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化肥与不同有机物料配施对土壤有机碳组分及土壤水稳性团聚体的影响

花匠小妙招
2024-11-10 08:21

【研究意义】土壤退化影响土壤生态功能，威胁粮食安全，是全球普遍关注的问题[1]。土壤退化主要体现在土壤结构退化和土壤有机碳含量降低两方面[2]，而施用有机物料是改善土壤结构、提升土壤有机碳含量的有效举措[3]。近年有关研究表明[4]，施用有机肥比化肥可提高农田土壤有机C储量7.41 Mg hm−2。随着农业及加工制造业的发展，畜禽粪便、作物秸秆等农业废弃物大量产生，若不能充分利用，不仅浪费资源，还会污染环境。而将这些废弃物发酵堆肥并施入土壤，既可降低化肥用量、增加土壤有机质和养分含量，又可解决农业废弃物的处置问题，实现废弃物的循环利用，符合农业绿色发展理念[5]。【前人研究进展】土壤有机碳是土壤的重要组成部分，对土壤理化性状有着直接影响，是衡量土壤质量的重要指标[6]。施用有机物料是提升土壤有机碳（SOC）的有效措施，但土壤总有机碳（TOC）对于农田土壤环境变化的响应较慢，不能及时、准确的反映土壤碳及土壤质量的动态变化，而可溶性有机碳（DOC）、易氧化有机碳（ROC）和微生物生物量碳（MBC）等土壤活性有机碳组分在土壤中周转速度快，对不同农田管理措施及环境条件引起的土壤质量变化更加敏感，可以作为反映土壤早期质量变化的敏感指标[7-8]。研究表明，与单施化肥相比，施用有机物料可以显著提高土壤有机碳及活性有机碳组分含量[9]，研究土壤有机碳组分的变化有利于揭示不同有机物料对土壤有机碳固定与矿化的影响机制[10]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，在土壤养分的储存转化、流动调节等方面发挥着重要作用[11]，土壤团聚体的数量和稳定性对土壤肥力和生态功能有着显著影响[12]。土壤团聚体和有机碳相互作用、密切联系，土壤有机碳的固定和分解取决于土壤矿物类型和团聚体的物理保护[13-14]，团聚体的形成可以抑制土壤有机碳的分解，而土壤有机碳的组成也会影响团聚体的稳定性[15]；有研究表明土壤活性有机碳组分与土壤大团聚体的形成和稳定有显著正相关关系[16-17]，并且能够影响土壤养分的含量及其生物有效性。【本研究切入点】关于有机物料配合农业管理措施对土壤团聚体和有机碳以及土壤团聚体中有机碳的影响已有较多报道[18-20]，而关于不同有机物料对土壤有机碳活性组分和团聚体的影响以及对它们之间相关性的影响鲜有报道，且前人研究所选用有机物料多为畜禽粪便、作物秸秆和生物质炭，对其它有机物料研究较少。【拟解决的问题】本文以适于有机肥生产的四类原料为研究材料，选用化肥与羊粪、木薯渣、木本泥炭和味精废浆料配施，开展田间试验，旨在探究化肥与有机物料配施条件下玉米地土壤有机碳及其活性碳组分和土壤水稳性团聚体的变化特征，探究不同有机物料的应用效果，为土壤固碳培肥及有机物料合理资源化利用提供科学依据。

1. 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2022年夏玉米生长季在临沂研发中心试验基地进行，该试验地位于山东省临沂市河东区（35°08′ N，118°40′ E），该地区属于温带季风气候，年平均气温15.0 ℃，年平均降水量799.9 mm，年均日照时数2220.7 h，年平均风速3.3 m s−1，无霜期200 d左右。试验地土壤质地为砂壤土，土壤类型为棕壤，土层瘠薄，耕作层（0 ~ 20 cm）土壤基本性质为：pH 8.27、有机质15.37 g kg−1、全氮0.83 g kg−1、全磷0.63 g kg−1、全钾15.12 g kg−1、碱解氮88.14 mg kg−1、有效磷9.40 mg kg−1和速效钾128.97 mg kg−1。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组试验设计，5个处理，3次重复，小区面积2 m × 10 m。分别以羊粪、木薯渣、木本泥炭、味精废浆料为主要原料发酵腐熟，不同有机物料主要养分含量及pH见表1。以单施化肥为对照（CK），化肥配施有机物料处理分别为：化肥 + 羊粪（AF）、化肥 + 木薯渣（PF）、化肥 + 木本泥炭（MF）、化肥 + 味精废浆料（IF）。其中，施用的化肥为无机复合肥（N-P2O5-K2O百分含量为28-6-6），用量为525 kg hm−2；施用的有机物料均为固体形态，羊粪、木薯渣和木本泥炭为粉末状，味精废浆料为颗粒状，用量均为3000 kg hm−2。试验开始于2022年6月15日，结束于2022年10月10日，玉米生长周期118 d。试验地前茬作物为冬小麦，为方便麦收后播种玉米，将小麦秸秆移出田间，接着进行农田耕整。玉米采用人工种植方式，肥料采用人工手拉犁开沟条施覆土，深度为12 ~ 15 cm，隔行固定间距进行玉米播种，耕作方式为平作。将有机物料与化肥用作基肥一次性施入农田，后期不追肥，试验地作物生长依靠自然降水，其他农事操作均参照当地玉米种植管理。

