黄伟濠, 秦海龙, 卢 瑛, 李 博, 唐 贤, 王 超, 阳 洋, 欧锦琼

(华南农业大学资源环境学院/农业农村部华南耕地保育重点实验室/广东省土地利用与整治重点实验室 广州 510642)

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元[1], 是土壤能量转化和物质代谢的重要场所, 对协调土壤肥力状况、改善土壤耕性等有着重要作用, 是衡量土壤肥力水平的重要指标[2]。土壤团聚体稳定性取决于有机-无机胶结物质的黏结和土壤团聚作用, 施用有机物料能够补充土壤有机物质, 增加土壤微生物的数量和活性, 促进土壤团聚, 提高土壤团聚体的稳定性[3]。

秸秆还田作为一种有效的提高土壤肥力、维持土壤有机质水平和增加土壤养分潜力的措施, 能促进土壤水稳性团聚体的形成[4]; 研究发现, 秸秆还田能促进红壤中微团聚体(＜0.25 mm)向大团聚体(＞0.25 mm)的转化[5-6]; 秸秆生物炭还田被认为是秸秆资源化利用的有效方式之一, 然而对土壤团聚体影响效果有不同的结论。孟祥天等[7]研究发现, 施用玉米秸秆生物炭能够增加红壤中＞0.25 mm 团聚体的含量, 提高团聚体稳定性; 而潘艳斌等[8]研究发现施用水稻秸秆生物炭不能显著提高红壤团聚体的稳定性; 有研究[9]表明硬质木炭能增加花岗岩砖红壤水稳性团聚体含量, 对改善砖红壤结构具有积极意义。目前秸秆和生物炭还田的研究主要集中在玉米(Zea mays)秸秆[7]、花生(Arachis hypogaea)秸秆[10]以及水稻(Oryza sativa)秸秆[11]等, 而香蕉(Musa nana)茎秆对土壤团聚体稳定性的研究鲜见报道。香蕉作为我国华南地区主要水果之一, 种植广泛[12], 每年产生大量的茎秆废弃物[13], 目前香蕉茎秆废弃物主要在纺织、造纸、饲料等领域得到综合利用[14]。有研究发现, 施用香蕉茎秆有机肥对农作物具有促生效果[15], 增加蔬菜产量[16], 而能否提高土壤团聚体稳定性亟待研究。

珠江三角洲作为广东省最重要的农业生产基地, 因独特的自然条件, 曾是我国重要粮食生产基地之一[17]。随着经济高速发展、城市化不断推进, 珠江三角洲平原耕地面积急剧减少, 复种指数高, 维持良好土壤肥力是该区域农业可持续发展的必要条件。因此本文通过培养和盆栽试验, 探究香蕉茎秆及其生物炭对珠江三角洲平原农田土壤团聚体稳定性的影响, 为香蕉茎秆废弃物资源化利用、提高土壤肥力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤: 采集广东省中山市三乡镇水稻田耕层(0～20 cm)土壤, 成土母质为三角洲沉积物, 土壤类型为普通铁聚水耕人为土(潴育型水稻土)。土壤基本理化性质: 砂粒52.86%、粉粒26.80%、黏粒20.34%, pH 4.87, 有机碳12.65 g·kg-1, 全氮1.12 g·kg-1, 碱解氮125.6 mg·kg-1, 速效钾55.7 mg·kg-1, 有效磷40.5 mg·kg-1。

供试有机物料: 采集华南农业大学教学科研基地香蕉茎秆(蕉秆)和水稻秸秆(稻秆), 烘干、粉碎过2 mm 筛。将粉碎后的蕉秆和稻秆放入马弗炉中, 在450 ℃下厌氧热解2 h 制备蕉秆生物炭和稻秆生物炭。供试有机物料性质如表1。

