不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤团聚体构成及稻田产量的影响
doi: 10.11838/sfsc.1673-6257.24563
王一梓1 , 宋文杰1 , 张欢2 , 李天鹏1 , 毛伟3 , 杨洪建4 , 赵海涛1 , 居静1,5
1. 扬州大学环境科学与工程学院 / 农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室 / 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心,江苏 扬州 225127
2. 高邮高新区管委会综合办公室,江苏 扬州 225652
3. 扬州耕地质量保护站,江苏 扬州 225101
4. 江苏省农业技术推广总站,江苏 南京 210036
5. 江苏省作物遗传生理重点实验室 / 扬州大学农学院,江苏 扬州 225009
基金项目: 国家重点研发计划项目(2024YFD2300302) ; 江苏省作物遗传生理重点实验室开放课题(YCSL202105)
Effects of different organic fertilizer combined with chemical fertilizer on soil aggregates composition and rice yield in reclaimed land
WANG Yi-zi1 , SONG Wen-jie1 , ZHANG Huan2 , LI Tian-peng1 , MAO Wei3 , YANG Hong-jian4 , ZHAO Hai-tao1 , JU Jing1,5
1. College of Environmental Science and Engineering,Yangzhou University/Key Laboratory of Cultivated Land Quality Monitoring and Evaluation,Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization,Yangzhou Jiangsu 225127
2. Comprehensive Office of Gaoyou High-tech Zone Management Committee,Yangzhou Jiangsu 225652
3. Yangzhou Station of Farmland Quality Protection,Yangzhou Jiangsu 225101
4. Agricultural Technology Extension Station of Jiangsu Province,Nanjing Jiangsu 210036
5. Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Agricultural College of Yangzhou University,Yangzhou Jiangsu 225009
摘要
为促进农村宅基地复垦耕地土壤的快速培肥与水稻产量的协同提升,基于持续 4 年(2019—2022 年)有机肥配施化肥定位试验,设置 5 个处理:不施氮(N)肥(T0)、100% 化肥 N(T1)、40% 鸡粪肥 N+60% 化肥 N (T2)、40% 蚯蚓粪肥 N+60% 化肥 N(T3)、40% 菜籽饼肥 N+60% 化肥 N(T4),测定水稻产量、不同粒径团聚体的含量及其有机碳(OC)、全氮(TN)含量,并评估团聚体稳定性。结果表明:与 T1 处理相比,各有机肥配施化肥处理均提高了水稻产量,增幅为 3.15% ~ 9.93%。同时,各有机肥配施化肥处理还促进了土壤团聚体从微团聚体(<0.25 mm)向中团聚体(0.25 ~ 2 mm)转变。此外,这些处理还提高了全土及 >2 和 0.25 ~ 2 mm 粒径团聚体 OC、TN 含量,增幅分别为 6.95% ~ 24.68% 及 4.03% ~ 58.28% 和 23.38% ~ 57.14%(OC)、10.00% ~ 31.85% 及 19.14% ~ 78.95% 和 28.44% ~ 71.25%(TN)。