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秸秆和生物炭还田对棕壤团聚体分布及有机碳含量影响特征

高鸣慧 李娜 彭靖 陈坤 高天一 韩晓日

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秸秆和生物炭还田对棕壤团聚体分布及有机碳含量影响特征

    作者简介: 高鸣慧 E-mail:15840091108@163.com;
    通讯作者: 李娜, E-mail:lnxlina@163.com ; 韩晓日, E-mail:hanxiaori@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2018YFD0300308);国家重点研发计划项目(2017YFD0300700)。

Effects of straw and biochar returning on soil aggregates distribution and organic carbon content in brown soil

    Corresponding author: LI Na, E-mail:lnxlina@163.com ;HAN Xiao-ri, E-mail:hanxiaori@163.com
  • 摘要:   【目的】  比较长期进行秸秆和生物炭还田后土壤团聚体的变化与差异,旨在寻找适宜的方法改良棕壤。  【方法】  选择辽宁沈阳棕壤玉米连作体系,连续开展了6年的田间定位微区试验,试验共设6个处理:不施肥 (CK)、单施氮磷钾 (NPK)、单施生物炭 (B)、生物炭与氮磷钾配施 (BNPK)、单施秸秆 (S)、秸秆与氮磷钾配施 (SNPK)。在玉米成熟收获后,采集0—20 cm和20—40 cm两个土层土壤样品,采用Yoder湿筛法进行了团聚体分级和测定。  【结果】  与NPK相比,BNPK和SNPK处理显著提高了0—20 cm和20—40 cm土层 > 1 mm、1~0.5 mm和 0.25~0.5 mm粒级团聚体含量占比,降低了0.25~0.053 mm粒级团聚体含量占比,SNPK处理提高大团聚体含量占比的效果显著高于BNPK。与NPK处理相比,BNPK和SNPK处理显著增加了团聚体平均重量直径 (MWD)、几何平均直径 (GMD) 和0.25 mm粒级团聚体含量 (R0.25),即增加了团聚体的稳定性,SNPK处理的团聚体MWD和GMD值又显著高于BNPK,R0.25值两处理间无显著差异。随团聚体粒级减小,不同粒级团聚体有机碳含量随之减少,以 > 1 mm粒级团聚体有机碳含量最高。大团聚体有机碳对土壤总有机碳贡献率较低,微团聚体有机碳贡献率较高,以0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳的贡献率最大。与CK处理相比,各施肥处理均增加了各粒级团聚体有机碳含量,BNPK处理对0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳含量影响最为显著,增加了52.89%。  【结论】  长期秸秆和生物炭还田能够改变土壤团聚体的分布,有利于大团聚体的形成、改善土壤结构,提高土壤团聚体有机碳含量和团聚体稳定性,增加作物产量,秸秆直接还田提高团聚体稳定性方面优于生物炭还田,生物炭还田提高团聚体有机碳含量方面优于秸秆直接还田。
  • 图 1  不同施肥处理土壤中有机碳含量

    Figure 1.  Soil organic carbon content under different fertilization treatments

    图 2  不同施肥处理各粒级团聚体中有机碳贡献率

    Figure 2.  Organic carbon proportion in different sizes of soil aggregates sizes under different fertilization treatments

    图 3  不同施肥处理玉米产量

    Figure 3.  Corn yield under different fertilization treatments

    表 1  秸秆和生物炭性状

    Table 1.  The properties of straw and biochar

    项目
    Item
    全氮 (%)
    N
    全磷 (%)
    P2O5
    全钾 (%)
    K2O
    有机碳 (%)
    Organic C
    比表面积 (m2/g)
    BET surface area
    孔体积 (cm3/g)
    Pore volume
    孔径 (nm)
    Pore size
    pH
    秸秆Straw0.960.720.8742.08
    生物炭Biochar1.250.882.7041.9926.920.047.1210.06
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    表 2  不同施肥处理土壤速效养分含量 (mg/kg)

    Table 2.  Soil available nutrients content under different fertilization treatments

    处理
    Treatment
    碱解氮Available N速效磷Available P速效钾Available K
    0―20 cm20―40 cm0―20 cm20―40 cm0―20 cm20―40 cm
    CK44.00 ± 1.45 c30.30 ± 0.91 c14.82 ± 0.64 d12.02 ± 0.56 e153.07 ± 4.81 b128.20 ± 1.10 d
    NPK83.46 ± 1.77 a39.44 ± 1.87 a29.20 ± 1.20 b25.10 ± 0.33 a170.30 ± 6.16 a 135.67 ± 0.39 bc
    B74.12 ± 1.16 b 36.32 ± 1.65 ab15.40 ± 0.75 d15.90 ± 0.47 c167.13 ± 2.76 a121.20 ± 2.32 e
    BNPK76.40 ± 1.45 b 37.15 ± 1.46 ab 30.20 ± 1.28 ab14.03 ± 0.71 d176.27 ± 3.12 a139.80 ± 1.10 b
    S72.45 ± 3.30 b35.28 ± 1.45 b21.00 ± 0.76 c17.77 ± 0.54 b169.10 ± 2.22 a 132.07 ± 3.99 cd
    SNPK74.12 ± 1.36 b 37.36 ± 0.75 ab32.79 ± 0.56 a 15.47 ± 0.38 cd180.53 ± 5.69 a153.17 ± 1.58 a
    注(Note):不施肥 (CK)、单施氮磷钾 (NPK)、单施生物炭 (B)、生物炭与氮磷钾配施 (BNPK)、单施秸秆 (S)、秸秆与氮磷钾配施 (SNPK) no fertilizer control (CK), chemical fertilizer (NPK), biochar application alone (B), biochar with chemical fertilizer application (BNPK), straw application alone (S) and straw with chemical fertilizer application (SNPK). 同列数据后不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 3  不同施肥处理土壤团聚体分布 (%)

