有机物添加对河套灌区碱化土壤理化性质与有机碳密度的影响

温 馨，红 梅，2，张月鲜，裴志福，赵卉鑫，陈 晨

（1.内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古呼和浩特 010018）

土地盐碱化不仅使生态环境恶化，而且成为农业和农村经济发展的巨大障碍。我国北方盐碱化农田分布较广，正确治理改造及合理开发利用盐碱地资源，是农业可持续发展的重要途径。而有机碳是土壤的重要组成部分，直接影响土壤的理化性状，是衡量土壤肥力的重要指标[1]。目前，我国耕地中低等地占耕地总面积的2/3 以上，而且这些耕地的耕层土壤平均有机质含量仅为10 g/kg，而盐碱化土壤有机质含量更低，与欧盟和美国25～40 g/kg 的耕地土壤有机质对比相差很大，耕地质量总体偏低[2]。内蒙古是我国13 个粮食主产区之一，但全区耕地质量较差，中低产田面积共604.1 万hm2，占耕地面积的84.4%[3]。随着土壤有机碳含量的逐渐降低（年均降低0.3%），降低土壤盐碱度、提高土壤有机碳含量、增加土壤保水保肥能力成为内蒙古粮食增产的重要目标。

农作物秸秆是一种宝贵的自然资源，而生物炭是一种富碳类物质，在培肥改土、提高产量等方面都有较显著的成效[4-5]，同时羊粪与牛粪作为有机肥料，施用在贫瘠的土壤中具有肥效快、肥力足的优点[6]。有机物添加对土壤理化性质与产量的影响研究表明，施用有机物可有效降低盐碱化土壤pH值，增加土壤有机碳含量，改善土壤结构及提高作物产量[7-8]。高惠敏等[9]研究河套灌区施用不同改良剂对盐碱土壤的影响结果表明，农家肥及生物炭的施用均可提高作物产量，同时降低土壤pH 值。何瑞成等[10]研究表明，施用秸秆、牧草和羊粪会使土壤有机质含量显著上升，水稻产量显著提高。马桂秀等[11]在盐碱耕地上进行有机物与化肥配合改良的试验表明，在等氮量投入条件下，施用牛粪加化肥处理的土壤有机质含量显著提高，冬小麦产量增加68%。由此可见，秸秆、农家肥、生物炭等不同有机物对盐碱化土壤的改善和土壤碳库的补充有不同程度成效。

河套灌区是我国重要商品粮产出地之一，但因不合理灌溉导致的土壤次生盐碱化制约了该地区的农业发展。巴彦淖尔市现有32.3 万hm2土地存在着不同程度的次生盐碱化，占总耕地面积的45.1%[12]，而盐碱化土壤在农业上一直得不到充分利用。从已有研究来看，不同外源有机物的添加能不同程度改善盐碱化土壤的理化性质，但目前的添加方式主要侧重于单一有机物添加[13-15]。因此，本研究用等有机碳量的方式添加不同有机物，对河套灌区碱化土壤理化性质与有机碳库的影响进行分析，旨在揭示不同有机物对碱化土壤理化性质改善的变化特征，为今后盐碱化土壤改良及有机物合理资源化利用提供理论依据及可行性建议。

1 材料和方法

1.1 试验地概况与试验设计

试验地位于内蒙古巴彦淖尔市五原县永利乡，该地区属中温带大陆性气候，四季分明，年均气温8.1 ℃，≥10 ℃积温3 392 ℃，无霜期125 d 左右，属于河套灌区，降水量较少且蒸发量大；土壤以粉沙壤土为主要类型，属轻度碱化土，基本理化性质为全氮含量0.45 g/kg、有机碳含量7.87 g/kg、速效磷含量15.87 mg/kg、速效钾含量105.39 mg/kg，电导率185.26 μs/cm，pH 值9.19，碱化度8.98%。

