秸稈和硫酸鋁對淡黑鈣土有機礦質復合體及有機碳分布的影響

趙興敏，劉楠，郭欣欣，王鴻斌，隋標，趙蘭坡*

（1.吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，長春 130118；2.Faculty of Engineering and Green Technology,University Tunku AbdulRahman,Kampar 31900）

秸稈和硫酸鋁對淡黑鈣土有機礦質復合體及有機碳分布的影響

趙興敏1，劉楠1，郭欣欣2，王鴻斌1，隋標1，趙蘭坡1*

（1.吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，長春 130118；2.Faculty of Engineering and Green Technology,University Tunku AbdulRahman,Kampar 31900）

以吉林省典型土壤淡黑鈣土為研究對象，采用室內恒溫培養(yǎng)法研究在不同秸稈和硫酸鋁添加量下，淡黑鈣土中有機礦質復合體的含量及有機碳在其中的分布，探討有機礦質復合體對淡黑鈣土固碳的貢獻。結果表明：對于秸稈和硫酸鋁添加的所有處理，復合體含量均表現(xiàn)為G1（鈉分散組）＞G0（水分散組）＞G2（鈉質研磨分散組）；與對照相比，秸稈和硫酸鋁添加使得淡黑鈣土中G0組復合體的含量降低，G2組復合體的含量明顯上升，而對G1組復合體的含量影響不大。單位質量復合體中有機碳的含量大小表現(xiàn)為G2＞G0＞G1，G2組復合體中的有機碳含量最高（平均含量為95.92 g·kg-1），約為單位質量G0組和G1組復合體中有機碳含量的3倍，G0組（平均含量為33.89 g·kg-1）略高于G1組（平均含量為32.25 g·kg-1）。秸稈和硫酸鋁添加均有助于提高G0組復合體中有機碳的含量；而G1組復合體有機碳含量的變化主要受秸稈添加量的影響，隨著秸稈添加量的增加，G1組復合體有機碳含量增加；秸稈對G2組復合體中有機碳含量的提高具有促進作用，而硫酸鋁的影響則相反。各組復合體對淡黑鈣土固碳的貢獻率取決于土壤中復合體的含量及單位質量復合體中有機碳的含量，其對固碳貢獻的大小順序為G1＞G0＞G2；有機礦質復合體（G0+G1+G2）質量僅占淡黑鈣土質量的約四分之一，但其對于淡黑鈣土固碳的貢獻卻為61.96%～73.56%。

