擴(kuò)蓄增容肥對土土壤有機(jī)碳和氮的影響

潘 婷，高明霞，孫本華

(西北農(nóng)林科技大學(xué) a 資源環(huán)境學(xué)院,b 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

潘 婷a，高明霞b，孫本華a

(西北農(nóng)林科技大學(xué) a 資源環(huán)境學(xué)院,b 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

擴(kuò)蓄增容肥；土壤有機(jī)碳；可溶性有機(jī)碳；易氧化性有機(jī)碳；可溶性有機(jī)氮

碳氮含量是農(nóng)田土壤肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo)，關(guān)系著土地生產(chǎn)力和土地可持續(xù)利用性，直接影響著作物產(chǎn)量。長久以來關(guān)于施肥對土壤有機(jī)碳和全氮含量及其相互關(guān)系影響的研究較多[1-2]，其中土壤活性有機(jī)碳氮是近年來的研究熱點(diǎn)[3-4]，土壤活性有機(jī)碳氮含量可在不同程度上反映土壤有機(jī)碳的有效性和土壤質(zhì)量優(yōu)劣[4-5]。

土壤擴(kuò)蓄增容指有效調(diào)節(jié)土壤水、熱、氣狀況，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、增加土壤有效空隙，抑制土壤的表面無效蒸發(fā)，有效改善土壤持水保水、固肥能力的技術(shù)[6]。根據(jù)這項(xiàng)技術(shù)研制的土壤擴(kuò)蓄增容肥在作物增產(chǎn)、土壤水分保持、水分利用效率提高等方面效果顯著[7-10]；擴(kuò)蓄增容肥施入土壤中，可改變土壤物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，從而影響到土壤微生物活動(dòng)。活性有機(jī)碳氮受土壤微生物活動(dòng)影響大，在指示土壤質(zhì)量和肥力變化時(shí)較靈敏,能夠即時(shí)反映土壤肥力和土壤物理性質(zhì)的變化。因此通過研究擴(kuò)蓄增容肥對土壤活性有機(jī)碳氮含量的影響，可揭示短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)蓄增容肥對土壤質(zhì)量和肥力的作用機(jī)理。近年來擴(kuò)蓄增容肥對于土壤培肥的效果，尤其是對土壤有機(jī)質(zhì)的提升作用及土壤活性有機(jī)碳氮影響的研究僅有少量報(bào)道[10-11]。本研究以由有機(jī)頁巖、油渣和無機(jī)化肥研制的有機(jī)無機(jī)復(fù)合型土壤擴(kuò)蓄增容肥為供試肥料，采用田間試驗(yàn)比較了擴(kuò)蓄增容肥的不同施用量、擴(kuò)蓄增容材料和傳統(tǒng)施肥(無機(jī)化肥)對土壤不同形態(tài)有機(jī)碳、氮含量的影響，以深入了解擴(kuò)蓄增容肥對土壤質(zhì)量的影響及其作用機(jī)理，為土壤擴(kuò)蓄增容肥研發(fā)和施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2012-06，作物體系為夏玉米-冬小麥輪作，一年兩熟。試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，分別為：1)對照(CK)，不施肥；2)傳統(tǒng)施肥(Traditional fertilization)，施用尿素489.1 kg/hm2和過磷酸鈣600 kg/hm2，基本相當(dāng)于當(dāng)?shù)氐腘、P推薦施肥量；3)同量施肥(Equal fertilizer)，施用除去擴(kuò)蓄增容材料的擴(kuò)蓄增容肥(即未施用有機(jī)頁巖)，用量為487.5 kg/hm2；4)擴(kuò)蓄增容材料(Amendment material)，只施用擴(kuò)蓄增容材料有機(jī)頁巖，用量為262.5 kg/hm2；5)擴(kuò)蓄增容肥1處理(Amendment fertilizer 1)，擴(kuò)蓄增容肥用量為750.0 kg/hm2；6)擴(kuò)蓄增容肥2處理(Amendment fertilizer 2),擴(kuò)蓄增容肥1處理用量的1.25倍，即擴(kuò)蓄增容肥用量937.5 kg/hm2；7)擴(kuò)蓄增容肥3處理(Amendment fertilizer 3)，擴(kuò)蓄增容肥1處理用量的1.5倍，即擴(kuò)蓄增容肥用量1 125.0 kg/hm2。擴(kuò)蓄增容肥組成為：擴(kuò)蓄增容材料有機(jī)頁巖(有機(jī)C含量84.0 g/kg、全氮含量3.1 g/kg)、油渣(有機(jī)C含量422.5 g/kg、全氮含量54.8 g/kg)、尿素、二銨和磷酸二氫鉀。每處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2。所有肥料于播種前一次性施入。

