饲草种植及牛粪施用对松嫩平原盐碱土养分及腐殖质组成的影响

摘要：为探讨施用牛粪对盐碱土壤速效养分和腐殖质组分的影响，明确其对盐碱土壤的培肥效果，本试验设不施肥（CK）、100%牛粪（C）、100%化肥（NPK）、50%牛粪＋50%化肥（CNPK）4个处理，种植苜蓿和苏丹草，研究松嫩平原盐碱土养分及腐殖质组分变化。结果表明：与CK处理相比，施肥处理明显增加了全氮（TN）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）、有机碳（SOC）及腐殖质组分含量，降低了pH和电导率（EC）。苜蓿地土壤C处理AN、SOC、胡敏酸（HA）和胡敏素（HM）比NPK处理分别增加28.27%、7.68%、12.79%和34.63%，CNPK处理AK比C处理明显增加36.78%。苏丹草地土壤C处理AN、SOC和HA比NPK处理分别显著增加17.06%、9.69% 和25.27%（Plt;0.05），CNPK 处理AP 和AK 比C 处理增加35.66% 和23.81%，NPK 处理EC 比C 处理明显降低30.16%。苜蓿地土壤SOC和速效养分含量及腐殖质组分含量均不同程度高于苏丹草地。研究表明，种植苜蓿及单施牛粪有助于促进土壤有机碳、腐殖质组分及速效养分积累，且使土壤胡敏酸和富里酸趋向年轻化和简单化，有利于土壤肥力的提升。

关键词：苜蓿；苏丹草；化肥；腐殖质；土壤有机碳

中图分类号：S153.622 文献标志码：A 文章编号：2095-6819（2025）01-0169-08 doi： 10.13254/j.jare.2023.0666

土壤有机碳是表征土壤质量的重要因素之一，由于土壤碳库容巨大，其变化显著影响大气CO2浓度[1]。土地利用方式通过调整地上和地下外源物质输入的数量和质量强烈影响土壤有机碳固存，是实现“碳中和”等可持续发展目标的关键战略[2]。松嫩平原是典型的农牧交错带，生态环境脆弱，是世界三大苏打盐碱地集中分布区之一。种植饲草是盐碱化土地高效利用及固碳的重要途径，也是畜牧业发展的政策需要。种植适宜的优质饲草对于增加区域内生态系统碳截获潜力、实现土壤可持续利用具有重要意义。

苜蓿（Medicago sativa）和苏丹草（Sorghumsudanense）是优质饲草，均可在松嫩平原盐碱化土地上生长，苜蓿是深根多年生耐盐碱优质豆科牧草，其可利用根瘤菌对土壤进行固氮，并加强土壤微生物活性，提高土壤速效养分的利用率[3]，有效提升土壤质量[4]。苏丹草是禾本科高粱属一年生牧草，耐干旱、可再生、适应性强[5]，能够快速吸收利用土壤养分，生物量高达12 000～15 000 kg·hm-2。由于盐碱化土地土壤贫瘠，种植施肥方式通常以单施化肥为主，长此以往会导致土地质量退化及饲草产量降低。近年来，伴随种植规模的不断扩增，过量施用化肥破坏了土壤结构，导致土壤肥力下降、影响土壤养分循环、微生物活性和数量以及产生农业污染等诸多方面环境问题[6-7]。

土壤腐殖质是有机质重要组成部分，主要由胡敏酸（HA）和富里酸（FA）组成，是衡量土壤肥力高低的重要标准之一[8]。腐殖化系数（PQ）和胡敏酸与富里酸比值（CHA/CFA）是评价土壤腐殖质品质优劣的主要指标，该值越高说明腐殖质品质越好，有助于改善土壤结构和肥力[9]。Ji等[10]和郭军玲等[11]的研究表明，有机肥有利于土壤有机质恢复和肥力增加，并有效改善土壤理化性质，促进植物对养分吸收利用并促进土壤腐殖化程度。张迎春等[12]发现有机肥替代化肥能够协调养分均衡，有效提高作物养分积累并提高肥料养分利用效率，提高土壤养分含量，对土壤有一定的培肥效果，对农田土壤质量具有显著的正效应。粪肥还田既能解决粪便堆积造成的环境污染，又能达到绿色和经济的双重目的[13]，可高效资源化利用农用废弃物资源，同时促进植物生长及土壤肥力提升。因此，如何科学合理地施用粪便资源，对于维护土壤环境质量和确保农业的可持续发展具有十分重要的意义。

