石灰石粉施用對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

陶娟花，石其偉，章明奎

(1.紹興市柯橋區(qū)農(nóng)業(yè)水產(chǎn)技術(shù)推廣站，浙江 柯橋 312030；2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

近年來(lái)我國(guó)農(nóng)田土壤酸化非常突出，土壤酸化已成為一些地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的阻礙因素[1-3]。施用改良劑是酸性土壤改良的主要方法[4-7]，其中施用石灰或者石灰性物質(zhì)是改良酸性土壤的傳統(tǒng)方法[8-11]。石灰可以中和土壤的活性酸和潛性酸，消除鋁毒，迅速有效地降低酸性土壤的酸度。石灰在中和土壤酸度的同時(shí)，也明顯改變了土壤理化性狀[12]，補(bǔ)充土壤中鈣、鎂等養(yǎng)分[13]，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤磷素和一些微量元素的生物有效性[14]，提高土壤微生物活性[13]，從而影響土壤中的物質(zhì)循環(huán)。碳和氮的循環(huán)是土壤中物質(zhì)循環(huán)的核心，可影響土壤的肥力水平和供肥能力。目前，有關(guān)石灰施用對(duì)土壤養(yǎng)分和作物生長(zhǎng)的影響研究較多[15-16]，但石灰的施用對(duì)土壤有機(jī)碳循環(huán)及土壤有機(jī)碳狀況影響的研究很少。為此，本研究采用盆栽方法探討了石灰施用對(duì)土壤本身有機(jī)碳及其礦化的影響，為農(nóng)田土壤科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

實(shí)驗(yàn)所用酸化土壤采自蔬菜地耕層，土壤類型為水稻土土類，黃松田土屬。供試土壤pH值為4.76，有機(jī)碳含量為16.57 g·kg-1，全氮含量為1.68 g·kg-1，土壤陽(yáng)離子交換量為13.98 cmol·kg-1，質(zhì)地為壤土。

1.2 試驗(yàn)處理

供試土壤經(jīng)充分混勻、風(fēng)干后過(guò)5 mm土篩用于盆栽試驗(yàn)。在淹水(模擬種植水稻環(huán)境)與非淹水(模擬種植蔬菜環(huán)境)條件下開展試驗(yàn)。每一種水分條件的試驗(yàn)各設(shè)6個(gè)處理，其有機(jī)肥和石灰石粉用量見(jiàn)表1。供試有機(jī)肥為商品有機(jī)肥，其pH值為6.34，有機(jī)碳含量為328.58 g·kg-1，全氮含量為23.28 g·kg-1。試驗(yàn)盆缽體積10 L，每盆裝土量為10 kg，重復(fù)3次。分別添加相應(yīng)數(shù)量的有機(jī)肥和石灰石粉，并充分混勻后進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)。淹水條件下的試驗(yàn)土表保持2 cm水層；非淹水條件下的試驗(yàn)土壤水分保持田間持水量的70%左右。試驗(yàn)期間用稱重法保持土壤含水量。室溫和空氣濕度分別控制在20～25 ℃和75%～85%。培養(yǎng)試驗(yàn)共持續(xù)30周，分別在第1、5、10、15、20和30周采樣分析。

1.3 分析方法

采集的土樣經(jīng)混勻、風(fēng)干處理后全部磨細(xì)過(guò)2 mm土篩后，部分樣品進(jìn)一步磨細(xì)過(guò)0.15 mm土篩用于土壤分析，分析指標(biāo)包括土壤pH值和有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、微生物生物量碳含量。土壤pH值用數(shù)顯PHB-4酸度計(jì)測(cè)定[17]，土水比為1∶2.5；土壤有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[17]；土壤中易氧化有機(jī)碳含量采用0.333 mol·L-1高錳酸鉀氧化法測(cè)定[18]；土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測(cè)定[19]，提取液中碳用Shimadzu TOC自動(dòng)分析儀測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值

無(wú)論是淹水還是非淹水條件，石灰石粉的施用顯著增加了土壤pH值(表2)。總體上，在石灰石粉用量相同的情況下，淹水土壤pH值明顯高于非淹水環(huán)境。在不施用石灰石粉或石灰石粉用量較低時(shí)，有機(jī)肥的施用可增加土壤的pH值，但當(dāng)石灰石粉用量較高時(shí)，有機(jī)肥的施用反而降低了土壤的pH值。結(jié)果還表明，施用石灰石粉的土壤pH值隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而下降，而不施用石灰石粉的處理pH值變化較小。

表2 土壤pH值的變化

2.2 土壤有機(jī)碳含量

有機(jī)肥的施用顯著增加了土壤中的有機(jī)碳含量，但增加量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而下降，下降速率在非淹水環(huán)境下高于淹水環(huán)境(表3)。在相同有機(jī)肥施用條件下，土壤有機(jī)碳礦化分解速率隨石灰石粉用量增加而增加，即積累在土壤中的有機(jī)碳隨石灰石粉用量增加而下降。培養(yǎng)至第30周時(shí)，施用有機(jī)肥的非淹水和淹水土壤分別比不施有機(jī)肥的土壤有機(jī)碳含量高出7.24%～8.66%和7.02%～8.86%；非淹水和不施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降1.95%和3.27%；非淹水和施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降1.82%和2.00%。淹水和不施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降2.30%和3.17%；淹水和施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降2.15%和1.51%。

