賴金平,姚鋒先,徐麗紅,張永浩,陳 蓉,郭家乾
(贛南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,國家臍橙工程技術(shù)研究中心,江西 贛州 341000)
良好的土壤結(jié)構(gòu)是維持土壤肥力的基礎(chǔ),其中團聚體是土壤最基本的結(jié)構(gòu)單元,其分布和穩(wěn)定性是土壤物理性質(zhì)的重要指標[1]。施用有機肥是提高土壤有機質(zhì)(SOM)和改善土壤肥力的主要措施[2-7];SOM含量的增加和質(zhì)量的提高對土壤團聚體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有促進作用,對土壤質(zhì)量的可持續(xù)性和作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。長期試驗顯示,隨土壤有機物質(zhì)供應(yīng)水平提高,土壤質(zhì)量性狀全面改善,作物產(chǎn)量顯著增加[8]。
近年來有機肥形態(tài)和施肥方式在生產(chǎn)上的應(yīng)用都有了拓展。利用形式已從傳統(tǒng)的固態(tài)利用轉(zhuǎn)向液態(tài)或半固態(tài)形式[9-11],施用方法上也有注射施肥[12]、滴灌施肥[9]、葉面噴施[13]等。從效果上看,固態(tài)有機肥單施或與化肥配施對土壤肥力和作物生長的影響主要表現(xiàn)出正效應(yīng),但液態(tài)有機肥施用對土壤的影響研究結(jié)果呈多樣性[14-16]。有研究報道柑橘在盆栽條件下,動、植物源液態(tài)有機肥滴灌施用對土壤肥力和植株生長均表現(xiàn)出促進作用[9]。沼液等液肥能明顯提高旱地紅壤SOM含量、較大直徑(>0.25 mm)機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體含量[17]。
江西贛南是我國鮮食臍橙的主產(chǎn)區(qū)。臍橙產(chǎn)量與土壤肥力質(zhì)量存在顯著相關(guān)性[18]。我國99.2%的柑橘園施用化肥,僅47.8%的柑橘園施用有機肥,年均有機肥氮、磷、鉀養(yǎng)分僅分別占總施用量的9.58%、19.6%和6.24%,有機肥投入嚴重不足[19]。贛南臍橙園大多數(shù)建在丘陵山地上,地形地貌變化大,且普遍坡度較大;該區(qū)域土壤多為紅壤,植被差、沖刷重、酸度高、有機質(zhì)和有效養(yǎng)分低。已有的研究表明,81%的贛南臍橙園SOM含量小于15 g/kg,平均含量10.35 g/kg,普遍處于缺乏水平[20]。目前,有機肥施用對土壤團聚體及其有機碳分布影響的研究已有相關(guān)報道[17,21-23],但主要是以固體有機肥或動物源液肥(沼液)為主,而關(guān)于植物源有機液肥施用對贛南丘陵山地臍橙園土壤團聚體及其有機碳分布特征影響的研究還鮮見報道。
本研究擬通過有機液肥灌溉施用大田試驗,研究有機液肥灌溉施用對贛南臍橙果園土壤團聚體組成和穩(wěn)定性的影響,并探討團聚體內(nèi)有機碳的分布特征。通過研究無機營養(yǎng)液肥、植物源有機液肥、以及有機無機液肥配施等不同液肥處理對贛南臍橙園土壤團聚體及其有機碳分布的影響,從而為贛南丘陵山地臍橙園以餅肥為主要原料的有機肥灌溉施肥技術(shù)模式構(gòu)建提供理論依據(jù),為南方丘陵山地果園有機肥替代化肥的實施提供輕簡高效的施肥技術(shù)方案。
本試驗于2019年3月至2020年11月在贛南師范大學(xué)國家臍橙工程技術(shù)研究中心校內(nèi)基地進行,基地位于114.8°E,25.8°N。試驗土壤屬第四紀紅壤,其基礎(chǔ)理化性質(zhì):pH 4.5,土壤有機質(zhì)6.94 g/kg,堿解氮46.43 mg/kg,有效磷5.63 mg/kg,速效鉀159.67 mg/kg。試驗材料為長勢基本一致的枳殼砧紐荷爾臍橙幼齡果樹。
1.2.1 植物源有機液肥制備
植物源有機液肥以當?shù)卣ビ头毁彽玫牟俗扬炂蔀樵?,原料的基礎(chǔ)理化性質(zhì):pH 5.21,有機質(zhì)79.44%,全氮42.92 g/kg,全磷9.03 g/kg,全鉀7.94 g/kg。將原料置于塑料容器桶內(nèi)加水浸泡,固∶水為1∶10(w∶v),經(jīng)發(fā)酵一段時間后生成的漚腐液液相部分作為有機液肥原液,其理化性質(zhì)見表1。其中2019年使用有機液肥在自然條件下發(fā)酵制得,2020年所使用有機液肥在2019年有機液肥制備方法的基礎(chǔ)上加入餅粕降解菌發(fā)酵制得[24]。
表1 供試植物源有機液肥基本理化性質(zhì)
1.2.2 處理的設(shè)置
