不同氧气条件对玉米秸秆在土壤中腐殖化的影响1)

杨翔宇 林学巍 窦 森

(吉林农业大学，长春，130118)

土壤有机质是作物所需的氮、磷、硫和微量元素等各种养分的主要来源［1］，被认为是衡量土壤质量的重要指标之一［2－3］。腐殖质作为土壤有机质的主体，一直受到各国学者的重视。现代文明飞速发展，环境污染和生态破坏日趋严重，土壤作为地球五大圈层的核心受到严重冲击，土地资源的破坏和退化导致了土壤有机质损失、肥力下降和粮食减产等一系列问题。近年来，各国学者日益重视土壤肥力和土壤培肥的研究，施用有机物料对土壤培肥成为了研究热点。刘小虎等［4］的研究证明施用有机肥可提高土壤腐殖酸及其组分的含量，HA/FA升高，土壤胡敏酸的羧基酚羟基比升高;刘树堂等［5］通过长期定位施肥实验证明:有机肥与无机氮肥配施可明显提高土壤腐殖质组成的含量，长期单施有机肥及其配施无机氮肥对腐殖酸活性(HA/FA)的影响较大;张晋京等［6］的研究结果表明:施用猪粪使棕壤富里酸的氧化程度下降，缩合程度和脂族链烃含量增加，其结构变得复杂化和脂族化。但关于在不同氧气和二氧化碳体积分数下对有机物料培肥效果影响的研究却很少。土壤中的氧气主要来自大气，因此其在土壤空气中所占的比例会随土层深度的变化而变化。植物残体的腐殖化是植物将营养元素还馈土壤的重要方式，也是农业生产中十分经济、有效、环保的改良土壤肥力的方式，特别是在全球气候变化的背景下，了解不同的氧气体积分数对植物残体腐殖化的影响，对农业生产中如翻耕、北方冬季大棚管理等诸多实践操作具有参考价值。

1 材料与方法

供试土壤:采自南京的水稻田，将采集的水稻土壤在室温下风干后过2 mm筛，备用。其基本理化性质为:有机碳 13.19 g·kg－1、全氮 0.85 g·kg－1、速效磷 11.77 mg·kg－1、速效钾 42.85 mg·kg－1、pH=7.29。

供试玉米秸秆:采自吉林农业大学教学实验站，将截成小段的玉米秸秆在50～70℃下烘干，粉碎后过0.25 mm筛。其基本理化性质为:有机碳395.51 g·kg－1、全氮 5.30 g·kg－1、w(C)∶w(N)=74.62。

试验处理:设8个处理，氧气体积分数分别为0(A)、4% ～7%(B)、18% ～23%(D)、82% ～87%(G)及各氧气体积分数下，不添加玉米秸秆的对照(分别为 CKA、CKB、CKD、CKG)。将土样与玉米秸秆混合均匀，加蒸馏水调至田间持水量的70% ～80%，预培养一周以激活土壤微生物。一周后按风干土质量的4%添加玉米秸秆，用喷壶喷入硫酸铵溶液以调节w(C)∶w(N)约为25，补加蒸馏水至田间持水量的70%～80%。将玉米秸杆和土壤混匀，装入烧杯中。然后将烧杯置于密闭的塑料桶内(桶的上下各打一孔，装上套有胶管的玻璃管，并用凡士林密封)，在恒温室中25℃培养。培养过程中用氧气、二氧化碳测定仪(CYES－Ⅱ型，上海嘉定学联仪表厂)检测桶内氧气体积分数，使桶内气体条件满足试验所需，同时要适时补水。分别在第360天和第540天取样测定。

土壤基本性质测定:有机碳测定采用丘林法;全氮测定采用半微量开氏法;全磷测定采用HClO4－H2SO4法(钼锑抗比色);速效钾测定采用醋酸铵浸提(火焰光度法);pH采用电位法。

