长期定位秸秆还田不同施肥处理对土壤腐殖质组分含量的影响

陈晶培,刘树堂,辛 励,陈延玲,南镇武,刘锦涛,袁铭章

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东 青岛 266109)



长期定位秸秆还田不同施肥处理对土壤腐殖质组分含量的影响

陈晶培,刘树堂,辛 励,陈延玲,南镇武,刘锦涛,袁铭章

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东 青岛 266109)

通过6年的田间定位比较试验,探究了小麦-玉米秸秆还田条件下不同施肥处理对土壤腐殖质含量变化的影响。结果表明:随着秸秆还田年限的增长,胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)含量逐渐上升,与对照(CK)比较,3种秸秆还田模式土壤腐殖酸平均增幅为3.84%～62.16%,差异较明显。两季秸秆还田施氮肥(WCN)土壤腐殖质(HA、FA、HM)含量最高,比对照(CK)平均增加98.16%。一季秸秆还田施氮肥(WN)、两季秸秆还田施氮肥(WCN)以及有机肥(M)处理都可以提高土壤水溶性物质(WSS)的含量,两季秸秆还田(WC)处理土壤WSS含量稳定在(0.29±0.11) g/kg水平，两季秸秆还田配施氮肥处理(WCN)相较于对照(CK)增加89.29%。随着还田年限增加,两季秸秆还田施氮肥(WCN)处理HA/FA 和PQ值到2014年达到最大,分别为1.08,0.52。说明两季秸秆还田与化肥配施能够提高土壤胡敏酸(HA)、胡敏素(HM)和富里酸(FA)的含量,还能够显著地提高土壤腐殖质腐殖化程度,增加腐殖酸含量并使之稳定增长。

秸秆还田;有机肥;化肥;土壤腐殖质

土壤腐殖质是土壤中有机胶体的主要部分,具有明显的胶体特性,是一种高分子的复杂稳定的物质,其形成主要是在微生物的作用下经过降解,转化等过程[1]。它是由芳核、含氮有机化合物及复环3种基本形式构成的有机物。腐殖质的组成通常基于腐殖质自身的颜色以及在酸碱溶液中的可溶性,分为富里酸、胡敏酸和胡敏素3类。在腐殖质的形成过程中,前期植物体的残体分解成小分子的含碳化合物,并在微生物的作用下,增殖生成细胞组分;后期在有机物如多酚和醌或类木质素的作用下生成高聚合化合物,经过一系列反复循环的过程,最终生成的物质即腐殖质[2]。

土壤腐殖质的生成是土体中植物被微生物降解的结果,尤其是指植物体的枯枝落叶,腐烂的根系等,因此,腐殖质在土壤总体中占有较大的比重。腐殖物质含量在一定程度上可作为土壤有机质的含量表征,而有机质往往作为土壤质量的表征[3],特别是针对长期定位施肥试验,秸秆还田作为大田有机质投入过程,秸秆的投入量能表征有机质的投入量,一定程度上反映了腐殖质组分的增加量,因此,秸秆还田过程可以有效地揭示土壤腐殖物质组分的动态特性[4-8]。

长期定位施肥试验,包括长期定位单施化肥、单施有机肥、化肥有机肥配施及秸秆还田与化肥配施等方面已有相关研究,尤其是针对秸秆还田配施氮肥处理对土壤各种养分含量、理化特性、土壤结构形态影响等方面已有相关报道[9-15]。但有关春小麦-夏玉米轮作长期秸秆还田配施化肥对土壤腐殖质组分含量动态变化及活性的影响研究目前较少,是通过影响腐殖质组分中的哪些组分进而影响其含量,哪种组分含量变化的影响较大,都有待去探究。本试验以青岛农业大学莱阳校区春小麦-夏玉米轮作秸秆还田长期定位试验为平台,目的是为了探明在不同秸秆还田条件下,随着还田时间的累积各个试验处理腐殖质组分含量的动态变化规律及其构成变化特性[16-17],深入认识秸秆还田与化肥配施与腐殖质含量之间的动态规律[18]。

