減少溫室氣體排放和增加碳匯是應對氣候變化的首要途徑。研究表明少免耕、秸稈及其他有機物料還田等適當的農作措施可以增加農田土壤固碳,其中有機肥或其他物料還田可以增加土壤固碳量達50~150kg/hm2。中國是目前世界上農業廢棄物料產出量最大的國家,每年農作物秸稈總產量約為6.5億t,畜禽糞便產生量約為17.3億t,還有約0.457億t食用菌菌渣等有機廢棄物,約合7億t的標準煤。然而目前這些廢棄物并沒有得到合理利用,據統計每年僅有15%造肥還田,剩余部分只有少量作為飼料和工業原料,綜合利用率不到40%。加強農業有機廢棄物料還田不僅能促進廢棄物的資源化利用,還能促進土壤固碳,提高土壤質量,是循環農業發展的重要途徑之一。

土壤團聚體和土壤有機碳濃度是反映土壤類型、環境、植 株 類 型 以 及 土 壤 管 理 措 施 的 綜 合 指標。前人研究已證實團聚體的包裹大大降低外源有機質的分解速率,被認為是土壤碳固定的最重要機制;另一方面,土壤有機質是團聚體形成的基礎,物料加入土壤促進水穩性團聚體的增加。

Aoyama等通過18年牛糞還田試驗發現牛糞處理有利于土壤較大團聚體對C的保護作用,之后又采用13C標記葡萄糖培養試驗證實了糞肥促進大團聚體的轉化形成礦質結合態復合體。

然而也有研究認為物料品質并不影響TOC的穩定機制,不過隨著物料品質的提高加速了物料分解以及物源C與團聚體的并合。

許多研究認為有機質與微團聚體尤其是大團聚體中的微團聚體的并合是土壤有機質長期穩定的重要途徑。Six等提出的團聚體模型中指出表現為有機質分解的大團聚體轉化影響短期的養分循環以及土壤有機碳的長期穩定。國內外許多研究都認為無機養分主要是N素有利于土壤有機碳含量的增加。不同C/N物料施入后改變了土壤原來的N素水平從而影響團聚體的轉化。一般地,C/N低的物料加快大團聚體的轉化,更容易釋放出養分;對于C/N較高的物料,活性N含量相對低限制微生物的新陳代謝。但加入外源N后可改變N源不足的狀況,促進微生物活動加快有機質的分解。因此土壤中的C和N是影響團聚體形成和穩定的關鍵因素,對土壤固碳起著重要作用?；诖?本研究通過測定土壤水穩性團聚體及團聚體結合C、N含量比較來源于不同系統的有機廢棄物料還田對土壤團聚體以及土壤TOC和N含量影響并分析不同粒徑土壤顆粒對土壤C和N作用,以期為促進有機廢棄物料還田應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點試驗地點位于河北省中國農業大學吳橋實驗站\\(北緯37°41′,東經116°37′\\)。該地區年均降雨量562mm,主要分布在6—8月份。年平均氣溫為12.9 ℃,全年積溫 \\(≥0 ℃\\)為4 826 ℃,無霜期201d,年日照時數為2 724h。土壤為沖積型鹽化潮土,土壤質地為典型粉砂壤土\\(美國制\\),具體性質如表1,灌溉水電導率為0.1S/m,pH8.25?！颈?】

1.2 試驗設計與方法試驗選用5種來源于不同系統的有機物料配施無機肥進行還田,外加3個無物料還田的處理,共8個處理,分別為:

1\\)麥\\(玉米\\)秸+無機肥\\(CS\\);2\\)沼渣+無機肥\\(BR\\);3\\)菌渣+無機肥\\(MR\\);4\\)酒渣+無機肥\\(WR\\);5\\)豬糞+無機肥\\(PM\\);6\\)單施無機肥\\(CF\\);7\\)不施加有機物料和無機肥\\(CK\\);8\\)裸地,不施加有機物料和無機肥也不種植作物\\(FL\\),其中秸稈來自農田系統,沼渣來自能源系統,菌渣來自種植系統,酒渣來自農產品加工系統,豬糞來自畜牧系統。每個處理設置3次重復,隨機區組排列。

