劉國群，章明奎，嚴(yán)建立

施用高量有機(jī)物料對新墾耕地紅壤有機(jī)碳積累及性態(tài)的影響

劉國群1，章明奎2*，嚴(yán)建立3

(1. 衢州市柯城區(qū)土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站，衢州 324000；2. 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058；3. 杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，杭州 310024)

為了解新墾紅壤培肥過程中有機(jī)物料用量對土壤有機(jī)碳積累、培肥效率及土壤性態(tài)的影響，選擇一新墾耕地紅壤，設(shè)置秸稈、秸稈加氮和豬糞等3種添加物各7個(gè)施用水平共19個(gè)處理，每種有機(jī)物料用量設(shè)0（對照）、25、50、100、150、200和250 g·kg-1等7個(gè)級別，進(jìn)行了為期24個(gè)月的模擬培養(yǎng)試驗(yàn)，觀察了有機(jī)物料分解率、土壤C/N、活性有機(jī)碳和養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明，隨有機(jī)物料用量的增加，土壤中活性有機(jī)碳、總有機(jī)碳含量均增加，C/N比下降，土壤有效磷、速效鉀和水溶性鹽分含量增加，有機(jī)物料在土壤中的分解率也隨之增加。豬糞碳的礦化速率低于水稻秸稈，加氮可增加秸稈的腐殖化系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物料添加越多，培肥效率（腐殖化系數(shù)）越低。同時(shí)，高量施用豬糞容易引起土壤鹽害。豬糞用量為50 g·kg-1（相當(dāng)于7.5 t·畝-1）時(shí)土壤鹽分含量超過了2 g·kg-1；高量施用水稻秸稈可引起土壤有效氮的下降，秸稈用量超過100 g·kg-1（相當(dāng)于15 t·畝-1）時(shí)土壤堿解氮明顯下降；秸稈加氮處理會(huì)引起土壤酸化。結(jié)果顯示，為減免有機(jī)物質(zhì)的過度分解，有機(jī)物料的施用量控制在50 g·kg-1以下為宜。

有機(jī)物料；高量施用；分解速率；土壤有機(jī)碳庫

有機(jī)質(zhì)（有機(jī)碳）是土壤肥力的核心，其不僅是評估土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，還可通過不同方式影響其他土壤質(zhì)量指標(biāo)對土壤生產(chǎn)力和土壤生態(tài)環(huán)境發(fā)揮作用。因此，提升土壤有機(jī)質(zhì)水平一直是農(nóng)田土壤培肥的重點(diǎn)[1-3]，并形成了多種提高土壤有機(jī)質(zhì)的技術(shù)[4-6]。大量的研究表明[4,7-11]，秸稈還田和施用有機(jī)肥可促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累、改善土壤養(yǎng)分狀況；但研究也表明，不同有機(jī)物料在土壤中的循環(huán)有所差異[12-16]，并受土壤與環(huán)境因子的影響[17]。增加有機(jī)物料的投入可促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[18-19]，但有關(guān)有機(jī)物料用量是否會(huì)影響有機(jī)物料在土壤中分解速率及土壤原有機(jī)碳庫的變化文獻(xiàn)報(bào)道不 一[20-23]。Nyhan[20]和程勵(lì)勵(lì)等[21]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料的用量并不影響其碳的損失速度；Hallam等的結(jié)果表明秸稈加入量越多其在土壤中殘留比越大[22]；而Amato 等的研究表明秸稈在土壤中的礦化速率隨物料加入量增加而加快[23]。尹云鋒等的研究也發(fā)現(xiàn)，秸稈均能明顯促進(jìn)紅壤原有的總有機(jī)碳和重組有機(jī)碳的分解[17]。近年來，為解決土壤“碳饑餓”等問題及保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有人也倡議推行高量秸稈深埋方式進(jìn)行還田[24-25]。目前有關(guān)秸稈還田和施用有機(jī)肥對土壤有機(jī)碳積累、土壤養(yǎng)分循環(huán)和作物生產(chǎn)影響的研究多是針對正常生產(chǎn)的農(nóng)田，無論是秸稈還田還是施用有機(jī)肥，投入農(nóng)田的有機(jī)物料有限，主要是起到穩(wěn)定或緩慢提升土壤有機(jī)碳的作用。但對于新墾耕地，由于其土壤有機(jī)碳低下，僅僅以常規(guī)的有機(jī)物料施用量來提升土壤有機(jī)碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到新墾耕地快速培肥的要求。因此，在實(shí)際的新墾耕地建設(shè)過程中，有些地方采用高量施用有機(jī)物料的方法來提升土壤有機(jī)碳，但至今有關(guān)高量施用有機(jī)物料對土壤有機(jī)碳的循環(huán)特點(diǎn)、有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)及其對土壤性狀的影響尚不夠清楚。為此，本研究以秸稈和豬糞等兩類常用的有機(jī)物料為對象進(jìn)行模擬試驗(yàn)，研究不同量有機(jī)物料對新墾耕地紅壤有機(jī)碳積累及性態(tài)的影響，旨在為新墾紅壤培肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和有機(jī)物料

