有机肥全量替代化肥对茶园土壤机械稳定团聚体无机氮分布特征的影响

黄尚书,江新凤,朱 同,林小兵,何绍浪,王斌强,吴 艳,雷礼文,孙永明

(1.江西农业大学 国土资源与环境学院,江西 南昌 330045;2.江西省经济作物研究所,江西省茶叶质量与安全控制重点实验室,江西 南昌 330203;3.江西省红壤及种质资源研究所,江西 南昌 330046;4.景德镇学院,江西 景德镇 333032)

我国茶园管理过程中存在单施、偏施或重施化肥等不合理的施肥方式[1],引起了茶园土壤退化和环境质量下降等问题[2-4],影响了我国茶产业的健康可持续发展。为此,农业农村部发布了《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》等多种形式的茶园化肥减施增效技术方案,以加快推动我国茶产业绿色发展。在此背景下,国内外有关学者开展了茶园有机肥替代化肥技术研究,多数研究认为有机肥替代化肥具有改善茶园土壤质量、提高茶叶产量和品质等正面效果[5-7]。进一步探讨茶园实施有机肥替代化肥后土壤肥力提升的内在机制具有重要的理论和实践意义。

土壤团聚体是决定土壤质量和土壤肥力的重要指标之一,在维护土壤结构和保护土壤肥力具有重要作用,显著影响农业生产力[8]。茶树作为叶用作物对氮素的需求量大,施肥(尤其是氮肥投入)一直是提高茶叶产量和品质的农业措施[9-10]。由于不同粒径土壤团聚体对氮素的吸收、固持及转化能力存在明显差异[11],不同培肥措施及氮素投入不仅可影响土壤团聚体稳定性,还可改变土壤团聚体氮素分布,进而影响土壤氮素的积累与转化[12-14]。受土壤类型、土壤性质等因素的影响,不同区域及土地利用方式下土壤团聚体氮素分布特征存在一定争议[15-16]。如,王景燕等[17]在川南坡地不同退耕模式中的研究发现,土壤团聚体全氮含量随粒径的减小呈“V”形变化趋势,而刘毅等[18]在黄土高原的研究发现,不同类型土壤团聚体中团聚体氮素含量随粒径变化无明显规律。目前,有关学者开展了茶树品种[19]、植茶年限[20]及利用方式变化[21]对茶园土壤团聚体稳定及氮素分配的影响,而有机肥全量替代化肥下茶园土壤团聚体氮素分配的研究较为匮乏,难以深入理解有机肥在维持茶园土壤氮素肥力方面的地位和作用。此外,南方丘陵茶园生产期主要集中在春季和夏秋季,两季降雨量和气温差异明显、土壤含水量等条件差异较大,土壤水热变化和干湿交替过程可以改变土壤团聚体稳定性及其氮素分布[22],探讨季节对茶园土壤团聚体氮素分布特征的影响,有助于深入认识有机肥全量替代化肥对茶园土壤氮素肥力可持续性的影响。因此,本研究以单施化肥为对照,在雨季和旱季研究有机肥全量替代化肥对茶园土壤机械稳定性团聚体无机氮分布特征的影响,并揭示团聚体无氮分布的影响因素,以期加深对土壤团聚体在维持茶园土壤氮素肥力作用的认识,丰富和完善茶园有机肥替代化肥技术的理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于江西省蚕桑茶叶研究茶叶试验基地内(N28°22′20",E116°0′6"),区域属亚热带季风湿润气候,雨量充沛,四季分明。地形为典型低丘,茶园土壤为第四纪红黏土发育的红壤,土层深厚、肥力中等、质地黏重,试验前表层土壤基本理化性质为:pH值3.80,有机质含量22.70 g/kg、阳离子交换量18.24 cmol/kg、速效氮含量57.15 mg/kg、有效磷含量23.25 mg/kg、速效钾含量101.83 mg/kg、砂粒含量7.67%、粉粒含量46.96%、黏粒含量45.37%。

1.2 试验设计

供试茶树品种为福鼎大白,有机肥为当地惯用的油菜枯饼,该枯饼含有机质70.3%、N 5.01%,P2O51.08%,K2O 1.82%。于2017年选择自然生态环境和茶树生长状态基本一致的成龄茶园作为试验地块,以当地推荐化肥施用量(N 300 kg/hm2,P2O560 kg/hm2,K2O 120 kg/hm2)为对照(CF),以土壤氮投入量等同下的全量施用有机肥(6 000 kg/hm2,OF)作为处理,各处理养分投入量见表1。试验采用完全随机设计,3次重复,共6个小区。各处理化肥及有机肥作为基肥时一次性施入,施肥深度30 cm,试验区杂草控制、病虫害防治等茶园管理方式一致。

