長期菌渣化肥配施對稻田土壤活性有機碳組分和有效養(yǎng)分的影響

龔 臣，王旭東，倪 幸，樂天天，曾詩媛，葉正錢

（浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點實驗室，浙江 杭州311300）

2014年，中國國內(nèi)食用菌產(chǎn)量為2 134萬t，總產(chǎn)值達(dá)800多億元。食用菌生產(chǎn)之后的副產(chǎn)物——菌渣的處理已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大問題，菌渣還田是解決此問題的最佳辦法之一［1］。土壤有機碳（SOC）是土壤的重要組成部分，影響著土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)。單純用SOC總量不能評價土壤有機碳庫的穩(wěn)定性和很好地反映其當(dāng)季土壤肥力的狀況?；钚杂袡C碳（labile organic carbon，LOC）組分在土壤中易于轉(zhuǎn)化，不僅能被微生物利用作為能源，也是植物的養(yǎng)分庫。LOC與土壤物理結(jié)構(gòu)和有效養(yǎng)分有著密切相關(guān)性，可以敏感地指示土壤肥力的微小變化［2］，所以運用LOC和SOC來共同評價有機碳庫質(zhì)量是較為科學(xué)的方法［3-4］。在對土壤活性有機碳研究中，LOGINOW等［5］提出了用3種不同濃度的高錳酸鉀（33，167，333 mmol·L-1）測定土壤LOC的方法，獲得了土壤有機碳的4個級別。BLAIR等［6］提出用土壤碳庫管理指數(shù)（carbon pool management index,CPMI）來評價土壤有機碳庫的質(zhì)量。CPMI作為評價土壤有機碳總量和土壤有機碳活性的綜合指標(biāo)，可以系統(tǒng)和敏感地監(jiān)測土地管理對土壤有機碳質(zhì)量的影響［7］。SOC受植被類型、氣候條件、土壤性質(zhì)等自然因素以及耕作方式和施肥措施等人為活動因素影響［8］。過度依賴化肥來提高糧食產(chǎn)量會降低土壤LOC或者其占SOC的比例［9-10］，也有研究證明均衡施用化肥可以顯著提高SOC和LOC［11］。在施用有機肥條件下，不論單施有機肥還是有機無機化肥配合施用均可以增加LOC［12-13］。菌渣作為一種優(yōu)良的有機物料，施入土壤中后會引起LOC怎樣的變化及其與土壤肥力的關(guān)系值得關(guān)注。目前，關(guān)于菌渣還田對土壤活性有機碳庫影響的研究很少見，對完整的一個耕作周期內(nèi)土壤LOC動態(tài)變化的研究更是鮮見。為此，作者利用6 a的菌渣還田定位試驗地為研究對象，測定了不同菌渣施用量下稻田土壤中的3種LOC（能被33，167，333 mmol·L-1這3個不同濃度高錳酸鉀氧化的有機碳）和有效養(yǎng)分的變化，旨在了解長期菌渣還田對稻田土壤LOC的組分和土壤有效養(yǎng)分的影響，探討LOC在一個完整的耕作周期內(nèi)的變化規(guī)律以及與土壤有效養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系，為合理利用菌渣和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于 2010 年 7 月，在浙江省嘉興市王店鎮(zhèn)五浪園（30°37′00″～30°40′00″N， 120°39′00″～120°44′00″E）大田進行研究。該地區(qū)平均海拔為3.7 m，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為16.0℃，年均日照時數(shù)為2 000.0 h，年均降水量為1 170.0 mm，全年無霜期為225.0 d。試驗地為單季稻Oryza sativa種植模式。

