韓雨航，馬玉濤, ，苑佰飛，王 永，張晉京

（1. 吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，吉林 長春 130118；2. 吉林省土壤肥料總站，吉林 長春 130012）

0 引言

【研究意義】松嫩平原是我國蘇打鹽堿地分布的主要區(qū)域，其面積每年以1.5%的增加速率擴張，蘇打鹽堿地土壤堿性強且結構較差，導致其難以被有效利用[1-2]。隨著現代養(yǎng)殖業(yè)和農業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，畜禽糞產量也在逐年增長。有機肥的施入可以提升土壤肥力，改善土壤質量[3-4]。探究有機物料施入對蘇打鹽堿土改良和培肥效果，對于鹽堿地合理開發(fā)利用具有重要意義。【前人研究進展】為了有效利用蘇打鹽堿土，提高土壤利用率，目前普遍采用施用有機肥(畜禽糞便)的方法。有機肥富含多種養(yǎng)分和有機物質，施入土壤直接增加了有機物料的投入量，進而有效地增加土壤養(yǎng)分和有機碳含量[5-6]。尹志榮等[7]研究認為，羊糞與生物有機肥配施可以降低鹽堿土pH值以及土壤全鹽量。張銳等[8]研究表明，施用有機肥能使土壤有機質顯著增加，改變土壤結構，促進土壤團聚體形成，降低土壤pH值，進而提升土壤肥力。陳曉東等[2]研究表明，施用有機物料可增加土壤中有機質等有機膠結物質含量，使土壤中粒徑較小的團聚體聚集成結構更加穩(wěn)定、粒徑較大的團聚體，從而減少小粒徑團聚體的含量，使土壤結構更加穩(wěn)定；何瑞成等[9]研究表明，施用羊糞與對照相比可有效提高土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性；藺芳等[10]針對黑土的研究表明，施用雞糞可有效提高土壤有機質，促成土壤大團聚體的形成，從而使土壤團聚體穩(wěn)定性提高。仝利紅等[11]研究表明，有機肥顯著提高了土壤腐殖質組分含量，并且提高了胡敏酸和富里酸的脂化度使其芳化度降低?！颈狙芯壳腥朦c】有效利用蘇打鹽堿土對我國農業(yè)生產與發(fā)展具有重大意義。當前大多數研究依舊只停留在鹽堿土種植作物帶來的經濟效益而忽略蘇打鹽堿土本身有機質含量較低、土壤結構差等特性，提升蘇打鹽堿土土壤質量是有效利用鹽堿土的重要前提?！緮M解決的關鍵問題】本試驗以吉林省西部蘇打鹽堿土為研究對象，探究施用不同種類糞肥對蘇打鹽堿土的改良和培肥效果，分析土壤施用不同種類糞肥后對有機碳固存能力的差異，探討不同種類糞肥改變土壤結構的影響，為吉林西部地區(qū)的蘇打鹽堿土有機培肥改良提供參考，為揭示蘇打鹽堿土有機培肥機制、科學培肥蘇打鹽堿土壤提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地點位于吉林省白城市鎮(zhèn)賚縣坦途鎮(zhèn)向陽村好斯臺屯，氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度4.4 ℃，年平均降雨量392 mm。選擇基本無植被覆蓋的未開墾地塊作為試驗區(qū)域，土壤類型為蘇打草甸堿土，測得其平均pH、有機碳、堿解氮、速效磷以及速效鉀分別為9.94、3.84 g·kg-1、52.6 mg·kg-1、13.62 mg·kg-1以及 198.3 mg·kg-1。

田間試驗于2017年4月開始，連續(xù)進行2年，小區(qū)面積375 m2，隨機排列。共設置3個處理，每個處理3次重復，即：（1）對照：不施用糞肥；（2）施用牛糞；（3）施用羊糞，其中牛糞和羊糞按照等碳量（1 685 kg·hm-2）施用。所有小區(qū)均施用硫酸鋁作為改良劑，施用量為600 kg·hm-2，供試牛糞和羊糞均來自當地，牛糞pH、有機碳、氮、磷、鉀含量分別為 7.55、191.40 、4.12、2.30 、1.81 g·kg-1，羊糞pH、有機碳、氮、磷、鉀含量分別為7.65、179.90 、7.05 、4.91 和 5.01 g·kg-1。經計算，牛糞施用量為 8 801 kg·hm-2，羊糞施用量為 9 358 kg·hm-2。

