的含量[6]及土壤全层有机碳库,有机碳主要向 > 0.25 mm 的团聚体富集[2, 7–9]。研究发现土壤有机碳和全氮主要储存于 < 0.25 mm 的微团聚体[10]中,约 70% 的有机碳储存在 < 0.053 mm 团聚体中[11],0.25~0.053 mm 微团聚体含量不受施肥影响[12]。施有机肥并没有显著提高各粒级团聚体中氮的含量[13]。显然施肥对不同团聚体中有机碳、氮含量的影响并不一致,这些差异可能与施肥水平、施肥历史、作物体系、土壤性质以及气候差异有关。棕壤是我国东北地区的主要耕作土壤,主要轮作方式是一年一熟制玉米–玉米–大豆轮作。长期施用有机肥和化肥对棕壤团聚体形成及不同粒级团聚体中有机碳、氮含量影响的研究较少。
研究长期不同施肥处理对棕壤团聚体分布、团聚体各粒级中有机碳、全氮含量,及其在团聚体中的分配比例的影响,为培肥和改良土壤提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于沈阳农业大学后山科研基地 (北纬 40°48′,东经 123°33′),属于温带湿润–半湿润季风气候,年平均气温 7.0~8.1℃,10℃ 以上积温 3300~3400℃,无霜期 140~180 天。5~9 月平均气温 20.7℃,适于玉米、大豆等大多数农作物的生长。该地区春季降雨少,6~8 月雨量充沛,作物生长季 (4~9 月) 降雨量平均 547 mm。试验地土壤为发育于黄土母质的典型棕壤,1979 年试验前土壤基本理化性状:有机质 15.90 g/kg、全氮 0.80 g/kg、全磷 0.38 g/kg、全钾 21.1 g/kg、碱解氮 105.5 mg/kg、有效磷 6.5 mg/kg、速效钾 97.9 mg/kg、土壤 pH 6.5 (土水比 1∶2.5)。
1.2 试验设计棕壤肥料长期定位田间试验始于 1979 年,共 28 个处理组合,作物轮作方式为玉米–玉米–大豆,1994 年因修高速公路,将田间试验改为微区试验,微区面积为 2 m2。本研究选用微区 2014~2015 年 (玉米) 试验的 6 个处理:不施肥 (CK);单施化肥 (NPK);低量有机肥 (M1);低量有机肥与化肥配施 (M1NPK);高量有机肥 (M2);高量有机肥与化肥配施 (M2NPK)。
试验用肥料:氮肥为尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为硫酸钾,有机肥为猪厩肥,其不同年份有机质平均含量为 119.6 g/kg,全 N 为 5.6 g/kg,P2O5 为 8.3 g/kg,K2O 为 10.9 g/kg。每年施肥量:低量有机肥 (M1) 为 13.5 t/hm2,高量有机肥 (M2) 为 27 t/hm2;所有处理玉米季施肥量为氮 (N) 120 kg/hm2,磷 (P2O5) 60 kg/hm2,钾 (K2O) 60 kg/hm2;大豆季施肥量为氮 (N) 30 kg/hm2,磷 (P2O5) 90 kg/hm2,钾 (K2O) 90 kg/hm2。所有肥料播前一次性施入,施肥方式为撒施,后翻入 20 cm 土层。大豆和玉米均无灌溉,生育期间进行常规田间管理,收获时作物地上部分全部移走。
1.3 土壤样品采集与测定2015 年 (玉米) 收获后,用直径为 5 cm、高度为 5 cm 的环刀,分别采 0—20 cm,20—40 cm 土层的原状土,每区取三点。将采集后的原状土在室内沿其自然结构轻轻掰成小土块,过 10 mm 筛,自然风干。
