玉米残体分解对不同肥力棕壤团聚体组成及有机碳分布的影响*

2018-07-05徐英德汪景宽王思引孙雪冰李君薇张明垚高晓丹

中国生态农业学报(中英文) 2018年7期

徐英德, 汪景宽, 王思引, 孙雪冰, 李君薇, 张明垚, 高晓丹

徐英德, 汪景宽, 王思引, 孙雪冰, 李君薇, 张明垚, 高晓丹**

(沈阳农业大学土地与环境学院/农业部东北耕地保育重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室沈阳 110866)

以棕壤肥料长期定位试验(29 a)形成的高、低两种肥力水平棕壤为研究对象, 采用不同部位玉米残体为试验试材, 分别向两种土壤中加入玉米根茬和茎叶, 进行田间原位培养试验, 试验设置6个处理: 低肥力土壤添加玉米根茬(LF+R)、低肥力土壤添加玉米茎叶(LF+S)、高肥力土壤添加玉米根茬(HF+R)、高肥力土壤添加玉米茎叶(HF+S)和未添加玉米残体的对照处理(LF, HF)。本研究旨在探明玉米根茬、茎叶添加后不同肥力土壤团聚体组成及有机碳分布的变化规律, 为构建合理的秸秆还田与施肥措施, 减少土壤侵蚀提供理论依据。结果表明: 1)添加玉米残体后低肥力棕壤团聚体稳定性、较大级别团聚体(>2 mm和1~2 mm)有机碳贡献率的提升幅度比高肥力棕壤大, 说明低肥力土壤对外源有机质的响应更敏感, 向大团聚体转化的速率更快。2)培养结束时, 高肥力棕壤添加茎叶处理团聚体稳定性显著高于添加根茬处理, 而添加根茬处理各粒级团聚体有机碳含量显著高于添加茎叶处理; 低肥力棕壤中根茬和茎叶添加处理团聚体稳定性及有机碳含量之间差异不明显。3)在田间原位培养过程中, 棕壤>2 mm和1~2 mm团聚体所占比例和团聚体稳定性呈现出前期(0~360 d)快速增加, 后期(360~720 d)趋于稳定的趋势。可以看出, 玉米残体对土壤团聚体团聚化过程的作用强度逐渐减弱。以上结果表明, 作物残体输入对棕壤团聚体组成及有机碳分布的影响与棕壤肥力水平和不同残体部位间的差异关系密切。

棕壤; 土壤肥力; 玉米残体; 根茬; 茎叶; 土壤团聚体; 土壤有机碳

土壤团聚体和有机碳是评估土壤肥力的两大指标[1]。土壤团聚体作为土壤结构的最小功能单元和物理基础, 其组成和特性决定着土壤养分物质循环和微生物活动[2]。稳定的团聚体对支撑动植物的生命、调节土壤水分、减缓温室气体排放及防治水土流失等具有重要意义[3-5]。土壤有机碳是土壤质量的核心要素, 在土壤物理、化学和生物特性中发挥着巨大的作用, 同时是陆地生态系统碳平衡的主要因子[6]。土壤团聚体与有机碳有着密不可分的关系: 团聚体可以通过自身的物理保护作用将有机碳包被起来, 从而免受微生物的分解, 增加土壤有机碳的稳定性; 土壤有机碳是团聚体形成过程中重要的胶结物质, 能够促进团聚体的形成, 增加团聚体的团聚能力[1,7]。因此, 提高土壤团聚体的稳定性及团聚体结合碳的含量对培肥地力、增加土壤抗蚀性以及缓解全球气候变化具有重要意义。