小區面積為4m×6m。試驗于2010年6月開始種植作物,種植制度為夏玉米-冬小麥輪作。各物料處理配施與無機肥處理等量的N、P和K肥,施用標準為:150、26和124kg/hm2,肥料品種對應為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。有機物料等C量投入,按照循環的理念投入的C量用上一季秸稈處理地上部分收獲秸稈所含碳為標準進行還田,2010年夏玉米-冬小麥與2011年夏玉米-冬小麥4個種植季還C量分別為2 362、2 302、1 220和2 841kg/hm2,物料品質見表2。各 季 通 過 物 料 投 入 大 田 的N量 見表3?！颈?-3】

1.3 研究方法1\\)樣品采集于2012年6月小麥成熟后采集土樣。按“w”形分0~10和>10~20cm進行5點取樣,每小區同層土樣混合為一個土樣。

2\\)土壤水穩性團聚體。將土樣從田間取回以后,用手沿土壤自然破碎面掰開,當含水量達到塑限時,過8 mm篩 備 用。 水 穩 定 性 團 聚 體 參 照Elliott[38]的方法,將2、0.25和0.053mm各級套篩放在盛有去離子水的圓桶中,水面沒過2mm篩上沿。稱取2份過8mm風干土50g,土樣放入置于水桶中的2mm篩目表面,浸泡5min后,上下振蕩2min\\(機械式,振幅3cm,頻率30次/min\\),保證震蕩全過程篩面在水面以下,收集留在篩面的土壤,再取下2mm篩;用同樣方法依次收集0.25和0.053mm篩面土壤,60 ℃烘干稱重,室溫下保存備用。即依次分離出超大團聚體\\(LMa:2~8mm\\),較小大團聚體\\(SMa:0.25~2 mm\\),微團 聚 體 \\(Mi:0.053~0.25mm\\)三級 團 聚 體 以 及 粉 粒 和 粘 粒 \\(S+C:<0.053mm\\)組分。利用各級穩定性團聚體質量分數換算平均重量直徑\\(MWD\\)?！?】

式中:珚x代表第i級團聚體的平均粒徑,Wi代表第i級團聚體的質量,Wt代表土樣的質量,n代表團聚體級數。

3\\)大團聚體內微團聚體的分離參照Chivenge等的方法,在水穩性團聚體初步分級以后,將LMa與SMa按比例混合。取混合后的大團聚體\\(Ma:0.25~8mm\\)5~6g于室溫下在50mL去離子水中浸泡20min后,置于0.25mm的網篩上并加上50個玻璃珠\\(半徑為4mm\\),在連續水流下于互動搖床上以250r/min速度振蕩5min,用0.053mm的篩收集流下物質,并用蒸餾水沖洗在60℃下烘干稱重,收集于0.053mm篩面上的物質即為大團聚體內的微團聚體\\(Mm:0.053~0.25mm\\),收集的流過0.053mm篩的物質為大團聚體內的粘粉粒\\(Ms+c:<0.053mm\\)。

4\\)土壤C、N分析將收獲后的土壤、水穩性團聚體分離的后各粒徑土壤以及微團聚體分離后的土壤進行C、N分析。

C含量采用重鉻酸鉀外熱法測定,N含量采用凱氏定氮法測定。

5\\)團聚體結合態TOC、N計算。土壤不同粒徑結合態TOC、N及微團聚體結合態TOC、N含量計算按以下公式進行【2-3】

式中:TOCxi代表第i級團聚體所結合的TOC含量\\(全土\\),g/kg;CCi代表第i級團聚體分離后的有機碳密度\\(團聚體土壤\\),g/kg;WPi代表第i級團聚體的質量分數,%;Nxi是第i級團聚體所結合的N含量\\(全土\\),g/kg;CNi代表第i級團聚體分離后的N密度\\(團聚體土壤\\),g/kg。

1.4數據分析對結果用Excel進行整理和初步分析,用SAS8.2進行方差分析,多重比較采用Duncan檢驗,顯著水平P<0.05。相關分析采用SAS 8.2進行。

2 結果與分析

2.1不同物料還田對團聚體分級比例和穩定性的影響由表4所示,與無機肥相比,有機物料處理總體上提高了土壤團聚體的穩定性;0~10cm和>10~20cm土壤MWD值平均較無機肥分別高31%和9%,比不施肥分別高出38%和18%,而較裸地則分別要低18%和6%。這表明有機物料還田對0~10cm土壤MWD的效果強于>10~20cm。5種物料的MWD值總體表現為酒渣>秸稈>菌渣>豬糞>沼渣,但僅酒渣與沼渣存在顯著性差異\\(P<0.05\\)。

