长期施用有机肥对苏打盐碱土胶体组分及有机无机复合状况的影响

许连周,王 琪,刘丹阳,钟 锐,孟庆峰,张如月,刘 阳,马献发,骆静梅,邢华铭,嵩 博

(1.东北农业大学 资源与环境学院,黑龙江 哈尔滨 150030;2.黑龙江省农产品和兽药饲料技术鉴定站,黑龙江 哈尔滨 150036)

盐碱土又称盐渍土,是盐土、碱土、盐化土和碱化土的总称[1]。土壤盐碱化是世界性问题,在全球广泛存在。据统计,全球盐碱土面积约有1.1×109hm2,我国约9.9×107hm2[2-3]。土壤盐碱化严重制约着农业生产及土壤质量的提高[4]。国务院于2022年2月发布《关于开展第三次全国土壤普查的通知》[5]中指出,重点调查未利用土地中盐碱地等可开垦耕地资源相关的土地,完成盐碱地适宜性评价和改良利用专题报告。由此可见,盐碱土的分类和改良利用受国家的高度重视。土壤有机碳作为土壤的重要组成部分之一,影响土壤理化性质,有利于有机无机复合体的形成[6-7]。有研究表明,盐碱土壤有机碳储量受土壤pH值、电导率等环境因素的影响[8]。例如,盐碱土中盐分含量过高,会在作物生长过程中通过渗透胁迫、离子毒害等作用影响作物生长及产量,进而减少作物向土壤中的碳输入,降低土壤碳储量[9]。而高pH值则会促进表层土壤腐殖质的溶解淋溶[10-12]。因而,针对松嫩平原苏打盐碱土,采用有机肥改良的措施,可有效减轻土壤盐碱障碍,提高土壤有机碳含量。程思远[13]和柳夏艳等[14]的研究表明,在肥力较低土壤中施用有机肥有助于有机无机复合体的形成和改善土壤结构,进而有效提高土壤肥力。Zhang等[15]的研究同样表明,长期施用有机肥有利于土壤有机无机复合体的形成。因而,研究长期施用有机肥条件下苏打盐碱土的有机无机胶体组分和复合状况对阐述土壤盐碱障碍消减机制具有重要意义。

普遍存在于土壤中的有机无机复合胶体结构稳定,性质比较活跃[16]。它能促进土壤团聚体的形成,改善土壤的通气性、透水性等物理性状,并能储存土壤中大部分养分,增强土壤有机碳抵抗矿化和微生物分解的能力,同时影响土壤形成过程中物质的迁移转化和积累,能够综合地评价土壤肥力水平[17-20]。因此,土壤有机无机复合程度对于表征土壤改良效果尤为重要。但目前以盐碱土改良为基础的土壤有机无机复合体的研究不够深入,为此本研究基于苏打盐碱土的长期定位改良试验,分析长期施用有机肥对盐碱土胶体组分及有机无机复合度的影响,以期为松嫩平原盐碱土的改良提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验设在东北农业大学苏打盐碱土改良试验站(位于黑龙江省肇州县永乐镇太丰村,45°44′N,125°05′E),地处松嫩平原西部,平均海拔140 m,属中温带大陆性季风气候。年均气温3.6 ℃,有效活动积温(≥10 ℃)2 800 ℃,无霜期约143 d。年均降水量约500 mm,主要集中在6—9月,约占全年降水的70%;年均蒸发量1 800 mm,主要集中在春季,属半干旱地区。土壤类型有草甸碱土和碱化草甸土2种,呈复区分布,本试验是以草甸碱土为供试土壤。典型自然植被为羊草和芦苇。土壤盐分组成以苏打(Na2CO3)和小苏打(NaHCO3)为主。试验区改良前土壤(采样深度:0～20 cm)基本性质如下:颜色呈灰白色,质地为黏土(26.2%砂粒,21.5%粉粒,52.3%黏粒),容重1.38 g/cm3,pH值9.55,碱化度54.75%,全盐量8.62 g/kg,有机质7.95 g/kg,全氮0.70 g/kg,全磷0.33 g/kg,阳离子交换量14.99 cmol/kg,碱解氮72.5 mg/kg,有效磷27.5 mg/kg,速效钾112.5 mg/kg。

