不同生物質(zhì)材料對(duì)蕉園土壤有機(jī)質(zhì)組成的影響

鄭慧杰，徐豪東，王學(xué)良，曾曉玲，王 琦，陳咨霖，鄧萬(wàn)剛*

（1.海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，海南 ?？?570228；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的主體，它可以豐富土壤養(yǎng)分，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，經(jīng)常作為反映土壤肥力狀況的重要指標(biāo)［1-3］。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分，一般占有機(jī)質(zhì)總量的50%～70%，其大多與土壤礦質(zhì)顆粒結(jié)合形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體，以增加土壤碳的穩(wěn)定性［4-5］。土壤腐殖質(zhì)的主要組分是胡敏酸、富里酸和胡敏素，其中最活躍的物質(zhì)為胡敏酸，富里酸碳經(jīng)氧化縮合形成胡敏酸碳，在胡敏酸碳的積累過(guò)程中起重要作用［6-7］。由于土壤有機(jī)質(zhì)的復(fù)雜性，影響有機(jī)質(zhì)及組成的因素也十分復(fù)雜，比如氣候、土地類型、土壤層次、有機(jī)物料等。徐躍等［8］研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著海拔的升高而增加；土壤胡敏酸/富里酸（H/F）與年均溫、≥10℃積溫和年均降水量呈顯著（P＜0.01）的相關(guān)關(guān)系。比買熱木·阿不都艾海提等［9］研究新疆黑鈣土土壤剖面腐殖質(zhì)的變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，胡敏酸和富里酸都是隨土層深度的加深而在波動(dòng)中逐漸減少。張靚等［10］提出，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥會(huì)明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，增幅達(dá)76%～104%。

生物炭是在低氧、缺氧的條件下，生物質(zhì)（如作物秸稈、木屑等）經(jīng)熱解炭化而成的多孔富碳物質(zhì)［11］。添加生物炭不僅可以改變土壤有機(jī)質(zhì)的組成，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累和形成，而且對(duì)穩(wěn)定土壤有機(jī)碳庫(kù)、提高土壤肥力等有重要意義［12］。周桂玉等［13］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在第45 d添加秸稈和松枝兩種生物炭處理都能提高土壤有機(jī)碳含量以及胡敏酸和富里酸含量?；ɡ虻龋?4］研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以提高富里酸和胡敏酸含量。添加生物炭的制備原料（如作物秸稈）也能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，影響土壤有機(jī)質(zhì)組成［15-16］。周運(yùn)來(lái)［17］通過(guò)田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與單施化肥相比，不同秸稈還田方式均不同程度地提高黃棕壤胡敏酸和富里酸碳含量，且胡敏酸的增幅高于富里酸。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于施用生物質(zhì)材料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及其組成的研究比較普遍，有關(guān)施用生物質(zhì)材料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及其組成的影響也有研究，但有關(guān)施用不同生物質(zhì)材料（木炭、椰殼炭、椰糠炭、椰糠）對(duì)海南香蕉園耕層土壤有機(jī)質(zhì)及組成的動(dòng)態(tài)變化的研究還比較少。因此，本試驗(yàn)擬以4種生物質(zhì)材料（木炭、椰殼炭、椰糠炭和椰糠）為試驗(yàn)用料，分析不同生物質(zhì)材料不同用量輸入條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量、組成及其動(dòng)態(tài)變化，為生物質(zhì)材料在本地蕉園土壤的相關(guān)科研與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 土壤

供試土壤為玄武巖磚紅壤，采自橋頭香蕉園耕層，自然風(fēng)干后研磨，過(guò)2 mm篩，混勻備用。土壤基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

1.1.2 生物質(zhì)材料

本研究以市場(chǎng)上購(gòu)買的木炭、椰殼炭、椰糠炭和椰糠為生物質(zhì)材料，粉碎過(guò)0.25 mm篩備用。生物質(zhì)材料含碳量如表2所示。

表2 供試生物質(zhì)材料含碳量 （%）

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，于2017年3月至9月在海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院土壤實(shí)驗(yàn)室布置。試驗(yàn)設(shè)生物質(zhì)材料4水平（木炭、椰殼炭、椰糠炭和與椰糠炭等碳量的椰糠），炭土比2水平（2%、4%），共8個(gè)處理，同時(shí)設(shè)置不添加生物質(zhì)材料的對(duì)照處理（CK），每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。將各處理生物質(zhì)材料和2.5 kg土壤混勻，裝入直徑20 cm、高15 cm的塑料桶中，覆蓋保鮮膜并用繩扎緊，在膜上用針扎小孔以維持內(nèi)外氣壓平衡，置于室內(nèi)常溫培養(yǎng)，期間采用稱質(zhì)量法補(bǔ)充水分，保持土壤含水量不變（田間持水量的70%）。為了減少不同批次間的誤差，本研究分別在15、30、60、90、120、180 d后采集土壤樣品，并盡快風(fēng)干，統(tǒng)一進(jìn)行分析。

