摘要
分析不同有机物料对草甸土理化性质、有机碳及腐殖质的影响，为防止草甸土肥力退化、提高草甸土生产力做理论支撑。试验共设置 4 个处理：单施化肥（CK）、生物炭与化肥配施（BF）、秸秆与化肥配施 （SF）、有机肥与化肥配施（OF），各处理等量肥料添加，BF、SF、OF 处理等碳量添加。结果表明：（1）3 种有机物料添加均可增加土壤速效钾、碱解氮及土壤 pH，其中生物炭添加对于土壤速效钾和碱解氮增加较多，分别可达 17.53% 与 30.54%，秸秆添加对土壤 pH 提高最多，为 16.96%；生物炭添加还使土壤有效磷提高 27.39%。 （2）生物炭和有机肥添加下土壤腐殖质各组分含量均增加，秸秆添加下土壤富里酸和胡敏素含量增加，而胡敏酸却降低，总之，有机肥提高土壤胡敏酸更有优势，可达 37.37%，生物炭提高土壤胡敏素较多，可达 148.12%。 （3）3 种有机物料添加均可增加土壤有机碳及活性有机碳组分含量。有机物料对草甸土有机碳、理化性质及腐殖质有显著影响，且与碳源类型密切相关。生物炭对于改善土壤速效养分更有优势，生物炭与有机肥提高腐殖质能力较强，而秸秆降低胡敏酸，3 种有机物料均有利于土壤有机碳及活性有机碳组分的积累。
Abstract
The effects of different organic materials on the physical and chemical properties，organic carbon and humic matter of meadow soil were analyzed，so as to prevent the degradation of meadow soil fertility and the improvement of meadow soil productivity. There were four treatments：single chemical fertilizer（CK），biochar and chemical fertilizer （BF），straw and chemical fertilizer（SF），organic fertilizer and chemical fertilizer（OF），the same amount of fertilizer was added in each treatment，and same carbon amount was applied in BF，SF and OF treatment. The results showed that： （1）The addition of three organic materials increased the soil available potassium，available nitrogen and soil pH，in which the addition of soil available potassium and available nitrogen increased by 17.53% and 30.54%，respectively，and the soil pH under straw increased by 16.96%；the biochar addition also increased the soil available phosphorus by 27.39%. （2）The content of all components of soil humus increased under the addition of biochar and organic fertilizer，and the content of fulvic acid and hummintin increased under the addition of straw，while humic acid decreased. In short，organic fertilizer had more advantages in improving soil humic acid，reaching 37.37%，and biochar increased soil hummintin more， reaching 148.12%.（3）The addition of three kinds of organic materials increased the content of soil organic carbon and active organic carbon components. Organic material had a significant impact on organic carbon，physical and chemical properties and humus of meadow soil，and was closely related to carbon source type. Biochar had more advantages for improving soil quick nutrients. Biochar and organic fertilizer had a strong ability to improve humus，while straw reduced humic acid. Three kinds of organic materials were conducive to the accumulation of soil organic carbon and active organic carbon components.
