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生物炭与秸秆配施对紫色土团聚体中有机碳含量的影响
生物炭与秸秆配施对紫色土团聚体中有机碳含量的影响
王富华黄容高明†王子芳田冬
(西南大学资源环境学院,重庆400715)
摘要以油菜/玉米轮作农田生态系统为研究对象,通过田间微区试验,研究了生物炭、秸秆(BC:
8000kghm-2生物炭、CS:
8000kghm-2秸秆、0.5BC:
4000kghm-2生物炭、0.5CS:
4000kghm-2秸秆、BC+CS:
4000kghm-2生物炭+4000kghm-2秸秆)与化肥配施对紫色土团聚体含量及稳定性、土壤有机碳及有机碳在各粒级团聚体中分布的影响,为合理利用有机物料及为紫色土培肥提供依据。
结果表明:
①与对照(CK)相比,秸秆、生物炭还田(除0.5BC处理外)均能提高>2mm粒级团聚体含量,降低<0.053mm粒级团聚体含量,同时提高水稳性团聚体的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、大于0.25mm团聚体含量(R0.25),其中只有CS处理达到了显著水平,且随着秸秆施用量增加,效果越显著。
CS+BC处理则能显著提高0.25~2mm粒级水稳性团聚体含量。
②除CS处理,其他各处理较CK均能显著提高土壤总有机碳含量,其中BC和CS+BC处理分别提高了45.55%和44.45%(P<0.05),效果优于单施秸秆处理,且随着生物炭施用量的增加,土壤总有机碳呈增加趋势。
对不同粒级团聚体有机碳而言,各处理的团聚体有机碳主要分布在<0.053mm和>2mm粒级团聚体中;BC处理较其他处理能提高土壤不同粒级团聚体有机碳含量,其次为CS+BC处理。
③通过计算团聚体有机碳贡献率发现,各处理对土壤团聚体有机碳贡献率主要分布在0.25~2mm和<0.053mm粒级团聚体中,其中仅CS处理显著提高了>2mm粒级团聚体有机碳贡献率,较CK提高了53.53%;CS+BC、0.5BC处理分别较CK显著提高了<0.053mm粒级团聚体有机碳贡献率,增幅为26.20%,48.63%。
④秸秆和生物炭还田能提高玉米和油菜的生物产量和经济产量,其中CS、BC、CS+BC效果较明显。
总之,秸秆与生物炭配施是改善紫色土结构和提升碳水平的较优培肥措施。
关键词生物炭;秸秆;团聚体稳定性;有机碳;有机碳贡献率
中图分类号X53文献标识码A
土壤团聚体和有机碳是评价土壤地力的重要指标[1]。
土壤团聚体能协调土壤中的水、肥、气、热,稳定土壤疏松熟化层,作为农田土壤的重要组成部分,其结构组成和形态稳定(尤其是水稳定性)对土壤肥力、结构、性质等方面有显著影响[2]。
土壤有机碳是团聚体的胶结物质,对团粒结构的形成和稳定有重要影响,同时土壤团聚体为有机碳提供了保护场所减缓微生物分解,促进土壤有机碳稳定和累积,因此,土壤团聚体的形成、转化与土壤固碳过程密不可分[3-4]。
人类的耕作活动会降低水稳定性大团聚体的含量和有机碳库储量[5],而施用秸秆、生物炭能增加土壤团聚化过程,可在一定程度上减少耕作活动对团聚体的破坏作用,提高土壤大团聚体的含量[6]。
毛霞丽等[7]对浙江省稻田长期定位试验表明,秸秆还田显著提高了大团聚体水稳定性,同时强化团聚体对有机碳的保护作用。
张鹏等[8]的研究也表明不同秸秆还田处理下>0.25mm粒级团聚体含量(R0.25)、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)均显著高于CK处理。
但是关于生物炭施入土壤对土壤团聚体及其稳定性的研究结果仍存在着争议。
付琳琳等[9]研究表明,生物炭施入土壤后可以显著提高土壤团聚体中有机碳含量,但也有研究表明单施生物炭对土壤大团聚体含量和稳定性的影响不显著,甚至降低了土壤团聚体的稳定性,而生物炭与秸秆配合的效果比较明显[10-11]。
紫色土的抗侵蚀能力弱,其团聚体结构也易破坏。
以往的研究多集中单施秸秆或生物炭对土壤团聚体中有机碳的研究,特别是在黄土丘陵区和南方红壤上研究颇多,而对生物炭与秸秆配合施用的研究较少,且它们的不同施用量对土壤团聚体组成及其有机碳的分布特征影响尚不清楚,特别是在西南紫色土丘陵区还鲜有报道。
本试验通过田间微区试验,研究了油菜/玉米轮作下单施秸秆、生物炭以及它们的配施对紫色土团聚体和有机碳的影响,旨在为改善四川盆地紫色土壤结构特征及团聚体中有机碳的分布提供参考。
1材料与方法
1.1供试材料
