有機物料對灌漠土結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)及其組分的影響*

俄勝哲 時小娟 車宗賢 海 龍 馬倩倩 袁金華 姚佳璇

（1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

（2 甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，蘭州 730070）

土壤有機碳是土壤質(zhì)量的重要指標，在維系養(yǎng)分供應(yīng)、構(gòu)建良好土壤結(jié)構(gòu)等方面有重要作用[1]，也與全球氣候變化密切相關(guān)[2]。施有機物料是提升土壤有機碳含量的有效措施[3]。土壤腐殖質(zhì)（HS）是土壤有機質(zhì)的主體，約占土壤有機質(zhì)的70%～ 90%，腐殖質(zhì)除少部分以游離態(tài)存在外，大部分與土壤礦質(zhì)顆粒形成有機無機復合體[4-5]。有機無機復合體一方面提高了有機碳的穩(wěn)定性，延長其在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)周期；另一方面，土壤礦物對有機質(zhì)的吸附，增強了土壤的吸附能力，提高了土壤固持養(yǎng)分的能力[6]。根據(jù)有機碳與土壤礦物結(jié)合牢固程度，結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)可分為松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)[7]。松結(jié)態(tài)是新鮮腐殖物質(zhì)，易分解轉(zhuǎn)化，供養(yǎng)分能力強，是作物營養(yǎng)的直接來源，而緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的養(yǎng)分供給性差，但儲存有機碳和養(yǎng)分能力強[7]。從溶解性角度，腐殖質(zhì)可分為胡敏酸（Humic acid，HA）、富里酸（Fulvic acid，F(xiàn)A）和胡敏素（Humin，HM）[8]。胡敏酸分子邊緣有大量的官能團，可增加土壤吸附性能和保持水分及養(yǎng)分的能力，并能促進土壤結(jié)構(gòu)體的形成；富里酸官能團中酚羥基和甲氧基較多，對土壤肥力有一定作用；胡敏素與黏粒礦物結(jié)合緊密，活性較低[9]。因此，土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分與土壤有機碳固持、土壤的肥力質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量均密切相關(guān)，一直是國內(nèi)外學者研究的熱點。

國內(nèi)外有關(guān)施肥對土壤有機碳含量、土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分影響的報道較多，如俄勝哲等[10]研究表明，長期施用有機肥土壤有機碳含量和儲量顯著增加；而董珊珊等[11]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈深還有機碳含量顯著提高，腐殖質(zhì)組分含量也顯著增加，亞表層累積效果更明顯。呂岳等[12]進一步研究發(fā)現(xiàn)，與新鮮雞糞相比，施用分離雞糞的固體，土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量顯著提高，緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量顯著減少，而對聯(lián)結(jié)態(tài)和穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量的影響無明顯差異。孟安華和吳景貴[8]研究更是發(fā)現(xiàn)，施牛糞土壤胡敏酸碳（C）含量和C/H 降低，氧（O）含量、O/C 和（N+O）/C 升高，富里酸C含量和C/N 升高，N、O 含量和O/C 降低，降低了植菜土壤胡敏酸的縮合程度，升高了土壤胡敏酸的氧化程度和極性，降低了植菜土壤富里酸的氧化程度。涉及多種有機物且同時從腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)和組分含量方面系統(tǒng)解釋固碳機制的研究報道較少。

