绿肥和凹凸棒添加对黄河故道潮土土壤结构和碳氮含量的影响

杨 苏, 李传哲, 徐 聪， 吴 迪， 汪吉东, 张永春, 艾玉春, 李辉信

(1.农业农村部 江苏耕地保育科学观测试验站/江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏 南京 210095; 2.南京农业大学 资源与环境科学学院, 江苏 南京 210095)

黄河故道潮土是由于黄河改道后的冲积物发育而来，系黄淮海平原江苏和山东的地带性土壤，分布面积为2.50×106hm2，占江苏省总面积的40.7%。该类型土壤具有砂性重、腐殖质含量低、土壤结构差漏水漏肥严重[1]等特点，黄河故道区也是江苏重要的中低产田分布区和粮食主产区。土壤重要的功能是协调水、肥、气、热等功能，这与土壤的结构优劣有关。团聚体、持水量和土壤三相均是显示土壤物理结构的重要指标，团聚体是土壤结构的基本单元[1]，对土壤物理结构的稳定性及保水保肥能力至关重要[1]，土壤持水量是表征土壤储水能力的重要指标[1]，土壤三相比是指土壤中的气相、固相和液相所占的比例，对于土壤硬度、透水性和保水性有很大的影响。土壤肥力是决定作物产量的关键因素，碳氮是土壤培肥的关键，这是因为碳氮是维持作物生长和微生物生命活动的主要营养元素，调控土壤养分循环，也是评价土壤肥力的重要指标，因此增加土壤碳氮含量是培肥潮土的关键。种植绿肥和施用土壤调理剂是土壤改良的重要途径。已有研究[1]表明，在淡灰钙土上施用蚕豆秸秆，既能增加土壤养分贮量，又能提高养分供应水平。黑麦草秸秆配施尿素有利于提高紫潮泥土双季稻氮肥的利用率，增加水稻产量[1]。凹凸棒又称坡缕石或坡缕缟石，是一种具链层状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，在我国资源丰富，价格低廉，因其含有丰富的微量元素、矿质营养元素和较大的比表面积(9.6～36.0 m2/g)而备受关注。凹凸棒与土壤混合后，不仅能起到保水的作用，还能增加土壤中大粒径团聚体含量，发挥保肥的作用，满足作物对多种养分的需求。袁惠君[2-3]等通过凹凸棒对灌淤土养分含量及小麦生长影响的分析表明，凹凸棒能提高土壤的养分和水分含量，提高小麦的出苗率和分蘖数。目前关于绿肥秸秆还田或添加凹凸棒增加土壤持水量[4]，提高大团聚体含量[5]的研究较多，但有关黄河故道土壤的相关结构改良及有机质提升等相关研究尚不多，且将绿肥秸秆与凹凸棒配合施用，对黄河故道潮土的改良效果如何更鲜有报道。因此，本研究针对黄河故道土壤固有的结构差及有机质含量低等问题，设置了单独添加绿肥秸秆凹凸棒以及二者配施等处理，从土壤物理结构和碳氮含量等角度入手，探究其对于协调潮土水肥气热的影响，以期为科学评价凹凸棒对农田土壤健康的可持续发展和绿肥秸秆的资源化利用提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 供试土样

本试验为土培试验，供试土壤类型为潮土，取自江苏省盐城市滨海县界牌镇黄河湾绿色科技有限公司试验基地，试验基地(北纬33°43′，东经119°37′)属北温带，气候温和，地势较高，降雨充沛，雨热同季，常年平均气温14.1 ℃，平均降雨量为942.6 mm。供试土壤基本理化性质为：pH值8.1，有机质4.2 g/kg，全氮0.22 g/kg，全磷0.50 g/kg，有效磷2.63 mg/kg，速效钾63.3 mg/kg，初始田间持水量为32.8%。根据国际制土壤质地分类标准，黏粒含量为3.04%，粉粒含量为11.69%，砂粒含量为85.28%，属于壤质沙土。