表 1 有机物料养分含量及pH

Table 1. Nutrient contents and properties of organic materials

有机物料
Organic material有机质（%）
Organic matter全氮（%）
Total N全磷（%）
Total P2O5全钾（%）
Total K2OpH 羊粪 35.37 1.97 1.40 2.07 9.13 木薯渣 25.22 1.51 2.44 0.54 7.42 木本泥炭 55.40 0.69 0.19 0.04 4.71 味精废浆料 35.00 6.96 0.70 6.20 5.95 1.3 样品采集与分析

在2022年10月初玉米收获期，用直径5 cm的土钻在各小区按“S”形取0 ~ 15 cm土层土样，为保证各处理取样的均匀一致性，统一在施肥沟两侧取样，样点与施肥沟中心保持相同距离（15 cm）。每小区随机选5个样点取1个混合样，每个处理3次重复。将土样去除植物残根和石砾等杂质后分成三份，一份过 2 mm 土筛后储藏于 4 ℃冰箱中用于测定土壤微生物生物量碳和土壤可溶性有机碳；另一份自然风干后过 0.25 mm 筛，用于土壤总有机碳（TOC）和易氧化有机碳（ROC）含量的测定；剩余一份自然风干后用于土壤常规理化性质化验分析。测定土壤团聚体的原状土样利用不锈钢盒采集，每个处理6次重复，沿原状土自然剖面结构掰碎成1 cm左右的小块，剔除其中的植物残根、石砾等杂质，自然风干后备用。

土壤总有机碳（TOC）采用重铬酸钾外加热法测定[21]，易氧化有机碳（ROC）采用 KMnO4氧化法测定[10]，微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4 浸提法测定[22]，可溶性有机碳（DOC）参照陈源泉[23]等的方法，土壤水稳性团聚体采用湿筛法测定[24]。本研究采用水稳性大团聚体含量（MR > 0.25，%）、平均重量直径（MWD，mm）和几何平均直径（GMD，mm）3个指标来表征土壤水稳性团聚体的稳定性，计算公式[24]如下：

$$ {M}_{R ;> ;0.25}=frac{{M}_{i; >; 0.25}}{{M}_{t}}times 100% $$ (1) $$ MWD=sum _{i=1}^{n}{w}_{i}cdot bar{{d}_{i}} $$ (2) $$ GMD=expleft[frac{{displaystyle sum} _{i=1}^{n}{w}_{i}cdot mathrm{l}mathrm{n}bar{{d}_{i}}}{{displaystyle sum} _{i=1}^{n}{w}_{i}}right] $$ (3)

式中：$ {M}_{i ;>; 0.25} $表示 > 0.25 mm水稳性团聚体质量（g）；$ {M}_{t} $为团聚体总质量（g）；$ {w}_{i} $为各粒级水稳性团聚体质量占土样干质量的百分比（%）；$ bar{{d}_{i}} $为各个粒径范围的算数平均值（mm）[各粒径范围$ bar{{d}_{mathrm{i}}} $取值分别为： > 5（7.5）、2-5（3.5）、1-2（1.5）、0.5-1（0.75）、0.25-0.5（0.375）]。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2016和Origin 2021软件对数据进行整理，采用Pearson检验法进行相关性分析，用DPS 7.05软件进行单因素方差分析，用LSD法检验数据之间的差异显著性。结果与分析部分有关表格中同列数值后标记的不同小写字母和柱状图上方标记的不同小写字母表示处理间的差异显著（P < 0.05）。用Microsoft Excel 2016进行绘图。

