连续施用不同比例鸡粪氮对水稻土有机质积累及土壤酸化的影响

汪吉东， 张 辉， 张永春*， 许仙菊， 宁运旺，马洪波， 陈 杰

(1 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所， 江苏南京 210014； 2 中国科学院大学， 北京 100049；3 农业部江苏耕地保育科学观测实验站， 江苏南京 210014)

水稻土是我国四大类型耕地土壤中最为高产稳产的土壤，同时也是受人为活动影响强烈、土壤质量变异最为显著的土壤[1]。最近研究显示，我国农田土壤酸化不断加速，太湖地区的水稻土酸化趋势也很明显[2-3]。

土壤酸化的原因很多，但氮投入及作物生产系统导致的盐基净输出是加速土壤酸化的重要因素[4]。目前，有关施肥对土壤酸化的研究较多。在施有机肥对土壤酸化的影响方面很多研究认为施有机肥通常能缓解土壤酸化[5]。然而不同有机物料其本身的性质不同，施入后对土壤有机质含量、 盐基离子库、 氮循环等影响酸化趋势的作用不同，不同有机物料对土壤pH的影响除与有机物料本身的性质有关外，还和土壤的原始pH值有关[6]。 Tang等[7]研究发现对于中性偏酸的土壤，外源有机物料对减轻土壤酸化危害与土壤的原始pH值的大小和外源有机物料本身的性质都有密切的相关性。

本研究以广泛分布于太湖地区的黄泥土为研究对象，以鸡粪和无机肥料按不同比例配施，研究在有机-无机肥料不同配比条件下，土壤有机质含量、酸化趋势等的变化，并探究有机质含量对土壤酸碱缓冲体系的影响，以期为合理施肥和养分投入的科学管理以及黄泥土的酸度调控提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设6个处理：1)对照(不施肥，CK)； 2)总氮量100%由有机肥提供(M100)； 3)有机肥提供总氮量的75%(M75)； 4)有机肥提供总氮量的50%(M50)； 5)有机肥提供总氮量的25%(M25)； 6)总氮量100%由化肥提供(M0)。每个处理3次重复。小区面积4 m ×5 m，随机区组排列。各处理总施氮量均为 N 270 kg/hm2，施磷量P2O590 kg/hm2， 施钾量K2O 120 kg/hm2，鸡粪不足的磷、钾用过磷酸钙和氯化钾补充，使各处理的氮、磷、钾总量保持一致，具体施肥量见表1。有机肥和磷、钾肥作基肥一次施用，无机氮肥的45%作基肥、 15%作分蘖肥(栽后5 d 施)、 40%作穗肥(倒2.5 叶施)。水稻收获后采集土壤样品进行相关分析。

表1 不同处理的养分及相应肥料投入量(kg/hm2)

1.2 测定项目与方法

土壤活性有机质的测定及碳库管理指数(CPMI)的计算 采用KMnO4浓度为33 mmol/L、167 mmol/L和333 mmol/L 氧化法测定出的三组活性有机质分别称其为高活性有机质、中活性有机质和活性有机质[8]。土壤全量有机质用K2Cr2O7氧化法测定。以对照处理土壤为参照。碳库指数及碳库管理指数(CPMI，Carbon pool management index)等相关指标参照沈宏等[9]的方法计算。

碳库指数(CPI)= 农田土壤有机碳/参考农田土壤有机碳；

碳库活度(A)= 活性碳/稳态碳；

碳库活度指数(AI) = 农田碳库活度/参考土壤碳库活度；

碳库管理指数= 碳库指数×碳库活度指数×100。

土壤主要化学性质的测定方法 pH采用2.5 ∶1水土比电位法；交换性H+、Al3+采用1 mol/L KCl淋洗滴定法；交换性盐基离子以中性乙酸铵浸提，Na+、K+采用火焰光度计法；Ca2+、Mg2+用原子吸收光度法；阳离子代换量(CEC)采用乙酸铵法。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2007处理； 用最小显著法(LSD)检验处理间的差异显著性(P<0.05)； 用Origin8.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤碳及水稻产量的影响

