粪肥对苏打盐碱地土壤有机碳组分特征的影响

韩雨航，马玉涛, ，苑佰飞，王 永，张晋京

（1. 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，吉林 长春 130118；2. 吉林省土壤肥料总站，吉林 长春 130012）

0 引言

【研究意义】松嫩平原是我国苏打盐碱地分布的主要区域，其面积每年以1.5%的增加速率扩张，苏打盐碱地土壤碱性强且结构较差，导致其难以被有效利用[1-2]。随着现代养殖业和农业的规模化发展，畜禽粪产量也在逐年增长。有机肥的施入可以提升土壤肥力，改善土壤质量[3-4]。探究有机物料施入对苏打盐碱土改良和培肥效果，对于盐碱地合理开发利用具有重要意义。【前人研究进展】为了有效利用苏打盐碱土，提高土壤利用率，目前普遍采用施用有机肥(畜禽粪便)的方法。有机肥富含多种养分和有机物质，施入土壤直接增加了有机物料的投入量，进而有效地增加土壤养分和有机碳含量[5-6]。尹志荣等[7]研究认为，羊粪与生物有机肥配施可以降低盐碱土pH值以及土壤全盐量。张锐等[8]研究表明，施用有机肥能使土壤有机质显著增加，改变土壤结构，促进土壤团聚体形成，降低土壤pH值，进而提升土壤肥力。陈晓东等[2]研究表明，施用有机物料可增加土壤中有机质等有机胶结物质含量，使土壤中粒径较小的团聚体聚集成结构更加稳定、粒径较大的团聚体，从而减少小粒径团聚体的含量，使土壤结构更加稳定；何瑞成等[9]研究表明，施用羊粪与对照相比可有效提高土壤水稳性团聚体的稳定性；蔺芳等[10]针对黑土的研究表明，施用鸡粪可有效提高土壤有机质，促成土壤大团聚体的形成，从而使土壤团聚体稳定性提高。仝利红等[11]研究表明，有机肥显著提高了土壤腐殖质组分含量，并且提高了胡敏酸和富里酸的脂化度使其芳化度降低。【本研究切入点】有效利用苏打盐碱土对我国农业生产与发展具有重大意义。当前大多数研究依旧只停留在盐碱土种植作物带来的经济效益而忽略苏打盐碱土本身有机质含量较低、土壤结构差等特性，提升苏打盐碱土土壤质量是有效利用盐碱土的重要前提。【拟解决的关键问题】本试验以吉林省西部苏打盐碱土为研究对象，探究施用不同种类粪肥对苏打盐碱土的改良和培肥效果，分析土壤施用不同种类粪肥后对有机碳固存能力的差异，探讨不同种类粪肥改变土壤结构的影响，为吉林西部地区的苏打盐碱土有机培肥改良提供参考，为揭示苏打盐碱土有机培肥机制、科学培肥苏打盐碱土壤提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点位于吉林省白城市镇赉县坦途镇向阳村好斯台屯，气候属于温带大陆性季风气候，年平均温度4.4 ℃，年平均降雨量392 mm。选择基本无植被覆盖的未开垦地块作为试验区域，土壤类型为苏打草甸碱土，测得其平均pH、有机碳、碱解氮、速效磷以及速效钾分别为9.94、3.84 g·kg-1、52.6 mg·kg-1、13.62 mg·kg-1以及 198.3 mg·kg-1。

田间试验于2017年4月开始，连续进行2年，小区面积375 m2，随机排列。共设置3个处理，每个处理3次重复，即：（1）对照：不施用粪肥；（2）施用牛粪；（3）施用羊粪，其中牛粪和羊粪按照等碳量（1 685 kg·hm-2）施用。所有小区均施用硫酸铝作为改良剂，施用量为600 kg·hm-2，供试牛粪和羊粪均来自当地，牛粪pH、有机碳、氮、磷、钾含量分别为 7.55、191.40 、4.12、2.30 、1.81 g·kg-1，羊粪pH、有机碳、氮、磷、钾含量分别为7.65、179.90 、7.05 、4.91 和 5.01 g·kg-1。经计算，牛粪施用量为 8 801 kg·hm-2，羊粪施用量为 9 358 kg·hm-2。