供試土壤基本理化性質(zhì)： 有機碳（SOC）為 11.11 g·kg-1， 全氮 1.48 g·kg-1， 堿解氮 134 mg·kg-1， 有效磷24 mg·kg-1，速效鉀209 mg·kg-1。供試菌渣為歷年黑木耳Auricularia auricula-judae栽培結(jié)束后的廢菌棒，經(jīng)堆置發(fā)酵后還田。菌渣平均干質(zhì)量為470 g·棒-1。菌渣主要成分：有機碳為451.8 g·kg-1，全氮為11.4 g·kg-1， 碳氮比為 39.6， 全磷為 1.0 g·kg-1， 全鉀為 6.0 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)3個菌渣還田水平，3個化肥施用水平，雙因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，共9個處理。菌棒還田量分別為 0， 22 500， 45 000 棒·hm-2（0， 10 575， 21 150 kg·hm-2）， 相對用量記為 0%， 50%， 100%；化肥常規(guī)施肥量為0%，50%，100%?；食Ｒ?guī)施肥量100%下的施肥方案如下：基肥，過磷酸鈣（含五氧化二磷12%）375 kg·hm-2， 碳酸氫銨450 kg·hm-2；追肥，①分蘗初期（移栽后 3周）施尿素150 kg·hm-2，②分蘗盛期施揚豐牌復(fù)合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶6∶15］225 kg·hm-2， ③孕穗期（穗肥）施揚豐牌復(fù)合肥300 kg·hm-2。各處理具體見表1。試驗設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共27個小區(qū)，面積為20 m2·小區(qū)-1，其他田間管理按照常規(guī)栽培技術(shù)要求進行。

表1 大田試驗處理Table 1 Field experiment treatments

1.3 研究方法

1.3.1 采樣方法 分別于2015年6月的水稻移栽前、2015年12月的收獲期、2016年6月的移栽前，取0～20 cm表層土樣。剔除石塊和動植物殘體等雜物，風(fēng)干，磨細(xì)，分別過10目和100目篩備用。

1.3.2 測定方法 土壤和菌渣的基本理化性質(zhì)測定：土壤pH值按V（土）∶V（水）=1.0∶2.5酸度計法測定；土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰分光光度計法測定。不同活性有機碳（LOC）按LEFROY等［12］提出的LOC測定方法，得到的3種不同活性有機碳分別為33 mmol·L-1高錳酸鉀氧化有機碳（表示為 LOC1）， 167 mmol·L-1高錳酸鉀氧化有機碳（表示為 LOC2），333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化有機碳（表示為 LOC3）。

1.3.3 計算方法 土壤活性有機碳有效度（ALC）［15］=活性有機碳（LOC）/有機碳總量（TOC）×100%。碳庫管理指數(shù)（CPMI）是表征土壤碳庫變化的指標(biāo)， 計算公式［7］： 碳庫管理指數(shù)（CPMI）=碳庫指數(shù)（CPI）× 碳庫活度指數(shù)（AI）×100。 其中： 碳庫指數(shù)（CPI）=樣品總碳（g·kg-1）/參考土壤總碳（g·kg-1）； 碳庫活度指數(shù)（AI）=樣品碳庫活度（A）/參考土壤碳庫活度； 碳庫活度（A）=土壤活性有機碳（g·kg-1）/土壤非活性有機碳（g·kg-1）?？傆袡C碳碳與活性有機碳的差值為非活性有機碳。文中設(shè)定原始農(nóng)田為參考土壤，碳庫管理指數(shù)為100。若采取施肥措施后碳庫管理指數(shù)高于100，說明土壤碳庫有所改善，反之則說明土壤碳庫變差。

1.3.4 分析方法 試驗數(shù)據(jù)采用WPS表格和SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與分析

