林洪羽, 周明華, 張博文, 李子陽, 朱 波

生物炭及秸稈長期施用對紫色土坡耕地土壤團聚體有機碳的影響*

林洪羽1,2, 周明華1 **, 張博文1,2, 李子陽1,2, 朱 波1

(1. 中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所 成都 610041; 2. 中國科學院大學 北京 100049)

依托紫色土坡耕地長期施肥試驗觀測平臺, 研究生物炭、秸稈對紫色土坡耕地團聚體有機碳分布的影響。長期施肥試驗處理包括不施肥(CK)、無機氮磷鉀肥(NPK)、秸稈還田(RSD)、生物炭與無機氮磷鉀配施(BCNPK)、秸稈與無機氮磷鉀配施(RSDNPK)。利用濕篩法, 進行土壤團聚體粒徑分組, 隨后測定各粒徑團聚體含量及其有機碳含量, 并計算團聚體平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)。結果表明, RSD、RSDNPK和BCNPK處理的表層SOC含量比CK處理增加43.1%~90.5%, SOC儲量提高65.1%~74.3%, 其中RSDNPK處理、BCNPK處理較NPK處理SOC顯著增加25.2%~33.1%(<0.05), SOC儲量顯著提高23.2%~30.0% (<0.05)。團聚體MWD和GMD均為RSD處理>RSDNPK處理>BCNPK處理>NPK處理>CK處理; RSD處理0.25~2 mm的團聚體含量高達45.5%, 較CK處理提高57.7%; 秸稈和生物炭配施處理(RSDNPK處理和BCNPK處理)0.25~2 mm的團聚體含量為41.3%~45.7%, 而<0.053 mm粒徑團聚體含量卻降低54.1%~55.4%。NPK處理、RSD處理與CK處理的增長趨勢相似, 呈隨團聚體粒徑減小, 團聚體有機碳含量先增大后減小, 繼而再增大的趨勢; 而RSDNPK、BCNPK處理則呈隨粒徑減小團聚體有機碳含量增加的趨勢。生物炭和秸稈的施用能顯著提升土壤有機碳含量, 增強土壤結構穩(wěn)定性, 但生物碳的施用對提升土壤有機碳含量效果優(yōu)于秸稈的施用, 秸稈的施用對穩(wěn)定土壤結構效果更優(yōu), 因此生物炭和秸稈的施用可作為紫色土耕地土壤肥力維持和提升的有效管理措施。

土壤團聚體; 生物炭; 秸稈; 土壤有機碳; 紫色土

農田土壤有機碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)最為重要的碳庫之一, 對維持土壤肥力、保障農田生產力有重要作用[1]。紫色土坡耕地是長江上游山地丘陵區(qū)最主要的耕地資源, 占其耕地總面積的78%, 但由于山地丘陵地區(qū)人多地少, 耕作活動強烈, 導致紫色土坡耕地土壤質量嚴重退化, 土壤有機碳損失量大, 土壤有機碳庫減小。因此, 增加紫色土坡耕地土壤有機碳庫、增強土壤有機碳穩(wěn)定性對防治土壤退化、提升紫色土耕地土壤肥力和保障區(qū)域糧食安全具有重要意義。

不同粒級土壤團聚體不僅能調控土壤養(yǎng)分供應[2]、改善土壤結構與組成[3], 還能影響土壤水力學性質和生物學性質[4]。另外, 土壤團聚體一方面能包裹土壤有機碳, 從而對土壤有機碳起到物理保護, 另一方面土壤有機碳又可促進團聚體自身的形成[5-7]。因此, 土壤團聚體的結構特征已被認為是土壤有機碳貯存潛力的主控因子之一[8], 其穩(wěn)定性已成為表征土壤有機碳穩(wěn)定性的重要指標。當前, 土壤團聚體平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的兩個重要指標, MWD和GMD值越大則表示團聚體越穩(wěn)定[9]。

土壤碳庫的改變需要較長時間, 長期施肥對土壤團聚體的形成及穩(wěn)定有一定影響。生物炭作為一種能改善土壤物理結構的新型肥料, 不僅能促進土壤團聚體的形成, 還能增加土壤有機碳含量[10], 而秸稈中含有農作物生長需要的氮、磷、鉀、硫等多種營養(yǎng)元素, 兩者皆可以作為農業(yè)生產中重要的肥料資源, 但兩者的長期施用對土壤團聚體和團聚體有機碳的影響尚不明確。所以, 研究生物炭及秸稈的長期施用對土壤團聚體及其有機碳含量和分布的影響已成為熱點。孫天聰?shù)萚11]通過25年的長期定位試驗發(fā)現(xiàn), 秸稈配施量的不同對提高褐土不同粒級團聚體有機碳含量效果不一。向艷文等[12]對紅壤水稻土研究表明, 化肥和稻草長期配合施用能顯著助提高團聚體有機碳含量, 提升土壤肥力。侯曉娜等[9]采集砂姜黑土進行室內培養(yǎng)試驗, 發(fā)現(xiàn)秸稈單施對提高團聚體穩(wěn)定性優(yōu)于單施生物炭, 而生物炭施用反而降低了大團聚體有機碳貢獻率。紫色土坡耕地土壤有機質含量較少, 土質疏松, 易發(fā)生水土流失[13], 選取合理施肥措施對穩(wěn)定土壤結構, 提升土壤有機質, 維持紫色土地區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展十分重要。雖然已有研究表明生物炭及秸稈可增加農田土壤有機碳含量和土壤結構穩(wěn)定性, 然而關于生物炭及秸稈對紫色土團聚體組成及團聚體有機碳分布的影響尚不十分清楚。

