长期定位条件下秸秆还田对土壤有机碳及腐殖质含量的影响

辛　励,刘锦涛,刘树堂,王俊杰,曹培顺,况　川

(1.青岛农业大学,山东 青岛　266109;2.青岛苏贝尔作物营养有限公司,山东 青岛　266011)



长期定位条件下秸秆还田对土壤有机碳及腐殖质含量的影响

辛励1,刘锦涛1,刘树堂1,王俊杰1,曹培顺2,况川2

(1.青岛农业大学,山东 青岛266109;2.青岛苏贝尔作物营养有限公司,山东 青岛266011)

摘要：为了探讨不同秸秆还田条件对土壤有机碳与腐殖物质含量的影响，利用连续进行6年的莱阳潮土区长期定位秸秆还田试验，研究了小麦-玉米秸秆还田条件下，施用氮肥以及不施肥或单施有机肥对土壤有机碳及腐殖物质的影响。结果表明,在供试的5个处理中,两季秸秆还田施肥处理(WCN)的有机碳以及腐殖物质含量最大,为最优处理。主要效应从大到小依次是氮肥、有机肥、秸秆还田+氮肥、秸秆还田。与对照(CK)相比,氮肥与秸秆配施大幅增加土壤胡敏酸(HA)、胡敏素(HM)、富里酸(FA)含量并使之处于稳定水平上,与单施有机肥相比,随着年限增加,秸秆与氮肥配施(WN、WCN)能够显著增加土壤腐殖质各组分含量,其中两季秸秆还田施氮肥(WCN)处理增幅最显著。通过对不同秸秆还田模式下土壤有机碳、腐殖质含量变化趋势的研究,表明秸秆还田与氮肥配施能够提高土壤有机碳含量,提高土壤腐殖质品质。

关键词：秸秆还田;土壤有机碳;腐殖质

我国每年农作物秸秆产量达数亿吨[1]。腐殖质是评价土壤肥力水平的重要指标,土壤腐殖质在土壤有机碳的循环和转化中起到积极作用,大量研究表明,秸秆还田与化肥配施能够提高土壤肥力和有机碳储量,对土壤腐殖质积累贡献非常明显。作为土壤有机质的重要组成部分,腐殖物质占土壤有机质的85%~90%,是评价土壤肥力水平与农田作物秸秆还田效应的重要指标[2-4]。

对腐殖物质的研究,在农业生产上具有重要的理论和实践意义。长期秸秆还田与化肥配合施用对腐殖物质有很大影响。定位试验能够有效揭示土壤腐殖物质组分动态变化规律[5]。

从国内外研究现状来看,对于秸秆还田的研究主要集中在对土壤养分、作物产量及气体排放的研究[6]。在长期定位及秸秆还田配施化肥对土壤养分、理化性状、生物活性等方面已有学者作出研究,但有关小麦-玉米长期秸秆还田配施化肥对土壤有机碳、土壤腐殖质的含量和结构性质的影响研究较少[7-8]。

鉴于此,笔者以小麦-玉米长期秸秆还田定位试验为依托,旨在探明秸秆还田条件下不同处理土壤有机碳含量的动态变化规律,揭示秸秆还田和化肥配施与有机碳含量之间的关系，以此来衡量和评价不同的施肥量,秸秆还田量对土壤环境的影响,为制定科学合理的施肥措施提供理论依据。

1材料和方法

1.1试验地概况

试验在青岛农业大学莱阳长期定位试验站,土壤类型为非石灰性潮土。施肥前耕层土壤全氮(N)量0.60 g/kg,全磷(P)量0.64 g/kg,土壤有效磷(P)16.34 mg/kg,土壤速效钾(K)72.00 mg/kg,阳离子代换量为13.80 cmol/kg,pH 值6.8,土壤有机质含量为5.01 g/kg,土壤容重1.21 g/cm3,孔隙度为51.40%。

1.2试验设计

2009-2014年进行了6年的长期定位试验,共设5 个处理,分别为对照(CK)、单施有机肥60 000 kg/hm2(M)、两季秸秆还田(WC)、一季秸秆还田+施氮肥276 kg/hm2(WN)、两季秸秆还田+施氮肥276 kg/hm2(WCN)。每个处理设3次重复,共15个试验小区,完全随机设计,各处理用水量及耕作管理相一致。

