鄭銘潔，余紅偉，陳志良，章明奎

（1建德市農(nóng)技推廣中心土壤肥料站，浙江 建德 311600；2浙江大學環(huán)境與資源學院，杭州 310058）

0 引言

耕地是最寶貴的農(nóng)業(yè)資源和最重要的生產(chǎn)要素，其質(zhì)量關(guān)乎國家糧食安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)安全。20世紀80年代以來，中國因城市擴建和經(jīng)濟發(fā)展占居了大量了優(yōu)質(zhì)耕地，為了維持耕地面積的動態(tài)平衡，許多地區(qū)通過投入大量的人力、物力新造耕地來補充被占用的耕地，其中開墾低丘紅壤是中國南方地區(qū)獲得新造耕地的重要途徑。低丘紅壤地區(qū)新墾造耕地受立地條件、生產(chǎn)成本和種植效益等多種因素的影響，普遍存在立地條件差、表土太薄、死土裸露、養(yǎng)分不足、有機質(zhì)低下、酸性強及保肥性差、蓄水性弱等諸多問題，導致許多新墾紅壤耕地利用率偏低，甚至存在新墾地荒蕪現(xiàn)象。新墾耕地“墾而難用”成為某些地區(qū)“耕地占補平衡”迫切需要解決的問題。如何快速培育新墾紅壤是實現(xiàn)南方紅壤地區(qū)耕地質(zhì)量和數(shù)量同時平衡的重要前提，其中，提高土壤有機碳含量被認為是旱地紅壤快速熟化和培肥的核心。因有機碳可提高土壤陽離子交換量、增加土壤蓄水能力、改善土壤結(jié)構(gòu)和團聚體穩(wěn)定性，它是土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的主要來源和土壤生物多樣性的保障，幾乎所有土壤科學研究者和土地管理者都倡導維持高水平的土壤有機碳含量。增加土壤有機碳途徑一般包括增施有機肥料、種植綠肥及秸稈還田等[1-2]。大量研究表明，有機物料組成復(fù)雜，它不僅能提高土壤有機碳水平[3-7]，提供植物需要的養(yǎng)分[6,8-11]，同時其還能改善土壤物理性狀[12]，增加土壤保水保肥能力，提高土壤生物活性[13-14]，從而實現(xiàn)土壤養(yǎng)分的良性循環(huán)[15-16]。然而，不同研究者報道的施用有機肥料的效果卻有很大的差異[17-20]，其中原因之一是有機物料種類的差異。盡管中國在農(nóng)業(yè)土壤上施用有機肥有悠久的歷史，積累了大量的經(jīng)驗，但至今，對不同有機物料在促進旱地紅壤有機碳提升及培肥效果的影響上的差異的知識還不夠完善。過去對新墾耕地土壤肥力的培育主要偏重于有機碳總量的提升，對土壤有機質(zhì)品質(zhì)考慮較少。如何同時在“量”和“質(zhì)”提高新造耕地土壤有機質(zhì)水平是新造耕地科學培肥需要解決的問題。為此，本研究選擇黃筋泥和紅砂土2種不同質(zhì)地的代表性紅壤地區(qū)土壤，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗研究了11種常用的有機物料對新墾紅壤的培肥效果，以期為新墾紅壤科學施用有機物料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗采用室內(nèi)培養(yǎng)方法在黃筋泥和紅砂土等2種土壤上同時進行。供試土壤采自浙中的2塊新造地，尚未經(jīng)過任何改良，土壤肥力極低，農(nóng)作物難以正常生長；試驗前土壤性狀見表1。從田間采集的土樣過5mm土篩后充分混勻用于試驗。每盆用土量為15 kg，每一種土壤各設(shè)置12個處理，分別為：（1）對照（CK，不施任何有機物料）；（2）風化煤腐殖酸；（3）泥炭（草炭）；（4）菌菇棒堆肥；（5）豬糞；（6）雞糞；（7）水稻秸稈（切碎后施用）；（8）紫云英；（9）沼渣；（10）豬糞/水稻秸稈堆肥；（11）生活垃圾堆肥；（12）50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥。所用有機物的平均養(yǎng)分狀況見表2。每一處理以等碳量添加各類有機物，其用量相當于各添加有機碳10 g/kg（相當于22.5 t/hm2），與土壤充分混勻；重復(fù)3次，隨機排列，培養(yǎng)時間持續(xù)18個月。培養(yǎng)試驗在玻璃溫室內(nèi)進行，土壤保持80%的田間持水量，培養(yǎng)期間溫度在15～35℃。分別在第3、6、12、18個月取樣分析。

