腐殖质材料木本泥炭对提升新垦耕地土壤有机质的效果

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开发和复垦后备耕地资源,是当前缓解耕地数量持续下降、保障粮食安全的一项重要举措。然而,新开发和复垦的耕地普遍缺乏优质的熟化耕作层,耕地质量较低。要提高新垦耕地的质量、构建优质耕作层,关键之一便是要提高新垦耕地土壤有机质(SOM)特别是难分解SOM的含量。为缩短秸秆、有机肥等传统培肥有机物料通常所需的冗长培育熟化过程,本文研究了木本泥炭的相关理化性质;采用网袋法通过室内培养试验,比较和分析了木本泥炭、秸秆、有机肥及它们的不同组合在不同旱地和水田土壤中的分解速率,碳、氮、磷、钾养分的释放状况,有机碳官能团和分解微生物群落结构的变化;并在田间条件下,研究了基于木本泥炭提升淡黑钙土新垦耕地SOM的实际效果,探讨了木本泥炭施用的最佳模式。以期为利用木本泥炭快速提升新垦耕地SOM提供理论依据。本文获得的主要研究结果如下:  (1)木本泥炭中腐殖质含量可达75.8%,分别为本研究所采用的有机肥和黄棕壤的2和14倍,但其腐殖质富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(Hu)的比例与有机肥和土壤相差较大,以HA主,腐殖化程度更高,品质和稳定性更好。木本泥炭腐殖质HA组分的颗粒大小与土壤HA相当,但其HA和Hu组分的比表面积仅为土壤的1/40和1/4,颗粒更致密,活性较低。木本泥炭有机碳高达485.0g kg-1,但其原样和腐殖质HA和Hu组分的C/N比都在60以上,远高于有机肥和土壤。同时,木本泥炭腐殖质H/C比低(缩合度高),芳香化度、聚亚甲基化和烷基化程度高,分子结构复杂,疏水性强,含有相对更多的烷基C和芳香C等难分解有机碳官能团,活性有机碳含量相对较低。但与土壤腐殖质相比,木本泥炭腐殖质FA和HA的O/C更大,含氧官能团数量更多,从而仍有分解可能。  (2)木本泥炭在不同新垦土壤中培养360天期间,质量几乎都没有损失,有机碳含量、总有机碳量和全氮含量的变化都较小,且采用网袋法测得的分解半衰期可长达130~150年左右,表明其确属难分解有机物料。向秸秆和有机肥中添加47%和37%的木本泥炭时,混合有机物料分解半衰期分别增大至秸秆和有机肥的2.5~4.1和1.5~2.7倍,总有机碳损失率则分别降低了46.4%~57.6%和66.5%~87.0%,表明添加木本泥炭可减缓混合有机物料的分解速率。同时,添加木本泥炭还可降低混合有机物料分解过程中微生物竞争吸收土壤氮素或有机肥氮素快速释放的状况。尽管如此,木本泥炭混合有机物料分解过程中仍然需要额外氮素,且不能减缓有机物料磷、钾养分的释放。此外,添加生物激发剂对有机物料分解有一定促进作用,而水分状况(旱地或水田)对有机物料分解的影响显著。  (3)木本泥炭以脂类和芳香类物质以及木质素等物质为主,难分解的烷基C与芳香C含量之和可高达71.9%,而易分解的烷氧C和羰基C仅分别为22.0%和6.1%,故其在土壤中分解缓慢。向秸秆和有机肥中添加47%和37%的木本泥炭,可使混合有机物料难分解烷基C和芳香C相对含量之和分别提升至30%和50%左右,从而能减缓混合有机物料的分解速率。木本泥炭分解初期的微生物以散囊菌为主,不仅与秸秆和有机肥显著不同,而且由于易分解物质更少,其分解微生物群落多样性也要远高于秸秆和有机肥。木本泥炭与秸秆和有机肥的混合时,分解微生物群落会呈现出“混合效应”,但主要分解微生物为分解秸秆或有机肥的微生物。添加激发剂可提高散囊菌和粪壳菌的相对丰度,从而能促进木本泥炭混合有机物料的分解。淹水环境则会抑制微生物活性,改变微生物群落结构,从而使相同有机物料在不同水分条件下的分解速率显著不同。  (4)采用农户常规种植和秸秆还田模式,都不能快速解决吉林淡黑钙土新垦耕地熟化耕作层缺失的问题。秸秆与有机肥配施虽然能在施用的第一年获得最高的玉米产量,但其提升SOM的能力相对较低。而木本泥炭与腐熟秸秆配施则能大幅度地提高活性SOM和SOM总量、全氮和碱解氮的含量,提升土壤微生物的活性,促进土壤大团聚体的形成与稳定,改善土壤结构,改良土壤碱化度,降低土壤pH值,并获得与配施等量生物炭的相当的玉米产量。而且随着木本泥炭含量的增加和施用生物激发剂,SOM含量、氮素和速效钾含量、微生物生物量、土壤大团聚体的数量以及玉米产量都能进一步显著增加。结果表明,在每亩施用200kg腐熟秸秆的基础上,施用2t的木本泥炭,并配施100kg的生物激发剂对快速提升淡黑钙土新垦耕地SOM和构建优质耕作层效果最佳。
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