孟慶龍，吳景貴，李建明，關(guān)華建，季佳鵬，牛岸秋

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

土壤有機碳是土壤碳的重要組成部分，土壤中有機碳主要以有機質(zhì)的形式存在，有機質(zhì)積累和分解的速率決定著土壤碳儲量。土壤有機質(zhì)與土壤礦物是土壤最重要的組成部分，二者密不可分，有機物的積累是重要的土壤形成過程，而這一過程則需要通過形成有機無機復(fù)合體完成。

土壤中有機碳的循環(huán)與積累過程主要是有機碳本身的難降解性、土壤無機礦物對有機碳的固定以及團聚體對有機碳的物理保護。土壤無機礦物對有機碳的固定形成有機無機復(fù)合體，作為土壤膠體的主要形式，土壤有機無機復(fù)合體在土壤良好結(jié)構(gòu)的形成中起到重要作用，它一方面提高碳的穩(wěn)定性，另一方面也提高土壤對養(yǎng)分的固持能力。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展的今天，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量極大增加，伴之而來的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廢棄物，大量的家禽和動物糞便得不到及時處理，造成一系列的環(huán)境問題，同時也造成資源的浪費。農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用已成為許多專家學(xué)者研究的重點，但前人的研究多集中于有機物料還田后可提升土壤養(yǎng)分，并且改善土壤物理性質(zhì)。畜禽糞施入后，為土壤帶來新的有機質(zhì)通過有機—礦物結(jié)合，形成有機無機復(fù)合體，穩(wěn)定于土壤中，但經(jīng)過長期有機培肥后土壤中有機無機復(fù)合體的動態(tài)變化卻鮮有研究。由于不同畜禽糞自身性質(zhì)的差異，對土壤有機質(zhì)含量的影響不盡相同，土壤有機質(zhì)含量又是有機無機復(fù)合體形成的重要影響因素，所以不同畜禽糞對土壤有機無機復(fù)合體都有著不同影響。有研究表明，土壤有機質(zhì)的變化與有機肥使用年限密切相關(guān)，而通過長期定位試驗對土壤進行動態(tài)采樣觀測，可以系統(tǒng)揭示不同畜禽糞對土壤有機質(zhì)及有機無機復(fù)合體動態(tài)變化的影響。本文通過長期定位試驗，對不同畜禽糞施入黑土后有機無機復(fù)合體組成及有機碳在有機無機復(fù)合體分布狀態(tài)的動態(tài)變化進行研究，探究不同畜禽糞長期連續(xù)施用對黑土有機質(zhì)復(fù)合狀況的動態(tài)影響，揭示不同畜禽糞在長期有機培肥過程中對黑土有機無機復(fù)合體供肥規(guī)律及特性的影響，從而為培肥土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點設(shè)在吉林省長春市吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地進行。研究區(qū)年降水量600 mm，6—8月的降水總量350～400 mm，占全年降水的60%以上。無霜期145天。試驗為長期定位試驗，研究對象為長期施用畜禽糞的黑土，土壤基本理化性質(zhì)為有機碳含量19.37 g/kg，全氮含量1.13 g/kg，全磷含量0.87 g/kg，全鉀含量2.39 g/kg，土壤pH 6.67。

1.2 試驗設(shè)計

試驗小區(qū)分布采取隨機排列，每小區(qū)寬8壟，長5 m，面積26 m，共選取4個處理。分別為單施化肥(CK)、豬糞+化肥(ZF)、牛糞+化肥(NF)及雞糞+化肥(JF)。各小區(qū)化肥施用量為磷酸二銨120 kg/hm，氯化鉀90 kg/hm。有機物料按照等碳原則連年施入，其中各畜禽糞施入量為雞糞4 931 kg/hm，豬糞4 402 kg/hm，牛糞3 916 kg/hm，每個處理設(shè)3個重復(fù)。試驗選用的豬糞、牛糞取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院養(yǎng)殖場，雞糞取自遼源鑫榮生物肥科技有限公司。有機物料基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試物料基本理化性質(zhì)

1.3 供試土壤采集與測定

本試驗土壤樣品選用連續(xù)施用畜禽糞的第1年(2010年)、3年(2012年)、6年(2015年)、9年(2018年)、11年(2020年)秋收土壤，采用五點法對不同小區(qū)的0—20 cm土層進行取樣，帶回實驗室自然風(fēng)干。

