冷雪梅,钱九盛,张旭辉,谢文逸,刘晓雨,郑聚锋,郭世伟,李恋卿,潘根兴

(南京农业大学农业资源与生态环境研究所,江苏 南京 210095)

土壤是地球表层系统中最主要的碳库,土壤有机碳是土壤的重要组成部分和关键物质,在维持土壤肥力、生态系统生产力及农业可持续发展等方面起着重要作用[1-2]。水稻土是中国特色的水耕人为土类型,约占全国农作物耕地总面积的20%。近20年来,我国南方水稻土有机质含量明显升高,固碳速率提高,水稻土在农业系统固碳中具有越来越重要的作用[3-4]。因此,水稻土碳循环的生物地球化学特点与长期固碳效应也成为当前土壤碳循环研究的热点问题[5]。

土壤有机碳稳定性与大气中CO2等温室气体的波动密切相关,因此在全球碳循环和调节温室气体中起着重要作用[6]。土壤有机碳可能会通过以下几个机制来促进其稳定性:1)土壤粉黏粒保护土壤有机质的化学稳定性;2)微团聚体对土壤有机质的物理保护;3)形成难降解土壤有机质的生物化学稳定性[7]。土壤有机碳库根据其被微生物降解的速度快慢和难易程度可以分为活性碳库、慢性碳库和惰性碳库。土壤活性碳库是土壤中含量相对较少但对环境变化敏感或生物活性较高的有机碳组分,是表征土壤有机碳稳定性的敏感性指标之一[8-10]。颗粒态有机碳作为物理活性碳库,代表了土壤有机碳中的缓慢碳库,在团聚体结构中起保护土壤有机碳免受微生物消耗分解的作用。易氧化态有机碳一般指用化学氧化法所测得的碳,常用来表征土壤中易氧化和易分解的活性有机碳库。可溶性有机碳是土壤中具有一定溶解性且易发生分解和矿化较为活跃的碳库。微生物量碳是指土壤中微生物体内碳的总和,代表了土壤中最为活跃的碳库,且对土壤有效养分供给具有重要意义。

农田土壤中作物根系残留、秸秆还田及有机肥施用等均会使有机物质不断输入到土壤中,而这些有机质的输入可能会通过激发效应来影响土壤有机碳的稳定性[11]。利用稳定性同位素δ13C示踪技术,可以研究外源有机质输入对土壤有机矿化的影响[12]。施肥是保证农作物增产和稳产的重要农田管理措施,不同施肥措施可在一定程度上影响土壤理化性质及土壤微生物群落结构,进而影响土壤有机碳的转化分解及其稳定性[13]。长期定位试验研究表明,有机与无机肥配施在提高土壤有机碳矿化作用的同时还可提高土壤有机碳含量,单施有机肥处理的这种趋势会更加显著[14-15]。

本研究选取长期不同施肥措施下的2种典型水稻土(白土和高砂土)作为研究对象,采用外源有机物(玉米秸秆)添加下的室内恒温培养法,研究不同施肥措施对水稻土有机碳和不同碳组分的影响及激发效应,以期了解不同施肥措施对水稻土有机碳稳定性的影响机制,探讨促进水稻土有机碳稳定性的合理施肥措施。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择2种母质水稻土的4个肥料处理为研究对象进行肥料定位试验,试验地分别位于江苏省溧阳市和如皋市,种植制度为冬小麦-夏水稻轮作,地力均匀,耕层深度0～15 cm。2种水稻土的基本背景:溧阳白土(LY),发育自下蜀黄土母质,田间试验开始于2015年,地点位于常州溧阳市(31.47°N,119.42°E),该地属于亚热带季风气候,年均气温17.5 ℃,年均降水量为1 149.7 mm;如皋高砂土(RG),发育自江淮冲积物,田间试验开始于2008年,地点位于如皋市农业科学研究所长期肥料定位试验平台(32.44°N,120.49°E),该地属于亚热带季风气候,年均气温为14.7 ℃,年均降水量为1 056.8 mm。