本研究通過對紫色土團聚體組成、穩(wěn)定性以及各粒級團聚體有機碳分布的變化進行研究, 明確生物炭及秸稈對紫色土團聚體組成及有機碳分布的影響, 旨在為紫色土農業(yè)區(qū)建立合理的施肥制度提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗依托中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站長期施肥試驗觀測平臺(105°27′E, 31°16′N)。該站位于四川盆地中北部, 地形以中深丘為主, 屬于典型亞熱帶濕潤季風氣候, 年均氣溫17.3 ℃, 降水集中在夏季, 平均降雨量為826 mm, 年無霜期290 d。土壤為蓬萊鎮(zhèn)組石灰性紫色土, 土壤母質為泥巖, 土層厚度為20~60 cm, pH為8.1, 田間持水率0.28~0.37 cm3?cm-3, 凋萎含水率為0.07~0.10 cm3?cm-3。

1.2 試驗設計與樣品采集

試驗小區(qū)建于2002年6月, 海拔420 m, 坡向為西北-東南走向, 坡度6.5°, 坡長8 m, 寬度4 m, 面積為32 m2, 土層厚度約為60 cm, 種植制度為冬小麥()-夏玉米()。設置不施肥(對照, CK)、氮磷鉀無機肥配施(NPK)、秸稈還田(RSD)、秸稈還田與氮磷鉀配施(RSDNPK)、生物炭與氮磷鉀配施(BCNPK)5種處理, 每個處理設置3個重復, 共15個小區(qū)。BCNPK處理小麥季、玉米季分別施加生物炭0.29 kg?m-2(生物炭由河南商丘三利公司生產, pH為10.22, 含碳量83.4%, 全氮量1.5%)[14]。NPK處理冬小麥季施加氮肥130 kg(N)?hm-2(NH4HCO3)、磷肥[Ca(H2PO4)2]90 kg?hm-2(以P2O5計)、鉀肥(KCl)36 kg?hm-2(以K2O計);夏玉米季施加氮肥150 kg?hm-2, 其余施肥量與冬小麥季相同。小麥和玉米季肥料均以基肥一次性施入, 后期不追肥, 無灌溉, 大田管理與當?shù)剞r民習慣一致。每年測定當季秸稈中全氮含量(冬小麥季施用玉米秸稈, 夏玉米季施用小麥秸稈), 隨后將秸稈用鍘刀切成約15 cm短段還田后翻耕施入耕作層表土。RSD處理秸稈夏季施用量為10 t?hm-2, 冬季施用量為7 t?hm-2。RSDNPK處理需氮量無機氮肥占60%、秸稈占40%。BCNPK處理和RSDNPK處理磷肥和鉀肥含量同NPK處理。

樣品采集于2017年8月, 每個小區(qū)按S型重復采集耕層(0~20 cm)土樣7次并混合為1個樣品, 裝入自封袋帶回實驗室風干。在風干過程中, 沿裂隙掰為1 cm3左右的小土塊, 待土樣風干、混勻后, 用4分法取樣200 g進行團聚體分級, 另取一部分研磨過100目尼龍篩, 備用。用環(huán)刀法進行土壤容重測定[15]。

1.3 土壤團聚體分組及有機碳的測定

濕篩法是進行土壤團聚體分級的常用方法, 該方法將土壤團聚體分為大團聚體(>2 mm, macroaggregates)和微團聚體(<0.25 mm, microaggregates)[16], 0.25~2 mm土壤顆粒為中團聚體(small macroaggregates)[17]。本研究采用土壤團聚體濕篩法[18]進行團聚體粒徑分級, 即: 稱取過8 mm篩的風干土樣200 g, 用純水將土樣浸沒在5 mm篩上5 min, 再通過一套篩子(2 mm、0.25 mm、0.053 mm), 在純水環(huán)境中進行濕篩(振幅3 cm, 頻率50次?2min-1), 得到>2 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm的水穩(wěn)定團聚體, <0.053 mm的水穩(wěn)定團聚體含量用差減法獲得, 將各級篩上團聚體用純水沖洗入燒杯中, 在60 ℃下干燥24 h后稱量, 并計算各粒級水穩(wěn)性團聚體的含量, 計算方法如下:

團聚體含量(%)=各級團聚體烘干重(g)/測定團聚體的風干土重(g)′100% (1)

