施用高量有机物料对新垦耕地红壤有机碳积累及性态的影响

刘国群，章明奎，严建立

施用高量有机物料对新垦耕地红壤有机碳积累及性态的影响

刘国群1，章明奎2*，严建立3

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

为了解新垦红壤培肥过程中有机物料用量对土壤有机碳积累、培肥效率及土壤性态的影响，选择一新垦耕地红壤，设置秸秆、秸秆加氮和猪粪等3种添加物各7个施用水平共19个处理，每种有机物料用量设0（对照）、25、50、100、150、200和250 g·kg-1等7个级别，进行了为期24个月的模拟培养试验，观察了有机物料分解率、土壤C/N、活性有机碳和养分的动态变化。结果表明，随有机物料用量的增加，土壤中活性有机碳、总有机碳含量均增加，C/N比下降，土壤有效磷、速效钾和水溶性盐分含量增加，有机物料在土壤中的分解率也随之增加。猪粪碳的矿化速率低于水稻秸秆，加氮可增加秸秆的腐殖化系数。研究发现，有机物料添加越多，培肥效率（腐殖化系数）越低。同时，高量施用猪粪容易引起土壤盐害。猪粪用量为50 g·kg-1（相当于7.5 t·亩-1）时土壤盐分含量超过了2 g·kg-1；高量施用水稻秸秆可引起土壤有效氮的下降，秸秆用量超过100 g·kg-1（相当于15 t·亩-1）时土壤碱解氮明显下降；秸秆加氮处理会引起土壤酸化。结果显示，为减免有机物质的过度分解，有机物料的施用量控制在50 g·kg-1以下为宜。

有机物料；高量施用；分解速率；土壤有机碳库

有机质（有机碳）是土壤肥力的核心，其不仅是评估土壤质量的重要指标，还可通过不同方式影响其他土壤质量指标对土壤生产力和土壤生态环境发挥作用。因此，提升土壤有机质水平一直是农田土壤培肥的重点[1-3]，并形成了多种提高土壤有机质的技术[4-6]。大量的研究表明[4,7-11]，秸秆还田和施用有机肥可促进土壤有机碳积累、改善土壤养分状况；但研究也表明，不同有机物料在土壤中的循环有所差异[12-16]，并受土壤与环境因子的影响[17]。增加有机物料的投入可促进土壤有机碳的积累[18-19]，但有关有机物料用量是否会影响有机物料在土壤中分解速率及土壤原有机碳库的变化文献报道不 一[20-23]。Nyhan[20]和程励励等[21]的试验发现有机物料的用量并不影响其碳的损失速度；Hallam等的结果表明秸秆加入量越多其在土壤中残留比越大[22]；而Amato 等的研究表明秸秆在土壤中的矿化速率随物料加入量增加而加快[23]。尹云锋等的研究也发现，秸秆均能明显促进红壤原有的总有机碳和重组有机碳的分解[17]。近年来，为解决土壤“碳饥饿”等问题及保障农业可持续发展，有人也倡议推行高量秸秆深埋方式进行还田[24-25]。目前有关秸秆还田和施用有机肥对土壤有机碳积累、土壤养分循环和作物生产影响的研究多是针对正常生产的农田，无论是秸秆还田还是施用有机肥，投入农田的有机物料有限，主要是起到稳定或缓慢提升土壤有机碳的作用。但对于新垦耕地，由于其土壤有机碳低下，仅仅以常规的有机物料施用量来提升土壤有机碳远远达不到新垦耕地快速培肥的要求。因此，在实际的新垦耕地建设过程中，有些地方采用高量施用有机物料的方法来提升土壤有机碳，但至今有关高量施用有机物料对土壤有机碳的循环特点、有机物料的腐殖化系数及其对土壤性状的影响尚不够清楚。为此，本研究以秸秆和猪粪等两类常用的有机物料为对象进行模拟试验，研究不同量有机物料对新垦耕地红壤有机碳积累及性态的影响，旨在为新垦红壤培肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和有机物料

供试土壤为红壤，采自浙江省金衢盆地一新开垦的旱地，成土母质为第四纪红土。土壤经风干碾碎过10 mm 筛用于培养试验。因采样前试验地土壤已经施石灰改良，土壤酸度较低，土壤pH为5.87，有机碳含量为3.60 g·kg-1，全氮含量为0.54 g·kg-1，有效磷、速效钾和碱解氮含量分别为4.35、49.12和25.22 mg·kg-1。