表1 試驗前土壤基本性質(zhì)

表2 試驗有機物性狀（測定結(jié)果以干物質(zhì)為基礎(chǔ)）

采集的土樣分2部分：一部分保持原狀，分析水穩(wěn)定性團聚體；另一部分經(jīng)風干后分別研磨過2mm和0.15mm土篩用于理化分析。分析內(nèi)容包括水穩(wěn)定性團聚體、pH、有機碳及其組分、有效磷、堿解氮、速效鉀、CEC、微生物生物量、酶活性等指標。土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化法測定，腐殖質(zhì)碳用稀堿提取-重鉻酸鉀氧化法測定，土壤中易氧化有機碳采用0.333mol/L高錳酸鉀氧化法測定[21]，土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定[22]-Shimadzu TOC自動分析儀測定。土壤有機碳組分采用密度分離法進行分析[23]：稱取25.00 g樣品用密度為1.85 g/cm3NaI溶液分離得到游離態(tài)輕組(fLF)和重組(HF)；向剩余重組中加入0.5%(w/v)六偏磷酸鈉(HMP)溶液，振蕩18 h，依次通過0.053 mm的篩子，分別得到粗顆粒有機碳(cPOC；＞0.053mm)和礦物結(jié)合態(tài)有機碳(mSOC；＜0.053 mm)，各組分在40℃下烘干、稱重，用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定其有機碳含量。土壤pH、有效磷、堿解氮、速效鉀采用常規(guī)法測定[24]；CEC采用醋酸銨交換法測定；土壤中水穩(wěn)定性團聚體采用濕篩法測定。蔗糖轉(zhuǎn)化酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[25]，過氧化氫酶用滴定法測定[25]；脲酶用奈氏比色法測定[25]；脫氫酶用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定[25]；磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤有機碳積累及腐殖質(zhì)形成的影響

2類不同質(zhì)地的新墾旱地紅壤中施用各類有機物均可明顯提高土壤中有機碳的含量（表3），但不同有機物施入土壤后的變化及其殘留量有較大的差異。試驗中各類有機物料的有機碳投入量相同，因此表3中的不同時間檢測的土壤有機碳數(shù)量的高低在一定程度上可反映不同有機物料在土壤中的相對穩(wěn)定性。結(jié)果表明，對于不施有機物料的對照土壤，無論是質(zhì)地較粘的黃筋泥還是質(zhì)地偏砂的紅砂土，隨著培養(yǎng)時間的增加，其有機碳變化較小，說明不施用有機物的情況下土壤中有機碳較為穩(wěn)定。但其他11個施有機物的土壤中有機碳的含量隨培養(yǎng)時間呈現(xiàn)逐漸下降。當培養(yǎng)時間較短時（3個月），各有機物料處理間土壤總有機碳數(shù)量差異較??；但隨著培養(yǎng)時間的增加，施用不同有機物料處理間土壤總有機碳的差異逐漸加大。表4為以對照土壤為參照計算的施入土壤中有機物料在不同培養(yǎng)時間的殘留比例。在培養(yǎng)時間為3、6、12、18個月時，施入黃筋泥中不同有機物的有機碳殘留比例分別為65.20%～93.90%、40.60%～81.70%、26.40%～78.30%和15.40%～74.50%，平均分別為83.38%、64.54%、51.70%和43.86%；相應(yīng)地紅砂土中的有機碳殘留比例分別為55.90%～86.80%、40.40%～81.40%、20.60%～76.60%和10.30%～71.20%，平均分別為77.05%、58.14%、45.64%和38.15%。這一結(jié)果表明，這11種有機物在土壤中的穩(wěn)定性順次為：風化煤腐殖酸＞50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥＞泥炭＞豬糞/水稻秸稈堆肥＞生活垃圾堆肥＞沼渣＞菌菇棒堆肥＞豬糞＞雞糞＞水稻秸稈＞紫云英。有機物料在黃筋泥中的穩(wěn)定性高于在紅砂土中的穩(wěn)定性。

