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(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站/江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)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(lái)，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(lèi)型土壤具有砂性重、腐殖質(zhì)含量低、土壤結(jié)構(gòu)差漏水漏肥嚴(yán)重[1]等特點(diǎn)，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(diào)水、肥、氣、熱等功能，這與土壤的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣有關(guān)。團(tuán)聚體、持水量和土壤三相均是顯示土壤物理結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[1]，對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及保水保肥能力至關(guān)重要[1]，土壤持水量是表征土壤儲(chǔ)水能力的重要指標(biāo)[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(duì)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(guān)鍵因素，碳氮是土壤培肥的關(guān)鍵，這是因?yàn)樘嫉蔷S持作物生長(zhǎng)和微生物生命活動(dòng)的主要營(yíng)養(yǎng)元素，調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)，也是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，因此增加土壤碳氮含量是培肥潮土的關(guān)鍵。種植綠肥和施用土壤調(diào)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(yīng)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(chēng)坡縷石或坡縷縞石，是一種具鏈層狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，在我國(guó)資源豐富，價(jià)格低廉，因其含有豐富的微量元素、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素和較大的比表面積(9.6～36.0 m2/g)而備受關(guān)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(tuán)聚體含量，發(fā)揮保肥的作用，滿(mǎn)足作物對(duì)多種養(yǎng)分的需求。袁惠君[2-3]等通過(guò)凹凸棒對(duì)灌淤土養(yǎng)分含量及小麥生長(zhǎng)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(guān)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(tuán)聚體含量[5]的研究較多，但有關(guān)黃河故道土壤的相關(guān)結(jié)構(gòu)改良及有機(jī)質(zhì)提升等相關(guān)研究尚不多，且將綠肥秸稈與凹凸棒配合施用，對(duì)黃河故道潮土的改良效果如何更鮮有報(bào)道。因此，本研究針對(duì)黃河故道土壤固有的結(jié)構(gòu)差及有機(jī)質(zhì)含量低等問(wèn)題，設(shè)置了單獨(dú)添加綠肥秸稈凹凸棒以及二者配施等處理，從土壤物理結(jié)構(gòu)和碳氮含量等角度入手，探究其對(duì)于協(xié)調(diào)潮土水肥氣熱的影響，以期為科學(xué)評(píng)價(jià)凹凸棒對(duì)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(yàn)為土培試驗(yàn)，供試土壤類(lèi)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(yàn)基地，試驗(yàn)基地(北緯33°43′，東經(jīng)119°37′)屬北溫帶，氣候溫和，地勢(shì)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(zhì)為：pH值8.1，有機(jī)質(zhì)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(guó)際制土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)沙土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，通過(guò)前期培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)凹凸棒添加量為16 g/kg時(shí)，對(duì)玉米有較好的促生效果和土壤結(jié)構(gòu)改良作用，因此共設(shè)置6個(gè)處理，分別為對(duì)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(lèi)型為潮土(表1)，所用土壤為0—20 cm的表層土壤，過(guò)2 mm篩備用。試驗(yàn)開(kāi)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(gè)盆缽底部放置一個(gè)100目的圓形網(wǎng)篩，目的是保證水能通過(guò)而土壤不能通過(guò)。每盆(直徑16 cm 高12.5 cm)裝土重折合為風(fēng)干土1 kg，于25 ℃下培養(yǎng)120 d，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每40 d采用完全破壞性取樣一次，共取樣3次，54個(gè)盆缽，于2018年4月18日布置試驗(yàn)，3次取樣時(shí)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(jìn)行，培養(yǎng)期間采用稱(chēng)重法每周補(bǔ)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(jìn)行風(fēng)干后用于水穩(wěn)性團(tuán)聚體和持水量的測(cè)定，磨碎過(guò)篩后用于土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮的測(cè)定，用環(huán)刀取原狀土用于土壤三相的測(cè)定，鮮樣存于4 ℃冰箱，用于土壤微生物量碳氮的測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測(cè)定采用濕篩法、田間持水量的測(cè)定采用威爾科克斯法[6]，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀—外加熱法、堿解氮采用堿解擴(kuò)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(cè)定。