    Table 3.  Distribution of soil aggregates under different fertilization treatments

    土层 (cm)
    Soil layer
    处理
    Treatment
    团聚体粒级Aggregates size (mm)
    > 11~0.50.5~0.250.25~0.053 < 0.053
    0―20CK8.80 ± 0.28 d9.65 ± 0.43 b10.54 ± 0.27 c 50.99 ± 0.42 a20.02 ± 0.53 c
    NPK 9.09 ± 0.32 cd9.33 ± 0.29 b11.99 ± 0.22 b 49.68 ± 1.66 a19.92 ± 0.98 c
    B9.93 ± 0.31 c9.90 ± 0.27 b10.46 ± 0.18 c 41.16 ± 1.15 b28.56 ± 0.77 a
    BNPK11.96 ± 0.39 b 11.31 ± 0.30 a 13.12 ± 0.35 a 41.77 ± 1.37 b21.84 ± 0.93 c
    S11.49 ± 0.36 b 11.75 ± 0.59 a 11.51 ± 0.18 bc40.62 ± 1.05 b24.64 ± 0.67 b
    SNPK13.66 ± 0.33 a 11.47 ± 0.48 a 11.44 ± 0.36 b 42.91 ± 0.14 b20.51 ± 0.41 c
    20―40CK6.96 ± 0.14 e7.79 ± 0.38 b8.62 ± 0.16 c49.39 ± 0.80 a27.24 ± 0.97 b
    NPK 7.53 ± 0.37 de7.64 ± 0.03 b8.88 ± 0.37 c49.33 ± 0.77 a26.61 ± 0.83 b
    B8.49 ± 0.17 c8.39 ± 0.10 b 9.09 ± 0.33 bc42.86 ± 0.96 c31.17 ± 0.95 a
    BNPK10.98 ± 0.15 b 8.32 ± 0.23 b10.29 ± 0.42 a 46.90 ± 1.44 ab23.51 ± 1.05 c
    S 7.92 ± 0.39 cd7.65 ± 0.20 b8.58 ± 0.17 c 44.00 ± 0.88 bc31.84 ± 0.90 a
    SNPK15.38 ± 0.36 a 11.20 ± 0.27 a 9.93 ± 0.30 ab41.94 ± 1.16 c21.55 ± 0.71 c
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 4  不同施肥处理土壤团聚体稳定性差异

    Table 4.  Differences in stability of soil aggregates under different fertilization treatments

    处理
    Treatment
    MWD (mm)GMD (mm)R0.25 (%)
    0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm
    CK0.37 ± 0.02 c0.31 ± 0.01 d0.17 ± 0.02 c 0.14 ± 0.03 cd28.99 ± 0.44 b23.37 ± 0.18 d
    NPK0.38 ± 0.07 c 0.32 ± 0.06 cd0.18 ± 0.02 c0.14 ± 0.02 c30.40 ± 0.79 b24.05 ± 0.06 d
    B0.38 ± 0.07 c0.34 ± 0.04 c0.15 ± 0.03 d 0.14 ± 0.03 cd30.29 ± 0.65 b25.97 ± 0.15 c
    BNPK0.44 ± 0.05 b0.40 ± 0.05 b0.19 ± 0.02 b0.17 ± 0.03 b36.40 ± 0.45 a29.59 ± 0.59 b
    S0.43 ± 0.09 b 0.32 ± 0.08 cd0.18 ± 0.04 c0.13 ± 0.03 d34.74 ± 0.75 a24.16 ± 0.45 d
    SNPK0.47 ± 0.03 a0.50 ± 0.06 a0.20 ± 0.02 a0.20 ± 0.02 a36.58 ± 0.50 a36.51 ± 0.69 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 5  不同施肥处理各粒级团聚体中有机碳含量

    Table 5.  Organic carbon contents of soil aggregates at all sizes under different fertilization treatments

