綠肥和凹凸棒添加對黃河故道潮土土壤結構和碳氮含量的影響

楊 蘇, 李傳哲, 徐 聰， 吳 迪， 汪吉東, 張永春, 艾玉春, 李輝信

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 江蘇耕地保育科學觀測試驗站/江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 210095; 2.南京農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院, 江蘇 南京 210095)

黃河故道潮土是由于黃河改道后的沖積物發(fā)育而來，系黃淮海平原江蘇和山東的地帶性土壤，分布面積為2.50×106hm2，占江蘇省總面積的40.7%。該類型土壤具有砂性重、腐殖質含量低、土壤結構差漏水漏肥嚴重[1]等特點，黃河故道區(qū)也是江蘇重要的中低產(chǎn)田分布區(qū)和糧食主產(chǎn)區(qū)。土壤重要的功能是協(xié)調水、肥、氣、熱等功能，這與土壤的結構優(yōu)劣有關。團聚體、持水量和土壤三相均是顯示土壤物理結構的重要指標，團聚體是土壤結構的基本單元[1]，對土壤物理結構的穩(wěn)定性及保水保肥能力至關重要[1]，土壤持水量是表征土壤儲水能力的重要指標[1]，土壤三相比是指土壤中的氣相、固相和液相所占的比例，對于土壤硬度、透水性和保水性有很大的影響。土壤肥力是決定作物產(chǎn)量的關鍵因素，碳氮是土壤培肥的關鍵，這是因為碳氮是維持作物生長和微生物生命活動的主要營養(yǎng)元素，調控土壤養(yǎng)分循環(huán)，也是評價土壤肥力的重要指標，因此增加土壤碳氮含量是培肥潮土的關鍵。種植綠肥和施用土壤調理劑是土壤改良的重要途徑。已有研究[1]表明，在淡灰鈣土上施用蠶豆秸稈，既能增加土壤養(yǎng)分貯量，又能提高養(yǎng)分供應水平。黑麥草秸稈配施尿素有利于提高紫潮泥土雙季稻氮肥的利用率，增加水稻產(chǎn)量[1]。凹凸棒又稱坡縷石或坡縷縞石，是一種具鏈層狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，在我國資源豐富，價格低廉，因其含有豐富的微量元素、礦質營養(yǎng)元素和較大的比表面積(9.6～36.0 m2/g)而備受關注。凹凸棒與土壤混合后，不僅能起到保水的作用，還能增加土壤中大粒徑團聚體含量，發(fā)揮保肥的作用，滿足作物對多種養(yǎng)分的需求。袁惠君[2-3]等通過凹凸棒對灌淤土養(yǎng)分含量及小麥生長影響的分析表明，凹凸棒能提高土壤的養(yǎng)分和水分含量，提高小麥的出苗率和分蘗數(shù)。目前關于綠肥秸稈還田或添加凹凸棒增加土壤持水量[4]，提高大團聚體含量[5]的研究較多，但有關黃河故道土壤的相關結構改良及有機質提升等相關研究尚不多，且將綠肥秸稈與凹凸棒配合施用，對黃河故道潮土的改良效果如何更鮮有報道。因此，本研究針對黃河故道土壤固有的結構差及有機質含量低等問題，設置了單獨添加綠肥秸稈凹凸棒以及二者配施等處理，從土壤物理結構和碳氮含量等角度入手，探究其對于協(xié)調潮土水肥氣熱的影響，以期為科學評價凹凸棒對農(nóng)田土壤健康的可持續(xù)發(fā)展和綠肥秸稈的資源化利用提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

本試驗為土培試驗，供試土壤類型為潮土，取自江蘇省鹽城市濱?？h界牌鎮(zhèn)黃河灣綠色科技有限公司試驗基地，試驗基地(北緯33°43′，東經(jīng)119°37′)屬北溫帶，氣候溫和，地勢較高，降雨充沛，雨熱同季，常年平均氣溫14.1 ℃，平均降雨量為942.6 mm。供試土壤基本理化性質為：pH值8.1，有機質4.2 g/kg，全氮0.22 g/kg，全磷0.50 g/kg，有效磷2.63 mg/kg，速效鉀63.3 mg/kg，初始田間持水量為32.8%。根據(jù)國際制土壤質地分類標準，黏粒含量為3.04%，粉粒含量為11.69%，砂粒含量為85.28%，屬于壤質沙土。

