施肥方式和土壤水分變化對秸稈降解特征及微生物秸稈碳利用效率的影響

李 俠 胡一民 貝水寬 王光州 張運龍 楊改強

(1.山西大同大學 農學與生命科學學院,山西 大同 037009;2.中國農業大學 國家農業科技戰略研究院,北京 100193;3.南京林業大學 生物與環境學院,南京 210037;4.中國農業大學 資源與環境學院,北京 100193;5.中國農業大學 草業科學與技術學院,北京 100193;6.太原科技大學 環境科學與工程學院,太原 030024)

土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)是影響土壤質量和肥力的重要因素,對維持土壤可持續性至關重要[1]。提升SOC含量有利于促進作物生長、改善土壤理化性質及緩解溫室效應[1-3]。農業生態系統中,秸稈還田是提高土壤有機碳的一項重要管理措施[4-5]。我國秸稈資源豐富,2013年作物秸稈總產量約為9.9億t,占全球秸稈總量(50億t)的20%左右[6-7]。這些秸稈中含有大量不穩定碳,可作為微生物的基本碳和能量來源[8-9]。秸稈還田后,可降解形成可溶性有機碳釋放到土壤中,一部分用以維持微生物代謝需要的能量,最終以微生物呼吸的形式釋放到空氣中,另一部分則用來合成微生物生物量,以微生物殘體或代謝物的形式進入較穩定的SOC庫。微生物秸稈碳利用效率(Carbon use efficiency,CUE)指微生物將投入的秸稈碳用于合成微生物量的占比[10],直接影響秸稈還田后大氣和土壤之間的碳平衡。微生物秸稈CUE越大,秸稈碳用于呼吸消耗比例越低,而以微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)固定在土壤中的比例也越大。因此,研究不同農業管理措施對微生物秸稈碳利用效率的影響對于提高土壤碳固持具有重要的意義。

華北平原是我國糧食的主要產區,土壤有機碳含量普遍偏低,約為0.5%～0.8%[11],是秸稈還田大力推廣應用的主要地區。王旭東等[12]通過Meta分析表明秸稈還田可顯著增加土壤有機碳的含量,但不同區域增加幅度有差異,華北地區SOC增幅低于全國平均水平(12.1%)。通常,加入新鮮有機物會促進土壤原有有機碳的降解(正激發效應),而養分的輸入會緩解外源有機碳引起的微生物對土壤原有有機碳的正激發效應[8,13]?；屎陀袡C肥是華北農田常采用的施肥方式,2種施肥方式不僅會改變土壤養分含量,還影響土壤微生物活性、群落結構及對碳源的利用,從而影響秸稈還田后土壤碳固定的凈效應[14-16]。Wu等[17]研究表明,與不施肥處理相比,長期施用化肥和有機肥均促進微生物對秸稈碳的利用,增加土壤對秸稈碳的固持。這可能是因為秸稈C/N顯著高于土壤及微生物生長所需的C/N,在不施肥土壤中微生物利用外源碳生長代謝受到氮素的限制,此時微生物會分泌相應的酶,加速土壤中C/N較低的有機質的礦化[18-19]。水分是影響秸稈降解的重要因素,華北平原年降水主要集中在6—9月,這個時期土壤濕度相對較高,而其他季節土壤含水量較低,處于干旱狀態。隨著氣候變化和人類活動對水循環系統的影響,華北地區的降水量有減少趨勢,干旱越來越頻繁、程度也越來越嚴重,會對農業生產系統產生巨大影響[20-21]。唐國勇等[22]研究表明外源有機碳和土壤本底有機碳的礦化量隨土壤含水量的提高而增加。然而關于在華北平原不同的水分條件下,比較長期施用化肥與有機肥對秸稈還田后碳固持效應的研究鮮見報道。本研究以華北地區長期施化肥和有機肥的土壤為研究對象,采用13C標記秸稈同位素技術,分析秸稈還田后在不同水分條件下土壤CO2排放、微生物量碳的變化特征,并解析秸稈碳和土壤本底有機碳對土壤總CO2-C累積排放量和總微生物量碳的貢獻,旨在探究不同水分和施肥方式對秸稈還田后秸稈的降解特征和微生物秸稈碳利用效率,以期為華北地區制定有利于提高土壤有機碳固持的管理措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自河北省邯鄲市曲周縣中國農業大學曲周實驗站(36.87° N,115.02° E),該站地處溫帶半濕潤大陸季風性氣候,年平均降水量為494 mm,土壤屬于華北平原典型鹽化潮土,該長期定位試驗始于2007年,連續進行有機肥處理及與有機肥等養分含量的化肥處理,種植方式為小麥-玉米輪作,每季的牛糞在施用前經過充分晾曬、堆腐、碾壓、粉碎,同時測定牛糞氮、磷、鉀含量和水分含量。具體的養分投入量見張曉寧[23]。牛糞均是在播前一次性撒施,小麥季撒施后經過翻耕,玉米季撒施后經過旋耕施入?；瘜W肥料均采用尿素、磷酸鈣和硫酸鉀,氮肥總量的1/3用作基肥,2/3用作追肥分別在小麥季拔節期和玉米季大喇叭口期,隨灌溉水施入。本試驗在2015年采集施用9 t/hm2牛糞的有機肥和等養分含量的化肥處理的土壤,于玉米收獲季取0—20 cm表層土壤,去除可見雜質和根系,過2 mm篩,混合均勻,一部分土壤鮮樣供培養試驗所用,其余土壤風干用于理化性質分析,土壤基本理化性質見表1。

