不同有機物料對蘇打鹽化土有機碳和活性碳組分的影響

郭軍玲，金 輝，郭彩霞，王永亮，楊治平*

（1 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所/土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，山西太原 030031；2 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟研究所，山西太原 030006）

我國鹽漬化土壤面積約3.6 × 107hm2，主要分布在華北、東北、西北內(nèi)陸地區(qū)和長江以北沿海地區(qū)[1]。山西省地處黃土高原半干旱區(qū)，是我國內(nèi)陸鹽漬土主要分布區(qū)之一，面積達2.74 × 105hm2，以大同盆地面積最大。鹽漬土作為我國重要的后備耕地資源，土壤堿化度高、理化性狀差及土壤肥力低，是制約其分布區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因素[2]。隨著人口增加與土地資源緊缺之間矛盾的日益凸顯，鹽漬土等障礙土壤的改良利用，已成為當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中亟待研究和需要解決的重要問題。

大量研究表明，施用有機物料可有效降低鹽漬土土壤pH和鹽分含量，增加土壤有機碳，改善土壤結(jié)構(gòu)及提高作物產(chǎn)量[3-4]。何瑞成等[5-6]研究表明，施用秸稈、牧草和羊糞均能有效改善原生鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)，提高水稻產(chǎn)量。李瑩飛[7]研究發(fā)現(xiàn)施用牛糞或雞糞能顯著降低濱海鹽土pH和堿化度，提高土壤有機碳含量；曲長鳳等[8]在鹽堿地上施入風(fēng)化煤后也發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)果。侯曉靜等[9]研究發(fā)現(xiàn)，施用農(nóng)家肥和商品有機肥均能顯著提高濱海鹽漬土0—30 cm土壤有機碳含量和密度，降低土壤pH，增加了玉米產(chǎn)量。陳伏生等[10]研究表明，泥炭和風(fēng)化煤均可降低鹽堿土pH、提高作物產(chǎn)量?？梢姡斩?、農(nóng)家肥、風(fēng)化煤、畜禽糞肥等不同有機物料施用對鹽漬土均有不同程度的改良效果，然而不同物料改良效果的比較研究則報道較少。有機碳是土壤的重要組成部分，直接影響著土壤的理化性狀，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[11]；土壤活性碳組分在土壤中移動快、易礦化分解且循環(huán)周期較短，能更敏感地反映土壤有機碳的動態(tài)變化[12]。土壤有機碳及活性碳組分作為土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)，其含量變化可有效表征有機物料改良鹽漬土的效果。山西省風(fēng)化煤儲量豐富、有機肥資源多、秸稈產(chǎn)量大，開展風(fēng)化煤、有機肥、秸稈等有機物料對鹽漬土的改良效果研究不僅對鹽漬土的改良利用意義重大，同時對其資源化利用也具有重要的實踐意義。本文以山西省大同盆地典型蘇打鹽化土為研究對象，研究風(fēng)化煤、生物炭、牛糞和秸稈四種有機物料添加對土壤有機碳、活性碳組分及春玉米產(chǎn)量的影響，旨在揭示不同有機物料對鹽漬土土壤質(zhì)量的變化特征，為蘇打鹽化土改良及有機物料合理資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

田間試驗在山西省懷仁縣鹽堿地改良利用基地開展 (113°14′45″E，39°54′43″N)。該基地位于大同盆地中部，屬北溫帶大陸性氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年降雨量360～400 mm，多集中在7、8月份，年均蒸發(fā)量1500 mm。該地區(qū)年均氣溫7.3℃，平均日照時數(shù)約2850 h，≥ 10℃以上年有效積溫約3100℃，無霜期130～150 d。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，按鹽堿土分類為蘇打鹽化土；種植制度為一年一熟制，種植作物為飼草玉米，供試品種為‘雅玉8號’，種植密度7.5×104株/hm2。施肥量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣平均施肥量，施用量分別為N 225 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 37.5 kg/hm2。飼草玉米于5月中旬播種，10月底收獲。試驗開展前地塊已實施三年的改良耕作，即前年冬天深松且灌大水壓鹽，深松深度25 cm，灌水2000 m3/hm2，次年春天旋耕后施肥播種。有機物料試驗始于2016年，試驗地播前土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2016年和2017年定位開展，設(shè)對照(CK)、風(fēng)化煤、生物炭、牛糞、玉米秸稈五個處理，每個處理重復(fù)4次，完全隨機排列。小區(qū)面積70 m2(10 m × 7 m)，小區(qū)間保留50 cm隔離間距。對照不施用有機物料，其它有機物料處理按照等有機碳量施入，將各種有機物料施用量折算成有機碳，每年按照9000 kg/hm2有機碳施用。各有機物料于2015和2016年作物收獲后立冬前人工均勻撒施，施用后深松并灌水洗鹽，深松25 cm，灌水2000 m3/hm2。CK和不同物料處理化肥用量一致，氮、磷、鉀純養(yǎng)分用量分別為270、108和54 kg/hm2，采用肥料類型為緩釋肥，各養(yǎng)分均作為基肥一次性施用，施肥后進行旋耕播種。

