不同有机废弃物提升新围涂地土壤有机碳库与生物活性的效果

尉吉乾，倪春霄，许思嘉，章明奎

（1杭州市农业技术推广中心，杭州 310020；2杭州市临平区农业农村局，杭州 311100；3浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

0 引言

海涂是中国东部沿海地区重要的土地资源，大部分围垦海涂可培育成良好的耕地[1-2]。中国早期的海涂围垦是采用“先垦后围”，经过一定时间耕作熟化后的围垦涂地一般已具备较高的土壤肥力，可基本满足农业生产需要。但20世纪70年代以后的海涂利用多采用“先围后垦”，在低滩地上筑堤，然后排水形成耕地，这类围垦的耕地多为生土，因缺乏培肥，其生产能力较低，主要表现为土壤有机质偏低、结构不良、生物活性低下[3]。因此，如何提高土壤有机碳水平和微生物活性是这类耕地改良的主要内容。大量的研究表明，有机肥能提高土壤有机质水平[4-6]，提供土壤各种养分[7-9]，改善土壤结构[10]，增加土壤微生物的活性[11-13]。中国东部地区人口密度高、农业发达，畜禽粪便、城市垃圾、生活垃圾、作物秸秆、沼渣、果蔬收获残留物及城市污泥等有机废弃物产生量大。有机废弃物是一种弃之为害、用之为宝的肥料，利用有机废弃物培肥土壤是其重要的利用方向[4]。然而，有机物料因来源不同，其成分可有较大的差异，对土壤质量的提升效果也有所不同[14-19]。为了解不同来源的有机废弃物在改良新围涂地土壤上的效果，本研究采用盆栽试验比较了等量有机碳条件下施用猪粪、鸡粪、稻草秸秆、蔬菜收获残留物、厨余垃圾堆肥、沼渣、猪粪/稻草秸秆堆肥和生活垃圾堆肥等8种有机废弃物对土壤有机碳库和生物活性的影响。

1 供试土壤和试验方法

1.1 供试土壤

供试土壤为浙东围垦时间约5年的围垦荒地，采自钱塘江口。土壤已基本脱盐，但还未进行培肥改良。土壤类型为灰潮土，质地壤土，有机碳含量4.98 g/kg，全氮0.074 g/kg，全磷0.41 g/kg，有效磷4.74 mg/kg，速效钾164 mg/kg，阳离子交换量(CEC) 7.54 cmol/kg，pH 7.68。

1.2 供试有机废弃物

供试的8 种有机废弃物（包括经处理后的堆肥）的有机碳和全氮含量有较大的差异（表1），有机碳的含量在322.48～510.10 g/kg 之间，全氮的含量在7.11～31.54 g/kg之间；C/N比在10.22～56.66之间。

表1 供试有机废弃物性状（测定结果以干物质为基础）

1.3 试验方法

供试土壤经充分混匀、风干过5 mm 土筛后用于盆栽试验。试验共设9 个处理，包括不添加有机废弃物的对照和每千克土壤分别添加相当于25 g有机碳的8种有机废弃物处理。试验用盆钵为一容积为10 L的塑料桶，每盆装土量为10 kg；重复3 次。试验前各处理土壤在65%田间持水量条件下预培养7 天，之后分别添加相应数量的有机废弃物并经充分混匀后进行培养试验。试验期间室温和空气湿度分别控制在20～25℃和75%～85%之间；期间用称重法保持土壤含水量（田间持水量的70%左右）。培养试验共持续30周，分别在第10、20、30周采样分析相关指标的变化。

1.4 分析方法

采集的土样经风干并分别磨细过2 mm和0.149 mm土筛用于分析，分析指标包括土壤pH、容重、水稳定性团聚体、有机碳、活性有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳氮磷及脲酶、中性磷酸酶、蛋白酶、蔗糖酶、过氧化氢酶等酶的活性。pH 用pH 计测定；容重用容重圈测定；水稳定性团聚体用湿筛法测定；土壤有机碳用重铬酸钾氧化法测定；土壤中易氧化有机碳采用0.333 mol/L 高锰酸钾氧化法测定[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-硫酸钾提取法测定[21]，提取液中碳用Shimadzu TOC自动分析仪测定，氮用凯氏定氮法测定；土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸-NaHCO3提取法测定[22]，提取液中磷用比色法测定。土壤水溶性有机碳采用去离子水浸提（水土比为5:1，25℃下浸提30 min，高速离心后过0.45µm滤膜抽滤），提取液中的有机碳采用TOC仪测定。土壤蔗糖转化酶、过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶用常规方法测定[23]。其中，蔗糖转化酶用3,5-二硝基水杨酸比色法，过氧化氢酶用滴定法；脲酶用奈氏比色法；脱氢酶用氯化三苯基四氮唑(TTC)法；中性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法。

