土壤团聚体有机碳的影响研究以不同种植模式的蔬菜地土壤为例

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土壤作为全球碳循环的源和汇,其微小变化就能引起大气中CO2浓度的较大波动,从而对全球环境变化产生重大影响。据估算,土壤中以有机质形式存在的碳含量(约1550Pg)约占陆地总有机碳库的2/3,为大气碳库的2倍。国外科学家提出,农业土壤固碳是唯一在控制气候变化上没有遗憾的技术。根据IPCC建议,89%的农业温室气体减排潜力在于提高土壤固碳水平方面。良好的农业生产系统是提高土壤固碳水平的有效方式,而有机农业与常规农业系统相比,在土地资源利用、养分管理、肥料运筹以及病虫害防治等方面显着不同,因此有机农业被认为具有更大的减缓农田土壤温室气体排放的潜力。有机农业内涵完全符合低碳经济的要求,是国际社会认同的具有环保理念的农业发展模式。

  近年来,有机农业及其相关的学术研究得到了较快的发展。Clark等通过八年的田间定位试验发现有机种植能够明显提高土壤有机碳的含量,而常规种植方式下土壤有机碳却没有明显变化;这一种结论在Pimentel等的试验结果中得到了验证。

  Fliessbach等通过长期定位试验发现施用有机肥的土壤有机碳提高了1%,而不施肥和施用化肥的土壤有机碳分别降低了22%和15%.Liu等研究表明有机种植系统中土壤微生物多样性显着高于常规种植系统。也有研究表明有机种植系统中的土壤微生物量和土壤酶活性显着高于常规种植系统。我国有机种植业起步较晚,相关研究则主要致力于通过对有机和常规种植的相互比较来制定各种生产、加工和销售的管理条例,而有关有机农业和常规农业的固碳特性、固碳潜力方面的比较研究鲜有报道,尤其是对于在我国种植业结构中所占比重越来越高的蔬菜生产的固碳潜力研究较缺乏。

  本文以南京普朗克有机农场长期定位观测的菜地土壤为研究对象,比较有机种植(有机露地和有机大棚)和常规种植模式下蔬菜地土壤有机碳、腐殖质组分碳含量及特性的动态变化,分析不同种植模式与土壤固碳特性的关系,为实现农业可持续发展提供理论依据与实践借鉴。

  材料与方法试验区概况从2003年开始,采用GPS定位技术在南京市溧水县境内的普朗克有机农场(118°34'~119°14'E,31°23'~31°48'N)选取9个地块作为长期监测采样地块(表1),每块面积约0.5hm2,供试土壤为由黄棕壤发育演变而成的菜园土。该农场属北亚热带季风气候,年平均降水量为1037mm,年均气温15.5℃,年均日照2146h.试验开始前,各地块均有抛荒数年的历史,土壤养分含量较低。2003年供试土壤耕层(0~20cm)的基本理化性质见表2.

  试验设置本试验共设3种种植模式:两个有机种植模式组(有机露地种植用OR表示;有机大棚种植用ZH表示)和一个常规露地种植模式组(CN)。其中2006年获得有机认证的大棚种植模式ZH的轮作频率高于2003年获得有机认证的露地种植模式OR.

  为避免互相干扰,常规地块与有机地块的过渡区域足够大。各地块均采取轮作的方式种植蔬菜,作物种类见表1.OR和ZH施用的有机肥(有效活菌数≥0.5×108CFUg-1,有机质含量≥250gkg-1,速效氮612.5mgkg-1,pH6.24)是经过环境保护部有机食品发展中心认证的,每年每季蔬菜施用量为7.5thm-2,并且无植保化学投入品,采用物理和生物措施防治病虫害。CN种植模式主要施用尿素(N,≥46%),过磷酸钙(P2O5,≥16%)、氯化钾(K2O,≥50%),每年每季蔬菜施氮量为200~400kghm-2,按氮、磷、钾的质量比1∶0.35∶0.15的比例施肥;植保化学投入品为市售多菌灵、阿维菌素及分除虫菊酯(使用量为生产上推荐使用量)。其他栽培管理方式保持一致。5期褚慧等:不同种植模式下菜地土壤腐殖质组分特性的动态变化9331.3样品采集与分析本研究自2004年开始,每隔一年于上述地块中采用棋盘法选择8~10个采样点,采集0~20cm土层的土样,混合均匀后再按四分法进行取舍,保留1kg左右土样装袋带回实验室,自然晾干并去除植物根系、砾石后研磨过筛备用。