1.2 试验设计

长期定位改良试验始于1995年,为大区改良试验,不设重复,每区面积在0.5～2.0 hm2不等,面积根据土壤分布特点而定。有机肥为腐熟牛粪,土壤改良前3 a要连续平铺20 cm厚牛粪,并与0～20 cm土壤均匀混拌,之后每年秋整地前施用45 m3/hm2。按照改良年限设置处理:①对照(未施用有机肥,CK);②有机培肥20 a(20 a,1995年开始改良);③有机培肥15 a(15 a,2000年开始改良);④有机培肥11 a(11 a,2004年开始改良);⑤有机培肥4 a(4 a,2011年开始改良)。种植作物为玉米,种植方式为连作,基肥为复合肥(15-15-15)450 kg/hm2,拔节期追施尿素400 kg/hm2。每年秋季旋耕灭茬,耕深为20 cm。

1.3 土壤样品采集与处理

各处理土壤样品均于2015年10月中旬采集,采集深度为0～20 cm,每个处理随机选取3个样方(10 m×10 m),每个样方按5点法取样(避开特殊地点),取样前先刮去表层2～3 mm的土,土样混合后采用四分法缩取约1 kg。采集后,将土壤样品置于阴凉通风处风干,剔除根系、石砾以及枯草等杂物,研磨并分别过1.00 mm及0.25 mm孔径的筛,常温保存,备用。

1.4 测试项目及方法

土壤有机无机复合体的提取采用胶散分组法[20],根据盐碱土性质作了修改,对土壤G0组(水分散组)胶体、G1组(钙结合的复合体)胶体和G2组(铁铝氧化物结合的复合体)胶体进行提取,其中G1组胶体和G2组胶体均属于水稳性复合体。提取后各组所得悬浊液均用0.5 mol/L的稀盐酸聚沉,倾倒上清液,转移至蒸发皿中,在烘箱60 ℃烘干,干燥后称质量,磨细过0.25 mm筛,保存备用。

土壤有机无机复合量及复合度采用比重分离法进行测定[21],土壤总有机碳、重组有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[22];原土复合量、原土复合度、追加复合量和追加复合度计算公式[20]如下:

①

②

QAC=MQC-SQC

③

④

式中,SQC为原土复合量(g/kg);SDC为原土复合度(%);QAC为追加复合量(g/kg);DAC为追加复合度(%);HC为重组有机碳含量(g/kg);HW为重组组分质量(g);SW为原土壤质量(g);SC为原土壤有机碳含量(g/kg);MQC为有机肥改良土壤的复合量(g/kg);MC为有机肥改良土壤的有机碳含量(g/kg)。

1.5 数据统计与分析

数据采用Excel 2019软件整理计算,SPSS 23.0进行数据统计分析,数据间差异分析采用Duncan多重比较法(P<0.05);运用Origin 2021制作Pearson相关性分析热图和土壤复合体组成的三元图。

2 结果与分析

2.1 长期有机培肥对土壤胶体组分的影响

由表1可知,随着改良年限的增加,土壤G0组胶体含量呈降低趋势,G1组胶体含量呈增加趋势;G2组胶体含量在改良11～20 a的处理间呈降低趋势。土壤G0组和G1组胶体含量在改良0～11 a的处理间均差异显著,在改良11～20 a的处理间无显著差异;G2组胶体含量和(G0+G1+G2)含量,各有机肥处理与CK均无显著差异。图1所示,长期有机培肥后,盐碱土的G2组比例均小于6%,G0组比例由90.59%逐渐降低至27.87%,G1组比例由4.27%逐渐增加至68.95%。说明长期有机培肥能够改变苏打盐碱土中土壤复合体的含量及组成。

表1 长期有机培肥条件下苏打盐碱土的土壤复合体的含量

2.2 长期有机培肥对苏打盐碱土有机碳的影响

2.2.1 长期有机培肥对土壤总有机碳及重组有机碳含量的影响 由图2可知,相比CK,有机培肥处理的土壤总有机碳含量(TOC)和重组有机碳含量(HFOC)均显著增加,分别增加11.28～15.81 g/kg和9.66～12.30 g/kg,由此说明,长期有机培肥有利于苏打盐碱土土壤总有机碳含量和重组有机碳含量的积累。

