長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)蘇打鹽堿土膠體組分及有機(jī)無機(jī)復(fù)合狀況的影響

許連周,王 琪,劉丹陽(yáng),鐘 銳,孟慶峰,張如月,劉 陽(yáng),馬獻(xiàn)發(fā),駱靜梅,邢華銘,嵩 博

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品和獸藥飼料技術(shù)鑒定站,黑龍江 哈爾濱 150036)

鹽堿土又稱鹽漬土,是鹽土、堿土、鹽化土和堿化土的總稱[1]。土壤鹽堿化是世界性問題,在全球廣泛存在。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球鹽堿土面積約有1.1×109hm2,我國(guó)約9.9×107hm2[2-3]。土壤鹽堿化嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及土壤質(zhì)量的提高[4]。國(guó)務(wù)院于2022年2月發(fā)布《關(guān)于開展第三次全國(guó)土壤普查的通知》[5]中指出,重點(diǎn)調(diào)查未利用土地中鹽堿地等可開墾耕地資源相關(guān)的土地,完成鹽堿地適宜性評(píng)價(jià)和改良利用專題報(bào)告。由此可見,鹽堿土的分類和改良利用受國(guó)家的高度重視。土壤有機(jī)碳作為土壤的重要組成部分之一,影響土壤理化性質(zhì),有利于有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的形成[6-7]。有研究表明,鹽堿土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量受土壤pH值、電導(dǎo)率等環(huán)境因素的影響[8]。例如,鹽堿土中鹽分含量過高,會(huì)在作物生長(zhǎng)過程中通過滲透脅迫、離子毒害等作用影響作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量,進(jìn)而減少作物向土壤中的碳輸入,降低土壤碳儲(chǔ)量[9]。而高pH值則會(huì)促進(jìn)表層土壤腐殖質(zhì)的溶解淋溶[10-12]。因而,針對(duì)松嫩平原蘇打鹽堿土,采用有機(jī)肥改良的措施,可有效減輕土壤鹽堿障礙,提高土壤有機(jī)碳含量。程思遠(yuǎn)[13]和柳夏艷等[14]的研究表明,在肥力較低土壤中施用有機(jī)肥有助于有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的形成和改善土壤結(jié)構(gòu),進(jìn)而有效提高土壤肥力。Zhang等[15]的研究同樣表明,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥有利于土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的形成。因而,研究長(zhǎng)期施用有機(jī)肥條件下蘇打鹽堿土的有機(jī)無機(jī)膠體組分和復(fù)合狀況對(duì)闡述土壤鹽堿障礙消減機(jī)制具有重要意義。

普遍存在于土壤中的有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,性質(zhì)比較活躍[16]。它能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,改善土壤的通氣性、透水性等物理性狀,并能儲(chǔ)存土壤中大部分養(yǎng)分,增強(qiáng)土壤有機(jī)碳抵抗礦化和微生物分解的能力,同時(shí)影響土壤形成過程中物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化和積累,能夠綜合地評(píng)價(jià)土壤肥力水平[17-20]。因此,土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合程度對(duì)于表征土壤改良效果尤為重要。但目前以鹽堿土改良為基礎(chǔ)的土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的研究不夠深入,為此本研究基于蘇打鹽堿土的長(zhǎng)期定位改良試驗(yàn),分析長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)鹽堿土膠體組分及有機(jī)無機(jī)復(fù)合度的影響,以期為松嫩平原鹽堿土的改良提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)蘇打鹽堿土改良試驗(yàn)站(位于黑龍江省肇州縣永樂鎮(zhèn)太豐村,45°44′N,125°05′E),地處松嫩平原西部,平均海拔140 m,屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫3.6 ℃,有效活動(dòng)積溫(≥10 ℃)2 800 ℃,無霜期約143 d。年均降水量約500 mm,主要集中在6—9月,約占全年降水的70%;年均蒸發(fā)量1 800 mm,主要集中在春季,屬半干旱地區(qū)。土壤類型有草甸堿土和堿化草甸土2種,呈復(fù)區(qū)分布,本試驗(yàn)是以草甸堿土為供試土壤。典型自然植被為羊草和蘆葦。土壤鹽分組成以蘇打(Na2CO3)和小蘇打(NaHCO3)為主。試驗(yàn)區(qū)改良前土壤(采樣深度:0～20 cm)基本性質(zhì)如下:顏色呈灰白色,質(zhì)地為黏土(26.2%砂粒,21.5%粉粒,52.3%黏粒),容重1.38 g/cm3,pH值9.55,堿化度54.75%,全鹽量8.62 g/kg,有機(jī)質(zhì)7.95 g/kg,全氮0.70 g/kg,全磷0.33 g/kg,陽(yáng)離子交換量14.99 cmol/kg,堿解氮72.5 mg/kg,有效磷27.5 mg/kg,速效鉀112.5 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位改良試驗(yàn)始于1995年,為大區(qū)改良試驗(yàn),不設(shè)重復(fù),每區(qū)面積在0.5～2.0 hm2不等,面積根據(jù)土壤分布特點(diǎn)而定。有機(jī)肥為腐熟牛糞,土壤改良前3 a要連續(xù)平鋪20 cm厚牛糞,并與0～20 cm土壤均勻混拌,之后每年秋整地前施用45 m3/hm2。按照改良年限設(shè)置處理:①對(duì)照(未施用有機(jī)肥,CK);②有機(jī)培肥20 a(20 a,1995年開始改良);③有機(jī)培肥15 a(15 a,2000年開始改良);④有機(jī)培肥11 a(11 a,2004年開始改良);⑤有機(jī)培肥4 a(4 a,2011年開始改良)。種植作物為玉米,種植方式為連作,基肥為復(fù)合肥(15-15-15)450 kg/hm2,拔節(jié)期追施尿素400 kg/hm2。每年秋季旋耕滅茬,耕深為20 cm。