相关分析表明,0.25 ~ 2 mm 粒径团聚体的比例以及>2 和 0.25 ~ 2 mm 粒径团聚体 OC 和 TN 含量越高,土壤团聚体的稳定性越强。相关和冗余分析表明,>2 和 0.25 ~ 2 mm 粒径团聚体的 OC 和 TN 与水稻产量之间的相关性更强,而 <0.25 mm 粒径团聚体的 OC、TN 与水稻产量相关性则相对较弱。综上所述,在农村宅基地复垦耕地土壤上,采用 40% 有机肥 N+60% 化肥 N 不仅有助于促进团粒结构的形成,还能提升水稻产量,在 3 种有机肥中,蚯蚓粪和菜籽饼肥的效果优于鸡粪。
Abstract
To facilitate the rapid improvement of soil fertility and the simultaneous enhancement of rice yield in reclaimed rural homestead land,this study was based on a four-year(2019—2022)field experiment with five treatments:no nitrogen (N)fertilizer(T0),100% chemical N fertilizer(T1),40% chicken manure N+60% chemical N(T2),40% earthworm manure N+60% chemical N(T3),and 40% rapeseed cake N+60% chemical N(T4). The rice yield, aggregate content of different particle sizes,and their organic carbon(OC)and total nitrogen(TN)contents were measured,and the aggregate stability was evaluated. Compared with T1 treatment,the combined organic and chemical fertilizer(organic-fertilizer)treatments increased rice yield by 3.15%-9.93%. These organic-fertilizer treatments also promoted the transformation of soil aggregates from micro-aggregates(<0.25 mm)to medium-sized aggregates(0.25- 2 mm). Furthermore,these treatments increased the OC and TN contents in the bulk soil,as well as in aggregates with particle sizes >2,and 0.25-2 mm,with increases of 6.95%-24.68%,4.03%-58.28%,and 23.38%-57.14%(OC)and 10.00%-31.85%,19.14%-78.95%,and 28.44%-71.25%(TN),respectively. Correlation analysis revealed that the higher the proportion of 0.25-2 mm aggregates and the OC and TN contents in aggregates >2 and 0.25-2 mm,the greater the stability of the soil aggregate. Correlation analysis and redundancy analysis revealed that the OC and TN contents in aggregates >2 and 0.25-2 mm had stronger correlations with rice yield,while the correlations between OC and TN