將烘干后的各級團聚體研磨過100目篩后用濃度為0.1 mol?L-1稀鹽酸去除土中碳酸鹽, 隨后烘干, 研磨過100目篩, 最后用全自動元素分析儀(vario TOC cube, Elementar, 德國)測定各粒級團聚體有機碳(SOC)和全氮(TN)含量。

1.4 團聚體穩(wěn)定性評價指標

采用平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)評價團聚體穩(wěn)定性, 對于>0.25 mm的團聚體用0.25指標進行評價[19-20], 分別按以下公式計算:

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理, R語言進行LSD多重比較, 分析不同施肥處理措施土壤有機碳含量的差異特征, 顯著性水平為0.05, Origin 9.0繪圖。所有結果均為3次測定結果的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤基本理化性質的影響

長期施肥處理下表層土壤(0~20 cm)理化性質如表1所示。施肥可顯著提高土壤有機碳(SOC)和土壤全氮含量(TN,<0.05), 降低土壤容重。與CK處理相比, NPK、RSD、RSDNPK和BCNPK處理SOC含量分別增加43.13%、82.93%、79.15%和90.52%, 其中RSDNPK和BCNPK處理的SOC含量分別比NPK處理高25.17%、33.11%; 生物炭的添加顯著提高表層(0~20 cm)土壤有機碳儲量(SOCS), BCNPK處理相比CK增加90.52%, 相比NPK處理增加33.1%, RSD處理與RSDNPK處理均能顯著增加表層土壤有機碳儲量, 但兩者差異不大。RSDNPK處理土壤全氮含量相比RSD和NPK處理分別顯著增加62.00%和44.64%, RSD與NPK處理無顯著差異; RSDNPK處理表層土壤全氮儲量比BCNPK處理顯著增加29.55%。

表1 長期不同施肥處理下表層(0~20 cm)土壤基本理化性質

CK: 不施肥對照; NPK: 氮磷鉀無機肥配施; RSD: 秸稈還田; RSDNPK: 秸稈還田與氮磷鉀配施; BCNPK: 生物炭與氮磷鉀配施。同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。CK: no fertilization; NPK: inorganic nitrogen, phosphorus and potassium fertilization; RSD: straw returning; RSDNPK: straw returning combined with NPK; BCNPK: biochar application combined with NPK. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.2 生物炭及秸稈還田處理土壤團聚體組成

運用濕篩法將CK處理及4種不同施肥方式下的土壤團聚體進行分級, 分別得到>2 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm及<0.053 mm共4個粒級的土壤團聚體, 其含量分布如圖1所示。隨著各級團聚體粒徑的減小, 其含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢, 各處理7.4%~77.9%的土壤團聚體集中在0.053~2 mm粒徑范圍。BCNPK處理和RSDNPK處理0.053~2 mm粒徑的團聚體含量分別為76.4%和77.9%, 與CK處理相比, 分別增加6.9%和9.1%。RSD處理0.25~2 mm粒徑的團聚體含量高達45.5%, 與CK處理相比, 顯著增加57.7%, 與NPK處理相比顯著增加27.1%。BCNPK處理和RSDNPK處理對土壤團聚體影響效果相似, 兩個處理降低了>2 mm、<0.053 mm團聚體含量。

圖1 長期不同施肥處理不同粒徑土壤團聚體含量

CK: 不施肥對照; NPK: 氮磷鉀無機肥配施; RSD: 秸稈還田; RSDNPK: 秸稈還田與氮磷鉀配施; BCNPK: 生物炭與氮磷鉀配施。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。CK: no fertilization; NPK: inorganic nitrogen, phosphorus and potassium fertilization; RSD: straw returning; RSDNPK: straw returning combined with NPK; BCNPK: biochar application combined with NPK. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.3 生物炭及秸稈還田處理土壤團聚體結構特征

不同施肥處理土壤團聚體MWD、GMD及0.25結果如表2所示。施肥能顯著提高土壤團聚體MWD、GMD及0.25。團聚體MWD大小依次為RSD處理>RSDNPK處理>BCNPK處理>NPK處理>CK處理, RSDNP比RSD處理團聚體MWD顯著減小10.9%, BCNPK與NPK處理差異不顯著, 而RSDNPK處理比NPK處理顯著增加12.3%。團聚體GMD大小順序與MWD一致, NPK、BCNPK和RSDNPK處理團聚體GMD無顯著差異, RSDNPK處理比RSD處理減小15.38%。RSD處理團聚體0.25最大, 比CK和RSDNPK處理分別增加55.9%、20.5%。RSDNPK與BCNPK處理0.25沒有顯著差異, BCNPK處理比NPK處理提高19.5%。

