添加不同秸秆对酸性水稻土pH值及有机碳组分的影响

周喜新 刘婵 李海平 范江 张锦韬 陈闺 张毅

摘要：为明确新鲜和腐熟水稻、油菜秸秆对酸性水稻土的改良和土壤有机碳组分含量的提升效果。将占干土质量2%的4种秸秆与酸性水稻土混合，然后进行室内培养试验，并在培养0、30、60、90 d进行取样，测定培养试验前后土壤pH值、有机碳（SOC）含量和腐殖质各组分含量。随着培养的进行，4种秸秆的添加均显著提高了酸性水稻土的pH值和SOC含量，添加腐熟水稻秸秆和腐熟油菜秸秆对酸性水稻土pH值、SOC含量提升效果显著。与0 d相比，在培养结束后，添加4种秸秆均使酸性水稻土中胡敏酸（HA）含量、富里酸（FA）含量、胡富比（HA/FA）和PQ值不同程度的增加，促进酸性水稻土中HA形成、FA向HA转换。腐熟水稻秸秆的添加对HA形成、HM矿化分解的促进效果最佳，使酸性水稻土中HA/FA和PQ值分别达到最高，腐殖化程度加深，有利于HA分子向简单化方向发展。新鲜水稻秸秆的添加在促进酸性水稻土中FA向HA转化、HM矿化分解的效果最小。腐熟油菜秸秆对改良酸性水稻土，增加土壤有机碳组分含量，提升土壤腐殖质品质方面具有更好的效果。

关键词：作物秸秆；酸性土壤；pH值；胡敏酸；富里酸

中图分类号：S511.06 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）15-0225-05

基金项目：中国烟草总公司云南省公司科技计划（编号：2021530000242013）；湖南省教育厅资助科研项目（编号：20A230）；湖南中烟工业有限责任公司科研项目（编号：KY2020JD008）。