表1 長期定位試驗土壤基礎理化性質

供試秸稈為13C標記的玉米‘鄭單958’的秸稈,播種16 d后在密閉的玻璃罩中進行13CO2(Ba13CO3,99%,上?；ぱ芯吭?脈沖標記,共標記7 d。標記結束后第二天收獲玉米植株地上部,105 ℃殺青30 min,60 ℃烘干、粉碎成粉末狀備用,其有機碳含量為39.2%,δ13C為1 239.1‰。

1.2 試驗設計及培養過程

本試驗設施肥方式和水分二因素,施肥方式分別設施用有機肥(OF,施用9 t/hm2牛糞)和化肥(CF,與9 t/hm2牛糞等養分含量的N、P、K肥料)2個水平;水分分別設恒濕(W,60%田間持水量,Water holding capacity,WHC)和干旱脅迫(D,30%WHC)2個水平,進行二因素完全隨機試驗設計,共4個處理。

對土壤進行預培養,取新鮮的土壤,調節水分約為田間持水量的60%(土壤含水率的15%),放入瓷盤中用塑料袋遮蓋20 ℃預培養7 d,結束后測定土壤含水量。然后分別用500 mL廣口瓶裝入相當于200 g干重的經預培養的有機肥或化肥處理土壤,用Parafilm膜封口,并在膜上均勻扎6個小孔透氣保水,25 ℃恒溫培養。恒濕處理采用稱重法補充水分保持田間持水量為60%;干旱脅迫采用變色硅膠(Aladdin)吸水,每瓶20 g,放置于膠卷盒中,并外套滅菌的自封袋,避免其影響土壤其他的理化性質與微生物群落,使土壤水分含量降至田間持水量的30%(約為華北平原鹽化潮土的萎蔫系數)。4周后將所有處理均投入0.5 g/瓶13C標記的玉米秸稈混勻進行培養,共設置6批,分別在添加秸稈后的第1、3、7、14、28、56天進行氣體采集(用于CO2測定)和土壤破壞性取樣(測定微生物量碳),3次重復,共72瓶。

1.3 指標測定

1.3.1CO2排放及δ13C測定

土壤總CO2-C排放通量采用修正的室內靜態培養-氣相色譜法測定[24],抽氣前充分通氣,密閉后采用4針法(0、10、20、30 min)進行連續抽取氣體,每針10 mL,采集的氣體樣品于24 h內用氣相色譜(美國Agilent公司的GC 7890)測定CO2濃度,并計算土壤總CO2-C排放通量和累積排放量。CO2樣品中的δ13C采用Trace-Gas痕量氣體純化與濃縮系統(賽默飛世爾科技有限公司)、IsoPrime-100穩定同位素分析儀(德國Elementar公司)聯用測定。