2. 结果与分析

2.1 不同处理对土壤有机碳及其活性碳组分的影响

施用有机物料可以提升土壤有机碳含量，不同处理对土壤有机碳及活性有机碳组分含量变化的影响如图1所示。相比CK，各施用有机物料处理的土壤有机碳含量分别提高了8.97%、9.67%、7.93%和24.67%；各处理的土壤DOC、ROC和MBC含量均有所增加，其中AF和PF处理的土壤DOC含量分别显著增加了16.54%和9.35%；PF和IF处理的土壤ROC含量分别显著增加了124%和138%；AF、PF、MF和IF四个处理的土壤MBC含量分别显著增加了72.13%、65.24%、81.46%和18.77%。各施用有机物料处理中，IF处理的土壤TOC和ROC含量最高，MBC含量最低；AF处理的土壤DOC含量最高；MF处理的土壤MBC含量最高，而TOC、DOC和ROC含量均最低。

图 1 不同处理下土壤有机碳及其活性碳组分含量

Figure 1. Soil organic carbon and its active carbon components under different treatments

不同处理土壤活性碳组分在总有机碳中的占比如表2 所示，不同处理的土壤DOC/TOC值表现为AF > CK > MF > PF > IF，相比CK，只有AF处理的土壤DOC/TOC增加了5.56%，而其余处理均减少，但均未达到显著水平；不同处理的土壤ROC/TOC值表现为IF > PF > AF > MF > CK，相比CK，IF和PF处理显著增加了96.50%和91.46%，表明施用有机物料可以提高土壤ROC在TOC中的占比；不同处理的土壤MBC/TOC值表现为MF > AF > PF > IF > CK，MF、AF和PF处理相较于CK显著增加了66.67%、56.67%和36.67%，表明施用不同有机物料均可以通过改变土壤微生物群落结构，促进非活性有机碳向活性有机碳转变[10]。

表 2 不同处理下土壤活性碳组分的分配比率

Table 2. Allocation ratio of active carbon components in soil under different treatments

处理
Treatment可溶性有机碳/总有机碳
DOC/TOC易氧化有机碳/总有机碳
ROC/TOC微生物生物量碳/总有机碳
MBC/TOC CK 0.54 ± 0.07 a 9.13 ± 0.55 b 0.30 ± 0.06 b AF 0.57 ± 0.06 a 11.17 ± 0.78 b 0.47 ± 0.07 a PF 0.49 ± 0.08 a 17.48 ± 3.63 a 0.41 ± 0.06 a MF 0.50 ± 0.03 a 10.07 ± 1.42 b 0.50 ± 0.04 a IF 0.45 ± 0.09 a 17.94 ± 4.61 a 0.31 ± 0.07 b 2.2 不同处理对土壤水稳性团聚体粒径分布及稳定性的影响 2.2.1 不同处理土壤水稳性团聚体粒径分布

不同处理土壤水稳性团聚体粒径分布如图2所示，各处理土壤水稳性团聚体含量在2 ~ 5 mm粒级内占比最高，达到了12.67% ~ 18.07%；施用有机物料后，明显增加了1 ~ 2 mm和0.5 ~ 1 mm粒级的土壤水稳性团聚体含量，增幅分别为8.56% ~ 92.59%和29.74% ~ 65.38%；而 > 5 mm、2 ~ 5 mm、0.25 ~ 0.5 mm粒级的土壤水稳性团聚体含量整体变化不明显，但AF和MF处理分别在2 ~ 5 mm和0.25 ~ 0.5 mm粒级中较为突出，土壤水稳性团聚体含量相较于CK显著增加了31.04%和47.62%；在1 ~ 2 mm粒级，相比CK，AF、PF和IF处理土壤水稳性团聚体含量分别显著增加了92.59%、38.06%和26.56%；在0.5 ~ 1 mm粒级，相比CK，AF、PF、MF和IF处理土壤水稳性团聚体含量分别增加了29.74%、30.31%、65.38%和43.36%，且均达到显著水平。

图 2 不同处理下土壤水稳性团聚体粒径分布

Figure 2. Size distribution of soil water-stable aggregates under different treatments

2.2.2 不同处理土壤水稳性团聚体稳定性

表3试验结果表明，施用不同有机物料对土壤大团聚体含量（MR > 0.25）、团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的影响不同。相比CK，4个施用有机物料处理的土壤水稳性团聚体MR > 0.25分别显著提高了30.48%、17.64%、23.05%和24.67%。土壤水稳性团聚体的MWD表现为AF > PF > IF > MF > CK，GMD则表现为AF > PF > CK > IF > MF。相比CK，AF和PF处理的MWD分别显著提高了27.72%和19.80%；AF处理的GMD显著提高了8.47%；而IF和MF处理的GMD有所降低，但未达到显著水平。

