陶 歡，馬 麗

(1.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明 650000；2.綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽 621006)

0 引言

在自然和人為因素的影響下，多類脆弱生態(tài)環(huán)境地區(qū)的土壤中細(xì)粒物質(zhì)流失，土地資源遭到破壞[1-2].現(xiàn)今土地沙化是我國最受關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題之一，第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測結(jié)果顯示：截至2014年，我國重度與極重度沙化土地占全國沙化土地總面積的70.09%[3].

草地是沙化土地類型之一，為早日恢復(fù)退化草地，諸多學(xué)者向受損草地系統(tǒng)施加廢棄生物質(zhì)改良其性質(zhì).秸稈作為最常見廢棄生物質(zhì)資源，施加后對土壤容重的降低，土壤微生物種類的增加，土壤孔隙度的增大有促進(jìn)效果，還可有效增加土壤內(nèi)氮素含量[4-9].我國是食用菌生產(chǎn)與消費大國，廢棄菌渣仍具有很高利用價值[10].菌渣(未處理)混合施用于土壤作為基肥比直接施用化肥效果更顯著，同時還可避免化肥使用帶來的板結(jié)問題[11]；菌渣經(jīng)處理后施用還可降低沙化土容重,增加土壤孔隙度和團(tuán)聚體粒級，提高土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提升其根際環(huán)境質(zhì)量和減少作物蟲害現(xiàn)象[11-14].畜禽糞便隨著養(yǎng)殖業(yè)的興起而成為新環(huán)境難題，堆肥化處理畜禽糞便后施于土壤，可使其中養(yǎng)分得到有效利用，土壤中的磷、鉀元素含量會有所增加[5,15].

本文針對紅原縣重度沙化土壤，以不同質(zhì)量比的廢棄生物質(zhì)、礦物質(zhì)組合進(jìn)行試驗，分析不同處理下土壤特征指標(biāo)的變化，為資源化利用廢棄生物質(zhì)改良沙化土壤提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)紅原縣隸屬于四川省阿壩藏族羌族自治州，坐落于北緯32°80′,東經(jīng)102°56′，位于四川省西北部，平均海拔約3 600 m，年均氣溫約1.4 ℃，屬大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候，降水主要集中于夏季，是我國典型的生態(tài)脆弱地區(qū).該地是四川省現(xiàn)代草原畜牧業(yè)試點示范縣，其中農(nóng)牧民約占總?cè)丝诘?0%，由于往年過度放牧和不合理資源利用的累加效應(yīng)，使得當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境受損嚴(yán)重，草地退化程度增加，高質(zhì)量草地在逐年減少(見圖1).

圖1 研究區(qū)域衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite map of research region

1.2 試驗材料

沙化土壤：取自川西北紅原縣高寒重度沙化草地.

菌渣：取自四川新都區(qū)某蘑菇種植基地.

奶牛牛糞：購自四川眉山某牧場，其中礦物質(zhì)(全磷、全鉀、鈣、鎂)、營養(yǎng)物質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、全氮、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗纖維)分別占4.06%、95.94%.

混合秸稈粉：購于四川阿壩州某農(nóng)場，其中無氮浸出物、粗纖維、粗脂肪、鈣和磷分別占40%、29.54%、2.80%、0.36%和0.41%.

蒙脫石粉：購于湖南某工廠.

1.3 研究方法

1.3.1 試驗設(shè)計 稱取3 kg沙化土壤樣品，分別與外源添加物質(zhì)(見表1)混勻后在直徑25 cm×高16.5 cm花盆中進(jìn)行堆肥化處理，采取戶外培養(yǎng)，共分為6個實驗組，每組3個平行樣(見圖2).

表1 實驗分組Tab.1 Experimental grouping

圖2 試驗設(shè)計流程圖Fig.2 Flow chart of test design

1.3.2 分析項目及方法 在試驗進(jìn)行的不同階段(2、8、15月)，通過堿解擴(kuò)散法(DB51/T 1975—2014)測定堿解氮含量、電沙浴法(NY/T85—1988)測定有機(jī)質(zhì)含量、干篩法及四分法測定團(tuán)聚體粒徑分布以及鉬酸銨分光光度法(NY/T1121.7—2006)測定有效磷含量.

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 原始數(shù)據(jù)采用Excel 2019對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單數(shù)據(jù)處理，后續(xù)通過Origin 2021、SPSS 22進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤改良配方對土壤團(tuán)聚體的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是表征土壤性質(zhì)的有力指標(biāo)之一，與土壤固碳息息相關(guān).其中，大團(tuán)聚體(粒徑>0.25 mm)與土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的生成及其穩(wěn)定性之間呈正相關(guān).

