溫 馨，紅 梅，2，張月鮮，裴志福，趙卉鑫，陳 晨

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

土地鹽堿化不僅使生態(tài)環(huán)境惡化，而且成為農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的巨大障礙。我國北方鹽堿化農(nóng)田分布較廣，正確治理改造及合理開發(fā)利用鹽堿地資源，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。而有機碳是土壤的重要組成部分，直接影響土壤的理化性狀，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[1]。目前，我國耕地中低等地占耕地總面積的2/3 以上，而且這些耕地的耕層土壤平均有機質(zhì)含量僅為10 g/kg，而鹽堿化土壤有機質(zhì)含量更低，與歐盟和美國25～40 g/kg 的耕地土壤有機質(zhì)對比相差很大，耕地質(zhì)量總體偏低[2]。內(nèi)蒙古是我國13 個糧食主產(chǎn)區(qū)之一，但全區(qū)耕地質(zhì)量較差，中低產(chǎn)田面積共604.1 萬hm2，占耕地面積的84.4%[3]。隨著土壤有機碳含量的逐漸降低（年均降低0.3%），降低土壤鹽堿度、提高土壤有機碳含量、增加土壤保水保肥能力成為內(nèi)蒙古糧食增產(chǎn)的重要目標(biāo)。

農(nóng)作物秸稈是一種寶貴的自然資源，而生物炭是一種富碳類物質(zhì)，在培肥改土、提高產(chǎn)量等方面都有較顯著的成效[4-5]，同時羊糞與牛糞作為有機肥料，施用在貧瘠的土壤中具有肥效快、肥力足的優(yōu)點[6]。有機物添加對土壤理化性質(zhì)與產(chǎn)量的影響研究表明，施用有機物可有效降低鹽堿化土壤pH值，增加土壤有機碳含量，改善土壤結(jié)構(gòu)及提高作物產(chǎn)量[7-8]。高惠敏等[9]研究河套灌區(qū)施用不同改良劑對鹽堿土壤的影響結(jié)果表明，農(nóng)家肥及生物炭的施用均可提高作物產(chǎn)量，同時降低土壤pH 值。何瑞成等[10]研究表明，施用秸稈、牧草和羊糞會使土壤有機質(zhì)含量顯著上升，水稻產(chǎn)量顯著提高。馬桂秀等[11]在鹽堿耕地上進行有機物與化肥配合改良的試驗表明，在等氮量投入條件下，施用牛糞加化肥處理的土壤有機質(zhì)含量顯著提高，冬小麥產(chǎn)量增加68%。由此可見，秸稈、農(nóng)家肥、生物炭等不同有機物對鹽堿化土壤的改善和土壤碳庫的補充有不同程度成效。

河套灌區(qū)是我國重要商品糧產(chǎn)出地之一，但因不合理灌溉導(dǎo)致的土壤次生鹽堿化制約了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。巴彥淖爾市現(xiàn)有32.3 萬hm2土地存在著不同程度的次生鹽堿化，占總耕地面積的45.1%[12]，而鹽堿化土壤在農(nóng)業(yè)上一直得不到充分利用。從已有研究來看，不同外源有機物的添加能不同程度改善鹽堿化土壤的理化性質(zhì)，但目前的添加方式主要側(cè)重于單一有機物添加[13-15]。因此，本研究用等有機碳量的方式添加不同有機物，對河套灌區(qū)堿化土壤理化性質(zhì)與有機碳庫的影響進行分析，旨在揭示不同有機物對堿化土壤理化性質(zhì)改善的變化特征，為今后鹽堿化土壤改良及有機物合理資源化利用提供理論依據(jù)及可行性建議。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況與試驗設(shè)計

試驗地位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣永利鄉(xiāng)，該地區(qū)屬中溫帶大陸性氣候，四季分明，年均氣溫8.1 ℃，≥10 ℃積溫3 392 ℃，無霜期125 d 左右，屬于河套灌區(qū)，降水量較少且蒸發(fā)量大；土壤以粉沙壤土為主要類型，屬輕度堿化土，基本理化性質(zhì)為全氮含量0.45 g/kg、有機碳含量7.87 g/kg、速效磷含量15.87 mg/kg、速效鉀含量105.39 mg/kg，電導(dǎo)率185.26 μs/cm，pH 值9.19，堿化度8.98%。

