连续施用土壤改良剂对砂质潮土团聚体及作物产量的影响

张 贺，杨 静，周吉祥，李桂花，张建峰

（耕地培育技术国家工程实验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

虾头、蟹壳等废弃物中含有丰富的蛋白质、矿物质、甲壳素和虾青素，是良好的功能性材料，适合资源化利用[1]。有研究表明，经过生物发酵等工艺处理的虾头、蟹壳等废弃物作为有机改良剂应用于土壤中，或施用以甲壳素作为包膜材料的缓控肥，可以改善土壤保水性能[2]，增加土壤速效养分含量[3]，抑制根际土壤真菌的繁殖，增加根际土壤细菌和放线菌的数量[4]，促进植株生长，提高作物产量[1]。还有研究发现，这种改良剂对于障碍性土壤具有良好的改良效果，如冀拯宇等[5]研究发现该改良剂施用于盐碱土壤中，可以降低土壤全盐量、钠吸附比和pH，改善土壤化学性质；周吉祥等[6]将有机改良剂施用于砂质土壤，可以提高土壤碳库指数，提高土壤保肥能力。

凹凸棒土因其具有较大的比表面积、高阳离子交换量，较好的吸附性、保水性、黏结性等特点[7]而受到广泛关注，其含有大量营养元素 (如Si、Ca、Al、Fe、Mn[8]等)，可满足作物对多种养分的需求[9]，而被广泛应用于农业领域。杨苏等[10]研究发现，添加凹凸棒土有效改善黄河故道潮土土壤结构、增加＞0.25 mm粒级团聚体含量和最大持水量。王依惠等[11]和刘左军等[12]发现，添加凹凸棒土可以提高小麦光合特性，增加小麦千粒重、淀粉含量和产量。因此，将凹凸棒土作为无机改良剂是改善土壤结构、提升土壤质量、增加作物产量的有效途径[10-11]。

土壤结构是土壤功能的基础，土壤团聚体对稳定土壤结构、积累腐殖质和养分供应起着至关重要的作用[13-14]。前人对不同改良剂的田间和实验室研究表明，土壤改良剂对土壤结构有积极的影响。如施用生物炭改良剂，配合施用氮肥和磷肥，可以提高0.25～2 mm粒级团聚体比例和团聚体稳定性[15]，增加土壤有机碳、全氮和磷含量；Dai等[16]在砂土中施用秸秆改良剂，发现其可提高团聚体的稳定性；Zhao等[17]研究发现，添加有机物料 (玉米和小麦秸秆) 可显著提高大团聚体的质量分数，增加有机碳储量。但是，关于用虾头蟹壳废弃物合成的有机土壤改良剂与凹凸棒土两者连续多年单独或者配合施用对砂质潮土土壤结构改良和作物增产效应的研究还鲜见报道。砂质潮土作为黄淮海粮食主产区广泛分布的土类之一，存在较多属性障碍和衍生障碍，如结构性差、腐殖质积累作用弱、蓄水保肥能力弱等。而利用改良剂改善土壤结构，实现保水保肥是砂质潮土增产、稳产的重要途径。因此，本研究以河北廊坊砂质潮土为研究对象，采用田间定位试验，通过分析小麦–玉米季作物产量、土壤团聚体以及团聚体碳氮含量的变化特征，评价新型土壤改良剂在养分供应、土壤结构等方面的改良效果，以期为虾头蟹壳和凹凸棒土的资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤改良剂

本试验所用有机改良剂为实验室自制，将虾头蟹壳废弃物粉碎后按照重量2∶3混合加入草炭、秸秆和花生壳及其他材料，接入地衣芽孢杆菌、干酪乳杆菌、枯草芽孢杆菌等多种微生物菌剂，经过好氧发酵、高温堆肥等工艺处理后制成商业化产品，其理化性状为：pH 7.75、全氮14.7 g/kg、全磷21.05 g/kg、全钾 22.88 g/kg、有机质 73.74 g/kg。无机改良剂为改性凹凸棒土，其主要理化性状为：pH 8.40、全氮 0.07 g/kg、全磷 0.08 g/kg、全钾 0.01 g/kg、比表面积 369 m2/g、阳离子交换量 (CEC) 21.96 cmol/kg。