1.2 试验设计

试验设计包括对照(不施有机物料, CK)和分别施用0.5%、1.0%、2.0%的蕉秆(JG)、稻秆(DC)、蕉秆生物炭(BJG)和稻秆生物炭(BDC)共计13 个处理, 每个处理3 个重复。将风干过5 mm 筛的2 kg 土壤 装入12 cm×11 cm(高×直径)的塑料盆中, 分别加入土壤重量的0.5%、1.0%、2.0%的蕉秆、稻秆、蕉秆生物炭和稻秆生物炭, 混匀。先进行6 个月的土壤培养, 即通过不定时称重浇水, 保持土壤水分在田间持水量的60%左右, 每两周松土1 次。土壤培养结束后, 盆栽种植2 季菜心(Brassica campestris sp.Chinensis, 种植周期约4 个月), 菜心种植期间进行常规的除虫、浇水等管理, 不施用化肥。第2 季菜心收获后, 采集每个处理土壤混合样品, 制备的土样供测定各项土壤指标。

表1 供试蕉秆和稻秆及其生物炭的基本性质 Table 1 Basic properties of banana stem, rice straw and their biochars used in the experiment

1.3 测定方法

土壤pH 采用电位法测定(水土比2.5∶1), 土壤机械组成采用吸管法测定, 土壤全氮采用凯氏定氮法测定, 土壤碱解氮采用碱解扩散法测定, 土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定, 土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定, 土壤有机碳采用重铬酸钾硫酸外加热氧化法测定[18]。

水稳性团聚体(湿筛法): 称取过10 mm 筛的风干土样50 g, 置于套筛(孔径依次为5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm)顶部, 放置于恒温土壤团粒分析仪(TPF-100, 上海托莫斯科学仪器有限公司)配套桶内, 加入去离子水至刻度线, 静置5 min, 然后以30 次·min-1频率振荡10 min。收集各级筛层团聚体并分别转移至已知重量铝盒中, 烘干称重, 得到各级团聚体的质量百分数。

1.4 数据处理

采用土壤团聚体的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)[4]和平均重量比表面积(MWSSA)[19]评价土壤团聚体稳定性, 计算公式如下:

式中:ix 为第i 级团聚体的平均直径(mm),iw 为第i级团聚体的质量百分率。

式中:ix 为第i 级团聚体的平均直径(mm),iw 为第i级团聚体的质量百分率。

利用公式(4), 通过数据拟合求得D 值(无量纲)。

采用Microsoft Excel 2016 进行数据处理, 采用SPSS 21.0 对试验数据进行单因素方差分析、相关性分析和主成分分析, 用邓肯法(Duncan 法)进行差异显著性检验(P＜0.05), 采用Origin 2018 制图。

2 结果与分析

2.1 蕉秆和稻秆及其生物炭对土壤团聚体组成的影响

由表2 可知, 各处理(包括对照)土壤水稳定性团聚体均以＜0.25 mm 微团聚体为主, 占比29.80%～52.52%; 1～0.5 mm 团聚体次之, 占比18.19%～20.08%; 5～2 mm 团聚体分布最少, 仅占比5.96%～10.67%。施用1.0%、2.0%蕉秆和2.0%稻秆显著增加＞0.25 mm 团聚体总量, 与对照相比＞0.25 mm 级别团聚体总量增加16.31%～20.54%; 施用0.5%蕉秆、0.5%稻秆和1.0%稻秆对＞0.25 mm团聚体总量增加不显著。不同蕉秆施用量处理中, 以 2.0%蕉秆施用量处理＞0.25 mm 团聚体总量增幅最大。与对照相比, 施用 1.0%稻秆生物炭和1.0%蕉秆生物炭显著减少＞0.25 mm 团聚体总量, 其他施用量的蕉秆生物炭和稻秆生物炭处理效果不显著。

表2 添加不同有机物料处理的土壤团聚体组成 Table 2 Composition of soil aggregates under different organic materials application treatments %

