不同氧氣條件對玉米秸稈在土壤中腐殖化的影響1)

楊翔宇 林學(xué)巍 竇 森

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，長春，130118)

土壤有機質(zhì)是作物所需的氮、磷、硫和微量元素等各種養(yǎng)分的主要來源［1］，被認為是衡量土壤質(zhì)量的重要指標之一［2－3］。腐殖質(zhì)作為土壤有機質(zhì)的主體，一直受到各國學(xué)者的重視?，F(xiàn)代文明飛速發(fā)展，環(huán)境污染和生態(tài)破壞日趨嚴重，土壤作為地球五大圈層的核心受到嚴重沖擊，土地資源的破壞和退化導(dǎo)致了土壤有機質(zhì)損失、肥力下降和糧食減產(chǎn)等一系列問題。近年來，各國學(xué)者日益重視土壤肥力和土壤培肥的研究，施用有機物料對土壤培肥成為了研究熱點。劉小虎等［4］的研究證明施用有機肥可提高土壤腐殖酸及其組分的含量，HA/FA升高，土壤胡敏酸的羧基酚羥基比升高;劉樹堂等［5］通過長期定位施肥實驗證明:有機肥與無機氮肥配施可明顯提高土壤腐殖質(zhì)組成的含量，長期單施有機肥及其配施無機氮肥對腐殖酸活性(HA/FA)的影響較大;張晉京等［6］的研究結(jié)果表明:施用豬糞使棕壤富里酸的氧化程度下降，縮合程度和脂族鏈烴含量增加，其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜化和脂族化。但關(guān)于在不同氧氣和二氧化碳體積分數(shù)下對有機物料培肥效果影響的研究卻很少。土壤中的氧氣主要來自大氣，因此其在土壤空氣中所占的比例會隨土層深度的變化而變化。植物殘體的腐殖化是植物將營養(yǎng)元素還饋土壤的重要方式，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中十分經(jīng)濟、有效、環(huán)保的改良土壤肥力的方式，特別是在全球氣候變化的背景下，了解不同的氧氣體積分數(shù)對植物殘體腐殖化的影響，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如翻耕、北方冬季大棚管理等諸多實踐操作具有參考價值。

1 材料與方法

供試土壤:采自南京的水稻田，將采集的水稻土壤在室溫下風(fēng)干后過2 mm篩，備用。其基本理化性質(zhì)為:有機碳 13.19 g·kg－1、全氮 0.85 g·kg－1、速效磷 11.77 mg·kg－1、速效鉀 42.85 mg·kg－1、pH=7.29。

供試玉米秸稈:采自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實驗站，將截成小段的玉米秸稈在50～70℃下烘干，粉碎后過0.25 mm篩。其基本理化性質(zhì)為:有機碳395.51 g·kg－1、全氮 5.30 g·kg－1、w(C)∶w(N)=74.62。

試驗處理:設(shè)8個處理，氧氣體積分數(shù)分別為0(A)、4% ～7%(B)、18% ～23%(D)、82% ～87%(G)及各氧氣體積分數(shù)下，不添加玉米秸稈的對照(分別為 CKA、CKB、CKD、CKG)。將土樣與玉米秸稈混合均勻，加蒸餾水調(diào)至田間持水量的70% ～80%，預(yù)培養(yǎng)一周以激活土壤微生物。一周后按風(fēng)干土質(zhì)量的4%添加玉米秸稈，用噴壺噴入硫酸銨溶液以調(diào)節(jié)w(C)∶w(N)約為25，補加蒸餾水至田間持水量的70%～80%。將玉米秸桿和土壤混勻，裝入燒杯中。然后將燒杯置于密閉的塑料桶內(nèi)(桶的上下各打一孔，裝上套有膠管的玻璃管，并用凡士林密封)，在恒溫室中25℃培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中用氧氣、二氧化碳測定儀(CYES－Ⅱ型，上海嘉定學(xué)聯(lián)儀表廠)檢測桶內(nèi)氧氣體積分數(shù)，使桶內(nèi)氣體條件滿足試驗所需，同時要適時補水。分別在第360天和第540天取樣測定。

土壤基本性質(zhì)測定:有機碳測定采用丘林法;全氮測定采用半微量開氏法;全磷測定采用HClO4－H2SO4法(鉬銻抗比色);速效鉀測定采用醋酸銨浸提(火焰光度法);pH采用電位法。

