長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)黑土根際土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)組分的影響

陳 磊，郝小雨，馬星竹，周寶庫(kù)，魏 丹，周 磊，劉榮樂(lè)，汪 洪

1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3.北京農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京 100097 4.黑龍江省科學(xué)院微生物研究所，黑龍江 哈爾濱 150001 5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191

引 言

土壤有機(jī)碳是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)因子，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，其組分和結(jié)構(gòu)變化直接影響土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分固持和有效性，有機(jī)碳在溫室氣體濃度、土壤肥力及其生態(tài)功能等方面起著重要作用[1-2]。東北地區(qū)是我國(guó)重要的黑土區(qū)，近十幾年來(lái)，東北農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量已發(fā)生巨大變化，這主要與農(nóng)戶大量施用化肥(或有機(jī)肥)有關(guān)[3]。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析表明黑土地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量維持在18.0～41.2 g·kg-1[4]，與黑土開(kāi)墾前的有機(jī)質(zhì)平均含量(150.57 g·kg-1)和開(kāi)墾100年后有機(jī)質(zhì)含量(50.23 g·kg-1)相比[5]，均大幅下降。在保障國(guó)家糧食安全、東北耕地質(zhì)量和減緩溫室氣體排放等方面的重大需求下，研究東北黑土旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化、土壤固碳現(xiàn)狀及固碳潛力具有迫切性與必要性。

據(jù)估計(jì)，植物固定CO2形成光合產(chǎn)物持續(xù)向地下轉(zhuǎn)運(yùn)，其中根際沉積碳約占植物向根部輸入碳的27%，約占凈光合作用固定碳的11%[6]，在作物根際微域因沉積碳和根系脫落物引起微生物大量繁殖，是非根際土壤微生物數(shù)量的19～32倍[7]，可以提高有機(jī)質(zhì)分解速率300%～500%或者降低10%～30%[7-8]，作物根際有機(jī)碳的變化對(duì)土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響十分關(guān)鍵。最新的核磁共振技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)研究，常用的是1H-NMR、液態(tài)13C-NMR和固態(tài)13C-NMR，其中固態(tài)13C-NMR因土壤樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單，不破壞土壤有機(jī)質(zhì)原有結(jié)構(gòu)，根據(jù)核磁共振波譜和半定量分析可比較全面的判斷土壤有機(jī)碳的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)[9]。目前，土壤長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)主要用于土壤物理、化學(xué)性質(zhì)、養(yǎng)分供應(yīng)狀況等方面研究，較少有人采用核磁共振技術(shù)研究長(zhǎng)期不同施肥處理下作物根際土壤有機(jī)碳的變化。

以東北平原黑土肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以輪作體系下大豆為研究對(duì)象，分析長(zhǎng)期不同化肥和有機(jī)肥施用下根際土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳以及有機(jī)碳組分結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，探討不同施肥和根際土壤對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制的影響，研究結(jié)果對(duì)于評(píng)價(jià)不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳固存、耕地質(zhì)量的影響具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)區(qū)始建于1979年，位于哈爾濱市道外區(qū)民主鎮(zhèn)黑龍江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)(東經(jīng)126°51′，北緯45°50′)。該區(qū)域地勢(shì)平坦，海拔151 m，屬松花江二級(jí)階地，成土母質(zhì)為洪積黃土狀粘土，黑土層厚度為50 cm。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年均氣溫3.5 ℃，晝夜溫差較大，年均無(wú)霜期135 d，年均降雨量533 mm。1979年定位試驗(yàn)種植小麥，采用小麥-大豆-玉米輪作制，每年一季，設(shè)置24個(gè)施肥處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，無(wú)灌溉設(shè)施。初始耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量15.5 g·kg-1，全氮含量1.47 g·kg-1，全磷含量1.07 g·kg-1，全鉀含量25.16 g·kg-1，有效氮含量151 mg·kg-1，速效磷含量51 mg·kg-1，速效鉀含量200 mg·kg-1，pH值7.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇2017年10月收獲后長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中不施肥(CK)、常量氮磷鉀(NPK)、常量有機(jī)肥+常量氮磷鉀(MNPK)、常量有機(jī)肥(M)等4個(gè)處理。所施用化肥為尿素(N 46%)、重過(guò)磷酸鈣(P2O546%)、磷酸二銨(N 18%、P2O546%)和硫酸鉀(K2O 50%)，化肥均為秋收后施用。有機(jī)肥為發(fā)酵后純馬糞，每次施用前測(cè)定養(yǎng)分和含水率，常量施用水平按氮量75 kg N·hm-2，每輪作周期玉米季收獲后秋施。常量氮磷鉀肥料水平，在輪作周期的小麥季和玉米季為N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2，大豆季為N 75 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在2015年秋季玉米收獲后施用純馬糞，2016年和2017年分別種植作物小麥和大豆，選擇2017年夏季大豆開(kāi)花結(jié)莢期進(jìn)行田間的根際和非根際土壤樣品取樣，此時(shí)大豆處于生殖生長(zhǎng)期，根際效應(yīng)最為強(qiáng)烈。在各處理小區(qū)隨機(jī)選10株植株，收獲地上部，挖取整個(gè)根系帶回實(shí)驗(yàn)室后，輕柔土壤將松散土壤抖掉去除，采用毛刷收集附著在根系表面的土壤為根際土壤，對(duì)應(yīng)選取行間土壤為非根際土壤。過(guò)2 mm篩混勻樣品，用鑷子去除根系、植物殘?bào)w以及其他雜質(zhì)，土壤樣品裝入聚乙烯塑料袋中。土樣自然風(fēng)干用于土壤基礎(chǔ)理化性狀、有機(jī)碳結(jié)構(gòu)測(cè)定。

