不同有机物料对苏打盐化土有机碳和活性碳组分的影响

郭军玲，金 辉，郭彩霞，王永亮，杨治平*

（1 山西省农业科学院农业环境与资源研究所/土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原 030031；2 山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原 030006）

我国盐渍化土壤面积约3.6 × 107hm2，主要分布在华北、东北、西北内陆地区和长江以北沿海地区[1]。山西省地处黄土高原半干旱区，是我国内陆盐渍土主要分布区之一，面积达2.74 × 105hm2，以大同盆地面积最大。盐渍土作为我国重要的后备耕地资源，土壤碱化度高、理化性状差及土壤肥力低，是制约其分布区农业可持续发展的主要障碍因素[2]。随着人口增加与土地资源紧缺之间矛盾的日益凸显，盐渍土等障碍土壤的改良利用，已成为当前我国农业发展中亟待研究和需要解决的重要问题。

大量研究表明，施用有机物料可有效降低盐渍土土壤pH和盐分含量，增加土壤有机碳，改善土壤结构及提高作物产量[3-4]。何瑞成等[5-6]研究表明，施用秸秆、牧草和羊粪均能有效改善原生盐碱土土壤结构，提高水稻产量。李莹飞[7]研究发现施用牛粪或鸡粪能显著降低滨海盐土pH和碱化度，提高土壤有机碳含量；曲长凤等[8]在盐碱地上施入风化煤后也发现相似的结果。侯晓静等[9]研究发现，施用农家肥和商品有机肥均能显著提高滨海盐渍土0—30 cm土壤有机碳含量和密度，降低土壤pH，增加了玉米产量。陈伏生等[10]研究表明，泥炭和风化煤均可降低盐碱土pH、提高作物产量。可见，秸秆、农家肥、风化煤、畜禽粪肥等不同有机物料施用对盐渍土均有不同程度的改良效果，然而不同物料改良效果的比较研究则报道较少。有机碳是土壤的重要组成部分，直接影响着土壤的理化性状，是衡量土壤肥力的重要指标[11]；土壤活性碳组分在土壤中移动快、易矿化分解且循环周期较短，能更敏感地反映土壤有机碳的动态变化[12]。土壤有机碳及活性碳组分作为土壤质量评价的重要指标，其含量变化可有效表征有机物料改良盐渍土的效果。山西省风化煤储量丰富、有机肥资源多、秸秆产量大，开展风化煤、有机肥、秸秆等有机物料对盐渍土的改良效果研究不仅对盐渍土的改良利用意义重大，同时对其资源化利用也具有重要的实践意义。本文以山西省大同盆地典型苏打盐化土为研究对象，研究风化煤、生物炭、牛粪和秸秆四种有机物料添加对土壤有机碳、活性碳组分及春玉米产量的影响，旨在揭示不同有机物料对盐渍土土壤质量的变化特征，为苏打盐化土改良及有机物料合理资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

田间试验在山西省怀仁县盐碱地改良利用基地开展 (113°14′45″E，39°54′43″N)。该基地位于大同盆地中部，属北温带大陆性气候，四季分明，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。年降雨量360～400 mm，多集中在7、8月份，年均蒸发量1500 mm。该地区年均气温7.3℃，平均日照时数约2850 h，≥ 10℃以上年有效积温约3100℃，无霜期130～150 d。试验区土壤质地为砂质壤土，按盐碱土分类为苏打盐化土；种植制度为一年一熟制，种植作物为饲草玉米，供试品种为‘雅玉8号’，种植密度7.5×104株/hm2。施肥量为当地农户习惯平均施肥量，施用量分别为N 225 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 37.5 kg/hm2。饲草玉米于5月中旬播种，10月底收获。试验开展前地块已实施三年的改良耕作，即前年冬天深松且灌大水压盐，深松深度25 cm，灌水2000 m3/hm2，次年春天旋耕后施肥播种。有机物料试验始于2016年，试验地播前土壤基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验于2016年和2017年定位开展，设对照(CK)、风化煤、生物炭、牛粪、玉米秸秆五个处理，每个处理重复4次，完全随机排列。小区面积70 m2(10 m × 7 m)，小区间保留50 cm隔离间距。对照不施用有机物料，其它有机物料处理按照等有机碳量施入，将各种有机物料施用量折算成有机碳，每年按照9000 kg/hm2有机碳施用。各有机物料于2015和2016年作物收获后立冬前人工均匀撒施，施用后深松并灌水洗盐，深松25 cm，灌水2000 m3/hm2。CK和不同物料处理化肥用量一致，氮、磷、钾纯养分用量分别为270、108和54 kg/hm2，采用肥料类型为缓释肥，各养分均作为基肥一次性施用，施肥后进行旋耕播种。

