长期菌渣化肥配施对稻田土壤活性有机碳组分和有效养分的影响

龚 臣，王旭东，倪 幸，乐天天，曾诗媛，叶正钱

（浙江农林大学 环境与资源学院 浙江省土壤污染生物修复重点实验室，浙江 杭州311300）

2014年，中国国内食用菌产量为2 134万t，总产值达800多亿元。食用菌生产之后的副产物——菌渣的处理已经成为农业生产中的大问题，菌渣还田是解决此问题的最佳办法之一［1］。土壤有机碳（SOC）是土壤的重要组成部分，影响着土壤物理、化学和生物学性质。单纯用SOC总量不能评价土壤有机碳库的稳定性和很好地反映其当季土壤肥力的状况。活性有机碳（labile organic carbon，LOC）组分在土壤中易于转化，不仅能被微生物利用作为能源，也是植物的养分库。LOC与土壤物理结构和有效养分有着密切相关性，可以敏感地指示土壤肥力的微小变化［2］，所以运用LOC和SOC来共同评价有机碳库质量是较为科学的方法［3-4］。在对土壤活性有机碳研究中，LOGINOW等［5］提出了用3种不同浓度的高锰酸钾（33，167，333 mmol·L-1）测定土壤LOC的方法，获得了土壤有机碳的4个级别。BLAIR等［6］提出用土壤碳库管理指数（carbon pool management index,CPMI）来评价土壤有机碳库的质量。CPMI作为评价土壤有机碳总量和土壤有机碳活性的综合指标，可以系统和敏感地监测土地管理对土壤有机碳质量的影响［7］。SOC受植被类型、气候条件、土壤性质等自然因素以及耕作方式和施肥措施等人为活动因素影响［8］。过度依赖化肥来提高粮食产量会降低土壤LOC或者其占SOC的比例［9-10］，也有研究证明均衡施用化肥可以显著提高SOC和LOC［11］。在施用有机肥条件下，不论单施有机肥还是有机无机化肥配合施用均可以增加LOC［12-13］。菌渣作为一种优良的有机物料，施入土壤中后会引起LOC怎样的变化及其与土壤肥力的关系值得关注。目前，关于菌渣还田对土壤活性有机碳库影响的研究很少见，对完整的一个耕作周期内土壤LOC动态变化的研究更是鲜见。为此，作者利用6 a的菌渣还田定位试验地为研究对象，测定了不同菌渣施用量下稻田土壤中的3种LOC（能被33，167，333 mmol·L-1这3个不同浓度高锰酸钾氧化的有机碳）和有效养分的变化，旨在了解长期菌渣还田对稻田土壤LOC的组分和土壤有效养分的影响，探讨LOC在一个完整的耕作周期内的变化规律以及与土壤有效养分的相关关系，为合理利用菌渣和促进农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于 2010 年 7 月，在浙江省嘉兴市王店镇五浪园（30°37′00″～30°40′00″N， 120°39′00″～120°44′00″E）大田进行研究。该地区平均海拔为3.7 m，属北亚热带季风气候，年均气温为16.0℃，年均日照时数为2 000.0 h，年均降水量为1 170.0 mm，全年无霜期为225.0 d。试验地为单季稻Oryza sativa种植模式。

供试土壤基本理化性质： 有机碳（SOC）为 11.11 g·kg-1， 全氮 1.48 g·kg-1， 碱解氮 134 mg·kg-1， 有效磷24 mg·kg-1，速效钾209 mg·kg-1。供试菌渣为历年黑木耳Auricularia auricula-judae栽培结束后的废菌棒，经堆置发酵后还田。菌渣平均干质量为470 g·棒-1。菌渣主要成分：有机碳为451.8 g·kg-1，全氮为11.4 g·kg-1， 碳氮比为 39.6， 全磷为 1.0 g·kg-1， 全钾为 6.0 g·kg-1。

