徐 爽 (漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 漢中 723000)

良好的土壤結(jié)構(gòu)是土壤發(fā)揮生產(chǎn)和生態(tài)功能的重要條件[1]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,團(tuán)聚體的組成、分布和質(zhì)量對(duì)土壤肥力、水分特征和生物學(xué)特征等環(huán)境條件和功能的形成有著重要作用,同時(shí)受到土壤利用和管理方式的直接影響,長期實(shí)行密集型生產(chǎn)管理的農(nóng)田普遍存在土壤協(xié)調(diào)功能受損、抗逆性降低的現(xiàn)象[2-3]。土壤自我修復(fù)能力與環(huán)境協(xié)調(diào)能力的變化在團(tuán)聚體的性狀和穩(wěn)定性變化上有著突出的體現(xiàn)[4],一般通過優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)[5]、調(diào)整耕作方式[6]、增施有機(jī)肥[7]等方法提升土壤團(tuán)聚體質(zhì)量,恢復(fù)土壤功能。秸稈還田是培肥土壤、改善土壤團(tuán)聚體性狀的主要方法之一。已有研究表明,玉米秸稈持續(xù)還田可有效增加耕地大團(tuán)聚體含量,增大土壤團(tuán)聚體平均重量直徑,改善團(tuán)聚體性狀[8]。周方亮等[9]研究發(fā)現(xiàn),紫云英培育土壤能夠有效增加直徑>2 mm團(tuán)聚體的含量,改善團(tuán)聚體性狀。

食用菌菌渣也稱作菌糠,是食用菌采收后的生產(chǎn)廢棄物。香菇菌渣中殘留有大量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、菌體蛋白和微量元素等[10],是一種結(jié)構(gòu)疏松多孔、透氣性良好、富含營養(yǎng)物質(zhì)和生物活性酶的土壤養(yǎng)分供給體和土壤生理機(jī)能調(diào)節(jié)體[11]。廢棄的香菇栽培基質(zhì)用于土壤改良,不僅增加了土壤中含氮養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量[12],促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán),增強(qiáng)根際土壤中與氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性[13],同時(shí)對(duì)環(huán)境污染物的降解和轉(zhuǎn)化具有明顯效果[14-15]。目前,國內(nèi)外對(duì)食用菌菌渣應(yīng)用于改善土壤團(tuán)聚體組成和性狀的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。如栗方亮等[16]通過研究稻田施用不同用量菌渣下團(tuán)聚體組成發(fā)現(xiàn),施用菌渣增加了>2 mm團(tuán)聚體的含量,平均重量直徑和幾何均重直徑隨著菌渣用量的增加而提高;NAKATSUKA等[17]研究發(fā)現(xiàn),新鮮的香菇菌渣直接施入土壤中能夠迅速改善土壤結(jié)構(gòu)和孔隙度,改良后的土壤團(tuán)聚體中含有大量的菌渣殘留物,對(duì)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成有著重要意義。但對(duì)于添加菌渣對(duì)不同質(zhì)地的土壤團(tuán)聚體組成的影響研究鮮見報(bào)道。

以2種不同質(zhì)地的土壤為研究對(duì)象,香菇菌渣為添加材料,開展室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn),測(cè)定不同添加比例和不同培養(yǎng)時(shí)長的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成情況,分析土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體性狀,以此研究香菇菌渣對(duì)不同質(zhì)地土壤團(tuán)聚體組成及性狀的改善效果,為進(jìn)一步研究食用菌菌渣的資源化利用和土壤團(tuán)聚體改良方法提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1供試土壤的基本性質(zhì)

供試土壤A為陜西省漢中市留壩縣留侯鎮(zhèn)耕地土壤,農(nóng)作模式為玉米/馬鈴薯間作,近年來土地耕作密集,有機(jī)肥與化肥混施,結(jié)構(gòu)狀態(tài)表觀良好;供試土壤B為漢中市漢臺(tái)區(qū)宗營鎮(zhèn)漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地耕地土壤,該土地生產(chǎn)極為密集,蔬菜四季輪種(采樣時(shí)目標(biāo)地塊種植作物為馬鈴薯),有機(jī)肥與化肥混施,水肥投入逐年增大,結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)差。