试验于2019年4月—2020年10月开展，共5 个处理，4 次重复，小区面积80 m2，采用随机区组分布，施肥处理与用量见表1。有机物添加均以玉米秸秆全量还田（10 500 kg/hm2）为基准，即等有机碳量为2 400 kg/hm2，有机物基本理化性质见表2。4月底播种前，将4 种有机物和基肥（过磷酸钙和硫酸钾一次性施入）人工均匀撒施于地表，借助旋耕机将其耕翻至土壤中。种植完毕进行第1 次灌水，尿素于6月末第2 次灌水施入，8月末第3 次灌水。

表1 施肥处理与用量

表2 有机物基本理化性质

1.2 样品的采集与制备

2020年玉米收获后采集土壤样品，取0～30 cm和30～60 cm 土层。每个小区按五点取样法取样；用100 cm3环刀采集土壤容重样品；用硬质饭盒取0～30 cm 耕层原状土壤保存用于测定水稳性团聚体。地上生物量与玉米产量的测定采用面积估算法，即每个小区随机选取长势均匀的两行玉米，植株与玉米全部带回实验室将植株整体烘干称重。

1.3 土壤基本化学性质测定

根据《土壤农化分析》[16]的标准方法进行分析测定，有机碳（SOC）用重铬酸钾外加热法测定：0.8 mol/L 1/6 K2Cr2O7-H2SO4（1∶1）170～180 ℃煮沸5 min，用硫酸亚铁滴定。土壤全氮（TN）用凯氏定氮法测定：浓硫酸消化后，碱化蒸馏出来的氨用硼酸吸收，以标准酸溶液滴定，求土壤全氮含量。速效磷（Av.P）用NaHCO3浸提法测定：0.5 mol/L 的NaHCO3溶液浸提出的样品，用钼锑抗试剂显色，在紫外分光光度计上比色测定。速效钾（Av.K）用火焰光度计法测定：醋酸铵浸出液用火焰光度计直接测定。pH 值以1∶2.5 的土水体积比在pH 计上测定。电导率（EC）以1∶5 的土水体积比在电导率仪上测定。阳离子交换量（CEC）与交换性钠采用乙酸钠法测定：乙酸钠浸出液用火焰光度计直接测定。碱化度（ESP）为交换性钠与交换性阳离子的比值。使用2、0.25、0.053 mm套筛，进行水稳性团聚体的测定。土壤容重（Bd）与土壤容积含水量（Vmc）的测定：将野外环刀取样带回，烘干称重。

单位面积土壤碳储量即土壤碳密度（DOC）=SOC×γ×Hi×10-1

式中，DOC为碳密度（t/hm2）；SOC为有机碳含量（g/kg）；γ 为平均容重（g/cm3）；Hi为土层厚度（cm）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2020 软件进行数据整理、计算和图表制作；采用SPSS 19.0 软件进行主成分分析，Duncan′s 法进行各处理间的多重比较。

2 结果与分析

2.1 有机物添加对碱化土壤盐碱性的影响

由表3 可知，各处理土壤盐碱性0～30 cm 与30～60 cm 规律基本一致。在0～30 cm 土层中，BC 处理土壤pH 值、EC、CEC 和ESP 最低，分别较CK 降低4.4%、36.3%、20.3%和0.4%；SW 处理EC 最大，较CK 增加29.1%。在30～60 cm 土层中，BC 处理土壤pH 值、CEC 和ESP 最低，较CK 降低2.3%、17.1%和29.1%；SW 处理土壤EC 最大，较CK 增加81.2%。