淡黑鈣土；秸稈；硫酸鋁；有機礦質復合體；土壤有機碳

淡黑鈣土是在溫帶半干旱季風氣候區(qū)，冬季寒冷漫長、夏季溫熱短促的特殊氣候和母質等條件下形成的一類特殊類型的土壤，是吉林省的主要土壤資源和重要的農牧業(yè)生產基地。其主要特征為腐殖質積累過程弱、含量低，碳酸鹽積累過程強、含量高，因此其肥力效果相對較差[1]。在農業(yè)生產中，提高淡黑鈣土肥力的主要措施是向土壤中添加有機物料，通過有機物料的腐殖化，提高有機質含量[2-4]。但單一施用有機物料不能有效降低淡黑鈣土的碳酸鹽含量和堿度。課題組在以往研究中發(fā)現(xiàn)，使用硫酸鋁改良劑對降低蘇打鹽堿土的pH值，促進土壤膠體凝聚具有良好的作用[5-6]。這是由于硫酸鋁的水解產物多核羥基鋁聚合物、溶膠氫氧化鋁及無定形氫氧化鋁通過陽離子鍵橋、氫鍵合和氫氧化物鍵橋等機制發(fā)揮其吸附固定腐植酸的“橋梁”作用。此外，硫酸鋁在溶液中的物理絮凝作用也會促進腐植酸的吸附固定[7]。關于硫酸鋁對淡黑鈣土的有機質提升作用已經(jīng)開展了初步研究工作，發(fā)現(xiàn)秸稈和硫酸鋁改良劑組合添加對于淡黑鈣土有機碳的固定具有明顯的促進作用，對pH值和碳酸鹽含量具有降低作用，而對陽離子交換量有一定的提升作用[8]。秸稈還田后，在適宜的土壤生物化學等作用下逐漸轉化形成腐殖質，成為土壤的重要組分，能夠提高土壤肥力，促進植物生長。土壤腐殖質與土壤礦物質結合形成有機礦質復合體，是土壤中比較活躍的組成部分，對于土壤結構的形成、土壤水分和養(yǎng)分的保持與供應均具有重要的影響[9-10]。根據(jù)膠散分級法，可將土壤有機礦質復合體依次分為水分散組（G0）、鈉分散組（G1）和鈉質研磨分散組（G2）[11]。由于秸稈和硫酸鋁加入淡黑鈣土后，這三組有機礦質復合體及其中分布的有機碳如何變化尚不明確，本文在已有研究工作基礎上，深入探索在硫酸鋁存在時秸稈經(jīng)腐解后形成的有機質與土壤礦質的作用情況，進而從機理上闡明硫酸鋁對淡黑鈣土有機碳固定的貢獻，以期為淡黑鈣土有機質的快速提升，改良培肥新技術、新方法的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為淡黑鈣土，于2013年10月7日在吉林省前郭縣套浩太鄉(xiāng)堿巴拉村（124°40′58.47″E，44° 54′6.17″N）玉米田采集土壤樣品，采樣深度為0～20 cm，6次重復。土樣去除肉眼可見的秸稈等有機殘體后風干，過2mm篩備用。供試玉米秸稈為田間自然風干整株秸稈樣品，于室內30℃烘干后去除雜物，粉碎并過2 mm篩。經(jīng)分析玉米秸稈有機碳含量為425.7g·kg-1，全氮為5.3 g·kg-1，C/N為80。供試硫酸鋁改良劑為工業(yè)硫酸鋁，主要成分為Al2（SO4）3·xH2O。淡黑鈣土的基本理化性質如表1所示。

表1 供試淡黑鈣土的基本理化性質Table 1 Basic physicochemicalpropertiesof the tested lightChernozem

1.2 試驗設計

試驗共設置16個處理，其變量分別是土壤中添加的秸稈量和硫酸鋁量（秸稈或硫酸鋁質量占土壤質量的百分比），具體設計見表2。恒溫培養(yǎng)試驗中，對于每個處理，按照表2的設定量依次向400 g風干淡黑鈣土中加入秸稈和硫酸鋁，混合均勻后，轉移到1300mL的塑料培養(yǎng)瓶中，調整含水量為20%。培養(yǎng)過程中，由于蒸發(fā)和土壤的呼吸作用要消耗部分水分[12]，每隔3 d補充水分，保持恒定的含水量，溫度恒定為25℃。培養(yǎng)135 d后取出土壤樣品，風干，分析土壤有機礦質復合體和其中的有機碳含量。

表2 培養(yǎng)試驗設計Table 2 Design of incubation test

1.3 測試分析方法

土壤有機礦質復合體組成測定：G0組復合體的提取參照陳家坊等[13]方法，分離土壤中水分散組復合體；G1組復合體的提取參照傅積平等[14]改進方法；G2組復合體提取采用Edwards等[15]改進方法。各組所得的懸濁液均用稀硫酸聚沉，再用酒精洗滌離心，濕樣經(jīng)風干后稱重，并計算各組復合體的含量。土壤及復合體中有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel2013和Origin 8.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用SPSS軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與討論

