低丘紅壤區(qū)新墾耕地土壤有機(jī)物料分解特點(diǎn)及其影響因素

劉國群，吳夢潔，嚴(yán)建立，章明奎*

(1.衢州市柯城區(qū)土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324000； 2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058；3.杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310024)

中國人多地少，耕地質(zhì)量建設(shè)直接關(guān)系糧食安全。如何實(shí)現(xiàn)耕地?cái)?shù)量與質(zhì)量的占補(bǔ)平衡，快速提升耕地土壤肥力，一直是土地管理者的重要工作。土壤有機(jī)碳是土壤系統(tǒng)的基礎(chǔ)物質(zhì)，是耕地質(zhì)量的核心，也是控制土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和碳、氮、磷、硫循環(huán)的重要因子[1-2]。土壤的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)，以及土壤的生產(chǎn)力都與土壤有機(jī)碳含量和性狀密切相關(guān)[3-4]?，F(xiàn)階段，我國提升耕地土壤有機(jī)碳水平有2個(gè)方面的戰(zhàn)略需要[5-8]：一是維持和提高我國耕地質(zhì)量的需要；二是全球環(huán)境固碳的需要。低丘紅壤是我國東南地區(qū)重要的后備耕地資源。為彌補(bǔ)耕地資源的不足，20年來，這一地區(qū)由低丘紅壤墾造的耕地?cái)?shù)量逐年增加。然而，多數(shù)紅壤新墾耕地并不具備優(yōu)良的土壤條件，普遍存在土壤有機(jī)碳含量低下、酸性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)不良、保肥性差，及多數(shù)養(yǎng)分不足等問題[9-11]。如何快速提升以土壤有機(jī)碳為中心的的土壤肥力是提高這類新墾耕地生產(chǎn)力必需解決的首要問題。以往的試驗(yàn)與研究都表明[6,12]，補(bǔ)充有機(jī)物料是增加耕地土壤有機(jī)碳的重要措施，但不同文獻(xiàn)報(bào)道的培肥對提升土壤有機(jī)碳的效果有很大的差異，而且有關(guān)不同有機(jī)物料對耕地培肥效果的研究主要在正常生產(chǎn)的耕地上進(jìn)行，對新墾耕地土壤有機(jī)碳積累特點(diǎn)及其影響因素的了解較少。為此，本研究擬通過系列培養(yǎng)試驗(yàn)，探討土壤性狀、施石灰、水分管理等對施入低丘新墾耕地土壤中有機(jī)物料分解特點(diǎn)及其腐殖化系數(shù)的影響。

1 材料與方法

1.1 供試有機(jī)物料與土壤

研究共選擇了11種有機(jī)物料進(jìn)行試驗(yàn)，代表了當(dāng)前耕地培肥中常用的有機(jī)物料。試驗(yàn)前所有有機(jī)物料均經(jīng)烘干、研磨、過2 mm篩后備用。經(jīng)測定，各有機(jī)物料的主要性狀如下：風(fēng)化煤腐殖酸，pH值6.04，有機(jī)碳448.9 g·kg-1，總氮38.57 g·kg-1；泥炭(草炭)，pH值7.03，有機(jī)碳312.5 g·kg-1，總氮31.47 g·kg-1；菌菇棒堆肥，pH值7.14，有機(jī)碳378.4 g·kg-1，總氮28.74 g·kg-1；豬糞，pH值7.32，有機(jī)碳420.7 g·kg-1，總氮24.33 g·kg-1；雞糞，pH值7.92，有機(jī)碳415.4 g·kg-1，總氮29.37 g·kg-1；水稻秸稈，pH值7.14，有機(jī)碳402.8 g·kg-1，總氮9.52 g·kg-1；水稻根系，pH值7.02，有機(jī)碳354.2 g·kg-1，總氮7.66 g·kg-1；紫云英，pH值6.89，有機(jī)碳422.6 g·kg-1，總氮38.33 g·kg-1；沼渣，pH值7.13，有機(jī)碳451.4 g·kg-1，總氮13.37 g·kg-1；生活垃圾堆肥，pH值7.42，有機(jī)碳375.5 g·kg-1，總氮21.73 g·kg-1；生物質(zhì)炭，pH值9.56，有機(jī)碳574.3 g·kg-1，總氮5.26 g·kg-1。

從浙西地區(qū)采集的新墾耕地中根據(jù)試驗(yàn)對土壤性狀的要求選擇14個(gè)低丘新墾耕地及其周圍3個(gè)熟化耕地的耕層土樣用于試驗(yàn)，包括不同質(zhì)地、肥力水平、酸度的土壤樣品。采集的土壤樣品風(fēng)干后，磨細(xì)過5 mm篩備用。

