煤炭腐植酸作为土壤改良剂对土壤物理性质和小麦产量的影响

煤炭腐植酸作为土壤改良剂对土壤物理性质和小麦产量的影响_2015年论文集

煤炭腐植酸作为土壤改良剂对土壤物理性质和小麦产量的影响

Ijaz Ahmad1　Safdar Ali1　Khalid Saifullah Khan1　Fayyazul Hassan2　Kashif Bashir1　著　何一通3　孙志梅3　译

(1　巴基斯坦拉瓦尔品第PMAS干旱农业大学土壤和土壤水资源保护学院　拉瓦尔品第　46000

2　巴基斯坦拉瓦尔品第PMAS干旱农业大学农学院　拉瓦尔品第　46000

3　河北农业大学资源与环境科学学院　保定　071000)

摘　要：在巴基斯坦旁遮普的波特瓦地区(33°N，74°E)，集约化土壤耕作，土壤侵蚀和低量作物残体的投入是导致土壤结构退化的主要原因。结构不稳定的土壤很容易受到侵蚀，反过来，土壤侵蚀又会造成作物产量的下降。因此，为了改善土壤的物理性状，在巴基斯坦旁遮普的干旱地区进行了田间试验。试验地点位于大学研究农场(拉瓦尔品第PMAS干旱农业大学)的园区内。2种不同等级(实验室级和商品级)的腐植酸(HA)各分8个水平，施用2年，处理分别为HL0(对照，不施腐植酸)，HL1 10kg HA/ha，HL2 20kg HA/ha，HL3 30kg HA/ha，HL4 60kg HA/ha，HL5 90kg HA/ha，HL6 120kg HA/ha和HL7 150kg HA/ha，各处理同时配合施用N-P-K 120-90-60kg/ha。试验期间，检测土壤总有机碳、饱和导水率、团聚体稳定性、容重、土壤含水量和作物产量。试验结果表明，腐植酸能通过影响土壤总有机碳、饱和导水率、团聚体稳定性、容重和土壤含水量等指标来改善土壤的物理性状。2年试验结果均表现为，实验室级的腐植酸比商品级的腐植酸能更好的改善土壤物理性状，从而提高小麦产量。2种不同级别的腐植酸各施用水平与对照相比，差异均达到显著水平。在120kg/ha和150kg/ha的腐植酸施用水平下，大多数指标均显示出了相似的结果，因此，从经济角度考虑，120kg/ha的腐植酸用量为最佳施用量。

关键词：实验室级腐植酸　饱和导水率　团聚体稳定性　土壤有机碳　小麦产量

Use of Coal Derived Humic Acid as Soil Conditioner to Improve Soil Physical Properties

andWheat Yield

Ijaz Ahmad1,　Safdar Ali1,　Khalid Saifullah Khan1,Fayyazul Hassan2,　Kashif Bashir1 write,

He Yitong3,Sun Zhimei3　translate

(1 Department of Soil Science and SoilWater Conservation,Faculty of Crop and Food Sciences,PMAS- Arid

Agriculture University Rawalpindi,Pakistan,Rawalpindi,46000

2 Department of Agronomy,Faculty of Crop and Food Sciences,PMAS- Arid Agriculture University,Rawalpindi,

46000

3 College of Resources and Environmental Sciences,Agricultural University of Hebei,Baoding,071000)

Abstract: In Pothwar area of Punjab Pakistan (33º N to 74º E),intensive soil tillage,soil erosion and low crop residue input are the reasons which have lead to the deterioration of soil structure.Structurally unstable soils are more susceptible to erosion which,in turn,leads to poor crop productivity.Therefore,a field study was conducted in dry land region of Punjab,Pakistan to improve soil physical health at campus of University Research Farm (PMAS Arid Agriculture University,Rawalpindi).Two different grades (Laboratory and commercial grade)of humic acid along with eight levels were applied for two years.The treatments were HL0 (control),HL1 10kg HA/ha,HL2 20kg HA/ha,HL3 30kg HA/ha,HL4 60kg HA/ha HL5 90kg HA/ha,HL6 120kg HA/ha,and HL7 150kg HA/ha with a basal recommended doseof N-P-K(120-90-60kg/ha).Soil parameters such as total organic carbon,saturated hydraulic conductivity,aggregate stability,bulk density,soil water contents and grain yield were recorded.Results showed that humic acid improved the soil physical health in terms of total organic carbon,aggregate stability,saturated hydraulic conductivity,bulk density and soil water contents.Laboratory grade humic acid improved physical properties more as compared to commercial grade humic acid for the wheat production by improving soil health during both the years.Differences among applied levels of both grades of humic acid were statistically significant than control.Most of the parameters showed similar results at 120 and 150kg/ha applied levels of humic acid,so 120kg/ha dose rate is an economical level of humic acid than 150kg/ha level.

