硫酸鋁和有機物料對鹽堿土有機碳組成及復合體的影響

劉翔毓， 王麗群， 王鴻斌， 趙興敏， 黃 寧， 宋 昊， 成世榮

(吉林農業大學資源與環境學院，吉林省商品糧基地土壤資源可持續利用重點實驗室，長春 130118)

土地是糧食生產的基礎，而鹽堿土作為寶貴的耕地后備資源，具有巨大的開發潛力。在疫情發生后，我國的糧食安全問題凸顯，大規模開發鹽堿地也在如火如荼地進行。吉林省西部蘇打鹽堿土面積約170萬hm，作為最具開發潛力的土壤資源，對吉林省糧食增產具有重要作用。在鹽堿地改良中，土壤培肥是一項重要環節，但在吉林省西部土地整理項目的實施過程中，發現新開發鹽堿地普遍存在有機質匱乏，土壤結構差、肥力低等問題。

有機碳是土壤中非常重要的組成部分，是土壤養分的重要來源，其在保持土壤肥力、改善土壤結構、改善生態系統生產力等方面具有重要作用。土壤有機碳并非由單一物質組成，它包括活性有機碳和穩態碳等?；钚杂袡C碳作為有機碳的一部分，其有效性很高，能夠及時反映出土壤細小的變化，直接影響供給植物的養分。它能夠促進土壤微生物活動，為其提供能量，還能夠在土壤生物地球化學過程中起直接參與的作用。其中微生物生物量碳可以說是最有活性的碳庫，對土壤有機碳的變化極其敏感，能夠更好地促進土壤有效養分的供應。而另一主要組成部分——易氧化有機碳，對外部環境的變化十分敏感，尤其在有機碳有效性和及時性方面能夠作出不同程度的反映。有機無機復合體在土壤中作為土壤肥力的物質基礎，可以綜合地對土壤肥力的高低進行評價，主要存在形式是有機和無機膠體，它在土壤肥力的提升、土壤在形成中所進行的物質遷移、轉化和積累起著重要作用，同時降低土壤有機碳礦化，促進微生物分解。

目前土壤培肥改良鹽堿地主要有秸稈還田、施有機肥、化肥、有機物料等。通過以往研究可知，施用硫酸鋁有利于有機無機復合體的形成，同時提高土壤Kos，增加土壤ROC(易氧化有機碳)；添加有機物對土壤的影響包括理化性質、結構、產量等等，通過已有研究發現，有機物料其主要作用是會顯著增加土壤中有機碳含量、改善土壤結構等，在這些基礎上達到提高作物產量的目的。

本文以硫酸鋁和有機物料為添加物，研究蘇打鹽堿土有機碳組成及復合體的影響，明確既能有效提高土壤肥力，改良土壤結構，又能達到有機物料最經濟的投入量，為經濟合理地改良培肥蘇打鹽堿地提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤類型為蘇打鹽堿土，于2019年10月采自吉林省大安市海坨鄉(123°96′31″E，45°23′87″N)。供試土壤基本理化性質為土壤有機碳含量4.94 g/kg，堿解氮含量29.5 mg/kg，速效磷含量22.3 mg/kg，速效鉀含量129 mg/kg，含鹽量0.31%，堿化度50.47%，pH為9.52。

供試硫酸鋁為遼寧興宇凈水劑有限公司生產的硫酸鋁。供試有機物料有機碳含量為404.5 g/kg。

1.2 試驗設計

本試驗為實驗室室內培養試驗，試驗設置不同梯度有機物料施用量及同一硫酸鋁施用量。有機物料田間施用量為0，10，20，30，40，50，60 t/hm，硫酸鋁田間施用量均為0.2 t/hm，土壤質量約為2 250 t/hm，根據上述質量進行計算，1 000 g土壤中有機物料的施用量大約為0，4，9，13，18，22，27 g，硫酸鋁的施用量均為0.1 g。本試驗共設置14個處理，每個處理重復3次。

按上述施用量將硫酸鋁和有機物料稱出，充分混入到1 000 g鹽堿土中，加入蒸餾水，將土壤含水率調至15%(相當于田間持水量的60%)，稱重記好質量后，放入25 ℃恒溫培養箱中，培養時間為220天。培養期間定期(每隔5天)進行稱重，通過稱質量來補充水的蒸發量。培養于2020年7月20日結束，結束后土壤分為2份：一份放入4 ℃冰箱中進行保存，用于微生物量碳的測定；另一份風干，風干后保留部分原狀土，并將剩余土壤過1.00，0.25 mm篩，用于有機碳等指標的測定。試驗指標于2020年7月22日開始陸續進行測定。