每個(gè)供試田塊按照“S”型分布設(shè)置15個(gè)采樣點(diǎn),分別采集0～20 cm表層的原狀土壤樣品和擾動(dòng)土壤樣品。用方形硬塑料盒收集原狀樣品,防止運(yùn)輸過程中被擠壓破壞,帶回實(shí)驗(yàn)室后在自然風(fēng)干過程中除去植物殘?bào)w及小石塊,沿結(jié)構(gòu)體自然裂隙面掰成直徑約1 cm大小的小塊,風(fēng)干后用于測(cè)定團(tuán)聚體的組成;擾動(dòng)樣品風(fēng)干研磨過篩后用于測(cè)定土壤質(zhì)地和養(yǎng)分含量。土壤質(zhì)地采用吸管法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)含量用丘林法測(cè)定,堿解氮含量用擴(kuò)散法測(cè)定,速效磷含量用Olsen法測(cè)定,速效鉀含量用NH4OAc提取-火焰光度法測(cè)定[18]。

土壤質(zhì)地采用卡慶斯基二級(jí)分類制分類,測(cè)得供試土壤A物理性砂粒(≥0.01 mm)含量w為87.2%,物理性黏粒(<0.01 mm)含量w為12.8%,質(zhì)地類型為砂壤土;供試土壤B物理性砂粒含量w為21.3%,物理性黏粒含量w為78.7%,質(zhì)地類型為中黏土。

測(cè)得供試土壤基本理化性狀為:土壤A的w(有機(jī)質(zhì))為15.7 mg·kg-1,w(堿解氮)為123.3 mg·kg-1,w(速效磷)為110.8 mg·kg-1,w(速效鉀)為211.2 mg·kg-1;土壤B的w(有機(jī)質(zhì))為9.8 g·kg-1,w(堿解氮)為74.7 mg·kg-1,w(速效磷)為22.4 mg·kg-1,w(速效鉀)為54.6 mg·kg-1。2種供試土壤為處在同一區(qū)域的旱地耕作土壤,但由于土壤所處海拔、農(nóng)業(yè)耕作模式和管理模式不同,土壤質(zhì)地類型和有機(jī)質(zhì)含量等肥力指標(biāo)均存在顯著差異(P<0.05)。

1.1.2供試菌糠的養(yǎng)分組成

供試香菇菌渣收集自漢中市漢臺(tái)區(qū)武鄉(xiāng)鎮(zhèn)食用菌生產(chǎn)基地。將樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后用粉碎機(jī)粉碎,過直徑為1 mm孔徑篩備用。香菇菌渣w(有機(jī)碳)為703.2 g·kg-1,全量w(氮)、w(磷)、w(鉀)分別為12.8、3.5和1.8 g·kg-1,w(堿解氮)、w(速效磷)和w(速效鉀)分別為816.2、28.3 和1 326.2 mg·kg-1。供試香菇菌渣w(有機(jī)碳)達(dá)70%左右,C/N比為55∶1,所含各類養(yǎng)分中大部分為速效養(yǎng)分,可為微生物提供良好的活動(dòng)環(huán)境。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤樣品制備方法:通過機(jī)械篩分剔除直徑為5 mm以上的大團(tuán)聚體,僅保留在農(nóng)業(yè)上有價(jià)值的直徑≤5 mm的土壤團(tuán)聚體[19]樣品用于測(cè)定。稱取供試土壤+菌渣樣品共50 g[20](分別稱取供試土壤A和B各50.0、49.5、47.5、42.5和35.0 g,按順序加入香菇菌渣0、0.5、2.5、7.5和15.0 g),配置成菌渣添加量0、1%、5%、15%和30%的混合樣品,輕輕搖勻后置于480 mL培養(yǎng)瓶中備用。上述混合樣品每個(gè)處理配制12瓶,分為4組,分別對(duì)應(yīng)0、30、60和90 d培養(yǎng)時(shí)間,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。樣品編號(hào)設(shè)計(jì)為土樣類型編號(hào)(砂壤土A、中黏土B)、菌渣添加量和培養(yǎng)時(shí)長組成,例如砂壤土添加w=1%的菌渣培養(yǎng)30 處理編號(hào)為A1-30。