水稳性团聚体的分级测定采用湿筛法[14–15]:将不同孔径的筛子按孔径大小依次按顺序排好 (2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.053 mm 5 个筛子,大孔径在上,小孔径在下),四分法取 50 g 风干原状土置于套筛的最大孔径筛上,然后将套筛放于装有自来水的桶中,水不可漫过最大孔径筛的边缘,静置 5 min 后,振幅 4 cm,频率 30 r/min,上下震动 5 min,重复三次,震后取下筛子,并将各筛上的土壤洗出,分别转入已知重量的烧杯中,56℃ 鼓风干燥箱烘干,放入干燥器中,冷却后称重,因 2 mm 筛上的土壤约 90% 为石砾,所以将其与 1 mm 筛上的土壤混合,即得到 > 1 mm、1~0.5 mm、0.5~0.25 mm、0.25~0.053 mm、< 0.053 mm 的土壤水稳性团聚体质量。将 > 0.25 mm 团聚体称为大团聚体,0.25~0.053 mm 为微团聚体,< 0.053 mm 为黏粉粒。土壤团聚体有机碳 (SOC)、全氮 (TN) 采用元素分析仪 (Elementar III, Germany) 测定。
1.4 数据处理与分析利用邱莉萍[16]的计算方法计算各粒级团聚体 SOC、TN 的贡献率:
团聚体的贡献率 (%) = [该粒级团聚体养分含量 (g/kg) × 该粒级团聚体含量 (%)/土壤养分含量] × 100
采用 EXCEL 2016,2007 处理数据并制图,SPSS 19.0 进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 长期不同施肥对土壤水稳性团聚体数量分布的影响长期不同施肥改变了团聚体的分布,且对 0—20 cm 的影响大于 20—40 cm。如图 1 所示,0—20 cm 土层,CK 处理各粒级团聚体含量大小依次为 > 1 mm (2.1%)、1~0.5 mm (9.9%)、0.5~0.25 mm (23.0%)、0.25~0.053 mm (12.6%) 和 < 0.053 mm (52.7%)。与 CK 相比,施有机肥显著提高 > 1 mm 团聚体的含量,显著降低了 0.25~0.053 mm 团聚体含量 (除 M2NPK 处理);NPK 处理显著降低了 1~0.053 mm 团聚体含量,增加了粘粉粒含量。与 NPK 处理相比,施有机肥不仅增加了 > 1 mm 团聚体含量还增加了 1~0.5 mm 团聚体含量,除 M2NPK 处理降低粘粉粒含量外,其他处理差异不显著。与 M1 处理相比,M1NPK 处理各粒级团聚体含量无明显差异,M2、M2NPK 处理增加了 1~0.25 mm 团聚体含量,M2NPK 处理增加了微团聚体含量,减少黏粉粒含量。20—40 cm 土层,与 CK 相比,NPK 处理显著降低了 1~0.5 mm、0.25~0.053 mm 团聚体含量,对其他粒级影响不明显;M1、M2 处理显著增加了 > 1 mm 团聚体含量,增幅分别为 32.6% 和 46.2%,M1 处理降低了 1~0.5 mm 团聚体含量而 M2 处理显著降低了 0.25~0.053 mm 团聚体含量;M1NPK、M2NPK 处理显著增加了 > 1 mm 团聚体含量,分别增加 28.6% 和 38.1%,降低了 0.25~0.053 mm 团聚体含量,分别降低 32.6% 和 40.5%,同时,M1NPK 处理降低了 1~0.5 mm 团聚体含量,其他粒级与 CK 差异不显著。
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长期不同施肥显著影响各土层水稳性团聚体有机碳 (SOC) 含量 (表 1),且团聚体中的 SOC 含量与土壤中的 SOC 含量有差异 (表 2),各处理土壤 SOC 含量大致与 0.5~0.25 mm 团聚体相近。SOC 含量均随土层深度的增加有降低的趋势。就不同大小团聚体而言,同一处理 SOC 含量均随粒级减小而降低,即 > 1 mm 最高,< 0.053 mm 最低。