2个试验地均设置4个肥料处理,试验采用随机区组设计:1)不施肥(CK);2)农民习惯施肥(FFP):氮肥300 kg·hm-2,磷肥(P2O5)90 kg·hm-2,钾肥(K2O)90 kg·hm-2;3)优化施肥(OPT):氮肥240 kg·hm-2,磷肥(P2O5)72 kg·hm-2,钾肥(K2O)90 kg·hm-2;4)牛粪替氮(CMSN):氮肥240 kg·hm-2(牛粪20%、化学氮肥80%),磷肥(P2O5)72 kg·hm-2,钾肥(K2O)90 kg·hm-2。每个处理3次重复,随机排列,共12个小区。土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of the tested soil

1.2 土壤样品采集与处理

于2019年11月水稻收获期采集土壤样品,采样深度为0～15 cm,每个小区按五点法采集混合土样。使用不锈钢采样铲采集,去除土壤中的植物根系、动物残体、石块、贝壳等,以四分法混匀。一部分样品置于4 ℃冰箱保存,用于室内土壤有机碳矿化培养试验及土壤可溶性有机碳和微生物量碳含量等测定;另一部分样品风干处理,磨细过筛,用于土壤养分等测定。

1.3 试验设计

将低温保存的各处理新鲜土壤样品分别过2 mm筛并混匀,各称取100.00 g土样(按烘干土重计)于500 mL培养瓶中,试验共设置添加玉米秸秆(C1)和不添加玉米秸秆(对照组,C0)2个处理,C1处理添加过2 mm筛的风干玉米秸秆1.00 g(使风干玉米秸秆质量占风干土的1%),并充分混匀。每组处理设置 3个重复,以去离子水代替土壤样品的培养瓶作为空白对照,向培养瓶中添加一定量的去离子水调节土壤含水量至田间持水量的60%。在培养瓶瓶盖上插一长一短2根套有三通阀的橡胶管,密封好的培养瓶放入恒温培养箱中,在25 ℃条件下黑暗培养60 d。定期采集气体样品,再按称重法补充土壤水分。

1.4 测定方法

1.4.1 不同形态土壤有机碳含量测定采用氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4浸提法测定微生物量碳(MBC);按水与土质量比为5∶1浸提,用TOC/TN3100自动分析仪测定可溶性有机碳(DOC)含量;采用5 g·L-1六偏磷酸钠分散土样,过53 μm筛后60 ℃烘干,计算其占全部土壤样品的比例;同时采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机碳含量,再换算成全部土壤样品中颗粒态有机碳(POC)含量;采用 0.333 mol·L-1KMnO4氧化法测定易氧化有机碳(LOC)含量。

1.4.2 土壤有机碳矿化培养试验采用Agilent公司的GC-7890A气相色谱仪测定CO2含量,用Delta plus-GasBench Ⅱ同位素质谱仪测定CO2δ13C,用IsoPrime100-EA同位素质谱仪测定供试土壤和玉米秸秆 δ13C 值。供试玉米秸秆:碳含量为381.02 g·kg-1,全氮含量为5.66 g·kg-1。

CO2-C释放速率的计算公式[16]:

F=ρ×V/W×ΔC/Δt×273/(273±T)×α

(1)

式中:F为CO2产生速率(μg·g-1·d-1或μg·kg-1·d-1);ρ为标准状况下的气体密度,CO2密度为1.98 kg·m-3;V为培养瓶内气体体积(L);W为土样质量(g);ΔC/Δt为在一定时间内气体浓度的变化速率;T为培养温度(℃);α为气体换算到C或N的转化因子,CO2为12/44。

添加秸秆后相对激发效应(PE)的计算公式:

RES=(δs-δC3)/(δC4-δC3)×100%

(2)

CO2-Ctreatment=(1-RES)×CO2-C

(3)

PE=(CO2-Ctreatment-CO2-Ccontrol)/CO2-Ccontrol×100%

(4)

式中:RES为添加的玉米秸秆对土壤呼吸的贡献率;δs为添加玉米秸秆土壤释放CO2的δ13C(%);δC3为对照土壤的δ13C(%);δC4为玉米秸秆的δ13C(%);CO2-Ctreatment为添加秸秆处理后土壤有机碳释放的CO2含量;CO2-Ccontrol为未添加玉米秸秆的有机碳释放的CO2含量;CO2-C为土壤有机碳释放的总CO2含量。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019软件和Origin 2020b软件对数据进行处理和绘图,采用SPSS 26.0软件对数据进行方差分析、相关性检验和Duncan’s显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 添加玉米秸秆对不同施肥处理水稻土有机碳矿化速率的影响

