連續施用不同比例雞糞氮對水稻土有機質積累及土壤酸化的影響

汪吉東， 張 輝， 張永春*， 許仙菊， 寧運旺，馬洪波， 陳 杰

(1 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所， 江蘇南京 210014； 2 中國科學院大學， 北京 100049；3 農業部江蘇耕地保育科學觀測實驗站， 江蘇南京 210014)

水稻土是我國四大類型耕地土壤中最為高產穩產的土壤，同時也是受人為活動影響強烈、土壤質量變異最為顯著的土壤[1]。最近研究顯示，我國農田土壤酸化不斷加速，太湖地區的水稻土酸化趨勢也很明顯[2-3]。

土壤酸化的原因很多，但氮投入及作物生產系統導致的鹽基凈輸出是加速土壤酸化的重要因素[4]。目前，有關施肥對土壤酸化的研究較多。在施有機肥對土壤酸化的影響方面很多研究認為施有機肥通常能緩解土壤酸化[5]。然而不同有機物料其本身的性質不同，施入后對土壤有機質含量、 鹽基離子庫、 氮循環等影響酸化趨勢的作用不同，不同有機物料對土壤pH的影響除與有機物料本身的性質有關外，還和土壤的原始pH值有關[6]。 Tang等[7]研究發現對于中性偏酸的土壤，外源有機物料對減輕土壤酸化危害與土壤的原始pH值的大小和外源有機物料本身的性質都有密切的相關性。

本研究以廣泛分布于太湖地區的黃泥土為研究對象，以雞糞和無機肥料按不同比例配施，研究在有機-無機肥料不同配比條件下，土壤有機質含量、酸化趨勢等的變化，并探究有機質含量對土壤酸堿緩沖體系的影響，以期為合理施肥和養分投入的科學管理以及黃泥土的酸度調控提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗設6個處理：1)對照(不施肥，CK)； 2)總氮量100%由有機肥提供(M100)； 3)有機肥提供總氮量的75%(M75)； 4)有機肥提供總氮量的50%(M50)； 5)有機肥提供總氮量的25%(M25)； 6)總氮量100%由化肥提供(M0)。每個處理3次重復。小區面積4 m ×5 m，隨機區組排列。各處理總施氮量均為 N 270 kg/hm2，施磷量P2O590 kg/hm2， 施鉀量K2O 120 kg/hm2，雞糞不足的磷、鉀用過磷酸鈣和氯化鉀補充，使各處理的氮、磷、鉀總量保持一致，具體施肥量見表1。有機肥和磷、鉀肥作基肥一次施用，無機氮肥的45%作基肥、 15%作分蘗肥(栽后5 d 施)、 40%作穗肥(倒2.5 葉施)。水稻收獲后采集土壤樣品進行相關分析。

表1 不同處理的養分及相應肥料投入量(kg/hm2)

1.2 測定項目與方法

土壤活性有機質的測定及碳庫管理指數(CPMI)的計算 采用KMnO4濃度為33 mmol/L、167 mmol/L和333 mmol/L 氧化法測定出的三組活性有機質分別稱其為高活性有機質、中活性有機質和活性有機質[8]。土壤全量有機質用K2Cr2O7氧化法測定。以對照處理土壤為參照。碳庫指數及碳庫管理指數(CPMI，Carbon pool management index)等相關指標參照沈宏等[9]的方法計算。

碳庫指數(CPI)= 農田土壤有機碳/參考農田土壤有機碳；

碳庫活度(A)= 活性碳/穩態碳；

碳庫活度指數(AI) = 農田碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫管理指數= 碳庫指數×碳庫活度指數×100。

土壤主要化學性質的測定方法 pH采用2.5 ∶1水土比電位法；交換性H+、Al3+采用1 mol/L KCl淋洗滴定法；交換性鹽基離子以中性乙酸銨浸提，Na+、K+采用火焰光度計法；Ca2+、Mg2+用原子吸收光度法；陽離子代換量(CEC)采用乙酸銨法。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel 2007處理； 用最小顯著法(LSD)檢驗處理間的差異顯著性(P<0.05)； 用Origin8.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤碳及水稻產量的影響