目前在我国农业生产中，由于过度开垦和不合理利用等原因已导致土壤有机质含量急剧降低，甚至引起土壤板结、酸化等问题，而草甸土相对来说更容易退化，有机质更容易损失，因此如何延缓草甸土退化的同时又保障其土壤肥力是粮食生产的重要问题。有机物料添加可以改善土壤肥力，平衡土壤养分，从而提高作物产量和品质。不同的有机物料用于土壤改良效果也不同[1]。现如今应用在农田中的有机物料有很多种，如葡萄糖、作物秸秆、生物炭、纳米碳、腐植酸、黑炭以及有机肥等，其中生物炭、作物秸秆和有机肥是农业上常用的 3 种有机物料。生物炭近几年在农业上应用广泛，其具有稳定的芳香结构，可在土壤中长时间保存，优化土壤环境，影响土壤有机物质降解[2]，生物炭具有比表面积大、孔隙度好、吸附能力强的特点，并且富含有机碳、矿质养分等，是一种集肥料、吸附剂和改良剂于一体的新型材料[3]。作物秸秆是土壤有机质的重要来源，其含有大量碳、氮、磷、钾和微量营养元素，可以调节土壤养分的失衡，由于禁止焚烧秸秆，中国一直大力提倡秸秆资源的利用[4]。有机肥富含腐殖质、高分子有机化合物、微生物活体等有机胶体和各种粘土矿物的无机胶体，施用有机肥可增加土壤有机质含量，其含有作物生长所需的多种营养元素，能满足作物各个时期养分的需求，有机肥中还含有大量的碳水化合物，为土壤提供了足够的碳源[5]。已有很多报道表明，添加生物炭能改善土壤酸碱度、温室气体排放、物理结构、养分状况等，并且对植株生长有促进作用[6-7]。目前关于不同种类有机物料对草甸土有机质转化影响的研究较少，为完善此方面的研究，本试验以生物炭、秸秆以及有机肥 3 种有机物料为材料，研究其施入土壤后对土壤理化性质、活性有机碳组分及土壤腐殖质组分的影响，旨在为防止草甸土肥力退化、提高草甸土生产力及土壤有机培肥提供一定的科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验设置在沈阳农业大学卡力玛水稻实验站（41°47′N；122°71′E），实验站位于辽宁省中部，属中温带、半湿润大陆性气候，年平均日照时数 2575 h，平均温度 8.1℃，平均相对湿度 65%，平均降水量 694 mm，年平均无霜期 168 d。试验土壤为草甸土，原始土壤理化性质见表1。
1.2 试验材料
供试作物为玉米（‘丹玉 405’）；生物炭为玉米秸秆生物炭，购于辽宁省鞍山市岫岩县辽宁金和福农业开发有限公司；秸秆为玉米秸秆，有机肥为猪粪，购于辽宁省沈阳市丰润有机肥有限公司。有机物料理化性质见表2。
表1试验用原始土壤理化性质
表2试验用有机物料理化性质
1.3 试验设计
玉米种植密度为 60000 株·hm-2，于 2020 年 4 月底播种，9 月下旬收获，按当地作物生长条件，在作物生长期间进行常规田间管理。本试验采用随机区组设计，小区面积为 7 m×10 m，共设置 4 个处理，每个处理设置 3 次重复，处理设置如下：（1）单施化肥（CK）：其中氮肥为尿素，添加量为 N 180 kg·hm-2，磷肥为过磷酸钙，添加量为 P2O5 90 kg·hm-2，钾肥为硫酸钾，添加量为 K2O 75 kg·hm-2；（2）生物炭与化肥配施（BF），与 CK 处理等化肥量添加，生物炭还田量为 3.375 t·hm-2； （3）秸秆与化肥配施（SF）：与 BF 处理等碳量、 CK 处理等化肥量添加；（4）有机肥与化肥配施 （OF）：与 BF 处理等碳量、CK 处理等化肥量添加。
1.4 测定项目及方法
于 2020 年 9 月底玉米收获后随机选取各处理耕层土壤（0～20 cm），按五点法采集，混匀后立即带回实验室，去除杂质，经自然风干、研磨后分别过 0.85、0.25、0.154 mm 孔径筛。
1.4.1 土壤理化性质测定方法
