1、秸秆深还及配施化肥对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构的影响 张艳鸿 窦 森 董珊珊 谭 岑 李立波 林琛茗 （吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）摘 要 中国每年农作物秸秆总量巨大，大部分农民选择焚烧，焚烧秸秆会减少表层土壤有机质，损害土壤墒情，引起环境污染，进而危害人类健康。将玉米秸秆施入土壤亚表层（2040cm 之间），即“秸秆深还”(Corn stover deep incorporation，CSDI)，可以有效解决秸秆利用问题，以及由于焚烧秸秆造成的诸多问题，继而达到固碳、蓄水、培肥、稳产的目的。本试验以吉林农业大学试验站玉米连作耕地 020cm 和 2040cm 土层土壤为研
2、究对象，设 CK（未施用秸秆）、 CS（秸秆深还）、NPK（单施化肥）、CS+NPK （秸秆深还配施化肥）4 种处理，主要研究秸秆深还及配施化肥对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构的影响。腐殖质组成采用腐殖质组成修改法测定，胡敏酸样品采用 IHSS 方法提取纯化，其结构经元素组成、红外光谱进行研究。研究结果表明：秸秆深还及秸秆配施化肥对不同土层土壤有机碳（SOC）含量以及腐殖质各组分含碳量均有显著积累作用，PQ 值（胡敏酸在腐殖酸中所占的比例）无显著变化。秸秆深还及秸秆配施化肥均能使 HA 分子的芳香结构比例增加，但 CS 处理还能同时增加脂族链烃的比例；而 CS+NPK 处理则使 HA 的缩合度提高
3、，氧化度下降。说明 CS 和 CS+NPK 使 HA 变稳定的机制有所不同，除了分子结构芳香性提高的作用以外，前者还体现在疏水性的提高上；而后者则体现在分子结构变复杂上。关键词 秸秆深还；土壤腐殖质；胡敏酸；元素组成；红外光谱中图分类号 S151.9 文献标识码 A 、1-2。我国每年农作物秸秆总量巨大，但利用率较低。大部分农民选择焚烧，但是焚烧秸秆会减少表层土壤有机质，损害土壤墒情，并且引起环境污染，进而危害人类健康 3-4。秸秆还田可以大批量处理剩余秸秆，是秸秆利用的主要方式之一。前人对秸秆还田做了大量研究，相关研究表明秸秆还田可以改善土壤理化性状，提高土壤有机质、水稳性团聚体、土壤养分的
4、含量，增强土壤保水性能和微生物活性，提高农作物的产量和品质等 5-9。但目前秸秆覆盖或浅还存在一定问题，比如增加病虫害的发生，整地质量差，地温低等 10。为了解决上述问题，将玉米秸秆施入土壤亚表层（2040cm 之间），即“秸秆深还”， 这样既解决了目前土壤耕层变浅，缺少有机肥，土壤蓄水能力下降等问题，又减少了由于焚烧秸秆造成的环境污染，达到保碳、蓄水、培肥、稳产的目的。崔婷婷等 11关于秸秆深还对土壤腐殖质组成及胡敏酸结构特征影响的研究表明：秸秆深还可促使土壤表层中胡敏酸（HA ）、富里酸（FA ）和胡敏素（HM）的含碳量增加，同时使 HA 分子的缩合度、氧化度和热稳定性提高，分子结构变复杂
5、。王胜楠等 12认为秸秆深还促使土壤水分利用效率提高，并且有利于土壤有机碳的固定。殷世伟等 13研究表明麦秸深埋可以提高水稻产量，改善稻米品质。朱姝等 14的研究表明秸秆深还有利于优势粒级团聚体的形成，同时促使优势粒级团聚体中有机碳增多，土壤表层和亚表层各粒级团聚体中 HA的缩合度、氧化度和热稳定性下降，结构简单化、年轻化。相比秸秆浅施，秸秆深还不仅明显降低土壤容重，提高土壤有机碳含量，而且能显著增加土壤有益微生物数量、耕层土壤酶活性和作物产吉林省重点科技攻关项目（2011CB100503NY）资助、国家自然科学基金（41571231）资助。Supported by Jilin Provinc
