范美莉, 朱國兵, 汪文俊, 劉軍根

(1.吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)林工程學(xué)院,江西吉安 343000; 2.吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院公共基礎(chǔ)課教育部,江西吉安 343000)

施用化學(xué)肥料是現(xiàn)今農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中補充土壤養(yǎng)分的必要措施,化肥在促進植物早期生長發(fā)育及后期產(chǎn)量、質(zhì)量形成過程中起著至關(guān)重要的作用[1]。為保證產(chǎn)量收獲,農(nóng)民對化肥的施用量往往高于推薦量[2]。然而化肥施用量與產(chǎn)量、肥料利用率之間存在閾值,目前肥料施用量過高,肥料利用率低,造成土壤質(zhì)量退化、微生物多樣性銳減、水體富營養(yǎng)化等一系列負面影響,已成為制約農(nóng)林業(yè)發(fā)展的重要瓶頸[3]。從源頭上減少大量元素(N、P、K)的投入量,是減少土壤生態(tài)環(huán)境污染的重要策略。研究表明,長期減量施肥可能會擾亂土壤有機碳儲量和碳礦化的動態(tài)平衡,進而影響土壤肥力及相關(guān)微生物組成變化[4]。因此,適量減施化肥并尋求適宜的化肥替代物,是保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和推進農(nóng)田生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要研究方向。

生物炭(BC)是農(nóng)林植物殘體、工業(yè)廢棄物、城市垃圾及畜禽糞便等材料在400～700 ℃高溫條件下炭化形成的高度芳香化多孔富碳產(chǎn)物[5]。大量研究表明,生物質(zhì)原材料炭化后具有致密的微孔結(jié)構(gòu)、較高的pH值、大量的碳物質(zhì),施入土壤后可有效降低土壤容重,提高土壤保墑性能及肥力[6],且可為土壤生物提供棲息地從而有利于微生物繁殖,進一步提高土壤固碳效果。綠肥是綠色植物體制成的養(yǎng)分全面的有機肥源,在提升耕地質(zhì)量、降低水土流失、提高土壤肥力及改善作物品質(zhì)中作用巨大[7]。牛雅瓊等研究表明,獼猴桃園翻壓豆科綠肥能夠改善土壤質(zhì)地、提升土壤肥力、促進獼猴桃植株養(yǎng)分累積及提高產(chǎn)量[8]。王春麗等研究顯示,越冬型肥用油菜翻壓可顯著提高黃土高原溝壑區(qū)蘋果園土壤速效養(yǎng)分含量、降低土壤耗水及改善蘋果根系結(jié)構(gòu)[9]。

井岡蜜柚作為江西省的龍頭果業(yè)名牌之一,是吉安市“促民生、保發(fā)展”的富民支柱產(chǎn)業(yè),在江西省水果產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重的地位,其商業(yè)化種植主導(dǎo)品種有金蘭柚和金沙柚[10]。目前,井岡蜜柚園區(qū)存在管理粗放、施肥量較高及土壤質(zhì)量逐年下降等問題[11]。吉安市具備三面環(huán)山的山地丘陵盆地地貌,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候,初夏雨量充沛;蜜柚園區(qū)由于常年施肥措施欠佳,土壤酸化日趨嚴重,導(dǎo)致土壤肥力低、土壤板結(jié)[12],最終影響井岡蜜柚產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。本研究基于生物炭結(jié)合綠肥翻壓的改土培肥優(yōu)勢,探索了常規(guī)施肥減量施用下,生物炭配施不同綠肥品種對井岡蜜柚果園土壤固碳效果、碳庫管理指數(shù)及產(chǎn)量的影響,旨在為改良土壤固碳效果、促進蜜柚產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年12月至2022年10月在江西省吉安市井岡蜜柚科技小院試驗站內(nèi)進行,供試蜜柚品種為5年生金沙柚,種植株行距為3 m×4 m,種植密度750株/hm2。供試生物炭主要原材料為稻殼和稻草,購自江西晟鑫生物炭業(yè)有限公司,其基本性質(zhì)為全碳含量67.5%,總氮含量5.6%,比表面積23.9 m2/g,pH值 8.43。供試綠肥分別為毛葉苕子(ViciavillosaRoth)、二月蘭(Orychophragmusviolaceus)、黑麥草(LoliumperenneL.),來自四川南充綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合試驗站。供試化肥包括尿素(含N 46%)、果樹專用鈣鎂磷肥(含P2O512%)、硫酸鉀(含K2O 52%),均購自吉安市天禾農(nóng)資有限公司。

