張月鮮， 紅 梅， 溫 馨， 裴志福， 趙卉鑫， 陳 晨， 溫曉亮

(1.內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，呼和浩特 010011；2.內蒙古自治區(qū)土壤質量與養(yǎng)分資源重點實驗室，呼和浩特 010011；3.五原縣農牧業(yè)技術推廣中心，內蒙古 巴彥淖爾 015118)

我國鹽漬化土壤面積約3.6×10hm，集中分布在西北、華北、東北及沿海地區(qū)，是我國最主要的中低產土壤類型之一。其中，耕地中鹽漬化面積達9.2×10hm，占全國耕地面積的6.62%。內蒙古河套灌區(qū)是全國乃至亞洲最大的一首制大型自流灌區(qū)，引黃灌溉在對發(fā)展灌區(qū)農業(yè)生產發(fā)揮重要作用。由于長期大水漫灌，渠系水漏以及頻繁耕作，當?shù)赝寥来紊}漬化問題突出，土壤有機碳(SOC)淋失問題日益凸顯，導致土壤有機質含量普遍偏低，嚴重限制當?shù)剞r業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，提升河套灌區(qū)受鹽漬化影響的農田土壤質量、提高土壤有機碳庫容量及其穩(wěn)定性迫在眉睫。

通過添加外源有機物料可以改良鹽漬土基本理化性質，擴大活性碳庫容量，維持有機碳庫供需平衡。前人研究表明，施用有機物料可以加速鹽漬土中交換性鈉的淋失，降低土壤堿化度(ESP)和電導率()。此外，有機物料輸入還可以提高SOC和養(yǎng)分含量、酶和微生物活性，促進作物生長。郭軍玲等研究發(fā)現(xiàn)，牛糞和風化處理煤可以提高蘇打鹽化土易氧化態(tài)有機碳、輕組有機碳和可溶性有機碳在總有機碳中的占比；冀拯宇等研究表明，有機土壤改良劑可有效降低土壤全鹽量(TS)、鈉離子吸附比(SAR)和pH，同時增加SOC及其活性碳組分含量，提高土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)；Mandal等認為，鹽漬化破壞土壤結構主要是通過破壞團聚體以及分散土壤黏粒造成的。因此，降低鹽度和pH是改善鹽漬土的基本要求。

SOC是土壤的重要組成部分，直接影響著土壤的理化性狀，是衡量土壤肥力的重要指標。根據(jù)SOC的存在方式，可將SOC組分歸類為活性有機碳、慢性(緩效性)有機碳和惰性(穩(wěn)定性)有機碳。其中，活性碳組分轉化周期短、易被微生物分解利用，通常作為土壤碳循環(huán)及有效養(yǎng)分變化和周轉的敏感指標，可以指示SOC的早期變化?；钚蕴冀M分主要包括易氧化有機碳(EOC)、微生物量碳(MBC)、可溶性有機碳(DOC)和顆粒態(tài)碳(POC)。迄今為止，關于有機物料添加對鹽漬化土壤SOC及其活性碳組分的影響和作用機制尚無普適性的結論，相關方面的研究能夠為加速鹽漬化土壤改良、提高鹽漬化土壤固碳能力等措施的制定提供指導意見。本文以內蒙古河套灌區(qū)蘇打堿化土為研究對象，研究了生物炭、牛糞、玉米秸稈和羊糞4種有機物料添加對SOC(庫)、活性碳組分和部分化學性質的影響，以期為提升河套灌區(qū)鹽漬化土壤有機碳庫有效性和穩(wěn)定性、改善鹽漬化土壤質量提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點位于內蒙古巴彥淖爾市五原縣新公中鎮(zhèn)永聯(lián)村(40°46′30″—41°16′45″N，107°35′70″—108°37′50″E)，地處河套平原。該地區(qū)氣候屬于中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫6.1 ℃，無霜期126天左右，年均降水量170 mm，多集中在夏秋兩季。土壤類型為灌淤土，鹽漬化類型為蘇打氯化物鹽漬土，土壤質地以粉砂壤土為主。根據(jù)王遵親等的研究，供試土壤鹽漬化程度為輕度堿化。試驗前土壤基本理化性質：土壤容重()為1.52 g/cm，TS為0.77 g/kg，pH為9.19，為185.26 μS/cm，ESP為8.98%，SOC為7.37 g/kg，全氮(TN)為1.36 g/kg，速效磷(Av.P)為15.87 mg/kg，速效鉀(Av.K)為105.39 mg/kg。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗于2019年4月底開展，共設置5個處理：常規(guī)施肥(CK)、生物炭+常規(guī)施肥(BC)、牛糞+常規(guī)施肥(CD)、玉米秸稈+常規(guī)施肥(SW)和羊糞+常規(guī)施肥(GM)，每個處理重復3次，隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積為80 m，種植作物為玉米?；拾凑债?shù)剞r民常規(guī)用量施用，分別為尿素(46% N)900 kg/hm，過磷酸鈣(16% PO)600 kg/hm，硫酸鉀(50% KO)150 kg/hm。各有機物添加量按照玉米秸稈全量還田(9.0 t/hm)換算后，以等有機碳量(3.4 t/(hm·a))方式施用。試驗中用到的生物炭購自遼寧金和福農業(yè)開發(fā)有公司，由玉米秸桿在缺氧條件下燒制8 h而成；牛糞和羊糞購自當?shù)剞r場，充分腐熟后施用；秸稈來源于上季玉米收獲后粉碎至2～3 cm左右施用。各有機物料基本性質見表1。