春玉米于5月初播種，10月初收獲，各小區(qū)玉米產(chǎn)量單打單收。兩年均選用耐鹽堿品種璐玉39，種植密度6.75×104株/hm2。播種時地膜覆蓋，生育期均采用膜下滴灌的灌溉方式。試驗處理除施用有機物料不同外，其它田間管理措施一致。不同物料基本性質(zhì)及施用量見表2。

1.3 測定項目及方法

2017年春玉米收獲后采集土壤樣品，每個小區(qū)均勻設(shè)5個采樣點，取樣深度60 cm，分0—10、10—20、20—40和40—60 cm四個層次。采集時除去土壤表面的秸稈和枯葉，用土鉆分層取樣，同層土樣混合均勻后采用四分法留取分析樣品，同時用環(huán)刀采集土壤容重樣品。新鮮土樣取一部分通過2 mm網(wǎng)篩保存在4℃冰箱內(nèi)用于測定水溶性有機碳含量；另一部分自然風(fēng)干后磨碎過篩，用于測定其它指標(biāo)。

土壤pH利用pH計測定，水土比2.5∶1；土壤電導(dǎo)率 (EC) 利用電導(dǎo)率儀測定，水土比5∶1；土壤堿化度 (ESP) 采用火焰光度計法測定土壤陽離子交換量和交換性鈉離子；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤有機碳 (SOC) 采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；水溶性有機碳 (WSOC) 采用去離子水浸提法測定[13]；土壤易氧化碳 (EOC) 采用高錳酸鉀氧化—比色法測定[14]；土壤輕組有機碳 (LFOC) 采用重液浮選法測定[15]；土壤有機碳密度依據(jù)以下公式計算[16]：

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in the studied area

表2 供試物料基本性質(zhì)及施用量Table 2 Basic properties and application rates of organic materials

式中：SOCD為特定深度的SOC密度 (kg/m2)；Ci為第i層SOC含量 (g/kg)；ρi為第i層土壤體積質(zhì)量(g/cm3)；Ti為第i層土壤厚度 (cm)，n為土層數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007處理數(shù)據(jù)、Graph7.0軟件繪圖、SPSS16.0軟件進行方差分析，LSD方法進行顯著性差異檢驗，采用Pearson檢驗法進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機物料對春玉米產(chǎn)量的影響

如圖1所示，不同有機物料對春玉米產(chǎn)量影響不同。2016年有機物料處理春玉米產(chǎn)量較CK增加了10.4%～37.7%，2017年增加了11.8%～28.6%。風(fēng)化煤和牛糞處理2016年產(chǎn)量分別為6104 kg/hm2和6378 kg/hm2，2017年分別為7244 kg/hm2和6929 kg/hm2，均顯著高于CK。2016年牛糞處理產(chǎn)量顯著高于生物炭處理，2017年不同物料處理間產(chǎn)量差異不顯著。總的來講，施用四種有機物料不同程度提高了春玉米產(chǎn)量，風(fēng)化煤和牛糞處理增產(chǎn)效果優(yōu)于生物炭和秸稈處理。

2.2 有機物料對土壤有機碳含量與儲量的影響

由圖2可知，垂直剖面上各處理土壤有機碳含量表現(xiàn)出相同規(guī)律，含量隨土層深度的增加而降低。有機物料不同程度提高了0—20 cm土層有機碳含量。0—10、10—20 cm土層SOC含量均以風(fēng)化煤和牛糞處理較高，分別較CK顯著提高 54.8%、36.6%和40.4%、35.6%。20—40 cm土層SOC含量較表層0—20 cm明顯下降，風(fēng)化煤處理顯著高于CK，其它處理與CK差異不顯著。有機物料對40—60 cm土層SOC含量無明顯影響?？梢?，有機物料對蘇打鹽化土SOC含量的影響主要表現(xiàn)在0—20 cm表層土壤，以風(fēng)化煤處理土壤有機碳提高最為明顯，牛糞次之，秸稈和生物炭較低。

圖 1 不同有機物料處理春玉米產(chǎn)量Fig. 1 Yields of spring maize applied with different organic materials