1.3 測定方法

土壤pH：電位法(土水比為1∶2.5)；交換性鈉：乙酸銨—氫氧化銨交換—火焰光度法測定；陽離子交換量：乙酸鈉—火焰光度法，根據上述2個指標計算土壤堿化度；土壤含鹽量：質量法；土壤速效氮、磷、鉀的測定采用常規分析方法。

土壤有機碳：重鉻酸鉀容量法—外加熱法；土壤微生物量碳：氯仿熏蒸—KSO浸提法；土壤活性有機碳：重鉻酸鉀—濃硫酸水合熱法；土壤有機無機復合體參考Edwards等的方法。

土壤微生物商=土壤微生物量碳/ 土壤有機碳

Kos(有機碳氧化穩定性)=(土壤有機碳-易氧化有機碳)/ 易氧化有機碳

1.4 數據統計

試驗數據采用Excel 2010軟件進行統計和計算，采用SPSS 22.0軟件進行數據分析處理，采用Origin 2018軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 硫酸鋁和有機物料對鹽堿土有機碳組成的影響

2.1.1 硫酸鋁和有機物料對鹽堿土有機碳含量的影響 由圖1可知，施有機物料的各處理有機碳含量均顯著增加，根據有機物料增加而不斷上升，說明有機物料的施用能夠顯著提高土壤有機碳含量。在施用硫酸鋁且有機物料施用量相等時，所有處理均為施用硫酸鋁的處理有機碳含量高，且各處理間差異性顯著。與培養前供試土壤有機碳含量(4.94 g/kg)相比，未施用硫酸鋁和有機物料的處理土壤有機碳含量有所降低，這主要是由于在培養過程中，微生物活動有大量的有機酸、氨基酸、維生素等物質產生，促使土壤中有機碳不斷礦化分解，礦化的有機碳可被微生物所利用來維持其不斷增加的活性，因為沒有外源碳作為補充，使微生物僅能分解少部分原始土壤中的有機碳所造成的。

注：圖柱上方不同小寫字母表示經多重比較檢驗在p<0.05水平上達到顯著水平。下同。圖1 硫酸鋁和有機物料對土壤有機碳含量的影響

2.1.2 硫酸鋁和有機物料對鹽堿土微生物量碳及土壤微生物商的影響 為了更準確地研究土壤肥力高低的變化，可以從微生物量碳的變化趨勢入手。由圖2可知，土壤微生物量碳含量顯著增加，根據有機物料增加而不斷上升，施用有機物料的處理提高幅度為103.86%～360.24%。微生物量碳含量在有機物料施用量為0～30 t時顯著增加；微生物量碳含量在有機物料施用量>30 t時增長幅度開始減緩。這可能是因為施用有機物料會為微生物的生長提供充足的營養，但微生物種類繁多，在生長過程中可能會相互制約，影響微生物量的增加；此外，微生物的生長對其生存環境有很高的要求，尤其在鹽堿土中更容易受限。

圖2 硫酸鋁和有機物料對土壤微生物量碳含量的影響

添加硫酸鋁使土壤pH降低，改變土壤環境，更能促進微生物生長。與未施用有機物料的處理相比，施用硫酸鋁的處理提高幅度為42.60%～387.58%，增長幅度明顯高于單施有機物料的處理。說明硫酸鋁的施用能夠在施用有機物料的基礎上進一步增加微生物量碳。其變化趨勢與施用有機物料的處理變化趨勢相同，呈先顯著增加再緩慢增長的趨勢。且在施用硫酸鋁且有機物料施用量相同的條件下，與施用有機物料的處理相比，所有處理均為施用硫酸鋁的處理微生物量碳含量高，各處理間差異性顯著。

微生物商是土壤微生物量碳的值比土壤有機碳的值，其范圍一般為1%～5%，可作為反映碳素有效性的指標。在評價土壤健康變化方面具有重要作用。有研究表明，添加有機物可以提高土壤微生物商，但有機物料的不同，對微生物產生不同的影響。由圖3可知，土壤微生物商值為0.97%～2.92%。施用有機物料明顯高于未施用有機物料的處理，顯著提高了土壤微生物商值，提高幅度為88.48%～193.68%。當有機物料施用量為0～30 t時，土壤微生物商值呈上升趨勢；當有機物料施用量高于30 t時，土壤微生物商值開始小幅度下降，但是所有處理均高于未施用有機物料處理。