各團聚體的質量分數隨著團聚體粒徑的減小而加大。由于供試土壤為粉砂壤土,土壤中粉粘粒含量占主要部分,即物料還田土壤中的S+C仍是土壤的主要組成部分。相對于Mi和S+C,土壤的大團聚體\\(包括LMa和SMa\\)具有較大的變異系數,表明大團聚體對處理措施的更為敏感。由表4可知,有機物料處理0~10和>10~20cm土壤的大團聚體含量平均較無機肥分別高45%和23%,較不施肥分別高57%和41%。物料間,酒渣處理的大團聚體含量最高,平均較秸稈、豬糞、菌渣、沼渣處理高37%、74%、76%和204%。有機物料處理同樣促進了土壤Mi含量,0~10cm層與>10~20cm層分別比無機肥、不施肥以及裸地高5%、7%、30%和11%、12%、8%。

5種物料的團聚體總量依次為酒渣>秸稈>豬糞>沼渣>菌渣。

有機物料促進了大團聚體內的微團聚體含量,尤其是酒渣處理顯著地增加了Mm含量\\(表4\\)?？傮w上,有機物料處理的Mm含量平均較無機肥高34%,比不施肥高59%,較裸地高24%。物料的Mm含量變化趨勢與大團聚體一致,表明Mm含量由大團聚體含量所決定。

2.2 不同物料還田對土壤TOC及團聚體TOC含量的影響物料還田提高了土壤TOC濃度\\(表5\\),0~10cm層土 壤TOC濃 度 總 體 高 于>10~20cm層。與無機肥、不施肥和裸地相比,0~10cm層有機物料處理的TOC平均濃度分別高出76%、83%和29%,其中酒渣和豬糞處理顯著高于無機肥和不施肥;>10~20cm層則分別高出47%、51%和18%,但差 異 不 顯 著。不 同 有 機 物 料 處 理 土 壤TOC含量差異不顯著,總體表現為豬糞>酒渣>秸稈>菌渣>沼渣。土壤不同粒徑結合態TOC含量具有隨著粒徑的減小而增加的趨勢,不同處理的大團聚體和Mi結合態TOC含量的變異系數遠大于S+C結合態TOC變異系數表明處理措施主要影響大團聚體和Mi,對S+C結合態TOC影響不大。有機物料還田促進了Mm結合態TOC含量的提高,比無機肥平均增加了72%,比不施肥增 加131%,較裸地增加30%\\(表5\\)。各物料中豬糞的Mm結合態TOC含量最高,分別比酒渣、秸稈、菌渣和沼渣高11%、75%、75%和144%;其中豬糞和酒渣顯著高于其他物料處理\\(P<0.05\\)。

圖1為土壤TOC在不同粒徑土壤中的分配比 例,如 圖 所 示 有 機 物 料 處 理 促 進 了 土 壤TOC在團聚體中的聚集,降低了S+C結合態TOC所占比例。與無機 肥、不施肥及裸地相 比,有 機 物料處理的S+C結合態TOC所占比例平均下降了21%~22%,而表5已經表明各物料處理的S+C結合態TOC含量與無機肥和不施肥無顯著差異,表明有機物料主要通過增加團聚體結合態TOC含量從而增加土壤TOC含量。各物料中以菌渣所含 團聚體 結合態TOC含 量 最 高,其 次 為豬糞、沼渣以及酒渣,秸稈的團聚體結合態TOC量最低。2.3不同物料還田對土壤全N、團聚體結合態N含量的影響表6為各處理土壤全N含量、不同粒徑結合態N含量以及大團聚體內各粒徑結合態N含量。有機物料處理均不同程度地促進了土壤全N含量的增加。平均來看0~10cm層,有機物料還田使土壤全N含量比無機肥增加了35%,比不施肥和裸地分別增加48%和35%;>10~20cm層使土壤全N含量比無機肥增加55%,比不施肥和裸地高28%。物料處理的全N含量隨著物料C/N的增加而降低,5種物料中酒渣最高,依次為酒渣>豬糞>菌渣>沼渣>秸稈,物料之間差異不顯著。隨著土壤粒徑減小,團聚體結合態N含量呈增加趨勢\\(表5\\)。各處理S+C結合態N含量是土壤全N的主要組成部分,占土壤各粒徑總N含量的31%~67%以上;其次為土壤Mi結合態N,占22%~49%\\(圖2\\)。受處理措施影響較大的部分為LMa結合態N以及SMa結合態N。與無機肥相比,有機物料還田的團聚體結合態N平均增加了42%,并比不施肥增加38%,但較裸地低38%,說明作物種植是土壤N消耗的主要途徑。