供試土壤為紅壤，采自浙江省金衢盆地一新開墾的旱地，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅土。土壤經(jīng)風(fēng)干碾碎過10 mm 篩用于培養(yǎng)試驗(yàn)。因采樣前試驗(yàn)地土壤已經(jīng)施石灰改良，土壤酸度較低，土壤pH為5.87，有機(jī)碳含量為3.60 g·kg-1，全氮含量為0.54 g·kg-1，有效磷、速效鉀和堿解氮含量分別為4.35、49.12和25.22 mg·kg-1。

供試水稻秸稈和豬糞收集于金衢盆地的農(nóng)村，水稻秸稈直接在室內(nèi)風(fēng)干后研磨過1 mm用于試驗(yàn)。水稻秸稈的pH、有機(jī)碳、全磷和全氮分別為7.08，401.7 g·kg-1、0.22 g·kg-1和5.52 g·kg-1；豬糞在室內(nèi)堆置1個(gè)月后研磨過1 mm用于試驗(yàn)，其pH、有機(jī)碳、全磷和全氮分別為7.42，376.4 g·kg-1、12.43 g·kg-1和23.18 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)方法

培養(yǎng)試驗(yàn)共持續(xù)24個(gè)月，分二個(gè)階段進(jìn)行。第一個(gè)階段（即試驗(yàn)的前12個(gè)月），設(shè)置秸稈、秸稈加氮和豬糞等3種添加物各7個(gè)施用水平共19個(gè)處理（3類添加物的對照相同），每種有機(jī)物料用量包括0（對照）、25、50、100、150、200和250 g·kg-1等7個(gè)級別，重復(fù)3次。加氮處理的目的是為了調(diào)節(jié)C/N在25以下（即因加入秸稈后C/N比大于25，加尿素把土壤C/N調(diào)節(jié)至25）。試驗(yàn)在溫室內(nèi)的塑料容器中進(jìn)行，每一處理土壤用量為5.00 kg置于塑料容器中，加入設(shè)定的豬糞或秸稈及尿素混勻，在28℃下培養(yǎng)；土壤含水量控制在最大持水量的85%左右，并用稱重法每隔10～15 d左右補(bǔ)充一次水分。分別在培養(yǎng)3月、6個(gè)月和12個(gè)月把土壤混均后取樣。第二個(gè)階段（即試驗(yàn)的后12個(gè)月），在培養(yǎng)的第13個(gè)月時(shí)，除對照處理外，各處理再加入25 g·kg-1秸稈或豬糞（與前12個(gè)月的加入物種類一致），繼續(xù)保持以上條件下培養(yǎng)12個(gè)月，期間調(diào)節(jié)水分，每6個(gè)月取樣一次。

1.3 測定方法

土樣經(jīng)研磨過2 mm和0.125 mm篩后，分別測定有機(jī)碳、全氮和活性有機(jī)碳[26]。土壤有機(jī)碳和全氮采用常規(guī)方法測定；活性有機(jī)碳參照Lefroy 等的方法[27]，即用333 mmol·L-1KMnO4溶液氧化法測定。有機(jī)物料的礦化率（%）= （培養(yǎng)初始土壤和秸稈混合物總有機(jī)碳量– 取樣時(shí)土壤總有機(jī)碳量）×100/有機(jī)物料有機(jī)碳添加量。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料添加量對土壤有機(jī)物料礦化的影響

表1可知，土壤中添加的有機(jī)物料的累計(jì)礦化率隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加，其中礦化速率以培養(yǎng)的前3個(gè)月為最高，之后隨時(shí)間逐漸放緩，這顯然與培養(yǎng)初期易降解有機(jī)碳比例較高有關(guān)。培養(yǎng)12個(gè)月與18個(gè)月之間有機(jī)物料礦化率差異較小，這與在培養(yǎng)的第13個(gè)月加入了新有機(jī)物料有關(guān)?？傮w上，3種添加物處理的有機(jī)物料礦化率以秸稈處理為最高，加氮后有機(jī)物料的礦化率有所下降，特別是當(dāng)有機(jī)物料加入量較大時(shí)。豬糞在土壤中的礦化率明顯低于水稻秸稈。

