低丘紅壤區新墾耕地土壤有機物料分解特點及其影響因素

劉國群，吳夢潔，嚴建立，章明奎*

(1.衢州市柯城區土肥與農村能源技術推廣站，浙江 衢州 324000； 2.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058；3.杭州市農業科學研究院，浙江 杭州 310024)

中國人多地少，耕地質量建設直接關系糧食安全。如何實現耕地數量與質量的占補平衡，快速提升耕地土壤肥力，一直是土地管理者的重要工作。土壤有機碳是土壤系統的基礎物質，是耕地質量的核心，也是控制土壤養分供應能力和碳、氮、磷、硫循環的重要因子[1-2]。土壤的物理、化學、生物學性質，以及土壤的生產力都與土壤有機碳含量和性狀密切相關[3-4]。現階段，我國提升耕地土壤有機碳水平有2個方面的戰略需要[5-8]：一是維持和提高我國耕地質量的需要；二是全球環境固碳的需要。低丘紅壤是我國東南地區重要的后備耕地資源。為彌補耕地資源的不足，20年來，這一地區由低丘紅壤墾造的耕地數量逐年增加。然而，多數紅壤新墾耕地并不具備優良的土壤條件，普遍存在土壤有機碳含量低下、酸性強、結構不良、保肥性差，及多數養分不足等問題[9-11]。如何快速提升以土壤有機碳為中心的的土壤肥力是提高這類新墾耕地生產力必需解決的首要問題。以往的試驗與研究都表明[6,12]，補充有機物料是增加耕地土壤有機碳的重要措施，但不同文獻報道的培肥對提升土壤有機碳的效果有很大的差異，而且有關不同有機物料對耕地培肥效果的研究主要在正常生產的耕地上進行，對新墾耕地土壤有機碳積累特點及其影響因素的了解較少。為此，本研究擬通過系列培養試驗，探討土壤性狀、施石灰、水分管理等對施入低丘新墾耕地土壤中有機物料分解特點及其腐殖化系數的影響。

1 材料與方法

1.1 供試有機物料與土壤

研究共選擇了11種有機物料進行試驗，代表了當前耕地培肥中常用的有機物料。試驗前所有有機物料均經烘干、研磨、過2 mm篩后備用。經測定，各有機物料的主要性狀如下：風化煤腐殖酸，pH值6.04，有機碳448.9 g·kg-1，總氮38.57 g·kg-1；泥炭(草炭)，pH值7.03，有機碳312.5 g·kg-1，總氮31.47 g·kg-1；菌菇棒堆肥，pH值7.14，有機碳378.4 g·kg-1，總氮28.74 g·kg-1；豬糞，pH值7.32，有機碳420.7 g·kg-1，總氮24.33 g·kg-1；雞糞，pH值7.92，有機碳415.4 g·kg-1，總氮29.37 g·kg-1；水稻秸稈，pH值7.14，有機碳402.8 g·kg-1，總氮9.52 g·kg-1；水稻根系，pH值7.02，有機碳354.2 g·kg-1，總氮7.66 g·kg-1；紫云英，pH值6.89，有機碳422.6 g·kg-1，總氮38.33 g·kg-1；沼渣，pH值7.13，有機碳451.4 g·kg-1，總氮13.37 g·kg-1；生活垃圾堆肥，pH值7.42，有機碳375.5 g·kg-1，總氮21.73 g·kg-1；生物質炭，pH值9.56，有機碳574.3 g·kg-1，總氮5.26 g·kg-1。

從浙西地區采集的新墾耕地中根據試驗對土壤性狀的要求選擇14個低丘新墾耕地及其周圍3個熟化耕地的耕層土樣用于試驗，包括不同質地、肥力水平、酸度的土壤樣品。采集的土壤樣品風干后，磨細過5 mm篩備用。

依照土壤質地/母質，土壤樣品可分為黃筋泥/Q2紅土、砂黏質紅泥/花崗巖、黃紅泥土/泥頁巖、黃泥土/石英砂巖、紅砂土/紅砂巖5類，pH值分別為5.17、5.22、5.20、5.14、5.08，初始有機碳含量分別為5.12、4.66、5.07、5.32、4.08 g·kg-1，用于分析質地對土壤有機物料腐解的影響。

選擇同為黃筋泥/Q2紅土的5個初始有機碳含量不同的新墾耕地土壤樣品，編號為M1～M5，用于分析土壤有機質含量對有機物料腐解的影響。其初始有機碳含量依次為2.45、5.12、7.54、9.63、11.66 g·kg-1，黏粒含量依次為384、387、391、356、378 g·kg-1，pH值依次為5.18、5.17、5.09、5.25、5.22，微生物生物量碳(MBC)含量依次為19、29、38、39、63 mg·kg-1。可以看出，樣品間黏粒含量和pH值變化較小選擇同為黃筋泥/Q2紅土的6個pH不同的新墾耕地土壤樣品，編號為P1～P6，用于分析土壤pH值對有機物料腐解的影響。其pH值依次為3.67、4.18、4.69、5.17、5.67、6.23，初始有機碳含量依次為6.03、6.12、5.78、5.12、4.75、5.66 g·kg-1，黏粒含量依次為388、363、397、387、391、386 g·kg-1。可以看出，樣品間黏粒含量和有機碳含量變化較小。

