长期秸秆还田不同施肥对土壤腐殖质含量及结构的影响

袁铭章,辛 励,刘树堂,南镇武,刘锦涛,陈晶培

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东 青岛 266109)



长期秸秆还田不同施肥对土壤腐殖质含量及结构的影响

袁铭章,辛 励,刘树堂,南镇武,刘锦涛,陈晶培

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东 青岛 266109)

为了给提高耕层肥力、合理利用农业废弃秸秆提供良好的依据,采用腐殖质组成修改法与红外光谱法分析了不同秸秆还田条件下各施肥处理对非石灰性潮土腐殖质含量及结构的变化。以青岛农业大学长期定位秸秆还田试验为基础,设5个试验处理,施氮肥条件下设小麦、玉米秸秆还田(WCN)、一季小麦秸秆还田(WN)2个处理,同时设小麦玉米两季秸秆还田(WC)、对照(CK)、单施有机肥(M)处理。结果表明:随着时间的延续,秸秆还田条件下,2015年各处理土壤中胡敏酸(HA)、富里酸(FA)含量分别平均较2009年提高了117.68%，102.5%。与CK相比,秸秆还田模式各处理土壤腐殖酸总含量(HE)平均增幅21.8%～47.9%,其中腐殖质含量最高为WCN,2015年较CK增长118.8%,较2009年原始土壤增长了183.63%。两季秸秆还田配施化肥处理,能够增加土壤胡敏酸和富里酸的含量,胡富比值增大,增加腐殖酸含量并使之平稳增长。土壤腐殖物质活力从高到低为:WCN>WN>M>WC。两季秸秆还田及配施有机肥,提高了芳香族类、羧基类化合物含量,而多糖类化合物含量减少,可提升土壤腐殖质的活性及芳化程度。两季秸秆还田配施氮肥可提高土壤中有机碳含量,提高土壤地力。

红外光谱法;秸秆还田;腐殖质含量;腐殖质结构

秸秆还田技术在现代农业生产中得到了广泛的应用。不仅可以减缓土壤肥力衰竭,提高土壤有机质含量,长期施用秸秆对土壤腐殖质积累的贡献也非常明显。因此,充分发挥秸秆的作用,改善土壤养分资源,提高土地利用效率。有关研究人员[1-3]表明对秸秆还田的基础应用,可以改善土壤环境,提高土壤养分,提高作物产量。

土壤中腐殖质占总有机质的85%～90%,是土壤有机质的主体[4],可以通过影响土壤综合理化性质来提高土壤地力,土壤腐殖质是影响作物生长的重要因素也是影响土壤质量的关键因素。

对土壤有机质物质结构的分析,通常运用红外光谱法,因其具有试验步骤简单方便、高度灵敏等优点,仅少量试验土样且无需特殊分离即可准确得出结果。现在更多围绕土壤腐殖质结构和含量的变化,以及维持土壤有机碳积累等方面进行研究,对长期固定的秸秆还田和施肥实验中土壤腐殖质的结构含量研究较少[5],本研究以长期定位秸秆还田试验地为基础,运用红外光谱法,研究6年秸秆还田潮土土壤腐殖质含量及其结构的变化趋势,为提高秸秆还田技术,保护土壤养分资源,有效地利用土地资源,提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2009年,在山东青岛农业大学莱阳长期定位试验站进行,非石灰性潮土。pH 值6.8,土壤全氮(N)量0.60 g/kg,全磷(P)量0.64g/kg,有效磷(P)16.34 mg/kg,速效钾(K) 72.00 mg/kg,阳离子代换量为13.80 cmol/kg,有机质含量为5.01 g/kg,土壤容重1.21 g/cm3,比重为2.67,孔隙度为51.40%。土壤发育于冲积母质。

1.2 试验设计

本试验共设置5个处理,分别为空白对照(CK)、单施有机肥60 000 kg/hm2(M)、两季秸秆还田(WC)、一季秸秆还田配施氮肥276 kg/hm2(WN)、两季秸秆还田+施氮肥276 kg/hm2(WCN)。每个处理设3次重复,共15个小区,完全随机设计,试验田周边设保护行,小区间用1.0 m深玻璃钢板隔开,防止水肥漫灌且能独立排灌。各处理用水量及耕作管理相一致。