采用碳库管理指数(CPMI)表征试验土壤碳库变化[24]。计算公式如式(1)所示。

其中：CPI=样品总碳含量(g/kg)/参考土壤总碳含量(g/kg)；AI=样品碳库活度(A)/参考土壤碳库活度；A=土壤活性有机碳含量(g/kg)/土壤非活性有机碳含量(g/kg)；本研究中活性有机碳是指易氧化有机碳，非活性有机碳为总碳与活性碳的差值。以对照土壤碳库管理指数为100，施有机废弃物后碳库管理指数高于100，说明土壤碳库有所改善。统计分析采用软件SPSS12.0完成。

2 结果与分析

2.1 土壤酸碱性和土壤物理性状

表2为试验结束时（第30周）对土壤容重、水稳定性团聚体和pH的测定结果。结果表明，各类有机废弃物的施用轻微降低了土壤pH，提高了土壤中水稳定性团聚体的数量，降低了土壤容重。对降低土壤pH效果明显的有机废弃物包括蔬菜收获残留物和餐厨垃圾堆肥，pH 比对照降低约0.2 个单位。降低土壤容重和增加土壤中＞0.25 mm 水稳定性团聚效果较好的有机废弃物种类基本一致，主要为猪粪、猪粪/水稻秸秆堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣。

表2 不同有机废弃物对土壤容重、水稳定性团聚体和pH的影响（培养30周）

2.2 土壤有机碳积累、有机碳活性与碳库管理指数变化

施用各类有机废弃物均可提高土壤中有机碳、易氧化有机碳和稳定态有机碳的含量（表3）。与对照比较，所有施用有机废弃物的土壤有机碳含量均显著增加，但增加量随培养时间的增加而逐渐下降。至培养时间30 周时，土壤有机碳增幅较大的为猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣，比对照增加223%～277%；其次为猪粪、鸡粪和水稻秸秆，比对照增加108%～137%；施用蔬菜收获残留物的增幅较小，仅比对照增加53%。土壤中易氧化有机碳的增幅比有机碳更为明显，施用各类有机废弃物土壤的易氧化有机碳均显著高于对照。但土壤中易氧化有机碳含量也随培养时间的增加呈现迅速下降，至培养时间30 周时，施用蔬菜收获残留物的土壤易氧化有机碳比对照增加37%，相对较低；其他处理的土壤易氧化有机碳均比对照增加了78%～157%，其中以施用猪粪/水稻秸秆堆肥的效果最为明显。同时，各类有机废弃物的施用也明显增加了稳定态有机碳（非活性有机碳），但其增幅小于易氧化有机碳。与易氧化有机碳不同，土壤中稳定态有机碳含量随培养时间呈缓慢增加的趋势，说明在培养过程中存在活性有机碳向稳定有机碳的转化；与对照比较，土壤中稳定态有机碳的增量与有机碳总量的增幅趋势基本相似。至培养30 周时，增幅最大的为猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣，比对照增加323%～402%；其次为猪粪、鸡粪和水稻秸秆，比对照增加133%～186%；施用蔬菜收获残留物的增幅较小，仅比对照增加68%。

表3 不同有机废弃物对土壤有机碳库的影响 g/kg

水溶性有机碳是土壤中活性较高的有机碳，是土壤中活性有机碳的重要组成。表4 可知，有机废弃物的施用显著地提高了土壤中水溶性有机碳的水平，其含量是对照的数倍至数十倍；但水溶性有机碳随培养时间可发生较大的变化，多数呈现先增加后下降的变化特点。随着培养时间的进一步增加，活性有机碳的分解，其含量可发生不断下降。

土壤碳库管理指数可表征土壤中有机物质的转化速率，能反映土壤质量的变化[25]；已被广泛应用于施肥对土壤碳库影响的评价[26-27]。表4表明，施用各类有机废弃物均明显提高了土壤的碳库管理指数，这在试验初期尤为明显。但随着培养时间的增加，活性有机碳的分解、降低，土壤的碳库管理指数也逐渐下降。至培养时间30周时，施用蔬菜收获残留物的土壤的碳库管理指数为124%，比对照增加24%；其他废弃物处理的土壤的碳库管理指数均明显高于对照，并以施用猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣的处理较高，比对照增加65%～98%；施用猪粪、鸡粪和水稻秸秆的增加量略低，增加50%～62%。