土壤团聚体作为一种特殊的有机-无机复合物, 其组成及稳定过程十分复杂, 并且不同粒级团聚体对有机碳的保蓄能力也存在一定的差异[8]。土壤团聚体组成及其有机碳均受土壤本身理化特性的调控, 还受人为活动等因素的影响[8-9]。首先, 不同土壤肥力水平能够在不同程度上影响土壤团聚体的组成与有机碳的分布[10]。已有研究表明施用有机肥促进大团聚体的形成[8], 显著提高土壤水稳定团聚体的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)值[8], 同时明显提高团聚体结合碳的含量[11]。其次, 土壤团聚体的形成及稳定主要是依靠各种胶结物质的胶结作用, 增加有机碳能够有效地提高土壤的团聚能力[12]。而植物残体在输入土壤后不仅可以作为土壤有机碳的重要来源, 而且在其腐解过程中对团聚体的形成还会产生一定的促进作用[13]。有报道指出向土壤中添加粉碎作物残体等有机质能明显增加土壤中有机胶结物质的含量, 进而促进土壤团聚体的形成, 提高团聚体的稳定性[14-15]。同一作物不同器官的化学组成及腐解进程均存在高度的差异性[16], 不同器官残体势必会影响土壤有机碳的固定及团聚体的形成、稳定过程。然而关于作物不同部位残体在不同肥力水平土壤还田条件下土壤团聚体的组成及其有机碳的响应情况尚鲜见报道。本研究以长期玉米连作体系下两种不同施肥水平棕壤为基础, 通过田间原位培养的方法, 探讨了不同部位玉米残体(根茬、茎叶)还田条件下农田土壤团聚体组成及有机碳分布的变化情况, 以阐明秸秆还田下土壤碳库的稳定性及其保护机制。本研究结果对构建合理的秸秆还田与培肥措施, 减少土壤侵蚀具有一定指导作用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在沈阳农业大学棕壤长期定位试验站进行(41°49¢N, 123°34¢E)。该试验站始建于1987年, 土壤为发育在黄土性母质上的壤质棕壤[17]。试验站长期种植作物为玉米(L.), 每年4月中下旬播种, 9月中下旬收获。具体试验布置与施肥处理参见安婷婷等[18]。本试验共选用2个肥力水平棕壤, 即低肥力棕壤(连续29 a未施用任何肥料的处理, LF)和高肥力棕壤(多年施用高量有机肥配施氮磷肥的处理, HF)。

供试有机物料为2014年9月玉米收获后采集的玉米残体。首先将玉米残体在105 ℃下杀青30 min, 然后在60 ℃下烘8 h。将根茬、茎叶分开, 并剪成2 cm小段, 用秸秆粉碎机粉碎, 过40目筛后备用。试验所需土壤样品及玉米残体的主要理化性质见表1。

表1 供试棕壤、玉米残体基本理化性质

同列不同小写字母表示不同肥力水平棕壤间差异显著(<0.05), 同列不同大写字母表示不同部位玉米残体间差异显著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences at 5% level between different brown soils; different capital letters mean significant differences at 5% level between different residue parts of maize.

1.2 研究方法

本试验采用田间原位培养法, 共设6个处理, 分别为: 低肥力土壤添加玉米根茬(LF+R)、低肥力土壤添加玉米茎叶(LF+S)、高肥力土壤添加玉米根茬(HF+R)、高肥力土壤添加玉米茎叶(HF+S), 同时以不添加玉米残体的2种肥力土壤作为对照(LF, HF), 每个处理3次重复。按照试验设计方案, 于2016年4月翻地后将18个长×宽×高为0.4 m×0.3 m×0.8 m的PVC盒埋入相对应肥力水平小区, PVC盒顶端高出地表10~15 cm。按照0.5%的重量比(干秸秆重/烘干土重)向微区中加入不同部位玉米残体(根茬、茎叶), 使残体与0~20 cm耕层土壤均匀混合。在微区玉米出苗后, 每个微区保留1株长势较好的玉米, 微区的管理按照常规田间管理方法进行。分别于试验布置后的0 d、360 d和720 d对各微区进行采集, 采集深度为0~20 cm。采样时, 利用不锈钢铲对各微区三点采集原状土样, 每份200 g, 混匀后留取200 g备用。为防止土壤结构遭到破坏, 采用硬质塑料保鲜盒将土样带回实验室。