1.2 試驗設計

本試驗為室內培養(yǎng)試驗，通過前期培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)凹凸棒添加量為16 g/kg時，對玉米有較好的促生效果和土壤結構改良作用，因此共設置6個處理，分別為對照(CK)、蠶豆秸稈10 g/kg(B)、黑麥草秸稈10 g/kg(R)、添加凹凸棒16 g/kg(A)、凹凸棒16 g/kg配施蠶豆秸稈10 g/kg(AB)、凹凸棒16 g/kg配施黑麥草秸稈10 g/kg(AR)，供試土壤類型為潮土(表1)，所用土壤為0—20 cm的表層土壤，過2 mm篩備用。試驗開始前將供試土壤與添加物混合均勻放入盆缽中，為防止土壤從盆缽底部露出，在每個盆缽底部放置一個100目的圓形網(wǎng)篩，目的是保證水能通過而土壤不能通過。每盆(直徑16 cm 高12.5 cm)裝土重折合為風干土1 kg，于25 ℃下培養(yǎng)120 d，每個處理3個重復，每40 d采用完全破壞性取樣一次，共取樣3次，54個盆缽，于2018年4月18日布置試驗，3次取樣時間分別為：2018年5月28日、7月7日和8月16日。于2018年7月16日在江蘇省農(nóng)科院進行，培養(yǎng)期間采用稱重法每周補水一次，使土壤含水量保持在田間持水量的60%。

表1 物料養(yǎng)分含量

1.3 土壤樣品采集

土壤樣品采用完全破壞性取樣，樣品進行風干后用于水穩(wěn)性團聚體和持水量的測定，磨碎過篩后用于土壤有機質、全氮、堿解氮的測定，用環(huán)刀取原狀土用于土壤三相的測定，鮮樣存于4 ℃冰箱，用于土壤微生物量碳氮的測定。

1.4 測定項目及方法

土壤水穩(wěn)性團聚體的測定采用濕篩法、田間持水量的測定采用威爾科克斯法[6]，有機質采用重鉻酸鉀—外加熱法、堿解氮采用堿解擴散法、全氮采用凱式定氮法、微生物量碳氮采用氯仿熏蒸法，土壤三相采用DIK-1150土壤三相儀測定。

STPSD=〔(Xg-50)2+(Xg-50)

(Xy-25)+(Xy-25)2〕0.5

式中：STPSD為土壤三相結構距離；Xg為固相體積百分比(>25%)；Xy為液相體積百分比(>0)。

最大持水量的測定：用環(huán)刀取土，帶回實驗室，在環(huán)刀下墊一張濾紙，用橡皮筋固定在環(huán)刀上，將環(huán)刀放到盤子里，向盤中倒水，沒過濾紙即可，隔天將環(huán)刀中的土壤去除，放在已知重量的鋁盒中稱重，得到最大持水量的土壤質量W1，之后將鋁盒蓋打開，放在105 ℃烘箱中烘干至恒重，稱重記為W2。

最大持水量(質量含水量)=W1-W2/W2

七匹狼（002029）：公司的主要邏輯有以下幾點：1）業(yè)績穩(wěn)健增長。近幾年傳統(tǒng)服裝企業(yè)景氣度下行，但公司是個例外，2014年-2017年公司營收從23.9億元逐年增長至30.8億元，而凈利潤從2.9億元增加至3.4億元，在大環(huán)境趨于負面的背景下表現(xiàn)實屬不易。2018年公司預計實現(xiàn)凈利潤同比增長0-15%，有望繼續(xù)保持增長。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel，SPSS 25.0，Origin 2018進行數(shù)據(jù)處理和分析，用SPSS 25.0進行數(shù)據(jù)方差顯著性檢驗，多重比較采用Duncan法，平均值在p<0.05水平下才具有統(tǒng)計學意義。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤物理結構的影響

2.1.1 水穩(wěn)性團聚體 無論單獨添加綠肥秸稈和凹凸棒還是配施均可增加>0.25 mm，0.053～0.25 mm粒徑團聚體含量(圖1)，其中<0.053 mm粒徑團聚體占主要部分，在45%～57%范圍內，>0.25 mm粒徑團聚體占0.47%～3.65%，0.053～0.25 mm粒徑團聚體占29.93%～49.41%。A處理對增加>0.25 mm粒徑團聚體含量發(fā)揮主導作用，BR處理中>0.25 mm粒徑團聚體含量比AR高1.49%。

圖1 不同粒徑水穩(wěn)性團聚體含量

2.1.2 土壤最大持水量 經(jīng)過120 d的培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，CK最大持水量降低，而其他處理均增加，增幅為10.3%～19.2%，表明添加綠肥秸稈、凹凸棒以及二者配施均會增加土壤最大持水量，具體表現(xiàn)為：AR>AB>A>R>B，且A，AB，AR處理土壤最大持水量顯著高于B，R處理，A，AB和AR處理間差異不顯著(圖2)。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.1.3 土壤三相 將土壤三相作為一個有機整體置于二維三系圖中分析土壤結構，可直觀看出不同處理土壤三相比的變化情況以及向理想結構逼近的趨勢。STPSD代表土壤三相結構距離，土壤三相結構越接近理想狀態(tài)(固相50%，液相25%，氣相25%)，STPSD值越接近0。從圖3可以看出，各處理的土壤三相均分布于理想狀態(tài)的左側，表明氣相和固相是改良黃河故道地區(qū)土壤結構的主要因素。其中B，R處理會增加土壤液相比，減少氣相比，而A，AB，AR處理會減少氣相比，增加固、液比。培養(yǎng)120 d后，土壤三相結構距離比CK低24.97%～55.49%(表2)，A，AB，AR處理土壤三相結構距離為7.69，6.97和7.72，顯著低于其他處理，表現(xiàn)出明顯的結構改善趨勢，表明添加凹凸棒對調節(jié)土壤三相比發(fā)揮主導作用。