在 0—20 cm 土层,CK 团聚体 SOC 含量随粒级减小,分别为 15.67、10.36、10.36、8.68、8.32 g/kg,NPK 处理与 CK 相比团聚体 SOC 含量除 1~0.5 mm 和微团聚体外增加不显著,增幅为 8.4%~52.2% (除 0.5~0.25 mm 有微量减少外);M1、M2、M1NPK、M2NPK 处理显著高于 CK,增幅分别为 41.7%~127.8%、61.9%~179.0%、26.0%~104.0% 和 62.0%~179.0%;且 M2NPK 处理显著高于 M1NPK 处理,M2 处理比 M1 处理虽有些粒级差异不显著,但大体呈增加趋势;与 NPK 处理相比,M1、M2、M1NPK、M2NPK 处理团聚体 SOC 含量同样显著增加了 30.7%~60.5%、48.1%~92.4%、8.8%~87.9% 和 49.3%~97.1%。与 M1 处理相比,M1NPK 处理除 < 0.053 mm 增加外其他粒级 SOC 均减少;M2 与 M2NPK 处理除 1~0.5 mm 外差异不显著。
20—40 cm 土层,各处理团聚体 SOC 含量变化趋势与 0—20 cm 土层类似,总体上 CK 与 NPK 处理,M1 与 M1NPK 处理,和 M2 与 M2NPK 处理组间差异显著,且 SOC 含量依次增加,组内处理间差异不显著 (除个别几个不符外)。M1、M2 处理显著高于 CK,增幅分别为 41.7%~127.8% 和 61.9%~179%,且 M2 处理显著高于 M1 处理 (除 0.5~0.25 mm 差异不显著);M1NPK、M2NPK 处理团聚体 SOC 含量显著高于 CK,且 M2NPK 处理显著高于 M1NPK 处理;与 M1 处理相比 M1NPK 处理 SOC 有下降趋势,而 M2 处理与 M2NPK 处理无显著差异。
2.3 长期不同施肥对不同粒级团聚体全氮含量的影响长期不同施肥显著影响土壤团聚体各粒级全氮含量 (表 3),且土壤全氮含量在 1~0.25 mm 两个粒级团聚体附近 (表 2)。与 SOC 类似,全氮随土层深度增加有逐渐减小的趋势,相同处理全氮均随粒级减小而降低,即 > 1 mm 最高,< 0.053 mm 最低。
0—20 cm 土层,与 CK 相比,NPK 处理全氮增加不显著 (除 1~0.5 mm、0.25~0.053 mm 显著增加外);M1、M2 处理全氮显著增加,增幅分别为 42.4%~116.5% 和 77.2%~216.5%,且 M2 处理显著高于 M1 处理 (除 1~0.5 mm 外);M1NPK、M2NPK 处理全氮含量也显著增加,增幅为 39.1%~140% 和 78.3%~169.7%,且 M2NPK 处理显著高于 M1NPK 处理;与 M1 处理相比,M1NPK 处理全氮减小,前三个粒级差异显著,后两个粒级不显著;M2 处理与 M2NPK 处理差异不显著。20—40 cm 土层,与 CK 相比,NPK 处理全氮差异不显著,M1、M2 处理显著增加,增幅为 18.8%~46.0% 和 47.5%~81.0%,且 M2 处理显著高于 M1 处理;M1NPK、M2NPK 处理全氮含量也显著增加,增幅为 18.8%~46.0% 和 48.9%~92.0%,且 M2NPK 处理显著高于 M1NPK 处理;M1 处理与 M1NPK 处理差异不显著;与 M2 处理相比,M2NPK 处理除两个粒级全氮有所增加外其他粒级差异不显著。
长期不同施肥在一定程度上改变了土壤 SOC 在团聚体中的分配比例 (图 2),且对 0—20 cm 土层的影响较大,主要分布在 < 0.053 mm 团聚体中,> 1 mm 团聚体中 SOC 分配比例最低。
在 0—20 cm 土层,与 CK 相比,NPK 处理显著提高了 < 0.053 mm 团聚体 SOC 分配比例,由 55% 提高到 72%,显著降低了 1~0.5 mm 团聚体 SOC 分配比例,其他粒级团聚体与 CK 无显著差异;M1 处理显著提高 > 0.5 mm 团聚体 SOC 分配比例,其他粒级该比例与 CK 相似;而 M2 处理显著提高了 > 0.25 mm 粒级团聚体 SOC 分配比例,且该处理中 > 1 mm、1~0.5 mm 团聚体 SOC 分配比例较 M1 处理分别提高 4.4% 和 3.2%;M1NPK 处理较 CK 显著降低 1~0.5 mm 团聚体 SOC 分配比例,而 M2NPK 处理显著提高了该粒级团聚体 SOC 分配比例,且 > 1 mm 与 0.5~0.25 mm 团聚体 SOC 分配比例也显著提高,分别提高了 5.1%、5.6% 和 13.1%,其他粒级团聚体 SOC 分配比例与 CK 差异不显著。