1.2 试验地概况

试验地位于河北省廊坊市万庄镇中国农业科学院国际高新技术示范园区 (39°36′N、116°36′E)，属温带大陆性季风气候，年均气温11.9℃，年均降水量550 mm，集中在6月份。土壤为砂质潮土。试验前0—20 cm土层土壤的基础肥力指标如下：土壤有机碳 7.48 g/kg、全氮 0.81 g/kg、有效磷 17.55 mg/kg、速效钾 153.32 mg/kg、pH 8.83。

1.3 试验设计

田间试验于2015年10月开始，到2019年10月已连续种植4年8季作物。采用小麦–玉米轮作制度，供试作物为当地主栽品种，小麦为‘廊研43’、玉米为‘郑单958’。试验共设4个处理：1) 单施化肥 (CK)；2) 化肥+无机改良剂 2.25 t/hm2(SA)；3) 化肥+有机改良剂 15 t/hm2(SC)；4) 化肥+有机改良剂 15 t/hm2+无机改良剂 2.25 t/hm2(SCA)。每个处理设置3次重复，采用随机区组排列方式。试验小区面积为30 m2，不同小区间起垄隔开。施肥按照当地施肥习惯 (表1)。有机改良剂和无机改良剂在种植前随基肥一同施入，并通过多次翻耕与耕层土壤混匀。其他大田管理措施均与当地习惯一致。不同土壤改良剂养分输入量见表1。

表 1 不同土壤改良剂各处理养分输入量 (kg/hm2)Table 1 Nutrient inputs under different soil amendments

1.4 样品采集、测定项目及方法

1.4.1 土壤样品采集 于2019年6月 (小麦收获期)和10月 (玉米收获期) 在各个试验小区采用“S”型5点取样法，使用土钻采集耕层 (0—20 cm) 土壤样品。去除土壤样品中的石砾、根系等杂物，将5个取样点充分混匀的土壤样品放入带有冰袋的保温箱内，带回实验室。随后将样品分为2份，一份于实验室阴凉处风干，过2 mm筛后测定理化性质以及水稳性团聚体含量；另一份装入白色棉布袋，于4℃冷冻保存，用于测定土壤微生物量。

1.4.2 测定项目和方法 土壤理化指标均采用土壤农化分析常用分析法[18]测定。土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法[19]，将解冻的新鲜土壤样品在恒温25℃的恒温箱中培养7天后用氯仿熏蒸—硫酸钾浸提，TOC仪测定碳和氮含量，用转化系数0.45计算土壤微生物量碳氮。土壤团聚体组成分析采用Elliott等[20]描述的方法，通过湿筛法分离出粒径＞0.25 mm 大团聚体、0.053～0.25 mm 微团聚体和＜0.053 mm粉粘粒组分。具体方法是将土样中石块和根系去除，称取40 g平铺于0.25 mm套筛内 (每个筛子里预先放置30个直径为4 mm的玻璃珠)，将套筛放置在沉降桶内，随后沿桶壁缓慢加入去离子水直至没过土样，浸润5 min。然后上下振荡2 min，振幅为4 cm，振动频率为50次/min，最后将各层筛上的土壤样品分别冲洗至容器中，在60℃下烘干至恒重，冷却后称重，计算各级别团聚体百分比。将各级团聚体的部分土样研磨，过0.147 mm筛测定土壤有机碳和全氮含量。