土壤团聚体分离采用Wang等[19]介绍的方法: 去除原状土样中的石粒和植物碎片并用手沿自然裂隙轻轻掰成大小不同的小土块, 然后风干至含水量12%左右时, 进行团聚体分级。称取100 g的土样土置于筛分仪(Retsch AS 200, 德国)套筛中, 首先在振幅1.5 mm条件下振动15 s, 分离出>2 mm的团聚体, 然后再依次振动20 s和45 s, 得到1~2 mm、0.25~1 mm和<0.25 mm粒级土壤团聚体, 分别称重。然后将土样风干, 用研钵研磨并过100目筛, 并利用元素分析仪(Elementar Ⅱ, 德国)进行土壤有机碳的测定。

1.3 计算方法

平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)[8]以及分形维数()[20]的计算公式分别为:

式中:X为筛分出来的某一级别团聚体的平均直径(mm),M为某一粒级团聚体的重量百分比(%)。

式中:W为某一粒级团聚体的重量(g),为土壤各粒级重量的总和。

对式(3)两边取对数可得式(4):

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0软件进行方差分析, 不同处理间的差异显著性水平采用Duncan法进行多重比较, 显著水平为<0.05。图表的绘制采用Microsoft Excel 2010软件。

2 结果与分析

2.1 添加玉米残体对土壤团聚体组成的影响

各处理土壤团聚体组成在添加玉米残体后变化明显, 且不同肥力棕壤的响应有所差异(表2)。0.25~1 mm团聚体在各处理中所占比例最高, 成为优势级别且与其他级别相比差异显著(<0.05), 而<0.25 mm团聚体含量最低(<0.05)。玉米残体添加后, 明显增加了>2 mm和1~2 mm团聚体的比例, 其中低肥力土壤的增加幅度更明显。培养720 d时, 低肥力土壤添加玉米残体处理>2 mm和1~2 mm团聚体所占比例比相应对照处理平均增加60.32%, 高肥力土壤增加比例平均为39.50%。添加不同残体部位处理在不同时期没有一致的规律性。培养结束时, 低肥力土壤添加根茬和茎叶后团聚体组成差异不明显(>0.05)。而在高肥力土壤中, 添加茎叶处理>2 mm级别所占比例显著高于添加根茬处理(<0.05), 而<0.25 mm则相反。在培养的前360 d, 各处理>2 mm和1~2 mm团聚体所占比例均有不同程度的增长; 在360~720 d, 各粒级团聚体所占比例逐渐趋于稳定。

表2 不同肥力棕壤添加不同部位玉米残体不同时间后土壤团聚体的组成变化

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米茎叶。同行不同小写字母表示同一处理不同团聚体级别差异显著(<0.05), 同列不同大写字母表示同一团聚体级别不同处理不同时间差异显著(<0.05)。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf. Different lowercase letters mean significant differences at 5% level among different sizes of aggregates for the same treatment; different capital letters mean significant differences at 5% level among different treatments at different incubation times for the same aggregates size.

2.2 添加玉米残体对土壤团聚体稳定性的影响

2.2.1 平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)

MWD和GMD可以反映土壤团聚的大小分布状况。MWD和GMD值越大, 说明团聚体的团聚程度越高, 团聚体越稳定, 抗侵蚀能力越强[8]。不同肥力棕壤添加玉米残体后MWD和GMD变化趋势总体一致(图1)。与对照相比, 添加玉米残体处理MWD和GMD显著提升(<0.05), 且对低肥力土壤团聚体MWD和GMD提升效果更显著。其中, 低肥力土壤团聚体MWD和GMD平均提升幅度分别为28.10%和31.47%, 高肥力土壤分别提升13.6%和15.31%。而对于不同残体部位之间, 除培养360 d时低肥力棕壤添加玉米根茬(LF+R)处理MWD和GMD明显低于其他处理(<0.05)以及培养720 d时高肥力棕壤添加玉米茎叶(HF+S)处理最高(<0.05)外, 其余处理差异不显著(>0.05)。在培养的前360 d, 土壤团聚体MWD和GMD均显著增加(<0.05); 在360 d之后, 除HF+S处理MWD和GMD明显增加(<0.05)外, 其余各处理均未发生明显变化(>0.05)。

