长期不同施肥和耕作对坡耕地黄壤团聚体组成及有机碳的影响

2021-05-20白怡婧刘彦伶黄兴成张雅蓉蒋太明

中国水土保持科学 2021年2期

白怡婧, 刘彦伶†，李渝，黄兴成，张雅蓉，蒋太明，秦松

(1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所,550006，贵阳; 2.农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站, 550006，贵阳; 3.贵州省农业科学院茶叶研究所,550006，贵阳)

土壤结构退化是土壤退化最重要的表征之一[1]，表现为土壤团聚体构成比例失调以及团聚体稳定性下降[2]。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元[3]，其数量和分布反映土壤结构的稳定性和抗蚀性。土壤有机碳作为土壤肥力的重要物质基础，也是土壤团聚体和土壤功能体现的基础。Jastrow[4]研究发现表层土壤中近90%有机碳位于团聚体内，并指出任何土壤的退化都首先表现出土壤团粒结构的破坏与消失，进而引起土壤固碳能力降低。前人研究结果表明，优化施肥通过合理减施化肥均衡土壤养分以兼顾环境和经济效益[5]，保护性耕作通过改变微地形，增加地表覆盖等措施改善土壤结构、提高土壤肥力[6]。二者是实现农业可持续发展的有效途径。

贵州地处云贵高原东大斜坡，是全国唯一没有平原支撑的典型喀斯特省份，耕地类型以坡耕地为主，6°～25°坡耕地共291万hm2，占全省耕地总面积的61.0%[7]。坡耕地易引发水土流失导致土壤结构不良、土壤肥力降低，进而抑制农作物生长，严重阻碍贵州农业的生产与发展。我国喀斯特地区水土流失研究始于20世纪60年代，但一直未受到足够的重视，直至近十几年才得到飞速发展[8]。目前关于施肥对黄壤养分的研究及保护性耕作对坡耕地水土流失的研究较多[9-12]，而关于施肥与保护性耕作交互作用对黄壤坡耕地土壤养分尤其是团聚体的研究未见报道。基于以上情况，本研究以贵州省农业面源污染长期定位监测点为试验平台，分析比较不同施肥与耕作处理对黄壤团聚体组成及有机碳含量的影响，探讨并筛选适合喀斯特地区坡耕地的最佳施肥与耕作模式，为实现喀斯特地区坡耕地水土保持、旱地农业可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于贵安新区湖潮乡湖潮村( E 106°31′52″，N 26°28′17″)，地处黔中丘陵区，属亚热带季风气候，平均海拔1 100 m，年均气温14.9 ℃，年均降雨量1 175 mm。试验坡地长6 m，坡度15.1°，坡向西南，土壤类型为黄壤土类黄黏泥土。该试验点为贵州省农业面源污染长期定位监测点，于2007年开始基础设施建设和匀地，2008年开始连续监测。基础土样耕层(0～20 cm)土壤基本性质为：有机质22.37 g/kg，全氮1.21 g/kg，全磷0.68 g/kg，有效磷13.33 mg/kg，有效钾94.80 mg/kg，pH值为6.25(土水比为1∶5)。

2 研究方法

2.1 试验设计

本试验为玉米-油菜轮作，油菜品种为芥菜型油菜，玉米品种为金玉838。试验共设6个处理(表1)，3次重复，共18个小区，区组随机排列，小区面积为6×3.5=21 m2。其中，秸秆覆盖处理使用前茬作物秸秆整株覆盖于行间，等高植物篱处理沿等高线种植两带黄花菜植物篱，3 m一带，每带2行，行宽25 cm，株距15 cm，每穴2株。供试化肥为尿素(含N46.0%)、过磷酸钙(含P2O512.0%)和氯化钾(含K2O60%)；有机肥为圈肥，含水率30%，含N1.29%，含P2O50.44%，K2O1.54%，不同施肥量见表1。其中，N、P肥作底肥1次施用；玉米N肥分3次施用，底肥20%，第1次追肥30%，第2次追肥50%；油菜N肥分3次施用，底肥20%，第1次追肥40%，第2次追肥40%。

表1 试验处理及施肥量Tab.1 Treatments and rates of fertilizers kg/hm2

2.2 样品采集和分析

本研究于2018年玉米收获后采用“S”型5点取样法采集0～20 cm耕层土样，每个样品的质量不少于2.0 kg。

机械稳定性团聚体(干筛法)[13]：取400 g混合土样置于套筛(孔径依次为5，2，1，0.5，0.25 mm)顶部，用振动筛分仪(GRINDER SS200)进行震荡筛分，振幅2.0 mm，筛分时长为10 min，测定各孔径筛分后的土壤质量。

水稳性团聚体(湿筛法)[14-15]：按照干筛后土壤各粒级质量比称取50 g混合土样，将其置于套筛(孔径依次为5、2、1、0.5、0.25 mm)顶部，放于恒温土壤团粒分析仪(Daiki DIK-2012)的配套桶内，沿边缘缓慢加入去离子水至刻度线，确保最顶层筛的上边缘保持低于水面，静置10 min后开启振荡开关，以30次/min的频率震荡10 min。收集各级筛层团聚体并分别转移至铝盒中，烘干称量，得到各级团聚体的质量分数。

