褐煤、粘土和有機肥對內蒙古風沙土腐殖質有機無機復合體的影響

柳夏艷 郝思銘 ，2? 呂貽忠 ?

1 中國農業大學資源與環境學院 北京 100193

2 中化化肥有限公司 北京 100031

我國人地矛盾日益突出，充分開發利用低產土壤對我國農業持續發展具有十分重要的意義。風沙土無結構、漏水漏肥，土壤有機無機復合體是決定土壤物理、化學及生物性質的物質基礎，有助于促進穩定性團聚體的形成[1]，是評價土壤肥力好壞的綜合指標之一[2]。因此，對土壤肥力的改善與恢復需從土壤有機無機復合體著手。土壤結構的形成需要膠結劑的作用，而土壤腐殖質是重要的有機膠結劑，主要由胡敏酸、富里酸、胡敏素組成[3]。工業腐植酸是從泥炭、風化煤、褐煤等低階煤物料中用堿液提取出來的那一部分暗色物質，其可作為一種優質改良劑施入土壤，促進土壤腐殖質的形成，改善土壤結構，進而促進有機無機復合體的形成[4]。

研究土壤有機無機復合體對土壤改良起著重要作用。20世紀末有關研究[5，6]指出，施用腐植酸復合肥、有機肥等可促進土壤有機無機復合體的形成。Rebecca等[7]研究發現，土壤有機無機復合體總量與粘粒含量呈正相關關系，直接影響土壤性質[8]。鄭慶福等[9]進一步研究表明，東北黑土有機無機復合體含量均隨剖面發生層向下呈下降趨勢，有機碳在各級復合體中及土壤中的含量均隨復合體的粒徑增大而減少。Feng等[10]研究發現，隨碳儲量增加，有機無機復合體有接近碳飽和度的閾值時，與土壤礦物結合的有機物的穩定性才會降低。Maillard等[11]研究發現，長期施用液態牛糞對土壤有機無機復合體中碳積累有一定影響。國內外學者做了很多關于土壤有機無機復合體的研究，但在沙土改良基礎上關于有機無機復合體的研究報道還很少，故而研究不同改良劑對沙土腐殖質和有機無機復合體形成的影響具有一定的現實意義。

本研究以內蒙古科左后旗的沙地為試驗地，進一步探討連續兩年施用褐煤、粘土、有機肥3種改良劑后對風沙土腐殖質和有機無機復合體形成的影響，研發具有高緩沖性能的有機無機復合體培育技術，以期通過外源性物質反哺土壤，為沙土改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地情況

試驗地點位于內蒙古通遼市科爾沁（處于農牧交錯帶），土壤類型為草甸風沙土，氣候類型為溫帶大陸性季風氣候，年平均降雨量為385.1 mm，年平均氣溫為6.1 ℃。供試風沙土土壤砂粒、粉粒和粘粒含量分別為95.51%、1.76%和2.74%，容重為1.61 g/cm3，有機質含量為2.38 g/kg，堿解氮、銨態氮和硝態氮含量分別為70.01 mg/kg、3.54 mg/kg和1.68 mg/kg，有效磷和速效鉀含量分別為7.15 mg/kg和60.67 mg/kg。

1.2 供試材料

供試作物：玉米，品種為“先玉335”。

供試改良劑：褐煤，未活化，總腐植酸（干基）≥70%，黃腐酸（干基）≥15%～20%，表施，采用旋耕機翻入與土混勻；粘土，其砂粒、粉粒和粘粒含量分別為51.64%、16.57%和31.59%，有機質含量為23.12 g/kg，在試驗開始的第1年（2014年）在0～15 cm土層上施用，采用翻耕的方式把施用的粘土與沙土混勻，第2年（2015年）不施用；有機肥，當地購買，有機質含量為45%，第1年（2014年）和第2年（2015年）表施，采用旋耕機翻入與土混勻。

1.3 試驗設計

試驗采用“3414”方案，小區大小為3 m×4 m的長方體。設定3因素即施用褐煤（H）、粘土（C）、有機肥（O）。每個因素設4個水平，共14個處理。H0、H1、H2、H3分別為0.00 t/hm2、3.75 t/hm2、7.50 t/hm2、11.25 t/hm2；C0、C1、C2、C3分別為0.00 t/hm2、75.00 t/hm2、150.00 t/hm2、300.00 t/hm2；O0、O1、O2、O3分別為0.00 t/hm2、15.00 t/hm2、30.00 t/hm2、60.00 t/hm2[12]。每個處理3次重復。改良劑連續施用兩年。具體試驗布置如圖1。