土壤腐殖质各组分的提取、分离:称取风干土样(过0.5 mm筛)5.0 g于100 mL塑料离心管中，按m(土)∶m(水)=1∶6加入蒸馏水30 mL搅拌均匀，然后放在(70±2)℃水浴上振荡提取1h，取出后以3 500 r/min离心15 min，将上清液用中速滤纸过滤到50 mL容量瓶中，然后用蒸馏水20 mL洗残渣，再离心，将离心得到的溶液过滤到上述50 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，滤纸上的部分用蒸馏水洗2次，然后自然风干。滤纸上的为水浮物，容量瓶中的为水溶物。向离心管的残渣中加入30 mL 0.1 mol·L－1的 NaOH+Na2PO4(pH=13)混合液，用玻璃棒搅拌均匀，在(70±2)℃水浴上振荡提取1 h，取出后以3 500 r/min离心15 min，将上清液用中速滤纸过滤到50 mL 容量瓶中，然后用 20 mL 0.1 mol·L－1的NaOH+Na2PO4混合液(pH=13)洗残渣，再离心，将离心得到的溶液过滤到上述50 mL容量瓶中，所得溶液为腐殖酸(HE)。从HE中吸取碱提取液30 mL于三角瓶中，加入0.5 mol·L－1H2SO4调节 pH=1.0 ～1.5，将此溶液于60～70℃下保存1～2 h，然后在室温25℃下静止过夜，使HA完全沉淀，次日将溶液用中速滤纸过滤到50 mL容量瓶中，滤液为FA，用蒸馏水定容;用装有 0.025 mol·L－1H2SO4洗瓶或注射器洗涤滤纸上的HA沉淀3次，每次5～8 mL，弃去洗液。然后将HA沉淀用温热的(60℃)的0.5 mol·L－1NaOH溶入50 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，此溶液为HA。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳(SOC)质量分数的变化

从表1中可以看出，在整个培养过程中，添加秸杆后各处理SOC值均比CK高，其中处理当天相差1倍以上，这是由于秸杆本身SOC数量较高，且未腐解，直接添加到各处理，导致各处理的SOC值增加;培养360 d后，添加秸秆的各处理SOC值均有明显降低，但CK各处理降低并不明显，这是由于秸秆中有机物料在培养期间被微生物腐解利用，导致SOC有所下降;无论在高氧区(D处理和G处理)还是低氧区(A处理和B处理)，都出现了SOC随氧气体积分数升高而降低的情况，这说明较高体积分数的氧气有利于好氧性有机物的生长繁殖，进而利于秸秆的分解，从而使SOC降低。

表1 不同通氧条件下土壤SOC质量分数

2.2 水溶性有机碳(WSOC)质量分数的变化

土壤水溶性有机碳(WSOC)也叫溶解有机碳，是在土壤中与水体中，由一系列大小、结构不同的分子组成的能溶于水的有机物的总称［7］，虽仅占土壤有机碳总量的极小一部分，但是它却是对微生物和植物来说活性比较高的那一部分碳素［8］。依表2可知，将秸秆加入土壤中后，WSOC增加3倍以上;将秸秆加入土壤中后，土壤中存在着WSOC被好氧性微生物迅速利用，即WSOC迅速减少的过程，以及好氧性微生物将秸秆分解为WSOC，即WSOC增加的过程，这两个过程是同时进行的;当WSOC增加的速率大于其减少的速率，WSOC就表现为增加，反之则表现为减少;添加玉米秸杆后各处理的WOSC值均高于CK对照，这主要是玉米秸杆本身含有较多的水溶性物质;在培养360 d之后，WSOC数量明显下降，这说明WSOC很容易被微生物所利用，大量新加入土壤中的WSOC促进了微生物的生长繁殖，当水溶性物质被大量的转化利用后，WSOC数量明显下降;在各CK处理中，由于其本身WSOC数量处于较低水平，所以WSOC的数量处于相对稳定的状态，变化并不明显;在添加秸秆的各处理中，培养360 d后各处理中WSOC数量为A＞G＞D＞B，变化并不规律，这可能是由于WSOC是易形成和易被利用的性质多决定的，A处理WSOC最高说明在无氧状态下，WSOC的生成速率较低，但其仍可被厌氧微生物所利用，B与G、D WSOC较低，说明在低氧状态下WSOC仍可被快速利用，但其生成速率明显减缓。总之，随着玉米秸杆的加入，WSOC的数量明显增加;随着培养时间的延长，WSOC的数量减少;无论在高氧还是低氧的环境中，WSOC都可以迅速被利用。

2.3 胡敏酸(HA)质量分数的变化

从表3中可以看出，在整个培养过程中，添加秸秆的各处理中胡敏酸碳含量明显高于各CK处理，说明秸秆的加入有利于HAC的提高，即秸秆中的碳素会转化为HA，其中培养当天的HAC值最高，为3.85 g·kg－1，高出 CK 处理 54%;除了 CKB 处理外，随培养时间的推移，各处理的HAC先降低，后升高，说明HA是在秸秆腐殖化的后期大量积累的;CKB处理中HA表现为持续降低，这可能是由于培养时间所限，540 d不足以使得该条件下的HA大量积累;在加入秸秆的各处理中，360 d和540 d的HAC数量分别为 A＞D＞G＞B 和 D＞A＞G＞B，这说明富氧和贫氧条件均有利于腐殖化的进行，而在中氧条件下腐殖化进程较慢;在CK处理中，360 d和540 d的 HAC数量分别为 CKD＞CKG＞CKB＞CKA和CKD＞CKG＞CKA＞CKB，这说明高氧条件更有利于HA的大量生成并积累。总之，添加玉米秸秆、培养时间的延长以及提高氧气体积分数均有利于HAC的增加。