在配制好的混合樣品中加入10 mL蒸餾水潤濕土壤,放入SPX-150B-Z型恒溫生化培養(yǎng)箱,在24 ℃恒溫下培養(yǎng)相應(yīng)天數(shù)后進(jìn)行團(tuán)聚體組成測(cè)定,培養(yǎng)期間每5 d補(bǔ)充1次水分,保持樣品濕潤,并及時(shí)除去雜草雜菌。

1.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的測(cè)定方法

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用濕篩法測(cè)定。使用土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒分析儀(德碼zy200型,上海德碼信息技術(shù)有限公司)進(jìn)行團(tuán)聚體篩分。具體操作為:沿盛有樣品的培養(yǎng)瓶瓶壁緩緩加入20 mL去離子水浸潤,將樣品全部洗入儀器的套篩上(套篩孔徑從上到下依次為5、3、2、1、0.5和0.25 mm),緩慢加入去離子水直至沒過樣品,儀器設(shè)置振幅3.0 cm,以40次·min-1的頻率豎直上下振蕩5 min。分離得到直徑≤0.25、>0.25～0.5、>0.5～1、>1～2、>2～3和>3～5 mm的團(tuán)聚體留于土篩上,將各級(jí)團(tuán)聚體小心沖洗入蒸發(fā)皿,在水浴鍋上蒸干后移入烘箱,烘干至恒重后稱重,計(jì)算土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的組成。

1.4 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體性狀指標(biāo)計(jì)算

對(duì)測(cè)定所獲數(shù)據(jù),分別計(jì)算各級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量、平均重量直徑(mean weight diameter,MWD,DMW)和幾何均重直徑(geo-metric mean diameter,GMD,DGM),用于團(tuán)聚體組成分析和團(tuán)聚體質(zhì)量評(píng)價(jià),計(jì)算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中,xi為團(tuán)聚體的直徑,mm;wi為某一直徑團(tuán)聚體的質(zhì)量,g。平均重量直徑和幾何平均直徑是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體組成和狀態(tài)的指標(biāo),常用于評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚狀態(tài)和質(zhì)量,平均重量直徑和幾何平均直徑數(shù)值越大,代表土壤團(tuán)聚度越高[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

圖1為2種供試土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。供試土壤A和B中直徑≤0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均在60%以上,直徑≤0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均為75%。2種質(zhì)地的土壤在較小直徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體中百分含量相當(dāng),在>3～5 mm直徑范圍內(nèi)兩者則顯現(xiàn)出了較大差異。土壤A中>3～5 mm直徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量僅占不到2%,土壤B中為6.25%。表明2種供試土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成差異主要體現(xiàn)在>3～5 mm直徑的較大團(tuán)聚體。

圖1 不同質(zhì)地類型土壤團(tuán)聚體累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.1 Cumulative weight precentage of different textured tested soil aggregates

2.2 添加香菇菌渣培養(yǎng)處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的組成

圖2為各處理培養(yǎng)后的土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)累計(jì)曲線。加入不同比例的菌渣但未經(jīng)培養(yǎng)的處理團(tuán)聚體整體組成發(fā)生了一定變化,但未見明顯差異。恒溫培養(yǎng)30 d后,土壤A和土壤B中>0.25 mm直徑的團(tuán)聚體含量都明顯增大。培養(yǎng)前,土壤A中>0.25 mm直徑的團(tuán)聚體含量w為32%,土壤B中為37%。經(jīng)菌渣培養(yǎng)后,土壤A中>0.25 mm直徑的團(tuán)聚體含量增加到50%左右,土壤B中增加到60%以上。對(duì)于土壤A而言,主要增加了>1～2 mm直徑的團(tuán)聚體含量。隨著菌渣添加比例的增加,>3～5 mm直徑的團(tuán)聚體含量也明顯增大;對(duì)于土壤B而言,加入菌渣主要增加了>3～5 mm直徑團(tuán)聚體的含量。由累計(jì)曲線的變化特征可見,菌渣培養(yǎng)處理對(duì)土壤團(tuán)聚體的組成有著顯著的影響,不同質(zhì)地土壤形成新團(tuán)聚體的級(jí)別存在明顯差異。