表1 供試有機物料基本性質及施用量

2019年種植玉米前，將有機物料(CK除外)和基肥(過磷酸鈣和硫酸鉀)人工均勻撒施于地表，借助旋耕機將其耕翻至土壤中。尿素于6月中下旬第1次灌水時施用。玉米于4月底播種，10月初收獲，種植品種為“新玉12”，覆膜后人工點播種植。生育期內以漫灌方式灌溉2次。各處理除施用有機物料種類不同外，其他田間管理措施均一致。

1.3 樣品采集與分析

2019年和2020年10月玉米收獲時，按照“S”形在每個小區(qū)內選取5個采樣點，分別用土鉆采集0—30 cm土層的土壤后均勻混合為1個樣品。每個樣品分為2份：一份風干后過0.25 mm篩用于測定SOC等常規(guī)指標；另一份樣品于4 ℃冰箱中冷藏保存用于測定活性碳組分等指標。

pH和分別采用實驗室酸度計法(pH計STARTER 2100)和電導儀法(電導率儀STARTER 3100C)測定，水土比為2.5∶1浸提后測定浸提液；采用原子吸收法測定ESP；分別采用3，5—二硝基水楊酸比色法和高錳酸鉀滴定法測定蔗糖酶和過氧化氫酶活性；采用重鉻酸鉀—濃硫酸處加熱氧化法測定SOC；采用輕度堿性(0.1 mol/L CaCl)稀釋(0.02 mol/L)KMnO溶液氧化法測定EOC含量；MBC和DOC分別在氯仿熏蒸和KSO提取浸提液后，用總有機碳分析儀分析測定；采用六偏磷酸鈉分散-重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法測定POC含量。具體方法參照文獻[12-13]。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

有機碳儲量SOC=SOC×××01

式中：SOC為0—30 cm深度的土壤有機碳儲量(t/hm)；SOC為土壤有機碳含量(g/kg)；為0—30 cm土層土壤容重(g/cm)；為土層厚度(cm)；0.1為換算系數(shù)。

土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)指土壤碳庫指數(shù)與碳庫活度指數(shù)的乘積，從土壤有機質數(shù)量和活性2方面反映了土壤管理措施對土壤有機質的影響。采用Blair等提出的方法計算，選取不添加有機物處理(CK)作為參照土壤，計算方法為：

土壤碳庫管理指數(shù)CPMI=CPI××100

式中：CPI為碳庫指數(shù)，指樣品土壤與參考土壤總有機質含量的比值。

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品土壤總有機質含量(g/kg)/參照土壤總有機質含量(g/kg)

