添加木本泥炭和腐熟秸稈對黃沙土壤有機碳組分及南瓜產量的影響

摘要：為探究木本泥炭、腐熟秸稈對黃沙土壤肥力提升的改良效果，采用田間小區試驗，研究添加不同量木本泥炭、腐熟秸稈對古浪縣黃花灘生態移民區設施大棚黃沙土壤養分指標、有機碳組分、土壤呼吸速率、CO2排放量和貝貝南瓜產量的影響。試驗共設如下4個處理：CK（常規施肥），T1處理（木本泥炭4 500 kg/hm2+腐熟秸稈1 500 kg/hm2+生物激發劑+常規施肥），T2處理（木本泥炭9 000 kg/hm2+腐熟秸稈3 000 kg/hm2+生物激發劑+常規施肥），T3處理（木本泥炭13 500 kg/hm2+腐熟秸桿4 500 kg/hm2+生物激發劑+常規施肥）。結果表明，木本泥炭、腐熟秸稈處理下，土壤電導率降低，土壤有機質、全量養分及速效養分含量均有不同程度的提高，貝貝南瓜產量顯著增加，以T3處理的增產效果最為明顯，增幅達1倍；貝貝南瓜生育期內的平均呼吸速率、CO2-C累計排放量顯著增加；土壤有機碳及相關組分含量明顯提升，土壤總有機碳（TOC）、易氧化有機碳（EOC）、可溶性有機碳（DOC）、微生物量碳（MBC）含量分別較CK增加25.71%～62.37%、46.97%～163.11%、84.45%～223.40%、50.34%～73.40%，以DOC含量增加得最為顯著；土壤有機碳各組分間關系密切，土壤有機質、全氮、全磷、全鉀等養分指標含量和土壤平均呼吸速率、CO2-C累計排放量及貝貝南瓜產量與土壤有機碳組分含量均呈正相關。綜合來看，添加木本泥炭和腐熟秸稈可以大幅提升古浪黃花灘設施大棚黃沙土壤肥力，改善土壤理化性狀，增加貝貝南瓜產量，其中添加木本泥炭 13 500 kg/hm2、腐熟秸桿4 500 kg/hm2的效果最明顯。

關鍵詞：木本泥炭；腐熟秸稈；黃沙土壤；有機碳組分；南瓜產量

中圖分類號：S156；S642.106" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）05-0229-08

有機碳是衡量土壤肥力的重要指標，也是養分供應的關鍵物質，提高土壤有機碳含量有利于土壤生態功能的維持和作物產量品質的提升［1］。古浪縣位于河西地區東部，北鄰烏鞘嶺，發展基礎較為薄弱、貧困人口較多、人均財力較少，其黃花灘生態移民區與騰格里沙漠南部接壤，地勢平坦、地域遼闊、光照充足、早晚溫差大，在政府引導和支持下，戈壁設施農業發展初具特色和規模。目前該生態移民區日光溫室種植年限僅3～5年，設施種植時間短，且土壤以黃沙土為主，有機質含量低，養分水平遠低于菜地土壤養分分級標準中等養分水平，處于養分嚴重缺乏狀態，優質耕層缺乏。同時，農戶在種植過程中偏重化肥輕有機肥，資源浪費和環境污染風險較大。因此，快速增加黃花灘生態移民區設施土壤有機質含量、提升土壤肥力、縮短耕層土壤熟化進程是當地戈壁設施農業高質量發展的核心任務。