土壤有機碳密度是衡量和評價土壤有機碳儲量的一個重要指標(biāo)。由圖2可知，土壤有機碳密度表現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的趨勢。有機物料不同程度增加了土壤有機碳密度。0—10 cm土層有機碳密度提高10.0%～46.0%，以風(fēng)化煤處理最高，秸稈處理較低，除風(fēng)化煤處理外，其它處理與CK無顯著差異。10—20 cm土層有機碳密度提高13.4%～31.8%，同樣以風(fēng)化煤處理最高，除生物炭處理外，其它處理與CK差異顯著，有機物料處理間差異不顯著。20—60 cm土層有機碳密度與CK相比無顯著差異?？梢姡袡C物料明顯提高0—20 cm土層有機碳密度，以風(fēng)化煤、牛糞增幅較高，可促進土壤有機碳的累積，增加土壤有機碳儲量。

圖 2 不同有機物料處理土壤有機碳含量和有機碳密度Fig. 2 Soil organic carbon (SOC) and SOC density in different organic material treatments

2.3 有機物料對土壤活性碳組分含量的影響

由表3可知，有機物料明顯影響著土壤活性碳組分含量，垂直分布上土壤活性有機碳組分與有機碳規(guī)律相似，即隨土層深度增加各組分含量降低。施用有機物料明顯提高0—10、10—20 cm土壤活性有機碳組分含量，以10—20 cm土層增幅較大，而對20—60 cm土層影響很小。

0—10和10—20 cm土層WSOC含量分別為74.58～130.24 mg/kg和 69.31～120.69 mg/kg，均表現(xiàn)為牛糞和風(fēng)化煤 ＞ 生物炭和秸稈 ＞ CK，有機物料處理較CK顯著增加37.8%～74.6%和38.0%～74.1%，風(fēng)化煤、牛糞處理顯著高于生物炭、秸稈處理。20—40 cm土層WSOC含量略有增加，但處理間差異不顯著；40—60 cm土層WSOC含量無明顯變化。

EOC含量明顯高于WSOC含量，處理間表現(xiàn)出與WSOC相似的規(guī)律。0—10、10—20 cm土層EOC含量分別為0.72～1.36 g/kg和0.74～1.26 g/kg，呈現(xiàn)為牛糞和風(fēng)化煤 ＞ 生物炭和秸稈 ＞ CK，有機物料處理較CK顯著增加39.6%～90.1%和27.1%～69.4%，風(fēng)化煤、牛糞處理含量顯著高于生物炭、秸稈處理。20—40 cm土層EOC含量較CK增加51.5%～81.9%，但處理間差異不顯著；40—60 cm土層EOC含量以生物炭處理最高，較CK顯著增加。

LFOC含量明顯高于WSOC含量、略低于EOC含量。0—10、10—20 cm土層LFOC含量分別為0.66～1.15 g/kg和0.57～1.12 g/kg，呈牛糞和風(fēng)化煤及秸稈 ＞ 生物炭 ＞ CK變化，有機物料處理較CK顯著提高30.6%～74.1%和56.7%～97.0%，風(fēng)化煤、牛糞、秸稈處理LFOC含量顯著高于生物炭處理。20—40 cm土層各處理LFOC含量較CK顯著增加38.0%～58.8%；40—60 cm土層LFOC含量變化較小。

2.4 有機物料對土壤活性碳組分比例的影響

土壤活性碳組分分配比例是指活性有機碳含量與有機碳總含量的比值。施用有機物料明顯提高了0—20 cm土層活性碳組分分配比例 (表4)。在有機碳總量中，WSOC占比較低，EOC、LFOC占比較高。在0—10、10—20 cm土層，WSOC占比為2.1%～2.7%，有機物料處理的較CK分別增加0.17～0.58、0.43～0.56個百分點，不同物料間差異不顯著，只有牛糞處理的占比顯著高于CK。EOC在有機碳中的占比在0—10、10—20 cm土層分別為20.6%～27.4%、22.9%～28.7%，有機物料處理較CK增加了1.67～6.83、1.71～5.80個百分點，以牛糞處理最高，風(fēng)化煤其次，較CK均顯著增加。LFOC的占比范圍分別為18.8%～26.2%、17.5%～25.5%，有機物料處理較CK增加0.34～7.39、6.41～8.00個百分點，以秸稈和牛糞 ＞ 風(fēng)化煤和生物炭 ＞ CK，秸稈處理顯著高于CK。有機物料對20—60 cm土層活性碳組分分配比例影響很小，處理間差異不顯著?？梢?，施用有機物料提高了活性有機碳的比例，改變了土壤有機碳質(zhì)量，對活性碳組分所占比例的影響主要在0—20 cm土層。