春玉米于5月初播种，10月初收获，各小区玉米产量单打单收。两年均选用耐盐碱品种璐玉39，种植密度6.75×104株/hm2。播种时地膜覆盖，生育期均采用膜下滴灌的灌溉方式。试验处理除施用有机物料不同外，其它田间管理措施一致。不同物料基本性质及施用量见表2。

1.3 测定项目及方法

2017年春玉米收获后采集土壤样品，每个小区均匀设5个采样点，取样深度60 cm，分0—10、10—20、20—40和40—60 cm四个层次。采集时除去土壤表面的秸秆和枯叶，用土钻分层取样，同层土样混合均匀后采用四分法留取分析样品，同时用环刀采集土壤容重样品。新鲜土样取一部分通过2 mm网筛保存在4℃冰箱内用于测定水溶性有机碳含量；另一部分自然风干后磨碎过筛，用于测定其它指标。

土壤pH利用pH计测定，水土比2.5∶1；土壤电导率 (EC) 利用电导率仪测定，水土比5∶1；土壤碱化度 (ESP) 采用火焰光度计法测定土壤阳离子交换量和交换性钠离子；土壤容重采用环刀法测定；土壤有机碳 (SOC) 采用重铬酸钾氧化外加热法测定；水溶性有机碳 (WSOC) 采用去离子水浸提法测定[13]；土壤易氧化碳 (EOC) 采用高锰酸钾氧化—比色法测定[14]；土壤轻组有机碳 (LFOC) 采用重液浮选法测定[15]；土壤有机碳密度依据以下公式计算[16]：

表1 供试土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in the studied area

表2 供试物料基本性质及施用量Table 2 Basic properties and application rates of organic materials

式中：SOCD为特定深度的SOC密度 (kg/m2)；Ci为第i层SOC含量 (g/kg)；ρi为第i层土壤体积质量(g/cm3)；Ti为第i层土壤厚度 (cm)，n为土层数。

1.4 数据处理

利用Excel 2007处理数据、Graph7.0软件绘图、SPSS16.0软件进行方差分析，LSD方法进行显著性差异检验，采用Pearson检验法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 有机物料对春玉米产量的影响

如图1所示，不同有机物料对春玉米产量影响不同。2016年有机物料处理春玉米产量较CK增加了10.4%～37.7%，2017年增加了11.8%～28.6%。风化煤和牛粪处理2016年产量分别为6104 kg/hm2和6378 kg/hm2，2017年分别为7244 kg/hm2和6929 kg/hm2，均显著高于CK。2016年牛粪处理产量显著高于生物炭处理，2017年不同物料处理间产量差异不显著。总的来讲，施用四种有机物料不同程度提高了春玉米产量，风化煤和牛粪处理增产效果优于生物炭和秸秆处理。

2.2 有机物料对土壤有机碳含量与储量的影响

由图2可知，垂直剖面上各处理土壤有机碳含量表现出相同规律，含量随土层深度的增加而降低。有机物料不同程度提高了0—20 cm土层有机碳含量。0—10、10—20 cm土层SOC含量均以风化煤和牛粪处理较高，分别较CK显著提高 54.8%、36.6%和40.4%、35.6%。20—40 cm土层SOC含量较表层0—20 cm明显下降，风化煤处理显著高于CK，其它处理与CK差异不显著。有机物料对40—60 cm土层SOC含量无明显影响。可见，有机物料对苏打盐化土SOC含量的影响主要表现在0—20 cm表层土壤，以风化煤处理土壤有机碳提高最为明显，牛粪次之，秸秆和生物炭较低。

图 1 不同有机物料处理春玉米产量Fig. 1 Yields of spring maize applied with different organic materials

