陳晶培,劉樹堂,辛 勵,陳延玲,南鎮(zhèn)武,劉錦濤,袁銘章

(青島農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院,山東 青島 266109)

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長期定位秸稈還田不同施肥處理對土壤腐殖質(zhì)組分含量的影響

陳晶培,劉樹堂,辛 勵,陳延玲,南鎮(zhèn)武,劉錦濤,袁銘章

(青島農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院,山東 青島 266109)

通過6年的田間定位比較試驗,探究了小麥-玉米秸稈還田條件下不同施肥處理對土壤腐殖質(zhì)含量變化的影響。結果表明:隨著秸稈還田年限的增長,胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)含量逐漸上升,與對照(CK)比較,3種秸稈還田模式土壤腐殖酸平均增幅為3.84%～62.16%,差異較明顯。兩季秸稈還田施氮肥(WCN)土壤腐殖質(zhì)(HA、FA、HM)含量最高,比對照(CK)平均增加98.16%。一季秸稈還田施氮肥(WN)、兩季秸稈還田施氮肥(WCN)以及有機肥(M)處理都可以提高土壤水溶性物質(zhì)(WSS)的含量,兩季秸稈還田(WC)處理土壤WSS含量穩(wěn)定在(0.29±0.11) g/kg水平，兩季秸稈還田配施氮肥處理(WCN)相較于對照(CK)增加89.29%。隨著還田年限增加,兩季秸稈還田施氮肥(WCN)處理HA/FA 和PQ值到2014年達到最大,分別為1.08,0.52。說明兩季秸稈還田與化肥配施能夠提高土壤胡敏酸(HA)、胡敏素(HM)和富里酸(FA)的含量,還能夠顯著地提高土壤腐殖質(zhì)腐殖化程度,增加腐殖酸含量并使之穩(wěn)定增長。

秸稈還田;有機肥;化肥;土壤腐殖質(zhì)

土壤腐殖質(zhì)是土壤中有機膠體的主要部分,具有明顯的膠體特性,是一種高分子的復雜穩(wěn)定的物質(zhì),其形成主要是在微生物的作用下經(jīng)過降解,轉(zhuǎn)化等過程[1]。它是由芳核、含氮有機化合物及復環(huán)3種基本形式構成的有機物。腐殖質(zhì)的組成通?；诟迟|(zhì)自身的顏色以及在酸堿溶液中的可溶性,分為富里酸、胡敏酸和胡敏素3類。在腐殖質(zhì)的形成過程中,前期植物體的殘體分解成小分子的含碳化合物,并在微生物的作用下,增殖生成細胞組分;后期在有機物如多酚和醌或類木質(zhì)素的作用下生成高聚合化合物,經(jīng)過一系列反復循環(huán)的過程,最終生成的物質(zhì)即腐殖質(zhì)[2]。

土壤腐殖質(zhì)的生成是土體中植物被微生物降解的結果,尤其是指植物體的枯枝落葉,腐爛的根系等,因此,腐殖質(zhì)在土壤總體中占有較大的比重。腐殖物質(zhì)含量在一定程度上可作為土壤有機質(zhì)的含量表征,而有機質(zhì)往往作為土壤質(zhì)量的表征[3],特別是針對長期定位施肥試驗,秸稈還田作為大田有機質(zhì)投入過程,秸稈的投入量能表征有機質(zhì)的投入量,一定程度上反映了腐殖質(zhì)組分的增加量,因此,秸稈還田過程可以有效地揭示土壤腐殖物質(zhì)組分的動態(tài)特性[4-8]。

長期定位施肥試驗,包括長期定位單施化肥、單施有機肥、化肥有機肥配施及秸稈還田與化肥配施等方面已有相關研究,尤其是針對秸稈還田配施氮肥處理對土壤各種養(yǎng)分含量、理化特性、土壤結構形態(tài)影響等方面已有相關報道[9-15]。但有關春小麥-夏玉米輪作長期秸稈還田配施化肥對土壤腐殖質(zhì)組分含量動態(tài)變化及活性的影響研究目前較少,是通過影響腐殖質(zhì)組分中的哪些組分進而影響其含量,哪種組分含量變化的影響較大,都有待去探究。本試驗以青島農(nóng)業(yè)大學萊陽校區(qū)春小麥-夏玉米輪作秸稈還田長期定位試驗為平臺,目的是為了探明在不同秸稈還田條件下,隨著還田時間的累積各個試驗處理腐殖質(zhì)組分含量的動態(tài)變化規(guī)律及其構成變化特性[16-17],深入認識秸稈還田與化肥配施與腐殖質(zhì)含量之間的動態(tài)規(guī)律[18]。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