STPSD=〔(Xg-50)2+(Xg-50)

(Xy-25)+(Xy-25)2〕0.5

式中：STPSD為土壤三相結(jié)構(gòu)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(cè)定：用環(huán)刀取土，帶回實(shí)驗(yàn)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(pán)子里，向盤(pán)中倒水，沒(méi)過(guò)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(chēng)重，得到最大持水量的土壤質(zhì)量W1，之后將鋁盒蓋打開(kāi)，放在105 ℃烘箱中烘干至恒重，稱(chēng)重記為W2。

最大持水量(質(zhì)量含水量)=W1-W2/W2

七匹狼（002029）：公司的主要邏輯有以下幾點(diǎn)：1）業(yè)績(jī)穩(wěn)健增長(zhǎng)。近幾年傳統(tǒng)服裝企業(yè)景氣度下行，但公司是個(gè)例外，2014年-2017年公司營(yíng)收從23.9億元逐年增長(zhǎng)至30.8億元，而凈利潤(rùn)從2.9億元增加至3.4億元，在大環(huán)境趨于負(fù)面的背景下表現(xiàn)實(shí)屬不易。2018年公司預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)凈利潤(rùn)同比增長(zhǎng)0-15%，有望繼續(xù)保持增長(zhǎng)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 水穩(wěn)性團(tuán)聚體 無(wú)論單獨(dú)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(tuán)聚體含量(圖1)，其中<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體占主要部分，在45%～57%范圍內(nèi)，>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體占0.47%～3.65%，0.053～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體占29.93%～49.41%。A處理對(duì)增加>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量發(fā)揮主導(dǎo)作用，BR處理中>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量比AR高1.49%。

圖1 不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量

2.1.2 土壤最大持水量 經(jīng)過(guò)120 d的培養(yǎng)試驗(yàn)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(huì)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(xiě)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(gè)有機(jī)整體置于二維三系圖中分析土壤結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)逼近的趨勢(shì)。STPSD代表土壤三相結(jié)構(gòu)距離，土壤三相結(jié)構(gòu)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(cè)，表明氣相和固相是改良黃河故道地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的主要因素。其中B，R處理會(huì)增加土壤液相比，減少氣相比，而A，AB，AR處理會(huì)減少氣相比，增加固、液比。培養(yǎng)120 d后，土壤三相結(jié)構(gòu)距離比CK低24.97%～55.49%(表2)，A，AB，AR處理土壤三相結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)改善趨勢(shì)，表明添加凹凸棒對(duì)調(diào)節(jié)土壤三相比發(fā)揮主導(dǎo)作用。

表2 土壤三相結(jié)構(gòu)距離

2.2 土壤有機(jī)碳含量

培養(yǎng)期間土壤有機(jī)碳呈先上升后下降的趨勢(shì)，添綠肥秸稈和凹凸棒培養(yǎng)40 d，80 d和120 d有機(jī)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(shí)間的延長(zhǎng)，有機(jī)碳的變化趨勢(shì)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(duì)于土壤有機(jī)碳的提升發(fā)揮主導(dǎo)作用，而配施可緩解養(yǎng)分的釋放，使有機(jī)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(jī)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(jī)碳的比值(MBC/SOC)，微生物熵增加時(shí)，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(gè)培養(yǎng)期間呈先增加后降低的趨勢(shì)，三個(gè)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(dá)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(duì)外源添加物的響應(yīng)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(shì)，而土壤堿解氮呈先上升后下降的趨勢(shì)。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(duì)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(duì)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(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，不同粒徑團(tuán)聚體的含量可以決定土壤侵蝕、壓實(shí)、板結(jié)等程度，是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一[8-9]。土壤中大團(tuán)聚體含量越高，土質(zhì)越疏松，容重越小，土壤儲(chǔ)存與供給作物所需水分的能力越強(qiáng)[10]。本試驗(yàn)的研究結(jié)果顯示，添加綠肥秸稈及配施均可增加>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量，但配施效果優(yōu)于單獨(dú)添加綠肥處理，且蠶豆秸稈配施對(duì)于增加>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量效果優(yōu)于黑麥草配施。這主要是因?yàn)榕涫┠芨欣谛纬捎袡C(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體，增加土壤黏結(jié)力和團(tuán)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(zhì)結(jié)合凹凸棒形成大團(tuán)聚體，改善土壤結(jié)構(gòu)。

