長期定位條件下秸稈還田對土壤有機碳及腐殖質(zhì)含量的影響

辛　勵,劉錦濤,劉樹堂,王俊杰,曹培順,況　川

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué),山東 青島　266109;2.青島蘇貝爾作物營養(yǎng)有限公司,山東 青島　266011)

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長期定位條件下秸稈還田對土壤有機碳及腐殖質(zhì)含量的影響

辛勵1,劉錦濤1,劉樹堂1,王俊杰1,曹培順2,況川2

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué),山東 青島266109;2.青島蘇貝爾作物營養(yǎng)有限公司,山東 青島266011)

摘要：為了探討不同秸稈還田條件對土壤有機碳與腐殖物質(zhì)含量的影響，利用連續(xù)進行6年的萊陽潮土區(qū)長期定位秸稈還田試驗，研究了小麥-玉米秸稈還田條件下，施用氮肥以及不施肥或單施有機肥對土壤有機碳及腐殖物質(zhì)的影響。結(jié)果表明,在供試的5個處理中,兩季秸稈還田施肥處理(WCN)的有機碳以及腐殖物質(zhì)含量最大,為最優(yōu)處理。主要效應(yīng)從大到小依次是氮肥、有機肥、秸稈還田+氮肥、秸稈還田。與對照(CK)相比,氮肥與秸稈配施大幅增加土壤胡敏酸(HA)、胡敏素(HM)、富里酸(FA)含量并使之處于穩(wěn)定水平上,與單施有機肥相比,隨著年限增加,秸稈與氮肥配施(WN、WCN)能夠顯著增加土壤腐殖質(zhì)各組分含量,其中兩季秸稈還田施氮肥(WCN)處理增幅最顯著。通過對不同秸稈還田模式下土壤有機碳、腐殖質(zhì)含量變化趨勢的研究,表明秸稈還田與氮肥配施能夠提高土壤有機碳含量,提高土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;土壤有機碳;腐殖質(zhì)

我國每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)數(shù)億噸[1]。腐殖質(zhì)是評價土壤肥力水平的重要指標(biāo),土壤腐殖質(zhì)在土壤有機碳的循環(huán)和轉(zhuǎn)化中起到積極作用,大量研究表明,秸稈還田與化肥配施能夠提高土壤肥力和有機碳儲量,對土壤腐殖質(zhì)積累貢獻非常明顯。作為土壤有機質(zhì)的重要組成部分,腐殖物質(zhì)占土壤有機質(zhì)的85%~90%,是評價土壤肥力水平與農(nóng)田作物秸稈還田效應(yīng)的重要指標(biāo)[2-4]。

對腐殖物質(zhì)的研究,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重要的理論和實踐意義。長期秸稈還田與化肥配合施用對腐殖物質(zhì)有很大影響。定位試驗?zāi)軌蛴行Ы沂就寥栏澄镔|(zhì)組分動態(tài)變化規(guī)律[5]。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看,對于秸稈還田的研究主要集中在對土壤養(yǎng)分、作物產(chǎn)量及氣體排放的研究[6]。在長期定位及秸稈還田配施化肥對土壤養(yǎng)分、理化性狀、生物活性等方面已有學(xué)者作出研究,但有關(guān)小麥-玉米長期秸稈還田配施化肥對土壤有機碳、土壤腐殖質(zhì)的含量和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響研究較少[7-8]。

鑒于此,筆者以小麥-玉米長期秸稈還田定位試驗為依托,旨在探明秸稈還田條件下不同處理土壤有機碳含量的動態(tài)變化規(guī)律,揭示秸稈還田和化肥配施與有機碳含量之間的關(guān)系，以此來衡量和評價不同的施肥量,秸稈還田量對土壤環(huán)境的影響,為制定科學(xué)合理的施肥措施提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1試驗地概況

試驗在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)萊陽長期定位試驗站,土壤類型為非石灰性潮土。施肥前耕層土壤全氮(N)量0.60 g/kg,全磷(P)量0.64 g/kg,土壤有效磷(P)16.34 mg/kg,土壤速效鉀(K)72.00 mg/kg,陽離子代換量為13.80 cmol/kg,pH 值6.8,土壤有機質(zhì)含量為5.01 g/kg,土壤容重1.21 g/cm3,孔隙度為51.40%。

1.2試驗設(shè)計

2009-2014年進行了6年的長期定位試驗,共設(shè)5 個處理,分別為對照(CK)、單施有機肥60 000 kg/hm2(M)、兩季秸稈還田(WC)、一季秸稈還田+施氮肥276 kg/hm2(WN)、兩季秸稈還田+施氮肥276 kg/hm2(WCN)。每個處理設(shè)3次重復(fù),共15個試驗小區(qū),完全隨機設(shè)計,各處理用水量及耕作管理相一致。