  土壤容重采用环刀法测定;土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷、速效钾、pH的测定参考文献[11];土壤腐殖质的提取和分离参照Kumada等的方法,用0.1molL-1NaOH+0.1molL-1Na4P2O7混合液(pH=13)作为提取剂提取;可提取腐殖物质(HE)、胡敏酸(HA)的含碳量采用重铬酸钾比色法;富里酸(FA)含碳量采用差减法获得。胡敏酸和富里酸的光学性质采用可见光比色法(722N型分光光度计),用色调系数(ΔlogK)和光学密度值E4/E6来表示,其中ΔlogK为胡敏酸(或富里酸)在400nm吸光值的对数(logK)与600nm吸光值的对数(logK)的差值,E4/E6值为胡敏酸(或富里酸)在波长465nm与665nm处分别测定的吸光度的比值。

  数据处理数据采用SPSS16.0进行方差分析,同时用Ex-cel2003绘图。

  结果不同种植模式下菜地土壤有机碳含量的变化不同种植模式影响土壤有机碳的积累。监测结果(表3)显示,与2004年相比,至2012年OR有机碳含量增加34.53%,差异达到极显着水平(p<0.01);而ZH在有机转换初期土壤有机碳含量低,经过三年转换期(2004-2006)后,土壤有机碳增加明显,2012年较2004年增加125.0%,差异极显着(p<0.01);而CN模式2012年土壤有机碳含量较2004年仅增加11.11%,差异不显着,OR和ZH有机碳含量增幅明显大于CN.表3的监测结果还可以看出,2004-2006年间3种种植模式下的土壤有机碳含量均无显着性差异,至2008年后,OR、ZH的土壤有机碳含量远远超过CN,差异显着(p<0.05),土壤在有机种植模式下将更利于土壤有机碳的积累。

  2004-2008年,OR土壤有机碳含量高于ZH,2008年后,相较于种植时间较长的OR,种植时间较短的ZH的土壤有机碳含量增加较快,至2012年有机种植6年的大棚模式ZH的有机碳含量甚至显着高于有机种植9年的露地模式OR(p<0.05)。不同种植模式下土壤腐殖质组成及其特性变化2.2.1不同种植模式下土壤腐殖质各组分碳含量的变化腐殖质作为土壤有机碳的最大组成部分,对土壤中许多复杂化学反应起重要作用,其主要成分包括胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)。HA是腐殖质中最活跃的,其酸度较FA要小,呈微酸性,但阳离子交换量高,对土壤结构形成起重要作用。FA分子量较小、活性较大、氧化程度较高,既是形成HA的一级物质,又是HA分解的一级产物,在HA的积累和更新中起重要的作用。

  由表4可知,监测年中OR、ZH、CN的土壤富里酸碳(CFA)占全碳比例分别为15.7%~19.2%、12.8%~20.2%、17.3%~19.9%;胡敏酸碳(CHA)占全碳比例分别为13.4%~15.7%、13.2%~16.3%、11.7%~13.7%,3种种植模式下的耕层土壤可提取腐殖质碳均以富里酸高于胡敏酸。且通过单因素方差分析,OR、ZH、CN各自的腐殖质组分碳占全碳比例均未随种植年限延长呈现显着性差异,波动较小。而土壤中可提取腐殖质总碳(CHE)在这3种种植模式中均随种植年限延长有所提高,并与土壤有机碳含量的变化趋势基本一致。从934土壤学报50卷2004年至2012年,CN、ZH和OR中土壤CHE含量分别增加12.15%、86.17%和13.82%;土壤CHA含量分别增加14.91%、152.8%和17.87%;CFA含量分别增加10.40%、42.55%和11.42%.CN土壤腐殖质所有组分碳含量增加率均较ZH、OR的小,ZH、OR土壤腐殖质各组分在2012年较2004年均有提高,并有显着性差异(p<0.05)。另外,OR、ZH和CN的CHE从2010年后差异显着(p<0.05),CHA从2008年后差异显着(p<0.05),CFA至2012年差异显着(p<0.05)。由此看出,经过较长时间的不同种植模式,土壤腐殖质组分碳含量差异显着增大。

  对于OR、ZH,在2004-2006年,有机种植年限长的OR可提取腐殖质、胡敏酸和富里酸的碳含量较有机种植年限短的ZH高,但OR和ZH的可提取腐殖质和胡敏酸的碳含量从差异显着到不显着,差异变小,并从2008年开始ZH的腐殖质组分碳含量较OR高。

