Effects of long-term deep tillage and straw return with biochar addition to lime concretion black soil on the aggregates and wheat-maize yield
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摘要:
为探究耕作方式、秸秆还田和生物炭添加结合对土壤团聚体粒径分布、团聚体养分特征、养分库储量及小麦-玉米周年产量的影响,该研究采用3因素2水平试验设计,分别为耕作方式:常规旋耕(CT),深翻耕作(DT);秸秆处理:秸秆还田(S)、秸秆不还田(NS);生物炭:生物炭添加(B)、无生物炭添加(NB),共8个处理。结果表明:无生物炭添加时,旋耕秸秆还田提高了0~15 cm土层团聚体稳定性及土壤养分库储量,而深耕秸秆还田改善了>15~30 cm土层土壤团粒组成,提升土壤肥力,促进作物增产。相关性分析表明,砂姜黑土中作物产量的提升更依赖于深层(>15~30 cm)土壤物理结构的改善和土壤肥力的提升。配施生物炭后如DT-S-B(深耕秸秆还田配施生物炭)较CT-NS-NB(旋耕秸秆不还田无生物炭)处理使>15~30 cm土层团聚体稳定性增强,>2 mm粒级团聚体比例、重量平均直径和几何平均直径值分别增加165.88%、62.37%和119.81%,提高了>2 mm粒级团聚体有机碳、全氮和全磷含量,提高了>2 mm粒级团聚体有机碳和养分固持能力,降低了<2 mm粒级团聚体有机碳和养分固持能力,使>15~30 cm土层土壤有机碳库储量、全氮、全磷和全钾库储量分别提升了37.41%、38.99%、41.26%和9.84%,使2a作物周年产量增加22.87%~23.03%。综上,深耕秸秆还田配施生物炭能够改善黄淮海南部砂姜黑土深层土壤团聚体粒径分布和稳定性,提升土壤肥力和作物周年产量,保障农田高效绿色可持续生产。
Abstract:Lime concretion black soil in the southern region of the Huang-Huai-Hai plain is known for its poor physical structure as a typical low-yield field. Although measures of deep tillage and straw return have been proved to be able to improve soil physical properties and soil fertility, there are still problems such as shallow tillage soil, weak fertility, high bulk density of the deeper soil, poor aggregate structural properties, serious stratification of the deeper soil, low crop yields and other problems, due to the long-term use of rotary tillage of wheat before sowing and no-tillage of maize and straw return tillage. It is important to adopt reasonable tillage practices and organic matter addition to improve the quality of lime concretion black soil. Therefore, in order to investigate the effects of the tillage practices, straw return to the field and biochar addition on the particle size structure distribution of soil aggregates, nutrient characteristics of aggregates, nutrient storage capacity and annual yield of wheat and maize, a long term localization experiment was set up with tillage and straw treatment at the Henan Province Agro ecosystem Field Observation and Research Station since 2014. After the year of 2020, the soils were supplemented with biochar. A three-factor, two-level experimental design was adopted, which consisted of tillage practices (conventional rotary tillage (CT), deep tillage (DT)), straw treatments (straw returned to the field (S), straw not returned to the field (NS)) and biochar addition (biochar addition (B), and no biochar addition (NB)), with a total of eight treatments. The results showed that rotary tillage without biochar addition significantly improved the stability of soil aggregates and soil nutrient stocks in the 0-15 cm soil layer, whereas deep tillage with straw significantly improved the composition of soil aggregates in the >15-30 cm soil layer, which enhanced soil fertility and promoted the increase of crop yield. The correlation analysis showed that the crop yield increase in the lime concretion black soil was more dependent on the improvement of soil physical structure and soil fertility in the deep layer (>15-30 cm). compared with CT-NS-NB (rotary tillage straw no return without biochar) treatment, Biochar addition, such as DT-S-B (deep tillage straw return with biochar addition) especially increased the stability of aggregates in the >15-30 cm layer, and increased the proportion of >2 mm aggregates, MWD and GMD values by 165.88%, 62.37% and 119.81%, respectively. DT-S-B treatment increased the organic carbon and nutrient preservation capacity of >2 mm aggregates and decreased the organic carbon and nutrient preservation capacity of <2 mm aggregates, and significantly increased the organic carbon storage, total nitrogen, total phosphorus and total potassium pools in the >15-30 cm soil layer 22.87%-23.03%. The treatment of DT-S-B contributed to an average increase of 22.96% in 2-year annual crop yield. Although the increased application of biochar was presented as having the function of improving soil structural properties and promoting soil fertility, it did not show a significant increase in crop yield, probably due to the short application time and small amount of addition. In sum, the application of biochar with deep tillage straw returned to the field significantly improved the particle size distribution and stability of deep soil aggregates in the lime concretion black soil of the southern Huang-Huai-Hai Plain, enhanced the soil fertility and the annual yield of wheat and maize, and ensured the efficient green and sustainable production of farmland.
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Keywords:
- biochars /
- aggregates /
- tillage /
- straw return /
