生物有机肥替代化肥对砂姜黑土团聚体及其有机碳变化特征的影响

朱利霞，徐思薇，陈如冰，栗婷轩，张艳君，李俐俐，刘天学

（1.周口师范学院生命科学与农学学院，河南 周口 466001；2.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002）

土壤质量退化是影响农业可持续发展的因素之一，肥力降低、结构性差和水土流失均会导致土壤质量降低［1］。土壤团聚体作为土壤结构的基本组成单位，其形成是微生物、作物根系及其它复杂的理化过程共同作用的结果。不同粒级团聚体含量、分布和稳定性会对土壤有机质及其它养分的循环产生显著的影响。土壤有机碳是团聚体形成的重要胶结物质，也是衡量土壤肥力的主要指标之一。在表土中有将近90%的有机碳贮存在团聚体中，团聚体为有机碳提供物理保护，有机碳促进团聚体的形成与稳定，二者相互作用，紧密联系［2］。因此，提升土壤有机碳水平、促进团聚体形成对于提高土壤质量有重要意义。近年来，施用有机物料替代化肥是用来改善土壤结构、提高有机碳含量的重要措施之一，这不仅可以减少化学污染，而且可以实现资源的合理利用［3，4］。

秸秆、畜禽粪便等含有大量的矿质元素，是一种很好的肥料来源。然而由于秸秆纤维素含量高，自然条件下很难有效降解；畜禽粪便等直接施用则容易导致病虫害的传播，引起作物发病。将秸秆、畜禽粪便等经高温高压腐熟后并添加一定的功能微生物可制成生物有机肥［5］。生物有机肥可以为植物生长提供必需的养分，增加有效养分和有机质含量，改善土壤结构，增加土壤微生物活性，进而提高土壤肥力。已有研究表明，生物有机肥中大量的腐植酸可以促进土壤团粒结构的形成，提高有机质含量［6］。曲成闯等［4］研究表明大团聚体含量和团聚体稳定性均随生物有机肥施用量的增加而增加；而朱琳等［7］则认为，短期大量施用餐厨垃圾生物菌肥有利于促进小团聚体形成，对大团聚体含量和团聚体稳定性无显著影响。由此可见，关于菌肥施用对土壤团聚体影响的研究结果有较大差异。

目前，以秸秆和畜禽粪便为原料的生物菌肥改良土壤的研究已有大量报道，但采用以秸秆为原料制备的生物有机肥用于砂姜黑土改良的研究还鲜有报道，且以生物有机肥替代不同用量的化肥对砂姜黑土团聚体及其有机碳变化特征的研究更为少见。因此，本试验以长期耕作的砂姜黑土为研究对象，分析等养分条件下生物有机肥替代化肥对团聚体及其有机碳的影响，阐明生物有机肥改良砂姜黑土的作用机制，为合理培肥制度的建立提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以黄淮平原典型土壤砂姜黑土为研究对象，土壤样品采自河南省周口市商水县练集镇农田（114.7°E，33.5°N），耕作制度为冬小麦-夏玉米轮作。2019年4月采集玉米播种前0～20 cm土层土样，剔除可见的植物根系、砂砾等，测定土壤含水量后，于避光处自然风干，过2 mm筛备用。同时用环刀采集未扰动土壤测定土壤容重及田间持水量。

供试土壤基本特征：有机碳含量11.71 g/kg、全氮1.46 g/kg、容重1.38 g/cm3、田间持水量26.4%，颗粒组成为砂粒12.4%、粉粒48.4%、黏粒40.2%。按照田间化肥用量，折算为室内培养条件下化肥用量：纯氮0.3 g/kg，P2O50.104 g/kg，K2O 0.068 g/kg。化肥种类分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和硫酸钾（K2O 50%）。

供试生物有机肥为本课题组自制，以小麦秸秆为载体、添加20%左右的鸡粪和猪粪等畜禽粪便，植入木霉菌制成。其每克有效活菌数在0.2亿个左右，养分含量为有机质45%、全氮30%、P2O523%、K2O 17%。

1.2 试验设计及方法

采用室内培养法，于2019年在周口师范学院实验室内进行。试验按照生物有机肥替代化肥量的不同共设置5个处理，在等养分条件下生物有机肥替代化肥量分别为0、5%、10%、20%和30%。以生物有机肥替代化肥量为零作为对照，各处理分别记为BF0、BF5、BF10、BF20和BF30，每处理重复3次。

