朱利霞，徐思薇，陳如冰，栗婷軒，張艷君，李俐俐，劉天學(xué)

（1.周口師范學(xué)院生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院，河南 周口 466001；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

土壤質(zhì)量退化是影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的因素之一，肥力降低、結(jié)構(gòu)性差和水土流失均會導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低［1］。土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單位，其形成是微生物、作物根系及其它復(fù)雜的理化過程共同作用的結(jié)果。不同粒級團(tuán)聚體含量、分布和穩(wěn)定性會對土壤有機(jī)質(zhì)及其它養(yǎng)分的循環(huán)產(chǎn)生顯著的影響。土壤有機(jī)碳是團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，也是衡量土壤肥力的主要指標(biāo)之一。在表土中有將近90%的有機(jī)碳貯存在團(tuán)聚體中，團(tuán)聚體為有機(jī)碳提供物理保護(hù)，有機(jī)碳促進(jìn)團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定，二者相互作用，緊密聯(lián)系［2］。因此，提升土壤有機(jī)碳水平、促進(jìn)團(tuán)聚體形成對于提高土壤質(zhì)量有重要意義。近年來，施用有機(jī)物料替代化肥是用來改善土壤結(jié)構(gòu)、提高有機(jī)碳含量的重要措施之一，這不僅可以減少化學(xué)污染，而且可以實(shí)現(xiàn)資源的合理利用［3，4］。

秸稈、畜禽糞便等含有大量的礦質(zhì)元素，是一種很好的肥料來源。然而由于秸稈纖維素含量高，自然條件下很難有效降解；畜禽糞便等直接施用則容易導(dǎo)致病蟲害的傳播，引起作物發(fā)病。將秸稈、畜禽糞便等經(jīng)高溫高壓腐熟后并添加一定的功能微生物可制成生物有機(jī)肥［5］。生物有機(jī)肥可以為植物生長提供必需的養(yǎng)分，增加有效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤微生物活性，進(jìn)而提高土壤肥力。已有研究表明，生物有機(jī)肥中大量的腐植酸可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，提高有機(jī)質(zhì)含量［6］。曲成闖等［4］研究表明大團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性均隨生物有機(jī)肥施用量的增加而增加；而朱琳等［7］則認(rèn)為，短期大量施用餐廚垃圾生物菌肥有利于促進(jìn)小團(tuán)聚體形成，對大團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性無顯著影響。由此可見，關(guān)于菌肥施用對土壤團(tuán)聚體影響的研究結(jié)果有較大差異。

目前，以秸稈和畜禽糞便為原料的生物菌肥改良土壤的研究已有大量報道，但采用以秸稈為原料制備的生物有機(jī)肥用于砂姜黑土改良的研究還鮮有報道，且以生物有機(jī)肥替代不同用量的化肥對砂姜黑土團(tuán)聚體及其有機(jī)碳變化特征的研究更為少見。因此，本試驗(yàn)以長期耕作的砂姜黑土為研究對象，分析等養(yǎng)分條件下生物有機(jī)肥替代化肥對團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的影響，闡明生物有機(jī)肥改良砂姜黑土的作用機(jī)制，為合理培肥制度的建立提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以黃淮平原典型土壤砂姜黑土為研究對象，土壤樣品采自河南省周口市商水縣練集鎮(zhèn)農(nóng)田（114.7°E，33.5°N），耕作制度為冬小麥-夏玉米輪作。2019年4月采集玉米播種前0～20 cm土層土樣，剔除可見的植物根系、砂礫等，測定土壤含水量后，于避光處自然風(fēng)干，過2 mm篩備用。同時用環(huán)刀采集未擾動土壤測定土壤容重及田間持水量。

供試土壤基本特征：有機(jī)碳含量11.71 g/kg、全氮1.46 g/kg、容重1.38 g/cm3、田間持水量26.4%，顆粒組成為砂粒12.4%、粉粒48.4%、黏粒40.2%。按照田間化肥用量，折算為室內(nèi)培養(yǎng)條件下化肥用量：純氮0.3 g/kg，P2O50.104 g/kg，K2O 0.068 g/kg?；史N類分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 50%）。

