褐煤、粘土和有机肥对内蒙古风沙土腐殖质有机无机复合体的影响

柳夏艳 郝思铭 ，2⋆ 吕贻忠 ⋆

1 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193

2 中化化肥有限公司 北京 100031

我国人地矛盾日益突出，充分开发利用低产土壤对我国农业持续发展具有十分重要的意义。风沙土无结构、漏水漏肥，土壤有机无机复合体是决定土壤物理、化学及生物性质的物质基础，有助于促进稳定性团聚体的形成[1]，是评价土壤肥力好坏的综合指标之一[2]。因此，对土壤肥力的改善与恢复需从土壤有机无机复合体着手。土壤结构的形成需要胶结剂的作用，而土壤腐殖质是重要的有机胶结剂，主要由胡敏酸、富里酸、胡敏素组成[3]。工业腐植酸是从泥炭、风化煤、褐煤等低阶煤物料中用碱液提取出来的那一部分暗色物质，其可作为一种优质改良剂施入土壤，促进土壤腐殖质的形成，改善土壤结构，进而促进有机无机复合体的形成[4]。

研究土壤有机无机复合体对土壤改良起着重要作用。20世纪末有关研究[5，6]指出，施用腐植酸复合肥、有机肥等可促进土壤有机无机复合体的形成。Rebecca等[7]研究发现，土壤有机无机复合体总量与粘粒含量呈正相关关系，直接影响土壤性质[8]。郑庆福等[9]进一步研究表明，东北黑土有机无机复合体含量均随剖面发生层向下呈下降趋势，有机碳在各级复合体中及土壤中的含量均随复合体的粒径增大而减少。Feng等[10]研究发现，随碳储量增加，有机无机复合体有接近碳饱和度的阈值时，与土壤矿物结合的有机物的稳定性才会降低。Maillard等[11]研究发现，长期施用液态牛粪对土壤有机无机复合体中碳积累有一定影响。国内外学者做了很多关于土壤有机无机复合体的研究，但在沙土改良基础上关于有机无机复合体的研究报道还很少，故而研究不同改良剂对沙土腐殖质和有机无机复合体形成的影响具有一定的现实意义。

本研究以内蒙古科左后旗的沙地为试验地，进一步探讨连续两年施用褐煤、粘土、有机肥3种改良剂后对风沙土腐殖质和有机无机复合体形成的影响，研发具有高缓冲性能的有机无机复合体培育技术，以期通过外源性物质反哺土壤，为沙土改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地情况

试验地点位于内蒙古通辽市科尔沁（处于农牧交错带），土壤类型为草甸风沙土，气候类型为温带大陆性季风气候，年平均降雨量为385.1 mm，年平均气温为6.1 ℃。供试风沙土土壤砂粒、粉粒和粘粒含量分别为95.51%、1.76%和2.74%，容重为1.61 g/cm3，有机质含量为2.38 g/kg，碱解氮、铵态氮和硝态氮含量分别为70.01 mg/kg、3.54 mg/kg和1.68 mg/kg，有效磷和速效钾含量分别为7.15 mg/kg和60.67 mg/kg。

1.2 供试材料

供试作物：玉米，品种为“先玉335”。

供试改良剂：褐煤，未活化，总腐植酸（干基）≥70%，黄腐酸（干基）≥15%～20%，表施，采用旋耕机翻入与土混匀；粘土，其砂粒、粉粒和粘粒含量分别为51.64%、16.57%和31.59%，有机质含量为23.12 g/kg，在试验开始的第1年（2014年）在0～15 cm土层上施用，采用翻耕的方式把施用的粘土与沙土混匀，第2年（2015年）不施用；有机肥，当地购买，有机质含量为45%，第1年（2014年）和第2年（2015年）表施，采用旋耕机翻入与土混匀。

1.3 试验设计

试验采用“3414”方案，小区大小为3 m×4 m的长方体。设定3因素即施用褐煤（H）、粘土（C）、有机肥（O）。每个因素设4个水平，共14个处理。H0、H1、H2、H3分别为0.00 t/hm2、3.75 t/hm2、7.50 t/hm2、11.25 t/hm2；C0、C1、C2、C3分别为0.00 t/hm2、75.00 t/hm2、150.00 t/hm2、300.00 t/hm2；O0、O1、O2、O3分别为0.00 t/hm2、15.00 t/hm2、30.00 t/hm2、60.00 t/hm2[12]。每个处理3次重复。改良剂连续施用两年。具体试验布置如图1。