1.5 数据计算

用平均重量直径 (MWD)和几何平均直径(GMD) 作为评价土壤团聚体稳定性状况的指标，具体计算公式为：

1.6 数据统计分析

用 SPSS 22.0 进行单因素方差分析 (ANOVA)和Duncan新复极差法对各变量进行显著性检验，用R语言进行Pearson相关性分析；用Canoco 5.0进行冗余分析 (RDA)；AMOS 22.0进行结构方程模型(SEM) 分析，在分析之前使用R语言“vegan”包对土壤大团聚体和微团聚体含量及其碳氮含量进行PCA降维分析，并选用PC1的结果作为土壤团聚体分布指标；对土壤 MWD，GMD，粒径＞0.25 mm团聚体进行PCA降维分析，并选用PC1的结果作为土壤团聚体的稳定性指标。用R语言“ggplot”包以及 Origin 2018 作图。

2 结果与分析

2.1 连续施用不同土壤改良剂对作物产量和土壤基本性质的影响

如图1所示，在2019年小麦季和玉米季，有机–无机改良剂配合施用对作物产量的提升作用最为明显。小麦季SA和SC处理较CK处理产量分别增加了26.80%和24.42%，但未达到显著水平；SCA处理较CK处理产量显著增加了54.16% (P＜0.05)。玉米季产量情况与小麦季相似，只有SCA处理显著增加了 24.26% (P＜0.05)。

图 1 不同轮作季节作物产量 (2019年)Fig.1 Wheat and maize yields in 2019 under different soil amendments

连续施用土壤改良剂4年后，各处理土壤化学性质均有变化 (表2)。小麦季SC处理的土壤全氮、有效磷、速效钾、有机碳以及微生物量碳与CK相比分别显著提升了31.33%、233.20%、39.94%、30.85%和8.82% (P＜0.05)。玉米季SCA处理的土壤各养分较CK均显著提高，其中全氮、有效磷、速效钾、有机碳以及微生物量碳含量分别显著增加了21.35%、358.43%、46.65%、37.41%和33.65% (P＜0.05)。土壤pH在2019年小麦季和玉米季均随着改良剂的施入而降低，其中在小麦季SC处理显著降低3.19% (P＜0.05)，玉米季 SCA 处理显著降低 5.92% (P＜0.05)。

表 2 不同改良剂对土壤基本化学性质和微生物量的影响Table 2 Soil chemical properties and microbial biomass under different soil amendments

2.2 连续施用不同改良剂对土壤团聚体的影响

2.2.1 不同轮作季节水稳性团聚体分布及稳定性的变化 由图2可知，施用土壤改良剂影响团聚体组成。2019年小麦季微团聚体 (粒径0.053～0.25 mm)含量相对较高，为69.78%～73.19%，大团聚体 (粒径＞0.25 mm)和粉粘粒 (粒径＜0.053 mm) 含量大致相同，分别为11.33%～16.15%和12.12%～18.88%。与CK相比，施用有机改良剂SC和SCA处理大团聚体分别显著增加了 42.51%和29.66% (P＜0.05)。玉米季团聚体组成状况基本与小麦季一致，微团聚体含量相对较高，为66.04%～72.72%。大团聚体中只有SCA处理达到显著差异水平 (P＜0.05)，较CK增加了68.71%。粉粘粒含量SA、SC和SCA处理与 CK 相比，分别减少了 20.57% (P＜0.05)、11.97%和25.83% (P＜0.05)。

图 2 不同改良剂处理土壤团聚体粒径分布特征Fig.2 Fractions of soil aggregates under different soil amendments

土壤团聚体平均重量直径 (MWD)、平均几何直径 (GMD) 常用来表征土壤中团聚体的稳定状况，其值越大，表示土壤团聚度越高，结构稳定性越好。由图3可知，小麦季SC处理的MWD和GMD较CK 分别显著增加了 22.41%和20.35% (P＜0.05)。在玉米季，MWD和GMD在处理之间的变化规律一致，由高到低依次为SCA＞SC＞SA＞CK，只有SCA处理达到显著差异水平，分别较CK处理增加了 35.47%和29.65% (P＜0.05)。

图 3 不同改良剂处理土壤团聚体平均重量直径 (MWD)和几何平均直径 (GMD)Fig.3 The mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of soil aggregates under different soil amendments