化肥以復合肥和硫酸銨的形式施入，N、P2O5、K2O 施用量分別為 274 、12 、25.5 kg·hm-2，其中復合肥作底肥一次施用，硫酸銨用量的75%作底肥施用，其余作追肥施用。在第二年整地時，施用牛糞和羊糞的小區(qū)同時配施2 000 kg·hm-2的稻草。將硫酸鋁、牛糞/羊糞、稻草和化肥均勻撒施于地表，用旋耕機旋入表層以下約30 cm，然后進行泡田、耙地和插秧。第二年在第一年基礎上繼續(xù)進行。

1.2 土樣采集和測定

2018年10月水稻收獲時，在每個小區(qū)內隨機選取5個樣點，采集表層0～20 cm的土壤樣品，混合均勻作為一個樣本。土壤的pH值、可溶鹽總量及其組成、交換性鈉含量、陽離子交換量和有機碳含量均采用常規(guī)方法測定；土壤水穩(wěn)性團聚體分級采用濕篩法；固態(tài)13C交叉極化魔角自旋核磁共振（CPMAS NMR）波譜采用Bruker AVANCE III 400 WB波譜儀[12]測定。

1.3 數據處理與分析

土壤堿化度采用比值法測定，即土壤交換性鈉離子與陽離子交換量的比值。土壤團聚體平均重量直徑計算方法：Wi為i粒級團聚體質量比例（%）；Xi為相鄰 2 個團聚體的平均粒級（mm）。數據統計采用DPS 7.5軟件，利用單因素方差分析考察不同處理對土壤性質的影響，最小顯著差（LSD）法進行多重比較，顯著性水平為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 不同種類糞肥對蘇打鹽堿土基本理化性質改良效果

試驗結果表1可見，與對照處理相比，施用牛糞和羊糞對土壤pH值和HCO3-都沒有顯著的影響；同時，施用牛糞對土壤全鹽量、交換性鈉、陽離子交換量和堿化度也沒有顯著的影響，但使CO32-含量顯著降低，而施用羊糞則顯著提高了土壤全鹽量、交換性鈉和陽離子交換量，但顯著降低了土壤堿化度。兩種糞肥處理相比，pH值無顯著差異，但施用羊糞后土壤全鹽量、交換性鈉和陽離子交換量顯著提高而土壤堿化度則顯著降低。

表1 糞肥對蘇打鹽堿地土壤基本性質的影響Table 1 Effects of manure application on basic properties of soda saline-alkali soil

2.2 糞肥對蘇打鹽堿地土壤有機碳含量和化學組成的影響

試驗結果表2可見，與對照處理相比，施用牛糞和羊糞能顯著增加土壤有機碳含量，同時不同處理有機碳官能團的相對比例有所不同，各處理均以烷氧碳（28.0%～33.0%）和芳香碳（29.8%～34.7%）的比例最高，其次為烷基碳（22.3%～25.1%），而羧基碳的比例（13.2%～14.9%）最低。與對照處理相比，施用牛糞和羊糞后土壤的烷氧碳比例增加而芳香碳比例降低，使得脂族碳/芳香碳比值增加；與施用牛糞相比，施用羊糞提高了烷基碳和芳香碳比例但降低了烷氧碳和羧基碳比例 ，使得烷基碳/烷氧碳和疏水碳/親水碳比值增加而脂族碳/芳香碳比值降低。說明施用2種糞肥均提高了土壤有機質的脂族化程度，這對于土壤肥力的發(fā)揮是有利的；另一方面，施用牛糞后土壤有機質具有更高的脂族化程度，同時土壤具有更多的活性有機碳官能團（即烷氧碳）和更少的惰性有機碳官能團（即烷基碳），說明施用牛糞更有利于土壤肥力和土壤質量的提高。由圖1可知，所有處理的固態(tài)13C 核磁共同振波譜的譜形相似，說明其具有相似的官能團組成。