6、e Key Science and Technology Projects (NO.2011CB100503NY) and the National Natural Science Foundation of China (NO.41571231)通讯作者：窦森（1959-），男，教授，博士生导师，主要从事土壤有机质研究。E-mail ：作者简介：张艳鸿（1989-），女，硕士研究生，从事土壤环境与生物化学研究。E-mail ：收稿日期：2015-09-16 ；收到修改稿日期：2015-12-14量 15-16。同时秸秆深层还田对土壤中 HA、FA 和 HM 的积累作用也比秸秆浅施明显 17。
7、目前，关于秸秆深还的研究主要集中在秸秆深还后土壤蓄水能力、微生物活性、作物生长、土壤固碳能力、土壤团聚体组成、腐殖质结构变化等方面，而关于秸秆深还配施化肥对土壤腐殖质影响研究较少。因此，本文主要研究秸秆深还及配施化肥对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响。以期为如何合理利用秸秆深还提高土壤固碳能力以及构建合理耕层提供理论依据。1 材料与方法1.1 研究区概况试验地点位于吉林省长春市净月区吉林农业大学试验站玉米连作耕地（N434843.57，E1252338.50），供试土壤类型为半湿温半淋溶土亚纲黑土类，相当于美国土壤系统分类的粘淀湿润软土（Argiudolls）。具体见参考文献 14。1.2
8、 田间试验设计试验设 CK、CS、NPK、CS+NPK 4 种不同处理，分别代表未施用秸秆、秸秆深还、单施化肥、秸秆深还配施化肥。各处理设 3 次重复，随机排列。秸秆深还试验于 2012 年 11 月进行。深还方法参照朱姝 2011 年的试验 14。具体操作为：于收获后人工开挖深还沟，其横截面为倒置等腰梯形，上底宽 60 cm，下底宽 40 cm，深 40 cm，下底中央位置对应两垄玉米之间垄沟处。在挖沟的同时，将 020 cm 和 2040 cm 挖出的土壤分开放置。将玉米收获后的秸秆粉碎至长度为 35 cm，均匀平铺至深还沟中，还田量 12 000 kg hm-2，一次性全量还田，在秸秆施
9、于沟中后，按 2040 cm、020 cm 顺序还土至沟中，形成大垄并自然沉降。于 2014 年 10 月采集各处理表层（020 cm）和亚表层（2040 cm）的土壤进行测定。各处理中，涉及施用化肥处理的每年化肥施用量为 N：200 kg hm-2，P 2O5：50 kg hm-2，K 2O：50 kg hm -2。供试土壤基本理化性质见表 1。表 1 供试土壤的基本性质Table1 Basic properties of the soil for experiment采集深度 Depth (cm)有机质Organic matter(g kg-1)碱解氮Alkalytic N(mg kg-1
10、)有效磷Available P(mg kg-1)速效钾Available K(mg kg-1)pH020 18.57 82.44 24.02 86.02 6.542040 15.34 74.09 17.46 75.93 6.391.3 分析方法 土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用火焰光度计法，pH 采用电位法 18测定。腐殖质组成采用腐殖质组成修改法 19提取。提取剂为 0.1 molL-1 焦磷酸钠和 0.1molL-1 氢氧化钠混合液（pH=13）。腐殖物质（HE ）含碳量、HA 含碳量采用重铬酸钾氧化法测定，FA 含碳
11、量采用差减法得到，即 FA 含碳量=HE 含碳量-HA 含碳量。 PQ 值=HA 含碳量/HE 含碳量。HA 样品采用 IHSS 方法提取纯化，风干土样经 0.1 molL-1 NaOH 溶液提取，提取液经 HCl 酸化至 pH=1.5 得到粗 HA，后经离心、电渗析、旋转蒸发、冻干等过程后得到 HA 干样，具体步骤见文献 20。HA 的元素组成采用德国产 VARIO EL III 型元素分析仪测定型元素分析仪在 CHN 模式下进行测定,其中 HA 的 C、H、N 元素含量为实测值，O 和 S 元素含量的总和采用差减法计算获得；HA 的红外光谱在 AVATAR 360 傅立叶变换红外光谱仪上测