化肥以复合肥和硫酸铵的形式施入，N、P2O5、K2O 施用量分别为 274 、12 、25.5 kg·hm-2，其中复合肥作底肥一次施用，硫酸铵用量的75%作底肥施用，其余作追肥施用。在第二年整地时，施用牛粪和羊粪的小区同时配施2 000 kg·hm-2的稻草。将硫酸铝、牛粪/羊粪、稻草和化肥均匀撒施于地表，用旋耕机旋入表层以下约30 cm，然后进行泡田、耙地和插秧。第二年在第一年基础上继续进行。

1.2 土样采集和测定

2018年10月水稻收获时，在每个小区内随机选取5个样点，采集表层0～20 cm的土壤样品，混合均匀作为一个样本。土壤的pH值、可溶盐总量及其组成、交换性钠含量、阳离子交换量和有机碳含量均采用常规方法测定；土壤水稳性团聚体分级采用湿筛法；固态13C交叉极化魔角自旋核磁共振（CPMAS NMR）波谱采用Bruker AVANCE III 400 WB波谱仪[12]测定。

1.3 数据处理与分析

土壤碱化度采用比值法测定，即土壤交换性钠离子与阳离子交换量的比值。土壤团聚体平均重量直径计算方法：Wi为i粒级团聚体质量比例（%）；Xi为相邻 2 个团聚体的平均粒级（mm）。数据统计采用DPS 7.5软件，利用单因素方差分析考察不同处理对土壤性质的影响，最小显著差（LSD）法进行多重比较，显著性水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 不同种类粪肥对苏打盐碱土基本理化性质改良效果

试验结果表1可见，与对照处理相比，施用牛粪和羊粪对土壤pH值和HCO3-都没有显著的影响；同时，施用牛粪对土壤全盐量、交换性钠、阳离子交换量和碱化度也没有显著的影响，但使CO32-含量显著降低，而施用羊粪则显著提高了土壤全盐量、交换性钠和阳离子交换量，但显著降低了土壤碱化度。两种粪肥处理相比，pH值无显著差异，但施用羊粪后土壤全盐量、交换性钠和阳离子交换量显著提高而土壤碱化度则显著降低。

表1 粪肥对苏打盐碱地土壤基本性质的影响Table 1 Effects of manure application on basic properties of soda saline-alkali soil

2.2 粪肥对苏打盐碱地土壤有机碳含量和化学组成的影响

试验结果表2可见，与对照处理相比，施用牛粪和羊粪能显著增加土壤有机碳含量，同时不同处理有机碳官能团的相对比例有所不同，各处理均以烷氧碳（28.0%～33.0%）和芳香碳（29.8%～34.7%）的比例最高，其次为烷基碳（22.3%～25.1%），而羧基碳的比例（13.2%～14.9%）最低。与对照处理相比，施用牛粪和羊粪后土壤的烷氧碳比例增加而芳香碳比例降低，使得脂族碳/芳香碳比值增加；与施用牛粪相比，施用羊粪提高了烷基碳和芳香碳比例但降低了烷氧碳和羧基碳比例 ，使得烷基碳/烷氧碳和疏水碳/亲水碳比值增加而脂族碳/芳香碳比值降低。说明施用2种粪肥均提高了土壤有机质的脂族化程度，这对于土壤肥力的发挥是有利的；另一方面，施用牛粪后土壤有机质具有更高的脂族化程度，同时土壤具有更多的活性有机碳官能团（即烷氧碳）和更少的惰性有机碳官能团（即烷基碳），说明施用牛粪更有利于土壤肥力和土壤质量的提高。由图1可知，所有处理的固态13C 核磁共同振波谱的谱形相似，说明其具有相似的官能团组成。

