尉吉乾，倪春霄，許思嘉，章明奎

（1杭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，杭州 310020；2杭州市臨平區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，杭州 311100；3浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058）

0 引言

海涂是中國東部沿海地區(qū)重要的土地資源，大部分圍墾海涂可培育成良好的耕地[1-2]。中國早期的海涂圍墾是采用“先墾后圍”，經(jīng)過一定時間耕作熟化后的圍墾涂地一般已具備較高的土壤肥力，可基本滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。但20世紀(jì)70年代以后的海涂利用多采用“先圍后墾”，在低灘地上筑堤，然后排水形成耕地，這類圍墾的耕地多為生土，因缺乏培肥，其生產(chǎn)能力較低，主要表現(xiàn)為土壤有機質(zhì)偏低、結(jié)構(gòu)不良、生物活性低下[3]。因此，如何提高土壤有機碳水平和微生物活性是這類耕地改良的主要內(nèi)容。大量的研究表明，有機肥能提高土壤有機質(zhì)水平[4-6]，提供土壤各種養(yǎng)分[7-9]，改善土壤結(jié)構(gòu)[10]，增加土壤微生物的活性[11-13]。中國東部地區(qū)人口密度高、農(nóng)業(yè)發(fā)達，畜禽糞便、城市垃圾、生活垃圾、作物秸稈、沼渣、果蔬收獲殘留物及城市污泥等有機廢棄物產(chǎn)生量大。有機廢棄物是一種棄之為害、用之為寶的肥料，利用有機廢棄物培肥土壤是其重要的利用方向[4]。然而，有機物料因來源不同，其成分可有較大的差異，對土壤質(zhì)量的提升效果也有所不同[14-19]。為了解不同來源的有機廢棄物在改良新圍涂地土壤上的效果，本研究采用盆栽試驗比較了等量有機碳條件下施用豬糞、雞糞、稻草秸稈、蔬菜收獲殘留物、廚余垃圾堆肥、沼渣、豬糞/稻草秸稈堆肥和生活垃圾堆肥等8種有機廢棄物對土壤有機碳庫和生物活性的影響。

1 供試土壤和試驗方法

1.1 供試土壤

供試土壤為浙東圍墾時間約5年的圍墾荒地，采自錢塘江口。土壤已基本脫鹽，但還未進行培肥改良。土壤類型為灰潮土，質(zhì)地壤土，有機碳含量4.98 g/kg，全氮0.074 g/kg，全磷0.41 g/kg，有效磷4.74 mg/kg，速效鉀164 mg/kg，陽離子交換量(CEC) 7.54 cmol/kg，pH 7.68。

1.2 供試有機廢棄物

供試的8 種有機廢棄物（包括經(jīng)處理后的堆肥）的有機碳和全氮含量有較大的差異（表1），有機碳的含量在322.48～510.10 g/kg 之間，全氮的含量在7.11～31.54 g/kg之間；C/N比在10.22～56.66之間。

表1 供試有機廢棄物性狀（測定結(jié)果以干物質(zhì)為基礎(chǔ)）

1.3 試驗方法

供試土壤經(jīng)充分混勻、風(fēng)干過5 mm 土篩后用于盆栽試驗。試驗共設(shè)9 個處理，包括不添加有機廢棄物的對照和每千克土壤分別添加相當(dāng)于25 g有機碳的8種有機廢棄物處理。試驗用盆缽為一容積為10 L的塑料桶，每盆裝土量為10 kg；重復(fù)3 次。試驗前各處理土壤在65%田間持水量條件下預(yù)培養(yǎng)7 天，之后分別添加相應(yīng)數(shù)量的有機廢棄物并經(jīng)充分混勻后進行培養(yǎng)試驗。試驗期間室溫和空氣濕度分別控制在20～25℃和75%～85%之間；期間用稱重法保持土壤含水量（田間持水量的70%左右）。培養(yǎng)試驗共持續(xù)30周，分別在第10、20、30周采樣分析相關(guān)指標(biāo)的變化。