2.2.2 不同轮作季节土壤水稳性团聚体有机碳氮含量的变化 团聚体粒级大小对碳氮分布的影响较为显著，其中大团聚体中碳氮含量最高，其次是粉粘粒，微团聚体最低。而土壤各级团聚体的C/N值却呈现大团聚体＞微团聚体＞粉粘粒的规律。在各级团聚体中，SCA处理的有机碳含量最高，大团聚体、微团聚体和粉粘粒中有机碳含量与CK处理相比小麦季 (图 4 B、C、D) 分别显著增加了 26.49%、64.74%和51.23% (P＜0.05)；玉米季 (图 4 F、G、H)分别显著增加了34.10%、46.39%和64.83% (P＜0.05)。施用不同土壤改良剂也影响土壤各级团聚体中氮素的分布。在小麦季和玉米季土壤中，各级团聚体中全氮含量SCA处理较CK处理分别显著增加了 16.40%～31.70% (图 4 B、C、D，P＜0.05)和17.68%～52.67% (图 4 F、G、H，P＜0.05)，说明SCA处理可以显著增加各级团聚体对全氮的积累。

图 4 土壤不同粒级团聚体中碳、氮含量和C/N值Fig.4 Aggregate-associated soil organic carbon (SOC), total nitrogen contents and C/N ratios under different soil amendments

2.2.3 不同粒级团聚体对耕层土壤碳氮贡献率 由表3可以看出，两季作物土壤不同粒级团聚体碳氮对土壤碳氮的贡献率表现为：微团聚体最高，大团聚体次之，粉粘粒最低。大团聚体中，与CK处理相比，小麦季SC处理的有机碳和全氮贡献率差异达到显著水平，分别增加了29.06%和69.24% (P＜0.05)，玉米季SCA处理较CK处理差异达到显著水平，有机碳和全氮贡献率分别增加了61.62%和114.20% (P＜0.05)。粉粘粒中，小麦季 SA、SC和SCA处理有机碳贡献率较CK处理分别减少了18.13%、31.97%和30.65%，全氮贡献率较CK处理分别减少了16.16%、35.46%和41.41%，其中SC与SCA较CK处理均达到了显著差异水平 (P＜0.05)；玉米季SA、SC和SCA处理有机碳贡献率较CK处理分别减少了32.25%、11.29%和11.47%，全氮贡献率较CK处理分别减少了16.46%、16.46%和16.89%，但均未达到显著差异水平。

表 3 不同处理下不同粒级团聚体对耕层土壤碳氮的贡献率 (%)Table 3 Contribution rates of soil organic carbon and nitrogen contents in aggregate fractions to their total content in soil samples under different treatments

2.3 土壤理化因子、微生物量对土壤团聚体的影响

如图5A所示，以土壤不同级别团聚体为响应变量，以土壤理化性质和微生物量碳、氮为解释变量进行冗余分析，结果表明，大团聚体与pH为负相关关系，与有效磷 (AP)、微生物量碳 (MBC)、有机碳(SOC) 以及各粒级团聚体中碳含量呈正相关关系。通过蒙特卡罗置换检验可知，AP (F=9.3，P=0.002)是影响土壤团聚体分布最为关键的环境因子，其次是 MBC (F=6.7，P=0.018)。结构方程模型 (SEM)表示改良剂施用后土壤理化性质和微生物量对土壤团聚体分布以及团聚体稳定性的直接和间接影响。图5B中的结构方程模型 (SEM) 表明pH、AP和MBC可解释78%大团聚体和微团聚体的分布，其中 AP和MBC 具有正向影响 (P＜0.001和P＜0.05)，而 pH 具有负向影响 (P＜0.001)。此外土壤大团聚体和微团聚体分布解释了76%的团聚体稳定性，说明这两种粒径团聚体更利于潮土团聚体的稳定。

图 5 玉米季不同粒级团聚体与土壤理化因子、各粒级团聚体有机碳及微生物生物量的冗余分析及结构方程模型分析Fig.5 Redundancy analysis and structural equation model (SEM) analysis of soil aggregate fractions with soil properties，aggregate-associated soil organic carbon and microbial biomass in maize season