為土壤碳庫的活度指數(shù)，指樣品土壤與參考土壤碳庫活度的比值。

活度指數(shù)()=樣品土壤碳庫活度()/對照土壤碳庫活度()

碳庫活度()用來表征土壤碳的不穩(wěn)定性，指土壤中的不同活性組分有機質與該活性對應的非活性有機質的比值。

碳庫活度()=樣品土壤活性有機質含量/樣品土壤非活性有機質含量

試驗以CK處理土壤為參考土壤計算CPMI，CPMI計算的數(shù)據(jù)分別來自2019年和2020年10月采集土壤樣品分析測定數(shù)據(jù)。

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，用Microsoft Excel 2007和Canoco 5軟件繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 不同有機物料添加對玉米產量的影響

由圖1可知，2019年GM處理下玉米產量為9.43 t/hm，較CK顯著增加了25.3%(<0.05)，其余處理與CK相比無顯著差異。2020年，BC處理較CK處理顯著下降16.0%(<0.05)，其余處理間無顯著差異。可見，對于堿化土壤而言，添加有機物料在短期內未能對玉米產量產生明顯增產效應。

注：圖柱上方不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同有機物料添加對堿化土壤有機碳庫的影響

2.2.1 有機碳含量與儲量 由圖2可知，2019年BC和CD處理下SOC較CK分別顯著增加25.4%和23.7%，2020年BC，CD和GM處理下SOC分別增加30.9%，19.6%和25.6%(<0.05)，SW處理下SOC無顯著變化。可見，短期內生物炭、牛糞和羊糞添加可顯著提高堿化土壤有機碳含量。

2019年，CK處理下土壤有機碳儲量為26.1 t/hm，4種有機物料添加不同程度提高了土壤有機碳儲量，提高幅度為21.3%～25.7%(<0.05)。2020年，與CK相比SW處理下土壤有機碳儲量無明顯變化，BC、CD和GM處理下土壤有機碳儲量分別增加33.8%，22.4%和25.7%(<0.05)，平均增幅高于2019年，不同有機物料添加處理下土壤有機碳儲量大小排序為BC>GM>CD>CK>SW。由表4可知，試驗期內不同有機物料對土壤BD未產生顯著影響。因此，短期內堿化土壤有機碳儲量主要取決于SOC變化程度。

圖2 不同有機物料添加處理下SOC和SOCs變化

2.2.2 活性有機碳組分 不同有機物料添加對土壤活性有機碳組分EOC、MBC、DOC和POC的影響見表2。2019年，各處理下EOC含量分別為4.16～5.49 g/kg，其中，CD和GM處理下EOC含量較CK分別顯著提高29.6%和31.9%，SW處理下EOC含量顯著降低18.5%(<0.05)。2020年，CD和GM處理下EOC含量較CK分別提高55.5%和41.5%(<0.05)，與2019年相比增幅較高，其余處理間無顯著差異。

表2 不同有機物料添加處理下土壤活性碳組分變化

有機物料添加不同程度提高了土壤MBC含量，2019年各處理MBC含量變化范圍為40.75～117.73 mg/kg，2020年各有機物料添加處理下MBC含量變化范圍為40.06～90.93 mg/kg。2019年，除BC處理外，其余有機物料處理下MBC含量顯著增加59.2%～189.2%，增幅排序為GM>CD>SW。2020年各有機物料處理下MBC含量增幅57.7%～127.3%，增幅排序為GM>CD>BC>SW。

總體來看，有機物料添加對堿化土壤DOC含量無顯著影響。2019年各處理下DOC含量變化范圍為40.35～54.02 mg/kg，其中，BC處理顯著低于CK處理(<0.05)，其余處理間無顯著差異。2020年，各有機物料添加處理下DOC含量與CK之間無顯著差異(>0.05)。