- nutrient preservation /
- black soil /
- yield
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0. 引 言
黄淮海平原是中国的粮食主产区,其土壤类型以潮土、砂姜黑土和褐土为主,其中砂姜黑土面积约占河南省耕地面积的1/4。砂姜黑土富含黏粒,具有涨缩性强、干时坚硬、湿时黏闭、难耕难耙和适耕期短的特点,是典型的中低产田[1-2]。这与黄淮海地区光热水资源丰富等独特优势不匹配,严重限制了作物生产的巨大潜力[3]。黄淮海区域多采用免耕或浅耕的耕作方式,且不能合理利用作物秸秆,导致耕层浅薄,犁底层增厚变硬,严重阻碍了作物产量的提高和农田的可持续发展[1,3],采用适当的农田管理措施改善土壤结构,增加土壤肥力,进而提升黄淮海砂姜黑土地区作物产能是亟待解决的问题。
免耕作为一种保护性耕作被广泛应用于东北黑土区域[4],通过减少耕作对土壤团粒的破坏,能够显著增加表层0~5 cm土壤粒径>0.25 mm团聚体含量,提高团聚体几何平均直径和重量平均直径,提升了土壤团聚体稳定性[5]。但免耕会导致深层土壤容重增加,紧实度上升,不利于作物根系的下扎,并不适用黏重的砂姜黑土[3]。深翻能够通过物理作用直接打破犁底层,改善深层土壤物理结构,显著提高土壤团聚体稳定性,促进产量提高[6]。而这存在着地域间差异,韩上等[7]研究表明,在砂姜黑土中直接深翻会大幅降低表层大团聚体和土壤有机质含量,降低团聚体稳定性,不利于作物产量的提升。秸秆中含有大量的有机质和氮磷钾等养分,还田后在土壤中被迅速分解,一方面能提供大量有机质作为团聚体间的胶结物质,促进大团聚体的形成,提升土壤稳定性;另一方面其中的氮磷钾等养分能够促进土壤养分含量的提高,为作物的生长提供充足的养分[8-9]。研究表明秸秆还田能够显著增加土壤中>0.25 mm粒级团聚体含量和团聚体稳定性,同时提高了土壤团聚体的碳、氮含量,增加幅度与秸秆还田量成正比[8,10-11]。耕作与秸秆还田有机结合被认为是一种改善土壤结构和培肥地力的有效管理措施。研究表明免耕秸秆覆盖还田较传统耕作秸秆还田显著提高0~20 cm土层>0.25 mm粒级团聚体质量比例及团聚体稳定性,增加表层土壤容重,降低土壤孔隙度[12],而长期免耕秸秆覆盖还田存在表层土壤养分富集,土壤分层化严重的风险,同时大量秸秆覆盖在土壤表面容易滋生病虫害,不利于作物出苗生长。深耕秸秆还田通过将表层有机物质混合至犁深,增加了耕层厚度,显著提高20~30 cm土层>0.25 mm粒级团聚体质量比例和团聚体稳定性,降低土壤容重,同时避免了养分在土壤表层集聚的风险,显著提升深层土壤肥力,促进根系发育和产量提高[13-14]。潮褐土中采用深耕秸秆还田提高了20~40 cm土壤有机碳含量和土壤团聚体的有机碳、全氮含量,促进物质生产和产量提升[15],砂姜黑土中同样发现类似结果,秸秆还田搭配深耕能够在显著改善土壤物理结构的同时提高土壤养分含量和碳库储量,进而提高作物产量[16]。但长期秸秆还田可能会由于激发效应导致土壤出现碳饱和现象,生物炭作为一种土壤改良剂或许可以在此基础上进一步提升土壤质量。在砂姜黑土中研究发现,生物炭作为外来碳源,能够直接增加土壤有机质含量,且其具有较大的比表面积和较强的吸附力,施入土壤后能够将微团聚体吸附团聚成大团聚体,从而增加土壤团聚体稳定性,改善土壤物理结构[17]。且生物炭与秸秆配施不仅能提高土壤大团聚体含量和团聚体稳定性,而且提高土壤和不同粒级团聚体的有机碳和全氮含量[18]。但深耕、秸秆还田和配施生物炭三者结合对于土壤团聚体和作物产量的影响尚不明确。
虽然大量研究表明耕作方式结合秸秆还田可以有效改良砂姜黑土,但黄淮海南部砂姜黑土区域由于长期采用小麦播前旋耕玉米免耕加秸秆还田的耕作模式[3],目前仍存在耕层浅薄,土壤物理结构差,作物产量低等问题。因此,如何采取更有效的耕作措施或复合措施改善其土壤团聚体的结构组成和增加土壤肥力是砂姜黑土区农田的关注重点。目前,关于土壤团聚体的研究多偏重于耕作方式、秸秆还田及二者复合因素对团聚体粒径分布和碳氮组分的影响,而耕作方式、秸秆还田及生物炭添加3因素复合处理对团聚体有机碳、全氮、全磷和全钾分布特征及团聚体稳定性之间联系的研究仍不明确,尤其是对于砂姜黑土土壤团聚体的改良效果研究较少。因此本研究通过9 a定位试验探究耕作方式、秸秆还田和生物炭添加对砂姜黑土土壤团聚体粒径组成、稳定性、养分特征及作物产量的影响,探索适宜黄淮海南部区域改善砂姜黑土物理性质及提高土壤肥力的农田管理措施,以期为农田的高效绿色可持续生产提供参考。
1. 材料与方法
1.1 田间试验区域
于2014年在河南省农田生态系统野外科学观测研究站(驻马店西平,33°19′27″ N,114°01′36″ E)开展长期定位试验,该研究站地处黄淮海平原南部,种植模式为冬小麦-夏玉米,一年两熟,年平均气温15 ℃,年平均降雨量846.1 mm。土壤类型为砂姜黑土,物理机械组成为砂粒18.60%、粉粒42.20%、黏粒39.20%。试验前,0~20 cm土层土壤容重为1.41 g/cm3,含有机质22.99 g/kg、全氮1.19 g/kg、速效磷20.12 mg/kg和速效钾138.12 mg/kg。2022年6月—2023年11月的气温和降雨量见图1。
1.2 长期定位试验设计与试验过程
采用3因素2水平试验设计,3因素主要包括耕作方式(常规旋耕CT,深翻耕作DT)、秸秆处理(秸秆还田S、秸秆不还田NS)、生物炭处理(生物炭添加B、无生物炭添加NB),共8个处理,每个处理设置3个重复小区,每个重复小区长33 m,宽5.4 m。
耕作处理与秸秆处理均开始于2014年,在每年冬小麦播种前进行试验处理,夏玉米季直接免耕播种。常规旋耕采用旋耕机进行旋耕,耕作深度约15 cm;深耕耕作采用铧式犁翻耕,耕作深度约35 cm。秸秆还田处理为两季作物秸秆全量还田,小麦秸秆还田量约为7 t/hm2,玉米秸秆还田量约为10 t/hm2;秸秆不还田处理是将冬小麦和夏玉米的地上部秸秆全部移出试验小区。生物炭处理从2020年开始,于每年冬小麦播种前将生物炭按照4.5 t/hm2的施用量均匀撒施在配施生物炭小区内,随后进行耕作处理;无生物炭添加处理不添加生物炭。
种植制度为小麦-玉米一年两熟制,小麦供试品种为豫农908,播种量为165 kg/hm2,20 cm等行距种植,于每年10月15—25日播种,第二年6月2—5日收获,小麦季施肥量分别为225 kg/hm2(以N计)、150 kg/hm2(以P2O5计)和120 kg/hm2(以K2O计),其中1/2氮肥及全量磷钾肥作为底肥施入,1/2氮肥于拔节期追施。玉米品种为中农大678,种植密度为75 000株/hm2,等行距60 cm种植,于每年6月10—15日播种,当年10月5日收获,玉米季施肥量为240 kg/hm2(以N计)、90 kg/hm2(以P2O5计)和120 kg/hm2(以K2O计),底肥以1/3氮肥和全量磷钾肥施入,2/3氮肥在玉米大喇叭口期追施。灌溉方式采用滴灌水肥一体化,在小麦拔节期灌水30 mm,孕穗期和灌浆期分别灌水50 mm,玉米大喇叭口期、吐丝期和灌浆期分别灌水40 mm,实际灌溉量随降雨进行调整,追施氮肥在对应时期通过水肥一体化同期施入。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤样品采集
2023年于玉米吐丝期,每个试验小区按照5点取样法分别采集0~15、>15~30 cm土层原状土,置于取样盒,无扰动带回实验室于阴凉处自然风干后去除粗根和石块,沿土块自然缝隙掰成直径8 mm左右小块,作为测定团聚体及其养分的待测土样。
1.3.2 土壤团聚体分布
土壤团聚体是土壤结构的关键组成部分,其粒径分布和稳定性影响着土壤养分的稳定性和固持能力[19-20],而团聚体的几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)、重量平均直径(mean weight diameter,MWD)和>0.25 mm粒级团聚体比例是衡量团聚体分布和稳定性的重要指标[21]。采用湿筛法进行团聚体筛分[8]。称量100 g原状风干土样,在水中浸泡10 min后,放入套筛(粒径分别为2、0.25和0.053 mm),将套筛置于盛水的水桶中上下震荡10 min(30次/min),上下振幅为3 cm。筛分结束后,取出每层筛并将筛上土壤冲入培养皿中,放入烘箱中50 ℃烘干至恒质量,称质量后分别记为大团聚体(>2 mm)、小团聚体(0.25~2 mm)、微团聚体(0.053~<0.25 mm)和粉黏粒(<0.053 mm)的质量,并计算各粒级团聚体质量比例(W,%)、>0.25 mm粒级团聚体比例(R0.25,%)。MWD(mm)和GMD(mm)[15,22]计算式如下:
$$\text{MWD}\text=\frac{\sum _{\mathit{i=}\text{1}}^{\mathit{n}}\text{(}{\mathit{X}}_{\mathit{i}}\mathit{W}_i\text{)}}{\sum _{\mathit{i=}\text{1}}^{\mathit{n}}\mathit{W}_i} $$ (1) $$ \text{GMD}\text=\text{e}\frac{\sum _{\mathit{i=}\text{1}}^{\mathit{n}}{\mathit{W}}_{\mathit{i}}\text{ln}{\mathit{X}}_{\mathit{i}}}{\sum _{\mathit{i=}\text{1}}^{\mathit{n}}{\mathit{W}}_{\mathit{i}}} $$ (2) 式中Wi为各粒级水稳定性团聚体质量,g;n为粒径分组的组数,Xi为某一粒级团聚体的平均直径,mm。
1.3.3 土壤及团聚体养分
依据《土壤农化分析(第三版)》[23]中的方法测定土壤及各粒级水稳性团聚体有机碳、全磷、全钾和全氮含量。以单位质量土壤中不同粒级团聚体中固持的养分含量表示团聚体养分固持能力[20],计算团聚体有机碳、全氮、全磷、全钾固持能力和土壤有机碳、全氮、全磷、全钾库储量[24],计算式如下:
$$ {\mathit{K}}_{\mathit{P}}\text={\mathit{C}}_{\mathit{i}}\cdot\mathit{W}_i $$ (3) $$ {\mathit{K}}_{\mathit{S}}\text=\text{10}\mathit{B}\text{}\cdot\text{}\mathit{d}\text{}\cdot\text{}{\mathit{C}}_{\mathit{T}} $$ (4) 式中Kp为养分固持能力,g/kg;KS为养分库储量,t/hm2;Ci为各粒级(i)团聚体养分含量(有机碳、全氮、全磷、全钾),g/kg;B为土壤容重,g/kg;d为土层厚度,cm;CT为土壤养分含量(有机碳、全氮、全磷、全钾),g/kg。
