低丘红壤区新垦耕地土壤有机物料分解特点及其影响因素

刘国群，吴梦洁，严建立，章明奎*

(1.衢州市柯城区土肥与农村能源技术推广站，浙江 衢州 324000； 2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058；3.杭州市农业科学研究院，浙江 杭州 310024)

中国人多地少，耕地质量建设直接关系粮食安全。如何实现耕地数量与质量的占补平衡，快速提升耕地土壤肥力，一直是土地管理者的重要工作。土壤有机碳是土壤系统的基础物质，是耕地质量的核心，也是控制土壤养分供应能力和碳、氮、磷、硫循环的重要因子[1-2]。土壤的物理、化学、生物学性质，以及土壤的生产力都与土壤有机碳含量和性状密切相关[3-4]。现阶段，我国提升耕地土壤有机碳水平有2个方面的战略需要[5-8]：一是维持和提高我国耕地质量的需要；二是全球环境固碳的需要。低丘红壤是我国东南地区重要的后备耕地资源。为弥补耕地资源的不足，20年来，这一地区由低丘红壤垦造的耕地数量逐年增加。然而，多数红壤新垦耕地并不具备优良的土壤条件，普遍存在土壤有机碳含量低下、酸性强、结构不良、保肥性差，及多数养分不足等问题[9-11]。如何快速提升以土壤有机碳为中心的的土壤肥力是提高这类新垦耕地生产力必需解决的首要问题。以往的试验与研究都表明[6,12]，补充有机物料是增加耕地土壤有机碳的重要措施，但不同文献报道的培肥对提升土壤有机碳的效果有很大的差异，而且有关不同有机物料对耕地培肥效果的研究主要在正常生产的耕地上进行，对新垦耕地土壤有机碳积累特点及其影响因素的了解较少。为此，本研究拟通过系列培养试验，探讨土壤性状、施石灰、水分管理等对施入低丘新垦耕地土壤中有机物料分解特点及其腐殖化系数的影响。

1 材料与方法

1.1 供试有机物料与土壤

研究共选择了11种有机物料进行试验，代表了当前耕地培肥中常用的有机物料。试验前所有有机物料均经烘干、研磨、过2 mm筛后备用。经测定，各有机物料的主要性状如下：风化煤腐殖酸，pH值6.04，有机碳448.9 g·kg-1，总氮38.57 g·kg-1；泥炭(草炭)，pH值7.03，有机碳312.5 g·kg-1，总氮31.47 g·kg-1；菌菇棒堆肥，pH值7.14，有机碳378.4 g·kg-1，总氮28.74 g·kg-1；猪粪，pH值7.32，有机碳420.7 g·kg-1，总氮24.33 g·kg-1；鸡粪，pH值7.92，有机碳415.4 g·kg-1，总氮29.37 g·kg-1；水稻秸秆，pH值7.14，有机碳402.8 g·kg-1，总氮9.52 g·kg-1；水稻根系，pH值7.02，有机碳354.2 g·kg-1，总氮7.66 g·kg-1；紫云英，pH值6.89，有机碳422.6 g·kg-1，总氮38.33 g·kg-1；沼渣，pH值7.13，有机碳451.4 g·kg-1，总氮13.37 g·kg-1；生活垃圾堆肥，pH值7.42，有机碳375.5 g·kg-1，总氮21.73 g·kg-1；生物质炭，pH值9.56，有机碳574.3 g·kg-1，总氮5.26 g·kg-1。

从浙西地区采集的新垦耕地中根据试验对土壤性状的要求选择14个低丘新垦耕地及其周围3个熟化耕地的耕层土样用于试验，包括不同质地、肥力水平、酸度的土壤样品。采集的土壤样品风干后，磨细过5 mm筛备用。

依照土壤质地/母质，土壤样品可分为黄筋泥/Q2红土、砂黏质红泥/花岗岩、黄红泥土/泥页岩、黄泥土/石英砂岩、红砂土/红砂岩5类，pH值分别为5.17、5.22、5.20、5.14、5.08，初始有机碳含量分别为5.12、4.66、5.07、5.32、4.08 g·kg-1，用于分析质地对土壤有机物料腐解的影响。

选择同为黄筋泥/Q2红土的5个初始有机碳含量不同的新垦耕地土壤样品，编号为M1～M5，用于分析土壤有机质含量对有机物料腐解的影响。其初始有机碳含量依次为2.45、5.12、7.54、9.63、11.66 g·kg-1，黏粒含量依次为384、387、391、356、378 g·kg-1，pH值依次为5.18、5.17、5.09、5.25、5.22，微生物生物量碳(MBC)含量依次为19、29、38、39、63 mg·kg-1。可以看出，样品间黏粒含量和pH值变化较小选择同为黄筋泥/Q2红土的6个pH不同的新垦耕地土壤样品，编号为P1～P6，用于分析土壤pH值对有机物料腐解的影响。其pH值依次为3.67、4.18、4.69、5.17、5.67、6.23，初始有机碳含量依次为6.03、6.12、5.78、5.12、4.75、5.66 g·kg-1，黏粒含量依次为388、363、397、387、391、386 g·kg-1。可以看出，样品间黏粒含量和有机碳含量变化较小。

