全 文 ：长期施肥对红壤和黑土硫形态演变的影响*
许摇 闯1,2 摇 王松山2 摇 李菊梅3 摇 马义兵3 摇 孙文涛1 摇 罗摇 磊2 **摇 张淑贞2
( 1沈阳农业大学土地与环境学院, 沈阳 110866; 2中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室, 北
京 100085; 3中国农业科学院农业资源与农业区划研究所国家土壤肥力与肥料效益监测站网, 北京 100081)
摘摇 要摇 以红壤和黑土肥力与肥料效益监测站土壤为研究对象,研究了长期(21 年)不同施
肥(不施肥对照、施用氮磷钾、氮磷钾配施有机肥)处理下,表层(0 ~ 20 cm)和亚表层(20 ~
40 cm)土壤硫素形态组成、分布及演变规律. 结果表明: 长期施用化肥及化肥配施有机肥处
理下,表层土壤全硫比对照分别增加 42% 、33% (红壤)和 6% 、76% (黑土);除红壤氮磷钾处
理外,亚表层土壤全硫受施肥影响较小,且明显低于相应表层土壤.有效硫和盐酸可提取态硫
分别为红壤和黑土中的主要无机硫形态.施用化肥及化肥配施有机肥的红壤表层有效硫比对
照分别增加了 447%和 102% ,并促进了有效硫向亚表层的迁移、累积;而施用化肥及化肥配
施有机肥处理的黑土表层有效硫仅比对照分别增加 54%和 93% ,其对亚表层土壤有效硫的
影响也不大.有机硫形态在两种土壤中都以酯键硫和残渣态硫为主.长期施肥影响下的表层
和亚表层土壤中残渣态硫含量比对照分别增加了 32%和 55%以上;土壤中性质相对活跃的
酯键硫和碳键硫受施肥影响不显著,而与土壤有机碳含量呈显著正相关关系(P<0. 05) . 此
外,长期施肥试验表明大气硫沉降对土壤硫素输入的影响值得重视.
关键词摇 硫摇 形态摇 土壤摇 分组分析摇 长期施肥
*国家自然科学基金项目(21277157,41023005)资助.
**通讯作者. E鄄mail: leiluo@ rcees. ac. cn
2013鄄07鄄11 收稿,2014鄄01鄄10 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)04-1069-07摇 中图分类号摇 S158摇 文献标识码摇 A
Effects of long鄄term fertilization on evolution of S forms in a red soil and a black soil. XU
Chuang1,2, WANG Song鄄shan2, LI Ju鄄mei3, MA Yi鄄bing3, SUN Wen鄄tao1, LUO Lei2, ZHANG
Shu鄄zhen2 ( 1 College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang
110866, China; 2State Key Laboratory of Environmental Chemistry and Ecotoxicology, Research
Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
3National Soil Fertility and Fertilizer Effects Long鄄term Monitoring Network, Institute of Agricultural
Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(4): 1069-1075.
Abstract: Sulfur (S) forms in two contrasting soils ( a red soil and a black soil) under different
long鄄term fertilization treatments (from 1990 to 2011) from the National Long鄄term Monitoring Net鄄
work of Soil Fertility and Fertilizer Effects of China were investigated using a fractionation scheme in
order to explore the distribution and transportation of S with different forms in the soils. The soil
samples were collected from the topsoil (0 -20 cm) and subsoil (20-40 cm) horizons that were
treated with no fertilizers (CK), nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizers (NPK), or NPK
plus organic manures (MNPK) since 1990. The results indicated that when compared with the CK,
total S contents in the topsoil layers treated with NPK and MNPK were increased by 42% and 33%
for the red soil, and by 6% and 76% for the black soil, respectively, while the total S in the sub鄄
soil layer was less affected by the fertilization treatments and obviously lower than in the topsoil layer
except for the red soil treated with NPK. The main forms of inorganic S in the red soil and black soil
were found to be available S and HCl鄄extracted S, respectively. The application of NPK and MNPK
increased the available S by 447% and 102% in the topsoil layer of the red soil compared with CK,
and facilitated the transportation of available S into the lower depth. In contrast, NPK and MNPK
only increased the available S by 54% and 93% in the topsoil layer of the black soil, and showed a
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 4 月摇 第 25 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2014, 25(4): 1069-1075
slight influence on available S in the subsoil. The organic S forms were predominantly composed of
ester S and residual S in the two soils. Under long鄄term fertilization, the residual S significantly in鄄
creased over 32% and 55% in the topsoil and subsoil layers, respectively, compared with CK. The
ester S and carbon鄄bonded S, which were relatively active, were less affected by the fertilization
treatments, but positively related to the level of organic carbon in each soil (P<0. 05). In addi鄄
tion, the results from the long鄄term experiments indicated that the contribution of S input from at鄄
mospheric deposition was significant and should not be neglected.