1.3測定指標(biāo)

本研究室內(nèi)試驗在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)進行。

腐殖質(zhì)的提取和分組(定量)采用腐殖質(zhì)組成修改法,胡敏酸的提取和純化:將過0.250 mm干土100 g 按土∶液=1∶10的比例,用0.1 mol/L NaOH 在室溫下提取。向上述溶液中加入2.5 mol/L HCl 酸化至pH=1.5,酸化了的混合液置于低速離心管中離心,離心管中沉淀即為粗胡敏酸,粗胡敏酸進一步處理具體步驟見文獻[9-10]。土壤及胡敏素有機碳的測定均采用重鉻酸鉀外加熱;胡敏酸等水溶性有機碳含量采用島津TOC儀測定。

土壤有機碳(SOC)的測定用重鉻酸鉀容量-外加熱氧化法。

1.4數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003進行試驗數(shù)據(jù)處理和繪制統(tǒng)計圖表,選用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(Statistical product and service solutions)進行方差分析,Duncan 氏法進行SSR檢驗和多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1長期定位秸稈還田對土壤有機碳含量的影響

對長期定位秸稈還田15個處理組合有機碳的含量進行方差分析(表1)。從表1可以看出,5個處理間差異極顯著(F=43.32**)。年份間差異極顯著(F=10.01**)。處理與年份間的互作差異極顯著(F=3.49**)。這表明,不同處理對土壤有機碳含量的影響較大。用Duncan 氏法進行多重比較SSR檢驗,將2年15個處理間的差異顯著性列于表2。其中,羅馬數(shù)字Ⅰ~Ⅴ代表重復(fù)。從表2可以看出,2014年秸稈還田各處理土壤有機碳含量較2012年有不同程度的增加,增加幅度為WCN>WN>WC。其中,各處理有機碳含量與CK處理相比，有機碳含量均有所改變，主要原因可能是有機物料(秸稈、糞肥)和氮肥的施入,能為微生物維系生命活動提供充足能量,從而促進土壤的生物活性,包括真菌生長、根和土壤動物活性增強,有助于土壤內(nèi)有機質(zhì)積累[11]。

表1　有機碳的方差分析表(固定模型)

注：小寫字母表示0.05水平顯著差異,大寫字母表示在0.01水平極顯著差異。表3-4,7-8同。

Note:Small letters means significant at the 5% level,capital letters means exceedingly significant at the 1% level.The same as Tab.3-4,7-8.

2.2土壤有機碳含量與不同年份間的差異性檢驗

對5個處理土壤有機碳含量用SSR檢驗的結(jié)果見表3。兩季秸稈還田WC處理的有機碳含量最大,極顯著地優(yōu)于其他4個處理。排在第2，3位的處理是WCN和M處理,顯著地優(yōu)于WN和CK 2個處理。對2年不同處理土壤有機碳含量用SSR檢驗的結(jié)果見表4。從2012，2014年的結(jié)果來看,土壤有機碳含量呈上升趨勢。2014年土壤有機碳含量極顯著地高于2012年的土壤有機碳含量。這表明,秸稈因素導(dǎo)致各處理差異顯著。隨著秸稈的進一步腐解及還田年限增加,秸稈因素開始發(fā)揮作用,特別是兩季秸稈還田處理的有機碳變化顯著高于無秸稈還田處理,秸稈因素作為主要因素影響著各處理的有機碳含量。

表3　五個處理土壤有機碳含量間SSR檢驗的差異性檢驗

表4　五個不同處理土壤有機碳含量間

2.3同一年份2個不同處理有機碳t檢驗的差異顯著性

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)上單一差異原則,對同一年份2個不同處理有機碳的含量,用t檢驗法檢驗其差異顯著性,結(jié)果見表5。各年份2個不同處理有機碳的含量，均有極顯著的差異。從長期定位秸稈還田各處理土壤有機碳含量的結(jié)果來看,土壤有機碳含量呈逐年上升趨勢。其中有機碳含量最高的處理為 WCN處理，2014年與2012年平均為9.625 g/kg。較2014年與2012年M處理的平均值提高了2.180 g/kg。這表明,試驗前土壤有機質(zhì)水平極低,化肥與秸稈配施后,隨秸稈還田年限的增加,土壤作物殘留逐漸分解,秸稈與土壤的接觸更均勻,從而使其更易腐解轉(zhuǎn)化為土壤有機碳,補償土壤有機碳庫損耗。

2.4同一年份2個不同處理有機碳的主要效應(yīng)