供試生物有機(jī)肥為本課題組自制，以小麥秸稈為載體、添加20%左右的雞糞和豬糞等畜禽糞便，植入木霉菌制成。其每克有效活菌數(shù)在0.2億個左右，養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)45%、全氮30%、P2O523%、K2O 17%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及方法

采用室內(nèi)培養(yǎng)法，于2019年在周口師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)按照生物有機(jī)肥替代化肥量的不同共設(shè)置5個處理，在等養(yǎng)分條件下生物有機(jī)肥替代化肥量分別為0、5%、10%、20%和30%。以生物有機(jī)肥替代化肥量為零作為對照，各處理分別記為BF0、BF5、BF10、BF20和BF30，每處理重復(fù)3次。

將土壤樣品與生物有機(jī)肥、化肥等混勻后采用土柱填裝的方法使其接近田間條件下土壤容重。用直徑20 cm、高20 cm的管底密封的聚氯乙烯管填裝。添加水分后培養(yǎng)，時間為6月20日至10月20日，在培養(yǎng)過程中每3 d采取稱重法補(bǔ)充水分。培養(yǎng)結(jié)束后，采集土壤樣品，并沿自然裂縫輕輕掰成直徑不大于10 mm的小土塊，自然風(fēng)干后備用。

1.3 測定指標(biāo)及方法

采用濕篩法測定團(tuán)聚體粒級分布及穩(wěn)定性，采用重鉻酸鉀-外加熱法測定有機(jī)質(zhì)含量。

團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用平均重量直徑（mean weight diameter，MWD，mm）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）、分形維數(shù)（dimension，D）及粒級大于0.25 mm團(tuán)聚體含量（R0.25，%）衡量，計算公式如下：

其中，xi為某一粒級團(tuán)聚體的平均粒徑，mm；wi為某一粒級團(tuán)聚體質(zhì)量占團(tuán)聚體總質(zhì)量的比例，%；xmax為最大粒級土粒的平均直徑，mm；wr＞i為大于某一粒徑xi的累積土粒質(zhì)量，g；w0為土壤各粒級質(zhì)量之和，g；Mr＞0.25為粒徑大于0.25 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量，g；Mr為團(tuán)聚體的總質(zhì)量，g。

各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率（Cr）計算公式如下：

其中，ai為不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，g/kg；bi為不同粒級團(tuán)聚體含量，%；c為土壤有機(jī)碳含量，g/kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用單因素方差分析檢驗(yàn)生物有機(jī)肥替代量對土壤團(tuán)聚體粒級分布和穩(wěn)定性及團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響。不同處理間采用最小顯著差法進(jìn)行多重比較，所有統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行，采用SigmaPlot 12.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物有機(jī)肥對團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

由圖1可知，施用生物有機(jī)肥顯著影響團(tuán)聚體粒徑分布。生物有機(jī)肥降低＞5、0.25～0.5 mm和＜0.25 mm團(tuán)聚體含量，而增加2～5、1～2 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體含量。與BF0相比，BF10、BF20和BF30均顯著增加2～5 mm團(tuán)聚體含量，分別增加1.67、5.73倍和4.03倍，其中BF20和BF30間無顯著差異。與BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30均顯著增加1～2 mm團(tuán)聚體含量，增幅分別為35.96%、53.93%、55.06%和48.31%，且各生物有機(jī)肥處理間無顯著差異。對于0.5～1 mm團(tuán)聚體，生物有機(jī)肥表現(xiàn)出與1～2mm團(tuán)聚體一致的變化規(guī)律，BF5、BF10、BF20和BF30均顯著增加，增幅分別為46.01%、55.37%、57.02%和51.52%。與BF0相比，生物有機(jī)肥顯著降低＜0.25 mm團(tuán)聚體含量，BF5、BF10、BF20和BF30降幅分別為9.67%、10.42%、15.79%和12.80%，其中BF20和BF30無顯著差異?？傮w而言，生物有機(jī)肥明顯改變團(tuán)聚體粒徑分布特征，且與生物有機(jī)肥替代化肥量有關(guān)。