有機(jī)物料的添加量對其礦化率有顯著的影響，這種影響隨有機(jī)物料添加量的增加變得更為明顯。這一結(jié)果表明，添加的有機(jī)物料越多，添加入土壤中的單位質(zhì)量有機(jī)物料腐殖化系數(shù)越低，損失的有機(jī)碳越高。

表1 有機(jī)物料添加量對其累計(jì)礦化率的影響

注：小寫字母不同代表差異顯著（<0.05），下同。

2.2 有機(jī)物料添加量對土壤有機(jī)碳組分的影響

表2可知，在培養(yǎng)時(shí)間較短時(shí)，有機(jī)物料的添加迅速增加了土壤中有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量，后者與有機(jī)物料的添加量呈正相關(guān)。表2中結(jié)果表明，進(jìn)入土壤中的有機(jī)碳有較高比例以活性有機(jī)碳方式存在，且添加的有機(jī)物料越高，活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例也越高。但隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，積累在土壤中的有機(jī)碳和活性有機(jī)碳均呈現(xiàn)下降，其中活性有機(jī)碳的下降幅度明顯高于總有機(jī)碳。

從有機(jī)碳含量的數(shù)據(jù)可知，在培養(yǎng)初期不同有機(jī)物料添加量土壤中總有機(jī)碳含量存在很大的差距。在培養(yǎng)時(shí)間為3個(gè)月時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理的添加量為250 g·kg-1的土壤總有機(jī)碳含量分別是添加量為25 g·kg-1的5.79、6.34和6.12倍，相應(yīng)地活性有機(jī)碳分別為8.96、9.30和8.96倍。但在培養(yǎng)時(shí)間為12個(gè)月時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理的添加量為250 g·kg-1的土壤總有機(jī)碳含量分別是添加量為25 g·kg-1的4.03、4.61和4.45倍，相應(yīng)地活性有機(jī)碳分別為4.06、4.44和5.04倍。在培養(yǎng)時(shí)間為24個(gè)月時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理的添加量為250 g·kg-1的土壤總有機(jī)碳含量分別是添加量為25 g·kg-1的2.30、2.81和2.75倍，相應(yīng)地活性有機(jī)碳分別為2.42、3.05和3.19倍。

從培養(yǎng)24個(gè)月土壤總有機(jī)碳的分析結(jié)果可知，在有機(jī)物料投入量較低時(shí)，土壤有機(jī)碳隨有機(jī)物料投入的增幅非常明顯，但當(dāng)投入量較高時(shí)，進(jìn)一步增加有機(jī)物料的投入土壤總有機(jī)碳的增幅明顯地降低。當(dāng)有機(jī)物料添加量為25 g·kg-1時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理土壤總有機(jī)碳比對照增加124.35%～162.03%；當(dāng)有機(jī)物料添加量為50 g·kg-1時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理土壤總有機(jī)碳比25 g·kg-1時(shí)增加20.28%～34.37%；當(dāng)有機(jī)物料添加量為100 g·kg-1時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理土壤總有機(jī)碳比50 g·kg-1時(shí)增加34.48%～38.56%；當(dāng)有機(jī)物料添加量為150 g·kg-1時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理土壤總有機(jī)碳比100 g·kg-1時(shí)增加19.92%～22.49%；當(dāng)有機(jī)物料添加量為200 g·kg-1時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理土壤總有機(jī)碳比150 g·kg-1時(shí)增加9.41%～23.65%；當(dāng)有機(jī)物料添加量為250 g·kg-1時(shí)，秸稈、秸稈加氮和豬糞等3個(gè)添加物處理土壤總有機(jī)碳比200 g·kg-1時(shí)只增加4.11%～11.69%。

12個(gè)月24個(gè)月 活性有機(jī)碳/g·kg-1總有機(jī)碳/g·kg-1活性有機(jī)碳占比/%活性有機(jī)碳/g·kg-1總有機(jī)碳/g·kg-1活性有機(jī)碳占比/% 0.45g3.47g12.97b0.47e3.45f13.62c 2.50f7.07f35.41ab2.44d7.74e31.52b 3.29e10.13e32.45b2.99 d9.31d32.14b 4.99d15.80d31.59b4.03c12.52c32.18b 7.15c19.58c36.52a5.24b15.30b34.26a 9.49b25.73b36.89a6.00a16.74ab35.84a 10.15a28.49a35.64a5.90a17.80a33.15ab 0.45g3.47g12.97c0.47f3.45g13.62c 2.50f7.07f35.41a2.44e7.74f31.52b 3.54e11.34e31.25b3.27d10.40e31.48b 5.59d18.28d30.56b4.55c14.41d31.59b 8.22c24.40c33.68a5.81b17.28c33.64a 9.88b28.93b34.15a7.05a19.50b36.14a 11.09a32.59a34.02a7.45a21.78a34.21a 0.45g3.47g12.97c0.47f3.45f13.62c 2.25f7.91f28.41b2.43e9.04e26.85b 3.38e11.19e30.25ab3.27d11.43d28.65b 5.38d18.20d29.54b4.32c15.74c27.45b 7.69c23.65c32.54a6.00b19.28b31.14a 9.80b31.15b31.45a7.21a23.84a30.25a 11.35a35.19a32.25a7.75a24.82a31.24a