1.3 土壤樣品采集與處理

各處理土壤樣品均于2015年10月中旬采集,采集深度為0～20 cm,每個(gè)處理隨機(jī)選取3個(gè)樣方(10 m×10 m),每個(gè)樣方按5點(diǎn)法取樣(避開特殊地點(diǎn)),取樣前先刮去表層2～3 mm的土,土樣混合后采用四分法縮取約1 kg。采集后,將土壤樣品置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干,剔除根系、石礫以及枯草等雜物,研磨并分別過1.00 mm及0.25 mm孔徑的篩,常溫保存,備用。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的提取采用膠散分組法[20],根據(jù)鹽堿土性質(zhì)作了修改,對(duì)土壤G0組(水分散組)膠體、G1組(鈣結(jié)合的復(fù)合體)膠體和G2組(鐵鋁氧化物結(jié)合的復(fù)合體)膠體進(jìn)行提取,其中G1組膠體和G2組膠體均屬于水穩(wěn)性復(fù)合體。提取后各組所得懸濁液均用0.5 mol/L的稀鹽酸聚沉,傾倒上清液,轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中,在烘箱60 ℃烘干,干燥后稱質(zhì)量,磨細(xì)過0.25 mm篩,保存?zhèn)溆谩?/p>

土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合量及復(fù)合度采用比重分離法進(jìn)行測(cè)定[21],土壤總有機(jī)碳、重組有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定[22];原土復(fù)合量、原土復(fù)合度、追加復(fù)合量和追加復(fù)合度計(jì)算公式[20]如下:

①

②

QAC=MQC-SQC

③

④

式中,SQC為原土復(fù)合量(g/kg);SDC為原土復(fù)合度(%);QAC為追加復(fù)合量(g/kg);DAC為追加復(fù)合度(%);HC為重組有機(jī)碳含量(g/kg);HW為重組組分質(zhì)量(g);SW為原土壤質(zhì)量(g);SC為原土壤有機(jī)碳含量(g/kg);MQC為有機(jī)肥改良土壤的復(fù)合量(g/kg);MC為有機(jī)肥改良土壤的有機(jī)碳含量(g/kg)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2019軟件整理計(jì)算,SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)間差異分析采用Duncan多重比較法(P<0.05);運(yùn)用Origin 2021制作Pearson相關(guān)性分析熱圖和土壤復(fù)合體組成的三元圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期有機(jī)培肥對(duì)土壤膠體組分的影響