河西走廊光熱資源豐富，農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)發(fā)達，年產(chǎn)大量畜禽糞便、菌渣、沼渣和農(nóng)作物秸稈等有機廢棄物[13]，其隨意堆棄，既浪費了寶貴的資源，又對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。灌漠土是干旱內(nèi)陸區(qū)一種典型的耕作土壤[14]，質(zhì)地結(jié)構(gòu)均一，結(jié)構(gòu)面多細孔，主要分布于我國漠境地區(qū)內(nèi)陸河流域的綠洲地帶與黃河流域，是河西走廊的主要土壤類型，多屬砂質(zhì)黏壤[15]。近年來，受高強度連作及施肥結(jié)構(gòu)不合理等因素的影響，灌漠土結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤板結(jié)、次生鹽漬化和土壤養(yǎng)分不平衡等問題已成為了灌漠土農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙。本文通過河西走廊灌漠土不同有機物料還田試驗，研究土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)及其組分的不同有機物料響應(yīng)，以期從有機無機復合體及結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分兩方面系統(tǒng)揭示土壤有機碳固持及土壤培肥的機理機制，為河西走廊灌漠土壤培肥與改良及有機廢棄物高效利用提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗始于2011年3月。試驗地位于甘肅農(nóng)業(yè)科學院張掖節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗站（100°22′53′′E ，38°50′42′′N），海拔1 570 m。區(qū)域光照充足，熱量豐富，晝夜溫差大。年日照時數(shù)2 932～3 085 h，年均氣溫7.3℃，≥10℃的積溫1 837～2 870℃，年平均降水量僅129 mm，而年蒸發(fā)量達2 048 mm，屬典型的溫帶荒漠性氣候，干旱綠洲灌區(qū)。土壤類型為灌漠土（Anthropic Camborthids）。2011年春試驗播前耕作層（0～20 cm）土壤的基本理化性狀為：土壤pH 8.67，有機碳（SOC）9.4 g·kg-1，全氮（TN）1.0 g·kg-1，全磷（TP）0.82 g·kg-1，全鉀（TK）22.2 g·kg-1，全鹽（TS）0.53 g·kg-1，堿解氮（AN）68.31 mg·kg-1，有效磷（AP）16.70 mg·kg-1，速效鉀（AK）109.1 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)8 處理：（1）CK，不施肥對照；（2）常規(guī)施肥，僅施化肥氮磷（NP）；（3）70%NP+牛糞（NF）；（4）70%NP +豬糞（ZF）；（5）70%NP +雞糞（JF）；（6）70%NP +菌渣（JZ）；（7）70%NP +沼渣（JZ）；（8）70%NP +污泥（WN）。有機物處理年有機碳投入量2610 kg·hm-2，化肥氮磷（NP）施用量為常規(guī)肥施量的70%，未考慮有機物料所攜入的氮磷鉀養(yǎng)分。2011—2017年腐熟牛糞、豬糞、雞糞、菌渣、沼渣和污泥平均有機質(zhì)及氮磷鉀養(yǎng)分含量（干基）見表1。

不同有機物有機碳及氮磷鉀含量不同，因此有機物施用量及由有機物所攜入的氮磷鉀量差異較大，具體見表2。常規(guī)施肥指當?shù)剞r(nóng)戶的施肥種類和施肥量，河西走廊土壤富鉀，農(nóng)戶種植小麥和玉米多不施鉀肥，僅施化肥氮磷。小麥常規(guī)化肥施用量為 N 180 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2；玉米為 N 375 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2。小麥、玉米化肥和有機物均做基肥施入，有機物料施用前人工用鐵鍬拍碎，過5 mm 篩。輪作方式為小麥—小麥—玉米，一年一熟。小區(qū)長6 m，寬5 m，隨機區(qū)組排列，重復3 次。

1.3 栽培管理措施

氮肥采用尿素（劉家峽化工廠生產(chǎn)）、磷肥采用磷酸氫二銨（金昌化學工業(yè)集團生產(chǎn)）。牛糞、雞糞和豬糞來自試驗站附近養(yǎng)殖廠，污泥來自張掖市污水處理廠，沼渣來自附近的農(nóng)戶，菌渣來自附近的食用菌栽培戶。有機物料施用前需經(jīng)3 個月高溫堆腐，施用量根據(jù)有機物的有機質(zhì)含量確定。小麥播種量為每公頃750 萬粒，行距15 cm。玉米種植密度每公頃11.2 萬株，行距40 cm，株距22 cm。

表1 有機物料中有機碳及養(yǎng)分平均含量 Table1 Mean contents of organic carbon and nutrients in organic materials

表2 有機物投入量及有機氮磷鉀養(yǎng)分攜入量 Table2 Organic materials and nutrient inputs through application of organic material relative to type of organic material

1.4 樣品采集與處理

2017年作物成熟期，采用“S”路線，每小區(qū)選5 點采集0～20 cm 土層土壤樣品，5 點土壤樣品混勻后，采用四分法取2 kg 左右的混合土樣，剔除石礫和植物殘體，陰涼處風干，過2 mm 孔徑的篩后密封保存。四分法取過2 mm 孔徑篩的土壤樣品0.5 kg 左右，研磨過0.25 mm 孔徑的篩，用于土壤基本理化性狀及土壤有機碳、腐殖物質(zhì)、不同腐殖物質(zhì)結(jié)合形態(tài)及其組分的提取及含量分析測定。