有机碳[13]：重铬酸钾容量法(外加热法)。

2.3 计算公式

平均质量直径(mean weight diameter, MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter, GMD)、>0.25 mm团聚体质量分数(R0.25)、团聚体破坏率(percentage of aggregate destruction, PAD)、团聚体不稳定团粒指数(unstable aggregate index,ELT)计算公式参照文献[2,16-17]。此外，分形维数(fractal dimension,D)的计算采用杨培岭法等[18]的推导公式：

上述公式两边取对数，可得：

团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率[16]：

式中：IW为团聚体中有机碳对土壤中有机碳的贡献率，%；Ci为第i级团聚体中有机碳质量分数，g/kg；CT为土壤中有机碳质量分数，g/kg；Mi为第i级团聚体质量，g，Mt为所有粒径团聚体的总质量，g。

2.4 统计分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0进行数据处理和作图，采用一般线性模型进行方差分析，最小显著极差法(Duncan法)进行多重比较，显著性水平P<0.05。数据为平均值±标准差(n=3)。

3 结果与分析

3.1 对土壤团聚体分布特征的影响

团聚体分为>0.25 mm的大团聚体(macroaggregates)和<0.25 mm的微团聚体(microaggregates)[19]。各处理下机械稳定性团聚体分布以>0.25 mm的大团聚体为主，且基本呈随粒径减小团聚体含量减少趋势(表2)。与T1相比，T2、T3、T4、T5、T6>5 mm团聚体含量增加19.66%～50.04%；0.5～0.25 mm和<0.25 mm团聚体含量降低20.61%～39.19%和12.97%～23.40%。同处理下水稳性团聚体分布差异显著(P<0.05，表3)，与T1相比，其他处理>5 mm团聚体含量显著增加96.89%～146.03%，1～0.5 mm和0.5～0.25 mm团聚体含量降低22.07%～30.49%和26.79%～64.81%。

3.2 对土壤团聚体稳定性的影响

由表4可知，T1的机械稳定性与水稳性团聚体的MWD、GMD、R0.25与其他处理相比均最低。干筛法所得机械稳定性团聚体的MWD、GMD和R0.25都明显高于湿筛法。而湿筛法所获得的水稳性团聚体中，同等耕作条件下T3较T2的MWD、GMD、R0.25分别提升14.22%、25.74%、5.24%；同等优化施肥条件下T4、T5、T6较T3的R0.25分别提升1.54%、2.19%、3.42%，T5较T3的MWD、GMD分别提升1.95%、2.34%。此外，优化施肥和保护性耕作处理较常规施肥和顺坡平作处理的PAD、ELT和D差异显著(P<0.05，图1)，其中，T6的PAD、ELT和D的最大降幅分别可达92.10%、62.38%、0.67%。T3、T4、T5、T6下土壤团聚体的D值与T1和T2相比，分别降低0.57%～0.68%和0.34%～0.44%。

表2 不同处理下土壤机械稳定性团聚体组成Tab.2 Composition of soil mechanically stable aggregates under different treatments %

表3 不同处理下土壤水稳性团聚体组成Tab.3 Composition of soil water stable aggregates under different treatments %

表4 不同处理对土壤团聚体稳定性的影响Tab.4 Effects of different treatments on the stabilities of soil aggregates

同一图中不同小写字母表示不同处理间含量差异显著(P<0.05)。置信水平为95%，下同。Different lowercase letters in the same figure indicate significant differences in contents between different treatments (P<0.05). Confidence level is 95%. The same below. 图1 不同处理下土壤团聚体破坏率、不稳定团粒指数及分维特征Fig.1 PAD(percentage of aggregate destruction), ELT (unstable aggregate index) and fractal dimension characteristics of soil aggregates under different treatments

3.3 对水稳性团聚体中有机碳分布的影响

不同施肥和耕作处理下土壤有机碳质量分数表现为T1(14.93 g/kg)5、5～2、0.5～0.25和<0.25 mm团聚体中有机碳含量较T2分别提升1.88%、10.14%、2.63%、26.32%；同等优化施肥条件下，T5和T6>5、5～2、2～1和1～0.5 mm团聚体中有机含量较T4分别提升17.20%、11.89%、15.03%、3.21%和10.19%、6.99%、0.26%、2.56%。

图2 不同处理下不同粒径土壤团聚体有机碳质量分数分布Fig.2 Distribution of soil organic carbon content at different particle sizes under different treatments

3.4 对水稳性团聚体中有机碳贡献率的影响

图3 不同处理下不同粒径土壤有机碳的贡献率Fig.3 Contribution rates of soil organic carbon at different particle sizes under different treatments