表4 施入土壤中不同有機物中有機碳的殘留比例隨培養(yǎng)時間的變化 %

表3結(jié)果還表明，對于不施有機物料的對照土壤在培養(yǎng)過程中易氧化有機碳的變化較小，表明土壤本身易氧化有機質(zhì)水平較低，有機碳較為穩(wěn)定。但施用各類有機物的土壤中易氧化有機碳隨培養(yǎng)時間發(fā)生了明顯的下降，下降幅度大于有機碳總量的變化。土壤中易氧化有機碳的數(shù)量基本上與土壤有機碳呈同步變化，總有機碳下降較快的土壤其易氧化有機碳下降也較為迅速。

通過18個月培養(yǎng)后，施用各類有機物土壤中腐殖質(zhì)均有不同程度的提高（表3），但不同有機肥處理之間腐殖質(zhì)比對照土壤提高的比例有很大的差異，黃筋泥和紅砂土中分別為5.19%～338.31%和5.43%～491.30%。最高的為施用風化煤腐殖酸處理（比對照增加338.31%和491.30%），其次為50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥（比對照增加253.90%和405.43%）；最低的為紫云英（比對照增加5.19%和5.43%），次低的為水稻秸稈（比對照增加7.79%和43.48%）。泥炭、菌菇棒堆肥、沼渣、豬糞/水稻秸稈堆肥和生活垃圾堆肥也均具有較高的腐殖質(zhì)增加幅度，在黃筋泥和紅砂土中的提高幅度分別在61.04%～167.53%和79.35%～284.78%之間。豬糞和雞糞的施用也可明顯提高紅砂土的腐殖質(zhì)含量，提高幅度在58.70%～65.22%之間，但它們對黃筋泥的腐殖質(zhì)提升幅度較小，在12.99%～17.53%之間。這一結(jié)果表明，在新墾紅壤中單獨施用紫云英和水稻秸稈，不利于土壤腐殖質(zhì)的形成，而施用風化煤腐殖酸、50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥對提升土壤腐殖質(zhì)最為有效。

2.2 對土壤有機碳形態(tài)組成的影響

進入土壤的有機物質(zhì)可以不同的形態(tài)存在，部分有機碳并沒有與土壤礦物結(jié)合，以游離態(tài)（如有機殘片）存在，其穩(wěn)定性較差，易隨時間發(fā)生變化；有的與土壤形成復(fù)合體，并可根據(jù)顆粒大小進一步分為粗顆粒有機碳（與礦物松結(jié)合，＞0.053mm）和礦物結(jié)合態(tài)有機碳（與礦物緊結(jié)合，＜0.053mm），一般認為后者的穩(wěn)定性最高。表5為培養(yǎng)18個月后各有機物施用土壤中存在的不同形態(tài)有機碳的分布。結(jié)果表明，施用各類有機物后，土壤中游離態(tài)有機碳、粗顆粒有機碳和礦物結(jié)合態(tài)有機碳均有不同程度的提高，但無論是黃筋泥還是紅砂土，11種有機物施用18個月后殘留在土壤中的有機碳主要以礦物結(jié)合態(tài)有機碳存在，其占黃筋泥和紅砂土有機碳的比例為72.37%～94.83%和67.25%～93.46%，平均分別為82.01%和78.92%。游離態(tài)有機碳和粗顆粒有機碳占總有機碳的比例較低，其中，游離態(tài)有機碳分別占黃筋泥和紅砂土有機碳的比例分別為0.32%～3.98%和0.42%～4.21%，平均分別為2.22%和2.41%；粗顆粒有機碳分別占黃筋泥和紅砂土有機碳的比例分別為4.85%～24.56%和6.12%～28.54%，平均分別為15.77%和18.67%。說明經(jīng)過18個月培養(yǎng)后，進入土壤中的有機碳基本上以穩(wěn)定的有機碳形式存在，它們可代表土壤中有機碳的主要積累形態(tài)。