試驗于2019年4月—2020年10月開展，共5 個處理，4 次重復(fù)，小區(qū)面積80 m2，采用隨機區(qū)組分布，施肥處理與用量見表1。有機物添加均以玉米秸稈全量還田（10 500 kg/hm2）為基準(zhǔn)，即等有機碳量為2 400 kg/hm2，有機物基本理化性質(zhì)見表2。4月底播種前，將4 種有機物和基肥（過磷酸鈣和硫酸鉀一次性施入）人工均勻撒施于地表，借助旋耕機將其耕翻至土壤中。種植完畢進行第1 次灌水，尿素于6月末第2 次灌水施入，8月末第3 次灌水。

表1 施肥處理與用量

表2 有機物基本理化性質(zhì)

1.2 樣品的采集與制備

2020年玉米收獲后采集土壤樣品，取0～30 cm和30～60 cm 土層。每個小區(qū)按五點取樣法取樣；用100 cm3環(huán)刀采集土壤容重樣品；用硬質(zhì)飯盒取0～30 cm 耕層原狀土壤保存用于測定水穩(wěn)性團聚體。地上生物量與玉米產(chǎn)量的測定采用面積估算法，即每個小區(qū)隨機選取長勢均勻的兩行玉米，植株與玉米全部帶回實驗室將植株整體烘干稱重。

1.3 土壤基本化學(xué)性質(zhì)測定

根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》[16]的標(biāo)準(zhǔn)方法進行分析測定，有機碳（SOC）用重鉻酸鉀外加熱法測定：0.8 mol/L 1/6 K2Cr2O7-H2SO4（1∶1）170～180 ℃煮沸5 min，用硫酸亞鐵滴定。土壤全氮（TN）用凱氏定氮法測定：濃硫酸消化后，堿化蒸餾出來的氨用硼酸吸收，以標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定，求土壤全氮含量。速效磷（Av.P）用NaHCO3浸提法測定：0.5 mol/L 的NaHCO3溶液浸提出的樣品，用鉬銻抗試劑顯色，在紫外分光光度計上比色測定。速效鉀（Av.K）用火焰光度計法測定：醋酸銨浸出液用火焰光度計直接測定。pH 值以1∶2.5 的土水體積比在pH 計上測定。電導(dǎo)率（EC）以1∶5 的土水體積比在電導(dǎo)率儀上測定。陽離子交換量（CEC）與交換性鈉采用乙酸鈉法測定：乙酸鈉浸出液用火焰光度計直接測定。堿化度（ESP）為交換性鈉與交換性陽離子的比值。使用2、0.25、0.053 mm套篩，進行水穩(wěn)性團聚體的測定。土壤容重（Bd）與土壤容積含水量（Vmc）的測定：將野外環(huán)刀取樣帶回，烘干稱重。

單位面積土壤碳儲量即土壤碳密度（DOC）=SOC×γ×Hi×10-1

式中，DOC為碳密度（t/hm2）；SOC為有機碳含量（g/kg）；γ 為平均容重（g/cm3）；Hi為土層厚度（cm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2020 軟件進行數(shù)據(jù)整理、計算和圖表制作；采用SPSS 19.0 軟件進行主成分分析，Duncan′s 法進行各處理間的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機物添加對堿化土壤鹽堿性的影響

由表3 可知，各處理土壤鹽堿性0～30 cm 與30～60 cm 規(guī)律基本一致。在0～30 cm 土層中，BC 處理土壤pH 值、EC、CEC 和ESP 最低，分別較CK 降低4.4%、36.3%、20.3%和0.4%；SW 處理EC 最大，較CK 增加29.1%。在30～60 cm 土層中，BC 處理土壤pH 值、CEC 和ESP 最低，較CK 降低2.3%、17.1%和29.1%；SW 處理土壤EC 最大，較CK 增加81.2%。

