不同有机物料对连作大豆土壤养分及团聚体组成的影响*

王笃超 吴景贵

(吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118)

中国人多地少，农业的发展扮演着举足轻重的角色。随着科学技术的发展，化肥在农业生产中逐渐被推广使用，并且施用量呈直线上升趋势，在农业生产中占据重要位置。然而对化肥过度依赖和使用，土壤养分下降和板结现象普遍出现。

土壤养分是土壤肥力的重要指标之一，也是决定作物产量的重要因素，对农业生产起到重要作用。土壤肥力是农业可持续发展的基础［1］。土壤团聚体是土壤的基本结构单位，是土壤中能量转化及物质代谢的场所，决定着土壤的诸多性质和肥力。团聚体对协调土壤肥力状况、改善土壤耕性等有着重要作用，影响着土壤孔隙性、持水性和抗蚀性，常被作为衡量土壤肥力水平的重要指标［2］。不同粒级的团聚体在营养元素的保持、供应及转化能力等方面的作用也各不相同。各粒级团聚体的数量分布和空间排列方式决定了土壤孔隙的分布和连续性，进而决定了土壤的水力性质和通透性能，并影响土壤生物的活动和养分的保持与供应［3］。各粒级团聚体的分布对协调土壤水肥气热以及提高土壤通水透气具有重要作用。

大豆是忌重迎茬种植的植物，同一种植区域连续多年种植大豆，会导致产量下降［4］。现有研究表明有机肥与化肥相结合是增加和维持土壤肥力以及提高作物产量的有效方法［5-6］，对克服连作障碍增加产量具有良好效果。有机物料是土壤肥力的重要物质基础,施用有机物料对土壤性质改善及作物生产有着重要影响［7］，已有大量关于有机物料培肥土壤的研究报道。宋蒙亚等［8］发现，添加有机物料可以显著提高土壤养分含量。有机物料能提高土壤有机质含量与阳离子交换量，从而提高土壤的保肥、供肥能力［9］。研究表明，施用有机肥能有效提高土壤微生物活性［10］，达到改良土壤物理性状、提升土壤有机质含量等效果［11］。崔荣美等［12］通过有机培肥研究发现，在一定范围内，0～20 cm土层水稳性团聚体的平均重量直径与秸秆还田量及有机肥施用量呈正相关。Lu等［13］研究发现，6%稻壳生物炭不仅显著提高变性黏土2～5 mm和0.25～0.5 mm大团聚体含量，同时又可以减小＜0.25 mm 微团聚体含量，显著提高了平均重量直径和几何平均直径。孙元宏等［14］研究发现，秸秆的添加，促进了土壤中小粒径团聚体（＜0.25 mm）向大团聚体（＞0.25 mm）的转化。

然而，前人的研究多集中于单一类型有机物料，且大多数有机物料为玉米秸秆［15］，而关于腐熟鸡粪（JF）、玉米秸秆（JG）、木耳菌渣（JZ）等不同类型的有机物料对土壤肥力和团聚体稳定性影响的研究还未见报道。本研究以畜禽粪便类的腐熟鸡粪（JF）、天然类的玉米秸秆（JG）、半腐解类的木耳菌渣（JZ）三种不同类型的有机物料为研究对象，探究其对连作大豆土壤养分及其对土壤团聚体组成的影响，为有机物料培肥土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在吉林农业大学教学实验田进行，土壤类型为黑土，种植品种为吉农18。腐熟鸡粪（JF），取自吉林农业大学动物科学与技术学院；玉米秸秆（JG）和木耳菌渣（JZ）均取自吉林农业大学培养场。试验前供试耕层土壤及各有机物料基础数据见表1。

表1 试验材料基础数据Table 1 Basic data of the materials tested

1.2 实验设计

设4个处理，分别为：(1)腐熟鸡粪＋化肥（JF）；(2)玉米秸秆＋化肥（JG）；(3)木耳菌渣＋化肥（JZ）；(4)化肥（CK），空白对照。

本试验采用小区试验，起始于2010年，为长期定位试验。每小区8垄，垄距0.65 m，垄长5 m，面积为25 m2。不同处理间每垄施用等量化肥（磷酸二铵60 g、氯化钾45 g），同时施入相当于烘干重的有机物料0.75 kg，空白只施用化肥不施用有机物料。采用垄沟沟底施用，先施化肥后施有机物料，覆盖薄土压实后种植。3次重复。