1.5 土壤腐殖物質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分提取

土樣制備：首先取過0.25 mm 孔徑篩的土樣5.000 g 于100 mL 離心管中，加入25 mL 1.85 g·cm-3溴化鋅溶液超聲分散10 min，4 500 r·min-1離心10 min，離心過程重復兩次，分離土壤游離態(tài)有機碳。經(jīng)溴化鋅提取土樣加入15 mL 95%的酒精，2 500 r·min-1離心5 min，重復清洗2 次；再向其中加入15 mL 蒸餾水，2 500 r·min-1，離心5 min，再清洗2 次；將其放入鼓風干燥箱（40℃）烘干，用于結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)構(gòu)成及其組分提取[16]。

結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)構(gòu)成提?。悍Q取以上烘干且過0.25 mm 篩土樣5.000 g 于100 mL 離心管中，加入4 g·L-1NaOH 溶液50 mL，充分搖勻，于30℃保溫箱內(nèi)放置過夜，次日4 500 r·min-1離心10 min，所得提取液收集至250 mL 的容量瓶中，反復進行3～4 次，直至提取液接近無色，此提取液即為松結(jié)合態(tài)腐殖物質(zhì)。向以上剩余土壤中加 50 mL 4 g·L-1NaOH 和44.6 g·L-1Na2P2O7的混合液，搖勻，于30℃保溫箱內(nèi)放置過夜，次日4 500 r·min-1離心10 min，反復進行3～4 次，直至提取液接近無色，此提取為穩(wěn)結(jié)合態(tài)腐殖物質(zhì)（Ⅱ組）。向剩余的土壤中加入15 mL 95%酒精，2 500 r·min-1離心5 min，烘干研磨裝袋后，稱取0.5000 g 于150 mL 容量瓶測定其有機碳，此為緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)（Ⅲ組）[16]。

結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分提取：腐殖質(zhì)組分包括胡敏酸（HA，僅溶于堿不溶于酸）、富里酸（FA，既溶于酸又溶于堿）和胡敏素（HM，酸堿均不溶）。土壤腐殖質(zhì)組成提取采用腐殖質(zhì)組成修改法[11]進行，準 確 稱 取 5.000 g 重 組 土 樣，以 0.1mol·L-1Na4P2O7+0.1mol·L-1NaOH 混合液為提取劑從土壤中提取腐殖酸（Humus extracted，HE），用0.5 mol·L-1H2SO4將pH 調(diào)至1～1.5 之間，70℃水浴保溫1.5 h，分離腐殖酸得到胡敏酸（HA）與富里酸（FA），剩余為胡敏素（HM）[17]。

1.6 土壤理化性狀測定

土壤pH 采用蒸餾水浸提，土水比為1∶2.5（W∶V），pH 計測定；土壤含水量采用烘干法測定；土壤全氮用凱氏定氮法測定；堿解氮用堿解擴散法測定；全磷和全鉀采用NaHCO3熔融后，分別用鉬銻抗比色法和火焰光度法測定；土壤有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1 mol·L-1醋酸銨浸提，火焰光度法測定[17]。土壤總有機碳、腐殖物質(zhì)碳、不同結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)碳及胡敏酸組分碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定[9]。

1.7 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

土壤有機碳儲量（SOC stock，SOCS）計算公式如下：

式中，SOCS 為土壤有機碳儲量，Mg·hm-2；C為土壤有機碳含量，g·kg-1；BD 為土壤容重，g·cm-3；d為土層深度，m。由于土壤中有機碳移動性較弱，同時試驗耕作翻耕深度不超過20 cm，因此，本研究僅計算0～20 cm 土層中有機碳儲量，即d 為0.2 m。文中數(shù)據(jù)為 3 次重復的平均數(shù)，以烘干（105℃，24 h）土壤質(zhì)量計。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 18.0 軟件進行，方差分析選用單因素方差分析模型（One-way ANOVA）進行，多重比較采用新復極差法（Duncan's 法，P＜0.05）。圖表繪制采用Excel 2007進行。