表3 有機物添加對不同深度堿化土壤鹽堿性的影響

2.2 有機物添加對堿化土壤養(yǎng)分的影響

由表4 可知，各處理0～30 cm 與30～60 cm 土層土壤養(yǎng)分規(guī)律基本一致。在0～30 cm 土層中，BC 處理土壤Av.K 最低，較CK 降低22.2%；CD 處理土壤SOC、Av.K、TN 較CK 增加47.5%、45.2%和38.0%；GM 處理土壤Av.P、TN 較高，較CK 增加13.7%、30.0%；SW 處理土壤Av.P 最低，較CK 降低27.7%。在30～60 cm 土層中，BC 處理土壤SOC、Av.P、Av.K 和TN 最低，較CK 降低37.2%、5.2%、8.1%和24.4%；CD 處理土壤SOC、Av.K、Av.P 最高，較CK 增加4.1%、35.6%和41.7%；GM 處理土壤Av.P、TN 較高，較CK 增加39.1%、20.0%。

表4 有機物添加對不同深度堿化土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3 有機物添加對堿化土壤物理性質(zhì)的影響

由圖1 可知，各處理土壤水穩(wěn)性團聚體回收率均達90%以上。＞2 mm 水穩(wěn)性團聚體中，CD、GM、SW 處理與CK 處理存在顯著差異（P＜0.05），較CK增加158.05%、357.45%、77.62%；0.25～2 mm 水穩(wěn)性團聚體中，CD、SW 處理與CK 存在顯著差異（P＜0.05），較CK 增加81.51%、83.01%；0.053～0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體中，CD、GM 處理與CK 處理存在顯著差異（P＜0.05），較CK 減少28.42%、45.65%；＜0.053 mm水穩(wěn)性團聚體中，有機物處理均與CK 存在顯著差異（P＜0.05），BC、CD、GM、SW 較CK 減少9.99%、20.66%、39.49%、19.25%。

圖1 有機物添加對0～30 cm 堿化土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

由圖2 可知，在0～30 cm 土層中BC 與GM 處理土壤容積含水量與CK 存在顯著差異（P＜0.05），較CK 降低14.90%和20.18%，而30～60 cm 土層中CD、GM 和SW 處理的容積含水量較CK 顯著（P＜0.05）增加22.01%、18.58%和17.08%。

圖2 有機物添加對不同土層堿化土壤容積含水量的影響

2.4 堿化土壤0～30 cm 土層理化性質(zhì)的典型性相關(guān)分析

由表5 可知，在0～30 cm 土層中，土壤有機碳的含量與土壤堿化度呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤速效鉀、土壤容重呈顯著正相關(guān)。土壤速效磷與土壤中0.25～0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈顯著負(fù)相關(guān)，與＞2 mm水穩(wěn)性團聚體呈極顯著正相關(guān)，與＜0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤速效鉀與土壤中0.25～0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈顯著正相關(guān)，與0.25～0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤全氮與＞2 mm 水穩(wěn)性團聚體呈顯著正相關(guān)，與0.25～0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤pH 值與土壤電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)，與土壤陽離子交換量和土壤堿化度呈顯著正相關(guān)。土壤電導(dǎo)率與土壤容積含水量呈極顯著正相關(guān)，與土壤堿化度和土壤中＜0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈顯著正相關(guān)。土壤陽離子交換量與土壤中＞2 mm 水穩(wěn)性團聚體呈顯著正相關(guān)，與0.25～0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤中＞2 mm 水穩(wěn)性團聚體與0.25～0.053 mm和＜0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)。0.25～0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體與＜0.053 mm 水穩(wěn)性團聚體呈極顯著正相關(guān)。

表5 堿化土壤0～30 cm 土層理化性質(zhì)典型性相關(guān)分析

2.5 有機物添加對堿化土壤有機碳密度的影響

由圖3 可知，土層深度在0～30 cm 時，CD 處理土壤有機碳密度最大，其次是BC 處理，較CK 分別提高52.4%和30.9%，其余有機物處理與CK 不存在顯著差異（P＞0.05）。土層深度在30～60 cm 時，CD 處理和CK與BC 處理和GM 處理存在顯著差異（P＜0.05），BC 和GM 較CK 降低39.9%和34.3%。

