秸秆和硫酸铝对淡黑钙土有机矿质复合体及有机碳分布的影响

2017-06-05赵兴敏刘楠郭欣欣王鸿斌隋标赵兰坡

农业环境科学学报 2017年5期

赵兴敏，刘楠，郭欣欣，王鸿斌，隋标，赵兰坡*

（1.吉林农业大学资源与环境学院，吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，长春 130118；2.Faculty of Engineering and Green Technology,University Tunku AbdulRahman,Kampar 31900）

赵兴敏1，刘楠1，郭欣欣2，王鸿斌1，隋标1，赵兰坡1*

以吉林省典型土壤淡黑钙土为研究对象，采用室内恒温培养法研究在不同秸秆和硫酸铝添加量下，淡黑钙土中有机矿质复合体的含量及有机碳在其中的分布，探讨有机矿质复合体对淡黑钙土固碳的贡献。结果表明：对于秸秆和硫酸铝添加的所有处理，复合体含量均表现为G1（钠分散组）＞G0（水分散组）＞G2（钠质研磨分散组）；与对照相比，秸秆和硫酸铝添加使得淡黑钙土中G0组复合体的含量降低，G2组复合体的含量明显上升，而对G1组复合体的含量影响不大。单位质量复合体中有机碳的含量大小表现为G2＞G0＞G1，G2组复合体中的有机碳含量最高（平均含量为95.92 g·kg-1），约为单位质量G0组和G1组复合体中有机碳含量的3倍，G0组（平均含量为33.89 g·kg-1）略高于G1组（平均含量为32.25 g·kg-1）。秸秆和硫酸铝添加均有助于提高G0组复合体中有机碳的含量；而G1组复合体有机碳含量的变化主要受秸秆添加量的影响，随着秸秆添加量的增加，G1组复合体有机碳含量增加；秸秆对G2组复合体中有机碳含量的提高具有促进作用，而硫酸铝的影响则相反。各组复合体对淡黑钙土固碳的贡献率取决于土壤中复合体的含量及单位质量复合体中有机碳的含量，其对固碳贡献的大小顺序为G1＞G0＞G2；有机矿质复合体（G0+G1+G2）质量仅占淡黑钙土质量的约四分之一，但其对于淡黑钙土固碳的贡献却为61.96%～73.56%。

淡黑钙土；秸秆；硫酸铝；有机矿质复合体；土壤有机碳

淡黑钙土是在温带半干旱季风气候区，冬季寒冷漫长、夏季温热短促的特殊气候和母质等条件下形成的一类特殊类型的土壤，是吉林省的主要土壤资源和重要的农牧业生产基地。其主要特征为腐殖质积累过程弱、含量低，碳酸盐积累过程强、含量高，因此其肥力效果相对较差[1]。在农业生产中，提高淡黑钙土肥力的主要措施是向土壤中添加有机物料，通过有机物料的腐殖化，提高有机质含量[2-4]。但单一施用有机物料不能有效降低淡黑钙土的碳酸盐含量和碱度。课题组在以往研究中发现，使用硫酸铝改良剂对降低苏打盐碱土的pH值，促进土壤胶体凝聚具有良好的作用[5-6]。这是由于硫酸铝的水解产物多核羟基铝聚合物、溶胶氢氧化铝及无定形氢氧化铝通过阳离子键桥、氢键合和氢氧化物键桥等机制发挥其吸附固定腐植酸的“桥梁”作用。此外，硫酸铝在溶液中的物理絮凝作用也会促进腐植酸的吸附固定[7]。关于硫酸铝对淡黑钙土的有机质提升作用已经开展了初步研究工作，发现秸秆和硫酸铝改良剂组合添加对于淡黑钙土有机碳的固定具有明显的促进作用，对pH值和碳酸盐含量具有降低作用，而对阳离子交换量有一定的提升作用[8]。秸秆还田后，在适宜的土壤生物化学等作用下逐渐转化形成腐殖质，成为土壤的重要组分，能够提高土壤肥力，促进植物生长。土壤腐殖质与土壤矿物质结合形成有机矿质复合体，是土壤中比较活跃的组成部分，对于土壤结构的形成、土壤水分和养分的保持与供应均具有重要的影响[9-10]。根据胶散分级法，可将土壤有机矿质复合体依次分为水分散组（G0）、钠分散组（G1）和钠质研磨分散组（G2）[11]。由于秸秆和硫酸铝加入淡黑钙土后，这三组有机矿质复合体及其中分布的有机碳如何变化尚不明确，本文在已有研究工作基础上，深入探索在硫酸铝存在时秸秆经腐解后形成的有机质与土壤矿质的作用情况，进而从机理上阐明硫酸铝对淡黑钙土有机碳固定的贡献，以期为淡黑钙土有机质的快速提升，改良培肥新技术、新方法的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为淡黑钙土，于2013年10月7日在吉林省前郭县套浩太乡碱巴拉村（124°40′58.47″E，44° 54′6.17″N）玉米田采集土壤样品，采样深度为0～20 cm，6次重复。土样去除肉眼可见的秸秆等有机残体后风干，过2mm筛备用。供试玉米秸秆为田间自然风干整株秸秆样品，于室内30℃烘干后去除杂物，粉碎并过2 mm筛。经分析玉米秸秆有机碳含量为425.7g·kg-1，全氮为5.3 g·kg-1，C/N为80。供试硫酸铝改良剂为工业硫酸铝，主要成分为Al2（SO4）3·xH2O。淡黑钙土的基本理化性质如表1所示。