表2 長期不同施肥處理土壤團聚體穩(wěn)定性

WMD: 團聚體平均重量直徑; GMD: 團聚體平均幾何直徑;0.25: >0.25 mm團聚體含量。CK: 不施肥對照; NPK: 氮磷鉀無機肥配施; RSD: 秸稈還田; RSDNPK: 秸稈還田與氮磷鉀配施; BCNPK: 生物炭與氮磷鉀配施。同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。WMD: mean weight diameter of aggregates; GMD: mean geometric diameter of aggregates;0.25: content of aggregates > 0.25 mm. CK: no fertilization; NPK: inorganic nitrogen, phosphorus and potassium fertilization; RSD: straw returning; RSDNPK: straw returning combined with NPK; BCNPK: biochar application combined with NPK. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.4 生物炭及秸稈還田處理不同組分團聚體有機碳含量

4種施肥處理均能提高各粒級土壤團聚體有機碳含量, 但效果確不盡相同。如表3所示, NPK、RSD處理各粒級土壤團聚體有機碳含量增長趨勢與CK處理相似: 隨著團聚體粒徑的減小, 團聚體有機碳含量呈增加—減小—增加的趨勢; 而RSDNPK、BCNPK處理呈現(xiàn)隨土壤團聚體粒徑減小, 團聚體有機碳含量增加的趨勢。說明生物炭及秸稈配施有助于提高土壤團聚體有機碳含量, 從而穩(wěn)定土壤結構, 增加肥力。RSDNPK處理<0.053 mm的土壤團聚體有機碳含量最高, 相比同粒級的CK處理顯著增加101.41%, 比NPK處理顯著增加36.85%; BCNPK處理0.053~0.25 mm土壤團聚體有機碳含量相比CK處理顯著提高133.97%, 比NPK處理顯著增加47.97%; RSD處理>2 mm、<0.053 mm團聚體有機碳含量相比CK處理分別顯著增加102.89%、89.07%。結果表明RSD處理能顯著增加土壤團聚體有機碳的含量, BCNPK處理有助于提高土壤微團聚體有機碳含量, RSDNPK處理土壤團聚體有機碳含量, 除0.053~0.25 mm粒徑團聚體外, 其余粒徑團聚體沒有顯著提升。

3 討論

3.1 生物炭與秸稈施用對土壤團聚體含量與結構的影響

大量研究表明, 除沙漠耕作土壤外, 耕作可降低土壤團聚體的穩(wěn)定性, 改變土壤團聚體的分布[21-22], 因此可通過生物炭和秸稈等有機物料添加保持農田土壤團聚體穩(wěn)定性, 保持和提升土壤肥力。侯曉娜等[9]對姜砂黑土的研究發(fā)現(xiàn), 生物炭、秸稈還田有利于大、中土壤團聚體的形成, 但秸稈還田減小了<0.25 mm粒級土壤團聚體含量, 而生物炭施用除對0.25~0.5 mm土壤團聚體減少外, 在其余粒級土壤團聚體都表現(xiàn)出顯著性增加。在黑壚土旱地農田研究也表明, 生物炭的施用能促進0.053~2 mm土壤團聚體的形成, 團聚體隨粒徑的減小而增多[23]。但本研究表明, 生物炭配施NPK(BCNPK)處理下土壤團聚體含量呈現(xiàn)隨粒徑減小先增多后減小的趨勢, 且70%的土壤團聚粒徑集中在0.053~2 mm; 雖然施肥有助于形成粒徑為0.25~2 mm的中團聚體, 但BCNPK處理中團聚體含量較NPK處理沒有顯著性差異, 這可能因為生物炭本身在分解過程并中并不能產生黏液促進團聚體的形成[24], 無法很好地團聚粒徑較小的微團聚體。由于秸稈分解物能膠結團聚體[25], 本研究中秸稈添加(RSD和RSDNPK)處理較單施無機肥(NPK處理)顯著增大MWD和0.2,增強土壤團聚體穩(wěn)定性, 這與田慎重等[26]在華北地區(qū)研究結果一致。本結果表明秸稈還田是改善紫色土坡耕地土壤結構的有效措施。

3.2 長期施用生物炭及秸稈還田對農田有機碳及其穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體是土壤保持肥力的重要結構, 有機碳又是土壤團聚體重要的膠結劑[27], 長期施肥能增加紫色土農田土壤團聚體有機碳含量[28]。生物炭與無機氮磷鉀長期配施能增加紫色土坡耕地土壤有機質含量。添加生物炭能減小土壤團聚體粒徑, 增加土壤惰性碳含量, 減緩土壤有機質流失[29], 因此長期施用會穩(wěn)定土壤碳庫并可能增加土壤潛在碳庫?，F(xiàn)今對施用生物炭研究較多, 但對其長期施用后期效果研究較少。本研究表明BCNPK處理有助于提高土壤微團聚體有機碳含量, 除0.053~0.25 mm粒徑團聚體外, 其余粒徑團聚體有機碳有顯著提升, 與NPK處理相比, BCNPK處理對提高SOC及土壤有機碳儲量效果則最為顯著, 這可能是由于無機氮磷鉀的長期施用會降低土壤微團聚體有機碳儲量所致[30]。所以長期合理配施生物炭與無機氮磷鉀是維持和提高紫色土坡耕土壤肥力的有效管理措施。

