黑土腐殖质元素组成影响范文

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《水土保持学报》2016年第二期

摘要：

以循环农业为指导，选取5种具有代表性的农业有机废弃物（秸秆、牛粪、鸡粪、菌渣、树叶）与化肥配施进行腐解培养还田试验，以不施肥（CK）和单施化肥（NPK）作为对照，系统的研究了3a后它们对黑土腐殖质胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）元素组成的影响。结果表明，与CK相比，NPK处理并没有对黑土腐殖质元素组成产生明显影响。不同种类有机废弃物与化肥配施可显著提高HA的N、H和O元素含量，降低C元素含量，其中牛粪与化肥配施处理结果不同；5种配施处理均降低了HA的缩合度，且有利于HA中含氮基团的形成。配施处理提高了FA的C和N元素含量，降低O元素含量，但FA的缩合度几乎不变，其中，牛粪和菌渣与化肥配施处理对FA的元素组成影响具有相似性。无论单施化肥还是配施处理，HA的［O］／［C］原子个数比均小于FA，说明FA中含有较多的烷氧基和羧基。配施处理使HMi的H元素含量降低，而O元素含量升高，且各处理之间差异显著；同时提高了HMc的芳香度，使其结构变复杂，以鸡粪与化肥配施作用最为显著。由此可见，有机废弃物与化肥配合施用均对黑土腐殖质元素组成产生了一定的影响，显著优于单施化肥，具有良好的培肥效果，其中以牛粪和秸秆与化肥配施较好，菌渣、树叶及鸡粪与化肥配施次之。

关键词：

有机培肥；农业有机废弃物；黑土；腐殖质；元素组成

目前，我国农业正从传统的“资源—产品—废弃物”的线性生产方式向“资源—产品—废弃物—再生资源”的循环农业方式转变［1］。循环农业实质上是将农业清洁生产与废弃物资源化利用有机结合，最大限度地提高农业资源的利用效率，以推进农业和农村经济可持续发展。发展循环农业，是促进生态友好型农业发展的主要途径，是发展具有中国特色的农业现代化的重要方式［2］。在循环农业中，废弃物的资源化利用是这个循环中非常重要的环节，中国是农业大国，每年产生大量的农业废弃物，如何变“废”为“肥”，是循环农业的关键技术之一［3］。农业废弃物种类和来源很多，并且都含有丰富的碳、氮、磷等营养元素，是农业生产中重要的物质基础。土壤有机质（SOM）是土壤肥力和基础地力最重要的物质基础，也是决定生态系统生产力及其稳定性的土壤关键组分［4－6］；有机物质进入土壤后在微生物的作用下转化形成土壤腐殖质，土壤腐殖质的组成和性质对土壤的物理化学及生物学特性等都有重要影响。腐殖物质（HS）是土壤有机质的主要组成部分，为深色，非均质大分子有机化合物，其结构复杂且含有大量苯环、羧基、羰基等发色团［7－9］。HS按照在酸碱溶液中的溶解度可分为胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）。不同种类的有机物料因品质类型不同，C和N的含量及可利用性亦不同，对微生物所产生的作用必将各异［10－11］，还田之后对于土壤质量的影响必然存在差异性，其结果有待于长期研究。目前国内外研究主要集中在厩肥、作物秸秆施入土壤后对HS的影响，而对不同来源农业有机废弃物对黑土HS的影响研究较少。因此本文以农业循环利用为指导，选取具有代表性的秸秆、牛粪、鸡粪、菌渣、树叶5种有机废弃物与化肥配施进行腐解培养还田试验，研究3a后其对黑土HS中HA、FA以及HM元素组成的影响，以期为促进农业废弃物的循环利用提供实例验证和理论支撑。