contents in <0.25 mm aggregates and rice yield were relatively weaker. In conclusion,on reclaimed rural homestead land,the application of 40% organic fertilizer N combined with 60% chemical fertilizer N not only promoted the formation of soil aggregate structure but also improved rice yield. Among the three types of organic fertilizers tested,vermicompost and rapeseed cake were more effective than chicken manure.
我国人口众多,耕地资源相对短缺[1]。开展农村宅基地复垦工作对于扩大耕地面积、提高土地利用率具有重要意义。然而,这些新复垦的耕地成熟度低、结构差、肥力低,难以满足生产所需[2],亟需进行培肥和改良[3]。增施有机肥是土壤培肥和改良的关键措施[4]。若单纯依靠有机肥,不能做到快速培肥土壤,而化肥则能够提供速效养分。因此,有机肥和化肥配合施用是一种快速培肥土壤的有效方法。
土壤团聚体作为土壤的基本结构单元,是评价土壤质量的关键因素之一[5]。根据其粒径的不同,土壤团聚体可分为大团聚体(>2 mm)、中团聚体 (0.25~2 mm)和微团聚体(<0.25 mm)[6-7]。不同粒径团聚体在供给、保持、转化养分等方面各自发挥着不同的作用[8-10]。其中 >0.25 mm 粒径团聚体占比越大,表示复垦耕地土壤团粒结构越稳定,土壤的抵抗能力也越强[11]。对于复垦耕地土壤来说,大团聚体和中团聚体的恢复是提高土壤质量的关键。
土壤团聚体作为有机碳(OC)、全氮(TN) 的“贮藏库”,其粒径大小及稳定性会影响各粒径团聚体中 OC 和 TN 的分布,反之,各粒径团聚体中 OC、TN 含量的分布及转化也会影响土壤团聚体稳定性[12]。已有研究表明,施肥会影响土壤团聚体中 OC、TN 的分布[12-15]。刘学彤等[12] 在潮土区的研究发现,与不施肥相比,长期施肥与秸秆还田能增加各粒径团聚体中 OC、TN 含量。苏慧清等[13]在棕壤上进行的 36 年定位试验表明,无论是单施有机肥还是有机无机肥配施,均显著提高了0.5~1 mm 粒径团聚体中 OC、TN 含量。孙晓东等[15] 在煤矿复垦耕地土壤研究中发现,有机肥处理提高了 >2 mm 粒径团聚体中可溶性 OC 和 <0.25 mm 粒径团聚体中 OC 和微生物量碳含量。这表明,目前对于有机肥施用对各粒径团聚体 OC、TN 分布特征的影响还存在不同的研究结果。
针对农村宅基地复垦耕地土壤团聚体数量匮乏、结构不良及肥力低下,进而导致作物产量受限的现状,已有研究表明,通过有机肥与化肥的科学配施,可以有效提升复垦耕地的土壤肥力[16-18]。然而,现有研究在评估有机肥与化肥配合施用对土壤肥力改善效果时,往往未能从土壤团聚体及其碳氮角度进行深入探讨。为此,本研究以农村宅基地复垦耕地土壤为研究对象,旨在探究有机肥配施化肥对土壤各粒径团聚体比例、团聚体稳定性及 OC、TN 含量的影响,并进一步分析其对水稻产量的作用,以期为农村宅基地复垦耕地土壤肥力的提升及优化水稻种植提供科学依据和实践指导。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
本试验于江苏省扬州市邗江区公道镇的试验基地进行(32°34′13″N,119°19′10″E)。该基地原为农村宅基地,2012 年因村庄拆迁,采用就近客土法进行复垦,之后闲置 1 年未加利用。自 2014 起,该地块开始实施水稻-小麦轮作,并于 2019 年开始开展有机肥与化肥配施培肥复垦耕地土壤工作。2019 年土壤背景养分指标:pH 值为6.58,总 OC 含量为 6.86 g/kg,TN 含量为 0.42 g/kg,有效磷含量为 11.9 mg/kg,速效钾含量为 191 mg/kg。
1.2 供试材料