Key words: sulfur; form; soil; fractionation; long鄄term fertilization.
摇 摇 硫素是继氮、磷、钾之后位居第四重要的植物必
需的营养元素[1],植物生长所需的硫素主要由土壤
直接提供.近年来,随着农作物复种指数提高、产量
增加,含硫少的高浓度复合肥的发展,有机肥的施用
减少,以及大气硫排放量和含硫农药使用的减少,导
致土壤含硫量逐年下降[1-2] . 20 世纪 90 年代土壤学
家通过对我国土壤供硫现状进行系统调查指出,南
方 10 省土壤有效硫含量低于土壤缺硫临界值
(12 mg·kg-1) [3-4]的土样约占总数的 26. 5% ,而北
方 11 省土壤有效硫含量低于缺硫临界值的土样占
总数的 30. 3% [5] .土壤硫素供给已经成为提高农作
物产量、改善其品质及提高肥料利用率的限制因
素[1,6] .为了保证我国农业可持续稳定发展、提高土
壤硫素生物有效性,需要深入了解土壤供硫状况,并
对土壤硫素形态、分布及长期演变规律等进行研究.
土壤中的硫可分为无机硫和有机硫两大部分,
表层土壤中大部分硫以有机形态(>90% )存在[7-8] .
而植物可利用的有效态硫主要包括水溶态硫、吸附
态无机 SO4 2-及部分可活化的有机硫[8] . 作为植物
有效硫的重要来源,土壤有机硫必须经过微生物的
分解,转化为无机 SO4 2-形态才能被植物吸收利用.
因此,硫素在土壤中的形态分布、演变规律日益受到
广泛关注[2,8-9] .但是,目前国内研究多局限于对某
一地区硫素形态分布水平的调查[10-11],关于长期施
肥土壤中硫素形态分布、演变及相关影响因素的研
究还很缺乏.本文选择我国农业生产最为重要、两种
理化性质差异较大的红壤和黑土为对象,研究长期
施肥条件下两种土壤硫素形态分布和转化规律,揭
示影响土壤形态演变的关键因素,以期为深入认识
土壤硫素生物有效性、合理调控土壤硫素水平、科学
理解硫素地球化学循环过程提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 采样地点与试验设计
供试土壤于 2011 年 10 月分别采自湖南祁阳红
壤肥力与肥料效益监测站和吉林公主岭黑土肥力与
肥料效益监测站,分别代表我国南、北方最重要的两
种农田土壤类型.监测站区域气象条件可参见马义
兵等[12]的文献.监测站试验均起始于 1990 年,红壤
耕作制度为小麦鄄玉米轮作,黑土为一年一熟玉米
连作.
本研究土样选自 3 种施肥处理试验小区:不施
肥(CK)、施用氮磷钾肥(NPK)及氮磷钾肥配施有机
肥(MNPK).以梅花取样法采集表层(0 ~ 20 cm)和
亚表层(20 ~ 40 cm)2 个深度土壤样品;同时选择
1990 年采集的基础土壤作为对照.红壤所施用氮磷
钾化肥、有机肥分别为尿素(300 kg N·hm-2)、过磷
酸钙(52. 4 kg P·hm-2 )、氯化钾 (99. 5 kg K·
hm-2)和猪粪(40 t·hm-2,干质量);黑土所施用氮
磷钾化肥、有机肥分别为尿素(165 kg N·hm-2)、磷
酸二铵 (36 kg P· hm-2 )、硫酸钾 (68. 5 kg K·
hm-2)和猪厩肥(23 t·hm-2,干质量).
1郾 2摇 分析方法
土壤样品自然风干后,分别过 0. 85 和 0. 15 mm
筛(全量及分组分析用).土壤基本性质测定主要参
考文献[13]:土壤 pH 采用水浸法(1 颐 2. 5, W / V)
测定,有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定,全硫
采用王水(HCl 颐 HNO3 =3 颐 1)消解、ICP鄄AES 测定,
全磷采用碱熔鄄钼锑抗比色法测定,全氮采用微波消
解凯氏定氮法测定.