試驗設(shè)4個處理,分別為:CK,不施肥;T1,單施化肥溶液;T2,單施植物源有機液肥;T3,50%化肥N+50%有機液肥N的混合液。采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,每個處理6次重復(fù),相鄰小區(qū)間用水泥磚隔開,小區(qū)面積1.0 m×1.0 m,每個小區(qū)定植長勢基本一致的1年生枳殼砧紐荷爾臍橙幼苗1株,嫁接時間為2018年8月,2019年3月12日定植,隨機區(qū)組排列。2019和2020年每株幼樹試驗期間施氮量分別為50和100 g;有機液肥和化肥水溶液均以灌溉方式施用,兩年施肥時間均為4~10月,每10~15 d灌溉施肥1次,每次每株澆施液肥6 L,對照澆施等量去離子水。具體施肥量見表2。其中,氮肥為尿素(N 46%)和磷酸二氫銨(N 12%、P2O561%),磷肥為磷酸二氫銨(N 12%、P2O561%),鉀肥為硫酸鉀(K2O 52%)。
2020年11月1日,每處理選取3個小區(qū)進行土樣采集。在各處理小區(qū)內(nèi)距離幼齡樹主干20 cm處隨機選取3個點,挖取長寬高分別約20 cm的土壤剖面,采集0~15 cm土層原狀土樣。置于鋁質(zhì)盒中,以保持原狀土壤結(jié)構(gòu)。在室內(nèi)將采集的原狀土樣攤開,當土壤含水量達塑性極限時,沿土壤自然裂隙輕輕掰成10 mm左右的小土團,混合均勻后,采用四分法采集混合樣,剔除根系、石頭等雜物,在陰涼處風干備用。待土壤樣品完全風干后,分別采用薩維諾夫干篩法和濕篩法測定>2、1~2、0.5~1、0.25~0.5、0.053~0.25和<0.053 mm各粒級土壤機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量。采用重鉻酸鉀外加熱法測定原土和各粒級團聚體有機碳含量[25]。
表2 不同處理中NPK的來源與構(gòu)成 (g/株)
各級團聚體的質(zhì)量百分含量(%)=該級團聚體質(zhì)量/土壤樣品總質(zhì)量×100
團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)依據(jù)公式(1)和(2)計算:
式中,Xi為任一級別的平均土壤團聚體直徑,數(shù)值上等于相鄰兩級篩孔的平均值,>2 mm團聚體直徑上限為2.5 mm;Wi為對應(yīng)于Xi的團聚體百分比。
土壤團聚體穩(wěn)定率(AR)依據(jù)公式(3)計算:
式中,DR0.25為>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量(%),WR0.25為>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體含量(%)。
質(zhì)量分形維數(shù)(D)依據(jù)楊培嶺等[26]推導(dǎo)的公式(4)計算:
式中,Xi為任一級別的平均土壤團聚體直徑,數(shù)值上等于相鄰兩級篩孔的平均值,>2 mm團聚體直徑上限為2.5 mm;Xmax為最大粒級的平均粒徑,mm;M(r<Xi)為 粒 徑 小 于Xi團 聚 體 的 重 量,M為團聚體總重量。以lg(Xi/Xmax)為橫坐標,lg[M(r<Xi)/M]為縱坐標,最小二乘法直線擬合,計算其斜率,最后由斜率推算得到質(zhì)量分形維數(shù)D。
采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理、繪制圖表,采用SPSS 23.0進行單因素方差分析和相關(guān)性分析(大小采用Pearson指數(shù)),差異顯著性分析采用Duncan新復(fù)極差方法,顯著性水平為0.05。
2.1.1 機械穩(wěn)定性團聚體組成
通過干篩法獲得不同施肥處理下土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成(表 3)。各處理>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體平均含量(DR0.25)為76.32%~86.68%。各處理均以<0.053 mm團聚體含量最低。各處理對>2 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量(DR2)的影響:T1、T2、T3處理較CK處理分別顯著提高了58.65%、115.95%、72.78%,T2、T3處理較T1處理分別提高了36.12%、8.90%。表3結(jié)果表明,各處理對DR0.25的影響:T2、T3處理較CK處理分別顯著提高了8.98%、7.34%,較T1處理分別顯著提高了13.57%、11.87%;T1處理較CK處理顯著降低了4.05%。
表3 有機液肥施用對土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成的影響 (%)
2.1.2 土壤水穩(wěn)定團聚體組成