1.2 樣品采集與測定

于2013-06小麥?zhǔn)斋@后采取土樣，每個(gè)小區(qū)多點(diǎn)隨機(jī)混合，取樣深度為耕層0～20 cm。采集的土壤樣品一部分風(fēng)干用于土壤有機(jī)碳(SOC)、易氧化有機(jī)碳(KMnO4-C)和土壤全氮(TN)含量測定，一部分保存于4 ℃冰箱中用于土壤微生物量碳氮和可溶性碳氮的測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”形式表示，采用 SPSS 18.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對土壤有機(jī)碳形態(tài)的影響

由表1可見，不同施肥處理間土壤SOC含量差異顯著，除了擴(kuò)蓄增容材料處理外，其他施肥處理土壤SOC含量都顯著高于對照，表現(xiàn)為擴(kuò)蓄增容肥3處理>擴(kuò)蓄增容肥2處理>同量施肥處理>擴(kuò)蓄增容肥1處理>傳統(tǒng)施肥處理>擴(kuò)蓄增容材料處理>對照，說明無論是常規(guī)施肥還是施用擴(kuò)蓄增容肥，都能夠顯著提高土壤SOC含量，這與呂家瓏等[17]的研究結(jié)論無機(jī)肥或者有機(jī)無機(jī)肥配施都能提高土壤SOC含量相一致。擴(kuò)蓄增容肥不同用量對土壤SOC含量的影響表現(xiàn)為，擴(kuò)蓄增容肥3處理>擴(kuò)蓄增容肥2處理>擴(kuò)蓄增容肥1處理，且擴(kuò)蓄增容肥3處理與擴(kuò)蓄增容肥1處理之間差異達(dá)到顯著水平，說明隨著擴(kuò)蓄增容肥施用量的增加，土壤SOC含量增加。其中擴(kuò)蓄增容肥2、3處理的土壤SOC含量較對照分別提高了11.9%和13.4%，顯著高于傳統(tǒng)施肥處理(5.9%)，說明擴(kuò)蓄增容肥提高土壤SOC含量的作用較傳統(tǒng)施肥明顯，這主要是因?yàn)閿U(kuò)蓄增容肥中有機(jī)頁巖和油渣的作用所致。

表1 不同施肥處理下土壤各形態(tài)有機(jī)碳的含量Table 1 Contents of organic carbon with different forms in soil under different fertilizations

注：SOC.土壤有機(jī)碳；DOC.土壤可溶性有機(jī)碳；KMnO4-C.土壤易氧化有機(jī)碳。同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)。下表同。

Note:SOC.Soil organic carbon;DOC.Dissolved organic carbon;KMnO4-C.Soil easily oxidized organic carbon.Different small letters in each column mean significant difference at 0.05 level among treatments.The same below.

