生物有機肥對潮土物理性狀及微生物量碳、氮的影響

曲成闖, 陳效民, 韓召強, 張 俊, 黃春燕, 劉云梅

(1.南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095; 2.如皋市農業科學研究所, 江蘇 如皋 226500)

潮土作為中國主要農業土壤類型，分布于重要的糧食和蔬菜生產區，如長江流域和黃河流域的中、下游平原地區以及三角洲地區,其主要受地下水運動和人為耕作活動的影響。由于潮土土壤本身特有的形成與發生過程[1]，加上長期不合理利用，導致土壤耕性變差、土壤板結、水氣矛盾突出以及土壤肥力失衡等現象，嚴重阻礙了潮土區農業生產活動。如何改良土壤質量、解決水肥矛盾、提高和維持潮土區土壤農業可持續性，已成為目前亟待解決的問題。

生物有機肥是含有腐熟有機肥和規定數量功能菌微生物的一種特殊肥料[2]，是微生物肥料和有機肥的有機統一體，故生物有機肥兼具微生物肥和有機肥的特點[3]。已有研究表明[4]，生物有機肥本身含有益菌群，對土壤土著微生物有一定活化作用，可增強土壤對病原菌的抵抗作用，增加土壤菌群數，從而改變土壤微生物群落結構。鐘書堂等[5]證實了施用生物有機肥可提高土壤中微生物生物量，豐富土壤微生物群落結構，抑制有害病原菌微生物的生存。生物有機肥中含有多種營養元素，可增強土壤肥力，從而提高作物產量和品質。目前，有關施用生物有機肥對土壤影響作用的研究很多，但大多圍繞在對土壤肥力質量和微生物群落結構的影響效果，而針對生物有機肥對土壤物理特性影響的綜合評價及其對土壤團聚體粒徑分布規律和微生物量碳氮影響的研究鮮有報道，且關于施用生物有機肥條件下土壤物理指標與微生物量碳、氮關系的研究更少，這在一定程度上限制了生物有機肥應用于改善土壤物理性質和耕作性能。因此，本文擬采用田間小區試驗的方法，對施用不同用量生物有機肥的潮土不同土層土壤容重、總孔度、田間持水量、土壤有效水含量、土壤飽和導水率、土壤水穩性團聚體及微生物量碳、氮等指標進行研究，分析土壤結構、土壤水力學特征和微生物量碳氮含量，旨在改善土壤物理性狀和生物學特性，提高土壤耕性，增強土壤侵蝕抗性，為生物有機肥在土壤改良、水土保持和促進設施農業可持續發展等方面提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年8月到2017年1月在江蘇省南通市如皋市農業科學研究所(東經120°28′54.7″，北緯32°22′03″)進行。如皋市屬于典型的亞熱帶季風氣候(屬于東亞季風)，四季分明，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨。試驗地土壤類型為典型潮土類，供試土壤基本理化狀況如下：土壤容重1.41 g/cm3，土壤總孔度46.79%，土壤飽和導水率2.21×10-5cm/s，土壤有機質含量20.89 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，硝態氮含量120.36 mg/kg，土壤銨態氮含量6.95 mg/kg，速效磷含量為135.69 mg/kg，pH值為7.4。

本研究所用生物有機肥是江陰市聯業生物科技有限公司提供的“馕播王”牌生物有機肥，由作物秸稈制作而成，總養分含量8%(N+P2O5+K2O)，其中N含量4.23%，P2O5含量為1.18%，K2O含量為2.59%，有機質含量246.35 g/kg，有效活菌數為2.0×107個/g，其中細菌1.60×107個/g，真菌為3.0×106個/g，其他菌種1.00×106個/g。

供試黃瓜品種為博美8號。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗小區設計 試驗采用隨機區組設計，設計3個處理，每個處理設置3次重復：生物有機肥用量分別是CK:0 t/hm2，Y1：10 t/hm2，Y2：20 t/hm2，共9個小區，每個小區面積3 m×7 m=21 m2。

黃瓜種植基肥采用187.52 kg/hm2復合肥(N∶P2O5∶K2O=17∶17∶17)，于黃瓜種植前一次性施入，提供黃瓜生命活動所需養分。生物有機肥于2016年9月13日黃瓜種植前施入各小區，通過人工翻耕與0—20 cm表層土壤混勻。黃瓜苗齡為31 d時統一移栽，株距25 cm，行距50 cm。試驗期間采取同樣的管理措施(大棚管理措施)，自然條件下生長，試驗期間不追肥，定期人工除草，且適時采用滴灌方式適量灌水。