圖1 糞肥對蘇打鹽堿地土壤固態(tài)13C核磁共振波譜的影響Fig. 1 Effect of manure application as indicated by solid-state 13C NMR spectroscopy of soda saline-alkali soil

表2 糞肥對蘇打鹽堿地土壤有機碳含量和化學組成的影響Table 2 Effect of manure application on organic carbons in soda saline-alkali soil

土壤不同粒徑水穩(wěn)性團聚體之間的有機碳含量差異不大。圖2表明，與對照處理相比，施用牛糞和羊糞后土壤各粒徑水穩(wěn)性團聚體的有機碳含量顯著增加；與施用牛糞相比，施用羊糞顯著提高了土壤各粒徑水穩(wěn)性團聚體有機碳含量，這進一步驗證了羊糞對于蘇打鹽堿水田土壤有機碳具有更好的提升作用。

圖2 糞肥對蘇打鹽堿地土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的影響Fig. 2 Effects of manure application on organic carbon in water-stable aggregates of soda saline-alkali soil

2.3 糞肥對蘇打鹽堿地土壤腐殖質碳的影響

水溶性有機碳雖然在有機碳總量中比例較小，但其轉化迅速，對改善土壤肥力有著重要作用，同時也是土壤質量的敏感指標[14]。土壤腐殖質是有機質存在的一種特殊形態(tài)，施入土壤中未被分解的有機物通過腐殖化過程轉變?yōu)楦迟|[15]，其主要成分是胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳。試驗結果表3可見，與對照處理相比，施用牛糞和羊糞能顯著增加土壤水溶性有機碳和胡敏素碳含量；施用牛糞顯著增加了土壤富里酸碳含量；而施用羊糞顯著降低了土壤富里酸碳含量。與施用牛糞相比，施用羊糞后土壤有機碳、水溶性有機碳、胡敏酸碳和胡敏素碳含量以及胡敏酸碳/富里酸碳比值顯著提高，而富里酸碳含量則顯著降低。

表3 糞肥對蘇打鹽堿地土壤腐殖質碳的影響Table 3 Effect of manure application on soil humus carbon in soda saline-alkali soil （單位：g·kg-1）

2.4 糞肥對蘇打鹽堿地土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

試驗結果表4，表明供試土壤中＞2 mm水穩(wěn)性大團聚體所占的比例（49.5%～76.1%）最大，其次為＜0.053 mm粉黏粒組分（17.6%～31.6%）和0.25～0.053 mm水穩(wěn)性微團聚體（4.77%～14.0%），而2～0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體所占的比例（1.56%～7.72%）最小。與對照處理相比，施用牛糞和羊糞對土壤不同粒徑水穩(wěn)性團聚體分布沒有產生顯著的影響，同時牛糞和羊糞處理之間也沒有表現出顯著的差異。上述不同粒徑土壤水穩(wěn)性團聚體的分布特征，導致不同處理之間水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑也沒有出現顯著的差異，這說明施用牛糞和羊糞在短期內對于土壤結構穩(wěn)定性沒有產生顯著影響。

表4 糞肥對蘇打鹽堿地土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布和平均重量直徑（MWD）的影響Table 4 Effects of manure application on particle size distribution and mean weight diameter (MWD) of water-stable aggregates in soda saline-alkali soil