試驗區(qū)土壤為紅壤,0～30 cm表層土壤理化性質(zhì):pH值 4.98,有機質(zhì)含量14.04 g/kg,全氮含量0.73 g/kg,堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為103.56、30.25、106.28 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置6個處理:常規(guī)施肥(CK1);常規(guī)施肥減量25%(CK2);常規(guī)施肥減量25%+生物炭(BC);BC處理分別組合毛葉苕子(BVV)、二月蘭(BOH)、黑麥草(BLP)的綠肥翻壓處理。其中常規(guī)施肥處理為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施用量的近4年平均值,即純氮施用量為675 kg/hm2(N ∶ P2O5∶ K2O=9 ∶ 5 ∶ 8)[10],生物炭處理施用量為3 000 kg/hm2,綠肥處理約120萬株/hm2。試驗區(qū)采用隨機區(qū)組設(shè)計,各處理重復(fù)3次,共18個規(guī)劃區(qū),小區(qū)面積300 m2(15 m×20 m,5株果樹),小區(qū)之間設(shè)置3 m保護帶。試驗于2019年12月開始,化肥按基肥30%、促花肥15%、壯果肥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,分別在柚樹兩側(cè)進行 10 cm 穴施。綠肥則于每年10月進行土表撒播,翌年4月末生物炭隨綠肥一同翻壓入土。無綠肥處理則為土表清耕處理,2020—2022年每年對試驗區(qū)進行產(chǎn)量統(tǒng)計。

1.3 樣品采集及測定分析

1.3.1 蜜柚產(chǎn)量、土壤容重及土壤總有機碳含量測定 2022年10月蜜柚收獲后對蜜柚園土壤進行取樣:按照“S”形多點分層取樣法,取樣前去除表層(0.1 cm)雜物,在每個小區(qū)隨機選取5個取樣點的土壤匯集成1個樣本,分別使用環(huán)刀、不銹鋼半自動螺旋土鉆采取6個土層(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm)的土壤樣品。其中環(huán)刀中的土壤直接進行土壤容重(BD)測定,螺旋土鉆所取土壤樣品一部分保存于-80 ℃環(huán)境中,其余部分經(jīng)自然風(fēng)干后采用人工研磨并過0.25 mm不銹鋼網(wǎng)篩,土壤總有機碳(TOC)含量采用K2Cr2O7外加熱容量法[13]測定。

1.3.2 土壤有機碳組分含量及測定 有機碳組分包括輕質(zhì)有機碳(LOC)、顆粒有機碳(POC)、微生物有機碳(MBC)、易氧化有機碳(EOC)、可溶性有機碳(DOC)。將過0.25 mm不銹鋼網(wǎng)篩的表層(0～30 cm)土壤進行30 ℃環(huán)境暖溫8 h。采用碘化鈉(NaI)提取LOC,采用六聚偏磷酸鈉[(NaPO3)6]提取POC,采用三氯甲烷(CHCl3)熏蒸硫酸鉀(K2SO4)提取法MBC,采用KMnO4浸提提取EOC,采用水 ∶ 土混合液(質(zhì)量比4 ∶ 1)提取可溶性有機碳(DOC)。上述有機碳組分含量采用TOC自動分析儀(TOC-SSM-5000A,Shimadzu,日本)測定。穩(wěn)態(tài)有機碳(NOC)含量為土壤總有機碳(TOC)與EOC含量的差值。土壤有機碳儲量采取表層等質(zhì)量方法計算。

1.3.3 土壤固碳基因拷貝數(shù)的定量測定 稱取250 mg保存于-80 ℃的土壤,采用FAST? Spin of Kit DNA試劑盒(116560-200,MPBiomedicals)提取土壤總DNA,采用1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測所提取DNA的純度,再用一體式凝膠成像儀(SmartGelTM5000,北京森西賽智科技有限公司)測定。cbbL所用引物為K2F(ACCAYCAAGCCSAAGCTSGG)、V2R(GCCTTCSAGCTTGCCSACCRC),cbbM所用引物為490F(GGCACCATCATCAAGCCCAAG)、974R(TCTTGCCGTAGCCCATGGTGC)。通過實時熒光定量PCR儀(CFX96Touch BIO-RAD1,ABI,美國)對cbbL、cbbM基因拷貝數(shù)進行定量分析。反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s、62 ℃退火30 s、57 ℃延伸20 s,循環(huán)40次[14]。反應(yīng)體系總體積為 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,采用無菌水補充至20 μL。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

碳庫管理指數(shù)計算按照以下公式進行[15]:

有機碳儲量(×103kg/hm2)=(TOCλ×BDλ×λ)×0.1;

碳庫活度(CA)=土壤EOC含量/(土壤NOC含量×2);