2.2.2 长期有机培肥对土壤有机碳在有机无机复合体分布的影响 如表2所示,随着施肥年限的增加,G2组有机碳含量呈增加趋势,在改良11 a后增幅减小,且相比CK显著增加;G0和G1组有机碳含量均呈先增加后降低的趋势。同时随着施肥年限的增加,土壤的固碳贡献率(即各组复合体有机碳总量占原土总有机碳比例)也发生变化。G0组的固碳贡献率在各处理间差异不显著;与CK相比,改良11 a及以上处理的土壤G1组和G2组的固碳贡献率均显著增加,而改良11,15,20 a处理间无显著差异;改良11 a及以上处理的土壤(G0+G1+G2)的固碳贡献率为35.51%～54.64%,相比CK均增加,其中15,20 a处理的显著增加,而改良11,15,20 a处理间无显著差异。由此说明,长期有机培肥提升了苏打盐碱土有机无机胶体的固碳能力。

表2 长期有机培肥处理后土壤有机碳在有机无机复合体中的分布

2.3 长期有机培肥对苏打盐碱土中有机无机复合情况的影响

由表3可知,随着施肥年限的增加,土壤原土复合量(SQC)、原土复合度(SDC)、追加复合量(QAC)以及追加复合度(DAC)均呈先增加后降低的趋势,并在改良11 a达到最大值,之后趋于稳定。相比CK,11 a及以上处理的原土复合量由8.73 g/kg增加至17.51～20.16 g/kg,原土复合度由53.95%升高至77.49%～83.77%;追加复合量为8.78～11.43 g/kg,追加复合度为79.65%～90.69%。由此说明,长期有机培肥有助于苏打盐碱土有机无机复合量的增加。

表3 不同改良年限的土壤有机无机复合情况

2.4 Pearson相关性与热图分析

由图3可知,在有机培肥改良苏打盐碱土的过程中,土壤中总有机碳含量与重组有机碳含量和原土复合量呈极显著正相关,与G2组有机碳含量呈显著正相关。G0组复合体含量与重组有机碳含量、G0组有机碳含量、G2组有机碳含量、原土复合量、原土复合度和G1组复合体含量呈极显著负相关;原土复合量与G0组有机碳含量和G2组有机碳含量呈显著正相关,与原土复合度和G1组复合体含量呈极显著正相关;G0组有机碳含量、G2组有机碳含量、原土复合度和G1组复合体含量两两之间呈极显著正相关。重组有机碳含量与G2组有机碳含量和原土复合度呈显著正相关,与原土复合量和G1组复合体含量呈极显著正相关。G1组有机碳含量与G0组有机碳含量呈极显著正相关,与G2组有机碳含量呈显著正相关。G2组复合体含量与其他指标间无显著关系。由此说明,苏打盐碱土培肥改良过程中,土壤总有机碳和重组有机碳有利于提高水稳性复合体含量及有机无机复合程度。

TOC.总有机碳;HFOC.重组有机碳;G0-OC.G0组有机碳;G1-OC.G1组有机碳;G2-OC.G2组有机碳;SQC.原土复合量;SDC.原土复合度;G0.G0组复合体;G1.G1组复合体;G2.G2组复合体。n=15;*.在P<0.05水平上相关性显著;**.在P<0.01水平上相关性极显著;蓝色.负相关;红色.正向关。

3 结论与讨论

土壤复合体中,G0为水分散组,不利于土壤团粒结构的形成;G1和G2均富含黏粒及腐殖质等组分,有利于土壤团粒结构的形成,其中G1的养分有效性高于G2[20]。随着改良年限增加,苏打盐碱土的G0、G1和G2组复合体组成比例的变化与其含量的变化趋势一致,说明有机肥改良在改变苏打盐碱土复合体含量的同时,也改变了复合体的组成。苏打盐碱土的复合体组成和复合体含量,在改良之前及改良初期以G0组为主,在改良11 a及之后以G1组为主,G2组及(G0+G1+G2)含量差异均不显著,且G0组含量与G1组含量呈极显著负相关(P<0.01)。说明长期施用有机肥后,虽然土壤有机无机复合体总量变化差异不显著,但由于有机肥中的有机胶体与土壤中水分散组胶结,钙结合组胶体和铁铝氧化物结合组胶体含量增加,对盐碱土中良好的土壤结构的形成有一定积极作用。而前人在潮土和旱地红壤[23]的研究中,施用有机肥同样会促进土壤G0组向G1和G2组转化,说明有机肥能促使低肥力土壤的水分散组胶体向水稳性复合体转化,有利于增加土壤养分和改善土壤结构。