Mm結合態N占大團聚體結合態N的26%~57%\\(0~10cm\\)和14%~59%\\(>10~20cm\\),亞表層\\(>10~20cm\\)總體高于表層\\(0~10cm\\),表明土壤表層N活躍性大于亞表層。有機物料總體上促進了Mn結合態N含量增加,0~10cm層比無機肥高81%,比不施肥高118%,較裸地高22%;>10~20cm層則分別高62%,92%和83%?？梢娪袡C物料較大程度地促進了N素在土壤的積累。

其中,酒渣>豬糞>菌渣=秸稈>沼渣;酒渣顯著高于菌渣、秸稈和沼渣\\(P<0.05\\),豬糞顯著高于沼渣\\(P<0.05\\)。2.4物料品質對土壤以及團聚體特性的影響為探討投入物料的品質對土壤團聚體特性的影響,對物料各組成成分的積累投入量與土壤團聚體性質進行了相關分析。如表7所示,土壤結構受物料纖維素投入量影響較大。纖維素投入量顯著促進LMa含量的增加,從而有利于MWD的提高;0~10cm纖維素的累積投入量與MWD呈顯著正相關,但對>10~20cm土壤MWD影響不顯著。物料中可溶性物質投入量,N投入量不利于LMa的形成,與LMa含量呈現顯著負相關。對土壤碳庫而言,物料各品質參數與土壤TOC無直接相關關系,但纖維素投入量顯著促進LMa結合態TOC含量,同時顯著提高Mm結合態TOC含量。

S+C部分是土壤的主要組成部分,是受物料影響最為顯著的部分,S+C結合態TOC含量與半纖維素投入量、可溶性物質、物料C投入量以及多酚呈顯著正相關關系。等C量物料投入條件下,物料各成分投入量對土壤氮 庫 影 響 不 大。

N投 入 量 的 增 加 不 利 于LMa結合態N含量的提高,與>10~20cm層LMa結合態N含量呈顯著負相關。2.5不同粒徑團聚體對土壤TOC及全N的影響為進一步分析不同粒徑團聚體與土壤C、N含量的關系,選擇了團聚體性狀與土壤TOC、N濃度進行相關分析,結果見表8。如表8所示,土壤TOC含量受S+C粒徑土壤影響大,與S+C含量呈負相關關系,與S+C內的TOC密度呈極顯著正相關,與S+C結合態TOC含量顯著正相關;此外,與SMa結合態TOC含量極顯著相關,與LMa結合態TOC含量顯著相關?？梢娡寥繲OC濃度主要受土壤粘粉粒\\(S+C\\)中有機碳的密度以及較小大團聚體\\(SMa\\)結合的TOC含量決定,該結果與李輝信等的結果相似,這是因為土壤粘粉粒是試驗所在地土壤的主要組成部分,其TOC濃度的增加更有利于整土TOC濃度的提高;而大團聚體最容易受到處理措施的影響,尤其是較小大團聚體具有比超大團聚體\\(LMa\\)更高的質量分數和更大TOC密度,其對土壤TOC的貢獻也更突出。土壤LMa、SMa和Mi含量對全N含量影響不顯著,但與其存在負相關關系,這是由于土壤N含量越高越能促進微生物 對 有 機 質 的 分 解,從 而 加 速 團 聚 體 的 降解。土壤全N含量受LMa以及SMa中N密度影響顯著,與SMa結合態N含量呈顯著正相關。

