不同施肥措施对白土腐殖质组成的影响①

吴萍萍，王家嘉，李录久

(安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽养分循环与资源环境省级实验室，合肥 230031)



不同施肥措施对白土腐殖质组成的影响①

吴萍萍，王家嘉，李录久*

(安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽养分循环与资源环境省级实验室，合肥 230031)

摘 要：以白土稻区4年大田定位试验为基础，设置2种翻耕深度(10 cm、20 cm，分别标记为T(10)、T(20))和4种施肥措施(单施化肥、化肥+畜禽粪肥、化肥+秸秆还田、化肥+绿肥，分别标记为F、F+M、F+S、F+G)，通过腐殖质组成修改法分别提取表层土壤水溶性物质、胡敏酸、富里酸和胡敏素，研究不同施肥措施对白土腐殖质各组分碳含量的影响。结果表明：单施化肥措施下，翻耕20 cm处理(T(20)+F)土壤总有机碳和腐殖质各组分碳含量均低于翻耕10 cm处理(T(10)+F)，但差异未达显著水平。在翻耕20 cm的基础上增施有机肥能显著提高土壤总有机碳和腐殖质各组分碳含量，增施畜禽粪(T(20)+F+M)、秸秆还田(T(20)+F+S)和增施绿肥(T(20)+F+G)3处理的土壤总有机碳、胡敏酸、富里酸和水溶性物质碳含量较T(20)+F处理分别提高14.57%～30.64%、10.36%～30.57%、0.74%～12.31% 和14.25%～26.80%。增施有机肥显著提高胡敏素碳含量，T(20)+F+M、T(20)+F+S和T(20)+F+G处理较T(20)+F处理提高18.87%～35.78%。4年不同翻耕与施肥措施对白土腐殖质性质未产生显著影响。增施有机肥能一定程度上提高土壤PQ值、胡富比、E4/E6值和色调系数。相关性分析表明，胡敏素、胡敏酸、富里酸碳含量与总有机碳含量间均存在显著或极显著正相关，与水溶性物质碳含量间无明显相关性。

关键词：白土；翻耕深度；施肥措施；腐殖质组分；性质

腐殖质是土壤有机质的重要组成部分，在碳截获、固定方面发挥着重要的作用[1]。了解腐殖质形态组成的变化有助于阐明土壤有机碳的稳定性。腐殖质对土壤肥力有很大影响，能够增加土壤吸收性能，促进土壤结构体的形成。目前对红壤、黑土、棕壤等类型土壤腐殖质组成已进行较多的研究，如史吉平等[2]对红壤和潮土的研究表明，长期施用有机肥、化肥或有机无机肥配施均能提高土壤腐殖质含量，施有机肥或有机无机肥配施可增加腐殖质的胡富比。王薇等[3]发现，长期施用有机肥可提高盐化潮土胡敏酸和富里酸的含量，而施用化肥效果不明显，有机无机肥配施比单施有机肥或化肥更有利于胡富比的提高。刘小虎等[4]研究表明，施用有机肥可提高棕壤腐殖酸含量和胡富比，而施化肥和有机无机肥配施胡富比却下降。以上结论均为长期试验的结果，而对短期不同农田措施对白土腐殖质影响的研究则相对较少。

白土主要分布于安徽、江苏等省，是我国南方主要低产土壤类型之一，由于发生强烈的黏粒机械淋洗和活性铁锰的淋溶作用而形成白土层，具有表层土壤粉砂含量高，犁底层黏化现象，同时伴有物理性状差，耕层浅薄，有机质含量低等特性。李恋卿等[5]分析江苏太湖地区白土1 m厚度的碳库储存为6.77 kg/m2，显著低于黄泥土和乌泥土，有机碳匮乏是白土主要的肥力限制因子[6]。低产白土常通过翻耕及增施有机肥等措施来提高表层土壤黏粒含量和有机碳水平。据报道，土壤腐殖质与黏粒矿物结合形成有机物质复合体是腐殖质在土壤中存在的主要方式，有70%～90%的有机质与矿物质结合在一起[7]。Bird等[8]研究发现，随着土层深度的增加，黏粒含量逐渐增加，碳的固定量亦随之增加。还有研究指出，增施有机物料是维持和提高土壤腐殖质的一种有效措施，通过腐殖质与矿物质的结合增加土壤碳的稳定性，对提高土壤有机碳固存、减缓大气CO2的急剧增加有着重要的作用[9]。但是翻耕和施肥对白土腐殖质碳含量、组成和性质的具体影响尚不明确。本文以白土稻区4年定位试验为基础，研究不同翻耕深度与施肥措施对白土腐殖质组分碳含量和性质的短期效应，探讨白土稻田土壤腐殖质不同组分碳含量及与总有机碳含量之间的相关性，以期为阐明白土固碳特性，提高白土肥力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

