扩蓄增容肥对土土壤有机碳和氮的影响

2015-07-02 01:42高明霞孙本华
关键词:土壤有机无机有机

潘 婷,高明霞,孙本华

(西北农林科技大学 a 资源环境学院,b 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

潘 婷a,高明霞b,孙本华a

(西北农林科技大学 a 资源环境学院,b 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

扩蓄增容肥;土壤有机碳;可溶性有机碳;易氧化性有机碳;可溶性有机氮

碳氮含量是农田土壤肥力和质量的重要指标,关系着土地生产力和土地可持续利用性,直接影响着作物产量。长久以来关于施肥对土壤有机碳和全氮含量及其相互关系影响的研究较多[1-2],其中土壤活性有机碳氮是近年来的研究热点[3-4],土壤活性有机碳氮含量可在不同程度上反映土壤有机碳的有效性和土壤质量优劣[4-5]。

土壤扩蓄增容指有效调节土壤水、热、气状况,改善土壤团粒结构、增加土壤有效空隙,抑制土壤的表面无效蒸发,有效改善土壤持水保水、固肥能力的技术[6]。根据这项技术研制的土壤扩蓄增容肥在作物增产、土壤水分保持、水分利用效率提高等方面效果显著[7-10];扩蓄增容肥施入土壤中,可改变土壤物理结构和化学性质,从而影响到土壤微生物活动。活性有机碳氮受土壤微生物活动影响大,在指示土壤质量和肥力变化时较灵敏,能够即时反映土壤肥力和土壤物理性质的变化。因此通过研究扩蓄增容肥对土壤活性有机碳氮含量的影响,可揭示短时间内扩蓄增容肥对土壤质量和肥力的作用机理。近年来扩蓄增容肥对于土壤培肥的效果,尤其是对土壤有机质的提升作用及土壤活性有机碳氮影响的研究仅有少量报道[10-11]。本研究以由有机页岩、油渣和无机化肥研制的有机无机复合型土壤扩蓄增容肥为供试肥料,采用田间试验比较了扩蓄增容肥的不同施用量、扩蓄增容材料和传统施肥(无机化肥)对土壤不同形态有机碳、氮含量的影响,以深入了解扩蓄增容肥对土壤质量的影响及其作用机理,为土壤扩蓄增容肥研发和施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况及试验设计

试验开始于2012-06,作物体系为夏玉米-冬小麦轮作,一年两熟。试验共设7个处理,分别为:1)对照(CK),不施肥;2)传统施肥(Traditional fertilization),施用尿素489.1 kg/hm2和过磷酸钙600 kg/hm2,基本相当于当地的N、P推荐施肥量;3)同量施肥(Equal fertilizer),施用除去扩蓄增容材料的扩蓄增容肥(即未施用有机页岩),用量为487.5 kg/hm2;4)扩蓄增容材料(Amendment material),只施用扩蓄增容材料有机页岩,用量为262.5 kg/hm2;5)扩蓄增容肥1处理(Amendment fertilizer 1),扩蓄增容肥用量为750.0 kg/hm2;6)扩蓄增容肥2处理(Amendment fertilizer 2),扩蓄增容肥1处理用量的1.25倍,即扩蓄增容肥用量937.5 kg/hm2;7)扩蓄增容肥3处理(Amendment fertilizer 3),扩蓄增容肥1处理用量的1.5倍,即扩蓄增容肥用量1 125.0 kg/hm2。扩蓄增容肥组成为:扩蓄增容材料有机页岩(有机C含量84.0 g/kg、全氮含量3.1 g/kg)、油渣(有机C含量422.5 g/kg、全氮含量54.8 g/kg)、尿素、二铵和磷酸二氢钾。每处理设4个重复,小区面积为20 m2。所有肥料于播种前一次性施入。

1.2 样品采集与测定

于2013-06小麦收获后采取土样,每个小区多点随机混合,取样深度为耕层0~20 cm。采集的土壤样品一部分风干用于土壤有机碳(SOC)、易氧化有机碳(KMnO4-C)和土壤全氮(TN)含量测定,一部分保存于4 ℃冰箱中用于土壤微生物量碳氮和可溶性碳氮的测定。