土壤有机碳是评价土壤肥力和质量的主要指标,对土壤结构改良及作物养分供给都有促进作用[19]。施用有机肥后土壤总有机碳含量和重组有机碳含量均显著增加,且二者呈极显著正相关(P<0.01),这与迟凤琴等[18]在黑土的研究结果一致,说明不同土壤在施用有机肥后,有机物质在土壤中的转化有助于形成良好的团粒结构、有机无机复合度的提升和有机碳的累积[24]。

重组有机碳的增加也反映了土壤固碳能力的增强[25]。重组有机碳含量与G0和G1组有机无机复合体含量呈极显著相关(P<0.01),这说明有机碳会影响土壤胶体组分的变化。在本试验中,各有机肥处理的土壤复合体总量在31.79%～34.87%,而改良年限在11～20 a处理的复合体对土壤固碳的总贡献率在35.51%～54.64%,均高于CK,这与赵兴敏等[26]在淡黑钙土的研究结果相似。有相关研究表明,钙与外源有机质表面发生键合作用[26],有机肥中含有大量钙[27],有利于复合体的固碳量及重组有机碳含量的增加。因此,改良年限在11～20 a处理的(G0+G1+G2)和G1组对土壤固碳的贡献率均相比CK的增幅明显,说明G1组有机碳总量增加是复合体中有机碳总量增加的主要原因。由于G0为水分散复合体,相比G1和G2不利于团聚体的形成。施用有机肥后,外源有机物质与水分散组通过钙的键和作用,土壤水分散组向钙结合组胶体转化,因此,G1组复合体含量和G1组对土壤固碳的贡献率均显著增加。同时土壤总有机碳含量的增加会使土壤水稳性团聚体的含量相应增加,土壤结构稳定性增强,对提升土壤肥力具有重要意义[20,28-29]。由于淡黑钙土相对于盐碱土含有较多的有机胶体和钙,有机碳的结合程度更高,其复合体对土壤固碳的总贡献率大于60%,与本试验结果有一定差异,说明复合体对土壤固碳的贡献率的影响,因土壤类型、改良材料及复合体组成比例而异。综上,有机碳的结合程度说明有机无机复合体是土壤肥力的重要物质基础[26],结合程度的提高有助于苏打盐碱土肥力的提升。

有机无机复合度是定量研究有机胶体与无机胶体复合程度的一种方法[20],反映了土壤肥力的高低和土壤团聚体稳定性的强弱[30],常用原土复合量、原土复合度、追加复合量及追加复合度等指标表征[20],这些指标用于判断土壤中有机胶体和无机胶体复合程度的容量和强度。土壤有机无机复合度在改良0～11 a呈增加趋势,主要由于重组组分质量占土壤的比例大于90%,而且动植物及微生物残体易与土壤中固碳作用强的黏粒相结合,土壤黏粒对有机碳的物理保护作用[31-33],使土壤中更多的有机碳存在重组组分中,因此,土壤有机无机复合程度相比对照显著增加。国内外有研究表明,原土复合量提升的可能原因:一是土壤的有机碳趋于老化,二是新鲜的有机碳的作用逐渐消失[34-36]。土壤复合度在11 a后略微下降,主要是长期种植后残留的大量作物根茬及有机肥中未完全腐熟的有机物等,使轻组组分质量占土壤的比例相对增加[18],故土壤复合度略有降低。

通过长期施用有机肥的苏打盐碱土改良试验,与未改良的土壤相比,随着改良年限的增加,总有机碳及重组有机碳含量均显著增加,分别增加了11.28～15.81 g/kg,9.66～12.30 g/kg。长期施用有机肥的苏打盐碱土有机碳与水分散组胶体发生胶结,促进了水分散组胶体向水稳性复合体转化,有机培肥11 a及以上显著增加了复合体对土壤固碳的贡献率,总贡献率由23.22%增至35.51%～54.64%,也显著提升了土壤的有机无机复合程度,这对于提高苏打盐碱土的土壤肥力具有重要作用。