表2 不同氧气体积分数下WSOC质量分数

表3 不同氧气体积分数培养下HAC质量分数

2.4 富里酸(FA)的数量变化

按腐殖质在酸碱溶液中的溶解度分为胡敏酸、富里酸和胡敏素，FA是溶于酸的物质，与HA相比其分子量和芳化度较小，活性较大，但二者之间没有明显界限。据王旭东等［9］的研究表明，随着有机物腐解过程的进行，木质素氧化转化为胡敏酸，此时胡敏酸结构比较复杂，随后胡敏酸氧化断裂，逐渐转变为富里酸;富里酸及一些小的分子组成又通过矿化分解形成胡敏酸。从表4中可以看出，在整个培养过程中，添加秸秆的各处理中FAC显著高于各CK处理，其中培养当天相差 1.33 g·kg－1，说明秸秆的加入有利于FAC的提高，即秸秆中的碳素会转化为FA。在加入秸秆的各处理中，FAC数量变化均是先升高，后降低，这说明玉米秸秆在腐殖化初期的产物是FA，而后期则是HA，这也验证了2.2中的结论。在加入秸秆的各处理中，360 d和540 d的FAC数量分别为G＞D＞B＞A 和 D＞G＞B＞A，这说明高氧条件更有利于腐殖化初期秸秆转化为FA;在CK处理中，360 d和540 d的 FAC数量分别为 CKA＞CKB＞CKG＞CKD 和 CKB＞CKG＞CKA＞CKD，这说明虽然高氧条件有利于腐殖化初期秸秆转化为FA，但是持续的高氧条件会继续催化腐殖化进程，使得FAC转化为HAC，而相对的低氧则有利于产生的FA积累下来，这与前文的观点相符。总之，玉米秸秆的添加和高氧条件有利于腐殖化初期FA的生成;而培养时间的延长和高氧环境会使得FAC转化为HAC，低氧环境则更利于FA的积累。

表4 不同氧气体积分数培养下FAC质量分数

2.5 土壤PQ值的变化

土壤PQ值是土壤中可提取物质中HA的比例，可以用来描述腐殖物质的组成情况，是腐殖化程度的指标。依表5可知，添加玉米秸秆后，各处理的PQ明显降低，但随着培养时间的推移，PQ有所升高并与CK之间的差距逐渐缩小，这可能说明无论加入秸秆与否，最终腐殖化的程度将趋向恒值，但需要进一步试验验证;在添加秸秆的各处理中，360 d和540 d的 PQ 分别为 A＞D＞B＞G 和 A＞D＞G＞B，这说明低氧和高氧状态均是有利于腐殖化的进行的，低氧状态下厌氧菌比较活跃，有利于秸秆的初期分解，而高氧状态则是更利于腐殖化后期FA转化为HA，各CK处理的结果也可以提供相应的支持。

表5 不同氧气体积分数培养下PQ值

3 结束语

通过单因子水平实验分析可知:较高的氧气体积分数更有利于秸秆在土壤中的分解;玉米秸杆的加入使得土壤中WSOC的数量明显增加，无论在高氧还是低氧的环境中，WSOC都可以迅速被利用，但在高氧状态下，秸秆可以更迅速地转化为WSOC，并在腐殖化初期转化为FAC，最终以HAC的形式大量积累;相比高氧和低氧环境，中氧条件下的腐殖化进程较慢;低氧环境则更利于FA的积累。

［1］黄昌勇.土壤学［M］.北京:中国农业出版社，1999.

［2］Alain F P，José M F，Michelle L H，et al.Biological，chemical and thermal indices of soil organic matter stability in four grassland soils［J］.Soil Biology and Biochemistry，2011，43(5):1051 －1058.

［3］张兴昌，邵明安.水蚀条件下不同土壤氮素和有机质的流失规律［J］.应用生态学报，2000，11(1):231－234.

［4］刘小虎，贾庆宇，安婷婷，等.不同施肥处理对棕壤腐殖酸组成和性质的影响［J］.土壤通报，2005，36(3):328－332.

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［6］张晋京，窦森.施用猪粪对棕壤富里酸结构特征的影响［J］.植物营养与肥料学报，2003，9(1):75－80.

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［9］王旭东，胡田田，关文玲.有机物料腐解过程胡敏酸的分级研究［J］.土壤，2001(6):321－325.