从图1可知:添加玉米秸秆的各施肥处理的CO2-C释放速率随培养时间的增加呈先升高后降低的趋势,且表现出明显的阶段性特征。第1阶段为0～4 d,CO2-C释放速率逐渐升高;第2阶段为5～15 d,CO2-C释放速率迅速下降;第3阶段为16～60 d,CO2-C释放速率逐渐下降,且幅度较为缓慢。与CK相比,白土在培养4 d时各处理CO2-C释放速率均显著增加,其中OPT处理最高;在15 d时,各处理间CO2-C释放速率无显著性差异。高砂土在培养4 d时,OPT处理CO2-C释放速率显著高于其他处理;在15 d时,各处理间CO2-C释放速率无显著性差异。未添加玉米秸秆的各施肥处理CO2-C释放速率随培养时间的增加无明显波动,维持稳定状态。

图1 添加玉米秸秆对不同施肥处理水稻土CO2-C释放速率的影响Fig.1 Effects of maize straw addition on CO2-C emission rate of different treatmentsC1:添加1%(质量分数)玉米秸秆Add 1% maize straw. 下同The same as follows.

添加玉米秸秆后不同施肥处理的水稻土有机碳矿化量如表2所示。白土中,未添加玉米秸秆(C0)土壤有机碳矿化量从大到小的处理依次为CK、FFP、CMSN、OPT,FFP、CMSN和OPT处理较CK分别降低8.33%、19.22%和28.62%;添加玉米秸秆(C1)后土壤有机碳矿化量从大到小的处理依次为CK、OPT、CMSN和FFP。高砂土中,C0和C1土壤有机碳矿化量从大到小的处理依次为OPT、CMSN、FFP、CK,OPT、CMSN和FFP在C0处理下分别较CK提高104.18%、63.33%和37.98%,在C1处理下分别较CK提高30.38%、13.38%和3.23%。OPT和CMSN对白土添加玉米秸秆后有机碳矿化量提高幅度高于CK,但对高砂土提高幅度低于CK;OPT对白土提高幅度在各种施肥处理中最高,但对高砂土的提高幅度最低;FFP对白土和高砂土的有机碳矿化量提高幅度均低于CK。

表2 添加玉米秸秆60 d后不同施肥处理对土壤有机碳矿化量的影响Table 2 Effects of maize straw addition on mineralization of organic carbon under different treatments in 60 d

2.2 添加玉米秸秆对不同施肥处理水稻土各形态有机碳含量的影响

从图2可知:添加玉米秸秆后白土和高砂土各处理土壤有机碳含量显著提高。白土中,C1处理的CK、FFP、OPT和CMSN土壤有机碳含量较C0分别增加12.63%、20.18%、16.43%和12.27%;C0处理,CMSN有机碳含量显著高于其他处理,较CK提高17.85%;C1中CMSN较CK提高17.48%。高砂土中,C1处理的CK、FFP、OPT和CMSN土壤有机碳含量较C0分别增加10.93%、10.75%、17.98%和16.27%;C1处理,FFP、OPT和CMSN有机碳含量均显著提高,分别较CK提高8.69%、8.67%和11.37%。添加玉米秸秆后,OPT对白土和高砂土的有机碳含量提高幅度均高于CK;CMSN对高砂土有机碳提高幅度高于CK,与白土表现相反。

图2 添加玉米秸秆60 d后对不同施肥处理水稻土有机碳含量的影响Fig.2 Effects of maize straw addition on soil organic carbon content of different treatments in 60 d 不同大写字母表示相同施肥下不同处理间差异显著,不同小写字母表示相同处理不同施肥间差异显著(P<0.05)。下同。Different capital letters indicate significant difference of different treatments under the same fertilization,and different small letters indicate significant difference of different fertilizations under the same treatment(P<0.05). The same as follows.