2.1 秸稈和硫酸鋁添加對淡黑鈣土各組復合體含量的影響

表3列出了秸稈和硫酸鋁添加后土壤各組復合體的絕對含量、相對含量以及對比情況。對單位質量淡黑鈣土中各組復合體的含量分析發(fā)現(xiàn)：固定秸稈添加量時，隨著硫酸鋁添加量的增加，G0組復合體含量依次降低；固定硫酸鋁添加量時，隨著秸稈添加量的增加，G0組復合體含量整體上呈降低趨勢。這表明，秸稈和硫酸鋁添加使得淡黑鈣土中G0組復合體的含量降低。因為G0組復合體是游離的礦質顆粒和小于10μm微團聚體的混合物[17]，硫酸鋁和秸稈添加有利于大團聚體而非小團聚體的形成[5-6]。對于只添加秸稈的4組處理S0Al0、S0.5Al0、S1.0Al0和S1.5Al0，G0組復合體含量分別為63.3、63.3、63.9、62.3 g·kg-1，沒有顯著差異；而對于只添加硫酸鋁的4組處理S0Al0、S0Al0.2、S0Al0.4和S0Al0.6，G0組復合體含量分別為63.3、62.3、58.2、57.7 g·kg-1，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，其中只有后兩組差異不顯著，其余各組間差異顯著。說明硫酸鋁添加是造成G0組復合體含量降低的重要原因。G2組復合體含量隨著硫酸鋁添加量的增加明顯提高，隨著秸稈添加量的增加也整體呈現(xiàn)顯著上升的趨勢，即秸稈和硫酸鋁添加使得淡黑鈣土中G2組復合體的含量顯著提升，且二者對于G2組復合體含量增加的貢獻基本相當。G1組復合體是鈣結合的復合體，秸稈和硫酸鋁添加對其影響不大，并沒有明顯的規(guī)律性。已有研究也表明，隨秸稈添加量的增加，土壤中非水穩(wěn)性G0組復合體含量減少，水穩(wěn)性G2組復合體含量增加，復合體由非水穩(wěn)性向水穩(wěn)性轉化[18-19]，隨著硫酸鋁加入量的增加，G0組非水穩(wěn)性復合體含量減少[20]。由于G2組水穩(wěn)性復合體是鐵鋁氧化物結合的復合體，硫酸鋁的添加有助于土壤中鐵鋁氧化物結合形式的復合體生成。與G2組相比較，雖然G0和G1變化幅度不大，但從表3的統(tǒng)計分析結果可以看出，大部分處理與其對照相比均達到了顯著性差異。對于所有處理而言，淡黑鈣土中各組復合體的含量關系均為G1＞G0＞G2。由于G2組復合體的絕對含量較少，G2組復合體相對于G0組和G1組的增幅較大。在復合體中，G1組復合體含量占絕對優(yōu)勢，占復合體總量的68.4%～71.0%，其次為G0組復合體占24.1%～27.9%，G2組復合體僅占3.5%～6.3%。這是由于淡黑鈣土在成土過程中，被淋溶的碳酸鈣與土壤腐殖質中的胡敏酸結合，從而使得G1組復合體含量偏高[21-22]，在本研究中G1/ G2均大于10。土壤復合膠體的形成與其穩(wěn)定性有關，并不完全取決于離子數(shù)量。鐵鋁鍵與鈣鍵相比要穩(wěn)定得多，但在本研究中G2組分含量相當?shù)?。這可能與土壤中實際情況存在一定的差異，因為分級提取只是一種操作上的概念，在將不同鍵合狀態(tài)的腐殖質分離出來過程中存在一定的誤差，尤其在淡黑鈣土呈堿性的環(huán)境下，鐵、鋁氧化物大多以羥基的形式發(fā)生沉淀，在很大程度上也制約著G2組分的形成。

表3 秸稈和硫酸鋁添加對淡黑鈣土各級有機礦質復合體含量的影響Table 3 Effectofstraw and aluminum sulfate addition on the concentration ofeach organic-mineralcomplex in lightChernozem

與S0Al0相比，秸稈和硫酸鋁添加使得各處理淡黑鈣土復合體總量均增加。16個處理培養(yǎng)135 d之后，復合體總量變化幅度為230.1～241.5 g·kg-1，增幅為1.69%～4.95%。無論在等量秸稈條件下改變硫酸鋁添加量，還是在等量硫酸鋁條件下改變秸稈添加量，復合體總量的變化均沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。復合體總質量占土壤質量的23%左右，將近四分之一。