1.3 试验方法

1.3.1 腐殖质及其组分提取 将100 mL 碱性混合浸提剂加入5 g处理好的土样中,振荡提取24 h(200 r/min),过滤,滤液中的有机物即为腐殖质。提取对滤液进行酸化处理后产生的沉淀,上清液是富里酸;氢氟酸冲洗沉淀后,溶于热碱液中为胡敏酸。

1.3.2 红外光谱测定腐殖质组分 经真空冷冻干燥后粉碎研细样品(<2 μm),分别用微量或半微量天平(精确到0.000 1 g) 称取样品和KBr粉末(光谱纯),在玛瑙研钵中以样本:KBr=1∶200的比例混磨,压片。用 FTIR光谱仪扫描测定,仪器分辨率为4 cm-1,扫描波长区间为4 000～400 cm-1,扫描间隔2 mm,生成光谱,进行比较分析。

1.4 数据处理

运用Excel 2007 及SPSS 19.0 对试验数据进行统计分析,利用Sigma Plot 10.0和Origin8.0 绘图。

2 结果与分析

2.1 长期定位秸秆还田各处理胡敏酸(HA)含量变化

胡敏酸(HA)是胶体,负电性,阳离子交换量高,不溶于酸,相对分子质量在1 000～10 000,对土壤结构的组成起到重要作用[6-8]。2009-2011年,胡敏酸含量上升趋势较为明显,WC、M、WN和WCN均较CK增多了51%，55%，80%，106%,且各处理较2009年原始土增长了65%～126%。2011-2013年,WN、WCN胡敏酸含量呈现上升趋势,较CK处理分别增加了70%，105%;WC、M处理较2011年有所下降,可能与土壤氮肥含量下降有关,需进一步研究。2013-2015年,各处理均呈上升趋势,差异最大的WCN较CK增加了122%。2015年各处理土壤中胡敏酸(HA)含量平均较2009年提高了117.68%,说明长期秸秆还田及秸秆还田配施氮肥、长期施用有机肥均可提高土壤胡敏酸含量,秸秆还田配施氮肥增幅最大(图1)。

图1 长期定位秸秆还田胡敏酸含量变化

2.2 长期定位秸秆还田富里酸(FA)含量变化

秸秆降解过程中,首先形成一个非结构性FA,伴随秸秆的分解,一些非结构性FA进入土壤或变成二氧化碳,整个过程是动态的。

随着年限增加,相同施肥处理土壤中FA的含量,均呈现较稳定的上升趋势(图2),由图1可知秸秆还田可提高土壤中胡敏酸含量,且随时间延续胡敏酸含量逐年升高,富里酸(FA)含量分别平均较2009年提高了102.5%。胡敏酸是由富里酸转化而来,而富里酸含量维持在稳定的水平上(图2),说明较多非结构物质形成的富里酸转化为胡敏酸,秸秆还田没有过度增多土层中富里酸的含量,而是使之维持在动态稳定的状态。2015年WCN处理FA含量较2013年增加了80%,较其他年份增幅变大,可能与气候条件有关。

图2 长期定位秸秆还田富里酸含量变化

2.3 长期定位秸秆还田土壤HA/FA动态变化

表征土壤腐殖化程度的指标(HA/FA,PQ)能够反映土壤腐殖质的品质,衡量土壤中的腐殖酸活性。

从图3，4可以看出,与CK相比,WC、M、MN、MCN处理土壤HA/FA、腐殖质活性(PQ)均随还田年限增加呈增长趋势,其中，2015年WCN腐殖质含量最高，较2009年原始土壤增长了183.63%，较CK增长118.8%，说明秸秆还田对胡敏酸和富里酸的形成转化起到了一定的促进作用。其中,WCN、WN与WC、M增幅明显,说明氮肥施用能够提高腐殖酸活性。

图3 长期秸秆还田土壤腐殖质组成相对比例的变化趋势(HA/FA)

秸秆在分解过程中,其组成成分物质首先逐渐被分解,其次木质素和待分解中间产物的腐殖质将进一步缩合成腐殖质的聚合物。腐殖物质的主要成分是腐殖酸,是土壤有机无机复合体和土壤酸碱缓冲液中重要组成部分。