    土层 (cm)
    Soil layer
    处理
    Treatment
    团聚体有机碳含量Organic carbon content in aggregates (g/kg)
    > 1 mm1~0.5 mm0.5~0.25 mm0.25~0.053 mm < 0.053 mm
    0―20CK8.49 ± 0.27 c7.58 ± 0.11 d7.22 ± 0.21 d7.27 ± 0.22 c6.07 ± 0.11 c
    NPK9.32 ± 0.34 c8.22 ± 0.20 c8.79 ± 0.21 b8.09 ± 0.22 bc6.88 ± 0.07 b
    B10.63 ± 0.25 b9.31 ± 0.19 b9.76 ± 0.19 a10.44 ± 0.36 a7.12 ± 0.31 b
    BNPK12.98 ± 0.33 a10.46 ± 0.13 a9.97 ± 0.22 a10.51 ± 0.29 a7.97 ± 0.18 a
    S9.22 ± 0.30 c7.75 ± 0.09 d7.98 ± 0.08 c8.69 ± 0.40 b7.44 ± 0.18 ab
    SNPK11.59 ± 0.51 b9.50 ± 0.15 b8.78 ± 0.15 b8.95 ± 0.35 b7.77 ± 0.19 a
    20―40CK8.86 ± 0.14 bc8.27 ± 0.15 bc7.44 ± 0.18 bc6.61 ± 0.12 c5.59 ± 0.18 b
    NPK9.46 ± 0.32 ab7.99 ± 0.29 bc8.03 ± 0.29 ab7.13 ± 0.24 bc5.49 ± 0.29 b
    B9.68 ± 0.20 a8.73 ± 0.18 b8.42 ± 0.27 a8.48 ± 0.31 a6.00 ± 0.11 b
    BNPK9.04 ± 0.18 abc8.84 ± 0.42 b8.61 ± 0.21 a8.23 ± 0.28 a6.23 ± 0.18 b
    S8.09 ± 0.16 d7.81 ± 0.20 c6.95 ± 0.13 c7.44 ± 0.30 b5.85 ± 0.24 b
    SNPK8.45 ± 0.22 cd10.45 ± 0.22 a8.45 ± 0.09 a8.70 ± 0.18 a7.02 ± 0.27 a
    注(Note):不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异 (P < 0.05) Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
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  • 收稿日期:  2020-03-04

秸秆和生物炭还田对棕壤团聚体分布及有机碳含量影响特征

    作者简介:高鸣慧 E-mail:15840091108@163.com
    通讯作者: 李娜, lnxlina@163.com
    通讯作者: 韩晓日, hanxiaori@163.com
  • 沈阳农业大学土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室/农业农村部东北玉米营养与施肥科学观测实验站,沈阳 110866
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2018YFD0300308);国家重点研发计划项目(2017YFD0300700)。
  • 摘要:   【目的】  比较长期进行秸秆和生物炭还田后土壤团聚体的变化与差异,旨在寻找适宜的方法改良棕壤。  【方法】  选择辽宁沈阳棕壤玉米连作体系,连续开展了6年的田间定位微区试验,试验共设6个处理:不施肥 (CK)、单施氮磷钾 (NPK)、单施生物炭 (B)、生物炭与氮磷钾配施 (BNPK)、单施秸秆 (S)、秸秆与氮磷钾配施 (SNPK)。在玉米成熟收获后,采集0—20 cm和20—40 cm两个土层土壤样品,采用Yoder湿筛法进行了团聚体分级和测定。  【结果】  与NPK相比,BNPK和SNPK处理显著提高了0—20 cm和20—40 cm土层 > 1 mm、1~0.5 mm和 0.25~0.5 mm粒级团聚体含量占比,降低了0.25~0.053 mm粒级团聚体含量占比,SNPK处理提高大团聚体含量占比的效果显著高于BNPK。与NPK处理相比,BNPK和SNPK处理显著增加了团聚体平均重量直径 (MWD)、几何平均直径 (GMD) 和0.25 mm粒级团聚体含量 (R0.25),即增加了团聚体的稳定性,SNPK处理的团聚体MWD和GMD值又显著高于BNPK,R0.25值两处理间无显著差异。随团聚体粒级减小,不同粒级团聚体有机碳含量随之减少,以 > 1 mm粒级团聚体有机碳含量最高。大团聚体有机碳对土壤总有机碳贡献率较低,微团聚体有机碳贡献率较高,以0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳的贡献率最大。与CK处理相比,各施肥处理均增加了各粒级团聚体有机碳含量,BNPK处理对0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳含量影响最为显著,增加了52.89%。  【结论】  长期秸秆和生物炭还田能够改变土壤团聚体的分布,有利于大团聚体的形成、改善土壤结构,提高土壤团聚体有机碳含量和团聚体稳定性,增加作物产量,秸秆直接还田提高团聚体稳定性方面优于生物炭还田,生物炭还田提高团聚体有机碳含量方面优于秸秆直接还田。