土壤有机碳密度是衡量和评价土壤有机碳储量的一个重要指标。由图2可知，土壤有机碳密度表现出随土层深度增加而降低的趋势。有机物料不同程度增加了土壤有机碳密度。0—10 cm土层有机碳密度提高10.0%～46.0%，以风化煤处理最高，秸秆处理较低，除风化煤处理外，其它处理与CK无显著差异。10—20 cm土层有机碳密度提高13.4%～31.8%，同样以风化煤处理最高，除生物炭处理外，其它处理与CK差异显著，有机物料处理间差异不显著。20—60 cm土层有机碳密度与CK相比无显著差异。可见，有机物料明显提高0—20 cm土层有机碳密度，以风化煤、牛粪增幅较高，可促进土壤有机碳的累积，增加土壤有机碳储量。

图 2 不同有机物料处理土壤有机碳含量和有机碳密度Fig. 2 Soil organic carbon (SOC) and SOC density in different organic material treatments

2.3 有机物料对土壤活性碳组分含量的影响

由表3可知，有机物料明显影响着土壤活性碳组分含量，垂直分布上土壤活性有机碳组分与有机碳规律相似，即随土层深度增加各组分含量降低。施用有机物料明显提高0—10、10—20 cm土壤活性有机碳组分含量，以10—20 cm土层增幅较大，而对20—60 cm土层影响很小。

0—10和10—20 cm土层WSOC含量分别为74.58～130.24 mg/kg和 69.31～120.69 mg/kg，均表现为牛粪和风化煤 ＞ 生物炭和秸秆 ＞ CK，有机物料处理较CK显著增加37.8%～74.6%和38.0%～74.1%，风化煤、牛粪处理显著高于生物炭、秸秆处理。20—40 cm土层WSOC含量略有增加，但处理间差异不显著；40—60 cm土层WSOC含量无明显变化。

EOC含量明显高于WSOC含量，处理间表现出与WSOC相似的规律。0—10、10—20 cm土层EOC含量分别为0.72～1.36 g/kg和0.74～1.26 g/kg，呈现为牛粪和风化煤 ＞ 生物炭和秸秆 ＞ CK，有机物料处理较CK显著增加39.6%～90.1%和27.1%～69.4%，风化煤、牛粪处理含量显著高于生物炭、秸秆处理。20—40 cm土层EOC含量较CK增加51.5%～81.9%，但处理间差异不显著；40—60 cm土层EOC含量以生物炭处理最高，较CK显著增加。

LFOC含量明显高于WSOC含量、略低于EOC含量。0—10、10—20 cm土层LFOC含量分别为0.66～1.15 g/kg和0.57～1.12 g/kg，呈牛粪和风化煤及秸秆 ＞ 生物炭 ＞ CK变化，有机物料处理较CK显著提高30.6%～74.1%和56.7%～97.0%，风化煤、牛粪、秸秆处理LFOC含量显著高于生物炭处理。20—40 cm土层各处理LFOC含量较CK显著增加38.0%～58.8%；40—60 cm土层LFOC含量变化较小。

2.4 有机物料对土壤活性碳组分比例的影响

土壤活性碳组分分配比例是指活性有机碳含量与有机碳总含量的比值。施用有机物料明显提高了0—20 cm土层活性碳组分分配比例 (表4)。在有机碳总量中，WSOC占比较低，EOC、LFOC占比较高。在0—10、10—20 cm土层，WSOC占比为2.1%～2.7%，有机物料处理的较CK分别增加0.17～0.58、0.43～0.56个百分点，不同物料间差异不显著，只有牛粪处理的占比显著高于CK。EOC在有机碳中的占比在0—10、10—20 cm土层分别为20.6%～27.4%、22.9%～28.7%，有机物料处理较CK增加了1.67～6.83、1.71～5.80个百分点，以牛粪处理最高，风化煤其次，较CK均显著增加。LFOC的占比范围分别为18.8%～26.2%、17.5%～25.5%，有机物料处理较CK增加0.34～7.39、6.41～8.00个百分点，以秸秆和牛粪 ＞ 风化煤和生物炭 ＞ CK，秸秆处理显著高于CK。有机物料对20—60 cm土层活性碳组分分配比例影响很小，处理间差异不显著。可见，施用有机物料提高了活性有机碳的比例，改变了土壤有机碳质量，对活性碳组分所占比例的影响主要在0—20 cm土层。