表2 土壤三相結構距離

2.2 土壤有機碳含量

培養(yǎng)期間土壤有機碳呈先上升后下降的趨勢，添綠肥秸稈和凹凸棒培養(yǎng)40 d，80 d和120 d有機碳含量分別為2.57～4.38 g/kg，2.69～6.65 g/kg，2.73～6.80 g/kg(圖4)。但隨培養(yǎng)時間的延長，有機碳的變化趨勢不同，具體表現(xiàn)為：培養(yǎng)40 d，B>R>AB>AR>A；培養(yǎng)80 d，R>B>AR>AB>A；培養(yǎng)120 d，AR>AB>R>B>A，表明培養(yǎng)初期綠肥秸稈快速分解，對于土壤有機碳的提升發(fā)揮主導作用，而配施可緩解養(yǎng)分的釋放，使有機碳含量在培養(yǎng)后期優(yōu)于其他處理。

圖4 不同處理的土壤有機碳含量

2.3 土壤微生物熵

微生物熵是土壤微生物量碳與土壤有機碳的比值(MBC/SOC)，微生物熵增加時，表明土壤碳素處于累積狀態(tài)[7]。從圖5可以看出，土壤微生物熵在整個培養(yǎng)期間呈先增加后降低的趨勢，三個培養(yǎng)期土壤微生物熵分別為4.34%～7.37%，6.16%～8.48%和4.96%～7.19%，于培養(yǎng)的第80 d達到最大值。

圖5 各處理的土壤微生物熵

2.4 土壤全氮、堿解氮、微生物量氮

土壤全氮、堿解氮和微生物量氮對外源添加物的響應不同(表3)，培養(yǎng)120 d，土壤全氮和微生物量氮總體呈增加的趨勢，而土壤堿解氮呈先上升后下降的趨勢。具體表現(xiàn)為全氮：AB>AR>B>R>A>CK，堿解氮：B>AB>AR>R>A>CK，土壤微生物量氮：AB>B>AR>R>A>CK。配施對全氮的增加效果優(yōu)于其他處理，且AB處理比AR處理高0.02～0.06 g/kg，B和R處理在培養(yǎng)初期對堿解氮和微生物量氮的增加優(yōu)于配施。

表3 各處理土壤不同形態(tài)氮的含量

3 討 論

團聚體是土壤結構的基本單元，不同粒徑團聚體的含量可以決定土壤侵蝕、壓實、板結等程度，是評價土壤結構的重要指標之一[8-9]。土壤中大團聚體含量越高，土質越疏松，容重越小，土壤儲存與供給作物所需水分的能力越強[10]。本試驗的研究結果顯示，添加綠肥秸稈及配施均可增加>0.25 mm粒徑團聚體含量，但配施效果優(yōu)于單獨添加綠肥處理，且蠶豆秸稈配施對于增加>0.25 mm粒徑團聚體含量效果優(yōu)于黑麥草配施。這主要是因為配施能更有利于形成有機無機復合膠體，增加土壤黏結力和團聚性，而蠶豆秸稈屬于豆科作物，碳氮比低，相比于禾本科的黑麥草秸稈腐解快，養(yǎng)分釋放快，能快速形成腐殖質結合凹凸棒形成大團聚體，改善土壤結構。

三相比是指土壤中固相、液相和氣相所占的比例，對調節(jié)土壤的水、肥、氣、熱具有重要作用[11-12]，本研究中，配施顯著改善了土壤三相比，增加固相比，減少氣相比，降低土壤三相結構距離。這是由于凹凸棒會使土壤顆粒表面形成一層保護膜，減少外界作用力對土壤結構的破壞，其較大的比表面積能吸附水分子，增加土壤持水量[13]，降低土壤三相結構距離，使土壤三相結構向理想狀態(tài)趨近。而綠肥會使土壤形成腐殖質，促進礦質膠體結合，增強土壤抗外界干擾的能力[14]，配施可結合二者的優(yōu)勢，達到改善土壤三相結構的作用。