由表1可知,隨著改良年限的增加,土壤G0組膠體含量呈降低趨勢(shì),G1組膠體含量呈增加趨勢(shì);G2組膠體含量在改良11～20 a的處理間呈降低趨勢(shì)。土壤G0組和G1組膠體含量在改良0～11 a的處理間均差異顯著,在改良11～20 a的處理間無顯著差異;G2組膠體含量和(G0+G1+G2)含量,各有機(jī)肥處理與CK均無顯著差異。圖1所示,長(zhǎng)期有機(jī)培肥后,鹽堿土的G2組比例均小于6%,G0組比例由90.59%逐漸降低至27.87%,G1組比例由4.27%逐漸增加至68.95%。說明長(zhǎng)期有機(jī)培肥能夠改變蘇打鹽堿土中土壤復(fù)合體的含量及組成。

表1 長(zhǎng)期有機(jī)培肥條件下蘇打鹽堿土的土壤復(fù)合體的含量

2.2 長(zhǎng)期有機(jī)培肥對(duì)蘇打鹽堿土有機(jī)碳的影響

2.2.1 長(zhǎng)期有機(jī)培肥對(duì)土壤總有機(jī)碳及重組有機(jī)碳含量的影響 由圖2可知,相比CK,有機(jī)培肥處理的土壤總有機(jī)碳含量(TOC)和重組有機(jī)碳含量(HFOC)均顯著增加,分別增加11.28～15.81 g/kg和9.66～12.30 g/kg,由此說明,長(zhǎng)期有機(jī)培肥有利于蘇打鹽堿土土壤總有機(jī)碳含量和重組有機(jī)碳含量的積累。

2.2.2 長(zhǎng)期有機(jī)培肥對(duì)土壤有機(jī)碳在有機(jī)無機(jī)復(fù)合體分布的影響 如表2所示,隨著施肥年限的增加,G2組有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì),在改良11 a后增幅減小,且相比CK顯著增加;G0和G1組有機(jī)碳含量均呈先增加后降低的趨勢(shì)。同時(shí)隨著施肥年限的增加,土壤的固碳貢獻(xiàn)率(即各組復(fù)合體有機(jī)碳總量占原土總有機(jī)碳比例)也發(fā)生變化。G0組的固碳貢獻(xiàn)率在各處理間差異不顯著;與CK相比,改良11 a及以上處理的土壤G1組和G2組的固碳貢獻(xiàn)率均顯著增加,而改良11,15,20 a處理間無顯著差異;改良11 a及以上處理的土壤(G0+G1+G2)的固碳貢獻(xiàn)率為35.51%～54.64%,相比CK均增加,其中15,20 a處理的顯著增加,而改良11,15,20 a處理間無顯著差異。由此說明,長(zhǎng)期有機(jī)培肥提升了蘇打鹽堿土有機(jī)無機(jī)膠體的固碳能力。

表2 長(zhǎng)期有機(jī)培肥處理后土壤有機(jī)碳在有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中的分布

2.3 長(zhǎng)期有機(jī)培肥對(duì)蘇打鹽堿土中有機(jī)無機(jī)復(fù)合情況的影響

由表3可知,隨著施肥年限的增加,土壤原土復(fù)合量(SQC)、原土復(fù)合度(SDC)、追加復(fù)合量(QAC)以及追加復(fù)合度(DAC)均呈先增加后降低的趨勢(shì),并在改良11 a達(dá)到最大值,之后趨于穩(wěn)定。相比CK,11 a及以上處理的原土復(fù)合量由8.73 g/kg增加至17.51～20.16 g/kg,原土復(fù)合度由53.95%升高至77.49%～83.77%;追加復(fù)合量為8.78～11.43 g/kg,追加復(fù)合度為79.65%～90.69%。由此說明,長(zhǎng)期有機(jī)培肥有助于蘇打鹽堿土有機(jī)無機(jī)復(fù)合量的增加。