1.4 分析方法

采集的土樣經(jīng)風(fēng)干并分別磨細(xì)過2 mm和0.149 mm土篩用于分析，分析指標(biāo)包括土壤pH、容重、水穩(wěn)定性團聚體、有機碳、活性有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳氮磷及脲酶、中性磷酸酶、蛋白酶、蔗糖酶、過氧化氫酶等酶的活性。pH 用pH 計測定；容重用容重圈測定；水穩(wěn)定性團聚體用濕篩法測定；土壤有機碳用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤中易氧化有機碳采用0.333 mol/L 高錳酸鉀氧化法測定[20]；土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定[21]，提取液中碳用Shimadzu TOC自動分析儀測定，氮用凱氏定氮法測定；土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸-NaHCO3提取法測定[22]，提取液中磷用比色法測定。土壤水溶性有機碳采用去離子水浸提（水土比為5:1，25℃下浸提30 min，高速離心后過0.45μm濾膜抽濾），提取液中的有機碳采用TOC儀測定。土壤蔗糖轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶用常規(guī)方法測定[23]。其中，蔗糖轉(zhuǎn)化酶用3,5-二硝基水楊酸比色法，過氧化氫酶用滴定法；脲酶用奈氏比色法；脫氫酶用氯化三苯基四氮唑(TTC)法；中性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法。

采用碳庫管理指數(shù)(CPMI)表征試驗土壤碳庫變化[24]。計算公式如式(1)所示。

其中：CPI=樣品總碳含量(g/kg)/參考土壤總碳含量(g/kg)；AI=樣品碳庫活度(A)/參考土壤碳庫活度；A=土壤活性有機碳含量(g/kg)/土壤非活性有機碳含量(g/kg)；本研究中活性有機碳是指易氧化有機碳，非活性有機碳為總碳與活性碳的差值。以對照土壤碳庫管理指數(shù)為100，施有機廢棄物后碳庫管理指數(shù)高于100，說明土壤碳庫有所改善。統(tǒng)計分析采用軟件SPSS12.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸堿性和土壤物理性狀

表2為試驗結(jié)束時（第30周）對土壤容重、水穩(wěn)定性團聚體和pH的測定結(jié)果。結(jié)果表明，各類有機廢棄物的施用輕微降低了土壤pH，提高了土壤中水穩(wěn)定性團聚體的數(shù)量，降低了土壤容重。對降低土壤pH效果明顯的有機廢棄物包括蔬菜收獲殘留物和餐廚垃圾堆肥，pH 比對照降低約0.2 個單位。降低土壤容重和增加土壤中＞0.25 mm 水穩(wěn)定性團聚效果較好的有機廢棄物種類基本一致，主要為豬糞、豬糞/水稻秸稈堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣。

表2 不同有機廢棄物對土壤容重、水穩(wěn)定性團聚體和pH的影響（培養(yǎng)30周）

2.2 土壤有機碳積累、有機碳活性與碳庫管理指數(shù)變化

施用各類有機廢棄物均可提高土壤中有機碳、易氧化有機碳和穩(wěn)定態(tài)有機碳的含量（表3）。與對照比較，所有施用有機廢棄物的土壤有機碳含量均顯著增加，但增加量隨培養(yǎng)時間的增加而逐漸下降。至培養(yǎng)時間30 周時，土壤有機碳增幅較大的為豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣，比對照增加223%～277%；其次為豬糞、雞糞和水稻秸稈，比對照增加108%～137%；施用蔬菜收獲殘留物的增幅較小，僅比對照增加53%。土壤中易氧化有機碳的增幅比有機碳更為明顯，施用各類有機廢棄物土壤的易氧化有機碳均顯著高于對照。但土壤中易氧化有機碳含量也隨培養(yǎng)時間的增加呈現(xiàn)迅速下降，至培養(yǎng)時間30 周時，施用蔬菜收獲殘留物的土壤易氧化有機碳比對照增加37%，相對較低；其他處理的土壤易氧化有機碳均比對照增加了78%～157%，其中以施用豬糞/水稻秸稈堆肥的效果最為明顯。同時，各類有機廢棄物的施用也明顯增加了穩(wěn)定態(tài)有機碳（非活性有機碳），但其增幅小于易氧化有機碳。與易氧化有機碳不同，土壤中穩(wěn)定態(tài)有機碳含量隨培養(yǎng)時間呈緩慢增加的趨勢，說明在培養(yǎng)過程中存在活性有機碳向穩(wěn)定有機碳的轉(zhuǎn)化；與對照比較，土壤中穩(wěn)定態(tài)有機碳的增量與有機碳總量的增幅趨勢基本相似。至培養(yǎng)30 周時，增幅最大的為豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣，比對照增加323%～402%；其次為豬糞、雞糞和水稻秸稈，比對照增加133%～186%；施用蔬菜收獲殘留物的增幅較小，僅比對照增加68%。