秸稈還田主要通過增加腐殖質含量來增加土壤有機質, 提高土壤肥力[31], 長期秸稈還田能顯著提高農田土壤有機碳含量和作物產量[32]。例如韓瑋等[33]發(fā)現(xiàn)秸稈施用能顯著提高水稻土土壤有機質含量; 趙士誠等[34]對潮土研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田與無機肥配施能顯著提高土壤有機碳含量。本試驗中, RSDNPK處理產量最高, 比CK處理增加高達262%, 比NPK 處理增加13.8%, 說明紫色土坡耕地長期施用秸稈還田對于提高作物產量效果顯著。不同還田年限對農田土壤團聚體及有機碳影響效果不一。張聰?shù)萚35]依托甘肅農業(yè)大學平涼試驗站長期玉米全量秸稈還田定位試驗, 研究不同秸稈還田年限對土壤有機碳的影響, 發(fā)現(xiàn)隨著秸稈還田年限的增加土壤有機碳增加減緩, 這可能是因為長期添加秸稈, 土壤碳庫不斷增大, 使得碳庫增加速度減緩; 竇莉洋[36]進行不同土壤類型長期秸稈還田試驗發(fā)現(xiàn), 連續(xù)秸稈還田能提高不同粒級土壤團聚體穩(wěn)定性。以往研究表明, 秸稈還田能激發(fā)土壤原有的有機碳的分解[35], 不同母質條件下發(fā)育的同類土壤也有較大差異, 這可能與土壤性質和有機碳含量有關。以紅壤為例, 長期施肥處理下紅砂巖風化物、紅黏土、紫色砂巖風化物、花崗巖風化物4種成土母質發(fā)育下的紅壤團聚體有機碳分布均不相同。不同母質紫色土有機碳和水穩(wěn)定性團聚體穩(wěn)定性差異較大[37], 且長期秸稈還田有可能使得不同母質土壤團聚體有機碳含量和分布發(fā)生變化。

表3 長期不同施肥處理各粒級團聚體有機碳(SOC)含量

CK: 不施肥對照; NPK: 氮磷鉀無機肥配施; RSD: 秸稈還田; RSDNPK: 秸稈還田與氮磷鉀配施; BCNPK: 生物炭與氮磷鉀配施。同列不同小寫字母表示同一團聚體粒級下不同處理間差異顯著(<0.05), 同行不同大寫字母表示同一處理下不同團聚體粒級之間差異顯著。CK: no fertilization; NPK: inorganic nitrogen, phosphorus and potassium fertilization; RSD: straw returning; RSDNPK: straw returning combined with NPK; BCNPK: biochar application combined with NPK. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level. Different capital letters in the same row indicate significant differences among aggregates with different sizes at 0.05 level.

4 結論

1)與CK處理相比, 施肥均能顯著提高土壤有機碳、全氮含量及儲量, 其中BCNPK處理對提高有機碳儲量最顯著, 而RSDNPK處理對提高土壤全氮儲量最為顯著。

2)所有試驗處理下土壤團聚體主要集中在0.053~2 mm, 其中RSD處理土壤團聚體又主要集中在 0.25~2 mm, 且該處理MWD、GMD及0.25均為最大, 說明該處理土壤團聚體結構最為穩(wěn)定; 相比CK處理, BCNPK處理和RSDNPK處理能降低大團聚體(>2 mm)和微團聚體(<0.053 mm)含量, 且顯著提高MWD、GMD及0.25, 表明BCNPK和RSDNPK處理對穩(wěn)定土壤團聚體結構效果顯著。

3)與NPK處理相比, RSDNPK和BCNPK處理均顯著增加不同粒級土壤團聚體有機碳含量, 并且其團聚體有機碳含量隨土壤團聚粒徑減小而增加。因此, 長期施用生物炭及秸稈是改善紫色土旱地土壤結構, 提升土壤肥力的有效措施。

[1] 王巖松, 李夢迪, 朱連奇. 保護性耕作對農田土壤有機碳及農業(yè)生產力的影響[J]. 農學學報, 2016, 6(4): 40–47 WANG Y S, LI M D, ZHU L Q. Effects of conservation tillage on soil organic carbon and agricultural productivity[J]. Journal of Agriculture, 2016, 6(4): 40–47

[2] 劉中良, 宇萬太, 周樺, 等. 長期施肥對土壤團聚體分布和養(yǎng)分含量的影響[J]. 土壤, 2011, 43(5): 720–728 LIU Z L, YU W T, ZHOU H, et al. Effects of long-term fertilization on aggregate size distribution and nutrient content[J]. Soils, 2011, 43(5): 720–728

[3] 陳恩鳳, 關連珠, 汪景寬, 等. 土壤特征微團聚體的組成比例與肥力評價[J]. 土壤學報, 2001, 38(1): 49–53 CHEN E F, GUAN L Z, WANG J K, et al. Compositional proportion of soil characteristic microaggregates and soil fertility evaluation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2001, 38(1): 49–53