從黃筋泥/Q2紅土、黃紅泥土/泥頁巖、紅砂土/紅砂巖樣本中分別選擇對應的生土和熟土樣本，形成黃筋泥/Q2紅土-生土、黃筋泥/Q2紅土-熟土、黃紅泥土/泥頁巖-生土、黃紅泥土/泥頁巖-熟土、紅砂土/紅砂巖-生土、紅砂土/紅砂巖-熟土6類樣品，其黏粒含量分別為387、368、276、247、112、124 g·kg-1，pH值分別為5.17、6.23、5.20、6.18、5.08、6.22，初始有機碳含量分別為5.12、18.25、5.07、16.23、4.08、15.28 g·kg-1，MBC含量分別為19.56、41.22、13.54、35.45、12.88、31.46 mg·kg-1，用于分析土壤熟化對有機物料腐解的影響。

1.2 模擬試驗

模擬試驗在溫室內的大型塑料容器(高30 cm，長和寬均為40 cm)內進行，每一類土壤處理對應一個塑料容器，用土量均為48 kg，形成厚約25 cm的土層。有機物料腐解試驗用尼龍袋法測定，試驗時每袋中放置與試驗土壤相同的細土100 g和相應的4 g有機物料(兩者充分混勻后封口)，每一類裝土的容器中同時開展相同試驗內容的有機物料腐解試驗，各個裝有有機物料的尼龍袋編號后埋入表土下7～10 cm處，每類有機物料重復3次，在土壤中腐解1 a后取樣分析。除水分試驗外，其他試驗在試驗期間土壤水分均控制在75%～85%的田間持水量。試驗內容包括土壤質地對有機物料腐解的影響、土壤有機碳含量對有機物料腐解的影響、土壤pH值對有機物料腐解的影響、新墾耕地與熟化耕地間有機物料腐解的差異、施用石灰對有機物料腐解的影響和不同水分狀況對有機物料腐解的影響。

1.3 測定方法

培養結束后，從塑料容器中取出培養的尼龍袋并清除袋外泥土。尼龍袋內土樣在低溫條件下烘干、磨細，用于分析，分析內容包括有機碳、腐殖質碳、微生物生物量碳含量，及土壤基本性狀。土壤和有機物料中的有機碳含量、土壤腐殖質碳含量，及土壤基本性狀采用常規方法測定[13]。MBC采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定[14]。腐殖化系數計算方法如下：腐殖化系數=(試驗后尼龍袋土壤有機碳總量-試驗土壤有機碳含量)/添加的有機物料碳含量。

2 結果與分析

2.1 土壤質地對有機物料腐解的影響

取5類由不同成土母質發育的、質地不同的低丘新墾耕地土壤進行11種有機物料分解試驗，除土壤質地有明顯差異外，5類土壤的pH值和初始有機碳含量較為接近。如表1所示，添加有機物料的腐殖化系數因土壤類型和有機物料不同有較大變化，總體上隨土壤黏粒含量增加而增加，黃筋泥、砂黏質紅泥、黃紅泥土、黃泥土、紅砂土的腐殖化系數依次為0.22～0.74、0.17～0.72、0.19～0.67、0.16～0.68、0.17～0.62，平均分別為0.40、0.37、0.35、0.33、0.32，平均腐殖化系數與黏粒含量的相關系數為0.955 9(P<0.01)。黏粒含量高的土壤有機物料的腐殖化系數較高，可能與其具有較高的比表面積，對腐殖質的吸附固定較強，腐殖質的穩定性較高有關。不同有機物料的腐殖化系數也有較大的變化，11種有機物料在5類土壤的平均腐殖化系數在0.18～0.69，最高的為最低的3.83倍，由高至低依次為生物質炭(0.69)>風化煤腐殖酸(0.39)>生活垃圾堆肥(0.37)>泥炭(0.36)>沼渣(0.35)>水稻根系(0.34)>菌菇棒堆肥(0.33)>豬糞(0.31)、雞糞(0.31)>水稻秸稈(0.27)>紫云英(0.18)。這一結果表明，堆肥的腐殖化系數高于秸稈、綠肥。作物的地下部分腐殖化系數高于地上部分，這可能與根部含有較高的木質素有關。堆肥的腐殖化系數較高，顯然與堆肥制作過程中易分解的有機組分已降解，堆肥產品中的有機成分具有較高的生物穩定性有關。