處理編號(hào)中A為砂壤土,B為中黏土,數(shù)字表示添加菌渣比例。圖2 不同直徑土壤團(tuán)聚體累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 The cumulative curves of soil aggregates content

2.3 添加香菇菌渣培養(yǎng)處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的性狀分析

圖3為各處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD。從圖中可以看出,不同處理間的MWD和GMD均呈規(guī)律性的明顯差異。定性分析結(jié)果顯示,土壤A和土壤B的MWD和GMD都隨著菌渣添加量的增加而增大,土壤B增量比土壤A更加明顯,表明添加菌渣培養(yǎng)增大了土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚程度,且菌渣對(duì)土壤B的團(tuán)聚體質(zhì)量改善效果更好。

圖中平均重量直徑和幾何均重直徑數(shù)值按照添加香菇菌渣的比例進(jìn)行分組,組間作定性比較;組內(nèi)為同一菌渣添加量培養(yǎng)不同時(shí)間所獲得的團(tuán)聚體性狀指標(biāo),組內(nèi)數(shù)值之間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。處理編號(hào)中A為砂壤土,B為中黏土,數(shù)字表示添加菌渣的比例。英文小寫字母不同表示在α=0.05水平上差異顯著。圖3 土壤團(tuán)聚體性狀指標(biāo)Fig.3 Character indicators of soil aggregates

定量分析結(jié)果顯示,添加菌渣后,A5、A15、A30和B1、B5、B15、B30處理的團(tuán)聚體MWD和GMD都隨著培養(yǎng)時(shí)長的增加而增大。A1處理未見顯著差異,A5處理培養(yǎng)30 d以上的團(tuán)聚體比未培養(yǎng)的處理顯著增大(P<0.05),但培養(yǎng)時(shí)長增至90 d時(shí)未見進(jìn)一步顯著增加;A15和A30處理的團(tuán)聚體MWD和GMD顯著高于對(duì)照,培養(yǎng)90 d的團(tuán)聚體顯著大于培養(yǎng)30和60 d的處理(P<0.05)。B1、B5、B30培養(yǎng)30、60和90 d的團(tuán)聚體MWD和GMD無顯著差異;B15培養(yǎng)60和90 d處理的團(tuán)聚體MWD顯著高于培養(yǎng)30 d的處理,團(tuán)聚體GMD在培養(yǎng)30、60和90 d后均逐步顯著增大(P<0.05)。

上述結(jié)果表明,對(duì)質(zhì)地黏重的中黏土而言,菌渣添加量w為1%時(shí),即可達(dá)到改善土壤團(tuán)聚性的目的,但在質(zhì)地較輕的砂壤土中,菌渣添加量w需在5%以上才具有改善效果。2種土壤培養(yǎng)的菌渣添加量w在15%時(shí),增加培養(yǎng)時(shí)長均可以進(jìn)一步改善土壤團(tuán)聚性。

3 討論

土壤是具有一定生命特征的“類生命體”[22],團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要功能“器官”,在土壤發(fā)揮生態(tài)協(xié)調(diào)功能過程中具有重要作用。土壤質(zhì)地是影響團(tuán)聚體形成的重要因素之一[23]。葛楠楠等[24]研究了黃土高原不同質(zhì)地土壤的團(tuán)聚體分布特征,發(fā)現(xiàn)直徑>0.25 mm的團(tuán)聚體含量隨著土壤質(zhì)地由細(xì)變粗而逐漸減小。砂壤土中直徑>0.25 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于中黏土,其原因是由于黃土高原的土壤團(tuán)聚體以碳酸鹽為主要膠結(jié)劑[25],黏粒含量高的土壤碳酸鹽與黏粒的混合膠結(jié)作用促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成,而供試區(qū)域土壤團(tuán)聚體主要依靠有機(jī)質(zhì)和黏粒自身膠結(jié)作用形成,其中土壤有機(jī)質(zhì)起主要膠結(jié)作用[26-27],供試的砂壤土比中黏土的有機(jī)質(zhì)含量更高,更有利于較大團(tuán)聚體的形成。

