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《水土保持學報》2016年第二期

摘要：

以循環農業為指導，選取5種具有代表性的農業有機廢棄物（秸稈、牛糞、雞糞、菌渣、樹葉）與化肥配施進行腐解培養還田試驗，以不施肥（CK）和單施化肥（NPK）作為對照，系統的研究了3a后它們對黑土腐殖質胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）元素組成的影響。結果表明，與CK相比，NPK處理并沒有對黑土腐殖質元素組成產生明顯影響。不同種類有機廢棄物與化肥配施可顯著提高HA的N、H和O元素含量，降低C元素含量，其中牛糞與化肥配施處理結果不同；5種配施處理均降低了HA的縮合度，且有利于HA中含氮基團的形成。配施處理提高了FA的C和N元素含量，降低O元素含量，但FA的縮合度幾乎不變，其中，牛糞和菌渣與化肥配施處理對FA的元素組成影響具有相似性。無論單施化肥還是配施處理，HA的［O］／［C］原子個數比均小于FA，說明FA中含有較多的烷氧基和羧基。配施處理使HMi的H元素含量降低，而O元素含量升高，且各處理之間差異顯著；同時提高了HMc的芳香度，使其結構變復雜，以雞糞與化肥配施作用最為顯著。由此可見，有機廢棄物與化肥配合施用均對黑土腐殖質元素組成產生了一定的影響，顯著優于單施化肥，具有良好的培肥效果，其中以牛糞和秸稈與化肥配施較好，菌渣、樹葉及雞糞與化肥配施次之。

關鍵詞：

有機培肥；農業有機廢棄物；黑土；腐殖質；元素組成

目前，我國農業正從傳統的“資源—產品—廢棄物”的線性生產方式向“資源—產品—廢棄物—再生資源”的循環農業方式轉變［1］。循環農業實質上是將農業清潔生產與廢棄物資源化利用有機結合，最大限度地提高農業資源的利用效率，以推進農業和農村經濟可持續發展。發展循環農業，是促進生態友好型農業發展的主要途徑，是發展具有中國特色的農業現代化的重要方式［2］。在循環農業中，廢棄物的資源化利用是這個循環中非常重要的環節，中國是農業大國，每年產生大量的農業廢棄物，如何變“廢”為“肥”，是循環農業的關鍵技術之一［3］。農業廢棄物種類和來源很多，并且都含有豐富的碳、氮、磷等營養元素，是農業生產中重要的物質基礎。土壤有機質（SOM）是土壤肥力和基礎地力最重要的物質基礎，也是決定生態系統生產力及其穩定性的土壤關鍵組分［4－6］；有機物質進入土壤后在微生物的作用下轉化形成土壤腐殖質，土壤腐殖質的組成和性質對土壤的物理化學及生物學特性等都有重要影響。腐殖物質（HS）是土壤有機質的主要組成部分，為深色，非均質大分子有機化合物，其結構復雜且含有大量苯環、羧基、羰基等發色團［7－9］。HS按照在酸堿溶液中的溶解度可分為胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）。不同種類的有機物料因品質類型不同，C和N的含量及可利用性亦不同，對微生物所產生的作用必將各異［10－11］，還田之后對于土壤質量的影響必然存在差異性，其結果有待于長期研究。目前國內外研究主要集中在廄肥、作物秸稈施入土壤后對HS的影響，而對不同來源農業有機廢棄物對黑土HS的影響研究較少。因此本文以農業循環利用為指導，選取具有代表性的秸稈、牛糞、雞糞、菌渣、樹葉5種有機廢棄物與化肥配施進行腐解培養還田試驗，研究3a后其對黑土HS中HA、FA以及HM元素組成的影響，以期為促進農業廢棄物的循環利用提供實例驗證和理論支撐。

1材料與方法

1．1供試土壤試驗在吉林農業大學資源與環境學院培養試驗場網室中進行，始于2010年5月，已連續開展了3a。供試土壤為黑土，采自吉林農業大學試驗田。2010年試驗前土壤基本理化性質為：pH6．7，有機質含量20．8g／kg，全氮含量1．2g／kg，堿解氮含量85．34mg／kg，有效磷含量32．45mg／kg，速效鉀含量90．8mg／kg。采樣時間為2013年5月。