[收稿日期]2015-11-05

[作者简介]何一通，男，1992年生，硕士研究生，主要从事植物营养与高效施肥技术研究，E-mail：hoyt@live.cn。

Key words: laboratory grade humic acid;saturated hydraulic conductivity;aggregate stability;soil organic carbon;wheat production

在过去的50年里，土壤肥力问题一直备受关注。因为从绿色革命开始，肥料、肥力、促进作物生长和提高产量一直是主要的焦点问题。化学肥料养分含量高，并且能快速提高作物产量。尽管化肥已被农民普遍接受，但是农民负担不起其较高的费用。此外，化学肥料中的速效养分可能还会导致环境污染、过量养分在土壤中的淋失和固定等一些问题的出现。在巴基斯坦，每年消耗的化学肥料(以养分形态计)大约为554万吨N，124万吨P和4万吨K。这表明，每年仍需要大量化学肥料的投入，而这需要大量的投资。不断增长的无机肥料的施用导致了土壤的退化。巴基斯坦被侵蚀的土地面积由1998年的11.1×106　ha增加到了2007的45.12×106　ha。这表明，由于缺乏有机物质的投入，仅10年间被侵蚀的土地面积就增加了4倍。

具有适宜的物理、化学、生物学性状的肥沃土壤是作物高产的必要条件，因而许多有机和无机的改良剂被应用以提高土壤的生产力。近些年来，人们对于用腐植酸产品改良土壤以提高土壤生产力的兴趣越来越浓。

腐植酸是土壤有机碳的重要组成部分，也是维持土壤肥力的重要因素。作为有机肥料的主要成分，腐植酸具有提供养分，改善土壤团粒结构，促进微生物多样性的作用。从有机原料中提取的腐植酸，在农业中大多数被用作生物肥料和土壤改良剂。由于腐植酸的来源、合成方式和分子结构的不同，其施用后对土壤物理、化学性质的影响也不同。

腐植酸自然状态下常见于褐煤中，含量可达褐煤总量的10%～80%。此外，腐植酸中含有较多的水分、灰分、硫和挥发性物质，一般依褐煤熟化程度的不同而有所差异。巴基斯坦丰富的褐煤资源(5.48亿吨)主要蕴藏在俾路支省(March，Duki)，信德省(Pir Ismail,Khost-Harnai,Dahlol,Meting-Jhumpir,Lakra,Sonda-Thatta,Makarwal)和旁遮普省(Sor-Range,Salt-Range,Surghar-Range)。在有机质缺乏的土壤中施用腐殖物质作为土壤调节剂，能够增强土壤的保肥性，促进土壤有益微生物的活性，从而对土壤的物理性质产生积极影响。

尽管天然的腐殖物质对土壤肥力和作物产量的影响已有大量文献报道，但是关于腐殖物质，特别是褐煤腐植酸，在雨养/旱作条件下对土壤性质的影响研究报道还很少。

本文从以下2个方面进行研究：(i)褐煤提取腐植酸对供试土壤物理性质的影响。(ii)施用腐植酸对小麦产量的影响。

1　材料与方法

本研究采用田间试验的方法，在拉瓦尔品第干旱农业大学的试验农场进行。供试土壤为砂质粘壤土，非盐渍(EC=0.31 ds/m)，且非石灰性(pH=7.7)土壤。土壤的容重和总有机碳含量分别为1.4　g/cm3和0.6%。使用实验室煤提取的腐植酸和商品煤提取的腐植酸2种不同等级的腐植酸，均设置8个施用水平，分别为0，10，20，30，60，90，120，150kg/ha。3次重复，完全随机区组排列。在收获前和收获后分别取土壤样品分析土壤的物理、化学性质。

各指标的测定方法如下：总有机碳的测定，用过量的K2Cr2O7氧化滴定法；饱和导水率用Guelph入渗仪(5cm和10cm heads)测定，入渗符合Darcy’s规则；团聚体稳定性的测定，干团聚体(1～2mm)用尤德式筛分机掺水过滤，稳定团聚体烘干称重；容重的测定方法，土壤样品(98cm3)在105℃下烘干、称重(容重=质量/体积)；重量含水量的测定：土壤含水量=水的质量/土样的质量。

全部数据用统计软件(statix 8.1)进行统计分析，平均值进行LSD检验分析(P<0.05)。

2　结果与讨论

2.1　不同级别和水平的腐植酸对小麦产量的影响

第一年(2011-2012)研究结果显示，90kg/ha的腐植酸施用水平下小麦产量最高，为3.24t/ha；其次是120kg/ha的水平，小麦产量3.09t/ha；二者与对照相比，小麦产量分别提高了9.86%和4.51%(表1)。2种不同等级的腐植酸之间统计分析差异显著，在2011-2012年，施用实验室级腐植酸比商品级腐植酸小麦增产2.97%。

