張玉軍，董士剛，劉世亮，姜桂英*，張 弘，李 影，郭斗斗，黃紹敏*，申鳳敏

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450002;2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南鄭州450002)

長期粗放式的生產(chǎn)管理模式是制約我國農(nóng)業(yè)實現(xiàn)清潔、可持續(xù)發(fā)展的主要障礙，體現(xiàn)在化肥的大量施用、肥料利用率低、農(nóng)田管理技術(shù)滯后等方面，而不合理的施用化肥會導(dǎo)致土壤板結(jié)、養(yǎng)分失衡、農(nóng)業(yè)面源污染等一系列問題［1］。在我國傳統(tǒng)的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)下，禽畜有機肥、秸稈資源豐富，加之農(nóng)田土壤肥力水平差異較大，因此，利用有機肥、秸稈替代化肥以提高土壤肥力成為高效清潔農(nóng)業(yè)的研究熱點。

土壤活性有機質(zhì)與土壤碳庫管理指數(shù)(Carbon pool management index，CPMI)能靈敏地反映出有機質(zhì)有效組分的變化狀況［2］，近年來逐漸成為評價土壤質(zhì)量和土壤管理的重要指標(biāo)［3-4］。采用高錳酸鉀將易氧化有機質(zhì)分為高、中、低3種級別活性有機質(zhì)［5-7］。張貴龍等［8］研究發(fā)現(xiàn)，有機、無機肥適當(dāng)配施能提高土壤有機碳含量和土壤碳庫管理指數(shù)，有利于改善土壤質(zhì)量、提高土壤肥力。張電學(xué)等［9］的定位試驗發(fā)現(xiàn)，施肥處理的有機碳、易氧化有機碳含量顯著高于不施肥處理。黃晶等［10］研究了不同施肥條件下水稻田土壤有機質(zhì)的動態(tài)變化特征后發(fā)現(xiàn)，單施有機肥或有機、無機肥配施能使土壤有機質(zhì)含量長期保持較高水平。施肥是影響土壤有機質(zhì)尤其是土壤活性有機質(zhì)的主要因素，長期施用有機肥可顯著提高土壤有機質(zhì)水平，而不同的有機肥配施比例對土壤有機質(zhì)的影響不同［9-11］，但現(xiàn)階段研究主要集中于施用有機肥提高土壤活性有機質(zhì)含量方面，而對不同比例有機物替代化肥后有機質(zhì)變化特征研究較少。

河南是我國的產(chǎn)糧大省，潮土占全省耕地面積的43.2%，提升潮土有機質(zhì)內(nèi)在活性以培肥地力是長期的重要工作之一［1］。鑒于此，以河南潮土為研究對象，探討有機物替代不同比例化肥對土壤活性有機質(zhì)變化特征及碳庫管理指數(shù)的影響，以期為優(yōu)化潮土地區(qū)施肥管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年10月在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原陽基地進行，試驗地0～20 cm土壤養(yǎng)分含量見表1。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫14.5℃，年降雨量615 mm，無霜期220 d。土壤類型為潮土，種植制度為冬小麥—夏玉米2季輪作。

表1 試驗地土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)9個處理(表2):CK全量施化肥，S1～S3分別為秸稈替代20%、30%、40%化肥，S4為秸稈配施全量化肥，MS1～MS3分別為秸稈和牛糞共同替代20%、30%、40%化肥，MS4為秸稈和牛糞配施全量化肥;其中S4和MS4為農(nóng)民習(xí)慣性還田施肥措施，在此作為參考。秸稈、牛糞替代化肥均按化肥總體質(zhì)量計算，即替代秸稈或牛糞質(zhì)量固定，按照比例施用化肥。每個處理重復(fù)3次，完全隨機區(qū)組設(shè)計，共27個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為6 m×10 m，各處理間打畦隔開。在玉米收獲后采集0～20 cm混合土壤樣品，風(fēng)干后分2份，1份過2 mm篩測定土壤養(yǎng)分含量，1份過0.25 mm篩測定不同活性有機質(zhì)含量。

表2 不同施肥處理化肥及有機物施用量 kg/hm2

1.3 測定項目及方法

活性有機質(zhì)的測定參照文獻［12］的方法;土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀–外加熱法測定。碳庫管理指數(shù)(CPMI)等指標(biāo)的計算參考徐明崗等［4］的方法。

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品總有機質(zhì)含量/參照土壤總有機質(zhì)含量，