1.2.2 土樣采集 在黃瓜成熟末期，黃瓜主要收獲期結束后采樣，分別取0—15和15—30 cm土層的原狀土樣。另外，每個小區采用“之”字形5點采樣法，在5個點采集土樣，混合均勻后作為該小區的1個代表性樣品；采樣和運輸過程中減少擾動土樣，以免對團聚體造成影響。將土樣室內自然風干，沿土塊自然裂隙掰開，并去除雜物。

利用環刀對土壤0—15和15—30 cm 土層采樣(盡量減少對環刀內土壤的擾動)，用鋒利的削土刀將環刀內土樣上下表面削平，用鋁蓋封緊。各土層重復5次，帶回實驗室測定土壤各物理指標。利用A型環刀(100 cm3)和B型環刀(60 cm3)分別在土壤剖面不同土層采樣，其中A型環刀所采樣用于測定土壤容重和土壤孔隙度，B型環刀所采樣用于測定土壤飽和含水量、土壤田間持水量、凋萎系數等水力學指標。

1.3 測定項目與方法

土壤飽和含水量、土壤田間持水量和凋萎系數的測定：利用壓力膜儀測定，其中0 Pa吸力下含水量為飽和含水量，33 000 Pa吸力時的含水量為田間持水量，1.50×106Pa吸力下含水量為凋萎系數；土壤有效水含量=土壤田間持水量-凋萎系數。

土壤飽和導水率測定：采用常水頭法，所用儀器為南京電力自動化設備廠55型滲透儀；

團聚體粒徑分布及穩定性測定：將不同孔徑的土篩按照5，2，1，0.5，0.25 mm的順序依次由上到下排列，并將排列好的土篩安裝和固定到篩架上。稱取100 g風干土樣置于土篩最頂層(即孔徑為5 mm的篩子)，將篩架同土篩放入裝水的沉降鐵桶里，調整桶內水面高度，使篩子移動到最高位置時，桶內水面剛好淹沒最頂層土篩中土樣。待土樣浸泡10 min后開啟FT-3型土壤團粒電動分析器，土篩上下移動頻率為每分鐘30次，共篩分5 min。將篩架從鐵桶內緩慢取出，控水1 min后，將每層土篩內的團聚體分別轉移至鋁盒中，烘干后稱重，計算不同粒徑團聚體的質量百分數，其中大團聚體為：粒徑>0.25 mm的團聚狀結構單位，微團聚體為：粒徑<0.25 mm的團聚狀結構單位；土壤團聚體平均質量直徑(MWD)計算采用邱莉萍等[6]推導的公式；土壤團聚體分形維數(D)的計算采用楊培嶺等[7]推導的公式。

采用氯仿熏蒸提取法測定土壤微生物量碳(SMBC)和土壤微生物量氮(SMBN)含量；其他土壤指標測定參照《土壤農化分析》[8]中的方法。

1.4 數據分析

采用Excel 2010及SPSS 19.0軟件對試驗數據進行統計分析和作圖。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同生物有機肥用量對土壤物理特性及微生物量碳、氮含量的影響，采用LSD法進行多重比較，顯著性水平設為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同生物有機肥施用量對土壤結構和水力學特性的影響

2.1.1 生物有機肥對土壤容重和總孔度的影響 圖1和圖2為施用不同量生物有機肥后土壤容重和總孔度變化的對比結果。由圖1和圖2可知，隨土層深度增加，土壤容重呈增加趨勢，土壤總孔度逐漸減小。0—15 cm土層Y1和Y2處理中土壤容重與CK相比，分別降低了10.00%和19.11%，土壤總孔度分別增加了10.46%和19.86%，且差異均達到顯著水平(p<0.05)。15—30 cm土層Y1和Y2處理與CK相比，土壤容重分別降低了10.97%和12.26%，土壤總孔度分別增加了15.66%和17.35%，且Y2處理中土壤容重和土壤總孔度與CK相比，差異顯著(p<0.05)。可見，施用生物有機肥對不同土層土壤結構均有一定影響，尤其對0—15 cm土層土壤容重和總孔度影響更大。