1.2 试验设计

本试验为室内培养试验，通过前期培养试验发现凹凸棒添加量为16 g/kg时，对玉米有较好的促生效果和土壤结构改良作用，因此共设置6个处理，分别为对照(CK)、蚕豆秸秆10 g/kg(B)、黑麦草秸秆10 g/kg(R)、添加凹凸棒16 g/kg(A)、凹凸棒16 g/kg配施蚕豆秸秆10 g/kg(AB)、凹凸棒16 g/kg配施黑麦草秸秆10 g/kg(AR)，供试土壤类型为潮土(表1)，所用土壤为0—20 cm的表层土壤，过2 mm筛备用。试验开始前将供试土壤与添加物混合均匀放入盆钵中，为防止土壤从盆钵底部露出，在每个盆钵底部放置一个100目的圆形网筛，目的是保证水能通过而土壤不能通过。每盆(直径16 cm 高12.5 cm)装土重折合为风干土1 kg，于25 ℃下培养120 d，每个处理3个重复，每40 d采用完全破坏性取样一次，共取样3次，54个盆钵，于2018年4月18日布置试验，3次取样时间分别为：2018年5月28日、7月7日和8月16日。于2018年7月16日在江苏省农科院进行，培养期间采用称重法每周补水一次，使土壤含水量保持在田间持水量的60%。

表1 物料养分含量

1.3 土壤样品采集

土壤样品采用完全破坏性取样，样品进行风干后用于水稳性团聚体和持水量的测定，磨碎过筛后用于土壤有机质、全氮、碱解氮的测定，用环刀取原状土用于土壤三相的测定，鲜样存于4 ℃冰箱，用于土壤微生物量碳氮的测定。

1.4 测定项目及方法

土壤水稳性团聚体的测定采用湿筛法、田间持水量的测定采用威尔科克斯法[6]，有机质采用重铬酸钾—外加热法、碱解氮采用碱解扩散法、全氮采用凯式定氮法、微生物量碳氮采用氯仿熏蒸法，土壤三相采用DIK-1150土壤三相仪测定。

STPSD=〔(Xg-50)2+(Xg-50)

(Xy-25)+(Xy-25)2〕0.5

式中：STPSD为土壤三相结构距离；Xg为固相体积百分比(>25%)；Xy为液相体积百分比(>0)。

最大持水量的测定：用环刀取土，带回实验室，在环刀下垫一张滤纸，用橡皮筋固定在环刀上，将环刀放到盘子里，向盘中倒水，没过滤纸即可，隔天将环刀中的土壤去除，放在已知重量的铝盒中称重，得到最大持水量的土壤质量W1，之后将铝盒盖打开，放在105 ℃烘箱中烘干至恒重，称重记为W2。

最大持水量(质量含水量)=W1-W2/W2

七匹狼（002029）：公司的主要逻辑有以下几点：1）业绩稳健增长。近几年传统服装企业景气度下行，但公司是个例外，2014年-2017年公司营收从23.9亿元逐年增长至30.8亿元，而净利润从2.9亿元增加至3.4亿元，在大环境趋于负面的背景下表现实属不易。2018年公司预计实现净利润同比增长0-15%，有望继续保持增长。

1.5 数据分析

数据处理采用Excel，SPSS 25.0，Origin 2018进行数据处理和分析，用SPSS 25.0进行数据方差显著性检验，多重比较采用Duncan法，平均值在p<0.05水平下才具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤物理结构的影响

2.1.1 水稳性团聚体 无论单独添加绿肥秸秆和凹凸棒还是配施均可增加>0.25 mm，0.053～0.25 mm粒径团聚体含量(图1)，其中<0.053 mm粒径团聚体占主要部分，在45%～57%范围内，>0.25 mm粒径团聚体占0.47%～3.65%，0.053～0.25 mm粒径团聚体占29.93%～49.41%。A处理对增加>0.25 mm粒径团聚体含量发挥主导作用，BR处理中>0.25 mm粒径团聚体含量比AR高1.49%。

图1 不同粒径水稳性团聚体含量

2.1.2 土壤最大持水量 经过120 d的培养试验发现，CK最大持水量降低，而其他处理均增加，增幅为10.3%～19.2%，表明添加绿肥秸秆、凹凸棒以及二者配施均会增加土壤最大持水量，具体表现为：AR>AB>A>R>B，且A，AB，AR处理土壤最大持水量显著高于B，R处理，A，AB和AR处理间差异不显著(图2)。

