添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)沙黃土有機(jī)碳和菠菜生長(zhǎng)的影響①

羅瑞華，付 威，樊 軍,*，劉 萌，牛小桃，牛育華

添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)沙黃土有機(jī)碳和菠菜生長(zhǎng)的影響①

羅瑞華1，付 威1，樊 軍1,2*，劉 萌1，牛小桃2，牛育華3

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3 陜西科技大學(xué)陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，西安 710021)

快速提升貧瘠土壤的有機(jī)碳含量是改良土壤、增加土地生產(chǎn)力的重要途徑。本研究通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)，設(shè)置了沙黃土對(duì)照(CK)、沙黃土+木本泥炭(LW)、沙黃土+褐煤1(LC1)、沙黃土+褐煤2(LC2)、沙黃土+木本泥炭+紅黏土黏粒(LWR)、沙黃土+木本泥炭+砒砂巖黏粒(LWS)和沙黃土+木本泥炭+膨潤(rùn)土(LWB) 共7個(gè)處理，每個(gè)處理5次重復(fù)，研究了不同處理下菠菜生育期內(nèi)(35 d)生長(zhǎng)、生理指標(biāo)差異及各處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量提升效果。結(jié)果表明：與CK相比，各處理收獲期菠菜產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳含量均顯著增加(<0.05)，LW、LC2、LC1、LWS、LWR和LWB處理下收獲期菠菜產(chǎn)量分別增加了18.6%、51.3%、80.8%、127.6%、148.1% 和203.8%，對(duì)應(yīng)處理土壤有機(jī)碳含量分別增加了92.4%、84.3%、66.8%、84.0%、116.3% 和98.3%，土壤pH均有一定程度降低。與LW處理相比，補(bǔ)充黏粒材料后，LWS、LWR和LWB處理下收獲期菠菜葉面積分別顯著增加了55.0%、86.5% 和98.3%(<0.05)，各處理土壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)碳和全氮含量有一定程度的變幅，但差異未達(dá)顯著性水平?？傊?，單施木本泥炭和2種褐煤物質(zhì)對(duì)菠菜生長(zhǎng)的促進(jìn)及土壤有機(jī)碳含量的提升具有不同的作用效果，其中木本泥炭對(duì)土壤有機(jī)碳的提升效果好于褐煤物質(zhì)，而對(duì)菠菜生長(zhǎng)的促進(jìn)作用低于褐煤物質(zhì)，在添加木本泥炭的基礎(chǔ)上補(bǔ)充黏粒材料對(duì)菠菜葉面積和產(chǎn)量的增加具有顯著的促進(jìn)效果，同時(shí)在一定程度上提升了土壤有機(jī)碳含量并改良了土壤理化性質(zhì)，所有處理中以木本泥炭+膨潤(rùn)土處理綜合效果最好。本研究為粗質(zhì)地土壤快速培肥和肥力保持提供了新途徑。

沙黃土；木本泥炭；褐煤；黏粒；菠菜；土壤有機(jī)碳

土壤有機(jī)碳是參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)的重要物質(zhì)，同時(shí)與土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量密切相關(guān)，是影響陜晉蒙接壤區(qū)作物產(chǎn)量高低的決定性因素之一[1-3]。陜晉蒙接壤區(qū)是西北地區(qū)典型的風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶，主要以沙黃土和砒砂巖為主，土壤質(zhì)地粗、砂粒含量高、有機(jī)碳匱乏且難以積累[2]，嚴(yán)重影響了該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)。因此，了解粗質(zhì)地土壤有機(jī)碳的快速提升方法及其保護(hù)機(jī)制對(duì)區(qū)域土壤肥力提升和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要的意義。