目前，國內外學者在土壤培肥方面開展了大量研究［2-10］。秸稈還田作為廣大學者公認的土壤培肥的重要措施，雖然可以提升土壤有機質含量，但提升過程較為緩慢，且養分不能被當季作物利用。更多研究發現，腐熟秸稈在土壤改良培肥方面更具優勢［11］。木本泥炭是近幾年來興起的一種新型天然土壤調理劑，具有腐殖質含量高、纖維素豐富、疏松多孔、保水保肥性能優等特點，基于以上優點，張佳寶院士提出，天然配置型材料木本泥炭可以快速培育土壤耕層，從而替代土壤有機質冗長的培育過程［2］。木本泥炭的添加可顯著提高土壤總氮、有效磷（AP）、有機質（OM）、總有機碳（TOC）和易氧化有機碳（EOC）、可溶性有機碳（DOC）、微生物量碳（MBC）等養分有效性，促進土壤團聚體的形成和穩定及有機碳組分在不同粒級團聚體中遷移和分布，降低土壤容重、pH值，增加作物產量，且土壤呼吸速率、CO2排放量在施用腐熟秸稈和生物炭后顯著增加［12-16］。木本泥炭施用不僅可以增加耕層土壤養分，還可以提升作物農藝指標，促進作物產量提高、品質改善［17-18］。

目前，尚未見采用木本泥炭、腐熟秸稈培肥古浪黃花灘生態移民區設施大棚土壤的相關研究，上述有機物料的添加對戈壁設施沙質土壤養分、有機碳組分、土壤呼吸速率及CO2排放量的作用效果還不清楚。本研究在設施大棚中，以古浪縣黃花灘生態移民區設施大棚貝貝南瓜土壤為研究對象，通過大田試驗，研究不同量木本泥炭和腐熟秸稈添加對設施黃沙土有機碳及其組分的影響，系統分析不同量木本泥炭、腐熟秸稈處理下設施土壤養分、有機碳組分及土壤呼吸速率和CO2排放量的差異，探討添加木本泥炭和腐熟秸稈對設施大棚黃沙土壤質量提升的可行性，旨在為古浪黃花灘生態移民區設施大棚黃沙土壤快速培肥奠定技術基礎，從而為戈壁設施農業高質量發展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于甘肅省武威市古浪縣黃花灘生態移民區日光溫室大棚（103°24′87″E，37°68′87″N），海拔1 700 m，屬溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫7.5 ℃，晝夜溫差15 ℃，無霜期164 d，年日照時數 2 852.34 h，日照比例64%，年均降水量200 mm左右，土壤類型為黃沙土。試驗區土壤基礎理化性質：pH值8.71，有機質含量2.46 g/kg，全氮（TN）含量0.23 g/kg，堿解氮（AN）含量77.8 mg/kg、有效磷（AP）含量14.8 mg/kg，速效鉀（AK）含量204.3 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試材料木本泥炭和腐熟秸稈詳細信息見表1。

1.3 試驗設計

試驗于2022年在古浪黃花灘生態移民區設施大棚進行。試驗共設如下3個處理：T1處理（木本泥炭4 500 kg/hm2+腐熟秸稈1 500 kg/hm2+生物激發劑+常規施肥）、T2處理（木本泥炭9 000 kg/hm2+腐熟秸稈3 000 kg/hm2+生物激發劑+常規施肥）、T3處理（木本泥炭13 500 kg/hm2+腐熟秸桿 4 500 kg/hm2+生物激發劑+常規施肥），對照（CK）按照當地常規施肥，不添加任何改良材料，每個處理設置3次平行試驗，共12個小區，單個小區面積23 m2。木本泥炭、腐熟秸稈于2022年3月底施入土壤，淺旋20 cm，起壟覆膜。壟寬80 cm，幅寬120 cm，種植蔬菜為貝貝南瓜，品種為栗姝5號，株距×行距為80 cm×60 cm，于2022年4月20日移栽，8月11日收獲，管理方法參照日常田間管理。

1.4 樣品采集與指標測定

土壤樣品于2022年7月貝貝南瓜收獲時采集。每個小區按照“S”形采集0～60 cm土層5個點的土壤樣品，混勻后作為該小區的代表性樣品。采集的土樣置于樣品處理室自然風干，除去根系、砂礫等雜質，過2 mm篩后，用于土壤養分指標、總有機碳、易氧化有機碳含量的測定；同時，每個小區采集250 g新鮮土壤，放在裝有冰袋的保溫盒內，帶回實驗室后于-20 ℃保存，用于微生物量碳、可溶性有機碳含量的分析。

