施肥對(duì)根際沉積碳在土壤團(tuán)聚體中分配的影響

高同彬

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150030)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是自然生態(tài)系統(tǒng)和人工管理生態(tài)系統(tǒng)的基本屬性，土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤肥力、質(zhì)量和土壤的可持續(xù)利用等有很大的影響，是水肥保蓄與釋供功能的物質(zhì)基礎(chǔ)［1，2］。團(tuán)聚體的組成比例能較好地反映土壤肥力的現(xiàn)有狀況及其調(diào)控的實(shí)際效果，是綜合評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)［2］。土壤團(tuán)聚體的形成受物理、化學(xué)和生物因素的驅(qū)動(dòng)［3］。根際碳沉積是作物物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞的基礎(chǔ)，其在土壤團(tuán)聚體的形成、穩(wěn)定與周轉(zhuǎn)過程中具有重要作用［4，5］。

施肥導(dǎo)致不同處理之間的根際沉積碳種類和數(shù)量的差異，也會(huì)改變土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，強(qiáng)烈影響陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和穩(wěn)定機(jī)制。對(duì)黑土有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能以及動(dòng)態(tài)變化的研究已取得許多重要進(jìn)展［3］，但是對(duì)不同施肥管理方式下根際沉積碳對(duì)黑土有機(jī)碳物理性保護(hù)機(jī)制的研究還有限。因此，本研究的目的是以長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)為研究平臺(tái)，闡明作物根際沉積碳對(duì)其土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響及其相互關(guān)系，并為采取有效的施肥管理措施以提高黑土區(qū)的土壤質(zhì)量和降低溫室效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省海倫市的中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(N47°27'，E126°55')，該站處于我國(guó)東北黑土區(qū)的中心，海拔高度240 m左右，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫1.5℃，≥10℃活動(dòng)積溫2 600℃ ～2 800℃，無霜期125～135d，年降雨量500～600 mm。試驗(yàn)區(qū)地形較為平坦，試驗(yàn)開始于1991年，玉米—大豆—小麥輪作，一年一熟制，供試作物為小麥，供試土壤為典型黑土，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀母質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理:①無肥(CK);②化肥NP(NP);③化肥NK(NK);④化肥PK(PK);⑤化肥NPK(NPK);⑥化肥NPK+有機(jī)肥(NPKM)，4次重復(fù)，小區(qū)面積63 m2，隨機(jī)排列。化學(xué)氮肥為尿素、磷肥為磷酸二銨、鉀肥為硫酸鉀，有機(jī)肥為腐熟豬糞。有機(jī)肥在每年10月份秋季整地時(shí)一次性施入;大豆和小麥春季播種時(shí)全部化肥作基肥;玉米1/3氮肥、全部磷鉀肥在春季播種時(shí)作基肥，剩余2/3氮肥在拔節(jié)期作為追肥。施肥量見表1。

表1 施肥量(kg hm－2)Tabl.1 Fertilizing amount(kg hm －2)

1.3 研究方法

根際土壤采樣方法:采用尼龍網(wǎng)框分隔法區(qū)分根際土和非根際土，尼龍網(wǎng)框規(guī)格為70 cm×20 cm×30 cm，尼龍網(wǎng)框阻止作物根系進(jìn)入尼龍網(wǎng)框內(nèi)，框內(nèi)不受根系影響的土即為土體，框外受根系影響的土即為土壤，在秋季收獲時(shí)分別采取框內(nèi)和框外土壤樣品，保持原狀，樣品風(fēng)干后，備用。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體的篩分方法:50 g風(fēng)干土緩慢濕潤(rùn)5 min，再浸入蒸餾水中糊化5 min，然后轉(zhuǎn)移到篩組(5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25mm)上以振幅 3.8cm，32 r·min－1濕篩10 min。所有團(tuán)聚體組分轉(zhuǎn)移到50mL小燒杯，50°C烘干至恒重。平均重量直徑計(jì)算方法如下:

wi代表團(tuán)聚體第i個(gè)組分的平均直徑，xi代表團(tuán)聚體第i個(gè)組分占土樣總質(zhì)量的比例。濕篩后將＞5 mm和2～5 mm組分合并，作為＞2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA＞2 mm)。