表3 不同有机物料处理各土层土壤水溶性有机碳、易氧化有机碳和轻组有机碳含量Table 3 Contents of water-soluble, easy oxidizable and light fraction carbon in soils applied with different organic materials

2.5 有机物料对土壤pH、电导率 (EC) 和碱化度(ESP) 的影响

如图3所示，垂直分布上土壤pH、EC和ESP表现出相似的规律，随着土层深度增加而增加。施用有机物料降低土壤pH、EC和ESP，且主要影响0—20 cm土层，对20—40、40—60 cm土层影响较小或无影响。0—10、10—20 cm土层pH均以风化煤和牛粪处理降低较多，分别降低0.59、0.55和0.53、0.53，与CK差异显著。土壤EC随土层深度增加逐渐加大，0—10、10—20 cm土层均为牛粪和风化煤 ＞ 生物炭和秸秆，牛粪、风化煤处理较CK显著降低23.7%、15.1%和16.7%、18.4%。施用有机物料后，0—10、10—20 cm土层ESP分别降低41.3%～51.6%、22.3%～60.4%，均与CK差异显著。综合分析可知，在降低土壤pH、ESP和调控土壤EC上风化煤、牛粪效果优于秸秆和生物炭。

2.6 土壤有机碳及活性碳组分与盐碱化指标之间的关系

由表5可知，土壤pH和ESP与有机碳及活性碳组分之间均呈极显著负相关，土壤EC与SOC呈显著负相关，与活性碳组分之间的相关性达到极显著水平。可见，SOC及其活性组分可以调控土壤酸碱度和盐分含量，土壤pH、EC和ESP随着SOC和活性碳组分含量的增加而降低，施用有机物料能促进土壤改良利用。SOC与WSOC、EOC及LFOC呈极显著正相关，相关系数分别为0.820、0.862和0.699，说明土壤活性碳组分与SOC含量密切相关，SOC含量很大程度上决定了土壤活性碳组分含量。土壤WSOC、EOC及LFOC之间存在极显著正相关，说明土壤不同活性碳组分之间关系密切、相互影响。

表4 不同有机物料处理各土层水溶性有机碳、易氧化有机碳和轻组有机碳在总有机碳中的占比 (%)Table 4 Percentage of water-soluble, easy oxidizable and light fraction carban in the total organic carban of soils applied with different organic materials

图 3 不同有机物料处理土壤pH、电导率 (EC) 和碱化度 (ESP)Fig. 3 Soil pH, electrical conductivity (EC) and exchange sodium percentage (ESP) applied with different organic materials

表5 土壤有机碳及其活性组分与盐碱化指标之间的相关分析(r)Table 5 Correlation analysis between soil organic carbon, fractions of active carbon and salinity indicators

3 讨论

3.1 有机物料对土壤有机碳含量与储量的影响

有机碳在土壤理化性质及生物学性质方面发挥着重要作用，是土壤质量的重要指标[17]。本试验结果表明，四种有机物料均明显提高了0—20 cm土层SOC含量，这与王玲莉等[18]的研究结果一致。连续两年试验，有机物料本身含有的有机碳输入是其增加的主要原因，另一方面有机物料促进作物生长，使作物残茬和根系分泌物增加，进而增加作物对SOC的输入[9]。风化煤和牛粪处理显著提高SOC含量，可能主要与风化煤能有效降低土壤pH、降低Na+的危害，进而促进作物生长有关[19]；另外风化煤、牛粪均可促进土壤团聚体形成，其物理性保护作用有利于SOC累积[20-21]。土壤有机碳密度是土壤碳储量的重要指标，与汤洁等[22]的研究结果相似，本试验亦表明风化煤、牛粪等有机物料能明显提高土壤有机碳密度。