定位试验于2011—2014年在安徽省长丰县进行。该地气候类型为亚热带湿润季风气候，年平均气温15～16 ℃，土壤类型为白土，发育于下蜀黄土母质，耕作制度为水稻-小麦轮作。试验开始前土壤的基本理化性状为：全氮0.658 g/kg，有机质10.9 g/kg，碱解氮62.3 mg/kg，速效磷5.17 mg/kg，速效钾96.1 mg/kg，pH 5.68，体积质量(容重)1.43 g/cm3。

1.2 试验设计

试验以水稻季为研究对象，设5个处理：①翻耕10 cm + 化肥(T10+F)；②翻耕20 cm + 化肥(T20+F)；③翻耕20 cm + 化肥 + 畜禽粪肥(T20+F+M)；④翻耕20 cm + 化肥 + 秸秆(T20+F+S)；⑤翻耕20 cm +化肥 + 绿肥(T20+F+G)。每个处理3次重复，小区面积为20.0 m2，完全随机区组排列。小区采用人工翻耕，用不同大小型号的铁锹翻地10 cm或20 cm并整平。水稻生长季各处理氮、磷、钾化肥施用量相同，分别为N 180、P2O590和K2O 120 kg/hm2。氮肥为尿素，磷肥用过磷酸钙，钾肥用氯化钾，其中70% 的氮肥和全部的磷、钾肥作为基肥在播种前施入，30%的氮肥于分蘖期追施。T20+F+M、T20+F+S和T20+F+G 3个处理在化肥施用的基础上增施不同来源的有机肥，其中秸秆为上一季小麦秸秆，绿肥为紫云英。畜禽粪便和绿肥的施用量为鲜重22 500 kg/hm2，秸秆为干重3 000 kg/hm2。每年试验开始前采样分析畜禽粪肥、秸秆和绿肥的N、P2O5和K2O含量，其中畜禽粪肥分别为4.5、2.9、4.4 g/kg(4年平均值，下同)，麦秸分别为6.1、2.7、5.8 g/kg，绿肥分别为4.8、1.3 和3.4 g/kg。水稻秧苗采用半旱秧田育秧，5月中上旬播种，6月上旬移栽，10月初收获。栽插密度25.5万穴/hm2，水稻品种为两优培九。小麦生长季各处理只施化肥，施肥量均为N 200、P2O590和K2O 90 kg/hm2。田间管理措施与当地农民习惯一致。

1.3 样品采集及测定

2014年水稻收获期采集各小区0～10 cm表层土壤，随机选取5个点，组成混合土样，带回实验室后剔除其中的植物残体和石块等，室内自然风干后过60目筛备用。

土壤腐殖质的提取和分组参照窦森等[10]的腐殖质组成修改法，提取出的水溶性物质(WSS)和胡敏酸(HA)中碳含量采用TOC分析仪(德国耶拿Multi N/C 2100)测定，土壤总有机碳(TOC)和胡敏素(HM)中的碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[11]。富里酸(FA)中的碳含量采用差减法CFA= TOC-CWSS-CHA-CHM计算，其中富里酸与胡敏酸之和称为腐殖物质(HE)。本研究中水浮物(WFS)含量较少，因此忽略不计。

胡敏酸可见光谱特征测定：分别测定胡敏酸溶液在400、465、600和665 nm波长下的吸光值[12]，计算E4/E6比值和色调系数Δlog K，其中E4/E6比值= K465/K665；Δlog K=log K400-log K600。

1.4 数据处理

试验数据用Excel、SPSS等软件进行统计分析。各处理间比较采用One-way ANOVA分析，差异显著性分析用Duncan 法，相关性分析采用Pearson双侧显著检验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥措施对白土总有机碳及腐殖质组分有机碳含量的影响

