有机培肥对黑土有机质消长及其组分与结构的影响

黑土以其土质肥沃和有机质含量高而闻名于世。土地利用方式由自然植被转变为农田后，土壤有机物质的输入与输出失衡导致黑土有机质含量显著下降、土壤肥力逐渐降低，这不仅制约了粮食生产，也造成黑土对大气CO2的“源/汇”效应的改变。因此，人们通过有机培肥来提高土壤有机物质的输入量，进而对土壤有机质的数量和质量进行管理和调控。有机肥的组成特性与输入数量将直接作用于土壤有机质的合成与转化，从而对土壤有机质的动态变化、组分分布以及结构特征产生重要影响。本文以典型黑土农田长期定位试验为研究平台，系统研究了在土壤有机质背景值较高的黑土中，有机肥种类和数量因子影响下土壤有机质的动态变化及其物理、化学组分的分布规律，并对土壤有机质的结构特征进行了初步的探讨。以期为阐明黑土有机质的稳定机制与建立合理的有机培肥体系提供理论依据。主要的研究结论如下： 土壤有机碳的消长特征与有机肥的种类和数量密切相关。在10年的培肥过程中，化肥配施秸秆处理土壤有机碳含量的波动不大，维持在原有水平；化肥配施猪粪处理土壤有机碳的含量随着施肥年限的增加呈逐渐上升的趋势，经过10年培肥，土壤有机碳含量增加3.7%。不同数量猪粪处理下，当猪粪年均输入量为7.5tha-1和15tha-1时，土壤有机碳含量呈现前期缓慢增加、中期迅速增加、后期保持平稳的变化趋势；当猪粪年均输入量为22.5tha-1时，土壤有机碳含量呈现前期迅速增加，中期和后期趋于平缓的变化过程；经过10年有机培肥后，高量、中量和低量猪粪处理土壤有机碳含量的增加幅度分别为13.9%、7.10%和4.37%，土壤有机碳储量与猪粪输入总量之间呈现极显著的正相关关系（P<0.01）。在东北黑土区，与化肥配施秸秆相比，化肥配施猪粪更有利于土壤有机碳的积累，而增加猪粪的输入量是提升土壤有机碳水平的有效途径。 化肥配施有机肥有利于土壤活性有机质的积累，但活性有机质的提高程度与有机肥的种类和数量密切相关。与单施化肥相比，化肥配施有机肥显著增加了土壤轻组有机质、颗粒有机质、微生物量碳氮以及水溶性有机质这些活性有机质组分的含量及其在土壤有机质中的分配比例。化肥配施有机肥也增加了重组有机质的含量，但其分配比例却有所下降。说明有机培肥对土壤有机质的积累首先是对其活性组分的积累。两种典型有机肥相比，以化肥配施猪粪对土壤各活性有机质的积累效果最佳；随着猪粪输入量的增加，土壤各活性有机质均呈现逐渐增加的趋势。因此，在东北黑土区，化肥配施猪粪有利于提高土壤有机质“活性库”的储量，而土壤有机质活性库的储量随着猪粪输入量的增加呈逐渐增加的趋势。 不同种类和数量有机肥输入下团聚体中碳、氮分布特征及腐殖物质组成具有显著差异。2-0.25mm粒级是团聚体的优势粒级，在土壤中所占的比例为65.6～72.8%。与单施化肥相比，化肥配施有机肥显著增加了土壤大团聚体的数量与团聚体的平均重量直径，且猪粪的效果优于秸秆，大团聚体的比例比后者高2.6%。随着猪粪输入量的增加，团聚体的平均重量直径呈逐渐升高的趋势，OM3处理团聚体的平均重量直径为1.16。土壤各粒级团聚体中有机碳、氮储量的高低表现为：[2-0.25mm]>[0.25-0.053mm]>[>2mm]>[<0.053mm]，大团聚体（>0.25mm）中有机碳、氮储量在土壤总有机碳和全氮中的比例分别为74.7%和77.3%。化肥配施猪粪显著增加了土壤大团聚体（>0.25mm）中有机碳、氮的含量与储量，而化肥配施秸秆仅增加了土壤大团聚体中有机碳的含量，对氮含量的影响并不显著。随着猪粪输入量的增加，>2mm和2-0.25mm团聚体中有机碳的储量呈逐渐上升的趋势，二者与猪粪输入量之间均呈现显著的正相关关系（P<0.05）。各粒级团聚体对胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HU）组分富集率的变化相一致，均表现为[2-0.25mm]>[0.25-0.053mm]>[>2mm]>[<0.053mm]，表明各粒级团聚体对HA、FA和HU的“分选作用”明显。化肥配施猪粪显著增加了各粒级团聚体中HA和HU的含量，而化肥配施秸秆更有助于各粒级团聚体中FA的积累。与单施化肥相比，猪粪输入量为7.5tha-1yr-1时，大团聚体中各腐殖物质富集率的变化并不显著，而当猪粪输入量达到15tha-1yr-1和22.5tha-1yr-1时，大团聚体（>0.25mm）对腐殖物质各组分的富集能力显著增加，但微团聚体（0.25-0.053mm）中腐殖物质的富集率却有所降低，土壤的供肥能力得以增加。 土壤HA的结构特征与有机肥的种类和数量密切相关。与单施化肥相比，化肥配施有机肥显著降低了土壤HA的缩合度、氧化度及其芳香化合物的含量，但增加了HA中脂族化合物的含量；与秸秆相比，猪粪有利于提高HA分子的缩合度，并使其脂肪族和芳香族化合物的含量增加；随着猪粪输入量的增加，HA分子的氧化度逐渐降低，而脂族性呈逐渐升高的趋势。 综上所述，在东北黑土区，化肥配施猪粪是提升土壤有机质数量和质量的有效措施；增加猪粪的输入量能够优化土壤有机质的组分分布与结构特征，从而提高土壤对有机碳的固持能力和土壤肥力。