    English Abstract

    • 棕壤是中国东北黑土区典型耕作土壤之一,由于长期不合理耕作导致棕壤有机质含量逐年下降,土壤结构破坏,肥力退化等一系列问题发生[1]。秸秆内含有大量有机质和植物生长所必需的氮、磷、钾及中微量元素[2-3],秸秆还田可有效提升土壤质量,维持其可持续生产力[4-5]。东北地区气候寒冷,秸秆还田后不易腐解,而将秸秆制备成生物炭,生物炭施入土壤可以通过对腐殖质及微域特征的影响促进碳素固定,有利于增加土壤有机碳含量[6-7]。生物炭能够吸附土壤有机分子,通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成土壤有机质[8]。生物炭施入土壤被认为有巨大的固碳增汇潜力,已证实秸秆炭化还田能改善土壤理化性质和土壤结构、提高作物产量和品质、增强土壤“碳汇”功能和减少温室气体排放。土壤团聚体是土壤的基本结构单位,其数量和质量决定土壤的性质和肥力[9]。通过研究土壤结构和肥力的变化,阐明秸秆和生物炭还田对改变团聚体分布和提升土壤肥力有重要意义。研究已经证明秸秆和生物炭还田可以显著增加土壤中大团聚体数量,提高团聚体中有机碳含量[10],改善土壤结构,进而使土壤肥力得到提高。乔丹丹等[11]研究发现秸秆和生物炭还田后能增加大粒级土壤团聚体含量,提升土壤团聚体稳定性,提高土壤有机碳含量,而徐国鑫等[12]采用油菜/玉米轮作模式的田间试验发现,生物炭还田和秸秆+生物炭还田效果优于秸秆还田,大团聚体有机碳贡献率最低。林洪羽等[13]研究表明,秸秆和生物炭施用能显著提升紫色土有机碳含量,增强土壤结构稳定性,同样在砂姜黑土上,生物炭与秸秆配施可以增加土壤大团聚体含量和团聚体稳定性[14]。Zhang等[15]则通过对东北地区软土水稳定性团聚体内有机碳的研究发现,与对照和单施氮磷钾处理相比,秸秆和生物炭配施肥氮磷钾处理增加 > 2 mm粒级团聚体含量,降低0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm粒级团聚体含量,平均重量直径和有机碳含量也相对增加。综上表明秸秆和生物炭还田对改善土壤结构,提高土壤稳定性和有机碳含量具有重要影响。以往的研究采用定位试验较少,且多在施肥基础上添加秸秆和生物炭,而未考虑秸秆和生物炭本身氮磷钾含量,土壤对秸秆和生物炭还田后的响应是由于额外添加的养分,还是秸秆和生物炭自身具有的良好理化性质而造成的积极影响,相关依据仍然较少,因此在等氮磷钾养分条件下,秸秆和生物炭还田对土壤团聚体分布和团聚体有机碳含量的影响尚不明确。本研究基于连续六年定位微区试验,通过对土壤团聚体的分布、稳定性、有机碳含量及有机碳贡献率的变化开展研究,以期明确秸秆和生物炭还田对棕壤团聚体稳定性及有机碳含量的影响,为指导农业合理施肥和辽宁地区棕壤可持续利用提供科学依据。

      • 试验地位于辽宁省沈阳市沈阳农业大学后山棕壤肥料长期定位试验基地玉米渗滤池定位微区,该地区属温带湿润—半湿润季风气候,平均气温7.0℃~8.1℃,年降水量574~684 mm,无霜期147~164天,供试土壤为棕壤,是东北地区主要耕作土壤之一,具有典型代表性。本定位试验开始于2013年,试验开始前耕层土壤有机质10.01 g/kg、全氮0.70 g/kg、全磷0.32 g/kg、全钾20.31 g/kg、碱解氮55.60 mg/kg、速效磷11.56 mg/kg、速效钾79.28 mg/kg、pH 6.05。玉米秸秆和生物炭性状见表1

        表 1  秸秆和生物炭性状

        Table 1.  The properties of straw and biochar

        项目
        Item
        全氮 (%)
        N
        全磷 (%)
        P2O5
        全钾 (%)
        K2O
        有机碳 (%)
        Organic C
        比表面积 (m2/g)
        BET surface area
        孔体积 (cm3/g)
        Pore volume
        孔径 (nm)
        Pore size
        pH
        秸秆Straw0.960.720.8742.08
        生物炭Biochar1.250.882.7041.9926.920.047.1210.06

        试验设6个处理:不施肥 (CK)、单施氮磷钾 (NPK)、单施生物炭 (B)、生物炭与氮磷钾配施 (BNPK)、单施秸秆 (S)、秸秆与氮磷钾配施 (SNPK)。生物炭用量 (干基) 为1500 kg/hm2 (由4500 kg/hm2玉米秸秆制取);秸秆用量 (干基) 为4500 kg/hm2 (按当地实际秸秆年分解量);处理2、4、6氮磷钾用量相同,分别为N 225 kg/hm2、P2O5 112.5 kg/hm2、K2O 112.5 kg/hm2 (含秸秆和生物炭中氮磷钾含量),即等氮磷钾养分设计。秸秆 (切成2~3 cm短段) 和生物炭每年春播前施用,肥料作为基肥一次性全部与土壤混施,深度为0―20 cm,后期不再追肥。种植制度为一年一熟玉米连作,2013―2018年品种为东单6531,种植密度为60000株/hm2,每个小区12株。小区面积为2 m2,每个处理3次重复,随机排列。

      • 于2018年秋季收获后采集0―20 cm和20―40 cm土层土壤,沿自然结构面轻轻地用手掰成直径约为1 cm的小土块,避免受到机械压力而破碎,去除粗根和小石块,过10 mm筛,风干后待用。

      • 采用Yoder湿筛法[15],分离出 > 1 mm、1~0.5 mm、0.5~0.25 mm、0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm粒级团聚体,过100目筛后测定其中有机碳含量。利用德国 Vario EL Ⅲ型元素分析仪测定土壤有机碳。

      • 选取平均重量直径 (MWD)、几何平均直径 (GMD) 和0.25 mm粒级团聚体含量 (R0.25) 作为土壤团聚体稳定性的评价指标[14]。其计算公式如下:

        $ \begin{aligned} & {\rm{MWD}} = \sum\nolimits_i^n {\overline {{X_i}} } \;{\rm{Wi}}\\ & {\rm{GMD = exp}}\left[ {\sum {{\rm{Wi}}\ln } \overline {{X_i}} } \right]\\ & {{\rm{R}}_{0.25}} = \frac{{M_R > 0.25}}{{M_T}} \end{aligned} $

        式中:n为粒径分组的组数;Xi为i粒级分组团聚体的平均直径;Wi为i粒级团聚体的质量分数;MT为团聚体总质量 (g)。

        各粒级团聚体有机质对土壤总有机碳的贡献率按以下公式计算:

        $ \begin{aligned} & {\text{各粒级团聚体有机碳贡献率}}(\%)=\\ & \frac{{{\text{各粒级团聚体有机碳含量}} \times {\text{各粒级团聚体含量}} \times 100}}{{{\text{耕层土壤总有机碳含量}}}} \end{aligned} $

      • 利用 Microsoft Excel 2010进行试验基础数据处理,SPSS22.0对土壤速效养分含量、团聚体分布及其稳定性、土壤有机碳含量、团聚体有机碳含量及其贡献率、玉米产量等数据进行单因素方差分析和显著性检验,处理间差异采用Duncan多重比较方法,差异性水平为0.05。

      • 表2所示,不同施肥处理均较CK处理显著提高土壤碱解氮和速效磷含量。0―20 cm土层,与NPK处理相比,BNPK和SNPK处理土壤碱解氮含量均显著降低;BNPK处理速效磷含量没有显著增加,SNPK处理显著提高了12.29% (< 0.05),但BNPK处理和SNPK处理无显著差异;土壤速效钾含量所有处理间没有显著差异。20―40 cm土层,BNPK和SNPK处理碱解氮含量与NPK处理没有显著差异,含量整体小于0―20 cm土层土壤碱解氮含量;速效磷含量显著低于NPK处理,SNPK处理速效钾含量显著高于BNPK,BNPK与NPK差异不显著。总的来看,生物炭配合氮磷钾处理降低了土壤中速效氮含量,增加了速效磷含量,对速效钾含量没有显著影响,而秸秆与氮磷钾配合也降低了土壤速效氮含量,但增加了土壤表层速效磷含量和亚表层速效钾含量。

        表 2  不同施肥处理土壤速效养分含量 (mg/kg)

        Table 2.  Soil available nutrients content under different fertilization treatments

        处理
        Treatment
        碱解氮Available N速效磷Available P速效钾Available K
        0―20 cm20―40 cm0―20 cm20―40 cm0―20 cm20―40 cm
        CK44.00 ± 1.45 c30.30 ± 0.91 c14.82 ± 0.64 d12.02 ± 0.56 e153.07 ± 4.81 b128.20 ± 1.10 d
        NPK83.46 ± 1.77 a39.44 ± 1.87 a29.20 ± 1.20 b25.10 ± 0.33 a170.30 ± 6.16 a 135.67 ± 0.39 bc
        B74.12 ± 1.16 b 36.32 ± 1.65 ab15.40 ± 0.75 d15.90 ± 0.47 c167.13 ± 2.76 a121.20 ± 2.32 e
        BNPK76.40 ± 1.45 b 37.15 ± 1.46 ab 30.20 ± 1.28 ab14.03 ± 0.71 d176.27 ± 3.12 a139.80 ± 1.10 b
        S72.45 ± 3.30 b35.28 ± 1.45 b21.00 ± 0.76 c17.77 ± 0.54 b169.10 ± 2.22 a 132.07 ± 3.99 cd
        SNPK74.12 ± 1.36 b 37.36 ± 0.75 ab32.79 ± 0.56 a 15.47 ± 0.38 cd180.53 ± 5.69 a153.17 ± 1.58 a
        注(Note):不施肥 (CK)、单施氮磷钾 (NPK)、单施生物炭 (B)、生物炭与氮磷钾配施 (BNPK)、单施秸秆 (S)、秸秆与氮磷钾配施 (SNPK) no fertilizer control (CK), chemical fertilizer (NPK), biochar application alone (B), biochar with chemical fertilizer application (BNPK), straw application alone (S) and straw with chemical fertilizer application (SNPK). 同列数据后不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
      • 表3可知,与NPK处理相比,0—20 cm土层中,BNPK显著增加了 > 1 mm、1~0.5 mm和 < 0.053 mm粒级团聚体占比,减少了0.25~0.053 mm粒级团聚体占比;SNPK处理显著增加了 > 1 mm和1~0.5 mm粒级团聚体占比,减少了0.25~0.053 mm粒级团聚体占比;20—40 cm土层中,BNPK与SNPK处理对土壤团聚体分布的影响效果相似,增加 > 1 mm、1~0.5 mm和0.5~0.25 mm粒级团聚体占比,减少0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm粒级占比。

        表 3  不同施肥处理土壤团聚体分布 (%)

        Table 3.  Distribution of soil aggregates under different fertilization treatments