土壤硫素形态分组分析方法主要参考 Hu
等[14] 和 Tabatabai[15] 的文献,并略作调整,简述
如下:
1)无机硫形态采用连续分级提取方法:水溶态
及吸附态硫采用 0. 016 mol·L-1 KH2PO4(pH 7. 0)
浸提[3,9],提取液中 SO4 2-即土壤有效硫含量利用离
子色谱(Dionex DX 500)测定;提取后土壤残渣采用
1. 0 mol·L-1 HCl 浸提,并加入 100 mg 无硫活性炭
(以消除 HCl浸提出有机硫),提取液利用 ICP鄄AES
测定,得到盐酸可溶态无机硫(HCl鄄S)含量.以上浸
提均在同一条件下进行:土液比 1 颐 5(W / V),室温
振荡 1 h,4500 r·min-1离心 15 min,过 0. 45 滋m 的
0701 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
醋酸纤维膜.
2)有机硫形态分析采用改装后的 Johnson鄄Nish鄄
ita(J鄄N)蒸馏装置测定.其中酯键硫(C鄄O鄄SO3)采用
氢碘酸(HI、HCOOH和 H3PO2混合液比例 4 颐 1 颐 2)
还原法测定;碳键硫(C鄄S)采用 Raney鄄Ni 还原法测
定. J鄄N蒸馏器还原得到的挥发性硫(H2S)用 10 mL
0. 05 mol·L-1 NaOH溶液吸收,待反应完全后,加 2
滴 30% H2 O2将吸收液中 S2-氧化成 SO4 2- [16],用
ICP鄄AES测定吸收液中硫含量.
1郾 3摇 形态分组计算与质量分析
土壤硫素形态分组计算公式:无机硫:水溶性及
吸附态硫(有效硫) = 0. 016 mol·L-1 KH2 PO4浸提
硫(SO4 2-);盐酸可溶态硫 = 1. 0 mol·L-1 HCl 浸提
硫(SO4 2-);有机硫=全硫-无机硫;酯键硫=HI 还原
硫-无机硫;碳键硫 = Raney鄄Ni 还原硫;残渣态硫 =
全硫-(HI还原硫+碳键硫).
为检验利用改装组建 J鄄N蒸馏器进行形态分析
的可靠性,采用 L鄄胱氨酸作为碳键硫的标准化合
物,按照有机硫分析方法进行回收检验,回收率为
(91. 2依2. 9)% ,证明该分析方法是可行的. 所有分
析均设 3 次平行试验.数据的统计与分析采用 Excel
2010 和 SPSS 17. 0 软件进行,用 Duncan多重比较法
进行方差分析,差异显著性水平设为 琢=0. 05.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 长期施肥对土壤性质及全硫含量的影响
供试红壤和黑土分别属于偏酸性的老成土纲
(Ultisol)和富含有机碳的软土纲(Mollisol) . 长期施
肥处理显著改变了土壤理化性质.与对照土壤(CK)
相比,NPK处理表层土壤全氮、全磷含量略有升高,
而有机碳含量变化不大;而 MNPK 处理表层土壤有
机碳及全氮、全磷含量都显著升高(表 1).土壤有机
碳、全氮、全磷含量随土壤深度增加而显著下降. 此
外,由于长期使用化学肥料,两种 NPK处理土壤 pH
趋于降低,而有机肥的施用缓冲了施用化肥所带来
的 pH变化.
黑土全硫含量整体上高于红壤,这可能与黑土
有机碳含量较高有关.相关分析结果显示,供试土样
全硫与有机碳含量呈极显著正相关关系(P<0. 01)
也印证了该推论.长期施用化肥及有机肥都显著增
加了土壤全硫含量(表 1),与 CK 土壤相比,红壤、
黑土表层土样全硫含量分别增加了 33% (MNPK)、
42% (NPK)和 76% (MNPK)、6% (NPK). 这主要是
由于所施过磷酸钙、硫酸钾均含有一定量的硫(分
别为 10%和 18%左右),有机肥含硫量也达 0. 3%
(干基) [17] .通过施肥所带来的硫除了满足作物生长
需要外,剩余硫素将在土壤表层富集、累积,经过长
期施肥试验,使得土壤全硫含量逐渐增加. 除红壤
NPK处理外,亚表层土壤(20 ~ 40 cm)全硫含量受
施肥影响较小,但明显低于表层土样全硫含量,这可
能与土壤全硫分布受土壤有机碳累积的影响有
关[6,9,11] .值得注意的是,与 1990 年基础(表层)土
样相比,CK土壤全硫含量明显升高.
