化肥减施下生物炭与绿肥翻压对井冈蜜柚产量及土壤固碳效果的影响

范美莉, 朱国兵, 汪文俊, 刘军根

(1.吉安职业技术学院现代农林工程学院,江西吉安 343000; 2.吉安职业技术学院公共基础课教育部,江西吉安 343000)

施用化学肥料是现今农林业生产环节中补充土壤养分的必要措施,化肥在促进植物早期生长发育及后期产量、质量形成过程中起着至关重要的作用[1]。为保证产量收获,农民对化肥的施用量往往高于推荐量[2]。然而化肥施用量与产量、肥料利用率之间存在阈值,目前肥料施用量过高,肥料利用率低,造成土壤质量退化、微生物多样性锐减、水体富营养化等一系列负面影响,已成为制约农林业发展的重要瓶颈[3]。从源头上减少大量元素(N、P、K)的投入量,是减少土壤生态环境污染的重要策略。研究表明,长期减量施肥可能会扰乱土壤有机碳储量和碳矿化的动态平衡,进而影响土壤肥力及相关微生物组成变化[4]。因此,适量减施化肥并寻求适宜的化肥替代物,是保持农业可持续发展和推进农田生态环境建设的重要研究方向。

生物炭(BC)是农林植物残体、工业废弃物、城市垃圾及畜禽粪便等材料在400～700 ℃高温条件下炭化形成的高度芳香化多孔富碳产物[5]。大量研究表明,生物质原材料炭化后具有致密的微孔结构、较高的pH值、大量的碳物质,施入土壤后可有效降低土壤容重,提高土壤保墒性能及肥力[6],且可为土壤生物提供栖息地从而有利于微生物繁殖,进一步提高土壤固碳效果。绿肥是绿色植物体制成的养分全面的有机肥源,在提升耕地质量、降低水土流失、提高土壤肥力及改善作物品质中作用巨大[7]。牛雅琼等研究表明,猕猴桃园翻压豆科绿肥能够改善土壤质地、提升土壤肥力、促进猕猴桃植株养分累积及提高产量[8]。王春丽等研究显示,越冬型肥用油菜翻压可显著提高黄土高原沟壑区苹果园土壤速效养分含量、降低土壤耗水及改善苹果根系结构[9]。

井冈蜜柚作为江西省的龙头果业名牌之一,是吉安市“促民生、保发展”的富民支柱产业,在江西省水果产业具有举足轻重的地位,其商业化种植主导品种有金兰柚和金沙柚[10]。目前,井冈蜜柚园区存在管理粗放、施肥量较高及土壤质量逐年下降等问题[11]。吉安市具备三面环山的山地丘陵盆地地貌,属亚热带季风湿润性气候,初夏雨量充沛;蜜柚园区由于常年施肥措施欠佳,土壤酸化日趋严重,导致土壤肥力低、土壤板结[12],最终影响井冈蜜柚产业的高质量发展。本研究基于生物炭结合绿肥翻压的改土培肥优势,探索了常规施肥减量施用下,生物炭配施不同绿肥品种对井冈蜜柚果园土壤固碳效果、碳库管理指数及产量的影响,旨在为改良土壤固碳效果、促进蜜柚产业高质量可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年12月至2022年10月在江西省吉安市井冈蜜柚科技小院试验站内进行,供试蜜柚品种为5年生金沙柚,种植株行距为3 m×4 m,种植密度750株/hm2。供试生物炭主要原材料为稻壳和稻草,购自江西晟鑫生物炭业有限公司,其基本性质为全碳含量67.5%,总氮含量5.6%,比表面积23.9 m2/g,pH值 8.43。供试绿肥分别为毛叶苕子(ViciavillosaRoth)、二月兰(Orychophragmusviolaceus)、黑麦草(LoliumperenneL.),来自四川南充绿肥产业技术综合试验站。供试化肥包括尿素(含N 46%)、果树专用钙镁磷肥(含P2O512%)、硫酸钾(含K2O 52%),均购自吉安市天禾农资有限公司。