        土层 (cm)
        Soil layer
        处理
        Treatment
        团聚体粒级Aggregates size (mm)
        > 11~0.50.5~0.250.25~0.053 < 0.053
        0―20CK8.80 ± 0.28 d9.65 ± 0.43 b10.54 ± 0.27 c 50.99 ± 0.42 a20.02 ± 0.53 c
        NPK 9.09 ± 0.32 cd9.33 ± 0.29 b11.99 ± 0.22 b 49.68 ± 1.66 a19.92 ± 0.98 c
        B9.93 ± 0.31 c9.90 ± 0.27 b10.46 ± 0.18 c 41.16 ± 1.15 b28.56 ± 0.77 a
        BNPK11.96 ± 0.39 b 11.31 ± 0.30 a 13.12 ± 0.35 a 41.77 ± 1.37 b21.84 ± 0.93 c
        S11.49 ± 0.36 b 11.75 ± 0.59 a 11.51 ± 0.18 bc40.62 ± 1.05 b24.64 ± 0.67 b
        SNPK13.66 ± 0.33 a 11.47 ± 0.48 a 11.44 ± 0.36 b 42.91 ± 0.14 b20.51 ± 0.41 c
        20―40CK6.96 ± 0.14 e7.79 ± 0.38 b8.62 ± 0.16 c49.39 ± 0.80 a27.24 ± 0.97 b
        NPK 7.53 ± 0.37 de7.64 ± 0.03 b8.88 ± 0.37 c49.33 ± 0.77 a26.61 ± 0.83 b
        B8.49 ± 0.17 c8.39 ± 0.10 b 9.09 ± 0.33 bc42.86 ± 0.96 c31.17 ± 0.95 a
        BNPK10.98 ± 0.15 b 8.32 ± 0.23 b10.29 ± 0.42 a 46.90 ± 1.44 ab23.51 ± 1.05 c
        S 7.92 ± 0.39 cd7.65 ± 0.20 b8.58 ± 0.17 c 44.00 ± 0.88 bc31.84 ± 0.90 a
        SNPK15.38 ± 0.36 a 11.20 ± 0.27 a 9.93 ± 0.30 ab41.94 ± 1.16 c21.55 ± 0.71 c
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).

        两个土层中,SNPK处理 > 1 mm和1~0.5 mm粒级团聚体占比高于BNPK处理,BNPK 处理的0.5~0.25 mm粒级团聚体占比大于SNPK处理,表明SNPK处理提高大粒级团聚体占比的效果好于BNPK处理。

        表4可知,与NPK处理相比,BNPK处理和SNPK处理显著增加MWD、GMD和R0.25,且SNPK处理MWD、GMD显著高于BNPK处理,R0.25差异不显著。0―20 cm土层中,团聚体MWD大小依次为SNPK > BNPK > S > B > NPK > CK。与NPK处理相比,BNPK处理和SNPK处理MWD分别提高了15.79%和23.68%。与NPK处理相比,BNPK处理和SNPK处理GMD分别增加5.56%和11.11%。20—40 cm土层中,BNPK处理和SNPK处理MWD、GMD和R0.25分别差异显著,且SNPK处理显著高于BNPK处理。

        表 4  不同施肥处理土壤团聚体稳定性差异

        Table 4.  Differences in stability of soil aggregates under different fertilization treatments

        处理
        Treatment
        MWD (mm)GMD (mm)R0.25 (%)
        0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm
        CK0.37 ± 0.02 c0.31 ± 0.01 d0.17 ± 0.02 c 0.14 ± 0.03 cd28.99 ± 0.44 b23.37 ± 0.18 d
        NPK0.38 ± 0.07 c 0.32 ± 0.06 cd0.18 ± 0.02 c0.14 ± 0.02 c30.40 ± 0.79 b24.05 ± 0.06 d
        B0.38 ± 0.07 c0.34 ± 0.04 c0.15 ± 0.03 d 0.14 ± 0.03 cd30.29 ± 0.65 b25.97 ± 0.15 c
        BNPK0.44 ± 0.05 b0.40 ± 0.05 b0.19 ± 0.02 b0.17 ± 0.03 b36.40 ± 0.45 a29.59 ± 0.59 b
        S0.43 ± 0.09 b 0.32 ± 0.08 cd0.18 ± 0.04 c0.13 ± 0.03 d34.74 ± 0.75 a24.16 ± 0.45 d
        SNPK0.47 ± 0.03 a0.50 ± 0.06 a0.20 ± 0.02 a0.20 ± 0.02 a36.58 ± 0.50 a36.51 ± 0.69 a
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
      • 图1所示,经过六年定位试验,BNPK处理和SNPK处理较NPK处理均能增加土壤有机碳含量。0—20 cm土层中,BNPK处理土壤有机碳含量最高,较NPK处理显著提高了25.67%,且BNPK处理土壤有机碳含量显著高于SNPK处理。20—40 cm土层中,BNPK处理和SNPK处理差异不显著,但含量仍高于NPK处理。

        图  1  不同施肥处理土壤中有机碳含量

        Figure 1.  Soil organic carbon content under different fertilization treatments

        表5表明,0—20 cm土层中,与NPK处理相比,BNPK处理显著增加了各粒级团聚体中的有机碳含量,而SNPK处理则显著增加了 > 1 mm、1~0.5 mm和 < 0.053 mm团聚体中的有机碳含量。20—40 cm土层中,BNPK处理显著增加了0.25~0.053 mm粒级团聚体中的有机碳含量,而SNPK处理则显著增加了几乎所有粒级团聚体中的有机碳含量。综合来看,生物炭与NPK配合提高表层土壤中各粒级团聚体中的有机碳含量的效果显著,而秸秆与NPK配合可以显著提高亚表层各团聚体中的有机碳含量。