施有機肥或與有機無機配施等增加土壤有機物料的措施，能顯著增加耕層土壤有機碳含量。表2表明，經過5年不同配比的有機無機氮肥的施入，各施肥處理的土壤有機質、活性有機質、中活性有機質、高活性有機質含量均高于對照，各施肥處理的有機質含量隨有機氮比例的減少而降低，除單施無機氮的處理外，降幅均不大。所有施肥處理中，M75的土壤活性有機質含量最高，分別為M0和CK的1.37和1.68倍，并顯著高于M50、M25和M0處理。不同比例有機無機肥配合施用后，土壤的高活性有機質及低活性有機質均高于CK和M0處理，但隨著有機肥投入比例的升高，除中活性有機質和水稻產量之間呈顯著的正相關外(P=0.0067**)，高活性有機質、活性有機質及總有機質含量與水稻產量之間的相關性不顯著(對應的概率值分別為P=0.192，P=0.208，P=0.160)，由于不同活性有機質受有機質分解和轉化的影響，其與水稻產量間的相關性差異及其相關機理尚需進一步研究。

表2 不同施肥處理對土壤活性有機質、碳庫管理指數及水稻產量的影響

碳庫管理指數(CPMI) 是反映土壤管理措施引起土壤有機質變化的指標，是土壤碳變化系統的、敏感的監測方法，能夠反映農作措施使土壤質量下降或更新的程度[10-11]。從表2可以看出，M75處理的土壤其碳庫管理指數最大，分別比M0和CK提高39%、84%，但隨有機肥施用比例的下降而逐漸減小。沈宏等[9]研究認為，長期施用有機肥或有機肥和氮磷鉀礦質肥料配合施用，有利于土壤總有機碳、活性碳、微生物碳和礦化碳含量的提高。這與本研究的有機無機氮肥配施對提高土壤活性有機碳含量和碳庫管理指數的作用大于單施化學氮肥的結果是一致的。

2.2 不同施肥處理對水稻土土壤酸度的影響

2.2.1 對土壤主要陽離子、pH值和CEC的影響 隨著有機肥施用比例的增加，各施肥處理的土壤交換性鹽基離子均呈上升趨勢，交換性Al3+呈下降趨勢，交換性H+的趨勢不明顯(表3)。各處理鹽基離子含量的變化不一致，有機肥比例小于50%的處理其交換性Ca2+小于對照；有機肥比例為50%時的交換性Mg2+含量為對照的92.5%；而Ca2+含量高于對照；有機肥比例大于50%時，交換性Ca2+、Mg2+、K+、Na+含量均高于對照，表明增施有機肥有利于土壤鹽基離子的保蓄。

表3 不同有機無機氮處理對土壤主要陽離子、pH值和CEC的影響

各施肥處理的土壤陽離子代換量(CEC)也隨有機肥比例的增加而提高。M75、M100兩個處理的CEC顯著高于其他施肥處理和對照；M0的土壤CEC最低。不同處理土壤CEC和pH值呈顯著正相關(R2=0.774)，隨著化肥施用比例的上升，各施肥處理的pH呈顯著下降趨勢，其下降幅度與無機氮的比例量呈顯著線性相關(R2=0.998**，F值1473.64)。表明有機肥對緩解鹽基離子的淋失和提高土壤陽離子交換量有顯著作用；單施或偏施化肥則容易導致鹽基離子淋失和交換性Al3+含量的上升，從而使陽離子交換量下降，土壤潛在性酸化加劇。

2.2.2 土壤活性有機質和鹽基離子含量及土壤酸度之間的相關性 表4顯示，土壤總有機質、活性有機質及其組分與交換性鹽基的相關性差異很大。總有機質含量與各交換性鹽基離子含量、鹽基總量、陽離子交換量及土壤pH值均呈顯著的正相關關系。活性有機質含量及碳庫管理指數僅與交換性K+、Na+離子含量及土壤pH值顯著相關，高活性有機質含量則僅與交換性Na+含量及pH顯著相關。表明在一定的土壤pH范圍內，相對于活性有機質，土壤的pH值和總有機質含量的相關性更強。