隨著培養(yǎng)時間的延長，不同改良配方下土壤大團(tuán)聚體含量相較于A組存在顯著差異(圖3).經(jīng)過2個月的培養(yǎng)后，實驗組(C1、D1、E1、F1)大團(tuán)聚體含量分別由原來的4.71%增加到了28.87%、25.42%、11.66%和14.78%；培養(yǎng)8個月后，實驗組(C2、D2、E2、F2)土樣中的大團(tuán)聚體比例總體呈現(xiàn)下降趨勢，與培養(yǎng)兩月相比較下降到了2.15%、11.25%、5.00%和6.41%，其中C組大團(tuán)聚體比例降至最低，甚至低于了對照組1(4.71%)(圖3B)；但再經(jīng)過7個月(共15月)培養(yǎng)后C組大團(tuán)聚體比例有一定回升，其余各組均下降(E、F組最終低于A組)，其大團(tuán)聚體比例依次為10.13%、8.75%、3.02%和2.93%(圖3C).圖3A中，實驗組大團(tuán)聚體比例增加，其中以C組增勢最為顯著，由此說明菌渣、蒙脫石粉能夠在短時間堆肥化處理內(nèi)有效促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成；結(jié)合圖3B和圖3C可以看出，隨著培養(yǎng)時間的延長土壤中大團(tuán)聚體的比例呈現(xiàn)下降再回升的趨勢；而結(jié)合整個培養(yǎng)周期來看，E、F組土壤中的大團(tuán)聚體比例下降，最終低于A組(4.71%).

圖3 團(tuán)聚體粒徑分布Fig.3 Aggregate size distribution注：圖左上標(biāo)號 A、B、C 分別表示不同實驗期(A：2 個月、B：8 個月、C：15 個月)，下同.

總的來看，添加外源物質(zhì)后初期對于大團(tuán)聚體的增加有一定作用.比較C與D、E、F組的整體數(shù)據(jù)來看，C組前期效果最好，后期大團(tuán)聚體比例也是最高，由此可見“菌渣+蒙脫石粉”對于大團(tuán)聚體的生成作用力度較高，這與其他學(xué)者觀點相同，即認(rèn)為菌渣可以促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[11,13].但秸稈、牛糞、木屑在中后期作用不顯著，甚至可能外源物質(zhì)間存在相互作用，降低了整體作用效果.綜上可以看出，各配方中所添加物質(zhì)對于外界的環(huán)境變化穩(wěn)定性不強(qiáng)或者相互間存在抑制作用，這需要進(jìn)一步研究外源添加物之間的相互作用機(jī)理來得出相關(guān)結(jié)論.

2.2 土壤改良配方對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤中有機(jī)質(zhì)的含量是土壤肥力及其他理化性質(zhì)的重要限制條件之一，土壤中有機(jī)質(zhì)含量的高低在一定程度上決定了農(nóng)作物的產(chǎn)量狀況、土壤的長久有效利用性.

隨著培養(yǎng)時間從2個月到15個月，實驗組的有機(jī)質(zhì)含量相較于對照組均呈現(xiàn)上升趨勢，其中以E組增長最穩(wěn)定(圖4).相比對照組，培養(yǎng)兩個月后實驗組土壤中有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度的提升，粒徑<2 mm土壤有機(jī)質(zhì)以C組增勢最明顯，而粒徑<0.25 mm土壤有機(jī)質(zhì)以D組增勢最顯著，增長率分別為207.02%、261.72%；培養(yǎng)中、后期(圖B、C)與培養(yǎng)前期相比，都有一定上升，但僅有部分實驗組在整個培養(yǎng)周期內(nèi)一直呈現(xiàn)上升：C組(粒徑<0.25 mm)、D組(粒徑<2 mm)、E組.B組粒徑<0.25 mm土壤有機(jī)質(zhì)含量在整個培養(yǎng)周期內(nèi)基本無變化，但粒徑<2 mm土壤有機(jī)質(zhì)增勢明顯，甚至最終超過部分實驗組(C組)，由此可見“蒙脫石粉+菌渣”對于有機(jī)質(zhì)影響不顯著,自然堆肥對于土壤中小團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)的增加基本無影響，但對于大團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)生成有一定的促進(jìn)作用；比較實驗組(C—F)可知，秸稈、木屑、牛糞對于有機(jī)質(zhì)增加有一定促進(jìn)作用.整個周期看來：粒徑<2 mm土壤有機(jī)質(zhì)變化呈現(xiàn)不一致的上升趨勢，如C、D、F組在整個培養(yǎng)周期看來均有升有降，同樣粒徑<0.25 mm土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢也不確定，以E組(蒙脫石粉+菌渣+牛糞)有機(jī)質(zhì)含量增長最穩(wěn)定.B、C組相比，在大團(tuán)聚體中對有機(jī)質(zhì)生成的作用B>C，由此說明“蒙脫石粉+菌渣”的作用小于自然堆肥.