不同施用水平的腐植酸对于小麦产量影响的统计结果如表1所示。在2012-2013年，最高的小麦产量出现在120kg/ha水平(3.43t/ha)，其次是90kg/ha水平(3.39t/ha)，与对照相比，分别增产11%和9.71%。2种不同等级的腐植酸之间统计差异显著，施用实验室级腐植酸比商品级腐植酸小麦增产2.81%。

表1　不同级别和施用水平的腐植酸对小麦产量的影响
Tab.1 Grain yield as affected by humic acid levels and grades　t/ha

从不同有机原料中提取的腐植酸大多应用在农业上，可以提高土壤养分的有效性和酶活性，从而提高植物细胞膜的渗透性和根的呼吸速率，进而提高作物产量。有研究表明，有机肥料的主要成分也即腐植酸，同样能够提供养分、改善土壤团粒结构、促进微生物的多样性和活性，并提高作物产量。

2.2　不同级别和水平的腐植酸对土壤有机碳的影响

第一年(2011-2012)研究结果表明，150kg/ha的腐植酸施用水平下，土壤有机碳含量最高，为8.17g/kg；其次是120kg/ha水平，有机碳含量为8.g/kg；分别比对照增加35.04%和32.23%(表2)。在第二年(2012-2013)研究中，土壤有机碳含量最大值同样出现在150kg/ha的水平，为8.79g/kg；其次是120kg/ha水平，为8.69g/kg；二者分别比对照增加47.23%和45.56%。此外，在2年的试验中，实验室级腐植酸与商品级腐植酸均表现出了显著差异。因为自然状态下的腐植酸主要成分是碳，所以施用腐植酸能帮助提高土壤有机碳含量。而且，因为其化学结构的特殊性能抵御微生物的分解，从而可有效防止碳的分解和矿化。

表2　不同级别和水平的腐植酸对土壤总有机碳含量的影响
Tab.2 Total soil organic carbon as affected by humic acid levels and grades　g/kg

2.3　不同级别和水平的腐植酸对土壤团聚体稳定性的影响

研究结果表明，不同的腐植酸施用水平下土壤团聚体稳定性差异显著。最高的团聚体稳定性出现在150kg/ha水平(27.12%)，其次是120kg/ha(24.0%)和90kg/ha(21.32%)，最低的团聚体稳定性为对照(17.55%)。150、120和90kg/ha水平下的土壤团聚体稳定性分别比对照提高了54.8%，37.2%和21.7%(表3)。2种级别的腐植酸差异显著，在第一年(2011-2012)的研究中，实验室级腐植酸处理的团聚体稳定性比商品级腐植酸处理提高了5.8%。

第二年(2012-2013)的试验结果同样表现为150kg/ha水平的土壤团聚体稳定性最高，为31.58%；其次为120kg/ha水平(30.66%)和90kg/ha水平(27.59%)；最低的团聚体稳定性为对照(18.97%)。150、120和90kg/ha水平下的团聚体稳定性分别比对照提高了66.47%，61.62%和45.44%。同样，2种级别的腐植酸差异显著，实验室级腐植酸处理的土壤团聚体稳定性比商品级处理提高了6.83%。

土壤结构的发育程度经常通过土壤团聚体的稳定性来判断。团聚体的稳定性和土壤有机碳含量密切相关。有研究表明，团聚体的稳定性越低，土壤的有机碳水平也越低，并对植物的生长发育产生影响。来源于有机原料的土壤改良剂能增加土壤中的总有机碳含量。由于施用腐植酸而使得土壤团聚体稳定性也较高的处理，土壤有机碳含量也高。在团聚体稳定性和总有机碳含量间表现出很强的正相关关系(r=0.64)(表4)。多价阳离子络合在土壤粘粒和腐植酸含氧官能团表面，包围着土壤团聚体周围的疏水成分。这种疏水作用减少了土壤颗粒在水中的崩解，因此有助于保持团聚体的稳定性和减少水土流失。有研究表明，腐植酸是土壤有机质最重要的成分，并且能改善土壤团聚结构，是保持土壤的重要因素。在土壤中加入富里酸和胡敏酸的混合物能明显增加土壤团聚体。从不同有机原料中提取的腐植酸，大多作为生物肥料和土壤调节剂用在农业上，从而对土壤物理性质产生积极影响。

表3　不同级别和水平的腐植酸对土壤团聚体稳定性的影响
Tab.3 Soil aggregate stability as affected by humic acid levels and grades　%

表4　不同土壤参数的相关性
Tab.4 Correlation among different soil parameters

2.4　不同级别和水平的腐植酸对土壤饱和导水率的影响

第一年(2011-2012)试验结果表明，120kg/ha腐植酸施用水平下的饱和导水率为66.67mm/hr；其次是150kg/ha水平，饱和导水率为65.96mm/hr；与对照相比，二者的饱和导水率分别提高了91.41%和89.37%(表5)。10kg/ha腐植酸施用水平的饱和导水率最小为30.94mm/hr。总体来看，实验室级腐植酸处理的饱和导水率显著高于商品级腐植酸处理。

