長期施用有機肥對蘇打鹽堿土膠體組分及有機無機復合狀況的影響

許連周,王 琪,劉丹陽,鐘 銳,孟慶峰,張如月,劉 陽,馬獻發,駱靜梅,邢華銘,嵩 博

(1.東北農業大學 資源與環境學院,黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省農產品和獸藥飼料技術鑒定站,黑龍江 哈爾濱 150036)

鹽堿土又稱鹽漬土,是鹽土、堿土、鹽化土和堿化土的總稱[1]。土壤鹽堿化是世界性問題,在全球廣泛存在。據統計,全球鹽堿土面積約有1.1×109hm2,我國約9.9×107hm2[2-3]。土壤鹽堿化嚴重制約著農業生產及土壤質量的提高[4]。國務院于2022年2月發布《關于開展第三次全國土壤普查的通知》[5]中指出,重點調查未利用土地中鹽堿地等可開墾耕地資源相關的土地,完成鹽堿地適宜性評價和改良利用專題報告。由此可見,鹽堿土的分類和改良利用受國家的高度重視。土壤有機碳作為土壤的重要組成部分之一,影響土壤理化性質,有利于有機無機復合體的形成[6-7]。有研究表明,鹽堿土壤有機碳儲量受土壤pH值、電導率等環境因素的影響[8]。例如,鹽堿土中鹽分含量過高,會在作物生長過程中通過滲透脅迫、離子毒害等作用影響作物生長及產量,進而減少作物向土壤中的碳輸入,降低土壤碳儲量[9]。而高pH值則會促進表層土壤腐殖質的溶解淋溶[10-12]。因而,針對松嫩平原蘇打鹽堿土,采用有機肥改良的措施,可有效減輕土壤鹽堿障礙,提高土壤有機碳含量。程思遠[13]和柳夏艷等[14]的研究表明,在肥力較低土壤中施用有機肥有助于有機無機復合體的形成和改善土壤結構,進而有效提高土壤肥力。Zhang等[15]的研究同樣表明,長期施用有機肥有利于土壤有機無機復合體的形成。因而,研究長期施用有機肥條件下蘇打鹽堿土的有機無機膠體組分和復合狀況對闡述土壤鹽堿障礙消減機制具有重要意義。

普遍存在于土壤中的有機無機復合膠體結構穩定,性質比較活躍[16]。它能促進土壤團聚體的形成,改善土壤的通氣性、透水性等物理性狀,并能儲存土壤中大部分養分,增強土壤有機碳抵抗礦化和微生物分解的能力,同時影響土壤形成過程中物質的遷移轉化和積累,能夠綜合地評價土壤肥力水平[17-20]。因此,土壤有機無機復合程度對于表征土壤改良效果尤為重要。但目前以鹽堿土改良為基礎的土壤有機無機復合體的研究不夠深入,為此本研究基于蘇打鹽堿土的長期定位改良試驗,分析長期施用有機肥對鹽堿土膠體組分及有機無機復合度的影響,以期為松嫩平原鹽堿土的改良提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗設在東北農業大學蘇打鹽堿土改良試驗站(位于黑龍江省肇州縣永樂鎮太豐村,45°44′N,125°05′E),地處松嫩平原西部,平均海拔140 m,屬中溫帶大陸性季風氣候。年均氣溫3.6 ℃,有效活動積溫(≥10 ℃)2 800 ℃,無霜期約143 d。年均降水量約500 mm,主要集中在6—9月,約占全年降水的70%;年均蒸發量1 800 mm,主要集中在春季,屬半干旱地區。土壤類型有草甸堿土和堿化草甸土2種,呈復區分布,本試驗是以草甸堿土為供試土壤。典型自然植被為羊草和蘆葦。土壤鹽分組成以蘇打(Na2CO3)和小蘇打(NaHCO3)為主。試驗區改良前土壤(采樣深度:0～20 cm)基本性質如下:顏色呈灰白色,質地為黏土(26.2%砂粒,21.5%粉粒,52.3%黏粒),容重1.38 g/cm3,pH值9.55,堿化度54.75%,全鹽量8.62 g/kg,有機質7.95 g/kg,全氮0.70 g/kg,全磷0.33 g/kg,陽離子交換量14.99 cmol/kg,堿解氮72.5 mg/kg,有效磷27.5 mg/kg,速效鉀112.5 mg/kg。