在青島農(nóng)業(yè)大學萊陽校區(qū)長期定位試驗站進行試驗,施肥前耕層土壤基本特性為土壤有機質(zhì)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,土壤速效鉀(K)72.00 mg/kg,陽離子代換量13.80 cmol/kg,pH 值6.8。

2009-2014年進行試驗,共設5個試驗處理(表1),每個處理設置3個重復,共15個試驗小區(qū),完全隨機排列。每個小區(qū)都設置高壟肥水漫灌,各處理用水量及中耕管理相一致。

表1 試驗處理

注:+.單季小麥秸稈還田;++.小麥-玉米兩季秸稈還田。

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

1.2 測定方法

本試驗在青島農(nóng)業(yè)大學實驗室內(nèi)進行。腐殖質(zhì)的提取和分組(定量)采用的是腐殖質(zhì)組成修改法,水溶性物質(zhì)(WSS) 、水浮性物質(zhì) (WFS) 、土壤有機碳(SOC)的測定用重鉻酸鉀氧化法[19]。胡敏素(HM)、胡敏酸 (HA)、富里酸 (FA)、總有機碳 (TOC)用碳氮分析儀來測定。

試驗數(shù)據(jù)通過Excel 2003、Origin Pro 7.5進行數(shù)據(jù)處理和繪制圖表,SPSS 13.0軟件進行方差分析、相關性分析、變量間的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 長期定位秸稈還田對土壤總有機碳(TOC)的影響

同一個處理不同還田年份比較,2012-2014年TOC含量逐步提高,WC處理較CK有明顯提高,WN、M、WCN處理下總有機碳(TOC)含量均顯著高于CK,2012-2014年各個試驗處理結果較2009年存在差異(表2)。說明土壤總有機碳 (TOC)含量變化總體上隨著秸稈還田年限的增加而增加。其中,2014年WC、WCN、WN、M這4種模式處理較CK有所提高,增幅為45.14%～108.20%,其中WC處理增幅最小,WCN處理增幅最大。相同年份,WCN、WN處理總有機碳含量顯著高于M處理,增幅為16.05%～26.70%,說明長期施用有機肥有利于土壤腐殖質(zhì)的積累[20-23]。

2.2 長期定位秸稈還田對土壤胡敏酸(HA)含量變化影響

胡敏酸 (HA) 是土壤腐殖質(zhì)組分的重要組成部分,因此具有土壤腐殖質(zhì)所具有的一些基本特性,它是一種膠體物質(zhì),其隨著連作年限增加胡敏酸 (HA) 含量逐漸升高[24-25]。

表2 秸稈還田對土壤總有機碳 (TOC)含量的影響

注:小寫字母表示0.05水平顯著差異。表3-5同。

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

從圖1可以看出,隨著年份的累積,土壤胡敏酸 (HA) 含量不斷增加,其中,WC、M、WN、WCN各處理在2012,2014年土壤胡敏酸(HA)含量增長穩(wěn)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與CK相比,土壤胡敏酸 (HA) 含量增加了26.40%;WN、WCN處理與CK相比,分別增加了72.30%,109.11%。在2012-2014年,WN、WCN處理胡敏酸(HA)的含量較M處理增幅為31.70%,63.85%。這表明,隨著還田年限增加,胡敏酸 (HA) 含量逐漸升高,其中兩季秸稈還田與氮肥配施較其他3種處理可以明顯提高土壤胡敏酸(HA)含量,提高土壤肥力。

圖1 長期定位秸稈還田胡敏酸含量變化

2.3 長期定位秸稈還田對富里酸(FA)含量的影響

施有機肥或秸稈還田與無機肥配施均能提高富里酸(FA)含量,但是增幅不如胡敏酸(HA)含量明顯。如圖2所示,WCN、WN處理二者的效果相近,與對照相比，土壤富里酸(FA)含量增加明顯，2012，2014年增幅分別為23.13%,29.34%。M處理由于直接向土壤中投入大量的有機物質(zhì)，土壤富里酸(FA)含量增加明顯，較CK處理增幅維持在(0.10±0.05)g/kg水平上；WC處理并沒有大幅度增加土層的富里酸(FA)含量而是使之維持動態(tài)穩(wěn)定，保持穩(wěn)定的變化趨勢，較CK處理略微上升，分別維持在(0.05±0.01)g/kg 水平上；CK處理土壤有機質(zhì)含量得不到外源物質(zhì)的補充，隨年限增加，土壤富里酸(FA)含量呈小幅度上升趨勢。