(1)土壤有機(jī)碳測(cè)定，采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

(2)不同活性有機(jī)碳測(cè)定

不同活性有機(jī)碳測(cè)定采用高錳酸鉀溶液氧化-比色法。33 mmol·L-1KMnO4測(cè)定值為高活性有機(jī)碳含量，33和167 mmol·L-1測(cè)定值的差值為中活性有機(jī)碳含量，167和333 mmol·L-1測(cè)定值的差值為低活性有機(jī)碳，低、中、高活性碳比例是指分別占根際(非根際)土壤總有機(jī)碳的比例。

(3)核磁共振測(cè)定土壤碳結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)土壤樣品使用Bruker Avance 400固體核磁共振儀器。應(yīng)用13C CP/TOSS技術(shù)來(lái)辨別有機(jī)質(zhì)特定的官能團(tuán)。本試驗(yàn)采用4 mm雙共振魔角旋轉(zhuǎn)(MAS)探頭，13C-NMR的頻率為100 MHz。應(yīng)用13C CP/TOSS試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為5 kHz，選好延遲0.8 s，1H 90°脈寬4 μs，交叉極化接觸時(shí)間為1 ms。在檢測(cè)之前，應(yīng)用四脈沖總旋轉(zhuǎn)邊帶抑制和雙脈沖相位調(diào)制解耦優(yōu)化分辨率。本研究中所有NMR圖譜中每一官能團(tuán)在全譜中所占比例均通過(guò)積分獲取，其中甲氧基積分后所占比例需再除以0.65，用以校正因偶極去相時(shí)所引起信號(hào)的損失。波譜被分為7個(gè)化學(xué)位移區(qū)域[10-11](見(jiàn)表1)，烷基碳(δ=0～45)/烷氧基碳(δ=45～110)和芳香碳(δ=110～160)/總碳(δ=0～160)比值，可以表征土壤有機(jī)質(zhì)的分解程度和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量[12-13]，脂肪碳/芳香碳和疏水性碳/親水性碳分別表示土壤有機(jī)碳的脂化度及疏水性，其中脂肪碳/芳香碳=[烷基碳(δ=0～45)+甲氧基碳(δ=45～60)+碳水化合物類碳(δ=60～94)+雙氧烷基碳(δ=94～110)]/[芳香碳(δ=110～142)+酚芳基碳(δ=142～160)]，疏水性碳/親水性碳=[烷基碳(δ=0～45)+芳香碳(δ=110～142)+酚芳基碳(δ=142～160)]/[甲氧基碳(δ=45～60)+碳水化合物類碳(δ=60～94)+雙氧烷基碳(δ=94～110)+羰基碳(δ=160～220)][14]。

表1 13C NMR CP/TOSS分析波譜中化學(xué)位移及其對(duì)應(yīng)成分

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析采用WPS 2016軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，采用SPSS 19軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA)，不同處理之間數(shù)據(jù)多重比較采用Duncan新復(fù)極差法檢驗(yàn)(p<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)碳

圖1顯示，施肥(M，NPK和MNPK)處理大豆季根際土壤有機(jī)碳含量顯著高于不施肥處理，且施肥處理間根際土壤有機(jī)碳含量差異不明顯，大小為MNPK>NPK>M。在非根際土壤中，不同施肥處理有機(jī)碳含量變化規(guī)律與根際土壤一致，以CK處理有機(jī)碳含量最低(14.75 g·kg-1)，施肥處理顯著增加了非根際土壤有機(jī)碳含量。