本实验布置于重庆市北碚区西南大学试验农场内,该地属于亚热带季风湿润气候,雨量充沛,年降雨量为1087mm,有春早、夏热、秋短、冬迟特征,最高气温44.3℃,最低气温-3.1℃,年平均气温18.2℃,≥10℃的积温6006℃,年日照时数为1277h,海拔高度为266.3m。
本实验的供试土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土,中性紫色土亚类,灰棕紫泥土属,是重庆、四川紫色土区分布最广的一种土壤。
其基本理化性质为:
有机碳含量9.98gkg-1,碱解氮135.7mgkg-1,有效磷17.38mgkg-1,速效钾206.3mgkg-1,pH为6.7。
试验中所用生物炭由四川省久晟农业有限责任公司提供,以油菜秸秆为原料在500℃高温厌氧条件下热解2h烧制,其碳含量为62.58%,C/N为45.52,pH为8.9。
油菜秸秆的有机碳含量为392.1gkg-1,C/N为41.56,玉米秸秆的有机碳含量为412.5gkg-1,C/N为47.74。
1.2试验设计
试验地种植模式为油菜/玉米轮作种植。
本试验共设置6个处理,每个处理3次重复,采用随机区组排列在18个微区中,微区大小为2m×1m,能独立排灌,各个微区的水肥管理均相同。
六个处理分别为CK(单施化肥,无物料还田)、BC(8000kghm-2生物炭配施化肥还田)、0.5BC(4000kghm-2生物炭配施化肥还田)、CS(8000kghm-2秸秆配施化肥还田)、0.5CS(4000kghm-2秸秆配施化肥还田)、BC+CS(4000kghm-2生物炭+4000kghm-2秸秆配施化肥还田)。
本试验以“等碳量”的原则施用秸秆或生物炭,施入的具体措施为在油菜季还玉米秸秆,在玉米季还油菜秸秆;生物炭由油菜秸秆而制成;将秸秆通过粉碎机粉碎成2cm左右,生物炭过10mm筛,移栽作物前3d将秸秆或生物炭均匀覆盖于地表,然后进行10cm深翻耕。
本试验于2015年10月11日开始,2016年8月1日结束,各作物的氮、磷、钾、硼养分用量根据《中国主要作物施肥指南》来确定,各季作物栽培方式和田间管理措施按照当地习惯进行。
其中油菜(96v44,密度8万株/hm2)于2015年10月11日育苗,2015年11月3日移栽,2016年4月19日收获。
玉米(中豪9号,密度4万株/hm2)于2016年4月9日育苗,4月20日移栽,8月1日收获。
油菜季的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥和硼肥用量分别为150,90,90和15kghm-2。
氮肥分基肥和薹肥两次施用(基肥占70%),磷钾硼肥做基肥一次性施用。
基肥和薹肥分别于2015年11月1日和2016年2月20日施用,施用方法为小雨前后撒施。
玉米季各处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥分别为180,60,90kghm-2,全部作为基肥在玉米移栽时施入。
氮、磷、钾和硼肥品种分别为尿素(N46%)、过磷酸钙(P2O512%、硫酸钾(K2O51%)、硼砂(含B12%),所有处理田间管理技术与当地农民习惯一样。
1.3样品的采集与测定方法
在2016年的8月份,先收获玉米,收获玉米后再采集土壤样品,在每一个小区内采集0~20cm的原状土壤,每个小区随机采集5个样点,把5个点采集的土壤混合为一个土壤样品,然后装入自封袋内,自封袋要提前做好标记,将采集好的土样带回实验室。
带回实验室的土壤样品要去除杂物(如石子、植物的根系及枯枝落叶、土壤动物,秸秆等),用手将大土块沿土体自然裂隙轻轻掰开,过10mm的筛,用于土壤团聚体的测定。
团聚体采用湿筛法测定,根据Elliott等[12]的土壤团聚体湿筛法测定:
先将测定土壤团聚体的筛子依次套好(从上到下的顺序依次为2mm、0.25mm、0.053mm),然后称取50g风干土样(过10mm的筛)平铺于2mm的筛子上,将套筛放入木桶中浸泡5分钟后,手动上下振荡2分钟(振幅3cm,频率为30次/min),然后按次序收集不同粒级孔筛中及木桶中的土样于铝盒中,依次分别为粒径>2mm的大团聚体、粒径为0.25~2mm的较大团聚体、粒径为0.053~0.25mm的微团聚体、粒径<0.053mm的黏粉粒组分,然后将铝盒放置于烘箱,60℃烘干称重,计算各级团聚体的质量百分比。
然后将各粒级土研磨过0.25mm的筛,分别放置于自封袋中于室温下保存,用于测定不同粒级团聚体的有机质(采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法)。