由表4可知,各處理>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體平均含量(WR0.25)為64.55%~77.32%。各處理均以0.25~2 mm團聚體含量最高,<0.053 mm團聚體含量最低。除CK處理外,各處理土壤水穩(wěn)性團聚體含量由多到少依次為0.25~2、>2、0.053~0.25、<0.053 mm。CK處 理 土 壤水穩(wěn)性團聚體含量由多到少依次為0.25~2、0.053~0.25、>2、<0.053 mm。T1、T2、T3處 理WR0.25較CK處理分別顯著提高了13.38%、19.78%、18.26%。T2、T3處理WR0.25較T1處理分別提高了5.64%、4.30%。與CK處理相比,T1、T2、T3處理>2 mm水穩(wěn)定性團聚體含量分別顯著提高了90.56%、143.79%、55.55%。
表4 有機液肥施用對土壤水穩(wěn)定性團聚體組成的影響 (%)
2.2.1 土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑
由表5可知,各處理土壤機械穩(wěn)定性團聚體MWD和GMD的 大 小 順 序 均 為:T2>T3>T1>CK。T1、T2、T3處理機械穩(wěn)定性團聚體MWD較CK處理分別提高了13.04%、36.96%、30.43%。T2、T3處理機械穩(wěn)定性團聚體MWD較T1處理分別顯著提高了21.15%、15.38%。T1、T2、T3處理機械穩(wěn)定性團聚體GMD較CK處理分別提高了4.84%、40.32%、35.48%。T2、T3處理機械穩(wěn)定性團聚體GMD較T1處理分別顯著提高了33.85%、29.23%。
表5 有機液肥灌溉施用對土壤機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD的影響 (mm)
各處理土壤水穩(wěn)性團聚體MWD表現(xiàn)為:T2>T1>T3>CK。T1、T2、T3較CK處理分別顯著提高24.47%、38.30%、22.34%。各處理土壤水穩(wěn)性 團 聚 體GMD表 現(xiàn) 為:T2>T3>T1>CK。T1、T2、T3較CK處理分別顯著提高27.59%、46.55%、32.76%。T2、T3較T1處 理 分 別 提 高14.86%、4.05%。
DR0.25、WR0.25和MWD、GMD進行相關(guān)性分析(表6),發(fā)現(xiàn)DR0.25、WR0.25與MWD和GMD均呈線 性 正 相 關(guān)(y=ax-b,R2>0.45),且DR0.25與 機械穩(wěn)定性團聚體MWD、機械穩(wěn)定性團聚體GMD呈極顯著線性正相關(guān),WR0.25與機械穩(wěn)定性團聚體MWD、水穩(wěn)定性團聚體MWD、機械穩(wěn)定性團聚體GMD、水穩(wěn)定性團聚體GMD均呈極顯著線性相關(guān)。說明隨著DR0.25、WR0.25含量的增加,機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體MWD、GMD也相應(yīng)增加。
表6 機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性大團聚體含量與MWD和GMD的相關(guān)系數(shù)
2.2.2 土壤團聚體穩(wěn)定率和分形維數(shù)
由表7可知,與CK處理相比,T1、T2、T3處理均顯著提高了土壤團聚體穩(wěn)定率(AR),增幅分別為13.07%、9.77%、10.07%,但其相互之間無顯著差異。
通過分析DR0.25、WR0.25與AR之間的關(guān)系可知(表8),DR0.25同AR呈弱負相關(guān),而WR0.25同AR之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。說明有機液肥灌溉施用主要通過提高 >0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量來提高土壤團聚體穩(wěn)定性。
各處理的機械穩(wěn)定性團聚體分形維數(shù)范圍為2.09~2.29,CK與T1處理機械穩(wěn)定性團聚體分形維數(shù)無顯著差異,T2、T3處理機械穩(wěn)定性團聚體分形維數(shù)均低于CK與T1處理,其中T2與CK、T1差異顯著。各處理水穩(wěn)定性團聚體分形維數(shù)范圍為2.25~2.31,各處理間差異不顯著。
通過分析DR0.25、WR0.25與分形維數(shù)之間的關(guān)系(表8)可知,兩者與各自的分形維數(shù)間均呈線性負相關(guān),說明隨著>0.25 mm機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量增加,分形維數(shù)降低,進而降低土壤粘重程度,改善土壤質(zhì)地。
表7 有機液肥施用對土壤團聚體穩(wěn)定率和分形維數(shù)的影響