表3 不同改良年限的土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合情況

2.4 Pearson相關(guān)性與熱圖分析

由圖3可知,在有機(jī)培肥改良蘇打鹽堿土的過程中,土壤中總有機(jī)碳含量與重組有機(jī)碳含量和原土復(fù)合量呈極顯著正相關(guān),與G2組有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。G0組復(fù)合體含量與重組有機(jī)碳含量、G0組有機(jī)碳含量、G2組有機(jī)碳含量、原土復(fù)合量、原土復(fù)合度和G1組復(fù)合體含量呈極顯著負(fù)相關(guān);原土復(fù)合量與G0組有機(jī)碳含量和G2組有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān),與原土復(fù)合度和G1組復(fù)合體含量呈極顯著正相關(guān);G0組有機(jī)碳含量、G2組有機(jī)碳含量、原土復(fù)合度和G1組復(fù)合體含量?jī)蓛芍g呈極顯著正相關(guān)。重組有機(jī)碳含量與G2組有機(jī)碳含量和原土復(fù)合度呈顯著正相關(guān),與原土復(fù)合量和G1組復(fù)合體含量呈極顯著正相關(guān)。G1組有機(jī)碳含量與G0組有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān),與G2組有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。G2組復(fù)合體含量與其他指標(biāo)間無顯著關(guān)系。由此說明,蘇打鹽堿土培肥改良過程中,土壤總有機(jī)碳和重組有機(jī)碳有利于提高水穩(wěn)性復(fù)合體含量及有機(jī)無機(jī)復(fù)合程度。

TOC.總有機(jī)碳;HFOC.重組有機(jī)碳;G0-OC.G0組有機(jī)碳;G1-OC.G1組有機(jī)碳;G2-OC.G2組有機(jī)碳;SQC.原土復(fù)合量;SDC.原土復(fù)合度;G0.G0組復(fù)合體;G1.G1組復(fù)合體;G2.G2組復(fù)合體。n=15;*.在P<0.05水平上相關(guān)性顯著;**.在P<0.01水平上相關(guān)性極顯著;藍(lán)色.負(fù)相關(guān);紅色.正向關(guān)。

3 結(jié)論與討論

土壤復(fù)合體中,G0為水分散組,不利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成;G1和G2均富含黏粒及腐殖質(zhì)等組分,有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,其中G1的養(yǎng)分有效性高于G2[20]。隨著改良年限增加,蘇打鹽堿土的G0、G1和G2組復(fù)合體組成比例的變化與其含量的變化趨勢(shì)一致,說明有機(jī)肥改良在改變蘇打鹽堿土復(fù)合體含量的同時(shí),也改變了復(fù)合體的組成。蘇打鹽堿土的復(fù)合體組成和復(fù)合體含量,在改良之前及改良初期以G0組為主,在改良11 a及之后以G1組為主,G2組及(G0+G1+G2)含量差異均不顯著,且G0組含量與G1組含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。說明長(zhǎng)期施用有機(jī)肥后,雖然土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體總量變化差異不顯著,但由于有機(jī)肥中的有機(jī)膠體與土壤中水分散組膠結(jié),鈣結(jié)合組膠體和鐵鋁氧化物結(jié)合組膠體含量增加,對(duì)鹽堿土中良好的土壤結(jié)構(gòu)的形成有一定積極作用。而前人在潮土和旱地紅壤[23]的研究中,施用有機(jī)肥同樣會(huì)促進(jìn)土壤G0組向G1和G2組轉(zhuǎn)化,說明有機(jī)肥能促使低肥力土壤的水分散組膠體向水穩(wěn)性復(fù)合體轉(zhuǎn)化,有利于增加土壤養(yǎng)分和改善土壤結(jié)構(gòu)。

土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤肥力和質(zhì)量的主要指標(biāo),對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改良及作物養(yǎng)分供給都有促進(jìn)作用[19]。施用有機(jī)肥后土壤總有機(jī)碳含量和重組有機(jī)碳含量均顯著增加,且二者呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),這與遲鳳琴等[18]在黑土的研究結(jié)果一致,說明不同土壤在施用有機(jī)肥后,有機(jī)物質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化有助于形成良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、有機(jī)無機(jī)復(fù)合度的提升和有機(jī)碳的累積[24]。

