袁銘章,辛 勵(lì),劉樹(shù)堂,南鎮(zhèn)武,劉錦濤,陳晶培

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

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長(zhǎng)期秸稈還田不同施肥對(duì)土壤腐殖質(zhì)含量及結(jié)構(gòu)的影響

袁銘章,辛 勵(lì),劉樹(shù)堂,南鎮(zhèn)武,劉錦濤,陳晶培

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

為了給提高耕層肥力、合理利用農(nóng)業(yè)廢棄秸稈提供良好的依據(jù),采用腐殖質(zhì)組成修改法與紅外光譜法分析了不同秸稈還田條件下各施肥處理對(duì)非石灰性潮土腐殖質(zhì)含量及結(jié)構(gòu)的變化。以青島農(nóng)業(yè)大學(xué)長(zhǎng)期定位秸稈還田試驗(yàn)為基礎(chǔ),設(shè)5個(gè)試驗(yàn)處理,施氮肥條件下設(shè)小麥、玉米秸稈還田(WCN)、一季小麥秸稈還田(WN)2個(gè)處理,同時(shí)設(shè)小麥玉米兩季秸稈還田(WC)、對(duì)照(CK)、單施有機(jī)肥(M)處理。結(jié)果表明:隨著時(shí)間的延續(xù),秸稈還田條件下,2015年各處理土壤中胡敏酸(HA)、富里酸(FA)含量分別平均較2009年提高了117.68%，102.5%。與CK相比,秸稈還田模式各處理土壤腐殖酸總含量(HE)平均增幅21.8%～47.9%,其中腐殖質(zhì)含量最高為WCN,2015年較CK增長(zhǎng)118.8%,較2009年原始土壤增長(zhǎng)了183.63%。兩季秸稈還田配施化肥處理,能夠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穩(wěn)增長(zhǎng)。土壤腐殖物質(zhì)活力從高到低為:WCN>WN>M>WC。兩季秸稈還田及配施有機(jī)肥,提高了芳香族類、羧基類化合物含量,而多糖類化合物含量減少,可提升土壤腐殖質(zhì)的活性及芳化程度。兩季秸稈還田配施氮肥可提高土壤中有機(jī)碳含量,提高土壤地力。

紅外光譜法;秸稈還田;腐殖質(zhì)含量;腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)

秸稈還田技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。不僅可以減緩?fù)寥婪柿λソ?提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,長(zhǎng)期施用秸稈對(duì)土壤腐殖質(zhì)積累的貢獻(xiàn)也非常明顯。因此,充分發(fā)揮秸稈的作用,改善土壤養(yǎng)分資源,提高土地利用效率。有關(guān)研究人員[1-3]表明對(duì)秸稈還田的基礎(chǔ)應(yīng)用,可以改善土壤環(huán)境,提高土壤養(yǎng)分,提高作物產(chǎn)量。