1.3.2土壤微生物量碳及δ13C測定

土壤總微生物量碳測定采用氯仿熏蒸浸提法[25]。分別對土壤進行氯仿熏蒸和不熏蒸處理,隨后用K2SO4溶液浸提,過濾后用總有機碳分析儀(德國Elementar公司的Element high TOCⅡ)測定并計算微生物量碳,換算系數為0.45;同時取部分濾液冷凍干燥,用EA-IRMS(元素分析儀-同位素比例質譜分析聯用儀,Elementar vario PYRO cube-IsoPrime100 Isotope Ratio Mass Spectrometer,德國)測定并計算微生物量碳中的δ13C。

1.3.3來源于秸稈碳比例的計算

所有碳庫(CO2、MBC)中來源于秸稈的碳所占比例f計算[26]:

f=(δ13Csample-δ13Ccontrol)/(δ13Cstraw-δ13Ccontrol)

(1)

各碳庫中來源于秸稈的碳(Cstraw-sample)計算[27]:

Cstraw-sample=Csample×f

(2)

各碳庫中來源于土壤本底的碳(Cstraw-sample)計算:

Csoil-sample=Csample×(1-f)

(3)

式中:δ13Csample,添加秸稈后各碳庫中δ13C;δ13Cstraw,秸稈的δ13C,為1 239.1‰;δ13Ccontrol,不加秸稈的土壤的δ13C;Csample,添加秸稈后各碳庫中的碳量包括總CO2-C排放通量,mg/(kg·d)和總微生物量碳,mg/kg。

1.3.4微生物秸稈碳利用效率(CUE)

微生物秸稈碳利用效率(CUE)的計算[28]:

CUE=Cstraw-MBC/(Cstraw-MBC+Cstraw-CO2 emission)

(4)

式中:Cstraw-MBC,秸稈來源的微生物量碳,mg/kg;Cstraw-CO2 emission,秸稈來源的CO2-C累積排放量,mg/kg。

1.3.5微生物代謝熵(qCO2)

qCO2指微生物呼吸速率與微生物量碳的比率,即單位微生物量的微生物在單位時間里的呼吸作用強度,計算公式[28]:

qCO2=Cstraw-CO2 flux/Cstraw-MBC

(5)

式中:Cstraw-MBC,秸稈來源的微生物量碳,mg/kg;Cstraw-CO2 flux,秸稈來源的CO2-C排放通量,mg/(kg·d)。

1.4 數據處理

采用三因素方差分析檢驗培養時間、施肥方式和水分對各變量的影響。采用單因素方差分析檢驗在同一取樣時間各處理對變量的影響,采用最小顯著性差異法(LSD)對各處理間差異進行多重比較,以上統計分析均在SPSS 22.0中進行,采用Sigmaplot 12.5軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 CO2排放動態

由表2和圖1可知,添加秸稈后,培養時間、施肥方式、水分及各因素間的交互作用均顯著影響土壤總CO2-C排放通量,其中水分的影響最大,其次為培養時間,施肥方式的影響最小。添加秸稈后,總CO2-C排放通量均在培養的第1天達到峰值,然后急劇下降,從第14天開始緩慢下降,第28—56天變化平緩、基本達到一個穩定狀態。在整個培養階段,恒濕處理總CO2-C排放通量均顯著高于干旱脅迫處理。施肥方式對總CO2-C排放通量的影響與培養時間和水分條件有關,恒濕(W,60%WHC)條件下,除培養第1、56天外,有機肥處理(OF)土壤總CO2-C排放通量顯著高于化肥處理(CF);干旱脅迫(D,30%WHC)條件下,除培養第1天外,有機肥與化肥處理的土壤總CO2-C排放通量差異不顯著。

OF,有機肥;CF,化肥;W,恒濕;D,干旱脅迫。不同的小寫字母表示在同一取樣時間各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

表2 培養時間、施肥和水分條件對添加秸稈后土壤總CO2-C排放通量及累積排放量的方差分析

添加秸稈后,培養時間、施肥方式、水分及各因素間的交互作用均顯著影響土壤總CO2-C累積排放量,其中水分影響最大,其次為培養時間,施肥方式影響最小(表2和圖1)。在整個培養階段,恒濕處理的土壤總CO2-C累積排放量均顯著高于干旱脅迫處理,到培養結束時約為后者的2倍。恒濕條件下,除培養第1天外,有機肥處理的土壤總CO2-C累積排放量顯著高于化肥處理,到培養結束時增加了61%;而干旱脅迫條件下,在培養第1—7天,有機肥處理的土壤總CO2-C累積排放量顯著高于化肥處理,在培養第14—56天,有機肥與化肥處理的土壤總CO2-C累積排放量差異不顯著。