1.3测定指标

本研究室内试验在青岛农业大学进行。

腐殖质的提取和分组(定量)采用腐殖质组成修改法,胡敏酸的提取和纯化:将过0.250 mm干土100 g 按土∶液=1∶10的比例,用0.1 mol/L NaOH 在室温下提取。向上述溶液中加入2.5 mol/L HCl 酸化至pH=1.5,酸化了的混合液置于低速离心管中离心,离心管中沉淀即为粗胡敏酸,粗胡敏酸进一步处理具体步骤见文献[9-10]。土壤及胡敏素有机碳的测定均采用重铬酸钾外加热;胡敏酸等水溶性有机碳含量采用岛津TOC仪测定。

土壤有机碳(SOC)的测定用重铬酸钾容量-外加热氧化法。

1.4数据处理

用Excel 2003进行试验数据处理和绘制统计图表,选用SPSS 19.0数据处理系统(Statistical product and service solutions)进行方差分析,Duncan 氏法进行SSR检验和多重比较。

2结果与分析

2.1长期定位秸秆还田对土壤有机碳含量的影响

对长期定位秸秆还田15个处理组合有机碳的含量进行方差分析(表1)。从表1可以看出,5个处理间差异极显著(F=43.32**)。年份间差异极显著(F=10.01**)。处理与年份间的互作差异极显著(F=3.49**)。这表明,不同处理对土壤有机碳含量的影响较大。用Duncan 氏法进行多重比较SSR检验,将2年15个处理间的差异显著性列于表2。其中,罗马数字Ⅰ~Ⅴ代表重复。从表2可以看出,2014年秸秆还田各处理土壤有机碳含量较2012年有不同程度的增加,增加幅度为WCN>WN>WC。其中,各处理有机碳含量与CK处理相比，有机碳含量均有所改变，主要原因可能是有机物料(秸秆、粪肥)和氮肥的施入,能为微生物维系生命活动提供充足能量,从而促进土壤的生物活性,包括真菌生长、根和土壤动物活性增强,有助于土壤内有机质积累[11]。

表1　有机碳的方差分析表(固定模型)

注：小写字母表示0.05水平显著差异,大写字母表示在0.01水平极显著差异。表3-4,7-8同。

Note:Small letters means significant at the 5% level,capital letters means exceedingly significant at the 1% level.The same as Tab.3-4,7-8.

2.2土壤有机碳含量与不同年份间的差异性检验

对5个处理土壤有机碳含量用SSR检验的结果见表3。两季秸秆还田WC处理的有机碳含量最大,极显著地优于其他4个处理。排在第2，3位的处理是WCN和M处理,显著地优于WN和CK 2个处理。对2年不同处理土壤有机碳含量用SSR检验的结果见表4。从2012，2014年的结果来看,土壤有机碳含量呈上升趋势。2014年土壤有机碳含量极显著地高于2012年的土壤有机碳含量。这表明,秸秆因素导致各处理差异显著。随着秸秆的进一步腐解及还田年限增加,秸秆因素开始发挥作用,特别是两季秸秆还田处理的有机碳变化显著高于无秸秆还田处理,秸秆因素作为主要因素影响着各处理的有机碳含量。

表3　五个处理土壤有机碳含量间SSR检验的差异性检验

表4　五个不同处理土壤有机碳含量间

2.3同一年份2个不同处理有机碳t检验的差异显著性

根据统计学上单一差异原则,对同一年份2个不同处理有机碳的含量,用t检验法检验其差异显著性,结果见表5。各年份2个不同处理有机碳的含量，均有极显著的差异。从长期定位秸秆还田各处理土壤有机碳含量的结果来看,土壤有机碳含量呈逐年上升趋势。其中有机碳含量最高的处理为 WCN处理，2014年与2012年平均为9.625 g/kg。较2014年与2012年M处理的平均值提高了2.180 g/kg。这表明,试验前土壤有机质水平极低,化肥与秸秆配施后,随秸秆还田年限的增加,土壤作物残留逐渐分解,秸秆与土壤的接触更均匀,从而使其更易腐解转化为土壤有机碳,补偿土壤有机碳库损耗。