依照土壤質(zhì)地/母質(zhì)，土壤樣品可分為黃筋泥/Q2紅土、砂黏質(zhì)紅泥/花崗巖、黃紅泥土/泥頁巖、黃泥土/石英砂巖、紅砂土/紅砂巖5類，pH值分別為5.17、5.22、5.20、5.14、5.08，初始有機(jī)碳含量分別為5.12、4.66、5.07、5.32、4.08 g·kg-1，用于分析質(zhì)地對土壤有機(jī)物料腐解的影響。

選擇同為黃筋泥/Q2紅土的5個(gè)初始有機(jī)碳含量不同的新墾耕地土壤樣品，編號為M1～M5，用于分析土壤有機(jī)質(zhì)含量對有機(jī)物料腐解的影響。其初始有機(jī)碳含量依次為2.45、5.12、7.54、9.63、11.66 g·kg-1，黏粒含量依次為384、387、391、356、378 g·kg-1，pH值依次為5.18、5.17、5.09、5.25、5.22，微生物生物量碳(MBC)含量依次為19、29、38、39、63 mg·kg-1?？梢钥闯?，樣品間黏粒含量和pH值變化較小選擇同為黃筋泥/Q2紅土的6個(gè)pH不同的新墾耕地土壤樣品，編號為P1～P6，用于分析土壤pH值對有機(jī)物料腐解的影響。其pH值依次為3.67、4.18、4.69、5.17、5.67、6.23，初始有機(jī)碳含量依次為6.03、6.12、5.78、5.12、4.75、5.66 g·kg-1，黏粒含量依次為388、363、397、387、391、386 g·kg-1?？梢钥闯?，樣品間黏粒含量和有機(jī)碳含量變化較小。

從黃筋泥/Q2紅土、黃紅泥土/泥頁巖、紅砂土/紅砂巖樣本中分別選擇對應(yīng)的生土和熟土樣本，形成黃筋泥/Q2紅土-生土、黃筋泥/Q2紅土-熟土、黃紅泥土/泥頁巖-生土、黃紅泥土/泥頁巖-熟土、紅砂土/紅砂巖-生土、紅砂土/紅砂巖-熟土6類樣品，其黏粒含量分別為387、368、276、247、112、124 g·kg-1，pH值分別為5.17、6.23、5.20、6.18、5.08、6.22，初始有機(jī)碳含量分別為5.12、18.25、5.07、16.23、4.08、15.28 g·kg-1，MBC含量分別為19.56、41.22、13.54、35.45、12.88、31.46 mg·kg-1，用于分析土壤熟化對有機(jī)物料腐解的影響。

1.2 模擬試驗(yàn)

模擬試驗(yàn)在溫室內(nèi)的大型塑料容器(高30 cm，長和寬均為40 cm)內(nèi)進(jìn)行，每一類土壤處理對應(yīng)一個(gè)塑料容器，用土量均為48 kg，形成厚約25 cm的土層。有機(jī)物料腐解試驗(yàn)用尼龍袋法測定，試驗(yàn)時(shí)每袋中放置與試驗(yàn)土壤相同的細(xì)土100 g和相應(yīng)的4 g有機(jī)物料(兩者充分混勻后封口)，每一類裝土的容器中同時(shí)開展相同試驗(yàn)內(nèi)容的有機(jī)物料腐解試驗(yàn)，各個(gè)裝有有機(jī)物料的尼龍袋編號后埋入表土下7～10 cm處，每類有機(jī)物料重復(fù)3次，在土壤中腐解1 a后取樣分析。除水分試驗(yàn)外，其他試驗(yàn)在試驗(yàn)期間土壤水分均控制在75%～85%的田間持水量。試驗(yàn)內(nèi)容包括土壤質(zhì)地對有機(jī)物料腐解的影響、土壤有機(jī)碳含量對有機(jī)物料腐解的影響、土壤pH值對有機(jī)物料腐解的影響、新墾耕地與熟化耕地間有機(jī)物料腐解的差異、施用石灰對有機(jī)物料腐解的影響和不同水分狀況對有機(jī)物料腐解的影響。

