硫酸铝和有机物料对盐碱土有机碳组成及复合体的影响

2022-10-10刘翔毓王丽群王鸿斌赵兴敏成世荣

水土保持学报 2022年5期

刘翔毓，王丽群，王鸿斌，赵兴敏，黄宁，宋昊，成世荣

(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)

土地是粮食生产的基础，而盐碱土作为宝贵的耕地后备资源，具有巨大的开发潜力。在疫情发生后，我国的粮食安全问题凸显，大规模开发盐碱地也在如火如荼地进行。吉林省西部苏打盐碱土面积约170万hm，作为最具开发潜力的土壤资源，对吉林省粮食增产具有重要作用。在盐碱地改良中，土壤培肥是一项重要环节，但在吉林省西部土地整理项目的实施过程中，发现新开发盐碱地普遍存在有机质匮乏，土壤结构差、肥力低等问题。

有机碳是土壤中非常重要的组成部分，是土壤养分的重要来源，其在保持土壤肥力、改善土壤结构、改善生态系统生产力等方面具有重要作用。土壤有机碳并非由单一物质组成，它包括活性有机碳和稳态碳等。活性有机碳作为有机碳的一部分，其有效性很高，能够及时反映出土壤细小的变化，直接影响供给植物的养分。它能够促进土壤微生物活动，为其提供能量，还能够在土壤生物地球化学过程中起直接参与的作用。其中微生物生物量碳可以说是最有活性的碳库，对土壤有机碳的变化极其敏感，能够更好地促进土壤有效养分的供应。而另一主要组成部分——易氧化有机碳，对外部环境的变化十分敏感，尤其在有机碳有效性和及时性方面能够作出不同程度的反映。有机无机复合体在土壤中作为土壤肥力的物质基础，可以综合地对土壤肥力的高低进行评价，主要存在形式是有机和无机胶体，它在土壤肥力的提升、土壤在形成中所进行的物质迁移、转化和积累起着重要作用，同时降低土壤有机碳矿化，促进微生物分解。

目前土壤培肥改良盐碱地主要有秸秆还田、施有机肥、化肥、有机物料等。通过以往研究可知，施用硫酸铝有利于有机无机复合体的形成，同时提高土壤Kos，增加土壤ROC(易氧化有机碳)；添加有机物对土壤的影响包括理化性质、结构、产量等等，通过已有研究发现，有机物料其主要作用是会显著增加土壤中有机碳含量、改善土壤结构等，在这些基础上达到提高作物产量的目的。

本文以硫酸铝和有机物料为添加物，研究苏打盐碱土有机碳组成及复合体的影响，明确既能有效提高土壤肥力，改良土壤结构，又能达到有机物料最经济的投入量，为经济合理地改良培肥苏打盐碱地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤类型为苏打盐碱土，于2019年10月采自吉林省大安市海坨乡(123°96′31″E，45°23′87″N)。供试土壤基本理化性质为土壤有机碳含量4.94 g/kg，碱解氮含量29.5 mg/kg，速效磷含量22.3 mg/kg，速效钾含量129 mg/kg，含盐量0.31%，碱化度50.47%，pH为9.52。

供试硫酸铝为辽宁兴宇净水剂有限公司生产的硫酸铝。供试有机物料有机碳含量为404.5 g/kg。

1.2 试验设计

本试验为实验室室内培养试验，试验设置不同梯度有机物料施用量及同一硫酸铝施用量。有机物料田间施用量为0，10，20，30，40，50，60 t/hm，硫酸铝田间施用量均为0.2 t/hm，土壤质量约为2 250 t/hm，根据上述质量进行计算，1 000 g土壤中有机物料的施用量大约为0，4，9，13，18，22，27 g，硫酸铝的施用量均为0.1 g。本试验共设置14个处理，每个处理重复3次。

按上述施用量将硫酸铝和有机物料称出，充分混入到1 000 g盐碱土中，加入蒸馏水，将土壤含水率调至15%(相当于田间持水量的60%)，称重记好质量后，放入25 ℃恒温培养箱中，培养时间为220天。培养期间定期(每隔5天)进行称重，通过称质量来补充水的蒸发量。培养于2020年7月20日结束，结束后土壤分为2份：一份放入4 ℃冰箱中进行保存，用于微生物量碳的测定；另一份风干，风干后保留部分原状土，并将剩余土壤过1.00，0.25 mm筛，用于有机碳等指标的测定。试验指标于2020年7月22日开始陆续进行测定。