表1 试验设计

1.3 测定项目及方法

茶园生产期主要集中春季和夏秋季,根据气候特点,可以将茶园生产期分为雨季(3—6月)和旱季(7—10月),区域近3 a(2019—2021年)每月平均降雨量和气温见图1,区域气象数据来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/)。其中,雨季降雨量较大,气温相对较低,土壤温度大;进入7月后,气温较高、降雨量逐渐减少,此时土壤蒸发量大、水分含量较低。本研究于2021年雨季(4月)和旱季(9月)采集有机肥全量替代肥定位试验CF和OF处理0～20 cm土层原状土样和扰动土样。原状土样运输过程尽量避免挤压,以保持土壤结构。原状土样带回实验室,沿自然断裂面轻轻掰成直径约10 mm的小土块,除去植物残体、砾石等杂物,自然风干后采用干筛法[23]分离出>2.00 mm,0.25～2.00mm,<0.25 mm共3级团聚体,测定各粒径团聚体的土壤质量,计算平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)和几何平均直径(Geometric mean diameter,GMD)[24]。

图1 试验区2019—2021年每月平均降雨量和平均气温

将干筛分离的各粒径团聚体研磨过筛制成待测样品,用于测定团聚体铵态氮和硝态氮含量,利用c(KCl)=2 mol/L的浸提液对团聚体研磨过筛后的土样进行混合、振荡,将水溶态和交换态无机氮浸出,分别采用靛酚蓝比色法和镀铜镉还原-重氮化偶合比色法测定铵态氮和硝态氮含量[25],并计算各级团聚体铵态氮和硝态氮储量占比。扰动土样经风干、去除杂质后,研磨过筛用于土壤pH值、有机质含量、阳离子交换量等土壤理化性质的测定。其中,全氮采用凯氏定氮法测定,pH值采用复合电极法测定(土水比1.0∶2.5),有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测定,阳离子交换量采用乙酸铵交换法测定[25]。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel进行整理,运用SPSS 17.0进行方差分析、显著性检验(LSD法)及Pearson相关性分析,采用Origin 8.1进行图片绘制。

2 结果与分析

2.1 不同处理下雨季和旱季茶园土壤理化性质

如表2所示,在雨季,与CF处理相比,OF处理的有机质含量、全氮含量分别显著提高106.31%,19.85%,铵态氮和硝态氮含量分别降低8.15%,12.92%,且硝态氮含量显著降低;在旱季,OF处理的pH值、有机质含量、阳离子交换量、全氮含量、铵态氮和硝态氮含量比CF处理显著高3.46%,99.21%,27.02%,62.10%,58.97%,266.84%。季节对土壤阳离子交换量、全氮含量、硝态氮含量存在显著影响,其中CF处理下,旱季土壤阳离子交换量、全氮含量、铵态氮含量、硝态氮含量较雨季显著下降25.99%,33.48%,32.36%,47.64%;OF处理下,旱季全氮含量较雨季显著下降10.04%,而铵态氮含量、硝态氮含量显著增加17.07%,120.56%。此外,处理和季节交互作用对阳离子交换量、全氮含量、铵态氮含量、硝态氮含量还存在极显著影响。

表2 不同处理下雨季和旱季0～20 cm土壤理化性质

2.2 不同处理对雨季和旱季机械稳定性团聚体分布特征及稳定性的影响

如表3所示,不同处理雨季和旱季土壤机械稳定性团聚体质量百分比均表现为0.25～2.00 mm团聚体最高(47.52%),>2.00 mm团聚体次之(41.52%),<0.25 mm团聚体最少(10.97%)。方差分析表明,不同处理对0.25～2.00 mm和<0.25 mm团聚体质量百分比有极显著影响(P<0.01),其中,0.25～2.00 mm团聚体质量百分比表现为OF处理比CF处理高4.90百分点,且在旱季差异显著;而雨季和旱季<0.25 mm团聚体质量百分比表现为OF处理比CF处理显著低3.81百分点。从季节来看,不同季节主要影响了0.25～2.00 mm和<0.25 mm团聚体质量百分比,且对<0.25 mm土壤团聚体存在显著影响,其中,0.25～2.00 mm团聚体表现为旱季比雨季低1.51百分点,而<0.25 mm团聚体表现为旱季比雨季显著高1.86百分点。与CF处理相比,OF处理一定程度提高了团聚体平均重量直径和几何平均直径,分别提高1.81%和4.23%,且在雨季不同处理间几何平均直径差异显著。