土壤中腐殖質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的85%～90%,是土壤有機(jī)質(zhì)的主體[4],可以通過(guò)影響土壤綜合理化性質(zhì)來(lái)提高土壤地力,土壤腐殖質(zhì)是影響作物生長(zhǎng)的重要因素也是影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析,通常運(yùn)用紅外光譜法,因其具有試驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單方便、高度靈敏等優(yōu)點(diǎn),僅少量試驗(yàn)土樣且無(wú)需特殊分離即可準(zhǔn)確得出結(jié)果。現(xiàn)在更多圍繞土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)和含量的變化,以及維持土壤有機(jī)碳積累等方面進(jìn)行研究,對(duì)長(zhǎng)期固定的秸稈還田和施肥實(shí)驗(yàn)中土壤腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)含量研究較少[5],本研究以長(zhǎng)期定位秸稈還田試驗(yàn)地為基礎(chǔ),運(yùn)用紅外光譜法,研究6年秸稈還田潮土土壤腐殖質(zhì)含量及其結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì),為提高秸稈還田技術(shù),保護(hù)土壤養(yǎng)分資源,有效地利用土地資源,提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)于2009年,在山東青島農(nóng)業(yè)大學(xué)萊陽(yáng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站進(jìn)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,速效鉀(K) 72.00 mg/kg,陽(yáng)離子代換量為13.80 cmol/kg,有機(jī)質(zhì)含量為5.01 g/kg,土壤容重1.21 g/cm3,比重為2.67,孔隙度為51.40%。土壤發(fā)育于沖積母質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理,分別為空白對(duì)照(CK)、單施有機(jī)肥60 000 kg/hm2(M)、兩季秸稈還田(WC)、一季秸稈還田配施氮肥276 kg/hm2(WN)、兩季秸稈還田+施氮肥276 kg/hm2(WCN)。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù),共15個(gè)小區(qū),完全隨機(jī)設(shè)計(jì),試驗(yàn)田周邊設(shè)保護(hù)行,小區(qū)間用1.0 m深玻璃鋼板隔開(kāi),防止水肥漫灌且能獨(dú)立排灌。各處理用水量及耕作管理相一致。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 腐殖質(zhì)及其組分提取 將100 mL 堿性混合浸提劑加入5 g處理好的土樣中,振蕩提取24 h(200 r/min),過(guò)濾,濾液中的有機(jī)物即為腐殖質(zhì)。提取對(duì)濾液進(jìn)行酸化處理后產(chǎn)生的沉淀,上清液是富里酸;氫氟酸沖洗沉淀后,溶于熱堿液中為胡敏酸。

1.3.2 紅外光譜測(cè)定腐殖質(zhì)組分 經(jīng)真空冷凍干燥后粉碎研細(xì)樣品(<2 μm),分別用微量或半微量天平(精確到0.000 1 g) 稱取樣品和KBr粉末(光譜純),在瑪瑙研缽中以樣本:KBr=1∶200的比例混磨,壓片。用 FTIR光譜儀掃描測(cè)定,儀器分辨率為4 cm-1,掃描波長(zhǎng)區(qū)間為4 000～400 cm-1,掃描間隔2 mm,生成光譜,進(jìn)行比較分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2007 及SPSS 19.0 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,利用Sigma Plot 10.0和Origin8.0 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期定位秸稈還田各處理胡敏酸(HA)含量變化

胡敏酸(HA)是膠體,負(fù)電性,陽(yáng)離子交換量高,不溶于酸,相對(duì)分子質(zhì)量在1 000～10 000,對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的組成起到重要作用[6-8]。2009-2011年,胡敏酸含量上升趨勢(shì)較為明顯,WC、M、WN和WCN均較CK增多了51%，55%，80%，106%,且各處理較2009年原始土增長(zhǎng)了65%～126%。2011-2013年,WN、WCN胡敏酸含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì),較CK處理分別增加了70%，105%;WC、M處理較2011年有所下降,可能與土壤氮肥含量下降有關(guān),需進(jìn)一步研究。2013-2015年,各處理均呈上升趨勢(shì),差異最大的WCN較CK增加了122%。2015年各處理土壤中胡敏酸(HA)含量平均較2009年提高了117.68%,說(shuō)明長(zhǎng)期秸稈還田及秸稈還田配施氮肥、長(zhǎng)期施用有機(jī)肥均可提高土壤胡敏酸含量,秸稈還田配施氮肥增幅最大(圖1)。

圖1 長(zhǎng)期定位秸稈還田胡敏酸含量變化

2.2 長(zhǎng)期定位秸稈還田富里酸(FA)含量變化

秸稈降解過(guò)程中,首先形成一個(gè)非結(jié)構(gòu)性FA,伴隨秸稈的分解,一些非結(jié)構(gòu)性FA進(jìn)入土壤或變成二氧化碳,整個(gè)過(guò)程是動(dòng)態(tài)的。