表1 供试淡黑钙土的基本理化性质Table 1 Basic physicochemicalpropertiesof the tested lightChernozem

1.2 试验设计

试验共设置16个处理，其变量分别是土壤中添加的秸秆量和硫酸铝量（秸秆或硫酸铝质量占土壤质量的百分比），具体设计见表2。恒温培养试验中，对于每个处理，按照表2的设定量依次向400 g风干淡黑钙土中加入秸秆和硫酸铝，混合均匀后，转移到1300mL的塑料培养瓶中，调整含水量为20%。培养过程中，由于蒸发和土壤的呼吸作用要消耗部分水分[12]，每隔3 d补充水分，保持恒定的含水量，温度恒定为25℃。培养135 d后取出土壤样品，风干，分析土壤有机矿质复合体和其中的有机碳含量。

表2 培养试验设计Table 2 Design of incubation test

1.3 测试分析方法

土壤有机矿质复合体组成测定：G0组复合体的提取参照陈家坊等[13]方法，分离土壤中水分散组复合体；G1组复合体的提取参照傅积平等[14]改进方法；G2组复合体提取采用Edwards等[15]改进方法。各组所得的悬浊液均用稀硫酸聚沉，再用酒精洗涤离心，湿样经风干后称重，并计算各组复合体的含量。土壤及复合体中有机碳含量的测定采用重铬酸钾外加热法[16]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel2013和Origin 8.0软件进行数据统计分析，采用SPSS软件进行差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 秸秆和硫酸铝添加对淡黑钙土各组复合体含量的影响

表3列出了秸秆和硫酸铝添加后土壤各组复合体的绝对含量、相对含量以及对比情况。对单位质量淡黑钙土中各组复合体的含量分析发现：固定秸秆添加量时，随着硫酸铝添加量的增加，G0组复合体含量依次降低；固定硫酸铝添加量时，随着秸秆添加量的增加，G0组复合体含量整体上呈降低趋势。这表明，秸秆和硫酸铝添加使得淡黑钙土中G0组复合体的含量降低。因为G0组复合体是游离的矿质颗粒和小于10μm微团聚体的混合物[17]，硫酸铝和秸秆添加有利于大团聚体而非小团聚体的形成[5-6]。对于只添加秸秆的4组处理S0Al0、S0.5Al0、S1.0Al0和S1.5Al0，G0组复合体含量分别为63.3、63.3、63.9、62.3 g·kg-1，没有显著差异；而对于只添加硫酸铝的4组处理S0Al0、S0Al0.2、S0Al0.4和S0Al0.6，G0组复合体含量分别为63.3、62.3、58.2、57.7 g·kg-1，呈现明显的下降趋势，其中只有后两组差异不显著，其余各组间差异显著。说明硫酸铝添加是造成G0组复合体含量降低的重要原因。G2组复合体含量随着硫酸铝添加量的增加明显提高，随着秸秆添加量的增加也整体呈现显著上升的趋势，即秸秆和硫酸铝添加使得淡黑钙土中G2组复合体的含量显著提升，且二者对于G2组复合体含量增加的贡献基本相当。G1组复合体是钙结合的复合体，秸秆和硫酸铝添加对其影响不大，并没有明显的规律性。已有研究也表明，随秸秆添加量的增加，土壤中非水稳性G0组复合体含量减少，水稳性G2组复合体含量增加，复合体由非水稳性向水稳性转化[18-19]，随着硫酸铝加入量的增加，G0组非水稳性复合体含量减少[20]。由于G2组水稳性复合体是铁铝氧化物结合的复合体，硫酸铝的添加有助于土壤中铁铝氧化物结合形式的复合体生成。与G2组相比较，虽然G0和G1变化幅度不大，但从表3的统计分析结果可以看出，大部分处理与其对照相比均达到了显著性差异。对于所有处理而言，淡黑钙土中各组复合体的含量关系均为G1＞G0＞G2。由于G2组复合体的绝对含量较少，G2组复合体相对于G0组和G1组的增幅较大。在复合体中，G1组复合体含量占绝对优势，占复合体总量的68.4%～71.0%，其次为G0组复合体占24.1%～27.9%，G2组复合体仅占3.5%～6.3%。这是由于淡黑钙土在成土过程中，被淋溶的碳酸钙与土壤腐殖质中的胡敏酸结合，从而使得G1组复合体含量偏高[21-22]，在本研究中G1/ G2均大于10。土壤复合胶体的形成与其稳定性有关，并不完全取决于离子数量。铁铝键与钙键相比要稳定得多，但在本研究中G2组分含量相当低。这可能与土壤中实际情况存在一定的差异，因为分级提取只是一种操作上的概念，在将不同键合状态的腐殖质分离出来过程中存在一定的误差，尤其在淡黑钙土呈碱性的环境下，铁、铝氧化物大多以羟基的形式发生沉淀，在很大程度上也制约着G2组分的形成。

