长期化肥有机替代对黑土颜色及腐殖物质的影响.pdf
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1、第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 3 资助项目:吉林省农业科技创新工程项目(C X G C 2 0 2 1 R C B 0 0 6);科技部基础资源调查专项(2 0 2 1 F Y 1 0 0 4 0 0);农业农村部“科研设施专项运行维护费”(G 2 0 2 2-0 7-2)第一作者:高纪超(1 9 8 9),男,博士,助理研究员,主要从事土壤培肥研究。E-m
2、a i l:g a o j i c h a o 0 9 1 81 2 6.c o m 通信作者:高洪军(1 9 7 5),男,博士,研究员,主要从事土壤培肥研究。E-m a i l:g h j-1 9 7 51 6 3.c o m长期化肥有机替代对黑土颜色及腐殖物质的影响高纪超1,2,李 强1.2,朱 平1.2,张秀芝1.2,彭 畅1.2,焦云飞1.2,高洪军1.2,武俊男1,徐灵颍3(1.吉林省农业科学院,长春1 3 0 0 3 3;2.国家土壤肥力与肥料效益长期定位监测基地,吉林 公主岭1 3 6 1 0 0;3.中国科学院南京土壤研究所江苏常熟农田生态系统野外科学观测研究站,南京2 1
3、0 0 0 8)摘要:基于3 0年长期定位试验,通过测定黑土光谱反射率和不同腐殖质组分含量,探究了不同施肥对黑土土壤腐殖质含量、土壤颜色及二者之间的关系。试验设置5个处理:(1)休耕(F a l l o w);(2)不施肥处理(C K);(3)单施化肥(N P K);(4)有机肥部分替代化肥(N P KM);(5)秸秆部分替代化肥处理(N P K S)。结果表明:与N P K处理相比,F a l l o w、N P K S、N P KM分别显著提高4 9.7%,7 4.3%,2 7.0%的土壤有机碳含量(p 0.0 5)。N P KM处理中胡敏酸(HA)含量最高为3.9g/k g,随后依次为C
4、 K、N P K S、N P K、F a l l o w。N P KM、N P K S和F a l l o w处理中土壤富里酸(F A)含量为2.2 2.3g/k g,显著高于N P K和C K。N P KM处理中胡敏素(HM)含量为1 8.6g/k g,显著高于其他处理(pF a l l o w、C KN P K SN P KM,与C K处理相比,N P K土壤光谱反射率在平均提高6.5%,N P K S和N P KM则分别降低1 1.1%和1 5.1%。根据线性相关分析结果,黑土土壤光谱反射率与土壤HAHM均呈显著负相关关系(p0.0 1),相关系数(r)分别为-0.8 5 8,-0.6
5、8 1。综合上述结果,长期有机物料投入可以显著提高黑土腐殖物质含量,降低黑土光谱反射率,使黑土颜色加深,而长期化肥施入则使黑土光谱反射率提高,出现“褪色”现象,有机粪肥在黑土中对土壤有机质和腐殖质含量的提升效果优于秸秆。关键词:黑土;土壤腐殖物质;土壤光谱;土壤颜色中图分类号:S 1 5 8.5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 3 1 3-0 6D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 3 8E f f e c t so fO r g a n i cS u b s t i
6、 t u t i o nC h e m i c a lF e r t i l i z e ro nC o l o ra n dH u m i cS u b s t a n c e so fB l a c kS o i lGAOJ i c h a o1,2,L IQ i a n g1,2,Z HUP i n g1,2,Z HANGX i u z h i1,2,P E NGC h a n g1,2,J I AOY u n f e i1,2,GAO H o n g j u n1,2,WUJ u n n a n1,XUL i n g y i n g3(1.J i l i nA c a d e m yo
7、 fA g r i c u l t u r a lS c i e n c e,C h a n g c h u n1 3 0 0 3 3;2.N a t i o n a lL o n g-t e r mL o c a t i o nM o n i t o r i n gB a s eo nB l a c kS o i lF e r t i l i t ya n dF e r t i l i z e rE f f i c i e n c y,G o n g z h u l i n g,J i l i n1 3 6 1 0 0;3.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo
8、 fS o i la n dS u s t a i n a b l eA g r i c u l t u r e,C h a n g s h uN a t i o n a lA g r o-E c o s y s t e mO b s e r v a t i o na n dR e s e a r c hS t a t i o n,I n s t i t u t eo fS o i lS c i e n c e,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,N a n j i n g2 1 0 0 0 8)A b s t r a c t:S p e