表8 機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性大團聚體含量與土壤團聚體穩(wěn)定率和分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)
2.3.1 土壤總有機碳含量
由表9可知,T1、T2、T3均能提高土壤有機碳含量,且T2、T3效果優(yōu)于T1。與CK相比,T1、T2、T3處理土壤有機碳含量分別提高了1.76%、22.74%、24.37%。
2.3.2 土壤水穩(wěn)定性團聚體有機碳含量
有機碳在不同粒徑水穩(wěn)性團聚體中的含量與分布情況見表9。結(jié)果表明,各處理>2、0.25~2、0.053~0.25、<0.053 mm粒級團聚體中有機碳的含量分別為8.10~11.44、6.64~9.55、4.31~6.60、8.36~13.86 g/kg。各 處 理 水 穩(wěn) 性團聚體有機碳含量隨著粒徑的減小呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。同一處理不同粒徑水穩(wěn)性團聚體中有機碳含量由高到低依次為 <0.053、>2、0.25~2、0.053~0.25 mm。除T3處 理 外,各 處 理>2 mm土壤團聚體有機碳含量高于CK,<0.053 mm土壤團聚體有機碳含量低于CK。與T1處理相比,T2和T3處理增加了各粒級土壤團聚體有機碳含量,增幅分別達到39.00%和10.09%、43.83%和28.61%、53.13%和32.71%、39.95%和30.38%,除>2 mm外,其它粒級土壤團聚體有機碳含量均達到顯著差異??偟膩碚f,有機液肥灌溉施用明顯提高了大團聚體的有機碳含量。
表9 不同處理土壤團聚體有機碳含量 (g/kg)
由表10可知,土壤團聚體MWD和GMD與>2、0.25~2 mm粒級團聚體有機碳含量之間呈正相關(guān),且與>2 mm粒級團聚體有機碳含量呈極顯著或顯著正相關(guān),與<0.25 mm粒級團聚體呈負相關(guān),說明團聚體穩(wěn)定性受大團聚體有機碳含量影響大,其含量越高,土壤團聚體穩(wěn)定性越強,土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。AR與>0.25 mm粒級團聚體有機碳含量呈正相關(guān),與0.053~0.25、<0.053 mm粒級有機碳含量呈顯著、極顯著負相關(guān),說明微團聚體有機碳含量的增加可顯著降低團聚體的穩(wěn)定程度,同時還可降低團聚體的穩(wěn)定性。
表10 不同粒級土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量與團聚體穩(wěn)定性之間的相關(guān)系數(shù)
大量試驗結(jié)果表明,施用有機肥可對土壤團聚體及其穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響[22-23,27]。本研究發(fā)現(xiàn),與單施化肥(T1)相比,臍橙園單施有機液肥(T2)和有機無機肥配施(T3)處理均顯著提高了土壤>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量,其增幅分別達到13.57%和11.87%;同時以上處理也提高了土壤>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體含量,增幅分別達到5.64%和4.30%,但差異不顯著。這可能是由于有機液肥灌溉施用既減少了人為對果園土壤擾動的頻率和強度,又增加了有機質(zhì)的輸入,促進了植物根系、土壤動物、微生物活動,使它們的代謝產(chǎn)物增多,土壤中有機膠結(jié)物質(zhì)增加,從而促進了大團聚體的形成。此結(jié)果與胡林等[28]、徐永昊等[29]研究結(jié)果基本一致。
土壤團聚體越穩(wěn)定,土壤結(jié)構(gòu)越良好,可更好地給作物提供養(yǎng)分、水分和空氣的運輸通道[17]。團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團聚體穩(wěn)定率、分形維數(shù)等通常被用來作為評價團聚體穩(wěn)定性的指標,可較好地反映團聚體大小分布狀況和土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[30-31]。本研究發(fā)現(xiàn),T2、T3處理機械穩(wěn)定性團聚體MWD較T1處理分別顯著提高了21.15%、15.38%,機械穩(wěn)定性團聚體GMD較T1處理分別顯著提高了33.85%、29.23%,而T1、T2、T3處理間水穩(wěn)定性團聚體MWD和GMD均無顯著差異。