2.2 蕉秆和稻秆及其生物炭对土壤团聚体稳定性参数的影响

2.2.1 对土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)的影响

由图1A可知, 施用不同量蕉秆和稻秆均能增加土壤水稳性团聚体的MWD值, MWD较对照增幅为16.15%～65.50%, 其中施用1.0%、2.0%蕉秆和2.0%稻秆处理MWD值增加显著, 较对照处理分别增加45.60%、62.37%和65.50%。在施用蕉秆处理中, MWD增幅与施用量呈显著正相关, 而在施用稻秆和生物炭处理中则无此相关性。施用2.0%稻秆生物炭、1.0%和2.0%蕉秆生物炭显著降低土壤水稳定性团聚体的MWD值, 较对照处理降幅分别为23.31%、38.31%和28.30%, 其他施用量的生物炭处理较对照处理差异不显著。施用不同量的蕉秆和稻秆增加了土壤水稳性团聚体GMD值(图1B), 增幅为8.77%～ 60.66%; 其中施用1.0%、2.0%蕉秆和2.0%稻秆处理增幅显著, 较对照分别增加43.45%、55.34%和60.66%。在施用蕉秆处理中, GMD值增幅与蕉秆施用量呈显著正相关, 而在施用稻秆和生物质炭处理中则无此相关性。施用1.0%、2.0%蕉秆生物炭显著降低土壤水稳定性团聚体的GMD值, 较对照降幅分别为30.51%和21.65%, 其他蕉秆生物炭处理较对照处理差异不显著。

2.2.2 对土壤团聚体分形维数(D)和平均重量比表面积(MWSSA)的影响

由图2A可知, 施用蕉秆和稻秆降低土壤水稳性团聚体的分形维数D值, 其中施用1.0%、2.0%蕉秆和2.0%稻秆处理团聚体分形维数D值降低显著, 较对照分别降低2.23%、2.32%和2.78%; 施用1.0%蕉秆生物炭显著提高土壤水稳定性团聚体分形维数D值, 其他施量的蕉秆生物炭和稻秆生物炭处理较对照增幅不显著。施用蕉秆和稻秆处理土壤水稳性团聚体的平均重量比表面积(MWSSA)值较对照有所降低(图2B), 其中施用1.0%、2.0%蕉秆和2.0%稻秆处理较对照显著降低团聚体MWSSA 值, 降幅分别为18.14%、20.09%和23.01%; 施用1.0%、2.0%的蕉秆生物炭和1.0%稻秆生物炭处理显著提高土壤水稳定性团聚体MWSSA值, 增幅分别为20.34%、11.90%和10.95%, 其他施用量的生物炭处理较对照差异不显著。

图2 添加不同有机物料处理下土壤团聚体分形维数(A)和平均重量比表面积(B)Fig.2 Fractal dimension (A)and mean weight of specific surface area (B)of soil aggregates under different organic materials application treatments

2.3 各粒级土壤团聚体所占比例量与稳定性评价指标的相关性分析

各粒级团聚体所占比例与MWD、GMD、D 和MWSSA 相关性分析表明(表3), MWD 与＞5 mm 团聚体所占比例呈极显著正相关, 与 5～2 mm 和2～1 mm 团聚体所占比例呈显著正相关, 与＜0.25 mm 团聚体所占比例呈极显著负相关; GMD与＞5 mm 和5～2 mm 团聚体所占比例呈极显著正相关, 与2～1 mm 团聚体所占比例呈显著正相关, 与＜0.25 mm 团聚体所占比例呈极显著负相关; D与＞5 mm、5～2 mm 和2～1 mm 团聚体所占比例呈极显著负相关, 与＜0.25 mm 团聚体所占比例呈极显著正相关; MWSSA 与＞5 mm、5～2 mm 和2～1 mm团聚体所占比例呈极显著负相关, 与＜0.25 mm 团聚体所占比例呈极显著正相关。