        表 5  不同施肥处理各粒级团聚体中有机碳含量

        Table 5.  Organic carbon contents of soil aggregates at all sizes under different fertilization treatments

        土层 (cm)
        Soil layer
        处理
        Treatment
        团聚体有机碳含量Organic carbon content in aggregates (g/kg)
        > 1 mm1~0.5 mm0.5~0.25 mm0.25~0.053 mm < 0.053 mm
        0―20CK8.49 ± 0.27 c7.58 ± 0.11 d7.22 ± 0.21 d7.27 ± 0.22 c6.07 ± 0.11 c
        NPK9.32 ± 0.34 c8.22 ± 0.20 c8.79 ± 0.21 b8.09 ± 0.22 bc6.88 ± 0.07 b
        B10.63 ± 0.25 b9.31 ± 0.19 b9.76 ± 0.19 a10.44 ± 0.36 a7.12 ± 0.31 b
        BNPK12.98 ± 0.33 a10.46 ± 0.13 a9.97 ± 0.22 a10.51 ± 0.29 a7.97 ± 0.18 a
        S9.22 ± 0.30 c7.75 ± 0.09 d7.98 ± 0.08 c8.69 ± 0.40 b7.44 ± 0.18 ab
        SNPK11.59 ± 0.51 b9.50 ± 0.15 b8.78 ± 0.15 b8.95 ± 0.35 b7.77 ± 0.19 a
        20―40CK8.86 ± 0.14 bc8.27 ± 0.15 bc7.44 ± 0.18 bc6.61 ± 0.12 c5.59 ± 0.18 b
        NPK9.46 ± 0.32 ab7.99 ± 0.29 bc8.03 ± 0.29 ab7.13 ± 0.24 bc5.49 ± 0.29 b
        B9.68 ± 0.20 a8.73 ± 0.18 b8.42 ± 0.27 a8.48 ± 0.31 a6.00 ± 0.11 b
        BNPK9.04 ± 0.18 abc8.84 ± 0.42 b8.61 ± 0.21 a8.23 ± 0.28 a6.23 ± 0.18 b
        S8.09 ± 0.16 d7.81 ± 0.20 c6.95 ± 0.13 c7.44 ± 0.30 b5.85 ± 0.24 b
        SNPK8.45 ± 0.22 cd10.45 ± 0.22 a8.45 ± 0.09 a8.70 ± 0.18 a7.02 ± 0.27 a
        注(Note):不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异 (P < 0.05) Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).

        在0—20 cm土层,不同施肥处理 > 1 mm粒级中团聚体有机碳贡献率大小依次为SNPK > BNPK > S > B > NPK > CK,而在0.25~0.053 mm粒级中有机碳贡献率大小依次为CK > NPK > B > BNPK > S > SNPK。与NPK处理相比,BNPK处理和SNPK处理可以显著提高 > 1 mm粒级团聚体中有机碳贡献率,分别提高了45.29%和65.37%。20—40 cm土层,与NPK处理相比,BNPK处理和SNPK处理能够明显提高 > 1 mm粒级中团聚体有机碳贡献率,分别提高了23.23%和51.08%,降低 < 0.053 mm粒级中有机碳贡献率,分别降低了11.35%和14.37%。

        图  2  不同施肥处理各粒级团聚体中有机碳贡献率

        Figure 2.  Organic carbon proportion in different sizes of soil aggregates sizes under different fertilization treatments

      • 除B处理外,不同施肥处理均可以显著增加玉米产量。玉米产量从高到低依次为BNPK > SNPK > S > NPK > CK > B。BNPK处理和SNPK处理较NPK处理产量分别增加了22.20%和5.94%。其中BNPK处理增产效果最显著,产量为12101.98 kg/hm2,其次为SNPK处理,产量为10491.29 kg/hm2,且BNPK处理显著高于处理,BNPK处理和SNPK处理显著高于CK处理 (图3)。

