長期施用有機肥對土壤有機碳、全氮及腐殖質組分的影響

關鍵詞：長期施用有機肥；土壤有機碳；全氮；腐殖質組分

有機肥是一種重要的土壤改良劑，如秸稈和糞肥等，長期以來一直被用作作物栽培的肥料。然而，長期的試驗結果表明，過量和不平衡施肥導致了一系列嚴重的問題，包括環境污染、土壤酸化和土壤生產力下降等。2015年，農業部啟動實施“到2020年化肥使用量零增長行動”，以緩解化肥過度使用的負面影響。因此，有機肥替代礦物肥作為改善土壤固碳能力、提高土壤結構和穩定性、提高礦物肥料利用率的一種改良劑已被廣泛提倡。

土壤腐殖質是指有機物質在土壤微生物的分解作用下形成的復雜且較穩定的高分子有機化合物。腐殖質占土壤有機質的60%以上，是有機肥的重要組成部分，并且含有大量的營養成分。近年來，關于施用有機肥對土壤腐殖質組分等方面影響的研究取得了一定進展。Mi等研究發現，有機肥和化肥配施可以增加土壤可提取腐殖物質和胡敏酸含量：而Brodowski等研究表明，施用有機肥對土壤腐殖質組成沒有影響。施用有機肥是為農業生產提供碳源的重要方式，長期單施有機肥或配施化肥會提高土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素含量。研究發現，水稻土施用菇渣基質后可顯著增加土壤總有機碳、可提取腐殖物質和胡敏酸含量，但對富里酸含量無顯著影響。長期施用堆肥后土壤胡敏酸增加量大于富里酸增加量。Zhang等的研究表明，長期施用有機肥有利于提高土壤胡敏酸（HA）、富里酸（FA）含量和改善土壤HA/FA比。Shen等研究表明，過量及長期施用化肥會加快土壤有機碳損失：而配施有機肥可顯著提高土壤有機碳含量。

針對農業生產中化肥的大量使用導致土壤腐殖質含量逐漸下降、土壤酸化、環境污染等問題，本研究基于43年的長期定位施肥試驗，通過設置不同有機肥處理，研究其對土壤有機碳、全氮含量及腐殖質組分的影響，以期為提高土壤質量、保護生態環境、增加作物產量提供理論參考。

1材料與方法

1.1試驗地概況

本試驗在始于1978年的山東萊陽農學院實驗站長期定位試驗的基礎上進行（36.9°N，120.7°E）。本區屬于典型的暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫為11.2℃，年降水量為779.1mm。土壤為發育于沖積母質的非石灰性潮土，砂、粉、黏土含量分別為52.13%、28.74%、19.21%。1978年，耕層土壤（0～20cm）有機碳含量為4.10g/kg、全氮0.50g/kg、全磷0.46g/kg、有效磷15.00mg/kg、有效鉀38.00mg/kg，pH值6.80（水土比2.5：1）。

1.2試驗設計

基于43年的長期定位施肥試驗，本試驗采用隨機區組設計，共設置7個處理，分別為不施肥對照（CK）、低量有機肥（M1）、低量有機肥配施低量氮肥（M1N1）、低量有機肥與高量氮肥配施（M1N2）、高量有機肥（M2）、高量有機肥與低量氮肥配施（M2N1）和高量有機肥與高量氮肥配施（M2N2）。氮肥為尿素，低量氮肥每年施用量為138kg/hm2，高量氮肥每年施用量為276kg/hm2；有機肥為鮮豬糞，低量有機肥每年施用量為30t/hm2，高量有機肥每年施用量為60t/hm2。所有處理均采用相同的田間管理措施。小區長10m，寬3.33m。該田間試驗在冬小麥一夏玉米輪作系統中進行，每年兩作，每處理重復3次。

1.3測定項目與方法

2021年6月，冬小麥收獲后，在各處理地塊中隨機取5個點，用土鉆按照“S”形取樣法分別取0～5、5～10，10～20cm和20～30cm土層的土壤樣品，混勻、密封后帶回實驗室。在陰涼干燥處風干后過0.25mm的篩，用于土壤化學性質測定。

土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化一外加熱法測定，土壤全氮（TN）含量采用凱氏定氮法測定。采用腐殖質組成修改法對水溶性物質（WSS）、可提取腐殖物質（HE）、胡敏酸（HA）和富里酸（FA）和胡敏素（HU）進行提取和分組（定量）。

1.4數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2019對數據進行處理，采用Origin 2022軟件作圖，使用SPSS 13.0軟件進行相關性分析、顯著性檢驗等。表中數據為平均值±標準差。