2.2.2 分形维数

可以定量描述不同粒径团聚体的稳定性特征, 其值越小表示团粒结构越好, 结构越稳定[21]。随着培养时间的延长, 各处理土壤团聚体值均呈现出前360 d显著下降(<0.05), 360 d后未发生明显变化(>0.05)的趋势(图2)。其中低肥力土壤团聚体值的下降幅度更明显, 平均下降21.91%, 而高肥力棕壤(HF)平均下降15.77%。在培养结束时, 低肥力棕壤(LF)处理值显著高于其他处理(<0.05), 而高肥力棕壤添加玉米茎叶(HF+S)处理最小。

图1 不同肥力棕壤添加不同部位玉米残体不同时间后土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)值的变化

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米茎叶。不同小写字母表示同一处理不同时间差异显著(<0.05), 不同大写字母表示同一时间不同处理差异显著(<0.05)。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf. Different lowercase letters mean significant differences at 5% level among different incubation times for the same treatment; different capital letters mean significant differences at 5% level among different treatments at the same incubation time.

图2 不同肥力棕壤添加不同部位玉米残体不同时间后土壤团聚体分形维数(D)值的变化

2.3 添加玉米残体对土壤总有机碳含量的影响

由图3可知, 玉米残体添加明显增加了各处理的土壤有机碳含量(<0.05)。随培养时间的延长, 各处理有机碳含量出现不同程度的降低, 其中高肥力水平各处理土壤有机碳含量降低趋势更明显; 培养720 d时, 高肥力水平各处理土壤有机碳较培养开始时平均下降22.46%, 低肥力水平土壤有机碳平均下降14.92%。720 d时, 除高肥力棕壤添加玉米根茬(HF+R)处理外, 其余添加玉米残体处理土壤有机碳含量与对照处理差异已不明显(>0.05)。从不同残体部位来看, 培养360 d后, HF+R处理土壤有机碳含量明显高于添加茎叶(HF+R)处理(<0.05), 而低肥力土壤中添加不同部位残体后无明显差异(>0.05)。

图3 不同肥力棕壤添加不同部位玉米残体后不同时间土壤有机碳含量的变化

2.4 添加玉米残体对土壤各粒级团聚体有机碳含量及分布的影响

2.4.1 各粒级团聚体有机碳含量

不同处理土壤团聚体中有机碳含量如表3所示。同一处理的不同粒级团聚体相比, 各处理均以<0.25 mm团聚体有机碳含量最高。玉米残体添加在不同程度上增加了各级别团聚体有机碳含量。但在培养结束时, 仅高肥力土壤(HF)添加玉米残体处理各粒级团聚体有机碳含量高于对照(0.05), 而低肥力土壤(LF)添加玉米残体处理与对照处理无明显差异(0.05)。培养720 d时, 低肥力土壤添加玉米残体处理随土壤团聚体粒级减小, 有机碳含量呈现出逐渐增加的趋势, 而高肥力土壤添加玉米残体处理随土壤粒级的减小, 有机碳含量呈现先减小后增加的V型趋势。从不同残体部位来看, 高肥力土壤添加根茬(HF+R)处理各粒级团聚体有机碳含量明显高于添加茎叶(HF+S)处理(<0.05), 而低肥力土壤中则差异不显著(0.05)。在整个培养过程中, 不同处理各粒级团聚体有机碳含量总体表现为HF+R>HF+S>HF>LF+R、LR+S>LF。