1．2試驗設計盆栽試驗采用盆高40cm、平均直徑30cm的塑料盆。將準備好的土壤和有機廢棄物（秸稈、牛糞、雞糞、菌渣、樹葉）風干，并且均過20目篩，測定土壤和有機肥料的含水量。每盆施入風干土14kg（換算成烘干土11．47kg），施入有機物料量（按烘干重計）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，磷酸二銨（含P2O564％）5g／盆，氯化鉀（含K2O60％）7g／盆。試驗設置7個處理，每個處理3次重復，共計21盆。即：（1）對照CK；（2）單施化肥NPK；（3）秸稈配施化肥MS＋NPK；（4）牛糞配施化肥CM＋NPK；（5）雞糞配施化肥CD＋NPK；（6）菌渣配施化肥FD＋NPK；（7）樹葉配施化肥LF＋NPK。供試農業有機廢棄物來源：秸稈選用玉米秸稈（包括葉片莖、稈兩部分）；牛糞為玉米秸稈過腹后廢棄物；雞糞采自吉林農業大學養殖場；菌渣為玉米秸稈培養食用菌后廢棄物；樹葉為秋天落葉。供試化學肥料為吉化公司生產。

1．3分析方法

1．3．1土壤HS各組分的提取和純化主要對HA、FA以及可提取的HM組分即鐵結合胡敏素（HMi）和粘粒結合胡敏素（HMc）進行研究。（1）腐殖質（HE）組分的提取：土壤樣品用蒸餾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轉速下離心15min，共提取3次，此溶液即為可提取腐殖質（HE）；提取殘渣中的腐殖物質為HM。（2）HA和FA的分離：將上述HE提取液中加入0．5mol／LH2SO4調節pH為1．0～1．5，溶液即為粗FA，沉淀即為粗HA。（3）粗HA、粗FA以及HM近一步提取和純化步驟見文獻［12］。

1．3．2測試方法元素組成分析采用德國VARIOELIII型元素分析儀進行測定，應用CHN模式，由于組成腐殖物質的大量元素是C和O，少量元素是H、N，其他元素一般微量。因此，O元素含量用差減法計算，即（O）％＝100％－（C％＋H％＋N％），并用差熱分析的灰分和含水量數據對元素分析數據進行校正。

1．4數據處理數據經Excel2003整理后，采用DPSv7．05統計軟件進行相關分析和Duncan新復極差5％水平的差異顯著性分析。

2結果與分析

2．1不同處理對黑土HA元素組成的影響不同處理HA的元素組成情況見表2。從表2可以看出，不同處理HA的C、H含量變化幅度分別為48．09％～53．71％和4．54％～5．42％。與CK相比，單施化肥處理HA的C元素含量略有降低。各配施處理C元素含量變化情況并不完全相同，其中，CM＋NPK處理提高幅度最大，MS＋NPK處理降低幅度最大，具體表現為：CM＋NPK處理＞CK＞NPK處理＞CD＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞MS＋NPK處理，并且各配施處理之間存在顯著差異水平。HA的H元素含量變化具體情況為CM＋NPK處理提高幅度仍然最大，與其它處理具有顯著差異。LF＋NPK處理次之，MS＋NPK和FD＋NPK處理幾乎持平，略高于CK。CD＋NPK和NPK處理變化相近，表現出降低的趨勢。不同處理HA的N元素含量與CK相比均顯著提高，變化幅度在3．71％～4．48％之間，其中，NPK處理N元素含量比CK提高了4．85％，而5種廢棄物與化肥配施處理均提高了10％以上，除了MS＋NPK處理外，其它各配施處理N元素含量顯著高于NPK處理，并且CM＋NPK和LF＋NPK處理N元素含量顯著高于其它各處理。不同處理HA的O元素含量變化幅度為36．42％～42．19％。與CK相比較，除CM＋NPK處理顯著降低外，單施化肥和其它4種配施處理O元素含量略有升高，具體表現為：MS＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞NPK處理＞LF＋NPK處理＞CK＞CM＋NPK處理。一般認為［H］／［C］和［O］／［C］原子個數比是表征HA縮合度和氧化程度的指標，從表2可知，單施化肥和配施處理［H］／［C］比值均高于CK，具體表現為：CM＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞NPK處理＞CK，說明無論是單施化肥還是廢棄物與化肥配施3a后HA的縮合度均降低，結構變簡單，且牛糞與化肥配施處理作用最大。而［O］／［C］比值則表現為：MS＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞NPK處理＞CK＞CM＋NPK處理，表明除CM＋NPK處理外，其它配施處理3a后均使HA的氧化度略有提高。各處理［C］／［N］比值表現為：CK＞NPK處理＞MS＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞LF＋NPK處理，說明施肥3a后有利于含氮基團的形成［9］，并以樹葉與化肥配施處理作用最大。