供试水稻品种为南粳 3908,适宜种植于长江中下游地区。供试有机肥包括鸡粪(C 16.6%、N 1.6%、P2O5 1.2%、K2O 0.7%,沈阳昊远环境服务有限公司)、蚯蚓粪(C 14.5%、N 2.0%、P2O5 1.7%、 K2O 1.0%,江苏地力有机肥料科技有限公司,原料为牛粪)、菜籽饼(C 38.1%、N 4.2%,P2O5 2.3%, K2O 1.6%,扬州大学试验农牧场)。供试化肥包括尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、氯化钾 (K2O 60%)。
1.3 试验设计
本试验采用随机分组设计,共 5 个处理,每个处理重复 3 次。每个重复小区面积为 36 m2 (4.5 m×8 m)。不同处理分别为 T0(不施氮肥)、T1 (100% 化肥 N)、T2(40% 鸡粪肥 N+60% 化肥 N)、 T3(40% 蚯蚓粪肥 N+60% 化肥 N)、T4(40% 菜籽饼肥 N+60% 化肥 N)。除 T0 外,各处理施氮量均为 300 kg/hm2,有机 N∶化肥 N 为 4∶6。详细试验设计见表1。有机肥、磷肥在水稻移栽前一次性施入;氮肥按照基肥∶分蘖肥∶穗肥为 3∶3∶4 比例进行撒施;钾肥按照基肥∶穗肥为 2∶1 比例进行撒施。每年 6 月中旬进行机插秧移栽,秧龄为 3.5~4.0 叶,水稻种植密度为 267000 穴 /hm2。各处理小区采用塑料隔板与田埂进行隔离,防止串肥,周围设置保护区,水稻种植管理模式参照当地管理模式进行。
1不同施肥处理设计
1.4 测定项目和方法
1.4.1 水稻产量测定
在每个处理小区,采用梅花取样法,选择 3 个邻近的取样点(含对角线取样点的中心点)。在每个取样点收割 1 m×1 m 水稻,收割后进行脱粒和除杂处理,随后进行晾晒干燥。干燥完成后,测量含水率并称净重(干谷重量),测量多次后取平均值,并计算出水稻实测产量。
1.4.2 土壤样品采集
在每个处理小区,同样采用梅花取样法,选择 3 个邻近的取样点(含对角线取样点的中心点),作为大团聚体样品的取样点,取样深度为 15 cm,挑除动植物残体,将 3 个混样点采集的原状样品放在一起,组合成 1 个 2 kg 左右的样品,置于硬质塑料盒后带回实验室,将带回的土壤团聚体样品沿自然结构面轻轻剥成 10~12 mm 直径的小土块(过 8 mm 筛),弃去粗根和小石块。然后将样品放置风干,待测。同样,采用“梅花法”采集 0~15 cm 浅层土壤 5 个样点,制成 1 个混合样,去除杂质,后带回实验室内风干,并磨碎过筛,用于全土 OC、 TN 含量的测定。
1.4.3 土壤样品测定
(1)团聚体分级方法:土壤团聚体分析仪湿筛法[19]
(2)团聚体稳定性评价[20-21]:通过计算团聚体平均质量直径(MWD)、几何平均直径 (GMD)、>0.25 mm 团聚体的含量(R0.25)来衡量土壤团聚体稳定性。
MWD=Σ1nXiMt×Mi
(1)
GWD=expΣi=1nMiLnXii=1n Mi
(2)
R0.25=MrMt×100%
(3)
式中,Xi 是第 i 级团聚体的平均直径(mm),Mi 是第 i 级团聚体质量(g),Mt 为团聚体总质量(g), R0.25 为 >0.25 mm 粒径团聚体的含量(%),Mr 为 >0.25 mm 粒径团聚体质量(g)。
(3)土壤及各粒级团聚体 OC、TN 含量测定:采用德国 Vario EL cube 元素分析仪进行测定。
1.5 数据分析方法
采用 SPSS 26.0 对数据进行单因素方差分析,采用 Duncan 法对数据进行多重比较,结果为重复的算术平均值和标准差,显著性水平设定为 P<0.05。冗余分析(RDA)则通过 Canoco 5.0 进行,用于分析多元响应变量与解释变量之间的关系。数据的相关性分析及图表的制作则使用 Origin 2019 完成。
2 结果与分析
2.1 水稻产量
图1为不同有机肥配施化肥对水稻产量的影响。鉴于不同处理对水稻产量的影响规律在各年度间较为一致,本文仅采用了 2022 年水稻产量数据进行分析。相较于 100% 化肥 N(T1)处理,各有机肥配施化肥处理均提高了水稻产量,增幅为 3.15%~9.93%,但差异未达显著水平(P>0.05)。 3 种有机肥中,蚯蚓粪肥和菜籽饼肥在提高水稻产量方面的效果优于鸡粪肥,但蚯蚓粪与菜籽饼肥处理间差异不大。