1.3 测定方法

土壤pH：电位法(土水比为1∶2.5)；交换性钠：乙酸铵—氢氧化铵交换—火焰光度法测定；阳离子交换量：乙酸钠—火焰光度法，根据上述2个指标计算土壤碱化度；土壤含盐量：质量法；土壤速效氮、磷、钾的测定采用常规分析方法。

土壤有机碳：重铬酸钾容量法—外加热法；土壤微生物量碳：氯仿熏蒸—KSO浸提法；土壤活性有机碳：重铬酸钾—浓硫酸水合热法；土壤有机无机复合体参考Edwards等的方法。

土壤微生物商=土壤微生物量碳/ 土壤有机碳

Kos(有机碳氧化稳定性)=(土壤有机碳-易氧化有机碳)/ 易氧化有机碳

1.4 数据统计

试验数据采用Excel 2010软件进行统计和计算，采用SPSS 22.0软件进行数据分析处理，采用Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 硫酸铝和有机物料对盐碱土有机碳组成的影响

2.1.1 硫酸铝和有机物料对盐碱土有机碳含量的影响由图1可知，施有机物料的各处理有机碳含量均显著增加，根据有机物料增加而不断上升，说明有机物料的施用能够显著提高土壤有机碳含量。在施用硫酸铝且有机物料施用量相等时，所有处理均为施用硫酸铝的处理有机碳含量高，且各处理间差异性显著。与培养前供试土壤有机碳含量(4.94 g/kg)相比，未施用硫酸铝和有机物料的处理土壤有机碳含量有所降低，这主要是由于在培养过程中，微生物活动有大量的有机酸、氨基酸、维生素等物质产生，促使土壤中有机碳不断矿化分解，矿化的有机碳可被微生物所利用来维持其不断增加的活性，因为没有外源碳作为补充，使微生物仅能分解少部分原始土壤中的有机碳所造成的。

注：图柱上方不同小写字母表示经多重比较检验在p<0.05水平上达到显著水平。下同。图1 硫酸铝和有机物料对土壤有机碳含量的影响

2.1.2 硫酸铝和有机物料对盐碱土微生物量碳及土壤微生物商的影响为了更准确地研究土壤肥力高低的变化，可以从微生物量碳的变化趋势入手。由图2可知，土壤微生物量碳含量显著增加，根据有机物料增加而不断上升，施用有机物料的处理提高幅度为103.86%～360.24%。微生物量碳含量在有机物料施用量为0～30 t时显著增加；微生物量碳含量在有机物料施用量>30 t时增长幅度开始减缓。这可能是因为施用有机物料会为微生物的生长提供充足的营养，但微生物种类繁多，在生长过程中可能会相互制约，影响微生物量的增加；此外，微生物的生长对其生存环境有很高的要求，尤其在盐碱土中更容易受限。

图2 硫酸铝和有机物料对土壤微生物量碳含量的影响

添加硫酸铝使土壤pH降低，改变土壤环境，更能促进微生物生长。与未施用有机物料的处理相比，施用硫酸铝的处理提高幅度为42.60%～387.58%，增长幅度明显高于单施有机物料的处理。说明硫酸铝的施用能够在施用有机物料的基础上进一步增加微生物量碳。其变化趋势与施用有机物料的处理变化趋势相同，呈先显著增加再缓慢增长的趋势。且在施用硫酸铝且有机物料施用量相同的条件下，与施用有机物料的处理相比，所有处理均为施用硫酸铝的处理微生物量碳含量高，各处理间差异性显著。