在對有機無機復(fù)合體的研究中，土壤復(fù)合度是通過土壤不同組分的密度不同，將密度相對較高的與礦物結(jié)合的土壤腐殖質(zhì)分離出來。土壤復(fù)合狀況主要的衡量指標為土壤復(fù)合度，土壤復(fù)合度可以反映土壤有機質(zhì)與土壤礦物復(fù)合的數(shù)量狀況，本試驗采用密度分組法測定土壤復(fù)合度，土壤與重液比為1∶5，重液選用密度為1.8的碘化鈉，超聲分散，離心，采用CaCl洗滌重組土壤，再用蒸餾水洗至無Cl反應(yīng)。隨后烘干稱重，用重鉻酸鉀外加熱法測定重組有機碳含量(HFOC)，從而計算原土復(fù)合量(SQC)和原土復(fù)合度(SDC)。

膠散分組法是利用化學(xué)方法根據(jù)有機無機復(fù)合體不同的膠散情況，將有機無機復(fù)合體進行分組，本研究采用陳家坊等的方法分離，分別提取水質(zhì)分散組(G)、鈉質(zhì)分散組(G)和超聲分散組(G)。烘干稱重，計算含量，采用重鉻酸鉀—外加熱法測定各組分膠散復(fù)合體有機碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel 2016、SPSS 18.0和Origin 2017軟件對數(shù)據(jù)進行整理分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施用畜禽糞對黑土有機質(zhì)含量的影響

從圖1可以看出，各處理土壤有機質(zhì)含量在畜禽糞施入的前2年先出現(xiàn)小幅下降，從2012年后隨著畜禽糞施用時間的增加出現(xiàn)顯著提高。各處理中CK處理提升幅度較小。到2020年，不同畜禽糞處理中，JF處理相比CK提升最多，達到11.1%，其次是ZF和NF處理，增幅為6.3%～9.9%。

注：不同大寫字母表示同一處理在不同年份之間差異性顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一年份不同處理之間差異性顯著(p<0.05)。下同。

2.2 長期施用畜禽糞對黑土重組有機碳的影響

從圖2可以看出，不同畜禽糞的長期施用對不同時期黑土重組有機碳的影響不同。從整體動態(tài)變化來看，所有處理均在2012年后呈現(xiàn)升高趨勢，到2020年，所有處理相比2010年均有顯著提高。不同處理比較來看，到2020年，各處理不同時期黑土重組有機碳含量表現(xiàn)為JF>ZF>NF>CK，畜禽糞處理相比CK增加顯著，增幅達到6.8%～12.0%，2020年不同畜禽糞處理中，JF與ZF處理間沒有顯著差異，但均比NF處理提升顯著。

圖2 不同處理對不同時期重組有機碳含量的影響

2.3 長期施用畜禽糞對黑土原土復(fù)合量與原土復(fù)合度的影響

從圖3可以看出，長期施用畜禽糞對不同時期黑土原土復(fù)合量的影響不同。從整體動態(tài)來看，隨著畜禽糞的長期施入，2012年后黑土原土復(fù)合量出現(xiàn)連續(xù)顯著增高，而CK處理變化較小。施用畜禽糞后黑土原土復(fù)合量相比CK均有提升，提高最多的在2020年，JF、ZF和NF處理分別相比CK提高10.0%，9.2%和5.5%。各畜禽糞之間，JF處理始終顯著高于NF處理，2018年和2020年ZF處理與JF處理無顯著差異，但顯著高于NF處理。

從圖3還可看出，原土復(fù)合度的動態(tài)變化相對穩(wěn)定。從整體時間的動態(tài)變化來看，各處理的原土復(fù)合度在2012年達到最高，隨后出現(xiàn)連續(xù)下降，到2020年與2010年相比有顯著降低。而在不同年份中CK處理高于施入畜禽糞的各個處理，但施入不同畜禽糞，并沒有使原土復(fù)合度在同一年份中出現(xiàn)顯著差異。

圖3 不同處理對不同時期土壤原土復(fù)合量與復(fù)合度的影響

表2為土壤復(fù)合度隨時間動態(tài)變化過程的擬合。通過不同函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，原土復(fù)合度的動態(tài)變化可用二次多項式擬合，CK、NF、ZF和JF處理擬合方程的分別為0.999，0.997，0.992和0.968，可以看出，添加畜禽糞所帶來的外源有機碳導(dǎo)致各畜禽糞處理擬合方程的均小于CK，且JF處理最小，說明JF處理對土壤原土復(fù)合度影響最大，二次項系數(shù)均為負值，大小順序依次為CKJF>NF。常數(shù)項均為正數(shù)，CK最大，畜禽糞處理的大小依次為ZF