大量研究表明，添加外源有機(jī)物可以快速提升土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)有一定的改善效果，能夠?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)起促進(jìn)作用[1-4]。木本泥炭是一種類似于生物質(zhì)炭的具有很大潛力的天然土壤改良劑，其富含腐植酸和多種礦物質(zhì)養(yǎng)分，具有疏松多孔、比表面積大等特點(diǎn)；此外，其表面含有酚羥基、羧基等含氧官能團(tuán)，對(duì)土壤養(yǎng)分離子具有吸附和解吸作用；同時(shí)腐殖物質(zhì)的存在可以有效改良土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加土壤保水保肥性能[5-6]，而目前有關(guān)其對(duì)土壤改良的研究卻相對(duì)較少。褐煤是由泥炭經(jīng)過(guò)成巖作用形成的低等級(jí)煤炭，具有較高的含碳量和豐富的腐植酸。研究表明，土壤中添加褐煤能夠提高土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)促進(jìn)土壤腐殖物質(zhì)各組分間的轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤改良具有一定的效果[7-8]。以往的研究中對(duì)土壤有機(jī)碳含量的提升主要以添加外源有機(jī)物為主，雖然可以快速提高土壤有機(jī)碳含量，但在一定環(huán)境條件下，也容易流失[9]。近年來(lái)，有關(guān)土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中黏粒在土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用[9-12]，特別是對(duì)粗質(zhì)地土壤非常重要。Burke等[13]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量與黏粒含量成正比。Müller等[14]通過(guò)綜述前人文章得出，土壤有機(jī)碳含量增加是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳周轉(zhuǎn)速率隨土壤黏粒含量的增加而降低的結(jié)果。膨潤(rùn)土作為一種具有較強(qiáng)吸附能力和離子交換能力的黏土礦物[15]，其晶體結(jié)構(gòu)以2∶1型的蒙脫石為主，具有提高土壤保水抗旱能力且對(duì)土壤中養(yǎng)分具有截留和束縛作用[15-16]。趙雪淞等[17]研究發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土與肥料配施，顯著提高了土壤生化特性及微生物數(shù)量，對(duì)保持土壤養(yǎng)分供給能力具有重要意義。砒砂巖是一種以鈣蒙脫石和石英為主的風(fēng)化物，成巖程度低，易風(fēng)化，顆粒間膠結(jié)程度低，因富含2∶1型黏土礦物，遇水容易膨脹[18-19]。王麗麗等[19]通過(guò)對(duì)陜晉蒙礦區(qū)土壤改良研究發(fā)現(xiàn)，沙黃土摻混砒砂巖(質(zhì)量比為7∶3)處理下土壤有機(jī)碳含量顯著提升，并在一定程度上減少了氨態(tài)氮的揮發(fā)。

綜上，外源有機(jī)物和黏粒材料(2∶1型)均對(duì)土壤有機(jī)碳的提升及土壤結(jié)構(gòu)的改良具有積極作用，那么將兩者相結(jié)合是否具有協(xié)同效應(yīng)？有關(guān)這一方面的研究卻鮮有報(bào)道。粗質(zhì)地土壤保水保肥性能差，雖然添加外源有機(jī)物能夠快速提高土壤有機(jī)碳含量，但其分解過(guò)程也很迅速，土壤結(jié)構(gòu)難以徹底改善。因此，本試驗(yàn)以添加外源有機(jī)物木本泥炭和褐煤物質(zhì)作對(duì)比，同時(shí)嘗試其中一種外源有機(jī)物木本泥炭與3種2∶1型黏土礦物配施，探究其對(duì)土壤有機(jī)碳的提升及保護(hù)效果，以進(jìn)一步探索黃土區(qū)粗質(zhì)土壤快速培肥與地力提升的方法，為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬干旱大廳常態(tài)人工氣候室，室內(nèi)溫度、濕度和CO2濃度分別維持在25℃、70% 和400 μmol/mol，光照控制在400 μmol/(m2·s)，光周期為12 h/d。