2．2不同處理對黑土FA元素組成的影響從表3可以看出，不同處理FA的C元素含量變化幅度為40．09％～45．98％，與CK相比，無論單施化肥還是配施處理C元素含量均升高，并表現為：CM＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞NPK處理＞CK，其中，CM＋NPK和FD＋NPK處理與其它各處理之間差異顯著。不同處理FA的H元素含量變化幅度在3．73％～4．19％之間，除NPK和LF＋NPK處理外，其它各配施處理均使H元素含量提高，各配施處理之間差異并不顯著。不同處理FA的N元素含量變化幅度為3．50％～4．30％，與CK相比，配施處理FA的N元素含量均呈現升高的趨勢，其中FD＋NPK處理提高了22．86％，具有顯著差異水平。不同處理FA的O元素含量變化幅度在45．76％～52．58％之間，具體表現為：CK＞NPK處理＞LF＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CM＋NPK處理，其中，CM＋NPK和FD＋NPK處理變化相似，與其它處理間差異顯著。由表3還可看出，不同處理FA的［H］／［C］比值表現為：CK＞NPK處理＞MS＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞LF＋NPK處理，與CK相比較，單施化肥或是配施3a后對FA縮合度變化并不明顯。對于［O］／［C］比值則表現為：CK≈NPK處理＞LF＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CM＋NPK處理，這表明與CK相比，各處理施用3a后均使FA氧化度降低。不同處理［C］／［N］表現為：CK＞NPK處理＞CM＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞FD＋NPK處理，說明菌渣與化肥配施3a后更有利于含氮基團形成。

2．3不同處理對黑土HMi元素組成的影響不同處理HMi的元素組成情況見表4。從表4可以看出，不同處理HMi的C元素含量變化幅度為43．71％～45．49％，與CK相比，除NPK和CD＋NPK處理C元素含量略有升高外，其它各處理均不同程度降低，其中，NPK處理提高了1．12％，CD＋NPK處理提高了0．27％，MS＋NPK、CM＋NPK、FD＋NPK和LF＋NPK處理分別降低了2．81％，0．89％，1．90％和0．43％。不同處理HMi的H元素含量變化幅度在4．26％～5．02％之間，表現為：CK＞NPK處理＞LF＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞CD＋NPK處理，CK與各施肥處理之間差異顯著。不同處理HMi的N元素含量變化幅度為2．71％～3．18％，其中NPK、MS＋NPK和LF＋NPK處理N元素含量均低于CK，MS＋NPK處理降低幅度最大為8．29％，而CM＋NPK、CD＋NPK和FD＋NPK處理均高于CK，CD＋NPK處理增加幅度最大為7．68％。不同處理HMi的O元素含量變化幅度在46．92％～48．90％之間，各配施處理O元素含量均高于CK，具體表現為：MS＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞CK＞NPK，且各處理間差異顯著。不同處理HMi的［H］／［C］比值表現為：CK＞MS＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞NPK處理＞FD＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞CD＋NPK處理，與CK相比，無論單施化肥處理還是配施處理3a后HMi縮合度均不同程度提高，結構變復雜。對于［O］／［C］比值則表現為：MS＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞CK≈NPK處理，這表明與CK相比，各配施處理3a后均使HMi氧化度提高。不同處理［C］／［N］表現為：LF＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞NPK處理＞CK＞CM＋NPK＞FD＋NPK處理＞CD＋NPK處理，說牛糞、菌渣和雞糞與化肥配施處理3a后有利于含氮基團形成。

2．4不同處理對黑土HMc元素組成的影響表5為不同處理HMc的元素組成情況，其中C元素含量變化幅度為45．56％～49．75％，并且表現為：CD＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞LF＋NPK處理＞NPK處理＞CK，各處理之間差異顯著。不同處理HMc的H元素含量變化幅度在4．10％～4．59％之間，與CK相比，無論單施化肥還是配施處理H元素含量均呈現出降低的趨勢，并且各配施處理間差異不顯著，其中，NPK處理降低幅度最小，僅為3．70％，而各配施處理大約降低10％左右。不同處理HMc的O元素含量變化幅度為41．64％～46．12％，具體表現為：CK＞NPK處理＞LF＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞CD＋NPK處理，且各配施處理間差異顯著。不同處理HMc的N元素含量變化幅度在3．73％～4．50％之間，與CK相比，無論單施化肥還是配施處理N元素含量均升高，其中CM＋NPK、CD＋NPK和FD＋NPK處理與CK具有顯著差異。由表也可知，各處理［H］／［C］和［O］／［C］比值均低于CK，并且表現出相似的變化趨勢，具體情況為：CK＞NPK處理＞LF＋NPK處理＞FD＋NPK處理＞MS＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞CD＋NPK處理，說明有機廢棄物與化肥配合施用3a后使HMc縮合度提高，氧化度略有降低，以雞糞和牛糞與化肥配施處理作用最大。不同處理［C］／［N］表現為：CK＞LF＋NPK處理＞NPK處理＞MS＋NPK處理＞CM＋NPK處理＞CD＋NPK處理＞FD＋NPK處理。

