不同有機(jī)物料對連作大豆土壤養(yǎng)分及團(tuán)聚體組成的影響*

王篤超 吳景貴

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118)

中國人多地少，農(nóng)業(yè)的發(fā)展扮演著舉足輕重的角色。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐漸被推廣使用，并且施用量呈直線上升趨勢，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要位置。然而對化肥過度依賴和使用，土壤養(yǎng)分下降和板結(jié)現(xiàn)象普遍出現(xiàn)。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，也是決定作物產(chǎn)量的重要因素，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到重要作用。土壤肥力是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［1］。土壤團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單位，是土壤中能量轉(zhuǎn)化及物質(zhì)代謝的場所，決定著土壤的諸多性質(zhì)和肥力。團(tuán)聚體對協(xié)調(diào)土壤肥力狀況、改善土壤耕性等有著重要作用，影響著土壤孔隙性、持水性和抗蝕性，常被作為衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)［2］。不同粒級的團(tuán)聚體在營養(yǎng)元素的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面的作用也各不相同。各粒級團(tuán)聚體的數(shù)量分布和空間排列方式?jīng)Q定了土壤孔隙的分布和連續(xù)性，進(jìn)而決定了土壤的水力性質(zhì)和通透性能，并影響土壤生物的活動(dòng)和養(yǎng)分的保持與供應(yīng)［3］。各粒級團(tuán)聚體的分布對協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱以及提高土壤通水透氣具有重要作用。

大豆是忌重迎茬種植的植物，同一種植區(qū)域連續(xù)多年種植大豆，會導(dǎo)致產(chǎn)量下降［4］。現(xiàn)有研究表明有機(jī)肥與化肥相結(jié)合是增加和維持土壤肥力以及提高作物產(chǎn)量的有效方法［5-6］，對克服連作障礙增加產(chǎn)量具有良好效果。有機(jī)物料是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ),施用有機(jī)物料對土壤性質(zhì)改善及作物生產(chǎn)有著重要影響［7］，已有大量關(guān)于有機(jī)物料培肥土壤的研究報(bào)道。宋蒙亞等［8］發(fā)現(xiàn)，添加有機(jī)物料可以顯著提高土壤養(yǎng)分含量。有機(jī)物料能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量與陽離子交換量，從而提高土壤的保肥、供肥能力［9］。研究表明，施用有機(jī)肥能有效提高土壤微生物活性［10］，達(dá)到改良土壤物理性狀、提升土壤有機(jī)質(zhì)含量等效果［11］。崔榮美等［12］通過有機(jī)培肥研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，0～20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑與秸稈還田量及有機(jī)肥施用量呈正相關(guān)。Lu等［13］研究發(fā)現(xiàn)，6%稻殼生物炭不僅顯著提高變性黏土2～5 mm和0.25～0.5 mm大團(tuán)聚體含量，同時(shí)又可以減?。?.25 mm 微團(tuán)聚體含量，顯著提高了平均重量直徑和幾何平均直徑。孫元宏等［14］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈的添加，促進(jìn)了土壤中小粒徑團(tuán)聚體（＜0.25 mm）向大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）的轉(zhuǎn)化。

然而，前人的研究多集中于單一類型有機(jī)物料，且大多數(shù)有機(jī)物料為玉米秸稈［15］，而關(guān)于腐熟雞糞（JF）、玉米秸稈（JG）、木耳菌渣（JZ）等不同類型的有機(jī)物料對土壤肥力和團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響的研究還未見報(bào)道。本研究以畜禽糞便類的腐熟雞糞（JF）、天然類的玉米秸稈（JG）、半腐解類的木耳菌渣（JZ）三種不同類型的有機(jī)物料為研究對象，探究其對連作大豆土壤養(yǎng)分及其對土壤團(tuán)聚體組成的影響，為有機(jī)物料培肥土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)田進(jìn)行，土壤類型為黑土，種植品種為吉農(nóng)18。腐熟雞糞（JF），取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；玉米秸稈（JG）和木耳菌渣（JZ）均取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)培養(yǎng)場。試驗(yàn)前供試耕層土壤及各有機(jī)物料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of the materials tested

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)4個(gè)處理，分別為：(1)腐熟雞糞＋化肥（JF）；(2)玉米秸稈＋化肥（JG）；(3)木耳菌渣＋化肥（JZ）；(4)化肥（CK），空白對照。