将土壤样品与生物有机肥、化肥等混匀后采用土柱填装的方法使其接近田间条件下土壤容重。用直径20 cm、高20 cm的管底密封的聚氯乙烯管填装。添加水分后培养，时间为6月20日至10月20日，在培养过程中每3 d采取称重法补充水分。培养结束后，采集土壤样品，并沿自然裂缝轻轻掰成直径不大于10 mm的小土块，自然风干后备用。

1.3 测定指标及方法

采用湿筛法测定团聚体粒级分布及稳定性，采用重铬酸钾-外加热法测定有机质含量。

团聚体稳定性采用平均重量直径（mean weight diameter，MWD，mm）、几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）、分形维数（dimension，D）及粒级大于0.25 mm团聚体含量（R0.25，%）衡量，计算公式如下：

其中，xi为某一粒级团聚体的平均粒径，mm；wi为某一粒级团聚体质量占团聚体总质量的比例，%；xmax为最大粒级土粒的平均直径，mm；wr＞i为大于某一粒径xi的累积土粒质量，g；w0为土壤各粒级质量之和，g；Mr＞0.25为粒径大于0.25 mm的团聚体质量，g；Mr为团聚体的总质量，g。

各粒级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率（Cr）计算公式如下：

其中，ai为不同粒级团聚体有机碳含量，g/kg；bi为不同粒级团聚体含量，%；c为土壤有机碳含量，g/kg。

1.4 数据处理与分析

采用单因素方差分析检验生物有机肥替代量对土壤团聚体粒级分布和稳定性及团聚体有机碳的影响。不同处理间采用最小显著差法进行多重比较，所有统计分析采用SPSS 17.0软件进行，采用SigmaPlot 12.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥对团聚体组成及稳定性的影响

由图1可知，施用生物有机肥显著影响团聚体粒径分布。生物有机肥降低＞5、0.25～0.5 mm和＜0.25 mm团聚体含量，而增加2～5、1～2 mm和0.5～1 mm团聚体含量。与BF0相比，BF10、BF20和BF30均显著增加2～5 mm团聚体含量，分别增加1.67、5.73倍和4.03倍，其中BF20和BF30间无显著差异。与BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30均显著增加1～2 mm团聚体含量，增幅分别为35.96%、53.93%、55.06%和48.31%，且各生物有机肥处理间无显著差异。对于0.5～1 mm团聚体，生物有机肥表现出与1～2mm团聚体一致的变化规律，BF5、BF10、BF20和BF30均显著增加，增幅分别为46.01%、55.37%、57.02%和51.52%。与BF0相比，生物有机肥显著降低＜0.25 mm团聚体含量，BF5、BF10、BF20和BF30降幅分别为9.67%、10.42%、15.79%和12.80%，其中BF20和BF30无显著差异。总体而言，生物有机肥明显改变团聚体粒径分布特征，且与生物有机肥替代化肥量有关。

图1生物有机肥替代化肥条件下团聚体粒径分布

由表1看出，生物有机肥对土壤团聚体平均重量直径、几何平均直径、R0.25和分形维数均有显著影响，且与生物有机肥替代化肥量有关。与BF0相比，BF5、BF10增加团聚体平均重量直径，但差异不显著；而BF20和BF30显著增加团聚体平均重量直径，增幅分别为21.05%和20.00%，二者间无显著差异。与BF0相比，生物有机肥均显著增加团聚体几何平均直径，且BF20增加量最大，增幅为22.22%。随生物有机肥替代量的增加，R0.25逐渐增加，BF20处理最大，与BF0相比增幅达15.17%，但BF30与BF20无显著差异。生物有机肥显著降低团聚体分形维数，与BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30处理分形维数分别降低1.07%、1.07%、2.14%和1.42%。总体而言，生物有机肥对团聚体稳定性有显著的增加作用，以BF20处理增加效果最为显著。

表1 生物有机肥替代化肥条件下土壤团聚体稳定性

2.2 生物有机肥对土壤有机碳及团聚体有机碳含量的影响

经过4个月的培养，各处理土壤有机碳含量为10.73～16.77 g/kg（图2）。与初始土壤有机碳含量（11.71 g/kg）相比，BF0处理有机碳降低8.37%，而施用生物有机肥处理有机碳含量均增加。与BF0相比，BF5、BF10、BF20和BF30土壤有机碳含量分别显著增加20.81%、34.47%、52.48%和56.21%，其中BF20和BF30间无显著差异。总体而言，生物有机肥对土壤有机碳的增加有明显的促进作用，且随生物有机肥替代量的增加而增加。

