玉米、三叶草秸秆和蚯蚓堆肥施用对黄河故道潮土理化性状的影响

时间：2024-05-30

白洁瑞，刘庆峰，于建光，4*，陈小云，肖新，李勇

（1．江苏省常州市金坛区种植业技术推广中心，江苏常州 213200；2．江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京 210014；3．南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；4．农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室，江苏南京 210014；5．安徽科技学院资源与环境学院，安徽凤阳 233100）

良好的土壤结构有助于土壤的保水、保肥及通气，从而减少水土流失。在降雨侵蚀条件下，土壤颗粒随径流的迁移主要以<20 µm细颗粒为主［1］。植物残体是土壤有机质与腐殖质的基本来源，为农田土壤提供有机质和养分，对于土壤结构与功能维持具有重要的意义；国内外关于秸秆对农田土壤物理结构、养分含量以及产量的研究已有不少，研究表明施用有机物料、绿肥等均有助于增加土壤中大团聚体的比例，改善土壤理化性质，提高土壤中碳含量等［2-4］，且不同质量有机物料组合比单一物料对土壤生物化学性质的影响更显著［5］。

江苏省黄河故道涉及省内徐州、宿迁、淮安、盐城4个市13个县，该地区农业生产水平低，土壤中粉粒含量较高［6］，具有沙瘦、板结、漏水、漏肥、有机质含量低和团聚体结构差等缺点，因此极大地制约了土地资源生产潜力的发挥。玉米在江苏省黄河故道地区大范围种植，单一种植存在水土流失风险，豆科的白三叶草是当地常见的护坡绿肥植物，单独种植用于水土保持和改良土壤，但由于不产生直接经济效益难以被农民所接受。间作套种是我国农业生产中的优良传统，不仅可以增加复种指数，还能改善土壤群落和植物生境［7］。在种植玉米的同时，如果同时套种三叶草，不仅有利于雨季玉米田间土壤的防风固沙，而且在玉米成熟收获后，三叶草还可以和玉米秸秆同时翻压还田为下茬作物提供充足养分。蚯蚓堆肥是蚯蚓参与作用的堆肥产物，具有结构好、养分含量丰富的特点，常用于改良土壤。有关玉米等禾本科秸秆还田对土壤理化性状影响的研究较多，三叶草秸秆还田的研究较少，玉米秸秆和三叶草秸秆同时还田并施用蚯蚓堆肥的研究鲜有报道。基于黄河故道土壤的上述缺点，拟将上述2种秸秆和蚯蚓堆肥施用于该土壤后，研究其对土壤理化性状的影响，从而准确评估这3类常见有机物料及其组合的改良效果，为江苏省黄河故道潮土地区禾本科-豆科套种及秸秆还田综合土壤改良实践提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤来自江苏省盐城市滨海县界牌镇黄河湾绿色科技产业园（119.868°E，34.106°N），为黄河冲积物发育形成的典型潮土，其质地为粉壤土。土壤采集后混匀过2 mm筛，同时剔除大型土壤动物、根茬和秸秆等；供试土壤pH 8.24，电导率337 μS·cm-1，有机碳2.45 g·kg-1，全氮0.25 g·kg-1，碱解氮12.76 mg·kg-1，有效磷5.89 mg·kg-1，速效钾81.63 mg·kg-1。有机物料选用自然风干的玉米秸秆、三叶草秸秆以及蚯蚓堆肥（牛粪经蚯蚓参与活动堆制而成），其基本性状见表1。玉米秸秆与三叶草秸秆粉碎为1～2 mm，供试盆钵大小一致且底部加筛网防漏。

表1 供试物料的养分含量

1.2 试验设计

试验共设置8个处理。（1）CK：空白对照；（2）M：玉米秸秆；（3）C：三叶草秸秆；（4）V：蚯蚓堆肥；（5）MC：玉米秸秆+三叶草秸秆；（6）MV：玉米秸秆+蚯蚓堆肥；（7）CV：三叶草秸秆+蚯蚓堆肥；（8）MCV：玉米秸秆+三叶草秸秆+蚯蚓堆肥。将相当于1 kg干重的过2 mm筛的新鲜土壤填充至盆钵中，分别将各处理秸秆或蚯蚓堆肥与土壤充分混匀，若是混合物料则等比例施用，有机物料用量为2%（物料/干土重）；每处理重复4次，共32个盆钵；所有盆钵于28 ℃暗室培养，定期（每周）加水保持湿度（每次加水至80%的土壤田间持水量，土壤采样时除外），并同时测定土壤水分含量（称重法）。试验于2018年4月23日开始，培养180 d后破坏性采样，土壤样品风干后测定土壤理化指标。

