不同有機物料對連作大豆土壤養分及團聚體組成的影響*

王篤超 吳景貴

(吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118)

中國人多地少，農業的發展扮演著舉足輕重的角色。隨著科學技術的發展，化肥在農業生產中逐漸被推廣使用，并且施用量呈直線上升趨勢，在農業生產中占據重要位置。然而對化肥過度依賴和使用，土壤養分下降和板結現象普遍出現。

土壤養分是土壤肥力的重要指標之一，也是決定作物產量的重要因素，對農業生產起到重要作用。土壤肥力是農業可持續發展的基礎［1］。土壤團聚體是土壤的基本結構單位，是土壤中能量轉化及物質代謝的場所，決定著土壤的諸多性質和肥力。團聚體對協調土壤肥力狀況、改善土壤耕性等有著重要作用，影響著土壤孔隙性、持水性和抗蝕性，常被作為衡量土壤肥力水平的重要指標［2］。不同粒級的團聚體在營養元素的保持、供應及轉化能力等方面的作用也各不相同。各粒級團聚體的數量分布和空間排列方式決定了土壤孔隙的分布和連續性，進而決定了土壤的水力性質和通透性能，并影響土壤生物的活動和養分的保持與供應［3］。各粒級團聚體的分布對協調土壤水肥氣熱以及提高土壤通水透氣具有重要作用。

大豆是忌重迎茬種植的植物，同一種植區域連續多年種植大豆，會導致產量下降［4］。現有研究表明有機肥與化肥相結合是增加和維持土壤肥力以及提高作物產量的有效方法［5-6］，對克服連作障礙增加產量具有良好效果。有機物料是土壤肥力的重要物質基礎,施用有機物料對土壤性質改善及作物生產有著重要影響［7］，已有大量關于有機物料培肥土壤的研究報道。宋蒙亞等［8］發現，添加有機物料可以顯著提高土壤養分含量。有機物料能提高土壤有機質含量與陽離子交換量，從而提高土壤的保肥、供肥能力［9］。研究表明，施用有機肥能有效提高土壤微生物活性［10］，達到改良土壤物理性狀、提升土壤有機質含量等效果［11］。崔榮美等［12］通過有機培肥研究發現，在一定范圍內，0～20 cm土層水穩性團聚體的平均重量直徑與秸稈還田量及有機肥施用量呈正相關。Lu等［13］研究發現，6%稻殼生物炭不僅顯著提高變性黏土2～5 mm和0.25～0.5 mm大團聚體含量，同時又可以減小＜0.25 mm 微團聚體含量，顯著提高了平均重量直徑和幾何平均直徑。孫元宏等［14］研究發現，秸稈的添加，促進了土壤中小粒徑團聚體（＜0.25 mm）向大團聚體（＞0.25 mm）的轉化。

然而，前人的研究多集中于單一類型有機物料，且大多數有機物料為玉米秸稈［15］，而關于腐熟雞糞（JF）、玉米秸稈（JG）、木耳菌渣（JZ）等不同類型的有機物料對土壤肥力和團聚體穩定性影響的研究還未見報道。本研究以畜禽糞便類的腐熟雞糞（JF）、天然類的玉米秸稈（JG）、半腐解類的木耳菌渣（JZ）三種不同類型的有機物料為研究對象，探究其對連作大豆土壤養分及其對土壤團聚體組成的影響，為有機物料培肥土壤提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在吉林農業大學教學實驗田進行，土壤類型為黑土，種植品種為吉農18。腐熟雞糞（JF），取自吉林農業大學動物科學與技術學院；玉米秸稈（JG）和木耳菌渣（JZ）均取自吉林農業大學培養場。試驗前供試耕層土壤及各有機物料基礎數據見表1。

表1 試驗材料基礎數據Table 1 Basic data of the materials tested

1.2 實驗設計

設4個處理，分別為：(1)腐熟雞糞＋化肥（JF）；(2)玉米秸稈＋化肥（JG）；(3)木耳菌渣＋化肥（JZ）；(4)化肥（CK），空白對照。

本試驗采用小區試驗，起始于2010年，為長期定位試驗。每小區8壟，壟距0.65 m，壟長5 m，面積為25 m2。不同處理間每壟施用等量化肥（磷酸二銨60 g、氯化鉀45 g），同時施入相當于烘干重的有機物料0.75 kg，空白只施用化肥不施用有機物料。采用壟溝溝底施用，先施化肥后施有機物料，覆蓋薄土壓實后種植。3次重復。