1材料与方法

1．1供试土壤试验在吉林农业大学资源与环境学院培养试验场网室中进行，始于2010年5月，已连续开展了3a。供试土壤为黑土，采自吉林农业大学试验田。2010年试验前土壤基本理化性质为：pH6．7，有机质含量20．8g／kg，全氮含量1．2g／kg，碱解氮含量85．34mg／kg，有效磷含量32．45mg／kg，速效钾含量90．8mg／kg。采样时间为2013年5月。

1．2试验设计盆栽试验采用盆高40cm、平均直径30cm的塑料盆。将准备好的土壤和有机废弃物（秸秆、牛粪、鸡粪、菌渣、树叶）风干，并且均过20目筛，测定土壤和有机肥料的含水量。每盆施入风干土14kg（换算成烘干土11．47kg），施入有机物料量（按烘干重计）占烘干土重的1．5％（只在第1年施用）。各盆均施入化肥，其中尿素（含N46％）10g／盆，磷酸二铵（含P2O564％）5g／盆，氯化钾（含K2O60％）7g／盆。试验设置7个处理，每个处理3次重复，共计21盆。即：（1）对照CK；（2）单施化肥NPK；（3）秸秆配施化肥MS＋NPK；（4）牛粪配施化肥CM＋NPK；（5）鸡粪配施化肥CD＋NPK；（6）菌渣配施化肥FD＋NPK；（7）树叶配施化肥LF＋NPK。供试农业有机废弃物来源：秸秆选用玉米秸秆（包括叶片茎、秆两部分）；牛粪为玉米秸秆过腹后废弃物；鸡粪采自吉林农业大学养殖场；菌渣为玉米秸秆培养食用菌后废弃物；树叶为秋天落叶。供试化学肥料为吉化公司生产。

1．3分析方法

1．3．1土壤HS各组分的提取和纯化主要对HA、FA以及可提取的HM组分即铁结合胡敏素（HMi）和粘粒结合胡敏素（HMc）进行研究。（1）腐殖质（HE）组分的提取：土壤样品用蒸馏水除去水溶物和水浮物后，用0．1mol／LNaOH和0．1mol／LNa4P2O7混合液（pH≈13）提取1h，3500r／min转速下离心15min，共提取3次，此溶液即为可提取腐殖质（HE）；提取残渣中的腐殖物质为HM。（2）HA和FA的分离：将上述HE提取液中加入0．5mol／LH2SO4调节pH为1．0～1．5，溶液即为粗FA，沉淀即为粗HA。（3）粗HA、粗FA以及HM近一步提取和纯化步骤见文献［12］。

1．3．2测试方法元素组成分析采用德国VARIOELIII型元素分析仪进行测定，应用CHN模式，由于组成腐殖物质的大量元素是C和O，少量元素是H、N，其他元素一般微量。因此，O元素含量用差减法计算，即（O）％＝100％－（C％＋H％＋N％），并用差热分析的灰分和含水量数据对元素分析数据进行校正。