图1 粪肥对苏打盐碱地土壤固态13C核磁共振波谱的影响Fig. 1 Effect of manure application as indicated by solid-state 13C NMR spectroscopy of soda saline-alkali soil

表2 粪肥对苏打盐碱地土壤有机碳含量和化学组成的影响Table 2 Effect of manure application on organic carbons in soda saline-alkali soil

土壤不同粒径水稳性团聚体之间的有机碳含量差异不大。图2表明，与对照处理相比，施用牛粪和羊粪后土壤各粒径水稳性团聚体的有机碳含量显著增加；与施用牛粪相比，施用羊粪显著提高了土壤各粒径水稳性团聚体有机碳含量，这进一步验证了羊粪对于苏打盐碱水田土壤有机碳具有更好的提升作用。

图2 粪肥对苏打盐碱地土壤水稳性团聚体有机碳含量的影响Fig. 2 Effects of manure application on organic carbon in water-stable aggregates of soda saline-alkali soil

2.3 粪肥对苏打盐碱地土壤腐殖质碳的影响

水溶性有机碳虽然在有机碳总量中比例较小，但其转化迅速，对改善土壤肥力有着重要作用，同时也是土壤质量的敏感指标[14]。土壤腐殖质是有机质存在的一种特殊形态，施入土壤中未被分解的有机物通过腐殖化过程转变为腐殖质[15]，其主要成分是胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳。试验结果表3可见，与对照处理相比，施用牛粪和羊粪能显著增加土壤水溶性有机碳和胡敏素碳含量；施用牛粪显著增加了土壤富里酸碳含量；而施用羊粪显著降低了土壤富里酸碳含量。与施用牛粪相比，施用羊粪后土壤有机碳、水溶性有机碳、胡敏酸碳和胡敏素碳含量以及胡敏酸碳/富里酸碳比值显著提高，而富里酸碳含量则显著降低。

表3 粪肥对苏打盐碱地土壤腐殖质碳的影响Table 3 Effect of manure application on soil humus carbon in soda saline-alkali soil （单位：g·kg-1）

2.4 粪肥对苏打盐碱地土壤水稳性团聚体的影响

试验结果表4，表明供试土壤中＞2 mm水稳性大团聚体所占的比例（49.5%～76.1%）最大，其次为＜0.053 mm粉黏粒组分（17.6%～31.6%）和0.25～0.053 mm水稳性微团聚体（4.77%～14.0%），而2～0.25 mm水稳性大团聚体所占的比例（1.56%～7.72%）最小。与对照处理相比，施用牛粪和羊粪对土壤不同粒径水稳性团聚体分布没有产生显著的影响，同时牛粪和羊粪处理之间也没有表现出显著的差异。上述不同粒径土壤水稳性团聚体的分布特征，导致不同处理之间水稳性团聚体的平均重量直径也没有出现显著的差异，这说明施用牛粪和羊粪在短期内对于土壤结构稳定性没有产生显著影响。

表4 粪肥对苏打盐碱地土壤水稳性团聚体粒径分布和平均重量直径（MWD）的影响Table 4 Effects of manure application on particle size distribution and mean weight diameter (MWD) of water-stable aggregates in soda saline-alkali soil

