不同种类有机物料对新垦红壤有机碳提升及培肥效果的影响

郑铭洁，余红伟，陈志良，章明奎

（1建德市农技推广中心土壤肥料站，浙江 建德 311600；2浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

0 引言

耕地是最宝贵的农业资源和最重要的生产要素，其质量关乎国家粮食安全、农产品质量安全和农业生态安全。20世纪80年代以来，中国因城市扩建和经济发展占居了大量了优质耕地，为了维持耕地面积的动态平衡，许多地区通过投入大量的人力、物力新造耕地来补充被占用的耕地，其中开垦低丘红壤是中国南方地区获得新造耕地的重要途径。低丘红壤地区新垦造耕地受立地条件、生产成本和种植效益等多种因素的影响，普遍存在立地条件差、表土太薄、死土裸露、养分不足、有机质低下、酸性强及保肥性差、蓄水性弱等诸多问题，导致许多新垦红壤耕地利用率偏低，甚至存在新垦地荒芜现象。新垦耕地“垦而难用”成为某些地区“耕地占补平衡”迫切需要解决的问题。如何快速培育新垦红壤是实现南方红壤地区耕地质量和数量同时平衡的重要前提，其中，提高土壤有机碳含量被认为是旱地红壤快速熟化和培肥的核心。因有机碳可提高土壤阳离子交换量、增加土壤蓄水能力、改善土壤结构和团聚体稳定性，它是土壤矿质养分的主要来源和土壤生物多样性的保障，几乎所有土壤科学研究者和土地管理者都倡导维持高水平的土壤有机碳含量。增加土壤有机碳途径一般包括增施有机肥料、种植绿肥及秸秆还田等[1-2]。大量研究表明，有机物料组成复杂，它不仅能提高土壤有机碳水平[3-7]，提供植物需要的养分[6,8-11]，同时其还能改善土壤物理性状[12]，增加土壤保水保肥能力，提高土壤生物活性[13-14]，从而实现土壤养分的良性循环[15-16]。然而，不同研究者报道的施用有机肥料的效果却有很大的差异[17-20]，其中原因之一是有机物料种类的差异。尽管中国在农业土壤上施用有机肥有悠久的历史，积累了大量的经验，但至今，对不同有机物料在促进旱地红壤有机碳提升及培肥效果的影响上的差异的知识还不够完善。过去对新垦耕地土壤肥力的培育主要偏重于有机碳总量的提升，对土壤有机质品质考虑较少。如何同时在“量”和“质”提高新造耕地土壤有机质水平是新造耕地科学培肥需要解决的问题。为此，本研究选择黄筋泥和红砂土2种不同质地的代表性红壤地区土壤，通过室内培养试验研究了11种常用的有机物料对新垦红壤的培肥效果，以期为新垦红壤科学施用有机物料提供理论依据。

1 材料与方法

试验采用室内培养方法在黄筋泥和红砂土等2种土壤上同时进行。供试土壤采自浙中的2块新造地，尚未经过任何改良，土壤肥力极低，农作物难以正常生长；试验前土壤性状见表1。从田间采集的土样过5mm土筛后充分混匀用于试验。每盆用土量为15 kg，每一种土壤各设置12个处理，分别为：（1）对照（CK，不施任何有机物料）；（2）风化煤腐殖酸；（3）泥炭（草炭）；（4）菌菇棒堆肥；（5）猪粪；（6）鸡粪；（7）水稻秸秆（切碎后施用）；（8）紫云英；（9）沼渣；（10）猪粪/水稻秸秆堆肥；（11）生活垃圾堆肥；（12）50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥。所用有机物的平均养分状况见表2。每一处理以等碳量添加各类有机物，其用量相当于各添加有机碳10 g/kg（相当于22.5 t/hm2），与土壤充分混匀；重复3次，随机排列，培养时间持续18个月。培养试验在玻璃温室内进行，土壤保持80%的田间持水量，培养期间温度在15～35℃。分别在第3、6、12、18个月取样分析。

