有機(jī)物料施用對(duì)旱地紅壤作物產(chǎn)量和有機(jī)質(zhì)活性組分的影響①

康國(guó)棟，魏家星，鄔夢(mèng)成，李 鵬，成艷紅，李大明，劉滿(mǎn)強(qiáng)，李輝信，胡 鋒，焦加國(guó)*，王 霞

(1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；2江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210095；3南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，南京 210095；4江西省紅壤研究所，南昌 331717；5環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042)

我國(guó)紅壤帶位于長(zhǎng)江以南的16個(gè)省、區(qū)境內(nèi)，面積218萬(wàn)km2，占全國(guó)土地總面積近23%，其中紅壤類(lèi)土壤面積 148萬(wàn) km2，占全國(guó)土壤總面積的15.4%[1]。然而，由于長(zhǎng)期大量施用化肥和不合理的耕作栽培方式，我國(guó)紅壤已出現(xiàn)嚴(yán)重的生態(tài)退化問(wèn)題，有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤酸化、板結(jié)、貧瘠等問(wèn)題日益嚴(yán)重[2]，降低了農(nóng)田生產(chǎn)力也阻礙了區(qū)域農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，減少化肥施用量勢(shì)在必行。

研究證明，土壤有機(jī)質(zhì)含有大量的植物生長(zhǎng)所必需的大量元素和微量元素[3]。對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和功能影響巨大[4-5]。隨著培肥理論的發(fā)展，人們認(rèn)為土壤培肥的目的不僅僅是提高有機(jī)質(zhì)的含量，更重要的是提高土壤有機(jī)質(zhì)的品質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)中活性組分的改善對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量至關(guān)重要。有機(jī)質(zhì)中的活性組分是指在土壤中有效性較高、穩(wěn)定性相對(duì)較差、易氧化和礦化，且對(duì)植株養(yǎng)分供應(yīng)和土壤微生物活性影響較高的那部分有機(jī)質(zhì)，主要包括微生物生物量有機(jī)質(zhì)(MBOM)、可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)、顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)和易氧化有機(jī)質(zhì)(LOM)等。它們參與土壤生物化學(xué)過(guò)程，并影響土壤化學(xué)物質(zhì)的溶解、吸附和遷移等行為，與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和內(nèi)在生產(chǎn)力密切相關(guān)[6-7]，并且在指示土壤質(zhì)量和土壤肥力的變化時(shí)比有機(jī)質(zhì)更靈敏[8-9]，對(duì)土壤碳庫(kù)平衡、土壤質(zhì)量變化等研究具有重要意義[10]。如何促進(jìn)紅壤有機(jī)質(zhì)積累與質(zhì)量提升是減施化肥后所要考慮的重要問(wèn)題，也是紅壤培肥的關(guān)鍵所在。

大量長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)增加與有機(jī)物料投入量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[11-15]。有機(jī)物料的施用能顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)，通過(guò)對(duì)土壤生物、理化性狀以及作物生長(zhǎng)狀況的改變，影響土壤中活性有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能團(tuán)及其遷移能力，從而改良作物生長(zhǎng)的物理環(huán)境[16]。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可通過(guò)大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體物理保護(hù)肥料帶入的大量碳水化合物和有機(jī)酸從而提高土壤有機(jī)碳含量[17]。有機(jī)物料的施用也可以改變土壤性質(zhì)，從而增加有機(jī)碳在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化速率[18]。長(zhǎng)期施用有機(jī)物，土壤有機(jī)碳的可降解性增加，并提高土壤微生物多樣性[19]。

因此，本研究以旱地紅壤為研究對(duì)象，研究化肥減施條件下施用有機(jī)物料對(duì)作物產(chǎn)量及土壤有機(jī)質(zhì)活性組分的影響，探討活性有機(jī)質(zhì)在改善土壤質(zhì)量與提高農(nóng)田生產(chǎn)力中扮演的角色，為農(nóng)田化肥減施的可行性提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在江西省紅壤研究所(116°20′24″E、28°15′30″N)，其海拔高度 25～30 m，坡度 5°，為典型的低丘紅壤地貌。該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量1 537 mm，年均蒸發(fā)量1 100～1 200 mm，年均氣溫17.7～18.5℃，最熱月(7 月)平均氣溫為 28.0～29.8℃。

1.2 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。試驗(yàn)前土壤(0～20 cm)基本理化性質(zhì)為：有機(jī)碳8.42 g/kg，全氮0.95 g/kg，全磷0.49 g/kg，全鉀17.63 g/kg，堿解氮89.64 mg/kg，有效磷21.23 mg/kg，速效鉀159.69 mg/kg，pH 4.5。試驗(yàn)過(guò)程施用的水稻秸稈、生物黑炭、豬糞、蚓糞4種有機(jī)物料的具體養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。

