有机—无机管理对热带砖红壤碳库和氮库特征的影响

2022-10-28吴东明李勤奋

西南农业学报 2022年8期

倪斌,吴东明,李玮,陈淼,李勤奋

(1. 海南省农业生态与资源保护总站，海口 571100；2. 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海口 571101；3. 国家农业环境儋州观测实验站，海南儋州 571737)

【研究意义】土壤碳/氮库包括有机碳、无机碳、总氮、铵态氮、硝态氮等组分，是土壤的重要组成部分[1-3]。土壤碳/氮库与作物高产/优产密切相关，可直接反映土壤的养分、健康、碳/氮周转特征，对指导农业生产管理具有重要的意义[3-4]。研究表明，土壤碳库增加能提供微生物营养循环的能量，改善土壤理化学性质[3-4]；提高土壤氮素固定可降低氮肥施用量和施肥成本，提高土壤供氮潜力，避免氮素淋溶入水体[6]；可溶性有机碳直接参与土壤的CO2排放。目前，土壤的碳/氮库特征已成为农学、土壤学、环境科学领域的研究热点。【前人研究进展】施肥模式被认为是影响土壤碳、氮库的重要影响因素之一[10]。有机(单施有机肥)、无机管理(单施化肥)是两种典型模式[6, 11]。为提高作物产量，化肥自20世纪80年代即被大量使用。然而，长期单施化肥生态风险巨大，易引起土壤酸化/板结、养分不均衡、次生盐渍化、硝酸盐污染等问题[10, 12]。相反，施用有机肥可改善土壤质量，被认为是可持续农业发展的有效施肥模式。特别对于有机质贫乏的红壤、砖红壤，施加有机肥更为重要。近年来，有关有机—无机管理对土壤碳/氮库的影响已得到了一定的研究。然而，由于土壤条件差异，有机—无机管理对碳/氮库的影响效果不一，甚至相反[12-16]。如晋南石灰性褐土，秸秆还田连续5年可使总有机碳提高24.7%，单施化肥导致土壤总有机碳下降2.4%～8.2%[12]；陕西蝼土，单施有机肥或化肥均显著提高土壤有机碳和全氮含量[16]。【本研究切入点】目前，这些研究大多以温带土壤为对象，对热带砖红壤少有关注。我国砖红壤区主要分布在海南岛、广东雷州半岛、台湾南部、广西/云南的部分地区，既是我国橡胶、香蕉、荔枝、芒果等热带作物的主产区，也是我国冬春季节重要的“菜篮子”基地[17-18]。因此，研究有机—无机管理对砖红壤碳/氮库的影响，对于保障热带农业生产具有重要的意义。与其它土种不同，砖红壤所处区域具有高温高湿、养分周转速度快等特点。这意味有机—无机管理对砖红壤碳、氮库可能的影响具有独特的特征，值得关注。【拟解决的关键问题】依托2016年建于海南文昌的长期定位观察站，于田间尺度下研究了单施化肥、单施有机肥对砖红壤碳、氮库的影响，以期为热区农田的精准施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于海南省文昌市的中国热带农业科学院环境与植物保护研究所试验基地，全国农业面源污染监测网文昌重点国控监测点，地处110.46°E，19.32°N，土壤质地为沙壤土，土壤类型为砖红壤，肥力水平较低，土壤基本理化性质如表1。常年降雨量 1721.6 mm，雨季主要集中在5—10月，占全年的79%。年均温度 23.9 ℃，积温为8474.3 ℃，为热带海洋季风气候。极端天气通常为夏季暴雨和春季干旱。试验种植制度为辣椒—豆角轮作。共设计4个田间处理：①CK(不施肥)；②NPK(氮磷钾)；③OG(有机肥)；④ST(秸秆还田)。化肥选用分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾，有机肥选用羊粪。试验期间每年肥料施用量为：氮肥18.23 kg/667 m2，磷肥16.08 kg/667 m2，钾肥18.23 kg/667 m2，有机肥1600 kg/667 m2，秸秆215.2 kg/667 m2。试验地始建于2015年。截止2020年，已有5年有机—无机管理历史。

1.2 样品采集

经5年有机—无机管理后，2020年4月，于辣椒收获后，采用S形采样法采集了0～20 cm的土壤样品，每个处理采集3个重复。采后，一部分新鲜土样用于水分、铵态氮、硝态氮的测定；另一部分土壤风干，用于有机碳氮组分测定。

表1 土壤理化性质

1.3 样品分析

1.4 数据处理

土壤中碳/氮组分的含量是以烘干土壤为基础表示的。同时，采用SPSS 19.0软件的LSD法检验P<0.05水平上的差异性；采用Canoco 5对各碳氮组分进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 土壤中全态碳、氮含量

从图1可知，对于SOC，尽管各处理下的SOC含量有所差异，但均没达到显著水平(P>0.05)。表明有机—无机管理对砖红壤的有机质含量影响较小。相反，有机—无机管理显著影响了砖红壤中的全态氮含量。经5年施肥处理后，单施化肥的TN高达(0.57±0.11)g/kg，是CK组的1.65倍。相似地，施用有机肥OG的TN含量是CK组的1.51倍，显著提高了砖红壤中的TN含量。然而，对于土壤TN含量，CF和OG组不存在显著差异(P<0.05)。ST组与CK组的TN含量差异也不显著，表明施用秸秆对土壤TN含量的影响不大。SOC/TN可示征土壤有机质的稳定性、相对分解阶段、腐殖质的年龄。对于SOC/TN，各施肥处理均没达到显著水平。