1.2 試驗設計

長期定位改良試驗始于1995年,為大區改良試驗,不設重復,每區面積在0.5～2.0 hm2不等,面積根據土壤分布特點而定。有機肥為腐熟牛糞,土壤改良前3 a要連續平鋪20 cm厚牛糞,并與0～20 cm土壤均勻混拌,之后每年秋整地前施用45 m3/hm2。按照改良年限設置處理:①對照(未施用有機肥,CK);②有機培肥20 a(20 a,1995年開始改良);③有機培肥15 a(15 a,2000年開始改良);④有機培肥11 a(11 a,2004年開始改良);⑤有機培肥4 a(4 a,2011年開始改良)。種植作物為玉米,種植方式為連作,基肥為復合肥(15-15-15)450 kg/hm2,拔節期追施尿素400 kg/hm2。每年秋季旋耕滅茬,耕深為20 cm。

1.3 土壤樣品采集與處理

各處理土壤樣品均于2015年10月中旬采集,采集深度為0～20 cm,每個處理隨機選取3個樣方(10 m×10 m),每個樣方按5點法取樣(避開特殊地點),取樣前先刮去表層2～3 mm的土,土樣混合后采用四分法縮取約1 kg。采集后,將土壤樣品置于陰涼通風處風干,剔除根系、石礫以及枯草等雜物,研磨并分別過1.00 mm及0.25 mm孔徑的篩,常溫保存,備用。

1.4 測試項目及方法

土壤有機無機復合體的提取采用膠散分組法[20],根據鹽堿土性質作了修改,對土壤G0組(水分散組)膠體、G1組(鈣結合的復合體)膠體和G2組(鐵鋁氧化物結合的復合體)膠體進行提取,其中G1組膠體和G2組膠體均屬于水穩性復合體。提取后各組所得懸濁液均用0.5 mol/L的稀鹽酸聚沉,傾倒上清液,轉移至蒸發皿中,在烘箱60 ℃烘干,干燥后稱質量,磨細過0.25 mm篩,保存備用。

土壤有機無機復合量及復合度采用比重分離法進行測定[21],土壤總有機碳、重組有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[22];原土復合量、原土復合度、追加復合量和追加復合度計算公式[20]如下:

①

②

QAC=MQC-SQC

③

④

式中,SQC為原土復合量(g/kg);SDC為原土復合度(%);QAC為追加復合量(g/kg);DAC為追加復合度(%);HC為重組有機碳含量(g/kg);HW為重組組分質量(g);SW為原土壤質量(g);SC為原土壤有機碳含量(g/kg);MQC為有機肥改良土壤的復合量(g/kg);MC為有機肥改良土壤的有機碳含量(g/kg)。

1.5 數據統計與分析

數據采用Excel 2019軟件整理計算,SPSS 23.0進行數據統計分析,數據間差異分析采用Duncan多重比較法(P<0.05);運用Origin 2021制作Pearson相關性分析熱圖和土壤復合體組成的三元圖。

2 結果與分析

2.1 長期有機培肥對土壤膠體組分的影響

由表1可知,隨著改良年限的增加,土壤G0組膠體含量呈降低趨勢,G1組膠體含量呈增加趨勢;G2組膠體含量在改良11～20 a的處理間呈降低趨勢。土壤G0組和G1組膠體含量在改良0～11 a的處理間均差異顯著,在改良11～20 a的處理間無顯著差異;G2組膠體含量和(G0+G1+G2)含量,各有機肥處理與CK均無顯著差異。圖1所示,長期有機培肥后,鹽堿土的G2組比例均小于6%,G0組比例由90.59%逐漸降低至27.87%,G1組比例由4.27%逐漸增加至68.95%。說明長期有機培肥能夠改變蘇打鹽堿土中土壤復合體的含量及組成。

表1 長期有機培肥條件下蘇打鹽堿土的土壤復合體的含量

2.2 長期有機培肥對蘇打鹽堿土有機碳的影響

2.2.1 長期有機培肥對土壤總有機碳及重組有機碳含量的影響 由圖2可知,相比CK,有機培肥處理的土壤總有機碳含量(TOC)和重組有機碳含量(HFOC)均顯著增加,分別增加11.28～15.81 g/kg和9.66～12.30 g/kg,由此說明,長期有機培肥有利于蘇打鹽堿土土壤總有機碳含量和重組有機碳含量的積累。