1.3 分析方法

土壤有機(jī)質(zhì)及組成測(cè)定按照土壤分析方法標(biāo)準(zhǔn)《FHZDZTR0046 土壤 有機(jī)質(zhì)的測(cè)定 重鉻酸鉀氧化外加熱法》和《FHZDZTR0048土壤 腐殖質(zhì)組成的測(cè)定 重鉻酸鉀氧化法》。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物質(zhì)材料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，所有處理土壤有機(jī)質(zhì)含量大體呈下降趨勢(shì)。整個(gè)培養(yǎng)期間生物質(zhì)材料處理土壤有機(jī)質(zhì)下降速率均高于CK處理，生物質(zhì)材料處理土壤有機(jī)質(zhì)含量下降了3.62%～29.74%，CK土壤有機(jī)質(zhì)含量下降了2.53%，其中木炭、椰糠炭和椰糠處理土壤有機(jī)質(zhì)下降速率隨添加量的增加而升高，而椰殼炭處理土壤有機(jī)質(zhì)下降速率低于木炭、椰糠炭處理，且隨添加量的增加而降低。生物質(zhì)材料處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK，并隨添加量的增加而升高（表3）。

表3 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量 （g/kg）

2.2 不同生物質(zhì)材料對(duì)土壤胡敏酸的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，所有處理土壤胡敏酸（HA）碳含量大體呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)。除4%椰糠處理外，其他處理第90或120 d土壤胡敏酸碳含量相對(duì)高于其他時(shí)間相同處理土壤胡敏酸碳含量。與CK相比，第15～30 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤胡敏酸碳含量顯著降低或差異不顯著，第60～90 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤胡敏酸碳含量顯著升高或差異不顯著，第120 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤胡敏酸碳含量顯著降低或差異不顯著，第180 d土壤胡敏酸碳含量顯著升高或差異不顯著。除第15 d外，其他時(shí)間椰糠處理土壤胡敏酸碳含量顯著高于CK（表4）。

表4 不同處理土壤胡敏酸碳含量 （g/kg）

2.3 不同生物質(zhì)材料對(duì)土壤富里酸的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，所有處理土壤富里酸（FA）碳含量大體呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)。與CK相比，第15～30 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤富里酸碳含量顯著升高或差異不顯著；第60 d木炭處理土壤富里酸碳含量顯著升高或差異不顯著，椰殼炭和椰糠炭處理土壤富里酸碳含量顯著降低；第90 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤富里酸碳含量顯著降低；第120 d木炭和椰殼炭處理土壤富里酸碳含量顯著降低或差異不顯著，椰糠炭處理土壤富里酸含量顯著升高；第180 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤富里酸碳含量顯著降低或差異不顯著。除第90 d外，其他時(shí)間椰糠處理土壤胡敏酸碳含量顯著高于CK（表5）。

表5 不同處理土壤富里酸碳含量 （g/kg）

2.4 不同生物質(zhì)材料對(duì)土壤胡敏酸/富里酸的影響

土壤胡敏酸/富里酸（H/F）為土壤HA與FA的比值，可在一定程度上反映土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度［18］。隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，所有處理土壤H/F大體呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)。與CK相比，第15 d生物質(zhì)材料處理土壤H/F顯著降低；第30 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤H/F顯著降低或差異不顯著，椰糠處理土壤H/F顯著升高；第60～90 d生物質(zhì)材料處理土壤H/F顯著升高或差異不顯著；第120 d木炭和椰殼炭處理土壤H/F顯著升高或差異不顯著，椰糠炭和椰糠處理土壤H/F顯著降低；第180 d生物質(zhì)材料處理土壤H/F顯著升高或差異不顯著（表6）。