2 結(jié) 果

2.1 有機物料對土壤有機碳含量和儲量的影響

由圖1可看出，施有機物料處理土壤有機碳（SOC）含量較對照（CK）和常規(guī)施肥（NP）均顯著增加，其中，牛糞（NF）、豬糞（ZF）、雞糞（JF）、菌渣（JZ）、沼渣（ZZ）和城市污泥（WN）處理分別較對照增加25.3%、34.7%、36.9%、23.0%、16.2%、46.8%，較常規(guī)施肥增加30.2%、39.9%、42.2%、27.7%、20.7%、52.5%。雖然不同有機物處理土壤有機碳投入量相同，但污泥處理土壤有機碳含量顯著高于牛糞、菌渣和沼渣處理，而豬糞、雞糞及污泥3 處理間差異不顯著，牛糞、菌渣及沼渣3 處理間差異也不顯著。這可能與不同有機物的分子結(jié)構(gòu)及化學組成不同，其在土壤中腐解轉(zhuǎn)化及有機碳的穩(wěn)定性不同有關(guān)，同時也可能與施用不同有機物所導致的作物根茬還田量不同有關(guān)。施用有機物土壤有機碳儲量較對照和常規(guī)施肥也顯著增加，其中雞糞和污泥處理有機碳儲量最高，顯著高于牛糞、菌渣和沼渣處理，但污泥與雞糞和豬糞處理、沼渣與菌渣處理間差異不顯著。

2.2 有機物料對土壤游離態(tài)及結(jié)合態(tài)有機碳含量的影響

施牛糞、豬糞和污泥土壤游離態(tài)有機碳含量較對照（CK）和常規(guī)施肥（NP）均顯著增加，分別較對照增加了41.0%、44.6%、41.2%，較常規(guī)施肥增加了53.8%、57.8%、54.1%，但這3 處理間差異不顯著（圖2）。施雞糞游離態(tài)有機碳含量較常規(guī)施肥也顯著增加，而與對照差異不顯著?；实着涫ν寥烙坞x態(tài)有機碳含量影響不顯著。不同施肥處理土壤結(jié)合態(tài)有機碳含量僅牛糞處理與對照和常規(guī)施肥處理差異不顯著，其他有機物處理下其含量均顯著高于對照（CK）和常規(guī)施肥（NP）。同樣，氮磷配施（NP）對土壤結(jié)合態(tài)有機碳無顯著影響（圖2）。豬糞、雞糞、菌渣、沼渣和污泥處理結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)有機碳含量分別較對照（CK）增加23.7%、38.3%、19.5%、18.1%、53.0%，較常規(guī)施肥增加22.0%、36.4%、17.8%、16.5%、50.9%。不同有機物處理下，污泥處理土壤結(jié)合態(tài)有機碳含量最高，其次為雞糞，這可能由于城市污泥富含大分子難分解有機物，而雞糞還田攜入大量氮素，有利于與土壤形成有機無機復合體，因而提高結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量。豬糞、菌渣和沼渣處理土壤結(jié)合態(tài)有機碳含量增幅較低，沼渣、菌渣和豬糞3 處理間結(jié)合態(tài)有機碳含量差異不顯著。不同施肥處理土壤結(jié)合態(tài)有機碳占土壤總有機碳比例在43.6%～49.4%之間，而游離態(tài)有機碳的比例達50.6%～59.1%，略高于結(jié)合態(tài)有機碳含量。

圖1 各處理土壤有機碳含量（a））和儲量（b））的變化 Fig.1 Effect of organic materials on soil organic carbon content（a））and stock（b））relative to type of organic material

圖2 各處理土壤游離態(tài)（a））和結(jié)合態(tài)（b））有機碳含量的變化 Fig.2 Effect of organic materials on soil free（a））and combined organic carbon（b））in content relative to type of organic material

2.3 有機物料對土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組成的影響

不同處理土壤松結(jié)態(tài)腐殖物質(zhì)有機碳含量在1.1～2.6 g·kg-1之間，除菌渣外，其他有機物處理土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量較對照（CK）和常規(guī)施肥（NP）均顯著增加，牛糞、豬糞、雞糞、沼渣和污泥處理土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)分別較對照（CK）增加83.4%、83.2%、82.8%、55.6%、146.1%，較常規(guī)施肥增加83.1%、83.0%、82.5%、55.4%、145.7%（圖2）。不同有機物間，污泥處理土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量顯著高于其他有機物，其次為牛糞、豬糞和雞糞處理。不同處理穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)有機碳含量在 0.56～1.58 g·kg-1之間，除菌渣外，其他處理穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量明顯低于其松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量。菌渣和沼渣處理土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量較對照分別增加 76.1%和19.4%，而較常規(guī)施肥分別增加100.1%和35.6%。而雞糞和豬糞處理穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量較對照則顯著降低，牛糞處理與對照差異不顯著。土壤緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量3.0～4.3 g·kg-1之間，施用雞糞、沼渣和污泥處理土壤緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量較對照和常規(guī)施肥均顯著增加。雞糞和菌渣處理土壤緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量與常規(guī)施肥差異也達到顯著水平，但豬糞、牛糞和菌渣處理土壤緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量與對照差異不顯著。以上結(jié)果表明，碳氮比較高的有機物還田不利于土壤松結(jié)態(tài)和緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)的形成，而有利于土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的形成。