1.3.4 作物产量
分别于2022年和2023年小麦和玉米成熟期进行测产,在每个小区每个重复选20 m2(小麦)和60 m2(玉米)收获,小麦按照12.5%水分计产,玉米按照14%的籽粒水分计产。
1.4 数据分析与绘图
采用Excel 2016进行数据整理,SPSS 19.0进行统计分析,方差分析为单因素方差(One Way-ANOVA),采用一般线性模型进行三因素间的主效应分析,Origin 2024进行科学绘图。
2. 结果与分析
2.1 深耕秸秆还田配施生物炭对土壤水稳定性团聚体粒径分布和稳定性的影响
深耕秸秆还田配施生物炭显著影响团聚体粒径分布和团聚体稳定性(表1)。>0.25 mm粒级团聚体是砂姜黑土团聚体中的主要组成部分,其中深耕、秸秆还田和生物炭添加主要通过改变>2 mm粒级团聚体比例影响团聚体稳定性。与CT-NS-NB相比,DT-NS-NB处理在>15~30 cm土层提高>0.25 mm粒级团聚体比例,>2 mm粒级团聚体比例提高136.24%,MWD和GMD分别提高45.43%和52.09%(P<0.05),显著提高深层(>15~30 cm)团聚体稳定性,这表明深耕主要改良>15~30 cm土层土壤团粒结构。秸秆还田和生物炭添加均能增加0~15 cm和>15~30 cm土层>2 mm粒级团聚体比例,提高团聚体稳定性,其中秸秆还田的改良效果更强,如CT-S-NB较CT-NS-NB处理在0~15 cm土层中R0.25、MWD和GMD值分别显著提高14.72%、27.49%和80.68%,>15~30 cm土层中分别显著提高13.33%、23.67%和44.96%。深耕结合秸秆还田能够显著增加>15~30 cm土层>2 mm粒级团聚体比例和团聚体稳定性,如DT-S-NB较CT-NS-NB处理>2 mm粒级团聚体比例、MWD和GMD值分别增加160.99%、59.59%和105.24%,而DT-S-B较CT-NS-NB处理在>15~30 cm土层土壤中>2 mm粒级团聚体比例、MWD和GMD值的提高幅度更为显著,分别显著提升165.88%、62.37%和119.81%,这意味着生物炭添加能够较深耕秸秆还田进一步促进小团聚体形成大团聚体,提升团聚体稳定性。
土层
Soil layers/cm处理
Treatments团聚体粒径分布
Aggregate size distribution/%团聚体稳定性
Aggregate stabilityF1 F2 F3 F4 R0.25/% MWD/mm GMD/mm 0~15 CT-NS-NB 45.3bcd 29.51abc 13.86ab 11.34a 74.81d 1.70cde 0.73c CT-NS-B 51.82bc 30.79abc 7.99c 9.39a 82.61ab 1.91bcd 1.03bc CT-S-NB 63.82a 21.99c 5.67c 8.52a 85.82ab 2.17ab 1.32ab CT-S-B 64.71a 23.27bc 5.41c 6.61a 87.98a 2.21a 1.38a DT- NS-NB 38.61d 36.55a 13.97ab 10.87a 75.16cd 1.58e 0.69c DT-NS-B 42.58cd 32.91ab 16.58a 7.93a 75.49cd 1.66de 0.73c DT-S-NB 54.32abc 25.66bc 10.14bc 9.88a 79.99bcd 1.92bcd 0.95c DT-S-B 55.67ab 26.22bc 9.18bc 8.92a 81.90abc 1.97abc 1.03bc >15~30 CT-NS-NB 16.64b 52.53a 13.65a 17.18a 69.17d 1.10c 0.46d CT-NS-B 25.48b 45.01ab 14.00a 15.51a 70.49cd 1.28bc 0.51cd CT-S-NB 25.13b 53.26a 13.07ab 8.54bc 78.39ab 1.36b 0.67bc CT-S-B 23.25b 56.74a 13.01ab 6.99c 79.99ab 1.34b 0.71b DT- NS-NB 39.30a 36.68b 12.72ab 11.30abc 75.98bcd 1.60a 0.71b DT-NS-B 41.36a 35.60b 9.67ab 13.37ab 76.96bc 1.65a 0.74b DT-S-NB 43.42a 39.75b 9.13ab 7.70bc 83.17ab 1.76a 0.95a DT-S-B 44.24a 40.34b 8.42b 7.01c 84.58a 1.79a 1.02a 注:CT为旋耕;DT为深耕;NS为秸秆不还田;S为秸秆还田;NB为无生物炭添加;B为生物炭添加。R0.25:>0.25 mm粒级团聚体所占比例;MWD:平均重量直径;GMD:几何平均直径;F1:>2 mm;F2:0.25~2 mm;F3:0.053~<0.25 mm;F4:<0.053 mm。不同小写字母代表同一土层相同粒级不同处理间的差异显著(P<0.05)。下同。 Note: CT: rotary tillage; DT: deep tillage; NS: straw not returned to the field; S: straw returned to the field; NB: no biochar addition; B: biochar addition. R0.25: proportion of agglomerates >0.25 mm; MWD: mean weight diameter; GMD: geometric mean diameter; F1: >2 mm; F2: 0.25~2 mm; F3: 0.053~<0.25 mm; F4: <0.053 mm. Different lowercase letters represent significant differences (P<0.05) among different treatments with the same particle size in the same soil layer. Same below. 2.2 深耕秸秆还田配施生物炭对团聚体有机碳和养分分布的影响
深耕、秸秆还田和配施生物炭均能影响土壤团聚体有机碳、全氮、全磷、全钾含量,且因子间对不同粒径团聚体养分含量存在显著交互作用(表2)。
土层
Soil layers/cm来源
Source土壤有机碳Soil organic C (SOC)/(g·kg−1) 总氮Total N(TN)/(g·kg−1) 总磷Total P(TP)/(g·kg−1) 总钾Total K (TK)/(g·kg−1) F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 0~15 T ** ** ** ** ** * ns ** ns ns ns ** ns ns ns ns ST ** ** ** * ** ** ** ** ns ns ns ns ns ** ** ns BT ** ns ** ns ns ns ** ns ns ns ns ns ns ns ns ** T×ST ** ** ** ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns T×BT * ns ns * ns ns * ns ns ns ns ns ns * ** ** ST×BT ns ns ** ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns T×ST×BT ns ** ** ns ns * ns ns ns ns ns ns ns ns ns ** >15~30 T ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ns ** ns ns ns ST * ns * ns ** ** ** ns ns ** ns ns ns ns ns ns BT ** ns ** ns ns ** ns ns ns * ns ns ns ns * ns T×ST ns ns ** ns * ** ** * ns ** ns ns ns ns ns ns T×BT ns ns ns ns ns ns * ns ns ns ns ns ns ns ns ns ST×BT ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns T×ST×BT ns ns ns * ns * * ns ns ns ns ns ns ns ns * 注:T为耕作方式;ST为秸秆处理;BT为生物炭处理。*和**分别代表P<0.05和P<0.01水平显著;ns表示不显著。下同。 Note: T is tillage practices; ST is straw treatments; BT is biochar treatments. * and ** represent significances at the P<0.05 and P<0.01 levels, respectively; ns indicates insignificance. Same below. 由(表3)可知,土壤有机碳、全氮、全磷含量在土壤各粒径团聚体中富集趋势一致,大团聚体占比最高,其次为微团聚体、小团聚体、粉黏粒,而全钾含量随粒径由大到小依次降低。无生物炭添加时,秸秆还田下2种耕作方式间差异更显著,深耕较旋耕处理显著降低0~15 cm土层各粒级团聚体有机碳含量,>15~30 cm土层>2 mm和0.25~2 mm粒级团聚体有机碳分别显著提高16.74%和27.63%、全氮含量分别显著增加13.76%和16.74%,而在秸秆不还田处理下2种耕作方式间无显著差异。秸秆还田能够促进0~15 cm和>15~30 cm土层>2 mm粒级团聚体有机碳、全氮含量提升,旋耕处理下秸秆还田更有利于提高0~15 cm土层团聚体养分含量,而深耕结合秸秆还田更能促进>15~30 cm土层团聚体养分提升。无生物炭添加时,与旋耕秸秆不还田相比,深耕秸秆还田显著提高0~15 cm土层0.25~2 mm和0.053~<0.25 mm粒级团聚体有机碳、全氮和全钾含量,显著提高>15~30 cm土层>2 mm、0.25~2 mm和0.053~<0.25 mm粒级团聚体有机碳、全氮和全磷含量,如DT-S-NB较CT-NS-NB处理>15~30 cm土层>2 mm粒级团聚体有机碳、全氮和全磷含量分别显著提升16.94%、24.06%和17.36%,表明深耕秸秆还田使表层(0~15 cm)和深层(>15~30 cm)土壤养分含量均有提高。三因素综合分析,DT-S-B处理较CT-NS-NB处理>15~30 cm土层>2 mm粒级团聚体有机碳、全氮和全磷分别显著提高30.61%、29.54%和22.00%,表明在深耕秸秆还田的基础上添加生物炭能够进一步提高>15~30 cm土层土壤>2 mm粒级团聚体养分含量,促进深层土壤地力提升。