供試土壤釆自陜西省榆林市定邊縣，為粗質(zhì)沙黃土，將土壤風(fēng)干后除去石礫和作物殘留物，過(guò)2 mm篩備用。供試木本泥炭來(lái)源于江蘇省中向旭曜科技有限公司。褐煤物質(zhì)1來(lái)源于陜西省榆林市神木現(xiàn)代特色農(nóng)業(yè)示范園區(qū)，是通過(guò)引進(jìn)臺(tái)灣中央研究院院士的TTT?創(chuàng)新快速有機(jī)廢棄物處理技術(shù)加工而成的一種褐煤腐植酸物質(zhì)。褐煤物質(zhì)2來(lái)源于陜西省延安市寶塔區(qū)，是一種風(fēng)化褐煤。膨潤(rùn)土來(lái)源于內(nèi)蒙古寧城天宇膨潤(rùn)土科技有限公司。紅黏土黏粒和砒砂巖黏粒在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)供試紅黏土和砒砂巖通過(guò)沉降法[20]獲得。供試盆(呈柱狀，高20 cm，內(nèi)徑15 cm)由聚氯乙烯(PVC)材料制成。供試菠菜品種為陜西省秦興種苗有限公司的金菠()。供試材料基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試材料基本理化性質(zhì)

注：表中“–”表示未測(cè)量。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理(表 2)，每個(gè)處理5次重復(fù)。通過(guò)前人試驗(yàn)研究結(jié)果[21]確定木本泥炭和褐煤的添加量按有機(jī)碳含量(干基)為7.76 g/kg施入土壤(每盆裝0.65 kg土壤)，紅黏土黏粒、砒砂巖黏粒和膨潤(rùn)土的添加量為土壤質(zhì)量的1.0%，各處理在播種前均施用基肥(氮(N) 0.10 g/kg，磷(P2O5) 0.20 g/kg，其中氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣)。將各物料與土混合均勻后裝入盆內(nèi)，每盆播種10粒種子，通過(guò)稱重法澆水至土壤含水量為250 g/kg。

表2 試驗(yàn)處理及代碼

1.2.2 生育期管理措施 供試菠菜于2019年12月12日播種，于2020年1月15日收獲，全生育期共35 d。生育期內(nèi)采用稱重法控制土壤含水量(沙土田間持水量約為140 g/kg)使之維持在100 ～ 250 g/kg。于2019年12月24日(菠菜生長(zhǎng)第二片真葉期間)進(jìn)行間苗，每盆均留大小相近的5株幼苗，同時(shí)開(kāi)始每隔5 d測(cè)量菠菜株高以及采樣測(cè)定菠菜生物量；從2019年12月30日(菠菜生長(zhǎng)第六片真葉期間)開(kāi)始，每隔5 d測(cè)定葉面積和葉綠素含量；于2020年1月12日(菠菜生長(zhǎng)第八片真葉期間)測(cè)量菠菜凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)；在2020年1月15日收獲后采集土樣測(cè)定土壤pH、電導(dǎo)率、全氮和有機(jī)碳含量。

1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法 菠菜生長(zhǎng)及生理指標(biāo)的測(cè)定：依次測(cè)量菠菜株高、葉綠素含量、生物量、葉面積和光合指標(biāo)，每個(gè)處理5次重復(fù)中舍棄最大值和最小值后求取平均值為結(jié)果數(shù)據(jù)。株高采用卷尺測(cè)量，每盆選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株菠菜分別測(cè)量從土壤表層到自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的最高點(diǎn)高度；葉綠素含量(用SPAD值表示)采用SPAD-502Plus葉綠素測(cè)定儀(Konica Minolta，Inc.，Japan)測(cè)定，每盆選取測(cè)量株高時(shí)選定的3株菠菜分別測(cè)定從基部向上的第2、3片真葉；葉面積采用LI-3000A便攜式葉面積儀(Li-Cor，Inc.，USA)測(cè)定，每盆選取測(cè)量鮮重后的菠菜植株進(jìn)行測(cè)量；采用LI-6400XT便攜式光合儀(Li-Cor，Inc.，USA)，在早晨9：00—11：00時(shí)間段內(nèi)，設(shè)定光合儀的CO2濃度和葉室光強(qiáng)參數(shù)分別為500 μmol/mol和1 000 μmol/(m2·s)條件下，測(cè)定每盆菠菜的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