表3 土壤有機(jī)碳含量的變化 單位：g·kg-1

2.3 土壤易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)定有機(jī)碳含量

土壤易氧化有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)基本上與有機(jī)碳相似，隨石灰石粉用量和培養(yǎng)時(shí)間的增加而下降，但下降幅度明顯大于有機(jī)碳含量；在不施有機(jī)肥的條件下土壤易氧化有機(jī)碳含量的變化較小，在施用有機(jī)肥條件下的土壤有機(jī)碳含量下降幅度尤為顯著(表4)。培養(yǎng)至第30周時(shí)，非淹水和不施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤易氧化有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降1.65%和2.81%；非淹水和施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤易氧化有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降9.91%和14.29%。淹水和不施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤易氧化有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降3.54%和3.38%；淹水和施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤易氧化有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降8.16%和11.11%。淹水環(huán)境下土壤中的易氧化態(tài)有機(jī)碳含量比非淹水環(huán)境下更穩(wěn)定。

表4 土壤易氧化有機(jī)碳含量的變化 單位：g·kg-1

土壤穩(wěn)定有機(jī)碳含量是土壤中有機(jī)碳與易氧化碳含量之間的差值。土壤中穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量的變化與易氧化有機(jī)碳含量的變化有所差異(表5)。培養(yǎng)至第30周時(shí)，非淹水和不施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤穩(wěn)定有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降2.14%和3.56%；非淹水和施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤穩(wěn)定有機(jī)碳含量分別比對(duì)照增加3.64%和6.29%。淹水和不施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤穩(wěn)定有機(jī)碳含量分別比對(duì)照下降1.52%和3.04%；淹水和施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤穩(wěn)定有機(jī)碳含量分別比對(duì)照增加2.08%和5.24%。

表5 土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量的變化 單位：g·kg-1

2.4 土壤微生物生物量碳含量

石灰石粉和有機(jī)肥的施用增加了土壤中微生物生物量碳含量，這種變化基本上隨石灰石粉用量的增加而增加。但土壤中微生物生物量碳含量總體上隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而下降(表6)。培養(yǎng)至第30周時(shí)，非淹水和不施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤微生物生物量碳含量分別比對(duì)照增加12.33%和19.18%；非淹水和施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤微生物生物量碳含量分別比對(duì)照增加3.65%和8.76%。淹水和不施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤微生物生物量碳含量分別比對(duì)照增加9.38%和17.19%；淹水和施有機(jī)肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤微生物生物量碳含量分別比對(duì)照增加6.45%和5.65%。

表6 土壤微生物生物量碳的動(dòng)態(tài)變化 單位：g·kg-1

3 討論

本研究表明，石灰類物質(zhì)的施用可降低土壤本身有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)定有機(jī)碳的含量，增加土壤微生物生物量碳含量；同時(shí)，石灰類物質(zhì)的施用可增加有機(jī)肥施用后土壤中有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳的含量，同時(shí)增加穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳和微生物生物量碳含量。主要是由于石灰類物質(zhì)的施用降低了土壤的酸度，顯著提高了土壤的pH值[20]，從而改善了土壤微生物生境[13，21]，后者促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng)，這從施石灰類物質(zhì)后土壤微生物生物量碳含量明顯增加得到證明。而土壤微生物活性的增加，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的循環(huán)[22-24]。在沒(méi)有外源有機(jī)碳加入的情況下，微生物對(duì)土壤碳的利用可同時(shí)降低土壤中的易氧化有機(jī)碳、穩(wěn)定有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳的總量。但當(dāng)有外源碳輸入時(shí)(即施用有機(jī)肥的情況下)，因外源有機(jī)碳具有較高比例的易氧化有機(jī)碳成分，土壤微生物優(yōu)先利用外源有機(jī)碳，從而降低了土壤有機(jī)碳的總量和易氧化有機(jī)碳的含量，但外源有機(jī)碳在分解和腐殖化的過(guò)程中部分可形成穩(wěn)定態(tài)的有機(jī)碳，因此，隨著時(shí)間的增加，穩(wěn)定有機(jī)碳呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。因高量石灰石粉施用后土壤更趨向于中性，更有利于土壤微生物的活動(dòng)[25-26]，所以高量石灰石粉處理對(duì)土壤有機(jī)碳的循環(huán)影響更為顯著。

4 結(jié)論

石灰石粉施用在提高土壤pH值的同時(shí)，可改變土壤性狀和微生物活性，加速土壤有機(jī)碳的循環(huán)。在不施用有機(jī)肥的條件下，石灰石粉的施用可降低土壤中有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)定有機(jī)碳的數(shù)量，其影響隨石灰石粉用量的增加而增強(qiáng)。在同時(shí)施用有機(jī)肥的條件下，石灰石粉優(yōu)先影響外源有機(jī)碳的循環(huán)，加快因有機(jī)肥引入的土壤中有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳的礦化，促進(jìn)易氧化有機(jī)碳向穩(wěn)定有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化，從而增加穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的數(shù)量。