活度指數(shù)(LI)=樣品的不穩(wěn)定性/對照的不穩(wěn)定性，

碳庫活度(L)=樣品中的活性有機質(zhì)/樣品中的非活性有機質(zhì)。

CPMI是基于研究對象及參照土壤的活性有機質(zhì)與土壤有機質(zhì)，用以評價土壤活性有機碳的指標(biāo);CPI表示樣品中有機質(zhì)含量的相對高低;LI表示碳損失及其對穩(wěn)定性的影響;L代表土壤碳的不穩(wěn)定性。本試驗中，參照土壤為對照處理的土壤。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和DPS 7.05進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，采用Origin 8.5進行圖形繪制，LSD法進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的土壤有機質(zhì)含量變化

由圖1可知，與CK相比，不同有機物替代化肥處理的土壤有機質(zhì)含量提高1.82%～14.25%，其中，S3處理的有機質(zhì)含量最高。秸稈替代處理的有機質(zhì)含量隨秸稈替代比例的增加而增加，S2、S3處理顯著高于CK。秸稈牛糞共同替代處理中，MS2處理的有機質(zhì)含量顯著高于 CK，但 MS1、MS2、MS3、MS4處理間差異不顯著。不同有機物替代化肥處理中，以秸稈替代30%～40%化肥(S2、S3)和秸稈牛糞共同替代30%化肥(MS2)對土壤有機質(zhì)含量的提高效果最好。

2.2 不同處理的土壤活性有機質(zhì)含量變化

由圖2、3可知，相同處理的土壤活性有機質(zhì)含量表現(xiàn)為高活性有機質(zhì)＜中活性有機質(zhì)＜低活性有機質(zhì)。在秸稈替代處理中，土壤高活性有機質(zhì)含量隨有機物替代比例增加呈增加—減小的趨勢，以S2處理最高，為3.48 g/kg，占3種活性有機質(zhì)總量的22.84%。在秸稈牛糞共同替代處理中，高活性有機質(zhì)含量隨有機物替代比例的增加而增加，以MS3處理最高，為4.35 g/kg，占3種活性有機質(zhì)含量的22.31%。整體來看，秸稈替代處理的土壤高活性有機質(zhì)含量較CK提高7.04%，而秸稈牛糞共同替代提高22.48%，其中以秸稈牛糞共同替代40%化肥處理(MS3)對土壤高活性有機質(zhì)含量的提高效果最好。在秸稈替代處理中，S1、S3處理的中活性有機質(zhì)含量顯著高于S2、S4處理及CK。在秸稈牛糞共同替代的處理中，中活性有機質(zhì)含量隨替代比例增加呈增加—減小的趨勢，MS2處理最高，為6.38 g/kg，占 3種活性有機質(zhì)總量的32.81%。整體來看，秸稈替代20%化肥(S1)、秸稈牛糞共同替代30%化肥處理(MS2)對中活性有機質(zhì)含量的提高效果最好。低活性有機質(zhì)在3種活性有機質(zhì)中含量最高，占3種活性有機質(zhì)含量的43.81%～54.35%。與CK相比，不同有機物替代水平下，土壤的低活性有機質(zhì)含量顯著提高。在秸稈替代處理中，土壤低活性有機質(zhì)含量隨替代比例的提高呈增加趨勢，以 S3處理最高，為9.4 g/kg，占3種活性有機質(zhì)總量的53.28%。秸稈牛糞共同替代處理間無顯著差異。整體來看，秸稈替代40%化肥(S3)及秸稈牛糞共同替代處理均有利于土壤低活性有機質(zhì)含量的提高。3種活性有機質(zhì)中，秸稈替代、秸稈牛糞共同替代處理在提高土壤中活性、低活性有機質(zhì)含量方面效果較好。