1不同有机肥配施化肥对水稻产量的影响
注:柱上不同小写字母表示处理间差异达 P<0.05 显著水平。下同。
2.2 各粒径团聚体分布特征及其稳定性
图2为不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤不同粒径团聚体占比的影响。与 100% 化肥 N(T1)处理相比,各有机肥配施化肥处理均未显著影响 >2 mm 粒径团聚体(大团聚体)的占比(P>0.05),但均显著提高了 0.25~2 mm 粒径团聚体(中团聚体)的占比(P<0.05),增幅为 13.28%~30.06%,同时显著降低了 <0.25 mm 粒径团聚体(微团聚体)的占比(P<0.05),降幅为 12.31%~22.53%。这一结果说明,有机肥配施化肥促进了土壤团聚体分布从微团聚体向中团聚体转化的趋势。在 3 种有机肥中,蚯蚓粪肥、菜籽饼肥处理促进微团聚体向中团聚体转化的效果要优于鸡粪,但蚯蚓粪与菜籽饼肥处理间并无显著差异 (P>0.05)。
表2为不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤团聚体稳定性指标的影响。与 100% 化肥 N (T1) 处理相比,各有机肥配施化肥均显著提高了团聚体 MWD、GWD 和 R0.25,增幅分别为6.12 %~14.17%、10.38%~21.35%、7.17%~13.99%(P<0.05)。其中,蚯蚓粪肥、菜籽饼肥处理提升团聚体稳定性效果显著高于鸡粪肥处理 (P<0.05),但蚯蚓粪肥与菜籽饼肥处理间无显著差异(P>0.05)。
2不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤不同粒径团聚体占比的影响
2不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤团聚体稳定性指标的影响
注:数据为平均值 ± 标准差。R0.25 为 >0.25 mm 团聚体的含量。同列不同小写字母表示处理间差异达 P<0.05 显著水平。
2.3 土壤有机碳和全氮
图3为不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤 OC 和 TN 的影响。相较于 100% 化肥 N(T1) 处理,各有机肥配施化肥处理均提高了土壤 OC 和 TN 含量,提高幅度为 6.95%~24.68%(OC)和 10.00%~31.85%(TN)。3 种有机肥中,蚯蚓粪肥和菜籽饼肥在提高土壤 OC、TN 方面的效果优于鸡粪肥(P<0.05),但蚯蚓粪与菜籽饼肥处理间无显著差异(P>0.05)。
3不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤有机碳和全氮的影响
2.4 各粒径团聚体有机碳和全氮分布特征的影响
图4为不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤各粒径团聚体 OC 和 TN 的影响。相较于 100% 化肥 N(T1),各有机肥配施化肥均显著提高了 >2 和 0.25~2 mm 粒径团聚体的 OC 和 TN 含量,增幅分别为 14.03%~58.28%、23.38%~60.20%(OC) 和 19.14%~78.95%、28.44%~71.25%(TN)(P<0.05),然而,各处理均显著降低了 <0.25 mm 粒径团聚体中 OC 含量(P<0.05),降低幅度为 3.92%~14.06%,但未降低该粒径团聚体中的 TN 含量。在蚯蚓粪肥和菜籽饼肥处理下,>2 和 0.25~2 mm 粒径团聚体中 OC 和 TN 含量显著高于鸡粪肥处理(P<0.05),但 <0.25 mm 粒径团聚体中,OC 和 TN 含量低于或显著低于鸡粪肥处理(P<0.05)。
4不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤各粒径团聚体有机碳、全氮含量的变化
2.5 各粒径团聚体占比及有机碳和全氮含量与团聚体稳定性的关系。