隨著年限增加,相同施肥處理土壤中FA的含量,均呈現(xiàn)較穩(wěn)定的上升趨勢(shì)(圖2),由圖1可知秸稈還田可提高土壤中胡敏酸含量,且隨時(shí)間延續(xù)胡敏酸含量逐年升高,富里酸(FA)含量分別平均較2009年提高了102.5%。胡敏酸是由富里酸轉(zhuǎn)化而來(lái),而富里酸含量維持在穩(wěn)定的水平上(圖2),說(shuō)明較多非結(jié)構(gòu)物質(zhì)形成的富里酸轉(zhuǎn)化為胡敏酸,秸稈還田沒(méi)有過(guò)度增多土層中富里酸的含量,而是使之維持在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。2015年WCN處理FA含量較2013年增加了80%,較其他年份增幅變大,可能與氣候條件有關(guān)。

圖2 長(zhǎng)期定位秸稈還田富里酸含量變化

2.3 長(zhǎng)期定位秸稈還田土壤HA/FA動(dòng)態(tài)變化

表征土壤腐殖化程度的指標(biāo)(HA/FA,PQ)能夠反映土壤腐殖質(zhì)的品質(zhì),衡量土壤中的腐殖酸活性。

從圖3，4可以看出,與CK相比,WC、M、MN、MCN處理土壤HA/FA、腐殖質(zhì)活性(PQ)均隨還田年限增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì),其中，2015年WCN腐殖質(zhì)含量最高，較2009年原始土壤增長(zhǎng)了183.63%，較CK增長(zhǎng)118.8%，說(shuō)明秸稈還田對(duì)胡敏酸和富里酸的形成轉(zhuǎn)化起到了一定的促進(jìn)作用。其中,WCN、WN與WC、M增幅明顯,說(shuō)明氮肥施用能夠提高腐殖酸活性。

圖3 長(zhǎng)期秸稈還田土壤腐殖質(zhì)組成相對(duì)比例的變化趨勢(shì)(HA/FA)

秸稈在分解過(guò)程中,其組成成分物質(zhì)首先逐漸被分解,其次木質(zhì)素和待分解中間產(chǎn)物的腐殖質(zhì)將進(jìn)一步縮合成腐殖質(zhì)的聚合物。腐殖物質(zhì)的主要成分是腐殖酸,是土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體和土壤酸堿緩沖液中重要組成部分。

圖4 長(zhǎng)期秸稈還田土壤腐殖質(zhì)組成相對(duì)比例的變化趨勢(shì)(PQ)

從表1可以看出,隨還田年限增加,秸稈還田模式下各處理土壤腐殖酸總含量較CK平均增幅21.8%～47.9%，WCN處理顯著高于CK處理,整體土壤腐殖酸活性表現(xiàn)為WCN>WN>M>WC(表1)。氮肥與秸稈配施能夠顯著提高土壤中腐殖物質(zhì)含量,效果優(yōu)于單施有機(jī)肥。表明氮肥與秸稈配施能夠增加土壤腐殖酸含量。

表1 腐殖酸總量變化

注:小寫字母表示0.05水平顯著差異,大寫字母表示0.01水平極顯著差異。

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

2.5 長(zhǎng)期定位秸稈還田各處理對(duì)土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

田心世等[9]提出,紅外光譜研究不適合于原土壤的有機(jī)特征研究,因此,該項(xiàng)研究將在提取后進(jìn)行冷凍干燥的試驗(yàn)研究。設(shè)置零吸收點(diǎn)(4 000,870 cm-1),以兩點(diǎn)的線為基線,從圖5可以看出,各秸稈還田施肥處理土壤腐殖質(zhì)樣品結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相似性。

各秸稈還田施肥處理光譜峰主要為:-OH伸縮振動(dòng)(3 200～3 300 cm-1);C-H伸縮振動(dòng),2 900～2 924 cm-1;COO-不對(duì)稱伸縮振動(dòng),1 600～1 650 cm-1;變形振動(dòng),1400～1 450 cm-1(甲基類的),多糖特征峰,1 100～1 125 cm-1;多糖結(jié)構(gòu)及無(wú)機(jī)物的C-O伸縮振動(dòng)Si-O伸縮振動(dòng)(1 000～1 030 cm-1);特征峰出現(xiàn)在750 cm-1處可能是(CnHn)n(1≤n≤3)或碳?xì)滏I外變角振取代芳環(huán)上氫鍵。