12、定。采用 KBr 压片法（HA 和 KBr 的重量比例约为 1:250），测试范围为 4 000500 cm-1，扫描次数 128 次，分辨率 8 cm-1。1.4 数据处理采用 Microsoft Office Excel 2007 软件进行数据分析处理，采用 SPSS Statistics17.0 统计分析并进行差异显著性检验。红外光谱图通过 OMNIC 软件对谱线选取特征峰，采用 Origin7.5 的分峰拟合功能，对不同波数的特征吸收峰进行峰面积计算，用某一峰面积占各峰总面积的百分比表示其峰强度。2 结果2.1 秸秆深还及配施化肥对土壤有机碳的影响从图 1 中可以看出秸秆深还及配施化肥
13、对土壤有机碳的影响，各处理表层与亚表层土壤有机碳含量变化规律相似：CS+NPKCSNPKCK。单施秸秆与单施化肥相比，前者对土壤有机碳的积累效果优于后者, 但不如秸秆与化肥配施效果显著。就表层土壤而言，与 CK 相比，NPK、CS、CS+NPK 处理有机碳含量分别增加了 0.70、0.47 和 2.57 g kg-1，可以看出 CS+NPK 处理对土壤有机碳的积累效果较其他处理显著。对亚表层土壤来说，NPK、CS、CS+NPK 有机碳含量较 CK 分别增加了 1.02、0.43、2.75 g kg-1，变化规律与表层类似。相比表层与亚表层 SOC 含量变化可以得出：秸秆深还可以显著提高土壤有机
14、碳含量，配施化肥效果更加显著。其中对亚表层SOC 的积累作用较表层明显。bccabc bcabcbcaab020 20400_5_10_15_20_CKCSNPKCS+NPK采 样 深 度 Sampling depth（cm）土壤有机碳SOC（gkg-1）注：CK 为未施用秸秆，CS 为秸秆深还， NPK 为单施化肥，CS+NPK 为秸秆深还配施化肥。小写字母代表不同土层不同处理间 SOC 含量的显著性差异，显著水平 pNPKCSCK。 PQ 值是指胡敏酸在腐殖酸中所占的比例，用来反映土壤的腐殖化程度，两者呈正相关。从表2 可以看出虽然土壤表层和亚表层秸秆深还及配施化肥处理 HA 和 FA 含
15、碳量都有增加，但 PQ 值变化均不显著，相比于 CK，表层中，CS、NPK 和 CS+NPK 处理均使腐殖质 PQ 值略升高，从56.58 %分别增加至 59.13、60.37 和 57.87 %，亚表层中， CS、NPK 和 CS+NPK 的变化幅度分别为3.35、9.60 和 3.73 %。表 2 秸秆深还及配施化肥对土壤腐殖质组成和 PQ 值的影响Table 2Effects of CSDI and fertilizers application on composition and PQ value of soil humus 处理Treatment深度Depth (cm)胡明酸 HA
16、 ( g kg-1)富里酸 FA ( g kg-1)胡敏素 HM ( g kg-1) PQ 值(%)CK 3.250.37cde 2.490.19ab 4.670.29bc 56.582.42aCS 3.790.28ab 2.620.22ab 5.160.66ab 59.131.10aNPK 3.470.16bcd 2.300.52ab 6.040.49a 60.375.94aCS+NPK0204.050.11a 2.990.66a 6.171.07a 57.874.55aCK 2.900.39e 2.360.23ab 3.840.56c 54.982.25aCS 3.220.37de 2.4