香菇菌渣用作土壤添加劑不僅能夠有效提升土壤微生物數(shù)量和酶活性[28],還能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)[29]。MANOJ[30]歸納了土壤耕層團(tuán)聚體性狀評(píng)級(jí)指標(biāo),認(rèn)為直徑>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量低于20%,屬于團(tuán)聚體性狀差的土壤;>20%～40%屬于團(tuán)聚體性狀較差;>40%～60%屬于團(tuán)聚體性狀良好;而>60%屬于團(tuán)聚體性狀很好的優(yōu)水平。該研究供試的砂壤土和中黏土直徑>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量為36.88%和32.05%,團(tuán)聚體性狀均為較差水平。經(jīng)菌渣培養(yǎng)后,砂壤土團(tuán)聚體性狀為良好水平,中黏土達(dá)到優(yōu)水平。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),添加有機(jī)物料(農(nóng)業(yè)廢棄物料)增加了土壤團(tuán)聚體的MWD,有機(jī)物料進(jìn)入土壤不僅加快了土壤大團(tuán)聚體的形成,同時(shí)減少了原有大團(tuán)聚體的分散[31]。GENTILE 等[32]研究表明,添加玉米秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物料對(duì)黏土和砂壤土大團(tuán)聚體的形成均有明顯的促進(jìn)作用,并且在黏土中表現(xiàn)更加顯著。添加香菇菌渣能明顯增大供試砂壤土和黏土的MWD和GMD,中黏土的團(tuán)聚體性狀指標(biāo)增加更加顯著,表明添加香菇菌渣改善了土壤的物理狀態(tài),并且對(duì)中黏土的改善效果更佳。

有機(jī)物料的添加量是判斷有機(jī)物料作為土壤改良劑對(duì)土壤團(tuán)聚體性狀改善效果的重要因素之一[33-34]。顧鑫等[35]以風(fēng)化的褐煤為添加物料改良鹽堿土,土壤MWD和GMD都隨著褐煤添加量的增加而增大,添加30%褐煤處理的團(tuán)聚體穩(wěn)定性最強(qiáng)。添加秸稈生物炭顯著提高了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量,田間生物炭添加量為30 t·hm-2時(shí)大團(tuán)聚體增幅最大,添加量為50 t·hm-2時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量增幅最大[36],由此可見土壤中過量添加有機(jī)物料并不一定能夠改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。這與筆者的研究結(jié)果相似,并且針對(duì)不同質(zhì)地的土壤,相同香菇菌渣添加量對(duì)團(tuán)聚體性狀也表現(xiàn)出不同的改善效果。菌渣添加量為15%和30%時(shí)對(duì)砂壤土團(tuán)聚體性狀的改善效果仍隨著培養(yǎng)時(shí)長的增加而增加,而中黏土30%的添加量處理并未表現(xiàn)出相同的效果,應(yīng)當(dāng)是由于香菇菌渣中殘留有大量的菌絲,真菌菌絲對(duì)直徑>2 mm的大團(tuán)聚體形成具有重要作用[37-38],而黏粒豐富的環(huán)境更有利于菌絲在土壤中發(fā)揮團(tuán)聚作用[39],加快了大團(tuán)聚體的形成。

4 結(jié)論

香菇菌渣能夠有效增加土壤中大團(tuán)聚體的含量,改善土壤團(tuán)聚體性狀。菌渣對(duì)質(zhì)地較細(xì)的土壤團(tuán)聚體的改善效果強(qiáng)于質(zhì)地較粗的土壤。菌渣添加量對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響顯著,黏粒含量較大、質(zhì)地較細(xì)的土壤,其團(tuán)聚體更容易在香菇菌渣的培育下發(fā)生團(tuán)聚作用,能夠通過少量的菌渣和更短的培育時(shí)間改善土壤團(tuán)聚體性狀;而質(zhì)地較粗的土壤團(tuán)聚體對(duì)菌渣培育的敏感度較低。當(dāng)菌渣添加量高于15%時(shí),中黏土沒有繼續(xù)發(fā)生明顯的團(tuán)聚化作用,而質(zhì)地較粗的砂壤土在菌渣添加量達(dá)到15%和30%時(shí)均表現(xiàn)出隨著培育時(shí)長增加,水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量逐漸提升的趨勢(shì)。