[4] SIX J, ELLIOTT E T, PAUSTIAN K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: a mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(14): 2099–2103

[5] TISDALL J M, OADES J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils[J]. Journal of Soil Science, 1982, 33(2): 141–163

[6] SOLLINS P, HOMANN P, CALDWELL B A. Stabilization and destabilization of soil organic matter: mechanisms and controls[J]. Geoderma, 1996, 74(1/2): 65–105

[7] Six J, Conant R T, Paul E A et al. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C-saturation of soils[J]. Plant & Soil, 2002, 241(2): 155-176

[8] 緱倩倩, 王國華, 屈建軍. 農田土壤有機碳庫研究述評[J]. 中國農學通報, 2017, 33(33): 107–114 GOU Q Q, WANG G H, QU J J. A review of researches on soil organic carbon pool in cropland[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2017, 33(33): 107–114

[9] 侯曉娜, 李慧, 朱劉兵, 等. 生物炭與秸稈添加對砂姜黑土團聚體組成和有機碳分布的影響[J]. 中國農業(yè)科學, 2015, 48(4): 705–712 HOU X N, LI H, ZHU L B, et al. Effects of biochar and straw additions on lime concretion black soil aggregate composition and organic carbon distribution[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(4): 705–712

[10] HERATH H M S K, CAMPS-ARBESTAIN M, HEDLEY M. Effect of biochar on soil physical properties in two contrasting soils: An Alfisol and an Andisol[J]. Geoderma, 2013, 209/210: 188–197

[11] 孫天聰, 李世清, 邵明安. 長期施肥對褐土有機碳和氮素在團聚體中分布的影響[J]. 中國農業(yè)科學, 2005, 38(9): 1841–1848 SUN T C, LI S Q, SHAO M A. Effects of long-term fertilization on distribution of organic matters and nitrogen in cinnamon soil aggregates[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(9): 1841–1848

[12] 向艷文, 鄭圣先, 廖育林, 等. 長期施肥對紅壤水稻土水穩(wěn)性團聚體有機碳、氮分布與儲量的影響[J]. 中國農業(yè)科學, 2009, 42(7): 2415–2424 XIANG Y W, ZHENG S X, LIAO Y L, et al. Effects of long-term fertilization on distribution and storage of organic carbon and nitrogen in water-stable aggregates of red paddy soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(7): 2415–2424

[13] 中國科學院成都分院土壤研究室. 中國紫色土[M]. 北京: 科學出版社, 1991 Department of Soil Research of Chengdu Branch, Chinese Academy of Sciences. Purple Soil in China[M]. Beijing: Science Press, 1991.

[14] 王紅蘭, 唐翔宇, 張維, 等. 施用生物炭對紫色土坡耕地耕層土壤水力學性質的影響[J]. 農業(yè)工程學報, 2015, 31(4): 107–112 WANG H L, TANG X Y, ZHANG W, et al. Effects of biochar application on tilth soil hydraulic properties of slope cropland of purple soil[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(4): 107–112

[15] 魯如坤. 土壤農業(yè)化學分析方法[M]. 北京: 中國農業(yè)科技出版社, 2000 LU R K. Soil and Agricultural Chemistry Analysis[M]. Beijing: Chinese Agricultural Science Press, 2000

[16] 竇森, 李凱, 關松. 土壤團聚體中有機質研究進展[J]. 土壤學報, 2011, 48(2): 412–418 DOU S, LI K, GUAN S. A review on organic matter in soil aggregates[J]. Acta Pedologica Sinica, 2011, 48(2): 412–418

[17] 潘根興, 李戀卿, 張旭輝, 等. 中國土壤有機碳庫量與農業(yè)土壤碳固定動態(tài)的若干問題[J]. 地球科學進展, 2003, 18(4): 609–618 PAN G X, LI L Q, ZHANG X H, et al. Soil organic carbon storage of China and the sequestration dynamics in agricultural lands[J]. Advances in Earth Sciences, 2003, 18(4): 609–618

[18] Elliott E T. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native and cultivated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1985, 50(3): 627–633

[19] VAN BAVEL C H M. Mean weight-diameter of soil aggregates as a statistical index of aggregation1[J]. Soil Science Society of America Journal, 1950, 14(C): 20

[20] MIKHA M M, RICE C W. Tillage and manure effects on soil and aggregate-associated carbon and nitrogen[J]. Soil Science Society of America Journal, 2004, 68(3): 809-816

[21] 李鑒霖, 江長勝, 郝慶菊. 土地利用方式對縉云山土壤團聚體穩(wěn)定性及其有機碳的影響[J]. 環(huán)境科學, 2014, 35(12): 4695–4704 LI J L, JIANG C S, HAO Q J. Impact of land use type on stability and organic carbon of soil aggregates in Jinyun Mountain[J]. Chinese Journal of Environmental Science, 2014, 35(12): 4695–4704