試驗效應(yīng)是指試驗因素對試驗指標(biāo)所起的增加或減少的作用。一個因素的水平相同,另一因素不同水平間的差異屬于簡單效應(yīng)。一個因素內(nèi)各簡單效應(yīng)的平均數(shù)稱為主要效應(yīng)。按照統(tǒng)計學(xué)的要求,計算了同一年份2個不同處理有機碳的簡單效應(yīng)和主要效應(yīng)(表6)。從主效來看,氮肥的主效最大,其次是有機肥的主效,排在第3，4位的主效是秸稈還田+氮肥及秸稈還田。由此可以證明,化學(xué)肥料見效快是速效肥,秸稈還田見效慢是緩效肥。

2.5腐殖質(zhì)組分含量的差異

各處理間土壤腐殖酸(HE)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)含量變化趨勢如圖所示,從圖1,2可以看出,各處理間土壤腐殖質(zhì)變化明顯,從表7，8可以看出，各處理組分含量HM>HE>FA>HA。隨著還田年限的增加，2014年FA含量較2012年有所下降，但2014年土壤HA較2012年有所積累。在相同施氮肥處理下,WN處理土壤HE、HM、HA、FA含量與WCN處理存在明顯差別,還田6年(2014年)時差異達(dá)到最大。

表5　同一年份2個不同處理有機碳的t-檢驗

注：df=8,t0.05=2.306,t0.01=3.355;N.氮肥;M.有機肥;S+N.秸稈還田+氮肥;S.秸稈還田。表6同。

Note:df=8,t0.05=2.306,t0.01=3.355；N.Nitrogenous fertilizer;M.Organic fertilizer;S+N.Straw returning and nitrogen fertilizer;S.Straw returning.The same as Tab.6.

表6　同一年份2個不同處理有機碳的簡單效應(yīng)與主要效應(yīng)

由表7，8可知,其中除2012年WC、CK處理HA含量差異不顯著外,2014年時，不同處理的土壤胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)含量差異顯著。在WN 和WCN 還田模式下,土壤腐殖質(zhì)含量顯著增加,高于M處理,其中WCN處理增幅最大。M處理與WCN處理相比,HE含量在還田6年(2014年)時差異達(dá)到最大,為0.63 g/kg,說明添加作物秸稈和未添加秸稈相比,無論添加小麥、玉米秸稈或施加有機肥,均能提高土壤腐殖質(zhì)含量,其中添加秸稈效果最明顯。單施有機肥對土壤殖酸影響不如秸稈還田與化肥配施顯著。這與崔婷婷等[12]的研究結(jié)果相一致。WC、WCN處理之間土壤HE含量差異逐漸增大,在還田6年(2014年)時達(dá)到最大,為0.83 g/kg,WCN的HE含量處理比WC處理增加了57.18%,這是由于氮肥與秸稈配施促進了土壤殖酸總量的積累所導(dǎo)致,符合Piccolo和Doane[13-14]等研究結(jié)果。

HE.腐殖酸;HM.胡敏素;HA.胡敏酸;FA.富里酸。圖2、表7-8同。

圖2　2012年腐殖質(zhì)碳含量

Tab.7Determination of soil Humus in 2014

g/kg

表82012年測定土壤腐殖質(zhì)含量差異性

Tab.8Determination of soil Humus in 2012

g/kg

3討論與結(jié)論

3.1秸稈還田處理對土壤有機碳與腐殖質(zhì)含量的影響

在供試的5個處理中,兩季秸稈還田施氮肥處理的有機碳含量最大,優(yōu)于其他處理,為最優(yōu)處理。秸稈還田配施氮肥及施有機肥可明顯增加土壤有機碳和腐殖質(zhì)的含量。有機物料由于含有充足的營養(yǎng)物質(zhì),能較好地增加作物產(chǎn)量,且在腐解后會釋放出大量腐殖質(zhì),更能提高土壤有機質(zhì)的質(zhì)量。所以秸稈還田處理下有機碳與腐殖質(zhì)含量顯著高于不施肥處理,這與龔偉等[15]的研究結(jié)果相一致。土壤有機碳以及腐殖物質(zhì)含量隨著還田年限的增加而增多,秸稈還田可以顯著提高土壤胡敏酸、胡敏素、富里酸含量,且隨著連作年限增加含量逐漸升高,符合劉軍等[16]的研究規(guī)律。有機物料與氮肥配施能夠明顯提高土壤腐殖物質(zhì)含量,改善土壤肥力,效果優(yōu)于單施有機肥[17]。

3.2影響土壤有機碳含量的主要效應(yīng)的規(guī)律性

土壤有機質(zhì)主要來源就是生長在土壤中的植物、作物殘體，構(gòu)成了補充土壤碳庫最主要途徑之一。當(dāng)前,養(yǎng)分投入主要效應(yīng)從大到小依次是氮肥、有機肥、秸稈還田+氮肥、秸稈還田。由此可以說明,化肥是速效肥,有機肥、秸稈都是緩效肥。秸稈還田是增加農(nóng)田土壤有機質(zhì)的手段之一,能夠改善土壤理化性質(zhì),提高土壤質(zhì)量,并促進腐殖質(zhì)積累。