1.3 数据处理

试验数据均以“平均值±标准差”形式表示,采用 SPSS 18.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 施肥对土壤有机碳形态的影响

由表1可见,不同施肥处理间土壤SOC含量差异显著,除了扩蓄增容材料处理外,其他施肥处理土壤SOC含量都显著高于对照,表现为扩蓄增容肥3处理>扩蓄增容肥2处理>同量施肥处理>扩蓄增容肥1处理>传统施肥处理>扩蓄增容材料处理>对照,说明无论是常规施肥还是施用扩蓄增容肥,都能够显著提高土壤SOC含量,这与吕家珑等[17]的研究结论无机肥或者有机无机肥配施都能提高土壤SOC含量相一致。扩蓄增容肥不同用量对土壤SOC含量的影响表现为,扩蓄增容肥3处理>扩蓄增容肥2处理>扩蓄增容肥1处理,且扩蓄增容肥3处理与扩蓄增容肥1处理之间差异达到显著水平,说明随着扩蓄增容肥施用量的增加,土壤SOC含量增加。其中扩蓄增容肥2、3处理的土壤SOC含量较对照分别提高了11.9%和13.4%,显著高于传统施肥处理(5.9%),说明扩蓄增容肥提高土壤SOC含量的作用较传统施肥明显,这主要是因为扩蓄增容肥中有机页岩和油渣的作用所致。

表1 不同施肥处理下土壤各形态有机碳的含量Table 1 Contents of organic carbon with different forms in soil under different fertilizations

注:SOC.土壤有机碳;DOC.土壤可溶性有机碳;KMnO4-C.土壤易氧化有机碳。同列数据后标不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)。下表同。

Note:SOC.Soil organic carbon;DOC.Dissolved organic carbon;KMnO4-C.Soil easily oxidized organic carbon.Different small letters in each column mean significant difference at 0.05 level among treatments.The same below.

DOC是土壤活性碳库的组成部分,易为微生物利用,其含量动态与土壤有机碳的累积和分解关系密切,土壤DOC虽仅占土壤有机碳的很小一部分,但对土壤养分的转化供应有着重要影响,其动态变化能更灵敏地反映土壤有机碳的循环与平衡趋势[18]。由表1可见,7个处理中,DOC含量大小排序为扩蓄增容肥2处理>扩蓄增容肥1处理>扩蓄增容肥3处理>传统施肥处理>同量施肥处理>扩蓄增容材料处理>对照。其中扩蓄增容肥3个用量处理的DOC含量均显著高于对照,说明扩蓄增容肥能显著提高土壤DOC含量。扩蓄增容肥1、扩蓄增容肥2和扩蓄增容肥3处理的土壤DOC含量分别较传统施肥处理提高了33.1%,38.0%和14.3%,且扩蓄增容肥1和扩蓄增容肥2处理的土壤DOC含量与传统施肥处理差异显著,表明扩蓄增容肥较传统施肥显著提高了土壤DOC含量。黄威等[4]的研究结果表明,长期施用化肥对稻田土壤DOC影响不大,配施有机肥有提高土壤DOC含量的趋势,且与长期施用化肥处理差异达到显著水平,本研究结果与之相一致。比较扩蓄增容肥3个用量处理土壤DOC含量可知,土壤DOC含量并未随着扩蓄增容肥施用量的增加而增大,这可能是因为随着扩蓄增容肥施用量的增加,其中氮肥的增加刺激并促进了土壤微生物对DOC的消耗所致[19]。比较对照、同量施肥处理、扩蓄增容材料处理和扩蓄增容肥1处理土壤DOC含量可知,扩蓄增容肥1处理与对照差异显著,而同量施肥处理和扩蓄增容材料处理与对照差异不显著;扩蓄增容肥1处理较对照增加的土壤DOC含量(49.3 mg/kg)远大于同量施肥处理和扩蓄增容材料处理分别增加的总和(29.1 mg/kg),说明无机肥料和扩蓄增容材料(有机页岩)配施在提高土壤DOC含量方面具有明显的正交互作用。由DOC/SOC的结果可见,扩蓄增容肥1、2、3处理的DOC/SOC均高于其他处理,其中扩蓄增容肥1、2处理的DOC/SOC值显著高于除扩蓄增容肥3处理外的其他处理,这说明扩蓄增容肥不仅有助于提高SOC含量,还可以增加土壤SOC中DOC所占的比例,提高土壤有机碳的利用率。

