长期施用有机肥对草甸碱土碳库管理指数的影响

2013-12-17周连仁孟庆峰马献发

水土保持通报 2013年5期

周萌，周连仁，孟庆峰，马献发

（东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨150030）

盐碱土作为一种潜在耕地的后备土壤资源，存在巨大的开发潜力。东北地区是我国土地盐碱化最严重的地区之一，同时也是世界三大苏打盐碱土集中分布区域之一。长期以来国内外许多学者对盐渍土的改良利用开展了广泛深入的研究，但有关长期施用有机肥对盐渍土改良效果的研究并不多见。

土壤有机质在土壤肥力中具有非常重要的作用，它不仅是一种稳定而长效的碳源物质，而且几乎含有作物所需要的各种营养元素，是衡量土壤肥力的重要指标之一［1］。长期以来，许多学者已经在土壤有机质的定量方面做了大量的研究工作，但是，土壤有机质的含量不能很好地反映土壤质量的变化，它只是一个矿化分解和合成的平衡结果，不能反映转化速率等。20世纪70—80年代，一些学者从有机质的分解转化方面入手，对有机质分组进行了更深入的研究，提出了活性有机质的概念。活性有机质即土壤有机质的活性部分，它是指土壤中有效性较高、对植物养分供应有最直接作用、易被土壤微生物分解矿化的那部分有机质［2－4］。土壤活性有机质可以表征土壤物质循环特征，作为土壤潜在生产力和土壤管理措施变化引起土壤有机质变化的早期指标［5］。Lefroy等［6］根据活性有机质建立了活性有机质库容指标（CPI），计算并提出了土壤碳库管理指数（CMI），并认为碳库管理指数能够作为土壤管理措施引起土壤有机质变化的指标。目前，我国对不同土壤碳库和活性有机质的研究都较多，但是对长期定位施用有机肥条件下，土壤中活性有机质的各组分含量和碳库管理指数的研究报道较少。本文基于长期定位实验，探讨长期施用有机肥对草甸碱土活性有机质含量和碳库管理指数的影响，以及活性有机质各组分与总有机质和碳库管理指数的相关性，为草甸碱土改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在黑龙江省大庆市肇州县，东经125°27″，北纬45°7″，地处松嫩平原中部，黑龙江省西部。研究区域气候类型为北温带大陆性季风气候，属第一积温带，年均活动积温2 800℃，无霜期143d，年降水量约457.6mm。其特点是春季多风、少雨、干旱；夏季酷热、多雨；秋季凉爽，易发生早霜；冬季寒冷、干燥。成土母质为更新世末期沉积的黄土状亚黏土，质地黏重。

1.2 试验设计

施用有机肥长期定位试验于1995年实施，有机肥种类为腐熟牛粪，共设置7个处理，分别为：不施牛粪的草甸碱土为对照（CK）、施用牛粪1a（S1）、施用牛粪2a（S2）、施用牛粪5a（S5）、施用牛粪7a（S7）、施用牛粪11a（S11）和施用牛粪16a（S16）。供试作物为玉米。土壤样品于2011年4月采自耕层（0—20cm）。每个处理选择3个样点，混合后采用“四分法”保留土壤样品约为2kg。去除石砾和作物残根等外侵物，通风阴凉处风干后，磨细过0.25mm筛用于测定土壤总有机质与活性有机质各组分含量。

1.3 测定项目与方法

土壤活性有机质各组分的测定选用高锰酸钾氧化法［7］，即分别采用33，167和333mmol／L浓度的KMnO4进行高活性有机质、中活性有机质和活性有机质测定。土壤总有机质（TOM）采用K2Cr2O7—H2SO4氧化法测定。以对照为参考土壤，CMI计算方法如下。