不同施肥處理土壤松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)及緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)占土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)的比例分別在 17.9%～ 32.9%、14.6%～21.7%和46.6%～68.7%之間（表3）。除菌渣處理外，其余處理均以緊結(jié)態(tài)比例最大，其次為松結(jié)態(tài)，而穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)所占比例最小。施菌渣對松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)占土壤結(jié)合腐殖質(zhì)比例的影響不顯著，而施用其他有機物均顯著增加了松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)占土壤結(jié)合腐殖質(zhì)的比例。施沼渣較對照可顯著提高緊結(jié)態(tài)占土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)的比例，施污泥較對照則顯著降低此比例。不同處理間穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)占土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)差異均不顯著。松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的比值在 0.7～3.4 之間，除菌渣和沼 渣外，其他有機物處理松穩(wěn)比（松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與穩(wěn)結(jié)態(tài)比值）較對照和常規(guī)施肥均顯著增加，但這些處理間差異不顯著。松緊比（松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與緊結(jié)態(tài)比值）在0.33～0.61 之間，同樣除菌渣和沼渣，施其他有機物顯著增加了松緊比，施豬糞和雞糞處理此比值顯著低于污泥處理。穩(wěn)結(jié)態(tài)與緊結(jié)態(tài)比值在0.2～0.5 之間，以菌渣處理最高，顯著高于其他處理，而豬糞和雞糞處理最低，顯著低于對照、常規(guī)施肥、菌渣及沼渣4 處理。

圖3 各處理土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)的變化 Fig.3 Combination form of soil humus relative to treatment

表3 各處理土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組成的變化 Table3 Composition of soil combined humus relative to treatment

2.4 有機物料對土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分的影響

施有機物料土壤胡敏酸含量較對照和常規(guī)施肥均顯著增加，牛糞、豬糞、雞糞、菌渣、沼渣、污泥處理分別較對照增加54.3%、40.4%、143.0%、111.9%、50.7%、47.1%，較常規(guī)施肥增加54.7%、40.7%、143.6%、112.3%、51.0%、47.4%（圖4）。雞糞處理增幅最大，其次為菌渣，而牛糞、豬糞、沼渣和污泥 4 處理增幅最低。富里酸的變化與胡敏酸明顯不同，雞糞、沼渣和污泥處理土壤富里酸含量較對照和常規(guī)施肥顯著增加，而其余有機物料對土壤富里酸含量影響不顯著。土壤胡敏素含量僅牛糞和雞糞處理較對照和常規(guī)施肥顯著增加，分別較對照增加 22.9%、37.6%，較常規(guī)施肥增加6.0%、18.7%，牛糞和雞糞處理間差異不顯著，施其他有機物對土壤胡敏素含量影響也不顯著。雞糞處理土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)中胡敏酸、富里酸和胡敏素含量較對照和常規(guī)施肥均顯著增加，牛糞處理胡敏酸和胡敏素含量較對照和常規(guī)施肥顯著增加，而污泥處理胡敏酸和富里酸含量較對照和常規(guī)施肥顯著增加。

不同施肥處理土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)中胡敏酸、富里酸和胡敏素比例在8.8%～16.0%、20.4%～26.3%和45.4%～65.4%之間，以胡敏素含量最高，其次為富里酸，而胡敏酸的含量最低（表4）。除沼渣和污泥處理外，施其他有機物土壤胡敏酸占結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)比例較對照和常規(guī)施肥均顯著增加，表明土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)中活性組分比例顯著增加。不同有機物料間以雞糞和菌渣最高，其次為牛糞和豬糞處理。施不同有機物對胡敏素占土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)比例影響差異較大，牛糞處理其比例較對照略有增加，而施其他有機物此比例則呈現(xiàn)減少趨勢，但差異均未達到顯著水平。不同有機物間，牛糞處理土壤胡敏素占土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)比例顯著高于雞糞和污泥處理，而施不同有機物對土壤富里酸占土壤腐殖質(zhì)比例影響不明顯。