土壤養分指標的測定參照文獻［19］中的土壤農化分析方法，TOC含量采用K2CrO4-外加熱法測定，MBC含量采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法測定；EOC含量采用KMnO4氧化比色法測定；DOC含量采用1 ∶5水浸提-TOC儀測定。

土壤呼吸采用LI-8100土壤碳通量測定儀（LI-COR，Lincoln，USA）測定。于貝貝南瓜移栽當天在每個小區呈三角形均勻分布淺埋3個PVC環（內徑20 cm，高8 cm，上沿距地面3 cm），PVC環在壟上2株貝貝南瓜之間，整個生長期不移動，每次測定時間為09：00—11：00，生育前期每隔15 d測1次，生育后期每隔30 d測1次，整個生育期共測定6次。

1.5 數據分析

數據分析和制圖用Excel 2010和SPSS 21.0統計軟件完成。

土壤呼吸日排放量計算公式：

Ri=Rs×3 600×24×12×10-5；（1）

土壤CO2-C累計排放量估算公式：

式中：Rs為土壤呼吸速率，μmol/（m2·s）；12為 CO2-C的摩爾質量，g/mol；3 600、24為換算系數；Ra為貝貝南瓜生育期CO2累計排放量，kg/hm2；N為相鄰2次間隔天數，d；Ri、Ri+1分別為第i、i+1次測定時CO2的日排放量，kg/hm2；R0表示移栽后第1次測定當天的CO2排放量。

2 結果與分析

2.1 不同量有機物料添加對土壤養分指標的影響

由表2可以看出，與對照（CK）相比，添加木本泥碳、腐熟秸稈處理土壤的各養分指標變化呈現多樣性，總體表現為增加趨勢。電導率（EC值）的降幅為1.46%～24.49%，OM、AN、AP、AK、TN、TP、TK含量的增幅分別為25.81%～62.31%、6.86%～27.04%、4.98%～25.99%、11.24%～16.99%、48.98%～77.55%、16.67%～54.76%、3.60%～10.07%，且各處理中土壤EC值及OM、AN、AP、AK、AN、AP、AK含量與CK間的差異顯著（Plt;0.05）。在0～60 cm土層，隨著土層的加深，pH值先減后增，EC值與OM、TN、TK含量先增后減，AP含量逐漸增加，TP含量逐漸減小，AK含量在CK處理下先減后增、T1處理下先增后減，在T2、T3處理下逐漸減少，AN含量在CK處理下先增后減，在T1處理下先增加后趨平，在T2、T3處理下逐漸減少。說明在T2、T3處理下，堿解氮、速效鉀被固持在0～20 cm表層。與其他處理相比，T3處理下土壤中的各養分指標多處于較高水平。

2.2 不同量有機物料添加對土壤總有機碳及組分的影響

2.2.1 不同量有機物料添加對土壤TOC含量的影響 圖1顯示，總體而言，在0～60 cm土層，隨著土層的加深，TOC含量先增加后減少。與CK相比，不同量木本泥炭、腐熟秸稈對土壤TOC均有一定程度的提升效果，其中0～60 cm土層的平均TOC含量總體變化趨勢為T3處理＞T2處理＞T1處理＞CK，T3、T2、T1處理分別比CK增加62.37%、41.82%、25.71%，且各處理之間差異顯著（Plt;0.05）。

2.2.2 不同量有機物料添加對土壤EOC含量的影響 圖2顯示，總體而言，在0～60 cm土層，隨著土層的加深，土壤EOC含量先增加后減少，多集中在20～40 cm土層。與CK相比，外源添加不同量有機物料木本泥炭、腐熟秸稈可顯著增加土壤EOC含量，其中以T3處理的提升幅度最大，增幅為CK的1.6倍，其次為T2處理，增幅為CK的1.08倍，最后為T1處理，比CK增加46.97%，且各處理之間均表現出顯著差異（Plt;0.05）。