表3 不同处理对雨季和旱季机械稳定性团聚体分布特征及稳定性的影响

2.3 不同处理对雨季和旱季机械稳定性团聚体无机氮分布的影响

如表4所示,不同处理雨季和旱季机械稳定性团聚体铵态氮含量表现为<0.25 mm团聚体最高(21.84 mg/kg),0.25～2.00 mm团聚体次之(19.04 mg/kg),>2.00 mm团聚体最低(14.65 mg/kg)。与CF处理相比,OF处理显著降低了雨季<0.25 mm团聚体铵态氮含量,降幅为24.94%;而在旱季,不同处理间各级团聚体铵态氮含量均存在显著差异,均表现为OF处理显著高于CF处理,平均高57.65%。从季节来看,CF处理下旱季>2.00 mm,0.25～2.00 mm,<0.25 mm团聚体铵态氮含量较雨季显著降低23.42%,32.97%,47.4%;OF处理下旱季各级团聚体铵态氮含量增加42.21%,5.52%,3.77%,仅>2.00 mm团聚体铵态氮含量增加显著。此外,处理与季节的交互作用对各级团聚体铵态氮含量均存在极显著影响。

表4 不同处理对雨季和旱季机械稳定性团聚体铵态氮含量的影响

如表5所示,与团聚体铵态氮含量分布规律类似,团聚体硝态氮含量表现为<0.25 mm团聚体最高(42.20 mg/kg),0.25～2.00 mm团聚体次之(37.57 mg/kg),>2.00 mm团聚体最低(29.16 mg/kg)。不同处理对雨、旱两季>2 mm,0.25～2.00 mm团聚体硝态氮含量的影响各异,其中,雨季表现为OF处理显著低于CF处理,平均低16.68%;旱季表现为OF处理显著高于CF处理,平均高264.57%。<0.25 mm团聚体硝态氮含量表现为OF处理显著高于CF处理,雨季和旱季分别高16.15%,258.34%。此外,处理与季节的交互作用对各级团聚体铵态氮含量均存在极显著影响。

表5 不同处理对雨季和旱季机械稳定性团聚体硝态氮含量的影响

如图2所示,不同处理下团聚体铵态氮和硝态氮储量占比均表现为0.25～2.00 mm团聚体最高(51.70%,51.14%),>2.00 mm团聚体次之(34.59%,35.51%),<0.25 mm团聚体最低(13.71%,13.34%)。与CF相比,OF处理主要降低了雨季和旱季<0.25 mm团聚体铵态氮和硝态氮储量占比,分别降低6.45,3.01百分点,其中,不同处理<0.25 mm团聚体铵态氮储量占比在雨季和旱季均有显著差异,团聚体硝态氮储量占比仅在旱季有显著差异(P<0.05)。与CF相比,OF处理增加了0.25～2.00 mm团聚体铵态氮和硝态氮储量占比,分别增加5.72,7.28百分点,其中,不同处理0.25～2.00 mm团聚体铵态氮储量占比仅在雨季差异显著,而团聚体硝态氮储量占比仅在旱季差异显著。与CF相比,OF一定程度提高了>2.00 mm团聚体铵态氮储量占比(高0.74百分点),降低了>2.00 mm团聚体硝态氮储量占比(低4.28百分点),但差异都不显著。季节对团聚体铵态氮和硝态氮储量占比的影响相对较小,仅OF处理下0.25～2.00 mm团聚体铵态氮和硝态氮储量占比表现为雨季显著高于旱季。

不同大写字母表示相同季节不同处理差异显著(P<0.05);不同小写字母表示相同处理不同季节差异显著(P<0.05)。

2.4 机械稳定性团聚体铵态氮和硝态氮含量的影响因素

团聚体铵态氮和硝态氮含量与土壤主要性质的关系见图3,4和表6。所有组分团聚体铵态氮含量均与CEC存在显著的正相关关系(P<0.05),>2.00 mm团聚体铵态氮含量与土壤pH值存在显著正相关关系(P<0.05),0.25～2.00 mm和<0.25 mm团聚体铵态氮含量与土壤全氮含量存在显著正相关关系(P<0.05)。所有组分团聚体硝态氮含量均与pH值存在显著的正相关关系(P<0.05),<0.25 mm团聚体硝态氮含量与土壤有机质含量和全氮含量存在显著正相关关系(P<0.05)。团聚体铵态氮和硝态氮含量与团聚体稳定性指标(MWD和GWD)不存在显著相关关系(P>0.05)。