  不同种植模式下土壤腐殖质组成相对比例的变化土壤腐殖质组分碳含量的差异使各组分的相对比例也呈现出一些规律性的变化(表4)。

  因此,可以通过具体指标CHA/CFA或PQ值来分析这些相对比例的变化规律。CHA/CFA或PQ值作为腐殖化程度的指标,是衡量土壤腐殖质品质优劣的一个重要指标,比值越大,胡敏酸含量越高,分子量增大、分子结构越复杂,品质越好。

  图1可看出,腐殖质的CHA/CFA和PQ值的变化趋势基本一致,其中OR、ZH、CN的CHA/CFA值分别为0.82~0.93、0.65~1.16、0.65~0.71,PQ值分别为0.45~0.48、0.39~0.54、0.39~0.42,可知OR、CN的土壤CHA/CFA和PQ值随着种植年限的延长变化幅度较小,ZH土壤CHA/CFA和PQ值随着种植年限的延长变化幅度相对较大,这是由于ZH为有机大棚种植模式,轮作频率高,每年施入的有机肥量大,新形成的年轻腐殖质多,有利于土壤腐殖质的更新和活化,进而提高腐殖质的品质。OR、ZH的CHA/CFA和PQ值均高于CN.单因素方差分析结果表明,OR和CN的CHA/CFA和PQ值差异显着(p<0.05),ZH在2008年后与CN差异显着(p<0.05)。

  以上说明有机种植模式下土壤中有机质的腐殖化程度高,有利于胡敏酸的积累和土壤腐殖质品质的提高。2004-2006年,ZH的PQ值和CHA/CFA低于OR,2008年后有机大棚种植2年的ZH的PQ值和CHA/CFA开始高于有机种植5年的露地种植模式OR.

  不同种植模式对土壤腐殖质可见光谱特征的影响不同种植模式除了影响土壤腐殖质组分的数量变化,还影响到腐殖质结构特性。土壤腐殖质的ΔlogK值、E4/E6比值可来表征土壤腐殖质的复杂程度,胡敏酸(富里酸)的ΔlogK值越大,E4/E6的比值越高,胡敏酸(富里酸)的光密度愈小,芳香缩合度低,并可推测具有较多的脂族成分。长期不同种植模式对土壤耕层胡敏酸可见光谱特征的影响如图2所示。3种种植模式下胡敏酸分子的E4/E6、ΔlogK值随种植时间而变化,其中CN变化不大,与监测初期相比,E4/E6、ΔlogK值略有降低,胡敏酸芳香化程度略有升高;OR和ZH波动稍大,总体呈现先升后降的态势,E4/E6、ΔlogK值均有所增大,胡敏酸芳化度略有降低。CN的胡敏酸分子的E4/E6、ΔlogK值在除2004年后的其他年份均小于OR和ZH,说明有机种植模式下的土壤胡敏酸分子芳化度低。ZH的E4/E6、ΔlogK值在监测后期(2010-2012年)均大于OR,这主要是受大棚种植模式轮作频率较高、投入有机肥较多的影响。

  长期不同的种植模式对土壤耕层富里酸可见光谱的影响与胡敏酸不同,这3种种植模式均能提高土壤富里酸的E4/E6、ΔlogK值(图3),并随种植年限处于动态变化中。ZH和OR中土壤FA的E4/E6、ΔlogK值增加较CN多,说明了有机种植模式中作为土壤腐殖质化的中间产物的土壤FA分子量变化大,更易活化从而促进土壤腐殖化进程。结合图2可以看出,FA的ΔlogK值、E4/E6要大于HA,说明FA分子较HA分子结构简单,氧化程度和芳构化程度低。

  讨论不同种植模式会影响土壤有机碳积累。瑞士DOK试验站通过21年的长期定位研究表明农业系统中肥料的施入对土壤有机质有着直接的影响。

  本研究也获得了常规和有机种植模式的菜地土壤有机碳和腐殖质组分碳均随种植时间延长而增加的结果(表3、表4)。此外,本研究中两种有机种植模式的土壤有机碳及腐殖质组分碳含量增加率均高于常规种植模式,且到2012年,上述各指标的差异达到显着水平,这与Clark、Pimente、Meler-ol等利用长期田间试验得出的结果相一致。究其原因在于有机和常规种植在所施用的肥料种类、数量和管理方式上存在差异,从而影响到土壤微生物群落和酶活性,进而制约着土壤矿化和腐殖化过程。Worknen和vanBruggen发现与常规农业土壤相比,有机农业土壤具有较高的微生物活性,而土壤微生物是有机残体降解和腐殖化过程的直接参与者,其对土壤中的一系列生物化学过程起着决定性的作用。本课题组已有研究也表明有机种植模式下土壤真菌、放线菌菌落、微生物生物量及土壤尿酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性显着高于常规种植的土壤,而矿化碳并无显着性差异,这意味着有机种植模式在具有较高微生物数量和活性的前提下并未使矿化作用增强而导致较多的CO2释放,因此,相对于常规种植模式,在有机种植模式下有机肥的投入将更有利于土壤腐殖化进程。