表4 施用不同有机废弃物对土壤水溶性有机碳和碳库管理指数的影响

2.3 土壤微生物生物量碳、氮、磷的变化

施用各类有机废弃物后,土壤微生物生物量碳、氮、磷均显著增加（表5），说明有机废弃物的施用明显提升了土壤生物活性。土壤中微生物生物量碳明显高于微生物生物量氮和磷，并以微生物生物量磷为最低。随着培养时间的增加，土壤中微生物生物量碳迅速下降，微生物生物量氮、磷也呈现下降趋势，但两者的下降速率一般低于微生物生物量碳的下降。施用各类有机废弃物的土壤之间微生物生物量碳、氮的变化趋势较为相似，其变化与以上有机碳的积累变化趋势基本一致，但各处理之间微生物生物量磷的变化有所不同，以施用猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥、猪粪和鸡粪的较高，其他处理相对较低。

表5 施用各类有机物对土壤水溶性碳、氮、磷的影响

2.4 土壤酶活性

施用各类有机废弃物均显著提高了土壤酶的活性。表6 为培养30 周后土壤中5 种酶活性的分析结果，虽然对酶活性的影响因有机废弃物种类不同有所差异，但总体上以施用猪粪、鸡粪、猪粪/水稻秸秆堆肥和餐厨垃圾堆肥的土壤具较高的酶活性；而施用蔬菜收获残留物的土壤5 种酶活性增幅均相对较小；施用水稻秸秆对增加土壤中的蔗糖转化酶和过氧化氢酶活性有较大的作用，而对其他3 种酶活性的增效相对较小；生活垃圾堆肥对增加土壤中的脲酶和脱氢酶活性有较大的作用，而对蔗糖转化酶、中性磷酸酶和过氧化氢酶活性的增效相对较小。

表6 施用不同有机物对土壤酶活性的影响（30周）

3 结论

试验结果表明，与对照比较，施用任何有机废弃物对改善新围涂地土壤质量均有不同程度的作用，但不同来源的有机废弃物在提升土壤有机碳库和生物活性作用有所差异。有机废弃物中含有大量的有益微生物,施入土壤后可明显增加土壤中微生物生物量碳、氮、磷；改善土壤结构，为微生物提供了良好的环境。猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣对提升新围涂地土壤有机碳库、生物活性及农田碳库管理指数的效果最为显著；其次为猪粪、鸡粪和水稻秸秆；蔬菜收获残留物因主要由新鲜有机物质组成，其稳定性较差，对提升土壤有机碳库和生物活性的效果较差。在新围涂地改良中应优先考虑施用猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣等有机废弃物。

4 讨论

不同来源的有机废弃物元素组成、性状可有较大的变化[4]，当被用作土壤改良剂时它们在土壤中的分解、转变也有差异，从而对土壤的影响也有差异，以上8种有机废弃物的施用对新围涂地土壤性状的影响不同显然与不同有机废弃物的物质组成差异有关。施用不同有机废弃物均可显著提高土壤有机碳和活性有机碳，这与有机废弃物主要成分为有机碳有关；同时，有机废弃物的施用明显增加了土壤中微生物生物量碳、氮和磷及土壤酶的活性，这是由于有机废弃物的投入都不同程度地增加了土壤中活性有机物质[28-31]，而后者既是土壤中微生物活动的能量来源（提供碳源），也是土壤微生物的主要组分（提供碳、氮、硫等元素）[32-33]；而且土壤中有机物质的降解与转化主要通过微生物与酶反应来完成；土壤有机物与土壤微生物相辅相成，使得有机废弃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]。

土壤碳库管理指数可反映土壤管理措施对土壤有机质变化的影响，用于土壤质量变化的评价[27]。以上研究结果表明，施用各类有机物均可提高土壤中有机碳和活性有机碳组分的含量，但随着时间的增加，土壤碳库管理指数逐渐下降，这与施入土壤中的有机废弃物随时间增加其中的活性组分逐渐分解有关[16,33]。蔬菜收获残留物为新鲜的有机物质，其在土壤中容易发生降解，因此它们降解后残留在土壤中的有机碳相对较少，除部分转化为相对稳定的有机碳外，多数随时间迅速分解，导致其最后的土壤碳库管理指数相对较低。而其他有机废弃物在土壤中可停留较长的时间，相应土壤的碳库管理指数明显高于对照。

虽然有机废弃物对土壤不同指标的影响有所差异，但从以上的结果可知，施用猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣对改善土壤有机碳、微生物生物量碳、酶活性等作用总体上明显高于其他有机废弃物，其原因是猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣是已经过生物发酵处理的有机物，其中的有机碳具有较高的生物稳定性[16]，它们在土壤中的分解速率较慢，故而对提升土壤有机碳、微生物活性和碳库管理指数具较高的潜力。因此，从提升新围涂地土壤有机碳库和生物活性考虑，应优先选择猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥、餐厨垃圾堆肥和沼渣等有机废弃物作为改良剂。