1 材料和方法

1.1 试验设计

在青岛农业大学莱阳校区长期定位试验站进行试验,施肥前耕层土壤基本特性为土壤有机质含量5.08 g/kg,全氮(N)量0.56 g/kg,全磷(P)量0.64 g/kg,土壤有效磷(P)16.34 mg/kg,土壤速效钾(K)72.00 mg/kg,阳离子代换量13.80 cmol/kg,pH 值6.8。

2009-2014年进行试验,共设5个试验处理(表1),每个处理设置3个重复,共15个试验小区,完全随机排列。每个小区都设置高垄肥水漫灌,各处理用水量及中耕管理相一致。

表1 试验处理

注:+.单季小麦秸秆还田;++.小麦-玉米两季秸秆还田。

Note:+.Quarterly wheat straw returned;++.Wheat and corn straw returned two seasons.

1.2 测定方法

本试验在青岛农业大学实验室内进行。腐殖质的提取和分组(定量)采用的是腐殖质组成修改法,水溶性物质(WSS) 、水浮性物质 (WFS) 、土壤有机碳(SOC)的测定用重铬酸钾氧化法[19]。胡敏素(HM)、胡敏酸 (HA)、富里酸 (FA)、总有机碳 (TOC)用碳氮分析仪来测定。

试验数据通过Excel 2003、Origin Pro 7.5进行数据处理和绘制图表,SPSS 13.0软件进行方差分析、相关性分析、变量间的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 长期定位秸秆还田对土壤总有机碳(TOC)的影响

同一个处理不同还田年份比较,2012-2014年TOC含量逐步提高,WC处理较CK有明显提高,WN、M、WCN处理下总有机碳(TOC)含量均显著高于CK,2012-2014年各个试验处理结果较2009年存在差异(表2)。说明土壤总有机碳 (TOC)含量变化总体上随着秸秆还田年限的增加而增加。其中,2014年WC、WCN、WN、M这4种模式处理较CK有所提高,增幅为45.14%～108.20%,其中WC处理增幅最小,WCN处理增幅最大。相同年份,WCN、WN处理总有机碳含量显著高于M处理,增幅为16.05%～26.70%,说明长期施用有机肥有利于土壤腐殖质的积累[20-23]。

2.2 长期定位秸秆还田对土壤胡敏酸(HA)含量变化影响

胡敏酸 (HA) 是土壤腐殖质组分的重要组成部分,因此具有土壤腐殖质所具有的一些基本特性,它是一种胶体物质,其随着连作年限增加胡敏酸 (HA) 含量逐渐升高[24-25]。

表2 秸秆还田对土壤总有机碳 (TOC)含量的影响

注:小写字母表示0.05水平显著差异。表3-5同。

Note:Small letters mean significant difference at the 5% level.The same as Tab.3-5.

从图1可以看出,随着年份的累积,土壤胡敏酸 (HA) 含量不断增加,其中,WC、M、WN、WCN各处理在2012,2014年土壤胡敏酸(HA)含量增长稳定,含量在(0.54±0.05),(0.67±0.06),(0.88±0.07),(1.09±0.10)g/kg的水平上,其中WC与CK相比,土壤胡敏酸 (HA) 含量增加了26.40%;WN、WCN处理与CK相比,分别增加了72.30%,109.11%。在2012-2014年,WN、WCN处理胡敏酸(HA)的含量较M处理增幅为31.70%,63.85%。这表明,随着还田年限增加,胡敏酸 (HA) 含量逐渐升高,其中两季秸秆还田与氮肥配施较其他3种处理可以明显提高土壤胡敏酸(HA)含量,提高土壤肥力。

