长期施肥对稻麦轮作紫土有机碳组分及酶活性的影响

第36卷第2期2022年4月
水土保持学报
J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n
V o l .36N o .2
A p
r .,2022
收稿日期:2021-09-23
资助项目:国家绿肥产业技术体系项目(C A R S -22-G -13
)  第一作者:徐文静(1997 ),女,在读硕士研究生,主要从事土壤健康研究㊂E -m a i l :1586071314@q q .c o m  通信作者:石孝均(1964 ),女,研究员,主要从事养分循环与环境质量研究㊂E m a i l :s h i x j
@s w u .e d u .c n 长期施肥对稻麦轮作紫土有机组分及酶活性的影响
徐文静1,张宇亭1,
3,魏勇1,张建伟1,胡琪娟1,刘瑞1,张学良1,石孝均1,2,3
(1.西南大学资源环境学院,重庆400716;
2.国家紫土肥力与肥料效益监测基地,重庆400716;
3.西南大学农业科学研究院,重庆400716)摘要:为了探明西南地区长期不同施肥处理对稻麦轮作紫土有机碳组分和碳循环相关水解酶活性的影响,依托重庆北碚29年稻麦轮作紫土长期定位试验,选取不施肥(C K )㊁单施氮磷钾肥(N P K )㊁有机无机配施(N P KM )㊁秸秆还田配施含氯化肥[(N P K )C l S ]和秸秆还田配施无机肥(N P K S )5个处理,测定土壤各组分有机碳含量及与土壤碳循环相关的水解酶活性并分析两者间的相关性㊂结果表明:长期施肥(N P K ㊁
N P KM 和N P K S )显著提高土壤总有机碳和不同组分有机碳含量,各施肥处理土壤总有机碳含量较C K 提升11.6%~40.2%,其中以N P K S 处理的提升效果最佳;c P O C ㊁i _P O C 和M _s +c 与总有机碳含量呈显著正相关,其中粗颗粒有机碳(c P O C )组分对土壤碳库变化反应最敏感,土壤总有机碳每提升1个单位有0.4个单位的碳保存于c P O C 中㊂在化学保护㊁物理保护和未受保护三大有机碳库中,化学保护有机碳库是紫土有机碳的主要固存组分,平均占66.1%;土壤有机碳在不同碳库的分配受施肥影响,N P KM 和N P K S
处理土壤未受保护有机碳和物理保护有机碳的分配比例较C K 处理显著升高,增幅为10.1%~24.1%㊂施肥显著提高土壤碳循环水解酶活性,与C K 相比,N P KM 和N P K S 处理的土壤α 葡萄糖苷酶(A G )㊁β 葡萄糖苷酶(B G )和β 木糖苷酶(B D X )活性提高14.5%~89.1%,提升效果最佳;水解酶(A G ㊁B G 和B D X )
活性与土壤未受保护有机碳呈显著正相关㊂综上,有机无机配施是提升土壤有机碳含量和土壤碳循环相关水解酶活性的最佳培肥措施㊂
关键词:长期施肥;紫土;物理分组;有机碳组分;水解酶活性中图分类号:S 153.6  文献标识码:A  文章编号:1009-2242(2022)02-0292-08
D O I :10.13870/j
.c n k i .s t b c x b .2022.02.037E f f e c t s o fL o n g -t e r mF e r t i l i z a t i o no nO r g a n i cC a r b o nF r a c t i o n s a n dE n z y m e A c t i v i t i e s i nP u r p
l e S o i lU n d e rR i c eW h e a tR o t a t i o n X U W e n j i n g 1,Z H A N G Y u t i n g 1,
3,W E IY o n g 1,
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3
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c o n t e n t o f e a c h f e r t i l i z a t i o n t r e a t m e n tw a s e n h a n c e db y 11.6%~40.2%w h e nc o m p a r e dw i t hC K.A m o n g