1.3 研究方法

土样采集在大豆（2016年9月）收获期进行，五点取样法采土2 kg。去除杂质，将大块掰碎后在通风处晾干，取500 g进行团聚体干筛试验，并按各粒级比例取50 g用于湿筛试验；另取部分研磨过筛后测定土壤养分。碱解氮采用碱扩散法，速效磷采用钼锑抗比色法，速效钾采用火焰光度法，有机质采用重铬酸钾氧化法,具体方法参考鲍士旦《土壤农化分析》［16］。土壤团聚体采用沙维诺夫法测定，具体方法见刘孝义《土壤物理及土壤改良研究法》［17］。

土壤团聚体平均重量直径（MWD）的计算公式为：

式中，Bi为筛分出来的任一大小范围团聚体的平均直径，Wi为任一大小范围团聚体的相应质量占土壤样品干质量的分数。

对于干筛的团聚体，将n个粒径范围以内的干筛团聚体百分含量Xn构成矩阵：

湿筛后所对应土壤团聚体百分含量Yn构成矩阵：

假设团聚体筛径依次为1，2，3，…，n，在筛分过程中，每个筛径的团聚体能保留在对应筛径范围内的几率分别为 P1，P2，P3，…，Pn，而团聚体破裂进入下一个筛径的几率为1-P1，1-P2，1-P3，…，1-Pn，则 Xn与Yn之间就可建立以下关系

计算各个粒径团聚体保存几率之和，即为土壤团聚体稳定性指数(Aggregate Stability Index,ASI):

1.4 统计分析

利用WPS 2016软件进行数据整理，用SPSS 18.0软件对数据进行LSD检验和单因子、双因子方差分析。

2 结果与讨论

2.1 不同有机物料对连作大豆土壤养分的影响

图1可以看出，在大豆连作过程中有机物料的施用可以显著提高土壤中碱解氮含量，土壤中碱解氮含量均高于CK。JF和JZ处理达到土壤碱解氮含量均高于CK，JF处理极显著水平；不同有机物料处理间有差异，排列次序为JF＞JZ＞JG。

JG能提高连作大豆土壤中速效磷的含量。JZ对土壤中速效磷提高效果不及JG，JF最低。

有机物料对连作大豆土壤中速效钾含量具有提高作用。JF能显著增加连作大豆土壤中速效钾的含量；JZ处理次之，土壤中速效钾含量高于CK处理，但效果不显著；JG处理速效钾含量低于CK。

有机物料能有效增加连作大豆土壤中有机质的含量，各处理间对连作大豆土壤有机质含量的影响有差异，增加效果由高到低依次为JG＞JZ＞JF。

图1 不同有机物料对土壤养分的影响Fig. 1 Soil nutrient contents relative to treatment

2.2 不同有机物料对连作大豆土壤微生物生物量的影响

由图2可知，JZ对土壤中微生物生物量碳提高效果最显著；JF和JG也能有效提高土壤中微生物生物量碳含量，但不如JZ效果明显。JF对提高土壤中微生物生物量氮含量效果极显著；与CK相比，JG和JZ也达到显著效果。JG对土壤中微生物生物量磷提高效果显著，JF和JZ处理微生物生物量磷含量也明显高于CK。JG和JZ能有效提高微生物代谢熵，JF处理最低。

2.3 不同有机物料对连作大豆产量的影响

图3可以看出，CK处理产量最低，JF处理产量最高，为3 418.3 kg hm-2，较CK处理提高13.5%，JG和JZ处理较CK分别提高9.0%和6.2%。由此可见，JF对提高产量效果显著，JG和JZ处理也能有效提高产量，但不显著。不同类型有机物料处理间存在差异，但差异不显著。有机物料处理产量均高于CK，由高到低依次为JF＞JZ＞JG＞CK。