试验区土壤为红壤,0～30 cm表层土壤理化性质:pH值 4.98,有机质含量14.04 g/kg,全氮含量0.73 g/kg,碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为103.56、30.25、106.28 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设置6个处理:常规施肥(CK1);常规施肥减量25%(CK2);常规施肥减量25%+生物炭(BC);BC处理分别组合毛叶苕子(BVV)、二月兰(BOH)、黑麦草(BLP)的绿肥翻压处理。其中常规施肥处理为当地常规施用量的近4年平均值,即纯氮施用量为675 kg/hm2(N ∶ P2O5∶ K2O=9 ∶ 5 ∶ 8)[10],生物炭处理施用量为3 000 kg/hm2,绿肥处理约120万株/hm2。试验区采用随机区组设计,各处理重复3次,共18个规划区,小区面积300 m2(15 m×20 m,5株果树),小区之间设置3 m保护带。试验于2019年12月开始,化肥按基肥30%、促花肥15%、壮果肥40%、采果肥15%施用,于2019年12月15日,2020年2月15日、6月15日、9月15日分4次施入,分别在柚树两侧进行 10 cm 穴施。绿肥则于每年10月进行土表撒播,翌年4月末生物炭随绿肥一同翻压入土。无绿肥处理则为土表清耕处理,2020—2022年每年对试验区进行产量统计。

1.3 样品采集及测定分析

1.3.1 蜜柚产量、土壤容重及土壤总有机碳含量测定 2022年10月蜜柚收获后对蜜柚园土壤进行取样:按照“S”形多点分层取样法,取样前去除表层(0.1 cm)杂物,在每个小区随机选取5个取样点的土壤汇集成1个样本,分别使用环刀、不锈钢半自动螺旋土钻采取6个土层(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm)的土壤样品。其中环刀中的土壤直接进行土壤容重(BD)测定,螺旋土钻所取土壤样品一部分保存于-80 ℃环境中,其余部分经自然风干后采用人工研磨并过0.25 mm不锈钢网筛,土壤总有机碳(TOC)含量采用K2Cr2O7外加热容量法[13]测定。

1.3.2 土壤有机碳组分含量及测定 有机碳组分包括轻质有机碳(LOC)、颗粒有机碳(POC)、微生物有机碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)、可溶性有机碳(DOC)。将过0.25 mm不锈钢网筛的表层(0～30 cm)土壤进行30 ℃环境暖温8 h。采用碘化钠(NaI)提取LOC,采用六聚偏磷酸钠[(NaPO3)6]提取POC,采用三氯甲烷(CHCl3)熏蒸硫酸钾(K2SO4)提取法MBC,采用KMnO4浸提提取EOC,采用水 ∶ 土混合液(质量比4 ∶ 1)提取可溶性有机碳(DOC)。上述有机碳组分含量采用TOC自动分析仪(TOC-SSM-5000A,Shimadzu,日本)测定。稳态有机碳(NOC)含量为土壤总有机碳(TOC)与EOC含量的差值。土壤有机碳储量采取表层等质量方法计算。

1.3.3 土壤固碳基因拷贝数的定量测定 称取250 mg保存于-80 ℃的土壤,采用FAST® Spin of Kit DNA试剂盒(116560-200,MPBiomedicals)提取土壤总DNA,采用1.2%琼脂糖凝胶电泳检测所提取DNA的纯度,再用一体式凝胶成像仪(SmartGelTM5000,北京森西赛智科技有限公司)测定。cbbL所用引物为K2F(ACCAYCAAGCCSAAGCTSGG)、V2R(GCCTTCSAGCTTGCCSACCRC),cbbM所用引物为490F(GGCACCATCATCAAGCCCAAG)、974R(TCTTGCCGTAGCCCATGGTGC)。通过实时荧光定量PCR仪(CFX96Touch BIO-RAD1,ABI,美国)对cbbL、cbbM基因拷贝数进行定量分析。反应条件:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s、62 ℃退火30 s、57 ℃延伸20 s,循环40次[14]。反应体系总体积为 20 μL:1×SYBR Premix ExTaq(TaKaRa)5 μL,上游和下游引物(5 μmol/L)各0.4 μL,DNA模板2 μL,采用无菌水补充至20 μL。

1.4 数据处理与统计分析

碳库管理指数计算按照以下公式进行[15]:

有机碳储量(×103kg/hm2)=(TOCλ×BDλ×λ)×0.1;

碳库活度(CA)=土壤EOC含量/(土壤NOC含量×2);

