長期秸稈還田不同施肥對土壤腐殖質含量及結構的影響

袁銘章,辛 勵,劉樹堂,南鎮武,劉錦濤,陳晶培

(青島農業大學 資源與環境學院,山東 青島 266109)

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長期秸稈還田不同施肥對土壤腐殖質含量及結構的影響

袁銘章,辛 勵,劉樹堂,南鎮武,劉錦濤,陳晶培

(青島農業大學 資源與環境學院,山東 青島 266109)

為了給提高耕層肥力、合理利用農業廢棄秸稈提供良好的依據,采用腐殖質組成修改法與紅外光譜法分析了不同秸稈還田條件下各施肥處理對非石灰性潮土腐殖質含量及結構的變化。以青島農業大學長期定位秸稈還田試驗為基礎,設5個試驗處理,施氮肥條件下設小麥、玉米秸稈還田(WCN)、一季小麥秸稈還田(WN)2個處理,同時設小麥玉米兩季秸稈還田(WC)、對照(CK)、單施有機肥(M)處理。結果表明:隨著時間的延續,秸稈還田條件下,2015年各處理土壤中胡敏酸(HA)、富里酸(FA)含量分別平均較2009年提高了117.68%，102.5%。與CK相比,秸稈還田模式各處理土壤腐殖酸總含量(HE)平均增幅21.8%～47.9%,其中腐殖質含量最高為WCN,2015年較CK增長118.8%,較2009年原始土壤增長了183.63%。兩季秸稈還田配施化肥處理,能夠增加土壤胡敏酸和富里酸的含量,胡富比值增大,增加腐殖酸含量并使之平穩增長。土壤腐殖物質活力從高到低為:WCN>WN>M>WC。兩季秸稈還田及配施有機肥,提高了芳香族類、羧基類化合物含量,而多糖類化合物含量減少,可提升土壤腐殖質的活性及芳化程度。兩季秸稈還田配施氮肥可提高土壤中有機碳含量,提高土壤地力。

紅外光譜法;秸稈還田;腐殖質含量;腐殖質結構

秸稈還田技術在現代農業生產中得到了廣泛的應用。不僅可以減緩土壤肥力衰竭,提高土壤有機質含量,長期施用秸稈對土壤腐殖質積累的貢獻也非常明顯。因此,充分發揮秸稈的作用,改善土壤養分資源,提高土地利用效率。有關研究人員[1-3]表明對秸稈還田的基礎應用,可以改善土壤環境,提高土壤養分,提高作物產量。

土壤中腐殖質占總有機質的85%～90%,是土壤有機質的主體[4],可以通過影響土壤綜合理化性質來提高土壤地力,土壤腐殖質是影響作物生長的重要因素也是影響土壤質量的關鍵因素。

對土壤有機質物質結構的分析,通常運用紅外光譜法,因其具有試驗步驟簡單方便、高度靈敏等優點,僅少量試驗土樣且無需特殊分離即可準確得出結果。現在更多圍繞土壤腐殖質結構和含量的變化,以及維持土壤有機碳積累等方面進行研究,對長期固定的秸稈還田和施肥實驗中土壤腐殖質的結構含量研究較少[5],本研究以長期定位秸稈還田試驗地為基礎,運用紅外光譜法,研究6年秸稈還田潮土土壤腐殖質含量及其結構的變化趨勢,為提高秸稈還田技術,保護土壤養分資源,有效地利用土地資源,提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗于2009年,在山東青島農業大學萊陽長期定位試驗站進行,非石灰性潮土。pH 值6.8,土壤全氮(N)量0.60 g/kg,全磷(P)量0.64g/kg,有效磷(P)16.34 mg/kg,速效鉀(K) 72.00 mg/kg,陽離子代換量為13.80 cmol/kg,有機質含量為5.01 g/kg,土壤容重1.21 g/cm3,比重為2.67,孔隙度為51.40%。土壤發育于沖積母質。

1.2 試驗設計

本試驗共設置5個處理,分別為空白對照(CK)、單施有機肥60 000 kg/hm2(M)、兩季秸稈還田(WC)、一季秸稈還田配施氮肥276 kg/hm2(WN)、兩季秸稈還田+施氮肥276 kg/hm2(WCN)。每個處理設3次重復,共15個小區,完全隨機設計,試驗田周邊設保護行,小區間用1.0 m深玻璃鋼板隔開,防止水肥漫灌且能獨立排灌。各處理用水量及耕作管理相一致。

1.3 試驗方法

1.3.1 腐殖質及其組分提取 將100 mL 堿性混合浸提劑加入5 g處理好的土樣中,振蕩提取24 h(200 r/min),過濾,濾液中的有機物即為腐殖質。提取對濾液進行酸化處理后產生的沉淀,上清液是富里酸;氫氟酸沖洗沉淀后,溶于熱堿液中為胡敏酸。