由表1可见，施肥措施显著影响白土稻田表层土壤总有机碳含量。单施化肥措施下，翻耕20 cm的T20+F处理表层土壤总有机碳含量表现出下降趋势，较翻耕10 cm的T10+F处理降低8.44%，但差异未达显著水平(P＞0.05)。在翻耕20 cm的基础上增施有机肥能显著提高土壤总有机碳含量，T20+F+M、T20+F+S 和T20+F+G 处理较T20+F处理分别提高14.57%、30.64% 和26.58%，较T10+F处理分别提高4.90%、19.62% 和15.90%，差异均达显著水平(P＜0.05)。3种有机培肥措施中，秸秆还田和增施绿肥处理对白土有机质的提升效应优于增施畜禽粪处理。

土壤腐殖质各组分中，胡敏素碳含量最高，在5.72～7.76 g/kg，占土壤总有机碳的68.0%～70.9%，其次是富里酸和胡敏酸，碳含量分别为1.47～1.68 g/kg和1.09～1.43 g/kg，占土壤总有机碳的15.3%～17.8% 和12.3%～13.0%，富里酸碳含量略高于胡敏酸。水溶性物质的碳含量较低，仅占1.0%～1.3%，远低于其他腐殖质组分。不同翻耕与施肥措施对腐殖质各组分碳占总有机碳比例的影响较小，各处理间差异不明显。

表1　不同施肥措施对土壤腐殖质组分碳含量及占总有机碳百分比的影响Table 1 Effects of different fertilizations on organic carbon contents in humus components of white soil

各腐殖质组分中，不同施肥措施显著影响白土水溶性物质、胡敏酸和胡敏素碳含量，而对富里酸碳含量影响不明显(表1)。相较于T10+F处理，T20+F处理土壤水溶性物质和胡敏酸的碳含量分别降低1.19% 和4.89%，富里酸碳含量提高1.67%。T20+F+M、T20+F+S和T20+F+G处理的胡敏酸和富里酸碳含量较T20+F处理分别提高10.36%～30.57% 和0.74%～12.31%，胡敏酸的增幅高于富里酸，尤其秸秆还田和增施绿肥处理，胡敏酸碳含量显著高于单施化肥的T20+F处理。不同翻耕与施肥措施间土壤富里酸碳含量差异不显著，均未达显著水平(P＞0.05)。水溶性物质碳含量受施肥措施影响较大，增施有机肥显著提高水溶性物质碳含量，T20+F+M、T20+F+S和T20+F+G处理较T20+F处理提高14.25%～26.80%，其中T20+F+M处理水溶性物质碳含量高于T20+F+S和T20+F+G处理。不同翻耕与施肥措施对土壤胡敏素碳含量的影响较大。T10+F处理的胡敏素碳含量显著高于T20+F处理，增幅达11.46%。在翻耕20 cm的基础上增施绿肥、畜禽粪和秸秆还田显著提高胡敏素碳含量，T20+F+M、T20+F+S和T20+F+G处理较T20+F处理提高18.87%～35.78%，差异均达显著水平(P＜0.05)。

2.2 不同施肥措施对白土PQ值和胡富比的影响

土壤PQ值和胡富比分别表示胡敏酸在腐殖物质中的比例及胡敏酸/富里酸的比值，是衡量土壤腐殖化程度及腐殖质品质的重要指标[13]。由图1可见，翻耕深度对土壤PQ值和胡富比的影响较小。单施化肥时，T20+F处理土壤的PQ值和胡富比较T10+F处理分别降低3.73% 和6.45%，差异未达显著水平

(P＞0.05)。相较于单施化肥，增施有机肥能一定程度上提高土壤PQ值和胡富比。与T20+F处理相比，有机培肥的T20+F+M、T20+F+S和T20+F+G处理PQ值和胡富比分别提高3.51%～8.96% 和6.22%～16.56%，其中T20+F+S处理土壤的腐殖化程度略高于T20+F+M

和T20+F+G处理，表明其富里酸转化为胡敏酸的速率和强度较高，但处理间差异未达显著水平(P＞0.05)。

图1　不同施肥措施对白土PQ值和胡富比的影响Fig.1 Effects of different fertilizations on PQ and HA/FA values of white soil

2.3 不同施肥措施对胡敏酸E4/E6值和ΔlogK的影响

土壤腐殖质的E4/E6值和色调系数ΔlogK值是表征胡敏酸光学性质的重要参数，可用来表征腐殖质的复杂程度[14]。表2表明，白土胡敏酸的E4/E6值为4.48～4.66，ΔlogK值为0.61～0.64。4年不同施肥措施对胡敏酸的光学性质未产生显著影响，增施有机肥处理E4/E6值和ΔlogK值略高于单施化肥处理。单施化肥下，T20+F处理较T10+F处理E4/E6值和ΔlogK值分别低0.59% 和1.45%。相较于T20+F处理，T20+F+M、T20+F+S和T20+F+G处理E4/E6值和ΔlogK的增加幅度分别为3.13%～3.95% 和2.36%～3.98%，但差异均未达显著水平(P＞0.05)。3种有机培肥措施中，T20+F+S处理土壤胡敏酸的光学性质指标略高于T20+F+M和T20+F+G处理。