土壤有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；土壤 pH 和电导率采用 pH 计和电导率测试仪测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定； 土壤速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定；土壤有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[8]。
1.4.2 土壤腐殖质测定方法
土壤富里酸、胡敏酸及胡敏素含量采用焦磷酸钠-氢氧化钠混合液提取法测定[9]。土壤胡敏酸和富里酸之比（胡富比）与 PQ 值计算公式如下：胡富比 =HA/FA；PQ 值 =HA/（HA+FA）。式中，HA、 FA 分别为胡敏酸、富里酸。
1.4.3 土壤活性有机碳组分测定方法
土壤水溶性有机碳采用史登林等[10]所述方法测定，颗粒有机碳采用六偏磷酸钠分散法[11]测定，土壤易氧化有机碳采用 333 mmol·L-1 高锰酸钾氧化法测定[12]。活性有机碳以易氧化有机碳表征，参照土壤取试验地附近未种植作物、不施肥的空闲地土壤，碳库管理指数计算公式如下[12]：
式中，CPMI 为碳库管理指数；CPI= 样品总碳含量 / 参照点土壤总碳含量；LI= 样品土壤碳库活度 / 参照点土壤碳库活度；碳库活度 = 土壤活性有机碳含量 /（总有机碳含量-活性有机碳含量）。
1.5 数据处理与分析
采用 Excel 2019 和 SPSS 25 进行数据统计，并用 Origin 2024 进行绘图。
2 结果与分析
2.1 有机物料添加对土壤 pH 和电导率的影响
由图1（a）可以看出，各处理土壤 pH 高低顺序为 SF>OF>BF>CK。其中与 CK 处理相比，BF、SF 及 OF 处理下土壤 pH 分别显著高出 15.63%、16.96% 及 16.52%。从图1（b）可以看出，各处理土壤电导率高低顺序为 BF>OF>CK>SF，其中 BF 处理电导率较 CK 处理显著高出 1.7 倍，OF 处理土壤电导率较 CK 处理高出 2.54%，同时，SF 处理土壤电导率较 CK 处理降低 1.18%，但 SF、OF 及 CK 处理之间无显著差异。
图1各处理土壤 pH 和电导率
注：数据为平均值 ± 标准误差，图柱上不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平。下同。
2.2 有机物料添加对土壤速效养分的影响
由图2可知，各处理土壤碱解氮含量高低顺序为 SF>BF>OF>CK，表明生物炭、玉米秸秆及有机肥添加均能提高土壤氮素供应能力，其中 BF、SF 处理下土壤碱解氮含量较 CK 处理均显著提高，分别提高了 30.54%、33.70%。各处理土壤有效磷含量高低顺序为 BF>CK>SF>OF，与 CK 处理相比，BF 处理下的土壤有效磷含量显著高出 1.27 倍，同时，SF 与 OF 处理土壤有效磷含量显著降低了 39.39% 与 45.39%。各处理土壤速效钾含量高低顺序为 BF>SF>OF>CK，其中 BF、SF、OF 处理下土壤速效钾含量较 CK 处理均显著提高，分别升高了 17.53%、1 1.34%、6.88%。
图2各处理土壤速效养分含量
2.3 有机物料添加对土壤有机碳及活性有机碳组分的影响
土壤有机碳是表征土壤肥力变化的一个重要指标。由图3可以看出，各处理有机碳含量高低顺序为 BF>OF>SF>CK，其中 BF 处理土壤有机碳含量较 CK 处理显著提高 58%，OF 处理土壤有机碳含量较 CK 处理高出 35.14%，SF 处理土壤有机碳含量较 CK 处理显著高出 32.43%。