2結果與分析

2.1長期施用有機肥對不同土層土壤有機碳、全氮含量的影響

2.1.1對土壤有機碳含量的影響如表1所示，0～5cm和5～10cm土層中，各處理土壤SOC含量均顯著高于CK，其中M2N2處理較CK分別提高238.91%和255.83%．且高量有機肥各處理土壤SOC含量均顯著高于低量有機肥各處理，但M1、M1N1、MIN2處理間及M2、M2N1、M2N2處理間差異均不顯著。10～20cm土層中，與CK相比，各處理土壤SOC含量均顯著提高，其中M2N2處理最高，為25.76g/kg，較CK提高247.64%。20～30cm土層中，除M1N1處理外，其他處理的土壤SOC含量均顯著高于CK．其中M2N2處理最高，較CK提高164.62%，且M1N2、M2、M2N1處理間差異不顯著．不同處理的土壤SOC含量表現為M2N2gt;M1N2gt;M2N1gt;M2gt;M1gt;CKgt;M1N1。

2.1.2對土壤全氮含量的影響從表2可以看出，0～5cm和5～10cm土層中，不同有機肥處理土壤TN含量較CK均顯著增加，其中M2N2處理的土壤TN含量最高，較CK分別提高294.59%和320.29%。10～20cm土層中，各處理的土壤TN含量較CK均顯著增加，其中M2N2處理提高351.67%，且M1、M1N1、MIN2處理間及M2、M2N1處理間無顯著差異。20～30cm土層中，M2N2處理土壤TN含量最高，較CK顯著增加346.67%，M2N1、M2、M1N2、M1N1、M1處理較CK分別增加163.33%、183.33%、236.67%、146.67%、153.33%。

2.1.3對土壤C/N的影響

如表3所示，與CK相比．0～5cm土層M2和M2N2處理的土壤C/N比顯著降低，且M1N1和M2N1處理間差異顯著。5～10cm土層中，M1N1、M2、M2N1和M2N2處理較CK顯著降低土壤C/N比，其中M1N1和M2N1處理間存在顯著差異。與CK相比，6個有機肥處理均顯著降低了10～20cm土層的C/N，其中M1N1處理顯著低于M1N2、M2、M2N1處理，但M1N2、M2、M2N1處理間差異未達顯著水平。最深層土壤中，6個有機肥處理的土壤C/N比均顯著低于CK，其中M1N1處理最低，為4.64，而其他5個有機肥處理之間無顯著差異。

2.2長期施用有機肥對不同土層土壤腐殖質組分的影響

2.2.1對土壤水溶性物質（WSS）的影響

由圖1可知，0～5cm土層中，與CK相比，6個有機肥處理的WSS含量均顯著增加，其中M2N2處理最高，為0.44g/kg，較CK提高134.79%。5～10cm土層中，與CK相比，除MIN2處理外，其他5個有機肥處理均顯著提高WSS含量。10～20cm和20～30cm土層中，6個有機肥處理的WSS含量均顯著高于CK。總之，0～5、5～10、10～20、20～30cm土層中，M2N2處理的WSS含量最高，與CK相比分別提高134.79%、124.30%、275.80%、126.38%，M1、M1N1和MIN2處理間及M2和M2N1間差異均不顯著。

2.2.2對土壤可提取腐殖物質（HE）的影響

由圖2可知，各有機肥處理的土壤可提取腐殖物質含量較CK均顯著提高。0～5cm土層中，M1N1和MIN2處理間差異顯著，M2、M2N1、M2N2處理間差異不顯著。5～10cm土層中，M1N1和M1N2處理間差異不顯著，M2N1和M2N2處理間差異顯著。10～20cm土層中，M1和M2處理間及M1N2和M2N1處理間可提取腐殖物質含量差異均不顯著。20～30cm土層中，M2N2處理的可提取腐殖物質含量最高，達6.62g/kg，M1、M1N1、M1N2和M2處理間差異不顯著。總之，各土層M2N2的可提取腐殖物質含量最高，從上到下依次較CK分別顯著提高98.53%、123.06%、116.37%、113.51%。

2.2.3對土壤胡敏酸含量的影響由圖3可知，在各土層中，與CK相比，6種有機肥處理的土壤胡敏酸含量均顯著提高，其中，0～5cm土層中，M1N2處理的胡敏酸含量顯著低于其他5種有機肥處理，而其他各處理間無顯著差異。10～20cm和20～30cm土層中，M2N2處理的土壤胡敏酸含量最高，分別達到5.49、3.61g/kg，較CK分別提高167.66%、120.32%，M1N1和M1N2處理間及M2和M2N1處理間均無顯著差異。

2.2.4對土壤富里酸含量的影響由圖4可知，0～5cm土層中，與CK相比，6個有機肥處理的土壤富里酸含量顯著增加。5～10cm土層中，M1、M1N1、M2和M2N2處理的土壤富里酸含量顯著高于CK。10～20cm土層中，與CK相比，M1、M2和M2N2處理顯著增加土壤富里酸含量，M1N1和M2N1處理則顯著降低土壤富里酸含量。20～30cm土層中，M1N2、M2N1和M2N2處理的土壤富里酸含量較CK顯著增加，而M1、M1N1、M1N2和M2處理間則無顯著差異。