表3 秸秆和硫酸铝添加对淡黑钙土各级有机矿质复合体含量的影响Table 3 Effectofstraw and aluminum sulfate addition on the concentration ofeach organic-mineralcomplex in lightChernozem

与S0Al0相比，秸秆和硫酸铝添加使得各处理淡黑钙土复合体总量均增加。16个处理培养135 d之后，复合体总量变化幅度为230.1～241.5 g·kg-1，增幅为1.69%～4.95%。无论在等量秸秆条件下改变硫酸铝添加量，还是在等量硫酸铝条件下改变秸秆添加量，复合体总量的变化均没有呈现明显的规律性。复合体总质量占土壤质量的23%左右，将近四分之一。

2.2 秸秆和硫酸铝添加后淡黑钙土各组复合体中有机碳的含量

单位质量有机矿质复合体中有机碳的含量反应了各级复合体对于有机碳的固持能力。秸秆和硫酸铝添加后有机碳在淡黑钙土复合体中的分布情况（单位质量复合体中有机碳的含量）见表4。由表4可以看出：对于三组复合体有机碳含量整体而言，G2组复合体中的有机碳含量水平最高（平均含量为95.92g·kg-1），约为单位质量G0组和G1组复合体有机碳含量的3倍；G0组和G1组复合体中有机碳的含量明显低于G2组，且G0组（平均含量为33.89 g·kg-1）略高于G1组（平均含量为32.25 g·kg-1）。已有研究也发现，在各组复合体中，G2组复合体中有机碳的含量最高[23-24]。

在等量硫酸铝添加时，随着秸秆添加量的增加，各组复合体有机碳含量都呈现升高的趋势。秸秆添加不仅有助于提升土壤有机碳总量，同时有助于土壤各组复合体中有机碳含量的提升[17]。在等量秸秆添加条件下，G0组复合体有机碳含量随着硫酸铝添加量的增加呈升高趋势，G2组复合体有机碳含量随着硫酸铝添加量的增加呈降低趋势，而G1组复合体有机碳含量受硫酸铝的影响并不大，变化趋势也并不明显。由以上分析可知，秸秆和硫酸铝添加均有助于提高G0组复合体中有机碳的含量；而G1组复合体有机碳含量的变化主要受秸秆添加量的影响，随着秸秆添加量的增加，G1组复合体有机碳含量增加；秸秆对于G2组复合体有机碳含量的提高有促进作用，硫酸铝的作用则相反。复合体中有机碳的含量与复合体中无机矿物含量、表面键合能力等有关，钙对于新鲜有机质具有很好的键合作用，而铝对胡敏酸和富里酸有很好的键合作用，对新鲜的有机残渣稳定作用较弱[25]。从秸秆在土壤中达到完全腐殖化的时间看，本研究中大部分秸秆分解产生的有机质属于新鲜有机质，因而使得钙的键合作用突出，G1组分中有机质的含量提升较多。从复合体内部有机物和土壤矿质的键合作用看，从G0组到G2组腐殖质更为强烈的转变和缩合，稳定性更强，而G1组和G2组均属于水稳定性复合体，只是结合松紧程度不同而已。