供试水稻秸秆和猪粪收集于金衢盆地的农村，水稻秸秆直接在室内风干后研磨过1 mm用于试验。水稻秸秆的pH、有机碳、全磷和全氮分别为7.08，401.7 g·kg-1、0.22 g·kg-1和5.52 g·kg-1；猪粪在室内堆置1个月后研磨过1 mm用于试验，其pH、有机碳、全磷和全氮分别为7.42，376.4 g·kg-1、12.43 g·kg-1和23.18 g·kg-1。

1.2 试验方法

培养试验共持续24个月，分二个阶段进行。第一个阶段（即试验的前12个月），设置秸秆、秸秆加氮和猪粪等3种添加物各7个施用水平共19个处理（3类添加物的对照相同），每种有机物料用量包括0（对照）、25、50、100、150、200和250 g·kg-1等7个级别，重复3次。加氮处理的目的是为了调节C/N在25以下（即因加入秸秆后C/N比大于25，加尿素把土壤C/N调节至25）。试验在温室内的塑料容器中进行，每一处理土壤用量为5.00 kg置于塑料容器中，加入设定的猪粪或秸秆及尿素混匀，在28℃下培养；土壤含水量控制在最大持水量的85%左右，并用称重法每隔10～15 d左右补充一次水分。分别在培养3月、6个月和12个月把土壤混均后取样。第二个阶段（即试验的后12个月），在培养的第13个月时，除对照处理外，各处理再加入25 g·kg-1秸秆或猪粪（与前12个月的加入物种类一致），继续保持以上条件下培养12个月，期间调节水分，每6个月取样一次。

1.3 测定方法

土样经研磨过2 mm和0.125 mm筛后，分别测定有机碳、全氮和活性有机碳[26]。土壤有机碳和全氮采用常规方法测定；活性有机碳参照Lefroy 等的方法[27]，即用333 mmol·L-1KMnO4溶液氧化法测定。有机物料的矿化率（%）= （培养初始土壤和秸秆混合物总有机碳量– 取样时土壤总有机碳量）×100/有机物料有机碳添加量。

2 结果与分析

2.1 有机物料添加量对土壤有机物料矿化的影响

表1可知，土壤中添加的有机物料的累计矿化率随培养时间的增加而增加，其中矿化速率以培养的前3个月为最高，之后随时间逐渐放缓，这显然与培养初期易降解有机碳比例较高有关。培养12个月与18个月之间有机物料矿化率差异较小，这与在培养的第13个月加入了新有机物料有关。总体上，3种添加物处理的有机物料矿化率以秸秆处理为最高，加氮后有机物料的矿化率有所下降，特别是当有机物料加入量较大时。猪粪在土壤中的矿化率明显低于水稻秸秆。

有机物料的添加量对其矿化率有显著的影响，这种影响随有机物料添加量的增加变得更为明显。这一结果表明，添加的有机物料越多，添加入土壤中的单位质量有机物料腐殖化系数越低，损失的有机碳越高。

表1 有机物料添加量对其累计矿化率的影响

注：小写字母不同代表差异显著（<0.05），下同。

2.2 有机物料添加量对土壤有机碳组分的影响

表2可知，在培养时间较短时，有机物料的添加迅速增加了土壤中有机碳和活性有机碳含量，后者与有机物料的添加量呈正相关。表2中结果表明，进入土壤中的有机碳有较高比例以活性有机碳方式存在，且添加的有机物料越高，活性有机碳占总有机碳的比例也越高。但随着培养时间的增加，积累在土壤中的有机碳和活性有机碳均呈现下降，其中活性有机碳的下降幅度明显高于总有机碳。

从有机碳含量的数据可知，在培养初期不同有机物料添加量土壤中总有机碳含量存在很大的差距。在培养时间为3个月时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理的添加量为250 g·kg-1的土壤总有机碳含量分别是添加量为25 g·kg-1的5.79、6.34和6.12倍，相应地活性有机碳分别为8.96、9.30和8.96倍。但在培养时间为12个月时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理的添加量为250 g·kg-1的土壤总有机碳含量分别是添加量为25 g·kg-1的4.03、4.61和4.45倍，相应地活性有机碳分别为4.06、4.44和5.04倍。在培养时间为24个月时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理的添加量为250 g·kg-1的土壤总有机碳含量分别是添加量为25 g·kg-1的2.30、2.81和2.75倍，相应地活性有机碳分别为2.42、3.05和3.19倍。