2.4 腐殖质各组分碳及与总有机碳间的相关性

对土壤总有机碳和腐殖质各组分碳含量进行相关分析发现(表3)，除水溶性物质外，腐殖物质、胡敏酸、富里酸和胡敏素碳含量与总有机碳含量间均呈显著或极显著正相关，相关系数0.519～0.832，其中胡敏素碳含量与总有机碳含量间的相关性最好。各腐殖质组分碳含量中，水溶性物质仅与胡敏素显著相关，而与总有机碳、腐殖物质、胡敏酸和富里酸间均无明显相关性，相关系数为0.434～0.508。胡敏酸、富里酸与腐殖物质碳含量相互间的相关性高于胡敏素与三者间，相关系数分别为0.716～0.928和0.526～0.615。

表2　不同施肥措施对土壤胡敏酸E4/E6值和ΔlogK的影响Table 2 Effects of different fertilizations on E4/E6and ΔlogK values of humic acid of white soil

表3　腐殖质组分有机碳含量间相关性Table 3 Correlation among organic carbon contents of different humus components and total organic carbon

3 讨论

单施化肥措施下，相较于翻耕 10 cm，翻耕 20 cm后土壤总有机碳和腐殖质各组分有机碳含量均表现出一定的下降趋势，原因可能在于白土在表层以下存在一层养分含量较低的白土层，翻耕 20 cm 后与表层土壤混合，使得土壤有机质和养分含量下降；同时，耕作引起土壤扰动，翻耕深度越大扰动程度越深，土壤中易氧化物质如纤维素、半纤维素、氨基酸等大量分解，腐殖质中活性碳数量减少[15]。与试验开始前相比，4年单施化肥处理的有机碳水平也有提高，这可能是因为白土基础地力较低，施肥一定程度上增加稻麦作物的生物量，相应提高了土壤中植物残体和根系的归还量，超过有机碳的分解速率，因此土壤有机碳表现为累积[16-17]。

施入有机肥使得新形成的年轻腐殖质多，有机质的腐殖化程度高，有利于土壤腐殖质的更新和活化以及胡敏酸的积累，进而提高腐殖质的品质[18]。很多研究指出，施用化肥、有机肥或有机无机肥配施均能提高土壤胡敏酸和富里酸含量，但以有机无机肥配施的效果最好，化肥配施则有利于腐殖酸的分解，使之向结构简单的富里酸方向发展[2-4]。本研究中，相较于单施化肥，增施有机肥不同程度地提高白土胡敏酸和富里酸碳含量，且胡敏酸的增幅高于富里酸，从而提高土壤的 PQ 值和胡富比，但差异未达显著水平。这可能是因为：一方面，与以上报道的长期试验相比，本试验年限较短，施入的外源有机碳尚未完全转化成土壤腐殖质；另一方面，供试白土属于低产土，有机质和养分含量较低，白土胡富比为 0.73～0.85，土壤腐殖质以富里酸为主。一般而言，熟化程度好，有机质含量较高的土壤腐殖质以胡敏酸为主[19]，因此短期的培肥措施不足以显著改善白土腐殖质组成和品质。这一点在胡敏酸光学性质的结果中也有体现，4年不同翻耕深度和施肥措施对白土胡敏酸的 E4/E6值和色调系数均未产生显著影响。很多报道指出，秸秆、动物粪便等有机物料有利于促进腐殖质的更新和增强腐殖质活性，提高胡敏酸的光密度，使胡敏酸结构变简单，胡敏酸脂族化和年轻化[4,20-21]。但也有报道指出，有机无机肥配施提高潮土和旱地红壤胡敏酸的 E4/E6比值，而对红壤性水稻土无显著影响[2]。刘小虎等[4]则发现，相较于不施肥，无论施化肥还是有机无机肥配施 E4/E6值均有不同程度的下降，单施有机肥在施肥处理中较高。不同试验结论的差异可能与土壤类型、施肥措施、耕作年限等因素有关。