土壤团聚体稳定性指标采用平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和>0.25mm团聚体含量(R0.25)描述。
其计算公式如下:
式中,
为某级团聚体平均直径(本研究各级团聚体平均直径取值分别为大团聚体(6mm)、较大团聚体(1.125mm)、微团聚体(0.1515mm)、粘粉粒组分(0.0265mm)),Wi为第i级团聚体的质量;
式中,MX<0.25为粒径<0.25mm团聚体的重量,MT为团聚体总重量;
某粒级团聚体有机碳对土壤总有机碳的贡献率=
通过此公式可以计算出各粒级团聚体有机碳对土壤总有机碳的贡献率;
1.4数据处理
本试验利用SPASSversion20软件进行方差分析和多重比较,显著性采用LSD(Duncan)法进行,本试验作图采用Origin9.0,表格采用Excel2016。
2结果与分析
2.1生物炭与秸秆配施对紫色土团聚体含量的影响
从表1可以看出,各处理(除0.5BC外)的土壤团聚体的优势粒径为0.053~0.25mm(29.45%~34.44%),其次是0.25~2mm和<0.053mm,而>2mm(7.17%~18.56%)粒级土壤团聚体含量最少。
除0.5BC处理,各处理较CK均能提高>2mm粒级团聚体含量,其中CS处理效果最显著,提高了117.8%,且CS处理较BC、CS+BC、0.5CS处理也均能显著提高>2mm粒级团聚体含量,分别提高了70.90%、84.68%、52.63%。
在0.25~2mm粒级团聚体中,BC、CS+BC、0.5CS处理较CK均有不同程度的提高,其中CS+BC处理最显著,提高了13.31%,而CS、0.5BC处理却降低了0.25~2mm粒级团聚体含量。
各处理的0.053~0.25mm团聚体含量较CK处理均有所下降,但差异不显著。
在粒径<0.053mm土壤团聚体中,仅0.5BC处理较CK显著提高了26.14%,其他各处理均降低了<0.053mm粒级团聚体含量。
总体上,单施秸秆、秸秆与生物炭配施对团聚体含量的影响效果比单施生物炭好。
表1不同处理对各粒级团聚体含量的影响
Table1Effectsofthetreatmentsoncontentofsoilaggregatesrelativetofraction
处理
Treatment
团聚体相对含量Relativecontentofsoilaggregatesbyfraction(%)
>2mm
0.25~2mm
0.053~0.25mm
<0.053mm
CK
8.52±3.46bc
26.59±2.53bc
34.44±2.75a
30.45±3.28b
CS
18.56±2.02a
24.32±1.61c
34.29±4.77a
22.83±3.19c
BC
10.86±2.80bc
27.52±3.16abc
34.19±4.83a
27.43±3.64bc
CS+BC
10.05±0.54bc
30.13±0.18a
32.67±3.20a
27.15±4.10bc
0.5BC
7.17±0.14c
24.97±0.06bc
29.45±0.53a
38.41±0.41a
0.5CS
12.16±0.06b
27.86±0.22ab
31.44±0.41a
28.54±0.49b
注:
不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异(P<0.05)。
下同Note:
Differentlowercaselettersindicatesignificantdifferencesbetweendifferenttreatments(P<0.05)
2.2生物炭与秸秆配施对紫色土团聚体稳定性的影响
不同处理对土壤水稳性团聚体稳定性的影响从表2可以看出,与CK相比,除0.5BC处理,各处理的水稳性团聚体的MWD、GMD、R0.25均有不同程度的提高,其中CS处理的MWD、GMD、R0.25最高,分别较CK显著提高了65.52%、57.14%、22.13%,其次是0.5CS处理,且CS+BC和BC处理的R0.25较CK分别提高了14.47%和9.29%。
而0.5BC处理的MWD、GMD、R0.25较CK均有所降低。
总体上单施秸秆效果较佳,且秸秆施用量越多,效果越显著,而秸秆与生物炭配施的效果优于单施生物炭。
表2不同处理对土壤水稳性团聚体稳定性的影响
Table2Effectsofthetreatmentsonstabilityofsoilwater-stableaggregates
处理Treatment