图1 长期定位秸秆还田胡敏酸含量变化

2.3 长期定位秸秆还田对富里酸(FA)含量的影响

施有机肥或秸秆还田与无机肥配施均能提高富里酸(FA)含量,但是增幅不如胡敏酸(HA)含量明显。如图2所示,WCN、WN处理二者的效果相近,与对照相比，土壤富里酸(FA)含量增加明显，2012，2014年增幅分别为23.13%,29.34%。M处理由于直接向土壤中投入大量的有机物质，土壤富里酸(FA)含量增加明显，较CK处理增幅维持在(0.10±0.05)g/kg水平上；WC处理并没有大幅度增加土层的富里酸(FA)含量而是使之维持动态稳定，保持稳定的变化趋势，较CK处理略微上升，分别维持在(0.05±0.01)g/kg 水平上；CK处理土壤有机质含量得不到外源物质的补充，随年限增加，土壤富里酸(FA)含量呈小幅度上升趋势。

图2 秸秆还田土壤富里酸含量变化

从表3可以看出,随着时间的增加,WC、WCN、WN处理与CK处理相比,胡敏素(HM)含量增幅明显,连作5 年时含量达到最大,其中WCN处理增幅最为明显，为109.50%。不同年份，胡敏素(HM)含量均呈现增加的变化趋势，M、WN、WCN处理与对照CK相比，胡敏素(HM)含量增幅均在2014年达到最大，分别为16.91%，70.62%，96.44%。WCN处理对土壤胡敏素(HM)影响最大，说明秸秆还田与氮肥配合施用相较于单施有机肥能够明显的增加土壤胡敏素(HM) 含量。

表3 秸秆还田HM含量变化

2.5 HA/FA比值和PQ

如图3所示,土壤腐殖质活性指标胡敏酸/富里酸(HA/FA)，腐殖质活性指数PQ值的变化趋势随着还田年限增加，两季秸秆还田施氮肥(WCN)处理HA/FA和PQ值到2014年达到最大，分别为1.08，0.52；与CK相比，WC处理HA/FA随还田年限增加而增加，平均每年增加1.89%。WCN、WN处理与WC处理相比，WCN处理增幅最为明显，2014年处理比CK增加了65.57%，说明氮肥施用能够提高腐殖酸活性(HA/FA)。秸秆还田后,2012,2014年相较于2009年,不同试验处理HA/FA值比CK增加了0.05～0.48,其中WCN处理还田5年时达最大值为1.08，增加趋势最为明显，增加了92.85%，此时土壤中腐殖酸以胡敏酸 (HA) 为主,说明秸秆还田配施化肥土壤中胡敏酸(HA)的形成速度较快,而富里酸(FA)的形成受到抑制。

图3 秸秆还田土壤腐殖质组成相对比例的变化趋势(HA/FA和PQ)

2.6 秸秆还田对土壤可提取腐殖物质总量 (HE) 的影响

秸秆分解过程,符合大分子有机物在土壤中降解的基本规律,还田的秸秆为土壤微生物维持了合适的C/N环境条件,先矿化分解生成小分子的化合物质,然后在木质素或其分解的中间产物作用下经腐殖化作用形成腐殖物质[20]。腐殖酸(HE)在土壤腐殖质形成过程中具有重要意义[26]。

如表4所示,相较于CK,时间越长,WCN处理与2009年原始土壤相比，土壤腐殖酸(HE)含量累积增加最多，平均每年增加21.08%；WC处理增加最低，平均每年增加6.13%。与对照(CK)比较，3种秸秆还田模式土壤腐殖酸平均增幅为3.84%～62.16%，差异较明显。两季秸秆还田施氮肥(WCN)土壤腐殖质(HA、FA、HM)含量最高，比对照(CK)增加了98.16%。其中,WCN处理显著高于CK处理、WC处理和M处理;整体土壤腐殖酸活性表现为WCN>WN>M>WC。结果表明，秸秆还田可以明显提高土壤腐殖酸含量,而且配合施用氮肥的效果更佳[27]。