        图  3  不同施肥处理玉米产量

        Figure 3.  Corn yield under different fertilization treatments

      • 土壤中的氮磷钾等速效养分是植物当季可以直接吸收并利用的养分,直接影响作物生长发育状况。慕平等[17]通过连续多年秸秆还田对玉米耕层土壤理化性状的研究发现多年秸秆还田可以有效提高土壤中有机质、全氮、有效磷和速效钾含量。本研究结果与其一致。研究表明,秸秆覆盖、粉碎翻埋、促腐或者炭化后还田配施常规用量化肥均增加作物产量,长期还田能够增加土壤有机质和养分含量,改善土壤理化性质[18]。经过6年的定位试验表明不同施肥处理对团聚体产生的影响不同。与单施氮磷钾相比,秸秆配施氮磷钾能增加土壤 > 1 mm和1~0.5 mm粒级团聚体含量,减少0.25 ~0.053 mm团聚体含量。大团聚体含量增加主要是由于秸秆还田后增加土壤有机质含量,同时降低了土壤容重,使孔隙度增加,增强根系及土壤微生物的活动能力,有助于团聚体的形成[19-20]。MWD、GMD和R0.25常作为反映土壤团聚体的大小分布状况的指标,且与土壤团聚体稳定性具有一致性,大团聚体含量越高,值越大,团聚体越稳定[21]。连续秸秆还田能提高不同粒级土壤团聚体稳定性[22],本研究发现,团聚体稳定性顺序为秸秆配施氮磷钾 > 单施氮磷钾 > 对照,秸秆配施氮磷钾R0.25显著高于对照,这是由于秸秆还田后可以分解产生如多糖、蛋白质、木质素等不同种类的有机质,这些有机胶结物质对大团聚体的形成产生了影响[23],大团聚体含量增加,进而增加团聚体稳定性。土壤有机碳是形成土壤团聚体重要的有机胶结物质,而土壤团聚体的形成过程也是有机碳重要的固定过程。有机碳作为形成团聚体的重要胶结物质,不仅有利于土壤中矿物和黏粒胶结形成水稳定性大团聚体,而且作为土壤肥力高低的决定性因子[9],且团聚体是土壤有机碳的重要储存场所。孟祥天等[24]研究发现秸秆配施氮磷钾提高团聚体有机碳含量与对照和单施氮磷钾无显著差异,而本试验发现秸秆配施氮磷钾可以显著增加不同粒级团聚体有机碳含量,且大团聚体对土壤有机碳贡献率较大[25],这可能与研究的土壤类型不同有关。土壤团聚体有机碳的贡献率由团聚体分布和团聚体各粒级有机碳含量共同决定。

      • 在本试验中,施用生物炭可以提高土壤有效磷和速效钾的养分含量。王冲等[26]研究发现长期生物炭还田能提高 0―20 cm耕层黑土的碱解氮、有效磷和速效钾含量,提高黑土有效肥力。生物炭配施氮磷钾增产效果优于秸秆配施氮磷钾,单施化肥对作物增产有一定的效果,但不是最优处理。Ma等[27]通过三年微区试验研究表明秸秆和生物炭还田,尤其是生物炭还田显著增加了软土中大团聚体含量,本试验研究结果与其一致。与对照和氮磷钾处理相比,生物炭配施氮磷钾能增加土壤大团聚体含量,减少微团聚体 (< 0.25 mm) 含量。这是由于生物炭同样作为胶结介质促进土壤团聚体的形成,且生物炭和土壤中其他形态有机物质以及矿物等可发生进一步的交互作用而促进土壤团聚体的形成[28]。团聚体稳定性方面,秸秆配施氮磷钾 > 生物炭配施氮磷钾 > 单施氮磷钾 > 对照。究其原因,生物炭本身作为胶结物质能将较小粒级的团聚体胶结成大团聚体,促进团聚体形成[29-30],然而与秸秆不同,生物炭是在高温条件下制备,属惰性固体材料,具有高度羧酸酯化和稳定的芳香化结构,较秸秆难以被微生物分解利用[31]。在提高团聚体稳定性方面,秸秆还田效果优于生物炭还田。本研究发现,在0―20 cm土层,生物炭配施氮磷钾不同粒级 (除 < 0.053 mm粒级) 团聚体有机碳含量显著高于秸秆配施氮磷钾,原因可能是生物炭还田后提高土壤总碳库能力高于秸秆还田,因此进入各粒级团聚体中的有机碳也较多。同时,生物炭施用增加土壤大团聚体 (> 0.25 mm) 中有机碳含量,这是因为新进入的外源有机碳主要集中分布在大团聚体中[11],与微团聚体 (< 0.25 mm) 相比,生物炭更倾向与土壤大团聚体结合。土壤大团聚体内有机碳含量的增加,有利于维持形成大团聚体的微团聚体的长期稳定。提高团聚体有机碳含量上,生物炭还田优于秸秆还田。生物炭配施氮磷钾对土壤团聚体有机碳贡献率影响与秸秆配施氮磷钾影响相同。在0―20 cm土层,生物炭配施氮磷钾显著提高了土壤大团聚体的有机碳贡献率,同时降低了土壤微团聚体的有机碳贡献率,与徐国鑫[12]等研究结果相同。由于本定位试验开展时间相对较短,因此仍需长期试验来进一步验证秸秆和生物炭还田对棕壤团聚体分布及有机碳含量影响,为东北地区棕壤的改良、培肥提供更科学有力的实践依据。

      • 经过6年微区定位试验发现,生物炭配施氮磷钾处理降低土壤速效氮含量,而秸秆配施氮磷钾处理降低土壤速效氮含量的同时提高土壤亚表层速效钾含量;秸秆和生物炭还田均能改变土壤团聚体的分布,促进土壤大团聚体 (> 0.25 mm) 形成,提高团聚体稳定性;有利于各粒级团聚体有机碳含量及有机碳贡献率的增加,秸秆直接还田提高团聚体稳定性优于生物炭还田,生物炭还田提高土壤团聚体有机碳含量效果优于秸秆直接还田。在农业生产实践中可以通过秸秆和生物炭还田改善棕壤结构及提高其有机碳水平。

    参考文献 (31)
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