1.2 试验设计

设3个菌渣还田水平，3个化肥施用水平，双因素随机区组试验设计，共9个处理。菌棒还田量分别为 0， 22 500， 45 000 棒·hm-2（0， 10 575， 21 150 kg·hm-2）， 相对用量记为 0%， 50%， 100%；化肥常规施肥量为0%，50%，100%。化肥常规施肥量100%下的施肥方案如下：基肥，过磷酸钙（含五氧化二磷12%）375 kg·hm-2， 碳酸氢铵450 kg·hm-2；追肥，①分蘖初期（移栽后 3周）施尿素150 kg·hm-2，②分蘖盛期施扬丰牌复合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶6∶15］225 kg·hm-2， ③孕穗期（穗肥）施扬丰牌复合肥300 kg·hm-2。各处理具体见表1。试验设3次重复，随机区组排列，共27个小区，面积为20 m2·小区-1，其他田间管理按照常规栽培技术要求进行。

表1 大田试验处理Table 1 Field experiment treatments

1.3 研究方法

1.3.1 采样方法 分别于2015年6月的水稻移栽前、2015年12月的收获期、2016年6月的移栽前，取0～20 cm表层土样。剔除石块和动植物残体等杂物，风干，磨细，分别过10目和100目筛备用。

1.3.2 测定方法 土壤和菌渣的基本理化性质测定：土壤pH值按V（土）∶V（水）=1.0∶2.5酸度计法测定；土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰分光光度计法测定。不同活性有机碳（LOC）按LEFROY等［12］提出的LOC测定方法，得到的3种不同活性有机碳分别为33 mmol·L-1高锰酸钾氧化有机碳（表示为 LOC1）， 167 mmol·L-1高锰酸钾氧化有机碳（表示为 LOC2），333 mmol·L-1高锰酸钾氧化有机碳（表示为 LOC3）。

1.3.3 计算方法 土壤活性有机碳有效度（ALC）［15］=活性有机碳（LOC）/有机碳总量（TOC）×100%。碳库管理指数（CPMI）是表征土壤碳库变化的指标， 计算公式［7］： 碳库管理指数（CPMI）=碳库指数（CPI）× 碳库活度指数（AI）×100。 其中： 碳库指数（CPI）=样品总碳（g·kg-1）/参考土壤总碳（g·kg-1）； 碳库活度指数（AI）=样品碳库活度（A）/参考土壤碳库活度； 碳库活度（A）=土壤活性有机碳（g·kg-1）/土壤非活性有机碳（g·kg-1）。总有机碳碳与活性有机碳的差值为非活性有机碳。文中设定原始农田为参考土壤，碳库管理指数为100。若采取施肥措施后碳库管理指数高于100，说明土壤碳库有所改善，反之则说明土壤碳库变差。