2.2.2 長期有機培肥對土壤有機碳在有機無機復合體分布的影響 如表2所示,隨著施肥年限的增加,G2組有機碳含量呈增加趨勢,在改良11 a后增幅減小,且相比CK顯著增加;G0和G1組有機碳含量均呈先增加后降低的趨勢。同時隨著施肥年限的增加,土壤的固碳貢獻率(即各組復合體有機碳總量占原土總有機碳比例)也發生變化。G0組的固碳貢獻率在各處理間差異不顯著;與CK相比,改良11 a及以上處理的土壤G1組和G2組的固碳貢獻率均顯著增加,而改良11,15,20 a處理間無顯著差異;改良11 a及以上處理的土壤(G0+G1+G2)的固碳貢獻率為35.51%～54.64%,相比CK均增加,其中15,20 a處理的顯著增加,而改良11,15,20 a處理間無顯著差異。由此說明,長期有機培肥提升了蘇打鹽堿土有機無機膠體的固碳能力。

表2 長期有機培肥處理后土壤有機碳在有機無機復合體中的分布

2.3 長期有機培肥對蘇打鹽堿土中有機無機復合情況的影響

由表3可知,隨著施肥年限的增加,土壤原土復合量(SQC)、原土復合度(SDC)、追加復合量(QAC)以及追加復合度(DAC)均呈先增加后降低的趨勢,并在改良11 a達到最大值,之后趨于穩定。相比CK,11 a及以上處理的原土復合量由8.73 g/kg增加至17.51～20.16 g/kg,原土復合度由53.95%升高至77.49%～83.77%;追加復合量為8.78～11.43 g/kg,追加復合度為79.65%～90.69%。由此說明,長期有機培肥有助于蘇打鹽堿土有機無機復合量的增加。

表3 不同改良年限的土壤有機無機復合情況

2.4 Pearson相關性與熱圖分析

由圖3可知,在有機培肥改良蘇打鹽堿土的過程中,土壤中總有機碳含量與重組有機碳含量和原土復合量呈極顯著正相關,與G2組有機碳含量呈顯著正相關。G0組復合體含量與重組有機碳含量、G0組有機碳含量、G2組有機碳含量、原土復合量、原土復合度和G1組復合體含量呈極顯著負相關;原土復合量與G0組有機碳含量和G2組有機碳含量呈顯著正相關,與原土復合度和G1組復合體含量呈極顯著正相關;G0組有機碳含量、G2組有機碳含量、原土復合度和G1組復合體含量兩兩之間呈極顯著正相關。重組有機碳含量與G2組有機碳含量和原土復合度呈顯著正相關,與原土復合量和G1組復合體含量呈極顯著正相關。G1組有機碳含量與G0組有機碳含量呈極顯著正相關,與G2組有機碳含量呈顯著正相關。G2組復合體含量與其他指標間無顯著關系。由此說明,蘇打鹽堿土培肥改良過程中,土壤總有機碳和重組有機碳有利于提高水穩性復合體含量及有機無機復合程度。

TOC.總有機碳;HFOC.重組有機碳;G0-OC.G0組有機碳;G1-OC.G1組有機碳;G2-OC.G2組有機碳;SQC.原土復合量;SDC.原土復合度;G0.G0組復合體;G1.G1組復合體;G2.G2組復合體。n=15;*.在P<0.05水平上相關性顯著;**.在P<0.01水平上相關性極顯著;藍色.負相關;紅色.正向關。

3 結論與討論

土壤復合體中,G0為水分散組,不利于土壤團粒結構的形成;G1和G2均富含黏粒及腐殖質等組分,有利于土壤團粒結構的形成,其中G1的養分有效性高于G2[20]。隨著改良年限增加,蘇打鹽堿土的G0、G1和G2組復合體組成比例的變化與其含量的變化趨勢一致,說明有機肥改良在改變蘇打鹽堿土復合體含量的同時,也改變了復合體的組成。蘇打鹽堿土的復合體組成和復合體含量,在改良之前及改良初期以G0組為主,在改良11 a及之后以G1組為主,G2組及(G0+G1+G2)含量差異均不顯著,且G0組含量與G1組含量呈極顯著負相關(P<0.01)。說明長期施用有機肥后,雖然土壤有機無機復合體總量變化差異不顯著,但由于有機肥中的有機膠體與土壤中水分散組膠結,鈣結合組膠體和鐵鋁氧化物結合組膠體含量增加,對鹽堿土中良好的土壤結構的形成有一定積極作用。而前人在潮土和旱地紅壤[23]的研究中,施用有機肥同樣會促進土壤G0組向G1和G2組轉化,說明有機肥能促使低肥力土壤的水分散組膠體向水穩性復合體轉化,有利于增加土壤養分和改善土壤結構。