MWD/mm
GMD/mm
R0.25/﹪
CK
0.87±0.20bc
0.21±0.04bc
35.11±4.26bc
CS
1.44±0.13a
0.33±0.04a
42.88±3.62a
BC
1.02±0.19b
0.25±0.05b
38.37±5.65ab
CS+BC
1.00±0.03bc
0.25±0.02b
40.19±0.40ab
0.5BC
0.77±0.01c
0.17±0.00c
32.14±0.09c
0.5CS
1.10±0.00b
0.25±0.00b
40.01±0.16ab
2.3生物炭与秸秆配施对紫色土总有机碳及团聚体有机碳分配的影响
2.3.1紫色土总有机碳秸秆与生物炭还田对土壤总有机碳含量的影响如图1所示,与CK相比,各处理都不同程度的提高了土壤总有机碳的含量,其中BC处理的土壤总有机碳含量最高,较CK显著提高了45.55%,其次为CS+BC,较CK显著提高了44.45%,而CS处理较CK仅提高了15.30%,没有达到显著水平。
而BC、CS+BC处理较CS处理分别显著提高了26.24%、25.28%,同时BC处理较0.5BC处理显著提高了17.87%。
这表明单施生物炭、秸秆与生物炭配施对提高土壤总有机碳的效果要优于单施秸秆,且随着生物炭施用量增多,土壤总有机碳含量呈增加趋势。
注:
柱上不同的小写字母表示不同处理差异达到显著水平(p<0.05)。
Note:
Differentlowercaselettersabovethecolumnindicatethatsignificantdifferencebetweentreatments(p<0.05)
图1不同处理对土壤总有机碳的影响
Fig.1Effectsofthetreatmentsonsoiltotalorganiccarbon
2.3.2紫色土团聚体有机碳从表3可以看出,除CK处理外,各处理的不同粒级团聚体有机碳含量从大到小依次为<0.053mm、0.25~2mm、>2mm、0.053~0.25mm团聚体。
与CK相比,BC处理显著增加了各粒级团聚体有机碳含量。
CS+BC和0.5CS处理较CK处理显著增加了0.25~2mm粒级团聚体有机碳含量,分别增加了9.48%和9.67%。
CS和CS+BC处理显著增加了<0.053mm粒级团聚体有机碳含量,较CK处理分别增加了60.12%、117.3%。
除0.5CS处理稍微降低了>2mm粒级团聚体有机碳含量外,其他各处理均能增加各粒级团聚体有机碳含量,其中提高幅度最大的是<0.053mm,增幅为41.04%~117.3%,>2mm和0.25~2mm粒级团聚体提高的幅度比较小。
表3不同处理对土壤团聚体有机碳的影响
Table3Effectsofthetreatmentsonsoilaggregateorganiccarbon
处理Treatment
团聚体有机碳含量Organiccarboncontentofaggregates(gkg-1)
>2mm
0.25~2mm
0.053~0.25mm
<0.053mm
CK
13.16±0.5b
15.83±1.20c
7.52±0.42b
12.16±1.54c
CS
15.70±2.70ab
16.30±0.90bc
8.58±0.40b
19.47±3.43b
BC
17.43±3.78a
20.32±0.99a
12.12±2.60a
21.20±6.71ab
CS+BC
16.30±0.97ab
17.33±0.36b
9.63±0.03b
26.42±2.34a
0.5BC
14.17±0.11ab
16.40±0.09bc
9.23±0.03b
17.79±0.01bc
0.5CS
12.65±0.14b
17.36±0.06b
8.93±0.04b
17.15±0.13bc
2.3.3紫色土团聚体有机碳相对贡献率秸秆与生物炭还田对土壤团聚体有机碳的贡献率的影响如表4所示,各处理对土壤团聚体有机碳贡献率主要分布在0.25~2mm和<0.053mm粒级团聚体中,而对>2mm和0.053~0.25mm粒级团聚体有机碳贡献率较小。
与CK相比,CS处理显著提高了>2mm粒级团聚体有机碳贡献率,达到了53.53%,其他各处理对>2mm粒级团聚体有机碳贡献率影响不显著。
各处理对<0.053mm粒级团聚体有机碳贡献率均有所提高,表现为0.5BC>CS+BC>0.5CS>BC>CS,其中CS+BC、0.5BC处理分别较CK显著提高了26.20%、48.63%。
与CK相比,除BC处理提高了0.053~0.25mm粒级团聚体有机碳贡献率外,其他处理均降低了该粒级团聚体有机碳贡献率。