9、c t r a lr e f l e c t a n c ea n dh u m i cs u b s t a n c e sc o m p o n e n t sw e r ed e t e r m i n e da i m i n ga ts t u d y i n gt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tf e r t i l i z a t i o no nh u m i cs u b s t a n c e sc o n t e n ta n dc o l o ro fb l a c ks o i lb a s e do n3 0y e a r
10、sl o n g-t e r ml o c a t i o nt r i a l.At o t a lo f5 t r e a t m e n t sw e r ei n c l u d e di nt h i ss t u d y:(1)F a l l o w;(2)N of e r t i l i z e ra p p l i c a t i o n(C K);(3)O n l yc h e m i c a lf e r t i l i z e r(N P K);(4)O r g a n i cf e r t i l i z e rp a r t l yr e p l a c e dc h
11、 e m i c a lf e r t i l i z e r(N P KM);(5)S t r a wp a r t l yr e p l a c e dc h e m i c a l f e r t i l i z e r(N P K S).R e s u l t s i n d i c a t e dt h a t s o i l o r g a n i cc a r b o nc o n t e n t i nF a l l o w,N P KM,N P K Sw e r es i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e db y4 9.7%,7 4
12、.3%,2 7.0%i nc o n t r a s tw i t hN P K(p0.0 5).T h eh i g h e s tc o n t e n to fh u m i ca c i d(HA)w a s3.9g/k go b s e r v e di nN P KM,a n df o l l o w i n gw a s i no r d e ro fC K,N P K S,N P K,F a l l o w.S o i l f u l v i ca c i d(F A)c o n t e n t s i nN P KM,N P K Sa n dF a l l o ww e r
13、e i nr a n g eo f 2.2t o2.3g/k g,s i g n i f i c a n t l yh i g h e r t h a nN P Ka n dC K.S o i l h u m i n(HM)c o n t e n t i nN P KM w a s1 8.6g/k g,s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a no t h e rt r e a t m e n t s(pF a l l o w,C K N P K S N P KM.I nc o n t r a s tw i t hC K,s o i l s p e c
14、 t r a lr e f l e c t a n c ei n N P K w a si n c r e a s e db y6.5%o na v e r a g e,w h i l ei n N P K Sa n d N P KM w e r ed e c r e a s e db y1 1.1%a n d1 5.1%i na v e r a g e,r e s p e c t i v e l y.A c c o r d i n gt ot h e l i n e a r c o r r e l a t i o na n a l y s i s r e s u l t s,t h es p
15、 e c t r a l r e f l e c t a n c eo fb l a c ks o i lw a ss i g n i f i c a n t l yn e g a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hs o i lHAa n dHMc o n t e n t s(p 0.0 1),a n dt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t(r)w e r e-0.8 5 8a n d-0.6 8 1,r e s p e c t i v e l y.S u mm i n gu pt h er e
16、 s u l t sa b o v e,i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tl o n g-t e r m o r g a n i c m a t e r i a l sa p p l i c a t i o nc o u l ds i g n i f i c a n t l ye n h a n c es o i lh u m i cs u b s t a n c ec o n t e n t,l o w e rs o i ls p e c t r a lr e f l e c t a n c e,a n d m a k eb l a c ks o i ld
17、 a r k e r.O p p o s i t e l y,l o n g-t e r mc h e m i c a lf e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n i n c r e a s e ds o i l s p e c t r a l r e f l e c t a n c e,a n dm a d eb l a c ks o i l“f a d e d”.T h ee f f e c t so fo r g a n i cm a n u r eo n i m p r o v i n gs o i l o r g a n i cm a t e