2.4同一年份2个不同处理有机碳的主要效应

试验效应是指试验因素对试验指标所起的增加或减少的作用。一个因素的水平相同,另一因素不同水平间的差异属于简单效应。一个因素内各简单效应的平均数称为主要效应。按照统计学的要求,计算了同一年份2个不同处理有机碳的简单效应和主要效应(表6)。从主效来看,氮肥的主效最大,其次是有机肥的主效,排在第3，4位的主效是秸秆还田+氮肥及秸秆还田。由此可以证明,化学肥料见效快是速效肥,秸秆还田见效慢是缓效肥。

2.5腐殖质组分含量的差异

各处理间土壤腐殖酸(HE)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)含量变化趋势如图所示,从图1,2可以看出,各处理间土壤腐殖质变化明显,从表7，8可以看出，各处理组分含量HM>HE>FA>HA。随着还田年限的增加，2014年FA含量较2012年有所下降，但2014年土壤HA较2012年有所积累。在相同施氮肥处理下,WN处理土壤HE、HM、HA、FA含量与WCN处理存在明显差别,还田6年(2014年)时差异达到最大。

表5　同一年份2个不同处理有机碳的t-检验

注：df=8,t0.05=2.306,t0.01=3.355;N.氮肥;M.有机肥;S+N.秸秆还田+氮肥;S.秸秆还田。表6同。

Note:df=8,t0.05=2.306,t0.01=3.355；N.Nitrogenous fertilizer;M.Organic fertilizer;S+N.Straw returning and nitrogen fertilizer;S.Straw returning.The same as Tab.6.

表6　同一年份2个不同处理有机碳的简单效应与主要效应

由表7，8可知,其中除2012年WC、CK处理HA含量差异不显著外,2014年时，不同处理的土壤胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)含量差异显著。在WN 和WCN 还田模式下,土壤腐殖质含量显著增加,高于M处理,其中WCN处理增幅最大。M处理与WCN处理相比,HE含量在还田6年(2014年)时差异达到最大,为0.63 g/kg,说明添加作物秸秆和未添加秸秆相比,无论添加小麦、玉米秸秆或施加有机肥,均能提高土壤腐殖质含量,其中添加秸秆效果最明显。单施有机肥对土壤殖酸影响不如秸秆还田与化肥配施显著。这与崔婷婷等[12]的研究结果相一致。WC、WCN处理之间土壤HE含量差异逐渐增大,在还田6年(2014年)时达到最大,为0.83 g/kg,WCN的HE含量处理比WC处理增加了57.18%,这是由于氮肥与秸秆配施促进了土壤殖酸总量的积累所导致,符合Piccolo和Doane[13-14]等研究结果。

HE.腐殖酸;HM.胡敏素;HA.胡敏酸;FA.富里酸。图2、表7-8同。

图2　2012年腐殖质碳含量

Tab.7Determination of soil Humus in 2014

g/kg

表82012年测定土壤腐殖质含量差异性

Tab.8Determination of soil Humus in 2012

g/kg

3讨论与结论

3.1秸秆还田处理对土壤有机碳与腐殖质含量的影响

在供试的5个处理中,两季秸秆还田施氮肥处理的有机碳含量最大,优于其他处理,为最优处理。秸秆还田配施氮肥及施有机肥可明显增加土壤有机碳和腐殖质的含量。有机物料由于含有充足的营养物质,能较好地增加作物产量,且在腐解后会释放出大量腐殖质,更能提高土壤有机质的质量。所以秸秆还田处理下有机碳与腐殖质含量显著高于不施肥处理,这与龚伟等[15]的研究结果相一致。土壤有机碳以及腐殖物质含量随着还田年限的增加而增多,秸秆还田可以显著提高土壤胡敏酸、胡敏素、富里酸含量,且随着连作年限增加含量逐渐升高,符合刘军等[16]的研究规律。有机物料与氮肥配施能够明显提高土壤腐殖物质含量,改善土壤肥力,效果优于单施有机肥[17]。

3.2影响土壤有机碳含量的主要效应的规律性

土壤有机质主要来源就是生长在土壤中的植物、作物残体，构成了补充土壤碳库最主要途径之一。当前,养分投入主要效应从大到小依次是氮肥、有机肥、秸秆还田+氮肥、秸秆还田。由此可以说明,化肥是速效肥,有机肥、秸秆都是缓效肥。秸秆还田是增加农田土壤有机质的手段之一,能够改善土壤理化性质,提高土壤质量,并促进腐殖质积累。