图5为各粒径团聚体占比及其 OC 和 TN 含量与团聚体稳定性的关系。土壤团聚体 MWD、 GWD 和 R0.25 与 >2 mm 粒径团聚体占比无显著相关性(P>0.05),但与 0.25~2 mm 粒径团聚体占比均呈显著正相关(P<0.05),与 <0.25 mm 粒径团聚体均呈显著负相关(P<0.05)。此外,团聚体 MWD、 GWD 和 R0.25 与 >2 和 0.25~2 mm 粒径团聚体的 OC 和 TN 含量呈显著正相关(P<0.05),与 <0.25 mm 微团聚体的 OC 含量呈显著负相关(P<0.05),但与 <0.25mm 微团聚体的 TN 含量无显著相关性(P>0.05)。
5各粒径团聚体占比及有机碳和全氮含量与团聚体稳定性的关系
注:C 和 N 代表有机碳和全氮。C1、C2、C3 分别表示 >2、0.25~2、<0.25 mm 粒级团聚体有机碳的含量;N1、N2、N3 分别为 >2、0.25~2、 <0.25 mm 粒级团聚体全氮含量;m1、m2、m3 分别表示 >2、0.25~2、<0.25 mm 粒级团聚体的占比。MWD、GWD、R0.25 分别表示平均质量直径、几何平均直径、>0.25 mm 团聚体的含量。* 表示 P<0.05。
2.6 全土及各粒径团聚体有机碳、全氮对水稻产量的贡献
图6为全土和各粒径团聚体 OC、TN 含量与水稻产量的相关性分析。全土及 >2、0.25~2 mm 粒径团聚体 OC、TN 含量与水稻产量均呈显著正相关关系(P<0.05),但与 <0.25 mm 粒级团聚体 OC、 TN 含量无显著相关性(P>0.05),总体而言,随着全土及 >2、0.25~2 mm 粒径团聚体 OC、TN 含量的增加,水稻产量相应提高。
图7为全土及各粒径团聚体 OC、TN 含量对水稻产量影响的 RDA。以水稻产量为响应变量,全土及 >2、0.25~2 mm、<0.25 mm 粒径团聚体 OC、 TN 等土壤理化因子为环境变量进行 RDA 分析,以识别影响水稻产量的主要土壤环境因素。RDA 分析结果显示,RDA1 和 RDA2 两轴的累积解释量为 97.61%,其中 RDA1 轴解释了 93.81% 的变异, RDA2 解释了 3.80% 的变异,这表明 RDA1 是主要的解释轴,大部分变量的变化可以通过 RDA1 来解释。RDA 分析显示,不同处理下,水稻产量存在一定差异性,其中 T3、T4 处理与 T0、T1、T2 处理差异较大,而 T3 与 T4 处理较为相似。水稻产量与全土 OC、TN 及 >2、0.25~2 mm 粒径团聚体 OC、 TN、<0.25 mm 粒径团聚体 TN 夹角较小、方向相同,具有较强的正相关,从各指标在 RDA1 上的投影长度来看,>2、0.25~2 mm 粒径团聚体 OC、 TN 在 RDA1 轴上投影较长,与产量相关性较强; 水稻产量与 <0.25 mm 粒径团聚体 OC 方向不同、夹角较大,相关性不强。综合 RDA 分析结果表明, >2、0.25~2 mm 粒径团聚体中 OC 和 TN 含量是影响水稻产量变化的主要因素。
6土壤和各粒径团聚体有机碳、全氮含量与水稻产量相关性分析
注:Y 代表水稻产量,OC 代表有机碳,TN 代表全氮。下同。* 表示 P<0.05。
7土壤及各粒径团聚体有机碳、全氮含量对水稻产量影响的冗余分析(RDA)
3 讨论
3.1 不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤各粒径团聚体组成、稳定性的影响
土壤各粒径团聚体分布特征是评价土壤肥力的重要指标[22]。张瑞等[23]连续 7 年的施肥试验发现,化肥配施有机肥有利于增加 >0.25 mm 大团聚体百分含量。韩紫璇等[24]基于 40 年长期定位施肥试验的研究表明,与单施化肥相比,秸秆配施化肥增加了 >2 mm 粒径团聚体含量,但显著降低了 0.25~2、0.053~0.25 及 <0.053 mm 粒级团聚体含量。孙晓东等[15]通过 5 年的定位培肥试验发现,施用有机肥增加了 >2 mm 粒径团聚体的比例,但降低了 0.25~2 和 <0.25 mm 粒径团聚体的比例。本研究中,针对复垦耕地土壤,与 100% 化肥相比,不同有机肥配施化肥均对 >2 mm 粒径团聚体的比例无显著影响,但促进了土壤团聚体分布从微团聚体(<0.25 mm)向中团聚体(0.25~2 mm)的转化。这表明,在有机质含量较低、结构较差的农村宅基地复垦耕地土壤中,添加有机肥增加了土壤有机质含量,促进了微团聚体通过有机质和黏粒的结合,形成中等粒径的团聚体。此外,有机肥的施用有助于增加微生物活性,微生物的代谢产物作为粘结剂,能够将微团聚体进一步聚集为中等团聚体。相比之下,对于大团聚体 (>2 mm)的形成影响较少,这可能是由于大团聚体的形成需要更长的时间和更复杂的物理-化学条件。