土层
Soil layers/cm处理
TreatmentsSOC/(g·kg−1) TN/(g·kg−1) TP/(g·kg−1) TK/(g·kg−1) F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 0~15 CT-NS-NB 15.16d 13.4cd 12.73de 8.61ab 1.59cd 1.15c 1.23d 0.95b 0.85a 0.71a 0.91a 0.73b 4.21b 3.88f 3.48c 2.75bc CT-NS-B 17.05c 12.38e 15.85c 8.58ab 1.68bc 1.29bc 1.57ab 0.96b 0.93a 0.77a 0.91a 0.75b 4.27ab 4.01ef 3.68bc 2.62bcd CT-S-NB 20.91b 18.71a 20.13a 9.12a 1.86ab 1.47ab 1.48bc 1.14a 0.85a 0.73a 0.92a 0.76b 4.14b 4.27bcd 3.81ab 2.49de CT-S-B 22.22a 19.10a 18.97b 8.31abc 1.93a 1.40ab 1.72a 1.06ab 0.86a 0.80a 0.94a 0.78b 4.34ab 4.54a 3.81ab 2.62bcd DT-NS-NB 13.62e 11.94e 12.52e 6.15d 1.44d 1.37b 1.34cd 0.68c 0.78a 0.69a 0.87a 1.01ab 4.27ab 4.08def 3.81ab 2.29e DT-NS-B 13.74e 12.86de 13.61d 7.32c 1.45d 1.43ab 1.48bc 0.72c 0.90a 0.74a 0.91a 1.09a 4.34ba 4.14cde 3.61bc 3.02a DT-S-NB 15.97cd 14.65b 15.10c 7.38c 1.60cd 1.35b 1.49bc 0.92b 0.94a 0.80a 0.93a 0.95ab 4.47a 4.47ab 3.94a 2.56cd DT-S-B 16.28cd 13.93bc 15.68c 7.99bc 1.61cd 1.57a 1.59ab 0.95b 0.98a 0.79a 0.95a 0.95ab 4.34ab 4.34abc 3.75ab 2.82ab >15~30 CT-NS-NB 12.11d 9.78b 10.19ef 5.61bc 1.08b 1.14e 1.04d 1.04c 0.68c 0.6b 0.77c 0.77ab 4.21ab 4.08ab 3.68ab 3.68ab CT-NS-B 13.10cd 10.10b 11.09de 5.83abc 1.11b 1.25d 0.91e 0.91bc 0.71bc 0.64b 0.80bc 0.80ab 4.08b 4.01ab 3.68ab 3.68a CT-S-NB 12.19d 9.80b 9.67f 6.22ab 1.17b 1.28cd 1.28c 1.28bc 0.76abc 0.61b 0.94abc 0.94ab 4.21ab 4.14ab 3.65ab 3.65a CT-S-B 13.51bcd 10.14b 11.28d 4.97c 1.17b 1.28cd 1.32c 1.32c 0.77abc 0.67b 0.81bc 0.81a 4.21ab 3.94b 3.75a 3.75ab DT-NS-NB 12.48d 11.70a 12.42c 6.79a 1.15b 1.32cd 1.58b 1.58a 0.81ab 0.61b 0.97abc 0.97ab 4.34ab 4.08ab 3.48b 3.48ab DT-NS-B 14.73ab 12.09a 12.97bc 6.48ab 1.15b 1.36c 1.72a 1.72a 0.84a 0.77b 1.01ab 1.01ab 4.41a 4.08ab 3.68ab 3.68ab DT-S-NB 14.17bc 12.51a 13.53b 6.13ab 1.33a 1.50b 1.50b 1.50ab 0.80ab 1.01a 1.08a 1.08b 4.34ab 4.01ab 3.48b 3.48b DT-S-B 15.82a 12.52a 14.58a 6.61a 1.39a 1.66a 1.56b 1.56c 0.83ab 1.06a 1.02ab 1.02ab 4.41a 4.21a 3.75a 3.75a 2.3 深耕秸秆还田配施生物炭对有机碳和养分固持能力的影响
耕作方式、秸秆处理和生物炭处理显著影响土壤团聚体有机碳和养分固持能力,且不同因子间存在交互效果(表4)。团聚体有机碳和养分固持能力与水稳性团聚体的分布比例趋势高度一致,且超过75%的土壤团聚体养分固持在粒径>0.25 mm的团聚体中(表5)。在0~15 cm土层土壤中,各粒级团聚体有机碳、全氮、全磷和全钾固持能力随着粒径减小均呈现逐渐下降趋势,而>15~30 cm土层中土壤各粒级团聚体养分固持能力在2种耕作方式间出现明显差异,仅在深耕处理下与0~15 cm土层土壤各粒级团聚体养分固持能力趋势一致。无生物炭添加时,在0~15 cm土层中秸秆还田下2种耕作方式的土壤团聚体养分固持能力差异更显著,如DT-S-NB较CT-S-NB处理>2 mm粒级团聚体有机碳和全氮固持能力分别显著降低34.98%和26.92%,而在>15~30 cm土层中秸秆不还田时2种耕作方式间差异更显著,与旋耕相比,深耕处理>2 mm粒级团聚体有机碳、全氮、全磷和全钾固持能力均显著提高,分别提升143.48%、152.20%、181.63%和143.59%;与团聚体养分分布趋势不同,在0~15 cm和>15~30 cm 2个土层中,均表现为在旋耕处理下秸秆还田较不还田处理团聚体有机碳、全氮、全磷和全钾固持能力提升幅度更显著。深耕秸秆还田配施生物炭能够显著提升0~15 cm和>15~30 cm土层>2 mm粒级团聚体养分固持能力,如DT-S-NB和DT-S-B处理较CT-NS-NB处理0~15 cm和>15~30 cm土层>2 mm粒级团聚体有机碳和养分固持能力均能显著提高,其中DT-S-B处理效果更优,表明深耕秸秆还田能够提升0~30 cm土层土壤团聚体养分含量,且配施生物炭后提升效果更佳。
土层
Soil
layers/cm来源
SourceCp/(g·kg−1) Np/(g·kg−1) Pp/(g·kg−1) Kp/(g·kg−1) F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 0~15 T ** ns ** ** ** ** ** ** ns ** ** ** ** ** ** * ST ** ns ** ** ** ** ** ns ** ** ** * ** ** ** ** BT ** ns ns ** * * ns ** * ns ns * ** ns ** ** T×ST ** ** ns ** * * ns ** ns ns ns ns ns * ns ** T×BT ** ns ** ** ns ns ** * ns ns ** ns * ** ** ** ST×BT ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns * * ** ns T×ST×BT ns ns ns ns ns ** ** ns ns ns ** ns ns ns ** ns >15~30 T ** ** ** ns ** ** ns ns ** ns ns ** ** ** ** ** ST ** ** ** ** ** ** ns ** ** ** ns ** ** ** ** ** BT ** ns ns ns ** ns ** ns * ns * ns ** * * ns T×ST * ns ns ** ** ns ** ns ns ** * ns ns ns ** ** T×BT ns ns ** ** ns ns * * ns ns ns ** ns ** ** ** ST×BT ** ** ** * ** ** ** ** * ns ns ns ns ** ** * T×ST×BT ns ns ns ** ** ns ns ns ns ns ns ns ** * ** ns 注:Cp:有机碳固持能力;Np:全氮固持能力;Pp:全磷固持能力;Kp:全钾固持能力。下同。 Note: Cp: organic carbon preservation capacity; Np: total nitrogen preservation capacity; Pp: total phosphorus preservation capacity; Kp: total potassium preservation capacity. Same below. 土层
Soil layers/cm处理