3.2 有机物料对土壤活性碳组分及分配比例的影响

土壤活性碳组分对植物和微生物具有较高活性，不仅对耕作措施反应敏感，而且在调节土壤养分转化方面发挥着重要作用[23]。本试验结果表明，有机物料提高了土壤活性碳组分含量。风化煤、牛粪处理提高土壤WSOC、EOC效果最为显著，其主要原因可能是，风化煤、牛粪极大增加了SOC输入，提高了土壤微生物活性，加快有机物的分解和转化，而分解的有机物及腐解物中含有多种活性碳组分，同时根系分泌的活性碳组分也增加，明显提高其含量[23-25]。秸秆处理LFOC含量较高，这主要与秸秆的高碳氮比能够加速新鲜秸秆的腐解转化有关[26]；生物炭稳定性高，不易矿化降解，因此土壤活性碳组分均较低。

土壤活性碳组分分配比例能够消除SOC含量差异对活性碳的影响，更能反映不同管理措施下SOC质量和稳定程度。李新华等[23]指出，土壤活性碳组分比例越高表示土壤碳有效性越高，易矿化分解，反之则表示土壤碳稳定性高，不易矿化利用。本研究结果表明，施用有机物料可提高0—20 cm土层活性碳组分分配比例，这可能与有机物料输入为土壤微生物提供充足碳源，加快土壤活性碳积累有关[24,27-28]。前人研究表明，风化煤和牛粪均能加快有机碳的矿化分解[6]、增加作物凋落物和根系分泌物[8-9]，提高WSOC和EOC含量，这可能是本研究中牛粪和风化煤处理土壤有机碳中WSOC、EOC占比较高的主要原因。新鲜秸秆极大提高了土壤LFOC含量，导致土壤LFOC占比以秸秆处理最高，而生物炭较为稳定，因此生物炭处理对土壤活性碳组分的占比影响不大，黎嘉成等[29]、王梦雅等[30]也获得了相似的研究结果。

3.3 有机物料对土壤pH、EC和ESP的影响

土壤pH、EC和ESP是衡量盐渍土盐碱程度的重要指标[2]。本试验结果表明，施用有机物料明显降低0—20 cm土层pH、EC和ESP，其中以风化煤和牛粪处理效果最佳。主要原因是，风化煤含有大量酸性功能团使其具有较高的阳离子交换量，能够吸附和交换土壤中的钠离子来降低土壤pH和盐分含量[21,31]；牛粪可提高盐渍土的脱盐抑盐能力，通过离子交换降低土壤pH值，减少可溶性盐基离子含量[32]。秸秆含有大量难分解的纤维素、半纤维素和木质素；生物炭具有较高的pH值，使得其在降低土壤pH值和盐基离子含量方面效果较差差[33]。改良后土壤EC值较背景值大幅度降低，也与二者土样采集时期不同有关。背景值是2016年春播前土样测试结果，春季地表水分蒸发增强，土壤盐分随毛管水上升积聚到表层，EC测定值较高；而改良后土壤EC值是2017年秋季的测试结果，有机物料改良作用使EC降低，且夏秋季节较高的降雨量也促进表层盐分向下迁移，导致表层土壤EC大幅降低。

相关性分析结果表明，SOC及其活性组分与土壤pH、EC和ESP呈显著 (P＜ 0.05) 负相关。说明SOC与其活性组分可调控土壤酸碱度和盐分含量，施用有机物料能促进盐渍土的改良利用，这与韩剑宏等[28]研究结果一致。SOC与活性碳组分呈显著正相关，说明土壤活性碳组分很大程度上依赖于SOC含量；活性碳组分之间的显著相关性说明不同活性碳组分相互联系、相互影响，能够很好地反映土壤有机碳的变化情况[26,34]。

4 结论

风化煤、生物炭、牛粪和秸秆均能明显提高0—20 cm表层有机碳含量，提高水溶性有机碳、易氧化态有机碳和轻组有机碳在土壤活性碳中的占比，提高有机碳的质量。同时降低土壤pH、EC和ESP，提高春玉米产量。与生物炭和秸秆相比，牛粪和风化煤处理具有较高的WSOC/SOC、EOC/SOC和LFOC/SOC，且土壤pH、EC和ESP降低程度更加明显，春玉米增产效果更加显著。SOC及活性碳组分与pH、EC和ESP呈显著负相关，表明有机物料改良苏打盐化土与SOC及活性碳组分含量提高有关。综上可知，风化煤、牛粪对内陆苏打盐化土改良效果较好。