圖3 有機物添加對不同土層堿化土壤有機碳密度的影響

2.6 土壤有機碳密度與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

逐步回歸分析能夠篩選并剔除引起多重共線性影響的變量，最后保留對因變量貢獻率最大的解釋變量。本研究通過逐步回歸分析方法選出對土壤有機碳密度影響呈顯著相關(guān)的指標(biāo)。由表6 可知，土壤速效鉀對0～30 cm 土層有機碳密度呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，說明土壤速效鉀對土壤有機碳密度影響最大；在30～60 cm 土層中，土壤有機碳密度與土壤pH 值呈顯著線性相關(guān)關(guān)系。

表6 土壤有機碳密度與土壤Av.K、pH 值的逐步回歸分析

2.7 有機物添加對玉米產(chǎn)量的影響

由圖4 可知，除BC 處理外，有機物添加處理均高于CK，其中GM 和SW 處理的玉米地上生物量與CK存在顯著差異（P＜0.05），較CK 提高19.9%和13.3%。CD、SW、GM 處理的玉米產(chǎn)量與BC 處理存在顯著差異（P＜0.05），與CK 不存在顯著差異（P＞0.05），CD、SW、GM 處理分別較BC 處理提高14.8%、13.6%、13.1%。由此可知，以秸稈為基準(zhǔn)，等有機碳添加量為2 400 kg/hm2時，牛糞處理地上生物量與作物產(chǎn)量最優(yōu)。

圖4 不同處理下玉米地上生物量和玉米產(chǎn)量

3 討論

3.1 有機物添加對土壤理化性質(zhì)的影響

堿化土壤的形成過程是指土壤膠體吸收較多的交換性鈉，使土壤呈強堿性反應(yīng)，并引起土壤物理性質(zhì)惡化。堿化土壤的形成往往與脫鹽過程相伴發(fā)生，但脫鹽不是形成堿土的根本原因[17]。在干濕交替的環(huán)境下，鈉鹽在土壤剖面中總是趨于向表層集中，鈣、鎂則向下淋淀，所以土壤表層中的鈉鹽就會逐漸占絕對優(yōu)勢，致使堿化過程得以進行[18]，而漫灌是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要的灌溉方式，大水過量灌溉將土壤交換性鈣、鎂向下淋，使表層土壤吸附較多的交換性鈉，從而發(fā)生堿化[19]。秸稈的還田，增加了土壤底物濃度，會促進土壤微生物以及土壤動物活性增加，從而將有機物分解轉(zhuǎn)化成CO2、H2O、礦物質(zhì)和穩(wěn)定的腐殖酸[20]，牛糞與羊糞經(jīng)農(nóng)家堆肥、腐熟后，有機物分解產(chǎn)生的大分子生成腐殖酸[21]，土壤中腐殖酸的增加會中和土壤的pH 值，從而使土壤pH值降低，而生物炭自身的灰分元素大多呈可溶態(tài)，施入土壤釋放后交換土壤中的Al3+和H+，降低其濃度，提高鹽基飽和度，調(diào)節(jié)土壤pH 值[22]。該結(jié)果與本研究結(jié)果一致，進一步證實了有機物的添加能降低土壤的pH 值。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要基礎(chǔ)，也是農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，而土壤中的氮、磷、鉀則是土壤肥力衡量的重要指標(biāo)[23]。秸稈、生物炭以及畜禽糞尿含有較高的養(yǎng)分資源，還田是該資源高效循環(huán)利用的途徑之一。本研究結(jié)果表明，牛糞和羊糞可顯著提高土壤養(yǎng)分，0～30 cm 土層中牛糞處理速效鉀和全氮含量提高45.2%和8.8%（P＜0.05），羊糞處理全氮含量提高29.6%（P＜0.05），30～60 cm 土層中牛糞處理速效磷和速效鉀含量提高35.6%和41.7%，羊糞處理速效磷和速效鉀含量提高39.1%和32.1%，這與郭潔[24]、呼生春等[25]研究結(jié)果一致。有研究表明，土壤養(yǎng)分的積累并非單純依靠土壤養(yǎng)分，而且依賴有機肥施入后土壤非環(huán)境和土壤酶活性改變引起的土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速率[26-27]，本試驗中不同土層氮、磷、鉀含量隨土層深度的深入而降低，可能與不同土層土壤酶活性和微生物等的活動有關(guān)。