碳库活度指数(AI)=样品土壤CA/参考土壤CA;

碳库指数(CPI)=样品土壤TOC含量/参考土壤TOC含量;

土壤碳库管理指数(CPMI)=CPI×AI×100%。

上述EOC、NOC、TOCλ、BDλ分别表示易氧化有机碳含量、稳态有机碳含量、0～30 cm总有机碳含量、0～30 cm土壤容重;λ为土壤深度,该处采用深度为30 cm;以常规施肥处理土壤样品为参照土壤。

采用Excel 2007对试验数据进行录入与初步整理,DPS 7.05软件进行方差分析与显著性检验,采用Origin 9.2软件完成绘图。

2 结果与分析

2.1 化肥减施下生物炭与绿肥翻压对不同土层容重、总有机碳含量的影响

由图1可知,化肥减施3年后,在60 cm的土壤深度中,化肥减施、化肥减施下生物炭与绿肥翻压,对柚园土壤容重(BD)及土壤总有机碳含量(TOC)的剖面分布均具有显著影响。就土壤容重而言,随着土壤深度加深,土壤容重随之增加;其中在0～30 cm 土层中,各处理差距较大,整体以化肥减施下施用生物炭相关处理(BC、BVV、BOH、BLP)数值较低,而在较深土层(40～60 cm)中,各处理差距相对较小(图1-A)。与土壤容重趋势相反,随着土壤深度加深,土壤总有机碳含量随之迅速降低。在表层土壤(0～30 cm)中,均以BOH处理的TOC含量最高,CK2处理最低,尤其在10、20 cm土层中;在较深土层(40～60 cm)中,仍以CK2处理最低,但各处理间差距较小(图1-B)。上述研究表明,化肥减施3年后,土壤容重随之增加而总有机碳含量降低,且主要作用于表层土壤;化肥减施下生物炭配施绿肥翻压有利于降低0～30 cm土壤容重及提高总有机碳含量。

2.2 化肥减施下生物炭与绿肥翻压对表层土壤有机碳组分含量的影响

由图2可知,0～30 cm表层土壤有机碳组分含量中,各组分含量高低顺序表现为可溶性有机碳(DOC)含量<颗粒有机碳(POC)含量<微生物有机碳(MBC)含量<轻质有机碳(LOC)含量<易氧化有机碳(EOC)含量,其中EOC、MBC、POC、LOC、DOC含量分别占有机碳含量的49.64%～60.90%、10.13%～15.22%、9.11%～11.56%、12.80%～18.41%、6.37%～7.48%。在EOC、LOC、DOC组分含量中,以BOH处理较高,各处理整体呈CK2

2.3 化肥减施下生物炭与绿肥翻压对碳储量及碳库管理指数的影响

由表1可知,0～30 cm表层土壤有机碳储量中,各处理表现为CK2

表1 化肥减施下生物炭与绿肥翻压对碳储量及碳库管理指数的影响

2.4 化肥减施下生物炭与绿肥翻压对固氮基因绝对丰度的影响

由图3-A可看出,各处理cbbL基因丰度表现为CK2

2.5 化肥减施下生物炭与绿肥翻压对蜜柚产量的影响

由图4可知,2020年以CK1处理产量最高,其他处理较CK1降低1.73%～10.69%; 但各处理间产量差距较小,仅BLP显著低于CK1、BC处理。2021年以BVV处理产量最高,CK1、CK2、BC、BOH、BLP较其分别降低4.12%、12.17%、10.12%、3.73%、9.83%;其中CK1与BVV、BLP处理间无显著差异。2022年各处理产量高低顺序表现为 CK2

3 讨论

土壤是全球陆地生态系统中最大的有机碳库,仅表层土壤中的有机碳含量就远超陆地植物体的所有碳总和[16]。一般而言,土壤中的有机碳需经微生物作用矿化后方可被植物有效吸收利用,因此土壤有机碳丰度与农林业生产、土壤生物多样性及全球气候变化等生态系统功能密切相关[17]。本研究结果表明,各处理的土壤总有机碳含量、土壤容重(BD)在表层土壤(0～30 cm)差距较大,在较深土层(40～60 cm)中差异较小。此外,随着土层深度增加,TOC含量随之降低,而BD则随之增加,且各处理间的TOC含量在30 cm土深后急剧下降。因此本研究后续主要分析0～30 cm表层土壤的有机碳组分、碳库管理指数和相关固碳细菌编码基因的丰度情况。