2郾 2摇 土壤无机硫形态分布与累积
由于土壤中非硫酸盐态无机硫及 S2-一般不足
总硫的3% [15] ,本研究在探讨无机硫组分时仅考虑
表 1摇 供试土壤的基本理化性质
Table 1摇 Basic physicochemical properties of the tested soil
土壤类型
Soil type
施肥
Fertilization
土层
Soil depth
(cm)
pH 有机碳
TOC
(g·kg-1)
全硫
Total S
(mg·kg-1)
全磷
Total P
(g·kg-1)
全氮
Total N
(g·kg-1)
红壤 MNPK 0 ~ 20 6. 49b 14. 1a 300b 1. 75a 1. 48a
Red soil 20 ~ 40 6. 28bc 5. 7cd 241c 0. 67c 0. 81c
NPK 0 ~ 20 4. 15d 9. 9b 319b 1. 00b 1. 23ab
20 ~ 40 4. 45d 4. 5d 356a 0. 42d 0. 62d
CK 0 ~ 20 6. 13c 11. 0b 225c 0. 69c 1. 44a
20 ~ 40 5. 87cd 6. 5c 183d 0. 45d 0. 82c
背景值 Background value (1990) 0 ~ 20 6. 94a 10. 5b 196cd 0. 72c 1. 09b
黑土 MNPK 0 ~ 20 7. 24c 26. 2a 606a 1. 84a 2. 76a
Black soil 20 ~ 40 7. 47b 16. 1b 403b 0. 82b 1. 69b
NPK 0 ~ 20 6. 53d 15. 2b 367c 0. 76b 1. 52b
20 ~ 40 6. 72d 10. 4c 335c 0. 52c 0. 99c
CK 0 ~ 20 7. 95a 15. 9b 345c 0. 53c 1. 39bc
20 ~ 40 7. 93a 13. 9bc 323cd 0. 51c 1. 22bc
背景值 Background value (1990) 0 ~ 20 7. 35bc 15. 3b 306d 0. 54c 1. 34bc
MNPK: 有机肥配施氮磷钾 Nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizers plus organic manure; NPK: 氮磷钾 Nitrogen, phosphorus and potassium
fertilizers; CK:不施肥 No fertilization. 相同土壤同列不同字母表示差异显著(P<0. 05) Different letters in the same column for the same soil type in鄄
dicated significant difference at 0. 05 level. 下同 The same below.
17014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 许摇 闯等: 长期施肥对红壤和黑土硫形态演变的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 不同施肥处理下红壤和黑土各组分硫含量
Table 2摇 Contents of sulfur in the red soil and black soil under different fertilization treatments (mean依SD, mg·kg-1)
土壤类型
Soil type
施肥
Fertilization
土层
Soil depth
(cm)
无机硫 Inorganic S
有效硫
Available S
盐酸可提取态硫
HCl鄄S
有机硫 Organic S
碳键硫
C鄄bonded S
酯键硫
Ester鄄S
残渣态硫
Residual鄄S
红壤 MNPK 0 ~ 20 31. 3依2. 1d 14. 6依2. 2a 10. 9依0. 5a 77. 96依9. 3ab 169. 30依11. 6a
Red soil 20 ~ 40 60. 6依2. 9c 8. 8依1. 2b 4. 1依0. 3c 32. 39依1. 5c 135. 03依2. 9b