添加玉米秸秆对各处理水稻土的DOC、MBC、LOC和POC含量均有不同程度的影响(图3)。白土中,CMSN施肥条件下C1较C0的DOC含量提高44.47%,其他施肥条件下C1与C0之间无显著性差异;在C1处理中,CMSN的DOC含量显著高于CK、FFP和OPT。高砂土中,FFP施肥条件下C1处理的DOC含量较C0增加38.84%,其他施肥条件下C1与C0之间无显著差异。

图3 添加玉米秸秆60 d后对不同施肥处理水稻土活性碳库组分的影响Fig.3 Effects of maize straw addition on soil labile organic carbon content of different treatments in 60 d

添加玉米秸秆显著提高MBC含量,CK、FFP、OPT和CMSN施肥条件下土壤MBC含量C1较C0处理分别提高1.79、0.86、1.09和1.48倍;原土MBC含量从大到小的处理依次为OPT、FFP、CMSN、CK,C0处理MBC含量从大到小的处理依次为FFP、OPT、CK、CMSN,C1处理MBC含量从大到小的处理依次为FFP、OPT、CK、CMSN。CK、FFP、OPT和CMSN施肥条件下高砂土MBC含量C1较C0处理分别提高1.03、1.79、1.51和0.66倍;CMSN施肥条件下C0处理土壤MBC含量高于FFP和CK,C1处理土壤FFP和OPT的MBC含量高于CMSN和CK。CMSN对添加玉米秸秆处理后白土和高砂土MBC含量提高幅度均低于CK。

CK、FFP、OPT和CMSN施肥条件下土壤LOC含量C1较C0处理分别提高36.30%、29.00%、29.77%和15.42%;原土LOC含量从大到小的处理依次为CMSN、FFP、CK、OPT,C0处理CMSN的LOC含量最高,C1处理各施肥间无显著性差异。CK、FFP、OPT和CMSN施肥条件下高砂土LOC含量C1较C0分别提高22.59%、22.85%、21.05%和23.75%;C0和C1处理各施肥间无显著差异。

白土CK、FFP、OPT和CMSN土壤POC含量C1较C0处理分别提高40.31%、45.77%、25.12%和29.71%;原土、C0和C1处理CMSN的POC含量较CK 显著提高。高砂土CK、FFP、OPT和CMSN土壤POC含量C1处理较C0分别提高30.40%、26.92%、61.86%和26.55%;原土CMSN土壤POC含量高于CK和FFP,C1处理OPT土壤中POC含量高于CK、FFP和CMSN。OPT对添加玉米秸秆处理后白土和高砂土POC含量提高幅度高于CK,CMSN对白土和高砂土提高幅度均低于CK。

2.3 添加玉米秸秆对不同施肥处理水稻土新老碳矿化和激发效应的影响

表3是不同处理土壤在培养1、4和15 d测得的土壤呼吸释放的CO2气体δ13C同位素丰度值及计算的玉米秸秆处理土壤中来源于玉米秸秆(新碳)对于呼吸排放CO2的贡献率。白土中,添加玉米秸秆1 d后FFP土壤释放的CO2主要来源于土壤原有有机碳(老碳),其他处理3 d释放的CO2均主要来源于新碳。高砂土中,添加玉米秸秆后4种施肥土壤3 d释放的CO2主要来源于新碳。与CK相比,FFP分别显著提高白土培养4和15 d的玉米秸秆贡献率,OPT显著提高白土培养15 d及高砂土培养1和15 d的贡献率。

表3 各处理土壤释放CO2的δ13C值Table 3 δ13C values of CO2 released from different treatments

从图4可知:C1处理对白土4种施肥处理土壤中原有有机碳矿化均产生正激发效应,FFP和OPT处理添加玉米秸秆后随培养时间的延长相对激发效应逐渐减弱;与CK相比,FFP、OPT和CMSN在培养1 d的相对激发效应分别增加3.04、2.84和2.44倍,在培养15 d时相对激发效应分别降低59.34%、26.69%和31.73%,OPT在培养4 d相对激发效应较CK提高1.19倍。C1对高砂土的CK、FFP和OPT中原有有机碳产生正激发效应,CMSN在培养4和15 d产生负激发效应,且随时间延长负激发效应减弱;与CK相比,FFP、OPT和CMSN在1 d的相对激发效应分别降低19.55%、57.49%和51.20%,OPT和CMSN在4 d时相对激发效应分别降低53.42%和131.00%,CMSN在15 d时降低111.00%。