圖4 不同配方處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化Fig.4 Changes of soil organic matter content under different formula treatments

2.3 土壤改良配方對土壤堿解氮的影響

土壤堿解氮與土壤中有機(jī)質(zhì)含量有一定關(guān)聯(lián)，同時可用于反映土壤中的氮素近況，是作物生長過程中必要營養(yǎng)元素之一.不同配方處理后，從整個培養(yǎng)周期看來，土壤中的堿解氮含量大多呈現(xiàn)“升高—升高—升高”的趨勢(圖5).培養(yǎng)兩月后，與對照組1相比，實驗組配方下的堿解氮含量隨著處理時間的推移成階梯狀增加，其中E組的增勢最快，增率達(dá)44.44%；經(jīng)8個月盆栽培養(yǎng)后，B組中堿解氮含量出現(xiàn)下降且低于A組(12.6 mg/kg)，而實驗組中堿解氮含量逐漸增加，與實驗初期相比，增勢最明顯組別更替為F組，其增率顯著高于其他組別，增長率依序為152.38%(F組)>57.14%(C組)>47.64%(D組)>42.86%(E組)；到培養(yǎng)后期，各實驗組均呈現(xiàn)出良好增勢，以15個月來看，各實驗組增長率依次為：283.33%(D組)>277.78%(F組)>216.67%(E組)>150%(C組).

圖5A可見在沙化土中配施一定的生物質(zhì)和礦物質(zhì)對于堿解氮具有一定的改善作用，其中以“菌渣+蒙脫石粉+牛糞”作用最顯著，相比實驗組，D、F組與C組效果一致，說明在培養(yǎng)初期秸稈、木屑對于土壤堿解氮的生成基本無影響，而牛糞(E組)對于堿解氮的生成作用顯著高于前兩種生物質(zhì)；隨著培養(yǎng)時間的遞進(jìn)，B組呈現(xiàn)先增加再降低再回升狀態(tài)，說明僅僅堆肥化處理對于堿解氮的影響可近乎于忽略不計；與C組相比，D、F組下的堿解氮含量增長幅度前期相近，E組最突出，到中、后期增長有較大的差距，其中以F組在中期增長勢最好，到后期D、F兩組幾近持平，由此說明“菌渣+蒙脫石粉”對于堿解氮有一定的改善效果，且具有持續(xù)穩(wěn)定性，在添加秸稈、木屑、牛糞后會加強(qiáng)對于土壤中堿解氮生成的作用效果，其中以D組(蒙脫石粉+菌渣+秸稈)最終效果最佳.

圖5 不同配方處理的土壤堿解氮含量變化Fig.5 Changes of Alkali-hydrolyzable N content in soil treated with different formulas

2.4 土壤改良配方對土壤有效磷的影響

土壤有效磷在很大程度上可以顯現(xiàn)出土壤的磷儲量，土壤中的磷素對于作物生長發(fā)育不可或缺，其重要性僅次于氮、鉀.由圖6可得，不同配方處理的土壤有效磷含量變化隨機(jī)性機(jī)率較大.培養(yǎng)2個月后與A組相比，各組(除E組外)土壤中的有效磷含量均有小幅度增長，各組增長率分別為20.5%(B組)、3.33%(C組)、13.67%(D組)、-0.83%(E組)、30%(F組).在整個培養(yǎng)周期的中、后期，B組呈明顯下降趨勢，C呈現(xiàn)緩慢上升，其余配方處理下有效磷的含量未呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律可循.

圖6A表明木屑在培養(yǎng)初期對有效磷的增長作用最快，比較B、C、D、E組可知，堆肥對于有效磷的生成具有積極作用，而菌渣、蒙脫石粉、秸稈和牛糞在前期參與堆肥后對有效磷的增加作用不明顯.圖6B和圖6C中可看出，在培養(yǎng)8月后添加的外源物質(zhì)開始發(fā)揮作用，僅僅自然堆肥對于最終土壤有效磷作用不顯著，F(xiàn)、C組相比可知，木屑在中、后期對于有效磷的增加幾乎無作用，甚至低于“菌渣+蒙脫石粉”的功效.