表3 不同肥力棕壤添加不同部位玉米残体不同时间后土壤团聚体有机碳含量的变化

2.4.2 有机碳在各粒级团聚体中的分配

未添加玉米残体的对照处理土壤有机碳主要分布在0.25~1 mm粒级团聚体, 而<0.25 mm团聚体分布最低(图4)。玉米残体添加明显增加了>2 mm和1~2 mm团聚体有机碳的贡献率(<0.05); 其中, 低肥力土壤在培养结束时较对照处理平均增加38.52%, 高肥力土壤平均增加16.67%。从不同残体部位来看, 在培养结束时, 高肥力添加茎叶(HF+S)土壤中>2 mm和1~2 mm团聚体有机碳的贡献率高于添加根茬(HF+R)处理, 且差异显著(<0.05), 而低肥力土壤中添加根茬(LF+R)和茎叶(LF+S)间无明显差异(0.05)。培养720 d时, 添加玉米残体各处理>2 mm和1~2 mm团聚体有机碳的贡献率均占50%以上,且表现为HF+S>HF+R>LF+S>LF+R>HF>LF, <1 mm团聚体则表现出相反的规律。

3 讨论

玉米残体还田明显提高较大级别团聚体(>2 mm和1~2 mm)所占比例及团聚体的稳定性, 与张鹏等[22]和安婉丽等[23]的研究结果一致且符合Six等[24]的土壤团聚体周转胚胎发育模型。本研究在此基础上进一步突出了肥力水平及残体部位对土壤团聚体组成的影响。本研究中, 玉米残体输入对低肥力土壤较大级别团聚体数量和团聚体稳定性提升的效果更明显, 表明在相同条件下残体还田对低肥力土壤结构的改善作用更强。已有研究表明, 有机物料的腐解过程与土壤团聚体的形成之间存在着复杂的相互作用[25]。有报道指出植物残体在低肥力土壤中的腐解速率更快[26-27], 表明外源有机物料在低肥力土壤中较快的周转速率对土壤结构的改善产生了更积极的影响。此外, 本试验站中低肥力棕壤含有更多的黏粒含量[28], 而缺少有机胶体与其结合, 也就是黏粒胶体大量的“固碳位点”处于空置状态[29]。此外, 黏土矿物具有更强的表面吸附能力, 当外源物料输入时, 这些无机胶体(黏粒)会迅速与有机物紧密结合[26], 形成较稳定的有机-无机复合体, 从而加快了土壤由微团聚体向大团聚体转化的进程。

图4 不同肥力棕壤添加不同部位玉米残体不同时间后土壤各粒级团聚体有机碳的相对贡献率

LF: 低肥力棕壤; HF: 高肥力棕壤; R: 玉米根茬; S: 玉米茎叶。LF: low fertility brown soil; HF: high fertility brown soil; R: maize root; S: maize stem and leaf.

田间原位培养结束时, 添加不同部位残体对不同肥力土壤团聚体形成作用效果不同。可见, 残体部位也是影响作物残体还田对土壤团聚体形成的重要因素。在低肥力土壤中添加不同部位残体后团聚体组成未表现出明显差异; 而高肥力土壤以添加茎叶处理中较大级别团聚体所占比例和团聚体稳定性更高。这可能是由于不同肥力背景条件下作物残体不同的腐解模式所导致。高肥力土壤中添加不同残体部位后团聚体组成及稳定性差异较大, 说明高肥力土壤团聚体对茎叶的输入反应更敏感, 而茎叶中较高含量的糖类、纤维素和半纤维素含量[30]为团聚体的形成提供了更多的胶结物质, 从而使微团聚体向大团聚体转移。而在低肥力土壤中, 微生物的生长处于缺氮的“饥饿”状态, 微生物会在残体输入后迅速对其进行分解以满足自身生长的需要[31]。此外, 相对于低肥力土壤中较稳定的土壤有机质, 微生物会优先利用更易分解的外源有机物料[32]。这些条件使得不同部位玉米残体在低肥力土壤中的腐解过程类似, 从而产生了对土壤团聚体相似的作用强度。有报道[26]指出, 高肥力土壤更能扩大土壤微生物量在施入不同部位残体后的差异性, 这也支持了本研究的结果。