由图3可知，>0.25 mm的大团聚体中有机碳对不同处理的土壤总有机碳贡献率均超过85%，随着优化施肥和保护性耕作措施的增加<0.25 mm团聚体有机碳贡献率减小，这与团聚体含量分布相似。T3、T4、T5、T6>5 mm团聚体的有机碳贡献率均最高，可占相应处理贡献率的30.89%～33.61%；0.5～0.25 mm和<0.25 mm团聚体的有机碳贡献率较低，最低分别占相应处理贡献率的5.99%和5.69%。可见，长期优化施肥和保护性耕作共同作用更利于大团聚体有机碳贡献率的增加。

4 讨论

不同施肥和耕作下机械稳定性团聚体和水稳性团聚体均以大团聚体为优势团聚体，占比分别超过93.29%及84.25%。一方面，这可能是因为优化施肥降低土壤密度，提高土壤吸附能力，增加土壤团聚体稳定性[20]；另一方面，保护性耕作通过秸秆覆盖等方式保证土壤生物的数量与活动，增加养分的输入量，降低大团聚体周转速度。水稳性团聚体中<0.25 mm的微团聚体含量比机械稳定性团聚体中<0.25 mm的微团聚体含量高0.73～9.02百分点，这是由于机械稳定性团聚体反映的是原状土壤中非水稳性和水稳性团聚体的总体情况，而水稳性团聚体特指受水蚀作用的团聚体分布特征，水蚀使大团聚体分解，土壤团聚体粒径则减小，从而<0.25 mm的微团聚体增加。水稳性团聚体中，同等耕作条件下T3较T2的MWD、GMD、R0.25分别提升14.22%、13.16%、5.24%，这可能是由于优化施肥有效地改善了土壤性质，提升土壤有机碳含量，增加大孔隙的数量和连接性，在提高水肥供应能力的同时有机碳的斥水性和胶结作用提高团聚体的水稳性；同等优化施肥条件下T4、T5、T6较T3的R0.25提升1.54%、2.19%、3.42%，同时T4、T5较T3的GMD值提升1.74%、3.49%，这可能是因为在优化施肥的优势下又设置横坡垄作，这种特殊的垄向布设方式，对坡面径流和雨水产生较强的聚集作用，减小雨滴和径流对坡面的打击和冲刷，保水保土保肥能力提高，从而促进团聚体的形成，通过秸秆覆盖增加土壤碳投入，加大其胶结力度，进而提高团聚体的水稳定性，这与前人研究结果相一致[21-22]。

赵红等[23]与徐春阳等[24]研究表明，长期优化施肥可促进土壤小颗粒向大颗粒转化，提高耕层土壤大团聚体含量，增加其结构稳定性。王碧胜[16]研究发现，长期保护性耕作能够提升团聚体含量、稳定性，还可增加团聚体中养分含量，有利于农业可持续发展。PAD和ELT随土壤退化程度增加而增加[25]，其值越大表明土壤结构越不稳定。PAD和ELT受施肥和耕作影响明显且变化规律相似，均表现出不施肥+顺坡平作(T1)>常规施肥+顺坡平作(T2)>优化施肥+顺坡平作(T3)>优化施肥+保护性耕作(T4、T5、T6)，说明优化施肥和保护性耕作不仅增加了团聚体数量而且有利于提高土壤结构的稳定性。与此同时，土壤分形维数D值作为评价土壤结构分布的综合指标，不仅描述土壤颗粒的大小及分布，还反映了土壤质地的均一程度，其值与大团聚体含量呈显著正相关，大团聚体含量越高，分形维数越高，土壤质地越黏重，通透性越差，团聚体稳定性越低[26]。本研究结果显示，植物篱模式下土壤团聚体较强的稳定性有助于减缓作物带土壤流失，从而增强作物带土壤团聚体的稳定性。

随着土壤团聚体直径的增加，其有机碳含量逐渐升高，说明土壤团聚体的形成与土壤有机碳有直接关系[2]。表层土壤大团聚体有机碳对不同施肥和耕作处理具有较好的响应，与王丽等[2]和王倩等[6]的研究结果相符。同等耕作条件下>5、5～2和0.5～0.25 mm团聚体优化施肥处理较常规施肥处理的有机碳含量提高1.88%～10.14%；同等优化施肥条件下，>5、5～2、2～1和1～0.5 mm团聚体综合保护性耕作T5和T6处理较单项保护性耕T4处理提升3.21%～17.20%和0.26%～10.19%。这可能是因为秸秆覆盖能够提高土壤微生物的活性，分解产生更多的各类有机质，篱带植物根际微生物丰富，菌丝、有机质等也随之增加。Six等[27]研究发现，微团聚体中的有机碳较大团聚体中有机碳易老化，因此不易被土地利用方式改变，而有机碳含量尤其是新形成有机碳更易受利用方式的影响。微团聚体中有机碳分解慢，而大团聚体中植物来源的有机质较多，周转较快，对施肥和耕作管理方式敏感。谢锦升等[28]认为，有机物质输入的增加促进了团聚体的形成，从而改变土壤团聚体有机碳含量和贡献比例。在本研究中，不同施肥和耕作处理下不同粒径对总有机碳贡献率的差异显著，这是由于不同粒级的水稳性团聚体占比不同所带来的，占比越高，贡献率越高。