土壤有機質多少是反映土壤肥力高低的重要指標[15-16]，微生物熵表示土壤將有機碳轉化為微生物量碳的效率[17]，反映土壤有機質的動態(tài)變化。單施綠肥培養(yǎng)前期，微生物熵顯著高于配施，且蠶豆對碳氮的增加效果優(yōu)于黑麥草，這是由于在適宜條件下作物秸稈進入土壤后在微生物的作用下會迅速分解釋放養(yǎng)分，增加土壤有機碳含量[18]，蠶豆屬于豆科作物，碳氮比低，易被微生物利用，分解釋放養(yǎng)分增加土壤養(yǎng)分含量；黑麥草屬于禾本科作物，碳氮比高，養(yǎng)分釋放較慢，而凹凸棒會減少秸稈與土壤的接觸面積，緩解養(yǎng)分的釋放，導致培養(yǎng)前期有機碳含量低，隨培養(yǎng)時間的延長，配施會增加土壤中大團聚體含量，減少綠肥與空氣的接觸面積，減少微生物對養(yǎng)分的獲取，降低自身的礦化消耗，使培養(yǎng)后期配施效果優(yōu)于單施，這與薄國棟[10]、王恩姮[13]等人的研究結果一致。但隨培養(yǎng)時間延長，微生物熵呈下降趨勢，表明培養(yǎng)時間過長會導致土壤碳素虧缺。這由于微生物利用完外源添加物的養(yǎng)分后，為維持自身的生長繁殖會從土壤中吸收養(yǎng)分，加快土壤有機碳的礦化分解，導致有機碳降低。但也有研究表明綠肥還田對土壤有機碳的固存無顯著影響，甚至有降低的趨勢[19-20]，他們認為激發(fā)效應加速了土壤自身碳庫的礦化，使出大于入，有機碳含量降低。在整個培養(yǎng)期間土壤微生物熵的變化范圍在4.97%～8.48%，遠超過馬征等人關于不同保水劑對山東沙壤微生物熵的范圍0.53%～1.64%[21]，這可能與供試土壤類型及極低的有機碳背景值有關。

綠肥秸稈還田能夠顯著降低土壤氮的損失，本試驗結果顯示，無論單施還是配施均會增加土壤全氮的含量，且配施處理增氮效果優(yōu)于其他各處理，這是由于綠肥自身含有豐富的養(yǎng)分，還田能夠將土壤中的無機氮轉化為有機氮調節(jié)礦質氮的固持轉化，使土壤中的氮素以穩(wěn)定的形態(tài)固存于土壤中，蠶豆秸稈碳氮比為17.9，氮含量高，對于增加土壤氮素發(fā)揮主要作用，而黑麥草秸稈纖維素含量高，纖維素分解菌為厭氧菌，在分解后期才能產(chǎn)生，因此分解速度比蠶豆秸稈慢，對土壤氮素的增加效果弱于蠶豆秸稈。凹凸棒土的施用增加了土壤團聚性，使其形成一層保護膜，減少土壤表面與空氣的接觸，降低氮的損耗。堿解氮和微生物量氮是能被作物直接吸收利用的有機態(tài)氮，堿解氮可表征土壤氮素的供應情況，而微生物量氮表征土壤微生物對氮素的固持能力，堿解氮、微生物量氮在培養(yǎng)期間呈先上升后下降的趨勢，在培養(yǎng)80 d時達到最大值。單施綠肥有利于增加土壤速效氮，而配施有利于增加土壤全氮，這是由于秸稈在酶的作用下會快速分解釋放養(yǎng)分，提供有機態(tài)氮供微生物利用，培養(yǎng)后期由于養(yǎng)分不足，出現(xiàn)微生物與土壤爭氮現(xiàn)象，使微生物固氮能力下降，而配施凹凸棒會形成一層保護膜，減緩綠肥中養(yǎng)分的消耗。

4 結 論

(1) 蠶豆10 g/kg配施凹凸棒16 g/kg對于改良黃河故道粉砂質土壤物理結構效果最佳，主要表現(xiàn)為：與同時期CK相比，>0.25 mm粒徑團聚體增加4.67%，土壤最大持水量增加17.8%，土壤三相結構距離降低，STPSD值為6.97。

(2) 無論單施或配施均會提高碳氮含量，有機碳和全氮增量分別為0.33～4.45 g/kg和0.12～0.84 g/kg。在培養(yǎng)前期單施綠肥對土壤速效養(yǎng)分的增加發(fā)揮主導作用，而在培養(yǎng)后期配施能夠緩解養(yǎng)分釋放，減少碳氮損失，對土壤養(yǎng)分的固存能力優(yōu)于單施，且蠶豆配施效果優(yōu)于黑麥草配施。綜上所述蠶豆10 g/kg配施凹凸棒16 g/kg對黃河故道地區(qū)土壤的改良效果最佳，對提升黃河故道潮土肥力，改良其結構具有指導意義。