2.2.5對土壤胡敏素含量的影響從圖5看出，在各土層中，與CK相比，6個有機肥處理均顯著提高土壤胡敏素含量。0～5cm土層中，MIN1、M1N2與M1處理的土壤胡敏素含量無顯著差異，同時，M2、M2N1和M2N2處理間也無顯著差異。5～10cm土層中．M1和M2處理間及M2N1和M2N2處理間土壤胡敏素含量均無顯著差異。10～20cm土層中，M1和M1N1處理及M2N1和M2N2處理的土壤胡敏素含量無顯著差異。20～30cm土層中，M2N1處理的土壤胡敏素含量最高，為10.42g/kg，較CK提高159.07%，而M1、M1N1、MIN2和M2處理間無顯著差異。

3討論與結論

3.1土壤有機碳、全氮含量對長期施用有機肥的響應

土壤有機質作為土壤的肥力核心，對土壤的物理、化學和生物特性的重要影響已被廣泛認識。本研究結果表明，與CK相比，單施有機肥或配施氮肥處理均可顯著增加0～20cm土層土壤有機碳含量，這與前人研究的長期施用有機肥或與化肥配施可提高土壤有機質及其組分含量的結果一致。此外，2hu和Yang等的研究也表明，有機肥會提高土壤固碳能力。出現這一現象的原因可能是，首先，豬糞含碳量較高，添加到土壤后可以直接增加有機碳含量：其次，長期單一施用有機肥或與氮肥配施會促進作物生長，從而增加作物殘茬和根系分泌物，向土壤中增加大量的外源有機碳；此外，增強有機碳的固定有利于形成土壤團聚體，從而促進對土壤有機碳的保護。并且M2、M2N1和M2N2處理的有機碳含量高于M1、M1N1和M1N2處理，其中M2N2處理在深層土壤的有機碳積累量最高，這主要是因為豬糞作為農業生產中重要的碳源，高量豬糞的輸入有利于促進土壤有機碳積累。因此，合理施肥是提升土壤有機質水平的必要條件。

氮在農業生態系統中對提升土壤肥力、作物產量和減緩氣候變化具有重要作用。前人研究表明，長期施肥有利于提高農田全氮的積累量，尤其是有機肥配施化肥。本研究中，與CK相比，單施有機肥或與氮肥配施處理各土層全氮含量均提高，并且單施高量有機肥或配施氮肥處理的土壤全氮含量更高，這表明有機肥的施用在提高土壤全氮含量方面具有較好的效果。此外，糞肥對土壤全氮含量的提升具有更大的影響可能與糞肥所含的氮量相關。

土壤C/N比是衡量土壤有機質質量的重要指標，比如分解和硝化，并且可以反映土壤碳氮循環的耦合關系。C/N比變化很大，主要受到土地使用類型和歷史、施肥制度、種植制度以及土壤物理和化學特性影響。本研究中，部分有機肥處理會導致C/N比下降，這與Ma等和Tian等的研究結果一致。這可以提高土壤中無機氮的積累量，并且會使微生物群落的營養基質發生改變。

3.2土壤腐殖質組分對長期施用有機肥的響應

土壤腐殖質是土壤有機碳庫的重要組成部分，在提升土壤結構和質量方面發揮關鍵作用。從本試驗結果可以看出，與CK相比，單施有機肥或有機肥與化肥配施會提高各土層土壤水溶性物質含量，這與孫瑩等的研究結果類似。王薇等研究表明，單施有機肥或與無機肥的長期配施會促進土壤腐殖質各組分含量的提高。本研究中，長期單施有機肥或與氮肥配施會使土壤胡敏酸和富里酸含量增加，這說明長期單施有機肥或與氮肥配施會增加土壤可提取腐殖物質含量，從而提高土壤肥力：并且在10～20cm土層中M1N1和M2N1處理的FA含量較CK顯著降低，這可能是因為高低量有機肥分別配施低氮肥有利于促進FA向HA的轉化，從而降低FA積累量。施用有機肥是促進腐殖質積累和提高土壤肥力的有效途徑，并且會隨著有機肥施用量增加而增加，這與姚鐵等的研究結果相似。

綜上所述，長期施肥有利于提升土壤有機碳和全氮積累量，其中，M2N2處理的土壤有機碳和全氮積累量最高，其各土層有機碳含量較CK分別提高238.91%、255.83%、247.64%和164.62%；其各土層全氮含量較CK處理分別增加294.59%、320.29%、351.67%和346.67%，表明M2N2處理是提升土壤有機碳和全氮積累量的最優處理。長期施肥后，土壤水溶性物質、可提取腐殖物質和胡敏素含量有所提高，而施用有機肥處理有利于提高胡敏酸含量，其中高量有機肥（60t/hm2）配施高量氮肥（276kg/hm2）效果最好。