1.3.2 紅外光譜測定腐殖質組分 經真空冷凍干燥后粉碎研細樣品(<2 μm),分別用微量或半微量天平(精確到0.000 1 g) 稱取樣品和KBr粉末(光譜純),在瑪瑙研缽中以樣本:KBr=1∶200的比例混磨,壓片。用 FTIR光譜儀掃描測定,儀器分辨率為4 cm-1,掃描波長區間為4 000～400 cm-1,掃描間隔2 mm,生成光譜,進行比較分析。

1.4 數據處理

運用Excel 2007 及SPSS 19.0 對試驗數據進行統計分析,利用Sigma Plot 10.0和Origin8.0 繪圖。

2 結果與分析

2.1 長期定位秸稈還田各處理胡敏酸(HA)含量變化

胡敏酸(HA)是膠體,負電性,陽離子交換量高,不溶于酸,相對分子質量在1 000～10 000,對土壤結構的組成起到重要作用[6-8]。2009-2011年,胡敏酸含量上升趨勢較為明顯,WC、M、WN和WCN均較CK增多了51%，55%，80%，106%,且各處理較2009年原始土增長了65%～126%。2011-2013年,WN、WCN胡敏酸含量呈現上升趨勢,較CK處理分別增加了70%，105%;WC、M處理較2011年有所下降,可能與土壤氮肥含量下降有關,需進一步研究。2013-2015年,各處理均呈上升趨勢,差異最大的WCN較CK增加了122%。2015年各處理土壤中胡敏酸(HA)含量平均較2009年提高了117.68%,說明長期秸稈還田及秸稈還田配施氮肥、長期施用有機肥均可提高土壤胡敏酸含量,秸稈還田配施氮肥增幅最大(圖1)。

圖1 長期定位秸稈還田胡敏酸含量變化

2.2 長期定位秸稈還田富里酸(FA)含量變化

秸稈降解過程中,首先形成一個非結構性FA,伴隨秸稈的分解,一些非結構性FA進入土壤或變成二氧化碳,整個過程是動態的。

隨著年限增加,相同施肥處理土壤中FA的含量,均呈現較穩定的上升趨勢(圖2),由圖1可知秸稈還田可提高土壤中胡敏酸含量,且隨時間延續胡敏酸含量逐年升高,富里酸(FA)含量分別平均較2009年提高了102.5%。胡敏酸是由富里酸轉化而來,而富里酸含量維持在穩定的水平上(圖2),說明較多非結構物質形成的富里酸轉化為胡敏酸,秸稈還田沒有過度增多土層中富里酸的含量,而是使之維持在動態穩定的狀態。2015年WCN處理FA含量較2013年增加了80%,較其他年份增幅變大,可能與氣候條件有關。

圖2 長期定位秸稈還田富里酸含量變化

2.3 長期定位秸稈還田土壤HA/FA動態變化

表征土壤腐殖化程度的指標(HA/FA,PQ)能夠反映土壤腐殖質的品質,衡量土壤中的腐殖酸活性。

從圖3，4可以看出,與CK相比,WC、M、MN、MCN處理土壤HA/FA、腐殖質活性(PQ)均隨還田年限增加呈增長趨勢,其中，2015年WCN腐殖質含量最高，較2009年原始土壤增長了183.63%，較CK增長118.8%，說明秸稈還田對胡敏酸和富里酸的形成轉化起到了一定的促進作用。其中,WCN、WN與WC、M增幅明顯,說明氮肥施用能夠提高腐殖酸活性。

圖3 長期秸稈還田土壤腐殖質組成相對比例的變化趨勢(HA/FA)

秸稈在分解過程中,其組成成分物質首先逐漸被分解,其次木質素和待分解中間產物的腐殖質將進一步縮合成腐殖質的聚合物。腐殖物質的主要成分是腐殖酸,是土壤有機無機復合體和土壤酸堿緩沖液中重要組成部分。

圖4 長期秸稈還田土壤腐殖質組成相對比例的變化趨勢(PQ)

從表1可以看出,隨還田年限增加,秸稈還田模式下各處理土壤腐殖酸總含量較CK平均增幅21.8%～47.9%，WCN處理顯著高于CK處理,整體土壤腐殖酸活性表現為WCN>WN>M>WC(表1)。氮肥與秸稈配施能夠顯著提高土壤中腐殖物質含量,效果優于單施有機肥。表明氮肥與秸稈配施能夠增加土壤腐殖酸含量。

表1 腐殖酸總量變化

注:小寫字母表示0.05水平顯著差異,大寫字母表示0.01水平極顯著差異。

Note:Small letters means significant at the 5% level,capital letters means excedingly significant at the 1% level.