菠菜生物量的測(cè)定：第一次是在間苗期間測(cè)量，選取間苗中除去的3株大小相近的幼苗測(cè)量，取其平均值作為單株生物量；第二次測(cè)量時(shí)每盆有5株菠菜，選取本次測(cè)量株高時(shí)選中的3株中的1株剪取測(cè)量；依次類推，到第五次測(cè)量時(shí)，每盆有2株菠菜，選取其中1株進(jìn)行測(cè)量。每次取樣時(shí)用剪刀沿著土壤表面剪取菠菜地上部分，用蒸餾水洗除殘留泥土，再用濾紙吸干表面水分，之后用信封袋裝起來(lái)在精度為0.001 g的電子天平測(cè)量鮮重，隨后放入烘箱中，105 ℃條件下殺青30 min后調(diào)至75 ℃烘干至恒重，再用同一精度電子天平稱量其干重。

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定：在菠菜收獲后采用直徑為1.5 cm的土鉆采取土樣，采樣深度為10 cm，每盆中在等距的3個(gè)位置取3鉆土混合為一個(gè)土樣，風(fēng)干后去除作物殘留物，分別過(guò)2 mm和0.25 mm篩備用。土壤養(yǎng)分的測(cè)定采用常規(guī)方法進(jìn)行[22]，其中，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測(cè)定，全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用HClO4-H2SO4氧化法測(cè)定，pH采用電極法，用雷磁PHSJ-4F型酸度計(jì)測(cè)定，電導(dǎo)率采用雷磁DDS-303A型便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)定。

1.2.4 數(shù)據(jù)整理與分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行整理，采用SPSS 25.0進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)(鄧肯法，<0.05)，采用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同外源有機(jī)物和黏粒材料添加對(duì)菠菜生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響

在菠菜整個(gè)生育期內(nèi)，與CK相比，添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)菠菜株高和葉面積的增加具有不同程度的促進(jìn)效果(圖1)。由圖1可知，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，不同處理下菠菜株高顯著增加，在生長(zhǎng)旺期(2020年1月11日)，LWB處理顯著大于其他處理，株高為8.6 cm，CK最小為5.9 cm，其他處理間無(wú)顯著性差異，株高變幅在7.5 ～ 8.1 cm。在收獲期(2020年1月15日)，與CK相比，單施外源有機(jī)物處理菠菜株高有不同程度的增加，其中LC2處理增幅最大，增加了30.2%，LW處理增幅最小為15.2%；與LW處理相比，LWR、LWS和LWB處理株高有一定程度的增加，增幅在0.6% ～ 15.8%，所有處理中LWR處理株高最大，為9.1 cm，CK最小為6.7 cm。由圖1還可知，在幼苗期內(nèi)(2019年12月24日至2020年1月5日)，各處理菠菜葉面積均呈顯著性差異，單施外源有機(jī)物處理中，LW和LC2處理大于LC1處理；與LW處理相比，LWR、LWS和LWB處理有一定程度的增加，CK顯著小于其他處理。在收獲期，LW、LC2、LC1、LWS、LWR和LWB處理下菠菜葉面積分別是CK的1.5倍、1.8倍、2.3倍、2.3倍、2.8倍和2.9倍，其中LWB處理最大，為1 12.1 cm2/株，CK最小為38.3 cm2/株。

(柱圖上方不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)間不同處理間差異在P<0.05水平顯著；下同)

在菠菜整個(gè)生育期內(nèi)，與CK相比，添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)菠菜葉綠素含量有一定的提升效果(圖2)。在菠菜收獲期之前，LC1處理葉綠素含量最高，LW、LC2、LWR、LWS和LWB處理之間差異未達(dá)到顯著性水平，但均大于CK。在菠菜收獲期，CK最低，SPAD值為62.7，除LW處理外的其他處理之間差異未達(dá)顯著性水平，各處理SPAD值變幅在72.3 ～ 77.7。添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)菠菜光合作用有一定的促進(jìn)效果(表 3)。與CK相比，單施外源有機(jī)物處理對(duì)菠菜凈光合速率(Pn)具有不同程度的提升效果，其中LC1處理大于LW和LC2處理；與LW相比，LWR、LWS和LWB處理凈光合速率(Pn)具有一定程度的提升。所有處理中，LWR處理凈光合速率(Pn)和胞間CO2濃度(Gi)最大，分別為27.73 μmol/(m2·s)和428.8 μmol/mol。此外，LWR處理氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)也均大于其他處理，但各處理間差異未達(dá)顯著性水平。