1．4数据处理数据经Excel2003整理后，采用DPSv7．05统计软件进行相关分析和Duncan新复极差5％水平的差异显著性分析。

2结果与分析

2．1不同处理对黑土HA元素组成的影响不同处理HA的元素组成情况见表2。从表2可以看出，不同处理HA的C、H含量变化幅度分别为48．09％～53．71％和4．54％～5．42％。与CK相比，单施化肥处理HA的C元素含量略有降低。各配施处理C元素含量变化情况并不完全相同，其中，CM＋NPK处理提高幅度最大，MS＋NPK处理降低幅度最大，具体表现为：CM＋NPK处理＞CK＞NPK处理＞CD＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞MS＋NPK处理，并且各配施处理之间存在显著差异水平。HA的H元素含量变化具体情况为CM＋NPK处理提高幅度仍然最大，与其它处理具有显著差异。LF＋NPK处理次之，MS＋NPK和FD＋NPK处理几乎持平，略高于CK。CD＋NPK和NPK处理变化相近，表现出降低的趋势。不同处理HA的N元素含量与CK相比均显著提高，变化幅度在3．71％～4．48％之间，其中，NPK处理N元素含量比CK提高了4．85％，而5种废弃物与化肥配施处理均提高了10％以上，除了MS＋NPK处理外，其它各配施处理N元素含量显著高于NPK处理，并且CM＋NPK和LF＋NPK处理N元素含量显著高于其它各处理。不同处理HA的O元素含量变化幅度为36．42％～42．19％。与CK相比较，除CM＋NPK处理显著降低外，单施化肥和其它4种配施处理O元素含量略有升高，具体表现为：MS＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞NPK处理＞LF＋NPK处理＞CK＞CM＋NPK处理。一般认为［H］／［C］和［O］／［C］原子个数比是表征HA缩合度和氧化程度的指标，从表2可知，单施化肥和配施处理［H］／［C］比值均高于CK，具体表现为：CM＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞NPK处理＞CK，说明无论是单施化肥还是废弃物与化肥配施3a后HA的缩合度均降低，结构变简单，且牛粪与化肥配施处理作用最大。而［O］／［C］比值则表现为：MS＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞NPK处理＞CK＞CM＋NPK处理，表明除CM＋NPK处理外，其它配施处理3a后均使HA的氧化度略有提高。各处理［C］／［N］比值表现为：CK＞NPK处理＞MS＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞LF＋NPK处理，说明施肥3a后有利于含氮基团的形成［9］，并以树叶与化肥配施处理作用最大。

2．2不同处理对黑土FA元素组成的影响从表3可以看出，不同处理FA的C元素含量变化幅度为40．09％～45．98％，与CK相比，无论单施化肥还是配施处理C元素含量均升高，并表现为：CM＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞NPK处理＞CK，其中，CM＋NPK和FD＋NPK处理与其它各处理之间差异显著。不同处理FA的H元素含量变化幅度在3．73％～4．19％之间，除NPK和LF＋NPK处理外，其它各配施处理均使H元素含量提高，各配施处理之间差异并不显著。不同处理FA的N元素含量变化幅度为3．50％～4．30％，与CK相比，配施处理FA的N元素含量均呈现升高的趋势，其中FD＋NPK处理提高了22．86％，具有显著差异水平。不同处理FA的O元素含量变化幅度在45．76％～52．58％之间，具体表现为：CK＞NPK处理＞LF＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CM＋NPK处理，其中，CM＋NPK和FD＋NPK处理变化相似，与其它处理间差异显著。由表3还可看出，不同处理FA的［H］／［C］比值表现为：CK＞NPK处理＞MS＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞LF＋NPK处理，与CK相比较，单施化肥或是配施3a后对FA缩合度变化并不明显。对于［O］／［C］比值则表现为：CK≈NPK处理＞LF＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CM＋NPK处理，这表明与CK相比，各处理施用3a后均使FA氧化度降低。不同处理［C］／［N］表现为：CK＞NPK处理＞CM＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞FD＋NPK处理，说明菌渣与化肥配施3a后更有利于含氮基团形成。