2.2.3 不同量有機物料添加對土壤DOC含量的影響 圖3顯示，在0～60 cm土層，隨著土層的加深，土壤DOC含量先增加后減少。相比于CK，木本泥炭、腐熟秸稈對土壤DOC有顯著影響。土壤DOC含量在0～60 cm土層的平均值總體變化趨勢為T3處理＞T2處理＞T1處理＞CK，各處理的土壤DOC含量與CK差異顯著（Plt;0.05），T3、T2、T1處理分別比CK增加2.23、1.98、0.84倍。

2.2.4 不同量有機物料添加對土壤MBC含量的影響 圖3顯示，在0～60 cm土層，隨著土層的加深，土壤MBC含量逐漸減少，主要集中在0～20 cm表層，40～60 cm土層含量極低。相比于CK，外源添加不同量木本泥炭、腐熟秸稈對土壤MBC有著不同程度的影響。土壤平均MBC含量在0～60 cm土層的總體變化趨勢為T3處理＞T2處理＞T1處理＞CK，且各處理間及各處理與CK間的差異顯著（Plt;0.05），T3、T2、T1處理分別比CK增加73.40%、62.75%、50.34%。

2.3 不同量有機物料添加對土壤呼吸速率變化及CO2-C累計排放量

由圖5可以看出，貝貝南瓜生育期內各處理土壤的呼吸速率呈現先增加后降低至平緩的趨勢，在營養生長階段，土壤呼吸速率相對較強，在抽蔓期達到峰值（5月25日）。添加木本泥炭、腐熟秸稈可顯著促進生育前期（6月11日前）土壤呼吸速率的提高，促進作用排序為T2處理＞T3處理＞T1處理＞CK。生育期內T1、T2、T3處理的平均土壤呼吸速率分別較CK增加10.78%、28.91%、17.78%，以T2處理對土壤呼吸的促進作用最明顯。

由圖6可以看出，在整個生育期內，貝貝南瓜土壤CO2-C的累計排放量表現為T2處理（10 461.26 kg/hm2）＞T3處理（9 599.73 kg/hm2）＞T1處理（8 991.36 kg/hm2）＞CK（8 281.36 kg/hm2），且各處理間差異顯著（Plt;0.05）。

2.4 不同量有機物料添加對南瓜產量指標的影響

由表3可以看出，不同量有機物料添加對貝貝南瓜產量指標有不同影響。貝貝南瓜直徑變化范圍為90.82～108.43 mm，總體變化趨勢為T2處理＞T3處理＞T1處理＞CK，T2、T3、T1處理依次分別較CK增加19.39%、12.76%、8.24%，各處理與CK間差異顯著（Plt;0.05），T2處理與T1、T3處理間差異顯著（Plt;0.05），T1、T3處理間無顯著差異。單株果數變化范圍為4.25～4.44個，各處理間無顯著差異。單果重變化范圍為244～492 g，總體變化趨勢為T3處理＞T2處理＞T1處理＞CK，T3、T2、T1處理分別較CK增加101.64%、81.97%、33.61%，各處理與CK間差異顯著（Plt;0.05），T2、T3處理間無顯著差異，兩者與T1處理差異顯著（Plt;0.05）。產量變化范圍為22 594.05～45 411.70 kg/hm2，總體變化趨勢為T3處理＞T2處理＞T1處理＞CK，T3、T2、T1處理分別較CK增加100.99%、79.71%、27.69%，各處理之間及各處理與CK間均表現顯著差異（Plt;0.05）。由此可見，T2、T3處理明顯增加了貝貝南瓜的產量。

2.5 土壤有機碳組分、土壤呼吸、土壤養分指標、產量指標之間的相關關系分析

2.5.1 土壤有機碳組分之間的相關關系分析 表4顯示，各土壤有機碳組分含量間關系密切，TOC含量與DOC、MBC含量呈顯著正相關關系（Plt;0.05），與EOC含量呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），表明土壤有機碳各組分含量的增加可顯著提升TOC含量，兩者之間相輔相成，DOC、MBC、EOC含量之間呈顯著正相關關系（Plt;0.05）。