土壤腐殖質(zhì)各組分的提取、分離:稱取風(fēng)干土樣(過0.5 mm篩)5.0 g于100 mL塑料離心管中，按m(土)∶m(水)=1∶6加入蒸餾水30 mL攪拌均勻，然后放在(70±2)℃水浴上振蕩提取1h，取出后以3 500 r/min離心15 min，將上清液用中速濾紙過濾到50 mL容量瓶中，然后用蒸餾水20 mL洗殘渣，再離心，將離心得到的溶液過濾到上述50 mL容量瓶中，用蒸餾水定容，濾紙上的部分用蒸餾水洗2次，然后自然風(fēng)干。濾紙上的為水浮物，容量瓶中的為水溶物。向離心管的殘渣中加入30 mL 0.1 mol·L－1的 NaOH+Na2PO4(pH=13)混合液，用玻璃棒攪拌均勻，在(70±2)℃水浴上振蕩提取1 h，取出后以3 500 r/min離心15 min，將上清液用中速濾紙過濾到50 mL 容量瓶中，然后用 20 mL 0.1 mol·L－1的NaOH+Na2PO4混合液(pH=13)洗殘渣，再離心，將離心得到的溶液過濾到上述50 mL容量瓶中，所得溶液為腐殖酸(HE)。從HE中吸取堿提取液30 mL于三角瓶中，加入0.5 mol·L－1H2SO4調(diào)節(jié) pH=1.0 ～1.5，將此溶液于60～70℃下保存1～2 h，然后在室溫25℃下靜止過夜，使HA完全沉淀，次日將溶液用中速濾紙過濾到50 mL容量瓶中，濾液為FA，用蒸餾水定容;用裝有 0.025 mol·L－1H2SO4洗瓶或注射器洗滌濾紙上的HA沉淀3次，每次5～8 mL，棄去洗液。然后將HA沉淀用溫?zé)岬?60℃)的0.5 mol·L－1NaOH溶入50 mL容量瓶中，用蒸餾水定容，此溶液為HA。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳(SOC)質(zhì)量分數(shù)的變化

從表1中可以看出，在整個培養(yǎng)過程中，添加秸桿后各處理SOC值均比CK高，其中處理當天相差1倍以上，這是由于秸桿本身SOC數(shù)量較高，且未腐解，直接添加到各處理，導(dǎo)致各處理的SOC值增加;培養(yǎng)360 d后，添加秸稈的各處理SOC值均有明顯降低，但CK各處理降低并不明顯，這是由于秸稈中有機物料在培養(yǎng)期間被微生物腐解利用，導(dǎo)致SOC有所下降;無論在高氧區(qū)(D處理和G處理)還是低氧區(qū)(A處理和B處理)，都出現(xiàn)了SOC隨氧氣體積分數(shù)升高而降低的情況，這說明較高體積分數(shù)的氧氣有利于好氧性有機物的生長繁殖，進而利于秸稈的分解，從而使SOC降低。

表1 不同通氧條件下土壤SOC質(zhì)量分數(shù)

2.2 水溶性有機碳(WSOC)質(zhì)量分數(shù)的變化

土壤水溶性有機碳(WSOC)也叫溶解有機碳，是在土壤中與水體中，由一系列大小、結(jié)構(gòu)不同的分子組成的能溶于水的有機物的總稱［7］，雖僅占土壤有機碳總量的極小一部分，但是它卻是對微生物和植物來說活性比較高的那一部分碳素［8］。依表2可知，將秸稈加入土壤中后，WSOC增加3倍以上;將秸稈加入土壤中后，土壤中存在著WSOC被好氧性微生物迅速利用，即WSOC迅速減少的過程，以及好氧性微生物將秸稈分解為WSOC，即WSOC增加的過程，這兩個過程是同時進行的;當WSOC增加的速率大于其減少的速率，WSOC就表現(xiàn)為增加，反之則表現(xiàn)為減少;添加玉米秸桿后各處理的WOSC值均高于CK對照，這主要是玉米秸桿本身含有較多的水溶性物質(zhì);在培養(yǎng)360 d之后，WSOC數(shù)量明顯下降，這說明WSOC很容易被微生物所利用，大量新加入土壤中的WSOC促進了微生物的生長繁殖，當水溶性物質(zhì)被大量的轉(zhuǎn)化利用后，WSOC數(shù)量明顯下降;在各CK處理中，由于其本身WSOC數(shù)量處于較低水平，所以WSOC的數(shù)量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，變化并不明顯;在添加秸稈的各處理中，培養(yǎng)360 d后各處理中WSOC數(shù)量為A＞G＞D＞B，變化并不規(guī)律，這可能是由于WSOC是易形成和易被利用的性質(zhì)多決定的，A處理WSOC最高說明在無氧狀態(tài)下，WSOC的生成速率較低，但其仍可被厭氧微生物所利用，B與G、D WSOC較低，說明在低氧狀態(tài)下WSOC仍可被快速利用，但其生成速率明顯減緩。總之，隨著玉米秸桿的加入，WSOC的數(shù)量明顯增加;隨著培養(yǎng)時間的延長，WSOC的數(shù)量減少;無論在高氧還是低氧的環(huán)境中，WSOC都可以迅速被利用。