1.3 測定方法

培養(yǎng)結(jié)束后，從塑料容器中取出培養(yǎng)的尼龍袋并清除袋外泥土。尼龍袋內(nèi)土樣在低溫條件下烘干、磨細(xì)，用于分析，分析內(nèi)容包括有機(jī)碳、腐殖質(zhì)碳、微生物生物量碳含量，及土壤基本性狀。土壤和有機(jī)物料中的有機(jī)碳含量、土壤腐殖質(zhì)碳含量，及土壤基本性狀采用常規(guī)方法測定[13]。MBC采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定[14]。腐殖化系數(shù)計(jì)算方法如下：腐殖化系數(shù)=(試驗(yàn)后尼龍袋土壤有機(jī)碳總量-試驗(yàn)土壤有機(jī)碳含量)/添加的有機(jī)物料碳含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地對有機(jī)物料腐解的影響

取5類由不同成土母質(zhì)發(fā)育的、質(zhì)地不同的低丘新墾耕地土壤進(jìn)行11種有機(jī)物料分解試驗(yàn)，除土壤質(zhì)地有明顯差異外，5類土壤的pH值和初始有機(jī)碳含量較為接近。如表1所示，添加有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)因土壤類型和有機(jī)物料不同有較大變化，總體上隨土壤黏粒含量增加而增加，黃筋泥、砂黏質(zhì)紅泥、黃紅泥土、黃泥土、紅砂土的腐殖化系數(shù)依次為0.22～0.74、0.17～0.72、0.19～0.67、0.16～0.68、0.17～0.62，平均分別為0.40、0.37、0.35、0.33、0.32，平均腐殖化系數(shù)與黏粒含量的相關(guān)系數(shù)為0.955 9(P<0.01)。黏粒含量高的土壤有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)較高，可能與其具有較高的比表面積，對腐殖質(zhì)的吸附固定較強(qiáng)，腐殖質(zhì)的穩(wěn)定性較高有關(guān)。不同有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)也有較大的變化，11種有機(jī)物料在5類土壤的平均腐殖化系數(shù)在0.18～0.69，最高的為最低的3.83倍，由高至低依次為生物質(zhì)炭(0.69)>風(fēng)化煤腐殖酸(0.39)>生活垃圾堆肥(0.37)>泥炭(0.36)>沼渣(0.35)>水稻根系(0.34)>菌菇棒堆肥(0.33)>豬糞(0.31)、雞糞(0.31)>水稻秸稈(0.27)>紫云英(0.18)。這一結(jié)果表明，堆肥的腐殖化系數(shù)高于秸稈、綠肥。作物的地下部分腐殖化系數(shù)高于地上部分，這可能與根部含有較高的木質(zhì)素有關(guān)。堆肥的腐殖化系數(shù)較高，顯然與堆肥制作過程中易分解的有機(jī)組分已降解，堆肥產(chǎn)品中的有機(jī)成分具有較高的生物穩(wěn)定性有關(guān)。

表1 質(zhì)地對土壤有機(jī)物料腐殖化系數(shù)的影響

從表1結(jié)果可知，生物質(zhì)炭具較高的穩(wěn)定性，其平均腐殖化系數(shù)高達(dá)0.69，明顯高于其他有機(jī)物料。但試驗(yàn)結(jié)果也顯示，添加生物質(zhì)炭的土壤在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)其腐殖質(zhì)碳含量最低(表2)，表明添加生物質(zhì)炭形成的有機(jī)碳多為非生物活性有機(jī)碳，對土壤保肥性、供肥性的作用較弱；因此，單施生物質(zhì)炭并不利于土壤腐殖質(zhì)的形成，在低丘新墾耕地上生物質(zhì)炭應(yīng)與其他有機(jī)物料配合施用。另外，土壤質(zhì)地對土壤腐殖質(zhì)的形成也有一定的影響，11類有機(jī)物料在黃筋泥、砂黏質(zhì)紅泥、黃紅泥土、黃泥土、紅砂土中形成的腐殖質(zhì)碳平均含量分別為4.40、4.20、4.11、3.96、3.87 g·kg-1，與黏粒含量的相關(guān)系數(shù)為0.971 6(P<0.01)。這一現(xiàn)象表明土壤中的有機(jī)物料在腐殖化過程中形成的腐殖質(zhì)只有與土壤礦物緊密結(jié)合，才能較穩(wěn)定地保存在土壤中。