在不同类型的有机肥中,本研究发现,与鸡粪相比,蚯蚓粪肥和菜籽饼肥配施化肥在促进微团聚体向中团聚体转化方面表现更为优越。其原因可能在于,蚯蚓粪富含有大量持久性有机胶结剂,如富里酸、胡敏酸[25],而菜籽饼肥则有较高的有机质含量[26],能够直接作为胶结物促进团聚体的形成。相比之下,鸡粪有机质含量较低,胶结中团聚体物质少,因此,鸡粪对土壤微团聚体(<0.25 mm)向中团聚体(0.25~2 mm)转化的影响较弱[27]。此外,鸡粪中钠含量较高,钠作为土壤分散剂[28],在土壤中过量积累会遏制中团聚体(0.25~2 mm) 的形成。
土壤团聚体稳定性在提高土壤结构稳定性、增强土壤保水保肥能力以及促进作物生长等方面都具有重要作用。土壤有机质是团聚体形成的重要胶结物,有利于促进团聚体的形成与稳定[29]。张敏等[30]长期定位试验得出,化肥有机肥配施提高了 MWD 和 GMD 值,增强了土壤团聚体稳定性。郭力铭等[31]研究发现,施用畜禽类有机肥能显著提高 MWD、GWD 和 R0.25 值,改善土壤团聚体结构组成。本研究条件下,不同有机肥配施化肥均显著提高了 MWD、GWD 和 R0.25 值,与前人研究一致。其原因可以从两个方面解释:一方面,有机肥本身就含有丰富的有机质,施入土壤后能进一步提高土壤中的有机质含量。随着有机质含量的增加,土壤团聚体的稳定性显著提高,黏粒的分散性显著降低。微生物通过分解有机质生成新的腐殖酸类胶体物质,这些胶体物质与植物根系、土壤黏土及钙离子通过物理和化学作用胶结,形成有机-无机复合体,促进了土壤中水稳性团粒结构的形成;另一方面,有机肥配施化肥促进了作物产量,还促进了地下部分的生长,这些因素都直接或间接影响团聚体稳定性。
本研究中,蚯蚓粪肥、菜籽饼肥处理提升团聚体稳定性效果优于鸡粪肥,这可能与蚯蚓粪肥、菜籽饼肥配施化肥后,促进了中团聚体(0.25~2 mm)占比的增加有关。相比之下,鸡粪肥的效果较弱,可能是由于鸡粪的有机质含量较低,导致其对土壤团聚体稳定性的影响相对较小。
土壤团聚体的组成与稳定性密切相关。相关研究表明,土壤 MWD、GMD 和 R0.25 与 >2、0.25~2 mm 粒径团聚体组成均呈显著线性正相关,与 0.053~0.25 和 <0.053 mm 粒径团聚体组成呈显著线性负相关[32]。本研究中,土壤团聚体稳定性与 0.25~2 mm 粒径团聚体占比呈显著正相关,与 <0.25 mm 团聚体呈显著负相关,与 >2 mm 粒径团聚体占比无显著相关性。这表明,在农村宅基地复垦耕地土壤长期使用有机肥配施化肥能够促进土壤团聚体的形成并有效提高土壤团聚体稳定性。
3.2 不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤团聚体碳、氮含量分布特征的影响
土壤 OC 和 TN 是影响土壤质量与功能的核心要素,对土壤肥力具有多方面的促进作用。土壤团聚体作为 OC、TN 的“贮藏库”,其粒径大小和稳定性会影响 OC、TN 的含量,同时,不同粒径团聚体的 OC、TN 含量也会影响团聚体的稳定性。陈晓芬等[33]基于 20 年的长期定位试验表明,有机肥配施化肥显著提高了各粒级团聚体中 OC 和 TN 含量。刘恩科等[34]研究褐潮土的结果显示,长期施氮磷钾肥、氮磷钾配施有机肥及氮磷钾配合秸秆还田处理下 >2、0.25~2 mm 粒级团聚体中 OC 含量较高。Elliott[19]也证实了大团聚体比微团聚体含有更多新增加的 OC 和不稳定的 OC。Jastrow 等[35]也验证了大团聚体比微团聚体含有更多的 OC。本研究中,与 100% 化肥 N 相比,各有机肥配施化肥的处理显著提高了 >2 mm(大团聚体)和 0.25~2 mm (中团聚体)粒径团聚体的 OC 和 TN 含量,但降低了 <0.25 mm 粒径团聚体 OC 含量。