表5 不同穩(wěn)定性有機碳含量的組成（培養(yǎng)18個月）

另外，表5的結(jié)果還表明，隨著各類有機物的施用，土壤中微生物生物量碳也呈現(xiàn)顯著的增加，其含量明顯高于對照土壤，其中在黃筋泥中微生物生物量碳的增幅為23.08%～153.85%，平均為89.74%；在紅砂土中微生物生物量碳的增幅為55.56%～181.48%，平均為126.94%，紅砂土中的增幅大于在黃筋泥中的增幅。表明各類有機物的施用在增加土壤有機碳積累的同時，也明顯提高了土壤微生物活性，有利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)。

2.3 對土壤理化性狀的影響

表6表明，各類有機物的施用對土壤pH的直接影響較小，pH的增量均在0.21個pH單位以下，但不同處理之間pH增量的差異顯然與施用有機物材料的堿性物質(zhì)數(shù)量有關(guān)。但有機物的施用明顯促進了土壤中水穩(wěn)定性團聚體的形成，11種有機物施用后，黃筋泥＞0.25mm水穩(wěn)定性團聚體比對照相對增加13.73%～79.55%，平均為46.62%；紅砂土中＞0.25mm水穩(wěn)定性團聚體比對照相對增加54.17%～238.46%，平均為115.09%。效果以50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥、風化煤腐殖酸、豬糞/水稻秸稈堆肥、沼渣和豬糞最為顯著。表6還表明，施用各類有機物后土壤CEC均有一定的提升，黃筋泥和紅砂土中CEC的增幅分別為3.66%～27.96%和1.86%～26.53%，平均分別為11.28%和11.86%；其中以施用風化煤腐殖酸、泥炭、50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥、豬糞/水稻秸稈堆肥的CEC提升幅度最大。

表6 施用各類有機物對水穩(wěn)定性團聚體、pH、CEC和交換性酸的影響（培養(yǎng)18個月）

2.4 對土壤養(yǎng)分的影響

表6可知，各類有機物的施用顯著提高了土壤速效養(yǎng)分，土壤有效磷、速效鉀和堿解氮均有較大幅度的提升。在黃筋泥中，施用各類有機肥后土壤有效磷、速效鉀和堿解氮分別比對照提高25.99%～387.29%、8.89%～53.08%和28.13%～146.88%，平均分別為179.25%、25.86%和84.38%。在紅砂土中，施用各類有機肥后土壤有效磷、速效鉀和堿解氮分別比對照提高63.64%～585.35%、23.39%～80.32%和 69.23%～261.54%，平均分別為403.44%、51.18%和189.51%。對土壤有效磷和堿解氮提升效果最為明顯的是雞糞、豬糞、豬糞/水稻秸稈堆肥和50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥，對土壤速效鉀提升效果最為明顯的是風化煤腐殖酸、泥炭、沼渣、50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥、雞糞。