所有處理中根際土壤有機(jī)碳含量均高于非根際，CK和M處理的根際土壤有機(jī)碳比非根際分別高1.2和1.1 g·kg-1，均未達(dá)到顯著水平，而NPK和MNPK處理均達(dá)到顯著水平，MNPK處理的根際效應(yīng)最顯著，比非根際增加了14.9%。

圖1 黑土長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)根際和非根際土壤有機(jī)碳影響

2.2 不同活性有機(jī)碳

從表2可知，在根際土壤中不同處理的低活性有機(jī)碳含量為MNPK>NPK>CK>M，但處理間差異不明顯。施肥處理顯著影響非根際土壤低活性有機(jī)碳含量，大小為MNPK>CK>NPK>M，其中MNPK處理的非根際土壤低活性有機(jī)碳含量顯著大于M處理。MNPK和M處理的根際土壤低活性有機(jī)碳高于非根際土壤，而CK和NPK處理根際土壤低活性有機(jī)碳含量低于非根際，但均未達(dá)到顯著水平(表2)。

不同施肥處理對(duì)大豆季土壤中、高活性有機(jī)碳含量影響不明顯，均未達(dá)到顯著水平。所有施肥處理的根際土壤中活性有機(jī)碳含量均高于非根際，而根際土壤高活性有機(jī)碳含量均低于非根際，其中M，NPK和MNPK處理達(dá)到顯著水平。

從表3可知，土壤活性有機(jī)碳僅占總有機(jī)碳含量的42.9%～57.7%，在活性有機(jī)碳中又以低活性有機(jī)碳為主，占有機(jī)碳比例為18.9%～30.3%，其次是中活性有機(jī)碳(16.9%～29.8%)，最低是高活性有機(jī)碳(2.67%～3.91%)。根際土壤低活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比值在不同施肥間差異不明顯。在非根際土壤中，CK處理的非根際土壤低活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比值最高，與M和NPK處理相比均達(dá)到顯著水平。施肥處理均表現(xiàn)為根際土壤低活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比值低于非根際的趨勢(shì)。

表2 黑土長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)根際和非根際土壤活性有機(jī)碳影響

表3 黑土長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)根際和非根際土壤活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳含量比值影響

CK處理的根際土壤中活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比值最高。與CK處理相比，M處理顯著降低根際土壤中活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比值。在非根際土壤中，CK處理的中活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比值也最高，均顯著高于M，NPK和MNPK處理。無(wú)論在根際還是非根際土壤中，施肥處理(M，NPK和MNPK)間中活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比值差異不顯著(表3)。

在根際土壤中，與CK處理相比，其他處理均顯著降低高活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳含量比值，M，NPK和MNPK處理間差異不明顯。非根際土壤中，CK處理的高活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳含量比值顯著高于M和NPK處理，施肥(M，NPK和MNPK)處理間差異不顯著。所有處理中根際高活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳含量比值均顯著低于非根際(表3)。

2.3 核磁共振測(cè)定土壤碳結(jié)構(gòu)

在根際土壤中，不同施肥處理能夠明顯影響土壤有機(jī)碳不同官能團(tuán)相對(duì)含量，與CK處理相比，施肥處理增加烷基碳、烷基碳/烷氧基碳和疏水性碳/親水性碳比值，施肥處理的烷基碳相對(duì)含量大小為NPK>MNPK>M，烷基碳/烷氧基碳比值為NPK>M>MNPK，疏水性碳/親水性碳比值為NPK>M>MNPK。與CK處理相比，M處理降低烷氧基碳、芳香基碳和羰基碳。與NPK處理相比，增加有機(jī)肥后MNPK處理升高甲氧基碳、碳水化合物類碳和脂肪碳/芳香碳比值，降低烷基碳、芳香基碳、烷基碳/烷氧基碳、芳香碳/總碳和疏水性碳/親水性碳比值(表4)。

圖2 不同處理的土壤有機(jī)碳化學(xué)組成的NMR譜圖

表4 不同施肥下根際與非根際土壤不同官能團(tuán)相對(duì)含量

非根際土壤中，MNPK處理相比于CK處理增加了烷基碳、烷氧基碳、烷基碳/烷氧基碳比值和脂肪碳/芳香碳比值相對(duì)含量。與CK處理相比，M處理升高芳香基碳、O-芳香基碳、芳香碳/總碳和疏水性碳/親水性碳比值。與NPK處理相比，MNPK處理的烷基碳、甲氧基碳、碳水化物類碳、雙氧烷基碳、烷基碳/烷氧基碳、脂肪碳/芳香碳比值增加，其他官能團(tuán)降低或者持平。