圖2 不同處理下菠菜葉綠素含量

表3 不同處理下菠菜光合作用指標(biāo)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異在<0.05水平顯著；下同。

2.2 不同外源有機(jī)物和黏粒材料添加對(duì)菠菜生物量的影響

在不同生長(zhǎng)時(shí)期，與CK相比，添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)菠菜的生物量具有顯著的提升效果(圖3)。在幼苗期內(nèi)(2020年1月5日之前)，LWB處理鮮物質(zhì)量顯著大于其他處理。隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，不同處理間鮮物質(zhì)量呈顯著性增加，在生長(zhǎng)旺期(2020年1月10日)，CK顯著小于其他處理，為0.8 g/株；單獨(dú)添加外源有機(jī)物處理中，LC1處理鮮物質(zhì)量為2.5 g/株，分別是LC2和LW處理的1.0倍和1.4倍；與LW處理相比，補(bǔ)充黏粒材料后菠菜鮮重顯著增加，增幅在81.4% ～ 93.4%，但LWR、LWS和LWB處理之間差異未達(dá)顯著性水平，變幅在3.3 ～ 3.5 g/株。

圖3 不同處理下菠菜鮮物質(zhì)量

在菠菜收獲期(2020年1月15日)，不同處理之產(chǎn)量差異性顯著，其中LWB處理最大，為4.7 g/株，是CK的2.9倍。不同處理間產(chǎn)量由大到小依次表現(xiàn)為：LWB > LWR > LWS > LC1 > LC2 > LW > CK。

2.3 不同外源有機(jī)物和黏粒材料添加對(duì)沙黃土土壤理化性質(zhì)的影響

添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)土壤pH和電導(dǎo)率均有一定程度的影響(表4)。與CK相比，各處理pH均有不同程度的下降，其中LWB處理降幅最大，pH降低了0.36個(gè)單位，為7.53。LW、LC1、LC2、LWR和LWS處理之間差異未達(dá)顯著性水平，pH變幅在7.74 ～ 7.82。LC1處理土壤電導(dǎo)率顯著高于其他處理，為264.0 μS/cm，其他處理間差異未達(dá)顯著性水平，變幅在149.56 ～ 187.86 μS/cm。

添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)土壤全氮和有機(jī)碳含量均有不同程度的提升效果(表4)。與CK相比，LWS處理土壤全氮含量降低了4.1%，其他處理下土壤全氮含量均有不同程度的增加，增幅在0 ～ 6.1%。添加外源有機(jī)物和黏粒材料顯著提升了土壤有機(jī)碳含量，與CK相比，LC1、LWS、LC2、LW、LWB和LWR處理土壤有機(jī)碳含量分別提升了66.8%、84.0%、84.3%、92.4%、98.3%和116.3%；在補(bǔ)充黏粒處理中，與LW處理相比，LWB和LWR處理土壤有機(jī)碳提升了3.3% 和12.4%，而LWS處理下降了4.4%。

表4 不同處理下土壤理化性質(zhì)