表4不同处理对土壤团聚体有机碳的贡献率
Table4Contributionrateofsoilaggregatesbyfractiontosoilorganiccarbonrelativetotreatment
处理Treatment
团聚体有机碳相对贡献率Relativecontributionrateofsoilaggregatestosoilorganiccarbon(%)
>2mm
0.25~2mm
0.053~0.25mm
<0.053mm
CK
11.60±5.90b
35.32±4.72a
21.74±2.48a
31.34±7.24c
CS
17.81±2.68a
28.88±3.50a
21.41±3.27a
31.90±3.72c
BC
10.67±1.86b
32.81±7.56a
23.79±4.61a
32.73±4.79bc
CS+BC
9.25±1.37b
30.85±0.82a
20.35±2.63a
39.55±0.40b
0.5BC
6.99±0.04b
28.02±0.10a
18.41±0.02a
46.58±0.24a
0.5CS
11.04±0.15b
34.10±0.10a
19.94±0.26a
34.92±0.20bc
2.4生物炭与秸秆配施对作物产量的影响
从表5可以看出秸秆与生物炭还田可以明显提高作物产量。
除0.5BC处理,各处理均能提高玉米和油菜的生物产量。
各处理的玉米经济产量大小依次为BC>CS>CS+BC>CK>0.5CS>0.5BC,与CK(8.42thm-2)相比,BC、CS、CS+BC处理分别提高了2.38%、2.14%、1.43%。
与CK处理相比,CS、0.5CS处理的油菜经济产量均提高了5.59%,达到了显著水平;CS+BC、BC处理分别提高了4.47%、3.35%,但不显著。
可以看出,与常规施肥相比,秸秆与生物炭还田均能提高作物产量。
表5不同处理对作物产量的影响
Table5Effectsofthetreatmentsoncropyield
处理
Treatment
穗轴/角壳干重Cob/rapepodshelldryweight(thm-2)
茎叶干重Stemsandleavesdryweight(thm-2)
籽粒干重Graindryweight(thm-2)
CK
2.19±0.07a
10.18±0.39c
8.42±0.26ab
CS
2.24±0.02a
11.35±0.25b
8.60±0.08a
玉米
BC
2.24±0.09a
11.04±0.08b
8.62±0.36a
Maize
CS+BC
2.22±0.09a
11.28±0.33b
8.54±0.33ab
0.5CS
2.25±0.09a
10.40±0.25c
8.34±0.05ab
0.5BC
2.09±0.19a
12.14±0.03a
8.12±0.08b
CK
3.78±0.19b
5.78±0.26b
1.79±0.02b
CS
5.85±0.26a
6.50±0.32a
1.89±0.06a
油菜
BC
5.61±0.28a
6.29±0.32ab
1.85±0.05ab
Rape
CS+BC
5.98±0.12a
6.92±0.15a
1.87±0.07ab
0.5CS
5.80±0.25a
6.62±0.64a
1.89±0.05a
0.5BC
4.05±0.44b
4.35±0.31c
1.60±0.03c
3讨论
3.1生物炭与秸秆配施对紫色土团聚体分布和稳定性的影响
通常用>0.25mm水稳定性团聚体的数量来判断土壤结构的好坏,其含量越高,表明土壤结构越好[13]。
本研究表明,较对照CK而言,秸秆全量还田(CS)处理能显著提高土壤中>2mm粒级团聚体含量,且降低了<0.053mm粒级团聚体的含量。
这与关松等[14]的研究结果一致。
这是因为秸秆作为新鲜有机残茬施入土壤会释放养分,提高土壤中微生物的活性且促进土壤中真菌菌丝的生长和微生物的分泌液[13],微生物分解产生的有机酸、腐殖物质和秸秆中的多糖、木质素等这些土壤中重要的有机胶结物质与菌丝发生缠绕作用将土壤小颗粒胶结成微团聚体,进一步胶结成大团聚体[15]。
但本研究中生物炭处理(BC)却未能显著提高土壤中>0.25mm粒级水稳性团聚体的含量和土壤MWD、GMD、R0.25的值,生物炭减半处理(0.5BC)处理甚至降低了大团聚体的含量和土壤MWD、GMD、R0.2
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