2．3不同处理对黑土HMi元素组成的影响不同处理HMi的元素组成情况见表4。从表4可以看出，不同处理HMi的C元素含量变化幅度为43．71％～45．49％，与CK相比，除NPK和CD＋NPK处理C元素含量略有升高外，其它各处理均不同程度降低，其中，NPK处理提高了1．12％，CD＋NPK处理提高了0．27％，MS＋NPK、CM＋NPK、FD＋NPK和LF＋NPK处理分别降低了2．81％，0．89％，1．90％和0．43％。不同处理HMi的H元素含量变化幅度在4．26％～5．02％之间，表现为：CK＞NPK处理＞LF＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞CD＋NPK处理，CK与各施肥处理之间差异显著。不同处理HMi的N元素含量变化幅度为2．71％～3．18％，其中NPK、MS＋NPK和LF＋NPK处理N元素含量均低于CK，MS＋NPK处理降低幅度最大为8．29％，而CM＋NPK、CD＋NPK和FD＋NPK处理均高于CK，CD＋NPK处理增加幅度最大为7．68％。不同处理HMi的O元素含量变化幅度在46．92％～48．90％之间，各配施处理O元素含量均高于CK，具体表现为：MS＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞CK＞NPK，且各处理间差异显著。不同处理HMi的［H］／［C］比值表现为：CK＞MS＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞NPK处理＞FD＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞CD＋NPK处理，与CK相比，无论单施化肥处理还是配施处理3a后HMi缩合度均不同程度提高，结构变复杂。对于［O］／［C］比值则表现为：MS＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞CK≈NPK处理，这表明与CK相比，各配施处理3a后均使HMi氧化度提高。不同处理［C］／［N］表现为：LF＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞NPK处理＞CK＞CM＋NPK＞FD＋NPK处理＞CD＋NPK处理，说牛粪、菌渣和鸡粪与化肥配施处理3a后有利于含氮基团形成。

2．4不同处理对黑土HMc元素组成的影响表5为不同处理HMc的元素组成情况，其中C元素含量变化幅度为45．56％～49．75％，并且表现为：CD＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞LF＋NPK处理＞NPK处理＞CK，各处理之间差异显著。不同处理HMc的H元素含量变化幅度在4．10％～4．59％之间，与CK相比，无论单施化肥还是配施处理H元素含量均呈现出降低的趋势，并且各配施处理间差异不显著，其中，NPK处理降低幅度最小，仅为3．70％，而各配施处理大约降低10％左右。不同处理HMc的O元素含量变化幅度为41．64％～46．12％，具体表现为：CK＞NPK处理＞LF＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞CD＋NPK处理，且各配施处理间差异显著。不同处理HMc的N元素含量变化幅度在3．73％～4．50％之间，与CK相比，无论单施化肥还是配施处理N元素含量均升高，其中CM＋NPK、CD＋NPK和FD＋NPK处理与CK具有显著差异。由表也可知，各处理［H］／［C］和［O］／［C］比值均低于CK，并且表现出相似的变化趋势，具体情况为：CK＞NPK处理＞LF＋NPK处理＞FD＋NPK处理＞MS＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞CD＋NPK处理，说明有机废弃物与化肥配合施用3a后使HMc缩合度提高，氧化度略有降低，以鸡粪和牛粪与化肥配施处理作用最大。不同处理［C］／［N］表现为：CK＞LF＋NPK处理＞NPK处理＞MS＋NPK处理＞CM＋NPK处理＞CD＋NPK处理＞FD＋NPK处理。