土壤团聚体的组成及稳定性随培养时间的延长呈现出类似的规律。在田间原位培养的前360 d, 土壤中较大粒级团聚体以及团聚体的稳定性均有明显增加(<0.05), 而在360~720 d逐渐趋于稳定。许多研究显示, 作物残体还田1 a后残体的矿化率均集中在55%~70%[33-34], 说明作物残体的腐解过程主要发生在还田后的第1年。在此期间提高了微生物的活性, 促进了可作为胶结物质的微生物菌丝的生长, 同时外源有机物质也可作为团聚体形成过程中重要的胶结物质, 对团聚体的形成产生促进效应[35]。而1 a后, 外源有机物料大部分已矿化, 而残留在土壤中的部分也较稳定地固定在土壤中[33], 因此对土壤团聚体团聚化过程的作用力逐渐减弱。

玉米残体在添加到土壤初期明显增加了土壤及各粒级团聚体的有机碳含量, 这与前人研究结果[1,7]类似, 说明作物残体还田对土壤有机碳含量的提高具有重要作用。本研究在田间模拟条件下进一步表明, 玉米残体输入对土壤有机质的提升作用主要发生在还田后的第1年。而在较长时期(720 d)的腐解过程中, 由于残体自身较快的分解速率及其对土壤“老”有机碳产生的激发效应[36], 致使培养结束时添加作物残体处理和对照处理土壤及团聚体有机碳含量差异不大。同时, 玉米残体添加明显增加了较大级别团聚体有机碳的贡献率, 表明较大级别团聚体富集外源有机碳的能力更强, 残体碳主要通过增加大团聚体中碳含量的方式来增加土壤有机碳的稳定性[37]。外源碳的输入会通过与土壤矿物的结合逐步形成大团聚体, 反过来团聚体的物理保护作用降低了微生物对有机碳的分解, 这与前人一些研究结果相符[1,27]。与对照相比, 添加玉米残体使较小级别团聚体(0.25~1 mm和<0.25 mm)有机碳对土壤总有机碳的贡献占主导地位逐渐转化为较大级别团聚体占主导地位。不同肥力土壤相比较, 外源有机物料添加仍然对低肥力土壤较大级别团聚体有机碳贡献率的提升效果更明显。

不同部位残体输入对不同肥力土壤有机碳含量及团聚体有机碳分布的作用效果同样存在差异。其中低肥力土壤中添加不同部位玉米残体后, 土壤、团聚体有机碳含量及有机碳在团聚体中的分配差异不明显(>0.05), 而高肥力土壤中则差异显著(<0.05)。具体来看, 高肥力土壤中添加根茬对土壤及团聚体有机碳含量的提升效果更明显且作用强度更持久。根茬较茎叶含有更多难被微生物利用的组分(如木质素)[38], 因此在土壤中能保留更长的时间。Puget等[39]也认为根茬更有利于长期土壤有机质的积累, 这也支持了本研究的结果。如前所述, 低肥力土壤中微生物对残体的快速利用降低了不同残体部位间的差异。

4 结论

1)肥力水平是影响作物残体还田后土壤团聚体组成及有机碳分布的关键因素, 作物残体还田对于改善低肥力土壤结构状况, 提高土壤团聚体稳定性具有更明显作用。

2)对于不同残体部位而言, 高肥力棕壤中添加茎叶处理对土壤团聚体稳定性的提高效果更明显, 添加根茬处理对土壤团聚体有机碳含量提高效果更明显; 而在低肥力棕壤中添加不同残体部位后土壤团聚体稳定性差异不明显。

3)在本试验条件下, 作物还田后的第1年明显促进了土壤团聚体的团聚化过程并提高了团聚体有机碳含量。随着田间原位培养时间的延长, 作物残体对土壤团聚体形成的作用强度逐渐减弱。作物残体还田后土壤团聚体组成及有机碳分布更长期的变化还有待进一步研究。