重組有機(jī)碳的增加也反映了土壤固碳能力的增強(qiáng)[25]。重組有機(jī)碳含量與G0和G1組有機(jī)無機(jī)復(fù)合體含量呈極顯著相關(guān)(P<0.01),這說明有機(jī)碳會(huì)影響土壤膠體組分的變化。在本試驗(yàn)中,各有機(jī)肥處理的土壤復(fù)合體總量在31.79%～34.87%,而改良年限在11～20 a處理的復(fù)合體對(duì)土壤固碳的總貢獻(xiàn)率在35.51%～54.64%,均高于CK,這與趙興敏等[26]在淡黑鈣土的研究結(jié)果相似。有相關(guān)研究表明,鈣與外源有機(jī)質(zhì)表面發(fā)生鍵合作用[26],有機(jī)肥中含有大量鈣[27],有利于復(fù)合體的固碳量及重組有機(jī)碳含量的增加。因此,改良年限在11～20 a處理的(G0+G1+G2)和G1組對(duì)土壤固碳的貢獻(xiàn)率均相比CK的增幅明顯,說明G1組有機(jī)碳總量增加是復(fù)合體中有機(jī)碳總量增加的主要原因。由于G0為水分散復(fù)合體,相比G1和G2不利于團(tuán)聚體的形成。施用有機(jī)肥后,外源有機(jī)物質(zhì)與水分散組通過鈣的鍵和作用,土壤水分散組向鈣結(jié)合組膠體轉(zhuǎn)化,因此,G1組復(fù)合體含量和G1組對(duì)土壤固碳的貢獻(xiàn)率均顯著增加。同時(shí)土壤總有機(jī)碳含量的增加會(huì)使土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量相應(yīng)增加,土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng),對(duì)提升土壤肥力具有重要意義[20,28-29]。由于淡黑鈣土相對(duì)于鹽堿土含有較多的有機(jī)膠體和鈣,有機(jī)碳的結(jié)合程度更高,其復(fù)合體對(duì)土壤固碳的總貢獻(xiàn)率大于60%,與本試驗(yàn)結(jié)果有一定差異,說明復(fù)合體對(duì)土壤固碳的貢獻(xiàn)率的影響,因土壤類型、改良材料及復(fù)合體組成比例而異。綜上,有機(jī)碳的結(jié)合程度說明有機(jī)無機(jī)復(fù)合體是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[26],結(jié)合程度的提高有助于蘇打鹽堿土肥力的提升。

有機(jī)無機(jī)復(fù)合度是定量研究有機(jī)膠體與無機(jī)膠體復(fù)合程度的一種方法[20],反映了土壤肥力的高低和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的強(qiáng)弱[30],常用原土復(fù)合量、原土復(fù)合度、追加復(fù)合量及追加復(fù)合度等指標(biāo)表征[20],這些指標(biāo)用于判斷土壤中有機(jī)膠體和無機(jī)膠體復(fù)合程度的容量和強(qiáng)度。土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合度在改良0～11 a呈增加趨勢(shì),主要由于重組組分質(zhì)量占土壤的比例大于90%,而且動(dòng)植物及微生物殘?bào)w易與土壤中固碳作用強(qiáng)的黏粒相結(jié)合,土壤黏粒對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)作用[31-33],使土壤中更多的有機(jī)碳存在重組組分中,因此,土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合程度相比對(duì)照顯著增加。國(guó)內(nèi)外有研究表明,原土復(fù)合量提升的可能原因:一是土壤的有機(jī)碳趨于老化,二是新鮮的有機(jī)碳的作用逐漸消失[34-36]。土壤復(fù)合度在11 a后略微下降,主要是長(zhǎng)期種植后殘留的大量作物根茬及有機(jī)肥中未完全腐熟的有機(jī)物等,使輕組組分質(zhì)量占土壤的比例相對(duì)增加[18],故土壤復(fù)合度略有降低。

通過長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的蘇打鹽堿土改良試驗(yàn),與未改良的土壤相比,隨著改良年限的增加,總有機(jī)碳及重組有機(jī)碳含量均顯著增加,分別增加了11.28～15.81 g/kg,9.66～12.30 g/kg。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的蘇打鹽堿土有機(jī)碳與水分散組膠體發(fā)生膠結(jié),促進(jìn)了水分散組膠體向水穩(wěn)性復(fù)合體轉(zhuǎn)化,有機(jī)培肥11 a及以上顯著增加了復(fù)合體對(duì)土壤固碳的貢獻(xiàn)率,總貢獻(xiàn)率由23.22%增至35.51%～54.64%,也顯著提升了土壤的有機(jī)無機(jī)復(fù)合程度,這對(duì)于提高蘇打鹽堿土的土壤肥力具有重要作用。