s t t h e m ,N P K St r e a t m e n te x h i b i t e dt h e m o s ts i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n te f f e c t .C o a r s e p a r t i c l eo r g a n i cc a r b o n (c P O C ),p a r t i c l eo r g a n i cc a r b o n w i t h i n m i c r o a g g r e g a t e s (i _P O C ),s i l ta n dc l a yp a r t i c l e so r g
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K e y w o r d s:l o n g-t e r mf e r t i l i z a t i o n;p u r p l es o i l;p h y s i c a l f r a c t i o n a t i o n;o r g a n i cc a r b o nf r a c t i o n s;h y d r o l a s e
e n z y m e a c t i v i t y
土壤有机碳(S O C)是评价土壤质量的关键指标,土壤固碳在改良培肥土壤㊁提高农业生产力以及缓解全球气候变暖等方面发挥着重要作用[1]㊂随着农业集约化强度增加,施肥已成为影响S O C数量和质量的重要管理措施,施肥既可能通过外源有机肥的投入或者根茬还田提高S O C含量,也可能因为激发效应降低S O C含量,从而改变土壤中有机碳的组分[1-3]及与之相关的土壤酶活性[4-7]㊂不同S O C组分间存在高度异质性,具有不同功能与性质的碳组分在S O C的稳定和积累中 各司其职 [3],是反映土壤质量的敏感性指标,明确不同有机碳组分的变化是了解施肥对土壤质量影响的重要手段㊂因此,研究长期施肥对土壤有机碳组分和土壤酶活性的影响,并寻求最佳施肥管理措施,对提升土壤质量有重要的实际指导意义㊂
近年来,国内外研究者对不同施肥处理下S O C 组分特征开展了大量研究,已有的有机碳分组方法主要包括化学分组㊁物理化学分组和物理分组等[8],其中由S i x等[2]提出物理分组技术由于基本不改变S O C原有的性质而被广泛应用[9],将S O C分为3个不同概念库:未受保护有机碳库㊁物理保护有机碳库和化学保护有机碳库㊂其相关研究的结论不尽相同,总体上认为有机培肥措施能显著提高土壤总有机碳和各组分有机碳含量,尤其是大幅度提高未受保护和物理保护的有机碳组分含量㊂不同土壤条件㊁有机肥种类等对碳组分的影响存在较大差异,王晓娇等[10]在黄土高原旱作玉米农田研究发现,有机培肥均能显著提高土壤总有机碳和各组分有机碳含量;刘小粉等[11]研究了水稻土S O C组分对绿
肥有机肥配施的响应发现,在施用有机肥的基础上配施绿肥能显著提高未受保护有机碳库组分含量;A b r a r等[12]对东北黑土研究表明,粗颗粒有机碳(c P O C)含量和大团聚体内微团聚体包裹的颗粒有机碳(i_P O C)含量在单施有机肥和有机无机配施处理下显著提高,物理保护机制在土壤固碳中发挥了重要作用㊂此外,大量研究[13-14]表明,施肥尤其是施用有机肥能直接或间接影响土壤酶活性㊂石丽红等[15]研究认为,有机肥或秸秆还田配合施用化肥有利于提高土壤碳循环水解酶活性;有机肥对土壤酶活性的影响随施用量的增加而增加[16]㊂前人对黄壤[8]㊁红壤[4]㊁黑土[12]㊁水稻土[15]等土壤类型有机碳库组分和土壤酶活性对施肥管理的响应特征已有报道,结果表明,施肥管理对农田S O C组分和土壤酶活性的影响因气候条件㊁作物系统和土壤类型等因素的不同存在较大的区域差异,但是关于长期施肥下紫土碳组分特征及其与碳循环相关酶活性的研究鲜见报道㊂