3.3土壤腐殖物质变化规律与土壤肥力关系

在WN 和WCN 还田模式下,土壤腐殖质含量显著增加,高于单施有机肥(M)处理,其中WCN处理增幅最大。两季秸秆还田配施肥与单施有机肥相比,更有利于增加土壤中腐殖质的含量。在化肥作用下,土壤微生物对秸秆的腐殖化作用要比单纯秸秆还田处理强,能促使土壤胡敏酸与富里酸积累加快,是增加土壤腐殖质含量的关键,符合李比希的养分归还学说,揭示了秸秆还田与化肥配施条件下土壤由低肥力向高肥力的演变趋势。此外,胡敏酸含量增加对提高土壤肥力和改善土壤结构具有重要作用[18]。

土壤腐殖质各组分的含量和所占的比例也直接关系到土壤的肥力。胡敏素(HM)是有机碳和氮的重要组成部分,也是评价土壤肥力水平的重要指标之一[19]。有研究表明,单施化肥会导致土壤胡敏素活性降低,化肥与有机物料配施处理下土壤胡敏素增加幅度较大[20-21]。胡敏酸(FA)是土壤腐殖质中的活跃成分,其性质的变化对土壤肥力特征会产生巨大影响[22]。随着6年长期秸秆还田后,富里酸含量逐渐小于胡敏酸,这有可能由于秸秆与化肥配施促使富里酸向胡敏酸转化速度加快[23],胡敏酸含量有所增加,土壤腐殖化程度逐步提高。

通过研究表明,土壤肥力的高低与土壤腐殖质的分解和积累密切相关,秸秆还田与化肥配施能较好地促进土壤腐殖质的积累[24-25],通过6年定位试验发现,长期秸秆还田与化肥配施及单施有机肥均能提高土壤腐殖质含量,且有秸秆还田处理土壤腐殖质含量高于单施有机肥处理，这与刘树堂等[26]研究结果相一致。所以,利用小麦-玉米长期轮作定位试验去开展土壤有机碳及腐殖质组分的变化研究,对于进一步衡量和评价秸秆还田与化肥配施对土壤肥力与作物产量具有重要意义。

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The Effect of Long-term Straw Returning Treatments on Soil Organic Carbon and Humus Content

XIN Li1,LIU Jintao1,LIU Shutang1,WANG Junjie1,CAO Peishun2,KUANG Chuan2

(1.Qingdao Agricultural University,Qingdao266109,China;2.Qingdao SOBEL Crop Nutrition Co,Ltd,Qingdao266011,China)

Abstract：In order to study the effects of different straw returning on soil organic carbon and humus content,we have regard Laiyang long-term straw returning to the soil in aquic soil treatment as the research object of study,explore the effect of application nitrogen fertilizer or organic fertilizer in straw returning to field on soil organic carbon(SOC) and humus content.The results were as follows:In the 5 experiment treatments,the WCN treatment′s organic carbon and humic substances were the maximum,was the optimal treatment.The main effect from the maximum to minimum values were:nitrogen fertilizer，organic fertilizer，straw returning+nitrogen fertilizer and straw returned to the soil.Compared with CK,straw with nitrogen fertilizer applicating to the soil substantial increased HA,HM,FA contents and made it in a stable level.Compared with the single application of organic fertilizer,WN,WCN treatment could significantly increase the content of soil humus fractions.As time goes by,straw and nitrogen fertilizer(WN,WCN) could significantly increase the content of soil humus fractions.

Key words:Straw returning;Organic carbon;Humus

doi:10.7668/hbnxb.2016.01.035

中图分类号：S158

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)01-0218-06

作者简介：辛励(1991-),男,山东安丘人,在读硕士,主要从事植物营养方面的研究。通讯作者：刘树堂(1962-),男,山东安丘人,教授,博士,硕士生导师,主要从事植物营养与施肥技术的研究。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203030);山东省现代农业产业技术体系建设经费项目(SDAIT-01-022-06);鲁东丘陵区小麦玉米水肥自然资源高效利用综合技术集成与示范研究(2013BAD07B06-03);山东省农业重大应用技术创新课题;山东省高效优秀科研创新团队项目

收稿日期：2015-10-09