3 討論

3.1 添加外源有機(jī)物對(duì)菠菜生長(zhǎng)及土壤理化性質(zhì)的影響

本研究表明，添加外源有機(jī)物木本泥炭和2種褐煤物質(zhì)對(duì)菠菜生長(zhǎng)具有良好的促進(jìn)作用，顯著提升了菠菜的生物量和土壤有機(jī)碳含量，并且對(duì)土壤全氮、電導(dǎo)率和pH也有一定程度的改善效果，這與前人研究的結(jié)果相一致[21,23-24]。在本試驗(yàn)中，2種褐煤物質(zhì)處理下收獲期菠菜產(chǎn)量分別是木本泥炭處理下的1.5倍和1.3倍，同時(shí)株高、葉面積及葉綠素含量也均高于木本泥炭處理，這可能是因?yàn)槟颈灸嗵亢恤然?、酚羥基、甲氧基等多種官能團(tuán)，導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施入土壤難以被微生物分解利用[6]，而褐煤物質(zhì)施入后提高了土壤的生物活性以及離子交換能力[7]，為土壤提供了更多的養(yǎng)分，進(jìn)而增加了菠菜生長(zhǎng)所需的有效養(yǎng)分含量，從而導(dǎo)致添加木本泥炭處理下菠菜的生長(zhǎng)及生理指標(biāo)均低于褐煤處理。陳碩等[25]通過(guò)改良設(shè)施大棚土壤(低鹽漬化)研究發(fā)現(xiàn)，單施木本泥炭處理與常規(guī)施肥相比，收獲期番茄產(chǎn)量和耕層土壤無(wú)機(jī)氮含量均有所下降，而土壤pH卻有所升高。類似研究表明，在潮土區(qū)域通過(guò)一季玉米種植，單施木本泥炭處理玉米籽粒產(chǎn)量和地上生物量均有所降低[5]。本試驗(yàn)結(jié)果與之恰好相反，可能與木本泥炭對(duì)不同質(zhì)地土壤養(yǎng)分的吸附作用有關(guān)[6]。木本泥炭本身具有較強(qiáng)的吸附能力，導(dǎo)致設(shè)施大棚和潮土土壤中的有效養(yǎng)分離子難以被作物吸收利用，因此作物產(chǎn)量有所降低[6,25]。本試驗(yàn)中，單施木本泥炭處理，與對(duì)照相比菠菜產(chǎn)量雖然有所提升，但未達(dá)顯著性水平，可能是沙黃土本身養(yǎng)分含量較低，添加木本泥炭為土壤提供了一定的養(yǎng)分，從而有利于菠菜產(chǎn)量的增加。趙文慧等[5]、Fu等[23]和陳碩等[25]研究表明，添加木本泥炭后土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提升；柳夏艷等[26]通過(guò)定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，向沙土中添加褐煤后土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提升了115.0%，本試驗(yàn)研究結(jié)果與之相一致。然而土壤有機(jī)質(zhì)積累是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因而本試驗(yàn)中短期內(nèi)增加的有機(jī)質(zhì)實(shí)則為添加到土壤中的有機(jī)碳含量，試驗(yàn)中木本泥炭處理土壤有機(jī)碳含量提升了92.4%，分別是褐煤物質(zhì)1和褐煤物質(zhì)2處理的1.4倍和1.1倍。此外，本試驗(yàn)結(jié)果表明，添加木本泥炭與2種褐煤物質(zhì)對(duì)土壤電導(dǎo)率有一定的調(diào)節(jié)作用(表4)。其中，褐煤物質(zhì)1處理下土壤電導(dǎo)率顯著提升，而其他處理之間差異未達(dá)顯著性水平，可能與該褐煤物質(zhì)本身電導(dǎo)率較高相關(guān)。目前關(guān)于添加外源有機(jī)物對(duì)土壤電導(dǎo)率影響的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，其具體原因還有待于進(jìn)一步研究。