表1 试验前土壤基本性质

表2 试验有机物性状（测定结果以干物质为基础）

采集的土样分2部分：一部分保持原状，分析水稳定性团聚体；另一部分经风干后分别研磨过2mm和0.15mm土筛用于理化分析。分析内容包括水稳定性团聚体、pH、有机碳及其组分、有效磷、碱解氮、速效钾、CEC、微生物生物量、酶活性等指标。土壤有机碳采用重铬酸钾氧化法测定，腐殖质碳用稀碱提取-重铬酸钾氧化法测定，土壤中易氧化有机碳采用0.333mol/L高锰酸钾氧化法测定[21]，土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸钾提取法测定[22]-Shimadzu TOC自动分析仪测定。土壤有机碳组分采用密度分离法进行分析[23]：称取25.00 g样品用密度为1.85 g/cm3NaI溶液分离得到游离态轻组(fLF)和重组(HF)；向剩余重组中加入0.5%(w/v)六偏磷酸钠(HMP)溶液，振荡18 h，依次通过0.053 mm的筛子，分别得到粗颗粒有机碳(cPOC；＞0.053mm)和矿物结合态有机碳(mSOC；＜0.053 mm)，各组分在40℃下烘干、称重，用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定其有机碳含量。土壤pH、有效磷、碱解氮、速效钾采用常规法测定[24]；CEC采用醋酸铵交换法测定；土壤中水稳定性团聚体采用湿筛法测定。蔗糖转化酶用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[25]，过氧化氢酶用滴定法测定[25]；脲酶用奈氏比色法测定[25]；脱氢酶用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定[25]；磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定[25]。

2 结果与分析

2.1 对土壤有机碳积累及腐殖质形成的影响

2类不同质地的新垦旱地红壤中施用各类有机物均可明显提高土壤中有机碳的含量（表3），但不同有机物施入土壤后的变化及其残留量有较大的差异。试验中各类有机物料的有机碳投入量相同，因此表3中的不同时间检测的土壤有机碳数量的高低在一定程度上可反映不同有机物料在土壤中的相对稳定性。结果表明，对于不施有机物料的对照土壤，无论是质地较粘的黄筋泥还是质地偏砂的红砂土，随着培养时间的增加，其有机碳变化较小，说明不施用有机物的情况下土壤中有机碳较为稳定。但其他11个施有机物的土壤中有机碳的含量随培养时间呈现逐渐下降。当培养时间较短时（3个月），各有机物料处理间土壤总有机碳数量差异较小；但随着培养时间的增加，施用不同有机物料处理间土壤总有机碳的差异逐渐加大。表4为以对照土壤为参照计算的施入土壤中有机物料在不同培养时间的残留比例。在培养时间为3、6、12、18个月时，施入黄筋泥中不同有机物的有机碳残留比例分别为65.20%～93.90%、40.60%～81.70%、26.40%～78.30%和15.40%～74.50%，平均分别为83.38%、64.54%、51.70%和43.86%；相应地红砂土中的有机碳残留比例分别为55.90%～86.80%、40.40%～81.40%、20.60%～76.60%和10.30%～71.20%，平均分别为77.05%、58.14%、45.64%和38.15%。这一结果表明，这11种有机物在土壤中的稳定性顺次为：风化煤腐殖酸＞50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥＞泥炭＞猪粪/水稻秸秆堆肥＞生活垃圾堆肥＞沼渣＞菌菇棒堆肥＞猪粪＞鸡粪＞水稻秸秆＞紫云英。有机物料在黄筋泥中的稳定性高于在红砂土中的稳定性。

表4 施入土壤中不同有机物中有机碳的残留比例随培养时间的变化 %

表3结果还表明，对于不施有机物料的对照土壤在培养过程中易氧化有机碳的变化较小，表明土壤本身易氧化有机质水平较低，有机碳较为稳定。但施用各类有机物的土壤中易氧化有机碳随培养时间发生了明显的下降，下降幅度大于有机碳总量的变化。土壤中易氧化有机碳的数量基本上与土壤有机碳呈同步变化，总有机碳下降较快的土壤其易氧化有机碳下降也较为迅速。