本研究通过牛粪和化肥的配合施用，种植苜蓿和苏丹草，分析土壤有机碳及腐殖质组成含量，探究适宜于松嫩平原盐碱地土壤固碳及肥力提升的施肥方式，为松嫩平原盐碱地科学合理利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于吉林省松原市长岭县中国科学院长岭草地农牧生态研究站（44°33′N，123°31′E）。该地区位于松嫩平原南部，属于温带半干旱、半湿润季风气候，年平均降水量为427 mm，平均气温为4.9 ℃，试验土壤类型为盐碱土。

1.2 试验设计

本研究于2020年和2021年在苜蓿地和苏丹草地进行牛粪和化肥配合施用试验。采用随机区组设计，设置C 为100% 牛粪，NPK 为100% 化肥，CNPK 为50% 牛粪＋50% 化肥，CK 为不施肥，共4 个处理，每个处理重复3次，小区面积6 m×25 m=150 m2。苜蓿地施肥量为60 kg·hm-2（以N计，下同），苏丹草地施肥量为180 kg·hm-2，施氮量为常规种植施用量，各处理间等氮量施肥。苜蓿地：C 处理牛粪施用量为6 t·hm-2；NPK 处理复合肥（12-18-15）施用量为500 kg·hm-2；CNPK处理牛粪施用量为3 t·hm-2，复合肥（12-18-15）施用量为250 kg·hm-2。苏丹草地：C处理牛粪施用量为18 t·hm-2；NPK 处理复合肥（12-18-15）施用量为1 500 kg·hm-2；CNPK 处理牛粪施用量为9 t·hm-2，复合肥（12-18-15）施用量为750 kg·hm-2。苜蓿地将牛粪或化肥均匀撒施在地表，在雨前进行补播。苏丹草地将牛粪或化肥均匀撒施在地表，旋耕后种植。土壤基本理化性质：苜蓿地土壤pH 9.21，碱解氮32.47 mg·kg-1，有效磷44.37 mg·kg-1，有效钾101.38mg·kg-1，全氮1.27 g·kg-1，有机碳9.87 g·kg-1；苏丹草地土壤pH 9.32，碱解氮31.14 mg·kg-1，有效磷40.82mg·kg-1，有效钾99.32 mg·kg-1，全氮0.89 g·kg-1，有机碳8.65 g·kg-1。供试牛粪的物理化学性质：含水量为5% 的干基牛粪，有机碳含量265.82 g·kg-1，pH 7.54，全氮、全磷、全钾含量分别为10.43、4.15、1.72 g·kg-1。各处理地上生物量和根系生物量见表1。

1.3 样品采集与分析

于2021 年10 月采集0～20 cm 土层的土壤样品。每个小区随机选取3个采样点，混匀为1个样品。土样带回后剔除残根和杂物，一部分土样自然风干后备用，另一部分土样置于冰箱中4 ℃冷藏保存。

碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用1 mol·L-1NH4OAC浸提-火焰光度法，具体方法参考《土壤农化分析》[14]。

腐殖质组成采用腐殖质组成修改法[15]，即先用蒸馏水提取水溶性物质（WSS），然后用0.1 mol·L-1NaOH＋Na4P2O7 混合液提取碱溶性腐殖质（HE），用0.05 mol·L-1的H2SO4溶液调节HE的pH为1，分离出HA和FA，碱不溶性残渣为胡敏素（HM）。

腐殖化系数PQ=CHA/CHE

式中：CHA 为HA 含碳量，g·kg-1；CHE 为HE 含碳量，g·kg-1。

采用紫外可见分光光度法测定HA和FA溶液在400 nm和600 nm吸光值，并计算色调系数（ΔlogK）：

ΔlogK=log A400-log A600

式中：log A400 为溶液在波长为400 nm 处的色调系数值；log A600为溶液在波长为600 nm处的色调系数值。

1.4 数据统计与分析

数据处理采用Microsoft Excel 2021 数据统计软件和SPSS 26.0数据分析软件完成，用Origin 2021进行制图，不同处理之间采用邓肯（Duncan）新复极差法进行差异显著性检验（Plt;0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤化学性质的影响