2.5 長期定位秸稈還田各處理對土壤腐殖質結構的影響

田心世等[9]提出,紅外光譜研究不適合于原土壤的有機特征研究,因此,該項研究將在提取后進行冷凍干燥的試驗研究。設置零吸收點(4 000,870 cm-1),以兩點的線為基線,從圖5可以看出,各秸稈還田施肥處理土壤腐殖質樣品結構表現出相似性。

各秸稈還田施肥處理光譜峰主要為:-OH伸縮振動(3 200～3 300 cm-1);C-H伸縮振動,2 900～2 924 cm-1;COO-不對稱伸縮振動,1 600～1 650 cm-1;變形振動,1400～1 450 cm-1(甲基類的),多糖特征峰,1 100～1 125 cm-1;多糖結構及無機物的C-O伸縮振動Si-O伸縮振動(1 000～1 030 cm-1);特征峰出現在750 cm-1處可能是(CnHn)n(1≤n≤3)或碳氫鍵外變角振取代芳環上氫鍵。

圖5中,2009年原始土與2015年各秸稈還田處理紅外光譜圖知,對胡敏脂肪酸吸收帶的特征2 400～2 900 cm-1部分存在;所有含氧基團的吸收主要是由羥基和羧基,羰基伸縮振動完成,主要產生的強吸收峰在1 600～1 800 cm-1地區。從圖5中可以發現,各處理峰值明顯,寬度適中;1 200～1 300 cm-1包括碳氧伸縮振動峰(醇或羧酸)、O-H彎曲振動。在3 100～3 500 cm-1處的WC和WCN的吸收峰明顯強于其他組,這表明存在更多的(C-H2O)n(1≤n≤10)。在1 250 cm-1的吸收峰下降,這表明(C6H10O5)n和(-COH)n類物質在減少。長期兩季秸稈還田及配施有機肥，可提高芳香族類、羧基類化合物含量，降低多糖類化合物含量，有利于提升土壤腐殖質的活性及芳化程度。兩季秸稈還田配施氮肥可提高土壤中有機碳含量，有利于提高土壤地力。

有復雜的多官能團系統的直接變現是近紅外波段有很多峰,這在本試驗各處理中特別明顯。雖然秸稈還田各處理芳香族官能團的含量不同,土壤各處理腐殖酸具有相似的官能團與碳骨架結構。對1 610～1 640 cm-1吸收峰較強,說明羧基含量高,腐殖酸在2 380 cm-1處的吸收峰明顯升高,富里酸的芳化度遠高于胡敏酸。

圖5 土壤腐殖質及其組分的紅外光譜

3 討論

在秸稈還田各處理中存在復雜的土壤有機無機物質循環,它們是腐殖物質形成的根源。它的組成復雜,一方面是各種土壤細菌、真菌等生物的作用,另一方面是秸稈等殘留物質分解[10-11]。作物還田后,被土壤微生物等迅速轉化,然后在土壤物理化學反應過程中,逐漸形成腐殖物質。相關專家研究表明[12],將收獲后的作物埋入土壤中,可對如胡敏酸等腐殖物質的形成有巨大的幫助,提升其品質,提高HA/ FA 比值。在本次研究過程中,兩季秸稈換田施氮肥能夠改善土壤養分狀況,增加土壤腐殖物質含量。在年際變化過程中,HA/ FA、 PQ值不斷增加,表明相應腐殖物質含量逐年升高,然后逐漸平穩,說明其中HA含量增加,所占組分比重增大,土壤逐漸變得穩定,能夠為農作物提高更多的養分,這與前人研究結果相似[13]。

在本次試驗中,分析比較各秸稈還田處理土壤腐殖物質的光學分析結果,能夠總結出土壤腐殖質結構含量的變化規律。眾所周知,土壤有機物質(如腐殖物質等),在分類上屬于復雜度較高的分子,或者是混合物。它的性質與結構受到多種外界因素的干擾。在此次光譜學分析過程中,由于技術條件有限,只能進行定量分析,如果要進一步分析,就需要借助核磁共振等其他技術。6個處理的土壤腐殖物質光譜學分析表明,含氧功能團(-COOH、-OH等)構成了腐殖物質的主要結構[14]。筆者將主要的紅外光譜峰進行分類總結發現,一系列帶有側鍵、氧化芳環組成富里酸,其構造單元是苯羧酸和酚酸[15-18],芳環、環氮肽鍵組成胡敏酸[19]。不同秸稈還田處理和單施有機肥對土壤腐殖質的紅外光譜圖顯示各處理相似,說明秸稈還田處理對土壤腐殖質的影響保持不變;不同施肥處理對土壤腐殖質的吸收峰強度出現不同程度的差異,反映了不同秸稈還田處理對土壤腐殖質結構單元和功能基團存在影響[20]。