表3 有机物添加对不同深度碱化土壤盐碱性的影响

2.2 有机物添加对碱化土壤养分的影响

由表4 可知，各处理0～30 cm 与30～60 cm 土层土壤养分规律基本一致。在0～30 cm 土层中，BC 处理土壤Av.K 最低，较CK 降低22.2%；CD 处理土壤SOC、Av.K、TN 较CK 增加47.5%、45.2%和38.0%；GM 处理土壤Av.P、TN 较高，较CK 增加13.7%、30.0%；SW 处理土壤Av.P 最低，较CK 降低27.7%。在30～60 cm 土层中，BC 处理土壤SOC、Av.P、Av.K 和TN 最低，较CK 降低37.2%、5.2%、8.1%和24.4%；CD 处理土壤SOC、Av.K、Av.P 最高，较CK 增加4.1%、35.6%和41.7%；GM 处理土壤Av.P、TN 较高，较CK 增加39.1%、20.0%。

表4 有机物添加对不同深度碱化土壤养分含量的影响

2.3 有机物添加对碱化土壤物理性质的影响

由图1 可知，各处理土壤水稳性团聚体回收率均达90%以上。＞2 mm 水稳性团聚体中，CD、GM、SW 处理与CK 处理存在显著差异（P＜0.05），较CK增加158.05%、357.45%、77.62%；0.25～2 mm 水稳性团聚体中，CD、SW 处理与CK 存在显著差异（P＜0.05），较CK 增加81.51%、83.01%；0.053～0.25 mm 水稳性团聚体中，CD、GM 处理与CK 处理存在显著差异（P＜0.05），较CK 减少28.42%、45.65%；＜0.053 mm水稳性团聚体中，有机物处理均与CK 存在显著差异（P＜0.05），BC、CD、GM、SW 较CK 减少9.99%、20.66%、39.49%、19.25%。

图1 有机物添加对0～30 cm 碱化土壤水稳性团聚体的影响

由图2 可知，在0～30 cm 土层中BC 与GM 处理土壤容积含水量与CK 存在显著差异（P＜0.05），较CK 降低14.90%和20.18%，而30～60 cm 土层中CD、GM 和SW 处理的容积含水量较CK 显著（P＜0.05）增加22.01%、18.58%和17.08%。

图2 有机物添加对不同土层碱化土壤容积含水量的影响

2.4 碱化土壤0～30 cm 土层理化性质的典型性相关分析

由表5 可知，在0～30 cm 土层中，土壤有机碳的含量与土壤碱化度呈显著负相关，与土壤速效钾、土壤容重呈显著正相关。土壤速效磷与土壤中0.25～0.053 mm 水稳性团聚体呈显著负相关，与＞2 mm水稳性团聚体呈极显著正相关，与＜0.053 mm 水稳性团聚体呈极显著负相关。土壤速效钾与土壤中0.25～0.053 mm 水稳性团聚体呈显著正相关，与0.25～0.053 mm 水稳性团聚体呈极显著负相关。土壤全氮与＞2 mm 水稳性团聚体呈显著正相关，与0.25～0.053 mm 水稳性团聚体呈极显著负相关。土壤pH 值与土壤电导率呈极显著正相关，与土壤阳离子交换量和土壤碱化度呈显著正相关。土壤电导率与土壤容积含水量呈极显著正相关，与土壤碱化度和土壤中＜0.053 mm 水稳性团聚体呈显著正相关。土壤阳离子交换量与土壤中＞2 mm 水稳性团聚体呈显著正相关，与0.25～0.053 mm 水稳性团聚体呈极显著负相关。土壤中＞2 mm 水稳性团聚体与0.25～0.053 mm和＜0.053 mm 水稳性团聚体呈极显著负相关。0.25～0.053 mm 水稳性团聚体与＜0.053 mm 水稳性团聚体呈极显著正相关。

表5 碱化土壤0～30 cm 土层理化性质典型性相关分析

2.5 有机物添加对碱化土壤有机碳密度的影响

由图3 可知，土层深度在0～30 cm 时，CD 处理土壤有机碳密度最大，其次是BC 处理，较CK 分别提高52.4%和30.9%，其余有机物处理与CK 不存在显著差异（P＞0.05）。土层深度在30～60 cm 时，CD 处理和CK与BC 处理和GM 处理存在显著差异（P＜0.05），BC 和GM 较CK 降低39.9%和34.3%。