不同处理对土壤化学性质的影响如表2 所示。施肥处理明显增加了土壤SOC、TN、AN、AP和AK含量，降低了土壤pH和EC。土壤SOC、TN、AN含量以及pH 和EC 均表现为Cgt;CNPKgt;NPK，土壤AP 和AK表现为CNPKgt;NPKgt;C。

苏丹草地C 处理SOC 和AN 含量比NPK 处理分别显著增加9.69%和17.06%（Plt;0.05）；CNPK处理土壤AP 和AK 比C 处理分别高35.66% 和23.81%；NPK处理pH 和EC 分别比C 处理明显降低0.21% 和30.16%。

苜蓿地C处理SOC、TN和AN含量较NPK处理分别增加7.68%、2.87% 和28.27%；CNPK 处理土壤AP和AK比C处理分别高5.22%和36.78%；NPK处理pH和EC分别比C处理明显降低0.24%和7.89%。

2.2 不同处理对土壤腐殖质组分的影响

不同处理对土壤腐殖质组分的影响见图1。施肥处理明显提高了土壤腐殖质中各组分含量，苏丹草和苜蓿地各组分均表现为Cgt;CNPKgt;NPK。

苏丹草地C 处理WSS、FA 和HM 较NPK 处理分别明显提高11.43%、10.34%和17.42%；C和CNPK处理HA比NPK处理分别显著提高25.27%和22.97%（Plt;0.05）。

苜蓿地C处理WSS、HA和FA较NPK处理分别提高5.87%、12.79%和2.33%，各处理之间无显著差异；C 处理HM 比CNPK 和NPK 处理分别显著提高24.00%和34.63%（Plt;0.05）。

2.3 不同处理对土壤光学性质的影响

不同施肥处理土壤胡敏酸和富里酸光学性质如图2所示。色调系数（ΔlogK）可作为判断土壤腐殖质复杂程度的指标。苏丹草地C 处理HA ΔlogK 和FAΔlogK 比NPK处理显著增加3.53%和6.74%，比CK处理显著增加4.89% 和15.44%（Plt;0.05）。苜蓿地C 处理HA ΔlogK 和FA ΔlogK 比CNPK 处理明显增加2.08%和3.42%。

2.4 不同处理对土壤PQ 值和CHA/CFA的影响

不同施肥方式对土壤PQ 值和CHA/CFA 的影响见图3，苏丹草地C处理PQ 值和CHA/CFA较CK处理明显增加6.13%和27.77%，较NPK处理明显增加2.52%和0.92%。苜蓿地C 处理PQ 值和CHA/CFA 较CK 处理明显增加3.75%和24.27%，较NPK处理明显增加1.88%和11.34%。

2.5 各指标相关性分析

由图4相关性分析得知，苜蓿地和苏丹草地SOC与碱解氮均呈显著正相关，相关系数分别为0.603（Plt;0.001）和0.600（Plt;0.05），速效磷与EC呈显著负相关，相关系数分别为-0.670和-0.698（Plt;0.001）。苜蓿地土壤SOC与EC呈极显著负相关（Plt;0.01；r=-0.775）。苏丹草地土壤SOC 与HA（Plt;0.05；r=0.639）、FA（Plt;0.01；r=0.602）呈显著正相关，SOC 与HA ΔlogK（Plt;0.001；r=0.750）和FA ΔlogK（Plt;0.001；r=0.732）光学性质呈极显著正相关。

3 讨论

3.1 土壤化学性质

研究表明，各施肥处理均有效降低了土壤pH和EC。单施化肥处理较试验前pH降幅最明显，原因为单施化肥易引起土壤酸化[16]。单施牛粪和化肥配施牛粪土壤pH有下降趋势，牛粪含有较高的有机酸、挥发性氮以及硫等元素，从而导致土壤pH降低，与前人的研究结果一致[17]。

土壤速效养分是反映土壤氮、磷、钾养分储量和供应水平的关键指标。研究表明，单独施用牛粪均显著增加苏丹草地和苜蓿地土壤碱解氮含量，表明在等氮量条件下单施牛粪增加了氮素库容。这主要由于牛粪中的有机质分解过程中释放有机酸，有效抑制了尿素水解过程中土壤酸碱度的升高，从而显著抑制土壤氨挥发[18]。但单施化肥土壤碱解氮增加不明显，由于在土壤脲酶的作用下化肥中的尿素被水解为NH4HCO3，随后迅速转化为铵态氮，为氨挥发提供了充足的底物，提高了氨挥发速率[19]。单施化肥和牛粪配合施用化肥土壤速效钾含量均高于单施牛粪，可能是牛粪中钾素不足，并且化肥配施牛粪加强了作物对钾素的吸收利用，有效促进难溶矿物钾的转化。并且化肥施入土壤后其自身带入土壤中较多的磷和钾，也可一定程度上提升土壤速效养分含量。