表4 秸秆和硫酸铝添加对有机碳在淡黑钙土复合体中分布的影响Table 4 Effectofstraw and aluminum sulfate addition on organic carbon distribution in organic-mineralcomplex

2.3 秸秆和硫酸铝添加后各组复合体对淡黑钙土固定有机碳的贡献

单位质量土壤中各组复合体有机碳的含量反映了其对于土壤固持有机碳的贡献水平（表5）。由表5可以看出：分布在G1组复合体中的有机碳含量远高于G0组和G2组，平均含量为5.33 g·kg-1，其主要原因是土壤中G1组复合体含量高于其他两组；而G0组和G2组有机碳平均含量分别为2.05、1.12 g·kg-1，即分布在G0组中的有机碳量高于G2组。虽然单位质量G2组中的有机碳含量高于G0组和G1组，但是由表3可知单位质量土壤中G2组复合体的含量却远少于其他两组。这是导致单位质量土壤中G2组复合体有机碳含量减少的原因。

对于单位质量的土壤而言，分布在G0组中的有机碳含量随着硫酸铝添加量的增加呈降低趋势，而秸秆添加量的变化对其影响不明显。对于土壤中G1组复合体有机碳的含量，少量添加秸秆（0.5%）和硫酸铝（0.2%）便可使其提高，继续增加秸秆和硫酸铝的投入量，对土壤固定有机碳的影响不再明显；淡黑钙土中G2组复合体有机碳的含量，则随秸秆和硫酸铝改良剂添加量增加呈现增长的趋势。虽然表4中数据显示单位质量G2组复合体中有机碳含量随硫酸铝添加量增加而减少，但G2组复合体含量随着硫酸铝添加量增加的幅度大于其有机碳含量减少的幅度，导致单位土壤中G2组复合体有机碳含量整体呈上升趋势。

从各组复合体对淡黑钙土固碳的贡献率看，G1组复合体的贡献率最大（40.86%～49.45%），占淡黑钙土有机碳固定量的近一半；G0组复合体的贡献率次之，为15.35%～19.13%；G2组复合体的贡献率最小，仅为6.41%～11.01%。秸秆和硫酸铝添加降低了G0组复合体对有机碳固定的贡献率，二者添加量越多，其降幅越大；单独加硫酸铝而不加秸秆时，G0组复合体对有机碳的贡献率略有提升，随着秸秆量的增加，G0组复合体的贡献依次降低。秸秆和硫酸铝的添加明显增加了G2组复合体对淡黑钙土固定有机碳的贡献。添加秸秆和硫酸铝后，淡黑钙土三组复合体G0+G1+ G2中有机碳总量与土壤中有机碳总量对比发现，三组复合体中有机碳的总和小于土壤总有机碳的量，对淡黑钙土有机碳固定的贡献率为64.27%～76.87%，尚有约四分之一的有机碳不存在于有机矿质复合体中。由表3可知，三组复合体总质量占淡黑钙土质量的23.01%～24.15%，不到四分之一，而所含有机碳量却占总有机碳量的四分之三。这充分说明有机矿质复合体对土壤有机碳的固定和肥力提升具有重要的影响。在复合体的相关研究中，有专家提出有机矿质复合度这个概念，它是指有机矿质复合体中有机碳总量占土壤有机碳总量的百分数，该值越大，复合度越高[17]。本研究结果表明，土壤中添加秸秆（S0Al0、S0.5Al0、S1.0Al0和S1.5Al0）会降低土壤的复合度，而加入硫酸铝（S0Al0、S0Al0.2、S0Al0.4和S0Al0.6）会提高土壤的复合度。可见硫酸铝添加有利于有机碳向稳定的土壤有机矿质复合体形式转化。

表5 秸秆和硫酸铝添加后各组复合体对淡黑钙土固持有机碳的贡献Table 5 Contribution ofeach organic-mineralcomplex on carbon sequestration in lightChernozem afterstraw and aluminum sulfate addition

3 结论

（1）秸秆和硫酸铝的添加对淡黑钙土复合体组成及有机碳在其中的分布具有一定影响，所有处理的土壤中各组复合体含量关系均为G1＞G0＞G2。秸秆的添加使G0组非水稳性复合体含量减少，G2组水稳性复合体含量增加；硫酸铝的添加使G0组复合体减少，G2组复合体增加。添加秸秆和硫酸铝有助于G0组非水稳性复合体向G2组水稳性复合体转化，进而可以促使土壤形成稳定的团粒结构。