碳庫活度指數(shù)(AI)=樣品土壤CA/參考土壤CA;

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品土壤TOC含量/參考土壤TOC含量;

土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)=CPI×AI×100%。

上述EOC、NOC、TOCλ、BDλ分別表示易氧化有機碳含量、穩(wěn)態(tài)有機碳含量、0～30 cm總有機碳含量、0～30 cm土壤容重;λ為土壤深度,該處采用深度為30 cm;以常規(guī)施肥處理土壤樣品為參照土壤。

采用Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行錄入與初步整理,DPS 7.05軟件進行方差分析與顯著性檢驗,采用Origin 9.2軟件完成繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對不同土層容重、總有機碳含量的影響

由圖1可知,化肥減施3年后,在60 cm的土壤深度中,化肥減施、化肥減施下生物炭與綠肥翻壓,對柚園土壤容重(BD)及土壤總有機碳含量(TOC)的剖面分布均具有顯著影響。就土壤容重而言,隨著土壤深度加深,土壤容重隨之增加;其中在0～30 cm 土層中,各處理差距較大,整體以化肥減施下施用生物炭相關(guān)處理(BC、BVV、BOH、BLP)數(shù)值較低,而在較深土層(40～60 cm)中,各處理差距相對較小(圖1-A)。與土壤容重趨勢相反,隨著土壤深度加深,土壤總有機碳含量隨之迅速降低。在表層土壤(0～30 cm)中,均以BOH處理的TOC含量最高,CK2處理最低,尤其在10、20 cm土層中;在較深土層(40～60 cm)中,仍以CK2處理最低,但各處理間差距較小(圖1-B)。上述研究表明,化肥減施3年后,土壤容重隨之增加而總有機碳含量降低,且主要作用于表層土壤;化肥減施下生物炭配施綠肥翻壓有利于降低0～30 cm土壤容重及提高總有機碳含量。

2.2 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對表層土壤有機碳組分含量的影響

由圖2可知,0～30 cm表層土壤有機碳組分含量中,各組分含量高低順序表現(xiàn)為可溶性有機碳(DOC)含量<顆粒有機碳(POC)含量<微生物有機碳(MBC)含量<輕質(zhì)有機碳(LOC)含量<易氧化有機碳(EOC)含量,其中EOC、MBC、POC、LOC、DOC含量分別占有機碳含量的49.64%～60.90%、10.13%～15.22%、9.11%～11.56%、12.80%～18.41%、6.37%～7.48%。在EOC、LOC、DOC組分含量中,以BOH處理較高,各處理整體呈CK2

2.3 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對碳儲量及碳庫管理指數(shù)的影響

由表1可知,0～30 cm表層土壤有機碳儲量中,各處理表現(xiàn)為CK2

表1 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對碳儲量及碳庫管理指數(shù)的影響

2.4 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對固氮基因絕對豐度的影響

由圖3-A可看出,各處理cbbL基因豐度表現(xiàn)為CK2

2.5 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對蜜柚產(chǎn)量的影響

由圖4可知,2020年以CK1處理產(chǎn)量最高,其他處理較CK1降低1.73%～10.69%; 但各處理間產(chǎn)量差距較小,僅BLP顯著低于CK1、BC處理。2021年以BVV處理產(chǎn)量最高,CK1、CK2、BC、BOH、BLP較其分別降低4.12%、12.17%、10.12%、3.73%、9.83%;其中CK1與BVV、BLP處理間無顯著差異。2022年各處理產(chǎn)量高低順序表現(xiàn)為 CK2

3 討論

土壤是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫,僅表層土壤中的有機碳含量就遠超陸地植物體的所有碳總和[16]。一般而言,土壤中的有機碳需經(jīng)微生物作用礦化后方可被植物有效吸收利用,因此土壤有機碳豐度與農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)、土壤生物多樣性及全球氣候變化等生態(tài)系統(tǒng)功能密切相關(guān)[17]。本研究結(jié)果表明,各處理的土壤總有機碳含量、土壤容重(BD)在表層土壤(0～30 cm)差距較大,在較深土層(40～60 cm)中差異較小。此外,隨著土層深度增加,TOC含量隨之降低,而BD則隨之增加,且各處理間的TOC含量在30 cm土深后急劇下降。因此本研究后續(xù)主要分析0～30 cm表層土壤的有機碳組分、碳庫管理指數(shù)和相關(guān)固碳細菌編碼基因的豐度情況。