三相比是指土壤中固相、液相和氣相所占的比例，對(duì)調(diào)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(jié)構(gòu)距離。這是由于凹凸棒會(huì)使土壤顆粒表面形成一層保護(hù)膜，減少外界作用力對(duì)土壤結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)距離，使土壤三相結(jié)構(gòu)向理想狀態(tài)趨近。而綠肥會(huì)使土壤形成腐殖質(zhì)，促進(jìn)礦質(zhì)膠體結(jié)合，增強(qiáng)土壤抗外界干擾的能力[14]，配施可結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到改善土壤三相結(jié)構(gòu)的作用。

土壤有機(jī)質(zhì)多少是反映土壤肥力高低的重要指標(biāo)[15-16]，微生物熵表示土壤將有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為微生物量碳的效率[17]，反映土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)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(duì)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(jìn)入土壤后在微生物的作用下會(huì)迅速分解釋放養(yǎng)分，增加土壤有機(jī)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(huì)減少秸稈與土壤的接觸面積，緩解養(yǎng)分的釋放，導(dǎo)致培養(yǎng)前期有機(jī)碳含量低，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，配施會(huì)增加土壤中大團(tuán)聚體含量，減少綠肥與空氣的接觸面積，減少微生物對(duì)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(guó)棟[10]、王恩姮[13]等人的研究結(jié)果一致。但隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，微生物熵呈下降趨勢(shì)，表明培養(yǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)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(zhǎng)繁殖會(huì)從土壤中吸收養(yǎng)分，加快土壤有機(jī)碳的礦化分解，導(dǎo)致有機(jī)碳降低。但也有研究表明綠肥還田對(duì)土壤有機(jī)碳的固存無(wú)顯著影響，甚至有降低的趨勢(shì)[19-20]，他們認(rèn)為激發(fā)效應(yīng)加速了土壤自身碳庫(kù)的礦化，使出大于入，有機(jī)碳含量降低。在整個(gè)培養(yǎng)期間土壤微生物熵的變化范圍在4.97%～8.48%，遠(yuǎn)超過(guò)馬征等人關(guān)于不同保水劑對(duì)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(lèi)型及極低的有機(jī)碳背景值有關(guān)。

綠肥秸稈還田能夠顯著降低土壤氮的損失，本試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論單施還是配施均會(huì)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?qū)⑼寥乐械臒o(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮調(diào)節(jié)礦質(zhì)氮的固持轉(zhuǎn)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(duì)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(duì)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(tuán)聚性，使其形成一層保護(hù)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(jī)態(tài)氮，堿解氮可表征土壤氮素的供應(yīng)情況，而微生物量氮表征土壤微生物對(duì)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(shì)，在培養(yǎng)80 d時(shí)達(dá)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(huì)快速分解釋放養(yǎng)分，提供有機(jī)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(zhēng)氮現(xiàn)象，使微生物固氮能力下降，而配施凹凸棒會(huì)形成一層保護(hù)膜，減緩綠肥中養(yǎng)分的消耗。

4 結(jié) 論

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

(2) 無(wú)論單施或配施均會(huì)提高碳氮含量，有機(jī)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(duì)土壤速效養(yǎng)分的增加發(fā)揮主導(dǎo)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(duì)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(duì)黃河故道地區(qū)土壤的改良效果最佳，對(duì)提升黃河故道潮土肥力，改良其結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。