由表3和圖2可知,添加秸稈后,培養時間、水分及二者的交互作用均顯著影響秸稈來源的CO2排放在土壤總CO2排放中的占比,其中培養時間的影響大于水分條件,但施肥方式的影響不顯著。恒濕處理(W)秸稈來源的CO2排放比例在培養第1天時最高,高達87%,之后開始下降,到培養結束時僅為9%。干旱脅迫處理(D)秸稈來源的CO2排放比例先升高,在培養第3天時最高,達到68%,之后開始下降,到培養結束時僅為5%。在培養第1、28和56天時,恒濕處理(W)秸稈來源的CO2-C排放比例顯著高于干旱脅迫處理。

圖2 添加秸稈后秸稈來源的CO2排放比例的動態變化

表3培養時間、施肥和水分條件對添加秸稈后秸稈來源的CO2比例和不同來源的CO2-C累積排放量的方差分析

由表3和圖3可知,添加秸稈后,培養時間、施肥方式、水分及各因素間交互作用均顯著影響秸稈來源的CO2-C累積排放量,其中水分影響最大,其次為培養時間,施肥方式影響最小。在培養第1—14天,秸稈來源的CO2-C累積排放量迅速升高,之后緩慢增加甚至不再增加。在整個培養階段,恒濕處理秸稈來源的CO2-C累積排放量均顯著高于干旱脅迫處理。恒濕條件下,除培養第1天外,有機肥處理秸稈來源的CO2-C累積排放量顯著高于化肥處理,培養結束時,有機肥和化肥處理分別有350和224 mg/kg來自秸稈的碳被礦化,相當于36%和22%的秸稈碳量;干旱脅迫條件下,除培養第56天外,2種施肥方式間秸稈來源的CO2-C累積排放量差異均不顯著,培養結束時,有機肥和化肥處理分別有139和116 mg/kg來自秸稈的碳被礦化,相當于14%和12%的秸稈碳量。

圖3 添加秸稈后秸稈來源(a)和土壤來源(b)的CO2-C累積排放量的動態變化

添加秸稈后,培養時間、施肥方式、水分及各因素間交互作用均顯著影響土壤來源的CO2-C累積排放量,其中培養時間影響最大,其次為水分,施肥方式影響最小(表3和圖3)。在整個培養階段,土壤來源的CO2-C累積排放量不斷增加。除培養第1、3天外,恒濕處理土壤來源的CO2-C累積排放量顯著高于干旱脅迫處理。在恒濕條件下,除培養第1、3天外,有機肥處理土壤來源的CO2-C累積排放量顯著高于化肥處理,到培養結束時增加了63%;而在干旱脅迫條件下2種施肥方式間差異均不顯著。

2.2 微生物量碳

由表4和圖4可知,添加秸稈后,培養時間、施肥方式、水分及部分交互作用均顯著影響土壤總微生物量碳(MBC)。隨著培養時間的延長,土壤總MBC先增加后降低,恒濕條件下在第7天達到高峰,干旱脅迫條件下,有機肥處理在第14天達到高峰,化肥處理在第14—28天達到高峰。在培養第1—7天,恒濕處理的土壤總MBC顯著高于干旱脅迫處理,在培養第14—56天,2種水分處理間差異不顯著。在恒濕條件下培養第7、14天和干旱脅迫下培養第14天時,有機肥處理土壤總MBC顯著高于化肥處理,而在其余取樣時間2種施肥方式間差異均不顯著。

圖4 添加秸稈后土壤總微生物量碳的動態變化

表4 培養時間、施肥和水分對添加秸稈后土壤總微生物量碳的方差分析

由表5和圖5可知,添加秸稈后,培養時間、施肥方式、水分及培養時間與水分的交互作用均顯著影響秸稈來源的MBC比例,其中培養時間的影響最大,其次為水分,施肥方式的影響最小。在培養第3天時,恒濕處理秸稈來源的MBC比例顯著低于干旱脅迫處理,而同一水分條件下2種施肥方式間差異不顯著;在培養第14天時,施肥方式和水分處理對秸稈來源的MBC比例均無顯著影響。