图1 试验区布置图Fig.1 Test fi elds layout

1.4 土样采集

在玉米收获期后进行土样采集，每个小区随机取5次土样，采样深度为0～10 cm，5次土样混匀自然风干后备用。

1.5 土壤测定项目与方法

土壤有机质测定：重铬酸钾容量法[13]；土壤腐殖质测定：Na4P2O7-NaOH提取法[14]；土壤有机无机复合体分组测定：胶散分组法[15]；土壤有机碳含量、土壤有机无机复合量测定：重液分离法[16]。土壤有机无机复合度=（土壤有机无机复合量/土壤有机碳含量）×100%。

1.6 数据处理

试验数据采用SPSS20.0软件进行统计分析，单因素方差分析采用Duncan新复极差法（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤有机质的影响

表1为不同改良剂在不同施用水平下对土壤有机质含量的影响。由表中可以看出，施用粘土和有机肥对有机质含量并没有显著影响。随着褐煤施用量的增加，土壤有机质含量逐渐升高，3水平与0水平相比，土壤有机质含量显著提高了115.0%。而随着粘土和有机肥施用量的增加，有机质含量并没有出现规律性的变化。

表1 不同改良剂在不同施用水平下对土壤有机质含量的影响Tab.1 Effects of different modif i ers on soil organic matter content at different application levels g/kg

图2为不同改良剂对土壤有机质含量的影响。由图可以看出，添加改良剂后的土壤有机质较H0C0O0处理都有所增加，当3种改良剂施用量为2水平时，土壤有机质含量显著增加。不施褐煤的处理土壤有机质含量低于不施粘土和不施有机肥的处理，说明褐煤对土壤有机质含量影响较大，可能是因为施用褐煤可增加腐植酸含量，进而增加土壤有机质含量。表2为不同改良剂对土壤有机质、胡敏酸和富里酸含量的影响。由表可见，土壤有机质在褐煤、粘土和有机肥施用量分别为150.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良剂配施（H3C2O2）下改良效果最佳，含量为10.38 g/kg。

图2 不同改良剂对土壤有机质含量的影响Fig.2 Effects of different modif i ers on soil organic matter content

表2 不同改良剂对土壤有机质、胡敏酸和富里酸含量的影响Tab.2 Effects of different modif i ers on sandy soil organic matter, humic acid and fulvic acid content g/kg

2.2 不同改良剂对土壤腐殖质组成的影响

表3为不同改良剂在不同施用水平下对土壤腐殖质组成的影响。由表中可以看出，随着褐煤施用量的增加，土壤胡敏酸含量呈增加趋势，与0水平相比，褐煤施用量3水平时土壤胡敏酸显著增加了805.88%；而与0水平相比，土壤富里酸在1水平、2水平和3水平分别降低了28.31%、38.55%和23.49%，但差异不显著。随着粘土施用量的增加，土壤胡敏酸和富里酸含量没有显著变化。随着有机肥施用量的增加，土壤胡敏酸在1水平和3水平较0水平分别显著降低了68.42%、53.94%，而土壤富里酸含量无显著变化。

图3为不同改良剂对土壤胡敏酸和富里酸含量的影响。由图可知，添加改良剂后除H0C2O2处理外土壤胡敏酸含量较H0C0O0均有显著增加，不施用褐煤处理胡敏酸含量低于不施用粘土和有机肥处理，说明施用褐煤对胡敏酸影响较大。与H0C0O0相比，H0C2O2处理土壤富里酸含量显著增加，而与其他处理间差异不显著。由表2可知，土壤胡敏酸在褐煤、粘土和有机肥施用量分别为7.50 t/hm2、300.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良剂配施（H2C3O2）下改良效果最佳，含量为1.68 g/kg，土壤富里酸在褐煤、粘土和有机肥施用量分别为0 t/hm2、150.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良剂配施（H0C2O2）下改良效果最佳，含量为1.66 g/kg。

表3 不同改良剂在不同施用水平下对土壤腐殖质组成的影响Tab.3 Effects of different modif i ers on soil humus composition at different application levels g/kg

图3 不同改良剂对土壤胡敏酸和富里酸含量的影响Fig.3 Effects of different modif i ers on soil humic acid and fulvic acid content

2.3 不同改良剂对土壤有机无机复合体的影响

2.3.1 不同改良剂对土壤有机无机复合度的影响

不同改良剂对土壤有机无机复合度有一定的影响（表4）。与对照（H0C0O0）相比，各改良处理的土壤有机无机复合量增加了5.26%～61.84%，土壤有机无机复合量和土壤有机无机复合度最高的处理均为H2C3O2，其褐煤、粘土和有机肥3种改良剂最佳配施量分别为7.50 t/hm2、300.00 t/hm2和30.00 t/hm2。土壤有机无机复合量与土壤重组有机碳含量间呈极显著正相关关系（y=0.874x+0.0422，R²=0.9584）。土壤有机无机复合度与土壤有机碳含量和土壤重组有机碳含量间无明显关系。各处理土壤有机无机复合度在20.00%～50.00%之间，这可能是由于改良剂施用年限较短，且沙土本身有机质含量低，土壤结构不稳定，导致土壤有机无机复合状况较差。