圖3 有機物料和硫酸鋁對土壤微生物商的影響

與未施用有機物料的處理相比，施用硫酸鋁的處理提高幅度為37.70%～202.32%。施用硫酸鋁的處理，與施用有機物料的處理變化趨勢相同，而且施用硫酸鋁且施用有機物料的處理均高于施用有機物料的處理。出現這種現象的原因主要是因為施用有機物料對有機碳含量增加是無限的，但是微生物量不會無限增長，在此基礎上施用硫酸鋁更有利于土壤微生物商值的增長。硫酸鋁的施用在有機物料施用量為0～20 t時反應最為明顯。

2.1.3 硫酸鋁和有機物料對鹽堿土易氧化有機碳及Kos的影響 由圖4可知，與未施用有機物料相比，施用有機物料的處理易氧化有機碳含量均顯著增加，說明施用有機物料能夠提高易氧化有機碳含量。施用有機物料較未施用有機物料的處理提高4.42%～37.82%，且易氧化有機碳含量與有機物料施用量呈正相關關系(=0.984 0)。施用硫酸鋁及有機物料的處理提高幅度為3.46%～27.32%，易氧化有機碳含量與施用硫酸鋁、有機物料呈顯著正相關關系(=0.990 0)。在施用硫酸鋁且有機物料施用量相等的時候，所有處理均為施用硫酸鋁的處理易氧化有機碳含量高，各處理間差異性顯著。

圖4 有機物料和硫酸鋁對土壤易氧化有機碳含量的影響

根據土壤總有機碳和易氧化有機碳的平均值可以計算得出Kos值。土壤有機碳活性弱、氧化穩定性強說明Kos值越高；當Kos值低時，其有機碳活性及氧化穩定性的結果與Kos值高的結果相反。由圖5可知，與未施用有機物料的處理相比，所有施用有機物料的處理Kos值均下降，整體趨勢為Kos值在有機物料添加量在0～20 t時呈大幅下降趨勢；Kos值在20～40 t時有小幅上升趨勢；Kos值在40～60 t時呈下降趨勢。說明有機物料施用在不同程度上能夠降低土壤Kos值。施用硫酸鋁的處理土壤有機碳Kos值也呈先大幅下降后小幅上升再下降的變化趨勢，且Kos值在施用硫酸鋁且有機物料施用量為0 t時下降幅度最大，Kos值在施用硫酸鋁且有機物料施用量為30 t時最低。在施用硫酸鋁且有機物料施用量相同時，Kos值大多數情況為施用硫酸鋁的處理高。

圖5 有機物料和硫酸鋁對土壤有機碳Kos值的影響

2.2 硫酸鋁和有機物料對鹽堿土有機無機復合體及有機碳分布的影響

由表1可知，細砂粒級復合體占總體的63.92%～65.45%，在整體中質量最高；黏粒級復合體占總體的17.05%～17.87%；而粉粒級復合體不足整體的7%。粗砂粒在復合體中含量較小，而且其多數會與土壤中顆粒有機碳結合，沒有實質意義，所以沒有對其進行分析。在施用有機物料的處理中，所有處理的大粒級(粉粒、細砂粒)復合體質量均呈上升趨勢，只有小粒級(黏粒)復合體質量呈下降趨勢。在黏粒級復合體中，與未施用硫酸鋁相比，施用硫酸鋁的處理黏粒級復合體質量較低。在粉粒級復合體中，與未施用硫酸鋁相比，施用硫酸鋁且有機物料施用量<30 t時，粉粒級復合體質量較高；施用硫酸鋁且有機物料施用量>30 t時，粉粒級復合體質量較低。在細砂粒級復合體中，其變化與粉粒級復合體的變化趨勢相反。在施用硫酸鋁且有機物料施用量相同條件下，只有細砂粒級復合體質量有所上升，黏粒、粉粒及粗砂粒級復合體質量與之相反。