表2 土壤原土復(fù)合度(y)隨時間(x)動態(tài)變化過程擬合

2.4 長期施用畜禽糞對黑土膠散復(fù)合體組成的影響

從表3可以看出，不同組分土壤膠散復(fù)合體的含量大小始終為G>G>G。從時間動態(tài)來看，所有處理的G復(fù)合體在2012年后均有顯著提高，而G復(fù)合體整體呈下降趨勢，G復(fù)合體相對穩(wěn)定，CK與NF的G復(fù)合體含量在長期試驗中無顯著差異，JF與ZF處理的G復(fù)合體含量到2018年相比2010年有顯著提升。水穩(wěn)性復(fù)合體(G+G)的總含量與G含量變化相似，整體呈連續(xù)下降趨勢。復(fù)合體總含量的動態(tài)變化中，經(jīng)過長期添加畜禽糞后，相比2010年均呈現(xiàn)顯著提高，到2020年JF處理復(fù)合體總含量最高，大小依次為JF>ZF>NF>CK。

表3 不同處理對不同時期土壤有機無機復(fù)合體組成的影響

施用畜禽糞的處理始終相比CK處理G復(fù)合體含量顯著提高，2020年JF處理相比CK增加最多，達到13.8%，ZF與NF處理分別比CK增加11.8%和8.8%。從畜禽糞處理來看，除2015年相互無顯著差異外，均為JF處理G含量最高，并始終顯著高于NF處理。G復(fù)合體相對穩(wěn)定，只在2015年和2018年施用畜禽糞的處理G含量高于CK，JF處理分別比CK高出3.3%和1.5%，ZF處理分別比CK高出2.9%和2.6%。NF處理分別比CK高出1.4%和3.0%；畜禽糞的不同并未使各處理間土壤G復(fù)合體含量出現(xiàn)顯著差異。G復(fù)合體同樣是穩(wěn)定的復(fù)合體，只有JF和ZF處理到2018年與2020年相比CK有顯著提高，NF處理在2018和2020年相比CK有增加，但差異未達到顯著水平。2020年JF和ZF處理分別相比CK提高12.8%和9.1%；畜禽糞各處理之間同樣沒有顯著差異，只在2015年后，JF、ZF處理相比NF處理有升高，但差異不顯著。

不同復(fù)合體組成的動態(tài)變化中，由于G復(fù)合體含量整體呈上升趨勢，所以G復(fù)合體占比出現(xiàn)同樣的趨勢，所有處理的G復(fù)合體在2020年占比最高，不同畜禽糞處理中，2010年與2012年大小順序均為JF>ZF>NF，2015年不同畜禽糞之間無顯著差異，2018年以ZF處理最高，2020年同樣不同畜禽糞之間無顯著差異。G復(fù)合體含量呈下降趨勢，其占比同樣呈現(xiàn)連年下降趨勢，所有處理均在2020年占比最低，JF與ZF處理除2010年外無顯著差異，而NF處理在2012年與2018年顯著高于JF與ZF處理。G復(fù)合體含量最少，其占比受G和G含量影響較大，但JF和ZF處理的G復(fù)合體占比在2020年相比2010年顯著提高。在不同年份中，畜禽糞的不同并未造成G復(fù)合體占比的不同，各畜禽糞處理間無顯著差異。

2.5 長期施用畜禽糞對黑土各組分膠散復(fù)合體中有機碳分布的影響

膠散復(fù)合體的含量雖然只有53.6%～60.7%，但其中的有機碳卻占到土壤有機碳的72.73%～77.90%。從各組復(fù)合體的有機碳含量上，3組膠散復(fù)合體的有機碳含量大小依次為G>G>G，但在有機碳的分布上由于不同復(fù)合體含量存在差異，3組復(fù)合體的碳分布按大小依次為G>G>G。