从黄筋泥/Q2红土、黄红泥土/泥页岩、红砂土/红砂岩样本中分别选择对应的生土和熟土样本，形成黄筋泥/Q2红土-生土、黄筋泥/Q2红土-熟土、黄红泥土/泥页岩-生土、黄红泥土/泥页岩-熟土、红砂土/红砂岩-生土、红砂土/红砂岩-熟土6类样品，其黏粒含量分别为387、368、276、247、112、124 g·kg-1，pH值分别为5.17、6.23、5.20、6.18、5.08、6.22，初始有机碳含量分别为5.12、18.25、5.07、16.23、4.08、15.28 g·kg-1，MBC含量分别为19.56、41.22、13.54、35.45、12.88、31.46 mg·kg-1，用于分析土壤熟化对有机物料腐解的影响。

1.2 模拟试验

模拟试验在温室内的大型塑料容器(高30 cm，长和宽均为40 cm)内进行，每一类土壤处理对应一个塑料容器，用土量均为48 kg，形成厚约25 cm的土层。有机物料腐解试验用尼龙袋法测定，试验时每袋中放置与试验土壤相同的细土100 g和相应的4 g有机物料(两者充分混匀后封口)，每一类装土的容器中同时开展相同试验内容的有机物料腐解试验，各个装有有机物料的尼龙袋编号后埋入表土下7～10 cm处，每类有机物料重复3次，在土壤中腐解1 a后取样分析。除水分试验外，其他试验在试验期间土壤水分均控制在75%～85%的田间持水量。试验内容包括土壤质地对有机物料腐解的影响、土壤有机碳含量对有机物料腐解的影响、土壤pH值对有机物料腐解的影响、新垦耕地与熟化耕地间有机物料腐解的差异、施用石灰对有机物料腐解的影响和不同水分状况对有机物料腐解的影响。

1.3 测定方法

培养结束后，从塑料容器中取出培养的尼龙袋并清除袋外泥土。尼龙袋内土样在低温条件下烘干、磨细，用于分析，分析内容包括有机碳、腐殖质碳、微生物生物量碳含量，及土壤基本性状。土壤和有机物料中的有机碳含量、土壤腐殖质碳含量，及土壤基本性状采用常规方法测定[13]。MBC采用氯仿熏蒸-硫酸钾提取法测定[14]。腐殖化系数计算方法如下：腐殖化系数=(试验后尼龙袋土壤有机碳总量-试验土壤有机碳含量)/添加的有机物料碳含量。

2 结果与分析

2.1 土壤质地对有机物料腐解的影响

取5类由不同成土母质发育的、质地不同的低丘新垦耕地土壤进行11种有机物料分解试验，除土壤质地有明显差异外，5类土壤的pH值和初始有机碳含量较为接近。如表1所示，添加有机物料的腐殖化系数因土壤类型和有机物料不同有较大变化，总体上随土壤黏粒含量增加而增加，黄筋泥、砂黏质红泥、黄红泥土、黄泥土、红砂土的腐殖化系数依次为0.22～0.74、0.17～0.72、0.19～0.67、0.16～0.68、0.17～0.62，平均分别为0.40、0.37、0.35、0.33、0.32，平均腐殖化系数与黏粒含量的相关系数为0.955 9(P<0.01)。黏粒含量高的土壤有机物料的腐殖化系数较高，可能与其具有较高的比表面积，对腐殖质的吸附固定较强，腐殖质的稳定性较高有关。不同有机物料的腐殖化系数也有较大的变化，11种有机物料在5类土壤的平均腐殖化系数在0.18～0.69，最高的为最低的3.83倍，由高至低依次为生物质炭(0.69)>风化煤腐殖酸(0.39)>生活垃圾堆肥(0.37)>泥炭(0.36)>沼渣(0.35)>水稻根系(0.34)>菌菇棒堆肥(0.33)>猪粪(0.31)、鸡粪(0.31)>水稻秸秆(0.27)>紫云英(0.18)。这一结果表明，堆肥的腐殖化系数高于秸秆、绿肥。作物的地下部分腐殖化系数高于地上部分，这可能与根部含有较高的木质素有关。堆肥的腐殖化系数较高，显然与堆肥制作过程中易分解的有机组分已降解，堆肥产品中的有机成分具有较高的生物稳定性有关。