紫土是由紫母岩发育形成的岩性土,集中分布于四川盆地,面积约为16万k m2[17]㊂由于紫土具有成土时间短㊁土壤固结性差㊁持水力弱等特点,有机质和氮缺乏已成为制约紫土农田作物高产和土壤质量提升的主要障碍因子之一[18]㊂目前关于长期施肥对紫土有机碳的影响研究主要集中在团聚体有机碳㊁活性有机碳和微生物碳等方面[18-19],然而,长期施肥对稻麦轮作紫土不同保护机制有机碳组分的影响,以及不同保护机制有机碳组分与土壤酶活性的关系等尚不明确㊂因此,本文以29年的稻麦轮作紫土长期定位试验为基础,利用物理分组技术,探讨不同施肥措施下紫土不同保护机制有机碳组分特征,测定土壤碳循环相关水解酶活性,探究长期不同施肥处理对培肥土壤㊁提高土壤有机碳稳定性的内在机理,为紫土农田优化施肥和固碳增产管理提供理论依据㊂
392
第2期徐文静等:长期施肥对稻麦轮作紫土有机碳组分及酶活性的影响
1材料与方法
1.1试验地概况
试验在重庆市北碚区西南大学试验农场的国家紫土肥力与肥料效益监测站(29ʎ48'36ᵡN,106ʎ24'33ᵡE)进行,为典型紫土丘陵区,海拔266.3m,属亚热带湿润季风气候,年均气温18.3ħ,年降水量1087m m,无霜期约330天,年均日照时间1293h㊂试验地为中性紫水稻土,初始耕层(0 20c m)土壤基本性质为:有机质含量24.2g/k g,全氮含量1.25g/k g,全磷含量0.67g/k g,碱解氮含量93m g/k g,速效磷含量4.3 m g/k g,速效钾含量88m g/k g,p H7.7㊂
1.2试验设计
长期试验始于1991年,主要采用小麦 水稻1年2熟的水旱轮作制㊂试验共设13个处理,每个处理120 m2㊂本研究选取其中的5个处理:(1)不施肥(C K);(2)单施氮磷钾肥(N P K);(3)有机无机配施(N P K M);(4)秸秆还田配施含氯化肥((N P K)C l S);(5)秸秆还田配施无机肥(N P K S)㊂1991 1996年,化肥每季用量为150k g/ h m2N,75k g/h m2磷肥(P2O5),75k g/h m2钾肥(K2O)㊂从1996年秋季起,每季P2O5
㊁K2O用量改为60k g/ h m2;小麦N肥用量改为135k g/h m2;水稻N肥仍为150k g/h m2;有机肥每年施1次,于秋季小麦播种前作基肥施用,用量为猪粪尿22.5t/(h m2㊃a)㊁稻草7.5t/(h m2㊃a)(干重)㊂2014年之后N P KM处理有机肥使用商品有机肥,用量改为2.5t/(h m2㊃a),秸秆用量改为4.5t/(h m2㊃a)㊂
1.3测定项目与方法
土壤样品于2020年8月水稻收获后采集并测定,每个处理取4个重复,每个重复以 S 形在0 20 c m的耕层土壤中随机选定10个点进行采集,剔除植物残根,分成2份:一份土样进行冷冻干燥处理后于-20ħ保存,用于测定土壤酶活性㊂剩余土样风干后用于测定各有机碳组分㊂
1.3.1土壤水解酶活性测定土壤α 葡萄糖苷酶
(A G)㊁β 葡萄糖苷酶(B G)㊁β 木糖苷酶(B D X)和纤维二糖水解酶(C B H)活性采用相关试剂盒(苏州梦犀生物医药科技有限公司)测定㊂
1.3.2土壤有机碳分组土壤有机碳分组采用物理分组方法[2,20],将土壤有机碳分为3个碳库,即未受保护有机碳(c P O C㊁M_P O C㊁f_P O C)㊁物理保护有机碳(i_P O C㊁m_P O C)和化学保护有机碳(f_s+c㊁M_s+ c㊁i_s+c㊁m_s+c),分组程序见图1㊂
图1物理分组流程
492水土保持学报第36卷
土壤物理分组方法具体流程:称取50g土壤,首先将过8mm筛的风干土湿筛,获取3个组分,即受化学保护的游离粉黏粒有机碳(f_s+c),>0.25mm 和0.053~0.25mm组分;再将>0.25mm组分进行微团聚体分散,在0.25mm筛上放置直径为4mm 的玻璃珠50颗,淹水浸泡5m i n,并下置0.053mm 筛,在恒定水流冲刷下振荡过筛,得到未受保护的粗颗粒有机碳(c P O C)㊁受化学保护的大团聚体包裹的粉黏粒有机碳(M_s+c)和大团聚体包裹的微团聚体3个组分;其次将第1步得到的0.053~0.25m m组分和大团聚体包裹的微团聚体组分进行密度浮选,得到未受保护的大团聚体包裹的细颗粒有机碳(M_P O C)和游离的细颗粒有机碳(f_P O C),再将重组经过六偏磷酸钠分散过0.053mm筛,得到受物理保护的大团聚体内微团聚体包裹的颗粒有机碳(i_P O C)和微团聚体包裹的颗粒有机碳(m_P O C),同时得到受化学保护的大团聚体内微团聚体包裹的粉黏粒有机碳(i_s+c)和微团聚体包裹的粉黏粒有机碳(m_s+c)㊂本试验中由于M_P O C㊁f_P O C组分所得量少,所以与c P O C 组分一起测定㊂