通过18个月培养后，施用各类有机物土壤中腐殖质均有不同程度的提高（表3），但不同有机肥处理之间腐殖质比对照土壤提高的比例有很大的差异，黄筋泥和红砂土中分别为5.19%～338.31%和5.43%～491.30%。最高的为施用风化煤腐殖酸处理（比对照增加338.31%和491.30%），其次为50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥（比对照增加253.90%和405.43%）；最低的为紫云英（比对照增加5.19%和5.43%），次低的为水稻秸秆（比对照增加7.79%和43.48%）。泥炭、菌菇棒堆肥、沼渣、猪粪/水稻秸秆堆肥和生活垃圾堆肥也均具有较高的腐殖质增加幅度，在黄筋泥和红砂土中的提高幅度分别在61.04%～167.53%和79.35%～284.78%之间。猪粪和鸡粪的施用也可明显提高红砂土的腐殖质含量，提高幅度在58.70%～65.22%之间，但它们对黄筋泥的腐殖质提升幅度较小，在12.99%～17.53%之间。这一结果表明，在新垦红壤中单独施用紫云英和水稻秸秆，不利于土壤腐殖质的形成，而施用风化煤腐殖酸、50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥对提升土壤腐殖质最为有效。

2.2 对土壤有机碳形态组成的影响

进入土壤的有机物质可以不同的形态存在，部分有机碳并没有与土壤矿物结合，以游离态（如有机残片）存在，其稳定性较差，易随时间发生变化；有的与土壤形成复合体，并可根据颗粒大小进一步分为粗颗粒有机碳（与矿物松结合，＞0.053mm）和矿物结合态有机碳（与矿物紧结合，＜0.053mm），一般认为后者的稳定性最高。表5为培养18个月后各有机物施用土壤中存在的不同形态有机碳的分布。结果表明，施用各类有机物后，土壤中游离态有机碳、粗颗粒有机碳和矿物结合态有机碳均有不同程度的提高，但无论是黄筋泥还是红砂土，11种有机物施用18个月后残留在土壤中的有机碳主要以矿物结合态有机碳存在，其占黄筋泥和红砂土有机碳的比例为72.37%～94.83%和67.25%～93.46%，平均分别为82.01%和78.92%。游离态有机碳和粗颗粒有机碳占总有机碳的比例较低，其中，游离态有机碳分别占黄筋泥和红砂土有机碳的比例分别为0.32%～3.98%和0.42%～4.21%，平均分别为2.22%和2.41%；粗颗粒有机碳分别占黄筋泥和红砂土有机碳的比例分别为4.85%～24.56%和6.12%～28.54%，平均分别为15.77%和18.67%。说明经过18个月培养后，进入土壤中的有机碳基本上以稳定的有机碳形式存在，它们可代表土壤中有机碳的主要积累形态。

表5 不同稳定性有机碳含量的组成（培养18个月）

另外，表5的结果还表明，随着各类有机物的施用，土壤中微生物生物量碳也呈现显著的增加，其含量明显高于对照土壤，其中在黄筋泥中微生物生物量碳的增幅为23.08%～153.85%，平均为89.74%；在红砂土中微生物生物量碳的增幅为55.56%～181.48%，平均为126.94%，红砂土中的增幅大于在黄筋泥中的增幅。表明各类有机物的施用在增加土壤有机碳积累的同时，也明显提高了土壤微生物活性，有利于土壤养分的循环。

2.3 对土壤理化性状的影响

表6表明，各类有机物的施用对土壤pH的直接影响较小，pH的增量均在0.21个pH单位以下，但不同处理之间pH增量的差异显然与施用有机物材料的碱性物质数量有关。但有机物的施用明显促进了土壤中水稳定性团聚体的形成，11种有机物施用后，黄筋泥＞0.25mm水稳定性团聚体比对照相对增加13.73%～79.55%，平均为46.62%；红砂土中＞0.25mm水稳定性团聚体比对照相对增加54.17%～238.46%，平均为115.09%。效果以50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥、风化煤腐殖酸、猪粪/水稻秸秆堆肥、沼渣和猪粪最为显著。表6还表明，施用各类有机物后土壤CEC均有一定的提升，黄筋泥和红砂土中CEC的增幅分别为3.66%～27.96%和1.86%～26.53%，平均分别为11.28%和11.86%；其中以施用风化煤腐殖酸、泥炭、50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥、猪粪/水稻秸秆堆肥的CEC提升幅度最大。

