秸秆和生物炭还田对稻田土壤有机碳及其矿化的影响

2023-07-09杨宏伟王小利龙大勇段建军梅婷婷蒙婼熙卢清涛

江苏农业科学 2023年11期

杨宏伟, 王小利, 龙大勇, 段建军, 梅婷婷, 徐彬, 蒙婼熙, 卢清涛

(1.贵州大学农学院,贵州贵阳 550025; 2.贵州大学烟草学院/贵州省烟草品质研究重点实验室,贵州贵阳 550025)

有机碳(SOC)是土壤碳库中最为活跃的一种物质,它对土壤的质量和肥力有着重要的影响,其矿化是土壤碳平衡、养分循环的关键过程,同时也是主要的温室气体排放源,研究其在农田中的含量变化和矿化特征有助于实现作物增产和稻田固碳减排的目标[1-3]。活性有机碳(AOC)是由土壤中活性高、易矿化且能快速周转的一类有机碳组成的,尽管活性有机碳在土壤有机碳中占比较小,但反应灵敏,能够对土壤碳库变化迅速作出响应,对研究土壤肥力概况有重要意义[4-6]。碳库管理指数(CPMI)通过土壤碳库与碳库活度来反映不同施肥方式下土壤有机碳含量和组分的变化,CPMI越高,相应的栽培措施对土壤的培肥作用就越大,可以反映出土壤的肥力和品质[7-8]。

过量施用肥料使得土壤酸化和养分流失,间接导致土壤质量严重下降[9]。最新数据显示,我国秸秆资源产量约8.55亿t,有超过半数的光合作用产物储存于秸秆中,包括大量的有机碳和氮、磷、钾等养分,其随意丢弃或就地焚烧,既会造成资源的浪费,也会对生态产生危害[10-11]。秸秆在微生物作用下转化为腐殖质,提高了土壤中有机质的含量,并为农作物的生长提供营养,秸秆经高温热解成生物炭还田被认为是增加土壤碳固存以及减少温室气体排放的一种有价值的手段[12-13]。在土壤中加入生物炭,既能很好地保持土壤湿度,增强土壤肥力,为农作物的生长提供良好的环境,更能降低有机碳矿化,提高土壤有机碳含量,起到固碳减排的效果[14-15]。

本研究利用秸秆和生物炭进行田间试验,以不施肥和单施化肥作为对照,研究水稻耕层土壤总有机碳含量、活性有机碳含量、有机碳矿化及碳库管理指数的特征变化,以揭示秸秆及其生物炭还田在黄壤性水稻土培肥方面的差异,以期为贵州省作物秸秆的开发利用与稻田固碳培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点为贵州省安顺市西秀区鸡场乡(106°5′58″E,26°7′10″N),属亚热带季风湿润性气候,年均降水量968～1 309 mm,年均气温13.2～15.0 ℃,海拔1 204 m。试验土壤为黄壤性水稻土,其基本性质为pH值5.19,有机质含量 35.16 g/kg,碱解氮含量177.03 mg/kg,速效磷含量9.14 mg/kg,速效钾含量96.09 mg/kg。

1.2 试验设计和试验材料

本试验共设置4个处理,依次为对照(CK,不施肥)、单施化肥(NPK,肥料施用量N 150 kg/hm2、P2O540 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2)、秸秆配施化肥还田(NPKS,还田量为15 t/hm2)、生物炭配施化肥还田(NPKB,还田量为4 t/hm2,15 t秸秆约能碳化得到4 t生物炭)。各处理小区面积为72 m2(4 m×18 m)采用大区对比试验,不设重复。在播种前一次性施用全部秸秆、生物炭、磷肥及50%的氮肥、钾肥,剩余50%氮肥按3 ∶2的追肥比例分别于分蘖期和抽穗期施用,剩余50%钾肥则于抽穗期作追肥全部施用,并于2021年6月进行移栽,其他田间管理与当地水田管理保持一致,种植模式为单季稻。

供试水稻秸秆生物炭(B):炭化温度450 ℃,pH值 8.65,有机碳含量344.97 g/kg,全氮含量 5.99 g/kg,全磷含量1.99 g/kg、全钾含量27.15 g/kg。供试水稻秸秆(S):有机碳含量102.55 g/kg,全氮含量0.62 g/kg,全磷含量0.12 g/kg、全钾含量 3.26 g/kg。供试化肥为含N 46.2%的尿素、含P2O516%的过磷酸钙、含K2O 60%的氯化钾。供试水稻品种为锦城优雅禾(锦城2A×雅禾),全生育期152 d。