表2 培養(yǎng)1 a后尼龍袋土壤中腐殖質(zhì)碳含量 單位：g·kg-1

2.2 土壤有機(jī)碳對有機(jī)物料腐解的影響

如表3所示，相同有機(jī)物料在不同土壤中的腐殖化系數(shù)有明顯差異，均呈現(xiàn)出隨初始土壤有機(jī)碳含量增加而下降的趨勢。4種有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)與土壤有機(jī)碳含量和MBC的相關(guān)系數(shù)分別在-0.907 9～-0.954 5和-0.737 7～-0.961 4，均達(dá)到顯著水平。這可能是因?yàn)椋阂环矫?，有機(jī)碳含量高的土壤MBC含量也較高，土壤微生物活性較強(qiáng)，后者促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的分解；另一方面，有機(jī)碳含量較高的土壤，在培養(yǎng)過程中土壤本身原有的有機(jī)碳分解量相對也較高。

表3 土壤有機(jī)質(zhì)對有機(jī)物料腐殖化系數(shù)的影響

2.3 土壤pH值對有機(jī)物料腐解的影響

如表4所示，相同有機(jī)物料在不同pH土壤中的腐殖化系數(shù)有明顯的差異，均呈現(xiàn)隨土壤pH升高而下降的趨勢。4種有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)與土壤pH值的相關(guān)系數(shù)在-0.888 9～-0.940 2，達(dá)到顯著水平。究其原因，可能與較低的土壤pH值限制了土壤微生物的活動，從而影響了土壤中有機(jī)物料的分解有關(guān)。

表4 土壤pH值對有機(jī)物料腐殖化系數(shù)的影響

2.4 新墾耕地與熟化耕地間有機(jī)物料腐解的差異

從表5可知，在相同土壤類型和相同有機(jī)物料的條件下，有機(jī)物料腐殖化系數(shù)均表現(xiàn)為新墾地高于熟化地，新墾黃筋泥、黃紅泥土、紅砂土的腐殖化系數(shù)分別為對應(yīng)熟土的1.04～1.22、1.03～1.19、1.03～1.18倍，前者平均比后者分別高14%、10%、12%。這種差異顯然與土壤微生物活性有關(guān)，熟化耕地的土壤MBC含量明顯高于新墾耕地，因此，熟化耕地中碳循環(huán)強(qiáng)度也較高。

表5 土壤熟化對有機(jī)物料腐殖化系數(shù)的影響

2.5 施用石灰對有機(jī)物料腐解的影響

供試土壤為黃筋泥，其黏粒含量為387 g·kg-1，pH值為5.17，有機(jī)碳含量為5.12 g·kg-1。由表6可知，與不施用石灰石粉的對照相比，土壤施用石灰石粉后，4種有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，表明在低丘新墾耕地培肥時(shí)施用石灰可加速有機(jī)碳的分解。這可能與石灰改變了土壤性狀，使之更有利于土壤微生物的活動有關(guān)。隨著石灰石粉用量的增加，這種作用更加明顯。

2.6 不同水分狀況對有機(jī)物料腐解的影響

供試土壤為黃筋泥，其黏粒含量為387 g·kg-1，pH值為5.17，有機(jī)碳含量為5.12 g·kg-1。共設(shè)3個(gè)處理：缺水(相當(dāng)于30%～50%的田間持水量)，常規(guī)(相當(dāng)于75%～85%的田間持水量)，過多(相當(dāng)于95%～100%的田間持水量)。結(jié)果表明(表7)，與常規(guī)處理相比，缺水或過多都不利于有機(jī)物料的分解，會增加有機(jī)物料在土壤中的腐殖化系數(shù)，且以水分過少更有利于有機(jī)物料的積累。這種差異可能也與土壤微生物的活性有關(guān)，土壤微生物的活動需要合適的水分條件，水分過少或過多都會限制土壤微生物的活性，從而影響微生物對有機(jī)物料的礦化。

表6 施用石灰石粉對有機(jī)物料腐殖化系數(shù)的影響

表7 土壤水分條件對有機(jī)物料腐殖化系數(shù)的影響

3 小結(jié)

本研究表明，低丘新墾耕地中有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)受多方面因素的影響，缺水和過多水分條件下有機(jī)物料在土壤中的腐殖化系數(shù)均高于正常水分條件下。堆肥在土壤中的腐殖化系數(shù)大于秸稈、綠肥，作物地下部分的腐殖化系數(shù)高于地上部分。相對于成熟耕地，新墾耕地中有機(jī)物料具有較高的腐殖化系數(shù)。研究認(rèn)為，新墾低丘耕地土壤具有較高的有機(jī)碳積累潛力，采用水旱輪作可改變土壤水分條件，可促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累；同時(shí)，應(yīng)選擇高腐殖化系數(shù)有機(jī)肥(生物質(zhì)炭、堆肥)與低腐殖化系數(shù)有機(jī)物(秸稈、綠肥)配合施用，兼顧土壤有機(jī)碳量與質(zhì)的提升。