本試驗(yàn)采用小區(qū)試驗(yàn)，起始于2010年，為長期定位試驗(yàn)。每小區(qū)8壟，壟距0.65 m，壟長5 m，面積為25 m2。不同處理間每壟施用等量化肥（磷酸二銨60 g、氯化鉀45 g），同時(shí)施入相當(dāng)于烘干重的有機(jī)物料0.75 kg，空白只施用化肥不施用有機(jī)物料。采用壟溝溝底施用，先施化肥后施有機(jī)物料，覆蓋薄土壓實(shí)后種植。3次重復(fù)。

1.3 研究方法

土樣采集在大豆（2016年9月）收獲期進(jìn)行，五點(diǎn)取樣法采土2 kg。去除雜質(zhì)，將大塊掰碎后在通風(fēng)處晾干，取500 g進(jìn)行團(tuán)聚體干篩試驗(yàn)，并按各粒級比例取50 g用于濕篩試驗(yàn)；另取部分研磨過篩后測定土壤養(yǎng)分。堿解氮采用堿擴(kuò)散法，速效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰光度法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法,具體方法參考鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》［16］。土壤團(tuán)聚體采用沙維諾夫法測定，具體方法見劉孝義《土壤物理及土壤改良研究法》［17］。

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）的計(jì)算公式為：

式中，Bi為篩分出來的任一大小范圍團(tuán)聚體的平均直徑，Wi為任一大小范圍團(tuán)聚體的相應(yīng)質(zhì)量占土壤樣品干質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。

對于干篩的團(tuán)聚體，將n個(gè)粒徑范圍以內(nèi)的干篩團(tuán)聚體百分含量Xn構(gòu)成矩陣：

濕篩后所對應(yīng)土壤團(tuán)聚體百分含量Yn構(gòu)成矩陣：

假設(shè)團(tuán)聚體篩徑依次為1，2，3，…，n，在篩分過程中，每個(gè)篩徑的團(tuán)聚體能保留在對應(yīng)篩徑范圍內(nèi)的幾率分別為 P1，P2，P3，…，Pn，而團(tuán)聚體破裂進(jìn)入下一個(gè)篩徑的幾率為1-P1，1-P2，1-P3，…，1-Pn，則 Xn與Yn之間就可建立以下關(guān)系

計(jì)算各個(gè)粒徑團(tuán)聚體保存幾率之和，即為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)(Aggregate Stability Index,ASI):

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用WPS 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行LSD檢驗(yàn)和單因子、雙因子方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同有機(jī)物料對連作大豆土壤養(yǎng)分的影響

圖1可以看出，在大豆連作過程中有機(jī)物料的施用可以顯著提高土壤中堿解氮含量，土壤中堿解氮含量均高于CK。JF和JZ處理達(dá)到土壤堿解氮含量均高于CK，JF處理極顯著水平；不同有機(jī)物料處理間有差異，排列次序?yàn)镴F＞JZ＞JG。

JG能提高連作大豆土壤中速效磷的含量。JZ對土壤中速效磷提高效果不及JG，JF最低。

有機(jī)物料對連作大豆土壤中速效鉀含量具有提高作用。JF能顯著增加連作大豆土壤中速效鉀的含量；JZ處理次之，土壤中速效鉀含量高于CK處理，但效果不顯著；JG處理速效鉀含量低于CK。

有機(jī)物料能有效增加連作大豆土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，各處理間對連作大豆土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響有差異，增加效果由高到低依次為JG＞JZ＞JF。

圖1 不同有機(jī)物料對土壤養(yǎng)分的影響Fig. 1 Soil nutrient contents relative to treatment

2.2 不同有機(jī)物料對連作大豆土壤微生物生物量的影響

由圖2可知，JZ對土壤中微生物生物量碳提高效果最顯著；JF和JG也能有效提高土壤中微生物生物量碳含量，但不如JZ效果明顯。JF對提高土壤中微生物生物量氮含量效果極顯著；與CK相比，JG和JZ也達(dá)到顯著效果。JG對土壤中微生物生物量磷提高效果顯著，JF和JZ處理微生物生物量磷含量也明顯高于CK。JG和JZ能有效提高微生物代謝熵，JF處理最低。

2.3 不同有機(jī)物料對連作大豆產(chǎn)量的影響

圖3可以看出，CK處理產(chǎn)量最低，JF處理產(chǎn)量最高，為3 418.3 kg hm-2，較CK處理提高13.5%，JG和JZ處理較CK分別提高9.0%和6.2%。由此可見，JF對提高產(chǎn)量效果顯著，JG和JZ處理也能有效提高產(chǎn)量，但不顯著。不同類型有機(jī)物料處理間存在差異，但差異不顯著。有機(jī)物料處理產(chǎn)量均高于CK，由高到低依次為JF＞JZ＞JG＞CK。