图4 添加玉米秸秆对不同施肥处理培养1、4、15 d土壤激发效应的影响Fig.4 Effects of maize straw addition on soil priming effect of different treatments in 1,4 and 15 d incubation

2.4 土壤有机碳矿化的影响因子

土壤类型和施肥措施的交互作用对各个指标的方差分析结果见表4。C0处理下,土壤类型对有机碳矿化量(Cmin)、SOC、MBC和POC有极显著影响,对DOC和LOC有显著影响;施肥处理对Cmin、SOC、MBC和LOC有极显著影响,对POC有显著影响;土壤类型和施肥处理的交互作用对Cmin和MBC有极显著影响,对LOC和POC有显著影响。C1处理下,土壤类型对SOC、MBC和POC有极显著影响,对LOC有显著影响;施肥处理对Cmin、SOC、MBC和POC有极显著影响,对DOC有显著影响;土壤类型和施肥处理的交互作用对Cmin、DOC、MBC和POC有极显著影响。

表4 土壤类型和施肥处理对各指标的方差分析结果(F值)Table 4 The result of variance analysis of soil type and fertilization treatment to each index(F-value)

利用皮尔逊相关系数法分析土壤CEC和游离氧化铁对培养60 d后土壤有机碳矿化量和土壤有机碳含量的相关性(表5)。白土原土土壤CEC与有机碳呈极显著负相关关系,游离氧化铁对有机碳呈显著正相关关系;高砂土原土CEC和游离氧化铁对有机碳矿化量呈极显著负相关关系;原土CEC和游离氧化铁对白土有机碳矿化量和高砂土有机碳含量无显著相关关系;原土的黏粒含量对白土及高砂土的有机碳矿化量和土壤有机碳含量均无显著性相关关系。

表5 培养60 d后有机碳矿化量和有机碳与土壤性质的相关性分析Table 5 The correlation analysis of soil characteristic with the content of mineralization of organic carbon

3 讨论

不同施肥处理可以改变土壤微生物群落结构,细菌、真菌和放线菌的数量会随之发生改变,进而对土壤有机碳矿化过程产生显著影响[17]。本研究中,添加玉米秸秆后各施肥处理的土壤有机碳矿化速率均表现出阶段性变化,即培养初期土壤呼吸速率较快。这是因为新鲜有机物的投入增加了碳源和养分,刺激微生物对活性碳源的优先分解利用[18-19]。随着培养时间的延长,土壤中的有机质以木质素、多酚等难分解成分为主,微生物分解作用减弱,土壤呼吸速率逐渐降低并趋于稳定[20]。然而,没有添加玉米秸秆的对照组土壤有机碳矿化速率始终保持平稳,这是因为用于培养的土壤是未经过风干处理的水稻土鲜样,保留了土壤中原始微生物生存条件,意味着土壤在没有外界扰动的条件下土壤微生物活动处于稳定状态。

本研究中,添加玉米秸秆后2种水稻土均表现出OPT处理的土壤有机碳矿化速率最快,FFP处理土壤中有机碳矿化速率低于OPT和CMSN处理,施肥处理对土壤有机碳矿化速率的影响要显著大于土壤类型的影响。外源有机质输入对土壤有机碳的影响可能与土壤的碳氮比有密切关系[21]。本研究中OPT处理土壤碳氮比显著低于FFP处理,因此外源有机物添加后会导致土壤有机碳分解速率显著高于FFP处理。Meyer等[22]研究发现,低氮素水平供应会增加土壤有机碳矿化速率,高氮素供应更有利于土壤有机碳固存。本研究中,等氮量施肥条件下,添加玉米秸秆后OPT处理高砂土的有机碳矿化速率显著高于CMSN处理,这与牛粪替氮50%处理土壤有机碳矿化速率比单独施化肥处理更高的研究结果相反[23]。原因可能由于有机无机肥配施比例不同,高比例有机肥处理土壤中的活性有机碳含量更高[24],施加有机肥可以通过提高微生物生物量和酶活性促进土壤有机碳矿化[25]。FFP可以增加白土和高砂土原土中土壤有机碳含量,且高砂土中OPT和CMSN处理都可以提高有机碳含量。其原因可能是长期施肥的土壤会存在土壤有机碳的平衡点,当土壤有机碳含量低于平衡点时,施肥就可以提高土壤有机碳含量,达到正平衡,起到固碳的效果[26]。CMSN处理中高砂土和白土外源有机质添加后的土壤有机碳最高,因为粪肥作为外源有机物是提高土壤有机碳含量和稳定性的有效施肥措施之一[27]。