2.2 秸稈和硫酸鋁添加后淡黑鈣土各組復合體中有機碳的含量

單位質量有機礦質復合體中有機碳的含量反應了各級復合體對于有機碳的固持能力。秸稈和硫酸鋁添加后有機碳在淡黑鈣土復合體中的分布情況（單位質量復合體中有機碳的含量）見表4。由表4可以看出：對于三組復合體有機碳含量整體而言，G2組復合體中的有機碳含量水平最高（平均含量為95.92g·kg-1），約為單位質量G0組和G1組復合體有機碳含量的3倍；G0組和G1組復合體中有機碳的含量明顯低于G2組，且G0組（平均含量為33.89 g·kg-1）略高于G1組（平均含量為32.25 g·kg-1）。已有研究也發(fā)現(xiàn)，在各組復合體中，G2組復合體中有機碳的含量最高[23-24]。

在等量硫酸鋁添加時，隨著秸稈添加量的增加，各組復合體有機碳含量都呈現(xiàn)升高的趨勢。秸稈添加不僅有助于提升土壤有機碳總量，同時有助于土壤各組復合體中有機碳含量的提升[17]。在等量秸稈添加條件下，G0組復合體有機碳含量隨著硫酸鋁添加量的增加呈升高趨勢，G2組復合體有機碳含量隨著硫酸鋁添加量的增加呈降低趨勢，而G1組復合體有機碳含量受硫酸鋁的影響并不大，變化趨勢也并不明顯。由以上分析可知，秸稈和硫酸鋁添加均有助于提高G0組復合體中有機碳的含量；而G1組復合體有機碳含量的變化主要受秸稈添加量的影響，隨著秸稈添加量的增加，G1組復合體有機碳含量增加；秸稈對于G2組復合體有機碳含量的提高有促進作用，硫酸鋁的作用則相反。復合體中有機碳的含量與復合體中無機礦物含量、表面鍵合能力等有關，鈣對于新鮮有機質具有很好的鍵合作用，而鋁對胡敏酸和富里酸有很好的鍵合作用，對新鮮的有機殘渣穩(wěn)定作用較弱[25]。從秸稈在土壤中達到完全腐殖化的時間看，本研究中大部分秸稈分解產生的有機質屬于新鮮有機質，因而使得鈣的鍵合作用突出，G1組分中有機質的含量提升較多。從復合體內部有機物和土壤礦質的鍵合作用看，從G0組到G2組腐殖質更為強烈的轉變和縮合，穩(wěn)定性更強，而G1組和G2組均屬于水穩(wěn)定性復合體，只是結合松緊程度不同而已。

表4 秸稈和硫酸鋁添加對有機碳在淡黑鈣土復合體中分布的影響Table 4 Effectofstraw and aluminum sulfate addition on organic carbon distribution in organic-mineralcomplex

2.3 秸稈和硫酸鋁添加后各組復合體對淡黑鈣土固定有機碳的貢獻

單位質量土壤中各組復合體有機碳的含量反映了其對于土壤固持有機碳的貢獻水平（表5）。由表5可以看出：分布在G1組復合體中的有機碳含量遠高于G0組和G2組，平均含量為5.33 g·kg-1，其主要原因是土壤中G1組復合體含量高于其他兩組；而G0組和G2組有機碳平均含量分別為2.05、1.12 g·kg-1，即分布在G0組中的有機碳量高于G2組。雖然單位質量G2組中的有機碳含量高于G0組和G1組，但是由表3可知單位質量土壤中G2組復合體的含量卻遠少于其他兩組。這是導致單位質量土壤中G2組復合體有機碳含量減少的原因。