土壤KMnO4-C包括可溶性有机碳、轻组有机碳、微生物量碳、土壤可矿化碳以及碳水化合物[20],在指示土壤质量和肥力变化时比土壤SOC更灵敏,能即时反映土壤肥力和土壤物理性质的变化[21]。由表1可知,不同施肥处理土壤KMnO4-C含量大小排序为扩蓄增容肥3处理>扩蓄增容肥2处理>扩蓄增容肥1处理>同量施肥处理>传统施肥处理>扩蓄增容材料处理>对照,其中扩蓄增容肥3个用量处理的KMnO4-C含量显著高于对照,较对照提高了46.4%~52.9%,其他3个处理与对照之间差异均不显著,这与李平儒等[21]的研究结果一致。比较扩蓄增容肥1、2、3处理的KMnO4-C含量可知,随着扩蓄增容肥施用量的增加,土壤KMnO4-C含量增加。比较同量施肥处理、扩蓄增容材料处理、扩蓄增容肥1处理和对照的KMnO4-C含量可见,仅扩蓄增容肥1处理显著高于对照,而同量施肥处理和扩蓄增容材料处理与对照之间差异均不显著,说明添加了扩蓄增容材料的扩蓄增容肥,由于其中有机材料与无机材料的交互作用,从而提高了土壤KMnO4-C含量。

2.2 施肥对土壤氮形态的影响

由表2可见,扩蓄增容肥3处理的土壤TN含量最高,与对照、扩蓄增容材料处理以及扩蓄增容肥1处理之间差异显著,与其他处理之间差异不显著。值得注意的是,施氮量最高的传统施肥处理与对照的土壤TN含量差异不显著,这可能是一方面基础土壤肥力水平较高,短期的施肥对其影响较小;另一方面传统施肥有更多的氮以硝态氮形式淋溶到土壤下层,而且传统施肥处理作物的产量较高,使得其TN含量明显降低。比较扩蓄增容肥3处理与传统施肥处理可见,尽管传统施肥处理的无机N用量(玉米和小麦两季共施N 450 kg/hm2)大于扩蓄增容肥3处理(玉米和小麦两季共施N 386.0 kg/hm2),但是扩蓄增容肥3处理提高土壤全N的作用却明显优于传统施肥处理,这充分说明有机材料与无机材料复合的扩蓄增容肥提升土壤TN含量的效果比单一施用无机化肥的传统施肥处理好。关焱等[22]指出,施入的氮肥对土壤TN含量的影响取决于氮肥在土壤中的净残留量,无机氮肥对土壤氮的矿化既无明显的净激发,也无明显的净残留,因此它在提高土壤TN含量中的作用并不明显,与无机氮肥不同,有机肥料在土壤中大多有明显的净残留,因此有助于土壤TN含量的提高。比较扩蓄增容肥不同用量处理的土壤TN含量可见,扩蓄增容肥3处理土壤TN含量与扩蓄增容肥1处理之间差异达到显著水平,且土壤TN含量大小排序为扩蓄增容肥3处理>扩蓄增容肥2处理>扩蓄增容肥1处理,说明随着扩蓄增容肥施用量的增加,土壤TN含量逐渐增大。比较同量施肥处理、扩蓄增容材料处理、扩蓄增容肥1处理土壤TN含量可见,三者之间均无显著差异,可知扩蓄增容肥1处理的土壤TN含量并未显著高于同量施肥处理,这可能与氮肥的投入量较小有关。

表2 不同施肥处理下土壤各形态氮的含量Table 2 Contents of nitrogen with different forms in soil under different fertilizations

注:TN.土壤全氮;DON.土壤可溶性有机氮。

Note:TN.Total nitrogen;DON.Dissolved organic nitrogen.