圖1 試驗區布置圖Fig.1 Test fi elds layout

1.4 土樣采集

在玉米收獲期后進行土樣采集，每個小區隨機取5次土樣，采樣深度為0～10 cm，5次土樣混勻自然風干后備用。

1.5 土壤測定項目與方法

土壤有機質測定：重鉻酸鉀容量法[13]；土壤腐殖質測定：Na4P2O7-NaOH提取法[14]；土壤有機無機復合體分組測定：膠散分組法[15]；土壤有機碳含量、土壤有機無機復合量測定：重液分離法[16]。土壤有機無機復合度=（土壤有機無機復合量/土壤有機碳含量）×100%。

1.6 數據處理

試驗數據采用SPSS20.0軟件進行統計分析，單因素方差分析采用Duncan新復極差法（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對土壤有機質的影響

表1為不同改良劑在不同施用水平下對土壤有機質含量的影響。由表中可以看出，施用粘土和有機肥對有機質含量并沒有顯著影響。隨著褐煤施用量的增加，土壤有機質含量逐漸升高，3水平與0水平相比，土壤有機質含量顯著提高了115.0%。而隨著粘土和有機肥施用量的增加，有機質含量并沒有出現規律性的變化。

表1 不同改良劑在不同施用水平下對土壤有機質含量的影響Tab.1 Effects of different modif i ers on soil organic matter content at different application levels g/kg

圖2為不同改良劑對土壤有機質含量的影響。由圖可以看出，添加改良劑后的土壤有機質較H0C0O0處理都有所增加，當3種改良劑施用量為2水平時，土壤有機質含量顯著增加。不施褐煤的處理土壤有機質含量低于不施粘土和不施有機肥的處理，說明褐煤對土壤有機質含量影響較大，可能是因為施用褐煤可增加腐植酸含量，進而增加土壤有機質含量。表2為不同改良劑對土壤有機質、胡敏酸和富里酸含量的影響。由表可見，土壤有機質在褐煤、粘土和有機肥施用量分別為150.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良劑配施（H3C2O2）下改良效果最佳，含量為10.38 g/kg。

圖2 不同改良劑對土壤有機質含量的影響Fig.2 Effects of different modif i ers on soil organic matter content

表2 不同改良劑對土壤有機質、胡敏酸和富里酸含量的影響Tab.2 Effects of different modif i ers on sandy soil organic matter, humic acid and fulvic acid content g/kg

2.2 不同改良劑對土壤腐殖質組成的影響

表3為不同改良劑在不同施用水平下對土壤腐殖質組成的影響。由表中可以看出，隨著褐煤施用量的增加，土壤胡敏酸含量呈增加趨勢，與0水平相比，褐煤施用量3水平時土壤胡敏酸顯著增加了805.88%；而與0水平相比，土壤富里酸在1水平、2水平和3水平分別降低了28.31%、38.55%和23.49%，但差異不顯著。隨著粘土施用量的增加，土壤胡敏酸和富里酸含量沒有顯著變化。隨著有機肥施用量的增加，土壤胡敏酸在1水平和3水平較0水平分別顯著降低了68.42%、53.94%，而土壤富里酸含量無顯著變化。

圖3為不同改良劑對土壤胡敏酸和富里酸含量的影響。由圖可知，添加改良劑后除H0C2O2處理外土壤胡敏酸含量較H0C0O0均有顯著增加，不施用褐煤處理胡敏酸含量低于不施用粘土和有機肥處理，說明施用褐煤對胡敏酸影響較大。與H0C0O0相比，H0C2O2處理土壤富里酸含量顯著增加，而與其他處理間差異不顯著。由表2可知，土壤胡敏酸在褐煤、粘土和有機肥施用量分別為7.50 t/hm2、300.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良劑配施（H2C3O2）下改良效果最佳，含量為1.68 g/kg，土壤富里酸在褐煤、粘土和有機肥施用量分別為0 t/hm2、150.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良劑配施（H0C2O2）下改良效果最佳，含量為1.66 g/kg。

表3 不同改良劑在不同施用水平下對土壤腐殖質組成的影響Tab.3 Effects of different modif i ers on soil humus composition at different application levels g/kg

圖3 不同改良劑對土壤胡敏酸和富里酸含量的影響Fig.3 Effects of different modif i ers on soil humic acid and fulvic acid content

2.3 不同改良劑對土壤有機無機復合體的影響

2.3.1 不同改良劑對土壤有機無機復合度的影響

不同改良劑對土壤有機無機復合度有一定的影響（表4）。與對照（H0C0O0）相比，各改良處理的土壤有機無機復合量增加了5.26%～61.84%，土壤有機無機復合量和土壤有機無機復合度最高的處理均為H2C3O2，其褐煤、粘土和有機肥3種改良劑最佳配施量分別為7.50 t/hm2、300.00 t/hm2和30.00 t/hm2。土壤有機無機復合量與土壤重組有機碳含量間呈極顯著正相關關系（y=0.874x+0.0422，R2=0.9584）。土壤有機無機復合度與土壤有機碳含量和土壤重組有機碳含量間無明顯關系。各處理土壤有機無機復合度在20.00%～50.00%之間，這可能是由于改良劑施用年限較短，且沙土本身有機質含量低，土壤結構不穩定，導致土壤有機無機復合狀況較差。