作者简介：周喜新（1977—），男，湖南宁乡人，博士，讲师，硕士生导师，从事烟草科学与工程技术研究。E-mail：152924447@qq.com。

通信作者：张 毅，博士，讲师，从事烟草科学与工程技术研究。E-mail：zyi1219@163.com。

水稻土是我国四大类型耕地土壤中最为高产稳产的土壤，同时也是受人为活动影响剧烈、土壤质量变异最为显著的土壤。1979—2017年，我国水稻土pH值平均下降了0.26，强酸性水稻土面积增加28 225.62 km2，引发了土壤有机质含量下降、土壤板结、保水保肥能力差等一系列水稻土肥力退化问题［1］。土壤酸化会使土壤微生物的活性受抑制［2-3］，影响土壤有机质的矿化及腐殖质的形成［4］、营养元素的转化与释放、微量元素的有效性、土壤保肥与供肥能力等［5］，对农田土壤生产性能和农作物的生长发育产生负面影响。近年来，由于年降水量大和化肥的过量施用，云南保山烟稻轮作体系下的水稻土出现了不同程度的酸化问题［6］，使得农作物生长环境条件变差，土壤的宜种性降低。已有研究表明，秸秆适当还田不仅能提高土壤酸碱缓冲性能，减缓土壤酸化的趋势，还能改善土壤的理化性质，提高土壤有机质和腐殖质含量，提升腐殖质活性，促进有机质活化，改善腐殖质品质，为作物生长提供养分。刘少华等的研究表明，最适宜水稻生长的pH值为6.0，pH值<5.0或pH值>8.0时均不利于其生长［7］。杨彩迪等研究了秸秆直接还田和炭化还田对红壤酸度、养分和交换性能的动态影响，结果表明水稻与油菜秸秆直接还田和炭化还田处理均可提高红壤pH值和有机质含量［8］。Jin等研究认为，在稻麦轮作系统中，将1 500～4 500 kg/hm2 稻草和2 250～6 750 kg/hm2稻草还田，有助于提高土壤有机碳含量；常规秸秆还田可以在短时间内提高土壤有机碳含量；少耕或不耕作加秸秆还田相结合，有助于提高土壤有机碳的含量和质量［9］。邵满娇等在等碳量的前提下，研究了不同处理玉米秸秆对黑土腐殖质组成的影响，结果表明，添加秸稈和腐熟秸秆均能增加土壤有机碳含量，改善腐殖质组成［10］。目前，国内外学者对秸秆还田的研究多集中在对比不同还田方式［11］、不同还田深度［12］对土壤物理、化学性质的影响，然而，对比不同秸秆对酸性水稻土pH值及有机碳组分影响的研究较少，且添加秸秆后有机碳组分构成及稳定性仍有待深入研究。为此，本研究拟采用室内培养法，研究添加4种秸秆（新鲜水稻秸秆、腐熟水稻秸秆、新鲜油菜秸秆、腐熟油菜秸秆）后酸性水稻土pH值和有机碳含量及其组分的动态变化，以期为酸性水稻土改良及秸秆合理还田提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2020年在云南省腾冲市进行，供试土壤取自腾冲市界头镇（98.63°E，25.42°N），海拔为 1 620 m，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温为15.1 ℃，年降水量为1 479 mm，并且降水集中在每年6—10月。土壤类型为水稻土，种植模式为烟稻轮作，烤烟种植品种为K326。取样深度为0～20 cm，5点取样，混合为1个样品。新鲜的土壤样品带回实验室之后，去除石粒、根系等杂物后过 5 mm 筛，分为2份，一份风干用于基础理化性质测定，另一份用于培养试验。供试土壤基本性质：pH 值为4.92，有机碳含量为18.70 g/kg，碱解氮含量为169.25 mg/kg，有效磷含量为27.08 mg/kg，速效钾含量为179.92 mg/kg，胡敏酸含量为3.55 g/kg，富里酸含量为 5.98 g/kg，胡敏素含量为 10.24 g/kg。试验所用水稻秸秆、油菜秸秆取自当地农田，将2种作物秸秆带回室内用蒸馏水清洗干净，放入60 ℃烘箱中烘72 h，粉碎后过60目筛。腐熟水稻秸秆、腐熟油菜秸秆由腾冲市界头烤烟生产专业合作社提供。供试秸秆基本性质见表1。

1.2 试验设计

针对添加秸秆的不同，设置4个处理，每个处理称取供试土壤600 g，添加占干土质量2%的作物秸秆，同时以未添加作物秸秆的土壤作对照，分别为CK：不添加秸秆、T1：添加2%新鲜水稻秸秆、T2：添加2%腐熟水稻秸秆、T3：添加2%新鲜油菜秸秆、T4：添加2%腐熟油菜秸秆。采用恒温恒湿培养箱（BINDERKBF240，German）于2020年6月25日开始进行室内培养试验，培养温度为25 ℃，将土壤和秸秆混合均匀后加入适量去离子水，并调节绝对含水量为30%，用保鲜膜封口，并在其表面扎数个直径为 2 mm的小孔以保持空气交换，每3～5 d添加去离子水维持土壤含水量基本恒定。所有处理均重复3次。

1.3 样品采集和分析方法

试验开始后，分别在培养0、30、60、90 d采集土壤样品，经过自然风干、粉碎后分别过0.25、2 mm筛，密封保存备用。土壤pH值采用电位计法测定，土 ∶水=2.5 ∶1.0。土壤有机碳（SOC）含量采用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法进行测定。腐殖质、胡敏酸（HA）、富里酸（FA）采用焦磷酸钠-氢氧化钠提取，用重铬酸钾氧化容量法测定其含量。胡敏素（HM）含量=腐殖质含量-胡敏酸含量-富里酸含量，PQ值=HA含量/（HA含量+FA含量）。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2019和SPSS 26.0进行统计分析，用OriginPro 2022绘图。处理间比较采用单因素方差分析（ANOVA），差异显著性分析采用邓肯氏（Duncans）法，显著性水平为0.05。相关性分析采用皮尔逊（Pearson）相关系数和双侧显著性检验。