有机碳在改变土壤的物理、化学和生物性质方面具有重要作用，是土壤质量评价的一个关键因素。前人的研究表明，施加牛粪可增加土壤有机碳含量，从而有效提升有机碳的贮量和供应[20]。本研究结果表明，苜蓿地和苏丹草地单施牛粪比单施化肥土壤有机碳含量增加7.68%和9.69%，较原始土样增加19.15%和14.22%，主要是由于牛粪含有较多外源碳，外源碳的输入增加了土壤有机碳含量[21-22]。并且牛粪对植物根系的生长起到了促进作用，根际分泌物和根域生物量的增加，对土壤中有机碳的累积起到了积极的作用。李淑芬等[23]和Feike等[24]认为，土壤施加化肥后引起土壤碳氮比下降，加快土壤中原有的有机碳分解速度，致使土壤中累积有机碳总量较少，与本研究结果一致。相关性分析表明，有机碳与碱解氮呈显著正相关关系，这与王振等[25]的研究结果一致，说明土壤中大部分氮素储存在土壤有机态化合物中[26]。土壤碱解氮与有机碳协同趋势明显，充分说明有机碳是土壤碱解氮的来源并直接影响土壤氮素的供应水平。

3.2 土壤腐殖质组成

土壤腐殖质是土壤中特有的一种复杂高分子有机化合物，是有机质的重要组成部分，含有大量植物所需营养元素，是评价土壤肥力优良的重要指标之一[27]。前人研究表明，有机肥施入后有效提高了土壤总有机碳含量及其腐殖物质含量，易于土壤矿化，有利于土壤结构改善、土壤肥力及土壤固碳功能提高，直接或间接影响土壤腐殖物质组成及光学性质等[28]；而施用化肥会降低或维持腐殖质组分含量[29-30]。本研究结果表明，土壤腐殖质各组分含量趋势表现为Cgt;CNPKgt;NPKgt;CK，单施牛粪腐殖质各组分含量提升效果最明显，可能因为牛粪的施入有助于有机碳更新活化。另外，施入牛粪后可较好地促进作物生长、增加根茬输入量，且牛粪在腐解过程中释放腐殖质，从而使牛粪处理下腐殖质含量明显高于化肥处理和初始土壤。

施肥可提高土壤CHA/CFA 和PQ 值，有利于积累HA，促进土壤腐殖化程度，使腐殖质内结构复杂化，有机质的稳定性增强，有助于改善土壤结构和肥力[31]。本研究发现苏丹草地和苜蓿地C处理土壤HA含量显著增加，HA占可提取腐殖物质碳的比例有所升高，从而提高土壤PQ 值和CHA/CFA，因此有利于FA向HA转化，加强土壤腐殖化程度，这与魏宇轩等[32]的研究结论一致。

颜色是一种主要的腐殖质特性，而腐殖质的生成实质上是一种颜色变深的过程，这种色调上的差异与腐殖化程度的差异是一致的。而色调系数（ΔlogK）可有效反映腐殖质分子复杂度。ΔlogK 值越小，说明它们的分子结构越复杂，分子量越大，颜色越深[33]。本试验表明，FA的ΔlogK 值较HA大，表明FA分子结构更简单，这与前人的相关研究结果一致，即FA分子量更小，芳香性和缩合度更低[34]。不同施肥方式均有效提高土壤FA和HA的ΔlogK，使FA和HA分子结构趋于简单，其中，单独施用牛粪使土壤HA和FA分子结构简单化最为显著。

4 结论

（1）不同饲草和施用牛粪均明显改变土壤有机碳、腐殖质组成及养分含量，同时改变腐殖质分子结构。

（2）单施牛粪比单施化肥、牛粪和化肥配施显著增加有机碳、腐殖质组成及速效磷和速效钾含量，同时在一定程度上促进土壤腐殖化程度，并使胡敏酸和富里酸分子结构趋于简单化。

（3）在本试验条件下，单施牛粪有利于固碳和腐殖质的累积，有效提升土壤肥力。

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