DOC是土壤活性碳庫的組成部分，易為微生物利用，其含量動(dòng)態(tài)與土壤有機(jī)碳的累積和分解關(guān)系密切，土壤DOC雖僅占土壤有機(jī)碳的很小一部分，但對土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化供應(yīng)有著重要影響，其動(dòng)態(tài)變化能更靈敏地反映土壤有機(jī)碳的循環(huán)與平衡趨勢[18]。由表1可見，7個(gè)處理中，DOC含量大小排序?yàn)閿U(kuò)蓄增容肥2處理>擴(kuò)蓄增容肥1處理>擴(kuò)蓄增容肥3處理>傳統(tǒng)施肥處理>同量施肥處理>擴(kuò)蓄增容材料處理>對照。其中擴(kuò)蓄增容肥3個(gè)用量處理的DOC含量均顯著高于對照，說明擴(kuò)蓄增容肥能顯著提高土壤DOC含量。擴(kuò)蓄增容肥1、擴(kuò)蓄增容肥2和擴(kuò)蓄增容肥3處理的土壤DOC含量分別較傳統(tǒng)施肥處理提高了33.1%，38.0%和14.3%，且擴(kuò)蓄增容肥1和擴(kuò)蓄增容肥2處理的土壤DOC含量與傳統(tǒng)施肥處理差異顯著，表明擴(kuò)蓄增容肥較傳統(tǒng)施肥顯著提高了土壤DOC含量。黃威等[4]的研究結(jié)果表明，長期施用化肥對稻田土壤DOC影響不大，配施有機(jī)肥有提高土壤DOC含量的趨勢，且與長期施用化肥處理差異達(dá)到顯著水平，本研究結(jié)果與之相一致。比較擴(kuò)蓄增容肥3個(gè)用量處理土壤DOC含量可知，土壤DOC含量并未隨著擴(kuò)蓄增容肥施用量的增加而增大，這可能是因?yàn)殡S著擴(kuò)蓄增容肥施用量的增加，其中氮肥的增加刺激并促進(jìn)了土壤微生物對DOC的消耗所致[19]。比較對照、同量施肥處理、擴(kuò)蓄增容材料處理和擴(kuò)蓄增容肥1處理土壤DOC含量可知，擴(kuò)蓄增容肥1處理與對照差異顯著，而同量施肥處理和擴(kuò)蓄增容材料處理與對照差異不顯著；擴(kuò)蓄增容肥1處理較對照增加的土壤DOC含量(49.3 mg/kg)遠(yuǎn)大于同量施肥處理和擴(kuò)蓄增容材料處理分別增加的總和(29.1 mg/kg)，說明無機(jī)肥料和擴(kuò)蓄增容材料(有機(jī)頁巖)配施在提高土壤DOC含量方面具有明顯的正交互作用。由DOC/SOC的結(jié)果可見，擴(kuò)蓄增容肥1、2、3處理的DOC/SOC均高于其他處理，其中擴(kuò)蓄增容肥1、2處理的DOC/SOC值顯著高于除擴(kuò)蓄增容肥3處理外的其他處理，這說明擴(kuò)蓄增容肥不僅有助于提高SOC含量，還可以增加土壤SOC中DOC所占的比例，提高土壤有機(jī)碳的利用率。

土壤KMnO4-C包括可溶性有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、微生物量碳、土壤可礦化碳以及碳水化合物[20]，在指示土壤質(zhì)量和肥力變化時(shí)比土壤SOC更靈敏，能即時(shí)反映土壤肥力和土壤物理性質(zhì)的變化[21]。由表1可知，不同施肥處理土壤KMnO4-C含量大小排序?yàn)閿U(kuò)蓄增容肥3處理>擴(kuò)蓄增容肥2處理>擴(kuò)蓄增容肥1處理>同量施肥處理>傳統(tǒng)施肥處理>擴(kuò)蓄增容材料處理>對照，其中擴(kuò)蓄增容肥3個(gè)用量處理的KMnO4-C含量顯著高于對照，較對照提高了46.4%～52.9%，其他3個(gè)處理與對照之間差異均不顯著，這與李平儒等[21]的研究結(jié)果一致。比較擴(kuò)蓄增容肥1、2、3處理的KMnO4-C含量可知，隨著擴(kuò)蓄增容肥施用量的增加，土壤KMnO4-C含量增加。比較同量施肥處理、擴(kuò)蓄增容材料處理、擴(kuò)蓄增容肥1處理和對照的KMnO4-C含量可見，僅擴(kuò)蓄增容肥1處理顯著高于對照，而同量施肥處理和擴(kuò)蓄增容材料處理與對照之間差異均不顯著，說明添加了擴(kuò)蓄增容材料的擴(kuò)蓄增容肥，由于其中有機(jī)材料與無機(jī)材料的交互作用，從而提高了土壤KMnO4-C含量。