對于單位質量的土壤而言，分布在G0組中的有機碳含量隨著硫酸鋁添加量的增加呈降低趨勢，而秸稈添加量的變化對其影響不明顯。對于土壤中G1組復合體有機碳的含量，少量添加秸稈（0.5%）和硫酸鋁（0.2%）便可使其提高，繼續(xù)增加秸稈和硫酸鋁的投入量，對土壤固定有機碳的影響不再明顯；淡黑鈣土中G2組復合體有機碳的含量，則隨秸稈和硫酸鋁改良劑添加量增加呈現(xiàn)增長的趨勢。雖然表4中數(shù)據(jù)顯示單位質量G2組復合體中有機碳含量隨硫酸鋁添加量增加而減少，但G2組復合體含量隨著硫酸鋁添加量增加的幅度大于其有機碳含量減少的幅度，導致單位土壤中G2組復合體有機碳含量整體呈上升趨勢。

從各組復合體對淡黑鈣土固碳的貢獻率看，G1組復合體的貢獻率最大（40.86%～49.45%），占淡黑鈣土有機碳固定量的近一半；G0組復合體的貢獻率次之，為15.35%～19.13%；G2組復合體的貢獻率最小，僅為6.41%～11.01%。秸稈和硫酸鋁添加降低了G0組復合體對有機碳固定的貢獻率，二者添加量越多，其降幅越大；單獨加硫酸鋁而不加秸稈時，G0組復合體對有機碳的貢獻率略有提升，隨著秸稈量的增加，G0組復合體的貢獻依次降低。秸稈和硫酸鋁的添加明顯增加了G2組復合體對淡黑鈣土固定有機碳的貢獻。添加秸稈和硫酸鋁后，淡黑鈣土三組復合體G0+G1+ G2中有機碳總量與土壤中有機碳總量對比發(fā)現(xiàn)，三組復合體中有機碳的總和小于土壤總有機碳的量，對淡黑鈣土有機碳固定的貢獻率為64.27%～76.87%，尚有約四分之一的有機碳不存在于有機礦質復合體中。由表3可知，三組復合體總質量占淡黑鈣土質量的23.01%～24.15%，不到四分之一，而所含有機碳量卻占總有機碳量的四分之三。這充分說明有機礦質復合體對土壤有機碳的固定和肥力提升具有重要的影響。在復合體的相關研究中，有專家提出有機礦質復合度這個概念，它是指有機礦質復合體中有機碳總量占土壤有機碳總量的百分數(shù)，該值越大，復合度越高[17]。本研究結果表明，土壤中添加秸稈（S0Al0、S0.5Al0、S1.0Al0和S1.5Al0）會降低土壤的復合度，而加入硫酸鋁（S0Al0、S0Al0.2、S0Al0.4和S0Al0.6）會提高土壤的復合度。可見硫酸鋁添加有利于有機碳向穩(wěn)定的土壤有機礦質復合體形式轉化。

表5 秸稈和硫酸鋁添加后各組復合體對淡黑鈣土固持有機碳的貢獻Table 5 Contribution ofeach organic-mineralcomplex on carbon sequestration in lightChernozem afterstraw and aluminum sulfate addition

3 結論

（1）秸稈和硫酸鋁的添加對淡黑鈣土復合體組成及有機碳在其中的分布具有一定影響，所有處理的土壤中各組復合體含量關系均為G1＞G0＞G2。秸稈的添加使G0組非水穩(wěn)性復合體含量減少，G2組水穩(wěn)性復合體含量增加；硫酸鋁的添加使G0組復合體減少，G2組復合體增加。添加秸稈和硫酸鋁有助于G0組非水穩(wěn)性復合體向G2組水穩(wěn)性復合體轉化，進而可以促使土壤形成穩(wěn)定的團粒結構。

（2）在所有處理中，3組復合體都表現(xiàn)為G1組中有機碳含量最少，G2組中有機碳含量最多。秸稈添加能夠提高各組復合體的有機碳含量，而硫酸鋁的添加導致G2組復合體有機碳含量減少，但單位質量淡黑鈣土中G2組復合體中有機碳含量卻有所升高。分布在淡黑鈣土各組復合體中有機碳含量的大小順序為G1＞G0＞G2，與土壤中各組復合體含量之間的大小關系相同。