由圖4可知，隨著長期試驗的進行，除G復(fù)合體外，分布在G和G復(fù)合體中的有機碳均在長期試驗后出現(xiàn)顯著增加。從各處理之間的比較來看，G復(fù)合體中分布的有機碳除2018年NF處理與CK無顯著差異外，施用畜禽糞處理均顯著高于CK，到2020年JF處理相比CK增加最多，增幅達到17.9%，其次是ZF與NF處理，分別相比CK增加14.5%和10.4%。不同畜禽糞之間，除2015年各畜禽糞處理之間沒有顯著差異，其他年份JF處理均顯著高于NF處理，而ZF處理只在2018年相比NF處理的增加達到顯著水平。G復(fù)合體的有機碳含量雖有上升，但由于G復(fù)合體含量降低，分布于G的有機碳并未隨畜禽糞施入出現(xiàn)連續(xù)顯著增加；不同處理間，除2012年所有處理無顯著差異外，施用畜禽糞的處理相比CK均有提升，但只有JF處理在其他年份中相比CK的增加始終達到顯著水平，JF處理在2020年相比CK增加5.3%，ZF與NF處理在2020中相比CK有增加但不顯著，分別增加3.7%和2.5%；畜禽糞處理之間對比，2012年與2018年各畜禽糞之間沒有顯著差異，其他年份JF處理含量最高，但相比其他畜禽糞處理的增加未達到顯著水平。G復(fù)合體相對穩(wěn)定，其有機碳分布整體呈現(xiàn)上升趨勢，但不同處理間只有JF處理相比CK在所有年份中的增加達到顯著水平，2020年增幅最大，達到17.4%，ZF處理在2012年、2018年和2020年相比CK有顯著增加，同樣在2020年相比CK增加最多，增幅為12.3%，NF處理在2018年和2020年相比CK有顯著提高，而2020年相比CK處理，增幅只有6.3%。不同畜禽糞處理之間表現(xiàn)為JF>ZF>NF，JF處理在2010年和2018年相比其他畜禽糞處理達到顯著水平，其他年份有增加，但差異不顯著。

圖4 不同處理對不同時期土壤中膠散復(fù)合體有機碳含量的影響

不同年份的動態(tài)變化之間膠散復(fù)合體有機碳總量不同。所有處理從2012年開始出現(xiàn)顯著提升，2020年達到最高，各年份中的添加畜禽糞處理均高于CK，2020年JF、ZF和NF處理分別相比CK提高9.8%，7.5%和5.1%。畜禽糞處理之間除2015年和2018年沒有顯著差異，其他均是JF處理含量最高，NF與ZF處理在長期試驗中無顯著差異。

3 討 論

土壤有機質(zhì)在維持土壤肥力中有著不可替代的作用，在生產(chǎn)中施用有機物料，尤其是有機物料配施化肥能提高土壤有機質(zhì)的含量，本文從土壤復(fù)合度和土壤膠散復(fù)合體2個方面對不同畜禽糞長期施用條件下黑土有機無機復(fù)合體的動態(tài)影響進行研究。

在本文的研究結(jié)果中存在1個現(xiàn)象，不論是土壤有機質(zhì)、原土復(fù)合量，還是膠散復(fù)合體中有機碳的含量，試驗的前期提升緩慢，甚至出現(xiàn)下降。王莉等的研究指出，大豆連續(xù)種植3年與第1年種植相比，土壤腐殖質(zhì)活化部分更多，緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)向松穩(wěn)二態(tài)轉(zhuǎn)移，土壤肥力減弱；也有研究認為，外源有機物料的加入會刺激土壤微生物產(chǎn)生更多的分解酶，產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果相符，試驗之初土壤中水穩(wěn)性復(fù)合體(G+G)的含量、土壤有機碳含量與土壤重組有機碳含量均有所下降。但從土壤復(fù)合度來看，2012年的土壤復(fù)合度并未出現(xiàn)下降，說明損失的有機碳中，不穩(wěn)定的輕組有機碳占比更大，隨著畜禽糞的長期施用，以及長期定位試驗中作物根茬還田，土壤中的有機質(zhì)得到補充，形成有機無機復(fù)合體穩(wěn)定在土壤中，有機質(zhì)累積的量也重新大于分解量，且伴隨著常年有機物料的添加，這種現(xiàn)象出現(xiàn)得更早，有機質(zhì)穩(wěn)定的量更多。

從土壤整體復(fù)合狀況來看，施用畜禽糞后土壤中的重組有機碳與原土復(fù)合量均高于未施畜禽糞的CK處理，說明畜禽糞的施入可以改善土壤中碳的穩(wěn)定性，這也與前人的研究結(jié)果相一致。2012年后，重組有機碳與原土復(fù)合量隨施用有機物料的年限增加而增加，這與史吉平等的研究結(jié)果相符，可能是由于長期施用的有機物料向土壤補充有機質(zhì)，這些新增的有機質(zhì)在土壤中長期積累，與土壤礦物質(zhì)結(jié)合，使得土壤中穩(wěn)定的重組有機碳含量與原土復(fù)合量增加，這也說明2012年后新加入的有機質(zhì)大于土壤中分解流失的有機質(zhì)，使得土壤有機質(zhì)處于積累狀態(tài)。原土復(fù)合度與重組有機碳和原土復(fù)合量的變化趨勢相反，其原因為畜禽糞的施入，為土壤帶來更多處于游離狀態(tài)的輕組有機碳，使得重組有機碳的占比降低，導(dǎo)致原土復(fù)合度降低。

