朱利霞，徐思薇，陳如冰，栗婷軒，張艷君，李俐俐，劉天學

（1.周口師范學院生命科學與農學學院，河南 周口 466001；2.河南農業(yè)大學農學院，河南 鄭州 450002）

土壤質量退化是影響農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的因素之一，肥力降低、結構性差和水土流失均會導致土壤質量降低［1］。土壤團聚體作為土壤結構的基本組成單位，其形成是微生物、作物根系及其它復雜的理化過程共同作用的結果。不同粒級團聚體含量、分布和穩(wěn)定性會對土壤有機質及其它養(yǎng)分的循環(huán)產生顯著的影響。土壤有機碳是團聚體形成的重要膠結物質，也是衡量土壤肥力的主要指標之一。在表土中有將近90%的有機碳貯存在團聚體中，團聚體為有機碳提供物理保護，有機碳促進團聚體的形成與穩(wěn)定，二者相互作用，緊密聯(lián)系［2］。因此，提升土壤有機碳水平、促進團聚體形成對于提高土壤質量有重要意義。近年來，施用有機物料替代化肥是用來改善土壤結構、提高有機碳含量的重要措施之一，這不僅可以減少化學污染，而且可以實現(xiàn)資源的合理利用［3，4］。

秸稈、畜禽糞便等含有大量的礦質元素，是一種很好的肥料來源。然而由于秸稈纖維素含量高，自然條件下很難有效降解；畜禽糞便等直接施用則容易導致病蟲害的傳播，引起作物發(fā)病。將秸稈、畜禽糞便等經高溫高壓腐熟后并添加一定的功能微生物可制成生物有機肥［5］。生物有機肥可以為植物生長提供必需的養(yǎng)分，增加有效養(yǎng)分和有機質含量，改善土壤結構，增加土壤微生物活性，進而提高土壤肥力。已有研究表明，生物有機肥中大量的腐植酸可以促進土壤團粒結構的形成，提高有機質含量［6］。曲成闖等［4］研究表明大團聚體含量和團聚體穩(wěn)定性均隨生物有機肥施用量的增加而增加；而朱琳等［7］則認為，短期大量施用餐廚垃圾生物菌肥有利于促進小團聚體形成，對大團聚體含量和團聚體穩(wěn)定性無顯著影響。由此可見，關于菌肥施用對土壤團聚體影響的研究結果有較大差異。

目前，以秸稈和畜禽糞便為原料的生物菌肥改良土壤的研究已有大量報道，但采用以秸稈為原料制備的生物有機肥用于砂姜黑土改良的研究還鮮有報道，且以生物有機肥替代不同用量的化肥對砂姜黑土團聚體及其有機碳變化特征的研究更為少見。因此，本試驗以長期耕作的砂姜黑土為研究對象，分析等養(yǎng)分條件下生物有機肥替代化肥對團聚體及其有機碳的影響，闡明生物有機肥改良砂姜黑土的作用機制，為合理培肥制度的建立提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以黃淮平原典型土壤砂姜黑土為研究對象，土壤樣品采自河南省周口市商水縣練集鎮(zhèn)農田（114.7°E，33.5°N），耕作制度為冬小麥-夏玉米輪作。2019年4月采集玉米播種前0～20 cm土層土樣，剔除可見的植物根系、砂礫等，測定土壤含水量后，于避光處自然風干，過2 mm篩備用。同時用環(huán)刀采集未擾動土壤測定土壤容重及田間持水量。

供試土壤基本特征：有機碳含量11.71 g/kg、全氮1.46 g/kg、容重1.38 g/cm3、田間持水量26.4%，顆粒組成為砂粒12.4%、粉粒48.4%、黏粒40.2%。按照田間化肥用量，折算為室內培養(yǎng)條件下化肥用量：純氮0.3 g/kg，P2O50.104 g/kg，K2O 0.068 g/kg?；史N類分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 50%）。

供試生物有機肥為本課題組自制，以小麥秸稈為載體、添加20%左右的雞糞和豬糞等畜禽糞便，植入木霉菌制成。其每克有效活菌數(shù)在0.2億個左右，養(yǎng)分含量為有機質45%、全氮30%、P2O523%、K2O 17%。

1.2 試驗設計及方法

采用室內培養(yǎng)法，于2019年在周口師范學院實驗室內進行。試驗按照生物有機肥替代化肥量的不同共設置5個處理，在等養(yǎng)分條件下生物有機肥替代化肥量分別為0、5%、10%、20%和30%。以生物有機肥替代化肥量為零作為對照，各處理分別記為BF0、BF5、BF10、BF20和BF30，每處理重復3次。

