耕作与外源碳对草甸黑土水稳性团聚体的影响

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本试验研究耕作与外源碳对草甸黑土团聚体粒级分布以及水稳性的影响,确定科学合理耕作施肥方式,为东北草甸黑土持续利用提供科学依据。采用田间裂区定位试验,为期两年,以两种耕作方式下增施不同碳源肥料为基础,其中耕作方式分为深耕(D)与旋耕(S),施肥方式分为常规施肥(CF)、常规施肥增施有机肥(M)以及常规施肥增施生物炭(B),共设6个处理:DCF、DM、DB、SCF、SM、SB。采样深度为0-20cm、20-40cm、40-60cm,通过湿筛法得到不同粒级的土壤水稳性团聚体并计算其稳定指标。测定各处理三个土层中的腐殖质(HF)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA)碳含量和自由形式铁氧化物(FeDCB)、自由形式铝氧化物(AlDCB)、无定形态铁氧化物(FeOXA)以及无定形态铝氧化物(AlOXA)的含量并分析其与草甸黑土水稳性团聚体稳定性的关系。结果表明:(1)耕作与外源碳施入后水稳性团聚体在0-60cm土层主要集中在5-2mm、1-0.5mm两个粒级,其中SM处理在0-20cm土层中5-2mm粒径组分含量最高,为40.1%。而DCF处理在20-40cm以及40-60cm土层拥有最高的5-2mm粒径组分含量,分别为45.6%、36.2%。(2)耕作与外源碳施入后0-20cm土层的SM处理,20-40cm土层的DB、SB处理以及40-60cm土层的DCF、SB处理水稳性团聚体平均重量直径(MWD)、水稳性大团聚体百分比(WSA)、水稳性团聚体几何平均直径(GMD)得到了显著提升,同时降低了土壤水稳性团聚体破坏度(PAD)、分形维数(D),说明上述处理在各自土层中大粒径水稳性团聚体含量较高,促进了草甸黑土中水稳性大团聚体的转化,增强了土壤团聚体水稳定性。(3)0-20cm土层各处理有机质组分碳含量均小于下层土壤。深耕促进了0-20cm土层有机质组分碳含量的提升,相较于施用相同肥料的旋耕处理其有机质组分碳含量提升率在15.66%175.00%之间。DM、DB、DCF处理分别在0-20cm、20-40cm、40-60cm土层拥有最高的土壤腐殖质和富里酸碳含量,而DM、SCF、DB处理则促进了0-20cm、20-40cm、40-60cm土层土壤胡敏酸碳含量的提升。(4)在0-60cm土层中自由形式铁铝氧化物含量均高于无定形铁铝氧化物含量,无定形铁铝氧化物在0-60cm土层中对大粒径水稳性团聚体聚集与稳定的相关性均高于自由形式铁铝氧化物。耕作与外源碳施入对40-60cm土层DCF处理FeDCB含量有显著促进作用,相较其他处理提升了20.53%52.70%,同时也促进了0-60cm土层DCF处理AlDCB、FeOXA含量的提升以及0-20cm土层DCF处理、20-40cm土层SB处理AlOXA含量的提升。(5)经多因素分析结果表明,耕作与外源碳施入及其交互作用与0-20cm土层有机质组分(HF、HA、FA)碳含量均达到极显著水平,对0-60cm土层部分水稳性团聚体粒级组分和各形态铁铝氧化物含量达到显著或极显著水平。由此可知,在本试验中设计的耕作方式与外源碳施入在一定程度上影响了土壤中团聚体的粒径分布以及有机无机物质的含量,从而改变了不同深度草甸黑土的结构特征和理化性质。(6)经冗余分析及多元线性回归分析结果表明:土壤有机质组分及铁铝氧化物对0-20cm、20-40cm、40-60cm土层草甸黑土水稳性大团聚体总贡献率分别为57.1%、59.1%、55.0%,均高于各因素单独作用贡献率。>5mm、5-2mm粒径水稳性团聚体是促进团聚体水稳定性提升的最相关粒级,其中FeOXA、AlDCB、AlOXA通过促进>5mm、5-2mm两个粒级团聚体的形成从而有助于0-20cm土层团聚体水稳定性的提升。AlDCB、AlOXA以及HA通过促进>5mm、5-2mm粒径团聚体的形成从而有助于20-40cm土层团聚体水稳定性的提升。而各环境因子均可通过促进>5mm、5-2mm粒径团聚体的形成从而有助于40-60cm土层团聚体水稳定性的提升。综上所述,不同耕作方式与外源碳施入通过有机-无机胶结作用改变各粒径水稳性团聚体分布,从而对不同深度东北草甸黑土团聚体水稳定性产生影响,土壤结构及其理化性状也因此得到改善。
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