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Effects of maize residue decomposition on aggregate composition and organic carbon distribution of different fertilities Brown soils*

XU Yingde, WANG Jingkuan, WANG Siyin, SUN Xuebing, LI Junwei, ZHANG Mingyao, GAO Xiaodan**

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University / Key Laboratory of Arable Land Conservation (Northeast China), Ministry of Agriculture / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866, China)

Soil aggregate and organic carbon are two major indices for assessing soil fertility. Besides, crop residue return is an effective agricultural way to supplement soil carbon pool and promote soil aggregate formation. However, how soil fertility level and residue type affect soil aggregate stability and organic carbon distribution is not clearly understood yet. In this study, a field incubation experiment was carried out by adding maize (L.) root or stem and leaf to brown soil of different fertility levels. The samples of low fertility (LF) and high fertility (HF) soils were collected from a long-term (29 years) fertilization experiment. Six treatments were set, which were low fertility soil with maize root (LF+R), low fertility soil with maize stem and leaf (LF+S), high fertility soil with maize root (HF+R), high fertility soil with maize stem and leaf (HF+S), low or high fertility soil without maize residues (LF or HF). The objective of the study was to explore the dynamics of soil aggregate composition and allocation of organic carbon after residue incorporation. The study could have significant implications for developing residue management and reduce soil erosion in agro-ecosystems. The results showed that soil fertility significantly affected aggregates composition and organic carbon allocation of soil with crop residue incorporation. The addition of maize residue increased mean weight diameter, geometric mean diameter of soil aggregates and contribution rate of organic carbon in larger aggregates (>2 mm and 1–2 mm) in LF soil compared to those in HF soil. The results suggested that LF soil was more sensitive to organic matter input and had a rapid rate of transformation to macro-aggregate. 2) At the end of experiment, the addition of maize stem and leaf to HF soil had a more pronounced effect on soil aggregate stability compared to the addition of root. Then the addition of root had a more pronounced effect on organic carbon content in soil aggregates than the addition of stem and leaf. However, there was no significant difference between soil aggregate stability and organic carbon content in LF soil aggregate supplemented with different maize parts. The results further suggested that soil fertility level could change the effects of different parts of crop residues addition on soil aggregate stability and organic carbon distribution. 3) The proportion of >2 mm, 1–2 mm aggregates and soil aggregate stability sharply increased during the first 360 days. This then tended to stable during the later incubation period of 360–720 days. This indicated that the effect of maize residue on the formation of soil aggregate gradually weakened with time. It was concluded that the effects of maize residue addition on soil aggregates composition and organic carbon distribution were dependent on both soil fertility and residue part. Besides, crop residue addition had more obvious effect on improving the structure and stability of aggregates in LF soils.

Brown soil; Soil fertility; Maize residue; Root; Stem and leaf; Soil aggregate; Soil organic carbon

, E-mail: wataxi221@126.com

Nov. 24, 2017;

Feb. 3, 2018

S158.5

1671-3990(2018)07-1029-09

10.13930/j.cnki.cjea.171087

* 国家自然科学基金项目(41601230, 41671293, 41601307)资助

高晓丹, 主要从事土壤肥力与土壤化学研究。E-mail: wataxi221@126.com 徐英德, 主要从事土壤肥力与土壤生态研究。E-mail: yingdexu@126.com

2017-11-24

2018-02-03

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41601230, 41671293, 41601307).

徐英德, 汪景宽, 王思引, 孙雪冰, 李君薇, 张明垚, 高晓丹. 玉米残体分解对不同肥力棕壤团聚体组成及有机碳分布的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(7): 1029-1037

XU Y D, WANG J K, WANG S Y, SUN X B, LI J W, ZHANG M Y, GAO X D. Effects of maize residue decomposition on aggregate composition and organic carbon distribution of different fertilities Brown soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(7): 1029-1037