2.4 不同有机物料对连作大豆土壤团聚体平均重量直径的影响

图4可以看出所有有机物料处理土壤团聚体平均重量直径均显著高于CK，且差异显著。JG处理的土壤团聚体平均重量直径最大，各处理土壤团聚体平均重量直径从高到低依次为JG＞JZ＞JF＞CK，较CK分别增加358.0%、351.1%、326.1%。不同类型有机物料处理间存在一定差异，但差异不显著。

图2 不同有机物料对土壤微生物量的影响Fig. 2 Soil microbial biomass relative to treatment

图3 湿筛条件下不同有机物料对产量的影响Fig. 3 Crop yield relative to treatment by wet sieve

图4 湿筛条件下不同有机物料对土壤团聚体平均重量直径的影响Fig. 4 Mean weight diameter of soil aggregates relative to treatment by wet sieve

2.5 不同有机物料对连作大豆土壤团聚体保存几率及稳定性指数的影响

各处理的不同粒径土壤团聚体测定结果见表2，利用式（4）和式（5）求得各级粒径的保存几率和稳定性指数，结果如表3所示。由于湿筛法所用最小筛孔为0.25 mm,在湿筛法测定团聚体过程中粒径小于0.25 mm的团聚体不能再破裂为更小的粒径，因此粒径小于0.25 mm的团聚体的保存几率均为1。因为在团聚体湿筛过程中，0.25 mm为最小筛径，湿筛时粒径小于0.25 mm团聚体不可能再破裂为较小粒径的团聚体，而粒径大于0.25 mm团聚体均会存在土壤颗粒破裂现象，因此粒径大于0.25 mm团聚体的保存几率均小于1。

在各有机物料处理中，除了粒径小于0.25 mm的团聚体的保存几率均为1以外，JF、JG、JZ及CK其他粒径团聚体的最大保存几率分别为0.841、0.835、 0.850、 0.445。除大于5 mm团聚体保存几率CK处理略高于JF和JZ处理外，所有有机物料处理的其余各粒级土壤团聚体保存几率均明显高于CK。CK处理0.25～1 mm团聚体的保存几率占土壤团聚体稳定性指数的84.50%，大于1 mm的团聚体仅占18.48%，JF、JG和JZ处理大于1 mm团聚体分别占土壤团聚体稳定性指数的29.52%、38.97%、29.07%，明显高于CK。由此可见，添加有机物料的能明显增加大于1 mm水稳性团聚体的保存几率，对提高土壤团聚体稳定性具有重要意义。

表2 不同有机物料处理土壤团聚体的组成Table 2 Composition of soil aggregates relative to treatment（%）

将平均重量直径与大于0.25 mm的团聚体含量进行线性拟合，二者呈极显著正相关，相关系数高达0.99。

由表3可以看出，所有有机物料处理的土壤团聚体稳定性指数均高于CK，JG处理土壤团聚体的稳定性指数最高，为4.293，明显高于CK处理。所有处理土壤团聚体稳定性指数由高到低分别为：JG（4.293）＞JZ（3.788）＞JF（3.720）＞CK（2.262）。由此可见，有机物料的施入可以有效增加土壤团聚体的稳定性。

表3 不同有机物料处理土壤团聚体的保存几率及稳定性指数Table 3 Preservation probability and stability index of soil aggregates relative to treatment