將土壤樣品與生物有機肥、化肥等混勻后采用土柱填裝的方法使其接近田間條件下土壤容重。用直徑20 cm、高20 cm的管底密封的聚氯乙烯管填裝。添加水分后培養(yǎng)，時間為6月20日至10月20日，在培養(yǎng)過程中每3 d采取稱重法補充水分。培養(yǎng)結束后，采集土壤樣品，并沿自然裂縫輕輕掰成直徑不大于10 mm的小土塊，自然風干后備用。

1.3 測定指標及方法

采用濕篩法測定團聚體粒級分布及穩(wěn)定性，采用重鉻酸鉀-外加熱法測定有機質含量。

團聚體穩(wěn)定性采用平均重量直徑（mean weight diameter，MWD，mm）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）、分形維數(shù)（dimension，D）及粒級大于0.25 mm團聚體含量（R0.25，%）衡量，計算公式如下：

其中，xi為某一粒級團聚體的平均粒徑，mm；wi為某一粒級團聚體質量占團聚體總質量的比例，%；xmax為最大粒級土粒的平均直徑，mm；wr＞i為大于某一粒徑xi的累積土粒質量，g；w0為土壤各粒級質量之和，g；Mr＞0.25為粒徑大于0.25 mm的團聚體質量，g；Mr為團聚體的總質量，g。

各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率（Cr）計算公式如下：

其中，ai為不同粒級團聚體有機碳含量，g/kg；bi為不同粒級團聚體含量，%；c為土壤有機碳含量，g/kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用單因素方差分析檢驗生物有機肥替代量對土壤團聚體粒級分布和穩(wěn)定性及團聚體有機碳的影響。不同處理間采用最小顯著差法進行多重比較，所有統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件進行，采用SigmaPlot 12.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥對團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

由圖1可知，施用生物有機肥顯著影響團聚體粒徑分布。生物有機肥降低＞5、0.25～0.5 mm和＜0.25 mm團聚體含量，而增加2～5、1～2 mm和0.5～1 mm團聚體含量。與BF0相比，BF10、BF20和BF30均顯著增加2～5 mm團聚體含量，分別增加1.67、5.73倍和4.03倍，其中BF20和BF30間無顯著差異。與BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30均顯著增加1～2 mm團聚體含量，增幅分別為35.96%、53.93%、55.06%和48.31%，且各生物有機肥處理間無顯著差異。對于0.5～1 mm團聚體，生物有機肥表現(xiàn)出與1～2mm團聚體一致的變化規(guī)律，BF5、BF10、BF20和BF30均顯著增加，增幅分別為46.01%、55.37%、57.02%和51.52%。與BF0相比，生物有機肥顯著降低＜0.25 mm團聚體含量，BF5、BF10、BF20和BF30降幅分別為9.67%、10.42%、15.79%和12.80%，其中BF20和BF30無顯著差異?？傮w而言，生物有機肥明顯改變團聚體粒徑分布特征，且與生物有機肥替代化肥量有關。

圖1生物有機肥替代化肥條件下團聚體粒徑分布

由表1看出，生物有機肥對土壤團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑、R0.25和分形維數(shù)均有顯著影響，且與生物有機肥替代化肥量有關。與BF0相比，BF5、BF10增加團聚體平均重量直徑，但差異不顯著；而BF20和BF30顯著增加團聚體平均重量直徑，增幅分別為21.05%和20.00%，二者間無顯著差異。與BF0相比，生物有機肥均顯著增加團聚體幾何平均直徑，且BF20增加量最大，增幅為22.22%。隨生物有機肥替代量的增加，R0.25逐漸增加，BF20處理最大，與BF0相比增幅達15.17%，但BF30與BF20無顯著差異。生物有機肥顯著降低團聚體分形維數(shù)，與BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30處理分形維數(shù)分別降低1.07%、1.07%、2.14%和1.42%?？傮w而言，生物有機肥對團聚體穩(wěn)定性有顯著的增加作用，以BF20處理增加效果最為顯著。

表1 生物有機肥替代化肥條件下土壤團聚體穩(wěn)定性

2.2 生物有機肥對土壤有機碳及團聚體有機碳含量的影響

經過4個月的培養(yǎng)，各處理土壤有機碳含量為10.73～16.77 g/kg（圖2）。與初始土壤有機碳含量（11.71 g/kg）相比，BF0處理有機碳降低8.37%，而施用生物有機肥處理有機碳含量均增加。與BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30土壤有機碳含量分別顯著增加20.81%、34.47%、52.48%和56.21%，其中BF20和BF30間無顯著差異?？傮w而言，生物有機肥對土壤有機碳的增加有明顯的促進作用，且隨生物有機肥替代量的增加而增加。