2 结果与分析

2.1 添加不同秸秆对酸性水稻土pH值的影响

添加不同秸秆对酸性水稻土pH值的影响效果如图1所示，4种秸秆处理均显著提高了酸性水稻土的pH值。随着培养时间的增加，除CK外，添加秸秆处理的土壤pH值均呈现0～30 d上升，30 d后逐渐下降并趋于稳定的变化趋势。培养90 d时，添加秸秆处理的土壤pH值均显著高于CK，且添加腐熟秸稈的T2和T4处理对酸性水稻土pH值的提升效果优于添加新鲜秸秆的T1、T3处理，T1、T3处理使土壤pH值分别增加至5.34、5.45，相较于CK分别提升了8.83%、11.07%；T2和T4处理使土壤pH分别增加至6.04、6.08，相较于CK分别提升了23.16%、23.91%。表明腐熟油菜秸秆的添加对酸性水稻土pH值的提升效果更好。

2.2 添加不同秸秆对酸性水稻土有机碳含量的影响

添加不同秸秆对酸性水稻土SOC含量的影响效果如图2所示，4种秸秆处理均显著提高了酸性水稻土的SOC含量。随着培养时间的增加，CK和添加秸秆各处理的土壤SOC含量均呈现0～30 d上升，30 d后逐渐下降并趋于稳定的变化趋势。培养90 d时，添加秸秆处理的土壤SOC含量均显著高于CK，添加腐熟秸秆的T2和T4处理对酸性水稻土SOC含量的提升效果优于添加新鲜秸秆的T1和T3处理，且添加腐熟油菜秸秆的T4处理土壤SOC含量显著高于添加腐熟水稻秸秆的T2处理，T4处理使土壤SOC含量增加至24.92 g/kg，相较于CK增加了35.09%。

2.3 添加不同秸秆对酸性水稻土腐殖质组分的影响

2.3.1 胡敏酸含量

添加不同秸秆对酸性水稻土HA含量的影响如图3所示。由图3可知，随着培养时间的增加，CK和添加秸秆处理的土壤HA含量均呈现逐渐增加的趋势。培养30 d时，添加腐熟秸秆的T2、T4处理对酸性水稻土HA含量的提升效果明显优于添加新鲜秸秆的T1、T3处理。培养60 d时，添加腐熟油菜秸秆的T4处理的HA含量最高，其次是添加腐熟水稻秸秆的T2处理，T4处理比T3处理、T2处理比T1处理的HA含量分别增加24.62%、27.06%。培养 90 d 时，与0 d相比，添加秸秆后T1～T4处理的HA含量分别增加了24.68%、39.63%、37.69%、53.11%。可见，腐熟油菜秸秆的添加对酸性水稻土HA形成的促进作用最大，其次为腐熟水稻秸秆、新鲜油菜秸秆，新鲜水稻秸秆对酸性水稻土HA的积累作用最小。

2.3.2 富里酸含量

添加不同秸秆对酸性水稻土FA含量的影响如图4所示，随着培养时间的增加，除CK外，添加秸秆处理的土壤FA含量均呈现逐渐降低的趋势。培养30 d时，除T4处理外，添加秸秆处理的土壤FA含量与0 d时相比变化不大。培养90 d时，与0 d相比，添加秸秆后T1～T4处理的FA含量分别降低了6.04%、11.17%、7.55%、15.81%，但均高于供试原始土壤。说明，添加秸秆能显著提高酸性水稻土的FA含量，腐熟油菜秸秆的添加对酸性水稻土FA转换的促进作用最大，其次为腐熟水稻秸秆、新鲜油菜秸秆，新鲜水稻秸秆对酸性水稻土FA转换的促进作用最小。

2.3.3 胡敏素含量

添加不同秸秆对酸性水稻土HM含量的影响如图5所示，随着培养时间的增加，CK和添加秸秆处理的土壤HM含量均呈现逐渐降低的趋势，但添加秸秆处理的土壤HM含量均高于供试原始土壤。培养90 d时，与0 d相比，添加秸秆后T1～T4处理的HM含量分别降低了35.09%、45.08%、40.83%、47.42%。由此说明，在促进HM矿化分解方面，添加腐熟油菜秸秆更具优势，其次是添加腐熟水稻秸秆和新鲜油菜秸秆，而添加新鲜水稻秸秆培养90 d时，酸性水稻土的HM含量由 14.89 g/kg 降至9.66 g/kg，降低幅度在4种供试秸秆中最小。