  作为腐殖化程度指标的CHA/CFA和PQ值的动态变化特征,一方面在数值上OR、ZH均高于CN,另一方面由于投入品种类和数量的不同,也将影响到土壤腐殖化进程(图1)。有机种植模式中禁止施用阿维菌素等能抑制土壤微生物的农药,同时所施加的有机肥能促进土壤微生物活性,增加微生物群落。土壤微生物会不断分解并利用分子结构简单、活性强的富里酸组分中的氨基酸等含氮化合物,不断向胡敏酸转化,从而使胡敏酸含量相对增高。此外,土壤的CHA/CFA也能反映土壤的熟化程度以及肥力状态,且随土壤肥力的提高而增加。初度熟化的水稻土CHA/CFA为0.2~0.3,中度熟化者为0.5左右,高度熟化可达1.4左右。本研究中土壤的CHA/CFA分别为OR0.82~0.93、ZH0.65~1.16、CN0.65~0.71.由此可见,有机种植模式组的土壤熟化度相对较高。这与蔡晓布等研究的施肥条件下土壤CHA/CFA的提高显示了土壤从低肥力到高肥力的演变趋势相一致。

  土壤中腐殖物质组分含量的变化(表4)不仅受投入品的影响,同时也与土壤中由微生物制约的土壤矿化和腐殖化进程有关。在本研究2003-2012年的定位监测中,土壤中胡敏酸分子芳化度在常规种植模式下变化不大;而两种有机种植模式下土壤胡敏酸芳化度总体高于常规种植模式,其规律上呈先降低后增高的变化趋势,意味着土壤向芳化度更高的腐殖物质的转化能力增强,这也是受到施加肥料类型制约的具体表现,说明土壤腐殖物质结构特性的变化滞后于土壤腐殖质数量变化。有机种植系统中施入的商品有机肥的氮含量低且成分复杂,除了秸秆、菜饼等植物性成分外,还有动物粪便、鱼粉、骨粉等。本课题组曾研究比较了植物源材料的油菜饼肥与秸秆堆肥在土壤中分解特性,结果显示,新投入土壤的商品有机肥中的易分解部分参与腐殖化过程,整体上增加了新成腐殖物质的数量,并成为土壤腐殖质的主体部分,进而表现为土壤腐殖化程度降低,而新成腐殖质的加入对土壤腐殖质的更新和活化十分有利,又再进一步缩合成为结构复杂的HA.而不同种植模式对土壤耕层富里酸可见光谱的影响与胡敏酸不同,3种种植模式下富里酸的氧化程度和芳化度均有所降低,主要是FA的分子小、活性大,易受微生物利用。至于微生物是如何具体影响腐殖质组成及其转化,尚需进一步研究。

  国内对设施和露地栽培方式下常规菜地土壤理化性质研究较多,大多数研究者认为设施栽培的土壤有机碳和全氮含量高于露地土壤,在本研究中,种植时间较短的有机大棚组ZH的土壤有机碳、腐殖质碳含量、PQ值、CHA/CFA和胡敏酸的芳化度在前期2004-2008年均低于有机种植年限长的露地种植OR,到后期这些指标均高于种植年限较长的露地有机种植模式。这是由于设施大棚种植条件下土壤的轮作频率较高,每年施入的有机肥数量多,而且因大棚常处于半封闭状态下,其土壤处于相对高温高湿的环境中,土壤微生物种类丰富,活性更强,这对土壤腐殖化进程影响更大。

  结论:经过9年的定位观测,两种有机种植模式的土壤有机碳及腐殖质组分碳含量随着种植时间的延长呈现增加趋势,至2012年达显着水平,同时其增加率均高于常规种植模式;而常规种植模式的相应指标变化不显着。不同种植模式的长期影响还会导致土壤腐殖质组分特性的变化:两种有机种植模式土壤腐殖质的CHA/CFA、PQ值均高于常规种植模式;土壤胡敏酸芳化度随着种植时间延长,其在常规种植模式下变化不大,而在有机大棚和露地种植模式下呈先降低后增高的趋势;土壤富里酸的芳化度在有机种植模式下较常规种植模式降低更多。

  此外,有机大棚种植模式更利于土壤有机碳和腐殖质积累,其腐殖质的PQ值、CHA/CFA、胡敏酸的E4/E6、ΔlogK值均高于种植年限较长的有机露地种植模式。
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