2.5 對土壤酶活性的影響

表7可知，由于土壤有機碳及微生物生物量碳的增加，各類有機物的施用成倍提高了土壤多種酶的活性。在黃筋泥中，施用各類有機肥后土壤蔗糖轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶分別為對照（不施用有機物）的 1.81～4.05、2.93～5.18、1.18～3.18、1.37～2.53、1.26～2.43倍，平均分別為3.25、4.17、1.99、1.94、1.93倍。在紅砂土中，施用各類有機肥后土壤蔗糖轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶分別為對照（不施用有機物）的 2.05～4.06、1.81～5.16、1.35～2.07、1.35～1.94、1.26～2.36倍，平均分別為 3.18、3.53、1.67、1.77、1.86倍。結(jié)果表明，有機物的施用對蔗糖轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶的活性影響較大。施用豬糞和雞糞后土壤酶的活性一般高于施用其他有機物。

表7 施用各類有機物對水穩(wěn)定性團聚體、pH、CEC和交換性酸的影響（培養(yǎng)18個月）

2.6 對土壤影響的綜合評價

眾所周知，提高土壤有機碳含量是農(nóng)田施用有機物的最主要目的，但有機物的施用也可明顯改善其他土壤質(zhì)量性狀。相關(guān)分析表明，土壤腐殖酸碳含量、微生物生物量碳、>0.25mm水穩(wěn)定性團聚體、CEC、有效P、速效K、過氧化氫酶和脲酶均與土壤有機碳存在顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.9021～0.9270、0.8748～0.9450、0.8748～0.9450、0.9270～0.9608、0.4357～0.6116、0.7626～0.8335、0.2976～0.4577、0.4210～0.4454，但本研究的結(jié)果也表明有機碳積累對土壤pH、堿解N、蔗糖轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶和脫氫酶的影響較?。ㄏ嚓P(guān)系數(shù)在0.3000以下）。土壤性狀與施用的有機物成分的相關(guān)分析也表明，施用有機物料后土壤pH與有機物本身的pH顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.5244～0.7240），表明有機材料中包含的堿性物質(zhì)有助于提高土壤的pH；土壤有效磷與有機物含磷量呈顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.5238～0.7398），土壤速效鉀與有機物鉀含量顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.5731～0.7861），即有機材料中引入的磷和鉀的數(shù)量直接影響土壤有效磷和速效鉀水平。但土壤堿解氮與有機物氮含量無明顯相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為-0.0856～-0.3806），其原因可能是土壤氮素與磷、鉀不同，在土壤中容易通過硝化、反硝化作用以氣體方式損失。

為了評估以上11種有機物施用對土壤質(zhì)量的綜合作用，選擇土壤有機碳、水穩(wěn)定性團聚體含量、pH、CEC、有效磷、速效鉀和堿解氮等7項指標進行評估。評估前，把施用某類有機物后土壤的某一項目的測定值與對照土壤（不施有機物料的土壤）對應(yīng)項目的測定值的比值作為評估效果分值（表8）?？紤]到不同肥力指標在新耕紅壤提升中的作用不同，向9位行業(yè)專家咨詢了7項目質(zhì)量指標在新耕紅壤提升中的相對重要性，把7項指標的權(quán)重分別定為0.40、0.15、0.15、0.15、0.05、0.05、0.05，來計算每類有機物施用后土壤質(zhì)量的綜合值（7項目指標的效果分值與權(quán)重乘積之和），結(jié)果見表8，二類土壤中應(yīng)用效果趨勢基本一致，效果前4位的分別是風化煤腐殖酸、50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥、豬糞/水稻秸稈堆肥、泥炭，效果后三位的是菌菇棒堆肥、水稻秸稈和紫云英。