表5、圖4分別為不同改良劑對土壤有機無機復合度及復合量的影響。由表中和圖中可以看出，褐煤、粘土和有機肥施用量的增加對土壤有機無機復合量沒有顯著影響；但隨褐煤、粘土施用量的增加，土壤有機無機復合量有上升的趨勢，分別從0.96 g/kg增加到1.13 g/kg、從1.04 g/kg增加到1.23 g/kg；隨著有機肥用量的增加，土壤有機無機復合量最高的處理是H2C2O2，與最低的H2C2O0處理相比，有機無機復合量增加了34.10%。上述趨勢的原因可能是沙土粘粒含量較低，施加粘土可以增加土壤的粘粒含量，而粘土礦物又是形成有機無機復合體的重要基礎，所以施用粘土可增加有機無機復合量。施用有機肥和褐煤可以增加沙土的有機質含量、腐殖質含量，故土壤有機無機復合度有增加的趨勢。但可能因為施用年限較短，沙土的有機無機復合量本身又很低，所以施用量不同水平之間并無顯著差異。

2.3.2 不同改良劑對土壤有機無機復合體組成影響

丘林的膠散分組法[15]把土壤有機無機復合體分為水分散組G0組，鈉分散組G1組以及鈉質研磨分散組G2組。圖5為不同改良劑不同施用水平土壤有機無機復合體含量，表6為試驗區土壤中有機無機復合體組成及含量。由表6可以看出，有機無機復合體各組含量大小依次為G2組＞G1組＞G0組。G0組含量平均值為1.96 g/kg，占有機無機復合體總量的2.69%～5.80%。G1組含量在11.28～19.52 g/kg之間，占有機無機復合體總量的20.52%～33.71%。G2組含量比G0組和G1組要高，含量在26.92～43.71 g/kg之間，占有機無機復合體總量的61.08%～75.42%。G1/G2的值均低于0.60。一般認為G1/G2的值在1.40～2.00左右時土壤肥力較高，G1/G2的值過高或過低土壤肥力均明顯下降[17]。

表4 不同改良劑對土壤有機無機復合度的影響Tab.4 Effects of different modif i ers on the degree of organic-inorganic composition of soil

表5 不同改良劑不同施用水平對土壤有機無機復合量的影響Tab.5 Effects of different modif i ers on soil organic-inorganic compound content at different application levels g/kg

圖4 不同改良劑對土壤有機無機復合量的影響Fig.4 Effects of different modif i ers on soil organic-inorganic compound content

圖5 不同改良劑不同施用水平土壤有機無機復合體含量Fig.5 The content of soil organic-inorganic complexes at different application levels of different modif i ers

由表6可以看出，C0O0H0處理的有機無機復合體含量總量最低，但是由圖5可知，不同處理之間復合體相對含量并無明顯規律，這可能是因為沙土有機無機復合體含量本身比較低，所施用的改良劑年限又較短，很難在短時間內使土壤有機無機復合體組成產生變化。

表6 試驗區土壤中有機無機復合體組成及含量Tab.6 The composition and content of organic-inorganic complexes of the sand in experimental zone

3 結論

（1）不同改良劑配施對土壤有機質、胡敏酸和富里酸含量的影響不同。土壤有機質在褐煤、粘土和有機肥施用量分別為11.25 t/hm2、150.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良劑配施（H3C2O2）下改良效果最佳，含量10.38 g/kg；土壤胡敏酸在褐煤、粘土和有機肥施用量分別為7.50 t/hm2、300.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良劑配施（H2C3O2）下改良效果最佳，含量1.68 g/kg；土壤富里酸在褐煤、粘土和有機肥施用量分別為0 t/hm2、150.00 t/hm2和30.00 t/hm2的改良劑配施（H0C2O2）下改良效果最佳，含量1.66 g/kg。褐煤對土壤有機質、胡敏酸的影響效果顯著。

（2）不同改良劑配施對土壤有機無機復合量和有機無機復合度影響不顯著，與對照相比，各改良處理的土壤有機無機復合量增加了5.26%～61.84%，有機無機復合量和有機無機復合度最高的處理均為H2C3O2，其褐煤、粘土和有機肥3種改良劑最佳配施量分別為7.50 t/hm2、300.00 t/hm2和30.00 t/hm2。有機無機復合體各組排序為鈉質研磨分散組（G2）＞鈉分散組（G1）＞水分散組（G0）。G1/G2的值均低于0.60，說明沙土肥力較差。

（3）土壤有機質、胡敏酸和土壤有機無機復合量隨褐煤施用量增加而增加，說明向沙土中施用褐煤對土壤肥力以及土壤結構有一定的改善作用。