土壤中＞0.25 mm 大團聚體含量的高低能夠很好地反映土壤保水保肥能力的強弱[28]，促進大團聚體的形成有助于增強土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和固碳能力[29]。SIX 等[30]提出團聚體的穩(wěn)定性及其周轉(zhuǎn)在很大程度上與添加到土壤中的有機物數(shù)量和質(zhì)量相關(guān)，表現(xiàn)為農(nóng)田土壤中有較多的自由微團聚體及黏粒，當(dāng)外源有機物加入后，土壤有機質(zhì)的增加一方面會驅(qū)動微團聚體向大團聚體結(jié)合，另一方面會降低大團聚體周轉(zhuǎn)、促進團聚體穩(wěn)定。本研究結(jié)果中有機物的添加增加了土壤水穩(wěn)性團聚體，牛糞對＞2 mm 和0.25～2 mm 的水穩(wěn)性團聚體增加顯著，符合上述理論，從而進一步證明在堿化土壤中，有機物的添加會促使水穩(wěn)性團聚體的形成，多質(zhì)量的有機物添加更加促進水穩(wěn)性團聚體的形成。

3.2 有機物添加對土壤碳庫的影響

堿化土通氣、透水性差，具有較高的土壤pH 值和堿化度，使得有機碳分解加快，不利于土壤有機碳的累積與儲存，從而降低了土壤有機碳庫的儲量[31]。土壤有機碳庫在土壤肥力維持與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要作用[32]。不同的有機物質(zhì)具有不同的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，對土壤有機碳庫的影響也不同。有機碳含量是土壤碳庫的重要組成部分，直接影響土壤的生物、物理和化學(xué)性質(zhì)，也是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[33]。有研究表明，長期秸稈和生物炭還田可提高土壤有機碳含量，而有機肥作為農(nóng)家常用肥料具有豐富的有機質(zhì)和作物需要的各種營養(yǎng)元素，對增加作物產(chǎn)量和提高土壤肥力具有良好的作用[34-35]。本研究選用生物炭、牛糞、羊糞和玉米秸稈4種有機物，以玉米秸稈全量還田含有的有機碳為標(biāo)準(zhǔn)（2 400 kg/hm2）進行添加，結(jié)果表明，各有機物添加均增加了土壤有機碳含量。KEITH 等[36]研究認(rèn)為，土壤有機碳固持能力可能隨著原土壤有機碳含量增加而增加；而KIRKBY 等[37]則研究發(fā)現(xiàn)，初始土壤有機碳含量越高，產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)（priming effect，PE）會越強烈，土壤有機碳固持效率越低。本研究結(jié)果表明，有機物僅顯著提高了堿化土壤0～30 cm 土層的土壤有機碳密度（P＜0.05），這與李偉群等[38]的研究結(jié)果一致，原因可能是由于有機物質(zhì)為表土添加，且為每年當(dāng)季添加，所以僅增加了堿化土壤的耕層土壤有機碳[39]，而下層土壤并未受到耕種的擾動，同時表層有機碳向下移動緩慢，所以并未增加下層土壤的有機碳密度。但同為2 400 kg/hm2有機碳添加，牛糞處理對土壤有機碳密度的增幅高達52.4%，可能的原因有二：其一為牛糞為腐熟后添加，有利于對土壤有機碳庫的補充；其二為牛糞的有機碳含量最低，所以添加的質(zhì)量最高，增加了土壤與有機物的接觸，且更為均勻，即有機物含碳量的多少也決定土壤有機碳的固持能力。

4 結(jié)論

不同有機物對河套灌區(qū)輕度堿化土壤的性質(zhì)發(fā)揮著不同程度的作用，隨著添加年限的累積，土壤有機碳庫得到補充，堿化程度進一步降低。施用生物炭增加土壤有機碳的同時對土壤鹽堿性改良的效果較好，牛糞和羊糞的施用對土壤物理特性及土壤養(yǎng)分的補充效果較好，而牛糞實際施用成本及施用對土壤理化性質(zhì)、有機碳庫和作物產(chǎn)量的改善、補充、提高的綜合效果最好，具有較高的農(nóng)業(yè)利用價值，值得在河套灌區(qū)進行推廣。