2.4 基于主成分分析综合评价土壤团聚体稳定性

利用SPSS 软件对各项土壤团聚体稳定性的评价指标进行主成分分析, 得到的主成分分析的得分系数、特征值和方差贡献率如表4。结果表明, 主成分特征值为4.928, 累积贡献率达98.56%, 说明该主成分基本能反映不同处理对土壤团聚体稳定性影响的全部信息。

表3 各级土壤团聚体所占比例与稳定性评价指标的相关系数 Table 3 Correlation coefficient between percentages of soil aggregates and stability evaluation index

表4 主成分分析的得分系数、特征值和方差贡献率 Table 4 Calculation coefficient, eigenvalues and contribution rate of principal component analysis

不同处理对土壤团聚体稳定性影响效果的综合分析得分结果如表5 所示。施用蕉秆和稻秆处理提高土壤团聚体水稳定性综合效果较好, 其中施用2.0%稻秆处理效果最佳, 施用2.0%蕉秆、1.0%蕉秆次之, 而施用蕉秆生物炭和稻秆生物炭落后于对照处理。对表中不同处理对土壤团聚体水稳定性综合效果采用SPSS 软件进行 Kolmogorov-Smirnova 检验, 得到Kolmogorov-Smirnova 值为0.537, 渐进显著性(双侧)为0.935, 达显著性(P＜0.05), 符合检验假设, 表明该样本数据服从正态分布。这说明不同处理对土壤团聚体水稳定性影响效果具有较好的代表性和客观性, 可作为不同处理对土壤团聚体稳定性的评定指标。

表5 不同有机物料处理综合效果分析 Table 5 Comprehensive effect analysis of different organic materials application treatments

3 讨论

农业废弃有机物施用到田间进行循环利用, 能够补充农田土壤的有机物质, 增加土壤团聚体的有机胶结物质含量从而改变土壤不同粒级团聚体数量以及稳定性[20]。而不同种类作物秸秆由于自身的理化性质差异, 对土壤团聚体的作用机理和效果也可能存在差异。本研究中, 与对照处理相比施用1.0%蕉秆、2.0%蕉秆和2.0%稻秆均能够显著增加土壤中＞0.25 mm 水稳性团聚体数量, 而施用蕉秆生物炭和稻秆生物炭则在一定程度上减少了＞0.25 mm 水稳性团聚体数量(表2)。有研究表明[21-22], 小麦秸秆生物炭能显著增加红壤、黄土母质发育土壤中＞0.25 mm 团聚体的数量, 与本试验结果不一致。产生结果差异原因可能与制备生物炭原料的种类、供试土壤类型和性质以及生物炭施用的时间等因素不同有关; 本研究中, 蕉秆生物炭和稻秆生物炭进入土壤后, 由于其颗粒小比表面积大, 导致游离的生物炭颗粒进入＜0.25 mm 土壤团聚体孔隙中, 在短期内难以分解, 导致＜0.25 mm 土壤团聚体数量增多; 生物炭进入＜0.25 mm 土壤团聚体后, 阻碍了黏粒之间的相互胶结, 短期内不利于大团聚体的形成; 同时生物炭以芳香烃等结构复杂的稳定有机化合物为主, 表现出高度化学和微生物惰性, 难以被微生物分解利用, 具有多孔和高比表面特性, 为微生物提供生存的空间, 导致原有土壤碳的分解, 减少微团粒间的有机胶结物质, 降低土壤团聚体的稳定性[23]。