2.1 長期菌渣還田對土壤活性有機碳庫組分的影響

2.1.1 菌渣還田對土壤活性有機碳（LOC）年變化的影響 由圖1～3可以看出：不同處理的3種土壤LOC在12個月的耕作周期中（2015-06-2016-06）的變化趨勢基本相同。一般來說，收獲后的土壤LOC高于移栽前的。在收獲后至下一茬水稻移栽前，大體上各處理土壤LOC有不同程度的下降。3種土壤LOC差異大小為 LOC1＜LOC2＜LOC3， 各處理 LOC1為 0.87～1.98 g·kg-1， LOC2為 1.61～4.01 g·kg-1， 而 LOC3為1.74～5.54 g·kg-1。結(jié)果顯示：2015-06-2016-06的水稻移栽前、收獲期及下一茬水稻移栽前這3個時期中，隨著菌渣還田量增加土壤LOC1極顯著提高（P＜0.01）。化肥的施用對土壤LOC影響不顯著（P＞0.05）， 不施用化肥處理（C0F0， C0F50， C0F100）和施用 100%化肥處理（C100F0， C100F50， C100F100）相差不大， 但均明顯高于施用50%化肥處理（C50F0，C50F50，C50F100），平均是其1.14倍。同樣，LOC2，LOC3中不施肥和施用100%化肥處理平均是施用50%化肥處理的1.12～1.22倍。與對照（C0F0）相比，含菌渣的所有處理（包括單施菌渣處理和菌渣化肥配施處理）均顯著提高各LOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中C0F100對LOC的提高效果最好， C100F100次之。 相比原始土 LOC1（1.23 g·kg-1）， 對照處理（C0F0）和單施 50%化肥處理（C50F0）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了0.18，0.21 g·kg-1，單施100%化肥處理 （C100F0）與其基本持平。相比原始土LOC2（1.89 g·kg-1），對照處理（C0F0）和單施 50%化肥處理（C50F0）基本沒有差異， 而單施 100%化肥處理（C100F0）則明顯升高， 增幅達(dá) 0.57 g·kg-1。 相比原始土的 LOC3（2.93 g·kg-1）， 對照處理（C0F0）和單施50%化肥處理（C50F0）分別下降了0.21和0.27 g·kg-1，單施100%化肥處理（C100F0）基本持平?？傊c原始土壤相比，長期不施肥（C0F0）或單施50%化肥（C50F0）對土壤3種LOC均為降低趨勢，說明這2種施肥方式對土壤活性有機碳庫的影響是不利的，但常規(guī)施用化肥處理則影響不大，菌渣和化肥配施處理則均可顯著提高3種土壤不同LOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對LOC提高的效果均為處理C0F100最好，C100F100次之。另外，LOC1在收獲期到下一個移栽前表現(xiàn)為明顯下降，LOC2和LOC3則因處理不同變化不同，但變化均不明顯。

圖1 長期菌渣還田對土壤LOC1的影響（2015-06-2016-06）Figure 1 Effects of long-term fungus residue return on content of LOC1（2015-06-2016-06）

圖2 長期菌渣還田對土壤LOC2的影響（2015-06-2016-06）Figure 2 Effects of long-term fungus residue return on content of LOC2（2015-06-2016-06）

圖3 長期菌渣還田對LOC3影響的變化（2015-06-2016-06）Figure 3 Effects of long-term fungus residue return on content of LOC3（2015-06-2016-06）

2.1.2 長期菌渣還田對3種LOC的有效度（ALC）及碳庫管理指數(shù)（CPMI）的影響 由表2可知：3種LOC的有效度（ALC）和碳庫管理指數(shù)（CPMI）僅受菌渣處理因子的顯著影響；化肥施用的影響較小，沒有達(dá)到顯著作用；菌渣與化肥配施的交互作用不明顯。與對照處理（C0F0）相比，單施50%化肥處理（C50F0）使LOC的ALC和CPMI略有降低，而單施100%化肥處理（C100F0）只對LOC1的ALC略有下降外，其他各指標(biāo)都略有提高。菌渣還田對LOC的ALC和CPMI的提高作用顯著，但在相同化肥下，50%與100%菌渣還田處理之間沒有差異。在不同活性LOC中，高活性的LOC（LOC1）的ALC受不同處理的影響變化大，表明高活性的LOC1的ALC敏感性相比其他2個LOC更高，說明LOC1是最容易變化的LOC。相比用LOC的ALC來評價菌渣還田對土壤LOC的影響，CPMI變化更明顯，說明CPMI可以更敏感地評價土壤碳庫的變化?？傮w來看，單施100%菌渣處理（C0F100）在LOC1的ALC和CPMI上最高，C100F100表現(xiàn)次之。

表2 長期菌渣還田對LOC有效度和CPMI的影響（2015-12）Table 2 Effects of long-term fungus residue return on availability of LOC and CPMI （2015-12）

2.2 長期菌渣化肥配施對土壤肥力和水稻產(chǎn)量的影響

雙因素方差分析結(jié)果顯示：隨著菌渣施用量增加，土壤有機碳、全氮、有效磷、堿解氮顯著增加；隨著化肥施用量的增加，土壤速效鉀顯著降低，有效磷顯著增加，水稻產(chǎn)量（稻谷產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和地上部生物量）極顯著提高?？梢姡蕦τ行Я子酗@著的交互作用（P＜0.05）（表3）。