从培养24个月土壤总有机碳的分析结果可知，在有机物料投入量较低时，土壤有机碳随有机物料投入的增幅非常明显，但当投入量较高时，进一步增加有机物料的投入土壤总有机碳的增幅明显地降低。当有机物料添加量为25 g·kg-1时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理土壤总有机碳比对照增加124.35%～162.03%；当有机物料添加量为50 g·kg-1时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理土壤总有机碳比25 g·kg-1时增加20.28%～34.37%；当有机物料添加量为100 g·kg-1时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理土壤总有机碳比50 g·kg-1时增加34.48%～38.56%；当有机物料添加量为150 g·kg-1时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理土壤总有机碳比100 g·kg-1时增加19.92%～22.49%；当有机物料添加量为200 g·kg-1时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理土壤总有机碳比150 g·kg-1时增加9.41%～23.65%；当有机物料添加量为250 g·kg-1时，秸秆、秸秆加氮和猪粪等3个添加物处理土壤总有机碳比200 g·kg-1时只增加4.11%～11.69%。

12个月24个月 活性有机碳/g·kg-1总有机碳/g·kg-1活性有机碳占比/%活性有机碳/g·kg-1总有机碳/g·kg-1活性有机碳占比/% 0.45g3.47g12.97b0.47e3.45f13.62c 2.50f7.07f35.41ab2.44d7.74e31.52b 3.29e10.13e32.45b2.99 d9.31d32.14b 4.99d15.80d31.59b4.03c12.52c32.18b 7.15c19.58c36.52a5.24b15.30b34.26a 9.49b25.73b36.89a6.00a16.74ab35.84a 10.15a28.49a35.64a5.90a17.80a33.15ab 0.45g3.47g12.97c0.47f3.45g13.62c 2.50f7.07f35.41a2.44e7.74f31.52b 3.54e11.34e31.25b3.27d10.40e31.48b 5.59d18.28d30.56b4.55c14.41d31.59b 8.22c24.40c33.68a5.81b17.28c33.64a 9.88b28.93b34.15a7.05a19.50b36.14a 11.09a32.59a34.02a7.45a21.78a34.21a 0.45g3.47g12.97c0.47f3.45f13.62c 2.25f7.91f28.41b2.43e9.04e26.85b 3.38e11.19e30.25ab3.27d11.43d28.65b 5.38d18.20d29.54b4.32c15.74c27.45b 7.69c23.65c32.54a6.00b19.28b31.14a 9.80b31.15b31.45a7.21a23.84a30.25a 11.35a35.19a32.25a7.75a24.82a31.24a

2.3 有机物料添加量对土壤性态的影响

表3可知，添加秸秆和猪粪均可不同程度提高土壤的pH值，在培养初期，随有机物料添加量的增加，土壤pH值也呈现增加。但当培养时间为12个月时，土壤pH值的增幅明显减小，其中加氮处理的土壤pH值明显低于不加氮的秸秆处理和对照。

土壤C/N比同时明显受添加的有机物料种类及添加量的影响，并随培养时间的增加逐渐下降。猪粪处理的土壤C/N比最低，加氮处理后土壤C/N比有明显的下降。在培养初期，土壤C/N比一般随有机物料添加量的增加而增加；但随着时间的增加，土壤C/N比随有机物料添加量的变化呈现先增加后又下降的变化规律。其原因可能与在有机物料矿化过程中碳的损失显示高于氮的损失有关。

表3 有机物料添加量对土壤pH和C/N的影响

表4可知，有机物料的添加，可显著影响土壤速效养分和盐分。施用猪粪对土壤养分积累和盐分含量的影响最为明显，当猪粪用量为50 g·kg-1时（相当于7.5 t·亩-1），其土壤盐分已超过了2 g·kg-1。同时，猪粪施用后土壤中有效磷、速效钾和碱解氮均呈急剧的增加。施用水稻秸秆增加了土壤中有效磷和速效钾水平，其含量随秸秆施用量的增加而增加。但秸秆的施用对碱解氮无促进作用，多数情况下降低了土壤中的碱解氮，当秸秆用量超过100 g·kg-1时（相当于15 t·亩-1），土壤碱解氮明显下降；同时，高量秸秆施用也显著增加了土壤中盐分的积累，但其影响远低于猪粪。加氮秸秆施用土壤碱解氮也显著增加，但其也大大提高了土壤中盐分的积累，同时也降低了土壤的pH值。

3 讨论与结论

许多研究表明，进入土壤的有机物的分解速率随时间变化，存在“快速分解阶段”和“缓慢分解阶段”，一般是在培养初期分解速度最快，以后逐渐进入缓慢分解阶段[28]，本研究的结果也证实了这种现象。无论是水稻秸秆还是猪粪，有机物料的矿化都是前期较快，后期减慢，其原因是因为有机物中的易分解组分在前期分解的比例较多，而后期难分解的有机物质偏多，主要以慢速生长型微生物群进行降解。而猪粪矿化速率比水稻秸秆慢也可能是水稻秸秆中存在较多的易矿化有机物有关。