不同施肥處理的根際與非根際土壤13C-NMR圖譜中吸收峰相似，只是吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度存在明顯差異，表明不同施肥處理未能改變根際與非根際土壤中有機(jī)碳的碳骨架，僅是改變了有機(jī)碳中官能團(tuán)的數(shù)量。與CK處理的非根際土壤相比，根際土壤增加甲氧基碳、碳水化物類碳、雙氧烷基碳、羰基碳、脂肪碳/芳香碳比值，而降低其他官能團(tuán)相對(duì)含量及烷基碳/烷氧基碳、芳香碳/總碳和疏水性碳/親水性碳比值。與根際土壤中CK處理相比，單純施用M和NPK處理能夠增加根際土壤有機(jī)碳中烷基碳相對(duì)含量，NPK處理降低羰基碳及增加烷基碳/烷氧基碳比值，M處理降低根際土壤羰基碳；而MNPK處理調(diào)節(jié)根際土壤有機(jī)碳中甲氧基碳和雙氧烷基碳，導(dǎo)致其相對(duì)含量降低。

由于植物向根系轉(zhuǎn)運(yùn)的沉積碳和根系脫落物在根際微域的持續(xù)輸入，導(dǎo)致根際微生物大量繁殖，土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化快，與非根際土壤存在明顯差異。有研究顯示，土壤碳素的內(nèi)循環(huán)主要發(fā)生在植物根際微域中，在土壤、微生物和動(dòng)植物體內(nèi)不斷快速遷移和轉(zhuǎn)化。本研究發(fā)現(xiàn)，不論是否施肥，大豆季根際土壤有機(jī)碳含量均高于非根際土壤，長(zhǎng)期施肥處理能夠顯著增加外源碳輸入量，增加根際與非根際土壤中總有機(jī)碳和低活性有機(jī)碳的累積，其中以NPK配施有機(jī)肥處理提升效果最好。13C-核磁共振結(jié)果表明，相比于CK處理，NPK配施有機(jī)肥處理明顯增加根際土壤烷基碳(δ=0～45)、烷氧基碳(δ=45～110)比例以及烷基碳/烷氧基碳比值，降低芳香基碳(δ=110～160)和芳香碳/總碳比值，在非根際土壤中尤其顯著。研究證明烷氧基碳(δ=45～110)升高能夠改善土壤物理結(jié)構(gòu)、腐殖酸合成以及生物活性，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成和增加土壤顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[15]，烷氧基碳的轉(zhuǎn)化效率與土壤粘粒含量呈正相關(guān)[16]，粘粒又促進(jìn)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，降低微生物對(duì)團(tuán)聚體中碳素的降解，同時(shí)，烷基碳比例、烷基碳/烷氧基碳比值可以用來(lái)顯示有機(jī)碳的分解程度以及穩(wěn)定性，烷基碳比例和烷基碳/烷氧基碳比值越大，表明有機(jī)質(zhì)分解越徹底且有機(jī)碳越穩(wěn)定[12-13]，有機(jī)無(wú)機(jī)配施通過(guò)改變土壤有機(jī)碳組分比例和結(jié)構(gòu)起到固碳的作用。與CK處理相比，單施化肥(NPK)處理無(wú)論在根際和非根際土壤均增加芳香基碳(δ=110～160)比例和芳香碳/總碳比值，而烷基碳(δ=0～45)比例、烷氧基碳(δ=45～110)和烷基碳/烷氧基碳比值在根際和非根際土壤存在差異，在根際土壤烷基碳(δ=0～45)比例和烷基碳/烷氧基碳比值增加，烷氧基碳(δ=45～110)比例降低，非根際土壤中結(jié)果相反。表明NPK處理能夠增加根際有機(jī)碳難降解組分烷基碳(δ=0～45)和芳香基碳(δ=110～160)的比例，降低根際土壤的團(tuán)聚化，增加根際土壤微生物對(duì)有機(jī)碳的降解。

3 結(jié) 論

NPK配施有機(jī)肥能夠顯著提升根際有機(jī)碳含量，增加有機(jī)碳中烷基碳、烷氧基碳比例以及烷基碳/烷氧基碳比值，增加了土粒的團(tuán)聚化，提高了有機(jī)碳的穩(wěn)定性，而單施化肥處理增加芳香基碳比例和芳香碳/總碳比值，降低根際烷氧基碳比例，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，同時(shí)證明固態(tài)13C-核磁共振技術(shù)結(jié)合半定量分析可以比較全面地分析土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)組分的波譜特征。