這說明有機液肥灌溉施用顯著提高了果園土壤結(jié)構(gòu)機械穩(wěn)定性,單施有機液肥效果較好,而對土壤結(jié)構(gòu)水穩(wěn)定性影響不大,這與鄭學(xué)博等[17]的研究結(jié)果基本一致。本研究中,MWD、GMD與>0.25 mm團聚體含量均呈線性正相關(guān)(表 5),表明>0.25 mm團聚體含量越高,MWD、GMD越大,團聚體穩(wěn)定性越強,土壤抗蝕能力越強,此結(jié)論與李建華等[22]的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn),分形維數(shù)與>0.25 mm團聚體含量呈線性負相關(guān)(表 7)。單施有機液肥和有機無機配施分形維數(shù)低于不施肥、單施化肥處理,可能是有機液肥灌溉的施用顯著增加了土壤有機質(zhì)含量,提高了土壤有機膠結(jié)物質(zhì),同時使土壤微生物增加,菌絲體增多,促進了土壤團聚作用[32],進而使土壤大團聚體含量增加所致。
已有大量研究報道固體有機肥施用后能增加土壤有機碳含量[6-7,33]。然而,液態(tài)動、植物源有機肥的施用對土壤有機碳含量的影響結(jié)果卻不一致,有提高[14]、降低[15]的結(jié)果,也有不變的結(jié)果[16]。農(nóng)家有機肥通過發(fā)酵或浸泡等方式處理后制備成液態(tài)形式[13],從而使得有機肥中營養(yǎng)元素的有效性與化肥肥料相當;與固體有機肥相比,液體有機肥的有機質(zhì)含量相對較低[34],但長期施用或施用量較大的情況下也能顯著提高土壤有機質(zhì)含量[35-36]。本研究發(fā)現(xiàn),通過兩年的有機液肥灌溉施用定位試驗,與單施化肥處理相比,單施有機液肥和有機無機配施均顯著提高了土壤總有機碳含量,增幅分別達到20.62%和22.22%。與Maillard等[11]、Matsi等[37]的 研 究 結(jié) 果 基 本一致。
Oades等[38]認為大團聚體是較低層次的團聚體加上有機物等膠結(jié)劑形成的,所以土壤有機碳含量會隨著團聚體粒徑的增大而增加。本研究CK處理中有機碳主要分布在<0.053 mm微團聚體上,大團聚體含量較低,說明微團聚體比大團聚體形成的早,穩(wěn)定性高于大團聚體,驗證了微團聚體通過膠結(jié)作用形成大團聚體的層次性機制。本研究還發(fā)現(xiàn)各處理水穩(wěn)性團聚體有機碳含量隨著粒徑的減小呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。同一處理不同粒徑水穩(wěn)性團聚體中有機碳含量由高到低的順序為<0.053、>2、0.25~2、0.053~0.25 mm。這與王義祥等[39]研究所得團聚體內(nèi)有機碳含量表現(xiàn)為隨著粒徑增大而增加的趨勢不一致,其原因可能與土壤類型有關(guān)。與T1處理相比,T2、T3處理分別顯著增加了各粒級土壤團聚體有機碳含量,增幅分別達到10.09%~39.00%、28.61%~43.83%、32.71%~53.13%、30.38%~39.95%。此結(jié)論與陳曉芬等[40]、劉振東等[41]的研究結(jié)果一致。
不同團聚體具有特定的孔隙特征以及不同粒級團聚體碳源數(shù)量與質(zhì)量的差異,影響有機質(zhì)的持久性及有機質(zhì)的親水性和疏水性物質(zhì)的比例,進而影響團聚體的穩(wěn)定性[42-44]。相關(guān)性分析結(jié)果表明,團聚體MWD、GMD及穩(wěn)定率與>2、0.25~2 mm團聚體有機碳含量均呈現(xiàn)線性正相關(guān),其中團聚體MWD和GMD與>2 mm團聚體有機碳含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān),其含量越高,土壤團聚體穩(wěn)定性越強,土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。有機液肥施用對果園土壤團聚體有機碳的影響是導(dǎo)致團聚體形成及其穩(wěn)定性變化的重要原因。但有關(guān)果園土壤團聚體質(zhì)量和數(shù)量、穩(wěn)定性變化與團聚體有機碳含量、分布及微生物多樣性之間的相互關(guān)系還有待進一步探討。
不管是單施有機液肥或有機無機液肥配施,均在一定程度上提高了>0.25 mm土壤機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體含量。有機液肥施用對贛南臍橙園土壤團聚體及其穩(wěn)定會產(chǎn)生積極影響,不僅能夠減少人為土壤干擾,還能促進大團聚體形成,提高土壤團聚體MWD、GMD和穩(wěn)定率,降低土壤團聚體分形維數(shù),改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;同時,也優(yōu)化了土壤團聚體有機碳含量與分布,較大幅度提高了土壤總有機碳和大團聚體(>0.25 mm)有機碳含量。