表1 有機(jī)物料養(yǎng)分含量Table 1 Nutrient contents in different organic materials

試驗(yàn)地布置于2015年5月，共設(shè)置7個(gè)處理，具體見(jiàn)表2，每個(gè)處理4次重復(fù)，小區(qū)面積4 m × 7 m，溝寬40 cm，完全隨機(jī)區(qū)組排列。種植制度為：紅薯-油菜輪作。紅薯品種為蘇薯8號(hào)，油菜品種為豐油730號(hào)。秸稈、生物黑炭、豬糞、蚓糞在作物移栽前一次性施入，不追肥。田間灌溉、除草均由當(dāng)?shù)剞r(nóng)民完成，不施農(nóng)藥。

表2 不同施肥處理化肥與有機(jī)物料施用量Table 2 Application rates of chemical fertilizer and organic materials under different treatments

1.3 采樣與分析方法

于2015年9月(紅薯收獲期)和2016年5月(油菜收獲期)采用多點(diǎn)混合采樣方法采集0～20 cm土層原狀土壤。將采回的土壤置于室內(nèi)通風(fēng)陰干，研磨待用。土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和總有機(jī)質(zhì)(SOM)與微生物生物量有機(jī)質(zhì)(MBOM)的測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》[20]，水溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)采用水浸提-TOC儀測(cè)定，易氧化有機(jī)質(zhì)(LOM)采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測(cè)定[21]，顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)采用 Cambardella方法測(cè)定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2013、SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Origin8.6進(jìn)行圖表制作，采用 Duncan檢驗(yàn)法(P＜0.05)進(jìn)行顯著性分析，相關(guān)性分析采樣Pearson雙側(cè)顯著檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響

如圖1所示，減施化肥條件下，不同有機(jī)物的添加均可促進(jìn)紅薯和油菜產(chǎn)量的增加。在紅薯季，以RFV和RFP處理產(chǎn)量最高，較CF處理分別增加27.5%和 20.1%；在第二季的油菜季，有機(jī)物施用對(duì)作物的增產(chǎn)作用更為明顯，同樣以RFV和RFP處理最佳，較CF處理分別增加84.2% 和82.2%。總體來(lái)說(shuō)，減施 40% 化肥條件下增施一定量有機(jī)物料，不僅沒(méi)有降低作物的產(chǎn)量，還不同程度增加了作物的產(chǎn)量。

圖1 不同施肥處理田間作物產(chǎn)量Fig. 1 Field crop yields under different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)活性組分的影響

2.2.1 不同施肥處理對(duì)土壤總有機(jī)質(zhì)含量的影響 由圖 2可知，在紅薯季，RFV和RFP處理的土壤SOM含量最高，較CF處理分別高出4.8% 和1.9%，但差異不顯著，而添加秸稈(RFR)與生物黑炭(RFB)的處理土壤SOM含量略低于CF處理。而在油菜季，施減化肥配施不同有機(jī)物處理的土壤SOM均不同程度地高于CF處理，其中RFV和RFB處理與CF處理差異達(dá)到顯著性水平，較CF處理分別高出17.1% 和10.8%?？梢钥闯?，隨著有機(jī)物的連續(xù)施用，土壤SOM含量較第一季明顯增加，而單施化肥的處理SOM含量較第一季有所降低。4種有機(jī)物料中，以 RFV處理土壤SOM提升最快。

2.2.2 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)活性組分含量的影響 如表2所示，在紅薯季和油菜季，減量化肥配施有機(jī)物均不同程度地提高土壤MBOM、DOM、POM、LOM的含量，以RFP、RFV處理提升效果最明顯，并顯著高于CF處理。

以紅薯季為例，減量化肥配施用不同有機(jī)物料，土壤有機(jī)質(zhì)活性組分含量均高于 CF處理，其中MBOM 含量達(dá)到顯著性差異，增長(zhǎng)幅度為 29.2% ～51.4%。4種有機(jī)物料中，僅RFP、RFV處理的DOM、POM 含量與 CF處理差異達(dá)到顯著水平，RFP處理DOM、POM含量較CF處理分別提高33.0% 和57.5%，RFV處理則分別提高30.6% 和64.9%。RFB、RFP、RFV處理LOM含量均顯著高于CF處理，高出3.4%～41.4%。

在油菜季，由于有機(jī)物連續(xù)施用的累積效應(yīng)，有機(jī)物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)活性組分的影響更為明顯，除土壤DOM含量無(wú)明顯變化外，其他3種活性組分整體上均相應(yīng)高于紅薯季，尤其以POM含量提升最明顯。整體上有機(jī)物對(duì)活性組分的提升效果依次為：蚓糞＞豬糞＞生物黑炭＞秸稈。