圖1生物有機(jī)肥替代化肥條件下團(tuán)聚體粒徑分布

由表1看出，生物有機(jī)肥對土壤團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑、R0.25和分形維數(shù)均有顯著影響，且與生物有機(jī)肥替代化肥量有關(guān)。與BF0相比，BF5、BF10增加團(tuán)聚體平均重量直徑，但差異不顯著；而BF20和BF30顯著增加團(tuán)聚體平均重量直徑，增幅分別為21.05%和20.00%，二者間無顯著差異。與BF0相比，生物有機(jī)肥均顯著增加團(tuán)聚體幾何平均直徑，且BF20增加量最大，增幅為22.22%。隨生物有機(jī)肥替代量的增加，R0.25逐漸增加，BF20處理最大，與BF0相比增幅達(dá)15.17%，但BF30與BF20無顯著差異。生物有機(jī)肥顯著降低團(tuán)聚體分形維數(shù)，與BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30處理分形維數(shù)分別降低1.07%、1.07%、2.14%和1.42%?？傮w而言，生物有機(jī)肥對團(tuán)聚體穩(wěn)定性有顯著的增加作用，以BF20處理增加效果最為顯著。

表1 生物有機(jī)肥替代化肥條件下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

2.2 生物有機(jī)肥對土壤有機(jī)碳及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

經(jīng)過4個月的培養(yǎng)，各處理土壤有機(jī)碳含量為10.73～16.77 g/kg（圖2）。與初始土壤有機(jī)碳含量（11.71 g/kg）相比，BF0處理有機(jī)碳降低8.37%，而施用生物有機(jī)肥處理有機(jī)碳含量均增加。與BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30土壤有機(jī)碳含量分別顯著增加20.81%、34.47%、52.48%和56.21%，其中BF20和BF30間無顯著差異。總體而言，生物有機(jī)肥對土壤有機(jī)碳的增加有明顯的促進(jìn)作用，且隨生物有機(jī)肥替代量的增加而增加。

圖2 不同處理土壤有機(jī)碳含量

由圖3可知，生物有機(jī)肥顯著增加土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。與BF0相比，隨生物有機(jī)肥替代量的增加，＞5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量逐漸增加，BF30處理團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增幅最大，為54.10%。與BF0相比，2～5、1～2、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也表現(xiàn)出隨生物有機(jī)肥替代量的增加而增加的趨勢，但BF20和BF30處理團(tuán)聚體有機(jī)碳含量無顯著差異。與BF0相比，生物有機(jī)肥均顯著增加＜0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，但處理間差異不顯著?？傮w而言，生物有機(jī)肥顯著增加不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，利于有機(jī)碳在團(tuán)聚體內(nèi)的累積。

圖3 生物有機(jī)肥替代化肥條件下團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

由表2可知，生物有機(jī)肥明顯影響土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，且隨生物有機(jī)肥替代量的不同團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出不同的變化。砂姜黑土有機(jī)碳主要分布在＜0.25 mm團(tuán)聚體中，其次分布在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體中。生物有機(jī)肥的施用增加了2～5、1～2 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。與BF0相比，BF20對2～5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的增幅最大，達(dá)到6.01倍；1～2 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率在不同生物有機(jī)肥處理間無顯著差異。本研究結(jié)果顯示，施用生物有機(jī)肥有促進(jìn)有機(jī)碳在2～5、1～2 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體累積的趨勢。