2.5.2 土壤有機碳組分與養分指標之間及土壤呼吸的相關關系分析 表5顯示，土壤有機碳組分含量與土壤養分指標含量及土壤平均呼吸速率、CO2-C 累計排放量間的相關性不同。TOC含量與OM、TK含量呈極顯著正相關（Plt;0.01），與TP含量、平均呼吸速率呈顯著正向相關（Plt;0.05）；DOC含量與平均呼吸速率呈極顯著正向相關（Plt;0.01），與OM、AN、AK、TP、TK含量及CO2-C累計排放量呈顯著正向相關（Plt;0.05）；MBC含量與OM、AK、TN含量及CO2-C累計排放量呈顯著正向相關（Plt;0.05）；EOC含量與OM、TK含量呈極顯著正向相關（Plt;0.01），與全磷含量、平均呼吸速率呈顯著正向相關（Plt;0.05）。

2.5.3 產量指標與有機碳組分之間的相關關系分析 表6顯示，有機碳組分含量與貝貝南瓜直徑、單株果數、單果重、產量間的相關性不同，貝貝南瓜直徑、單株果數與有機碳組分含量呈正相關，但不具顯著性，可能由于品種對其影響強于土壤栽培條件。單果重與DOC含量呈極顯著正相關（Plt;0.01），與TOC、MBC、EOC含量呈顯著正相關（Plt;0.05）；產量與DOC、EOC含量呈極顯著正相關（Plt;0.01），與TOC、MBC含量呈顯著正相關（Plt;0.05）。上述結果說明，土壤有機碳組分含量的增加可顯著促進貝貝南瓜產量的增加。

3 討論

3.1 添加木本泥炭和腐熟秸稈對土壤養分的影響

古浪黃花灘黃沙土的發育受到成土母質、自然地貌、地理位置、氣候環境等自然因素的綜合影響。黃沙土質地松散、沙粒比例高、水肥保持能力弱、鹽分含量偏高，整體肥力水平偏低。添加不同量有機物料木本泥炭、腐熟秸稈能夠顯著降低土壤EC值，說明木本泥炭、腐熟秸稈的添加能夠促進黃沙土耕作層土壤團粒結構趨于穩定，緩解鹽分向表層運移集聚。這與前人的研究結果［2，20］基本一致。有機物料木本泥炭、腐熟秸稈原本含有高含量的腐殖質，結構疏松多孔，有利于植物根部毛根系發育舒展、土壤微生物群落結構增加［15］。古浪黃花灘生態移民區黃沙土結構松散、肥力水平低已是限制古浪黃花灘生態移民區設施農業高質量發展的關鍵因素。由于土壤養分是評定土壤肥力高低的重要因素，因此本研究綜合考慮土壤OM、TN、TP、TK含量和植物可吸收利用的AN、AP、AK含量，研究發現，添加木本泥炭、腐熟秸稈對0～60 cm土層土壤OM、TN、AN、TP、AP、TK、AK含量具有不同程度的提高效果，對照處理土壤OM、全量養分和有效態養分含量顯著低于添加不同量木本泥炭、腐熟秸稈的試驗處理。這與其力莫格等的研究結果［13，18，21］相似，特別是對T3處理土壤肥力提升效果相對更明顯，可能由于木本泥炭、腐熟秸稈本身富含腐殖質，施入土壤后優化了土壤團粒結構，促進了土壤養分固定、分解礦化速率，進而提高了土壤有機質含量和全量養分及速效態養分含量。