圖2 秸稈還田土壤富里酸含量變化

從表3可以看出,隨著時間的增加,WC、WCN、WN處理與CK處理相比,胡敏素(HM)含量增幅明顯,連作5 年時含量達到最大,其中WCN處理增幅最為明顯，為109.50%。不同年份，胡敏素(HM)含量均呈現(xiàn)增加的變化趨勢，M、WN、WCN處理與對照CK相比，胡敏素(HM)含量增幅均在2014年達到最大，分別為16.91%，70.62%，96.44%。WCN處理對土壤胡敏素(HM)影響最大，說明秸稈還田與氮肥配合施用相較于單施有機肥能夠明顯的增加土壤胡敏素(HM) 含量。

表3 秸稈還田HM含量變化

2.5 HA/FA比值和PQ

如圖3所示,土壤腐殖質(zhì)活性指標胡敏酸/富里酸(HA/FA)，腐殖質(zhì)活性指數(shù)PQ值的變化趨勢隨著還田年限增加，兩季秸稈還田施氮肥(WCN)處理HA/FA和PQ值到2014年達到最大，分別為1.08，0.52；與CK相比，WC處理HA/FA隨還田年限增加而增加，平均每年增加1.89%。WCN、WN處理與WC處理相比，WCN處理增幅最為明顯，2014年處理比CK增加了65.57%，說明氮肥施用能夠提高腐殖酸活性(HA/FA)。秸稈還田后,2012,2014年相較于2009年,不同試驗處理HA/FA值比CK增加了0.05～0.48,其中WCN處理還田5年時達最大值為1.08，增加趨勢最為明顯，增加了92.85%，此時土壤中腐殖酸以胡敏酸 (HA) 為主,說明秸稈還田配施化肥土壤中胡敏酸(HA)的形成速度較快,而富里酸(FA)的形成受到抑制。

圖3 秸稈還田土壤腐殖質(zhì)組成相對比例的變化趨勢(HA/FA和PQ)

2.6 秸稈還田對土壤可提取腐殖物質(zhì)總量 (HE) 的影響

秸稈分解過程,符合大分子有機物在土壤中降解的基本規(guī)律,還田的秸稈為土壤微生物維持了合適的C/N環(huán)境條件,先礦化分解生成小分子的化合物質(zhì),然后在木質(zhì)素或其分解的中間產(chǎn)物作用下經(jīng)腐殖化作用形成腐殖物質(zhì)[20]。腐殖酸(HE)在土壤腐殖質(zhì)形成過程中具有重要意義[26]。

如表4所示,相較于CK,時間越長,WCN處理與2009年原始土壤相比，土壤腐殖酸(HE)含量累積增加最多，平均每年增加21.08%；WC處理增加最低，平均每年增加6.13%。與對照(CK)比較，3種秸稈還田模式土壤腐殖酸平均增幅為3.84%～62.16%，差異較明顯。兩季秸稈還田施氮肥(WCN)土壤腐殖質(zhì)(HA、FA、HM)含量最高，比對照(CK)增加了98.16%。其中,WCN處理顯著高于CK處理、WC處理和M處理;整體土壤腐殖酸活性表現(xiàn)為WCN>WN>M>WC。結果表明，秸稈還田可以明顯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 腐殖酸總量變化

2.7 WSS組分含量變化

不同模式的秸稈還田對土體中水溶性的有機碳的影響存在差異,由于不同秸稈還田模式下,秸稈還田有效含量不同,秸稈降解過程中微生物的降解程度及其與土壤水分空氣的接觸空間都存在差異,這對土壤中的WSS的含量產(chǎn)生影響[28]。如圖4所示,水溶性有機碳含量和土壤有機碳含量之間存在較好的相關關系(2012年:R2=0.964 2;2014年:R2=0.928 4),土體中水溶性含碳量能表征土壤有機碳的存儲量。

土壤中水溶性有機碳是有機碳中具有水溶特性的組分,如表5所示,不同年份中WC處理土壤WSS含碳量穩(wěn)定不變,保持在(0.29±0.11) g/kg水平上。兩季秸稈還田配施氮肥處理(WCN)相較于對照(CK)增加了89.29%，配施化肥后,WN、WCN處理WSS含量增加明顯。WCN處理WSS含量還田6年達最大值0.53 g/kg。WCN、WN各處理與M處理比較,WSS含量增加幅度較大。施用有機肥處理以及秸稈配施化肥各處理土壤WSS含量總體上升趨勢,具有明顯的規(guī)律性。