表6 施用各类有机物对水稳定性团聚体、pH、CEC和交换性酸的影响（培养18个月）

2.4 对土壤养分的影响

表6可知，各类有机物的施用显著提高了土壤速效养分，土壤有效磷、速效钾和碱解氮均有较大幅度的提升。在黄筋泥中，施用各类有机肥后土壤有效磷、速效钾和碱解氮分别比对照提高25.99%～387.29%、8.89%～53.08%和28.13%～146.88%，平均分别为179.25%、25.86%和84.38%。在红砂土中，施用各类有机肥后土壤有效磷、速效钾和碱解氮分别比对照提高63.64%～585.35%、23.39%～80.32%和 69.23%～261.54%，平均分别为403.44%、51.18%和189.51%。对土壤有效磷和碱解氮提升效果最为明显的是鸡粪、猪粪、猪粪/水稻秸秆堆肥和50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥，对土壤速效钾提升效果最为明显的是风化煤腐殖酸、泥炭、沼渣、50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥、鸡粪。

2.5 对土壤酶活性的影响

表7可知，由于土壤有机碳及微生物生物量碳的增加，各类有机物的施用成倍提高了土壤多种酶的活性。在黄筋泥中，施用各类有机肥后土壤蔗糖转化酶、过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶分别为对照（不施用有机物）的 1.81～4.05、2.93～5.18、1.18～3.18、1.37～2.53、1.26～2.43倍，平均分别为3.25、4.17、1.99、1.94、1.93倍。在红砂土中，施用各类有机肥后土壤蔗糖转化酶、过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶分别为对照（不施用有机物）的 2.05～4.06、1.81～5.16、1.35～2.07、1.35～1.94、1.26～2.36倍，平均分别为 3.18、3.53、1.67、1.77、1.86倍。结果表明，有机物的施用对蔗糖转化酶和过氧化氢酶的活性影响较大。施用猪粪和鸡粪后土壤酶的活性一般高于施用其他有机物。

表7 施用各类有机物对水稳定性团聚体、pH、CEC和交换性酸的影响（培养18个月）

2.6 对土壤影响的综合评价

众所周知，提高土壤有机碳含量是农田施用有机物的最主要目的，但有机物的施用也可明显改善其他土壤质量性状。相关分析表明，土壤腐殖酸碳含量、微生物生物量碳、>0.25mm水稳定性团聚体、CEC、有效P、速效K、过氧化氢酶和脲酶均与土壤有机碳存在显著的相关性，相关系数分别为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，但本研究的结果也表明有机碳积累对土壤pH、碱解N、蔗糖转化酶、磷酸酶和脱氢酶的影响较小（相关系数在0.3000以下）。土壤性状与施用的有机物成分的相关分析也表明，施用有机物料后土壤pH与有机物本身的pH显著相关（相关系数为0.5244～0.7240），表明有机材料中包含的碱性物质有助于提高土壤的pH；土壤有效磷与有机物含磷量呈显著相关（相关系数为0.5238～0.7398），土壤速效钾与有机物钾含量显著相关（相关系数为0.5731～0.7861），即有机材料中引入的磷和钾的数量直接影响土壤有效磷和速效钾水平。但土壤碱解氮与有机物氮含量无明显相关（相关系数为-0.0856～-0.3806），其原因可能是土壤氮素与磷、钾不同，在土壤中容易通过硝化、反硝化作用以气体方式损失。

为了评估以上11种有机物施用对土壤质量的综合作用，选择土壤有机碳、水稳定性团聚体含量、pH、CEC、有效磷、速效钾和碱解氮等7项指标进行评估。评估前，把施用某类有机物后土壤的某一项目的测定值与对照土壤（不施有机物料的土壤）对应项目的测定值的比值作为评估效果分值（表8）。考虑到不同肥力指标在新耕红壤提升中的作用不同，向9位行业专家咨询了7项目质量指标在新耕红壤提升中的相对重要性，把7项指标的权重分别定为0.40、0.15、0.15、0.15、0.05、0.05、0.05，来计算每类有机物施用后土壤质量的综合值（7项目指标的效果分值与权重乘积之和），结果见表8，二类土壤中应用效果趋势基本一致，效果前4位的分别是风化煤腐殖酸、50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥、猪粪/水稻秸秆堆肥、泥炭，效果后三位的是菌菇棒堆肥、水稻秸秆和紫云英。