图4 长期秸秆还田土壤腐殖质组成相对比例的变化趋势(PQ)

从表1可以看出,随还田年限增加,秸秆还田模式下各处理土壤腐殖酸总含量较CK平均增幅21.8%～47.9%，WCN处理显著高于CK处理,整体土壤腐殖酸活性表现为WCN>WN>M>WC(表1)。氮肥与秸秆配施能够显著提高土壤中腐殖物质含量,效果优于单施有机肥。表明氮肥与秸秆配施能够增加土壤腐殖酸含量。

表1 腐殖酸总量变化

注:小写字母表示0.05水平显著差异,大写字母表示0.01水平极显著差异。

Note:Small letters means significant at the 5% level,capital letters means excedingly significant at the 1% level.

2.5 长期定位秸秆还田各处理对土壤腐殖质结构的影响

田心世等[9]提出,红外光谱研究不适合于原土壤的有机特征研究,因此,该项研究将在提取后进行冷冻干燥的试验研究。设置零吸收点(4 000,870 cm-1),以两点的线为基线,从图5可以看出,各秸秆还田施肥处理土壤腐殖质样品结构表现出相似性。

各秸秆还田施肥处理光谱峰主要为:-OH伸缩振动(3 200～3 300 cm-1);C-H伸缩振动,2 900～2 924 cm-1;COO-不对称伸缩振动,1 600～1 650 cm-1;变形振动,1400～1 450 cm-1(甲基类的),多糖特征峰,1 100～1 125 cm-1;多糖结构及无机物的C-O伸缩振动Si-O伸缩振动(1 000～1 030 cm-1);特征峰出现在750 cm-1处可能是(CnHn)n(1≤n≤3)或碳氢键外变角振取代芳环上氢键。

图5中,2009年原始土与2015年各秸秆还田处理红外光谱图知,对胡敏脂肪酸吸收带的特征2 400～2 900 cm-1部分存在;所有含氧基团的吸收主要是由羟基和羧基,羰基伸缩振动完成,主要产生的强吸收峰在1 600～1 800 cm-1地区。从图5中可以发现,各处理峰值明显,宽度适中;1 200～1 300 cm-1包括碳氧伸缩振动峰(醇或羧酸)、O-H弯曲振动。在3 100～3 500 cm-1处的WC和WCN的吸收峰明显强于其他组,这表明存在更多的(C-H2O)n(1≤n≤10)。在1 250 cm-1的吸收峰下降,这表明(C6H10O5)n和(-COH)n类物质在减少。长期两季秸秆还田及配施有机肥，可提高芳香族类、羧基类化合物含量，降低多糖类化合物含量，有利于提升土壤腐殖质的活性及芳化程度。两季秸秆还田配施氮肥可提高土壤中有机碳含量，有利于提高土壤地力。

有复杂的多官能团系统的直接变现是近红外波段有很多峰,这在本试验各处理中特别明显。虽然秸秆还田各处理芳香族官能团的含量不同,土壤各处理腐殖酸具有相似的官能团与碳骨架结构。对1 610～1 640 cm-1吸收峰较强,说明羧基含量高,腐殖酸在2 380 cm-1处的吸收峰明显升高,富里酸的芳化度远高于胡敏酸。

图5 土壤腐殖质及其组分的红外光谱

3 讨论

在秸秆还田各处理中存在复杂的土壤有机无机物质循环,它们是腐殖物质形成的根源。它的组成复杂,一方面是各种土壤细菌、真菌等生物的作用,另一方面是秸秆等残留物质分解[10-11]。作物还田后,被土壤微生物等迅速转化,然后在土壤物理化学反应过程中,逐渐形成腐殖物质。相关专家研究表明[12],将收获后的作物埋入土壤中,可对如胡敏酸等腐殖物质的形成有巨大的帮助,提升其品质,提高HA/ FA 比值。在本次研究过程中,两季秸秆换田施氮肥能够改善土壤养分状况,增加土壤腐殖物质含量。在年际变化过程中,HA/ FA、 PQ值不断增加,表明相应腐殖物质含量逐年升高,然后逐渐平稳,说明其中HA含量增加,所占组分比重增大,土壤逐渐变得稳定,能够为农作物提高更多的养分,这与前人研究结果相似[13]。