NPK 0 ~ 20 84. 7依0. 3b 6. 1依1. 1c 11. 1依2. 0a 39. 40依6. 4c 177. 77依11. 2a
20 ~ 40 127. 7依5. 1a 11. 4依0. 9ab 5. 5依1. 2bc 24. 05依0. 3d 187. 42依11. 0a
CK 0 ~ 20 15. 5依1. 5e 9. 4依1. 8ab 8. 0依2. 0ab 74. 40依2. 1b 137. 71依2. 7b
20 ~ 40 30. 9依0. 7d 9. 1依1. 7ab 8. 1依0. 7b 60. 42依2. 0b 84. 50依0. 1c
背景值
Background value (1990)
0 ~ 20 15. 8依1. 6e 13. 8依2. 3a 5. 4依0. 1c 91. 27依5. 8a 69. 67依0. 6d
黑土 MNPK 0 ~ 20 79. 1依1. 1a 119. 4依2. 2b 30. 4依1. 3a 97. 28依2. 8a 279. 83依4. 6a
Black soil 20 ~ 40 57. 0依2. 1b 95. 0依1. 5c 26. 9依0. 2b 69. 94依0. 7b 154. 20依1. 9c
NPK 0 ~ 20 63. 0依6. 1b 64. 8依1. 3e 33. 1依1. 7a 65. 42依2. 6b 140. 68依1. 7d
20 ~ 40 39. 3依2. 3c 57. 1依1. 8e 20. 2依0. 3cd 46. 88依2. 2c 171. 49依0. 3b
CK 0 ~ 20 40. 9依0. 7c 129. 6依2. 5a 21. 3依0. 2c 43. 58依0. 2c 109. 55依0. 8e
20 ~ 40 36. 1依2. 8c 146. 0依3. 5a 18. 7依0. 5d 36. 36依9. 6c 85. 77依9. 5e
背景值
Background value (1990)
0 ~ 20 47. 7依4. 0bc 71. 8依2. 4d 0依0f 46. 43依2. 9c 140. 32依4. 7d
了土壤有效态硫和盐酸可溶态硫.结果表明,红壤和
黑土样品中无机硫分别占全硫含量的 12. 4% ~
39郾 1%和 28. 8% ~ 52. 1% . 其中,红壤无机硫主要
由有效硫组成,盐酸可提取态无机硫含量整体偏低,
除对照及 1990 年土样外,其他红壤样品中盐酸可提
取态硫不足总无机硫的 25% ;而黑土中盐酸可提取
态硫是土壤无机硫的主要形态,占总无机硫组分的
50%以上.
长期施用化肥、有机肥显著提高了土壤有效硫
含量(表 2).与 CK土样相比,红壤 NPK和MNPK处
理表层土样有效硫含量分别增加了 447%和 102% ,
MNPK对有效硫的影响不如 NPK 显著.黑土有效硫
含量在 NPK、MNPK施肥处理下也趋于增加,但作用
不如红壤明显,分别比 CK 增加 54%和 93% .同时,
与表层土壤相比,黑土亚表层有效硫含量趋于降低.
这可能与黑土地区淋溶作用相对较弱,有效硫迁移
作用不如红壤强烈而主要富集在土壤表层有关. 与
1990 年土样相比,CK 表层土样有效硫含量趋于降
低,但仍保持较高水平( >15. 5 mg·kg-1). 在高 pH
条件下,部分有效硫(SO4 2-)与土壤中的 Ca2+形成了
CaSO4和 CaCO3的共沉淀产物,即盐酸可提取态硫,
而难以释放出来[14] . 在供试土壤中,盐酸可提取态
硫与土壤 pH呈极显著正相关关系(P<0. 01,图 1).
尽管盐酸可提取态硫含量在土壤中相对比较稳定,
但长期施肥在一定程度上降低了其在全硫中的比
例,特别是长期施用化肥导致土壤酸化,显著降低了
其在全硫中的比例(P<0. 05).
2郾 3摇 土壤有机硫形态分布与转化
土壤有机硫主要分为酯键硫(C鄄O鄄SO3 )、碳键
硫(C鄄S)和残渣态硫( residual鄄S)3 种形态. 酯键硫
是一类容易被 HI 还原为 H2 S 的有机硫化合物(如
硫酸酯),主要存在于土壤胡敏酸中,是有机硫中相
对比较活跃的部分,易被转化为无机 SO4 2-形态而被
植物吸收利用;碳键硫是一类不被 HI 还原,但能被
Raney鄄Ni还原剂还原的低分子量含硫氨基酸(如胱
氨酸和蛋氨酸),主要存在于土壤富里酸中,易于矿
化分解,也较易为植物利用;剩余的含硫有机化合物
既不被 HI也不被 Raney鄄Ni 还原,且难以被作物利
用,这一类硫归为残渣态硫[18] .