朱姝等[20]研究發現施用不同有機肥進行培肥土壤,腐殖質組分元素及碳含量、腐殖質總量比例具有明顯差異。Senesi 等[21]研究得出有機肥種類不同對腐殖質影響不同,均與本試驗結果相吻合。而萬曉曉等[22]的研究結果與本研究略有不同,其結果表明,秸稈還田后耕層土壤(0～20 cm)腐殖酸與胡敏酸含碳量均呈上升趨勢,HA量在不斷降低,HA/FA比值逐漸減小。這可能是因為本試驗土壤為潮土土壤,且小麥-玉米輪作,而萬曉曉研究中則是玉米和大豆白漿土秸稈還田,由此可以看出,還田的秸稈種類不同是導致差異的原因之一。

在施氮肥條件下進行一季秸稈還田、兩季秸稈還田,以及兩季秸稈還田試驗對土壤腐殖質及其組分含量與結構的研究比較少,前人研究多關注有機碳在土壤中的活動規律,活性炭、非活性炭的試驗探究,以及土壤理化性質等方面的研究。因此,利用潮土區土壤秸稈還田長期定位實驗研究土壤碳及其變化規律,對評價和改善土壤養分肥力有著深遠的影響。

隨著秸稈還田年限的增加,胡敏酸和富里酸含量逐漸上升,WCN處理胡敏酸和富里酸顯著高于CK處理,整體活性表現為:WCN>WN>M>WC>CK,且所有處理胡富比均高于空白對照,其中施用氮肥處理和兩季秸稈還田更有利于提高土壤品質。

土壤腐殖質的光譜學特性進行分析表明,秸稈還田不同處理施用后腐殖質的機構組成基本保持不變,但不同施肥處理對土壤腐殖質的結構和功能有影響。秸稈還田和有機肥施用后,芳香族化合物的含量增加,所以長期秸稈還田可改善土壤腐殖質活性。

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Effects of Different Fertilization Treatments on Soil Humus Content and Structure in Long Term Continuous Cropping Soil

YUAN Mingzhang,XIN Li,LIU Shutang,NAN Zhenwu,LIU Jintao,CHEN Jingpei

(Resources and Environmental College, Qingdao Agriculture University, Qingdao 266109,China)

In this study,the humus composition analysis under different straw returning the fertilization treatment on noncalcareous fluvo aquic soil humus content and structure change,in order to improve topsoil fertility and reasonable utilization of agricultural waste straw provides a good basis for amending method and infrared spectroscopy.Based on the long-term field experiment,five treatments were set up,and two treatments were applied to the treatment of wheat,corn straw returning (WCN),wheat straw returning to field (WN),and two season (WC),control (CK) and (M).Research results showed that:under the condition of returning straw to field with time.The content of Humic acid (HA) and Fulcic acid (FA) in each soil was increased by 117.68% and 102.5% respectively compared with 2009.Compared with CK,the total content of soil Humic acid (HA) increased by 21.8%-47.9%,the highest content of humus was WCN,in 2015,compared with CK growth of 118.8%,compared with 2009,the original soil increased by 183.63%.Two season straw returning to the field with chemical fertilizer treatment,can increase the soil humic acid and rich in acid content,the ratio of Hu rich increase,increase the humic acid content and make it stable growth.Soil humus activity from high to low was:WCN>WN>M>WC.Two seasons of straw and with application organic fertilizer,improve the aromatic and carboxyl compounds content,and polysaccharide compounds decreases,enhance soil humus activity and aromatization degree.The two quarter straw fertilizer nitrogen could increase the content of organic carbon in soil,improve soil fertility.

Infrared spectrometry;Straw returning;Humus content;Humus structure

2016-05-26

山東省現代農業產業技術體系建設經費項目(SDAIT-02-06);魯東丘陵區小麥玉米水肥自然資源高效利用綜合技術集成與示范研究(2013BAD07B06-03);高效海洋復合微生物肥料關鍵技術的研究與示范(2015ZDXX0502 B-01)

袁銘章(1991-),女,山東臨沂人,在讀碩士,主要從事植物營養與施肥技術研究。

劉樹堂(1962-),男,山東濰坊人,教授,博士,主要從事植物營養與施肥技術研究。

S157;S158

A

1000-7091(2016)05-0205-05

10.7668/hbnxb.2016.05.031