1.3.4 分析方法 试验数据采用WPS表格和SPSS 18.0进行统计分析

2 结果与分析

2.1 长期菌渣还田对土壤活性有机碳库组分的影响

2.1.1 菌渣还田对土壤活性有机碳（LOC）年变化的影响 由图1～3可以看出：不同处理的3种土壤LOC在12个月的耕作周期中（2015-06-2016-06）的变化趋势基本相同。一般来说，收获后的土壤LOC高于移栽前的。在收获后至下一茬水稻移栽前，大体上各处理土壤LOC有不同程度的下降。3种土壤LOC差异大小为 LOC1＜LOC2＜LOC3， 各处理 LOC1为 0.87～1.98 g·kg-1， LOC2为 1.61～4.01 g·kg-1， 而 LOC3为1.74～5.54 g·kg-1。结果显示：2015-06-2016-06的水稻移栽前、收获期及下一茬水稻移栽前这3个时期中，随着菌渣还田量增加土壤LOC1极显著提高（P＜0.01）。化肥的施用对土壤LOC影响不显著（P＞0.05）， 不施用化肥处理（C0F0， C0F50， C0F100）和施用 100%化肥处理（C100F0， C100F50， C100F100）相差不大， 但均明显高于施用50%化肥处理（C50F0，C50F50，C50F100），平均是其1.14倍。同样，LOC2，LOC3中不施肥和施用100%化肥处理平均是施用50%化肥处理的1.12～1.22倍。与对照（C0F0）相比，含菌渣的所有处理（包括单施菌渣处理和菌渣化肥配施处理）均显著提高各LOC的质量分数，其中C0F100对LOC的提高效果最好， C100F100次之。 相比原始土 LOC1（1.23 g·kg-1）， 对照处理（C0F0）和单施 50%化肥处理（C50F0）的质量分数分别降低了0.18，0.21 g·kg-1，单施100%化肥处理 （C100F0）与其基本持平。相比原始土LOC2（1.89 g·kg-1），对照处理（C0F0）和单施 50%化肥处理（C50F0）基本没有差异， 而单施 100%化肥处理（C100F0）则明显升高， 增幅达 0.57 g·kg-1。 相比原始土的 LOC3（2.93 g·kg-1）， 对照处理（C0F0）和单施50%化肥处理（C50F0）分别下降了0.21和0.27 g·kg-1，单施100%化肥处理（C100F0）基本持平。总之，与原始土壤相比，长期不施肥（C0F0）或单施50%化肥（C50F0）对土壤3种LOC均为降低趋势，说明这2种施肥方式对土壤活性有机碳库的影响是不利的，但常规施用化肥处理则影响不大，菌渣和化肥配施处理则均可显著提高3种土壤不同LOC的质量分数，对LOC提高的效果均为处理C0F100最好，C100F100次之。另外，LOC1在收获期到下一个移栽前表现为明显下降，LOC2和LOC3则因处理不同变化不同，但变化均不明显。

图1 长期菌渣还田对土壤LOC1的影响（2015-06-2016-06）Figure 1 Effects of long-term fungus residue return on content of LOC1（2015-06-2016-06）

图2 长期菌渣还田对土壤LOC2的影响（2015-06-2016-06）Figure 2 Effects of long-term fungus residue return on content of LOC2（2015-06-2016-06）

图3 长期菌渣还田对LOC3影响的变化（2015-06-2016-06）Figure 3 Effects of long-term fungus residue return on content of LOC3（2015-06-2016-06）

2.1.2 长期菌渣还田对3种LOC的有效度（ALC）及碳库管理指数（CPMI）的影响 由表2可知：3种LOC的有效度（ALC）和碳库管理指数（CPMI）仅受菌渣处理因子的显著影响；化肥施用的影响较小，没有达到显著作用；菌渣与化肥配施的交互作用不明显。与对照处理（C0F0）相比，单施50%化肥处理（C50F0）使LOC的ALC和CPMI略有降低，而单施100%化肥处理（C100F0）只对LOC1的ALC略有下降外，其他各指标都略有提高。菌渣还田对LOC的ALC和CPMI的提高作用显著，但在相同化肥下，50%与100%菌渣还田处理之间没有差异。在不同活性LOC中，高活性的LOC（LOC1）的ALC受不同处理的影响变化大，表明高活性的LOC1的ALC敏感性相比其他2个LOC更高，说明LOC1是最容易变化的LOC。相比用LOC的ALC来评价菌渣还田对土壤LOC的影响，CPMI变化更明显，说明CPMI可以更敏感地评价土壤碳库的变化。总体来看，单施100%菌渣处理（C0F100）在LOC1的ALC和CPMI上最高，C100F100表现次之。

表2 长期菌渣还田对LOC有效度和CPMI的影响（2015-12）Table 2 Effects of long-term fungus residue return on availability of LOC and CPMI （2015-12）

2.2 长期菌渣化肥配施对土壤肥力和水稻产量的影响

双因素方差分析结果显示：随着菌渣施用量增加，土壤有机碳、全氮、有效磷、碱解氮显著增加；随着化肥施用量的增加，土壤速效钾显著降低，有效磷显著增加，水稻产量（稻谷产量、秸秆产量和地上部生物量）极显著提高。可见，菌渣化肥对有效磷有显著的交互作用（P＜0.05）（表3）。