不同施肥處理對土壤肥力的影響差異顯著，與對照處理（C0F0）相比，單施化肥處理（C50F0）在土壤有機碳、全氮和有效養(yǎng)分上均有不同程度的下降，但單施100%化肥處理（C100F0）略有增加，其中有效磷顯著提高，單施化肥處理（C50F0和C100F0）均顯著降低了速效鉀（P＜0.05）。單施菌渣處理有利于有機碳和全氮的積累，其中單施100%菌渣（C0F100）顯著提高有效磷和堿解氮，但單施50%菌渣處理（C0F50）并沒有提高。菌渣和化肥配施處理（C50F50，C50F100，C100F50，C100F100）除了速效鉀呈下降趨勢，其他土壤肥力指標(biāo)均呈增加趨勢，但其中C100F50和C100F100對有機碳提升的作用不大。相比單施50%化肥（C50F0），菌渣與50%化肥配施處理（C50F50和C50F100）有助于SOC和全氮的積累以及有效磷和堿解氮的釋放。但在施用100%化肥的基礎(chǔ)上，配施菌渣在土壤有機碳、全氮沒有顯著影響，但可以提高土壤有效養(yǎng)分（表3）。

不同施肥處理之間的水稻產(chǎn)量差異顯著（P＜0.05）。相比C0F0，單施100%菌渣處理（C0F100）可以顯著提高水稻產(chǎn)量（稻谷產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和地上部生物量），單施50%菌渣處理（C0F50）只顯著提高了稻谷產(chǎn)量。雖然菌渣的施用可以顯著提高水稻產(chǎn)量，但在與化肥的配施下，菌渣并沒有起到明顯作用，例如表3的C50F0，C50F50和C50F100等3個處理之間的水稻產(chǎn)量幾乎沒有差異，施用100%化肥的3個處理也是如此。相比菌渣對水稻產(chǎn)量的提高作用，化肥的影響更重要。

總體上，相比單施100%化肥處理（C100F0），菌渣與化肥配施可以顯著提高土壤堿解氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但卻降低速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。C50F100和C50F50更有利于SOC的積累，C100F100更有利于有效磷和堿解氮的提高。相比菌渣對水稻產(chǎn)量的影響，化肥的作用更加明顯。

表3 長期菌渣化肥配施對土壤肥力和水稻產(chǎn)量指標(biāo)的影響（2015-12）Table 3 Soil fertility and rice yield affected by long-term application of fungus residue and chemical fertilizers（2015-12）

3 討論

3.1 長期菌渣還田對活性有機碳庫組分的影響

許多研究表明：有機肥料施用到土壤中可以增加LOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、LOC的有效度和CPMI［13-15］。本研究中，菌渣還田同樣可以起到提高LOC的作用，33 mmol·L-1高錳酸鉀氧化有機碳（LOC1）的有效度和CPMI隨菌渣還田量的增加達(dá)極顯著水平。這與吳建富等［13］利用稻草還田的研究結(jié)果一致，同時也驗證了CPMI適合作為評價碳庫變化指標(biāo)的靈敏性［15］。

土壤LOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受土地利用方式和施肥措施的影響，不同的土地利用方式下的土壤LOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別很大。張俊華等［16］對7種典型土地利用方式進行了研究，發(fā)現(xiàn)LOC為1.00～7.00 g·kg-1，但這主要與土壤總有機碳有關(guān)［17］。本研究不同時期不同處理下的LOC為1.74～5.54 g·kg-1，其中收獲后的土壤LOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍高于移栽前的。這是由于在水稻種植期間，菌渣的施入為土壤微生物提供充足的碳源從而增加微生物的種類和數(shù)量［18］，另外，植物在生長過程中根系也在分泌一些可溶的低分子有機物質(zhì)（氨基酸、糖類等）［19］，這也會增加土壤中活性有機碳的量。

本研究發(fā)現(xiàn)：相比原始土，不施肥處理（C0F0）和單施50%化肥處理（C50F0）這2種施肥方式不利于3種不同LOC的提高，但單施100%化肥處理（C100F0）則沒有降低趨勢。徐明崗等［10］的研究也表明，連續(xù)10 a化肥配施對潮土和灰漠土的這3個組分LOC的影響不明顯。菌渣化肥配施可以顯著提高3種LOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效度以及CPMI，這與張璐等［9］的研究結(jié)果相似。