微生物商是土壤微生物量碳的值比土壤有机碳的值，其范围一般为1%～5%，可作为反映碳素有效性的指标。在评价土壤健康变化方面具有重要作用。有研究表明，添加有机物可以提高土壤微生物商，但有机物料的不同，对微生物产生不同的影响。由图3可知，土壤微生物商值为0.97%～2.92%。施用有机物料明显高于未施用有机物料的处理，显著提高了土壤微生物商值，提高幅度为88.48%～193.68%。当有机物料施用量为0～30 t时，土壤微生物商值呈上升趋势；当有机物料施用量高于30 t时，土壤微生物商值开始小幅度下降，但是所有处理均高于未施用有机物料处理。

图3 有机物料和硫酸铝对土壤微生物商的影响

与未施用有机物料的处理相比，施用硫酸铝的处理提高幅度为37.70%～202.32%。施用硫酸铝的处理，与施用有机物料的处理变化趋势相同，而且施用硫酸铝且施用有机物料的处理均高于施用有机物料的处理。出现这种现象的原因主要是因为施用有机物料对有机碳含量增加是无限的，但是微生物量不会无限增长，在此基础上施用硫酸铝更有利于土壤微生物商值的增长。硫酸铝的施用在有机物料施用量为0～20 t时反应最为明显。

2.1.3 硫酸铝和有机物料对盐碱土易氧化有机碳及Kos的影响由图4可知，与未施用有机物料相比，施用有机物料的处理易氧化有机碳含量均显著增加，说明施用有机物料能够提高易氧化有机碳含量。施用有机物料较未施用有机物料的处理提高4.42%～37.82%，且易氧化有机碳含量与有机物料施用量呈正相关关系(=0.984 0)。施用硫酸铝及有机物料的处理提高幅度为3.46%～27.32%，易氧化有机碳含量与施用硫酸铝、有机物料呈显著正相关关系(=0.990 0)。在施用硫酸铝且有机物料施用量相等的时候，所有处理均为施用硫酸铝的处理易氧化有机碳含量高，各处理间差异性显著。

图4 有机物料和硫酸铝对土壤易氧化有机碳含量的影响

根据土壤总有机碳和易氧化有机碳的平均值可以计算得出Kos值。土壤有机碳活性弱、氧化稳定性强说明Kos值越高；当Kos值低时，其有机碳活性及氧化稳定性的结果与Kos值高的结果相反。由图5可知，与未施用有机物料的处理相比，所有施用有机物料的处理Kos值均下降，整体趋势为Kos值在有机物料添加量在0～20 t时呈大幅下降趋势；Kos值在20～40 t时有小幅上升趋势；Kos值在40～60 t时呈下降趋势。说明有机物料施用在不同程度上能够降低土壤Kos值。施用硫酸铝的处理土壤有机碳Kos值也呈先大幅下降后小幅上升再下降的变化趋势，且Kos值在施用硫酸铝且有机物料施用量为0 t时下降幅度最大，Kos值在施用硫酸铝且有机物料施用量为30 t时最低。在施用硫酸铝且有机物料施用量相同时，Kos值大多数情况为施用硫酸铝的处理高。

图5 有机物料和硫酸铝对土壤有机碳Kos值的影响

2.2 硫酸铝和有机物料对盐碱土有机无机复合体及有机碳分布的影响

由表1可知，细砂粒级复合体占总体的63.92%～65.45%，在整体中质量最高；黏粒级复合体占总体的17.05%～17.87%；而粉粒级复合体不足整体的7%。粗砂粒在复合体中含量较小，而且其多数会与土壤中颗粒有机碳结合，没有实质意义，所以没有对其进行分析。在施用有机物料的处理中，所有处理的大粒级(粉粒、细砂粒)复合体质量均呈上升趋势，只有小粒级(黏粒)复合体质量呈下降趋势。在黏粒级复合体中，与未施用硫酸铝相比，施用硫酸铝的处理黏粒级复合体质量较低。在粉粒级复合体中，与未施用硫酸铝相比，施用硫酸铝且有机物料施用量<30 t时，粉粒级复合体质量较高；施用硫酸铝且有机物料施用量>30 t时，粉粒级复合体质量较低。在细砂粒级复合体中，其变化与粉粒级复合体的变化趋势相反。在施用硫酸铝且有机物料施用量相同条件下，只有细砂粒级复合体质量有所上升，黏粒、粉粒及粗砂粒级复合体质量与之相反。