17、40.19ab 4.59 0.82bc 56.821.98aNPK 3.080.06de 2.040.33b 5.010.77abc 60.263.66aCS+NPK20403.740.21abc 2.860.64ab 5.110.22ab 57.034.04a注：CK 为未施用秸秆，CS 为秸秆深还， NPK 为单施化肥，CS+NPK 为秸秆深还配施化肥。小写字母代表不同土层不同处理间各组分含量的显著性差异，显著水平 pNPKCKCS。说明秸秆深还配施化肥使土壤 HA 中 C 含量增加，秸秆深还与之相反；CS 的 2 个土层 H/C 和(O+S)/C 都高于 CK，CS+NPK 与之相反。表
18、明秸秆深还使 HA 分子缩合度降低，氧化度增加，而秸秆深还配施化肥使 HA 分子缩合度增加，氧化度降低。2.4 秸秆深还及配施化肥对土壤 HA 红外光谱的影响土壤 HA 的红外光谱（FTIR）如图 2 所示。HA 的主要征峰出现在 2 920、2 850、1 720、1 620、1 400、1 230 和 1 034cm-1 处。分别代表：2920 cm-1（不对称脂族 C-H 伸缩振动），2850 cm-1（-CH2- 对称脂族 C-H 伸缩振动），1720 cm-1（羧基的 C=O 伸缩振动），1620 cm-1（芳香 C=C伸缩振动），1400 cm-1（脂族 C-H 变形振动），123
19、0 cm-1（羧基中-OH 的变形振动和 C-O 伸缩振动）和 1034 cm-1（碳水化合物或多糖结构中 C-O 伸缩振动及无机物的 Si-O 伸缩振动）。图谱形状基本相似，但不同处理土壤 HA 在一些特征峰的吸收强度上存在着明显差异。40302010吸光度 Absorance波 数 Wave numbers(c-)172029085 NPK+CSPCSCK1620(02cm) 40302010吸光度 Absorance波 数 Wave numbers(c-)290851720162 CS+NPKNPKCSCK(204cm)图 2 秸秆深还及配施化肥对 HA 的 FTIR 谱图的影响Fig.
20、 2 Effects of deep incorporation of corn stover and fertilizers application on FTIR spectra of soil HA HA 的 FTIR 光谱主要吸收峰相对强度（见表 4），不同土层间比较， 4 种处理表层 HA 的2920/1720 都低于亚表层，表明表层 HA 的脂族碳/羧基碳低于亚表层；除 NPK 外其他处理表层 HA的 2920/1620 都低于亚表层，表明表层 HA 的脂族碳/芳香碳低于亚表层。不同处理间比较，HA 在 1720cm-1 的相对强度其他处理表层都高于 CK；HA 在 1620 cm
21、-1 的相对强度其他处理表层和亚表层都高于 CK。说明秸秆深还及配施化肥促使 HA 羧基碳和芳香碳增加。表 4 秸秆深还及配施化肥对土壤 HA FTIR 光谱主要吸收峰相对强度的影响Table 4 Effects of CSDI and fertilizers application on relative intensity of the main absorption peaks in FTIR spectra of soil HA相对强度 Relative intensity(%) 比值 Ratio(mol)处理Treatment采样深度Depth(cm) 2 920cm-1 2 850
22、cm-1 1 720cm-1 1 620cm-1 2 920/1 720 2 920/1 620CK 12.749 2.893 13.146 43.725 0.970 0.292 CS 17.279 3.673 15.578 51.882 1.109 0.333 NPK 12.558 2.636 14.470 45.426 0.868 0.276 CS+NPK0207.482 1.445 17.544 48.545 0.426 0.154 CK 13.957 3.221 5.164 45.061 2.703 0.310 CS 18.079 4.155 5.720 46.249 3.161 0.