2020年各有機物料添加處理下POC含量整體高于2019年。2019年，CD和GM處理下POC含量較CK分別顯著提高了108.5%和65.7%，2020年BC、CD和GM處理較CK分別提高了69.0%，159.5%和121.4%(<0.05)，其中CD處理下POC含量增幅最高。

2.2.3 碳庫管理指數(shù) 碳庫管理指數(shù)(CPMI)通常用來反映土壤肥力和生產潛力。由表3可知，2019年和2020年不同有機物料添加處理下CPMI指數(shù)均顯著高于CK(<0.05)，且2020年CPMI整體高于2019年各處理。2019年各有機物料添加處理CPMI較CK增幅分別為53.8%，78.7%，72.3%和108.3%，增幅排序為GM>CD>SW>BC。2020年各有機物料添加處理CPMI較CK增幅分別為71.3%，154.5%，75.5%和144.1%，增幅排序為CD>GM>SW>BC，可見牛糞和羊糞較玉米秸桿和生物炭對堿化土壤CPMI提升作用更為明顯。

表3 不同有機物料添加處理下土壤碳庫管理指數(shù)

2.3 不同有機物料添加對土壤理化性質的影響

由表4可知，短期內各有機物料添加處理下土壤容重無明顯變化(>0.05)。2020年不同處理下土壤各項化學性質指標變化較2019年更為顯著。其中，CD和GM處理下土壤TN含量較CK分別顯著增加38.0%和30.0%。SW處理下Av.P含量較CK顯著降低34.7%，CD處理下Av.K含量較CK顯著增加了16.1%(<0.05)。2019年各處理間土壤pH無顯著差異；2020年，各有機物添加處理下pH較CK分別顯著下降0.38，0.21，0.24和0.27個單位(<0.05)，大小排序為CK>CD>SW>GM>BC。2020年BC處理下EC較CK下降36.3%，SW處理較CK增加29.1%(<0.05)，其余處理間無顯著差異。BC和CD處理下ESP分別下降36.9%和29.3%(<0.05)，其余處理間無顯著差異。

2019年各有機物料添加處理下蔗糖酶活性提高16.7%～46.8%，其中CD處理提高幅度最大。2020年BC和SW處理下蔗糖酶活性較CK分別降低28.5%和14.1%，CD和GM處理下分別提高36.7%和10.5%。2019年各處理間過氧化氫酶活性無顯著差異，2020年BC處理較CK顯著降低16.3%(<0.05)，其余處理較CK無顯著變化。

表4 不同有機物料添加處理下土壤基本性質

2.4 土壤有機碳、活性碳組分與主要化學性質之間的關系

對SOC及其活性組分、土壤主要化學性質指標進行相關性分析，由表5可知，SOC與MBC，POC和蔗糖酶之間為顯著正相關關系(<0.05)，與和ESP均為顯著負相關關系(<0.05)；EOC與MBC、POC、和蔗糖酶為顯著正相關關系(<0.05)；pH和ESP為顯著正相關關系(<0.05)。說明SOC與活性有機碳組分之間相互作用，在土壤鹽堿化過程中各化學性質相互影響。

表5 土壤有機碳及其活性組分與土壤化學性質之間的相關分析

本研究對土壤主要鹽堿指標、SOC及其活性碳組分進行了主成分分析。由圖3可知，第1排序軸和第2排序軸對方差的貢獻率分別為52.44%和31.32%，累積貢獻率為83.76%，因此前2個排序軸可以較好地概括該組數(shù)據(jù)。不同有機物料添加處理與SOC及其活性組分、鹽堿指標的關系在圖3中分布差異較為明顯。其中，BC、CD和GM處理相比CK促進了SOC及其活性組分的積累，BC處理在降低和ESP等鹽堿化指標方面具有明顯優(yōu)勢。對第2排序軸貢獻率較大的主要因素為SOC、EOC、MBC、和ESP，其中SOC與MBC和EOC為相互促進轉化關系，和ESP等鹽堿化指標與SOC及其活性組分之間為負向作用關系。

圖3 SOC及其活性碳組分與土壤鹽堿指標之間的主成分分析(PCA)