2.4 土壤团聚体、土壤养分和作物产量的相互作用

如图6A所示，相关性分析表明，作物产量与团聚体数量和团聚体稳定性呈正相关，与SOC和C/N 值呈显著正相关 (P＜0.05和P＜0.01)，与 pH 呈极显著负相关 (P＜0.01)。利用结构方程模型 (SEM)分析，发现团聚体稳定性和化学性状解释了55%的产量变化，其中SOC主要通过土壤C/N (路径系数=0.468) 影响作物产量(图6B)。此外，土壤SOC、pH与团聚体稳定性之间存在显著交互关系，说明SOC和pH对团聚体稳定性有重要影响，而稳定的团聚体也会影响SOC和pH，进而影响作物产量。

图 6 土壤理化性质、团聚体与作物产量结构方程模型分析Fig.6 Structural equation model (SEM) explaining soil properties, soil aggregate and crop yield

3 讨论

3.1 连续施用土壤改良剂对土壤团聚体形成和分布的影响

在本研究中，施用有机改良剂后微团聚体所占总团聚体比例最高 (图2)，与Yu等[21]在沙壤土长期施用无机肥和堆肥结果相似，而与Liu等[22]在江西红壤施用生物炭改良剂、以及Mustafa等[23]在红壤施用有机肥后团聚体分布结果不同，后者大团聚体比例更高。这可能是因为土壤质地不同。在砂质土壤中，粘粒含量相当低，土壤颗粒之间的粘结性较差，不易形成大团聚体，所以微团聚体比例最高。另外，本研究发现，施用有机改良剂会增加大团聚体数量，提高土壤团聚体稳定性 (图3)。这一结果与梁尧等[24]在黑土上使用化肥配施有机肥，与Dai等[16]在沙土上施用秸秆改良剂的研究结果相似。主要原因是本研究中有机改良剂含有甲壳素等多糖类高分子化合物[25]，易与粘粒矿物晶面上的氧原子形成氢键，增加土壤团聚性；另一方面，增加的外源碳，直接或间接地为土壤团聚体提供了胶结剂，将微团聚体和初级颗粒结合到大团聚体上，通过物理保护增加土壤团聚体稳定性[26]。但不同的轮作季节，施用有机改良剂对土壤团聚体的影响不同，玉米季大团聚体、团聚体稳定性均高于小麦季。进一步用冗余分析和SEM分析，结果表明土壤pH是影响团聚体粒径组成的关键因子，玉米季pH整体略低于小麦季，这一方面使土壤胶体表面电位势降低，降低胶体表面排斥力；另一方面，本试验区为碱性土壤，磷与土壤胶体交换性Ca2+形成磷酸钙化合物，当pH降低时，磷酸钙溶解度会升高，释放出的Ca2+会增加土壤胶体的絮凝作用[27]。此外，玉米根系具有更大的根长密度，有利于小的团聚体通过根系和土壤真菌 (尤其是菌根) 的作用形成稳定的大团聚体[28]，这也在一定程度上解释了玉米季团聚体稳定性高于小麦季的原因。因此，土壤pH以及玉米和小麦根系结构的差异可能影响不同轮作季节土壤团聚体分布和稳定性。