施有机肥或与有机无机配施等增加土壤有机物料的措施，能显著增加耕层土壤有机碳含量。表2表明，经过5年不同配比的有机无机氮肥的施入，各施肥处理的土壤有机质、活性有机质、中活性有机质、高活性有机质含量均高于对照，各施肥处理的有机质含量随有机氮比例的减少而降低，除单施无机氮的处理外，降幅均不大。所有施肥处理中，M75的土壤活性有机质含量最高，分别为M0和CK的1.37和1.68倍，并显著高于M50、M25和M0处理。不同比例有机无机肥配合施用后，土壤的高活性有机质及低活性有机质均高于CK和M0处理，但随着有机肥投入比例的升高，除中活性有机质和水稻产量之间呈显著的正相关外(P=0.0067**)，高活性有机质、活性有机质及总有机质含量与水稻产量之间的相关性不显著(对应的概率值分别为P=0.192，P=0.208，P=0.160)，由于不同活性有机质受有机质分解和转化的影响，其与水稻产量间的相关性差异及其相关机理尚需进一步研究。

表2 不同施肥处理对土壤活性有机质、碳库管理指数及水稻产量的影响

碳库管理指数(CPMI) 是反映土壤管理措施引起土壤有机质变化的指标，是土壤碳变化系统的、敏感的监测方法，能够反映农作措施使土壤质量下降或更新的程度[10-11]。从表2可以看出，M75处理的土壤其碳库管理指数最大，分别比M0和CK提高39%、84%，但随有机肥施用比例的下降而逐渐减小。沈宏等[9]研究认为，长期施用有机肥或有机肥和氮磷钾矿质肥料配合施用，有利于土壤总有机碳、活性碳、微生物碳和矿化碳含量的提高。这与本研究的有机无机氮肥配施对提高土壤活性有机碳含量和碳库管理指数的作用大于单施化学氮肥的结果是一致的。

2.2 不同施肥处理对水稻土土壤酸度的影响

2.2.1 对土壤主要阳离子、pH值和CEC的影响 随着有机肥施用比例的增加，各施肥处理的土壤交换性盐基离子均呈上升趋势，交换性Al3+呈下降趋势，交换性H+的趋势不明显(表3)。各处理盐基离子含量的变化不一致，有机肥比例小于50%的处理其交换性Ca2+小于对照；有机肥比例为50%时的交换性Mg2+含量为对照的92.5%；而Ca2+含量高于对照；有机肥比例大于50%时，交换性Ca2+、Mg2+、K+、Na+含量均高于对照，表明增施有机肥有利于土壤盐基离子的保蓄。

表3 不同有机无机氮处理对土壤主要阳离子、pH值和CEC的影响

各施肥处理的土壤阳离子代换量(CEC)也随有机肥比例的增加而提高。M75、M100两个处理的CEC显著高于其他施肥处理和对照；M0的土壤CEC最低。不同处理土壤CEC和pH值呈显著正相关(R2=0.774)，随着化肥施用比例的上升，各施肥处理的pH呈显著下降趋势，其下降幅度与无机氮的比例量呈显著线性相关(R2=0.998**，F值1473.64)。表明有机肥对缓解盐基离子的淋失和提高土壤阳离子交换量有显著作用；单施或偏施化肥则容易导致盐基离子淋失和交换性Al3+含量的上升，从而使阳离子交换量下降，土壤潜在性酸化加剧。

2.2.2 土壤活性有机质和盐基离子含量及土壤酸度之间的相关性 表4显示，土壤总有机质、活性有机质及其组分与交换性盐基的相关性差异很大。总有机质含量与各交换性盐基离子含量、盐基总量、阳离子交换量及土壤pH值均呈显著的正相关关系。活性有机质含量及碳库管理指数仅与交换性K+、Na+离子含量及土壤pH值显著相关，高活性有机质含量则仅与交换性Na+含量及pH显著相关。表明在一定的土壤pH范围内，相对于活性有机质，土壤的pH值和总有机质含量的相关性更强。