表4 腐殖酸总量变化

2.7 WSS组分含量变化

不同模式的秸秆还田对土体中水溶性的有机碳的影响存在差异,由于不同秸秆还田模式下,秸秆还田有效含量不同,秸秆降解过程中微生物的降解程度及其与土壤水分空气的接触空间都存在差异,这对土壤中的WSS的含量产生影响[28]。如图4所示,水溶性有机碳含量和土壤有机碳含量之间存在较好的相关关系(2012年:R2=0.964 2;2014年:R2=0.928 4),土体中水溶性含碳量能表征土壤有机碳的存储量。

土壤中水溶性有机碳是有机碳中具有水溶特性的组分,如表5所示,不同年份中WC处理土壤WSS含碳量稳定不变,保持在(0.29±0.11) g/kg水平上。两季秸秆还田配施氮肥处理(WCN)相较于对照(CK)增加了89.29%，配施化肥后,WN、WCN处理WSS含量增加明显。WCN处理WSS含量还田6年达最大值0.53 g/kg。WCN、WN各处理与M处理比较,WSS含量增加幅度较大。施用有机肥处理以及秸秆配施化肥各处理土壤WSS含量总体上升趋势,具有明显的规律性。

图4 水溶性有机碳和土壤有机碳的关系

表5 土壤水溶性有机碳含量

2.8 腐殖质组分含量的差异

由于HE、HM、HA、FA、TOC、WSS之间存在良好的相关关系,所以看作一个总体,对2012，2014年各处理的平均值进行聚类分析,系统树分析结果 (图5) 表明,当5个处理分2组时,组间距离较大,说明各组的特点比较突出,第1组包括CK、WC处理,该组总体处于较低水平,第2组为M、WN、WCN处理,该组处于较高水平。与CK相比,WN、WCN处理可以有效改善土壤总体肥力水平,且WCN处理最为明显。 在一季秸秆还田施氮肥(WN) 和两季秸秆还田施氮肥(WCN)还田模式下,土壤腐殖质总量明显增加,高于单施有机肥(M)处理,其中两季秸秆还田施氮肥(WCN)处理增幅最大。

图5 2012,2014年 HE、HM、HA、FA、TOC、WSS平均值进行聚类分析

3 讨论与结论

3.1 秸秆还田(WC)处理土壤有机碳含量增加

经过5年不同施肥试验处理，土壤总有机碳含量整体上呈增加趋势,相较于两季还田施氮肥(WCN),单施有机肥(M)、小麦秸秆还田施氮肥(WN) 、两季秸秆还田(WC)处理土壤有机碳含量增幅较小。说明长期秸秆还田配施氮肥是增加农田土壤有机质的关键施肥技术手段,能够增加土壤有机碳含量,提高土壤的质量水平。

3.2 秸秆还田土壤腐殖质和腐殖酸都呈增加趋势

随秸秆还田年限增加,各处理腐殖质和腐殖酸都有积累,含量不断增加。土壤腐殖酸(HE) 含碳量上升幅度较小,为3.84%～62.16%,而胡敏酸(HA) 含碳量变化范围较大,为26.40%～109.11%。腐殖质(HE)、胡敏酸(HA) 含碳量增幅明显,不同还田模式的处理土壤胡敏酸(HA) 含量随着年限增加均呈不断增加,还田5年达峰值[29]。

3.3 不同处理对土壤中WSS的影响

秸秆还田不同处理的施肥方式之间对土壤中水溶性的有机碳影响差异较大,秸秆还田量一定程度上影响土壤颗粒与空气,水分的空间关系,尤其是影响土壤中水溶性有机碳的溶解性,因此,秸秆还田量对土壤中可溶性有机碳含量影响较大。

3.4 秸秆还田后土壤HA/FA增加

不同秸秆还田处理后,相较于CK,HA/FA平均增加0.05～0.48,还田5年达最大值1.08,但秸秆还田后,WC处理土壤HA/FA差值减小。此时土壤腐殖酸活性最强,提高土壤有机碳的有效性。长期秸秆还田及有机肥与化肥配施能提高土壤HA/FA。此结果与龚伟等[3]的研究结果相一致,即秸秆还田与化肥配施在不同程度上能提高土壤HA/FA,并且对胡敏酸(HA)含量的影响效果更明显。说明秸秆还田与化肥配施肥处理土壤胡敏酸 (HA) 结构更加稳定,土壤有机质品质逐渐提高,有利于胡敏酸(HA) 和富里酸(FA)的形成和积累。