1.3 研究方法

土樣采集在大豆（2016年9月）收獲期進行，五點取樣法采土2 kg。去除雜質，將大塊掰碎后在通風處晾干，取500 g進行團聚體干篩試驗，并按各粒級比例取50 g用于濕篩試驗；另取部分研磨過篩后測定土壤養分。堿解氮采用堿擴散法，速效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰光度法，有機質采用重鉻酸鉀氧化法,具體方法參考鮑士旦《土壤農化分析》［16］。土壤團聚體采用沙維諾夫法測定，具體方法見劉孝義《土壤物理及土壤改良研究法》［17］。

土壤團聚體平均重量直徑（MWD）的計算公式為：

式中，Bi為篩分出來的任一大小范圍團聚體的平均直徑，Wi為任一大小范圍團聚體的相應質量占土壤樣品干質量的分數。

對于干篩的團聚體，將n個粒徑范圍以內的干篩團聚體百分含量Xn構成矩陣：

濕篩后所對應土壤團聚體百分含量Yn構成矩陣：

假設團聚體篩徑依次為1，2，3，…，n，在篩分過程中，每個篩徑的團聚體能保留在對應篩徑范圍內的幾率分別為 P1，P2，P3，…，Pn，而團聚體破裂進入下一個篩徑的幾率為1-P1，1-P2，1-P3，…，1-Pn，則 Xn與Yn之間就可建立以下關系

計算各個粒徑團聚體保存幾率之和，即為土壤團聚體穩定性指數(Aggregate Stability Index,ASI):

1.4 統計分析

利用WPS 2016軟件進行數據整理，用SPSS 18.0軟件對數據進行LSD檢驗和單因子、雙因子方差分析。

2 結果與討論

2.1 不同有機物料對連作大豆土壤養分的影響

圖1可以看出，在大豆連作過程中有機物料的施用可以顯著提高土壤中堿解氮含量，土壤中堿解氮含量均高于CK。JF和JZ處理達到土壤堿解氮含量均高于CK，JF處理極顯著水平；不同有機物料處理間有差異，排列次序為JF＞JZ＞JG。

JG能提高連作大豆土壤中速效磷的含量。JZ對土壤中速效磷提高效果不及JG，JF最低。

有機物料對連作大豆土壤中速效鉀含量具有提高作用。JF能顯著增加連作大豆土壤中速效鉀的含量；JZ處理次之，土壤中速效鉀含量高于CK處理，但效果不顯著；JG處理速效鉀含量低于CK。

有機物料能有效增加連作大豆土壤中有機質的含量，各處理間對連作大豆土壤有機質含量的影響有差異，增加效果由高到低依次為JG＞JZ＞JF。

圖1 不同有機物料對土壤養分的影響Fig. 1 Soil nutrient contents relative to treatment

2.2 不同有機物料對連作大豆土壤微生物生物量的影響

由圖2可知，JZ對土壤中微生物生物量碳提高效果最顯著；JF和JG也能有效提高土壤中微生物生物量碳含量，但不如JZ效果明顯。JF對提高土壤中微生物生物量氮含量效果極顯著；與CK相比，JG和JZ也達到顯著效果。JG對土壤中微生物生物量磷提高效果顯著，JF和JZ處理微生物生物量磷含量也明顯高于CK。JG和JZ能有效提高微生物代謝熵，JF處理最低。

2.3 不同有機物料對連作大豆產量的影響

圖3可以看出，CK處理產量最低，JF處理產量最高，為3 418.3 kg hm-2，較CK處理提高13.5%，JG和JZ處理較CK分別提高9.0%和6.2%。由此可見，JF對提高產量效果顯著，JG和JZ處理也能有效提高產量，但不顯著。不同類型有機物料處理間存在差異，但差異不顯著。有機物料處理產量均高于CK，由高到低依次為JF＞JZ＞JG＞CK。