表8 施用各类有机物对土壤质量综合影响评估结果

3 结论

在黄筋泥和红砂土2种新垦红壤上开展的18个月时间的等有机碳投入水平的10种有机物料培肥试验结果表明：

（1）有机碳的稳定性顺次为：风化煤腐殖酸＞50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥＞泥炭＞猪粪/水稻秸秆堆肥＞生活垃圾堆肥＞沼渣＞菌菇棒堆肥＞猪粪＞鸡粪＞水稻秸秆＞紫云英；在黄筋泥中的稳定性高于在红砂土中的稳定性。

（2）对提升土壤腐殖质和水稳定性团聚体的形成以施用风化煤腐殖酸、50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥最为显著；通过18个月的分解，进入土壤的有机物料主要以矿物结合态有机碳存在，游离态有机碳和粗颗粒有机碳占总有机碳的比例较低。

（3）各类有机物的施用在增加土壤有机碳积累的同时，也明显提高了土壤微生物活性、酶活性、CEC和有效养分，但其效果因有机物料不同有较大的差异。综合分析表明，对改良土壤性状效果最佳的是风化煤腐殖酸、50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥、猪粪/水稻秸秆堆肥；效果后三位的是菌菇棒堆肥、水稻秸秆和紫云英。

（4）在改良新垦低丘园地红壤时，宜考虑性状不一的多类有机物料混配施用，特别是考虑风化煤腐殖酸与猪粪、水稻秸秆等有机物料的配合施用。

4 讨论

新垦低丘红壤普遍存在立地条件差、表土太薄、死土裸露、养分不足、有机质低下、酸性强及保肥性差、蓄水性弱等诸多问题，因此，这类土壤需要从多个方面着手进行改良。施用有机物料的主要目的是提升土壤有机碳及土壤生物活性，促进土壤结构的形成，改善土壤物理性状。从本研究的结果表明，虽然各处理有机碳的投入水平一样，但它们对改善土壤的效果却有很大的差异。对于提高土壤有机碳而言，不同有机物料经过一年多的分解，其残留在土壤中的有机碳可有很大的差异，其原因是有机物料在土壤中的稳定性不同，只有足够稳定的有机物料才有可能真正成为土壤的有机碳。紫云英、水稻秸秆还田是正常农田培肥的重要手段[26-29]，但本研究的结果表明，施用紫云英、水稻秸秆对提升新垦低丘园地红壤有机碳的效果欠佳，即不宜采用单独施用紫云英、水稻秸秆的方法来改良新垦园地红壤。泥炭稳定性较高，施用后可显著提高土壤中的有机碳，这也被一些研究所证实[30-31]，但本试验的结果表明，施用泥炭后积累在土壤中的有机碳主要为“死碳”，其腐殖质含量偏低，提高的微生物生物量碳幅度不高。而施用风化煤腐殖酸对改善土壤的效果明显优于施用泥炭，前者既然明显提升土壤有机碳，同时又可提供较多的腐殖质，对土壤物理性状也有显著的改善。这可能与风化煤腐殖酸本身包含较高含量稳定性较高的腐殖质有关[32-33]。但以上的分析结果也表明，单独施用风化煤腐殖酸对提升土壤矿质养分的效果并不理想，但如果采用风化煤腐殖酸与猪粪、水稻秸秆配合施用（即50%风化煤腐殖酸+50%猪粪/水稻秸秆堆肥），可实现土壤性状的全面提升，既能有效地提高土壤有机碳，又可明显提高腐殖质的积累、物理性状的改良及土壤矿质养分的提高。由此，认为在改良新垦低丘园地红壤时，宜考虑性状不一的多类有机物料混配施用，特别是考虑风化煤腐殖酸与猪粪、水稻秸秆等有机物料的配合施用。