添加外源有机物显著提高土壤MBC、LOC和POC的含量,而DOC含量除白土CMSN和高砂土FFP处理外均无显著提高。这是由于添加玉米秸秆产生激发效应从而释放大量可溶性有机碳,这些碳是最具生物可用性的活性碳库来源,微生物可迅速分解利用[28],最终导致其含量没有提高。白土和高砂土中FFP和OPT处理MBC含量均高于CMSN,白土不施肥处理的MBC对玉米秸秆添加的响应程度最高。这可能是因为白土的施肥处理时间较短,且氮含量对MBC含量有显著影响。本研究中各处理全氮含量无显著性差异可能导致各处理间土壤MBC含量无显著性差异,而不施肥处理土壤中微生物由于一直处于饥饿胁迫状态,当添加外源有机质到土壤中后可能会短时激发微生物活性,从而增加微生物数量。有机、无机肥配施对于土壤MBC含量提高效果明显优于单施化肥[29-31]。本研究结果与其不一致,可能是由于外源有机物的投入源和施肥率、耕作管理、作物轮作、试验时间和具体场地的差异造成的。MBC含量在不同培养时期存在差异,在矿化培养的前期有机、无机配施处理含量最高,而后期不同施肥处理间差异相对较小[32]。矿化培养后的LOC含量在各个施肥处理之间无显著差异。在原土中,CMSN处理土壤的POC含量最高,说明有机、无机配施可以显著提高POC含量,改善土壤结构,使土壤有机碳胶结在团聚体中,有利于有机碳的物理保护;添加玉米秸秆后,白土CMSN和高砂土OPT处理的POC含量高于其他施肥处理,这与土壤有机碳矿化量的变化一致,这也进一步说明有机、无机配施在短时间内可促进POC的积累。

外源输入有机碳的类型会影响土壤有机碳矿化的激发效应,向土壤中加入新鲜有机质可能会导致正激发效应[33]。本研究中,除高砂土CMSN处理外,在培养前期,添加玉米秸秆后各处理土壤有机碳矿化均表现为正激发效应,随培养时间的延长激发效应减弱。其中,白土OPT处理的相对激发效应高于FFP处理,而高砂土FFP处理的相对激发效应高于OPT处理,这可能与水稻土的土壤类型有关[14]。本研究中相较于施肥处理,土壤类型的差异对培养后土壤有机碳含量影响更强烈。添加玉米秸秆导致高砂土CMSN处理土壤在培养4和15 d呈现负激发效应,显著抑制土壤原有有机碳的矿化分解作用,说明CMSN施肥处理有利于高砂土中有机碳的固存。本研究中未添加玉米秸秆处理,白土与高砂土有机碳矿化量结果相反,可能由于白土的施肥年限仅有4年,当不再投入养分后,饥饿状态的微生物加速分解土壤中残存有机质,导致其有机碳矿化量升高。在高砂土中,CK处理由于11年没有投入养分,微生物将易分解的有机质消耗殆尽,导致其有机碳矿化量降低。双因素方差分析发现,无论是土壤类型、施肥处理,还是二者的交互作用都对C0处理有机碳矿化量有极显著性影响,其具体影响机制有待进一步研究。

综上所述,长期施肥处理在不同类型水稻土中的有机碳积累表现各异,添加外源有机物在短期内能够显著提高水稻土不同形态有机碳的含量。牛粪替氮施肥即有机、无机肥配施措施可能对水稻土有机碳的固存有更积极的作用。