以上结果表明，土壤有机质的积累虽然也随土壤有机物料投入的增加而增加，但并不呈比例上升，即秸秆有机碳腐殖化系数随秸秆添加量的增加而降低。这一结果与尹云峰等[17]和Amato 等[23]获得的有机物添加量100 g·kg-1范围内的变化规律基本一致。表明随着有机物料的增加会促进更多有机物质的分解，其原因可能是有机物料的大量投入会促进土壤微生物的繁殖，而投入土壤中的有机物料主要是易分解、不稳定的活性有机碳，有机物料的腐殖化系数与土壤碳库活度之间呈负相关[29]，因此微生物的繁殖将消耗更多的土壤有机物质。

表4 有机物料添加量对土壤养分和盐分的影响

另外，以上研究也表明，在短时间内过量施用有机物质可能还会引起土壤的盐化和酸化，其原因是高量有机物料分解产生的酸性物质和可溶性矿物质在短时间内难以通过土壤自身的循环而下降。高浓度的盐分不仅会直接影响植物的生长，而且也会导致营养元素离子之间的拮抗作用，从而影响农作物对另一种营养离子的吸收。特别是会诱发农作物需要的锌、硼、铁、镁和锰等微量元素缺乏。秸秆加氮处理后土壤酸度增加可能与施氮增强了土壤的硝化作用、增加了酸的释放有关。这些结果表明，施用有机肥是培肥地力、改良土壤的重要方式，但在短时间内过量施用有机肥也会带来一定的土壤环境风险。本研究在室内可控条件下进行，以上结果还需要在田间开展类似研究进行验证。

结果表明，有机物料用量的增加可增加土壤活性有机碳、总有机碳、有效磷和速效钾，降低土壤C/N，但同时增加了土壤盐分的积累，有机物料的腐殖化也随之下降，培肥效率（腐殖化系数）下降。猪粪中碳在土壤中的矿化速率低于水稻秸秆，但秸秆加氮可增加其腐殖化系数。研究还发现，高量施用猪粪容易引起土壤盐害，猪粪用量为50 g·kg-1（相当于7.5 t·亩-1）时土壤盐分含量超过了2 g·kg-1；高量施用水稻秸秆可引起土壤有效氮（碱解氮）的下降；而秸秆加氮处理会引起土壤酸化。

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Effects of applying high amount of organic materials on the accumulation and properties of organic carbon in newly cultivated red soil

LIU Guoqun1, ZHANG Mingkui2, YAN Jianli3

(1. Kecheng District Soil-Fertilizer and Rural Energy Technology Extension Station of Quzhou City, Quzhou 324000;2. College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058;3. Hangzhou Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310024)

To understand the effect of the applied amount of organic materials on the accumulation of soil organic carbon, humification coefficient and soil properties, a newly cultivated red soil was collected for treating with straw, straw plus nitrogen and pig manure, and incubated for 24 months. The applied amount for organic materials was 0 (control), 25, 50, 100, 150, 200 and 250 g·kg-1, respectively. The dynamic changes in decomposition rate of the added organic materials, soil C/N, active organic carbon and nutrients were monitored in the simulated culture experiment. The results showed that, with increasing applied rate of the organic materials, the content of soil active organic carbon and total organic carbon increased, the C/N ratio decreased, the available P, available K and water-soluble salt increased, while the decomposition rate of the organic materials in the soil increased. The mineralization rate of organic carbon in pig manure was lower than that of rice straw, and could increase the humification coefficient of straw by adding nitrogen. It was found that the more organic materials were added, the lower the fertilization efficiency (humification coefficient). At the same time, high-level application of pig manure was easy to cause soil salt damage. When the amount of pig manure was 50 g·kg-1(equivalent to 7.5 t·mu-1), the soil salt content was more than 2 g·kg-1. High-level application of rice straw could cause a decrease of soil available nitrogen. When the amount of straw was more than 100 g·kg-1(equivalent to 15 t·mu-1), it obviously decreased the soil alkali-hydrolyzed nitrogen. Straw plus nitrogen treatment could cause soil acidification. It is better to control organic matter below 50 g·kg-1to reduce organic matter decomposition.

organic materials; high-amount application; decomposition rate; soil organic carbon pool

S158.5

A

1672-352X (2021)01-0101-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210319.001

2021-3-23 10:25:59

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210319.1503.002.html

2020-04-16

浙江省重点研发计划项目（2019C02035）和国家科技支撑计划课题（2014BAD14B04）共同资助。

刘国群，农艺师。E-mail：275817759@qq.com

章明奎，博士，教授。E-mail：mkzhang@zju.edu.cn