3 讨 论

3.1 不同有机物料对连作大豆土壤养分及产量的影响

有机物料对提高连作大豆土壤中碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量效果显著，土壤养分含量高于单施化肥。本研究选取的三种不同类型有机物料中的JF对碱解氮的提高作用最为显著，较CK提高13.85%；其次是JZ，提高7.82%；JG提高3.59%，但不显著；JG对提高速效磷含量作用最显著，较CK提高4.13%；其次是JZ，提高3.64%。JF提高土壤中速效钾含量的效果最高，较CK提高8.97%；这与陈安强等［18］、王芳等［19］的研究结果一致；JG对提高土壤有机质效果最好，较CK提高7.28%，与宋蒙亚［20］的研究结果一致。本研究中JF处理全磷含量高，但在结果中土壤速效磷含量较JG处理低，这可能是由于JF腐解周期短，磷的释放比较集中，腐解过程中产生的磷被固定到土壤中，而JG和JZ腐解周期长，释放速率低能有效转化为速效磷所致。JG处理的土壤中速效钾含量低于其他处理，可能是JG腐解过程缓慢，释放速率低造成的。有机物料还能有效提高土壤中微生物量碳含量，JZ效果显著，JF和JG较CK有一定的提高,但效果不显著；JF对提高土壤中微生物生物量氮含量效果极显著，JG和JZ也达到显著水平，有机物料对提高连作大豆土壤微生物生物量氮含量效果显著；JG对提高土壤中微生物生物量磷效果显著，JF和JZ较CK也能有效提高微生物生物量磷含量，但效果不显著；JG和JZ对提高土壤微生物代谢熵效果显著,与张赛等［21］研究结果一致，但JF处理微生物代谢熵低于CK。Dilly和Munch［22］研究表明，土壤微生物代谢熵的变化能够指示土壤微生物种群利用土壤有机质的效率，qCO2值升高表明土壤微生物活性降低及土壤养分利用效率下降，qCO2降低表明土壤微生物碳利用效率提高。本研究，JF处理微生物代谢熵低于CK，这可能是JF易腐解，土壤中微生物碳利用效率较高，也可能是JF处理微生物活性较高所致。在本研究中，有机物料对连作7年大豆土壤中养分含量的提高均有良好的效果，JG处理综合效果最好。

有机物料能有效提高连作大豆产量，JF效果显著，JG和JZ较CK相比也能提高连作大豆产量，但效果不显著。本研究发现，连作大豆产量与碱解氮含量呈显著正相关关系，这与严君等［23］研究结果一致。本研究中，所有有机物料处理产量均高于CK。由此可见，有机物料能有效克服大豆连作过程中出现的减产问题，提高产量，对于克服大豆连作障碍具有重要意义。

3.2 不同有机物料对连作大豆土壤团聚体组成及稳定性的影响

有机物料能有效增加土壤团聚体平均重量直径，这与马晓丽［24］、赵亮［25］的研究结果一致；杜立宇等［26］研究发现，对连作大豆土壤团聚体平均重量直径提高作用最明显的为JG处理,三种不同类型的有机物料对土壤团聚体平均重量直径提高由高到低依次为JG＞JZ＞JF。三种类型有机物料对提高土壤中大于1 mm团聚体含量效果均较显著，JF、JG和JZ处理1 mm以上团聚体分别占土壤团聚体稳定性指数的29.52%、38.97%、29.07%。由此可见，长期施用有机物料具有促进水稳性微团聚体向水稳性大团聚体形成的趋势。土壤中粒径大于0.25 mm团聚体的含量越多，团聚体的平均重量直径越大，土壤结构也越稳定。本研究中，所有有机物料处理的0.25 mm以上团聚体粒径团聚体保存几率与稳定性指数均明显高于CK处理，这表明有机物料的施入能有效提高土壤团聚体的稳定性，土壤结构的水稳性也得到了提高。由此可见，有机物料对提高连作大豆土壤团聚体平均重量直径，增加土壤团聚体的水稳性具有良好效果。三种类型的有机物料均能有效提高土壤团聚体稳定性，其中JG效果最好，较CK提高89.79%，所有处理土壤团聚体稳定性指数由高到低依次为：JG（4.293）＞JZ（3.788）＞JF（3.720）＞CK（2.262）。由此可见，有机物料的加入能有效提高连作大豆土壤中团聚体水稳性。与刘恩科等［27］，化肥与有机肥配施处理可提高水稳性大团聚体含量,改善土壤团聚体的结构，研究结果一致。

4 结 论

三种不同类型有机物料均能有效提高连作大豆土壤中碱解氮、速效磷、速效钾以及有机质的含量，提高养分含量，并且效果显著。畜禽粪便类的JF对提高连作大豆土壤碱解氮、速效钾和产量效果最显著；天然类的JG对提高连作大豆土壤中速效磷和有机质含量效果最显著；半腐解类的JZ对提高连作大豆土壤微生物生物量碳和微生物代谢熵效果最显著。三种类型有机物料均能明显提高连作大豆土壤中大粒径团聚体的含量，增加水稳性团聚体平均重量直径，显著增加土壤团聚体的稳定性指数。