3.2 连续施用土壤改良剂对土壤团聚体中碳氮含量分配的影响

本研究表明，所有处理有机碳和全氮含量主要分配在大团聚体中 (图4)。前人许多研究也证实了这一结论，例如Wang等[29]通过对不同年限茶树土壤团聚体的研究，发现有机碳和总氮在大团聚体中有较高含量；Liu等[22]在红壤中添加生物炭改良剂的结果表明，土壤有机碳和全氮在粒径＞0.25 mm团聚体中含量最高，表明来源于土壤改良剂的外源碳优先固定在大团聚体中，并且大团聚体碳还可以在物理保护下不被分解。但Dai等[16]在砂质土壤中施用秸秆、粪便和生物炭作为有机改良剂的试验中却得到了相反的结果，相比于大团聚体和微团聚体，粉粘粒中有机碳的含量相对更高。主要是因为土壤中粉粘粒所占比例不同。我们的研究还发现，相较于微团聚体，粉粘粒中有机碳含量更高。这与粉粘粒与有机分子的化学结合能力以及矿物表面饱和度有关[30]，粉粘粒具有较大的表面积，可以吸附更多的有机碳。另外，Fang等[31]研究证实，在粉粒和粘粒中，微生物和酶对有机碳具有较低的分解效率，这也从另一方面解释了粉粘粒中有机碳含量较高的原因。除此之外，本研究发现单独施用无机改良剂对土壤团聚体中碳氮含量没有显著影响，而有机无机改良剂配施则会显著增加各级团聚体中碳氮的含量。这是由于有机无机改良剂配合施用增加土壤中的外源碳输入，同时促进微生物生物量的增加，进而影响碳氮的固存[32]。施用改良剂不仅会影响团聚体中有机碳和全氮的含量，还会对不同级别团聚体中有机碳和全氮的贡献率产生影响。在本研究中，不同改良剂处理粒径0.053～0.25 mm微团聚体中有机碳和全氮贡献率最高。这与前人研究结果并不一致，张秀芝等[33]研究表明，长期施肥土壤粒径0.25～2 mm和0.053～0.25 mm 两个粒级的团聚体中有机碳贡献率最大。这主要是因为团聚体含量的差异。另外，比较不同处理发现，有机改良剂提高了大团聚体中有机碳和全氮的贡献率，悦飞雪等[34]和王碧胜等[13]的研究也印证了这一结果，这主要是因为改良剂进入土壤会改变土壤团聚体分布状况，进而引起团聚体养分的变化。我们还发现，在不同轮作季节，有机改良剂对大团聚体中有机碳贡献率的影响并不一致。在小麦季单独施用有机改良剂，更利于大团聚体中有机碳和全氮贡献率的提升，而玉米季则是在有机无机改良剂配施下效果更为显著。之前有大量研究表明，虽然施用肥料或土壤改良剂会显著提升各粒级团聚体中有机碳和全氮含量，但团聚体对土壤有机碳和全氮的贡献率主要受其含量高低或受物理保护的影响[35]，因此pH以及根系结构仍然是不同轮作季节团聚体碳氮贡献率产生差异的影响因素。此外，施用无机改良剂会增加微团聚体的有机碳贡献率。主要是因为无机改良剂和NPK增加了有机碳的不稳定性[36]，并且随着不稳定有机碳的耗尽，从大团聚体到微团聚体的碳流动也不断增加[32]。

3.3 连续施用土壤改良剂对作物产量的影响

大量研究证明了有机–无机肥料的配合施用可以提高养分利用效率，增加作物产量[37-38]，本研究也得到相同结果。进一步用SEM分析表明，改良剂主要通过增加土壤有机碳含量、增加团聚体稳定性、改善土壤C/N、降低土壤pH来影响作物产量。具体增产机制可能是有机无机改良剂配施能够改善土壤结构，增加大团聚体以及提高团聚体稳定性 (图2和图3)，并且良好的土壤结构增加了有机碳和全氮的储存量[39]，改善了土壤C/N。而合理的土壤C/N促进微生物的生长与活动，并通过微生物对氮的固持和死亡释放来调整土壤对氮素的供应，减少养分损失[40]，提高作物养分利用效率，提高作物产量。总之，良好的土壤结构可以支持可持续生产并提高作物产量，所以应用改良剂是改变土壤团聚体组成，提高产量的有效方式。

4 结论

通过4年的田间定位试验，发现连续施用有机–无机改良剂，显著增加砂质潮土大团聚体的形成和稳定性，增加土壤微生物量碳氮含量，提升土壤养分供应能力 (C/N调整)，最终实现小麦–玉米产量的显著提高。