耕作层堆放保护与培肥措施对土壤中有机质变化的研究

摘 要：耕作层不仅影响耕地的质量水平还是农作物生长的重要基础。目前，国内建设占用耕地时耕作层没有得到有效的保护，一部分原因是耕作层保护的技术不完善，而表土剥离是保护耕作层的一个有效措施。因此，该文针对耕作层在剥离后储存期间的土壤进行培肥技术研究，通过设置3个试验小区，进行表土培肥试验，研究培肥后剥离土壤的有机质变化情况。研究结果显示：3个试验小区的4个处理中，土壤的有机质含量总体呈下降趋势，添加培肥均是有利于土壤有机质的积累；对于长时间的堆放，猪粪培肥效果最好；其次是秸秆培肥，秸秆加菌肥效果最差。对于丘陵和山地试验小区，猪粪培肥效果最好；在平原试验小区，秸秆和猪粪均有利于有机质的积累。

关键词：表土剥离；培肥；有机质

中图分类号 S157 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）07-56-05

Abstract：The tillage layer not only affects the quality level of the cultivated land，but also is the important foundation for the growth of the crops.At present，the domestic construction of the occupation of cultivated land farming layer has not been protected effectively.Part of reasons is that magnetism protection technology is not perfect，and topsoil stripping is conservation tillage layer of a effective measures.Therefore，based on soil magnetism after stripping during storage of soil fertilizer application technology research，by setting the three experimental plot，surface soil fertilizer experiment was carried out，the fertilizer after stripping changes of soil organic matter.The results showed that： three experimental plots of four treatments，soil organic matter content was generally tended to decrease，add fertilization were conducive to the accumulation of soil organic matter； for a long time stacking，pig manure fertilizer effect was the best，followed by cornstalk fertilization，straw and fertilizer effect of the worst.In hills and mountain plot experiment，pig manure fertilizer effect was best； in the plain plots，straw and pig manure were conducive to the accumulation of organic matter.

Key words：Stripping status；Fertilizer application；Organic matter

1 引言

有机质主要储存在土壤表层中，是评价土壤肥力的一个重要指标，也是表征土壤质量的一个重要因子。建设占用地的耕作层土壤剥离后，有着十分重要的用途，如可用来毁损地的整理复耕用土、土地整治和高标准基本农田项目的土壤改良、土壤补充、开垦项目的土层增厚和土壤改良等用途。然而，目前在建设用地时，用地单位对于挖出来的耕作层土壤处理方式，要么将其浪费，随意处理，要么将其用作弃土填方工程，对资源的浪费极大。表土剥离是近年来土地整理项目中亟待开发并推广至全国的一个保护耕地资源的项目，其原理是将耕地表层土壤剥离出来，再原地和异地用于土地整治。为了减少对环境的破坏，以及减少对农业生产的威胁，在耕地资源日见匮乏、人地矛盾日渐突出、农田污染加剧的背景下，开展耕地表层土壤剥离再利用工作具有非常重要的现实意义[1]。如今，表土剥离工作得到许多国家的重视。国外的表土剥离工作开展较早，且已形成了较为成熟的方法和制度[2]，国内除少数省份开展表土剥离工作较早而得到比较完备的成果外，其他省份都或多或少的正在开启这项工作，但并未形成一套完整的技术方案及制度。其中，培肥是表土剥离长期工作中一个非常重要的环节。土壤有机质是表征土壤质量的重要因子，也是陆地生态系统中碳循环的重要“源”与“汇”[3-4]。在培肥方面，经过先辈们的长期研究，实践结果表明合理培肥可以改善土壤的基本理化性状[5-7]。刘允芬等研究[8]认为气温、地温与土壤碳排放有明显的正相关性。温度和水分在短期内对土壤有机碳和易氧化有机碳的影响差异不显著，但土壤温度和水分变化能影响土壤有机碳的含量，低温度低水分条件有利于土壤有机碳的存在[9]。但迄今为止，在开展的表土剥离工作中，剥离的表土大多都是直接覆土后进行培肥，在储存期间也只是简单的播种无污染草籽而对具体的培肥未做过多描述。本文通过在安徽省巢湖和宿州设置试验小区，对试验小区的耕地表土进行剥离，对剥离后储存的表土进行自然培肥、秸秆培肥、秸秆加菌肥培肥以及猪粪培肥，在分析了土壤有机质与地形、土壤容重、成土母质、质地等之间的相关关系，得到剥离土壤的有机质养分变化情况，并为农业土壤提供剥离后的土壤是否需要培肥提供依据。