可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物有機碳、輕質(zhì)有機碳、顆粒有機碳是評價土壤質(zhì)量及碳庫平衡的重要指標,其組成與變化代表了土壤有機碳分解和養(yǎng)分釋放的潛力[18]。本研究結(jié)果表明,25%化肥減施3年后,其有機碳組分含量整體呈降低趨勢,在此基礎(chǔ)上配施生物炭其組分含量仍整體低于常規(guī)施肥處理,這表明化肥減施下,生物炭對土壤有機碳組分含量的影響效果有限,這與前人的研究結(jié)果存在差異。李喜鳳等研究表明,果園土壤中適量添加生物炭可顯著提高黃土高原區(qū)0～20 cm土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)及MBC、DOC、POC等有機碳組分含量[19]。楊世偉等研究顯示,生物炭可顯著影響土壤pH值、BD及土壤團聚體結(jié)構(gòu),從而影響高原蘋果園土壤有機碳組分及碳儲量[20]。本研究結(jié)果與前人不同的原因可能是由氣候差異所致,本研究試驗區(qū)域氣候常年溫?zé)?、雨水充?且活性有機碳組分易受土壤濕度影響,因此生物炭的功能作用可能因此降低。

LOC、DOC、EOC均是重要的活性有機碳組分,三者性質(zhì)均不穩(wěn)定且易快速礦化,因此流動性強、分解度高、周轉(zhuǎn)速率快,是土壤養(yǎng)分的短期碳儲存庫[21-22];其中EOC是易被氧化的活性有機碳組分,主要由易分解的腐殖質(zhì)和多糖構(gòu)成[23]。POC可吸附于土壤團聚體表面從而避免快速分解,是較為穩(wěn)定的碳組分,由植物殘體和微生物、微型動物殘骸組成[24]。本研究中,各處理在相關(guān)有機碳組分含量上整體表現(xiàn)為CK2

土壤碳庫管理指數(shù)是表征土壤有機碳變化的重要指標,可有效反映外部條件對土壤碳庫和碳庫活度的影響,能系統(tǒng)、全面地評價外部因素對土壤有機碳含量及質(zhì)量的影響[25]。魏夏新等研究表明,紫云英、水稻秸稈生物炭還田可有效提高雙季稻土壤活性有機碳含量,二者可顯著提高碳庫穩(wěn)定性,且使土壤碳庫管理指數(shù)分別提高31.8%、62.2%[26]。本研究結(jié)果表明,在碳庫活度、碳庫活度指數(shù)中,以生物炭配施綠肥處理(BVV、BOH、BLP)整體較低,其中BOH處理最低;而在碳庫指數(shù)與CPMI指數(shù)中,以BOH處理存在峰值,其CPMI可達104.79%,即二月蘭翻壓處理最有利于土壤碳庫的穩(wěn)定;這與相關(guān)結(jié)果基本趨于一致:與禾本科綠肥相比,十字花科綠肥二月蘭具有較低的初始 C/N,易于腐解,有利于土壤碳庫的補充,更適宜應(yīng)用于果園種植[27]。

自養(yǎng)型微生物廣泛分布于土壤生態(tài)系統(tǒng)中,具有同化空氣中CO2并將其轉(zhuǎn)化為土壤有機碳的功能?？栁难h(huán)(還原性戊糖磷酸循環(huán))是耕作土壤中微生物固定大氣CO2的主要途徑[28],cbbL、cbbM基因是介導(dǎo)卡爾文循環(huán)的編碼基因[19],二者基因的豐度高低可在一定程度上反映微生物的固碳潛力。本研究中,各處理cbbL、cbbM基因整體呈CK1、CK2、BC

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,與常規(guī)施肥處理(CK1)相比,25%化肥減施3年后,其土壤有機碳含量、碳管理指數(shù)、固碳基因豐度及產(chǎn)量均受到不利影響;在此基礎(chǔ)上單施3 000 kg/hm2生物炭具有一定的促進作用,但整體仍低于CK1處理。而化肥減施下生物炭配施綠肥翻壓處理效果較佳,其中整體以生物炭配施二月蘭翻壓處理(BOH)最優(yōu),顯著降低了表層土(0～30 cm)的土壤容重及碳庫活性指數(shù),提高了土壤總有機碳、易氧化有機碳、輕質(zhì)有機碳及可溶性有機碳含量,增加了0～30 cm土層的有機碳儲量及碳庫管理指數(shù)。此外生物炭配施二月蘭翻壓3年后,與常規(guī)施肥處理相比,井岡蜜柚有機碳儲量、蜜柚產(chǎn)量分別顯著提高4.59%、10.49%,具有明顯的固碳及增產(chǎn)效應(yīng),有望應(yīng)用于井岡蜜柚的減肥生產(chǎn)實踐。