1.3 分析与测定方法

土壤pH和电导率采用土水比1∶2.5浸提，pH测定仪（Mettler Toledo）读数，电导率采用电导率仪（雷磁DDS-307A）测定；土壤有机碳含量（SOC）采用K2Cr2O7容量法测定；全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法测定；铵态氮和硝态氮采用氯化钾溶液浸提，全自动间断式化学分析仪（Smartchem 200）测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定［8］。

水稳性团聚体分离采用湿筛法［9］：土壤依次通过2、0.25和0.053 mm筛而获得4个级别团聚体，即>2 mm大团聚体、0.25～2 mm大团聚体、微团聚体（0.053～0.25 mm）以及粘粉粒（<0.053 mm）。湿筛前，湿润土样通过8 mm筛并且风干，过筛前取50 g风干土样放在孔径大小分别为2、0.25和0.053 mm的3个套筛上浸入水桶中5 min；用设置振幅30次·min-1的筛分仪竖直上下振荡5 min。然后把每层筛子和水桶（<0.053 mm）的土壤冲入烧杯中，静置一段时间后去除漂浮于烧杯水面上的有机物质，并在50℃过夜烘干称重。土壤的平均重量直径（MWD）采用以下公式获得［10］：

式中，xi指各粒级的平均直径，wi指相应各粒级的重量百分比。

1.4 数据处理与统计分析

数据处理和作图采用SPSS 19.0和Excel 2016，不同处理之间差异显著性采用Duncan法检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同有机物料添加对土壤pH和电导率的影响

与CK相比，添加玉米秸秆（M）、三叶草秸秆（C）和蚯蚓堆肥（V）180 d后均显著降低土壤pH（P<0.05），降幅分别为4.12%、8.05%和1.62%，其中C处理对土壤pH降幅最为明显，M处理次之，V处理影响最小；与CK相比，3种物料以不同组合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均可显著降低土壤pH（P<0.05），降幅分别为5.55%、2.56%、4.82%和2.44%，其中MC处理的土壤pH降幅最大，CV次之，而MV和MCV处理降幅较小，不同物料组合添加对土壤pH的影响介于单一物料之间（图1）。

与CK相比，M、C和V均显著提高了土壤电导率（P<0.05），提高幅度分别为77.55%、288.06%和56.34%，其变化与pH的变化相反，其中C处理对土壤电导率增幅最为明显，M和V处理次之；与CK相比，3种物料以不同组合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均可显著提高土壤电导率（P<0.05），提高幅度分别为259.80%、109.22%、249.97%和134.88%，其中MC和CV处理对土壤电导率的增幅最大，MV和MCV次之，不同物料组合添加（MC、MV、CV和MCV）对土壤电导率的影响介于单一物料影响之间（图1）。

2.2 不同有机物料添加对土壤水稳性团聚体分布以及MWD的影响

与CK相比，M处理180 d后显著增加了>2和0.25～2 mm大团聚体比例（P<0.05），增幅分别达339.51%和131.58%，同时显著降低了<0.053 mm粘粉粒的比例（P<0.05），降幅达49.77%，而0.053～0.25 mm微团聚体的比例虽略有增加（增幅达30.09%），但差异不显著。与CK相比，C处理180 d后增加了>2和0.25～2 mm大团聚体比例，增幅分别达232.24%和30.87%，其中>2 mm大团聚体比例增幅显著（P<0.05）；与此相反，0.053～0.25 mm微团聚体和<0.053 mm粘粉粒所占比例均略有下降，降幅分别达13.84%和10.04%，但差异不显著（P>0.05）。与CK相比，V处理180 d后使>2和0.25～2 mm大团聚体比例略有增加（增幅分别为13.69%和22.05%），而使0.053～0.25 mm微团聚体和<0.053 mm粘粉粒所占比例略有下降（降幅分别为7.95%和0.84%），但差异均未达显著水平（P>0.05）（表2）。

与CK相比，3种有机物料各种组合处理（MC、MV、CV和MCV）均可提高>2和0.25～2 mm水稳性大团聚体比例（增幅50.13%～339.34%），除CV处理0.25～2 mm水稳性大团聚体比例变化不显著外（P>0.05），其他均达差异显著水平（P<0.05）。与CK相比，3种有机物料各种组合处理（MC、MV、CV和MCV）对0.053～0.25 mm微团聚体所占比例影响不大，使<0.053 mm粘粉粒比例均略有下降（降幅8.31%～30.57%），但均未达差异显著水平（P>0.05）（表2）。