3.5 秸秆还田后土壤中HM含量总体呈增加趋势

相对于两季还田施氮肥(WCN),小麦秸秆还田施氮肥(WN)、两季秸秆还田(WC)土壤腐殖酸含量增幅较小。与空白处理,单施有机肥比较,秸秆还田与化肥配施土壤腐殖酸总量有较大幅度提高。这表明两季秸秆还田与化肥配施可以提高土壤腐殖酸的活性。

[1] 张晋京,窦 森,李翠兰,等.土壤腐殖质分组研究[J].土壤通报,2004,35(6):706-709.

[2] 吕贻忠,李保国.土壤学[M].北京:中国农业出版社,2006:93-98.

[3] 龚 伟,颜晓元,王景燕,等.长期施肥对小麦-玉米作物系统土壤腐殖质组分碳和氮的影响[J].植物营养与肥料学报,2009,15(6):1245-1252.

[4] 窦 森,于水强,张晋京.不同CO2浓度对玉米秸秆分解期间土壤腐殖质形成的影响[J].土壤学报,2007,44(3):458-466.

[5] Piccolo A,Spaccini R,Nieder R,et al.Sequestration of a biologically labile organic carbon in soils by humified organic matter[J].Climatic Change,2004,67:329-343.

[6] Doane T A,Devêvre O C,Horwth W R.Short-term soil carbon dynamics of humic fractions in low-input and organic cropping systems[J].Geoderma,2003,114(3-4):319-331.

[7] Lou Y L,Wang J K,Liang W J.Impacts of 22-year organic and inorganic N managements on soil organic C fractions in a maize field,northeast China[J].Catena,2011,87:386-390.

[8] Lou Y L,Xu M G,Wang W,et al.Soil organic carbon fractions and management index after 20 year of manure and fertilizer application for green house vegetables[J].Soil Use and Management,2011,27(2):163-169.

[9] 陈毛华,徐阳春.蚓类与猪粪堆肥配合对腐殖质组成变化和产量的影响[J].华北农学报,2014,29(2):233-238.

[10] 张夫道.长期施肥条件下土壤养分的动态和平衡——Ⅰ对土壤腐殖质积累及其品质的影响[J].植物营养与肥料学报,1995(S1):10-21.

[11] 韩 宾,徐尚起,张海林,等.耕作方式对土壤腐殖质结合状态及组成的影响[J].中国农业大学学报,2010,15(1):72-78.

[12] 张鸿龄,梁成华,杜立宇,等.长期定位施肥对保护地土壤腐殖质结合形态的影响[J].应用生态学报,2006,17(5):831-834.

[13] 张奇春,王光火.施用化肥对土壤腐殖质结构特征的影响[J].土壤学报,2006,43(4):617-623.

[14] 史吉平,张夫道,林 葆.长期定位施肥对土壤腐殖质结合形态的影响[J].土壤肥料,2002,6(6):8-12.

[15] 辛 励,刘锦涛，刘树堂，等.长期定位条件下秸秆还田对土壤有机碳及腐殖质含量的影响[J].华北农学报,2016,31(1):218-223.

[16] 张晋京,张大军,窦 森,等.田间定位施肥对土壤腐殖质组分数量与特性的影响[J].土壤通报,2006,37(6):1243-1246.

[17] 花 莉,金素素,洛晶晶.生物质炭输入对土壤微域特征及土壤腐殖质的作用效应研究[J].生态环境学报,2012,21(11):1795-1799.

[18] 潘剑玲,代万安,尚占环,等.秸秆还田对土壤有机质和氮素有效性影响及机制研究进展[J].中国生态农业学报,2013,21(5):526-535.