（1）碳库指数（CPI）＝样品总有机质含量（g／kg）／参照土壤总有机质含量（g／kg）

（2）土壤碳的不稳定性，即碳库活度（L）等于土壤中的活性有机质（LOM）与非活性有机质（NLOM）之比：

L＝样本中的活性有机质（LOM）／样本中的非活性有机质（NLOM）

（3）碳损失及其对稳定性的影响可用活度指数（LI）表示：LI＝样本的不稳定性（L）／对照的不稳定性（L0）（4）基于以上指标可以求得碳库管理指数（CMI）：

CMI＝CPI×LI×100

1.4 统计分析

文中数据用SASV 9软件进行分析，采用LSD多重比较法进行处理间差异显著性分析（p≤0.05）。

2 结果与分析

2.1 长期施用有机肥对草甸碱土TOM，NLOM和LOM的影响

土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础，在维持土壤结构，保持土壤水分和供应养分等方面具有重要作用，同时也与全球气候变化密切相关［8］。

从图1中可以看出，与CK相比，连续施用有机肥草甸碱土的总有机质（TOM）和非活性有机质（NLOM）含量均呈上升趋势，在施肥的前5a内TOM含量增长速率较快，之后的增长速率减缓。而活性有机质（LOM）呈现先增加后减少的趋势，施肥5a时达到最高值，之后开始平稳下降。经LSD多重比较可知，除处理S1的TOM与CK间未达到显著性差异外，其他各处理与CK间均达到显著性差异水平（p≤0.05），各处理的LOM和NLOM与CK间均达到显著性差异（p≤0.05）。

图1 长期施用有机肥对草甸碱土总有机质、非活性有机质及活性有机质的影响

2.2 长期施用有机肥对草甸碱土LOM各组分含量

的影响

土壤活性有机质不但能有效反映土壤质量在较大时空尺度上的变化，而且能敏感指示土壤性质的微小变化［9］。因此，研究土壤活性有机质对于建立土地／土壤管理与土壤质量变化及其与生态效应之间的关系具有重要意义［10－11］。

从图2中可以看出，活性有机质各组分含量相比较，低活性有机质含量最高，其次是中活性有机质，高活性有机质含量最低。各处理LOM组分含量具有相同的变化趋势，在有机肥连续施用5a的处理（S5）达到最大，而在之后的11a内几乎都呈缓慢下降状态，最终趋于平稳。在连续施肥的前5a内，各处理LOM组分含量均呈现出不同程度的增长趋势，并与玉米产量趋势相一致，其中MLOM和LOM的增长幅度大于HLOM。经LSD多重比较可知，长期施用有机肥各处理与CK相比都达到显著性差异（p≤0.05），说明长期施用有机肥都能增加草甸碱土的LOM各组分的含量，在施肥5a时对LOM各组分含量的影响最明显。

图2 长期施用有机肥对草甸碱土活性有机质各组分的影响

2.3 长期施用有机肥对草甸碱土CMI的影响

从表1的结果可以看出，各处理LI，CPI和CMI均高于CK。各处理的CPI均大于1，即各处理的总碳含量均有所增加，表明长期施肥有利于有机质的累积。L是指土壤LOM与NLOM的比值，它反映土壤LOM比值和土壤活性，除S16处理外，各处理L均大于CK，表明长期施用有机肥有利于LOM的积累，且能改善土壤质量［12］。各处理CMI与土壤LOM组分含量的有着相似的变化趋势：从施用有机肥1a（S1）到5a（S5）处理CMI呈现上升趋势，并与玉米产量趋势相一致，处理S5的CMI最高，与CK相比增加了287.73，在施用有机肥5a后，随着施用有机肥的年限增长，CMI呈缓慢下降趋势，到施用有机肥16a时，CMI趋于稳定。经LSD多重比较可知，各处理与CK相比都达到差异显著水平（p≤0.05），说明长期施用有机肥都能增加草甸碱土的CMI，且在施肥5a时对CMI的影响最明显。

表1 长期施用有机肥对草甸碱土碳库管理指数（CMI）的影响

2.4 长期施用有机肥对草甸碱土LOM各组分与

TOM和CMI的相关性

各处理LOM组分与TOM和CMI的相关性如表2所示。LOM各组分与TOM的相关性分析表明，MLOM和LOM与TOM均达到了极显著正相关（p≤0.01），相关系数分别为0.71和0.67，而 HLOM与TOM没有显著的相关性。3种LOM与TOM的相关性说明，LOM既区别于TOM又与TOM紧密相连，它们是土壤总有机质的一部分，MLOM和LOM可以更为敏感和直观地指示草甸碱土的土壤质量，而HLOM指示草甸碱土的土壤质量的效果不明显。