图3 有机物添加对不同土层碱化土壤有机碳密度的影响

2.6 土壤有机碳密度与土壤理化性质的相关性

逐步回归分析能够筛选并剔除引起多重共线性影响的变量，最后保留对因变量贡献率最大的解释变量。本研究通过逐步回归分析方法选出对土壤有机碳密度影响呈显著相关的指标。由表6 可知，土壤速效钾对0～30 cm 土层有机碳密度呈显著的线性相关关系，说明土壤速效钾对土壤有机碳密度影响最大；在30～60 cm 土层中，土壤有机碳密度与土壤pH 值呈显著线性相关关系。

表6 土壤有机碳密度与土壤Av.K、pH 值的逐步回归分析

2.7 有机物添加对玉米产量的影响

由图4 可知，除BC 处理外，有机物添加处理均高于CK，其中GM 和SW 处理的玉米地上生物量与CK存在显著差异（P＜0.05），较CK 提高19.9%和13.3%。CD、SW、GM 处理的玉米产量与BC 处理存在显著差异（P＜0.05），与CK 不存在显著差异（P＞0.05），CD、SW、GM 处理分别较BC 处理提高14.8%、13.6%、13.1%。由此可知，以秸秆为基准，等有机碳添加量为2 400 kg/hm2时，牛粪处理地上生物量与作物产量最优。

图4 不同处理下玉米地上生物量和玉米产量

3 讨论

3.1 有机物添加对土壤理化性质的影响

碱化土壤的形成过程是指土壤胶体吸收较多的交换性钠，使土壤呈强碱性反应，并引起土壤物理性质恶化。碱化土壤的形成往往与脱盐过程相伴发生，但脱盐不是形成碱土的根本原因[17]。在干湿交替的环境下，钠盐在土壤剖面中总是趋于向表层集中，钙、镁则向下淋淀，所以土壤表层中的钠盐就会逐渐占绝对优势，致使碱化过程得以进行[18]，而漫灌是内蒙古河套灌区农业生产主要的灌溉方式，大水过量灌溉将土壤交换性钙、镁向下淋，使表层土壤吸附较多的交换性钠，从而发生碱化[19]。秸秆的还田，增加了土壤底物浓度，会促进土壤微生物以及土壤动物活性增加，从而将有机物分解转化成CO2、H2O、矿物质和稳定的腐殖酸[20]，牛粪与羊粪经农家堆肥、腐熟后，有机物分解产生的大分子生成腐殖酸[21]，土壤中腐殖酸的增加会中和土壤的pH 值，从而使土壤pH值降低，而生物炭自身的灰分元素大多呈可溶态，施入土壤释放后交换土壤中的Al3+和H+，降低其浓度，提高盐基饱和度，调节土壤pH 值[22]。该结果与本研究结果一致，进一步证实了有机物的添加能降低土壤的pH 值。

土壤养分是土壤肥力的重要基础，也是农田土壤结构的重要组成部分，而土壤中的氮、磷、钾则是土壤肥力衡量的重要指标[23]。秸秆、生物炭以及畜禽粪尿含有较高的养分资源，还田是该资源高效循环利用的途径之一。本研究结果表明，牛粪和羊粪可显著提高土壤养分，0～30 cm 土层中牛粪处理速效钾和全氮含量提高45.2%和8.8%（P＜0.05），羊粪处理全氮含量提高29.6%（P＜0.05），30～60 cm 土层中牛粪处理速效磷和速效钾含量提高35.6%和41.7%，羊粪处理速效磷和速效钾含量提高39.1%和32.1%，这与郭洁[24]、呼生春等[25]研究结果一致。有研究表明，土壤养分的积累并非单纯依靠土壤养分，而且依赖有机肥施入后土壤非环境和土壤酶活性改变引起的土壤养分的转化速率[26-27]，本试验中不同土层氮、磷、钾含量随土层深度的深入而降低，可能与不同土层土壤酶活性和微生物等的活动有关。