圖5 添加秸稈后不同處理中秸稈來源的微生物量碳比例(a)、秸稈來源(b)和土壤來源(c)的微生物量碳及微生物秸稈碳利用效率(d)、代謝熵(e)

表5 培養時間、施肥和水分條件對添加秸稈后秸稈來源的微生物量碳比例、不同來源的微生物量碳、微生物秸稈碳利用效率和代謝熵的方差分析

添加秸稈后,培養時間和水分條件均顯著影響秸稈來源的MBC,其中培養時間的影響大于水分,而施肥方式的影響不顯著(表5和圖5)。培養第3天時,秸稈來源的MBC顯著高于第14天。在培養第3天時,化肥處理條件下恒濕處理秸稈來源的MBC顯著低于干旱脅迫處理,而同一水分條件下2種施肥方式間差異不顯著;在培養第14天時,施肥方式和水分處理對秸稈來源的MBC均無顯著影響。添加秸稈后,培養時間、施肥方式、水分及培養時間與水分的交互作用均顯著影響土壤來源的MBC,其中培養時間的影響最大,其次為水分,施肥方式的影響最小(表5和圖5)。培養第3天時土壤來源的MBC顯著低于第14天。在培養第3天時,恒濕處理土壤來源的MBC顯著高于干旱脅迫處理,而同一水分條件下2種施肥方式間差異不顯著;在培養第14天時,兩種水分條件下,有機肥處理土壤來源的MBC均顯著高于化肥處理。

2.3 微生物秸稈碳利用效率及代謝熵

添加秸稈后,培養時間、施肥方式、水分及培養時間與水分的交互作用均顯著影響微生物秸稈碳利用效率,其中培養時間的影響最大,其次為水分,施肥方式的影響最小(表5和圖5)。培養第3天時微生物秸稈碳利用效率顯著高于第14天。在培養第3、14天時,恒濕處理的微生物秸稈碳利用效率均顯著低于干旱脅迫處理。培養第3天時,恒濕條件下有機肥處理的微生物秸稈碳利用效率顯著低于化肥處理,而干旱脅迫條件下2種施肥方式間差異不顯著;培養第14天時,無論哪種水分條件下2種施肥方式間均無顯著差異。添加秸稈后,培養時間、施肥方式和水分條件及其部分交互作用均顯著影響微生物代謝熵,其中水分影響最大(表5和圖5)。在培養第3、14天時,恒濕處理微生物代謝熵顯著高于干旱脅迫處理(第14天化肥處理時除外);在恒濕條件下,有機肥處理微生物代謝熵顯著高于化肥處理,而在干旱脅迫條件下,2種施肥方式間無顯著差異。

3 討 論

本研究中培養28 d后秸稈來源的CO2-C累積排放量增幅已很小,基本趨于穩定,到培養結束(第56天)時12%～36%(質量百分數,下同)的秸稈碳被礦化。Sauvadet等[28]研究發現到培養結束(第29天)時,約23%～29%的秸稈碳被礦化。Wu等[17]研究發現秸稈來源的CO2-C排放通量在最初培養的30 d內急劇下降,之后緩慢下降,到培養結束(第70天)時,約34%～45%的秸稈碳被礦化。