图2 不同处理土壤有机碳含量

由图3可知，生物有机肥显著增加土壤团聚体有机碳含量。与BF0相比，随生物有机肥替代量的增加，＞5 mm团聚体有机碳含量逐渐增加，BF30处理团聚体有机碳含量增幅最大，为54.10%。与BF0相比，2～5、1～2、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm团聚体有机碳含量也表现出随生物有机肥替代量的增加而增加的趋势，但BF20和BF30处理团聚体有机碳含量无显著差异。与BF0相比，生物有机肥均显著增加＜0.25 mm团聚体有机碳含量，但处理间差异不显著。总体而言，生物有机肥显著增加不同粒级团聚体有机碳含量，利于有机碳在团聚体内的累积。

图3 生物有机肥替代化肥条件下团聚体有机碳含量

由表2可知，生物有机肥明显影响土壤团聚体有机碳贡献率，且随生物有机肥替代量的不同团聚体有机碳贡献率呈现出不同的变化。砂姜黑土有机碳主要分布在＜0.25 mm团聚体中，其次分布在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm团聚体中。生物有机肥的施用增加了2～5、1～2 mm和0.5～1 mm团聚体有机碳贡献率。与BF0相比，BF20对2～5 mm团聚体有机碳贡献率的增幅最大，达到6.01倍；1～2 mm和0.5～1 mm团聚体有机碳贡献率在不同生物有机肥处理间无显著差异。本研究结果显示，施用生物有机肥有促进有机碳在2～5、1～2 mm和0.5～1 mm团聚体累积的趋势。

表2 生物有机肥替代化肥条件下团聚体有机碳贡献率 （%）

3 讨论

3.1 生物有机肥替代化肥对土壤团聚体组成及稳定性的影响

土壤团聚体的组成及稳定性与土壤中有机碳的含量有很大关系，有机碳作为团聚体的有机胶结剂，影响着不同粒级团聚体的数量及分布。由于生物有机肥的施用增加了外源有机物料的投入，其含有的大量腐植酸对于团聚体的形成有重要作用。本研究中，生物有机肥的施用显著增加土壤中大粒径团聚体含量，其中BF20的增加作用最为显著。5%替代量的生物有机肥即可对团聚体结构产生明显影响，促进微团聚体胶结，而20%的替代量对团聚体改善效果最佳。生物有机肥的施用降低了＞5 mm团聚体含量，其中BF20和BF30对＞5 mm团聚体含量降低作用最为明显，这与李彦霈等［3］的研究结果一致。这可能是由于生物有机肥这类有机物的输入导致土壤中络合物发生改变，部分大团聚体破碎［8］。一般而言，虽然＞5 mm团聚体可以增加土壤的抗蚀性，但它并不是最好的土壤结构［9］，这也从另一方面印证了生物有机肥的施用可以明显改善土壤结构。这可能是生物有机肥促使土壤水溶性碳释放，且引入的微生物活性增加导致碳水化合物等胶结剂缺乏，从而导致＞5 mm团聚体含量降低。虽然有机物料的输入有助于土壤较大团聚体的形成，但本研究中，砂姜黑土团聚体仍以＜0.25 mm团聚体为主（41.2%～49.0%），该粒级团聚体含量明显高于其它粒级团聚体。

团聚体稳定性可以有效反映土壤稳定性，其中R0.25、平均重量直径和几何平均直径都是反映团聚体稳定的重要指标。＞0.25 mm团聚体是最好的土壤颗粒，R0.25能够反映土壤结构状况［10］。本研究中，生物有机肥的施用显著增加大团聚体数量，对土壤结构有较好的改善作用。R0.25随生物有机肥替代量的增加呈现先增加后降低的趋势，其中BF20处理团聚体数量增加最多，这表明持续增加生物有机肥替代量不能进一步增加该类团聚体含量。平均重量直径通过团聚体直径变化反映大团聚体含量的变化，进而体现团聚体稳定性。本研究中，平均重量直径有随生物有机肥替代量增加而增加的趋势，且在替代量为20%时增加显著，而BF20和BF30间无显著差异，表明生物有机肥对大团聚体的形成有积极作用，但持续增加对土壤结构未有进一步的改善。土壤有机质含量的增加有利于土壤颗粒的团聚化，进而增加平均重量直径，本研究中不同处理土壤有机碳含量变化与大团聚体含量变化相一致的结果印证了这一点。朱琳等［7］研究也表明中长期施用少量餐厨垃圾生物有机肥可以增加黄褐土有机质含量，进而增加大团聚体含量和团聚体稳定性。与平均重量直径相比，几何平均直径倾向于评价团聚体含量的变化，因此，各处理不同粒级团聚体含量的差异可能导致几何平均直径的不同［11］。生物有机肥的施用显著增加团聚体几何平均直径，且随生物有机肥替代量的增加呈先增加后降低的趋势，当替代量为20%时几何平均直径最大，团聚体稳定性也最大。分形维数可以很好地表征土壤质量，其数值越小，土壤团聚体的分布和稳定性越好［12］。本研究中，与未施用生物有机肥的土壤相比，生物有机肥可以增加土壤、团聚体有机碳含量及团聚体稳定性，因此，施用生物有机肥可以明显改善土壤结构，这与Yilmaz等［13］的研究结论一致。综上分析，生物有机肥替代化肥可以改善土壤结构，其中生物有机肥替代20%的化肥对砂姜黑土团聚体的影响最为显著。