  2 材料与方法

2.1 研究区概况 安徽省地形有平原、丘陵和山地，平原与丘陵、低山相间排列，地形呈现多样性。长江和淮河自西向东横贯全境，巢湖位于安徽中部，全省大致可分为5个自然区域：淮北平原、江淮丘陵、皖西大别山区、沿江平原和皖南山区。安徽地处暖温带与亚热带过渡地区，气候温暖湿润，四季分明，光热水资源丰富且雨热同季。

2.2 试验设计 2014年9月，腾空试验区，让其自然变干；2014年10月18～19日，在巢湖市栏杆镇石门村的2个试验小区（一个代表丘陵区；一个模拟山地区：山地是在在巢湖栏杆镇石门村寻找的一个与山地环境相似的低山丘陵区的耕地，用于模拟山地培肥特性。）进行堆土培肥实验；2014年10月27日，在宿州市桥区朱仙庄镇镇西村的试验小区（代表平原区）进行堆土培肥实验。

2.2.1 试验小区设置 试验小区设置为100m2的剥土区，储存之土壤堆成底宽3.0m、高1.5m、顶宽1.5m的长条梯形型土堆，土堆长共计9.5m（其中试验小区总共8m，分为4个部分每个部分长2.0m长，包含两头各0.75m、共1.5m的斜坡长度），土堆按顺序安排关培肥措施，小区之间用防渗漏塑料薄膜隔离，四周修建排水沟。

2.2.2 培肥设计 每个试验小区分对照试验和培肥试验。整个培肥实验周期为6个月，每隔2个月进行取样一次（表1）。

2.2.3 样品采集 每隔2个月用取土工具从上到下均匀采集土样，四分法后约取1 000g土壤样品，以及初期未培肥的土样1 000g，将土样带回实验室风干、研磨、待化验；未剥离前，原土采集方法――采用多点混合取农化样，多余的用四分法舍弃；培养期采样――分别在每个试验小区，采集全断面样品，混合、四分法获得化验样约1 000g。备注：第一次采样时已对为开始培肥的土壤容重进行了测定，丘陵、山地、平原3个试验小区平均值分别为：1.376g/cm3、1.334 g/cm3、1.258 g/cm3。

2.2.4 样品测定 猪粪和土壤有机质测定方法：重铬酸钾容量法-外加热法[10]。

3 结果与分析

3.1 丘陵试验小区不同培肥方式，有机质含量随着时间的变化规律 从图1中可以看出：随着时间的增加，丘陵试验区的有机质的含量总体是下降的。有机质含量的变化趋势是：除猪粪培肥外其他3种培肥方式的土堆有机质含量变化情况为大致为减少―增加―减少，10月到12月土堆有机质含量大量减少，12月到2月有机质含量略微增加，2月到4月有机质含量略微减少；而猪粪培肥的土堆有机质含量在10月到12月略有增加，12月到4月一直在逐渐降低。从培肥开始到培肥结束4种培肥方式的土堆有机质含量全部降低，分别减少了4.091、2.750、5.751、4.319，所占百分比为15.76%、10.59%、22.15%、16.63%，秸秆+菌肥这种处理方式的有机质减少最多，减少比例为22.15%，添加秸秆的处理方式有机质减少最少，减少比例为10.59%。

对于丘陵试验小区，在有机质变化曲线上看出，有机质含量是添加秸秆>自然培肥>秸秆加菌肥，添加秸秆增加了土壤碳库的输入，而自然培肥因没有额外的有机质输入所以总量上较加秸秆少。在有机质消耗方面，自然培肥和添加秸秆中，添加秸秆会增加微生物的活动量，进而将秸秆转化为土壤有机质，同时也会消耗一部分有机质作为自身能源，因总量较自然状况下高，所以在变化过程中，有机质含量一直高于自然培肥。在添加秸秆和菌肥的情况下，菌肥会大大增加土壤微生物的总量，虽然添加了秸秆，提高了土壤有机质库的总量，但是因微生物量的增加，土壤有机质的消耗量也大大增加，致使有机质含量比自然状况下低。添加猪粪的处理中，因猪粪是经过动物消化分解的残渣，加入到土壤中很容易就转化为土壤有机质，所以在加入猪粪的短期内有机质含量迅速上升。在后期菌肥的作用下微生物量增加，消耗大量的有机质，使总量降低。