注：不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。下同。

2.1.3 土壤三相 将土壤三相作为一个有机整体置于二维三系图中分析土壤结构，可直观看出不同处理土壤三相比的变化情况以及向理想结构逼近的趋势。STPSD代表土壤三相结构距离，土壤三相结构越接近理想状态(固相50%，液相25%，气相25%)，STPSD值越接近0。从图3可以看出，各处理的土壤三相均分布于理想状态的左侧，表明气相和固相是改良黄河故道地区土壤结构的主要因素。其中B，R处理会增加土壤液相比，减少气相比，而A，AB，AR处理会减少气相比，增加固、液比。培养120 d后，土壤三相结构距离比CK低24.97%～55.49%(表2)，A，AB，AR处理土壤三相结构距离为7.69，6.97和7.72，显著低于其他处理，表现出明显的结构改善趋势，表明添加凹凸棒对调节土壤三相比发挥主导作用。

表2 土壤三相结构距离

2.2 土壤有机碳含量

培养期间土壤有机碳呈先上升后下降的趋势，添绿肥秸秆和凹凸棒培养40 d，80 d和120 d有机碳含量分别为2.57～4.38 g/kg，2.69～6.65 g/kg，2.73～6.80 g/kg(图4)。但随培养时间的延长，有机碳的变化趋势不同，具体表现为：培养40 d，B>R>AB>AR>A；培养80 d，R>B>AR>AB>A；培养120 d，AR>AB>R>B>A，表明培养初期绿肥秸秆快速分解，对于土壤有机碳的提升发挥主导作用，而配施可缓解养分的释放，使有机碳含量在培养后期优于其他处理。

图4 不同处理的土壤有机碳含量

2.3 土壤微生物熵

微生物熵是土壤微生物量碳与土壤有机碳的比值(MBC/SOC)，微生物熵增加时，表明土壤碳素处于累积状态[7]。从图5可以看出，土壤微生物熵在整个培养期间呈先增加后降低的趋势，三个培养期土壤微生物熵分别为4.34%～7.37%，6.16%～8.48%和4.96%～7.19%，于培养的第80 d达到最大值。

图5 各处理的土壤微生物熵

2.4 土壤全氮、碱解氮、微生物量氮

土壤全氮、碱解氮和微生物量氮对外源添加物的响应不同(表3)，培养120 d，土壤全氮和微生物量氮总体呈增加的趋势，而土壤碱解氮呈先上升后下降的趋势。具体表现为全氮：AB>AR>B>R>A>CK，碱解氮：B>AB>AR>R>A>CK，土壤微生物量氮：AB>B>AR>R>A>CK。配施对全氮的增加效果优于其他处理，且AB处理比AR处理高0.02～0.06 g/kg，B和R处理在培养初期对碱解氮和微生物量氮的增加优于配施。

表3 各处理土壤不同形态氮的含量

3 讨 论

团聚体是土壤结构的基本单元，不同粒径团聚体的含量可以决定土壤侵蚀、压实、板结等程度，是评价土壤结构的重要指标之一[8-9]。土壤中大团聚体含量越高，土质越疏松，容重越小，土壤储存与供给作物所需水分的能力越强[10]。本试验的研究结果显示，添加绿肥秸秆及配施均可增加>0.25 mm粒径团聚体含量，但配施效果优于单独添加绿肥处理，且蚕豆秸秆配施对于增加>0.25 mm粒径团聚体含量效果优于黑麦草配施。这主要是因为配施能更有利于形成有机无机复合胶体，增加土壤黏结力和团聚性，而蚕豆秸秆属于豆科作物，碳氮比低，相比于禾本科的黑麦草秸秆腐解快，养分释放快，能快速形成腐殖质结合凹凸棒形成大团聚体，改善土壤结构。

三相比是指土壤中固相、液相和气相所占的比例，对调节土壤的水、肥、气、热具有重要作用[11-12]，本研究中，配施显著改善了土壤三相比，增加固相比，减少气相比，降低土壤三相结构距离。这是由于凹凸棒会使土壤颗粒表面形成一层保护膜，减少外界作用力对土壤结构的破坏，其较大的比表面积能吸附水分子，增加土壤持水量[13]，降低土壤三相结构距离，使土壤三相结构向理想状态趋近。而绿肥会使土壤形成腐殖质，促进矿质胶体结合，增强土壤抗外界干扰的能力[14]，配施可结合二者的优势，达到改善土壤三相结构的作用。