[22] 藺芳, 劉曉靜, 張家洋. 人工草地種植模式對沙化土壤團聚體及有機質含量的影響[J]. 中國沙漠, 2018, 38(6): 1219–1229 LIN F, LIU X J, ZHANG J Y. Effects of planting patterns on soil aggregates and organic matter characteristics of sandy soil[J]. Journal of Desert Research, 2018, 38(6): 1219–1229

[23] 米會珍, 朱利霞, 沈玉芳, 等. 生物炭對旱作農田土壤有機碳及氮素在團聚體中分布的影響[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2015, 34(8): 1550–1556 MI H Z, ZHU L X, SHEN Y F, et al. Biochar effects on organic carbon and nitrogen in soil aggregates in semiarid farmland[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(8): 1550–1556

[24] 葉麗麗, 王翠紅, 周虎, 等. 添加生物質黑炭對紅壤結構穩(wěn)定性的影響[J]. 土壤, 2012, 44(1): 62–66 YE L L, WANG C H, ZHOU H, et al. Effects of rice straw-derived biochar addition on soil structure stability of an ultisol[J]. Soils, 2012, 44(1): 62–66

[25] 張鵬, 賈志寬, 王維, 等. 秸稈還田對寧南半干旱地區(qū)土壤團聚體特征的影響[J]. 中國農業(yè)科學, 2012, 45(8): 1513–1520 ZHANG P, JIA Z K, WANG W, et al. Effects of straw returning on characteristics of soil aggregates in semi-arid areas in southern Ningxia of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(8): 1513–1520

[26] 田慎重, 王瑜, 李娜, 等. 耕作方式和秸稈還田對華北地區(qū)農田土壤水穩(wěn)性團聚體分布及穩(wěn)定性的影響[J]. 生態(tài)學報, 2013, 33(22): 7116–7124 TIAN S Z, WANG Y, LI N, et al. Effects of different tillage and straw systems on soil water-stable aggregate distribution and stability in the North China Plain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(22): 7116–7124

[27] 陳恩鳳, 周禮愷, 邱鳳瓊等. 土壤肥力實質的研究——Ⅱ. 棕壤[J]. 土壤學報, 1985, 22(2): 113-119 Chen E F, Zhou L K, Qiu F Q, et al. Study on the essence of soil fertility: Ⅱ. Brown soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 1985, 22(2): 113-119

[28] 花可可, 朱波, 楊小林, 等. 長期施肥對紫色土旱坡地團聚體與有機碳組分的影響[J]. 農業(yè)機械學報, 2014, 45(10): 167–174HUA K K, ZHU B, YANG X L, et al. Effects of long-term different fertilization on soil aggregates and organic carbon fractions on sloping upland of purple soil[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 167–174

[29] 花莉, 金素素, 洛晶晶. 生物質炭輸入對土壤微域特征及土壤腐殖質的作用效應研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2012, 21(11): 1795–1799HUA L, JIN S S, LUO J J. Effect of Bio-char on the micro-environment characteristics and humus in soil[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2012, 21(11): 1795–1799

[30] 袁穎紅, 李輝信, 黃欠如, 等. 不同施肥處理對紅壤性水稻土微團聚體有機碳匯的影響[J]. 生態(tài)學報, 2004, 24(12): 2961–2966 YUAN Y H, LI H X, HUANG Q R, et al. Effects of different fertilization on soil organic carbon distribution and storage in micro-aggregates of red paddy topsoil[J]. Acta Ecologica Sinica, 2004, 24(12): 2961–2966

[31] 李翠蘭, 張晉京, 竇森, 等. 玉米秸稈分解期間土壤腐殖質數(shù)量動態(tài)變化的研究[J]. 吉林農業(yè)大學學報, 2009, 31(6): 729–732 LI C L, ZHANG J J, DOU S, et al. Dynamic change in amounts of soil humic and fulvic acid during corn stalk decomposition[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2009, 31(6): 729–732

[32] 黃金花, 劉軍, 楊志蘭, 等. 秸稈還田下長期連作棉田土壤有機碳活性組分的變化特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(3): 387–395 HUANG J H, LIU J, YANG Z L, et al. Changes of cotton straw incorporation on soil organic carbon activity matter of long-term continuous cropping cotton field[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 387–395

[33] 韓瑋, 申雙和, 謝祖彬, 等. 生物炭及秸稈對水稻土各密度組分有機碳及微生物的影響[J]. 生態(tài)學報, 2016, 36(18): 5838–5846 HAN W, SHEN S H, XIE Z B, et al. Effects of biochar and straw on both the organic carbon in different density fractions and the microbial biomass in paddy soil[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(18): 5838–5846

[34] 趙士誠, 曹彩云, 李科江, 等. 長期秸稈還田對華北潮土肥力、氮庫組分及作物產量的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2014, 20(6): 1441–1449 ZHAO S C, CAO C Y, LI K J, et al. Effects of long-term straw return on soil fertility, nitrogen pool fractions and crop yields on a fluvo-aquic soil in North China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(6): 1441–1449