3.2 長期菌渣化肥配施對土壤肥力和水稻產(chǎn)量的影響及其作用機制探討

本研究表明：相比單施100%化肥處理（C100F0），菌渣化肥配施不僅可以顯著提高土壤堿解氮和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，還可以提高土壤SOC和總氮，這與其他有機無機化肥配施的研究結(jié)果相似［20-21］?；时染鼘λ井a(chǎn)量（稻谷產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和地上部生物量）的提高效果要高，這一點在其他研究上也已經(jīng)得到證明［20,22］。高菊生等［20］研究表明：連續(xù)29 a單施化肥處理的水稻產(chǎn)量顯著低于有機無機化學(xué)配施處理。但在本研究中菌渣和化肥配施沒有顯著高于單施化肥處理，這可能和背景土壤的肥力以及試驗?zāi)晗抻嘘P(guān)。隨著化肥施用量增加速效鉀顯著降低，其原因可能是由于水稻生長量大、吸收帶走的鉀多，此時非交換性鉀成為植物的主要鉀源［23］。C50F50和C50F100均有利SOC的積累，C100F100則更有利于養(yǎng)分的釋放，能夠最大程度地提高土壤有效磷和堿解氮，這一結(jié)果與前人的研究成果［24-25］有異同之處。胡楊勇等［24］研究發(fā)現(xiàn)：C50F100有利于SOC的積累，C100F50最有利用于養(yǎng)分的釋放，前一結(jié)果在本研究結(jié)果也得到進一步驗證，但后一結(jié)果卻不盡相同，在隨著試驗時間年限的增加，菌渣作用年限的增加，C100F100成為最有利于養(yǎng)分的釋放和供應(yīng)的處理。溫廣蟬等［25］前期研究發(fā)現(xiàn)：C100F100處理對SOC的積累作用最強，但隨著菌渣還田年限的增加，反而是菌渣與50%化肥配施（C50F100和C50F50）對SOC的提升作用最強，這說明長期菌渣還田減少化肥的施用有利于SOC的積累。侯紅乾等［21］的研究結(jié)果也證實這一點。

根據(jù)表4可知：3種不同LOC和SOC均與土壤堿解氮、有效磷和速效鉀有顯著正相關(guān)關(guān)系，其中LOC與土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，這驗證了LOC和SOC是評價土壤肥力高低的指標(biāo)［10］，LOC可以更好地指示土壤養(yǎng)分的微小變化，其中LOC1和LOC2比LOC3表現(xiàn)更敏感；3種LOC的有效度（ALC）均與有效磷顯著相關(guān)，其中LOC1的ALC與全氮呈極顯著正相關(guān)。而3種不同LOC與其各自的ALC都呈極顯著正相關(guān)（表5），也都與CPMI呈極顯著正相關(guān)，同時CPMI與有效養(yǎng)分和全氮均顯著相關(guān)，說明CPMI可以作為評價土壤肥力的一個間接指標(biāo)。

表4 土壤LOC與土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)性（2015年移栽前）Table 4 Correlations between LOC and soil fertility index（preplanting,2015）

表5 評價LOC的指標(biāo)與土壤肥力的相關(guān)分析（2015年收獲期）Table 5 Correlation analysis on evaluation index of soil LOC and soil fertility（harvest,2015）

4 結(jié)論

相比單施化肥，長期菌渣化肥配施顯著提高土壤碳庫管理指數(shù)（CMPI）和3種活性有機碳（LOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其有效度（ALC），水稻收獲期的LOC一般高于移栽前的，C100F100最有利于提高3種LOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、ALC和CMPI。相比單施化肥，菌渣與化肥配施處理顯著提高土壤全氮、堿解氮和有效磷。100%化肥與菌渣配施（C100F50和C100F100）比50%化肥與菌渣配施（C50F50和C50F100）更有利于SOC的礦化以及養(yǎng)分的釋放；在化肥施用條件下（無論是50%還是100%化肥），配施菌渣對水稻產(chǎn)量的作用較小。

3種LOC比SOC對堿解氮、有效磷和速效鉀的影響更顯著，其中LOC1和LOC2比LOC3在反映土壤肥力變化上更敏感；CPMI與土壤有效養(yǎng)分、全氮有顯著的正相關(guān)，可以較敏感地反映土壤肥力的變化。

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