土壤有機碳含量和微生物的生物量是控制土壤中秸稈降解或滯留的重要因素[29]。Chen等[30]研究發現添加秸稈后,施用有機肥土壤(有機碳含量9.3 g/kg)中的微生物量碳顯著高于不施肥的土壤(有機碳含量3.3 g/kg),秸稈碳礦化量雖略高于不施肥土壤,但差異不顯著。本研究在恒濕條件(60% WHC)下,施有機肥土壤(有機碳含量12.2 g/kg)秸稈來源的CO2-C累積排放量(培養第3—56天)、微生物量碳(培養第7、14天)、微生物代謝熵均顯著高于施用化肥處理的土壤(有機碳含量7.4 g/kg),而微生物秸稈碳利用效率(培養第3天)卻表現出相反趨勢,表明恒濕條件下,施用化肥比有機肥更有利于秸稈碳的固定。一種可能原因是相比施用化肥,長期施用有機肥可顯著提高土壤微生物活性尤其是真菌數量,促進秸稈降解,使土壤對秸稈碳的固持減少。已有研究表明真菌與細菌的比值(真細比)與微生物碳利用效率呈負相關[31]。土壤真菌分泌的胞外解聚合酶被認為是降解秸稈的主要酶,真菌中很大比例的碳被用于酶的生成[32],這種資源流失可能是真細比高的土壤中微生物碳利用效率較低的一個原因。另一種可能原因是,相比化肥(化學氮肥),施用有機肥的土壤中還包含更多可溶性有機碳[33],而土壤尤其是表層土壤有機碳的容量存在上限或飽和水平[34-36],在穩定的碳輸入下,當碳含量達到平衡時,就不能再固定碳[37]。根據土壤碳飽和度假設,土壤有機碳的變化可能受到初始碳水平的影響,碳含量低的土壤比碳含量高的土壤有更大的有機碳封存潛力[36,38]。呂元春等[39]研究也發現土壤初始有機碳含量越高,殘留到土壤中的外源新碳就越少,即秸稈碳損失越高。

然而在干旱脅迫條件(30% WHC)下,有機肥和化肥2種施肥處理間秸稈(培養第56天除外)和土壤來源的CO2-C累積排放量差異不顯著,且它們在大多數取樣時間點遠低于恒濕處理?？赡茉蚴窍啾仁┓侍幚?水分對微生物活性影響更大[40]。水分是微生物最基本的生存條件之一,土壤含水量直接影響土壤微生物的代謝活動[41]。在一定水分范圍內,秸稈和土壤原有有機碳的累積礦化量均與土壤含水量呈顯著正相關[22]。另外,有機碳作為土壤微生物呼吸底物,其在土壤中的溶解狀況直接受水分調控,土壤中較高的含水量可促進可溶性有機碳的釋放和溶解,刺激土壤微生物活性,提高土壤微生物的呼吸作用[42]。本研究中相比恒濕處理,干旱脅迫處理顯著降低微生物代謝熵(第14天化肥處理時除外),卻顯著提高微生物秸稈碳利用效率,表明恒濕條件下,微生物將更多的秸稈碳用于呼吸消耗[43],而干旱脅迫下,微生物將更多的秸稈碳用于合成細胞結構物質[43],更有利于秸稈碳的固定。而且在干旱脅迫條件下2種施肥方式間微生物秸稈碳利用效率和代謝熵差異不顯著,表明干旱脅迫下施用化肥和有機肥對秸稈碳在土壤中的固存效應無顯著差異,均有利于秸稈碳的固定。王旭東等[12]對秸稈還田條件下中國農田土壤有機碳變化的Meta分析表明秸稈還田對土壤有機碳的增加效應隨施氮量的增加總體呈先增加后減小的趨勢,隨年均降水量的增加總體呈波動變化的趨勢,且在不同區域增加幅度有差異。未來需要進一步在田間原位條件下及區域尺度研究不同水肥管理對秸稈還田后土壤有機碳變化的影響。

4 結 論

相比恒濕條件,干旱脅迫可顯著降低來源于秸稈和土壤本底(培養第1、3天除外)的CO2-C累積排放量,卻使微生物秸稈碳利用效率顯著升高;培養前期(第1—7天)干旱脅迫降低了土壤總微生物量碳,但對后期(第14—56天)影響不顯著。恒濕條件下,有機肥處理秸稈(培養第1天除外)和土壤本底(培養第1、3天除外)來源的CO2-C累積排放量、微生物代謝熵顯著高于化肥處理,在培養第3天微生物秸稈碳利用效率比化肥處理顯著降低;而干旱脅迫條件下,2種施肥方式間秸稈(培養第56天除外)和土壤本底的CO2-C累積排放量、微生物代謝熵和秸稈碳利用效率差異均不顯著。綜上,秸稈還田后,恒濕條件下施用化肥比有機肥更有利于秸稈碳在土壤中固存;而在干旱脅迫條件下施用化肥和有機肥均有利于秸稈碳的固存。