3.2 山地试验小区不同培肥方式，有机质含量随着时间的变化规律 从图2中可以看出：在变化趋势中，随着时间的增加，山地地区4种培肥方式的土堆有机质含量变化情况各不相同。10月到12月，除猪粪培肥外，其他3种培肥方式土堆有机质含量大量减少，猪粪培肥土堆有机质含量上升；12月到次年2月，自然培肥、秸秆+菌肥土堆有机质含量略微增加，猪粪培肥与秸秆培肥有机质含量降低；2月到4月，猪粪培肥有机质含量趋于稳定，其他3种培肥方式土堆有机质的含量略微减少。从培肥开始到培肥结束四种培肥方式的土堆有机质含量全部降低，分别减少了3.593、3.533、4.304、1.434，所占百分比为18.76%、18.44%、22.47%、7.49%，秸秆+菌肥这种处理方式的有机质减少最多，减少比例为22.47%，添加猪粪的处理方式有机质减少最少，减少比例为7.49%。

对于山地试验小区，从有机质变化曲线上看出，有机质含量是添加猪粪>添加秸秆>秸秆加菌肥>自然培肥。添加猪粪的处理中，因猪粪是经过动物消化分解的残渣，加入到土壤中很容易就转化为土壤有机质，所以在加入猪粪的短期内有机质含量迅速上升。在后期菌肥的作用下微生物量增加，消耗大量的有机质，使总量降低，但山地地区的猪粪中有机质含量较高，随着时间的增长，有机质的含量也在缓慢上升。在初期添加秸秆的处理下降速率小于添加秸秆和菌肥的处理。因为添加秸秆加菌肥会大大增加土壤微生物的总量，会使有机碳分解速率加快，但是随着时间的增长，微生物的量是一定的，有机质含量在缓慢上升，但是到达一定的时间，秸秆和菌肥分解的有机碳小于微生物分解的量，土堆中的有机质含量快速下降。而添加秸秆的处理，初期秸秆分解有机碳的速率较慢，土堆有机质含量在下降；随着时间的增长，秸秆在分解，但小于微生物分解的量，所以土堆中的有机质含量一直缓慢下降。自然培肥因没有额外的有机质输入所以总量上较其他培肥少。

3.3 平原试验小区不同培肥方式，有机质含量随着时间的变化规律 从图3中可看出，在变化趋势中，随着时间的增加，平原地区4种培肥方式的土堆有机质含量变化情况为缓慢减少，自然培肥土堆中2月到4月有机质含量大量减少，添加猪粪培肥土堆中有机质在2月后增加，但仍低于背景值。从培肥开始到培肥结束4种培肥方式的土堆有机质含量全部降低，分别减少了5.891、4.484、5.320、3.655，所占百分比为31.57%、24.03%、28.51%、19.58%，自然培肥这种处理方式的有机质减少最多，减少比例为31.57%，添加猪粪的处理方式有机质减少最少，减少比例为19.58%。

  对于平原试验小区，在有机质变化曲线上看出，有机质含量是自然培肥>添加秸秆>秸秆加菌肥，添加秸秆增加了土壤碳库的输入，而自然培肥因没有额外的有机质输入所以总量上较加秸秆少。平原地区土壤较山地和丘陵肥沃，土壤微生物总量高，添加秸秆提高了土壤的碳氮比，促进微生物的繁殖。在有机质消耗方面上，自然培肥和添加秸秆中，添加秸秆会增加微生物的活动量，进而将秸秆转化为土壤有机质，同时微生物量增加也会增加有机质的消耗，因总量较自然状况下略低。添加秸秆和菌肥的情况下，菌肥会大大增加土壤微生物的总量，虽然添加了秸秆，提高的土壤有机质库的总量，但是因微生物量的增加，土壤有机质的消耗量也大大增加，致使有机质含量比自然状况下低。在添加猪粪的处理中，因猪粪经过动物消化分解的残渣，加入到土壤中很容易就转化为土壤有机质，所以随加入猪粪的时间的增长有机质含量逐渐上升。在后期菌肥的作用下微生物量增加，消耗大量的有机质，使总量降低。

3.4 不同的培肥方式，3个试验小区有机质含量随着时间的变化规律 从图4、图5、图6、图7中可以看出：对于不同的培肥方式，3个试验小区的有机质含量均是呈下降趋势。从培肥开始到培肥结束：自然培肥的有机质含量丘陵、山地、平原3个试验小区分别减少了4.091、3.593、5.891，所占百分比为15.76%、18.76%、31.57%，平原地区土壤有机质减少比例最多，为31.57%，丘陵土壤有机质减少比例最少，为15.76%；秸秆培肥分别减少了2.750、3.533、4.484，所占百分比为10.59%、18.44%、24.03%，平原地区土壤有机质减少比例最多，为24.03%，丘陵土壤有机质减少比例最少，为10.59%；秸秆加菌肥培肥分别减少了5.751、4.304、5.320，所占百分比为22.15%、22.47%、28.51%，平原地区土壤有机质减少比例最多，为28.51%；猪粪培肥分别减少了4.319、1.434、3.655，所占百分比为16.63%、7.49%、19.58%。