与 CK 处理相比，BF、SF 及 OF 处理下土壤活性有机碳组分均显著提高，其中不同处理下易氧化有机碳含量顺序为 SF>BF>OF>CK，其中 BF 与SF 处理易氧化有机碳含量无显著差异；水溶性有机碳含量顺序为 OF>SF>BF>CK，SF 与 BF 处理水溶性有机碳含量差异不显著；颗粒有机碳含量顺序为 SF>OF>BF>CK，各处理间均有显著差异。
2.4 有机物料添加对土壤活性有机碳所占比例的影响
进一步对不同处理方式土壤有机碳各组分占有机碳的比例进行了分析，结果见表3，不同处理下易氧化有机碳 / 有机碳和颗粒有机碳 / 有机碳大小顺序与易氧化有机碳和颗粒有机碳含量顺序一致，且各处理间均有显著差异；水溶性有机碳 / 有机碳大小顺序为 OF>CK>SF>BF，其中 CK 与 SF 处理之间无显著差异。
图3各处理土壤有机碳和活性有机碳组分含量
表3各处理土壤活性有机碳所占比例
注：数据为平均值 ± 标准误差，不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平。下同。LOC、POC、DOC、TOC 分别为易氧化有机碳、颗粒有机碳、水溶性有机碳、有机碳。
2.5 有机物料添加对土壤碳库指数的影响
碳库管理指数是表征土壤碳库变化的指标，其值越高，土壤中的有机碳越易被植物和微生物吸收利用。由表4可以看出，各处理土壤碳库活度与碳库管理指数高低顺序为 SF>BF>OF>CK，其中 SF 处理下土壤碳库活度较 CK 处理显著升高，增幅 81.81%，BF 处理次之，提高 45.45%。SF 处理下土壤碳库活度指数较 CK 处理显著增加，BF 处理下土壤碳库活度指数增加但不显著，SF 和 BF 处理分别增加了 86% 与 44%，其中 SF 处理下土壤碳库活度指数最高。与 CK 处理相比，BF、 SF、OF 处理下土壤碳库指数均显著提高，其中 BF 处理提高幅度最大，达到 58%，SF 与 OF 处理次之，达到 32% 与 35%。BF 与 SF 处理下土壤碳库管理指数较 CK 处理分别提升了 126.70% 与 146.67%。说明 3 种有机物料均可增加植物与微生物对土壤有机碳的利用，其中玉米秸秆作用效果最明显。
表4各处理土壤碳库指数
2.6 有机物料添加对土壤腐殖质的影响
2.6.1 有机物料添加对土壤腐殖质组分的影响
从表5可以看出，与 CK 处理相比，BF、SF、 OF 处理下富里酸和胡敏素均有提升。胡敏酸含量的顺序为 OF>BF>CK>SF，其中，OF 处理下胡敏酸显著增加，而 SF 处理下胡敏酸显著降低。不同处理之间富里酸含量的顺序为 OF>BF>SF>CK，且 3种有机物料添加的处理之间差异不显著；胡敏素含量的顺序为 BF>SF>OF>CK，且各处理间均差异显著。这可能与不同有机物料的分子结构及化学组成不同及其在土壤中腐解转化也不同有关。
表5各处理土壤腐殖质组分含量
2.6.2 有机物料添加对土壤胡富比和 PQ 值的影响
由图4可以看出，与 CK 处理相比，SF 处理下土壤胡富比与 PQ 值均显著降低，分别降低了 38.2% 与 18.75%。说明生物炭与玉米秸秆添加对土壤腐殖化程度与 PQ 值影响较小且不显著，而玉米秸秆添加对二者均有显著的降低作用。
图4各处理土壤胡富比及 PQ 值
3 讨论
3.1 有机物料添加对土壤理化性质的影响
本试验发现，施加有机物料会使土壤的 pH 上升，这与前人的研究基本一致[13-16]，因为有机物料本身含有碱性物质，施入土壤中会使土壤 pH 升高。施加玉米秸秆和有机肥对土壤电导率的影响并不大，而施加生物炭显著提高了土壤电导率，这可能是因为生物炭增加氢离子与土壤胶体表面发生阳离子置换作用，释放离子增加土壤电导率[17]。