表3 不同有機物料處理各土層土壤水溶性有機碳、易氧化有機碳和輕組有機碳含量Table 3 Contents of water-soluble, easy oxidizable and light fraction carbon in soils applied with different organic materials

2.5 有機物料對土壤pH、電導(dǎo)率 (EC) 和堿化度(ESP) 的影響

如圖3所示，垂直分布上土壤pH、EC和ESP表現(xiàn)出相似的規(guī)律，隨著土層深度增加而增加。施用有機物料降低土壤pH、EC和ESP，且主要影響0—20 cm土層，對20—40、40—60 cm土層影響較小或無影響。0—10、10—20 cm土層pH均以風(fēng)化煤和牛糞處理降低較多，分別降低0.59、0.55和0.53、0.53，與CK差異顯著。土壤EC隨土層深度增加逐漸加大，0—10、10—20 cm土層均為牛糞和風(fēng)化煤 ＞ 生物炭和秸稈，牛糞、風(fēng)化煤處理較CK顯著降低23.7%、15.1%和16.7%、18.4%。施用有機物料后，0—10、10—20 cm土層ESP分別降低41.3%～51.6%、22.3%～60.4%，均與CK差異顯著。綜合分析可知，在降低土壤pH、ESP和調(diào)控土壤EC上風(fēng)化煤、牛糞效果優(yōu)于秸稈和生物炭。

2.6 土壤有機碳及活性碳組分與鹽堿化指標(biāo)之間的關(guān)系

由表5可知，土壤pH和ESP與有機碳及活性碳組分之間均呈極顯著負(fù)相關(guān)，土壤EC與SOC呈顯著負(fù)相關(guān)，與活性碳組分之間的相關(guān)性達到極顯著水平?？梢?，SOC及其活性組分可以調(diào)控土壤酸堿度和鹽分含量，土壤pH、EC和ESP隨著SOC和活性碳組分含量的增加而降低，施用有機物料能促進土壤改良利用。SOC與WSOC、EOC及LFOC呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.820、0.862和0.699，說明土壤活性碳組分與SOC含量密切相關(guān)，SOC含量很大程度上決定了土壤活性碳組分含量。土壤WSOC、EOC及LFOC之間存在極顯著正相關(guān)，說明土壤不同活性碳組分之間關(guān)系密切、相互影響。

表4 不同有機物料處理各土層水溶性有機碳、易氧化有機碳和輕組有機碳在總有機碳中的占比 (%)Table 4 Percentage of water-soluble, easy oxidizable and light fraction carban in the total organic carban of soils applied with different organic materials

圖 3 不同有機物料處理土壤pH、電導(dǎo)率 (EC) 和堿化度 (ESP)Fig. 3 Soil pH, electrical conductivity (EC) and exchange sodium percentage (ESP) applied with different organic materials

表5 土壤有機碳及其活性組分與鹽堿化指標(biāo)之間的相關(guān)分析(r)Table 5 Correlation analysis between soil organic carbon, fractions of active carbon and salinity indicators

3 討論

3.1 有機物料對土壤有機碳含量與儲量的影響

有機碳在土壤理化性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用，是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[17]。本試驗結(jié)果表明，四種有機物料均明顯提高了0—20 cm土層SOC含量，這與王玲莉等[18]的研究結(jié)果一致。連續(xù)兩年試驗，有機物料本身含有的有機碳輸入是其增加的主要原因，另一方面有機物料促進作物生長，使作物殘茬和根系分泌物增加，進而增加作物對SOC的輸入[9]。風(fēng)化煤和牛糞處理顯著提高SOC含量，可能主要與風(fēng)化煤能有效降低土壤pH、降低Na+的危害，進而促進作物生長有關(guān)[19]；另外風(fēng)化煤、牛糞均可促進土壤團聚體形成，其物理性保護作用有利于SOC累積[20-21]。土壤有機碳密度是土壤碳儲量的重要指標(biāo)，與湯潔等[22]的研究結(jié)果相似，本試驗亦表明風(fēng)化煤、牛糞等有機物料能明顯提高土壤有機碳密度。