土壤中＞0.25 mm 大团聚体含量的高低能够很好地反映土壤保水保肥能力的强弱[28]，促进大团聚体的形成有助于增强土壤结构稳定性和固碳能力[29]。SIX 等[30]提出团聚体的稳定性及其周转在很大程度上与添加到土壤中的有机物数量和质量相关，表现为农田土壤中有较多的自由微团聚体及黏粒，当外源有机物加入后，土壤有机质的增加一方面会驱动微团聚体向大团聚体结合，另一方面会降低大团聚体周转、促进团聚体稳定。本研究结果中有机物的添加增加了土壤水稳性团聚体，牛粪对＞2 mm 和0.25～2 mm 的水稳性团聚体增加显著，符合上述理论，从而进一步证明在碱化土壤中，有机物的添加会促使水稳性团聚体的形成，多质量的有机物添加更加促进水稳性团聚体的形成。

3.2 有机物添加对土壤碳库的影响

碱化土通气、透水性差，具有较高的土壤pH 值和碱化度，使得有机碳分解加快，不利于土壤有机碳的累积与储存，从而降低了土壤有机碳库的储量[31]。土壤有机碳库在土壤肥力维持与农业生态系统稳定等方面具有重要作用[32]。不同的有机物质具有不同的化学组成和结构性质，对土壤有机碳库的影响也不同。有机碳含量是土壤碳库的重要组成部分，直接影响土壤的生物、物理和化学性质，也是衡量土壤肥力的重要指标[33]。有研究表明，长期秸秆和生物炭还田可提高土壤有机碳含量，而有机肥作为农家常用肥料具有丰富的有机质和作物需要的各种营养元素，对增加作物产量和提高土壤肥力具有良好的作用[34-35]。本研究选用生物炭、牛粪、羊粪和玉米秸秆4种有机物，以玉米秸秆全量还田含有的有机碳为标准（2 400 kg/hm2）进行添加，结果表明，各有机物添加均增加了土壤有机碳含量。KEITH 等[36]研究认为，土壤有机碳固持能力可能随着原土壤有机碳含量增加而增加；而KIRKBY 等[37]则研究发现，初始土壤有机碳含量越高，产生的激发效应（priming effect，PE）会越强烈，土壤有机碳固持效率越低。本研究结果表明，有机物仅显著提高了碱化土壤0～30 cm 土层的土壤有机碳密度（P＜0.05），这与李伟群等[38]的研究结果一致，原因可能是由于有机物质为表土添加，且为每年当季添加，所以仅增加了碱化土壤的耕层土壤有机碳[39]，而下层土壤并未受到耕种的扰动，同时表层有机碳向下移动缓慢，所以并未增加下层土壤的有机碳密度。但同为2 400 kg/hm2有机碳添加，牛粪处理对土壤有机碳密度的增幅高达52.4%，可能的原因有二：其一为牛粪为腐熟后添加，有利于对土壤有机碳库的补充；其二为牛粪的有机碳含量最低，所以添加的质量最高，增加了土壤与有机物的接触，且更为均匀，即有机物含碳量的多少也决定土壤有机碳的固持能力。

4 结论

不同有机物对河套灌区轻度碱化土壤的性质发挥着不同程度的作用，随着添加年限的累积，土壤有机碳库得到补充，碱化程度进一步降低。施用生物炭增加土壤有机碳的同时对土壤盐碱性改良的效果较好，牛粪和羊粪的施用对土壤物理特性及土壤养分的补充效果较好，而牛粪实际施用成本及施用对土壤理化性质、有机碳库和作物产量的改善、补充、提高的综合效果最好，具有较高的农业利用价值，值得在河套灌区进行推广。