表2 不同有机物料添加对土壤水稳性团聚体分布的影响（%）

土壤平均重量直径（MWD）表征土壤团聚体整体大小分布状况，其值越大，土壤稳定性越好。与CK相比，分别单独添加3种有机物料（M、C、V）180 d后，均可提高土壤平均重量直径，增幅分别为154.20%、71.92%和12.99%，其增幅次序为M>C>V，其中M和C处理与CK处理间差异显著（P<0.05）。与CK相比，3种有机物料组合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均显著提高了土壤的MWD（P<0.05），增幅分别为106.74%、100.04%、56.49%和141.87%，其中MCV处理的增幅最明显（图2）。

2.3 不同有机物料添加对潮土养分含量的影响

与CK相比，3种有机物料添加（M、C、V）180 d后均显著提高土壤中有机碳含量（P<0.05），其中M处理的效果尤其明显，有机碳含量增幅达113.75%，远高于C和V处理增幅（分别为50.87%和33.19%）；与CK相比，3种物料以不同组合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均可显著提高土壤有机碳含量（P<0.05），增幅分别为64.54%、47.58%、59.90%和73.27%，不同物料组合添加对土壤有机碳的影响介于单一物料影响之间（表3）。

与CK相比，3种有机物料添加（M、C、V）180 d后均显著提高土壤中全氮含量（P<0.05），增幅分别为144.35%、187.88%和57.51%，其中尤以C和M处理明显，V处理次之；与CK相比，3种物料以不同组合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均可显著提高土壤全氮含量（P<0.05），增幅分别为200.59%、109.05%、160.30和169.32%，不同物料组合添加（MV、CV和MCV）对土壤全氮的影响介于单一物料影响之间；与土壤全氮含量的变化相类似，3种有机物料（M、C、V）及其物料组合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后也显著提高了土壤碱解氮的含量（P<0.05），其增幅为123.64%～197.19%，增幅低于全氮含量的变化（表3）。

与CK相比，分别添加3种有机物料（M、C、V）180 d后均能不同程度增加土壤有效磷和速效钾含量，其中M和C处理均使有效磷和速效钾含量显著增加（P<0.05），其中有效磷分别增加184.76%和249.52%，速效钾分别增加98.54%和237.32%，V处理使土壤有效磷的含量显著增加，增幅达436.19%，增幅超过M和C处理，但对土壤速效钾含量影响不显著；与CK相比，3种有机物料组合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后也均显著提高了土壤有效磷和速效钾的含量（P<0.05），其中有效磷的增幅为233.33%～343.81%，速效钾的增幅为61.81%～181.63%，介于单一物料影响之间（表3）。

表3 不同有机物料添加对土壤养分的影响

3 讨论

有机物料玉米秸秆、三叶草秸秆和蚯蚓堆肥施用于土壤180 d后，显著降低了土壤的pH，均由原先的8.2降为8.0以下，尤其玉米秸秆和三叶草秸秆施用后分别降为7.86和7.54，接近于当地主要作物玉米和小麦的适宜pH上限值，这与他人的研究结果相似［11-13］；可能的原因是有机物料在微生物参与下腐解，促进了土壤腐殖酸和有机酸的形成，导致土壤pH降低，达到改良碱性土壤的效果［14-15］，而土壤pH下降幅度为三叶草秸秆>玉米秸秆>蚯蚓堆肥，其原因可能与秸秆和蚯蚓堆肥中易分解有机物含量有关。土壤电导率可以间接表示离子成分的总浓度，其变化趋势与土壤中养分变化趋势有较强的相关性；与pH变化相反，有机物料玉米秸秆、三叶草秸秆和蚯蚓堆肥施用后，均显著增加了土壤的电导率，尤其是三叶草秸秆施用后电导率提高近3倍，这标志着土壤矿质养分含量水平的显著提升，与张凯凯等［12］、王宁等［16］的研究结果一致，原因可能与有机物料本身含有较多的可溶性盐或在有机质分解的时候释放出矿质盐分有关；而土壤电导率上升幅度为三叶草秸秆>玉米秸秆>蚯蚓堆肥，原因也是与秸秆和蚯蚓堆肥中易分解有机物含量有关。3种物料以不同组合施用于土壤后的pH和电导率的变化幅度介于单一有机物料施用后的变化之间，其原因也主要与组合物料进入土壤后的腐解和养分释放有关。