3 讨论与结论

3.1 粪肥对苏打盐碱地土壤基本性质的影响

盐碱土的改良目的是消除盐碱障碍，改善土壤结构和提高土壤肥力[16]。土壤pH值与土壤中的各种微生物活动、有机质的分解、营养元素的释放与转化、阳离子的代换吸收等都有密切的关系[17]。因此，土壤pH和全盐量是评价土壤性质的重要指标。石万普等[18]研究表明，羊粪处理对秋收盐碱土的pH值无显著影响。王世斌[19]研究表明，有机肥处理对盐碱土降盐效果不明显。本研究表明，与对照处理相比，施用2种有机物料对土壤pH值无显著影响；羊粪处理可以显著增加土壤全盐量、交换性钠和阳离子交换量，降低土壤碱化度；牛粪处理各指标与对照处理相比无显著差异。可能是因为本次试验在大田中进行，大田试验情况复杂，易受到环境因素的影响，土壤对有机物添加后的响应不强烈，也可能是改良周期较短，导致效果不明显。苏打型盐碱土具有土壤交换性Na+含量高的特点，土壤颗粒中附着的Na+、K+等盐基离子，易引起土壤的盐碱化[20]。由于羊粪和牛粪本身含有的有机矿物质含量较高，且羊粪施入土壤量较多，直接导致了带入的矿物质增多，也就增加了土壤盐分含量，从而提升了土壤中交换性Na+和阳离子交换量。从可溶性盐来看，不同种类粪肥均会不同程度上影响着可溶性盐含量，牛粪可降低部分可溶性盐离子浓度，对植物受土壤化学环境的胁迫也具有一定改善作用[21]。

3.2 粪肥对苏打盐碱地土壤有机碳含量和化学组成的影响

土壤有机碳主要是指存在于未分解或半分解有机残体和腐殖质中的碳，土壤有机碳是土壤质量的重要指标之一[22]。大量研究表明，化肥配施有机肥会显著增加土壤中有机碳含量[15]。本研究表明，施用有机肥可以显著增加土壤中有机碳含量，与前人研究一致。

本研究发现，施用2种粪肥使土壤有机碳的组成也发生了改变，即施用2种粪肥后的土壤有机质脂族化程度均提高，这说明施用牛粪和羊粪可以提高土壤肥力，进而提高土壤质量。土壤中的烷基碳和芳香碳代表不易分解和疏水的部分，而烷氧碳则代表的是相对较容易分解和亲水的部分[23]。一般认为，土壤中烷基碳/烷氧碳、脂族碳/芳香碳和疏水碳/亲水碳的比值大小，通常用来表征土壤的烷基化、疏水性和脂族化程度，上述比值越高，说明土壤的烷基化、疏水性和脂族化程度也越高[12]，而烷基化程度降低表明土壤质量得到提升[24]。本研究表明，施用2种粪肥不仅能提高土壤有机质含量，同时改善了其品质。此外施用牛粪后土壤有机质具有较低的烷基化程度和更高的脂族化程度，同时土壤具有更多的活性有机碳官能团（即烷氧碳）和更少的惰性有机碳官能团（即烷基碳），说明施用牛粪能更好发挥土壤肥力并提高土壤质量。

3.3 粪肥对苏打盐碱地土壤腐殖质碳的影响

本研究表明，施用牛粪可以显著增加土壤中水溶性有机碳、富里酸碳和胡敏素碳含量，而施用羊粪可增加土壤中水溶性有机碳、胡敏酸碳和胡敏素碳含量。与CK相比，羊粪处理提升上述土壤指标分别为122.2%、24.41%和82.13%，牛粪则分别为55.56%、39.06%、36.77%，总体羊粪的效果略优于牛粪，可能是因为牛粪中多为难分解有机物质，如纤维素和木质素等有机物质，不利于微生物利用，施入土壤中对土壤有机碳组分的影响速度较慢。外源有机碳的输入是化肥有机肥配施提高土壤有机碳累积的主要途径。较高量有机肥的施入有利于土壤有机碳的快速积累。有机肥腐殖化程度较低，活性较高，施入土壤后容易被微生物分解进而增加了土壤有机碳含量[25]。施入有机肥使得新形成的年轻腐殖质多，有机质的腐殖化程度高，有利于土壤腐殖质的更新和活化以及胡敏酸的积累，进而提高腐殖质的品质[26]。土壤腐殖质是有机质存在的一种特殊形态，施入土壤中未被分解的有机物通过腐殖化过程转变为腐殖质[15]。其主要成分是胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳。龚伟等[27]研究认为，与施用化肥相比，有机肥对提高土壤腐殖质及活性腐殖质组分含量效果更好。魏宇轩等[28]研究表明，施用有机粪肥可以显著提升土壤中有机碳、胡敏酸碳和胡敏素碳含量。本试验施入大量有机粪肥，相当于向土壤中归还大量碳源，有机粪肥腐解后形成新的胡敏酸分子，而粪肥的施入也会为土壤微生物提供能量，提升土壤微生物的丰度和活性，进而促进土壤微生物的新陈代谢腐解土壤中的植物残体，进而增加土壤中腐殖质组分的含量。土壤微生物会不断分解并利用分子结构简单、活性强的富里酸组分中的氨基酸等含氮化合物不断向胡敏酸转化，从而使胡敏酸含量相对增高，这也说明了羊粪处理土壤富里酸含量显著低于其他处理。土壤HA/FA是衡量土壤腐殖质品质优劣的标志之一，该值越大说明土壤的腐殖化程度越高。大量研究表明，长期施用有机肥及有机肥与化肥配施能提高土壤HA/FA[27]，羊粪处理土壤HA/FA显著低于其他处理，这是因为，有机粪肥腐解利于土壤胡敏酸和富里酸的形成，由于富里酸较为活跃，部分富里酸同时被微生物转化为HA[29]，进而提升了土壤HA/FA，加快了土壤的腐殖化程度。