（2）在所有处理中，3组复合体都表现为G1组中有机碳含量最少，G2组中有机碳含量最多。秸秆添加能够提高各组复合体的有机碳含量，而硫酸铝的添加导致G2组复合体有机碳含量减少，但单位质量淡黑钙土中G2组复合体中有机碳含量却有所升高。分布在淡黑钙土各组复合体中有机碳含量的大小顺序为G1＞G0＞G2，与土壤中各组复合体含量之间的大小关系相同。

（3）从各组复合体对于淡黑钙土固碳的贡献率看，G1组复合体的贡献率最大，占淡黑钙土有机碳固定量的近一半，G0组复合体的贡献率次之，G2组复合体的贡献率最小。

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Effect of straw and alum inum sulfate on soilorganic-m ineral com plex and organic carbon distribution in light Chernozem

ZHAOXing-min1,LIUNan1,GUOXin-xin2,WANGHong-bin1,SUIBiao1,ZHAO Lan-po1*
（1.College of Resource and Environment,Jilin Agricultural University,Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases in Jilin Province,Changchun 130118,China；2.Faculty of Engineering and Green Technology,University Tunku AbdulRahman,Kampar31900，Malaysia）

The typical light Chernozem in Jilin Provincewas selected for analyzing the distribution of soil organic-mineral complex and the content of organic carbon at different content levels of straw and aluminum sulfate.Furthermore,the contribution of soil organic-mineral complex to organic matter sequestration in light Chernozem was investigated via laboratory simulative incubation.The results showed that the order oforganic-mineral complex contentwas G1（sodium dispersion group）＞G0（water dispersion group）＞G2（sodium and abrasive dispersion group）for all treatmentswith straw and aluminum sulfate addition.Compared with S0Al0,the contentofG0organic-mineral complex was decreased with straw and aluminum sulfate addition.The contentof G2organic-mineral complex was increased significantly.However,straw and aluminum sulfate addition had little effecton the contentof G1organic-mineral complex.The organic carbon content in the organic-mineral complex ofunitmass followed the order ofG2＞G0＞G1.The organic carbon content in the G2complexwas highestand the average contentwas 95.92 g·kg-1,which was about three times the organic carbon content in the G0and G1complex.The organic carbon content in the G0complex was slightly higher than that of the G1complex（the average content was 32.25 g·kg-1）and the average content was 33.89 g·kg-1.Straw and aluminum sulfate addition could increase the organic carbon content in the G0complex,and the change of organic carbon content in the G1complexwasmainly affected by straw addition.With the straw amount increasing,the organic carbon content in the G1complexwas increased.Straw addition played a positive role for increasing the organic carbon content in the G2complex,however,the effectof aluminum sulfatewas the contrary.The contribution of each organic-mineral complex to the soil carbon sequestration in light Chernozem depended on the organic carbon content in the complex and the complex content in soil.The organic carbon sequestration content in each organic-mineral complex followed the order of G1＞G0＞G2.The contribution ratio of organic-mineral complex（G0+G1+G2）to organic carbon sequestration in the lightChernozem was 61.96%～73.56%.

lightChernozem;straw;aluminum sulfate;organic-mineralcomplex;soilorganic carbon

X131.3

1672-2043（2017）05-0950-07

10.11654/jaes.2016-1466

2016-11-21

赵兴敏（1980—），女，黑龙江讷河人，博士，副教授，主要从事土壤环境化学研究。E-mail：zhaoxingmin0704@163.com

*通信作者：赵兰坡E-mail：zhaolanpo12@163.Com

国家自然科学基金青年科学基金（41403077）；公益性行业科研专项基金（201503116）

Project supported：The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China（41403077）；The Special Scientific Research Fund of PublicWelfare Profession ofChina（201503116）

赵兴敏，刘楠，郭欣欣，等.秸秆和硫酸铝对淡黑钙土有机矿质复合体及有机碳分布的影响[J].农业环境科学学报,2017,36（5）：950-956.

ZHAOXing-min,LIUNan,GUOXin-xin,etal.Effectofstraw and aluminum sulfateon soilorganic-mineral complex and organic carbon distribution in light Chernozem[J].Journalof Agro-EnvironmentScience,2017,36（5）:950-956.