3 討論與結論

3.1 糞肥對蘇打鹽堿地土壤基本性質的影響

鹽堿土的改良目的是消除鹽堿障礙，改善土壤結構和提高土壤肥力[16]。土壤pH值與土壤中的各種微生物活動、有機質的分解、營養(yǎng)元素的釋放與轉化、陽離子的代換吸收等都有密切的關系[17]。因此，土壤pH和全鹽量是評價土壤性質的重要指標。石萬普等[18]研究表明，羊糞處理對秋收鹽堿土的pH值無顯著影響。王世斌[19]研究表明，有機肥處理對鹽堿土降鹽效果不明顯。本研究表明，與對照處理相比，施用2種有機物料對土壤pH值無顯著影響；羊糞處理可以顯著增加土壤全鹽量、交換性鈉和陽離子交換量，降低土壤堿化度；牛糞處理各指標與對照處理相比無顯著差異?？赡苁且驗楸敬卧囼炘诖筇镏羞M行，大田試驗情況復雜，易受到環(huán)境因素的影響，土壤對有機物添加后的響應不強烈，也可能是改良周期較短，導致效果不明顯。蘇打型鹽堿土具有土壤交換性Na+含量高的特點，土壤顆粒中附著的Na+、K+等鹽基離子，易引起土壤的鹽堿化[20]。由于羊糞和牛糞本身含有的有機礦物質含量較高，且羊糞施入土壤量較多，直接導致了帶入的礦物質增多，也就增加了土壤鹽分含量，從而提升了土壤中交換性Na+和陽離子交換量。從可溶性鹽來看，不同種類糞肥均會不同程度上影響著可溶性鹽含量，牛糞可降低部分可溶性鹽離子濃度，對植物受土壤化學環(huán)境的脅迫也具有一定改善作用[21]。

3.2 糞肥對蘇打鹽堿地土壤有機碳含量和化學組成的影響

土壤有機碳主要是指存在于未分解或半分解有機殘體和腐殖質中的碳，土壤有機碳是土壤質量的重要指標之一[22]。大量研究表明，化肥配施有機肥會顯著增加土壤中有機碳含量[15]。本研究表明，施用有機肥可以顯著增加土壤中有機碳含量，與前人研究一致。

本研究發(fā)現，施用2種糞肥使土壤有機碳的組成也發(fā)生了改變，即施用2種糞肥后的土壤有機質脂族化程度均提高，這說明施用牛糞和羊糞可以提高土壤肥力，進而提高土壤質量。土壤中的烷基碳和芳香碳代表不易分解和疏水的部分，而烷氧碳則代表的是相對較容易分解和親水的部分[23]。一般認為，土壤中烷基碳/烷氧碳、脂族碳/芳香碳和疏水碳/親水碳的比值大小，通常用來表征土壤的烷基化、疏水性和脂族化程度，上述比值越高，說明土壤的烷基化、疏水性和脂族化程度也越高[12]，而烷基化程度降低表明土壤質量得到提升[24]。本研究表明，施用2種糞肥不僅能提高土壤有機質含量，同時改善了其品質。此外施用牛糞后土壤有機質具有較低的烷基化程度和更高的脂族化程度，同時土壤具有更多的活性有機碳官能團（即烷氧碳）和更少的惰性有機碳官能團（即烷基碳），說明施用牛糞能更好發(fā)揮土壤肥力并提高土壤質量。

3.3 糞肥對蘇打鹽堿地土壤腐殖質碳的影響

本研究表明，施用牛糞可以顯著增加土壤中水溶性有機碳、富里酸碳和胡敏素碳含量，而施用羊糞可增加土壤中水溶性有機碳、胡敏酸碳和胡敏素碳含量。與CK相比，羊糞處理提升上述土壤指標分別為122.2%、24.41%和82.13%，牛糞則分別為55.56%、39.06%、36.77%，總體羊糞的效果略優(yōu)于牛糞，可能是因為牛糞中多為難分解有機物質，如纖維素和木質素等有機物質，不利于微生物利用，施入土壤中對土壤有機碳組分的影響速度較慢。外源有機碳的輸入是化肥有機肥配施提高土壤有機碳累積的主要途徑。較高量有機肥的施入有利于土壤有機碳的快速積累。有機肥腐殖化程度較低，活性較高，施入土壤后容易被微生物分解進而增加了土壤有機碳含量[25]。施入有機肥使得新形成的年輕腐殖質多，有機質的腐殖化程度高，有利于土壤腐殖質的更新和活化以及胡敏酸的積累，進而提高腐殖質的品質[26]。土壤腐殖質是有機質存在的一種特殊形態(tài)，施入土壤中未被分解的有機物通過腐殖化過程轉變?yōu)楦迟|[15]。其主要成分是胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳。龔偉等[27]研究認為，與施用化肥相比，有機肥對提高土壤腐殖質及活性腐殖質組分含量效果更好。魏宇軒等[28]研究表明，施用有機糞肥可以顯著提升土壤中有機碳、胡敏酸碳和胡敏素碳含量。本試驗施入大量有機糞肥，相當于向土壤中歸還大量碳源，有機糞肥腐解后形成新的胡敏酸分子，而糞肥的施入也會為土壤微生物提供能量，提升土壤微生物的豐度和活性，進而促進土壤微生物的新陳代謝腐解土壤中的植物殘體，進而增加土壤中腐殖質組分的含量。土壤微生物會不斷分解并利用分子結構簡單、活性強的富里酸組分中的氨基酸等含氮化合物不斷向胡敏酸轉化，從而使胡敏酸含量相對增高，這也說明了羊糞處理土壤富里酸含量顯著低于其他處理。土壤HA/FA是衡量土壤腐殖質品質優(yōu)劣的標志之一，該值越大說明土壤的腐殖化程度越高。大量研究表明，長期施用有機肥及有機肥與化肥配施能提高土壤HA/FA[27]，羊糞處理土壤HA/FA顯著低于其他處理，這是因為，有機糞肥腐解利于土壤胡敏酸和富里酸的形成，由于富里酸較為活躍，部分富里酸同時被微生物轉化為HA[29]，進而提升了土壤HA/FA，加快了土壤的腐殖化程度。