2.3 胡敏酸(HA)質(zhì)量分數(shù)的變化

從表3中可以看出，在整個培養(yǎng)過程中，添加秸稈的各處理中胡敏酸碳含量明顯高于各CK處理，說明秸稈的加入有利于HAC的提高，即秸稈中的碳素會轉(zhuǎn)化為HA，其中培養(yǎng)當天的HAC值最高，為3.85 g·kg－1，高出 CK 處理 54%;除了 CKB 處理外，隨培養(yǎng)時間的推移，各處理的HAC先降低，后升高，說明HA是在秸稈腐殖化的后期大量積累的;CKB處理中HA表現(xiàn)為持續(xù)降低，這可能是由于培養(yǎng)時間所限，540 d不足以使得該條件下的HA大量積累;在加入秸稈的各處理中，360 d和540 d的HAC數(shù)量分別為 A＞D＞G＞B 和 D＞A＞G＞B，這說明富氧和貧氧條件均有利于腐殖化的進行，而在中氧條件下腐殖化進程較慢;在CK處理中，360 d和540 d的 HAC數(shù)量分別為 CKD＞CKG＞CKB＞CKA和CKD＞CKG＞CKA＞CKB，這說明高氧條件更有利于HA的大量生成并積累?？傊砑佑衩捉斩?、培養(yǎng)時間的延長以及提高氧氣體積分數(shù)均有利于HAC的增加。

表2 不同氧氣體積分數(shù)下WSOC質(zhì)量分數(shù)

表3 不同氧氣體積分數(shù)培養(yǎng)下HAC質(zhì)量分數(shù)

2.4 富里酸(FA)的數(shù)量變化

按腐殖質(zhì)在酸堿溶液中的溶解度分為胡敏酸、富里酸和胡敏素，F(xiàn)A是溶于酸的物質(zhì)，與HA相比其分子量和芳化度較小，活性較大，但二者之間沒有明顯界限。據(jù)王旭東等［9］的研究表明，隨著有機物腐解過程的進行，木質(zhì)素氧化轉(zhuǎn)化為胡敏酸，此時胡敏酸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，隨后胡敏酸氧化斷裂，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦焕锼?富里酸及一些小的分子組成又通過礦化分解形成胡敏酸。從表4中可以看出，在整個培養(yǎng)過程中，添加秸稈的各處理中FAC顯著高于各CK處理，其中培養(yǎng)當天相差 1.33 g·kg－1，說明秸稈的加入有利于FAC的提高，即秸稈中的碳素會轉(zhuǎn)化為FA。在加入秸稈的各處理中，F(xiàn)AC數(shù)量變化均是先升高，后降低，這說明玉米秸稈在腐殖化初期的產(chǎn)物是FA，而后期則是HA，這也驗證了2.2中的結(jié)論。在加入秸稈的各處理中，360 d和540 d的FAC數(shù)量分別為G＞D＞B＞A 和 D＞G＞B＞A，這說明高氧條件更有利于腐殖化初期秸稈轉(zhuǎn)化為FA;在CK處理中，360 d和540 d的 FAC數(shù)量分別為 CKA＞CKB＞CKG＞CKD 和 CKB＞CKG＞CKA＞CKD，這說明雖然高氧條件有利于腐殖化初期秸稈轉(zhuǎn)化為FA，但是持續(xù)的高氧條件會繼續(xù)催化腐殖化進程，使得FAC轉(zhuǎn)化為HAC，而相對的低氧則有利于產(chǎn)生的FA積累下來，這與前文的觀點相符。總之，玉米秸稈的添加和高氧條件有利于腐殖化初期FA的生成;而培養(yǎng)時間的延長和高氧環(huán)境會使得FAC轉(zhuǎn)化為HAC，低氧環(huán)境則更利于FA的積累。

表4 不同氧氣體積分數(shù)培養(yǎng)下FAC質(zhì)量分數(shù)

2.5 土壤PQ值的變化

土壤PQ值是土壤中可提取物質(zhì)中HA的比例，可以用來描述腐殖物質(zhì)的組成情況，是腐殖化程度的指標。依表5可知，添加玉米秸稈后，各處理的PQ明顯降低，但隨著培養(yǎng)時間的推移，PQ有所升高并與CK之間的差距逐漸縮小，這可能說明無論加入秸稈與否，最終腐殖化的程度將趨向恒值，但需要進一步試驗驗證;在添加秸稈的各處理中，360 d和540 d的 PQ 分別為 A＞D＞B＞G 和 A＞D＞G＞B，這說明低氧和高氧狀態(tài)均是有利于腐殖化的進行的，低氧狀態(tài)下厭氧菌比較活躍，有利于秸稈的初期分解，而高氧狀態(tài)則是更利于腐殖化后期FA轉(zhuǎn)化為HA，各CK處理的結(jié)果也可以提供相應(yīng)的支持。

表5 不同氧氣體積分數(shù)培養(yǎng)下PQ值

3 結(jié)束語

通過單因子水平實驗分析可知:較高的氧氣體積分數(shù)更有利于秸稈在土壤中的分解;玉米秸桿的加入使得土壤中WSOC的數(shù)量明顯增加，無論在高氧還是低氧的環(huán)境中，WSOC都可以迅速被利用，但在高氧狀態(tài)下，秸稈可以更迅速地轉(zhuǎn)化為WSOC，并在腐殖化初期轉(zhuǎn)化為FAC，最終以HAC的形式大量積累;相比高氧和低氧環(huán)境，中氧條件下的腐殖化進程較慢;低氧環(huán)境則更利于FA的積累。

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