3.3土壤腐殖物質(zhì)變化規(guī)律與土壤肥力關(guān)系

在WN 和WCN 還田模式下,土壤腐殖質(zhì)含量顯著增加,高于單施有機肥(M)處理,其中WCN處理增幅最大。兩季秸稈還田配施肥與單施有機肥相比,更有利于增加土壤中腐殖質(zhì)的含量。在化肥作用下,土壤微生物對秸稈的腐殖化作用要比單純秸稈還田處理強,能促使土壤胡敏酸與富里酸積累加快,是增加土壤腐殖質(zhì)含量的關(guān)鍵,符合李比希的養(yǎng)分歸還學(xué)說,揭示了秸稈還田與化肥配施條件下土壤由低肥力向高肥力的演變趨勢。此外,胡敏酸含量增加對提高土壤肥力和改善土壤結(jié)構(gòu)具有重要作用[18]。

土壤腐殖質(zhì)各組分的含量和所占的比例也直接關(guān)系到土壤的肥力。胡敏素(HM)是有機碳和氮的重要組成部分,也是評價土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一[19]。有研究表明,單施化肥會導(dǎo)致土壤胡敏素活性降低,化肥與有機物料配施處理下土壤胡敏素增加幅度較大[20-21]。胡敏酸(FA)是土壤腐殖質(zhì)中的活躍成分,其性質(zhì)的變化對土壤肥力特征會產(chǎn)生巨大影響[22]。隨著6年長期秸稈還田后,富里酸含量逐漸小于胡敏酸,這有可能由于秸稈與化肥配施促使富里酸向胡敏酸轉(zhuǎn)化速度加快[23],胡敏酸含量有所增加,土壤腐殖化程度逐步提高。

通過研究表明,土壤肥力的高低與土壤腐殖質(zhì)的分解和積累密切相關(guān),秸稈還田與化肥配施能較好地促進土壤腐殖質(zhì)的積累[24-25],通過6年定位試驗發(fā)現(xiàn),長期秸稈還田與化肥配施及單施有機肥均能提高土壤腐殖質(zhì)含量,且有秸稈還田處理土壤腐殖質(zhì)含量高于單施有機肥處理，這與劉樹堂等[26]研究結(jié)果相一致。所以,利用小麥-玉米長期輪作定位試驗去開展土壤有機碳及腐殖質(zhì)組分的變化研究,對于進一步衡量和評價秸稈還田與化肥配施對土壤肥力與作物產(chǎn)量具有重要意義。

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The Effect of Long-term Straw Returning Treatments on Soil Organic Carbon and Humus Content

XIN Li1,LIU Jintao1,LIU Shutang1,WANG Junjie1,CAO Peishun2,KUANG Chuan2

(1.Qingdao Agricultural University,Qingdao266109,China;2.Qingdao SOBEL Crop Nutrition Co,Ltd,Qingdao266011,China)

Abstract：In order to study the effects of different straw returning on soil organic carbon and humus content,we have regard Laiyang long-term straw returning to the soil in aquic soil treatment as the research object of study,explore the effect of application nitrogen fertilizer or organic fertilizer in straw returning to field on soil organic carbon(SOC) and humus content.The results were as follows:In the 5 experiment treatments,the WCN treatment′s organic carbon and humic substances were the maximum,was the optimal treatment.The main effect from the maximum to minimum values were:nitrogen fertilizer，organic fertilizer，straw returning+nitrogen fertilizer and straw returned to the soil.Compared with CK,straw with nitrogen fertilizer applicating to the soil substantial increased HA,HM,FA contents and made it in a stable level.Compared with the single application of organic fertilizer,WN,WCN treatment could significantly increase the content of soil humus fractions.As time goes by,straw and nitrogen fertilizer(WN,WCN) could significantly increase the content of soil humus fractions.

Key words:Straw returning;Organic carbon;Humus

doi:10.7668/hbnxb.2016.01.035

中圖分類號：S158

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-7091(2016)01-0218-06

作者簡介：辛勵(1991-),男,山東安丘人,在讀碩士,主要從事植物營養(yǎng)方面的研究。通訊作者：劉樹堂(1962-),男,山東安丘人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事植物營養(yǎng)與施肥技術(shù)的研究。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203030);山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)經(jīng)費項目(SDAIT-01-022-06);魯東丘陵區(qū)小麥玉米水肥自然資源高效利用綜合技術(shù)集成與示范研究(2013BAD07B06-03);山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新課題;山東省高效優(yōu)秀科研創(chuàng)新團隊項目

收稿日期：2015-10-09