2.3 有機(jī)物料添加量對土壤性態(tài)的影響

表3可知，添加秸稈和豬糞均可不同程度提高土壤的pH值，在培養(yǎng)初期，隨有機(jī)物料添加量的增加，土壤pH值也呈現(xiàn)增加。但當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為12個(gè)月時(shí)，土壤pH值的增幅明顯減小，其中加氮處理的土壤pH值明顯低于不加氮的秸稈處理和對照。

土壤C/N比同時(shí)明顯受添加的有機(jī)物料種類及添加量的影響，并隨培養(yǎng)時(shí)間的增加逐漸下降。豬糞處理的土壤C/N比最低，加氮處理后土壤C/N比有明顯的下降。在培養(yǎng)初期，土壤C/N比一般隨有機(jī)物料添加量的增加而增加；但隨著時(shí)間的增加，土壤C/N比隨有機(jī)物料添加量的變化呈現(xiàn)先增加后又下降的變化規(guī)律。其原因可能與在有機(jī)物料礦化過程中碳的損失顯示高于氮的損失有關(guān)。

表3 有機(jī)物料添加量對土壤pH和C/N的影響

表4可知，有機(jī)物料的添加，可顯著影響土壤速效養(yǎng)分和鹽分。施用豬糞對土壤養(yǎng)分積累和鹽分含量的影響最為明顯，當(dāng)豬糞用量為50 g·kg-1時(shí)（相當(dāng)于7.5 t·畝-1），其土壤鹽分已超過了2 g·kg-1。同時(shí)，豬糞施用后土壤中有效磷、速效鉀和堿解氮均呈急劇的增加。施用水稻秸稈增加了土壤中有效磷和速效鉀水平，其含量隨秸稈施用量的增加而增加。但秸稈的施用對堿解氮無促進(jìn)作用，多數(shù)情況下降低了土壤中的堿解氮，當(dāng)秸稈用量超過100 g·kg-1時(shí)（相當(dāng)于15 t·畝-1），土壤堿解氮明顯下降；同時(shí)，高量秸稈施用也顯著增加了土壤中鹽分的積累，但其影響遠(yuǎn)低于豬糞。加氮秸稈施用土壤堿解氮也顯著增加，但其也大大提高了土壤中鹽分的積累，同時(shí)也降低了土壤的pH值。

3 討論與結(jié)論

許多研究表明，進(jìn)入土壤的有機(jī)物的分解速率隨時(shí)間變化，存在“快速分解階段”和“緩慢分解階段”，一般是在培養(yǎng)初期分解速度最快，以后逐漸進(jìn)入緩慢分解階段[28]，本研究的結(jié)果也證實(shí)了這種現(xiàn)象。無論是水稻秸稈還是豬糞，有機(jī)物料的礦化都是前期較快，后期減慢，其原因是因?yàn)橛袡C(jī)物中的易分解組分在前期分解的比例較多，而后期難分解的有機(jī)物質(zhì)偏多，主要以慢速生長型微生物群進(jìn)行降解。而豬糞礦化速率比水稻秸稈慢也可能是水稻秸稈中存在較多的易礦化有機(jī)物有關(guān)。

以上結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)的積累雖然也隨土壤有機(jī)物料投入的增加而增加，但并不呈比例上升，即秸稈有機(jī)碳腐殖化系數(shù)隨秸稈添加量的增加而降低。這一結(jié)果與尹云峰等[17]和Amato 等[23]獲得的有機(jī)物添加量100 g·kg-1范圍內(nèi)的變化規(guī)律基本一致。表明隨著有機(jī)物料的增加會(huì)促進(jìn)更多有機(jī)物質(zhì)的分解，其原因可能是有機(jī)物料的大量投入會(huì)促進(jìn)土壤微生物的繁殖，而投入土壤中的有機(jī)物料主要是易分解、不穩(wěn)定的活性有機(jī)碳，有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)與土壤碳庫活度之間呈負(fù)相關(guān)[29]，因此微生物的繁殖將消耗更多的土壤有機(jī)物質(zhì)。