从表 2 可以看出,残渣态硫是土壤有机硫的主
要形态,分别占红壤和黑土全硫的 35郾 5% ~ 56%和
30郾 9% ~48郾 2% ;酯键硫在红壤中分布变幅较大,占
图 1摇 长期施肥条件下土壤 pH与盐酸可提取态硫含量之间
的关系
Fig. 1 摇 Correlation between soil pH and HCl鄄extractable S in
soils under long鄄term fertilization.
2701 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
全硫的 6. 8% ~ 46. 6% ,在黑土中稳定分布在
11郾 3% ~17. 8% ;碳键硫在两种土壤中均不足全硫
的 8% .长期施用含硫的化学肥料促进了有机硫特
别是残渣态硫在土壤中的累积. 这可能是由于化学
肥料提供的硫(SO4 2-)除了满足作物及微生物生长
需要外,在植物根际效应及微生物作用下,剩余的无
机硫酸盐与土壤有机碳结合而逐渐转变为有机
硫[19-20] . MNPK 处理也显著促进了残渣态硫的累
积,黑土 MNPK 处理土样中酯键硫含量也明显增
加,但红壤中酯键硫含量受施肥影响不大,甚至在
NPK处理中显著降低,可能是由于作物生长过程中
土壤有机碳逐渐被矿化分解(表 1),易分解的酯键
硫也随之矿化分解被作物吸收利用或通过淋移作用
移出表层土壤,而性质相对较稳定的残渣态硫得以
保存、累积在土体中. 相关分析结果也显示,性质相
对活跃的酯键硫和碳键硫在土壤中的含量受有机碳
含量的影响更为显著(P<0. 05)(图 2);富含有机碳
的黑土中碳键硫含量显著高于红壤(表 2). 如果不
考虑 1990 年土样,供试土样酯键硫、碳键硫含量与
有机碳含量之间则达极显著正相关关系(P<0郾 01).
在 1990 年黑土基础土样中没有检测到碳键硫,这
可能是由于土壤样品在长期风干、保存过程中酯
图 2摇 长期施肥条件下土壤酯键硫、碳键硫与有机碳含量之
间的关系
Fig. 2摇 Correlations between ester鄄S, C鄄bonded S and total or鄄
ganic carbon content in soils under long鄄term fertilization.
键硫、碳键硫组分发生了矿化、分解所致[8,18] (表
2).残渣态硫含量在 MNPK和 NPK处理土样中都显
著提高,与土壤全硫含量呈极显著正相关关系(P<
0. 01),表明在长期施肥过程中,土壤有效硫在供应
充足的条件下,部分硫素趋于转化为生物不易利用
的残渣态硫形式;同时也表明惰性的残渣态硫在土
壤中处于一个动态的变化过程中.
3摇 讨摇 摇 论
硫素在土壤中的盈亏取决于土壤中硫素输入、
输出通量,并直接影响硫素在土壤中的淋溶迁移、形
态转变.在长期施肥影响下,仅通过化学肥料(过磷
酸钙、硫酸钾)每年输入到红壤和黑土中的硫量分
别达 30. 8 和 27. 7 kg·hm-2,而红壤和黑土 NPK 处
理小区作物年产量分别达 4. 49 t·hm-2(小麦+玉
米)和 9. 16 t·hm-2(玉米) [21] .参照王庆仁等[22]依
据作物产量、相应生物量及作物各部位的硫浓度等
参数计算作物收获物从土体中带走的硫量方法,即
作物从土壤获取硫量 =作物产量伊籽粒硫浓度+(作
物生物量-作物产量) 伊作物生物组织硫浓度,可以
大致估算出红壤、黑土 NPK处理土壤每年经作物收
获物带走的硫量分别为 11. 2 和 23. 0 kg·hm-2 . 这
表明通过施用过磷酸钙、硫酸钾等含硫肥料而输入
的硫量高于作物收获物所带走的硫量,剩余硫素将
在土壤表层逐渐累积、富集,从而提高了土壤全硫及
有效硫含量.此外,尽管不少文献指出,近年来由于
大气硫排放量逐渐降低,大气沉降对土壤硫输入的
贡献有所降低[2,6],但是通过对 CK土壤硫素盈亏计
算可以发现,在 CK 处理土壤中,由于作物长势极
弱,相应产量分别为 0. 57 t·hm-2(小麦+玉米,红
壤)和 2. 34 t·hm-2(玉米,黑土),因而从土体中带
走的硫量非常有限,分别为 1. 4 和 5. 8 kg·hm-2 .而
化学分析结果显示,与 1990 年土样相比,CK土样全
硫和有效硫含量都趋于提高,这表明大气干湿沉降
对土壤硫输入的贡献仍然不可忽视.根据林葆等[23]
的分析计算,大气干湿沉降为我国土壤每年带来约
6. 78 kg S·hm-2,湖南土壤更高达 16. 18 kg S·
hm-2,这对于缺硫土壤补充硫素、维持土壤硫素水平
起着重要作用[24-25] .