DON易被微生物分解,是微生物和植物的潜在可利用氮源。由表2可见,不同施肥处理的土壤DON含量有一定差异,除扩蓄增容材料处理外,其他施肥处理都与对照差异显著,说明传统施肥和扩蓄增容肥处理都能提高土壤DON含量。陈武荣等[23]的研究结果显示,施用高量无机肥以及无机肥配施秸秆和猪粪等有机物质都能显著提高土壤DON含量,本研究结果与之一致。各处理DON含量大小排序为扩蓄增容肥3处理>传统施肥处理>同量施肥处理>扩蓄增容肥1处理>扩蓄增容肥2处理>扩蓄增容材料处理>对照。传统施肥处理和扩蓄增容肥3处理对土壤DON含量提高幅度较大,分别较对照提高了17.4%和18.3%。比较同量施肥处理、扩蓄增容材料处理、扩蓄增容肥1处理和对照的土壤DON含量可知,扩蓄增容肥1处理与同量施肥处理之间没有显著差异,但是都显著高于对照,扩蓄增容材料处理与对照差异不显著,说明扩蓄增容材料对土壤DON含量没有明显影响。各处理之间的DON/TN没有显著差异。Smith等[24]指出,施肥虽然对土壤各形态氮的绝对含量有很大影响,但不管是施用化肥还是有机肥,土壤氮素的组成(各形态氮占土壤全氮的比例)却变化不大。王岩等[25]对有机肥兔粪尿和化肥硫铵的残留氮对土壤氮各组分贡献的研究结果也得出了相似的结论。扩蓄增容肥能够提高土壤DOC和DON含量,这可能是因为扩蓄增容肥中有机物料提供的有机胶体作为有机无机复合体的物质基础,有助于形成活性钙离子,增加腐殖质含量,带来更多有益功能团,从而提高了土壤中的碳源和能源,促进可溶性碳、氮的生成[26]。

2.3 施肥对土壤微生物量碳氮含量的影响

微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)被认为是土壤活性养分的储存库,植物生长可利用养分的重要来源[28]。由表3可以看出,尽管对照土壤MBC和MBN含量均低于其他施肥处理,但差异均不显著,同时各处理之间MBC/SOC和MBN/TN均无显著性差异。这可能是因为本试验所采用的土壤具有较高的基础养分含量,短期施肥对土壤MBC和MBN含量的影响还没有显现,随着施肥时间的延长,也可能会出现明显差异,这还有待进一步研究。Bardgett等[29]和Lovell等[30]的结果也表明,高量施用化肥,可使土壤中保持较高的速效养分浓度,但并不利于微生物的生长活动。

表3 不同施肥处理下土壤微生物量碳氮的含量Table 3 Soil MBC and MBN contents under different fertilizations

注:MBC.土壤微生物量碳;MBN.土壤微生物量氮。

Note:MBC.Soil microbial biomass carbon;MBN.Soil microbial biomass nitrogen.

3 结 论

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Effect of amendment fertilizer on organic carbon and nitrogen in loess soil

PAN Tinga,GAO Ming-xiab,SUN Ben-huaa

(aCollegeofNaturalResourcesandEnvironment,bCollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

soil amendment fertilizer;soil organic carbon;dissloved organic carbon;soil easily oxidized organic carbon;dissloved organic nitrogen

2014-01-17

“十二五”国家“863”计划项目(2011AA100503)

潘 婷(1990-),女,陕西安康人,在读硕士,主要从事土壤化学研究。E-mail:panting_@qq.com

孙本华(1972-),男,江苏金湖人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事土壤化学和土壤生态研究。 E-mail:sunbenhua@126.com

时间:2015-06-30 13:47

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.08.014

S156.2

A

1671-9387(2015)08-0174-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150630.1347.014.html

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