3讨论

元素组成分析是判别有机质结构和特性最简单、最重要的方法之一。通过对HS中HA、FA以及HM的元素组成和H／C、O／C及C／N等比例可以判断有机质的可能组成与结构［13］。Andreia等［14］认为H／C原子数的比值可以表征腐殖质分子的芳香度和脂肪度，其比值越小，意味着结构的不饱和程度和芳香度越高，否则，表明结构的脂肪化程度越高。O／C原子数量比越大，反映了有机物中含有更多羧基、酚基官能团或者碳水化合物，C／N原子数比与腐殖酸的腐殖化程度相关，其值越高，则腐殖化程度越低。Brunetti等［15］的研究显示有机肥可提高胡敏酸的H、N、S元素含量，降低O元素含量；朱青藤等［16］的研究结果表明有机培肥后HA的C、H、N、S等元素含量显著提高，而O元素含量以及H／C和O／C降低。本试验中废弃物作为有机物料与化肥配施3a后，除牛粪与化肥配施处理外，黑土HA的N、H和O元素含量与对照和单施化肥相比较均显著提高，而C元素含量均有所下降，可见单施化肥处理对HA的元素组成影响较小，而配施处理具有显著影响。各配施处理之间存在明显差异，这可能是由于有机物料种类、土壤类型不同造成的［17］。进一步分析HA的［H］／［C］和［O］／［C］原子个数比发现，各配施处理与对照相比均有所增加，表明有机物料施入土壤后，降低了HA的缩合度，提高了HA的氧化程度。［H］／［C］比值提高的幅度不是很大，可以认为各配施处理碳上的质子不饱和程度的变化并不是十分显著，且本试验中各处理N元素含量明显高于对照，表明碳原子上的质子被氮原子取代导致比值变化不大。Plaza等［18］研究表明，施用有机物料后土壤FA的C元素含量提高，N、S、C／N基本不变或是略有升高，而O元素含量降低。但是，Garcia－Gil等［19］研究则表明土壤培肥后，与对照相比，FA的C、H元素含量以及C／N比值略有降低，N、S、O等元素含量提高，对于C／N和O／C比值来说基本上保持不变。综合2种试验结果表明HS的组成受有机物料种类及土壤类型影响，本试验中不同种类农业废弃物与化肥配施对FA组成的影响亦证明这点，并且通过FA的C、H、N和O元素含量变化可以发现CM＋NPK和FD＋NPK处理对黑土富里酸元素组成的影响具有相似性。进一步分析FA的［O］／［C］原子个数比值不难看出均小于对照处理，说明废弃物与化肥配施处理的烷氧基和羧基减少，而且相对应处理HA的［O］／［C］原子个数比均小于FA，可知FA中含有较多的烷氧基和羧基［20］。HM是土壤中稳定的腐殖质组分，对营养元素（C、N、S等）的固持和有效性起重要作用［21］。已有的研究表明施用有机物（肥）料对土壤HM组成元素的含量存在一定影响［22］。本试验结果也表明不同有机废弃物与化肥配施对黑土HM的元素组成有显著影响。与CK相比，有机废弃物与化肥配施使HMi的H元素含量下降，O元素含量上升；使HMc的H、O元素含量下降，C、N元素含量上升。HMi的C元素含量低于HMc，说明有机废弃物与化肥配施后新形成的HM主要与粘粒相结合，而与铁氧化物结合的相对少。

4结论

通过3a盆栽培养试验，以CK和NPK作为对照，研究了5种具有代表性的农业有机废弃物（秸秆、牛粪、鸡粪、菌渣、树叶）与化肥配施后对黑土腐殖质HA、FA和HM元素组成的影响，并对其［H］／［C］、［O］／［C］及［C］／［N］原子个数比的变化进行分析，得出结论为：（1）单施化肥处理并没有对黑土腐殖质组成元素的含量产生明显影响，而5种不同种类有机废弃物与化肥配施对HA、FA以及HM元素组成影响很大并且存在差异。具体说来，配施处理可提高HA的N、H和O元素含量，降低C元素含量，各处理之间差异显著，其中，牛粪与化肥配施处理表现出不同的结果。（2）各有机废弃物与化肥配施可以降低HA的缩合度，使其结构变简单，并有利于HA中含氮基团的形成。配施处理可以使FA的C和N元素含量提高，而使O元素含量降低，其中，牛粪和菌渣与化肥配施处理对FA的元素组成影响具有相似性。（3）无论单施化肥处理还是配施处理HA的［O］／［C］原子个数比均小于FA，说明FA中含有较多的烷氧基和羧基。（4）配施处理使HMi的H元素含量降低，而O元素含量升高，并且各配施处理表现出差异性；同时提高了HMc的芳香度，使其结构变复杂。综上所述，5种有机废弃物与化肥配施均对黑土腐殖质元素组成产生了一定的影响，且显著优于单施化肥，具有良好的培肥效果。由此，农业废弃物得到合理有效的利用同时又带来一定的经济和生态效益。

作者：赵欣宇 吴景贵 刘文利 曲晓晶 单位：吉林农业大学资源与环境学院，长春