3.2 生物有机肥对团聚体有机碳的影响

施用生物有机肥显著增加土壤有机碳含量，一方面生物有机肥本身含有的大量有机质向土壤输入外源有机碳，另一方面生物有机肥的施用提高作物残茬的输入量。不同粒级团聚体中有机碳的分布反映了外源有机碳对团聚体组成及稳定性的影响。本研究中，生物有机肥的施用均显著提高各粒级团聚体有机碳含量，有机碳在不同粒级团聚体中的差异较大，＞5 mm团聚体有机碳含量较高，2～5、1～2 mm和0.5～1 mm团聚体有机碳含量相当且有机碳主要集中于0.5～5 mm团聚体中。这可能是由于微团聚体主要被稳定性高的有机物络合而成，而大团聚体则由微团聚体进一步胶结形成，这些胶结物质除了原有的有机物，还包括菌丝、植物根系等，由此，大团聚体含量高于微团聚体含量［14］。

通过比较发现，生物有机肥改变了不同处理团聚体有机碳贡献率，＜0.25 mm团聚体有机碳贡献率最大，这可能是由于团聚体有机碳贡献率是由团聚体比例及其有机碳含量共同决定的；也可能大团聚体对有机碳的保护作用主要是物理保护［15］，而砂姜黑土的结构性和耕性均较差，使得大团聚体对有机碳的保护作用较弱。一般而言，大团聚体中有机碳周转较快，可提高土壤肥力；微团聚体中有机碳周转较慢，利于有机碳的长期固持［16，17］。本研究中，生物有机肥的施用明显降低＜0.25 mm团聚体有机碳贡献率，表明生物有机肥对结合在微团聚体中较为稳定的有机碳不会产生积极的作用。生物有机肥的施用促使＞5 mm团聚体有机碳向2～5 mm和0.5～1 mm团聚体转移。李玮等［18］在砂姜黑土上的研究表明，＜0.25、0.25～0.5 mm和0.5～1 mm团聚体是有机碳的主要贮存场所，有机肥的施用增加＞5 mm和＜0.25 mm团聚体有机碳含量。Udom等［19］研究表明，土壤水稳性团聚体中＞2 mm大团聚体有机碳含量较高。Jastrow等［20］运用同位素示踪法也证实大团聚体有机碳含量高于微团聚体。由此可见，关于有机肥施用后土壤团聚体中有机碳富集的研究，由于土壤质地、农田管理措施以及有机物料之间存在较大差异，本研究结果与其他研究之间没有严格的可比性。关于生物有机肥替代化肥对团聚体有机碳的影响还有待进一步研究。

4 结论

施用生物有机肥可明显提高土壤大团聚体含量和团聚体稳定性，5%替代量对土壤结构的改善有一定的作用，但20%替代量对土壤结构的改善效果最为显著，30%替代量对土壤结构的改善效果与20%替代量无显著差异。施用生物有机肥显著增加土壤及各粒级团聚体的有机碳含量，＜0.25、0.25～0.5 mm和＞5 mm团聚体有机碳贡献率降低，而0.5～1、1～2 mm和2～5 mm团聚体有机碳贡献率增加，表明生物有机肥的施用促使有机碳向0.5～1、1～2 mm和2～5 mm团聚体转移。综合考虑，以生物有机肥替代20%的化肥对土壤团聚体和有机碳稳定性的改善效果最好。