在本次试验中,分析比较各秸秆还田处理土壤腐殖物质的光学分析结果,能够总结出土壤腐殖质结构含量的变化规律。众所周知,土壤有机物质(如腐殖物质等),在分类上属于复杂度较高的分子,或者是混合物。它的性质与结构受到多种外界因素的干扰。在此次光谱学分析过程中,由于技术条件有限,只能进行定量分析,如果要进一步分析,就需要借助核磁共振等其他技术。6个处理的土壤腐殖物质光谱学分析表明,含氧功能团(-COOH、-OH等)构成了腐殖物质的主要结构[14]。笔者将主要的红外光谱峰进行分类总结发现,一系列带有侧键、氧化芳环组成富里酸,其构造单元是苯羧酸和酚酸[15-18],芳环、环氮肽键组成胡敏酸[19]。不同秸秆还田处理和单施有机肥对土壤腐殖质的红外光谱图显示各处理相似,说明秸秆还田处理对土壤腐殖质的影响保持不变;不同施肥处理对土壤腐殖质的吸收峰强度出现不同程度的差异,反映了不同秸秆还田处理对土壤腐殖质结构单元和功能基团存在影响[20]。

朱姝等[20]研究发现施用不同有机肥进行培肥土壤,腐殖质组分元素及碳含量、腐殖质总量比例具有明显差异。Senesi 等[21]研究得出有机肥种类不同对腐殖质影响不同,均与本试验结果相吻合。而万晓晓等[22]的研究结果与本研究略有不同,其结果表明,秸秆还田后耕层土壤(0～20 cm)腐殖酸与胡敏酸含碳量均呈上升趋势,HA量在不断降低,HA/FA比值逐渐减小。这可能是因为本试验土壤为潮土土壤,且小麦-玉米轮作,而万晓晓研究中则是玉米和大豆白浆土秸秆还田,由此可以看出,还田的秸秆种类不同是导致差异的原因之一。

在施氮肥条件下进行一季秸秆还田、两季秸秆还田,以及两季秸秆还田试验对土壤腐殖质及其组分含量与结构的研究比较少,前人研究多关注有机碳在土壤中的活动规律,活性炭、非活性炭的试验探究,以及土壤理化性质等方面的研究。因此,利用潮土区土壤秸秆还田长期定位实验研究土壤碳及其变化规律,对评价和改善土壤养分肥力有着深远的影响。

随着秸秆还田年限的增加,胡敏酸和富里酸含量逐渐上升,WCN处理胡敏酸和富里酸显著高于CK处理,整体活性表现为:WCN>WN>M>WC>CK,且所有处理胡富比均高于空白对照,其中施用氮肥处理和两季秸秆还田更有利于提高土壤品质。

土壤腐殖质的光谱学特性进行分析表明,秸秆还田不同处理施用后腐殖质的机构组成基本保持不变,但不同施肥处理对土壤腐殖质的结构和功能有影响。秸秆还田和有机肥施用后,芳香族化合物的含量增加,所以长期秸秆还田可改善土壤腐殖质活性。

[1] 李孝勇,武 际,朱宏斌,王允青.秸秆还田对作物产量及土壤养分的影响[J].安徽农业科学,2003,31(5):870-871.

[2] 崔婷婷,窦 森,杨轶囡,陈丽珍,黄毅,王瑞丽.秸秆深还对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响[J].土壤学报,2014,04:718-725.

[3] 赵安安,乌鸿科.秸秆还田对作物产量及土壤环境的影响[J].农机科技推广,2012(6):42-43.

[4] 谭丽华.增施腐殖酸类肥料-培肥土壤的最佳选择[J].新农业,2002(1):36-36.

[5] 辛 励,刘锦涛,刘树堂,王俊杰等.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(1):218-223.

[6] 魏孝荣,邵明安.胡敏酸在土壤中的迁移[J].中国环境科学,2007,27(3):336-340.

[7] 付琳琳.生物质炭施用下稻田土壤有机碳组分、腐殖质组分及团聚体特征研究[D].南京：南京农业大学,2013.