表1 質地對土壤有機物料腐殖化系數的影響

從表1結果可知，生物質炭具較高的穩定性，其平均腐殖化系數高達0.69，明顯高于其他有機物料。但試驗結果也顯示，添加生物質炭的土壤在試驗結束時其腐殖質碳含量最低(表2)，表明添加生物質炭形成的有機碳多為非生物活性有機碳，對土壤保肥性、供肥性的作用較弱；因此，單施生物質炭并不利于土壤腐殖質的形成，在低丘新墾耕地上生物質炭應與其他有機物料配合施用。另外，土壤質地對土壤腐殖質的形成也有一定的影響，11類有機物料在黃筋泥、砂黏質紅泥、黃紅泥土、黃泥土、紅砂土中形成的腐殖質碳平均含量分別為4.40、4.20、4.11、3.96、3.87 g·kg-1，與黏粒含量的相關系數為0.971 6(P<0.01)。這一現象表明土壤中的有機物料在腐殖化過程中形成的腐殖質只有與土壤礦物緊密結合，才能較穩定地保存在土壤中。

表2 培養1 a后尼龍袋土壤中腐殖質碳含量 單位：g·kg-1

2.2 土壤有機碳對有機物料腐解的影響

如表3所示，相同有機物料在不同土壤中的腐殖化系數有明顯差異，均呈現出隨初始土壤有機碳含量增加而下降的趨勢。4種有機物料的腐殖化系數與土壤有機碳含量和MBC的相關系數分別在-0.907 9～-0.954 5和-0.737 7～-0.961 4，均達到顯著水平。這可能是因為：一方面，有機碳含量高的土壤MBC含量也較高，土壤微生物活性較強，后者促進了土壤有機碳的分解；另一方面，有機碳含量較高的土壤，在培養過程中土壤本身原有的有機碳分解量相對也較高。

表3 土壤有機質對有機物料腐殖化系數的影響

2.3 土壤pH值對有機物料腐解的影響

如表4所示，相同有機物料在不同pH土壤中的腐殖化系數有明顯的差異，均呈現隨土壤pH升高而下降的趨勢。4種有機物料的腐殖化系數與土壤pH值的相關系數在-0.888 9～-0.940 2，達到顯著水平。究其原因，可能與較低的土壤pH值限制了土壤微生物的活動，從而影響了土壤中有機物料的分解有關。

表4 土壤pH值對有機物料腐殖化系數的影響

2.4 新墾耕地與熟化耕地間有機物料腐解的差異

從表5可知，在相同土壤類型和相同有機物料的條件下，有機物料腐殖化系數均表現為新墾地高于熟化地，新墾黃筋泥、黃紅泥土、紅砂土的腐殖化系數分別為對應熟土的1.04～1.22、1.03～1.19、1.03～1.18倍，前者平均比后者分別高14%、10%、12%。這種差異顯然與土壤微生物活性有關，熟化耕地的土壤MBC含量明顯高于新墾耕地，因此，熟化耕地中碳循環強度也較高。

表5 土壤熟化對有機物料腐殖化系數的影響

2.5 施用石灰對有機物料腐解的影響

供試土壤為黃筋泥，其黏粒含量為387 g·kg-1，pH值為5.17，有機碳含量為5.12 g·kg-1。由表6可知，與不施用石灰石粉的對照相比，土壤施用石灰石粉后，4種有機物料的腐殖化系數均呈現下降趨勢，表明在低丘新墾耕地培肥時施用石灰可加速有機碳的分解。這可能與石灰改變了土壤性狀，使之更有利于土壤微生物的活動有關。隨著石灰石粉用量的增加，這種作用更加明顯。

2.6 不同水分狀況對有機物料腐解的影響

供試土壤為黃筋泥，其黏粒含量為387 g·kg-1，pH值為5.17，有機碳含量為5.12 g·kg-1。共設3個處理：缺水(相當于30%～50%的田間持水量)，常規(相當于75%～85%的田間持水量)，過多(相當于95%～100%的田間持水量)。結果表明(表7)，與常規處理相比，缺水或過多都不利于有機物料的分解，會增加有機物料在土壤中的腐殖化系數，且以水分過少更有利于有機物料的積累。這種差異可能也與土壤微生物的活性有關，土壤微生物的活動需要合適的水分條件，水分過少或過多都會限制土壤微生物的活性，從而影響微生物對有機物料的礦化。

表6 施用石灰石粉對有機物料腐殖化系數的影響

表7 土壤水分條件對有機物料腐殖化系數的影響

3 小結

本研究表明，低丘新墾耕地中有機物料的腐殖化系數受多方面因素的影響，缺水和過多水分條件下有機物料在土壤中的腐殖化系數均高于正常水分條件下。堆肥在土壤中的腐殖化系數大于秸稈、綠肥，作物地下部分的腐殖化系數高于地上部分。相對于成熟耕地，新墾耕地中有機物料具有較高的腐殖化系數。研究認為，新墾低丘耕地土壤具有較高的有機碳積累潛力，采用水旱輪作可改變土壤水分條件，可促進土壤有機碳的積累；同時，應選擇高腐殖化系數有機肥(生物質炭、堆肥)與低腐殖化系數有機物(秸稈、綠肥)配合施用，兼顧土壤有機碳量與質的提升。