總的來看，實驗初期有效磷總體呈現(xiàn)出增長趨勢，但從整個實驗周期來看，B、F組最終有效磷含量甚至低于A組，而C組呈現(xiàn)出穩(wěn)定緩緩上升趨勢，由此說明“菌渣+蒙脫石粉”對于土壤中有效磷含量的增加有穩(wěn)定且持續(xù)作用效果，而秸稈、木屑和牛糞組均出現(xiàn)有升有降且最終作用效果并不顯著，故“菌渣+蒙脫石粉”(C組)對于土壤有效磷的改良效果最佳.

圖6 不同配方處理的土壤有效磷含量變化Fig.6 Changes of available P content in soils treated with different formulas

2.5 土壤團(tuán)聚體與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

2.5.1 Pearson相關(guān)分析 將實驗數(shù)據(jù)通過SPSS 22進(jìn)行Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表2)，有效磷含量與大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm)比例呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(p<0.05)，即有效磷的含量隨著土壤中大團(tuán)聚體占比的增加而增加；堿解氮含量與有機(jī)質(zhì)(粒徑<2 mm)含量表現(xiàn)出顯著正相關(guān)性(p<0.05)，說明有機(jī)質(zhì)含量(粒徑<2 mm)會影響土壤中堿解氮的含量；微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)比例與有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，即認(rèn)為微團(tuán)聚體不利于土壤中有機(jī)質(zhì)的積累.

表2 Pearson相關(guān)性分析Tab.2 Pearsoncorrelation analysis

2.5.2 獨立樣本T檢驗 將各組整個周期平均數(shù)據(jù)組經(jīng)SPSS22進(jìn)行獨立樣本T檢驗(表3)，結(jié)果可知(p<0.05)：(1)F組處理較A組而言，堿解氮、團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)(粒徑<0.25 mm)具有顯著差異，即認(rèn)為F組處理有利于沙化土這三種性質(zhì)的改良；F組相較于B、C組，僅有堿解氮具有顯著差異；F組與D、E組相比，也是僅有堿解氮具有顯著差異.(2)與A組相比，其余各組對其中一定性質(zhì)都具有不同的改良效果，但全都對于有效磷的改良效果均不顯著，這可能是因為處理時間過短，所以對其影響效果并不顯著[16].

表3 獨立樣本T檢驗顯著性結(jié)果Tab.3 Independent sample t test significance results

3 結(jié)論

(1)前期添加菌渣、蒙脫石粉后各組對于大團(tuán)聚體的生成有一定作用，但在中后期數(shù)據(jù)顯示，疊加牛糞、木屑、秸稈后對于大團(tuán)聚體的生成出現(xiàn)反作用，整體來看“菌渣+蒙脫石粉”不僅能夠促進(jìn)大團(tuán)聚體的生成，還具有持續(xù)性.

(2)對比分析B組、C組知“菌渣+蒙脫石粉”對有機(jī)質(zhì)基本無作用效果，根據(jù)實驗組數(shù)據(jù)得其余外源物質(zhì)(秸稈、木屑和牛糞)對于有機(jī)質(zhì)均有一定的促進(jìn)作用，其中以E組(“牛糞+蒙脫石粉+菌渣”)效果最為顯著.

(3)實驗組對于堿解氮均具有改良效果，說明“菌渣+蒙脫石粉”能夠有效的改善堿解氮生成，其中以D組改良效果最顯著，則說明秸稈對于氮的改良有積極作用.

(4)實驗初期大多數(shù)配方對于土壤有效磷具有一定改良效果，但中后期改良效果下降，“菌渣+蒙脫石粉”的組合不僅能夠有效提高土壤中有效磷含量，并相較于其他配方更具有穩(wěn)定性.

綜上，“菌渣+蒙脫石粉”對于團(tuán)聚體、堿解氮、有效磷均具有改良效果，是對于沙化土壤改良的最佳改良配方.同時論證了牛糞、秸稈分別對于有機(jī)質(zhì)、堿解氮的改良效果，這不僅為農(nóng)牧廢棄物綜合利用提供了一種新思路，同時為后續(xù)沙化土壤改良技術(shù)研究提供理論依據(jù).