与 NPK 处理相比,M1NPK 处理仅显著提高 0.5~0.25 mm 团聚体 SOC 分配比例,M2NPK 处理显著提高前三个粒级团聚体 SOC 分配比例,显著降低 < 0.053 mm 团聚体 SOC 分配比例;M2NPK 处理较 M1NPK 处理显著提高 > 0.25 mm 三个粒级团聚体 SOC 分配比例,显著降低 < 0.053 mm 团聚体 SOC 分配比例。
在 20—40 cm 土层,长期不同施肥均显著提高 > 1 mm 团聚体 SOC 分配比例,除 NPK 处理显著降低了 1~0.5 mm 团聚体 SOC 分配比例外,其他处理均与 CK 无显著差异。
2.5 长期不同施肥对团聚体各粒级全氮分配比例的影响长期不同施肥对团聚体中全氮分配比例的影响与 SOC 类似,如图 2 所示,不同土层全氮仍主要分布在 < 0.053 mm 粒级团聚体。
在 0—20 cm 土层,与 CK 相比,NPK 处理显著降低 > 0.25 mm 团聚体全氮分配比例,显著提高 < 0.053 mm 团聚体全氮分配比例,其他粒级团聚体全氮分配比例与 CK 无显著差异;单施有机肥显著提高 > 0.5 mm 团聚体全氮分配比例,M1 处理提高 5.6%,M2 处理提高 9.2%,且 M2 处理处理显著高于 M1 处理;有机无机配施与 CK 相比,M1NPK 处理显著提高 > 1 mm 与 0.25~0.053 mm 团聚体全氮分配比例,提高 1.8% 与 7.2%;M2NPK 处理显著提高了 > 0.5 mm 团聚体全氮分配比例,分别提高了 5.5% 和 3.7%,且在 M1NPK 处理的基础上,增施有机肥 (M2NPK) 处理也显著提高该两个粒级全氮分配比例,同时降低 0.25~0.053 mm 团聚体全氮分配比例。
在 20—40 cm 土层,与 CK 相比,NPK 处理显著降低 > 0.5 mm 团聚体全氮分配比例;长期施有机肥显著增加 > 1 mm 团聚体全氮分配比例,M2 显著提高了 > 0.25 mm 团聚体 TN 分配比例。
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本研究表明,同一土层团聚体主要分布在黏粉粒中 (40% 以上),这在胡阳等、杜立宇等的研究中得到验证[14, 17–19],但安婷婷等 2007 年的研究结果不同[20],其团聚体主要分布在微团聚体中 (60%~70%),可能与连年种植作物导致土壤结构退化有关。土壤有机质含量降低会使直径较大的水稳定性团聚体的百分含量降低[21–22],本研究中 NPK 处理显著减少了大团聚体与微团聚体的含量,团聚体向 < 0.053 mm 团聚体集中,冷延慧等[23]在对施肥 20 年后棕壤团聚体分布及碳储量变化的研究中也得出相同结论。施粪肥和秸秆能增加大团聚体含量,并提高团聚体的稳定性[24–26],本研究与 CK 和 NPK 处理相比,M1、M2 与 M1NPK、M2NPK 处理显著提高 > 1 mm 团聚体的数量,且随有机质输入的增加,大团聚体含量也逐渐增加。
本试验结果表明,0—20 cm 土层团聚体 SOC 含量明显高于 20—40 cm 土层,这与多数研究结果一致[2, 15],这可能是由于肥料主要施于 0—20 cm。因此,施肥对团聚体 SOC 的影响也呈 0—20 cm 大于 20—40 cm 的趋势。另外,随团聚体粒径的减小,SOC 含量逐渐降低,SOC 在 > 0.25 mm 的各粒级团聚体中含量最高,占 65% 以上,陈晓芬等[3]发现各施肥处理 SOC 在 2~1 mm 团聚体中的含量最高。