大團聚體是對處理措施最為敏感的部分,外界措施主要通過作用于大團聚體而產生影響,因此大團聚體尤其是較小大團聚體是影響土壤N含量主要因素。

3 討論

1\\)本研究表明有機物料還田增加了土壤大團聚體含量,提高土壤團聚體的穩定性,說明有機物料還田能改良農田土壤。這是由于土壤有機質促進土壤團聚體的形成。同時本研究發現無機肥處理的MWD值大于基礎地力表明農田施用無機肥也對土壤改良也有一定作用,這是由于無機肥促進了作物的生長,增加了留在土壤中的殘茬與根系量,增加了土壤有機質的來源。有機物料由于品質不同,對團聚體穩定性的提高幅度不盡一致。前人研究認為C/N低的物料加快大團聚體的轉化,而C/N較高的物料更能增加大團聚體的穩定性。在本研究中,物料C/N對團聚體的穩定性沒有明顯的影響,這是因為團聚體的形成是微生物、作物根系、物料作用的結果。在等C量投入的基礎上,配施外源無機肥改變了物料帶入的C/N,削弱了物料本身C/N對團聚體形成的影響。在投入物料的組成成分中,纖維素和可溶性物質是影響土壤結構主要因素,這與Puttaso等所得的團聚體穩定性受抗降解性比較強的木質素、多酚影響比較大的結論不一致。

主要由于與其長期不動土試驗相比,本研究每個作物季都進行了撓動,對原有的土壤結構進行破壞再添加新的物料,因而更易受到抗降解能力較弱的纖維素、可溶性物質的影響。土壤中的被大團聚體包裹的微團聚體是土壤穩定結構的重要組成部分,本研究結果表明有機物料還田增加了大團聚體內微團聚體的含量,可見有機物料對維持土壤的長期穩定性也具有積極作用。

2\\)有機物料還田是土壤有機質重要來源,進入土壤后勢必會造成土壤TOC含量增加。本研究由于供試土壤的基礎TOC含量比較低,2年有機物料還田對土壤總有機碳含量的提升作用比較明顯。

本研究中秸稈處理使土壤TOC含量增加17.6%,這與黃不凡的2年麥秸還田21%的有機碳增幅相近,并在曾木祥等總結的華北農區秸稈還田下有機碳增幅0.174 ~1.74g/kg內。從土壤TOC含量比較,豬糞和酒渣效果優于其余物料,沼渣效果最差;但根據團聚體有機質穩定性粘粉粒結合的>微團聚體結合的>大團聚體內而微團聚體外>團聚體外游離的有機碳來比較,豬糞、菌渣和沼渣的土壤TOC穩定性高于秸稈、酒渣。

3\\)盡管通過物料帶入的總N量相差較大,物料之間的土壤N庫差異并不顯著。前人研究表明與C/N較低的物料相比,C/N高的物料配施無機肥能降低N損失但不會影響N素的活性而減少作物對N的吸收。因而物料品質對保留在土壤中的N含量影響不顯著。本研究中半纖維素含量與Mm、Ms+c結合態N含量顯著正相關,這主要由于物料的投入對大團聚體的影響最大,因而有利于土壤大團聚體形成的成分都會間接對Mm以及Ms+c產生影響,尤其是在較短時期內促進大團聚體形成的物質。

4\\)試驗地所在區域為華北平原,粘粉粒是土壤組成的主要部分,試驗初始時僅有30%左右為團聚體。來自不同系統的有機廢棄物料還田均不同程度地增加了土壤團聚體含量,同時團聚體內TOC及N的濃度普遍高于粘粉粒中的濃度,可見有機廢棄物料還田能夠促進土壤的固碳。另外,隨著國家對農業加工業、畜牧業、養殖業以及沼氣工程的重視,與農業相關的產業將進一步發展,來源于農田系統外的有機廢棄物料量將更多。適當的有機廢棄物還田措施將增加有機碳在土壤中的保留,促進養分循環,提高農田生產能力。

4 結論

有機物料還田能提高土壤團聚體含量,增加團聚體的穩定性,有效提高土壤TOC和全N含量。

5種物料中,酒渣、秸稈最有利于土壤團聚體形成和穩定;酒渣、豬糞最能促進土壤TOC和全N的增加;豬糞和菌渣對TOC在土壤穩定保存最有效果。土壤粘粉粒是決定土壤TOC、全N含量的基礎,大團聚體容易受外界措施的作用是影響土壤TOC、全N含量的關鍵部分。

參考文獻
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