3.2 有機物料對土壤活性碳組分及分配比例的影響

土壤活性碳組分對植物和微生物具有較高活性，不僅對耕作措施反應(yīng)敏感，而且在調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮著重要作用[23]。本試驗結(jié)果表明，有機物料提高了土壤活性碳組分含量。風(fēng)化煤、牛糞處理提高土壤WSOC、EOC效果最為顯著，其主要原因可能是，風(fēng)化煤、牛糞極大增加了SOC輸入，提高了土壤微生物活性，加快有機物的分解和轉(zhuǎn)化，而分解的有機物及腐解物中含有多種活性碳組分，同時根系分泌的活性碳組分也增加，明顯提高其含量[23-25]。秸稈處理LFOC含量較高，這主要與秸稈的高碳氮比能夠加速新鮮秸稈的腐解轉(zhuǎn)化有關(guān)[26]；生物炭穩(wěn)定性高，不易礦化降解，因此土壤活性碳組分均較低。

土壤活性碳組分分配比例能夠消除SOC含量差異對活性碳的影響，更能反映不同管理措施下SOC質(zhì)量和穩(wěn)定程度。李新華等[23]指出，土壤活性碳組分比例越高表示土壤碳有效性越高，易礦化分解，反之則表示土壤碳穩(wěn)定性高，不易礦化利用。本研究結(jié)果表明，施用有機物料可提高0—20 cm土層活性碳組分分配比例，這可能與有機物料輸入為土壤微生物提供充足碳源，加快土壤活性碳積累有關(guān)[24,27-28]。前人研究表明，風(fēng)化煤和牛糞均能加快有機碳的礦化分解[6]、增加作物凋落物和根系分泌物[8-9]，提高WSOC和EOC含量，這可能是本研究中牛糞和風(fēng)化煤處理土壤有機碳中WSOC、EOC占比較高的主要原因。新鮮秸稈極大提高了土壤LFOC含量，導(dǎo)致土壤LFOC占比以秸稈處理最高，而生物炭較為穩(wěn)定，因此生物炭處理對土壤活性碳組分的占比影響不大，黎嘉成等[29]、王夢雅等[30]也獲得了相似的研究結(jié)果。

3.3 有機物料對土壤pH、EC和ESP的影響

土壤pH、EC和ESP是衡量鹽漬土鹽堿程度的重要指標(biāo)[2]。本試驗結(jié)果表明，施用有機物料明顯降低0—20 cm土層pH、EC和ESP，其中以風(fēng)化煤和牛糞處理效果最佳。主要原因是，風(fēng)化煤含有大量酸性功能團使其具有較高的陽離子交換量，能夠吸附和交換土壤中的鈉離子來降低土壤pH和鹽分含量[21,31]；牛糞可提高鹽漬土的脫鹽抑鹽能力，通過離子交換降低土壤pH值，減少可溶性鹽基離子含量[32]。秸稈含有大量難分解的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素；生物炭具有較高的pH值，使得其在降低土壤pH值和鹽基離子含量方面效果較差差[33]。改良后土壤EC值較背景值大幅度降低，也與二者土樣采集時期不同有關(guān)。背景值是2016年春播前土樣測試結(jié)果，春季地表水分蒸發(fā)增強，土壤鹽分隨毛管水上升積聚到表層，EC測定值較高；而改良后土壤EC值是2017年秋季的測試結(jié)果，有機物料改良作用使EC降低，且夏秋季節(jié)較高的降雨量也促進表層鹽分向下遷移，導(dǎo)致表層土壤EC大幅降低。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，SOC及其活性組分與土壤pH、EC和ESP呈顯著 (P＜ 0.05) 負(fù)相關(guān)。說明SOC與其活性組分可調(diào)控土壤酸堿度和鹽分含量，施用有機物料能促進鹽漬土的改良利用，這與韓劍宏等[28]研究結(jié)果一致。SOC與活性碳組分呈顯著正相關(guān)，說明土壤活性碳組分很大程度上依賴于SOC含量；活性碳組分之間的顯著相關(guān)性說明不同活性碳組分相互聯(lián)系、相互影響，能夠很好地反映土壤有機碳的變化情況[26,34]。

4 結(jié)論

風(fēng)化煤、生物炭、牛糞和秸稈均能明顯提高0—20 cm表層有機碳含量，提高水溶性有機碳、易氧化態(tài)有機碳和輕組有機碳在土壤活性碳中的占比，提高有機碳的質(zhì)量。同時降低土壤pH、EC和ESP，提高春玉米產(chǎn)量。與生物炭和秸稈相比，牛糞和風(fēng)化煤處理具有較高的WSOC/SOC、EOC/SOC和LFOC/SOC，且土壤pH、EC和ESP降低程度更加明顯，春玉米增產(chǎn)效果更加顯著。SOC及活性碳組分與pH、EC和ESP呈顯著負(fù)相關(guān)，表明有機物料改良蘇打鹽化土與SOC及活性碳組分含量提高有關(guān)。綜上可知，風(fēng)化煤、牛糞對內(nèi)陸蘇打鹽化土改良效果較好。