本试验还发现，有机物料施入后土壤碱解氮含量及速效钾含量均高于单施化肥处理，这与前人的研究结果一致[18-20]，因为有机物料的添加一方面向土壤带入了碱解氮，另一方面能促进土壤微生物活性，提高土壤有机氮的矿化速率，从而提高土壤碱解氮含量。研究发现秸秆以及有机肥施加后土壤有效磷含量显著增加[21-22]，但本试验结果表明，秸秆和有机肥添加下土壤的有效磷含量较单施化肥处理有所降低，推测是由于植物生长过程中与微生物争夺有效磷，故土壤有效磷含量有所降低，而生物炭添加能抑制土壤中可溶性磷与其他离子结合，促进植物对磷的吸收，故生物炭添加下土壤有效磷含量显著高于其他处理。
3.2 有机物料添加对土壤腐殖质组分的影响
本试验结果表明，施加生物炭后，腐殖质各组分含量均显著高于单施化肥处理，因为生物炭在土壤中有利于土壤微生物数量增加，加速土壤腐殖化。目前关于不同有机物料添加对于土壤腐殖质影响的研究结论不尽相同。董珊珊等[23]研究发现，秸秆添加后，胡敏酸含量呈上升趋势，而富里酸和胡敏素与之相反；本试验发现，玉米秸秆添加后土壤的胡敏酸含量、胡富比和 PQ 值均低于单施化肥处理，而富里酸和胡敏素含量高于单施化肥处理，可能是因为玉米秸秆中的碳元素更多的转移到了胡敏素中，导致胡敏酸含量降低，具体原因还需进一步研究；Jin 等[24]的研究发现生物炭施用没有增加土壤胡敏酸含量，而秸秆施用却增加了胡敏酸含量；孟凡荣等[25]的研究则表明添加生物炭可增加土壤胡敏酸含量，降低土壤富里酸含量。本试验也表明施加有机肥时，腐殖质各组分均高于单施化肥处理，这与前人研究一致[26]，说明施加有机肥有助于土壤中腐殖质积累。
3.3 有机物料添加对土壤有机碳及活性有机碳组分的影响
本试验结果表明，有机物料添加增加了土壤有机碳含量，因为有机物料本身含有一定数量的有机碳，其对土壤有机碳含量起到了直接提升的作用[27]，众多研究也都表明，在土壤中添加秸秆、生物炭以及有机肥均能显著提高土壤有机碳含量[28-30]。本试验发现，与单施化肥相比，有机物料添加可提高土壤各活性有机碳组分含量，因为有机物料中的碳在土壤中的转化及其在土壤不同碳库中的分配必将引起土壤各有机碳库含量的动态变化[31]。Zhao 等[32]研究发现，秸秆还田可显著增加土壤水溶性有机碳和颗粒有机碳含量。国内外研究也表明，秸秆还田能显著提高土壤易氧化有机碳含量[33-35]。 Yang 等[36]试验发现，生物炭的添加使土壤颗粒有机碳含量增加，因为生物炭由于其多孔结构可能刺激根系分泌物，其营养物质可促进根系发育，有利于生物炭与土壤团聚，增加土壤颗粒有机碳。Yang 等[37]发现，施用有机肥显著增加了土壤水溶性有机碳，这与本试验研究结果一致，因为有机肥改善了土壤物理环境（如孔隙度），为微生物提供碳氮源，促进土壤微生物活性。
4 结论
不同有机物料添加对草甸土理化性质、有机碳组分和腐殖质的影响有所差异，且整体上表现为有利于土壤有机碳库积累和土壤生产力的提高。施生物炭对速效钾提升效果较大，达到 17.53%，且提升了 1.27 倍的有效磷；生物炭和秸秆对土壤碱解氮的提升效果较大，达到 30.54%，秸秆对 pH 提升较有优势，达到 16.96%；3 种有机物料均可不同程度提高土壤有机碳与各活性有机碳组分。其中生物炭提升土壤有机碳效果最显著，有机肥对水溶性有机碳提升效果较好，秸秆对颗粒有机碳提高效果较大，生物炭与秸秆对易氧化有机碳提升效果较大； 3 种有机物料均可提高富里酸和胡敏素，其中生物炭对于提高胡敏素优势显著，可达 148.12%，生物炭和有机肥对富里酸提升效果较大，可达 28.30%，秸秆降低 34.74% 的胡敏酸，有机肥较 CK 处理提高胡敏酸的效果较大，达到 37.37%。综上，生物炭、秸秆及有机肥均有利于土壤碳库活度及储量，且生物炭对于土壤速效养分的积累较有优势，生物炭与有机肥对于土壤腐殖质的生成较有优势。