[8] 曲雪妍.典型地段土壤剖面有机质垂向变化特征研究[D].北京：中国地质大学,2010.

[9] 田心世.土壤有机质近红外预测模型传递方法研究[D].晋中：山西农业大学,2014.

[10] A Vergnoux,M Guiliano,RD Rocco,et al.Quantitative and mid-infrared changes of humic substances from burned soils[J].Environmental Research,2011,111(2):205-214.

[11] 窦 森,李 凯,崔俊涛,关松,张晋京.土壤腐殖物质形成转化与结构特征研究进展[J].土壤学报,2008,45(6):1148-1158.

[12] 张均华,朱练峰,裴鹏刚,等.秸秆还田提升稻田土壤有机质含量与品质的生物效应研究(摘要)[J].中国稻米,2013,19(4):158-159.

[13] 刘 军.长期连作及秸秆还田棉田土壤有机碳组分变化研究[D].石河子：石河子大学,2015.

[14] 毛静春.中国干旱半干旱草原地区土壤中腐殖质的提取与表征研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2015.

[15] 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.

[16] 肖彦春,窦 森.土壤腐殖质各组分红外光谱研究[J].分析化学,2007,35(11):1596-1600.

[17] Tripolskaja L,Romanovskaja D,Slepetiene A,et al.Effect of the chemical composition of green manure crops on humus formation in soddy-podzolic soil[J].Eurasian Soil Science,2014,47(4):310-318.

[18] 岳 玲.土壤中不同芳环～(14)C标记丙酯草醚的结合残留及其生物有效性[D].杭州:浙江大学,2008.

[19] 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(02):293-302.

[20] 朱 姝,窦 森,关 松,等.秸秆深还对土壤团聚体中胡敏素结构特征的影响[J].土壤学报,2016,53(1):127-136.

[21] Senesi N,Plaza C,Brunetti G,et al.A comparative survey of recent results on humic-like fractions in organic amendments and effect on native soil humic substances[J].Soil Biology &Biochemistry,2007,39:1244-1262.

[22] 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.

Effects of Different Fertilization Treatments on Soil Humus Content and Structure in Long Term Continuous Cropping Soil

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

(Resources and Environmental College, Qingdao Agriculture University, Qingdao 266109,China)

In this study,the humus composition analysis under different straw returning the fertilization treatment on noncalcareous fluvo aquic soil humus content and structure change,in order to improve topsoil fertility and reasonable utilization of agricultural waste straw provides a good basis for amending method and infrared spectroscopy.Based on the long-term field experiment,five treatments were set up,and two treatments were applied to the treatment of wheat,corn straw returning (WCN),wheat straw returning to field (WN),and two season (WC),control (CK) and (M).Research results showed that:under the condition of returning straw to field with time.The content of Humic acid (HA) and Fulcic acid (FA) in each soil was increased by 117.68% and 102.5% respectively compared with 2009.Compared with CK,the total content of soil Humic acid (HA) increased by 21.8%-47.9%,the highest content of humus was WCN,in 2015,compared with CK growth of 118.8%,compared with 2009,the original soil increased by 183.63%.Two season straw returning to the field with chemical fertilizer treatment,can increase the soil humic acid and rich in acid content,the ratio of Hu rich increase,increase the humic acid content and make it stable growth.Soil humus activity from high to low was:WCN>WN>M>WC.Two seasons of straw and with application organic fertilizer,improve the aromatic and carboxyl compounds content,and polysaccharide compounds decreases,enhance soil humus activity and aromatization degree.The two quarter straw fertilizer nitrogen could increase the content of organic carbon in soil,improve soil fertility.

Infrared spectrometry;Straw returning;Humus content;Humus structure

2016-05-26

山东省现代农业产业技术体系建设经费项目(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(2015ZDXX0502 B-01)

袁铭章(1991-),女,山东临沂人,在读硕士,主要从事植物营养与施肥技术研究。

刘树堂(1962-),男,山东潍坊人,教授,博士,主要从事植物营养与施肥技术研究。

S157;S158

A

1000-7091(2016)05-0205-05

10.7668/hbnxb.2016.05.031