2.4 不同有機物料對連作大豆土壤團聚體平均重量直徑的影響

圖4可以看出所有有機物料處理土壤團聚體平均重量直徑均顯著高于CK，且差異顯著。JG處理的土壤團聚體平均重量直徑最大，各處理土壤團聚體平均重量直徑從高到低依次為JG＞JZ＞JF＞CK，較CK分別增加358.0%、351.1%、326.1%。不同類型有機物料處理間存在一定差異，但差異不顯著。

圖2 不同有機物料對土壤微生物量的影響Fig. 2 Soil microbial biomass relative to treatment

圖3 濕篩條件下不同有機物料對產量的影響Fig. 3 Crop yield relative to treatment by wet sieve

圖4 濕篩條件下不同有機物料對土壤團聚體平均重量直徑的影響Fig. 4 Mean weight diameter of soil aggregates relative to treatment by wet sieve

2.5 不同有機物料對連作大豆土壤團聚體保存幾率及穩定性指數的影響

各處理的不同粒徑土壤團聚體測定結果見表2，利用式（4）和式（5）求得各級粒徑的保存幾率和穩定性指數，結果如表3所示。由于濕篩法所用最小篩孔為0.25 mm,在濕篩法測定團聚體過程中粒徑小于0.25 mm的團聚體不能再破裂為更小的粒徑，因此粒徑小于0.25 mm的團聚體的保存幾率均為1。因為在團聚體濕篩過程中，0.25 mm為最小篩徑，濕篩時粒徑小于0.25 mm團聚體不可能再破裂為較小粒徑的團聚體，而粒徑大于0.25 mm團聚體均會存在土壤顆粒破裂現象，因此粒徑大于0.25 mm團聚體的保存幾率均小于1。

在各有機物料處理中，除了粒徑小于0.25 mm的團聚體的保存幾率均為1以外，JF、JG、JZ及CK其他粒徑團聚體的最大保存幾率分別為0.841、0.835、 0.850、 0.445。除大于5 mm團聚體保存幾率CK處理略高于JF和JZ處理外，所有有機物料處理的其余各粒級土壤團聚體保存幾率均明顯高于CK。CK處理0.25～1 mm團聚體的保存幾率占土壤團聚體穩定性指數的84.50%，大于1 mm的團聚體僅占18.48%，JF、JG和JZ處理大于1 mm團聚體分別占土壤團聚體穩定性指數的29.52%、38.97%、29.07%，明顯高于CK。由此可見，添加有機物料的能明顯增加大于1 mm水穩性團聚體的保存幾率，對提高土壤團聚體穩定性具有重要意義。

表2 不同有機物料處理土壤團聚體的組成Table 2 Composition of soil aggregates relative to treatment（%）

將平均重量直徑與大于0.25 mm的團聚體含量進行線性擬合，二者呈極顯著正相關，相關系數高達0.99。

由表3可以看出，所有有機物料處理的土壤團聚體穩定性指數均高于CK，JG處理土壤團聚體的穩定性指數最高，為4.293，明顯高于CK處理。所有處理土壤團聚體穩定性指數由高到低分別為：JG（4.293）＞JZ（3.788）＞JF（3.720）＞CK（2.262）。由此可見，有機物料的施入可以有效增加土壤團聚體的穩定性。

表3 不同有機物料處理土壤團聚體的保存幾率及穩定性指數Table 3 Preservation probability and stability index of soil aggregates relative to treatment