2.2 土壤活性碳库特征

如图2所示，经5年施肥处理后，CF组的DTC和DOC含量降低了80%和79%，表明无机管理(单施化肥)对土壤中的溶解性总碳和溶解性有机碳的累积极为不利。相反，对于有机管理，无论是施用有机肥(OG)，还是施用秸秆(ST)，均显著提高了土壤中的DTC和DOC含量，但OG和ST之间差异不显著。对于DIC，单施化肥对其含量影响不显著；施用有机肥和秸秆可使DIC含量分别提高了2.55和2.03倍。这表明有机管理有利于土壤中溶解性无机碳库的累积。

2.3 土壤活性氮库特征

2.4 数据融合分析

3 讨论

3.1 有机—无机管理对土壤全态碳/氮库的影响

SOC和TN是土壤肥力的基础，其库存含量取决于外源养分输入和土壤本底矿化的动态平衡[12]。施肥模式对土壤的碳/氮库具有重要影响。研究表明：对于有机管理，单施有机肥或秸秆均可提高土壤的碳/氮库含量，增加土壤养分累积[4]；相反，单施化肥会加速土壤矿化，不利于土壤碳库累积[12]；也有研究表明：单施化肥可增加土壤SOC、TN含量[1, 14-15, 20]。然而，迄今为止，施肥模式对土壤全态碳/氮库的影响尚未形成定论。本研究中，有机—无机管理对SOC影响不显著。这可能与砖红壤特殊的土壤气候条件有关。砖红壤处于热带地区，具有高温高湿、降雨频繁、养分周转速度快等特点[21]。因此，对于砖红壤SOC，即使存在大量的有机肥或秸秆等外源碳物质输入，也可能被快速矿化成气体逸出，或被雨水冲刷入水生系统[17]。这也是当前砖红壤区本底土壤SOC含量普遍较低的原因之一。也有研究表明：外源碳或氮输入对土壤微生物的正激发效应，可加快土壤SOC的矿化，进而使外源碳输入和土壤本底碳亏损处于动态平衡[7, 22]。本研究的PCA分析结果也显示：土壤碳库与氮库呈现一定的负相关，土壤氮库含量增加不利于土壤碳库的累积。对于TN和SOC/TN，本研究中，有机—无机管理提高了土壤TN含量，但对SOC/TN影响不显著。这可能与外源碳添加刺激了贫碳型土壤对氮的固定有关。盖霞普等[4]在昌平潮褐土的研究结果表明：尽管秸秆等有机物料具有高C/N，秸秆还田时可将更多的碳输入土壤中，但由于该过程可通过固定作用将无机氮转为有机氮，提高土壤氮持留，土壤的SOC/TN不一定会增加。该研究还认为：单施化肥能够促进土壤氮矿化，但矿化养分在碳限制的条件下不能立即再固定[4]。土壤氮库含量增加还可能与管理模式对土壤pH和含水率的影响有关[12, 23]。本研究PCA结果显示：土壤TN与含水率呈正相关，与pH呈负相关。这表明在砖红壤中，土壤含水量增多、pH降低更有利于其氮库的累积。此外，本研究中，有机—无机管理对土壤SOC/TN影响较小可能还与土壤的本底SOC/TN值有关。雷宝坤等[24]总结了中国期刊网自1980年起有关长期定位试验文献发现：土壤碳氮之间存在着相互依存和相互制约的关系，可根据土壤SOC/TN的大小，将土壤碳氮共济关系分为①土壤碳氮失衡类型：SOC/TN<9或SOC/TN>12；②土壤碳氮平衡型：9

3.2 有机—无机管理对土壤活性碳/氮库的影响

活性碳/氮是土壤中生物有效性较高的一种养分组分，可直接作为植物或微生物的营养物质被吸收利用[1, 13, 20]。过去研究表明：土壤活性碳/氮库对农业管理措施响应较为敏感，是一种可反映土壤质量变化的重要指标[1, 20]。本研究中，对于土壤活性碳库，单施化肥可使土壤DTC和DOC含量减少约80%；相反，单施有机肥或秸秆则显著增加了土壤DTC和DOC，表明有机管理更有利于土壤活性碳库累积。一般认为，土壤活性有机碳来源于植物凋落物的分解、根系分泌物、土壤有机质的水解、土壤微生物本身及其代谢产物[10]。施用有机肥土壤具较高的活性有机碳，显然与有机物质投入量较大有关。过去的研究也表明：有机肥、秸秆等物质中含有大量的溶解态碳类物质[25-26]。研究[27]也发现：添加有机肥能显著增加土壤的DOC浓度，尤其是畜禽粪便。施用有机肥不但可直接向土壤输入活性碳组分，也可通过激发微生物活性，促使土壤惰性碳向活性碳转化[1, 20]。相反，土壤施氮会促进微生物对DOC的降解，尤其是低分子量酸、羧基类基质[22]。然而，也有一些研究[14, 20]表明：施用化肥可增加作物的凋落物和根系分泌物含量，进而增加了土壤的活性碳库，这与本研究结果不一致。原因可能是：本研究中的作物体系是辣椒—豆角轮作体系，凋落物等相对较少。土壤活性碳库增加还可能与管理模式对土壤pH和含水率的影响有关。本研究中，DOC、DTC、DIC与pH呈正相关，与含水率呈负相关，表明土壤pH升高、含水率降低更有利于土壤活性碳库的累积。SOC/TN与含水率呈负相关还表明：土壤含水率的增加可能导致土壤芳香类物质的累积。土壤中溶解性碳库以酸性组分为主，而提高pH可使土壤对溶解性碳库的吸附作用减弱，释放量增加[28]。其他研究结果[29-31]也发现：干燥的土壤可使有机质发生凝聚收缩，破坏土壤矿物对有机质的吸附作用，进而使低分子富里酸类物质得以溶出。