注：不同小寫字母表示各處理差異達5%顯著水平。CK, Y1, Y2處理分別為施用有機肥0,10,20 t/hm2。下同。

圖1施用不同量生物有機肥對土壤容重的影響

圖2 施用不同量生物有機肥對土壤總孔度的影響

2.1.2 對土壤水力學特性的影響 表1為施用生物有機肥后不同土層中土壤各水力學指標變化情況。由表1可知，隨著土層深度增加，各處理土壤水力學指標均呈下降趨勢，且同一土層中各水力學指標含量按由大到小排列均表現為為Y2>Y1>CK。施用生物有機肥對0—15 cm土層中各水力學指標含量影響顯著，其中對土壤飽和導水率和凋萎系數的影響最明顯，而對15—30 cm土層中各水力學指標含量影響較小。0—15 cm土層施用有機肥的Y1和Y2處理中土壤質量含水量、飽和含水量、田間持水量、凋萎系數、有效水含量和飽和導水率與CK相比，分別提高了19.50%～23.89%，5.45%～13.55%，13.12%～32.25%，8.37%～12.93%，14.56%～37.97%和37.28%～67.11%，其中Y2處理中各水力學指標含量與CK相比，差異均達到顯著水平(p<0.05)。Y1和Y2處理中15—30 cm土層各土壤水力學指標含量均高于CK，但各處理之間差異并不明顯。

表1 生物有機肥對土壤水力學特性的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。CK, Y1, Y2分別為施用有機肥0,10,20 t/hm2。下同。

2.2 不同生物有機肥施用量對土壤水穩性團聚體粒徑分布及穩定性的影響

土壤團聚體是土壤顆粒經過黏結團聚和切割造型形成的土壤結構單元，其在維持土壤結構穩定、營養元素轉化和增強土壤抗蝕能力等方面有重要作用，且土壤團聚體穩定性會直接或間接地影響其它土壤物理和化學性質。從表2可以看出，施用生物有機肥可明顯降低土壤水穩性微團聚體(粒徑<0.25 mm)含量。施用生物有機肥的Y1和Y2處理不同土層中土壤水穩性微團聚體含量與CK相比，分別降低了5.40%～10.59%和3.77%～24.40%，且0—15 cm土層施用生物有機肥的處理中土壤微團聚體含量與CK相比，差異達顯著水平(p<0.05)。施用生物有機肥處理的不同土層中2～5，1～2，0.5～1和0.25～0.5 mm粒徑團聚體含量均高于CK，且0—15 cm土層中各處理不同粒徑土壤團聚體含量差異較明顯。由表2可知，Y1和Y2處理不同土層中土壤團聚體平均質量直徑均高于CK，分形維數均低于CK，其中0—15 cm土層Y1和Y2處理與CK相比，土壤團聚體平均質量直徑分別提高了11.11%和33.33%，分形維數分別降低了6.01%和9.19%，且各處理土壤團聚體平均質量直徑相比差異顯著(p<0.05)，而15—30 cm土層各處理中土壤團聚體平均質量直徑和分形維數差異均不明顯。

表2 生物有機肥對土壤團聚體粒徑分布、平均質量直徑及分形維數的影響

注：MWD表示土壤團聚體平均重量直徑;D表示團聚體分形維數。

2.3 不同生物有機肥施用量對土壤微生物量碳、氮含量的影響

研究土壤微生物量碳氮對了解土壤微生物活動情況及土壤養分轉化過程等方面有重要意義。由圖3和圖4可知，施用生物有機肥可提高不同土層土壤微生物量碳、氮含量，且隨著生物有機肥施用量增加，土壤微生物量碳、氮含量呈增加趨勢。0—15 cm土層，與CK相比，施用生物有機肥的Y1，Y2處理顯著增加了土壤微生物量碳和氮含量，增幅分別為33.66%～52.67%和11.52%～22.64%，且差異均達顯著水平(p<0.05)；15—30 cm土層，Y1，Y2處理中土壤微生物量碳、氮含量與CK相比，均有一定程度提高，但各處理之間差異并不明顯。表明施用生物有機肥對土壤微生物量碳、氮含量有明顯提升作用，其中對0—15 cm土層影響最顯著。

圖3 生物有機肥對土壤微生物量碳的影響

2.4 土壤物理特性指標及黃瓜產量之間相關性

施用不同量生物有機肥于潮土土壤后，對0—15 cm土層土壤物理特性指標和微生物量碳氮之間進行Pearson相關性分析，結果如表3所示。由表3可知，各土壤物理指標之間關系密切，其中土壤容重和總孔

度與土壤各水力學特性指標均呈顯著或者極顯著的關系，與土壤團聚體平均質量直徑均呈極顯著相關關系(p<0.01)。土壤各水力學特性指標(田間持水量、凋萎系數、土壤有效水含量、飽和導水率)兩兩相關性均呈顯著或者極顯著正相關關系；除土壤水穩性大團聚體含量外，其他土壤物理指標與微生物量碳、氮關系均達到顯著水平(p<0.05)，其中土壤有效水含量與微生物量碳、氮關系均達到極顯著水平(p<0.01)。