TreatmentsCp/(g·kg−1) Np/(g·kg−1) Pp/(g·kg−1) Kp/(g·kg−1) F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 0~15 CT-NS-NB 6.87d 3.95cd 1.76b 0.98a 0.72c 0.34c 0.17b 0.11a 0.38bc 0.21bc 0.13b 0.08ab 1.91e 1.14d 0.48c 0.31a CT-NS-B 8.83c 3.81de 1.27d 0.81b 0.87b 0.40b 0.13d 0.09bc 0.48ab 0.24ab 0.07cd 0.07bc 2.21d 1.23c 0.29f 0.25b CT-S-NB 13.34b 4.11bc 1.14de 0.78b 1.19a 0.32c 0.08e 0.10ab 0.54a 0.16d 0.05d 0.06bc 2.64b 0.94f 0.22g 0.21c CT-S-B 14.38a 4.44a 1.03e 0.55e 1.25a 0.32c 0.09e 0.07e 0.56a 0.19cd 0.05d 0.05c 2.81a 1.06e 0.21g 0.17d DT-NS-NB 5.26e 4.36ab 1.75b 0.67cd 0.56d 0.50a 0.19b 0.07de 0.30c 0.25a 0.12b 0.11a 1.65f 1.49a 0.53b 0.25b DT-NS-B 5.85e 4.23ab 2.26a 0.58de 0.62cd 0.47a 0.25a 0.06f 0.38bc 0.24ab 0.15a 0.09ab 1.85e 1.36b 0.60a 0.24b DT-S-NB 8.68c 3.76de 1.53c 0.73bc 0.87b 0.35c 0.15c 0.09bc 0.51a 0.20bc 0.09c 0.09ab 2.43c 1.15d 0.40d 0.25b DT-S-B 9.07c 3.65e 1.44c 0.71bc 0.90b 0.41b 0.15c 0.08cd 0.55a 0.21bc 0.09c 0.09ab 2.42c 1.14d 0.34e 0.25b >15~30 CT-NS-NB 2.02e 5.14b 1.39b 0.96a 0.18d 0.60c 0.14c 0.14a 0.11d 0.32bc 0.11ab 0.13a 0.70e 2.14a 0.50ab 0.44a CT-NS-B 3.34d 4.55c 1.55a 0.90a 0.28c 0.56c 0.13c 0.13ab 0.18c 0.29cd 0.11ab 0.11a 1.04d 1.81b 0.52a 0.44a CT-S-NB 3.06d 5.22b 1.26c 0.53c 0.29c 0.68ab 0.17b 0.08c 0.19c 0.33bc 0.12a 0.07bc 1.06d 2.21a 0.48b 0.24d CT-S-B 3.14d 5.75a 1.47ab 0.35d 0.27c 0.72a 0.17b 0.06d 0.18c 0.38ab 0.11ab 0.06bc 0.98d 2.24a 0.49b 0.18e DT-NS-NB 4.91c 4.29c 1.58a 0.77b 0.45b 0.48d 0.20a 0.12b 0.32b 0.22d 0.12a 0.07b 1.71c 1.49de 0.44c 0.29c DT-NS-B 6.09b 4.30c 1.25c 0.87a 0.48b 0.49d 0.17b 0.14a 0.35ab 0.28cd 0.10ab 0.11a 1.82b 1.45e 0.36d 0.33b DT-S-NB 6.15b 4.97b 1.24c 0.47c 0.58a 0.60c 0.14c 0.08c 0.35ab 0.40a 0.10ab 0.05c 1.88ab 1.59cd 0.32e 0.19e DT-S-B 7.00a 5.05b 1.23c 0.46c 0.62a 0.67b 0.13c 0.06d 0.37a 0.43a 0.09b 0.05bc 1.95a 1.70c 0.32e 0.19e 2.4 深耕秸秆还田配施生物炭对土壤有机碳和养分库储量的影响
耕作方式、秸秆还田和配施生物炭对不同土层养分库储量的影响如表6,三因子间存在交互作用。DT-S-NB较CT-NS-NB处理使0~15 cm土层土壤全钾库储量显著增加10.00%,显著提升>15~30 cm土层土壤有机碳、全氮、全磷和全钾库储量,分别增加33.61%、30.63%、35.43%和5.29%。表明深耕秸秆还田能够有效提升>15~30 cm土层土壤养分储量。添加生物炭后,促进了土壤有机碳和养分库储量进一步提升,如DT-S-B较CT-NS-NB处理的土壤全氮和全钾库储量在0~15 cm土层分别提高14.96%和7.93%,在>15~30 cm土层中土壤有机碳、全氮、全磷和全钾库储量分别显著提高37.41%、38.99%、41.26%、9.84%(P<0.05),表明深耕、秸秆还田和生物炭添加三者结合对0~30 cm土壤肥力状况明显改善。
土层Soil layers/cm 处理Treatments CS/(t·hm−2) NS/(t·hm−2) PS/(t·hm−2) KS/(t·hm−2) 0~15 CT-NS-NB 35.42c 2.92de 1.75ab 8.37d CT-NS-B 39.51b 3.22bc 1.88ab 8.69cd CT-S-NB 42.30a 3.68a 1.78ab 8.74bc CT-S-B 44.21a 3.78a 1.84ab 9.24a DT-NS-NB 26.03e 2.87e 1.71b 8.54cd DT-NS-B 29.57d 3.03cde 1.89ab 8.82bc DT-S-NB 34.99c 3.18bcd 1.97ab 9.21a DT-S-B 36.46c 3.36b 2.02a 9.04ab >15~30 CT-NS-NB 26.15e 2.58e 1.60c 9.19c CT-NS-B 26.74de 2.68e 1.68c 9.22c CT-S-NB 27.28cde 2.97d 1.72c 9.67b CT-S-B 28.81cd 2.98cd 1.77c 9.44bc DT-NS-NB 29.10bc 3.05cd 1.79c 9.55b DT-NS-B 31.06b 3.08c 2.00b 9.62b DT-S-NB 34.93a 3.37b 2.17ab 9.67b DT-S-B 35.93a 3.59a 2.27a 10.09a 注:CS:有机碳库储量;NS:全氮储量;PS:全磷储量;KS:全钾储量。下同。 Note: CS: organic carbon storage; NS: total nitrogen storage; PS: total phosphorus storage; KS: total potassium storage. Same below. 2.5 深耕秸秆还田配施生物炭对周年作物产量及其相关性分析
深耕、秸秆还田和生物炭添加均能显著提升作物周年产量(表7),但三因素效应分析表明因子间并未出现交互效应。深耕较旋耕处理周年产量分别显著提高6.12%(2022)、5.53%(2023);秸秆还田较秸秆不还田处理周年产量分别显著提高13.74%(2022)、11.98%(2023);生物炭添加随着施用年限的增加增产效果逐渐明显,仅在2023年较无生物炭添加处理周年产量显著提高,其中主要源于小麦产量显著提升4.88%。
年份Year 处理 Treatments 小麦Wheat/(t·hm−2) 玉米Maize/(t·hm−2) 周年Annual/(t·hm−2) 2022 CT-NS-NB 9.37d 8.31b 17.68c CT-NS-B 9.38d 8.35b 17.73c CT-S-NB 11.88a 8.90a 20.79a CT-S-B 11.68ab 8.99a 20.67a DT-NS-NB 10.35cd 8.90a 19.25b DT-NS-B 10.77bc 8.70ab 19.47b DT-S-NB 12.22a 8.92a 21.13a DT-S-B 12.50a 9.22a 21.72a 2023 CT-NS-NB 9.47c 10.49b 19.96d CT-NS-B 10.07c 11.28ab 21.35c CT-S-NB 11.43b 11.53a 22.96b CT-S-B 11.84ab 11.75a 23.59ab DT-NS-NB 10.01c 11.28ab 21.29c DT-NS-B 11.02b 11.56a 22.58b DT-S-NB 12.65a 11.64a 24.28a DT-S-B 12.75a 11.81a 24.56a 三因素综合分析,DT-S-NB处理较CT-NS-NB处理周年产量分别增加19.56%(2022)、21.66%(2023),DT-S-B处理较CT-NS-NB处理周年产量分别增加22.87%(2022)、23.03%(2023),而DT-S-B与DT-S-NB处理间周年产量未表现出显著差异,表明在深耕秸秆还田基础上增施生物炭在短期内并不能显著提升作物周年产量 。对比不同处理下玉米和小麦产量的差异发现,深耕、秸秆还田和配施生物炭三因素均对小麦季增产效果更明显。
相关分析表明(表8),产量与>15~30 cm土层的R0.25、MWD、GMD值和NS呈极显著正相关(P<0.01),与土壤有机碳、全磷和全钾库储量显著正相关(P<0.05)。且土壤团聚体稳定性与养分库储量显著相关,其中0~15 cm土层中 R0.25值与MWD、GMD、Cs和Ns呈极显著正相关,而在>15~30 cm土层中R0.25值与MWD、GMD、Cs、Ns、PS和KS均呈极显著正相关,Ps和Ks仅在>15~30 cm土层与MWD和GMD值呈极显著正相关。
土层
Soil layers/cm指标
Indexes周年产量
Annual yield0~15 >15~30 R0.25 MWD GMD CS NS PS KS R0.25 MWD GMD CS NS PS 0~15 R0.25 0.27 1 MWD 0.36* 0.90** 1 GMD 0.34 0.96** 0.96** 1 CS 0.12 0.73** 0.77** 0.75** 1 NS 0.29 0.73** 0.77** 0.76** 0.83** 1 PS 0.41* 0.08 0.17 0.07 0.11 0.13 1 KS 0.52** 0.38* 0.39* 0.35 0.37* 0.47** 0.45* 1 >15~30 R0.25 0.63** 0.18 0.31 0.24 0.06 0.34 0.49** 0.61** 1 MWD 0.47** 0.14 0.11 0.17 -0.39* -0.07 0.45** 0.51** 0.68** 1 GMD 0.57** 0.05 0.14 0.06 -0.12 0.15 0.60** 0.59** 0.91** 0.88** 1 CS 0.38* -0.04 -0.02 -0.08 -0.22 -0.01 0.54** 0.57** 0.66** 0.75** 0.78** 1 NS 0.48** 0.11 0.14 0.08 -0.16 0.13 0.49** 0.61** 0.72** 0.81** 0.84** 0.91** 1 PS 0.42* 0.01 0.08 0.014 -0.20 0.03 0.56** 0.49** 0.60** 0.72** 0.73** 0.88** 0.90** 1 KS 0.43* 0.09 0.16 0.11 -0.08 0.24 0.32 0.48** 0.67** 0.70** 0.72** 0.72** 0.88** 0.79** 3. 讨 论
3.1 深耕秸秆还田配施生物炭对团聚体粒径分布及其稳定性的影响