3討論

元素組成分析是判別有機質結構和特性最簡單、最重要的方法之一。通過對HS中HA、FA以及HM的元素組成和H／C、O／C及C／N等比例可以判斷有機質的可能組成與結構［13］。Andreia等［14］認為H／C原子數的比值可以表征腐殖質分子的芳香度和脂肪度，其比值越小，意味著結構的不飽和程度和芳香度越高，否則，表明結構的脂肪化程度越高。O／C原子數量比越大，反映了有機物中含有更多羧基、酚基官能團或者碳水化合物，C／N原子數比與腐殖酸的腐殖化程度相關，其值越高，則腐殖化程度越低。Brunetti等［15］的研究顯示有機肥可提高胡敏酸的H、N、S元素含量，降低O元素含量；朱青藤等［16］的研究結果表明有機培肥后HA的C、H、N、S等元素含量顯著提高，而O元素含量以及H／C和O／C降低。本試驗中廢棄物作為有機物料與化肥配施3a后，除牛糞與化肥配施處理外，黑土HA的N、H和O元素含量與對照和單施化肥相比較均顯著提高，而C元素含量均有所下降，可見單施化肥處理對HA的元素組成影響較小，而配施處理具有顯著影響。各配施處理之間存在明顯差異，這可能是由于有機物料種類、土壤類型不同造成的［17］。進一步分析HA的［H］／［C］和［O］／［C］原子個數比發現，各配施處理與對照相比均有所增加，表明有機物料施入土壤后，降低了HA的縮合度，提高了HA的氧化程度。［H］／［C］比值提高的幅度不是很大，可以認為各配施處理碳上的質子不飽和程度的變化并不是十分顯著，且本試驗中各處理N元素含量明顯高于對照，表明碳原子上的質子被氮原子取代導致比值變化不大。Plaza等［18］研究表明，施用有機物料后土壤FA的C元素含量提高，N、S、C／N基本不變或是略有升高，而O元素含量降低。但是，Garcia－Gil等［19］研究則表明土壤培肥后，與對照相比，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，對于C／N和O／C比值來說基本上保持不變。綜合2種試驗結果表明HS的組成受有機物料種類及土壤類型影響，本試驗中不同種類農業廢棄物與化肥配施對FA組成的影響亦證明這點，并且通過FA的C、H、N和O元素含量變化可以發現CM＋NPK和FD＋NPK處理對黑土富里酸元素組成的影響具有相似性。進一步分析FA的［O］／［C］原子個數比值不難看出均小于對照處理，說明廢棄物與化肥配施處理的烷氧基和羧基減少，而且相對應處理HA的［O］／［C］原子個數比均小于FA，可知FA中含有較多的烷氧基和羧基［20］。HM是土壤中穩定的腐殖質組分，對營養元素（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機物（肥）料對土壤HM組成元素的含量存在一定影響［22］。本試驗結果也表明不同有機廢棄物與化肥配施對黑土HM的元素組成有顯著影響。與CK相比，有機廢棄物與化肥配施使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，說明有機廢棄物與化肥配施后新形成的HM主要與粘粒相結合，而與鐵氧化物結合的相對少。

4結論

通過3a盆栽培養試驗，以CK和NPK作為對照，研究了5種具有代表性的農業有機廢棄物（秸稈、牛糞、雞糞、菌渣、樹葉）與化肥配施后對黑土腐殖質HA、FA和HM元素組成的影響，并對其［H］／［C］、［O］／［C］及［C］／［N］原子個數比的變化進行分析，得出結論為：（1）單施化肥處理并沒有對黑土腐殖質組成元素的含量產生明顯影響，而5種不同種類有機廢棄物與化肥配施對HA、FA以及HM元素組成影響很大并且存在差異。具體說來，配施處理可提高HA的N、H和O元素含量，降低C元素含量，各處理之間差異顯著，其中，牛糞與化肥配施處理表現出不同的結果。（2）各有機廢棄物與化肥配施可以降低HA的縮合度，使其結構變簡單，并有利于HA中含氮基團的形成。配施處理可以使FA的C和N元素含量提高，而使O元素含量降低，其中，牛糞和菌渣與化肥配施處理對FA的元素組成影響具有相似性。（3）無論單施化肥處理還是配施處理HA的［O］／［C］原子個數比均小于FA，說明FA中含有較多的烷氧基和羧基。（4）配施處理使HMi的H元素含量降低，而O元素含量升高，并且各配施處理表現出差異性；同時提高了HMc的芳香度，使其結構變復雜。綜上所述，5種有機廢棄物與化肥配施均對黑土腐殖質元素組成產生了一定的影響，且顯著優于單施化肥，具有良好的培肥效果。由此，農業廢棄物得到合理有效的利用同時又帶來一定的經濟和生態效益。

作者：趙欣宇 吳景貴 劉文利 曲曉晶 單位：吉林農業大學資源與環境學院，長春