表 3 不同处理土壤团聚体稳定性参数

Table 3. Stability parameters of soil aggregates in different treatments

处理
Treatment大团聚体含量（%）
MR > 0.25平均重量直径（mm）
MWD几何平均直径（mm）
GMD CK 44.39 ± 1.28 d 1.01 ± 0.02 b 1.18 ± 0.01 bc AF 57.92 ± 0.61 a 1.29 ± 0.00 a 1.28 ± 0.02 a PF 52.22 ± 1.83 c 1.21 ± 0.10 a 1.23 ± 0.04 ab MF 54.62 ± 1.84 bc 1.06 ± 0.08 b 1.10 ± 0.04 c IF 55.34 ± 1.85 ab 1.15 ± 0.08 ab 1.15 ± 0.03 bc 2.3 不同处理土壤有机碳及其活性组分与土壤水稳性团聚体稳定性的相关性分析

由表4可以看出，土壤DOC含量与土壤水稳性团聚体MR > 0.25之间呈显著正相关，与土壤团聚体MWD和GMD之间均呈极显著正相关，说明土壤DOC含量越高，土壤团聚体稳定性越强；土壤DOC含量与MBC含量呈显著正相关；土壤MBC含量与土壤水稳性团聚体MR > 0.25呈极显著正相关；土壤水稳性团聚体MR > 0.25与MWD呈极显著正相关，MWD与GMD呈极显著正相关。

表 4 土壤有机碳含量与团聚体稳定性指标之间的相关性

Table 4. Correlation between soil organic carbon and aggregate stability indices

指标
Index总有机碳
TOC可溶性有机碳
DOC易氧化有机碳
ROC微生物生物量碳
MBC大团聚体含量
MR > 0.25平均重量直径
MWD几何平均直径
GMD TOC 1 DOC −0.040 1 ROC 0.575* 0.174 1 MBC 0.002 0.559* −0.014 1 MR > 0.25 0.434 0.606* 0.331 0.652** 1 MWD 0.499 0.789** 0.420 0.442 0.703** 1 GMD 0.185 0.734** 0.136 0.158 0.223 0.810** 1 　　注：*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关。

3. 讨论

3.1 施用有机物料对土壤有机碳及其活性组分的影响

施用不同有机物料后土壤有机碳含量都有所提升，但均未达到显著水平，这可能是因为施用年限较短。本研究发现施用味精废浆料对土壤有机碳的提升效果最好，而施用木本泥炭后土壤有机碳含量提升较小，味精废浆料含有氨基酸等有机氮，而有机氮在土壤中会通过微生物分解矿化为无机氮后才能被植物更好的吸收利用，在此过程中会消耗土壤中的氧气，导致局部土壤孔隙缺氧，进而抑制微生物呼吸消耗有机物质[25]，有利于土壤有机碳的固定；木本泥炭具有高度芳香化、富含碳素、孔隙结构丰富、比表面积较大、稳定性较高的特点[26-27]，本研究所用木本泥炭有机物料pH较低，短期内使土壤pH下降，进而促进真菌大量生长，而真菌大多适宜生活在偏酸性（pH 5 ~ 7）的土壤环境中[28]，土壤原有有机质等惰性碳源的分解主要由属于k-型微生物的真菌所主导[29]，这可能加速土壤原有有机碳的分解，从而产生正激发效应，木本泥炭对土壤有机碳含量的提升较低可能与此有关。

施用有机物料既可以增加土壤活性有机碳组分，也可以增加腐殖酸、纤维素、多糖等大分子有机组分[30]。有机物料施入土壤后分解产生大量的水溶性物质，这会直接增加土壤DOC含量[31]，而且添加外源有机碳引起的激发效应会使土壤原有有机碳矿化分解，也会间接导致土壤DOC含量增加[32]。木本泥炭具有较高的碳氮比，会导致土壤微生物在分解过程中对碳素的大量固定[33]，使得土壤MBC含量较高。施用木薯渣和味精废浆料处理的土壤ROC含量显著高于其他处理，且它们的土壤TOC含量也较高，值得注意的是，各处理的土壤ROC含量与土壤TOC含量有着相同趋势，这说明TOC一定程度上决定ROC含量，徐赛亚等人通过相关性分析表明土壤TOC含量与ROC含量呈极显著正相关[34]。