不同施肥處理胡敏酸與富里酸之比在 0.41～ 0.77 之間，胡敏酸與胡敏素之比在0.14～0.28 之間，而富里酸與胡敏素之比在0.30～0.47 之間（表4）。施牛糞較對照顯著增加了胡敏酸與富里酸之比，但其他有機物處理土壤胡敏酸與富里酸的比值與對照和常規(guī)施肥差異不顯著。施雞糞和菌渣顯著提高了胡敏酸與胡敏素之比，沼渣處理胡敏酸與胡敏素之比雖顯著高于常規(guī)施肥，但與對照差異不顯著。施雞糞和污泥土壤富里酸與胡敏素之比較對照和常規(guī)施肥均顯著提高，牛糞和菌渣處理土壤富里酸與胡敏素之比較常規(guī)施肥也顯著增加，但與對照差異不顯著。以上表明，施用雞糞、菌渣、沼渣和污泥，土壤腐殖質(zhì)組分中新鮮腐殖質(zhì)含量顯著增加，腐殖質(zhì)活性增強，土壤供肥能力提高。

圖4 各處理土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分含量的變化 Fig.4 Content of combined humus relative to treatment

表4 各處理土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分構(gòu)成的變化 Table4 Composition of soil combined humus relative to treatment

2.5 土壤有機碳組分間相關(guān)性

由表5可以看出，土壤有機碳儲量及含量與土壤結(jié)合態(tài)有機碳、游離態(tài)有機碳、松結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)、緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量均顯著正相關(guān)，但與穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的相關(guān)性不明顯。土壤結(jié)合態(tài)有機碳含量與松結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量顯著正相關(guān)，而與穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量相關(guān)性不顯著。松結(jié)態(tài)與緊結(jié)態(tài)顯著正相關(guān)。由此表明，施用不同有機物料土壤有機碳儲量和含量及結(jié)合態(tài)有機碳含量與土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量變化不同步，土壤游離態(tài)、松結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)及胡敏酸、富里酸和胡敏素含量增加是土壤有機碳含量提升的主要內(nèi)因。結(jié)合態(tài)有機碳與胡敏酸、富里酸和胡敏素的含量均顯著正相關(guān)，松結(jié)態(tài)與富里酸和胡敏素顯著正相關(guān)，緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)僅與富里酸顯著正相關(guān)，而穩(wěn)結(jié)態(tài)與胡敏酸、富里酸和胡敏素含量的相關(guān)性均不顯著，進而表明，施用不同機物料，土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)和腐殖質(zhì)組分的變化過程和增減幅度存在明顯差異，并非同步等量變化。

表5 土壤有機碳組分間相關(guān)性 Table5 Correlations between soil organic carbon fractions

3 討 論

3.1 不同有機物料對土壤有機碳含量和儲量及組分的影響

土壤有機碳的數(shù)量與質(zhì)量是土壤肥力的重要表征，保持較高水平的有機質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的先決條件[18]。施有機物料是提升土壤有機碳含量的重要手段。大量研究[7,19-20]表明，長期有機肥單施或與化肥配施均能顯著促進土壤有機碳和腐殖質(zhì)的積累。本研究與此一致，但不同有機物處理雖有機碳年投入量相等，土壤有機碳含量和儲量的增幅卻存在顯著差異。污泥處理土壤有機碳含量和儲量最高，其次為雞糞和豬糞處理，其他有機物料處理土壤有機碳含量、儲量的增幅略低（圖1）。其原因可能有：（1）不同有機物料的作物增產(chǎn)幅度不同，作物根茬還田量自然也不同，會導致土壤有機含量和儲量有差異。（2）不同有機物在土壤中的礦化分解和腐殖質(zhì)化速率不同，有機物礦化分解和腐殖質(zhì)化速率差異可能與不同有機物氮磷鉀等養(yǎng)分投入量不同及有機物料的內(nèi)在組成和分子結(jié)構(gòu)不同有關(guān)，致使土壤有機碳含量和儲量的增幅及土壤培肥效果不同，豬糞、雞糞和污泥有機物料氮磷養(yǎng)分投入量大（表2），有利于有機物的腐殖化和穩(wěn)定，因此土壤培肥效果較好，而牛糞、沼渣及菌渣培肥效果則略差。丁雪麗等[21]研究也表明，不同有機物由于具有不同的蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等結(jié)構(gòu)的組成比例，因此歸還至土壤中的有機物在土壤中的分解速率、分解產(chǎn)物及其轉(zhuǎn)化途徑會有 明顯差異。