2.4 不同有機(jī)物料對連作大豆土壤團(tuán)聚體平均重量直徑的影響

圖4可以看出所有有機(jī)物料處理土壤團(tuán)聚體平均重量直徑均顯著高于CK，且差異顯著。JG處理的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑最大，各處理土壤團(tuán)聚體平均重量直徑從高到低依次為JG＞JZ＞JF＞CK，較CK分別增加358.0%、351.1%、326.1%。不同類型有機(jī)物料處理間存在一定差異，但差異不顯著。

圖2 不同有機(jī)物料對土壤微生物量的影響Fig. 2 Soil microbial biomass relative to treatment

圖3 濕篩條件下不同有機(jī)物料對產(chǎn)量的影響Fig. 3 Crop yield relative to treatment by wet sieve

圖4 濕篩條件下不同有機(jī)物料對土壤團(tuán)聚體平均重量直徑的影響Fig. 4 Mean weight diameter of soil aggregates relative to treatment by wet sieve

2.5 不同有機(jī)物料對連作大豆土壤團(tuán)聚體保存幾率及穩(wěn)定性指數(shù)的影響

各處理的不同粒徑土壤團(tuán)聚體測定結(jié)果見表2，利用式（4）和式（5）求得各級粒徑的保存幾率和穩(wěn)定性指數(shù)，結(jié)果如表3所示。由于濕篩法所用最小篩孔為0.25 mm,在濕篩法測定團(tuán)聚體過程中粒徑小于0.25 mm的團(tuán)聚體不能再破裂為更小的粒徑，因此粒徑小于0.25 mm的團(tuán)聚體的保存幾率均為1。因?yàn)樵趫F(tuán)聚體濕篩過程中，0.25 mm為最小篩徑，濕篩時(shí)粒徑小于0.25 mm團(tuán)聚體不可能再破裂為較小粒徑的團(tuán)聚體，而粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體均會存在土壤顆粒破裂現(xiàn)象，因此粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體的保存幾率均小于1。

在各有機(jī)物料處理中，除了粒徑小于0.25 mm的團(tuán)聚體的保存幾率均為1以外，JF、JG、JZ及CK其他粒徑團(tuán)聚體的最大保存幾率分別為0.841、0.835、 0.850、 0.445。除大于5 mm團(tuán)聚體保存幾率CK處理略高于JF和JZ處理外，所有有機(jī)物料處理的其余各粒級土壤團(tuán)聚體保存幾率均明顯高于CK。CK處理0.25～1 mm團(tuán)聚體的保存幾率占土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)的84.50%，大于1 mm的團(tuán)聚體僅占18.48%，JF、JG和JZ處理大于1 mm團(tuán)聚體分別占土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)的29.52%、38.97%、29.07%，明顯高于CK。由此可見，添加有機(jī)物料的能明顯增加大于1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的保存幾率，對提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有重要意義。

表2 不同有機(jī)物料處理土壤團(tuán)聚體的組成Table 2 Composition of soil aggregates relative to treatment（%）

將平均重量直徑與大于0.25 mm的團(tuán)聚體含量進(jìn)行線性擬合，二者呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99。

由表3可以看出，所有有機(jī)物料處理的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)均高于CK，JG處理土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指數(shù)最高，為4.293，明顯高于CK處理。所有處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)由高到低分別為：JG（4.293）＞JZ（3.788）＞JF（3.720）＞CK（2.262）。由此可見，有機(jī)物料的施入可以有效增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

表3 不同有機(jī)物料處理土壤團(tuán)聚體的保存幾率及穩(wěn)定性指數(shù)Table 3 Preservation probability and stability index of soil aggregates relative to treatment