有机物料施用后可以显著提高土壤团聚体稳定性［17］，本试验中供试土壤较贫瘠，且粘粒含量较低，供试土壤>2和0.25～2 mm水稳性大团聚体的比例以及MWD值均较低，施用玉米秸秆和三叶草秸秆后土壤>2和0.25～2 mm水稳性大团聚体的比例及MWD值均增加，尤其>2 mm水稳性大团聚体比例显著增加，幅度达到2～3倍以上，其结果与他人研究结果类似［18-19］；秸秆施用于土壤后可在团聚体形成中起核心作用［20］，它通过将高比例易降解多糖和真菌菌丝、细根、根毛和微生物等结合，进而将松散的土壤颗粒粘结于一体［21］；玉米秸秆对大团聚体比例的促进作用远强于三叶草秸秆，究其原因，可能与玉米秸秆含有更多易降解多糖和它施用后引发土壤中产生更多真菌菌丝有关。蚯蚓堆肥施入土壤后未使>2和0.25～2 mm水稳性大团聚体的比例和土壤MWD值显著增加，可能与蚯蚓堆肥的基本理化性状及施用量有关，即蚯蚓堆肥相比玉米秸秆和三叶草秸秆具有较低的有机碳和全氮含量，且在试验中2%的施用量均不足以改变土壤的团聚过程。与上述大团聚体的变化相适应，由于秸秆施用后的团聚作用增强，更多的微团聚体将进一步团聚成大团聚体，除施用玉米秸秆使0.053～0.25 mm微团聚体的比例略有增大外，施用三叶草秸秆和蚯蚓堆肥均使其下降，同时分别施用3种有机物料均使<0.053 mm粘粉粒的比例下降。3种物料以不同组合施用于土壤后的团聚体分布和MWD值变化幅度介于单一有机物料影响之间，也主要与组合物料中各物料的单一性状和进入土壤后对土壤团聚过程的综合作用过程有关。

本试验中的供试土壤养分含量较低，不添加任何有机物料对照处理经180 d后土壤中的有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量变化不大；而玉米秸秆、三叶草秸秆和蚯蚓堆肥中上述养分含量均高于供试土壤，因此施用180 d后均显著增加了土壤中上述养分的含量。由于玉米秸秆和三叶草秸秆的有机碳、全氮和全钾含量高于蚯蚓堆肥，尤其三叶草秸秆的全氮和全钾含量分别是蚯蚓堆肥的4和2倍以上，因而它们施入土壤180 d后对增加土壤有机碳、全氮和速效钾含量的作用明显强于蚯蚓堆肥，而蚯蚓堆肥的全磷含量较高，其含量分别是玉米秸秆和三叶草秸秆的5和2.5倍左右，其施入土壤后对土壤有效磷含量的提升作用强于玉米秸秆和三叶草秸秆。

由于单一物料本身均含有多种养分，3种物料不管以何种组合施用于土壤，其自身所含的有机质均会在土壤中进行矿化和腐殖化，其中碳氮元素在矿化和腐殖化过程中部分会以气态和液态形式排放和流失，完成腐殖化以后的部分碳氮元素会形成新的土壤有机质，而磷钾元素在矿化和腐殖化过程中以气态和液态形式排放和流失的很少，完成腐殖化以后的磷钾几乎全部形成新土壤有机质。玉米秸秆和三叶草秸秆施入土壤经180 d以后不能全部腐殖化，而蚯蚓堆肥施入土壤经180 d后几乎完全腐殖化；加之所有有机物料施入土壤均可改变原有有机质的分解与转化，部分如玉米或三叶草秸秆甚至可加快原土壤有机质的分解；因此，不同组合有机物料进入土壤后的矿化和腐殖化过程相比单一物料更复杂，但因为其综合所含有的养分含量受不同有机物料组合所限定，介于单一物料含量间，因而其添加后经180 d对土壤养分含量的影响介于各单一物料的影响之间，但均比不添加任何有机物料的对照处理土壤的养分含量要高。

另外需要强调的是本试验属室内培养试验，试验时间短且与大田条件有差异，且在试验中没有作物参与，因而难以评估作物参与下根系分泌物以及作物吸收养分对土壤的影响，未来需布置田间长期试验并结合土壤和作物的综合响应，以进一步对玉米、三叶草秸秆配合蚯蚓堆肥的改良和培肥效应进行评估。