1.3 土壤采集与测定

将各小区等分为3个样块(每个样块24 m2),作为3次重复。于2021年9月24日,采用“五点取样”的方法,在所有处理内采集0～20 cm土壤样品,剔除可见根系和植物残体,混匀分成2份,一份风干后,分别过0.15、0.25 mm的筛子进行密封保存,用于土壤有机碳、全氮(TN)及易氧化有机碳(ROC)含量的测定,另外一份经过2 mm筛子后存放在 4 ℃ 的冰箱中,以备土壤有机碳的矿化培养和可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)的含量测定。SOC和TN含量按鲁如坤的方法[16]测定。DOC含量采用0.5 mol/L的K2SO4浸提法[17]测定。土壤MBC含量采用三氯甲烷熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提法[17]测定。ROC含量采用0.333 mol/L KMnO4氧化法[18]测定。

1.4 室内恒温培养试验

采用碱液吸收法:每个田间重复设置3个室内平行,同时设6个空白作对照,一共42组矿化培养系统。每组矿化培养系统中,于50 mL广口瓶中称取2 mm的鲜土(4 ℃冷藏)30.0 g,并用蒸馏水调节土壤含水量至35%,置于1 000 mL培养瓶底部,加盖密封,在25 ℃、湿度为45%的恒温箱中暗预培养7 d。预培养后,在培养瓶的底部放置碱液吸收杯(1 mol/L NaOH溶液10 mL),分别于培养的第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45天时,调节矿化培养系统含水量并更换碱液吸收杯,向碱性吸收杯中加入1 mol/L BaCl2溶液2 mL和 2～3滴酚酞指示剂,最后用0.1 mol/L的 HCl溶液(用无水Na2CO3溶液标定)滴定直至紫红色消失为止。

1.5 数据计算

1.5.1 碳库管理指数以CK处理作为参考土壤,具体计算方法如下:

稳态碳(SC,g/kg)=样品有机碳含量(g/kg)-样品易氧化有机碳含量(g/kg);

碳库指数(CPI)=样品有机碳含量(g/kg)/参考土壤有机碳含量(g/kg);

碳库活度(A)=样品易氧化有机碳含量(g/kg)/稳态碳含量(g/kg);

碳库活度指数(AI)=样品碳库活度(A)/参考土壤碳库活度(A0);

碳库管理指数(CPMI)=CPI×AI×100。

1.5.2 有机碳矿化相关指标有机碳矿化量(mg/kg)=c(HCl)×(V0-V1)×22/0.03。

式中:c(HCl)表示盐酸浓度,mol/L;V0为空白滴定的体积,mL;V1为消耗盐酸的体积,mL。

有机碳累积矿化量(g/kg)=从培养开始到结束土壤释放的CO2量的总和;

矿化速率[mg/(kg·d)]=培养时间段内有机碳矿化量(mg/kg)/培养时间(d);

有机碳累积矿化率(%)=样品有机碳累积矿化量(g/kg)/样品有机碳含量(g/kg)。

1.6 数据分析

利用Excel 2010进行数据处理和作图;采用SPSS 26.0软件进行多重比较(Duncan’s法,α=0.05)和Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆及其生物炭对稻田土壤碳氮比的影响

由图1可知,NPKB处理土壤SOC含量最高,为19.42 g/kg;与CK相比,NPK、NPKS和NPKB处理均显著提高了土壤SOC含量,增幅分别为8.34%、10.71%和18.20%(P<0.05);与NPK和NPKS处理相比,NPKB处理显著提高了土壤SOC含量,增幅分别为9.10%和6.76%。NPKS处理土壤TN含量最高,为2.34 g/kg;与CK处理相比,NPK和NPKS处理均显著提高了土壤TN含量,增幅分别为10.20%和19.39%,NPKB处理则无显著影响。土壤C/N反映土壤的供肥能力,与CK相比,NPK和 NPKS处理对土壤C/N的影响不显著;与CK、NPK和NPKS处理相比,NPKB处理显著提高了土壤 C/N,增幅分别为21.33%、23.10%和30.85%。总体来看,添加生物炭对水稻土SOC含量和C/N提升效果最佳,添加秸秆对水稻土TN含量提升效果最佳。

2.2 秸秆及其生物炭对稻田土壤活性有机碳含量及其分配比例的影响

由表1可知,除ROC/SOC外,NPK、NPKS和NPKB处理较CK处理均不同程度地增加了土壤活性有机碳含量及其分配比例。其中,NPKS、NPKB处理较CK处理土壤ROC含量分别显著增加25.64%、14.74%,较NPK处理分别显著增加25.37%、14.50%(P<0.05);NPK、NPKS和NPKB处理的DOC含量较CK处理分别显著增加20.21%、60.04%和36.43%,MBC含量分别显著增加23.89%、68.25%和32.08%。ROC/SOC、DOC/SOC和MBC/SOC分别为26.36%～32.30%、0.37%～0.53%和1.21%～1.84%;与CK、NPK和NPKB处理相比,NPKS处理的ROC/SOC分别显著增加13.67%、22.53%和16.73%,MBC/SOC分别显著增加52.07%、33.33%和36.30%;与CK相比,NPK、NPKS和NPKB处理的DOC/SOC分别显著增加10.81%、44.24%和13.51%。综上可知,土壤活性有机碳含量及其有效率均以NPKS处理为最高,并与其他处理达显著差异。