不同施肥处理对土壤肥力的影响差异显著，与对照处理（C0F0）相比，单施化肥处理（C50F0）在土壤有机碳、全氮和有效养分上均有不同程度的下降，但单施100%化肥处理（C100F0）略有增加，其中有效磷显著提高，单施化肥处理（C50F0和C100F0）均显著降低了速效钾（P＜0.05）。单施菌渣处理有利于有机碳和全氮的积累，其中单施100%菌渣（C0F100）显著提高有效磷和碱解氮，但单施50%菌渣处理（C0F50）并没有提高。菌渣和化肥配施处理（C50F50，C50F100，C100F50，C100F100）除了速效钾呈下降趋势，其他土壤肥力指标均呈增加趋势，但其中C100F50和C100F100对有机碳提升的作用不大。相比单施50%化肥（C50F0），菌渣与50%化肥配施处理（C50F50和C50F100）有助于SOC和全氮的积累以及有效磷和碱解氮的释放。但在施用100%化肥的基础上，配施菌渣在土壤有机碳、全氮没有显著影响，但可以提高土壤有效养分（表3）。

不同施肥处理之间的水稻产量差异显著（P＜0.05）。相比C0F0，单施100%菌渣处理（C0F100）可以显著提高水稻产量（稻谷产量、秸秆产量和地上部生物量），单施50%菌渣处理（C0F50）只显著提高了稻谷产量。虽然菌渣的施用可以显著提高水稻产量，但在与化肥的配施下，菌渣并没有起到明显作用，例如表3的C50F0，C50F50和C50F100等3个处理之间的水稻产量几乎没有差异，施用100%化肥的3个处理也是如此。相比菌渣对水稻产量的提高作用，化肥的影响更重要。

总体上，相比单施100%化肥处理（C100F0），菌渣与化肥配施可以显著提高土壤碱解氮、有效磷质量分数，但却降低速效钾质量分数。C50F100和C50F50更有利于SOC的积累，C100F100更有利于有效磷和碱解氮的提高。相比菌渣对水稻产量的影响，化肥的作用更加明显。

表3 长期菌渣化肥配施对土壤肥力和水稻产量指标的影响（2015-12）Table 3 Soil fertility and rice yield affected by long-term application of fungus residue and chemical fertilizers（2015-12）

3 讨论

3.1 长期菌渣还田对活性有机碳库组分的影响

许多研究表明：有机肥料施用到土壤中可以增加LOC质量分数、LOC的有效度和CPMI［13-15］。本研究中，菌渣还田同样可以起到提高LOC的作用，33 mmol·L-1高锰酸钾氧化有机碳（LOC1）的有效度和CPMI随菌渣还田量的增加达极显著水平。这与吴建富等［13］利用稻草还田的研究结果一致，同时也验证了CPMI适合作为评价碳库变化指标的灵敏性［15］。

土壤LOC质量分数主要受土地利用方式和施肥措施的影响，不同的土地利用方式下的土壤LOC质量分数差别很大。张俊华等［16］对7种典型土地利用方式进行了研究，发现LOC为1.00～7.00 g·kg-1，但这主要与土壤总有机碳有关［17］。本研究不同时期不同处理下的LOC为1.74～5.54 g·kg-1，其中收获后的土壤LOC质量分数普遍高于移栽前的。这是由于在水稻种植期间，菌渣的施入为土壤微生物提供充足的碳源从而增加微生物的种类和数量［18］，另外，植物在生长过程中根系也在分泌一些可溶的低分子有机物质（氨基酸、糖类等）［19］，这也会增加土壤中活性有机碳的量。

本研究发现：相比原始土，不施肥处理（C0F0）和单施50%化肥处理（C50F0）这2种施肥方式不利于3种不同LOC的提高，但单施100%化肥处理（C100F0）则没有降低趋势。徐明岗等［10］的研究也表明，连续10 a化肥配施对潮土和灰漠土的这3个组分LOC的影响不明显。菌渣化肥配施可以显著提高3种LOC质量分数、有效度以及CPMI，这与张璐等［9］的研究结果相似。