3 討 論

3.1 有機物料添加對堿化土壤有機碳庫的影響

農田SOC的固存主要取決于有機肥、田間生物殘體等外源有機物料投入與土壤有機質的礦化和淋溶等形式損失之間的動態(tài)平衡，而外源有機物的輸入是SOC含量和固碳效應提高的重要途徑之一。通常來講，鹽漬土地上生物量低，導致土壤有機質投入少，SOC含量較低，因此向鹽漬土輸入有機物料提高SOC(庫)更具必要性。本研究表明，連續(xù)2年施用生物炭，牛糞和羊糞可顯著提高堿化土壤SOC含量，這與郭軍玲等、Zheng等的研究結果相似。已有研究表明，首先，生物炭富含穩(wěn)定的多碳芳香族結構，難以被微生物降解利用，因此能夠長期穩(wěn)定存在土壤中；其次，生物炭可通過多價陽離子橋連作用增強黏土顆粒與土壤有機質的結合，從而促進微團聚體形成，利于有機質在鹽漬土中的累積；最后，生物炭可以減弱SOC的礦化作用，從而減少有機碳的損失。牛糞和羊糞可以顯著提高堿化土壤SOC含量，這可能是由于這2種肥料經過充分腐熟后為土壤提供大量活性物質，利于微生物的利用從而提高碳的轉化和固存。SW處理下SOC無明顯變化，這可能是由于玉米秸稈種含有大量纖維素和木質素等較難分解的大分子有機物質，因此，短期內難以對土壤有機碳庫發(fā)揮明顯的提升作用?？梢?，不同外源有機物化學組成和結構性質差異導致有機碳在土壤中的分解速率差別很大。趙惠麗等認為，維持SOC平衡所需的有機殘體投入受土壤性質、種植制度和氣候條件等的影響。因此，利于鹽漬土固碳的有機物料種類及其添加方式仍需進一步探究。

在農田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤活性有機碳組分對氣候和外界條件反應敏感，在土壤碳循環(huán)和固定中起著至關重要的作用。本研究表明，不同有機物料添加處理下各土壤活性碳組分含量均高于對照，與郭軍玲等、王改玲等研究結果一致。其中，CD和GM處理下EOC和MBC增幅高于BC和SW，這可能是由于本研究中用到的牛糞和羊糞都經過腐熟，含有較多活性碳組分，且糞肥中存在大量微生物，進一步提高了土壤中有機物的分解和轉化效率。POC是土壤中與砂粒(>53 μm)結合的有機碳，是新鮮動植物殘體向穩(wěn)定碳庫轉化的過渡階段，可指示SOC長期積累的趨勢。本研究中，4種有機物料添加不同程度增加了POC含量，故從長遠來看，通過有機物料添加的方式可以促進SOC在堿化土壤中的固存和積累。

碳庫管理指數(shù)(CPMI)能夠敏感、系統(tǒng)表征施肥對土壤質量的影響，通常CPMI值大于100則認為該管理方式是可持續(xù)的。本研究結果顯示，添加有機物料后堿化土壤CPMI值顯著提高，說明有機物料添加可以改善土壤質量。其中CD和GM處理下增幅最高，與于維水等的研究結果一致。這一方面是由于糞肥中含有大量養(yǎng)分及高活性有機碳；另一方面，施用有機肥會促進原有SOC的轉化，提升碳庫活躍程度。相比之下，BC和SW處理CPMI值增幅較小，這可能是由于生物炭和秸稈提供的碳源相對較為穩(wěn)定且不易被微生物分解利用，對提高土壤有機質的質量相對較慢，加之與土壤的C∶N∶P比不同，從而影響了有機肥和土壤中原有有機質的礦化。