2.4 添加不同秸秆对酸性水稻土腐殖质组成的影响

胡富比（HA/FA）和PQ值作为土壤腐殖化程度的重要指标，其变化如图6所示，随着培养时间的增加，除CK外，添加秸秆处理的HA/FA和PQ值均逐渐增加。培养30 d时，添加秸秆各处理的HA/FA和PQ值与CK无明显差异。培养90 d时，添加秸秆各处理的HA/FA和PQ值均达到最大值，与0 d相比，T1～T4处理的酸性水稻土的HA/FA分别增加了32.64%、57.26%、49.02%、81.90%；PQ值分别增加了19.21%、31.58%、28.41%、43.20%，说明，在促进FA向HA转化、增加土壤腐殖化程度方面，添加腐熟油菜秸秆优势最大，其次是添加腐熟水稻秸秆和新鲜油菜秸秆，添加新鲜水稻秸秆效果最差。

2.5 添加不同秸秆酸性水稻土pH值与土壤有机碳组分间相关性分析

由表2可知，添加秸秆后90 d，酸性水稻土pH值与SOC含量、HA含量、FA含量、HA/FA、PQ值间呈极显著或显著正相关关系，相关系数分别为0.962、0.986、0.886、0.972、0.976；酸性水稻土SOC含量与HA含量、FA含量、HA/FA、PQ值间呈极显著或显著正相关关系，相关系数分别为0.989、0.966、0.943、0.959。

3 讨论

本试验结果表明，随着培养的进行，添加4种秸秆后，酸性水稻土pH值均有不同程度的提升，与Yuan等的研究结果［13-14］一致。这主要是由于秸秆中含有钙、镁等多种碱性盐基离子［15-16］，秸秆进入土壤后，这些碱性盐基离子会与酸性土壤中的交换性H+、Al3+等发生络合反应，降低土壤中交换性阳离子的含量，提高土壤pH值［17］。在4种秸秆中，腐熟油菜秸秆、腐熟水稻秸秆对酸性水稻土pH值的提升效果显著。秸秆经过腐熟后会产生有机阴离子，这些阴离子会与土壤铝铁氢氧化物中的OH-发生配位交换反应，使OH-增加，土壤pH值显著升高［18］。

土壤有机质含量取决于原有有机质的矿化速率及外源有机物的补充量［19］。培养至90 d时，添加4种秸秆处理后的酸性水稻土SOC含量均显著高于CK，这与杨敏芳等的研究结果［20］相同，说明添加秸秆产生的外源性有机碳投入是影响土壤SOC变化的重要因素，直接影响着土壤SOC积累的效果。秸秆中含有较高的有机碳，进入土壤腐解后，促进土壤微生物繁殖，进而推动秸秆中的有机碳转化为土壤SOC［21］。在4种秸秆中，腐熟油菜秸秆、腐熟水稻秸秆对酸性水稻土SOC含量的提升效果显著。秸秆经过腐熟后，促进了秸秆中不易分解的纤维素、半纤维素等成分快速腐解［22］，从而有效提升了土壤SOC含量。此外，C/N是影响秸秆腐解速率的重要因素。C/N比大，有机质部分难分解，微生物利用困难，秸秆腐解缓慢。一般认为秸秆腐解的最适C/N在20～30之间［23］，秸秆经过腐熟后，C/N降低，腐熟水稻秸秆的C/N为22.34，腐熟油菜秸秆的C/N为20.85，更有利于微生物利用分解。