圖4 水溶性有機碳和土壤有機碳的關系

表5 土壤水溶性有機碳含量

2.8 腐殖質(zhì)組分含量的差異

由于HE、HM、HA、FA、TOC、WSS之間存在良好的相關關系,所以看作一個總體,對2012，2014年各處理的平均值進行聚類分析,系統(tǒng)樹分析結果 (圖5) 表明,當5個處理分2組時,組間距離較大,說明各組的特點比較突出,第1組包括CK、WC處理,該組總體處于較低水平,第2組為M、WN、WCN處理,該組處于較高水平。與CK相比,WN、WCN處理可以有效改善土壤總體肥力水平,且WCN處理最為明顯。 在一季秸稈還田施氮肥(WN) 和兩季秸稈還田施氮肥(WCN)還田模式下,土壤腐殖質(zhì)總量明顯增加,高于單施有機肥(M)處理,其中兩季秸稈還田施氮肥(WCN)處理增幅最大。

圖5 2012,2014年 HE、HM、HA、FA、TOC、WSS平均值進行聚類分析

3 討論與結論

3.1 秸稈還田(WC)處理土壤有機碳含量增加

經(jīng)過5年不同施肥試驗處理，土壤總有機碳含量整體上呈增加趨勢,相較于兩季還田施氮肥(WCN),單施有機肥(M)、小麥秸稈還田施氮肥(WN) 、兩季秸稈還田(WC)處理土壤有機碳含量增幅較小。說明長期秸稈還田配施氮肥是增加農(nóng)田土壤有機質(zhì)的關鍵施肥技術手段,能夠增加土壤有機碳含量,提高土壤的質(zhì)量水平。

3.2 秸稈還田土壤腐殖質(zhì)和腐殖酸都呈增加趨勢

隨秸稈還田年限增加,各處理腐殖質(zhì)和腐殖酸都有積累,含量不斷增加。土壤腐殖酸(HE) 含碳量上升幅度較小,為3.84%～62.16%,而胡敏酸(HA) 含碳量變化范圍較大,為26.40%～109.11%。腐殖質(zhì)(HE)、胡敏酸(HA) 含碳量增幅明顯,不同還田模式的處理土壤胡敏酸(HA) 含量隨著年限增加均呈不斷增加,還田5年達峰值[29]。

3.3 不同處理對土壤中WSS的影響

秸稈還田不同處理的施肥方式之間對土壤中水溶性的有機碳影響差異較大,秸稈還田量一定程度上影響土壤顆粒與空氣,水分的空間關系,尤其是影響土壤中水溶性有機碳的溶解性,因此,秸稈還田量對土壤中可溶性有機碳含量影響較大。

3.4 秸稈還田后土壤HA/FA增加

不同秸稈還田處理后,相較于CK,HA/FA平均增加0.05～0.48,還田5年達最大值1.08,但秸稈還田后,WC處理土壤HA/FA差值減小。此時土壤腐殖酸活性最強,提高土壤有機碳的有效性。長期秸稈還田及有機肥與化肥配施能提高土壤HA/FA。此結果與龔偉等[3]的研究結果相一致,即秸稈還田與化肥配施在不同程度上能提高土壤HA/FA,并且對胡敏酸(HA)含量的影響效果更明顯。說明秸稈還田與化肥配施肥處理土壤胡敏酸 (HA) 結構更加穩(wěn)定,土壤有機質(zhì)品質(zhì)逐漸提高,有利于胡敏酸(HA) 和富里酸(FA)的形成和積累。

3.5 秸稈還田后土壤中HM含量總體呈增加趨勢

相對于兩季還田施氮肥(WCN),小麥秸稈還田施氮肥(WN)、兩季秸稈還田(WC)土壤腐殖酸含量增幅較小。與空白處理,單施有機肥比較,秸稈還田與化肥配施土壤腐殖酸總量有較大幅度提高。這表明兩季秸稈還田與化肥配施可以提高土壤腐殖酸的活性。

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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

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設經(jīng)費(SDAIT-02-06)；魯東丘陵區(qū)小麥玉米水肥自然資源高效利用綜合技術集成與示范研究(2013BAD07B06-03)；高效海洋復合微生物肥料關鍵技術的研究與示范(2015ZDXX0502B01)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203030)

陳晶培(1992-),女,河南許昌人,在讀碩士,主要從事植物營養(yǎng)研究。

劉樹堂(1962-),男,山東安丘人,教授,博士,碩士生導師,主要從事植物營養(yǎng)與施肥技術的研究。

S158

A

1000-7091(2016)05-0180-06

10.7668/hbnxb.2016.05.027