2.3 秸秆及其生物炭对稻田土壤碳库管理指数的影响

采用 CK作为参照土壤,计算并分析了不同施肥条件下的土壤碳库管理指数。由表2可知,NPKB可以大幅度提升SOC含量,这部分碳以稳定碳(SC)为主,活性较低。NPKS处理显著提高了土壤碳库活度(A)和碳库活度指数(AI),其中NPKS处理的AI较CK、NPK和NPKB处理分别提高19.00%、32.22%和23.96%(P<0.05);NPKB处理显著提高了土壤碳库指数(CPI),比CK、NPK和NPKS处理分别提高18.00%、9.26%和6.31%。CPMI是衡量土壤有机碳质量的一个重要指标,NPKS、NPKB处理较CK、NPK处理可以显著提高CPMI,分别提高32.38%、36.42%和13.00%、16.45%,NPK处理与CK相比,土壤碳库管理指数无显著差异,表明单施化肥对提高土壤碳库管理指数的作用并不显著,有机物料配施化肥则可以显著提升土壤的培肥效果。

表1 不同处理的土壤活性有机碳含量及其分配比例

表2 不同处理的土壤碳库管理指数

2.4 秸秆及其生物炭对稻田土壤有机碳矿化的影响

2.4.1 土壤有机碳矿化速率由图2可知,在矿化培养的45 d内,土壤有机碳矿化速率总体上均表现出相似的下降趋势,其在第1天处于最大值并快速下降至第6天,第6天的矿化速率是第1天的51.96%～73.64%;第6～45天,矿化速率缓慢下降,第45天的矿化速率是第1天的26.99%～34.44%。在整个培养期间,与CK处理相比,NPKS处理可大幅度提升土壤有机碳矿化速率,NPKB处理可大幅度降低土壤有机碳矿化速率,NPK处理对土壤有机碳矿化速率影响较小。

2.4.2 土壤有机碳累积矿化量和累积矿化率如图3-A所示,随着培养时间的延长,各处理的有机碳累积矿化量逐渐增大并于第45天达最大值,其中以NPKS处理有机碳累积矿化量最高,NPKB处理有机碳累积矿化量最低,培养结束后(第45天),NPKS、NPKB处理的累积矿化量分别为2.82、2.14 g/kg。在培养期间,NPKB处理较 CK处理的土壤有机碳积累矿化量有所下降,其他处理的大幅上升,并且以NPKS处理提升幅度最大;培养结束后(第45天),NPKB处理较CK处理降低7.36%,其他处理较CK处理提高8.66%～22.08%,所以NPKB处理可以降低土壤有机碳矿化。

有机碳累积矿化率是土壤固碳能力的重要指标,其值越低表示固碳能力越强。如图3-B所示,矿化培养结束后,各处理土壤有机碳累积矿化率在11.01%～15.51%,NPKS处理土壤有机碳累积矿化率显著高于其他3个处理(P<0.05),增幅为10.39%～40.87%,NPK处理与CK差异不显著,NPKB处理则显著低于其他处理,表明NPKS处理对土壤的固碳有明显的抑制作用,NPKB处理则对土壤的固碳有明显的促进作用,生物炭还田能够显著增加土壤有机碳含量。

2.5 土壤有机碳矿化与各指标的关系

相关性分析所用数据为各指标的平均值。结果(表3)表明,土壤有机碳累积矿化量与MBC含量、ROC/SOC、A和AI呈显著正相关关系(P<0.05),与TN含量、DOC/SOC和MBC/SOC呈极显著正相关关系(P<0.01),与C/N呈极显著负相关关系,与SOC、DOC、ROC、SC、CPI和CPMI的相关性未达到显著水平。

表3 土壤有机碳累积矿化量与各指标的相关性

3 讨论

3.1 秸秆及其生物炭对土壤碳氮比的影响

有机碳作为土壤的主要养分来源,其分解和固定都间接影响农业生态系统中的养分循环、水热平衡、土壤有机质周转和全球陆地生态系统碳平衡[19]。本研究表明,NPKB处理显著提高了SOC含量和C/N,这与郭琴波等的研究结果[20]一致,原因可能是秸秆生物炭自身具有较高的C/N,难以降解的稳定态有机碳含量丰富,并且秸秆生物炭具有丰富的速效养分和较大的孔隙度,为微生物提供了活动场所和养分来源,有利于土壤有机碳固定积累[21-22]。有研究发现,秸秆配施化肥能够影响土壤微生物促进土壤中无机氮向有机氮转化过程,进而提高土壤全氮含量[23],这与本研究结果一致。