有機(jī)碳的測(cè)定:用 CHN元素分析儀(ElementarⅢ，Germany)，經(jīng)檢驗(yàn)土壤中未發(fā)現(xiàn)碳酸鹽，認(rèn)為該供試土壤有機(jī)碳等于土壤總碳。

根際沉積碳的計(jì)算:采用差減法即，根際沉積碳為土壤有機(jī)碳減去同條件下的土體有機(jī)碳。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體分布的影響

土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布強(qiáng)烈地受到施肥管理方式的影響，6個(gè)不同施肥處理篩分后質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均回收率為94.3%。相同施肥處理?xiàng)l件下，與土體相比較，根際沉積碳土壤處理主要增加＞2mm的團(tuán)聚體的形成，0.25～0.5mm團(tuán)聚體減少，表明了根際沉積碳能使微團(tuán)聚體膠結(jié)形成大團(tuán)聚體，這主要是由于作物根際沉積碳提高微生物活性，促進(jìn)微生物菌絲的生長(zhǎng)，而且成熟期小麥衰老的根系含有多糖、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素及被微生物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸，這些都是土壤中重要的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，可以把土壤顆粒膠結(jié)成微團(tuán)聚體，微團(tuán)聚體進(jìn)而膠結(jié)成大團(tuán)聚體［6，7］。NPK，NPKM和NP處理增加＞2mm大團(tuán)聚體和＜0.25mm的微團(tuán)聚體的形成，2～1mm、1～0.5mm 和0.5 ～0.25mm 團(tuán)聚減少。PK處理減少 ＞0.25mm大團(tuán)聚體形成，增加 ＜0.25mm的微團(tuán)聚體的形成。缺磷NK處理主要是增加＞2mm大團(tuán)聚體分布，無肥CK處理對(duì)2～1mm團(tuán)聚體和＜0.25mm的微團(tuán)聚體粒組分布影響較小。以無肥處理CK為對(duì)照，NPK處理、NPKM處理和PK處理增加1～0.5mm級(jí)團(tuán)聚體，減少2～1mm團(tuán)聚體和＜0.25mm的微團(tuán)聚體的形成，對(duì)＞2mm和0.5～0.25mm團(tuán)聚體沒有影響;NP處理和NK處理增加＞2mm和1～0.5mm級(jí)團(tuán)聚體的形成。平均重量直徑(MWD)是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，6個(gè)處理土壤的MWD大小順序?yàn)?NK＞NP＞NPK＞CK＞NPKM＞PK(見圖1)。CK、NP和NK處理的根際沉積碳增加MWD，而PK處理則減少M(fèi)WD，NPK處理和NPKM處理對(duì)MWD沒有影響?？梢?，施肥對(duì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及粒級(jí)分布有重要影響。

表2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)分布與平均重量直徑Tab.2 Distribution ofWater stable aggregates and average weight diameter

圖1 土壤和土體團(tuán)聚體各粒級(jí)有機(jī)碳含量Fig.1 The content of organic carbon of aggregate respectively in soil

2.2 施肥對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體根際沉積碳含量的影響

由圖2可知，根際沉積碳對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量影響較大，土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳的絕對(duì)含量顯著高于相對(duì)應(yīng)土體團(tuán)聚體粒級(jí)。NPKOM處理土壤的各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于其他施肥處理。隨著粒徑增加有機(jī)碳含量增加，其變化范圍為 28.3～34.8g·kg－1，遠(yuǎn)高于NPKM處理土體團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，變化范疇為25.9～31.7g·kg－1。根際沉積碳對(duì) NP、NK、PK 和 NPK 處理的影響與NPKM處理相一致，根際沉積碳增加土壤團(tuán)聚體各粒級(jí)有機(jī)碳含量，這說明長(zhǎng)期施用化肥可以使土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加。無肥CK處理，根際沉積碳增加＞1mm大團(tuán)聚體和＜0.25mm微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，對(duì)0.25～1mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量影響較小，差異不顯著。與不施肥CK處理相比，施肥可以增加各粒級(jí)有機(jī)碳含量。說明無論是單施無機(jī)肥還是有機(jī)—無機(jī)配施均能增加土壤團(tuán)聚體各粒級(jí)有機(jī)碳含量。