3.2 添加木本泥炭和腐熟秸稈對土壤有機碳及組分的影響

木本泥炭、腐熟秸稈作為有機碳含量較高有機物料，對土壤結構改善、有機碳含量提升、微生物活性增強具有顯著的促進作用［22-24］。通過對設施大棚黃沙土的試驗發現，添加木本泥炭、腐熟秸稈的試驗處理均可不同程度地提升土壤TOC含量，一是由于試驗區土壤有機質含量基礎值原本較低，表層0～20 cm僅為2.46 g/kg，二是由于外源有機物料木本泥炭本身含有極高的腐殖質，添加到土壤中后等于將有機碳直接施入土壤中。EOC是土壤碳庫中最易分解的敏感有機碳，是評價土壤肥力的重要指標［25］；DOC在土壤碳庫中活躍性較高，具有一定溶解性和不穩定性，易被礦化分解且轉移較快［26］；MBC雖然在土壤碳庫中的占比極小，卻是活性最強的部分，是土壤碳素轉化循環的核心物質［27］。本研究發現，各處理均可顯著提高土壤TOC、EOC、DOC、MBC含量，分別較CK提高了46.97%～163.11%、84.45%～223.40%、50.34%～73.40%，各有機碳組分均以T3處理增加得最顯著，這與楊昕等的研究結論［28-30］相似。雖然木本泥炭、腐熟秸稈中含有的活性碳成分偏低，添加到土壤中后，可憑借其疏松多孔、比表面積大等優勢，貯藏豐富的養分物質，為土壤微生物的活動提供足夠的空間和充足的營養物質。隨著微生物活動加快，微生物活性提高，微生物量碳亦隨之增加，加上外源生物激發劑對上述2種有機物料的激活，進而促進EOC、DOC含量增加，土壤有機碳各組分含量與TOC含量得關系緊密，在很大程度上依賴于TOC含量的增加［17］。

3.3 添加木本泥炭和腐熟秸稈對土壤呼吸的影響

在貝貝南瓜移栽后30 d（5月20日前）土壤呼吸速率雖然逐漸上升，但整體相對較低，主要是因為貝貝南瓜剛移栽，根系生長緩慢，加上此階段土壤溫度較低，微生物活性較弱。進入抽蔓期后，貝貝南瓜生長加快，根系和地上部分迅速發育，同時土壤溫度也升高，微生物大量繁殖，從而加強了土壤呼吸速率。進入生長開花結瓜期，根系發育趨于穩定，土壤呼吸速率降低逐漸穩定。添加木本泥炭、腐熟秸稈在貝貝南瓜生育階段不同程度增加了土壤呼吸速率，整體提高了CO2 排放量，這與何甜甜等的研究結果［16，23］類似，可能是因為添加木本泥炭和腐熟秸稈后活性有機碳含量得以增加，易分解物質較多地釋放到土壤中，為土壤微生物提供了活動能源，促進了微生物活動，進而增加了CO2排放量。

3.4 添加木本泥炭和腐熟秸稈對貝貝南瓜產量的影響

大量研究發現，在土壤中添加有機物料可以改善土壤質量、提高肥力水平、促進作物產量增加［11，17-18，20-22］。在本研究中，與CK相比，不同量木本泥炭和腐熟秸稈的添加均可顯著提高貝貝南瓜產量，其中以T3處理產量增加得最高，達到了 45 411.70 kg/hm2，增產效果最為明顯。這是由于T3處理木本泥炭、腐熟秸稈的用量改善了土壤狀況，大大提高了土壤肥力質量，土壤養分指標相對T1、T2處理表現更佳，土壤有機碳組分增加，土壤微生物活性增強，解決了黃沙土土質松散、肥力低下等限制因子，增加了貝貝南瓜產量。

4 結論

本研究結果表明，添加木本泥炭、腐熟秸稈可降低古浪黃花灘黃沙土的土壤電導率，增加土壤有機質含量及全量氮磷鉀、速效態氮磷鉀含量，提高土壤呼吸速率，改善土壤理化性狀，且貝貝南瓜產量顯著提高。

木本泥炭、腐熟秸稈有機碳含量豐富，在設施大棚黃沙土壤中添加這2種物質，能夠顯著增加土壤有機碳及其組分含量，TOC、EOC、DOC、MBC含量分別較對照增加25.71%～62.37%、46.97%～163.11%、84.45%～223.40%、50.34%～73.40%，以DOC含量增加得最顯著。

綜合分析可知，在木本泥炭、腐熟秸稈處理下，大棚設施黃沙土壤養分指標、有機碳組分通過一茬作物種植便大大提高，其中以13 500 kg/hm2木本泥炭+4 500 kg/hm2腐熟秸桿+1 500 kg/hm2生物激發劑+常規施肥處理對土壤肥力的提升效果最好，貝貝南瓜產量最高。

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