圖1 不同處理的土壤有機質(zhì)含量

圖2 不同處理土壤高活性、中活性和低活性有機質(zhì)含量

圖3 不同處理土壤活性有機質(zhì)的組成比例

2.3 不同處理的土壤CPMI等指標(biāo)變化

由表3 可知，整體上，CPI、LI、L、CPMI的變化特征與活性有機質(zhì)相似。與CK相比，6個替代處理及S4、MS4處理的CPI均大于1，說明有機質(zhì)含量均有不同程度的增加，其中，以S3處理最大，為1.14，即秸稈替代40%化肥處理對土壤有機質(zhì)的提高效果最好，這與土壤有機質(zhì)含量分析的結(jié)果一致。與CK相比，在秸稈替代的高活性有機質(zhì)CPMI中，S2處理明顯高于其他處理。在秸稈牛糞共同替代處理中，3個秸稈牛糞共同替代處理表現(xiàn)為MS3(175.7)＞MS2(112.4)＞MS1(109.0)，均高于 MS4 處理。整體來看，MS3處理對土壤高活性有機質(zhì)CPMI的提高效果最好。中活性有機質(zhì)中，6個替代處理及S4、MS4處理的CPMI均明顯高于CK，其中，秸稈替代處理以S1處理的CPMI最大，為202.9，秸稈牛糞共同替代處理以MS2處理最大，為269.2。低活性有機質(zhì)的CPMI變化趨勢與中活性有機質(zhì)相似，即有機物替代處理的土壤CPMI較CK明顯提高，這與土壤低活性有機質(zhì)含量的分析一致，說明有機物替代部分化肥較單施化肥改善土壤肥力效果好。在秸稈替代處理中，以S3處理的低活性有機質(zhì)CPMI最大，為366.3，在秸稈牛糞共同替代處理中，以MS2處理最大，為533.7。就2種替代有機物來說，秸稈牛糞共同替代處理的低活性有機質(zhì)CPMI高于秸稈替代處理。

表3 不同處理土壤 CPI、L、LI、CPMI

3 結(jié)論與討論

土壤有機質(zhì)含量取決于碳輸入與輸出的動態(tài)平衡，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，碳輸入主要來源于作物殘茬和有機物施用［13］，且土壤有機質(zhì)含量與有機物投入量呈線性增長關(guān)系［2］。本研究中，不同有機物替代處理的土壤有機質(zhì)含量較CK均有提升，且總體上隨有機物替代比例增大而增大，S3處理對有機質(zhì)含量的提高效果最好，原因可能是秸稈類的腐解速率高于糞肥類［14］。高明博［15］的研究也發(fā)現(xiàn)，有機物替代比例越大，土壤有機質(zhì)含量增加幅度越大，說明有機物投入是提升土壤有機質(zhì)含量的重要途徑［16-17］。

土壤活性有機質(zhì)較總有機質(zhì)對農(nóng)田管理措施響應(yīng)更為敏感，已被作為衡量土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)［18-19］。多數(shù)研究認為，秸稈還田或者有機、無機肥配施相對于不施肥或單施化肥能顯著提高土壤活性有機碳的含量［20-23］。本研究中，對有機肥配施響應(yīng)較明顯的是中活性和低活性有機質(zhì)，且以秸稈牛糞共同替代的處理提升效果較好。吳其聰?shù)龋?4］的研究表明，秸稈配施有機肥能夠進一步提升土壤有機質(zhì)中活性組分含量，其效果優(yōu)于秸稈配施化肥。高明博［15］也發(fā)現(xiàn)，有機肥替代不同比例化肥效果優(yōu)于秸稈替代，這可能與有機肥和秸稈之間碳氮比差異有關(guān)，秸稈的高碳氮比不利于土壤微生物的活動，微生物活動能力弱、有機質(zhì)礦化分解較慢［25］。

一般認為，有機物投入有利于提升土壤CPMI［26-27］。相對于單施化肥的 CK，秸稈單獨替代處理或與牛糞共同替代處理均提高了土壤不同活性有機質(zhì)的CPMI，且秸稈牛糞共同替代處理在提高中活性、低活性有機質(zhì)的CPMI方面優(yōu)于秸稈單獨替代處理，說明受不同有機物替代化肥的施肥措施的影響，土壤活性有機質(zhì)含量和CPMI的變化幅度大于土壤總有機質(zhì)的變化幅度，這與吳小丹等［28］、張貴龍等［8］的研究結(jié)果一致。施肥改變了土壤有機質(zhì)組分及分布，單施化肥在長期培肥的土壤中效果不佳，而在秸稈還田的基礎(chǔ)上，無機與有機肥配施卻能顯著提高土壤有機質(zhì)的含量、增大土壤活性有機質(zhì)比重、提高土壤CPMI［29］。綜合來看，秸稈牛糞共同替代30%～40%化肥(MS2、MS3)在提高總有機質(zhì)及不同活性有機質(zhì)含量方面效果較好，因此，結(jié)合河南潮土農(nóng)業(yè)區(qū)生產(chǎn)狀況，秸稈還田配施牛糞替代30%～40%的化肥有利于提高土壤肥力。

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