图3 团聚体铵态氮含量与主要土壤指标的相关性

图4 团聚体硝态氮含量与主要土壤指标的相关性

表6 团聚体铵态氮及硝态氮含量与主要土壤指标的拟合方程及参数

以茶园土壤团聚体无机氮含量为响应变量,土壤主要性质为解释变量进行冗余分析(表7)。结果表明,RDA1和RDA2分别解释了土壤团聚体无机氮含量变异的74.71%和12.26%,茶园土壤pH值、阳离子交换量是土壤机械稳定性团聚体无机氮分布的主要影响因子。

表7 团聚体无机氮分布与土壤主要性质的冗余分析

3 结论与讨论

有机肥替代化肥能降低土壤中交换性H+和交换性Al3+含量,缓解土壤酸化进程[26]。本研究中,OF处理雨季和旱季土壤pH值均比CF处理高(平均高2.53%),且在旱季差异显著(P<0.05),体现了施用有机肥在缓解南方丘陵茶园土壤酸化的重要作用。大量研究发现[6,27],施用有机肥能够提高土壤中有机质和速效养分的含量,协调养分供应,增强土壤保水保肥能力,进而提高茶叶产量和品质。本研究发现,OF处理下茶园表层土壤有机质含量、全氮含量显著高于CF处理(P<0.05),这与施用有机肥能够提供改善土壤理化性质,促进土壤有机质和氮素积累有关。化肥和有机肥均作为基肥施入茶园土壤,由于有机肥和化肥挥发和淋失难易程度不同、肥效期长短不一,茶园土壤铵态氮和硝态氮含量表现为雨季OF处理低于CF处理,随着有机肥持续供应养分以及化肥养分的不断损耗,旱季铵态氮和硝态氮含量表现为OF处理显著高于CF处理(P<0.05)。对土壤阳离子交换量而言,不同处理下雨季茶园土壤阳离子交换量均高于旱季,与田圣贤等[28]和温军等[29]的研究结果相一致。但CF处理下雨、旱两季茶园土壤阳离子交换量差异显著(P<0.05),这可能与土壤水热因子改变有关,具体原因有待进一步研究。可见,与单施化肥相比,茶园全量施用有机肥可一定程度改善土壤酸化状况,大幅度提高土壤有机质含量,维持土壤交换吸附能力的稳定并协调养分供应。

大团聚体主要是通过有机残体和菌丝胶结形成的,小团聚体主要是多糖、或无机胶体通过阳离子桥而胶结形成的[30]。因此,除土壤矿物质如铁铝氧化物外,土壤有机质被认为是形成稳定土壤结构的重要条件[31]。本研究结果显示,与CF处理相比,OF处理下雨、旱季茶园土壤大团聚体(0.25～2.00 mm)质量百分比得到明显提高,而<0.25 mm团聚体质量百分比显著降低(P<0.05),说明施用有机肥促进茶园土壤有机质积累,有利于大团聚体形成。本研究还发现,0.25～2.00 mm,<0.25 mm团聚体受季节影响较大,主要表现为:旱季0.25～2.00 mm团聚体质量百分比低于雨季,而旱季<0.25 mm团聚体质量百分比高于雨季,这与旱季土壤有机质含量略有下降,以及经历多次干湿交替后大团聚体的破坏率增加有关[32]。

关于土壤团聚体氮素分布特征的研究结论存在一定的争议,导致各粒径团聚体氮素分布特征存在较大差异的原因可能包括土壤类型、土壤性质、植被条件及土壤侵蚀状况等的差异及人为活动的影响,不同团聚体分析方法也是引起团聚体氮素含量差异的重要因素。本研究采用干筛法分离机械稳定性团聚体,分析不同粒径团聚体无机氮含量发现土壤团聚体铵态氮和硝态氮含量随粒径的减少而升高,研究结果与前人通过干筛法获得的研究结果基本一致[33-34],主要原因为土壤团聚体粒径越小,比表面积越大,对氮素的吸附能力就越强。受肥料养分释放速率的影响,不同处理各粒径团聚体铵态氮和硝态氮含量均表现为:在雨季,CF处理高于OF处理;而在旱季,CF处理低于OF处理。由于铵态氮容易在土壤中转化,而硝态氮更容易在茶园土壤积累,因此,不同处理雨、旱两季各粒径团聚体硝态氮含量差异比铵态氮更为明显。不同处理下团聚体铵态氮和硝态氮储量占比均表现为(0.25～2.00 mm)>(>2.00 mm)>(<0.25 mm)团聚体,虽然<0.25 mm团聚体铵态氮和硝态氮含量最高,但由于该级团聚体质量百分比较低,因此,<0.25 mm团聚体铵态氮和硝态氮储量占比较低。可见,有机肥全量替代化肥可以促进0.25～2.00 mm团聚体质量百分比的提高,进而有利于土壤铵态氮和硝态氮的固持。