3.4 粪肥对苏打盐碱地土壤水稳性团聚体的影响

土壤微团聚体由土壤原生颗粒胶结团聚组成，可以反映土壤结构团聚程度和土壤肥力性状，被视为土壤团粒结构形成的物质基础[30]。本研究表明，供试土壤中＞2.00 mm水稳性大团聚体所占的比例最大，其次为＜0.053 mm粉黏粒组分和0.25～0.053 mm水稳性微团聚体（4.77%～14.0%），而2.00～0.25 mm水稳性大团聚体所占的比例（1.56%～7.72%）最小。其主要原因是由于有机物料施用后分解成有机胶结物质，这些有机胶结物质的黏性、胶结性对于大粒径微团聚体的形成有促进作用，同时也减少了土壤小团聚体的含量[31]。有研究表明，高量施用有机肥可以增加土壤微生物活性从而加快土壤团聚体有机碳分解速度，对土壤大团聚体的形成并没有显著的优势作用[32]。本研究表明添加畜禽粪对土壤各粒级团聚体的形成和MWD没有显著影响，可能与土壤类型、有机碳的类型施肥种类与数量以及施肥年限的长短有关系，由于本试验的周期时间太短，导致畜禽粪对土壤团聚体形成情况不明显。研究表明不同处理各个粒径团聚体有机碳均表现为羊粪＞牛粪＞对照，且两两之间均呈现出显著性差异。粪肥的施入，极大地增加了微生物的丰度与活性，增加有机碳的释放。

综上所述施用2种粪肥对土壤pH值和碳酸氢根含量无显著性影响，而与施用牛粪相比，施用羊粪条件下土壤具有更高的全盐量、交换性钠、阳离子交换量且具有更低的碱化度。与不施用粪肥处理相比，施用不同粪肥处理均可以提升土壤总有机碳、水溶性有机碳、胡敏素碳和各粒级水稳性团聚体内有机碳含量，羊粪处理效果优于牛粪处理。施用2种粪肥对土壤水稳性团聚体粒径分布和平均重量直径没有显著的影响，施用粪肥会使土壤烷氧碳比例增加而芳香碳比例降低，脂族碳/芳香碳比值增加；羊粪处理烷基碳和芳香碳比例以及烷基碳/烷氧碳和疏水碳/亲水碳比值要高于牛粪处理。总之，施用粪肥能够提高土壤有机碳及其组分的含量，同时改善土壤有机质的品质，但短期内对于土壤结构性没有改善作用；施用羊粪对于降低土壤碱化程度和提高土壤有机碳含量的效果更为明显，而施用牛粪则更有利于提高土壤有机质的品质，两者的合理配施将会促进苏打盐碱土的改良和肥力提升。