3.4 糞肥對蘇打鹽堿地土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

土壤微團聚體由土壤原生顆粒膠結團聚組成，可以反映土壤結構團聚程度和土壤肥力性狀，被視為土壤團粒結構形成的物質基礎[30]。本研究表明，供試土壤中＞2.00 mm水穩(wěn)性大團聚體所占的比例最大，其次為＜0.053 mm粉黏粒組分和0.25～0.053 mm水穩(wěn)性微團聚體（4.77%～14.0%），而2.00～0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體所占的比例（1.56%～7.72%）最小。其主要原因是由于有機物料施用后分解成有機膠結物質，這些有機膠結物質的黏性、膠結性對于大粒徑微團聚體的形成有促進作用，同時也減少了土壤小團聚體的含量[31]。有研究表明，高量施用有機肥可以增加土壤微生物活性從而加快土壤團聚體有機碳分解速度，對土壤大團聚體的形成并沒有顯著的優(yōu)勢作用[32]。本研究表明添加畜禽糞對土壤各粒級團聚體的形成和MWD沒有顯著影響，可能與土壤類型、有機碳的類型施肥種類與數量以及施肥年限的長短有關系，由于本試驗的周期時間太短，導致畜禽糞對土壤團聚體形成情況不明顯。研究表明不同處理各個粒徑團聚體有機碳均表現為羊糞＞牛糞＞對照，且兩兩之間均呈現出顯著性差異。糞肥的施入，極大地增加了微生物的豐度與活性，增加有機碳的釋放。

綜上所述施用2種糞肥對土壤pH值和碳酸氫根含量無顯著性影響，而與施用牛糞相比，施用羊糞條件下土壤具有更高的全鹽量、交換性鈉、陽離子交換量且具有更低的堿化度。與不施用糞肥處理相比，施用不同糞肥處理均可以提升土壤總有機碳、水溶性有機碳、胡敏素碳和各粒級水穩(wěn)性團聚體內有機碳含量，羊糞處理效果優(yōu)于牛糞處理。施用2種糞肥對土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布和平均重量直徑沒有顯著的影響，施用糞肥會使土壤烷氧碳比例增加而芳香碳比例降低，脂族碳/芳香碳比值增加；羊糞處理烷基碳和芳香碳比例以及烷基碳/烷氧碳和疏水碳/親水碳比值要高于牛糞處理?？傊?，施用糞肥能夠提高土壤有機碳及其組分的含量，同時改善土壤有機質的品質，但短期內對于土壤結構性沒有改善作用；施用羊糞對于降低土壤堿化程度和提高土壤有機碳含量的效果更為明顯，而施用牛糞則更有利于提高土壤有機質的品質，兩者的合理配施將會促進蘇打鹽堿土的改良和肥力提升。