深耕、秸秆还田和配施生物炭均显著影响不同土层团聚体粒径分布和团聚体稳定性(P<0.05)。本研究发现,深翻耕通过物理翻转将表层土壤转移到深层,提高了深层大团聚体(>2 mm)比例和MWD值[25]。秸秆还田和配施生物炭均提高了0~15 cm和>15~30 cm两个土层>2 mm粒级团聚体比例、MWD和GMD值,尤其是在表层土(0~15 cm土层)中,这与秸秆还田和生物炭的主要施用位置有关。虽然二者均改善了土壤团聚体分布和稳定性,但作用机制不同,前者是因为微生物在分解秸秆过程中形成大量新鲜有机胶结物质,通过胶黏性和菌丝的缠绕更易将土壤中小粒级团聚体团聚成较大团聚体[26],后者则是因为生物炭自身为疏松多孔结构,具备较大的比表面积和结构内部有机大分子,有着较强的吸附和团聚作用,促进小团聚体聚合而形成大团聚体[27]。生物炭添加的改良效果不显著,可能与生物炭添加量和处理年限较短有关。生物炭与深耕秸秆还田结合能协同改良土壤物理结构,即深耕秸秆还田配施生物炭对0~30 cm两个土层土壤团粒结构组成均能改善,提高土壤团聚体稳定性,尤其显著改善>15~30 cm土层土壤物理结构。
3.2 深耕秸秆还田配施生物炭对团聚体养分固持及养分库储量的影响
耕作方式、秸秆还田和配施生物炭通过改变土壤团聚体粒径分布而影响着团聚体的养分固持能力。本研究发现,由于施肥和作物残茬多留存并作用在0~15 cm土层中,因此随着土层加深,土壤团聚体的有机碳和养分含量逐渐下降,而深翻通过机械扰动实现了上下层土壤的匀质化,表现出>15~30 cm土层土壤团聚体有机碳和养分含量的大幅提高,且下层土壤粉黏粒比例高,微生物分解作用较弱,使得土壤团聚体中的有机碳和养分更易被固持[28-29]。秸秆还田增加了土壤团聚体有机碳、全氮、全磷和全钾养分含量,尤其是提高了>2 mm粒级团聚体的养分含量,与前人结论一致[11]。这与秸秆还田后,在微生物的作用下形成大量富含养分、易胶黏的有机胶结物质有关[11]。配施生物炭由于作用年限较短且单次施用量较少,对团聚体有机碳和养分含量的提升效果并未达到显著水平。本研究发现,DT-S-B处理使0~15 cm土层团聚体承载养分较CT-NS-NB处理增加,这意味着深翻对表层大团聚体分布的稀释负效应小于添加碳源后养分释放提高土壤养分的正效应[30]。
土壤养分固持能力反映不同粒级团聚体对于土壤养分的贡献度,可以一定程度上预测土壤功能性及养分周转速率[11],单个粒级团聚体养分固持能力是结合团聚体的粒径分布计算得到[31]。本研究发现砂姜黑土中超过75%的土壤团聚体养分集中在粒径>0.25 mm团聚体中,且该粒级团聚体养分固持能力在0~15 cm和>15~30 cm土层受到耕作、秸秆还田和生物炭的影响并不一致(表5)。深耕通过稀释效应提高了>15~30 cm土层>0.25 mm粒级团聚体养分固持能力,促进深层土壤养分库储量提升;秸秆还田在微生物分解作用下显著增加了0~15 cm和>15~30 cm土层>0.25 mm团聚体的有机碳和养分固持能力,其原因一是秸秆还田增加了土壤中有机碳的含量并促使>0.25 mm粒级团聚体的形成,二是土壤碳氮比的提高,降低土壤有机质和氮素的矿化速率,故表现为有机碳固持能力和土壤有机碳库储量增加[11,32]。生物炭由于疏松多孔且含有稳定的芳香化结构碳,增加了2个土层有机碳和养分固持能力。尽管深耕降低了0~15 cm土层>2 mm粒级团聚体养分固持能力,但由于秸秆还田与配施生物炭二者对大团聚体养分固持能力的综合增加效应大于深耕的降低效应,因此三者共同作用下仍表现为0~15 cm土层>0.25 mm粒级团聚体养分固持能力和有机碳库储量的增加。
3.3 土壤团聚体稳定性和养分库储量与产量的相关性
本研究发现,深耕搭配秸秆还田可以显著提高周年粮食产量,这与前人研究结果一致[2,33],2023年周年产量结果表明生物炭添加可以显著提高小麦-玉米周年产量,且三因素对小麦的增产效果均大于玉米。这可能与耕作、秸秆处理和生物炭添加处理均在小麦播种前进行有关。深耕通过提高>15~30 cm土层土壤团聚体稳定性和养分库储量而影响产量,秸秆还田主要通过提升0~15 cm土层土壤团聚体稳定性和养分库储量影响产量,配施生物炭由于施用年限较短未能在深耕秸秆还田处理的基础上表现出进一步的显著增产作用。随着生物炭施用年限和累积添加量的增加,其对作物的增产效果可能会更明显。
本研究亦发现,土壤有机碳库储量(Cs)和氮库储量(Ns)与团聚体稳定性指标(R0.25、MWD值和GMD值)呈现极显著正相关,说明砂姜黑土中土壤团聚体的稳定性是影响土壤有机碳和全氮含量的关键因子,而>15~30 cm土层团聚体稳定性及土壤氮库储量与产量呈极显著相关(表8),表明深耕秸秆还田配施生物炭主要通过改良和优化深层土壤(>15~30 cm)物理结构,提高了土壤的结构性肥力,促进了作物下层根系的生长发育,进而提高作物产量[13,34-35]。
4. 结 论
为了改善砂姜黑土土壤结构性差的现状,探究适宜黄淮海南部砂姜黑土区域的田间管理措施,于2014年设置长期定位试验,探究耕作方式、秸秆还田和生物炭添加结合对土壤团聚体粒径分布、团聚体养分特征、养分库储量及作物产量的影响。结论如下:
1)深耕秸秆还田使0~30 cm土层土壤养分再分配,避免了养分在耕作表层土壤集聚的现象,改善深层(>15~30 cm)土壤结构,增加>2 mm团聚体养分固持能力,同时增加土壤有机碳和养分库储量,有利于土壤有机碳和养分固持,促进作物产量显著提高23.03%,尤其显著提高小麦季产量。在深耕秸秆还田的基础上添加生物炭可以进一步改善土壤结构,提升地力,其施用效果与生物炭的累计添加量和施用年限成正相关。
2)相关性分析表明,>0.25 mm团聚体与团聚体稳定性有极显著正相关关系,产量与>15~30 cm土层团聚体稳定性和土壤有机碳和养分库储量呈正相关关系。砂姜黑土中土壤有机碳和养分库储量提升主要得益于下层土壤团聚体稳定性的增强,促进了产量的提升。
因此,深耕秸秆还田配施生物炭能够通过改善土壤物理特性,增加土壤养分库,促进土壤养分的利用和作物产量的提升,是适于黄淮海南部砂姜黑土区域土壤质量提升和作物产量提高的优良耕作措施。
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表 1 不同处理下0~15 cm和>15~30 cm土层土壤团聚体粒径分布和水稳定性
Table 1 Particle size distribution of soil and water-stable aggregates in 0-15 cm and >15-30 cm soil layers under different treatments
土层
Soil layers/cm处理
Treatments团聚体粒径分布
Aggregate size distribution/%团聚体稳定性
Aggregate stabilityF1 F2 F3 F4 R0.25/% MWD/mm GMD/mm 0~15 CT-NS-NB 45.3bcd 29.51abc 13.86ab 11.34a 74.81d 1.70cde 0.73c CT-NS-B 51.82bc 30.79abc 7.99c 9.39a 82.61ab 1.91bcd 1.03bc CT-S-NB 63.82a 21.99c 5.67c 8.52a 85.82ab 2.17ab 1.32ab CT-S-B 64.71a 23.27bc 5.41c 6.61a 87.98a 2.21a 1.38a DT- NS-NB 38.61d 36.55a 13.97ab 10.87a 75.16cd 1.58e 0.69c DT-NS-B 42.58cd 32.91ab 16.58a 7.93a 75.49cd 1.66de 0.73c DT-S-NB 54.32abc 25.66bc 10.14bc 9.88a 79.99bcd 1.92bcd 0.95c DT-S-B 55.67ab 26.22bc 9.18bc 8.92a 81.90abc 1.97abc 1.03bc >15~30 CT-NS-NB 16.64b 52.53a 13.65a 17.18a 69.17d 1.10c 0.46d CT-NS-B 25.48b 45.01ab 14.00a 15.51a 70.49cd 1.28bc 0.51cd CT-S-NB 25.13b 53.26a 13.07ab 8.54bc 78.39ab 1.36b 0.67bc CT-S-B 23.25b 56.74a 13.01ab 6.99c 79.99ab 1.34b 0.71b DT- NS-NB 39.30a 36.68b 12.72ab 11.30abc 75.98bcd 1.60a 0.71b DT-NS-B 41.36a 35.60b 9.67ab 13.37ab 76.96bc 1.65a 0.74b DT-S-NB 43.42a 39.75b 9.13ab 7.70bc 83.17ab 1.76a 0.95a DT-S-B 44.24a 40.34b 8.42b 7.01c 84.58a 1.79a 1.02a 注:CT为旋耕;DT为深耕;NS为秸秆不还田;S为秸秆还田;NB为无生物炭添加;B为生物炭添加。R0.25:>0.25 mm粒级团聚体所占比例;MWD:平均重量直径;GMD:几何平均直径;F1:>2 mm;F2:0.25~2 mm;F3:0.053~<0.25 mm;F4:<0.053 mm。不同小写字母代表同一土层相同粒级不同处理间的差异显著(P<0.05)。下同。 Note: CT: rotary tillage; DT: deep tillage; NS: straw not returned to the field; S: straw returned to the field; NB: no biochar addition; B: biochar addition. R0.25: proportion of agglomerates >0.25 mm; MWD: mean weight diameter; GMD: geometric mean diameter; F1: >2 mm; F2: 0.25~2 mm; F3: 0.053~<0.25 mm; F4: <0.053 mm. Different lowercase letters represent significant differences (P<0.05) among different treatments with the same particle size in the same soil layer. Same below. 表 2 不同处理对土壤不同粒级团聚体有机碳和养分含量的效应分析