LOM各组分与CMI的相关性分析表明，3种LOM与CMI均达到极显著的正相关（p≤0.01），具有很好的统计学意义，这表明CMI也能很好地反映土壤LOM 的变化。LOM，MLOM 和 HLOM 与CMI的相关系数分别为：0.99，0.94和0.87，其中MLOM和LOM比HLOM与CMI的相关性高，这表明MLOM和LOM对土壤LOM的指示效果优于HLOM。

表2 草甸碱土活性有机质与总有机质和碳库管理指数的相关性

3 讨论

通过比较有机肥不同施用年限的各处理LOM组分含量可知，在施用有机肥5a内的各处理LOM组分含量均呈现出增长趋势，其中MLOM和LOM的增长幅度大于HLOM，在施肥5a时达到最高值，施用有机肥5a后，LOM各组分含量缓慢下降，在有机肥施用16a时趋于稳定，而TOM和NLOM呈现逐年增加的趋势。这可能是因为随着施用有机肥的年限增加，最初施肥的5a里LOM很快就达到了峰值，随时间推移，LOM部分转化成为NLOM，因此从施肥5a到施肥16a，LOM各组分含量都呈现下降趋势，并最终趋于稳定。这与倪进治等［13］研究不同有机肥料对土壤生物LOM组分的动态的结果相一致，不同施肥潮土LOM组分经分离后，发现有机物施用后LOM在开始时迅速达到较高值，但是随着时间的推移逐渐下降并趋于稳定。徐明岗等［14］也有类似结果的报道，发现红壤HLOM在开始5a变化较大，10a后趋向于稳定。蔡太义等［15］研究了不同年限免耕秸秆覆盖对土壤LOM和CMI的影响，指出LOM和CMI均在免耕覆盖的前5a随着覆盖年限的延长而升高，5a后则呈逐渐下降趋势。

沈宏等［16］研究认为，CMI可灵敏反映农业生产措施对土壤碳库的影响，汪吉东等［17］研究表明LOM是描述土壤质量和评价土壤管理水平的良好指标，邱莉萍等［18］也认为LOM 可以指示土地利用方式对TOM和CMI的影响，徐明岗等［19］则指出，LOM 和CMI均应成为描述土壤质量和评价土壤管理的良好指标。本研究中LOM各组分与CMI均达到极显著正相关，MLOM和LOM与TOM也有极显著的正相关性，而HLOM与TOM未达到显著性相关。其原因可能在于：TOM只是一个矿化分解和合成的平衡结果，短时期内数量的变化不能得到灵敏的反映［20］，而LOM具有移动快，稳定性差，易氧化，易分解，易矿化，能被微生物直接利用的特点，故与土壤质量的关系更为密切，从而能准确快速地反映长期施用有机肥对土壤碳库的影响和对土壤生产力的变化。相关分析也表明，CMI能很好地反映土壤碳素动态变化的灵敏性和有效性，为培肥地力、增加土壤LOM含量提供了量化依据。本试验各处理LOM组分含量在施用有机肥的前5a内均呈现出不同程度的增加，其中MLOM和LOM的增长幅度大于HLOM。综上，用TOM不能很好评价土壤有机质的质量，而MLOM和LOM及CMI能更为客观地反映土壤质量状况，应成为长期施用有机肥改良草甸碱土的良好评价指标，这与徐明岗等［19］的结论类似。

4 结论

（1）有机肥施用1～5a处理，活性有机质各组分与碳库管理指数呈上升趋势，于第5a达到最高，并与玉米产量相一致；有机肥施用5～16a处理，呈下降趋势，最终趋于稳定。

（2）中活性有机质和活性有机质与总有机质均达到极显著正相关；高活性有机质与总有机质未达到显著性相关。

（3）活性有机质各组分与碳库管理指数均达到极显著正相关。

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