土壤腐殖质被认为是健康肥沃土壤最重要的组成部分［24-25］。HA作为腐殖质中最活跃的组分，在一定程度上可表征腐殖质的芳香性、化学稳定性和有效性。添加4种秸秆均可有效增加酸性水稻土的HA、FA含量，这与Fan等研究秸秆与土壤均匀混合后使腐殖质组成中HA、FA含量提升显著的试验结果［26］相一致。Pearson相关性分析结果表明，HA、FA、HM含量三者中除HM含量与SOC含量之间相关性不显著外，HA、FA含量与SOC含量均呈极显著正相关关系。这说明添加秸秆促使土壤中FA向HA转化，有利于HA的积累和土壤SOC的保存。培养90 d时，与0 d相比，添加秸稈后T1～T4处理HA含量分别增加了24.68%、39.63%、37.69%、53.11%。由此可见，添加油菜秸秆的T3和T4处理对酸性水稻土HA形成的促进效果优于添加水稻秸秆的T1和T2处理，这可能与不同作物秸秆腐解特性不同有关。代文才等指出，水稻秸秆快速腐解期为0～60 d，而油菜秸秆快速腐解期为0～30 d，在试验结束时秸秆累计腐解率表现为油菜秸秆（75.80%）>水稻秸秆（74.23%），这可能与秸秆的组织结构不同有关［27］。在4种秸秆中，腐熟水稻秸秆和腐熟油菜秸秆的添加对酸性水稻土HA形成的促进作用最大，这可能是因为秸秆经过腐熟后，秸秆中的木质素以及一些分解的中间产物在微生物和酶的作用下合成了HA和FA，进入土壤后有利于土壤HA和FA含量的增加，并且土壤微生物会不断分解并利用分子结构简单、活性强的FA组分中的氨基酸等含氮化合物，向HA转化［28］，从而使HA含量随着培养时间的增加而逐渐提升，FA含量随着培养时间的增加而逐渐下降。

FA是HA形成的前体物质，HA/FA和PQ值可用于描述两者之间转化的速率，能有效评价土壤腐殖化程度、衡量土壤腐殖质品质的优劣［29］。随着培养时间的增加，添加4种秸秆的酸性水稻土的HA/FA、PQ值逐渐增加，这与刘军等研究长期施用秸秆可以提高连作棉田土壤HA/FA的试验结果［30］一致。说明秸秆的添加能够为微生物参与腐殖化进程提供丰富的营养基质，推动FA向HA转化，使HA得以积累，HA组分的占比增加，腐殖化程度加深，促进土壤腐殖质更新和积累，从而使得土壤腐殖质的品质得到改善。朱青藤等的研究结果也表明，施加秸秆使得HA分子缩合度和芳香性下降，脂族性增强，有利于HA分子向简单化方向发展［31］。一般认为，初度熟化的土壤HA/FA为0.2～0.3，中度熟化的土壤HA/FA为0.5左右，高度熟化的土壤HA/FA可达1.4左右［32］。本试验中，T1～T4处理酸性水稻土的HA/FA分别为0.53～0.70、0.52～0.81、0.49～0.73、0.49～0.90。由此可见，添加腐熟秸秆处理的土壤熟化度相对较高。

HM是腐殖质中的惰性物质，具有比HA和FA更大的分子量和更高的聚合度，其在腐殖质中占比最大［33］。Li等的研究结果表明，较大数量的有机物料与化肥配施能够加速土壤稳定性碳的矿化［34］。在本试验中，培养90 d时，与0 d相比，添加秸秆后 T1～T4处理的HM含量分别降低了35.09%、45.08%、40.83%、47.42%。由此可见，4种秸秆的添加均促进了HM矿化分解，但腐熟油菜秸秆更具优势，其次是腐熟水稻秸秆。

4 结论

（1）随着培养的进行，4种秸秆的添加均显著提高了酸性水稻土的pH值和SOC含量，添加腐熟水稻秸秆和腐熟油菜秸秆对酸性水稻土pH值、SOC含量提升效果显著。

（2）4种秸秆的添加均可有效增加酸性水稻土中HA、FA的含量，其中腐熟油菜秸秆对于酸性水稻土中HA形成、FA向HA转换的促进作用最大，其次是腐熟水稻秸秆、新鲜油菜秸秆，新鲜水稻秸秆对酸性水稻土中HA形成、FA向HA转换的促进作用最小。

（3）与0 d相比，在培养结束时，添加4种秸秆均使酸性水稻土HA/FA和PQ值有不同程度的增加，其中腐熟油菜秸秆处理使酸性水稻土HA/FA和PQ值分别达到最高，土壤熟化度相对较高，腐殖化程度加深，有利于HA分子向简单化方向发展，使得土壤腐殖质年轻化。

（4）历经90 d的培养，4种秸秆的添加使酸性水稻土中HM含量均有不同程度降低。在促进HM矿化分解方面，腐熟油菜秸秆更有优势。

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