这一现象可能与大、中团聚较大的比表面积和孔隙度有关,能够吸附和固定大量的 OC 和 TN 有关。土壤团聚体的 OC 和 TN 含量与团聚体的稳定性也存在紧密联系,OC 对增强土粒的团聚性、促进团粒结构的形成有重要作用[36]。团聚体的稳定性也保护 OC 避免受微生物的分解。本研究中,土壤团聚体稳定性与 >2 和 0.25~2 mm 粒径团聚体的 OC 和 TN 含量呈显著正相关(P<0.05),与 <0.25 mm 微团聚体的 OC 含量呈显著负相关(P<0.05),与 <0.25 mm 微团聚体的 TN 含量无显著相关性(P>0.05),这说明,在农村宅基地复垦耕地土壤上,有机肥配施化肥提高了中团聚体中 OC、TN 含量,从而增强了土壤团聚体的稳定性。
3.3 不同有机肥配施化肥对水稻产量的影响
施肥对水稻产量的提升效果显著,不同类型肥料的施用对水稻产量的影响也有所差异[37]。已有研究也证明,有机肥与化肥的配合施用可以维持或提高水稻产量[38-39]。本研究中,与 100% 化肥 N 施用相比,各有机肥配施化肥也均提高了水稻产量。进一步分析本研究条件下,不同有机肥配施化肥提升水稻产量的原因,首先,这种配施方式促进了复垦耕地土壤团聚体粒径从微团聚体 (<0.25 mm)到中团聚体(0.25~2 mm)的转变,增强了团聚体的稳定性,有助于形成良好土壤结构,从而促进水稻产量的提高;另一方面这种配施方式还提高了 >2 mm(大团聚体)和 0.25~2 mm 粒径团聚体( 中团聚体) 的 OC 和 TN 含量,相关分析和 RDA 结果显示,与微团聚体 OC、 TN 和产量的关系相比,>2、0.25~2 mm 粒径团聚体 OC、TN 含量与水稻产量关系更密切。这一结果与韩潇杰[40] 基于 11 年定位试验得出研究有所不同,他的研究表明,微团聚体(0.053~0.25 mm)OC、TN 含量对小麦产量具有正向的直接效应。
在本研究中,3 种不同类型有机肥配施化肥对提高水稻产量的影响效果存在差异,其中,以蚯蚓粪和菜籽饼肥配施化肥的增产效果优于鸡粪。这可能是因为蚯蚓粪肥具有较高孔隙度、通气性、排水性、保水性和微生物活性[41],经过处理后容易被吸收利用。菜籽饼肥来源于植物,其有机质、蛋白质含量和总碳、氮含量高,容易被土壤中微生物分解释放出养分[26]。相比之下,鸡粪的有机碳、氮含量相对较低,且易挥发[42],因此增产效果略差。此外,蚯蚓粪和菜籽饼配施化肥在促进微团聚体向中团聚体转化、提升团聚体稳定性、增加全土及 >2 和 0.25~2 mm 粒径团聚体中 OC 和 TN 含量方面,效果要优于鸡粪,这些因素促进了良好土壤结构的形成与更合理的 OC、TN 分布,从而进一步提高了水稻产量。
4 结论
(1)不同有机肥配施化肥促进了复垦耕地土壤团聚体从微团聚体(<0.25 mm)向中团聚体 (0.25~2 mm)转化,并提高了土壤团聚体稳定性。
(2)不同有机肥配施化肥处理提高了全土、>2 和 0.25~2 mm 粒径团聚体 OC 和 TN 含量,但均降低了微团聚体中 OC 含量,并未显著影响微团聚体中 TN 含量。
(3)>2 和 0.25~2 mm 粒径团聚体的 OC 和 TN 含量与水稻产量的提高关系最密切。
(4)3 种有机肥中,蚯蚓粪和菜籽饼肥促进良好土壤团粒结构的形成和水稻产量提高的效果优于鸡粪。
1不同有机肥配施化肥对水稻产量的影响
2不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤不同粒径团聚体占比的影响
3不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤有机碳和全氮的影响
4不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤各粒径团聚体有机碳、全氮含量的变化
5各粒径团聚体占比及有机碳和全氮含量与团聚体稳定性的关系
6土壤和各粒径团聚体有机碳、全氮含量与水稻产量相关性分析
7土壤及各粒径团聚体有机碳、全氮含量对水稻产量影响的冗余分析(RDA)
1不同施肥处理设计
2不同有机肥配施化肥对复垦耕地土壤团聚体稳定性指标的影响
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