土壤有机质多少是反映土壤肥力高低的重要指标[15-16]，微生物熵表示土壤将有机碳转化为微生物量碳的效率[17]，反映土壤有机质的动态变化。单施绿肥培养前期，微生物熵显著高于配施，且蚕豆对碳氮的增加效果优于黑麦草，这是由于在适宜条件下作物秸秆进入土壤后在微生物的作用下会迅速分解释放养分，增加土壤有机碳含量[18]，蚕豆属于豆科作物，碳氮比低，易被微生物利用，分解释放养分增加土壤养分含量；黑麦草属于禾本科作物，碳氮比高，养分释放较慢，而凹凸棒会减少秸秆与土壤的接触面积，缓解养分的释放，导致培养前期有机碳含量低，随培养时间的延长，配施会增加土壤中大团聚体含量，减少绿肥与空气的接触面积，减少微生物对养分的获取，降低自身的矿化消耗，使培养后期配施效果优于单施，这与薄国栋[10]、王恩姮[13]等人的研究结果一致。但随培养时间延长，微生物熵呈下降趋势，表明培养时间过长会导致土壤碳素亏缺。这由于微生物利用完外源添加物的养分后，为维持自身的生长繁殖会从土壤中吸收养分，加快土壤有机碳的矿化分解，导致有机碳降低。但也有研究表明绿肥还田对土壤有机碳的固存无显著影响，甚至有降低的趋势[19-20]，他们认为激发效应加速了土壤自身碳库的矿化，使出大于入，有机碳含量降低。在整个培养期间土壤微生物熵的变化范围在4.97%～8.48%，远超过马征等人关于不同保水剂对山东沙壤微生物熵的范围0.53%～1.64%[21]，这可能与供试土壤类型及极低的有机碳背景值有关。

绿肥秸秆还田能够显著降低土壤氮的损失，本试验结果显示，无论单施还是配施均会增加土壤全氮的含量，且配施处理增氮效果优于其他各处理，这是由于绿肥自身含有丰富的养分，还田能够将土壤中的无机氮转化为有机氮调节矿质氮的固持转化，使土壤中的氮素以稳定的形态固存于土壤中，蚕豆秸秆碳氮比为17.9，氮含量高，对于增加土壤氮素发挥主要作用，而黑麦草秸秆纤维素含量高，纤维素分解菌为厌氧菌，在分解后期才能产生，因此分解速度比蚕豆秸秆慢，对土壤氮素的增加效果弱于蚕豆秸秆。凹凸棒土的施用增加了土壤团聚性，使其形成一层保护膜，减少土壤表面与空气的接触，降低氮的损耗。碱解氮和微生物量氮是能被作物直接吸收利用的有机态氮，碱解氮可表征土壤氮素的供应情况，而微生物量氮表征土壤微生物对氮素的固持能力，碱解氮、微生物量氮在培养期间呈先上升后下降的趋势，在培养80 d时达到最大值。单施绿肥有利于增加土壤速效氮，而配施有利于增加土壤全氮，这是由于秸秆在酶的作用下会快速分解释放养分，提供有机态氮供微生物利用，培养后期由于养分不足，出现微生物与土壤争氮现象，使微生物固氮能力下降，而配施凹凸棒会形成一层保护膜，减缓绿肥中养分的消耗。

4 结 论

(1) 蚕豆10 g/kg配施凹凸棒16 g/kg对于改良黄河故道粉砂质土壤物理结构效果最佳，主要表现为：与同时期CK相比，>0.25 mm粒径团聚体增加4.67%，土壤最大持水量增加17.8%，土壤三相结构距离降低，STPSD值为6.97。

(2) 无论单施或配施均会提高碳氮含量，有机碳和全氮增量分别为0.33～4.45 g/kg和0.12～0.84 g/kg。在培养前期单施绿肥对土壤速效养分的增加发挥主导作用，而在培养后期配施能够缓解养分释放，减少碳氮损失，对土壤养分的固存能力优于单施，且蚕豆配施效果优于黑麦草配施。综上所述蚕豆10 g/kg配施凹凸棒16 g/kg对黄河故道地区土壤的改良效果最佳，对提升黄河故道潮土肥力，改良其结构具有指导意义。