Table 2 Effect analysis of different treatments on organic carbon and nutrient contents of soil aggregates of different particle sizes
土层
Soil layers/cm来源
Source土壤有机碳Soil organic C (SOC)/(g·kg−1) 总氮Total N(TN)/(g·kg−1) 总磷Total P(TP)/(g·kg−1) 总钾Total K (TK)/(g·kg−1) F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 0~15 T ** ** ** ** ** * ns ** ns ns ns ** ns ns ns ns ST ** ** ** * ** ** ** ** ns ns ns ns ns ** ** ns BT ** ns ** ns ns ns ** ns ns ns ns ns ns ns ns ** T×ST ** ** ** ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns T×BT * ns ns * ns ns * ns ns ns ns ns ns * ** ** ST×BT ns ns ** ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns T×ST×BT ns ** ** ns ns * ns ns ns ns ns ns ns ns ns ** >15~30 T ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ns ** ns ns ns ST * ns * ns ** ** ** ns ns ** ns ns ns ns ns ns BT ** ns ** ns ns ** ns ns ns * ns ns ns ns * ns T×ST ns ns ** ns * ** ** * ns ** ns ns ns ns ns ns T×BT ns ns ns ns ns ns * ns ns ns ns ns ns ns ns ns ST×BT ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns T×ST×BT ns ns ns * ns * * ns ns ns ns ns ns ns ns * 注:T为耕作方式;ST为秸秆处理;BT为生物炭处理。*和**分别代表P<0.05和P<0.01水平显著;ns表示不显著。下同。 Note: T is tillage practices; ST is straw treatments; BT is biochar treatments. * and ** represent significances at the P<0.05 and P<0.01 levels, respectively; ns indicates insignificance. Same below. 表 3 不同处理下土壤不同粒级团聚体有机碳和养分含量的变化
Table 3 Changes of organic carbon and nutrient contents of soil aggregates of different particle sizes under different treatments
土层
Soil layers/cm处理
TreatmentsSOC/(g·kg−1) TN/(g·kg−1) TP/(g·kg−1) TK/(g·kg−1) F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 0~15 CT-NS-NB 15.16d 13.4cd 12.73de 8.61ab 1.59cd 1.15c 1.23d 0.95b 0.85a 0.71a 0.91a 0.73b 4.21b 3.88f 3.48c 2.75bc CT-NS-B 17.05c 12.38e 15.85c 8.58ab 1.68bc 1.29bc 1.57ab 0.96b 0.93a 0.77a 0.91a 0.75b 4.27ab 4.01ef 3.68bc 2.62bcd CT-S-NB 20.91b 18.71a 20.13a 9.12a 1.86ab 1.47ab 1.48bc 1.14a 0.85a 0.73a 0.92a 0.76b 4.14b 4.27bcd 3.81ab 2.49de CT-S-B 22.22a 19.10a 18.97b 8.31abc 1.93a 1.40ab 1.72a 1.06ab 0.86a 0.80a 0.94a 0.78b 4.34ab 4.54a 3.81ab 2.62bcd DT-NS-NB 13.62e 11.94e 12.52e 6.15d 1.44d 1.37b 1.34cd 0.68c 0.78a 0.69a 0.87a 1.01ab 4.27ab 4.08def 3.81ab 2.29e DT-NS-B 13.74e 12.86de 13.61d 7.32c 1.45d 1.43ab 1.48bc 0.72c 0.90a 0.74a 0.91a 1.09a 4.34ba 4.14cde 3.61bc 3.02a DT-S-NB 15.97cd 14.65b 15.10c 7.38c 1.60cd 1.35b 1.49bc 0.92b 0.94a 0.80a 0.93a 0.95ab 4.47a 4.47ab 3.94a 2.56cd DT-S-B 16.28cd 13.93bc 15.68c 7.99bc 1.61cd 1.57a 1.59ab 0.95b 0.98a 0.79a 0.95a 0.95ab 4.34ab 4.34abc 3.75ab 2.82ab >15~30 CT-NS-NB 12.11d 9.78b 10.19ef 5.61bc 1.08b 1.14e 1.04d 1.04c 0.68c 0.6b 0.77c 0.77ab 4.21ab 4.08ab 3.68ab 3.68ab CT-NS-B 13.10cd 10.10b 11.09de 5.83abc 1.11b 1.25d 0.91e 0.91bc 0.71bc 0.64b 0.80bc 0.80ab 4.08b 4.01ab 3.68ab 3.68a CT-S-NB 12.19d 9.80b 9.67f 6.22ab 1.17b 1.28cd 1.28c 1.28bc 0.76abc 0.61b 0.94abc 0.94ab 4.21ab 4.14ab 3.65ab 3.65a CT-S-B 13.51bcd 10.14b 11.28d 4.97c 1.17b 1.28cd 1.32c 1.32c 0.77abc 0.67b 0.81bc 0.81a 4.21ab 3.94b 3.75a 3.75ab DT-NS-NB 12.48d 11.70a 12.42c 6.79a 1.15b 1.32cd 1.58b 1.58a 0.81ab 0.61b 0.97abc 0.97ab 4.34ab 4.08ab 3.48b 3.48ab DT-NS-B 14.73ab 12.09a 12.97bc 6.48ab 1.15b 1.36c 1.72a 1.72a 0.84a 0.77b 1.01ab 1.01ab 4.41a 4.08ab 3.68ab 3.68ab DT-S-NB 14.17bc 12.51a 13.53b 6.13ab 1.33a 1.50b 1.50b 1.50ab 0.80ab 1.01a 1.08a 1.08b 4.34ab 4.01ab 3.48b 3.48b DT-S-B 15.82a 12.52a 14.58a 6.61a 1.39a 1.66a 1.56b 1.56c 0.83ab 1.06a 1.02ab 1.02ab 4.41a 4.21a 3.75a 3.75a 表 4 不同处理对土壤团聚体有机碳和养分固持能力的效应分析
Table 4 Effect analysis of different treatments on organic carbon and nutrient preservation capacity of soil aggregate
土层
Soil
layers/cm来源
SourceCp/(g·kg−1) Np/(g·kg−1) Pp/(g·kg−1) Kp/(g·kg−1) F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 0~15 T ** ns ** ** ** ** ** ** ns ** ** ** ** ** ** * ST ** ns ** ** ** ** ** ns ** ** ** * ** ** ** ** BT ** ns ns ** * * ns ** * ns ns * ** ns ** ** T×ST ** ** ns ** * * ns ** ns ns ns ns ns * ns ** T×BT ** ns ** ** ns ns ** * ns ns ** ns * ** ** ** ST×BT ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns * * ** ns T×ST×BT ns ns ns ns ns ** ** ns ns ns ** ns ns ns ** ns >15~30 T ** ** ** ns ** ** ns ns ** ns ns ** ** ** ** ** ST ** ** ** ** ** ** ns ** ** ** ns ** ** ** ** ** BT ** ns ns ns ** ns ** ns * ns * ns ** * * ns T×ST * ns ns ** ** ns ** ns ns ** * ns ns ns ** ** T×BT ns ns ** ** ns ns * * ns ns ns ** ns ** ** ** ST×BT ** ** ** * ** ** ** ** * ns ns ns ns ** ** * T×ST×BT ns ns ns ** ** ns ns ns ns ns ns ns ** * ** ns 注:Cp:有机碳固持能力;Np:全氮固持能力;Pp:全磷固持能力;Kp:全钾固持能力。下同。 Note: Cp: organic carbon preservation capacity; Np: total nitrogen preservation capacity; Pp: total phosphorus preservation capacity; Kp: total potassium preservation capacity. Same below. 表 5 不同处理下土壤团聚体有机碳和养分固持能力的变化