土壤有機碳是不同種類、不同分解等級的有機碎片組成的混合物，容易被微生物分解。土壤有機碳轉(zhuǎn)化易受溫度、水分、有機物質(zhì)組成、土壤黏粒含量、質(zhì)地等多種因素的影響[22]。有研究[21]認為，有機碳土壤固持由有機物的分子結(jié)構(gòu)決定，即有機物質(zhì)包括易分解組分和難分解組分，易分解組分腐解耗盡后，微生物才轉(zhuǎn)化后者；而最新研究則認為，土壤中有機質(zhì)穩(wěn)定性并非由其分子結(jié)構(gòu)決定，更多是因其與礦物結(jié)合而導致空間隔離，微生物難以接觸而不易被分解，同時受控于環(huán)境因子，如部分植物來源的有機組分在分子結(jié)構(gòu)上相對穩(wěn)定，但在土壤中反而更容易被分解[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，豬糞、雞糞和污泥處理土壤游離態(tài)和結(jié)合態(tài)有機碳含量均顯著高于對照，這可能是豬糞、雞糞和污泥的碳氮比較低，腐殖質(zhì)化程度高，腐解緩慢，城市污泥中同時含有大量難降解的聚丙烯酰胺所致（表1）。分析土壤總有機碳和結(jié)合態(tài)有機碳含量與不同有機物碳氮比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著有機物碳氮比的增加，土壤總有機碳和結(jié)合態(tài)有機碳含量有逐漸降低的趨勢（圖5）。表明不同有機物化學組成及分子結(jié)構(gòu)差異可能是引起土壤有機碳積累量差異重要原因，不同有機物化學組成及分子結(jié)構(gòu)差異不但影響其腐解速度，也可能影響其與無機礦物形成有機無機復合體松緊度，進而影響其抗分解能力。

圖5 土壤有機碳含量與有機物料碳氮比的關(guān)系 Fig.5 Relationships of contents of soil organic carbon and C/N ratio in organic material

游離態(tài)有機碳主要來源于有機肥物料的分解和土壤腐殖質(zhì)降解，而結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)碳主要來源于有機物料和游離態(tài)有機碳的腐殖化，二者數(shù)量的變化 在一定程度上代表著土壤內(nèi)部有機碳的動態(tài)轉(zhuǎn)化過程[24]。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的主體，很少以游離態(tài)存在，一般占土壤總有機碳的85%～90%[6,18]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)比例為 43.6%～ 49.4%，游離態(tài)比例達 50.6%～59.1%，略高于結(jié)合態(tài)土壤腐殖質(zhì)。這可能與有機物大量投入，處于半分解狀態(tài)的植物殘體大量存在有關(guān)，同時還可能與河西走廊氣候環(huán)境條件、灌漠土礦物組成及質(zhì)地有關(guān)。土壤礦物和有機質(zhì)通過一定的作用力而結(jié)合，而不同礦物對腐殖質(zhì)的吸附量差異較大，這與礦物的比表面積、表面酸堿位和表面電荷有關(guān)。鐵/鋁氧化物對腐殖質(zhì)的吸附最強，其次是黏土礦物，石英、長石等礦物顆粒對腐殖質(zhì)的吸附最弱[25]。灌漠土原生礦物以石英為主，綠簾石等蝕變礦物質(zhì)量分數(shù)較高，次生礦物多含石膏和方解石等，黏土礦物主要為伊利石、綠泥石、高嶺石和蒙脫石，且黏粒含量較低[26]，加之干旱缺水，原有機碳易礦化，外源有機殘體不易腐爛降解成小分子有機物質(zhì)而被保存于土壤中，以及土壤pH 較高等原因，可吸附有機質(zhì)的礦物表面位點較少[21]，使得土壤中游離態(tài)有機碳含量較高，結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量較低。