表3 不同有機廢棄物對土壤有機碳庫的影響 g/kg

水溶性有機碳是土壤中活性較高的有機碳，是土壤中活性有機碳的重要組成。表4 可知，有機廢棄物的施用顯著地提高了土壤中水溶性有機碳的水平，其含量是對照的數(shù)倍至數(shù)十倍；但水溶性有機碳隨培養(yǎng)時間可發(fā)生較大的變化，多數(shù)呈現(xiàn)先增加后下降的變化特點。隨著培養(yǎng)時間的進一步增加，活性有機碳的分解，其含量可發(fā)生不斷下降。

土壤碳庫管理指數(shù)可表征土壤中有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率，能反映土壤質(zhì)量的變化[25]；已被廣泛應(yīng)用于施肥對土壤碳庫影響的評價[26-27]。表4表明，施用各類有機廢棄物均明顯提高了土壤的碳庫管理指數(shù)，這在試驗初期尤為明顯。但隨著培養(yǎng)時間的增加，活性有機碳的分解、降低，土壤的碳庫管理指數(shù)也逐漸下降。至培養(yǎng)時間30周時，施用蔬菜收獲殘留物的土壤的碳庫管理指數(shù)為124%，比對照增加24%；其他廢棄物處理的土壤的碳庫管理指數(shù)均明顯高于對照，并以施用豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣的處理較高，比對照增加65%～98%；施用豬糞、雞糞和水稻秸稈的增加量略低，增加50%～62%。

表4 施用不同有機廢棄物對土壤水溶性有機碳和碳庫管理指數(shù)的影響

2.3 土壤微生物生物量碳、氮、磷的變化

施用各類有機廢棄物后,土壤微生物生物量碳、氮、磷均顯著增加（表5），說明有機廢棄物的施用明顯提升了土壤生物活性。土壤中微生物生物量碳明顯高于微生物生物量氮和磷，并以微生物生物量磷為最低。隨著培養(yǎng)時間的增加，土壤中微生物生物量碳迅速下降，微生物生物量氮、磷也呈現(xiàn)下降趨勢，但兩者的下降速率一般低于微生物生物量碳的下降。施用各類有機廢棄物的土壤之間微生物生物量碳、氮的變化趨勢較為相似，其變化與以上有機碳的積累變化趨勢基本一致，但各處理之間微生物生物量磷的變化有所不同，以施用豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥、豬糞和雞糞的較高，其他處理相對較低。

表5 施用各類有機物對土壤水溶性碳、氮、磷的影響

2.4 土壤酶活性

施用各類有機廢棄物均顯著提高了土壤酶的活性。表6 為培養(yǎng)30 周后土壤中5 種酶活性的分析結(jié)果，雖然對酶活性的影響因有機廢棄物種類不同有所差異，但總體上以施用豬糞、雞糞、豬糞/水稻秸稈堆肥和餐廚垃圾堆肥的土壤具較高的酶活性；而施用蔬菜收獲殘留物的土壤5 種酶活性增幅均相對較??；施用水稻秸稈對增加土壤中的蔗糖轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性有較大的作用，而對其他3 種酶活性的增效相對較??；生活垃圾堆肥對增加土壤中的脲酶和脫氫酶活性有較大的作用，而對蔗糖轉(zhuǎn)化酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶活性的增效相對較小。