3 討 論

3.1 不同有機物料對連作大豆土壤養分及產量的影響

有機物料對提高連作大豆土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量效果顯著，土壤養分含量高于單施化肥。本研究選取的三種不同類型有機物料中的JF對堿解氮的提高作用最為顯著，較CK提高13.85%；其次是JZ，提高7.82%；JG提高3.59%，但不顯著；JG對提高速效磷含量作用最顯著，較CK提高4.13%；其次是JZ，提高3.64%。JF提高土壤中速效鉀含量的效果最高，較CK提高8.97%；這與陳安強等［18］、王芳等［19］的研究結果一致；JG對提高土壤有機質效果最好，較CK提高7.28%，與宋蒙亞［20］的研究結果一致。本研究中JF處理全磷含量高，但在結果中土壤速效磷含量較JG處理低，這可能是由于JF腐解周期短，磷的釋放比較集中，腐解過程中產生的磷被固定到土壤中，而JG和JZ腐解周期長，釋放速率低能有效轉化為速效磷所致。JG處理的土壤中速效鉀含量低于其他處理，可能是JG腐解過程緩慢，釋放速率低造成的。有機物料還能有效提高土壤中微生物量碳含量，JZ效果顯著，JF和JG較CK有一定的提高,但效果不顯著；JF對提高土壤中微生物生物量氮含量效果極顯著，JG和JZ也達到顯著水平，有機物料對提高連作大豆土壤微生物生物量氮含量效果顯著；JG對提高土壤中微生物生物量磷效果顯著，JF和JZ較CK也能有效提高微生物生物量磷含量，但效果不顯著；JG和JZ對提高土壤微生物代謝熵效果顯著,與張賽等［21］研究結果一致，但JF處理微生物代謝熵低于CK。Dilly和Munch［22］研究表明，土壤微生物代謝熵的變化能夠指示土壤微生物種群利用土壤有機質的效率，qCO2值升高表明土壤微生物活性降低及土壤養分利用效率下降，qCO2降低表明土壤微生物碳利用效率提高。本研究，JF處理微生物代謝熵低于CK，這可能是JF易腐解，土壤中微生物碳利用效率較高，也可能是JF處理微生物活性較高所致。在本研究中，有機物料對連作7年大豆土壤中養分含量的提高均有良好的效果，JG處理綜合效果最好。

有機物料能有效提高連作大豆產量，JF效果顯著，JG和JZ較CK相比也能提高連作大豆產量，但效果不顯著。本研究發現，連作大豆產量與堿解氮含量呈顯著正相關關系，這與嚴君等［23］研究結果一致。本研究中，所有有機物料處理產量均高于CK。由此可見，有機物料能有效克服大豆連作過程中出現的減產問題，提高產量，對于克服大豆連作障礙具有重要意義。

3.2 不同有機物料對連作大豆土壤團聚體組成及穩定性的影響

有機物料能有效增加土壤團聚體平均重量直徑，這與馬曉麗［24］、趙亮［25］的研究結果一致；杜立宇等［26］研究發現，對連作大豆土壤團聚體平均重量直徑提高作用最明顯的為JG處理,三種不同類型的有機物料對土壤團聚體平均重量直徑提高由高到低依次為JG＞JZ＞JF。三種類型有機物料對提高土壤中大于1 mm團聚體含量效果均較顯著，JF、JG和JZ處理1 mm以上團聚體分別占土壤團聚體穩定性指數的29.52%、38.97%、29.07%。由此可見，長期施用有機物料具有促進水穩性微團聚體向水穩性大團聚體形成的趨勢。土壤中粒徑大于0.25 mm團聚體的含量越多，團聚體的平均重量直徑越大，土壤結構也越穩定。本研究中，所有有機物料處理的0.25 mm以上團聚體粒徑團聚體保存幾率與穩定性指數均明顯高于CK處理，這表明有機物料的施入能有效提高土壤團聚體的穩定性，土壤結構的水穩性也得到了提高。由此可見，有機物料對提高連作大豆土壤團聚體平均重量直徑，增加土壤團聚體的水穩性具有良好效果。三種類型的有機物料均能有效提高土壤團聚體穩定性，其中JG效果最好，較CK提高89.79%，所有處理土壤團聚體穩定性指數由高到低依次為：JG（4.293）＞JZ（3.788）＞JF（3.720）＞CK（2.262）。由此可見，有機物料的加入能有效提高連作大豆土壤中團聚體水穩性。與劉恩科等［27］，化肥與有機肥配施處理可提高水穩性大團聚體含量,改善土壤團聚體的結構，研究結果一致。

4 結 論

三種不同類型有機物料均能有效提高連作大豆土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀以及有機質的含量，提高養分含量，并且效果顯著。畜禽糞便類的JF對提高連作大豆土壤堿解氮、速效鉀和產量效果最顯著；天然類的JG對提高連作大豆土壤中速效磷和有機質含量效果最顯著；半腐解類的JZ對提高連作大豆土壤微生物生物量碳和微生物代謝熵效果最顯著。三種類型有機物料均能明顯提高連作大豆土壤中大粒徑團聚體的含量，增加水穩性團聚體平均重量直徑，顯著增加土壤團聚體的穩定性指數。