可溶性有机碳、易氧化有机碳、微生物有机碳、轻质有机碳、颗粒有机碳是评价土壤质量及碳库平衡的重要指标,其组成与变化代表了土壤有机碳分解和养分释放的潜力[18]。本研究结果表明,25%化肥减施3年后,其有机碳组分含量整体呈降低趋势,在此基础上配施生物炭其组分含量仍整体低于常规施肥处理,这表明化肥减施下,生物炭对土壤有机碳组分含量的影响效果有限,这与前人的研究结果存在差异。李喜凤等研究表明,果园土壤中适量添加生物炭可显著提高黄土高原区0～20 cm土壤有机碳质量分数及MBC、DOC、POC等有机碳组分含量[19]。杨世伟等研究显示,生物炭可显著影响土壤pH值、BD及土壤团聚体结构,从而影响高原苹果园土壤有机碳组分及碳储量[20]。本研究结果与前人不同的原因可能是由气候差异所致,本研究试验区域气候常年温热、雨水充沛,且活性有机碳组分易受土壤湿度影响,因此生物炭的功能作用可能因此降低。

LOC、DOC、EOC均是重要的活性有机碳组分,三者性质均不稳定且易快速矿化,因此流动性强、分解度高、周转速率快,是土壤养分的短期碳储存库[21-22];其中EOC是易被氧化的活性有机碳组分,主要由易分解的腐殖质和多糖构成[23]。POC可吸附于土壤团聚体表面从而避免快速分解,是较为稳定的碳组分,由植物残体和微生物、微型动物残骸组成[24]。本研究中,各处理在相关有机碳组分含量上整体表现为CK2

土壤碳库管理指数是表征土壤有机碳变化的重要指标,可有效反映外部条件对土壤碳库和碳库活度的影响,能系统、全面地评价外部因素对土壤有机碳含量及质量的影响[25]。魏夏新等研究表明,紫云英、水稻秸秆生物炭还田可有效提高双季稻土壤活性有机碳含量,二者可显著提高碳库稳定性,且使土壤碳库管理指数分别提高31.8%、62.2%[26]。本研究结果表明,在碳库活度、碳库活度指数中,以生物炭配施绿肥处理(BVV、BOH、BLP)整体较低,其中BOH处理最低;而在碳库指数与CPMI指数中,以BOH处理存在峰值,其CPMI可达104.79%,即二月兰翻压处理最有利于土壤碳库的稳定;这与相关结果基本趋于一致:与禾本科绿肥相比,十字花科绿肥二月兰具有较低的初始 C/N,易于腐解,有利于土壤碳库的补充,更适宜应用于果园种植[27]。

自养型微生物广泛分布于土壤生态系统中,具有同化空气中CO2并将其转化为土壤有机碳的功能。卡尔文循环(还原性戊糖磷酸循环)是耕作土壤中微生物固定大气CO2的主要途径[28],cbbL、cbbM基因是介导卡尔文循环的编码基因[19],二者基因的丰度高低可在一定程度上反映微生物的固碳潜力。本研究中,各处理cbbL、cbbM基因整体呈CK1、CK2、BC

4 结论

本研究结果表明,与常规施肥处理(CK1)相比,25%化肥减施3年后,其土壤有机碳含量、碳管理指数、固碳基因丰度及产量均受到不利影响;在此基础上单施3 000 kg/hm2生物炭具有一定的促进作用,但整体仍低于CK1处理。而化肥减施下生物炭配施绿肥翻压处理效果较佳,其中整体以生物炭配施二月兰翻压处理(BOH)最优,显著降低了表层土(0～30 cm)的土壤容重及碳库活性指数,提高了土壤总有机碳、易氧化有机碳、轻质有机碳及可溶性有机碳含量,增加了0～30 cm土层的有机碳储量及碳库管理指数。此外生物炭配施二月兰翻压3年后,与常规施肥处理相比,井冈蜜柚有机碳储量、蜜柚产量分别显著提高4.59%、10.49%,具有明显的固碳及增产效应,有望应用于井冈蜜柚的减肥生产实践。