由表1可知，各粒級復合體內有機碳含量由小粒級向大粒級方向減少，主要存在于黏粒部分，然后粉粒部分，最后是細砂粒部分。粗砂粒在復合體中含量較小，而且其多數與土壤中顆粒有機碳結合，沒有實質意義，所以在表1中沒有體現。各粒級復合體內的有機碳含量根據有機物料的施用量均呈上升趨勢，而且在此基礎上施用硫酸鋁，還會進一步促進土壤中各粒級復合體內有機碳的積累。從有機碳貢獻率得知，有機物料對不同粒級有機碳貢獻率變化趨勢不一樣，黏粒級有機碳貢獻率稍稍下降，這與黏粒級復合體質量變化趨勢一致；粉粒級有機碳貢獻率無明顯變化，細砂粒級有機碳貢獻率變化趨勢與黏粒級有機碳貢獻率趨勢相反。在施用硫酸鋁且有機物料施用量相同的條件下，不同粒級的變化趨勢為以施用有機物料的處理作對照，施用了硫酸鋁的處理土壤中大粒級(粉粒、細砂粒)有機碳貢獻率較高，而小粒級(黏粒)有機碳貢獻率較低。從有機碳損失量來說，均隨有機物料施用量的增加呈上升趨勢，且與未施用硫酸鋁處理相比，施用硫酸鋁處理有機碳損失量更高。上述結果表明，施用有機物料能夠促進復合體由小向大聚集，增加土壤中大粒級復合體含量，提高各粒級復合體有機碳積累量，影響各粒級有機碳對土壤有機碳的貢獻率，主要對黏粒和粉粒復合體影響較大。在施用硫酸鋁且施用有機物料的條件下上述指標能夠進一步提升。

表1 硫酸鋁和有機物料的添加對土壤有機無機復合體及有機碳分布的影響

3 討 論

3.1 硫酸鋁和有機物料對土壤有機質組成的影響

本研究表明，土壤有機碳含量根據有機物料的施用呈上升趨勢，土壤微生物量碳含量與有機碳變化趨勢一致。因為有機物料在生長過程中提供充足的營養，可以促進微生物的生長，但微生物的種類繁多，而且對生存環境也有一定的要求，即使有機物施用量逐漸提高，微生物量也不會無限增長，而是逐漸穩定在一定水平，與朱孟龍等以稻草為添加物得出的研究結果相似。有機物料施用量為30 t/hm時，微生物商值達到峰值，可以說明30 t/hm為有機物料最適添加量。土壤易氧化有機碳含量根據有機物料的施用也呈上升趨勢，但是會使土壤Kos值降低，說明施用有機物料均能顯著提升有機碳及活性有機碳，改變土壤現狀，能夠使土壤養分被植物更好地吸收利用，達到促進作物生長發育的目的。其中有機物料添加量為30 t/hm時，易氧化有機碳變化最明顯，Kos值與其他處理相比較低。此外，作為鹽堿土改良劑，硫酸鋁能夠顯著降低土壤pH，對微生物生存環境有很好的改善作用。在施用硫酸鋁且施用有機物料的條件下能夠進一步提升有機碳及活性有機碳，同時能提高有機碳穩定性。

3.2 硫酸鋁和有機物料對土壤復合體及其有機碳的影響

在本試驗中，施用有機物料使土壤中小粒級(黏粒)明顯減少，而大粒級(粉、細砂粒)明顯增加。說明施用有機物料能夠促進土壤中的粒級由小向大聚集。從各粒級有機碳變化趨勢來看，各粒級復合體有機碳含量均呈上升趨勢。在土壤中施用硫酸鋁后，由于Al的水解，從而產生了其他離子——羥基鋁離子，對土壤膠體起到了凝聚作用，從而使土壤微團聚體數量增加。本研究發現，與未施用硫酸鋁處理相比，所有處理均為施用硫酸鋁的處理黏粒級復合體質量少，而粉粒、細砂粒和粗砂粒級復合體質量增加；在有機物料施用量相同時，施用硫酸鋁的處理各粒級復合體內有機碳含量進一步增加。以上結果都說明硫酸鋁的施用對土壤膠體團聚有進一步的促進作用，還能夠使各粒級復合體內有機碳含量進一步提高，這與趙蘭坡等研究結果相一致。

4 結 論

(1)施用有機物料能夠顯著提高有機碳及活性有機碳含量。在此基礎上，施用硫酸鋁能夠進一步提高有機碳及活性有機碳含量。

(2)有機物料施用量為30 t/hm時，微生物商值達到峰值。硫酸鋁的施用有利于提高土壤有機碳的穩定性。在有機物料施用量為30 t/hm時，Kos值與其他處理相比最低。

(3)施用有機物料可以促進土壤中粒級由小向大聚集，同時使各粒級復合體內有機碳含量增加，增加大粒級復合體有機碳對土壤有機碳的貢獻。施用硫酸鋁能夠進一步促進土壤中粒級由小向大聚集，同時使各粒級復合體內有機碳含量進一步增加。在有機物料施用量為30 t/hm時，可以明顯看出各粒級變化。

(4)綜上所述，可以說明30 t/hm為有機物料最適施用量。即在施用硫酸鋁且有機物料施用量為30 t/hm時，能夠有效提高鹽堿土土壤肥力，改善土壤結構，能經濟合理地改良培肥蘇打鹽堿地。