圖5中,2009年原始土與2015年各秸稈還田處理紅外光譜圖知,對(duì)胡敏脂肪酸吸收帶的特征2 400～2 900 cm-1部分存在;所有含氧基團(tuán)的吸收主要是由羥基和羧基,羰基伸縮振動(dòng)完成,主要產(chǎn)生的強(qiáng)吸收峰在1 600～1 800 cm-1地區(qū)。從圖5中可以發(fā)現(xiàn),各處理峰值明顯,寬度適中;1 200～1 300 cm-1包括碳氧伸縮振動(dòng)峰(醇或羧酸)、O-H彎曲振動(dòng)。在3 100～3 500 cm-1處的WC和WCN的吸收峰明顯強(qiáng)于其他組,這表明存在更多的(C-H2O)n(1≤n≤10)。在1 250 cm-1的吸收峰下降,這表明(C6H10O5)n和(-COH)n類物質(zhì)在減少。長(zhǎng)期兩季秸稈還田及配施有機(jī)肥，可提高芳香族類、羧基類化合物含量，降低多糖類化合物含量，有利于提升土壤腐殖質(zhì)的活性及芳化程度。兩季秸稈還田配施氮肥可提高土壤中有機(jī)碳含量，有利于提高土壤地力。

有復(fù)雜的多官能團(tuán)系統(tǒng)的直接變現(xiàn)是近紅外波段有很多峰,這在本試驗(yàn)各處理中特別明顯。雖然秸稈還田各處理芳香族官能團(tuán)的含量不同,土壤各處理腐殖酸具有相似的官能團(tuán)與碳骨架結(jié)構(gòu)。對(duì)1 610～1 640 cm-1吸收峰較強(qiáng),說(shuō)明羧基含量高,腐殖酸在2 380 cm-1處的吸收峰明顯升高,富里酸的芳化度遠(yuǎn)高于胡敏酸。

圖5 土壤腐殖質(zhì)及其組分的紅外光譜

3 討論

在秸稈還田各處理中存在復(fù)雜的土壤有機(jī)無(wú)機(jī)物質(zhì)循環(huán),它們是腐殖物質(zhì)形成的根源。它的組成復(fù)雜,一方面是各種土壤細(xì)菌、真菌等生物的作用,另一方面是秸稈等殘留物質(zhì)分解[10-11]。作物還田后,被土壤微生物等迅速轉(zhuǎn)化,然后在土壤物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中,逐漸形成腐殖物質(zhì)。相關(guān)專家研究表明[12],將收獲后的作物埋入土壤中,可對(duì)如胡敏酸等腐殖物質(zhì)的形成有巨大的幫助,提升其品質(zhì),提高HA/ FA 比值。在本次研究過(guò)程中,兩季秸稈換田施氮肥能夠改善土壤養(yǎng)分狀況,增加土壤腐殖物質(zhì)含量。在年際變化過(guò)程中,HA/ FA、 PQ值不斷增加,表明相應(yīng)腐殖物質(zhì)含量逐年升高,然后逐漸平穩(wěn),說(shuō)明其中HA含量增加,所占組分比重增大,土壤逐漸變得穩(wěn)定,能夠?yàn)檗r(nóng)作物提高更多的養(yǎng)分,這與前人研究結(jié)果相似[13]。