2.2.3 不同施肥處理對(duì)土壤不同有機(jī)質(zhì)活性組分比率的影響 如表3所示，添加有機(jī)物料的處理均能提高土壤有機(jī)質(zhì)活性組分占總有機(jī)質(zhì)的比率，且都高于CF處理，但4種有機(jī)物料對(duì)這4種活性組分的影響有所差異。經(jīng)過(guò)連續(xù)兩季的試驗(yàn)，RFV和RFP處理土壤4種活性組分占總有機(jī)質(zhì)比率均顯著高于CF處理，而RFR與RFB處理的MBOM/SOM比值較CF處理顯著提高，另外3種活性組分占比雖高于CF處理，但無(wú)顯著差異。油菜季中顆粒性有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的比率(POM/SOM)較紅薯季有明顯的提升，而其他3種活性組分占總有機(jī)質(zhì)的比率略低于紅薯季，這有可能由于地力的提升，有機(jī)物對(duì)土壤的影響減緩和油菜季平均氣溫降低等綜合因素導(dǎo)致。

圖2 不同施肥處理土壤總有機(jī)質(zhì)含量Fig. 2 Soil total organic matter contents under different fertilization treatments

表3 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)活性組分的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on active components of soil organic matter

綜上所述，施用有機(jī)物料能迅速增加總有機(jī)質(zhì)中活性組分的比率，降低有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性，使有機(jī)質(zhì)更易分解，有機(jī)物料中豬糞、蚓糞對(duì)有機(jī)質(zhì)活性組分的提升作用大于秸稈和生物黑炭；4種活性組分中以顆粒性有機(jī)質(zhì)含量提升最快。

表4 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)活性組分占總有機(jī)質(zhì)的百分率的影響(%)Table 4 Effects of different fertilization treatments on percentages of active components to total organic matter

2.3 不同施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)活性組分、總有機(jī)質(zhì)、作物產(chǎn)量的相關(guān)性

如表4所示，對(duì)土壤MBOM、DOM、POM、LOM、SOM 的含量和作物產(chǎn)量?jī)蓛芍g進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：兩季中，MBOM、DOM、POM、LOM 這4種活性組分之間呈極顯著相關(guān)；在紅薯季，DOM與SOM呈顯著相關(guān)，而到了油菜季MBOM、POM、LOM均與 SOM呈極顯著相關(guān)，這可能是由于有機(jī)物累積施用和后效的作用，土壤有機(jī)質(zhì)的分解更為強(qiáng)烈，活性組分占總有機(jī)質(zhì)的比率提高等原因。

在紅薯季，土壤MBOM與作物產(chǎn)量呈顯著相關(guān)，POM、LOM與作物產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；至油菜季，SOM與作物產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，土壤4種有機(jī)質(zhì)活性組分都與作物產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。說(shuō)明隨著有機(jī)物料的累積，土壤有機(jī)質(zhì)活性組分的增加顯著影響了作物產(chǎn)量。

表5 土壤總有機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)活性組分與作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 5 Correlation coefficients between soil total organic matter, active components of soil organic matter and crop yields

3 討論

施肥是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中提高作物產(chǎn)量的重要措施，而目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，為了片面追求產(chǎn)量，長(zhǎng)期偏施化肥而有機(jī)肥的施用量較少等不合理施肥方式使得肥料貢獻(xiàn)率低[23]。在本研究中，與施用常量化肥相比，減量40% 化肥配施不同有機(jī)物后，紅薯和油菜產(chǎn)量均呈上升趨勢(shì)，并以配施豬糞和蚓糞增產(chǎn)效果最為明顯。夏戰(zhàn)鷹[24]、田昌等[25]的研究表明，減肥配施有機(jī)物料能使紅薯、油菜增產(chǎn)；邢鵬飛等[11]連續(xù) 4 a研究了有機(jī)肥替代部分無(wú)機(jī)肥對(duì)作物產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代30% 無(wú)機(jī)肥處理能夠保證糧食產(chǎn)量，有機(jī)肥替代50% 無(wú)機(jī)肥處理更能提高土壤肥力；宓文海等[26]的3 a田間試驗(yàn)研究表明，不同有機(jī)物料與化肥配施均不同程度地增加了水稻產(chǎn)量和土壤肥力，其中又以牛糞與化肥配合施用效果最佳。有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)配合施用往往能夠提高土壤的速效養(yǎng)分含量，調(diào)控土壤與化肥養(yǎng)分的釋放強(qiáng)度和速率，使作物在各生育階段得到均衡穩(wěn)定持續(xù)的養(yǎng)分供給，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量[27]。

施肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，尤其是有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量與質(zhì)量的提升更為顯著[28]。有機(jī)肥的施用向土壤輸入了外源有機(jī)質(zhì)，為土壤微生物提供了碳源，加速了土壤微生物活動(dòng)，使活性有機(jī)質(zhì)增加，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的增加與活化[29]。本研究表明，不同有機(jī)物料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響也不同，經(jīng)過(guò)兩季的施肥處理，減量化肥配施有機(jī)物料處理的土壤SOM、MBOM、DOM、POM、LOM均明顯高于常量化肥處理。楊長(zhǎng)明等[30]研究發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)物料可以維持或提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量。一些研究指出，化肥配施有機(jī)肥顯著增加了土壤LOM、POM、MBOM以及DOM這些活性有機(jī)質(zhì)組分的含量[31-34]。臧逸飛等[35]26 a的肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，施肥能提高土壤微生物生物量，尤其是施用有機(jī)肥，土壤微生物生物量高于單施化肥的處理；另外，Powlson等[36]、匡崇婷等[37]研究表明增施秸稈、生物黑炭可以提高SOM中MBOM的比例。Marschner[38]等研究表明，有機(jī)肥和化肥混施，有機(jī)物在土壤微生物的作用和土壤化學(xué)養(yǎng)分的協(xié)同下更易被分解利用，腐解過(guò)程中放出大量活性組分，增加了土壤中DOM含量；Blair等[39]研究指出，長(zhǎng)期施用化肥不利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，而有機(jī)肥的施用可提高作物根茬量與根系分泌物數(shù)量，改善土壤結(jié)構(gòu)，利于有機(jī)碳進(jìn)入大團(tuán)聚體被保護(hù)，從而提升土壤 POM 含量；另外，佟小剛等[40]采集17 a長(zhǎng)期施用不同肥料后的紅壤和潮土進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明配施有機(jī)肥和秸稈還田是提高兩種土壤 POM 含量的有效措施。王朔林等[41]、張瑞等[42]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)物料與化肥配施均能顯著增加土壤 LOM 含量。本研究的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這些學(xué)者的觀點(diǎn)。MBOM是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的和最易變化的部分，與土壤總有機(jī)質(zhì)相比，MBOM對(duì)土壤管理措施、施肥措施的變化響應(yīng)更快[43]；DOM含量的大小可以反映土壤中潛在活性養(yǎng)分含量和周轉(zhuǎn)速率，以及土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)狀況[44]；POM是有機(jī)質(zhì)向植物提供營(yíng)養(yǎng)的重要部分，是更能表示土壤健康與否的指標(biāo)[45]；土壤碳庫(kù)容量的變化受土壤 LOM 變化的影響，這一活性指標(biāo)對(duì)衡量土壤有機(jī)質(zhì)的敏感性要優(yōu)于其他農(nóng)業(yè)變量，可以指示土壤有機(jī)質(zhì)的早期變化[46]。因此研究有機(jī)質(zhì)活性組分對(duì)評(píng)價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)變化和土壤培肥至關(guān)重要。

不同有機(jī)物料對(duì)作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)活性組分的影響不同。本研究中，有機(jī)物料對(duì)作物產(chǎn)量與有機(jī)質(zhì)活性組分提升效果的順序?yàn)椋候炯S＞豬糞＞生物黑炭＞秸稈。有機(jī)物料本身含有相當(dāng)數(shù)量的腐殖物質(zhì)，這些物質(zhì)的施入對(duì)于土壤中有機(jī)質(zhì)的更新與活化具有重要的作用[47]。生物黑炭擁有多孔性、高比表面積和豐富的表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，可使土壤中礦質(zhì)元素、有機(jī)質(zhì)在其周邊惰性富集，改變植物與土壤碳的耦合關(guān)系[48]；而秸稈含有大量作物所需的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀以及微量營(yíng)養(yǎng)元素[49]；豬糞、蚓糞的施入不僅給土壤帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，而且含有大量活性物質(zhì)和微生物群，使土壤細(xì)菌豐富度和多樣性增高[50-51]，所以這4種有機(jī)物料都能提升作物產(chǎn)量，增加有機(jī)質(zhì)活性。一般來(lái)說(shuō)，土壤微生物多樣性越高，土壤功能越完整，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定[52]，這也是豬糞、蚓糞對(duì)紅壤有機(jī)質(zhì)活性組分的提升作用要比其他有機(jī)物料更好的原因。

4 結(jié)論

本研究表明適量減量化肥并配施有機(jī)物料能明顯增加作物產(chǎn)量，并且對(duì)旱地紅壤有機(jī)質(zhì)活性組分有顯著提升的作用。減肥配施有機(jī)物合理地改變了施肥結(jié)構(gòu)，達(dá)到了農(nóng)田既增產(chǎn)又培肥的目的，這對(duì)國(guó)家農(nóng)業(yè)部提出的“兩減”行動(dòng)有重要的意義。

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