[35] 張聰, 慕平, 尚建明. 長期持續(xù)秸稈還田對土壤理化特性、酶活性和產量性狀的影響[J]. 水土保持研究, 2018, 25(1): 92–98 ZHANG C, MU P, SHANG J M. Effects of continuous returning corn straw on soil chemical properties, enzyme activities and yield trait[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2018, 25(1): 92–98

[36] 竇莉洋. 秸稈還田對不同類型土壤團聚體穩(wěn)定性、有機碳含量及其分布的影響[D]. 沈陽: 沈陽農業(yè)大學, 2018DOU L Y. Effects of straw return to field on stability, organic carbon content and distribution of different types of soil aggregates[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2018

[37] 駱東奇, 侯春霞, 魏朝富, 等. 不同母質發(fā)育紫色土團粒結構的分形特征研究[J]. 水土保持學報, 2003, 17(1): 131–133Luo D Q, Hou C X, Wei C F, et al. Study on fraction characters of aggregates of dryland purple soil developed from different parent material[J]. Journal of Soil Water Conservation, 2003, 17(1): 131–133

Effect of long-term application of biochar and straw on soil organic carbon in purple soil aggregates of sloping uplands*

LIN Hongyu1,2, ZHOU Minghua1**, ZHANG Bowen1,2, LI Ziyang1,2, ZHU Bo1

(1. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The effects of biochar and straw application on the distribution of soil organic carbon (SOC) in purple soil aggregations of sloping uplands were explored from a long-term perspective. Five long-term fertilization treatments were included: no fertilizer (control, CK), mineral fertilizer application (NPK), crop straw residue application (RSD), a combined application of biochar and mineral fertilizer (BCNPK), and a combined application of crop straw residue and mineral fertilizer (RSDNPK).Soil samples were separated into >2 mm large macroaggregates, 0.25-2 mm small macroaggregates, 0.053-0.25 mm microaggregates, and <0.053 mm slit-clay microaggregatesby sieving. The mass fraction of soil aggregations, organic carbon content, mean weight diameter, and geometric mean diameter of aggregations were measured. The results showed that the application of biochar and straw increased SOC content and stabilized the structure of aggregations compared with both CK and NPK treatments. In comparison with CK, SOC contents significantly increased by 43.1% under NPK treatment, 82.9% under RSD treatment, 79.1% under RSDNPK treatment, and 90.5% under BCNPK treatment. SOC stocks of topsoil increased significantly by 34.0% under NPK treatment, 68.2% under RSD treatment, 65.2% under RSDNPK treatment, and 74.3% under BCNPK treatment compared with CK treatment. In addition, the content of 0.25-2 mm aggregates of RSD treatment reached 45.5%, which was 57.7% higher than that of CK; more soil aggregations were concentrated on 0.25-2 mm aggregates. As compared with CK, the SOC content of 0.053-0.25 mm aggregates was reduced by straw and biochar treatments. The trends for NPK and RSDtreatments were similar to those for CK, but RSDNPK and BCNPK treatmentshowedan increasing trend in organic carbon content in aggregates with decreased particle size. RSDNPK and BCNPK treatments significantly increased the SOC content and enhanced the stability of soil structure, but BCNPK treatment was superior to RSDNPK treatment in increasing SOC content, and RSDNPK treatment was more effective in stabilizing soil structure. BCNPK treatment and RSDNPK treatment are therefore effective management measures that can maintain and improve soil fertility of purple-soil-cultivated land.

Soil aggregates; Biochar; Crop straw; Soil organic carbon; Purple soil

S153.6

* 水體污染控制與治理科技重大專項(2017ZX07101001)、國家自然科學基金項目(41573079)和中國科學院率先行動百人計劃擇優(yōu)項目資助

周明華, 主要研究方向為碳氮生物地球化學循環(huán)與全球變化。E-mail: mhuazhou@imde.ac.cn

林洪羽, 主要研究方向為土壤碳氮循環(huán)。E-mail: linhongyu17@mails.ucas.ac.cn

2019-08-19

2019-09-30

* This study was supported by the National Science and Technology Major Project for Water Pollution Control and Treatment of China (2017ZX07101001), the National Natural Science Foundation of China (41573079) and the Pioneer Hundred Talent Program of Chinese Academy of Sciences.

, E-mail: mhuazhou@imde.ac.cn

Aug. 19, 2019;

Sep. 30, 2019

10.13930/j.cnki.cjea.190614

林洪羽, 周明華, 張博文, 李子陽, 朱波. 生物炭及秸稈長期施用對紫色土坡耕地土壤團聚體有機碳的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報(中英文), 2020, 28(1): 96-103

LIN H Y, ZHOU M H, ZHANG B W, LI Z Y, ZHU B. Effect of long-term application of biochar and straw on soil organic carbon in purple soil aggregates of sloping uplands[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(1): 96-103