表8 施用各類有機物對土壤質(zhì)量綜合影響評估結(jié)果

3 結(jié)論

在黃筋泥和紅砂土2種新墾紅壤上開展的18個月時間的等有機碳投入水平的10種有機物料培肥試驗結(jié)果表明：

（1）有機碳的穩(wěn)定性順次為：風化煤腐殖酸＞50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥＞泥炭＞豬糞/水稻秸稈堆肥＞生活垃圾堆肥＞沼渣＞菌菇棒堆肥＞豬糞＞雞糞＞水稻秸稈＞紫云英；在黃筋泥中的穩(wěn)定性高于在紅砂土中的穩(wěn)定性。

（2）對提升土壤腐殖質(zhì)和水穩(wěn)定性團聚體的形成以施用風化煤腐殖酸、50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥最為顯著；通過18個月的分解，進入土壤的有機物料主要以礦物結(jié)合態(tài)有機碳存在，游離態(tài)有機碳和粗顆粒有機碳占總有機碳的比例較低。

（3）各類有機物的施用在增加土壤有機碳積累的同時，也明顯提高了土壤微生物活性、酶活性、CEC和有效養(yǎng)分，但其效果因有機物料不同有較大的差異。綜合分析表明，對改良土壤性狀效果最佳的是風化煤腐殖酸、50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥、豬糞/水稻秸稈堆肥；效果后三位的是菌菇棒堆肥、水稻秸稈和紫云英。

（4）在改良新墾低丘園地紅壤時，宜考慮性狀不一的多類有機物料混配施用，特別是考慮風化煤腐殖酸與豬糞、水稻秸稈等有機物料的配合施用。

4 討論

新墾低丘紅壤普遍存在立地條件差、表土太薄、死土裸露、養(yǎng)分不足、有機質(zhì)低下、酸性強及保肥性差、蓄水性弱等諸多問題，因此，這類土壤需要從多個方面著手進行改良。施用有機物料的主要目的是提升土壤有機碳及土壤生物活性，促進土壤結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤物理性狀。從本研究的結(jié)果表明，雖然各處理有機碳的投入水平一樣，但它們對改善土壤的效果卻有很大的差異。對于提高土壤有機碳而言，不同有機物料經(jīng)過一年多的分解，其殘留在土壤中的有機碳可有很大的差異，其原因是有機物料在土壤中的穩(wěn)定性不同，只有足夠穩(wěn)定的有機物料才有可能真正成為土壤的有機碳。紫云英、水稻秸稈還田是正常農(nóng)田培肥的重要手段[26-29]，但本研究的結(jié)果表明，施用紫云英、水稻秸稈對提升新墾低丘園地紅壤有機碳的效果欠佳，即不宜采用單獨施用紫云英、水稻秸稈的方法來改良新墾園地紅壤。泥炭穩(wěn)定性較高，施用后可顯著提高土壤中的有機碳，這也被一些研究所證實[30-31]，但本試驗的結(jié)果表明，施用泥炭后積累在土壤中的有機碳主要為“死碳”，其腐殖質(zhì)含量偏低，提高的微生物生物量碳幅度不高。而施用風化煤腐殖酸對改善土壤的效果明顯優(yōu)于施用泥炭，前者既然明顯提升土壤有機碳，同時又可提供較多的腐殖質(zhì)，對土壤物理性狀也有顯著的改善。這可能與風化煤腐殖酸本身包含較高含量穩(wěn)定性較高的腐殖質(zhì)有關(guān)[32-33]。但以上的分析結(jié)果也表明，單獨施用風化煤腐殖酸對提升土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的效果并不理想，但如果采用風化煤腐殖酸與豬糞、水稻秸稈配合施用（即50%風化煤腐殖酸+50%豬糞/水稻秸稈堆肥），可實現(xiàn)土壤性狀的全面提升，既能有效地提高土壤有機碳，又可明顯提高腐殖質(zhì)的積累、物理性狀的改良及土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的提高。由此，認為在改良新墾低丘園地紅壤時，宜考慮性狀不一的多類有機物料混配施用，特別是考慮風化煤腐殖酸與豬糞、水稻秸稈等有機物料的配合施用。