表2 生物有機(jī)肥替代化肥條件下團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率 （%）

3 討論

3.1 生物有機(jī)肥替代化肥對土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體的組成及穩(wěn)定性與土壤中有機(jī)碳的含量有很大關(guān)系，有機(jī)碳作為團(tuán)聚體的有機(jī)膠結(jié)劑，影響著不同粒級團(tuán)聚體的數(shù)量及分布。由于生物有機(jī)肥的施用增加了外源有機(jī)物料的投入，其含有的大量腐植酸對于團(tuán)聚體的形成有重要作用。本研究中，生物有機(jī)肥的施用顯著增加土壤中大粒徑團(tuán)聚體含量，其中BF20的增加作用最為顯著。5%替代量的生物有機(jī)肥即可對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響，促進(jìn)微團(tuán)聚體膠結(jié)，而20%的替代量對團(tuán)聚體改善效果最佳。生物有機(jī)肥的施用降低了＞5 mm團(tuán)聚體含量，其中BF20和BF30對＞5 mm團(tuán)聚體含量降低作用最為明顯，這與李彥霈等［3］的研究結(jié)果一致。這可能是由于生物有機(jī)肥這類有機(jī)物的輸入導(dǎo)致土壤中絡(luò)合物發(fā)生改變，部分大團(tuán)聚體破碎［8］。一般而言，雖然＞5 mm團(tuán)聚體可以增加土壤的抗蝕性，但它并不是最好的土壤結(jié)構(gòu)［9］，這也從另一方面印證了生物有機(jī)肥的施用可以明顯改善土壤結(jié)構(gòu)。這可能是生物有機(jī)肥促使土壤水溶性碳釋放，且引入的微生物活性增加導(dǎo)致碳水化合物等膠結(jié)劑缺乏，從而導(dǎo)致＞5 mm團(tuán)聚體含量降低。雖然有機(jī)物料的輸入有助于土壤較大團(tuán)聚體的形成，但本研究中，砂姜黑土團(tuán)聚體仍以＜0.25 mm團(tuán)聚體為主（41.2%～49.0%），該粒級團(tuán)聚體含量明顯高于其它粒級團(tuán)聚體。

團(tuán)聚體穩(wěn)定性可以有效反映土壤穩(wěn)定性，其中R0.25、平均重量直徑和幾何平均直徑都是反映團(tuán)聚體穩(wěn)定的重要指標(biāo)。＞0.25 mm團(tuán)聚體是最好的土壤顆粒，R0.25能夠反映土壤結(jié)構(gòu)狀況［10］。本研究中，生物有機(jī)肥的施用顯著增加大團(tuán)聚體數(shù)量，對土壤結(jié)構(gòu)有較好的改善作用。R0.25隨生物有機(jī)肥替代量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中BF20處理團(tuán)聚體數(shù)量增加最多，這表明持續(xù)增加生物有機(jī)肥替代量不能進(jìn)一步增加該類團(tuán)聚體含量。平均重量直徑通過團(tuán)聚體直徑變化反映大團(tuán)聚體含量的變化，進(jìn)而體現(xiàn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性。本研究中，平均重量直徑有隨生物有機(jī)肥替代量增加而增加的趨勢，且在替代量為20%時增加顯著，而BF20和BF30間無顯著差異，表明生物有機(jī)肥對大團(tuán)聚體的形成有積極作用，但持續(xù)增加對土壤結(jié)構(gòu)未有進(jìn)一步的改善。土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加有利于土壤顆粒的團(tuán)聚化，進(jìn)而增加平均重量直徑，本研究中不同處理土壤有機(jī)碳含量變化與大團(tuán)聚體含量變化相一致的結(jié)果印證了這一點(diǎn)。朱琳等［7］研究也表明中長期施用少量餐廚垃圾生物有機(jī)肥可以增加黃褐土有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而增加大團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性。與平均重量直徑相比，幾何平均直徑傾向于評價團(tuán)聚體含量的變化，因此，各處理不同粒級團(tuán)聚體含量的差異可能導(dǎo)致幾何平均直徑的不同［11］。生物有機(jī)肥的施用顯著增加團(tuán)聚體幾何平均直徑，且隨生物有機(jī)肥替代量的增加呈先增加后降低的趨勢，當(dāng)替代量為20%時幾何平均直徑最大，團(tuán)聚體穩(wěn)定性也最大。分形維數(shù)可以很好地表征土壤質(zhì)量，其數(shù)值越小，土壤團(tuán)聚體的分布和穩(wěn)定性越好［12］。本研究中，與未施用生物有機(jī)肥的土壤相比，生物有機(jī)肥可以增加土壤、團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性，因此，施用生物有機(jī)肥可以明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，這與Yilmaz等［13］的研究結(jié)論一致。綜上分析，生物有機(jī)肥替代化肥可以改善土壤結(jié)構(gòu)，其中生物有機(jī)肥替代20%的化肥對砂姜黑土團(tuán)聚體的影響最為顯著。