3.2 有機物料添加對堿化土壤化學性質的影響

堿化土壤形成過程中，土壤膠體吸收較多交換性鈉，呈現(xiàn)強堿性反應，遇水后通過離子交換或者陽離子橋作用，多價陽離子往往被Na代替，而Na可以離散土壤團聚體，加快SOC的礦化分解。因此鹽堿地改良的首要目的和基本要求是降低土壤pH和含鹽量，尤其是有害離子Na含量。本研究表明，施用有機物料可明顯降低堿化土壤ESP等堿化指標，其中生物炭處理效果最好，牛糞次之。已有研究表明，生物炭中含有大量陽離子同時具有較強的吸附作用，可以置換土壤膠體上的Na，在降低土壤ESP的同時調節(jié)土壤pH。而牛糞添加可促進土壤微生物和動物活性，加速有機物質的分解和周轉速率，分解產生穩(wěn)定的腐殖酸對土壤酸堿度產生調控作用。秸稈因含有大量難分解成分如纖維素、半纖維素和木質素等，因此在降低土壤pH和調控鹽基離子含量方面效果稍差。

前人研究表明，施用有機肥可以提高土壤養(yǎng)分含量，有效提升土壤肥力。本研究結果顯示，施用牛糞和羊糞可顯著提升土壤養(yǎng)分含量，其中CD處理下土壤TN和Av.K含量較CK分別提高8.8%和45.2%，GM處理下全氮含量提高29.6%(<0.05)，與丁闊等研究結果一致。作物生長所需養(yǎng)分并非單純依靠土壤本身供給，而是依賴于有機肥施入后土壤環(huán)境和酶活性改變引起的土壤轉化速率。而鹽堿地由于高鹽分或者堿性環(huán)境對植物的毒害作用，無法維持大量的植被覆蓋，故難以保證對土壤足夠的有機質輸入。因此，倡導推廣秸稈還田、有機肥資源化利用，對于提升鹽漬土壤質量具有重要意義。

土壤酶直接參與土壤中物質的轉化、養(yǎng)分釋放和固定過程，可以調節(jié)土壤與作物之間的營養(yǎng)流動。蔗糖酶和過氧化氫酶是最常用的土壤酶活性指標。蔗糖酶是參與土壤碳循環(huán)轉化的關鍵酶之一，過氧化氫酶廣泛存在于生物體內，有助于催化過氧化氫分解，減輕其對生物體的毒害作用。本研究中，CD和GM處理下蔗糖酶活性顯著增加(<0.05)，而各有機物料添加對堿化土壤過氧化氫酶無顯著影響，這與鄧歐平等研究結果不盡相同。造成此差異的原因可能是因為本試驗中供試土壤為堿化土壤，低SOC含量、高pH、通透性差的條件下土壤酶活性總體偏低?？梢娛┓蕦γ富钚缘挠绊懸蛲寥罈l件、作物種類和肥料類型與用量不同而差異明顯。

3.3 堿化土壤SOC、活性碳組分與土壤基本化學性質之間的關系

本研究中，SOC、MBC、POC和蔗糖酶之間存在顯著正相關關系(<0.05)，生物炭、牛糞和羊糞添加對SOC及其活性組分具有明顯促進作用，可知這3種有機物料添加可以擴大土壤活性有機碳庫容量，增加土壤中蔗糖酶的活性，從而促進碳的轉化和固存。同時，ESP和等鹽堿指標是限制堿化土壤SOC固存和提升的主要因素，生物炭在降低堿化土壤ESP和方面作用明顯，這可能是由于生物炭中含有大量Ca和Mg，可以置換土壤膠體上的Na，促進鹽分淋洗。

4 結 論

在常規(guī)施肥基礎上，施用生物炭、牛糞、玉米秸桿和羊糞均可增加堿化土壤0—30 cm有機碳含量及儲量，提高EOC、MBC、POC等土壤活性有機碳組分含量，且可在一定程度上改良堿化土壤化學性質。綜合分析認為，施用牛糞和羊糞可顯著提升蘇打堿化土有機碳庫活性及容量，生物炭對蘇打堿化土改良效果最佳。主成分分析結果顯示，ESP、等與SOC及其活性組分呈負向作用關系，表明ESP等鹽堿化指標是限制堿化土壤SOC提升的主要因素。