目前，土壤膠散復(fù)合體的研究方法一般將膠散復(fù)合體分成G(水分散組)、G(鈉分散組)和G(超聲分散組)3個組分，以往對3組復(fù)合體含量的研究結(jié)果顯示，添加有機物料可以提高各組分的復(fù)合體含量，而本研究結(jié)果也顯示，同一年份中，添加畜禽糞處理的復(fù)合體含量顯著高于CK處理。本文的研究結(jié)果還顯示，隨著畜禽糞的長期施用，G復(fù)合體和G復(fù)合體含量均顯著增加,但G復(fù)合體在長期試驗期間出現(xiàn)連續(xù)下降。在丁慧儀等對長期耕作黑土中膠散復(fù)合體的研究中也發(fā)現(xiàn)，G復(fù)合體隨時間增加，出現(xiàn)減小情況，該研究通過分析指出，這一現(xiàn)象可能是長期的耕作和施肥導(dǎo)致土壤鈣離子淋失，從而使土壤復(fù)合體穩(wěn)定性下降。陳恩鳳等的研究也指出，隨著開墾年限的增加，土壤中G復(fù)合體含量也隨之增加，這也是即使G復(fù)合體含量下降，但土壤膠散復(fù)合體總量沒有下降的原因。

從有機碳在各組復(fù)合體的分布來看，在2012年以后，隨著畜禽糞的連續(xù)施用，各組分復(fù)合體中分布的有機碳相比單施化肥有顯著提高，這與前面的重組有機碳和原土復(fù)合量的變化規(guī)律一致，說明長期施用畜禽糞可以使土壤中有更多有機質(zhì)形成有機無機復(fù)合體，從而穩(wěn)定下來。Das等研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥，尤其是有機肥與無機肥配施，可以改變土壤的碳穩(wěn)定性，與本文結(jié)論相符。

本研究所用的畜禽糞之中，JF(雞糞)處理無論是對土壤復(fù)合體含量還是碳含量的提升都起到顯著作用，其次是ZF(豬糞)處理，這與以往對不同畜禽糞還田效果的研究成果一致。王篤超等對不同畜禽糞還田的研究中也發(fā)現(xiàn)，雞糞對土壤的有機碳提升最為明顯。究其原因，有研究指出，不同畜禽糞本身的性質(zhì)也決定其還田效果，有機物料本身的碳氮比也決定該有機物料的腐解速率；再者雞糞與豬糞碳氮比較低，按照等碳量還田后，給土壤帶來更多養(yǎng)分，促進作物生長，長期施用造成根茬還田量不同，導(dǎo)致土壤中有機質(zhì)儲量的不同。本試驗用到的畜禽糞中，即以NF(牛糞)處理的碳氮比最高，而JF(雞糞)和ZF(豬糞)處理的碳氮比均遠小于NF(牛糞)處理。有機質(zhì)是有機無機復(fù)合體重要的影響因素，有機質(zhì)儲量的變化會導(dǎo)致有機無機復(fù)合體出現(xiàn)差異。而牛糞屬于冷性肥料，雞糞豬糞屬于熱性肥料，本身性質(zhì)的差異可能也導(dǎo)致其分解時土壤微生物活性的不同。不同畜禽糞帶來的養(yǎng)分不同，使得土壤微生物活性與代謝產(chǎn)物存在差異，所以隨著微生物活動增強，代謝分泌物增多，也使得土壤有機碳積累增加。

4 結(jié) 論

(1)長期定位試驗初期，土壤中有機無機復(fù)合體含量及其碳含量增長緩慢，甚至有所降低，但隨著試驗的長期進行，土壤進行有機質(zhì)積累，有機質(zhì)開始更多地形成有機無機復(fù)合體，黑土有機無機復(fù)合體含量及其碳含量均出現(xiàn)顯著增加。

(2)畜禽糞長期施入，相比單施化肥，可以顯著增加土壤的重組有機碳與土壤原土復(fù)合量，畜禽糞處理中以雞糞處理效果最好，而土壤原土復(fù)合度則與其他指標相反，經(jīng)過長期試驗后出現(xiàn)顯著降低，畜禽糞處理的原土復(fù)合度低于單施化肥處理。

(3)G膠散復(fù)合體含量隨試驗時間增加而減少，而G與G則在長期施用畜禽糞后得到提升，這也導(dǎo)致土壤中膠散復(fù)合體總量經(jīng)過長期施用畜禽糞后得到顯著提高，各處理表現(xiàn)為JF>ZF>NF>CK。

(4)施入畜禽糞后，新的有機質(zhì)結(jié)合到有機無機復(fù)合體中，使得分布在各組分復(fù)合體的有機碳得到顯著增加，所有處理中，雞糞的提升效果最為明顯。