3.2 秸秆及其生物炭对土壤活性有机碳及其分配比例和碳库管理指数的影响

有机碳库因对外部因素的敏感性和周转速率不同,它可以被分成三大类:活性有机碳、缓效有机碳、惰性有机碳,其中活性有机碳含量或组成的变化对田间施肥措施的响应相对较快,其能对土壤质量变化和养分循环做到敏感监测[24-25]。本研究显示,秸秆、生物炭与化肥配合施用能增加土壤中的有机碳活性组分含量,其中以秸秆配施化肥效果最显著,这与魏夏新等的研究结果[26]一致;因为秸秆自身就含有较高的有机碳,并且由于微生物的分解作用使其释放出更多的养分,使得活性有机碳含量得以积累。有研究指出,ROC/SOC和DOC/SOC能够反映土壤的碳库状况,其数值愈高,微生物对有机物的降解愈有利,反之则有机碳愈稳定[27]。在本研究中,NPKS处理能够显著提高ROC/SOC和DOC/SOC,究其原因是秸秆还田后经微生物降解,使土壤中 ROC、 DOC含量升高;MBC/SOC的变化则反映了土壤中MBC的来源及转化效率[28],本研究中,通过秸秆与化肥配合施用,可以明显地增加MBC/SOC值,表明在施用秸秆后,土壤有机碳的循环速度显著提高。

碳库管理指数(CPMI)对土壤有机碳和活性成分的变化具有灵敏的监测作用,可以更好地反映土壤的品质,是评价土壤质量对施肥措施响应的重要指标[29]。本研究以不施肥耕层土壤作为参考,发现NPKS处理较NPKB处理显著提高了CPMI,这说明秸秆直接还田较秸秆碳化还田更有利于土壤碳库活度的提高及质量的改善,追究其原因在于总有机碳和稳态碳(SC)/活性碳(AOC)的含量和比值差异巨大,这与王毅等的研究结果[30-31]一致。

3.3 秸秆及其生物炭对土壤有机碳矿化的影响

微生物将有机碳降解为二氧化碳并释放大量养分元素的过程称之为有机碳矿化,是碳循环的重要组成部分,在全球气候变化中发挥重大作用[32-33]。本研究中,所有处理CO2释放速率均呈相似的下降趋势,这与前人的研究结果[34-35]一致,这是由于在矿化初期,土壤中有大量的活性有机碳和速效养分,微生物活性增强,促进CO2释放,随着矿化时间的延长,土壤中的有机碳主要是难降解的惰性组分碳,微生物活性减弱,有机碳矿化被限制[36-37]。本试验中,有机碳累积矿化量和有机碳累积矿化率均以NPKS处理为最高,以NPKB处理为最低,这可能是由于秸秆还田后,秸秆中的活性有机碳、纤维素和糖类等可直接利用的碳氮源,为微生物活动提供了足够的养分源,而生物炭则因为其强吸附性和含有大量惰性有机碳,无法为微生物提供可利用碳源的同时降低了对土壤原生有机碳的降解,能够将有机碳更好地长期固存于土壤中[38],这说明秸秆还田会降低土壤固碳能力,而生物炭还田则能够显著提高土壤固碳能力。

3.4 土壤有机碳矿化与各指标的关系

土壤碳氮比直接或间接地影响着有机碳矿化,土壤有机碳积累矿化量和土壤TN含量之间存在着极显著的正相关性,而和C/N呈极显著负相关关系,这与牛淑娟的研究结果[39]一致,但与土壤SOC含量无显著相关性,这可能是由于外源碳的投入改变了土壤碳氮元素比例,间接影响了有机碳矿化。土壤有机碳累积矿化量与MBC含量、ROC/SOC呈显著正相关关系,与MBC/SOC、DOC/SOC呈极显著正相关关系,表明土壤活性有机碳能够显著影响有机碳矿化,这与林仕芳等的研究结果[40]一致;随着微生物可利用矿化底物的增加,微生物的数量和活力也会增加,有机碳的矿化能力也会增强。而土壤有机碳累积矿化量与ROC含量的相关性较弱,这是由于施肥差异导致处理间土壤肥力不同,微生物群落对不同基质的利用能力也有一定的影响[41]。本研究中,土壤有机碳累积矿化量与A和AI呈显著正相关关系,表明土壤有机碳矿化受碳库活度的影响,碳库活度越高,有机碳矿化越强。