圖4 生物有機肥對土壤微生物量氮的影響表3 潮土土壤物理特性與微生物量碳、氮的相關關系

指 標 容重總孔度田間持水量凋萎系數有效水含量飽和導水率D>0.25 mm平均質量直徑SMBCSMBN容 重 1總孔度-1.000** 1田間持水量-0.756*0.756* 1凋萎系數-0.793*0.793*0.808** 1有效水含量-0.740*0.740*0.991**0.777* 1飽和導水率-0.756*0.756*0.921**0.808**0.990** 1D>0.25 mm-0.3960.396*0.2380.5660.2050.2381平均質量直徑-0.829**0.830**0.954**0.861**0.948**0.954**0.236 1SMBC-0.677*0.678*0.750*0.956**0.878**0.788*0.5890.801**1SMBN-0.659*0.685*0.806**0.784*0.809**0.688*0.4080.768*0.893**1

注:*表示不同處理之間差異顯著(p<0.05)，**表示不同處理之間差異極顯著(p<0.01)，且D>0.25 mm為土壤粒徑>0.25 mm大團聚體含量，SMBC表示土壤微生物量碳，SMBN表示土壤微生物量氮。

3 討論與結論

3.1 討 論

3.1.1 施用生物有機肥對土壤結構和水力學特性的影響 土壤容重和土壤總孔度作為土壤物理性質的重要指標，反映了土壤緊實程度、通氣狀況以及耕性質量好壞等[9-10]。本研究發現，施用生物有機肥后土壤容重降低，土壤孔隙度升高，原因可能是生物有機肥含有大量功能菌，功能菌微生物利用土壤中各種有機物質和無機物質進行生命活動，其通過分泌酶催化土壤中生物學和化學過程，促進土壤生物生命活動和作物根系生長，加上生物有機肥中有機質可改善土壤孔隙結構，從而導致土壤容重減小和總孔度增大。本研究還發現，隨土層深度增加，潮土土壤容重呈增加趨勢，而土壤總孔度呈下降趨勢，主要因為潮土區主要受人為耕作活動影響，土壤表層含有較多有機質和養分，使土壤疏松多孔，而隨土層深度增加，有機類物質和養分含量減少，再加上土壤自然沉積作用，下層土壤容重較大，通氣性較差。

研究生物有機肥對潮土土壤水力學特性的影響，對潮土區水資源合理利用、灌溉安排及干旱評估等方面有重要指導作用。本研究發現土壤質量含水量、土壤飽和含水量、田間持水量、凋萎系數、土壤有效水含量和土壤飽和導水率在不同土層中變化趨勢相同，即隨著土壤深度增加，土壤中各水力學指標含量均呈減小趨勢。施用生物有機肥未改變隨土層深度增加各指標含量的變化趨勢，但不同土層土壤水力學特性指標含量差值變大。土壤有機質含量和土壤養分含量對土壤各水力學指標含量具有影響作用[11]，施用生物有機肥可顯著增強土壤微生物活性，加快土壤有機質分解轉化和速效養分釋放，提高了土壤有機質含量和土壤肥力[12]，且生物有機肥含有的腐殖酸類物質是親水膠體，具有很強的吸水能力，同時生物有機肥中功能菌可促進土壤團聚體結構形成，土壤團聚體可增加土壤持水能力，從而使土壤質量含水量、土壤飽和含水量、凋萎系數、土壤有效水含量和田間持水量指標含量增大。本研究發現，施用生物有機肥可明顯提高土壤飽和導水率。劉祖香等[13]的研究表明土壤中有機質含量與土壤飽和導水率呈正相關關系，生物有機肥含有的有機質、養分和微生物可促進土壤生物活動以及團粒結構的形成，增加了毛管孔隙數量和通氣性，使土壤變得疏松，從而提高了土壤飽和含水量。施用生物有機肥對15—30 cm土層土壤各水力學指標含量均有一定促進作用，但效果并不明顯，這與高紅軍等[14]研究有所不同，原因可能是本研究中生物有機肥主要與表層土壤混勻，而15—30 cm土層土壤比較緊實，通氣性較差，不利于生物有機肥發揮作用，從而導致15—30 cm土層各處理中土壤各水力學指標含量之間差異不明顯。