3.2 不同有機物料對土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)構(gòu)成和組分的影響

松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，易被微生物利用，有利于土壤物理化學性質(zhì)的改善，通常隨土壤肥力水平提高而增多。緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)穩(wěn)定性強，養(yǎng)分供給性差，但腐殖質(zhì)累積和養(yǎng)分的貯蓄能力強[16]。呂岳等[12]研究表明，施雞糞可顯著提高暗棕壤松結(jié)態(tài)和穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量，但對緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量無明顯影響。張電學等[24]研究結(jié)果則表明，化肥與有機肥、麥秸和玉米秸配施，土壤松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量較對照均顯著增加，但不同有機物間差異不顯著。本研究結(jié)果則顯示，除菌渣外，施其他有機物土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量較對照和常規(guī)施肥均顯著增加，同時不同有機物料增幅有明顯差異。污泥處理土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)增幅最大，其次為豬糞牛糞和雞糞處理，而沼渣處理的增幅最低（圖3）。菌渣和沼渣處理土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量較對照顯著增加，而牛糞處理與對照差異不顯著，相反雞糞和豬糞處理土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量則較對照顯著降低（圖3）；沼渣、污泥和雞糞處理土壤緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量顯著增加，表明施用牛糞、豬糞雞糞及污泥顯著提高了土壤有機碳的活性和養(yǎng)分供應(yīng)能力，其中污泥和雞糞的土壤培肥效果最佳，不但提高了土壤的供肥能力，也提高了土壤蓄肥能力。同種結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量在不同有機物間差異較大，證實有機物化學組成、分子結(jié)構(gòu)及其腐解產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)可能對土壤有機無機復合體的形成有顯著影響，進而影響土壤有機碳和腐殖質(zhì)含量及其土壤固持效率。除菌渣和沼渣外，其他有機物料處理松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)及松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)比值均顯著增加（表3），表明施用牛糞、豬糞、雞糞和污泥增加了土壤新鮮腐殖質(zhì)的比例，提升了土壤腐殖質(zhì)的質(zhì)量。

胡敏酸是土壤腐殖質(zhì)中的活躍物質(zhì)，較富里酸酸度小，呈微酸性，但陽離子交換量較高，對土壤結(jié)構(gòu)的形成及保肥和供肥性能密切相關(guān)[18]。富里酸在腐殖質(zhì)中分子量較小、活性較大、氧化程度較高，它既是形成胡敏素的一級物質(zhì)，又是胡敏酸分解的一級產(chǎn)物，在胡敏酸的積累和更新中起著重要作用。胡敏素是有機碳和氮的重要組成部分，在碳截獲、土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分保持、氮素循環(huán)、生物地球化學循環(huán)等方面均占有重要地位[2]。吳萍萍等[5]研究發(fā)現(xiàn)，增施有機肥、秸稈及綠肥，安徽白土的胡敏酸和胡敏素含量較僅施化肥處理明顯增加，且胡富比明顯提高，但其對土壤富里酸含量影響不顯著。同樣，劉軍等[27]研究表明，秸稈還田耕作層土壤胡敏酸和胡敏素較對照顯著提高，而對富里酸含量影響不顯著。本研究結(jié)果則表明，施有機物結(jié)合態(tài)有機碳的胡敏酸含量較對照均顯著提高；雞糞、沼渣和污泥處理土壤富里酸含量也較對照顯著增加，而胡敏素含量僅有牛糞和雞糞處理較對照顯著增加（圖4），表明施這6 種有機物料均能顯著提高土壤活性腐殖質(zhì)組分，而施牛糞、雞糞和污泥不但增加了土壤活性腐殖質(zhì)組分含量，提高了土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，同時還增加了惰性腐殖質(zhì)組分含量，提升了土壤有機碳固持能力。這與施不同有機物處理土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量增幅大小規(guī)律基本一致，進一步證實，有機物的分子結(jié)構(gòu)對土壤有機碳固持、土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及其組分有顯著影響，而有關(guān)內(nèi)在機理需進一步研究。

4 結(jié) 論

施牛糞、豬糞、雞糞、菌渣、沼渣和污泥灌漠土有機碳的含量和儲量均顯著增加，但增幅有差異，豬糞、雞糞和污泥的土壤培肥效果較好，而牛糞、菌渣和沼渣效果略差。不同有機物間結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)構(gòu)成及組分變化顯著不同，施雞糞、沼渣和污泥既可增加土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)，也可提高緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)；施牛糞、豬糞、雞糞、菌渣、沼渣和污泥結(jié)合態(tài)有機碳的胡敏酸含量顯著提高，沼渣、污泥和雞糞處理富里酸也顯著增加，而僅牛糞和雞糞處理胡敏素含量顯著增加，說明不同有機物或其分解產(chǎn)物的化學組成及結(jié)構(gòu)既顯著影響腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)，也影響腐殖質(zhì)的化學組分，兩者綜合影響有機碳的土壤固持效率和土壤培肥效果。因此，進行土壤培肥時應(yīng)因需而選擇不同有機物，而且可以考慮不同有機物配合施用。