圖2 不同處理土壤有機碳含量

由圖3可知，生物有機肥顯著增加土壤團聚體有機碳含量。與BF0相比，隨生物有機肥替代量的增加，＞5 mm團聚體有機碳含量逐漸增加，BF30處理團聚體有機碳含量增幅最大，為54.10%。與BF0相比，2～5、1～2、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm團聚體有機碳含量也表現(xiàn)出隨生物有機肥替代量的增加而增加的趨勢，但BF20和BF30處理團聚體有機碳含量無顯著差異。與BF0相比，生物有機肥均顯著增加＜0.25 mm團聚體有機碳含量，但處理間差異不顯著?？傮w而言，生物有機肥顯著增加不同粒級團聚體有機碳含量，利于有機碳在團聚體內的累積。

圖3 生物有機肥替代化肥條件下團聚體有機碳含量

由表2可知，生物有機肥明顯影響土壤團聚體有機碳貢獻率，且隨生物有機肥替代量的不同團聚體有機碳貢獻率呈現(xiàn)出不同的變化。砂姜黑土有機碳主要分布在＜0.25 mm團聚體中，其次分布在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm團聚體中。生物有機肥的施用增加了2～5、1～2 mm和0.5～1 mm團聚體有機碳貢獻率。與BF0相比，BF20對2～5 mm團聚體有機碳貢獻率的增幅最大，達到6.01倍；1～2 mm和0.5～1 mm團聚體有機碳貢獻率在不同生物有機肥處理間無顯著差異。本研究結果顯示，施用生物有機肥有促進有機碳在2～5、1～2 mm和0.5～1 mm團聚體累積的趨勢。

表2 生物有機肥替代化肥條件下團聚體有機碳貢獻率 （%）

3 討論

3.1 生物有機肥替代化肥對土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體的組成及穩(wěn)定性與土壤中有機碳的含量有很大關系，有機碳作為團聚體的有機膠結劑，影響著不同粒級團聚體的數(shù)量及分布。由于生物有機肥的施用增加了外源有機物料的投入，其含有的大量腐植酸對于團聚體的形成有重要作用。本研究中，生物有機肥的施用顯著增加土壤中大粒徑團聚體含量，其中BF20的增加作用最為顯著。5%替代量的生物有機肥即可對團聚體結構產生明顯影響，促進微團聚體膠結，而20%的替代量對團聚體改善效果最佳。生物有機肥的施用降低了＞5 mm團聚體含量，其中BF20和BF30對＞5 mm團聚體含量降低作用最為明顯，這與李彥霈等［3］的研究結果一致。這可能是由于生物有機肥這類有機物的輸入導致土壤中絡合物發(fā)生改變，部分大團聚體破碎［8］。一般而言，雖然＞5 mm團聚體可以增加土壤的抗蝕性，但它并不是最好的土壤結構［9］，這也從另一方面印證了生物有機肥的施用可以明顯改善土壤結構。這可能是生物有機肥促使土壤水溶性碳釋放，且引入的微生物活性增加導致碳水化合物等膠結劑缺乏，從而導致＞5 mm團聚體含量降低。雖然有機物料的輸入有助于土壤較大團聚體的形成，但本研究中，砂姜黑土團聚體仍以＜0.25 mm團聚體為主（41.2%～49.0%），該粒級團聚體含量明顯高于其它粒級團聚體。

團聚體穩(wěn)定性可以有效反映土壤穩(wěn)定性，其中R0.25、平均重量直徑和幾何平均直徑都是反映團聚體穩(wěn)定的重要指標。＞0.25 mm團聚體是最好的土壤顆粒，R0.25能夠反映土壤結構狀況［10］。本研究中，生物有機肥的施用顯著增加大團聚體數(shù)量，對土壤結構有較好的改善作用。R0.25隨生物有機肥替代量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中BF20處理團聚體數(shù)量增加最多，這表明持續(xù)增加生物有機肥替代量不能進一步增加該類團聚體含量。平均重量直徑通過團聚體直徑變化反映大團聚體含量的變化，進而體現(xiàn)團聚體穩(wěn)定性。本研究中，平均重量直徑有隨生物有機肥替代量增加而增加的趨勢，且在替代量為20%時增加顯著，而BF20和BF30間無顯著差異，表明生物有機肥對大團聚體的形成有積極作用，但持續(xù)增加對土壤結構未有進一步的改善。土壤有機質含量的增加有利于土壤顆粒的團聚化，進而增加平均重量直徑，本研究中不同處理土壤有機碳含量變化與大團聚體含量變化相一致的結果印證了這一點。朱琳等［7］研究也表明中長期施用少量餐廚垃圾生物有機肥可以增加黃褐土有機質含量，進而增加大團聚體含量和團聚體穩(wěn)定性。與平均重量直徑相比，幾何平均直徑傾向于評價團聚體含量的變化，因此，各處理不同粒級團聚體含量的差異可能導致幾何平均直徑的不同［11］。生物有機肥的施用顯著增加團聚體幾何平均直徑，且隨生物有機肥替代量的增加呈先增加后降低的趨勢，當替代量為20%時幾何平均直徑最大，團聚體穩(wěn)定性也最大。分形維數(shù)可以很好地表征土壤質量，其數(shù)值越小，土壤團聚體的分布和穩(wěn)定性越好［12］。本研究中，與未施用生物有機肥的土壤相比，生物有機肥可以增加土壤、團聚體有機碳含量及團聚體穩(wěn)定性，因此，施用生物有機肥可以明顯改善土壤結構，這與Yilmaz等［13］的研究結論一致。綜上分析，生物有機肥替代化肥可以改善土壤結構，其中生物有機肥替代20%的化肥對砂姜黑土團聚體的影響最為顯著。