（3）從各組復合體對于淡黑鈣土固碳的貢獻率看，G1組復合體的貢獻率最大，占淡黑鈣土有機碳固定量的近一半，G0組復合體的貢獻率次之，G2組復合體的貢獻率最小。

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Effect of straw and alum inum sulfate on soilorganic-m ineral com plex and organic carbon distribution in light Chernozem

ZHAOXing-min1,LIUNan1,GUOXin-xin2,WANGHong-bin1,SUIBiao1,ZHAO Lan-po1*
（1.College of Resource and Environment,Jilin Agricultural University,Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases in Jilin Province,Changchun 130118,China；2.Faculty of Engineering and Green Technology,University Tunku AbdulRahman,Kampar31900，Malaysia）

The typical light Chernozem in Jilin Provincewas selected for analyzing the distribution of soil organic-mineral complex and the content of organic carbon at different content levels of straw and aluminum sulfate.Furthermore,the contribution of soil organic-mineral complex to organic matter sequestration in light Chernozem was investigated via laboratory simulative incubation.The results showed that the order oforganic-mineral complex contentwas G1（sodium dispersion group）＞G0（water dispersion group）＞G2（sodium and abrasive dispersion group）for all treatmentswith straw and aluminum sulfate addition.Compared with S0Al0,the contentofG0organic-mineral complex was decreased with straw and aluminum sulfate addition.The contentof G2organic-mineral complex was increased significantly.However,straw and aluminum sulfate addition had little effecton the contentof G1organic-mineral complex.The organic carbon content in the organic-mineral complex ofunitmass followed the order ofG2＞G0＞G1.The organic carbon content in the G2complexwas highestand the average contentwas 95.92 g·kg-1,which was about three times the organic carbon content in the G0and G1complex.The organic carbon content in the G0complex was slightly higher than that of the G1complex（the average content was 32.25 g·kg-1）and the average content was 33.89 g·kg-1.Straw and aluminum sulfate addition could increase the organic carbon content in the G0complex,and the change of organic carbon content in the G1complexwasmainly affected by straw addition.With the straw amount increasing,the organic carbon content in the G1complexwas increased.Straw addition played a positive role for increasing the organic carbon content in the G2complex,however,the effectof aluminum sulfatewas the contrary.The contribution of each organic-mineral complex to the soil carbon sequestration in light Chernozem depended on the organic carbon content in the complex and the complex content in soil.The organic carbon sequestration content in each organic-mineral complex followed the order of G1＞G0＞G2.The contribution ratio of organic-mineral complex（G0+G1+G2）to organic carbon sequestration in the lightChernozem was 61.96%～73.56%.

lightChernozem;straw;aluminum sulfate;organic-mineralcomplex;soilorganic carbon

X131.3

A

1672-2043（2017）05-0950-07

10.11654/jaes.2016-1466

2016-11-21

趙興敏（1980—），女，黑龍江訥河人，博士，副教授，主要從事土壤環(huán)境化學研究。E-mail：zhaoxingmin0704@163.com

*通信作者：趙蘭坡E-mail：zhaolanpo12@163.Com

國家自然科學基金青年科學基金（41403077）；公益性行業(yè)科研專項基金（201503116）

Project supported：The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China（41403077）；The Special Scientific Research Fund of PublicWelfare Profession ofChina（201503116）

趙興敏，劉楠，郭欣欣，等.秸稈和硫酸鋁對淡黑鈣土有機礦質復合體及有機碳分布的影響[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36（5）：950-956.

ZHAOXing-min,LIUNan,GUOXin-xin,etal.Effectofstraw and aluminum sulfateon soilorganic-mineral complex and organic carbon distribution in light Chernozem[J].Journalof Agro-EnvironmentScience,2017,36（5）:950-956.