2.2 施肥對土壤氮形態(tài)的影響

由表2可見，擴(kuò)蓄增容肥3處理的土壤TN含量最高，與對照、擴(kuò)蓄增容材料處理以及擴(kuò)蓄增容肥1處理之間差異顯著，與其他處理之間差異不顯著。值得注意的是，施氮量最高的傳統(tǒng)施肥處理與對照的土壤TN含量差異不顯著，這可能是一方面基礎(chǔ)土壤肥力水平較高，短期的施肥對其影響較??；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)施肥有更多的氮以硝態(tài)氮形式淋溶到土壤下層，而且傳統(tǒng)施肥處理作物的產(chǎn)量較高，使得其TN含量明顯降低。比較擴(kuò)蓄增容肥3處理與傳統(tǒng)施肥處理可見，盡管傳統(tǒng)施肥處理的無機(jī)N用量(玉米和小麥兩季共施N 450 kg/hm2)大于擴(kuò)蓄增容肥3處理(玉米和小麥兩季共施N 386.0 kg/hm2)，但是擴(kuò)蓄增容肥3處理提高土壤全N的作用卻明顯優(yōu)于傳統(tǒng)施肥處理，這充分說明有機(jī)材料與無機(jī)材料復(fù)合的擴(kuò)蓄增容肥提升土壤TN含量的效果比單一施用無機(jī)化肥的傳統(tǒng)施肥處理好。關(guān)焱等[22]指出，施入的氮肥對土壤TN含量的影響取決于氮肥在土壤中的凈殘留量，無機(jī)氮肥對土壤氮的礦化既無明顯的凈激發(fā)，也無明顯的凈殘留，因此它在提高土壤TN含量中的作用并不明顯，與無機(jī)氮肥不同，有機(jī)肥料在土壤中大多有明顯的凈殘留，因此有助于土壤TN含量的提高。比較擴(kuò)蓄增容肥不同用量處理的土壤TN含量可見，擴(kuò)蓄增容肥3處理土壤TN含量與擴(kuò)蓄增容肥1處理之間差異達(dá)到顯著水平，且土壤TN含量大小排序?yàn)閿U(kuò)蓄增容肥3處理>擴(kuò)蓄增容肥2處理>擴(kuò)蓄增容肥1處理，說明隨著擴(kuò)蓄增容肥施用量的增加，土壤TN含量逐漸增大。比較同量施肥處理、擴(kuò)蓄增容材料處理、擴(kuò)蓄增容肥1處理土壤TN含量可見，三者之間均無顯著差異，可知擴(kuò)蓄增容肥1處理的土壤TN含量并未顯著高于同量施肥處理，這可能與氮肥的投入量較小有關(guān)。

表2 不同施肥處理下土壤各形態(tài)氮的含量Table 2 Contents of nitrogen with different forms in soil under different fertilizations

注：TN.土壤全氮；DON.土壤可溶性有機(jī)氮。

Note:TN.Total nitrogen;DON.Dissolved organic nitrogen.