第二年(2012-2013)试验结果表明，仍以120kg/ha腐植酸施用水平的土壤饱和导水率最高，为55.1mm/hr；其次是90kg/ha施用水平的处理，土壤饱和导水率为53.14mm/hr；二者分别比对照提高了25.76%和21.26%。20kg/ha水平的土壤饱和导水率最小(42.5　mm/hr)。

土壤总有机碳含量的增加和团聚体稳定性的改善提高了土壤的饱和导水率。在较高的腐植酸施用水平下，土壤总有机碳含量和团聚体稳定性提高，较高的饱和导水率也随之出现。相关分析表明，有机碳含量(r=0.82)和团聚体稳定性(r=0.61)与饱和导水率呈正相关关系。

表5　不同等级和水平的腐植酸对土壤饱和导水率的影响
Tab.5 Saturated hydraulic conductivity as affected by humic acid levels and grades　mm/hr

2.5　不同级别和水平的腐植酸对土壤容重的影响

2011-2012年的试验结果表明，对照的土壤容重最高，为1.61g/cm3；其次是10kg/ha腐植酸施用水平的处理，土壤容重为1.57g/cm3。150kg/ha处理的容重最低为1.46g/cm3，120kg/ha水平下容重为1.48g/cm3，二者分别比对照降低了9.31%和8.0%(表6)。但2种级别的腐植酸对土壤容重的影响没有表现出显著差异。

第二年(2012-2013)的研究结果表明，仍以对照组土壤容重最高，为1.53g/cm3；120kg/ha水平的土壤容重次之，为1.42g/cm3；150kg/ha水平的容重最低，为1.38g/cm3；二者分别比对照降低了7.18%和9.8%。2种级别的腐植酸之间同样没有显著差异。

由皮尔逊相关系数r值可以看出，土壤容重与团聚体稳定性和土壤总有机碳含量表现出显著的负相关关系(表4)。这说明随着有机碳含量的增加和土壤团聚体稳定性的改善，土壤容重明显下降。使用腐植酸作为土壤有机碳源，可通过改善土壤团聚体稳定性、减小土壤紧实度，从而降低土壤容重，改善土壤物理状况，并最终改善土壤水分的入渗性能。也有研究表明，腐植酸的施用使得土壤容重下降，土壤有机碳含量增加，二者表现出显著线性相关。

2.6　不同级别和水平的腐植酸对土壤重量含水量的影响

根据2011-2012年腐植酸对重量含水量的影响数据显示，最大重量含水量(6.10%)出现在150kg/ha水平，其次为120kg/ha水平和90kg/ha水平(表7)。

2012-2013年的试验结果同样表现为150kg/ha腐植酸施用水平的土壤重量含水量最大，为6.49%；其次是120kg/ha水平(6.42%)和90kg/ha水平(5.65%)；最小重量含水量为对照(3.83%)。150、120和9g/kg水平的土壤重量含水量与对照相比分别提高了69%、67.6%和47.5%。而且2年的试验结果均显示，实验室级腐植酸处理的土壤重量含水量显著高于商品级腐植酸的处理。

对土壤重量含水量与团聚体稳定性、土壤有机碳和土壤容重进行相关分析，结果表明，皮尔逊相关系数分别为0.51、0.53和0.36(表4)。有研究表明，在烟草种植区，腐植酸的施用可降低土壤容重，改善土壤孔性，并最终对土壤物理性质产生影响，土壤保水能力明显增强。

表6　不同等级和水平的腐植酸对容重的影响
Tab.6 Bulk density as affected by humic acid levels and grades　g/cm3

表7　不同等级和水平的腐植酸对土壤重量含水量的影响
Tab.7 Gravimetric water contents as affected by humic acid levels and grades　%

3　结论

本研究结果表明，腐植酸的施用能通过提高土壤总有机碳含量、改善团聚体稳定性、降低土壤容重和增加土壤饱和导水率等来改善土壤的物理性质，并提高小麦产量。2年的研究结果表明，实验室级腐植酸在提高小麦产量和改善土壤健康状况方面优于商品级腐植酸。2种级别的腐植酸不同施用水平与对照相比均差异显著。多数指标在120和150kg/ha的腐植酸施用水平下表现出相似的结果，因此，从经济角度考虑，相比150kg/ha的施用水平，120kg/ha的腐植酸施肥水平为最佳。本研究结果为科学界今后利用腐植酸改善土壤物理状况和提高作物产量提供了参考。

参考文献(略)

译自：International Journal of Plant &Soil Science，2015，5(5)：268～275。