[19] 窦 森,肖彦春,张晋京.土壤胡敏素各组分数量及结构特征初步研究[J].土壤学报,2006,43(6):934-940.

[20] 田慎重,宁堂原,王 瑜,等.不同耕作方式和秸秆还田对麦田土壤有机碳含量的影响[J].应用生态学报,2010,21(2):373-378.

[21] 万晓晓,石元亮,依艳丽.长期秸秆还田对白浆土有机碳含量及腐殖质组成的影响[J].中国土壤与肥料,2012(3):7-11.

[22] 陈尚洪,朱钟麟,刘定辉,等.秸秆还田和免耕对土壤养分及碳库管理指数的影响研究[J].植物营养与肥料学报,2008(4):806-809.

[23] 王 虎,王旭东,田宵鸿.秸秆还田对土壤有机碳不同活性组分储量及分配的影响[J].应用生态学报,2014,25(12):3491-3498.

[24] 张晋京,窦 森.土壤胡敏素研究进展[J].生态学报,2008,28(3):1229-1239.

[25] 接晓辉,杨丽娟,周崇峻,等.长期施肥对保护地土壤腐殖质总量及各形态之间比值的影响[J].土壤通报,2009,4(4):805-808.

[26] 依洪涛,姜丹丹,戴建军,等.有机肥施用年限对碱化草甸土腐殖质组成的影响[J].中国土壤与肥料,2012,6(6):10-13.

[27] 刘 军,景 峰,李同花,等.秸秆还田对长期连作棉田土壤腐殖质组分含量的影响[J].中国农业科学,2015,2(2):293-302.

[28] 褚 慧,宗良纲,汪张懿,等.不同种植模式下菜地土壤腐殖质组分特性的动态变化[J].土壤学报,2013,50(5):931-939.

[29] 邹洪涛,关 松,凌 尧,等.秸秆还田不同年限对土壤腐殖质组分的影响[J].土壤通报,2013,44(6):1398-1402.

Effects of Long Term Positioning of Straw Returning to Field of Different Fertilizer Treatments on Content of Soil Humus Fractions

CHEN Jingpei,LIU Shutang,XIN Li,CHEN Yanling,NAN Zhenwu,LIU Jintao,YUAN Mingzhang

(College of Resource and Environment,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China)

Through 6 years of field experiments,the intention of the experiment was to study the effects of the different fertilizer treatments on the soil humus content changes under the condition of wheat-corn straw returned.The results suggested that humic acid (HA),fulvic acid (FA) and humin (HM) content increased gradually with the increase of age of straw length.Contrast with CK,3 types of straw return to soil humic acid with an average increased of 3.84% to 62.16%,there were significant differences among them.The soil humus (HA,FA,HM) content in WCN treatment was the highest,and the averagely increased 98.16% than CK.WN,WCN and M treatment could improve the content of soil water soluble substance (WSS),the contents of WSS under WC treatment were stable in (0.29±0.11) g/kg level.WCN compared to CK increased by 89.29%.With the increase of straw returning years,the treatment of WCN HA/FA and the PQ value reached maximum in 2014,1.08 and 0.52 respectively.It stated that two seasons could enhance the content of soil humic acid(HA),humin (HM),fulvic acid (FA) and could also significantly improve humus soil humification degree,increase the content of humic acid and make steady growth.

Straw returned;Organic fertilizer;Fertilizer;Soil humus

2016-05-15

山东省现代农业产业技术体系建设经费(SDAIT-02-06)；鲁东丘陵区小麦玉米水肥自然资源高效利用综合技术集成与示范研究(2013BAD07B06-03)；高效海洋复合微生物肥料关键技术的研究与示范(2015ZDXX0502B01)；公益性行业(农业)科研专项(201203030)

陈晶培(1992-),女,河南许昌人,在读硕士,主要从事植物营养研究。

刘树堂(1962-),男,山东安丘人,教授,博士,硕士生导师,主要从事植物营养与施肥技术的研究。

S158

A

1000-7091(2016)05-0180-06

10.7668/hbnxb.2016.05.027