有机质含量总体上是丘陵试验小区>山地试验小区>平原试验小区。对于同一种培肥，不同试验小区的土堆有机质含量整体是呈下降趋势的，但下降的速率不同，由于表土层的剥离，会使得原有土壤变松，类似于旱地耕作，会使得原有有机质因为激发效应而降低。丘陵试验小区是由下面黄土母质发育而来的黄褐土，山地试验小区是由岩石风化物发育而来的粗骨土，平原试验小区是由第四纪河湖相沉积物发育而来的砂姜黑土。丘陵、山地试验小区都是在长期耕种后形成的水稻土，而平原试验小区是在长期种植小麦形成的旱作土。据沈阳农业大学观测，旱作土壤施新新鲜猪粪，其腐殖系数为27.5%，而水稻土为38.4%。武婕[11]也研究得到灌溉水田土壤有机质平均含量最高，旱地最低。这说明水稻土有机质含量总体上是高于旱作土的。丘陵试验小区处于地势较为平缓的地区，排灌条件好；而山地试验小区处于地势较高地段，不受地下水影响，水源不足，且容易造成水土流失。因此尽管添加不同培肥，有机质含量总体上依然是丘陵试验小区>山地试验小区>平原试验小区。

4 结论与讨论

（1）综上所述：土壤类型、土壤成土母质、质地以及温度都对土壤中有机质的含量有很大影响。对于3个试验小区，4个处理土堆的有机质含量是总体是呈下降趋势，添加培肥均是有利于土壤有机质的积累；对于长时间的堆土，猪粪培肥效果最好，其次是秸秆培肥，秸秆加菌肥效果最差。对于丘陵和山地试验小区，猪粪培肥效果最好；在平原试验小区，秸秆和猪粪均有利于有机质的积累。通过以上研究可以为耕作层堆放保护与培肥措施提供参考建议，为表土剥离工作的进展提供技术参考。

（2）讨论3个试验小区土壤的有机质含量整体呈下降趋势，这与土壤碳库的输出大于输入有关。孔宏敏[12]研究得出土壤有机质增加或减少归结于农田的碳素的平衡。而土壤有机碳的变化可能是因为表土层的剥离，会使得原有土壤变松，类似于旱地耕作，会使得原有有机质因为“激发效应”而降低。黄文昭等学者[13-14]研究，土壤中新添加的有机碳能影响土壤有机碳的矿化，引发正的或负的激发效应。王志明[15]等通过研究，发现秸秆加入量的增多会使土壤原有碳的分解速率提高。这就可能导致添加培肥处理后基本都是下降的其中一个原因。

由于地形影响土壤水热条件和成土物质的再分配，不同的地形位置土壤特性有很大的差异，并且影响土壤中养分的含量。宁茂岐[16]研究得到不同地形条件下土壤肥力性质有很大的差异，在丘陵山地区对土壤养分管理是可行的。丘陵、山地、平原这3种地形的在同一种培肥方式下有机质含量各不相同，这与其自身的有机质含量有关；而在添加了不同的培肥方式的情况下，这3种地形的有机质含量也变化颇大，这可能与其本身存在的微生物量有关，微生物量不同，对有机质的分解有很大影响。这与臧逸飞[17]的研究相符。武婕[11]研究得到土壤类型、耕层质地等都对土壤有机质有明显的影响。丘陵、山地的试验小区都是在长期耕种后形成的水稻土，水稻土有利于有机质的积累，并且腐殖系数要高于旱作土壤。而平原试验小区是由第四纪河湖相沉积物发育而来的砂姜黑土，在长期种植小麦等作物而形成了旱作土。这就可能导致丘陵、山地试验小区的有机质含量从总体上高于平原试验小区。

在处理中也发现有机质的含量受温度的影响较大。除猪粪处理外，3种地形的曲线基本上都是在10～12月份，有机质下降速率最高，在12月至次年2月或略微上升或下降速率降慢，2～4月缓慢下降。因10～12月份气温较12月至次年2月高，微生物活动频繁，消耗的有机质大于自身降解产生的有机质量，使总量降低，微生物在低温下降低了代谢速度，消耗量下降，有机质呈积累状态，2～4月亦是积累小于消耗状态，有机质总量降低。所以可能在相对低温状态下降低微生物的代谢速率，有利于土壤有机质的总量积累，这与国秀丽[9]的研究也相符。

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