3 討 論

3.1 不同有機(jī)物料對連作大豆土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量的影響

有機(jī)物料對提高連作大豆土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量效果顯著，土壤養(yǎng)分含量高于單施化肥。本研究選取的三種不同類型有機(jī)物料中的JF對堿解氮的提高作用最為顯著，較CK提高13.85%；其次是JZ，提高7.82%；JG提高3.59%，但不顯著；JG對提高速效磷含量作用最顯著，較CK提高4.13%；其次是JZ，提高3.64%。JF提高土壤中速效鉀含量的效果最高，較CK提高8.97%；這與陳安強(qiáng)等［18］、王芳等［19］的研究結(jié)果一致；JG對提高土壤有機(jī)質(zhì)效果最好，較CK提高7.28%，與宋蒙亞［20］的研究結(jié)果一致。本研究中JF處理全磷含量高，但在結(jié)果中土壤速效磷含量較JG處理低，這可能是由于JF腐解周期短，磷的釋放比較集中，腐解過程中產(chǎn)生的磷被固定到土壤中，而JG和JZ腐解周期長，釋放速率低能有效轉(zhuǎn)化為速效磷所致。JG處理的土壤中速效鉀含量低于其他處理，可能是JG腐解過程緩慢，釋放速率低造成的。有機(jī)物料還能有效提高土壤中微生物量碳含量，JZ效果顯著，JF和JG較CK有一定的提高,但效果不顯著；JF對提高土壤中微生物生物量氮含量效果極顯著，JG和JZ也達(dá)到顯著水平，有機(jī)物料對提高連作大豆土壤微生物生物量氮含量效果顯著；JG對提高土壤中微生物生物量磷效果顯著，JF和JZ較CK也能有效提高微生物生物量磷含量，但效果不顯著；JG和JZ對提高土壤微生物代謝熵效果顯著,與張賽等［21］研究結(jié)果一致，但JF處理微生物代謝熵低于CK。Dilly和Munch［22］研究表明，土壤微生物代謝熵的變化能夠指示土壤微生物種群利用土壤有機(jī)質(zhì)的效率，qCO2值升高表明土壤微生物活性降低及土壤養(yǎng)分利用效率下降，qCO2降低表明土壤微生物碳利用效率提高。本研究，JF處理微生物代謝熵低于CK，這可能是JF易腐解，土壤中微生物碳利用效率較高，也可能是JF處理微生物活性較高所致。在本研究中，有機(jī)物料對連作7年大豆土壤中養(yǎng)分含量的提高均有良好的效果，JG處理綜合效果最好。

有機(jī)物料能有效提高連作大豆產(chǎn)量，JF效果顯著，JG和JZ較CK相比也能提高連作大豆產(chǎn)量，但效果不顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，連作大豆產(chǎn)量與堿解氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與嚴(yán)君等［23］研究結(jié)果一致。本研究中，所有有機(jī)物料處理產(chǎn)量均高于CK。由此可見，有機(jī)物料能有效克服大豆連作過程中出現(xiàn)的減產(chǎn)問題，提高產(chǎn)量，對于克服大豆連作障礙具有重要意義。

3.2 不同有機(jī)物料對連作大豆土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

有機(jī)物料能有效增加土壤團(tuán)聚體平均重量直徑，這與馬曉麗［24］、趙亮［25］的研究結(jié)果一致；杜立宇等［26］研究發(fā)現(xiàn)，對連作大豆土壤團(tuán)聚體平均重量直徑提高作用最明顯的為JG處理,三種不同類型的有機(jī)物料對土壤團(tuán)聚體平均重量直徑提高由高到低依次為JG＞JZ＞JF。三種類型有機(jī)物料對提高土壤中大于1 mm團(tuán)聚體含量效果均較顯著，JF、JG和JZ處理1 mm以上團(tuán)聚體分別占土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)的29.52%、38.97%、29.07%。由此可見，長期施用有機(jī)物料具有促進(jìn)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體向水穩(wěn)性大團(tuán)聚體形成的趨勢。土壤中粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體的含量越多，團(tuán)聚體的平均重量直徑越大，土壤結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定。本研究中，所有有機(jī)物料處理的0.25 mm以上團(tuán)聚體粒徑團(tuán)聚體保存幾率與穩(wěn)定性指數(shù)均明顯高于CK處理，這表明有機(jī)物料的施入能有效提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，土壤結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)性也得到了提高。由此可見，有機(jī)物料對提高連作大豆土壤團(tuán)聚體平均重量直徑，增加土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性具有良好效果。三種類型的有機(jī)物料均能有效提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其中JG效果最好，較CK提高89.79%，所有處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)由高到低依次為：JG（4.293）＞JZ（3.788）＞JF（3.720）＞CK（2.262）。由此可見，有機(jī)物料的加入能有效提高連作大豆土壤中團(tuán)聚體水穩(wěn)性。與劉恩科等［27］，化肥與有機(jī)肥配施處理可提高水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量,改善土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

三種不同類型有機(jī)物料均能有效提高連作大豆土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)的含量，提高養(yǎng)分含量，并且效果顯著。畜禽糞便類的JF對提高連作大豆土壤堿解氮、速效鉀和產(chǎn)量效果最顯著；天然類的JG對提高連作大豆土壤中速效磷和有機(jī)質(zhì)含量效果最顯著；半腐解類的JZ對提高連作大豆土壤微生物生物量碳和微生物代謝熵效果最顯著。三種類型有機(jī)物料均能明顯提高連作大豆土壤中大粒徑團(tuán)聚體的含量，增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑，顯著增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指數(shù)。