3.2 補(bǔ)充黏粒材料對(duì)菠菜生長(zhǎng)及土壤有機(jī)碳保護(hù)效果的影響

本研究表明，添加木本泥炭的基礎(chǔ)上補(bǔ)充黏粒材料在一定程度上能夠提升菠菜的株高、葉綠素含量、凈光合速率以及土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)顯著增加了菠菜葉面積和生物量，這與前人研究結(jié)果基本一致[21,23,25]。補(bǔ)充3種黏粒材料后，其中補(bǔ)充砒砂巖黏粒處理下收獲期(2020年1月15日)菠菜葉面積和產(chǎn)量均顯著小于紅黏土黏粒和膨潤(rùn)土處理，這可能與砒砂巖黏粒處理下土壤有機(jī)碳和全氮含量均小于其他兩種黏粒處理有關(guān)。補(bǔ)充黏粒處理中以補(bǔ)充膨潤(rùn)土處理菠菜生長(zhǎng)效果最佳(圖 1、圖3和表 3、表4)，可能是因?yàn)榕驖?rùn)土的保水蓄肥能力較強(qiáng)，更適用于沙性土壤改良[15]，從而有效改善了沙黃土土壤結(jié)構(gòu)及其他理化性狀，更利于促進(jìn)菠菜生長(zhǎng)。土壤黏粒會(huì)對(duì)土壤團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)和破碎過(guò)程產(chǎn)生一定的影響，土壤黏粒等膠結(jié)物質(zhì)將有機(jī)碳包裹在團(tuán)聚體中，減少了空氣接觸，降低了分解者的分解速率，因而增加了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，有利于土壤結(jié)構(gòu)的維持和有機(jī)碳的保護(hù)[21,27-29]。本研究結(jié)果表明，在添加木本泥炭的基礎(chǔ)上補(bǔ)充黏粒材料能夠?qū)ν寥烙袡C(jī)碳起到物理保護(hù)效果，同時(shí)對(duì)土壤的理化性質(zhì)也具有一定的改良作用。與單施木本泥炭相比，補(bǔ)充膨潤(rùn)土和紅黏土黏粒處理下土壤有機(jī)碳含量分別提升了3.3% 和12.4%，而補(bǔ)充砒砂巖黏粒處理下土壤有機(jī)碳含量下降了4.4%，可能是因?yàn)檠a(bǔ)充砒砂巖黏粒處理下菠菜產(chǎn)量遠(yuǎn)高于單施木本泥炭處理，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳消耗較多。類似研究表明，于晉陜蒙礦區(qū)排土場(chǎng)添加沙黃土+風(fēng)化煤+砒砂巖處理培肥土壤，土壤有機(jī)質(zhì)和力穩(wěn)性團(tuán)聚體含量得到了提升，同時(shí)增加了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[29]。這進(jìn)一步證明補(bǔ)充黏粒可以有效改良土壤結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ν寥烙袡C(jī)碳起到物理保護(hù)的作用。關(guān)于黏粒對(duì)土壤有機(jī)碳具有物理保護(hù)作用這種觀點(diǎn)大多研究者都持肯定態(tài)度[9-13,23,27-29]，但也有人持否定觀點(diǎn)，Müller等[14]通過(guò)模型研究土壤黏粒與土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際農(nóng)林條件不同的情況下，土壤有機(jī)碳與土壤黏粒含量之間沒(méi)有或只有很弱的關(guān)系，而與當(dāng)?shù)貧夂蜃儺愋?、有機(jī)物輸入等因素相關(guān)程度較高；Li等[30]通過(guò)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤中有機(jī)物的生物有效性受土壤水分含量及其在土壤基質(zhì)中分布的直接影響，而土壤質(zhì)地在很大程度上只起到間接作用。本研究結(jié)果與大多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果相一致。由于本試驗(yàn)周期較短和條件限制，雖然不同處理之間菠菜的生長(zhǎng)、生理指標(biāo)和土壤理化性質(zhì)均表現(xiàn)出一定的差異性，然而不同處理是否完全發(fā)揮了其應(yīng)有的作用還有待于進(jìn)一步研究。此外，單施外源有機(jī)物處理中，褐煤物質(zhì)對(duì)菠菜生長(zhǎng)的促進(jìn)效果優(yōu)于木本泥炭處理，但對(duì)土壤有機(jī)碳的提升效果低于木本泥炭，那么將其與黏粒配施是否比木本泥炭與黏粒配施的綜合效果更佳？為此，本研究將在后期試驗(yàn)中針對(duì)不同外源有機(jī)物和黏粒材料配施，探究其對(duì)土壤有機(jī)碳的提升及保護(hù)效果。同時(shí)建議進(jìn)行長(zhǎng)期定點(diǎn)試驗(yàn)，觀測(cè)在添加外源有機(jī)物的基礎(chǔ)上補(bǔ)充黏粒材料對(duì)粗質(zhì)沙黃土土壤有機(jī)碳保護(hù)的時(shí)效性以及土壤結(jié)構(gòu)的改善效果，進(jìn)一步揭示兩者相結(jié)合對(duì)土壤有機(jī)碳提升及保護(hù)效果的機(jī)理，為黃土區(qū)粗質(zhì)地土壤快速培肥和地力提升找到更優(yōu)方案。