表5、图4分别为不同改良剂对土壤有机无机复合度及复合量的影响。由表中和图中可以看出，褐煤、粘土和有机肥施用量的增加对土壤有机无机复合量没有显著影响；但随褐煤、粘土施用量的增加，土壤有机无机复合量有上升的趋势，分别从0.96 g/kg增加到1.13 g/kg、从1.04 g/kg增加到1.23 g/kg；随着有机肥用量的增加，土壤有机无机复合量最高的处理是H2C2O2，与最低的H2C2O0处理相比，有机无机复合量增加了34.10%。上述趋势的原因可能是沙土粘粒含量较低，施加粘土可以增加土壤的粘粒含量，而粘土矿物又是形成有机无机复合体的重要基础，所以施用粘土可增加有机无机复合量。施用有机肥和褐煤可以增加沙土的有机质含量、腐殖质含量，故土壤有机无机复合度有增加的趋势。但可能因为施用年限较短，沙土的有机无机复合量本身又很低，所以施用量不同水平之间并无显著差异。

2.3.2 不同改良剂对土壤有机无机复合体组成影响

丘林的胶散分组法[15]把土壤有机无机复合体分为水分散组G0组，钠分散组G1组以及钠质研磨分散组G2组。图5为不同改良剂不同施用水平土壤有机无机复合体含量，表6为试验区土壤中有机无机复合体组成及含量。由表6可以看出，有机无机复合体各组含量大小依次为G2组＞G1组＞G0组。G0组含量平均值为1.96 g/kg，占有机无机复合体总量的2.69%～5.80%。G1组含量在11.28～19.52 g/kg之间，占有机无机复合体总量的20.52%～33.71%。G2组含量比G0组和G1组要高，含量在26.92～43.71 g/kg之间，占有机无机复合体总量的61.08%～75.42%。G1/G2的值均低于0.60。一般认为G1/G2的值在1.40～2.00左右时土壤肥力较高，G1/G2的值过高或过低土壤肥力均明显下降[17]。

表4 不同改良剂对土壤有机无机复合度的影响Tab.4 Effects of different modif i ers on the degree of organic-inorganic composition of soil

表5 不同改良剂不同施用水平对土壤有机无机复合量的影响Tab.5 Effects of different modif i ers on soil organic-inorganic compound content at different application levels g/kg

图4 不同改良剂对土壤有机无机复合量的影响Fig.4 Effects of different modif i ers on soil organic-inorganic compound content

图5 不同改良剂不同施用水平土壤有机无机复合体含量Fig.5 The content of soil organic-inorganic complexes at different application levels of different modif i ers

由表6可以看出，C0O0H0处理的有机无机复合体含量总量最低，但是由图5可知，不同处理之间复合体相对含量并无明显规律，这可能是因为沙土有机无机复合体含量本身比较低，所施用的改良剂年限又较短，很难在短时间内使土壤有机无机复合体组成产生变化。

表6 试验区土壤中有机无机复合体组成及含量Tab.6 The composition and content of organic-inorganic complexes of the sand in experimental zone

3 结论

（1）不同改良剂配施对土壤有机质、胡敏酸和富里酸含量的影响不同。土壤有机质在褐煤、粘土和有机肥施用量分别为11.25 t/hm2、150.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良剂配施（H3C2O2）下改良效果最佳，含量10.38 g/kg；土壤胡敏酸在褐煤、粘土和有机肥施用量分别为7.50 t/hm2、300.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良剂配施（H2C3O2）下改良效果最佳，含量1.68 g/kg；土壤富里酸在褐煤、粘土和有机肥施用量分别为0 t/hm2、150.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良剂配施（H0C2O2）下改良效果最佳，含量1.66 g/kg。褐煤对土壤有机质、胡敏酸的影响效果显著。

（2）不同改良剂配施对土壤有机无机复合量和有机无机复合度影响不显著，与对照相比，各改良处理的土壤有机无机复合量增加了5.26%～61.84%，有机无机复合量和有机无机复合度最高的处理均为H2C3O2，其褐煤、粘土和有机肥3种改良剂最佳配施量分别为7.50 t/hm2、300.00 t/hm2和30.00 t/hm2。有机无机复合体各组排序为钠质研磨分散组（G2）＞钠分散组（G1）＞水分散组（G0）。G1/G2的值均低于0.60，说明沙土肥力较差。

（3）土壤有机质、胡敏酸和土壤有机无机复合量随褐煤施用量增加而增加，说明向沙土中施用褐煤对土壤肥力以及土壤结构有一定的改善作用。