采用重铬酸钾 浓硫酸外加热法[21]测定全土以及各有机质组分中的有机碳含量㊂各个组分的质量以及有机碳含量的结果用于有机质组分含量㊁有机质含量及分配比例的计算,其计算公式为:
W(g/k g)=W iˑP i
P(%)=W/S O Cˑ100%
式中:W为各组分有机碳在全土中的含量(g/k g); W i为各组分有机碳浓度(g/k g);P i为该组分的质量分数(g/g);P为各组分有机碳的分配比例(%); S O C为全土有机碳含量(g/k g)㊂
1.4数据处理
利用M i c r o s o f t E x c e l2010和S P S S23.0软件对数据进行统计分析㊂采用单因素方差分析对处理间差异进行显著性检验,显著水平为0.05,用L S D法进行多重比较㊂用线性函数对总有机碳含量与各组分有机碳含量的关系进行拟合㊂用P e a r s o n的双侧检验法对不同保护机制有机碳组分与碳循环相关酶活性进行相关性分析㊂利用O r i g i n2018绘图软件进行绘图㊂
2结果与分析
2.1长期不同施肥处理土壤总有机碳含量特征
由试验结果可知,C K㊁N P K㊁N P K M㊁(N P K)C l S 和N P K S处理土壤总有机碳含量分别为12.47,14.74, 15.14,13.91,17.48g/k g,呈现出N P K S>N P K MʈN P K>(N P K)C l S>C K的规律,各施肥处理土壤总有机碳含量较C K处理均有显著提高(P<0.05),提升幅度为11.6%~40.2%,其中N P K S处理对土壤总有机碳含量提升效果最大,其次为N P KM㊁N P K处理, (N P K)C l S处理对总有机碳
含量的提升幅度最小㊂2.2长期不同施肥处理土壤有机碳不同组分含量特征
由表1可知,紫土三大碳库有机碳含量所有处理均为化学保护有机碳>未受保护有机碳>物理保护有机碳含量,其中化学保护㊁未受保护有机碳比物理保护有机碳平均含量分别提高7.3,2.8倍㊂不同施肥处理对土壤有机碳库组分影响显著,N P K㊁N P KM和N P K S处理均显著提高未受保护有机碳
c P O C含量,与C K处理相比,分别提高32.3%,58.5%和
76.3%,其中N P KM和N P K S处理优于N P K处理;但(N P K)C l S处理较C K处理无显著差异㊂
物理保护有机碳库各组分有机碳含量在长期不同施肥处理下也表现出明显差异(表1)㊂施肥29年后i_P O C含量显著高于C K处理,各施肥处理i_P O C含量提升19.5%~64.9%,其中N P K S处理下i_P O C含量提升最显著;秸秆还田的(N P K)C l S和N P K S处理显著提高m_P O C含量(P<0.05),与C K处理相比,分别提高44.6%和65.1%,而N P K和N P KM处理与C K处理相比m_P O C含量无显著变化㊂
化学保护碳库的4个组分中,以i_s+c组分碳含量最高,其次是M_s+c,f_s+c碳含量最低㊂长期不同施肥对化学保护碳库各组分有机碳含量也有不同程度的影响㊂较C K处理,N P K和N P KM处理f_s+c含量显著降低,分别降低12.7%和19.1%,而(N P K)C l S和N P K S处理f_s+c含量较C K处理无显著变化;M_s+c和i_s+c含量在长期不同施肥后较C K处理均有显著提高,N P K㊁N P K M㊁(N P K)C l S和N
P K S处理M_s+c和i_s+c含量分别提高16.9%, 26.6%,23.0%,33.2%和32.7%,24.6%,25.8%, 38.2%,均以N P K S处理提升效果最佳;与C K处理相比,N P K和N P K S处理下m_s+c含量显著提高,分别为1.38,1.24g/k g,增加51.5%和36.9%, N P KM和(N P K)C l S处理m_s+c含量较C K处理无显著差异㊂可见,长期施肥会引起土壤各有机碳库组分含量的变化,与对照相比,未受保护有机碳库和物理保护有机碳库组分含量的提升幅度大于化学保护有机碳库组分含量㊂
2.3长期不同施肥处理土壤有机碳组分与总有机碳
含量的关系
图2相关分析结果表明,长期不同施肥下土壤中c P O C㊁i_P O C和M_s+c与总有机碳含量呈显著正相关关系(P<0.05),方程斜率的高低反映各组分碳随总有机碳的变化大小㊂由方程斜率可知,总有机碳变化引起的c P O C变化率最高,其次是i_s+c;方程的斜率表明,