经施肥、大气沉降补充进入土壤中的硫形态主要
以无机硫酸盐为主,使土壤有效硫含量维持在相对较
高水平.除红壤 CK 表层土样外,其余施肥处理土壤
有效硫含量均为富硫水平(>24 mg·kg-1) [3-4] .特别
是有机肥的施用,显著提高了土壤有机碳、全硫及有
37014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 许摇 闯等: 长期施肥对红壤和黑土硫形态演变的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
效硫水平,除了一部分满足作物生长需要外,一大部
分硫(20% ~ 50% )在植物根际效应及微生物的作
用下将与土壤有机碳结合而以酯键硫形式被固
定[19-20],在微生物作用下,部分酯键硫将缓慢转化
为惰性的残渣态硫.但是在化肥配施有机肥处理下,
在显著提高土壤有效硫的同时,也增加了有效硫淋
移损失的风险,特别是淋溶作用强烈的地区,如本研
究中的红壤,硫素向下淋移作用非常显著,表现为
MNPK处理土样全硫含量反而不如 NPK 处理高,江
煜等[26]在分析 2002 年采集的该试验站土壤时也得
到类似结果.一方面,这可能是由于施用化学肥料造
成土壤 pH显著降低,土壤表面所带正电荷增加,对
SO4 2-吸附程度增大[27];另一方面,有机肥的施用带
来大量的阴离子基团及磷肥施用所带来的磷酸根,
也在一定程度上通过竞争吸附位点抑制了 SO4 2-在
土壤中的吸附累积[6],在红壤地区强烈淋溶迁移作
用下,表现为有效硫含量亚表层高于表层,NPK 处
理高于 MNPK处理.
本研究结果表明,有机碳含量、施肥种类、土壤
pH是影响土壤硫素形态分布的主要因素;特别是有
机肥的施用在改善土壤性质、提高土壤有机硫含量
和供硫潜力等方面发挥着重要作用. 但是在有效硫
供应充足的情况下,大量施用有机肥将加大硫素淋
溶损失的风险.从长远角度看,应根据土壤性质和硫
素水平合理施用化肥及有机肥. 由于没有施用有机
肥的硫素含量和形态分布信息,有机肥中的硫进入
土壤以后对土壤硫素形态分布和转化的影响目前尚
不清楚,相关机制还需要进一步研究. 此外,以往大
多数研究是直接用土壤有机硫减去酯键硫作为碳键
硫组分[8-9],而没有利用 Raney鄄Ni 还原剂来区分
Raney鄄Ni还原硫(碳键硫)和惰性硫(残渣态硫)及
其转化.残渣态硫是有机硫的主体,碳键硫含量不足
全硫的 8% ,相对稳定的残渣态硫影响了土壤及环
境学工作者对碳键硫真实环境行为的认识. 本研究
结果强调了 Raney鄄Ni 可还原态碳键硫在土壤硫素
形态演变过程中的重要作用,这部分碳键硫作为低
分子量的含硫氨基酸,易于在常温保存过程中在好
气条件下随着易分解有机碳的矿化分解而转化为其
他形态的硫素[18,28] . Zhao 等[2]和 Solomon 等[8]认
为,碳键硫是可矿化有机硫的主要来源,在风干过程
中或在微生物的作用下,这部分有机硫可以转化为
作物吸收利用的有效硫(无机硫酸盐) [8,18] . 已有研
究指出,土壤采集后前处理方式(如风干、鲜样等)
可对土壤硫素形态分布产生显著影响[28],因此,未
来应加强不同前处理方式对土壤硫素形态分布的影
响研究,以获取土壤样品中硫素形态分布最真实的
信息.
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作者简介摇 许摇 闯,男,1988 年生,硕士研究生. 主要从事土
壤环境化学研究. E鄄mail: chuang_xu@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
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