4 結(jié)論

添加不同外源有機(jī)物對(duì)沙黃土有機(jī)碳含量和菠菜生長(zhǎng)的影響效果不同，與對(duì)照相比，木本泥炭處理土壤有機(jī)碳含量顯著提升了92.4%，同時(shí)菠菜產(chǎn)量也有所增加但差異未達(dá)顯著性水平；褐煤1處理土壤有機(jī)碳含量提升最低為66.8%，而菠菜產(chǎn)量卻顯著高于木本泥炭和褐煤2處理。與單施木本泥炭相比，在添加木本泥炭的基礎(chǔ)上補(bǔ)充黏粒材料對(duì)土壤有機(jī)碳具有一定程度的保護(hù)效果，同時(shí)對(duì)菠菜生長(zhǎng)具有顯著的促進(jìn)作用，其中以木本泥炭配施膨潤(rùn)土處理菠菜葉面積和產(chǎn)量最高。此外，與對(duì)照相比，不同處理土壤pH有一定程度降低，同時(shí)電導(dǎo)率和全氮含量有一定程度增加。總體而言，在粗質(zhì)沙黃土中添加木本泥炭的基礎(chǔ)上補(bǔ)充膨潤(rùn)土能夠顯著促進(jìn)作物生長(zhǎng)，且對(duì)土壤有機(jī)碳具有一定的保護(hù)效果，是一種沙黃土土壤有機(jī)碳快速提升和肥力保持的有效途徑。

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Effects of Adding Exogenous Organic Matter and Clay Materials on Soil Organic Carbon and Spinach Growth in Sandy Loess Soil

LUO Ruihua1, FU Wei1, FAN Jun1, 2*, LIU Meng1, NIU Xiaotao2, NIU Yuhua3

(1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Agriculture on the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China;3 Shaanxi Agricultural Products Processing Technology Research Institute, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

Rapidly increasing organic carbon of poor soil is an important way to improve soil and increase land productivity. In this study, through greenhouse pot experiment of sandy loess, 7 treatments were designed (each treatment with 5 replicates), i.e., sandy loess control (CK), sandy loess + woody peat (LW), sandy loess + lignite 1 (LC1), sandy loess + lignite 2 (LC2), sandy loess + woody peat + red clay soil clay (LWR), sandy loess + woody peat + arsenic clay (LWS) and sand loess + woody peat + bentonite (LWB). Spinach growth and physiological indexes during the growth period (35 days) and the effect on soil organic carbon (SOC) were compared. The results show that: compared with CK, spinach yield and SOC content at the harvest stage are increased significantly under other treatments (<0.05), in which the yield increased by 18.6%, 51.3%, 80.8%, 127.6%, 148.1% and 203.8%, while SOC increased by 92.4%, 84.3%, 66.8%, 84.0%, 116.3% and 98.3% respectively under the treatments of LW, LC2, LC1, LWS, LWR and LWB, while soil pH is reduced to a certain extent. Compared with LW, after supplementation of clay material, spinach leaf areas at harvest stage are increased significantly by 55.0%, 86.5% and 98.3% (<0.05), respectively under LWS, LWR and LWB. Soil pH, electrical conductivity, organic carbon and total nitrogen content vary to a certain extent but without significant difference. In conclusion, single application of woody peat and two lignite substances have different effects on the growth of spinach and the increase of SOC. Among them, woody peat has greater effect on SOC but smaller effect on spinach growth than lignite substances. On the basis of adding woody peat, supplementing clay materials has significant effects on the increase of spinach leaf area and yield. To a certain extent, SOC is increased and soil physiochemical properties are improved. Among all the treatments, woody peat + bentonite has the best comprehensive effect. This study provides a new way for rapid fertilization and fertility maintenance of coarse soil.

Sandy loess; Woody peat; Lignite; Clay; Spinach; Soil organic carbon

S158.5

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.03.005

羅瑞華, 付威, 樊軍, 等. 添加外源有機(jī)物和黏粒材料對(duì)沙黃土有機(jī)碳和菠菜生長(zhǎng)的影響. 土壤, 2022, 54(3): 464–472.

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020NY-158，2020NY-169)和榆林市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019-131)資助。

(fanjun@ms.iswc.ac.cn)

羅瑞華(1996—)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事土壤改良方面研究。E-mail：18235417656@163.com