本研究中，与单施化肥相比，增施有机肥能显著提高白土总有机碳、水溶性物质和胡敏素碳含量。白土腐殖质各组分中，总有机碳的变化主要体现在胡敏素的差异中，其碳含量最高，施肥措施对其的影响较大。胡敏素是土壤中稳定的腐殖质组分，对营养元素(C、N、S 等)的固持和有效性起重要作用[22]。李凯等[19]研究不同类型土壤也发现，胡敏素在腐殖质组成中含量最高，占全碳的 39.4%～72.6%。与不施肥或单施化肥相比，施用有机肥料能显著增加土壤胡敏素碳含量及其组分的数量[23-26]。3 种有机培肥方式中，秸秆还田对白土耕层土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素碳含量的提升效果优于增施畜禽粪和绿肥，而水溶性物质在增施畜禽粪肥处理中最高。倪进治等[27]也有相似结论，与稻草秸秆相比，猪粪更容易被微生物分解利用，因此猪粪处理的土壤中水溶性有机碳显著高于稻草秸秆处理。窦森等[28]指出，秸秆对加强胡敏酸木质素特征贡献较大，而施用猪粪则更有利于胡敏酸的脂族化。本研究中，胡敏素、胡敏酸、富里酸、腐殖物质碳含量与总有机碳含量均存在显著或极显著相关，但均与水溶性物质碳含量无显著相关性，这可能与白土基础地力较低，施肥提高其总有机碳和腐殖质组分碳含量有关，而水溶性物质的碳含量所占比例较小，极易转化和流失，因此与其他组分间相关性不明显。

4 结论

白土稻区4年定位试验结果表明，不同施肥措施对表层土壤总有机碳和腐殖质组分碳含量有明显影响，而翻耕深度的影响较小。相较于单施化肥，增施有机肥能显著提高土壤总有机碳、水溶性物质和胡敏素碳含量，并一定程度上增加PQ值和胡/富比。不同施肥措施对胡敏酸E4/E6和ΔlogK值无显著影响。白土腐殖质以富里酸为主，土壤熟化程度和肥力状态仍处于较低水平，有机培肥长期的改良效果有待于进一步的研究。

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Effects of Different Fertilizations on Humus Components of White Soil

WU Pingping,WANG Jiajia,LI Lujiu*
(Institute of Soil and Fertilizer,Anhui Academy of Agricultural Sciences; Anhui Provincial Key Laboratory of Nutrient Recycling,Resources and Environment,Hefei 230031,China)

Abstract:A four-year field experiment was carried out in paddy field at white soil to study the effects of different fertilizations on carbon contents of soil humus components.The treatments consisted of two tillage depths of 10 cm and 20 cm(T(10),T(20))and four fertilizations of chemical fertilizer(F),chemical fertilizer and farmyard manure(F+M),chemical fertilizer and wheat straw(F+S),chemical fertilizer and green manure(F+G).The water-soluble substance,humic acid,fulvic acid and humic material of white soil were extracted using composition method.The results showed that carbon contents in bulk soil and humic substances in T(20)+F treatment were lower than in T(10)+F treatment.The addition of organic manure with the tillage depth of 20 cm significantly increased the contents of total organic carbon and humus components.Compared with T(20)+F treatment,total organic carbon and organic carbon contents of humic acid,fulvic acid and water-soluble substance in T(20)+F+M,T(20)+F+S and T(20)+F+G treatments were increased by 14.57%-30.64%,10.36%-30.57%,0.74%-12.31% and 14.25%-26.80%,respectively.The addition of organic manure significantly increased organic carbon contents of humic material by 18.87%-35.78% in T(20)+F+M,T(20)+F+S and T(20)+F+G treatments,compared with T(20)+F treatment.Different tillage depths and fertilizations showed no significant effect on humus properties.The addition of organic manure increased PQ values,HA/FA ratio,E4/E6values and ΔlogK to a certain extent.Correlation analysis showed significant or extremely significant positive correlations existed among humic material,humic acid,fulvic acid and total organic carbon,while no correlation with water-soluble substance.

Key words:White soil; Tillage depth; Fertilization; Humus composition; Property

作者简介：吴萍萍(1982—)，女，安徽贵池人，博士，副研究员，主要研究方向为农业资源与环境。E-mail:pingpingwu1982@126.com

* 通讯作者(ljli68@aliyun.com)

基金项目：①“十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAD05B0206)，公益性行业(农业)科研专项(201003016；201503118-02)和安徽省农科院创新基金项目(11C1007；13B1042；15B1013；15A1021)资助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.012

中图分类号：S153.622