2.3 施肥對(duì)根際沉積碳量的影響

根際沉積碳量是培肥土壤地力，增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的重要來源。不同施肥處理耕層0～20cm土壤表層根際沉積碳有機(jī)碳量表現(xiàn)出NPKM＞NPK＞NP＞PK＞NK＞CK的趨勢(shì)?；逝涫┯袡C(jī)肥NPKM處理與施化肥NPK處理間，NPK處理和缺素(NP、NK、PK)處理間根際沉積碳量之間均達(dá)到差異顯著，根際沉積碳量顯著增加，根際沉積碳量增加量分別為 1.80t·hm－2、1.37t·hm－2，增幅分別為22.3%、36.5%，這可能是由于當(dāng)季作物為小麥，在8月份收獲，土壤樣品采集時(shí)間為10月份，小麥根系正好處在水熱同季的8月份進(jìn)行根系腐解，故根際沉積碳量較大。缺素處理NP、NK和PK處理間差異不顯著了，這說明氮磷鉀三大營(yíng)養(yǎng)元素共同影響根際沉積碳量，缺少任何一種營(yíng)養(yǎng)元素，根際沉積碳沉積量都受到限制。

圖2 施肥對(duì)根際沉積碳的影響Fig.2 Effect of fertilization onrhizosphere deposited carbon

2.4 根際沉積碳在團(tuán)聚體中分配

團(tuán)聚體形成作用是土壤碳固定的最重要機(jī)制，土壤固碳作用除了團(tuán)聚體粒級(jí)自身作用外，也取決于各粒級(jí)團(tuán)聚體的組成比例［7］。根際沉積碳是連結(jié)植物、土壤和微生物的紐帶，在土壤團(tuán)聚體粒級(jí)中分配比例受多種因素影響。施肥管理對(duì)根際沉積碳在團(tuán)聚體中分配影響較大，由圖4可知，無肥處理 CK根際沉積碳主要分配到 ＞2mm，2～1mm大團(tuán)聚體和＜0.25mm微團(tuán)聚體中，而1～0.5mm和0.5～0.25mm粒級(jí)沒有根際沉積碳的進(jìn)入?；蔔PK處理，53%根際沉積碳分配在2～1mm粒級(jí)中，9%分配在＜0.25mm的微團(tuán)聚體中，14%分配在＞2mm的大團(tuán)聚體中。與NPK處理相比，NPKM處理根際沉積碳在＞2mm團(tuán)聚體中分配差異不顯著，均為14%，1～2mm和0.25～0.5mm粒級(jí)根際沉積碳分配比例分別減少11℅和9℅，反而0.5～1mm和＜0.25mm粒級(jí)分別增加10℅和9℅。缺素處理NP、NK、PK處理，根際沉積碳減少1～2mm粒級(jí)分配比例，分別為12℅、43℅、19℅，增加0.5～1mm粒級(jí)分別為5℅、28℅、10℅，同時(shí)對(duì)＜0.25mm粒級(jí)分別增加29℅、3℅、21℅，可見缺素促進(jìn)根際沉積碳更傾向0.5～2mm大團(tuán)聚體和＜0.25mm微團(tuán)聚體中分配。

3 結(jié)論

長(zhǎng)期施肥對(duì)作物根際沉積碳在土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中分配影響較大，根際沉積碳主要增加＞2mm的團(tuán)聚體的形成，減少0.25～0.5mm團(tuán)聚體的形成。CK、NP和NK處理的根際沉積碳增加MWD，而PK處理則減少M(fèi)WD，NPK處理和NPKM處理對(duì)MWD影響不顯著。長(zhǎng)期施用化肥使土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加，不同施肥處理耕層0～20cm土壤表層根際沉積碳有機(jī)碳量表現(xiàn)出NPKM＞NPK＞NP＞PK＞NK＞CK的趨勢(shì)。CK處理根際沉積碳主要分配到＞2mm，2～1mm大團(tuán)聚體和＜0.25mm微團(tuán)聚體中，缺素促進(jìn)根際沉積碳更傾向 0.5～2mm大團(tuán)聚體和 ＜0.25mm微團(tuán)聚體中分配。施用有機(jī)肥減少1～2mm和0.25～0.5mm粒級(jí)根際沉積碳分配比例，反而增加0.5～1mm和＜0.25mm粒級(jí)分配比例。

圖3 施肥對(duì)根際沉積碳在土壤團(tuán)聚體各粒級(jí)分配的影響Fig.3 Effect of fertilization on distribution ofrhizosphere deposited carbon in aggregate respectively soil

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