不同比例的有機無機肥配施，除通過增加碳的輸入外，還可通過影響土壤性質而影響土壤的碳庫平衡[12-13]。本研究顯示，土壤pH值與土壤碳及其各組分含量、碳庫質量顯著相關； pH值和高活性有機質、活性有機質、總有機質含量及碳庫管理指數的相關系數分別為0.834、0.903、0.863、0.874。由此可知，不同施肥對土壤有機質分解礦化、腐殖化的影響差異可能還與pH對土壤-作物系統碳分配和土壤碳礦化以及土壤呼吸的變化有關，在農田碳循環研究中應予以充分關注。

表4 土壤活性有機質和鹽基離子含量及土壤酸度之間的相關性

2.3 土壤酸堿緩沖容量與有機質含量

圖1 不同施肥土壤的酸堿滴定曲線Fig.1 Tilting cures of different treatments

圖2 不同施肥處理土壤酸堿滴定曲線突躍范圍內的線性擬合Fig.2 Titling cures and liner regressions between soil pH and H+ amendment rate

對不同處理土壤酸堿緩沖容量與土壤CEC、土壤有機質、活性有機質及其組分含量進行相關分析(表5)表明，土壤酸堿緩沖容量與陽離子代換量、高活性有機質及活性有機質含量呈顯著正相關，顯示連續施用不同配比的有機無機肥，土壤酸堿緩沖容量受土壤鹽基離子的累積及有機質和活性有機質的影響，土壤有機質和活性有機質的提升及鹽基離子的累積是導致土壤酸堿緩沖容量上升的重要因素。

表5 土壤酸堿緩沖容量與土壤CEC及有機質的相關系數(皮爾遜單側顯著檢驗)

3 討論

3.1 不同有機-無機肥料配比對水稻產量及水稻土有機質含量的影響

施肥處理總有機質及活性物質含量均高于對照，有機肥對提高土壤總有機質、活性有機質含量的作用大于化學氮肥。這是由于土壤有機質主要來源于作物根茬與有機肥源，因而與生物量的增加也有關，且單施化肥處理土壤碳的礦化損失大大高于配施有機肥處理[17]。結合水稻產量來看，單施化肥處理其土壤的有機質含量僅略高于對照而小于配施有機肥的處理。有機無機肥配合施用增加了土壤的活性有機質含量，提高了土壤的碳庫管理指數。其中75%的有機氮處理的活性有機質含量和碳庫管理指數最大，也揭示了有機無機肥配施是提高土壤有機質含量及質量的最佳方式。

土壤不同活性有機質是描述土壤質量和評價土壤管理的良好指標。徐明崗等[18]的研究表明，作物的產量與中活性有機質和活性有機質極顯著相關，而與高活性有機質、總有機質相關性不顯著，本研究中僅中活性有機質含量與作物產量顯著相關，其他組分的有機質及總有機質與作物產量相關性不顯著，且不同活性有機質中，僅有活性有機質與碳庫管理指數達到極顯著的相關性，但總有機質含量與各交換性鹽基離子含量、鹽基總量、陽離子代換量及土壤pH值的相關性則高于與活性有機質含量及碳庫管理指數，表明單獨以活性有機質這一指標來表征土壤質量和評價土壤管理尚需商榷，而將活性有機質結合總有機質進行考慮可以更加全面地反映土壤生產力狀況及土壤酸堿的變化。

3.2 不同有機-無機肥料配比的土壤酸化趨勢及其影響因素

通常有機物料對土壤酸度的影響與有機肥施入土壤后的行為有關，有機肥可能通過有機質分解釋放堿性物質或有機陰離子礦化為CO2和水消耗質子使土壤pH 值升高，進而減弱土壤滲濾液的酸化效應[19]。已有研究表明，施用有機肥對土壤酸化的影響與有機物料的性質及土壤的初始pH有關[5，20]。本試驗中，土壤酸度隨雞糞施用比例的上升而呈下降趨勢，這與葛曉光等[21]的研究結果相一致。研究發現土壤的酸堿緩沖容量與土壤有機質含量呈顯著的正相關，該結果與Tarklson 等[22]的研究結果相符，但與汪吉東等[23]在石灰性潮土上的研究結果不一致，其原因可能與不同試驗土壤所處的緩沖體系不同有關[24]，在以碳酸鹽為主導的緩沖體系下，有機質含量的變化對土壤酸堿緩沖能力的影響較弱，而對處于硅酸鹽與鹽基離子緩沖體系下的土壤，有機質含量則是影響土壤酸堿緩沖容量的重要因素。

4 結論

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