3.2 生物有機肥對團聚體有機碳的影響

施用生物有機肥顯著增加土壤有機碳含量，一方面生物有機肥本身含有的大量有機質向土壤輸入外源有機碳，另一方面生物有機肥的施用提高作物殘茬的輸入量。不同粒級團聚體中有機碳的分布反映了外源有機碳對團聚體組成及穩(wěn)定性的影響。本研究中，生物有機肥的施用均顯著提高各粒級團聚體有機碳含量，有機碳在不同粒級團聚體中的差異較大，＞5 mm團聚體有機碳含量較高，2～5、1～2 mm和0.5～1 mm團聚體有機碳含量相當且有機碳主要集中于0.5～5 mm團聚體中。這可能是由于微團聚體主要被穩(wěn)定性高的有機物絡合而成，而大團聚體則由微團聚體進一步膠結形成，這些膠結物質除了原有的有機物，還包括菌絲、植物根系等，由此，大團聚體含量高于微團聚體含量［14］。

通過比較發(fā)現(xiàn)，生物有機肥改變了不同處理團聚體有機碳貢獻率，＜0.25 mm團聚體有機碳貢獻率最大，這可能是由于團聚體有機碳貢獻率是由團聚體比例及其有機碳含量共同決定的；也可能大團聚體對有機碳的保護作用主要是物理保護［15］，而砂姜黑土的結構性和耕性均較差，使得大團聚體對有機碳的保護作用較弱。一般而言，大團聚體中有機碳周轉較快，可提高土壤肥力；微團聚體中有機碳周轉較慢，利于有機碳的長期固持［16，17］。本研究中，生物有機肥的施用明顯降低＜0.25 mm團聚體有機碳貢獻率，表明生物有機肥對結合在微團聚體中較為穩(wěn)定的有機碳不會產生積極的作用。生物有機肥的施用促使＞5 mm團聚體有機碳向2～5 mm和0.5～1 mm團聚體轉移。李瑋等［18］在砂姜黑土上的研究表明，＜0.25、0.25～0.5 mm和0.5～1 mm團聚體是有機碳的主要貯存場所，有機肥的施用增加＞5 mm和＜0.25 mm團聚體有機碳含量。Udom等［19］研究表明，土壤水穩(wěn)性團聚體中＞2 mm大團聚體有機碳含量較高。Jastrow等［20］運用同位素示蹤法也證實大團聚體有機碳含量高于微團聚體。由此可見，關于有機肥施用后土壤團聚體中有機碳富集的研究，由于土壤質地、農田管理措施以及有機物料之間存在較大差異，本研究結果與其他研究之間沒有嚴格的可比性。關于生物有機肥替代化肥對團聚體有機碳的影響還有待進一步研究。

4 結論

施用生物有機肥可明顯提高土壤大團聚體含量和團聚體穩(wěn)定性，5%替代量對土壤結構的改善有一定的作用，但20%替代量對土壤結構的改善效果最為顯著，30%替代量對土壤結構的改善效果與20%替代量無顯著差異。施用生物有機肥顯著增加土壤及各粒級團聚體的有機碳含量，＜0.25、0.25～0.5 mm和＞5 mm團聚體有機碳貢獻率降低，而0.5～1、1～2 mm和2～5 mm團聚體有機碳貢獻率增加，表明生物有機肥的施用促使有機碳向0.5～1、1～2 mm和2～5 mm團聚體轉移。綜合考慮，以生物有機肥替代20%的化肥對土壤團聚體和有機碳穩(wěn)定性的改善效果最好。