在本次試驗(yàn)中,分析比較各秸稈還田處理土壤腐殖物質(zhì)的光學(xué)分析結(jié)果,能夠總結(jié)出土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)含量的變化規(guī)律。眾所周知,土壤有機(jī)物質(zhì)(如腐殖物質(zhì)等),在分類上屬于復(fù)雜度較高的分子,或者是混合物。它的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)受到多種外界因素的干擾。在此次光譜學(xué)分析過(guò)程中,由于技術(shù)條件有限,只能進(jìn)行定量分析,如果要進(jìn)一步分析,就需要借助核磁共振等其他技術(shù)。6個(gè)處理的土壤腐殖物質(zhì)光譜學(xué)分析表明,含氧功能團(tuán)(-COOH、-OH等)構(gòu)成了腐殖物質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)[14]。筆者將主要的紅外光譜峰進(jìn)行分類總結(jié)發(fā)現(xiàn),一系列帶有側(cè)鍵、氧化芳環(huán)組成富里酸,其構(gòu)造單元是苯羧酸和酚酸[15-18],芳環(huán)、環(huán)氮肽鍵組成胡敏酸[19]。不同秸稈還田處理和單施有機(jī)肥對(duì)土壤腐殖質(zhì)的紅外光譜圖顯示各處理相似,說(shuō)明秸稈還田處理對(duì)土壤腐殖質(zhì)的影響保持不變;不同施肥處理對(duì)土壤腐殖質(zhì)的吸收峰強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的差異,反映了不同秸稈還田處理對(duì)土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)單元和功能基團(tuán)存在影響[20]。

朱姝等[20]研究發(fā)現(xiàn)施用不同有機(jī)肥進(jìn)行培肥土壤,腐殖質(zhì)組分元素及碳含量、腐殖質(zhì)總量比例具有明顯差異。Senesi 等[21]研究得出有機(jī)肥種類不同對(duì)腐殖質(zhì)影響不同,均與本試驗(yàn)結(jié)果相吻合。而萬(wàn)曉曉等[22]的研究結(jié)果與本研究略有不同,其結(jié)果表明,秸稈還田后耕層土壤(0～20 cm)腐殖酸與胡敏酸含碳量均呈上升趨勢(shì),HA量在不斷降低,HA/FA比值逐漸減小。這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)土壤為潮土土壤,且小麥-玉米輪作,而萬(wàn)曉曉研究中則是玉米和大豆白漿土秸稈還田,由此可以看出,還田的秸稈種類不同是導(dǎo)致差異的原因之一。

在施氮肥條件下進(jìn)行一季秸稈還田、兩季秸稈還田,以及兩季秸稈還田試驗(yàn)對(duì)土壤腐殖質(zhì)及其組分含量與結(jié)構(gòu)的研究比較少,前人研究多關(guān)注有機(jī)碳在土壤中的活動(dòng)規(guī)律,活性炭、非活性炭的試驗(yàn)探究,以及土壤理化性質(zhì)等方面的研究。因此,利用潮土區(qū)土壤秸稈還田長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)研究土壤碳及其變化規(guī)律,對(duì)評(píng)價(jià)和改善土壤養(yǎng)分肥力有著深遠(yuǎn)的影響。

隨著秸稈還田年限的增加,胡敏酸和富里酸含量逐漸上升,WCN處理胡敏酸和富里酸顯著高于CK處理,整體活性表現(xiàn)為:WCN>WN>M>WC>CK,且所有處理胡富比均高于空白對(duì)照,其中施用氮肥處理和兩季秸稈還田更有利于提高土壤品質(zhì)。

土壤腐殖質(zhì)的光譜學(xué)特性進(jìn)行分析表明,秸稈還田不同處理施用后腐殖質(zhì)的機(jī)構(gòu)組成基本保持不變,但不同施肥處理對(duì)土壤腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能有影響。秸稈還田和有機(jī)肥施用后,芳香族化合物的含量增加,所以長(zhǎng)期秸稈還田可改善土壤腐殖質(zhì)活性。

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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

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(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(shù)集成與示范研究(2013BAD07B06-03);高效海洋復(fù)合微生物肥料關(guān)鍵技術(shù)的研究與示范(2015ZDXX0502 B-01)

袁銘章(1991-),女,山東臨沂人,在讀碩士,主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與施肥技術(shù)研究。

劉樹(shù)堂(1962-),男,山東濰坊人,教授,博士,主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與施肥技術(shù)研究。

S157;S158

A

1000-7091(2016)05-0205-05

10.7668/hbnxb.2016.05.031