Table 5 Changes of organic carbon and nutrient preservation capacity of soil aggregates under different treatments
土层
Soil layers/cm处理
TreatmentsCp/(g·kg−1) Np/(g·kg−1) Pp/(g·kg−1) Kp/(g·kg−1) F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 0~15 CT-NS-NB 6.87d 3.95cd 1.76b 0.98a 0.72c 0.34c 0.17b 0.11a 0.38bc 0.21bc 0.13b 0.08ab 1.91e 1.14d 0.48c 0.31a CT-NS-B 8.83c 3.81de 1.27d 0.81b 0.87b 0.40b 0.13d 0.09bc 0.48ab 0.24ab 0.07cd 0.07bc 2.21d 1.23c 0.29f 0.25b CT-S-NB 13.34b 4.11bc 1.14de 0.78b 1.19a 0.32c 0.08e 0.10ab 0.54a 0.16d 0.05d 0.06bc 2.64b 0.94f 0.22g 0.21c CT-S-B 14.38a 4.44a 1.03e 0.55e 1.25a 0.32c 0.09e 0.07e 0.56a 0.19cd 0.05d 0.05c 2.81a 1.06e 0.21g 0.17d DT-NS-NB 5.26e 4.36ab 1.75b 0.67cd 0.56d 0.50a 0.19b 0.07de 0.30c 0.25a 0.12b 0.11a 1.65f 1.49a 0.53b 0.25b DT-NS-B 5.85e 4.23ab 2.26a 0.58de 0.62cd 0.47a 0.25a 0.06f 0.38bc 0.24ab 0.15a 0.09ab 1.85e 1.36b 0.60a 0.24b DT-S-NB 8.68c 3.76de 1.53c 0.73bc 0.87b 0.35c 0.15c 0.09bc 0.51a 0.20bc 0.09c 0.09ab 2.43c 1.15d 0.40d 0.25b DT-S-B 9.07c 3.65e 1.44c 0.71bc 0.90b 0.41b 0.15c 0.08cd 0.55a 0.21bc 0.09c 0.09ab 2.42c 1.14d 0.34e 0.25b >15~30 CT-NS-NB 2.02e 5.14b 1.39b 0.96a 0.18d 0.60c 0.14c 0.14a 0.11d 0.32bc 0.11ab 0.13a 0.70e 2.14a 0.50ab 0.44a CT-NS-B 3.34d 4.55c 1.55a 0.90a 0.28c 0.56c 0.13c 0.13ab 0.18c 0.29cd 0.11ab 0.11a 1.04d 1.81b 0.52a 0.44a CT-S-NB 3.06d 5.22b 1.26c 0.53c 0.29c 0.68ab 0.17b 0.08c 0.19c 0.33bc 0.12a 0.07bc 1.06d 2.21a 0.48b 0.24d CT-S-B 3.14d 5.75a 1.47ab 0.35d 0.27c 0.72a 0.17b 0.06d 0.18c 0.38ab 0.11ab 0.06bc 0.98d 2.24a 0.49b 0.18e DT-NS-NB 4.91c 4.29c 1.58a 0.77b 0.45b 0.48d 0.20a 0.12b 0.32b 0.22d 0.12a 0.07b 1.71c 1.49de 0.44c 0.29c DT-NS-B 6.09b 4.30c 1.25c 0.87a 0.48b 0.49d 0.17b 0.14a 0.35ab 0.28cd 0.10ab 0.11a 1.82b 1.45e 0.36d 0.33b DT-S-NB 6.15b 4.97b 1.24c 0.47c 0.58a 0.60c 0.14c 0.08c 0.35ab 0.40a 0.10ab 0.05c 1.88ab 1.59cd 0.32e 0.19e DT-S-B 7.00a 5.05b 1.23c 0.46c 0.62a 0.67b 0.13c 0.06d 0.37a 0.43a 0.09b 0.05bc 1.95a 1.70c 0.32e 0.19e 表 6 不同处理下土壤养分库储量的变化
Table 6 Changes in soil organic carbon and nutrient pools under different treatments
土层Soil layers/cm 处理Treatments CS/(t·hm−2) NS/(t·hm−2) PS/(t·hm−2) KS/(t·hm−2) 0~15 CT-NS-NB 35.42c 2.92de 1.75ab 8.37d CT-NS-B 39.51b 3.22bc 1.88ab 8.69cd CT-S-NB 42.30a 3.68a 1.78ab 8.74bc CT-S-B 44.21a 3.78a 1.84ab 9.24a DT-NS-NB 26.03e 2.87e 1.71b 8.54cd DT-NS-B 29.57d 3.03cde 1.89ab 8.82bc DT-S-NB 34.99c 3.18bcd 1.97ab 9.21a DT-S-B 36.46c 3.36b 2.02a 9.04ab >15~30 CT-NS-NB 26.15e 2.58e 1.60c 9.19c CT-NS-B 26.74de 2.68e 1.68c 9.22c CT-S-NB 27.28cde 2.97d 1.72c 9.67b CT-S-B 28.81cd 2.98cd 1.77c 9.44bc DT-NS-NB 29.10bc 3.05cd 1.79c 9.55b DT-NS-B 31.06b 3.08c 2.00b 9.62b DT-S-NB 34.93a 3.37b 2.17ab 9.67b DT-S-B 35.93a 3.59a 2.27a 10.09a 注:CS:有机碳库储量;NS:全氮储量;PS:全磷储量;KS:全钾储量。下同。 Note: CS: organic carbon storage; NS: total nitrogen storage; PS: total phosphorus storage; KS: total potassium storage. Same below. 表 7 不同处理下作物产量的变化
Table 7 Changes in crop yield under different treatments
年份Year 处理 Treatments 小麦Wheat/(t·hm−2) 玉米Maize/(t·hm−2) 周年Annual/(t·hm−2) 2022 CT-NS-NB 9.37d 8.31b 17.68c CT-NS-B 9.38d 8.35b 17.73c CT-S-NB 11.88a 8.90a 20.79a CT-S-B 11.68ab 8.99a 20.67a DT-NS-NB 10.35cd 8.90a 19.25b DT-NS-B 10.77bc 8.70ab 19.47b DT-S-NB 12.22a 8.92a 21.13a DT-S-B 12.50a 9.22a 21.72a 2023 CT-NS-NB 9.47c 10.49b 19.96d CT-NS-B 10.07c 11.28ab 21.35c CT-S-NB 11.43b 11.53a 22.96b CT-S-B 11.84ab 11.75a 23.59ab DT-NS-NB 10.01c 11.28ab 21.29c DT-NS-B 11.02b 11.56a 22.58b DT-S-NB 12.65a 11.64a 24.28a DT-S-B 12.75a 11.81a 24.56a 表 8 不同处理下产量与土壤团聚体参数的相关性分析
Table 8 Correlation analysis between yield and soil aggregate indexs under different treatments
土层
Soil layers/cm指标
Indexes周年产量
Annual yield0~15 >15~30 R0.25 MWD GMD CS NS PS KS R0.25 MWD GMD CS NS PS 0~15 R0.25 0.27 1 MWD 0.36* 0.90** 1 GMD 0.34 0.96** 0.96** 1 CS 0.12 0.73** 0.77** 0.75** 1 NS 0.29 0.73** 0.77** 0.76** 0.83** 1 PS 0.41* 0.08 0.17 0.07 0.11 0.13 1 KS 0.52** 0.38* 0.39* 0.35 0.37* 0.47** 0.45* 1 >15~30 R0.25 0.63** 0.18 0.31 0.24 0.06 0.34 0.49** 0.61** 1 MWD 0.47** 0.14 0.11 0.17 -0.39* -0.07 0.45** 0.51** 0.68** 1 GMD 0.57** 0.05 0.14 0.06 -0.12 0.15 0.60** 0.59** 0.91** 0.88** 1 CS 0.38* -0.04 -0.02 -0.08 -0.22 -0.01 0.54** 0.57** 0.66** 0.75** 0.78** 1 NS 0.48** 0.11 0.14 0.08 -0.16 0.13 0.49** 0.61** 0.72** 0.81** 0.84** 0.91** 1 PS 0.42* 0.01 0.08 0.014 -0.20 0.03 0.56** 0.49** 0.60** 0.72** 0.73** 0.88** 0.90** 1 KS 0.43* 0.09 0.16 0.11 -0.08 0.24 0.32 0.48** 0.67** 0.70** 0.72** 0.72** 0.88** 0.79** -
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