592
第2期徐文静等:长期施肥对稻麦轮作紫土有机碳组分及酶活性的影响
总有机碳含量每提升1个单位(g /k g
),其中有40%(即0.4个单位的碳)成为c P O C 组分,21%成为i _s +c 组
分,11%成为M _s +c 组分,8%成为i _P O C 组分,
还有20%成为m _P O C ㊁f _s +c 和m _s +c 组分㊂
表1 长期施肥下土壤各组分有机碳含量
单位:g /k g 处理未受保护有机碳c P O C 物理保护有机碳
i _P O C
m _P O C
化学保护有机碳
f _s +c
M _s +c
i _s +c
m _s +c
C K
2.32ʃ0.02d 0.62ʃ0.03d
0.21ʃ0.01c 0.92ʃ0.03a b 1.87ʃ0.03d 3.11ʃ0.07b 0.91ʃ0.05c N P K
3.07ʃ0.17c
0.90ʃ0.04b 0.22ʃ0.02c 0.80ʃ0.07c 2.19ʃ0.14c 4.12ʃ0.29a 1.38ʃ0.09a
N P KM 3.70ʃ0.06b
0.94ʃ0.08b 0.23ʃ0.02c 0.74ʃ0.08c
2.37ʃ0.01a b
3.87ʃ0.33a 0.95ʃ0.07c (N P K )C l S 2.25ʃ0.14d 0.74ʃ0.02c 0.30ʃ0.02b 0.90ʃ0.02b 2.30ʃ0.03b c
3.91ʃ0.09a 0.91ʃ0.06c
N P K S
4.09ʃ0.21a
1.03ʃ0.05a
0.34ʃ0.03a
0.99ʃ0.01a
2.49ʃ0.20a
4.29ʃ0.34a
1.24ʃ0.07b
注:表中数据为平均值ʃ标准差;同列数字后不同字母表示处理间差异显著(P <0.05
)㊂下同㊂图2 长期施肥下土壤总有机碳含量与各组分
有机碳含量的相关性
2.4 长期施肥下土壤有机碳组分分配比例
从图3可以看出,土壤各有机碳组分占总有机碳
的比例在长期不同施肥处理下存在显著差异㊂各施肥处理的土壤化学保护有机碳库所占比例为61.9%~70.9%,
是总有机碳库中占比最高的组分;其次为未受保护有机碳(19.9%~28.9%)
,物理保护有机碳库所占比例最低,为8.3%~9.4%㊂土壤化学保护有机碳的分配比例是其他组分的2~9倍㊂可见,土壤化学保护有机碳是土壤中有机碳的主要储存组分㊂与C K 处理相比,
N P K M 和N P K S 处理显著增加了未受保护和物理保护有机碳库所占比例,未受保护有机碳库所占比例分别增加24.1%和21.3%,物理保护有机碳库所占比例分别增加10.1%和13.3%;但同时也显著降低化学保护碳库所占比例,分别降低9.5%和8.9%;较C K 处理,
N P K 处理的各有机碳组分分配比例均无显著差异;而(N P K )C l
S 处理的未受保护有机碳分配比例显著降低,降幅为14.8%,物理保护有机碳和化学保护有机碳分配比例分别显著提高,增幅分别为10.6%和3.7%㊂
图3 长期施肥下土壤各有机碳组分占总有机碳的比例
2.5 长期施肥下土壤水解酶活性特征
由表2可知,长期不同施肥处理对土壤碳循环相
关水解酶活性有较大的影响㊂经过29年长期施肥
后,N P K ㊁N P KM 和N P K S 处理下的A G ㊁B G 和
B D X 活性较
C K 处理均显著提高(P <0.05),N P K ㊁N P K M 和N P K S 处理的土壤A G 活性分别提高13.2%,33.5%和30.7%,B G 活性分别提高14.8%,17.2%和15.4%,B
D X 活性分别提高33.2%,49.2%和89.1%,均以N P KM 和N P K S 处理提升效果为最佳;而N P K ㊁N P K M ㊁N P K S 处理的C B H 活性较C K 处理无显著差
异㊂可见,N P K ㊁N P K M 和N P K S 处理间除C B H 外的其余3种碳循环相关水解酶活性的变化趋势较为一致㊂
此外,与C K 处理相比较,(N P K )C l S 处理的C B H 活性显著降低,降幅为18.5%,而其余3种水解酶活性较C K 处理均无显著差异㊂
692水土保持学报    第36卷

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