DON易被微生物分解，是微生物和植物的潛在可利用氮源。由表2可見，不同施肥處理的土壤DON含量有一定差異，除擴(kuò)蓄增容材料處理外，其他施肥處理都與對照差異顯著，說明傳統(tǒng)施肥和擴(kuò)蓄增容肥處理都能提高土壤DON含量。陳武榮等[23]的研究結(jié)果顯示，施用高量無機(jī)肥以及無機(jī)肥配施秸稈和豬糞等有機(jī)物質(zhì)都能顯著提高土壤DON含量，本研究結(jié)果與之一致。各處理DON含量大小排序?yàn)閿U(kuò)蓄增容肥3處理>傳統(tǒng)施肥處理>同量施肥處理>擴(kuò)蓄增容肥1處理>擴(kuò)蓄增容肥2處理>擴(kuò)蓄增容材料處理>對照。傳統(tǒng)施肥處理和擴(kuò)蓄增容肥3處理對土壤DON含量提高幅度較大，分別較對照提高了17.4%和18.3%。比較同量施肥處理、擴(kuò)蓄增容材料處理、擴(kuò)蓄增容肥1處理和對照的土壤DON含量可知，擴(kuò)蓄增容肥1處理與同量施肥處理之間沒有顯著差異，但是都顯著高于對照，擴(kuò)蓄增容材料處理與對照差異不顯著，說明擴(kuò)蓄增容材料對土壤DON含量沒有明顯影響。各處理之間的DON/TN沒有顯著差異。Smith等[24]指出，施肥雖然對土壤各形態(tài)氮的絕對含量有很大影響,但不管是施用化肥還是有機(jī)肥，土壤氮素的組成(各形態(tài)氮占土壤全氮的比例)卻變化不大。王巖等[25]對有機(jī)肥兔糞尿和化肥硫銨的殘留氮對土壤氮各組分貢獻(xiàn)的研究結(jié)果也得出了相似的結(jié)論。擴(kuò)蓄增容肥能夠提高土壤DOC和DON含量，這可能是因?yàn)閿U(kuò)蓄增容肥中有機(jī)物料提供的有機(jī)膠體作為有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的物質(zhì)基礎(chǔ)，有助于形成活性鈣離子，增加腐殖質(zhì)含量，帶來更多有益功能團(tuán)，從而提高了土壤中的碳源和能源，促進(jìn)可溶性碳、氮的生成[26]。

2.3 施肥對土壤微生物量碳氮含量的影響

微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)被認(rèn)為是土壤活性養(yǎng)分的儲存庫，植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源[28]。由表3可以看出，盡管對照土壤MBC和MBN含量均低于其他施肥處理，但差異均不顯著，同時(shí)各處理之間MBC/SOC和MBN/TN均無顯著性差異。這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)所采用的土壤具有較高的基礎(chǔ)養(yǎng)分含量，短期施肥對土壤MBC和MBN含量的影響還沒有顯現(xiàn)，隨著施肥時(shí)間的延長，也可能會(huì)出現(xiàn)明顯差異，這還有待進(jìn)一步研究。Bardgett等[29]和Lovell等[30]的結(jié)果也表明，高量施用化肥，可使土壤中保持較高的速效養(yǎng)分濃度，但并不利于微生物的生長活動(dòng)。

表3 不同施肥處理下土壤微生物量碳氮的含量Table 3 Soil MBC and MBN contents under different fertilizations

注：MBC.土壤微生物量碳；MBN.土壤微生物量氮。

Note:MBC.Soil microbial biomass carbon;MBN.Soil microbial biomass nitrogen.

3 結(jié) 論

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Effect of amendment fertilizer on organic carbon and nitrogen in loess soil

PAN Tinga,GAO Ming-xiab,SUN Ben-huaa

(aCollegeofNaturalResourcesandEnvironment,bCollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

soil amendment fertilizer;soil organic carbon;dissloved organic carbon;soil easily oxidized organic carbon;dissloved organic nitrogen

2014-01-17

“十二五”國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA100503)

潘 婷(1990-)，女，陜西安康人，在讀碩士，主要從事土壤化學(xué)研究。E-mail：panting_@qq.com

孫本華(1972-)，男，江蘇金湖人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事土壤化學(xué)和土壤生態(tài)研究。 E-mail：sunbenhua@126.com

時(shí)間:2015-06-30 13:47

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.08.014

S156.2

A

1671-9387(2015)08-0174-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150630.1347.014.html