3.2 生物有機(jī)肥對團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

施用生物有機(jī)肥顯著增加土壤有機(jī)碳含量，一方面生物有機(jī)肥本身含有的大量有機(jī)質(zhì)向土壤輸入外源有機(jī)碳，另一方面生物有機(jī)肥的施用提高作物殘茬的輸入量。不同粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布反映了外源有機(jī)碳對團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響。本研究中，生物有機(jī)肥的施用均顯著提高各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，有機(jī)碳在不同粒級團(tuán)聚體中的差異較大，＞5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，2～5、1～2 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相當(dāng)且有機(jī)碳主要集中于0.5～5 mm團(tuán)聚體中。這可能是由于微團(tuán)聚體主要被穩(wěn)定性高的有機(jī)物絡(luò)合而成，而大團(tuán)聚體則由微團(tuán)聚體進(jìn)一步膠結(jié)形成，這些膠結(jié)物質(zhì)除了原有的有機(jī)物，還包括菌絲、植物根系等，由此，大團(tuán)聚體含量高于微團(tuán)聚體含量［14］。

通過比較發(fā)現(xiàn)，生物有機(jī)肥改變了不同處理團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，＜0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大，這可能是由于團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率是由團(tuán)聚體比例及其有機(jī)碳含量共同決定的；也可能大團(tuán)聚體對有機(jī)碳的保護(hù)作用主要是物理保護(hù)［15］，而砂姜黑土的結(jié)構(gòu)性和耕性均較差，使得大團(tuán)聚體對有機(jī)碳的保護(hù)作用較弱。一般而言，大團(tuán)聚體中有機(jī)碳周轉(zhuǎn)較快，可提高土壤肥力；微團(tuán)聚體中有機(jī)碳周轉(zhuǎn)較慢，利于有機(jī)碳的長期固持［16，17］。本研究中，生物有機(jī)肥的施用明顯降低＜0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，表明生物有機(jī)肥對結(jié)合在微團(tuán)聚體中較為穩(wěn)定的有機(jī)碳不會產(chǎn)生積極的作用。生物有機(jī)肥的施用促使＞5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳向2～5 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移。李瑋等［18］在砂姜黑土上的研究表明，＜0.25、0.25～0.5 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體是有機(jī)碳的主要貯存場所，有機(jī)肥的施用增加＞5 mm和＜0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。Udom等［19］研究表明，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中＞2 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高。Jastrow等［20］運(yùn)用同位素示蹤法也證實(shí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高于微團(tuán)聚體。由此可見，關(guān)于有機(jī)肥施用后土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳富集的研究，由于土壤質(zhì)地、農(nóng)田管理措施以及有機(jī)物料之間存在較大差異，本研究結(jié)果與其他研究之間沒有嚴(yán)格的可比性。關(guān)于生物有機(jī)肥替代化肥對團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

施用生物有機(jī)肥可明顯提高土壤大團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，5%替代量對土壤結(jié)構(gòu)的改善有一定的作用，但20%替代量對土壤結(jié)構(gòu)的改善效果最為顯著，30%替代量對土壤結(jié)構(gòu)的改善效果與20%替代量無顯著差異。施用生物有機(jī)肥顯著增加土壤及各粒級團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量，＜0.25、0.25～0.5 mm和＞5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率降低，而0.5～1、1～2 mm和2～5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率增加，表明生物有機(jī)肥的施用促使有機(jī)碳向0.5～1、1～2 mm和2～5 mm團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移。綜合考慮，以生物有機(jī)肥替代20%的化肥對土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳穩(wěn)定性的改善效果最好。