23、391 NPK204013.992 2.998 4.997 53.026 2.800 0.264 CS+NPK 9.497 1.986 4.655 55.804 2.040 0.170 综上，CS 和 CS+NPK 处理均使 HA 分子的芳香碳含量增加，而 CS 处理同时能使脂族链烃比例增加，说明秸秆深还及配施化肥均能使 HA 分子结构趋于稳定。3 讨论3.1 秸秆深还及配施化肥对土壤有机碳和腐殖质组成的影响本研究表明：秸秆深还配施化肥对有机碳积累作用优于秸秆深还，更优于单施化肥。说明秸秆深还配施适量化肥是提高土壤有机碳含量的有效措施，与劳秀荣 24和孙卫民 25的研究结果一致。说明秸秆与化肥
24、对土壤有机碳的增加具有协同效应。这可能是由于施入化肥后，作物产量提高的同时，土壤中的凋落物增加，生物量碳也增加，从而使土壤有机碳含量增加。Bhattacharyya 等 26的研究表明，水稻秸秆+无机氮肥的处理可显著增加表层土壤有机碳和碳储量。于锐等 27研究表明，与化肥单施相比，有机肥化肥混施明显提高了黑土 HA、FA、HS 含量，也提高了腐殖质活性。孙星等 28关于长期秸秆还田对剖面土壤肥力质量影响的研究表明供试的两种土壤的养分与腐殖酸组分碳均呈极显著或显著正相关，秸秆与化肥配合施用增加了土壤腐殖质含量, 改善了土壤腐殖质品质。本文得出类似结果：秸秆深还及配施化肥能够促使 HA、FA 和
25、HM含碳量显著增加，而 PQ 值略有增加，但变化不显著，说明秸秆深还后土壤的熟化程度及肥力状态向适宜的方向转化。3.2 秸秆深还及配施化肥对土壤 HA 结构特征的影响CS 处理使 HA 分子的脂族链烃和芳香碳比例均增加，CS+NPK 处理使 HA 分子芳香碳增强，但脂族性链烃结构减少。说明秸秆深还及配施化肥均能促使 HA 分子结构变得更加复杂、稳定，这更有利于作物的生长及土壤结构的改善 29。从元素组成和红外光谱可以看出 CS 和 CS+NPK 处理使 HA 变稳定的机制有所不同，除了分子结构芳香性提高的作用以外，前者还体现在疏水性的提高上；而后者则体现在分子结构变复杂上。Ingo 30研究得
26、出易氧化性碳和非氧化性碳的含量都随着培养时间而下降。Ferrari 31通过漫反射傅里叶变换红外光谱和核磁共振分析了从施用农家肥 40 多年种植玉米的土壤中提取的腐殖质的结构特征，认为其含有相对较高含量的木质素，氨基酸，多肽和蛋白质。Ghaffar 32认为木质素是一种天然聚合物和芳香族高度交联的物质，与苯酚-甲醛树脂的网络结构类似。本试验中可能是因为秸秆与化肥配施后，土壤摄入大量有效养分，加快微生物代谢活动，促进了秸秆的分解，秸秆分解残留的木质素与土壤腐殖质结合，进而使 HA 芳香性增加，结构变稳定。4 结论秸秆深还配施化肥对有机碳的积累作用优于秸秆深还，更优于单施化肥；秸秆深还及配施化肥后
27、表层和亚表层腐殖质各组分有机碳含量均显著提高，但 PQ 值没有显著变化。从元素分析和红外光谱来看，秸秆深还及秸秆配施化肥均能使 HA 的芳香结构比例增加，但 CS 处理还能同时增加脂族链烃的比例；而 CS+NPK 处理则使 HA 的缩合度提高，氧化度下降。说明 CS 和 CS+NPK 使 HA稳定的机制有所不同，除了分子结构芳香性提高的作用以外，前者还体现在疏水性的提高上；而后者则体现在分子结构变复杂上。参 考 文 献 1 杨德志, 阳德华, 陈超, 等. 微生物发酵对油菜秸秆营养品质的影响. 贵州畜牧兽医, 2012, 35(1): 14-17. Yang D Z, Yang D H, Chen C, et al. Effects of microbial fermentation on the nutritional quality of rape straw(In Chinese). Guizhou Journal of Animal Husbandry Soil humus; Humic acid; Element composition; Infrared spectroscopy