本研究采用团聚体的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)和平均重量比表面积(MWWSA)综合评价蕉秆和稻秆及其生物炭对土壤团聚体稳定性影响。MWD和GMD可表征土壤团聚体大小分布状况, 其值越大, 表示土壤团聚度越高, 稳定性越强[19]。本研究中, 施用蕉秆生物炭和稻秆生物炭对土壤水稳性团聚体的MWD和GMD无显著影响, 而施用1.0%、2.0%的蕉秆和2.0%稻秆显著增加了土壤水稳性团聚体的MWD和GMD, 这与前人的研究相同[24-25]。其主要原因是蕉秆和稻秆提高了土壤微生物的活性进而促进菌丝的生成, 同时蕉秆和稻秆富含多糖、蛋白质、木质素以及微生物分解产生的有机酸、腐殖物质等[24], 起到了有机胶结剂的作用, 把土壤微团聚体胶结在一起, 进一步团聚成大团聚体; 而生物炭由于具有多芳香环和非芳香环复杂结构, 表现出高度的惰性, 对土壤大团聚体团聚作用小[8]。D是反映土壤结构几何形状的参数, 土壤团聚体D与其结构及稳定性关系紧密, D越小, 土壤越具有良好的结构与稳定性; MWSSA反映土壤团聚体外界面的变化趋势, 团聚体的MWD越大, MWSSA就越小, 能够作为分析和研究土壤团聚体特征的有效指标[19]。与施用蕉秆和稻秆相比, 施用蕉秆生物炭和稻秆生物炭处理的土壤团聚体D和MWSSA值较大, 而蕉秆和稻秆处理的土壤团聚体D和MWSSA值减小, 说明蕉秆和稻秆有利于土壤大团聚体的形成与稳定, 这主要是因为蕉秆和稻秆能够提高土壤胶结物质的含量, 能为土壤团聚体形成提供有效的有机胶结剂, 使土壤中＞0.25 mm大团聚体数量增加[24]; 而生物炭由于其稳定特征使其在短期内不能矿化分解, 从而没有增加有效的有机胶结剂, 同时, 生物炭进入小团聚体后改变了＜0.25 mm团聚体的内部环境, 增加了＜0.25 mm团聚体的含量, 从而使土壤团聚体D和MWSSA值增大。已有研究报道生物炭可以促进黏土或铁铝土团聚体稳定[26-28], 而本研究中供试土壤质地偏砂, 土壤有机质含量不高, 不利于大土壤团聚体的形成, 因此施用蕉秆生物炭和稻秆生物炭没有提高土壤团聚体稳定性。

相关性分析结果表明, ＞2 mm 水稳性团聚体与MWD、GMD 呈极显著正相关, 表明＞2 mm 水稳性团聚体对提高珠三角农田土壤结构稳定性、增强土壤抗蚀性具有积极作用, 这与有机胶结物质有利于大团聚体的形成和稳定有关[29]。主成分分析结果表明, 施用不同用量蕉秆和稻秆综合效果排名均优于对照, 表明施用蕉秆和稻秆均能促进土壤水稳性团聚体形成; 蕉秆具有良好的C/N 比, 适宜微生物的生长, 提高了微生物的活性[30], 有利于大团聚体的胶结, 施用蕉秆提高土壤团聚体稳定性效果与施用稻秆的效果相当。综上所述, 施用蕉秆与稻秆均能提高土壤团聚体的水稳定性, 其中以2.0%施用量最优; 施用蕉秆生物炭与稻秆生物炭在短期内对土壤团聚体稳定性的影响不明显, 长期施用的效果需进一步试验验证。

4 结论

1)施用1.0%、2.0%蕉秆和2.0%稻秆能够显著增加土壤团聚体MWD 和GMD, 显著降低团聚体D 和MWSSA。

2)土壤水稳性团聚体MWD、GMD、D、MWSSA与＞2 mm 和＜0.25 mm 土壤团聚体所占比例呈极显著相关性, 土壤团聚体稳定性随着＞2 mm 水稳性团聚体增加而增加, 随着＜0.25 mm 微团聚体增加而降低。

3)施用2.0%和1.0%蕉秆显著提高土壤团聚体水稳定性, 与施用2.0%稻秆效果差异不显著; 而施用蕉秆生物炭和稻秆生物炭短期内不能提高土壤团聚体的水稳定性。