18、 r i a l sa n dh u m i cs u b s t a n c e sw e r eb e t t e r t h a ns t r a w.K e y w o r d s:b l a c ks o i l;s o i lh u m i cs u b s t a n c e;s o i l s p e c t r u m;s o i l c o l o r 土壤颜色是土壤对可见光波段的反射光谱特性,是土壤肥力、类别等理化特性的综合反应1,是研究土壤属性及其演变,发育程度乃至土壤分类与命名的重要依据2。土壤颜色不同则属性不同,红壤因含有大量的三价铁而呈红色;紫色土颜色的主要决定成
19、分是铁和锰,黑土则由于具有较高的土壤致色组分土壤腐殖质3,而使土壤呈黑色。土壤颜色除受主要致色成分影响外,土壤质地、p H、含水量等也影响土壤颜色。K o n e n等4研究指出,土壤颜色随着颗粒尺寸的减小而浅;陈茂春5指出,酸性土壤大多呈深色调,如黑色、褐色等,而碱性土壤则颜色相对较浅;W i l l s等6研究发现,土壤有机质含量越高则颜色越深。土壤腐殖质在土壤中不仅发挥土壤致色作用,同时也是土壤有机质的主要组成成分,占据土壤有机质含量的6 0%9 0%7-8。在保持肥力、改善土壤环境等方面发挥重要作用,是使黑土成为最适宜作物生长的土壤类型的主要因素之一。长久以来,伴随着化肥长期大量施入和
20、连年高强度的利用使黑土土壤有机质和腐殖质含量逐年下降,造成土壤肥力和固碳能力下降等问题,对黑土健康造成严重威胁9。为了有效增加黑土土壤腐殖质含量,提高土壤肥力,化肥配施秸秆与畜禽粪便已普遍应用于农业生产当中。董珊珊等1 0通过3年的定位试验研究发现,秸秆还田使土壤腐殖质提高2 7.3%4 6.1%。迟凤琴等1 1通过3 0年的长期定位研究发现,畜禽粪肥添加提高2 8.2%1 1 0.3%的土壤腐殖质含量。目前针对不同有机物料添加对黑土土壤颜色影响的研究仍然较为缺乏,另外虽然土壤腐殖质是黑土主要致色物质的结论已较为明确3,但是,土壤腐殖质是一种混合物,主要由胡敏酸(h u m i ca c i
21、d,HA)、富里酸(f u l-v i ca c i d,F A)和胡敏素(h u m i n,HM)组成,其中HA是深棕色碱溶性物质,F A是淡黄色酸碱可溶性物质,HM为不溶性物质7-8,三者含量、结构特征与黑土土壤颜色之间的关系也未进行具体研究。黑土颜色及腐殖质含量是黑土土壤分类和命名的2个重要参数依据1 2,因此研究不同施肥措施对黑土颜色、不同腐殖质组分及相互关系在黑土地保护工作中具有重要意义。综上所述,本研究基于“国家黑土土壤肥力与肥料效益长期定位监测基地”,通过3 0年长期定位试验,测定不同施肥措施对黑土土壤腐殖质不同组分含量、结构特征、土壤光谱反射率影响,提出并验证以下假设:(1)
22、长期单独施用化肥使土壤有机质及腐殖质含量降低,黑土出现“褪色”现象;(2)秸秆及有机物料添加有效提高土壤不同腐殖物质含量,加深黑土颜色;(3)黑土颜色与土壤腐殖质中具有深色特征的H A具有一定相关性。1 材料与方法1.1 试验地概况国家黑土土壤肥力与肥料效益长期定位监测基地位于吉林省公主岭市吉林省农业科学院(1 2 4 4 4 E,4 3 3 0 N)。土壤类型为发育于黄土母质上的典型黑土,气候类型为温带大陆性季风气候,年均气温5.5,年降水量4 5 0 6 5 0mm。试验始于1 9 8 9年(1 9 8 9年整地,设置不同处理),初始土壤基础理化性质见表1。表1 土壤初始理化性质供试土壤p
23、 H土壤有机碳/(gk g-1)全氮/(gk g-1)全磷/(gk g-1)全钾/(gk g-1)容重/(gc m-3)砂粒/%粉粒/%黏粒/%黑土7.61 3.21.40.61 8.41.23 8.32 9.93 1.81.2 试验设计本研究共选取5个处理进行分析:(1)休耕(F a l-l o w);(2)不施肥处理(C K);(3)单施化肥(N P K);(4)有机肥部分替代化肥(N P KM);(5)秸秆部分替代化肥处理(N P K S)。施肥处理中,肥料均为等氮量投入。种植作物为玉米,密度为6万株/h m2,每个处413水土保持学报 第3 7卷理试验区面积为4 0 0m2,未设置重复
24、试验区,因此,在进行土壤样品取样时,在试验区内随机设置3个取样点进行取样,取样时间为2 0 2 0年9月玉米收获后,取样深度为02 0c m。氮肥种类为尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为硫酸钾。1 9 9 02 0 0 5年有机肥为猪粪,2 0 0 5年改施牛粪。秸秆来源为试验区秸秆。各处理中磷肥与钾肥以底肥形式一次性施入,氮肥总量的1/3作为底肥,2/3于拔节期追施。有机粪肥于每年玉米收获后以旋耕方式施入试验地,秸秆添加处理是首先将秸秆从田间移除,自然风干后人工粉碎,于第2年拔节期追肥后铺于垄沟,作物收获后以旋耕方式与土壤混合。每年收获后各处理地上留茬1 5c m,与根茬共同还田。各处理施肥量及有
25、机物料基本性质见表2和表3。表2 试验处理与施肥量单位:k g/h m2试验处理作物种类化肥用量NP2O5K2O有机物料秸秆有机肥(牛粪)NNF a l l o w-C K玉米-N P K玉米1 6 5.08 2.58 2.5-N P K S玉米1 1 2.08 2.58 2.55 3.0-N P KM玉米4 9.58 2.58 2.5-1 1 5.5表3供试秸秆与有机肥性质(2 0 2 0年)单位:g/k g供试材料有机碳全氮全磷全钾类胡敏酸类富里酸有机肥(牛粪)2 8 3.82 1.61 0.73.34.30.38.44.34 5.45.12 6.42.1秸秆4 5 1.33 6.25.8
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