土壤活性有机碳组分与土壤有机碳的比例大小可一定程度上表征土壤有机碳的质量和稳定性，比例越高表示有机碳活性越强，易被土壤微生物分解矿化；比例小则表示有机碳较稳定，不易被利用。土壤DOC在土壤中周转迅速，是土壤微生物重要的物质能量来源，而其在土壤有机碳中的占比也更能体现有机碳的稳定程度[19]。施用羊粪处理DOC/TOC比值最大，这表明羊粪的施用不利于土壤有机碳的累积，容易被分解而供作物吸收利用；DOC/TOC比值小，不利于土壤有机碳矿化分解，但可以提高土壤有机碳稳定性[35]。ROC/TOC的大小可以反映土壤有机碳的活性大小，MBC/TOC的大小可以反映活性有机碳库的周转速率[36]；施用有机物料均提高了土壤ROC和MBC在土壤TOC中的占比，这是因为羊粪、木薯渣、木本泥碳和味精废浆料等有机物料施入土壤后会改变土壤微生物种群结构，增加土壤微生物数量，提高土壤微生物活性，促使被分解的养分进入土壤活性碳库，增加了土壤活性碳库的储量[10]。

3.2 施用有机物料对土壤水稳性团聚体粒径分布及稳定性的影响

有机物料的施用可以增加土壤活性有机碳含量，促进土壤团聚体的形成和稳定[20]。土壤团聚体主要通过有机胶结作用而形成[18]，其中土壤大团聚体主要由微生物菌丝和有机胶体胶结形成，而小团聚体则以多糖或无机胶体胶结形成[37]。土壤团聚体稳定性可以评价土壤抗侵蚀能力，MR > 0.25、MWD、GMD等指标可以用来反映土壤团聚体的稳定性，MR > 0.25、MWD和GMD值越大、土壤团聚体稳定性越高，土壤抗侵蚀能力就越强[38]。本研究表明，施用有机物料处理显著提高了土壤水稳性团聚体MR > 0.25，提高了土壤水稳性团聚体MWD，这说明化肥与有机物料配施可促进土壤团粒结构形成，提高土壤水稳性团聚体的稳定性，这与近年相关研究[39]具有相似的试验效果。土壤有机质物理保护机制使得土壤大团聚体成为有机碳的主要载体[13, 40]，大团聚体中存在着较多处于分解状态的菌丝能够分泌更多的有机碳[41]，这可能是本研究中施用羊粪处理的水稳性大团聚体含量占比最高，使得团聚体稳定性最好的原因。总体上，各处理的土壤水稳性团聚体粒径主要集中于2 ~ 5 mm粒级，而徐国鑫等[42]的研究也发现，有机物料还田后显著提高了 > 2 mm的土壤水稳性团聚体；吴宪等人在小麦玉米轮作体系中还发现[43]，玉米季土壤团聚体 > 1 mm的3个粒级含量显著高于小麦季相应粒级含量，而小麦季的大团聚体则更多集中于0.25 ~ 1 mm这一粒级，可能是因为玉米根系发达，能产生较多的根系分泌物，而这些根系分泌物中的多糖、有机酸类物质更有利于土粒之间的团聚化作用[44]。团聚体的物理保护机制使得有机质既可以存在于团聚体被保护，也可以使其本身充当胶结物质促进团聚体形成[45]，本研究中施用木本泥炭处理的团聚体粒径分布不同于其他施用有机物料处理，主要集中在0.25 ~ 1 mm粒级，这与舒灏等人[46]的研究结果相类似，可能是因为固存在土壤中的有机质含量较低，未能使土壤团聚体向更高的粒级团聚化。

3.3 土壤有机碳组分与水稳性团聚体稳定性的相关关系

土壤有机碳与团聚体相互作用，密切联系。本研究发现，土壤DOC含量与水稳性团聚体稳定性参数之间存在显著的正相关关系，表明土壤DOC对土壤水稳性团聚体的形成和稳定起着至关重要的作用；原因有两方面：其一，土壤DOC充当了土壤团聚体稳定性的胶结剂，其二，土壤DOC中存在着疏水性有机物，它们可以通过吸附到团聚体表面形成一层有机薄膜，从而减缓团聚体的水湿润速度，并降低糊化应力的发生[47]。土壤大团聚体的形成受微生物菌丝和胶结物质类别的影响，这很可能是本研究中土壤MBC与MR > 0.25有显著正相关关系的原因。本研究还发现，土壤ROC与TOC显著正相关，这与陈源泉等人[23]的研究结果相类似；土壤DOC则仅与MBC显著正相关，它们与土壤TOC之间无显著相关性，这与陈源泉等人[23]的研究结果不同，可能的原因是本研究所用有机物料性质差异较大，施入土壤对土壤有机碳的影响各异，但其中所含糖类物质易被微生物分解，释放大量DOC。