土壤pH值升高时,土壤有机质氮素矿化速率提高[35]、硝化反应增强(微生物活性增强)、土壤胶体的离子吸附位点增多。因而,在本研究中,所有组分团聚体硝态氮含量均与pH值存在显著的正相关关系(P<0.05)。虽然土壤对铵态氮的吸附能力随着土壤pH值增加而增加,但由于铵态氮大部分通过微生物的作用转化成亚硝酸盐和硝酸盐,因此,pH值对团聚体铵态氮的影响较小,仅>2.00 mm团聚体铵态氮含量与pH值呈显著正相关关系(P<0.05)。土壤盐基离子的高低主要取决于土壤交换性阳离子的吸附与解吸以及养分的固持和淋失[28]。本研究发现,所有组分团聚体铵态氮含量均与CEC存在显著的正相关关系(P<0.05),说明土壤阳离子交换量大小在土壤保肥、供肥性能和缓冲能力的重要作用,但CEC不能反映土壤对带负电荷硝态氮的吸附与解吸能力,因此,各粒径团聚体硝态氮含量与CEC不呈显著相关性(P>0.05)。游离铝氧化物是红壤团聚体形成的重要胶结剂,而游离铁氧化物、非晶形氧化铁铝、有机质等为次要的团聚体胶结剂[36],因此,本研究发现,土壤有机碳含量对团聚体铵态氮含量影响较小,仅<0.25 mm团聚体硝态氮含量与SOC有显著的正相关关系(P<0.05)。当然,有机质通过调节土壤pH值,改变土壤阳离子交换量等间接影响土壤团聚体无机氮的分配。土壤全氮包括了铵态氮和硝态氮,其含量高低直接影响各级团聚体铵态氮和硝态氮含量。研究表明,团聚体粒径越小吸附有机碳和氮素的能力越强,在团聚体氮素未饱和时,氮素优先在更小粒径的团聚体上吸附[37]。本研究发现,0.25～2.00 mm和<0.25 mm团聚体铵态氮含量与土壤全氮含量存在显著正相关关系(P<0.05),<0.25 mm团聚体硝态氮含量与土壤全氮含量存在显著正相关关系(P<0.05),体现了土壤全氮含量对团聚体无机氮含量及各粒径团聚体吸附优先顺序的影响。上述表明,茶园土壤团聚体铵态氮含量主要受土壤pH值、阳离子交换量和全氮含量的影响,其中,>2.00 mm团聚体铵态氮含量受土壤pH值和阳离子交换量的影响,0.25～2.00 mm和<0.25 mm团聚体铵态氮含量受土壤阳离子交换量和全氮含量的影响;茶园土壤团聚体硝态氮含量主要受土壤pH值、有机质含量和全氮含量的影响,其中,>2.00 mm和0.25～2.00 mm团聚体铵态氮含量受土壤pH值的影响,0.25 mm团聚体铵态氮含量受土壤有机质含量和全氮含量的影响。进一步通过冗余分析表明,土壤pH值、阳离子交换量是土壤机械稳定性团聚体无机氮分布的主要影响因子。

综上,本研究以推荐的化肥施用量为对照,分析了有机肥全量替代化肥对茶园土壤理化性质和团聚体稳定性的影响,发现有机肥全量替代化肥有利于提高0.25～2.00 mm团聚体百分比,且0.25～2.00 mm团聚体铵态氮和硝态氮具有最高的储量占比。因而,与单施化肥相比,有机肥全量替代化肥有利于促进土壤无机氮(铵态氮和硝态氮)的固持。采用相关性和RDA分析发现,土壤pH值、阳离子交换量是茶园土壤团聚体无机氮分布主要影响因子。研究结果不仅丰富了有机肥替代化肥技术的理论基础,还揭示了茶园有机肥替代化肥技术在维持土壤氮素肥力效果的积极作用。当然,本研究选取的主要土壤性质有限,还有待于进一步研究其他土壤性质(如土壤物理、生物性质)对团聚体无机氮分布特征的影响。