Cheshire[27]对土壤多糖与水稳性团聚体做了较深入的研究后指出,团聚作用与土壤有机质之间的关系实际上是团聚作用与土壤多糖之间的关系。所以这可能是由于土壤有机质中松散状胶结物质[28]或多糖与土壤较小颗粒发生团聚作用形成了较大粒径的团聚体,因而大粒级团聚体中 SOC 含量较多。与 CK 相比,NPK 处理 SOC 含量无明显变化,而 M1、M1NPK 及 M2、M2NPK 处理均显著提高了团聚体中 SOC 的含量,这与郭菊花等[7]研究水稻土团聚体长期施肥试验中 NPK 处理对团聚体 SOC 含量没有影响而 NPK + OM 处理显著增加团聚体 SOC 含量的结果一致。李辉信等[2]也观察到红壤性水稻土长期施氮磷钾,团聚体 SOC 含量较 CK 无显著差异。表土中近 90% 的土壤 SOC 位于团聚体内[29],而外源有机质的输入增加了土壤有机质含量,有机质中的胶结物质与土壤颗粒形成团聚体[30],继而增加了团聚体中 SOC 的含量,这一观点解释了施有机肥显著增加团聚体中 SOC 含量的现象。刘中良等[31]对不同有机厩肥输入量对团聚体有机碳含量影响的结果表明,团聚体有机碳含量随有机厩肥输入量的增加而不断增加,本研究的结果与其相符。与 M1 处理相比,M1NPK 处理 SOC 含量降低,而与 M2 处理相比 M2NPK 处理 SOC 含量增加,这可能是由于土壤养分的供给促进了微生物对有机碳的部分降解导致[32]。
棕壤 SOC 主要贮存在 < 0.053 mm 的黏粉粒中,分配比例占 40% 以上,这与该粒级团聚体百分含量较高有关[33]。本试验结果表明,与 CK 相比,NPK 处理显著增加了 < 0.053 mm 团聚体 SOC 分配比例,降低了 1~0.5 mm 团聚体 SOC 分配比例,而 M1NPK 与 M2NPK 处理在 NPK 处理的基础上依次不断增加 0.5~0.25 mm (M1NPK)、1~0.5 mm 及 > 1 mm 团聚体 SOC 分配比例,且 M2NPK 中 > 0.25 mm 团聚体储碳比例最高,达 49.72%。M1 在 CK 基础上同时增加了以上三个粒级团聚体 SOC 分配比例,M2 处理又显著高于 M1 处理,说明随有机质输入团聚体的储碳比例逐渐向大团聚体靠拢,这与闫颖等[34]的长期施用有机肥砂粒级有机碳和氮的富集系数升高的结果一致,与陈晓芬等[3]在红壤水稻土上施用有机肥提高了 > 0.25 mm 团聚体有机碳对全土的贡献率,达 45%~63% 的结果相近。另外,团聚体碳、氮的相关性显示二者存在极显著正相关,表明土壤团聚体 TN 的变化趋势与 SOC 类似。本研究发现,长期不同施肥其微团聚体 (0.25~0.053 mm) SOC 的储存比例几乎无变化,而其原因尚不清楚,且输入的有机肥增加了 SOC 中的哪一组份从而增加了在团聚体中的储存比例也不明确,有待进一步探究。
4 结论棕壤长期不同施肥对团聚体分布及其碳氮的影响 0—20 cm 大于 20—40 cm,随土层深度的增加大团聚体含量降低,黏粉粒含量增加,有机碳、全氮含量减少。长期施用氮磷钾化肥显著提高了黏粉粒的含量及 SOC 分配比例,对有机碳、全氮含量无明显影响;M1、M2 处理增加了 > 1 mm 团聚体数量及其 SOC 含量和 > 0.25 mm 各粒级团聚体 SOC 分配比例,并且随着有机肥输入的增加,M2 处理相对 M1 处理有显著促进作用;M1NPK、M2NPK 处理同样增加了 > 1 mm 团聚体数量及其 SOC 含量,M1NPK 与 M2NPK 处理在 NPK 处理的基础上依次不断增加 0.5~0.25 mm (M1NPK)、1~0.5 mm 及 > 1 mm 团聚体储碳贡献率,M2NPK 处理 > 0.25 mm 团聚体储碳比例最高。在施用化肥的基础上配施高量有机肥可大幅度提高土壤大团聚体的数量、SOC、TN 含量及其储碳、储氮比例,这是土壤质量提高与结构改善的体现,是培肥与改良土壤的重要特征。
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