3.2 长期菌渣化肥配施对土壤肥力和水稻产量的影响及其作用机制探讨

本研究表明：相比单施100%化肥处理（C100F0），菌渣化肥配施不仅可以显著提高土壤碱解氮和有效磷质量分数，还可以提高土壤SOC和总氮，这与其他有机无机化肥配施的研究结果相似［20-21］。化肥比菌渣对水稻产量（稻谷产量、秸秆产量和地上部生物量）的提高效果要高，这一点在其他研究上也已经得到证明［20,22］。高菊生等［20］研究表明：连续29 a单施化肥处理的水稻产量显著低于有机无机化学配施处理。但在本研究中菌渣和化肥配施没有显著高于单施化肥处理，这可能和背景土壤的肥力以及试验年限有关。随着化肥施用量增加速效钾显著降低，其原因可能是由于水稻生长量大、吸收带走的钾多，此时非交换性钾成为植物的主要钾源［23］。C50F50和C50F100均有利SOC的积累，C100F100则更有利于养分的释放，能够最大程度地提高土壤有效磷和碱解氮，这一结果与前人的研究成果［24-25］有异同之处。胡杨勇等［24］研究发现：C50F100有利于SOC的积累，C100F50最有利用于养分的释放，前一结果在本研究结果也得到进一步验证，但后一结果却不尽相同，在随着试验时间年限的增加，菌渣作用年限的增加，C100F100成为最有利于养分的释放和供应的处理。温广蝉等［25］前期研究发现：C100F100处理对SOC的积累作用最强，但随着菌渣还田年限的增加，反而是菌渣与50%化肥配施（C50F100和C50F50）对SOC的提升作用最强，这说明长期菌渣还田减少化肥的施用有利于SOC的积累。侯红乾等［21］的研究结果也证实这一点。

根据表4可知：3种不同LOC和SOC均与土壤碱解氮、有效磷和速效钾有显著正相关关系，其中LOC与土壤碱解氮、有效磷和速效钾的相关性达极显著水平，这验证了LOC和SOC是评价土壤肥力高低的指标［10］，LOC可以更好地指示土壤养分的微小变化，其中LOC1和LOC2比LOC3表现更敏感；3种LOC的有效度（ALC）均与有效磷显著相关，其中LOC1的ALC与全氮呈极显著正相关。而3种不同LOC与其各自的ALC都呈极显著正相关（表5），也都与CPMI呈极显著正相关，同时CPMI与有效养分和全氮均显著相关，说明CPMI可以作为评价土壤肥力的一个间接指标。

表4 土壤LOC与土壤肥力指标的相关性（2015年移栽前）Table 4 Correlations between LOC and soil fertility index（preplanting,2015）

表5 评价LOC的指标与土壤肥力的相关分析（2015年收获期）Table 5 Correlation analysis on evaluation index of soil LOC and soil fertility（harvest,2015）

4 结论

相比单施化肥，长期菌渣化肥配施显著提高土壤碳库管理指数（CMPI）和3种活性有机碳（LOC）质量分数及其有效度（ALC），水稻收获期的LOC一般高于移栽前的，C100F100最有利于提高3种LOC质量分数、ALC和CMPI。相比单施化肥，菌渣与化肥配施处理显著提高土壤全氮、碱解氮和有效磷。100%化肥与菌渣配施（C100F50和C100F100）比50%化肥与菌渣配施（C50F50和C50F100）更有利于SOC的矿化以及养分的释放；在化肥施用条件下（无论是50%还是100%化肥），配施菌渣对水稻产量的作用较小。

3种LOC比SOC对碱解氮、有效磷和速效钾的影响更显著，其中LOC1和LOC2比LOC3在反映土壤肥力变化上更敏感；CPMI与土壤有效养分、全氮有显著的正相关，可以较敏感地反映土壤肥力的变化。

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