不同比例的有机无机肥配施，除通过增加碳的输入外，还可通过影响土壤性质而影响土壤的碳库平衡[12-13]。本研究显示，土壤pH值与土壤碳及其各组分含量、碳库质量显著相关； pH值和高活性有机质、活性有机质、总有机质含量及碳库管理指数的相关系数分别为0.834、0.903、0.863、0.874。由此可知，不同施肥对土壤有机质分解矿化、腐殖化的影响差异可能还与pH对土壤-作物系统碳分配和土壤碳矿化以及土壤呼吸的变化有关，在农田碳循环研究中应予以充分关注。

表4 土壤活性有机质和盐基离子含量及土壤酸度之间的相关性

2.3 土壤酸碱缓冲容量与有机质含量

图1 不同施肥土壤的酸碱滴定曲线Fig.1 Tilting cures of different treatments

图2 不同施肥处理土壤酸碱滴定曲线突跃范围内的线性拟合Fig.2 Titling cures and liner regressions between soil pH and H+ amendment rate

对不同处理土壤酸碱缓冲容量与土壤CEC、土壤有机质、活性有机质及其组分含量进行相关分析(表5)表明，土壤酸碱缓冲容量与阳离子代换量、高活性有机质及活性有机质含量呈显著正相关，显示连续施用不同配比的有机无机肥，土壤酸碱缓冲容量受土壤盐基离子的累积及有机质和活性有机质的影响，土壤有机质和活性有机质的提升及盐基离子的累积是导致土壤酸碱缓冲容量上升的重要因素。

表5 土壤酸碱缓冲容量与土壤CEC及有机质的相关系数(皮尔逊单侧显著检验)

3 讨论

3.1 不同有机-无机肥料配比对水稻产量及水稻土有机质含量的影响

施肥处理总有机质及活性物质含量均高于对照，有机肥对提高土壤总有机质、活性有机质含量的作用大于化学氮肥。这是由于土壤有机质主要来源于作物根茬与有机肥源，因而与生物量的增加也有关，且单施化肥处理土壤碳的矿化损失大大高于配施有机肥处理[17]。结合水稻产量来看，单施化肥处理其土壤的有机质含量仅略高于对照而小于配施有机肥的处理。有机无机肥配合施用增加了土壤的活性有机质含量，提高了土壤的碳库管理指数。其中75%的有机氮处理的活性有机质含量和碳库管理指数最大，也揭示了有机无机肥配施是提高土壤有机质含量及质量的最佳方式。

土壤不同活性有机质是描述土壤质量和评价土壤管理的良好指标。徐明岗等[18]的研究表明，作物的产量与中活性有机质和活性有机质极显著相关，而与高活性有机质、总有机质相关性不显著，本研究中仅中活性有机质含量与作物产量显著相关，其他组分的有机质及总有机质与作物产量相关性不显著，且不同活性有机质中，仅有活性有机质与碳库管理指数达到极显著的相关性，但总有机质含量与各交换性盐基离子含量、盐基总量、阳离子代换量及土壤pH值的相关性则高于与活性有机质含量及碳库管理指数，表明单独以活性有机质这一指标来表征土壤质量和评价土壤管理尚需商榷，而将活性有机质结合总有机质进行考虑可以更加全面地反映土壤生产力状况及土壤酸碱的变化。

3.2 不同有机-无机肥料配比的土壤酸化趋势及其影响因素

通常有机物料对土壤酸度的影响与有机肥施入土壤后的行为有关，有机肥可能通过有机质分解释放碱性物质或有机阴离子矿化为CO2和水消耗质子使土壤pH 值升高，进而减弱土壤渗滤液的酸化效应[19]。已有研究表明，施用有机肥对土壤酸化的影响与有机物料的性质及土壤的初始pH有关[5，20]。本试验中，土壤酸度随鸡粪施用比例的上升而呈下降趋势，这与葛晓光等[21]的研究结果相一致。研究发现土壤的酸碱缓冲容量与土壤有机质含量呈显著的正相关，该结果与Tarklson 等[22]的研究结果相符，但与汪吉东等[23]在石灰性潮土上的研究结果不一致，其原因可能与不同试验土壤所处的缓冲体系不同有关[24]，在以碳酸盐为主导的缓冲体系下，有机质含量的变化对土壤酸碱缓冲能力的影响较弱，而对处于硅酸盐与盐基离子缓冲体系下的土壤，有机质含量则是影响土壤酸碱缓冲容量的重要因素。

4 结论

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