3.1.2 施用生物有機肥對水穩性團聚體粒徑分布及穩定性的影響 土壤團聚體是土壤重要的組成部分，其粒徑分布及穩定性狀況對土壤肥力、土壤生態環境和生物種群特征等方面都具有重要意義。本研究發現，隨生物有機肥施用量增加，不同土層水穩性大團聚體含量和團聚體平均質量直徑系數均呈增大趨勢，而分形維數呈降低趨勢，說明生物有機肥可改善土壤團聚體分布情況，提高土壤團聚體穩定性。已有研究表明[15]，有機質是土壤團聚體的重要組分，在土壤團聚體的形成中具有重要的作用，生物有機肥中含有豐富的有機物質，有機質中的多糖和腐殖物質通過功能基、氫鍵及范德華力等機制改變土壤分散無結構和黏結大塊結構，促進團粒形成，提高了水穩性大團聚體含量。微生物是形成土壤團聚體最活躍的生物因素，土壤團聚體和微生物是不可分割的，前者是后者存在的場所，后者是前者形成的主要因素，施用生物有機肥可增加土壤微生物數量和活性[16]，土壤微生物通過直接改造或物理纏繞、分泌有機物和改變土壤疏水性等機制促進土壤團聚結構的形成和穩定。本研究中不同粒徑團聚體含量與趙紅等[17]研究的結果差異較大，原因可能是施肥種類不同造成土壤肥力水平差異，從而影響團聚體粒徑分布，且作物根系分泌物也會在一定程度影響土壤團聚體分布。

3.1.3 施用生物有機肥對土壤微生物量碳、氮的影響 微生物量碳是土壤中易利用的養分庫及有機物分解和氮礦化的動力，其與土壤各養分循環均有密切關系，而微生物量氮是土壤活性氮重要來源，其可調節土壤氮元素的供給。土壤微生物量碳、氮可作為土壤微生物量大小的指標，土壤微生物量碳、氮含量越高，土壤微生物生物量越大[18]。本研究發現，施用生物有機肥可提高不同土層土壤微生物量碳、氮含量，且隨生物有機肥施用量增加，土壤微生物量碳、氮均呈增加趨勢，原因可能是生物有機肥含有豐富的功能菌，功能菌微生物利用土壤中養分進行生命活動，同時生物有機肥中含有的豐富有機質和營養元素為土壤微生物活動提供了能量和動力，從而改善了種植黃瓜土壤微生物種群[19]，增加了土壤微生物生物量，使土壤微生物量碳、氮含量提高。生物有機肥可改善土壤生態環境，增強土壤生態系統穩定性，提高土壤質量和土壤肥力水平[3]，從而提高土壤氮素利用率和抑制土壤中有害物質的產生，為微生物營造良好生長環境，增加了土壤微生物生物量。施用生物有機肥使0—15 cm土層土壤水肥氣熱條件均優于15—30 cm土層土壤，有利于微生物進行生命活動，故0—15 cm土層土壤微生物量碳、氮含量均高于15—30 cm。

3.1.4 土壤物理指標和微生物碳、氮的相關性分析 通過對潮土土壤物理特性與微生物量碳、氮進行相關分析，結果表明：除土壤水穩性大團聚體含量外，其他土壤物理指標與微生物量碳、氮關系均達到顯著水平。土壤物理環境可通過影響土壤質量為土壤微生物生物活性提高奠定基礎，從而促進土壤微生物量碳、氮含量增加，這與Liang等[20]研究基本一致。施用生物有機肥增加了土壤有機質含量和土壤微生物數量，導致土壤疏松多孔和毛管孔隙增多，從而降低土壤容重，同時生物有機肥中功能微生物還可以促進土壤團聚體形成，提高土壤團聚體穩定性，增加土壤蓄水供水能力，故土壤容重與土壤水力學指標和土壤團聚體平均質量直徑呈顯著負相關關系。團聚體粒徑分布和穩定性影響土壤結構質量，良好的土壤結構解決了土壤水、氣矛盾，增強土壤保水保肥能力，進而提高了土壤各水力學特性指標，故土壤大團聚體含量和平均質量直徑與土壤各水力學指標呈正相關關系。

3.2 結 論

(1) 施用生物有機肥可增加0—15和15—30 cm土層中土壤各水力學指標含量、土壤大團聚體含量和平均質量直徑，降低土壤容重和土壤團聚體分形維數，說明生物有機肥可改良土壤物理特性，提高土壤耕作質量。

(2) 施用生物有機肥對提高不同土層土壤微生物量碳氮含量均有一定促進作用，且不同土層中土壤微生物量碳、氮含量隨生物有機肥施用量增加呈增加趨勢。

(3) 土壤物理指標中有效水含量與微生物量碳、氮含量均存在極顯著相關性，其對土壤微生物活動影響最明顯。