表6 施用不同有機物對土壤酶活性的影響（30周）

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，與對照比較，施用任何有機廢棄物對改善新圍涂地土壤質(zhì)量均有不同程度的作用，但不同來源的有機廢棄物在提升土壤有機碳庫和生物活性作用有所差異。有機廢棄物中含有大量的有益微生物,施入土壤后可明顯增加土壤中微生物生物量碳、氮、磷；改善土壤結(jié)構(gòu)，為微生物提供了良好的環(huán)境。豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣對提升新圍涂地土壤有機碳庫、生物活性及農(nóng)田碳庫管理指數(shù)的效果最為顯著；其次為豬糞、雞糞和水稻秸稈；蔬菜收獲殘留物因主要由新鮮有機物質(zhì)組成，其穩(wěn)定性較差，對提升土壤有機碳庫和生物活性的效果較差。在新圍涂地改良中應(yīng)優(yōu)先考慮施用豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣等有機廢棄物。

4 討論

不同來源的有機廢棄物元素組成、性狀可有較大的變化[4]，當(dāng)被用作土壤改良劑時它們在土壤中的分解、轉(zhuǎn)變也有差異，從而對土壤的影響也有差異，以上8種有機廢棄物的施用對新圍涂地土壤性狀的影響不同顯然與不同有機廢棄物的物質(zhì)組成差異有關(guān)。施用不同有機廢棄物均可顯著提高土壤有機碳和活性有機碳，這與有機廢棄物主要成分為有機碳有關(guān)；同時，有機廢棄物的施用明顯增加了土壤中微生物生物量碳、氮和磷及土壤酶的活性，這是由于有機廢棄物的投入都不同程度地增加了土壤中活性有機物質(zhì)[28-31]，而后者既是土壤中微生物活動的能量來源（提供碳源），也是土壤微生物的主要組分（提供碳、氮、硫等元素）[32-33]；而且土壤中有機物質(zhì)的降解與轉(zhuǎn)化主要通過微生物與酶反應(yīng)來完成；土壤有機物與土壤微生物相輔相成，使得有機廢棄物的施用增加了土壤中微生物生物量碳、氮和磷，提高了土壤酶的活性[34]。

土壤碳庫管理指數(shù)可反映土壤管理措施對土壤有機質(zhì)變化的影響，用于土壤質(zhì)量變化的評價[27]。以上研究結(jié)果表明，施用各類有機物均可提高土壤中有機碳和活性有機碳組分的含量，但隨著時間的增加，土壤碳庫管理指數(shù)逐漸下降，這與施入土壤中的有機廢棄物隨時間增加其中的活性組分逐漸分解有關(guān)[16,33]。蔬菜收獲殘留物為新鮮的有機物質(zhì)，其在土壤中容易發(fā)生降解，因此它們降解后殘留在土壤中的有機碳相對較少，除部分轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的有機碳外，多數(shù)隨時間迅速分解，導(dǎo)致其最后的土壤碳庫管理指數(shù)相對較低。而其他有機廢棄物在土壤中可停留較長的時間，相應(yīng)土壤的碳庫管理指數(shù)明顯高于對照。

雖然有機廢棄物對土壤不同指標(biāo)的影響有所差異，但從以上的結(jié)果可知，施用豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣對改善土壤有機碳、微生物生物量碳、酶活性等作用總體上明顯高于其他有機廢棄物，其原因是豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣是已經(jīng)過生物發(fā)酵處理的有機物，其中的有機碳具有較高的生物穩(wěn)定性[16]，它們在土壤中的分解速率較慢，故而對提升土壤有機碳、微生物活性和碳庫管理指數(shù)具較高的潛力。因此，從提升新圍涂地土壤有機碳庫和生物活性考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣等有機廢棄物作為改良劑。