表6 不同處理土壤胡敏酸/富里酸

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成，其含量常常作為土壤肥力的指標(biāo)［19-20］。本研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)材料處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK，并隨添加量的增加而升高。原因可能是生物質(zhì)材料均為高碳物質(zhì)，添加到土壤后均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。這與許毛毛［21］的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)期間所有處理土壤有機(jī)質(zhì)含量大體呈下降趨勢(shì)，生物質(zhì)材料處理土壤有機(jī)質(zhì)下降速率均高于CK，這一方面可能是因生物質(zhì)材料中易降解物質(zhì)含量會(huì)隨時(shí)間的推移而降低，另一方面也可能是因?yàn)橥庠从袡C(jī)物料輸入土壤引起了土壤有機(jī)質(zhì)的分解（正激發(fā)效應(yīng)）［22］。本研究發(fā)現(xiàn)，椰殼炭處理土壤有機(jī)質(zhì)下降速率低于木炭、椰糠炭處理，且隨添加量的增加而降低，這可能是由于制備生物炭的材料與條件不同，使椰殼炭具有更高的穩(wěn)定性，而且不同生物炭引起的激發(fā)效應(yīng)的程度也不同，從而呈現(xiàn)不同的土壤有機(jī)質(zhì)降解速率［23］。

土壤腐殖質(zhì)是有機(jī)質(zhì)中較為穩(wěn)定的部分之一，是土壤有機(jī)質(zhì)經(jīng)腐殖化作用形成的高分子化合物，其分解和積累與土壤肥力密切相關(guān)，是評(píng)價(jià)土壤肥力水平的重要指標(biāo)［24-26］。土壤腐殖質(zhì)的主要成分是胡敏酸和富里酸，二者及比例均可以進(jìn)一步說(shuō)明土壤肥力［27-28］。土壤胡敏酸、富里酸的影響因素有很多，比如添加物、溫度等。宋楊［29］研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，胡敏酸和土壤H/F呈上升趨勢(shì)，富里酸呈下降趨勢(shì)。胡誠(chéng)等［30］研究發(fā)現(xiàn)添加秸稈處理的土壤胡敏酸、富里酸含量增加，其中麥秸+秸稈腐熟劑、油菜秸、油菜秸+秸稈快腐劑處理胡敏酸含量顯著增加，各處理富里酸含量差異不顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，在第90或120 d，生物質(zhì)材料處理（除2%椰糠處理）土壤胡敏酸碳含量相對(duì)較高，這可能是因?yàn)榈?0～120 d正處于室內(nèi)氣溫較高的時(shí)間，微生物在高溫下活動(dòng)受抑制而有利于胡敏酸的積累，而富里酸恰好相反［31］。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，第15～30 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理胡敏酸含量顯著降低或差異不顯著，這可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)初期還處于腐殖質(zhì)化的第一階段，富里酸還未進(jìn)一步腐殖質(zhì)化，使得生物質(zhì)炭處理的胡敏酸含量低［32］。除第60 d木炭處理外，第60～90 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤胡敏酸碳含量顯著升高或差異不顯著，土壤富里酸碳含量顯著降低或差異不顯著，這可能是因?yàn)樵诖藭r(shí)期富里酸進(jìn)一步縮合成胡敏酸和胡敏素，富里酸在土壤腐殖質(zhì)中的比例逐漸減少，再加上生物質(zhì)炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)吸附了富里酸，使其不容易被提取，從而導(dǎo)致其組分測(cè)得含量偏低［32］。除第120 d椰糠炭處理外，第120～180 d木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤胡敏酸碳含量顯著升高或差異不顯著，土壤富里酸碳含量顯著降低或差異不顯著。木炭、椰殼炭和椰糠炭處理土壤胡敏酸、富里酸碳含量一直都處于此消彼長(zhǎng)的狀態(tài)，培養(yǎng)初期富里酸大于胡敏酸，之后富里酸與胡敏酸相互轉(zhuǎn)化。這從一定程度上證明了腐殖質(zhì)形成學(xué)說(shuō)中多元酚理論［33］。本研究發(fā)現(xiàn)，除第15 d 2%椰糠處理土壤胡敏酸碳含量和第90 d 2%椰糠處理土壤富里酸碳含量外，其他時(shí)間椰糠處理土壤胡敏酸、富里酸碳含量均顯著高于CK，原因可能是椰糠含有較多的易礦化碳，礦化過(guò)程中間產(chǎn)物為腐殖化提供了前提物質(zhì)，能合成更多的胡敏酸和富里酸碳，這與陳鮮妮等［34］研究結(jié)果相似。

4 結(jié)論

添加木炭、椰殼炭、椰糠炭和椰糠均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，并隨添加量的增加而升高；添加木炭、椰殼炭、椰糠炭和椰糠均能加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解，添加椰殼炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解的影響相對(duì)較小。

椰糠的添加主要是同時(shí)增加了土壤胡敏酸和富里酸碳含量，生物炭（木炭、椰殼炭和椰糠炭）的添加主要是影響了土壤胡敏酸與富里酸的相互轉(zhuǎn)化。