表4 有機(jī)物料添加量對土壤養(yǎng)分和鹽分的影響

另外，以上研究也表明，在短時(shí)間內(nèi)過量施用有機(jī)物質(zhì)可能還會(huì)引起土壤的鹽化和酸化，其原因是高量有機(jī)物料分解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和可溶性礦物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)難以通過土壤自身的循環(huán)而下降。高濃度的鹽分不僅會(huì)直接影響植物的生長，而且也會(huì)導(dǎo)致營養(yǎng)元素離子之間的拮抗作用，從而影響農(nóng)作物對另一種營養(yǎng)離子的吸收。特別是會(huì)誘發(fā)農(nóng)作物需要的鋅、硼、鐵、鎂和錳等微量元素缺乏。秸稈加氮處理后土壤酸度增加可能與施氮增強(qiáng)了土壤的硝化作用、增加了酸的釋放有關(guān)。這些結(jié)果表明，施用有機(jī)肥是培肥地力、改良土壤的重要方式，但在短時(shí)間內(nèi)過量施用有機(jī)肥也會(huì)帶來一定的土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。本研究在室內(nèi)可控條件下進(jìn)行，以上結(jié)果還需要在田間開展類似研究進(jìn)行驗(yàn)證。

結(jié)果表明，有機(jī)物料用量的增加可增加土壤活性有機(jī)碳、總有機(jī)碳、有效磷和速效鉀，降低土壤C/N，但同時(shí)增加了土壤鹽分的積累，有機(jī)物料的腐殖化也隨之下降，培肥效率（腐殖化系數(shù)）下降。豬糞中碳在土壤中的礦化速率低于水稻秸稈，但秸稈加氮可增加其腐殖化系數(shù)。研究還發(fā)現(xiàn)，高量施用豬糞容易引起土壤鹽害，豬糞用量為50 g·kg-1（相當(dāng)于7.5 t·畝-1）時(shí)土壤鹽分含量超過了2 g·kg-1；高量施用水稻秸稈可引起土壤有效氮（堿解氮）的下降；而秸稈加氮處理會(huì)引起土壤酸化。

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Effects of applying high amount of organic materials on the accumulation and properties of organic carbon in newly cultivated red soil

LIU Guoqun1, ZHANG Mingkui2, YAN Jianli3

(1. Kecheng District Soil-Fertilizer and Rural Energy Technology Extension Station of Quzhou City, Quzhou 324000;2. College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058;3. Hangzhou Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310024)

To understand the effect of the applied amount of organic materials on the accumulation of soil organic carbon, humification coefficient and soil properties, a newly cultivated red soil was collected for treating with straw, straw plus nitrogen and pig manure, and incubated for 24 months. The applied amount for organic materials was 0 (control), 25, 50, 100, 150, 200 and 250 g·kg-1, respectively. The dynamic changes in decomposition rate of the added organic materials, soil C/N, active organic carbon and nutrients were monitored in the simulated culture experiment. The results showed that, with increasing applied rate of the organic materials, the content of soil active organic carbon and total organic carbon increased, the C/N ratio decreased, the available P, available K and water-soluble salt increased, while the decomposition rate of the organic materials in the soil increased. The mineralization rate of organic carbon in pig manure was lower than that of rice straw, and could increase the humification coefficient of straw by adding nitrogen. It was found that the more organic materials were added, the lower the fertilization efficiency (humification coefficient). At the same time, high-level application of pig manure was easy to cause soil salt damage. When the amount of pig manure was 50 g·kg-1(equivalent to 7.5 t·mu-1), the soil salt content was more than 2 g·kg-1. High-level application of rice straw could cause a decrease of soil available nitrogen. When the amount of straw was more than 100 g·kg-1(equivalent to 15 t·mu-1), it obviously decreased the soil alkali-hydrolyzed nitrogen. Straw plus nitrogen treatment could cause soil acidification. It is better to control organic matter below 50 g·kg-1to reduce organic matter decomposition.

organic materials; high-amount application; decomposition rate; soil organic carbon pool

S158.5

A

1672-352X (2021)01-0101-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210319.001

2021-3-23 10:25:59

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210319.1503.002.html

2020-04-16

浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019C02035）和國家科技支撐計(jì)劃課題（2014BAD14B04）共同資助。

劉國群，農(nóng)藝師。E-mail：275817759@qq.com

章明奎，博士，教授。E-mail：mkzhang@zju.edu.cn