表1 质地对土壤有机物料腐殖化系数的影响

从表1结果可知，生物质炭具较高的稳定性，其平均腐殖化系数高达0.69，明显高于其他有机物料。但试验结果也显示，添加生物质炭的土壤在试验结束时其腐殖质碳含量最低(表2)，表明添加生物质炭形成的有机碳多为非生物活性有机碳，对土壤保肥性、供肥性的作用较弱；因此，单施生物质炭并不利于土壤腐殖质的形成，在低丘新垦耕地上生物质炭应与其他有机物料配合施用。另外，土壤质地对土壤腐殖质的形成也有一定的影响，11类有机物料在黄筋泥、砂黏质红泥、黄红泥土、黄泥土、红砂土中形成的腐殖质碳平均含量分别为4.40、4.20、4.11、3.96、3.87 g·kg-1，与黏粒含量的相关系数为0.971 6(P<0.01)。这一现象表明土壤中的有机物料在腐殖化过程中形成的腐殖质只有与土壤矿物紧密结合，才能较稳定地保存在土壤中。

表2 培养1 a后尼龙袋土壤中腐殖质碳含量 单位：g·kg-1

2.2 土壤有机碳对有机物料腐解的影响

如表3所示，相同有机物料在不同土壤中的腐殖化系数有明显差异，均呈现出随初始土壤有机碳含量增加而下降的趋势。4种有机物料的腐殖化系数与土壤有机碳含量和MBC的相关系数分别在-0.907 9～-0.954 5和-0.737 7～-0.961 4，均达到显著水平。这可能是因为：一方面，有机碳含量高的土壤MBC含量也较高，土壤微生物活性较强，后者促进了土壤有机碳的分解；另一方面，有机碳含量较高的土壤，在培养过程中土壤本身原有的有机碳分解量相对也较高。

表3 土壤有机质对有机物料腐殖化系数的影响

2.3 土壤pH值对有机物料腐解的影响

如表4所示，相同有机物料在不同pH土壤中的腐殖化系数有明显的差异，均呈现随土壤pH升高而下降的趋势。4种有机物料的腐殖化系数与土壤pH值的相关系数在-0.888 9～-0.940 2，达到显著水平。究其原因，可能与较低的土壤pH值限制了土壤微生物的活动，从而影响了土壤中有机物料的分解有关。

表4 土壤pH值对有机物料腐殖化系数的影响

2.4 新垦耕地与熟化耕地间有机物料腐解的差异

从表5可知，在相同土壤类型和相同有机物料的条件下，有机物料腐殖化系数均表现为新垦地高于熟化地，新垦黄筋泥、黄红泥土、红砂土的腐殖化系数分别为对应熟土的1.04～1.22、1.03～1.19、1.03～1.18倍，前者平均比后者分别高14%、10%、12%。这种差异显然与土壤微生物活性有关，熟化耕地的土壤MBC含量明显高于新垦耕地，因此，熟化耕地中碳循环强度也较高。

表5 土壤熟化对有机物料腐殖化系数的影响

2.5 施用石灰对有机物料腐解的影响

供试土壤为黄筋泥，其黏粒含量为387 g·kg-1，pH值为5.17，有机碳含量为5.12 g·kg-1。由表6可知，与不施用石灰石粉的对照相比，土壤施用石灰石粉后，4种有机物料的腐殖化系数均呈现下降趋势，表明在低丘新垦耕地培肥时施用石灰可加速有机碳的分解。这可能与石灰改变了土壤性状，使之更有利于土壤微生物的活动有关。随着石灰石粉用量的增加，这种作用更加明显。

2.6 不同水分状况对有机物料腐解的影响

供试土壤为黄筋泥，其黏粒含量为387 g·kg-1，pH值为5.17，有机碳含量为5.12 g·kg-1。共设3个处理：缺水(相当于30%～50%的田间持水量)，常规(相当于75%～85%的田间持水量)，过多(相当于95%～100%的田间持水量)。结果表明(表7)，与常规处理相比，缺水或过多都不利于有机物料的分解，会增加有机物料在土壤中的腐殖化系数，且以水分过少更有利于有机物料的积累。这种差异可能也与土壤微生物的活性有关，土壤微生物的活动需要合适的水分条件，水分过少或过多都会限制土壤微生物的活性，从而影响微生物对有机物料的矿化。

表6 施用石灰石粉对有机物料腐殖化系数的影响

表7 土壤水分条件对有机物料腐殖化系数的影响

3 小结

本研究表明，低丘新垦耕地中有机物料的腐殖化系数受多方面因素的影响，缺水和过多水分条件下有机物料在土壤中的腐殖化系数均高于正常水分条件下。堆肥在土壤中的腐殖化系数大于秸秆、绿肥，作物地下部分的腐殖化系数高于地上部分。相对于成熟耕地，新垦耕地中有机物料具有较高的腐殖化系数。研究认为，新垦低丘耕地土壤具有较高的有机碳积累潜力，采用水旱轮作可改变土壤水分条件，可促进土壤有机碳的积累；同时，应选择高腐殖化系数有机肥(生物质炭、堆肥)与低腐殖化系数有机物(秸秆、绿肥)配合施用，兼顾土壤有机碳量与质的提升。