土壤有機碳是評價土壤肥力和質量的主要指標,對土壤結構改良及作物養分供給都有促進作用[19]。施用有機肥后土壤總有機碳含量和重組有機碳含量均顯著增加,且二者呈極顯著正相關(P<0.01),這與遲鳳琴等[18]在黑土的研究結果一致,說明不同土壤在施用有機肥后,有機物質在土壤中的轉化有助于形成良好的團粒結構、有機無機復合度的提升和有機碳的累積[24]。

重組有機碳的增加也反映了土壤固碳能力的增強[25]。重組有機碳含量與G0和G1組有機無機復合體含量呈極顯著相關(P<0.01),這說明有機碳會影響土壤膠體組分的變化。在本試驗中,各有機肥處理的土壤復合體總量在31.79%～34.87%,而改良年限在11～20 a處理的復合體對土壤固碳的總貢獻率在35.51%～54.64%,均高于CK,這與趙興敏等[26]在淡黑鈣土的研究結果相似。有相關研究表明,鈣與外源有機質表面發生鍵合作用[26],有機肥中含有大量鈣[27],有利于復合體的固碳量及重組有機碳含量的增加。因此,改良年限在11～20 a處理的(G0+G1+G2)和G1組對土壤固碳的貢獻率均相比CK的增幅明顯,說明G1組有機碳總量增加是復合體中有機碳總量增加的主要原因。由于G0為水分散復合體,相比G1和G2不利于團聚體的形成。施用有機肥后,外源有機物質與水分散組通過鈣的鍵和作用,土壤水分散組向鈣結合組膠體轉化,因此,G1組復合體含量和G1組對土壤固碳的貢獻率均顯著增加。同時土壤總有機碳含量的增加會使土壤水穩性團聚體的含量相應增加,土壤結構穩定性增強,對提升土壤肥力具有重要意義[20,28-29]。由于淡黑鈣土相對于鹽堿土含有較多的有機膠體和鈣,有機碳的結合程度更高,其復合體對土壤固碳的總貢獻率大于60%,與本試驗結果有一定差異,說明復合體對土壤固碳的貢獻率的影響,因土壤類型、改良材料及復合體組成比例而異。綜上,有機碳的結合程度說明有機無機復合體是土壤肥力的重要物質基礎[26],結合程度的提高有助于蘇打鹽堿土肥力的提升。

有機無機復合度是定量研究有機膠體與無機膠體復合程度的一種方法[20],反映了土壤肥力的高低和土壤團聚體穩定性的強弱[30],常用原土復合量、原土復合度、追加復合量及追加復合度等指標表征[20],這些指標用于判斷土壤中有機膠體和無機膠體復合程度的容量和強度。土壤有機無機復合度在改良0～11 a呈增加趨勢,主要由于重組組分質量占土壤的比例大于90%,而且動植物及微生物殘體易與土壤中固碳作用強的黏粒相結合,土壤黏粒對有機碳的物理保護作用[31-33],使土壤中更多的有機碳存在重組組分中,因此,土壤有機無機復合程度相比對照顯著增加。國內外有研究表明,原土復合量提升的可能原因:一是土壤的有機碳趨于老化,二是新鮮的有機碳的作用逐漸消失[34-36]。土壤復合度在11 a后略微下降,主要是長期種植后殘留的大量作物根茬及有機肥中未完全腐熟的有機物等,使輕組組分質量占土壤的比例相對增加[18],故土壤復合度略有降低。

通過長期施用有機肥的蘇打鹽堿土改良試驗,與未改良的土壤相比,隨著改良年限的增加,總有機碳及重組有機碳含量均顯著增加,分別增加了11.28～15.81 g/kg,9.66～12.30 g/kg。長期施用有機肥的蘇打鹽堿土有機碳與水分散組膠體發生膠結,促進了水分散組膠體向水穩性復合體轉化,有機培肥11 a及以上顯著增加了復合體對土壤固碳的貢獻率,總貢獻率由23.22%增至35.51%～54.64%,也顯著提升了土壤的有機無機復合程度,這對于提高蘇打鹽堿土的土壤肥力具有重要作用。