由表1可知，各粒级复合体内有机碳含量由小粒级向大粒级方向减少，主要存在于黏粒部分，然后粉粒部分，最后是细砂粒部分。粗砂粒在复合体中含量较小，而且其多数与土壤中颗粒有机碳结合，没有实质意义，所以在表1中没有体现。各粒级复合体内的有机碳含量根据有机物料的施用量均呈上升趋势，而且在此基础上施用硫酸铝，还会进一步促进土壤中各粒级复合体内有机碳的积累。从有机碳贡献率得知，有机物料对不同粒级有机碳贡献率变化趋势不一样，黏粒级有机碳贡献率稍稍下降，这与黏粒级复合体质量变化趋势一致；粉粒级有机碳贡献率无明显变化，细砂粒级有机碳贡献率变化趋势与黏粒级有机碳贡献率趋势相反。在施用硫酸铝且有机物料施用量相同的条件下，不同粒级的变化趋势为以施用有机物料的处理作对照，施用了硫酸铝的处理土壤中大粒级(粉粒、细砂粒)有机碳贡献率较高，而小粒级(黏粒)有机碳贡献率较低。从有机碳损失量来说，均随有机物料施用量的增加呈上升趋势，且与未施用硫酸铝处理相比，施用硫酸铝处理有机碳损失量更高。上述结果表明，施用有机物料能够促进复合体由小向大聚集，增加土壤中大粒级复合体含量，提高各粒级复合体有机碳积累量，影响各粒级有机碳对土壤有机碳的贡献率，主要对黏粒和粉粒复合体影响较大。在施用硫酸铝且施用有机物料的条件下上述指标能够进一步提升。

表1 硫酸铝和有机物料的添加对土壤有机无机复合体及有机碳分布的影响

3 讨论

3.1 硫酸铝和有机物料对土壤有机质组成的影响

本研究表明，土壤有机碳含量根据有机物料的施用呈上升趋势，土壤微生物量碳含量与有机碳变化趋势一致。因为有机物料在生长过程中提供充足的营养，可以促进微生物的生长，但微生物的种类繁多，而且对生存环境也有一定的要求，即使有机物施用量逐渐提高，微生物量也不会无限增长，而是逐渐稳定在一定水平，与朱孟龙等以稻草为添加物得出的研究结果相似。有机物料施用量为30 t/hm时，微生物商值达到峰值，可以说明30 t/hm为有机物料最适添加量。土壤易氧化有机碳含量根据有机物料的施用也呈上升趋势，但是会使土壤Kos值降低，说明施用有机物料均能显著提升有机碳及活性有机碳，改变土壤现状，能够使土壤养分被植物更好地吸收利用，达到促进作物生长发育的目的。其中有机物料添加量为30 t/hm时，易氧化有机碳变化最明显，Kos值与其他处理相比较低。此外，作为盐碱土改良剂，硫酸铝能够显著降低土壤pH，对微生物生存环境有很好的改善作用。在施用硫酸铝且施用有机物料的条件下能够进一步提升有机碳及活性有机碳，同时能提高有机碳稳定性。

3.2 硫酸铝和有机物料对土壤复合体及其有机碳的影响

在本试验中，施用有机物料使土壤中小粒级(黏粒)明显减少，而大粒级(粉、细砂粒)明显增加。说明施用有机物料能够促进土壤中的粒级由小向大聚集。从各粒级有机碳变化趋势来看，各粒级复合体有机碳含量均呈上升趋势。在土壤中施用硫酸铝后，由于Al的水解，从而产生了其他离子——羟基铝离子，对土壤胶体起到了凝聚作用，从而使土壤微团聚体数量增加。本研究发现，与未施用硫酸铝处理相比，所有处理均为施用硫酸铝的处理黏粒级复合体质量少，而粉粒、细砂粒和粗砂粒级复合体质量增加；在有机物料施用量相同时，施用硫酸铝的处理各粒级复合体内有机碳含量进一步增加。以上结果都说明硫酸铝的施用对土壤胶体团聚有进一步的促进作用，还能够使各粒级复合体内有机碳含量进一步提高，这与赵兰坡等研究结果相一致。