連續施用土壤改良劑對砂質潮土團聚體及作物產量的影響

張 賀，楊 靜，周吉祥，李桂花，張建峰

（耕地培育技術國家工程實驗室/中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

蝦頭、蟹殼等廢棄物中含有豐富的蛋白質、礦物質、甲殼素和蝦青素，是良好的功能性材料，適合資源化利用[1]。有研究表明，經過生物發酵等工藝處理的蝦頭、蟹殼等廢棄物作為有機改良劑應用于土壤中，或施用以甲殼素作為包膜材料的緩控肥，可以改善土壤保水性能[2]，增加土壤速效養分含量[3]，抑制根際土壤真菌的繁殖，增加根際土壤細菌和放線菌的數量[4]，促進植株生長，提高作物產量[1]。還有研究發現，這種改良劑對于障礙性土壤具有良好的改良效果，如冀拯宇等[5]研究發現該改良劑施用于鹽堿土壤中，可以降低土壤全鹽量、鈉吸附比和pH，改善土壤化學性質；周吉祥等[6]將有機改良劑施用于砂質土壤，可以提高土壤碳庫指數，提高土壤保肥能力。

凹凸棒土因其具有較大的比表面積、高陽離子交換量，較好的吸附性、保水性、黏結性等特點[7]而受到廣泛關注，其含有大量營養元素 (如Si、Ca、Al、Fe、Mn[8]等)，可滿足作物對多種養分的需求[9]，而被廣泛應用于農業領域。楊蘇等[10]研究發現，添加凹凸棒土有效改善黃河故道潮土土壤結構、增加＞0.25 mm粒級團聚體含量和最大持水量。王依惠等[11]和劉左軍等[12]發現，添加凹凸棒土可以提高小麥光合特性，增加小麥千粒重、淀粉含量和產量。因此，將凹凸棒土作為無機改良劑是改善土壤結構、提升土壤質量、增加作物產量的有效途徑[10-11]。

土壤結構是土壤功能的基礎，土壤團聚體對穩定土壤結構、積累腐殖質和養分供應起著至關重要的作用[13-14]。前人對不同改良劑的田間和實驗室研究表明，土壤改良劑對土壤結構有積極的影響。如施用生物炭改良劑，配合施用氮肥和磷肥，可以提高0.25～2 mm粒級團聚體比例和團聚體穩定性[15]，增加土壤有機碳、全氮和磷含量；Dai等[16]在砂土中施用秸稈改良劑，發現其可提高團聚體的穩定性；Zhao等[17]研究發現，添加有機物料 (玉米和小麥秸稈) 可顯著提高大團聚體的質量分數，增加有機碳儲量。但是，關于用蝦頭蟹殼廢棄物合成的有機土壤改良劑與凹凸棒土兩者連續多年單獨或者配合施用對砂質潮土土壤結構改良和作物增產效應的研究還鮮見報道。砂質潮土作為黃淮海糧食主產區廣泛分布的土類之一，存在較多屬性障礙和衍生障礙，如結構性差、腐殖質積累作用弱、蓄水保肥能力弱等。而利用改良劑改善土壤結構，實現保水保肥是砂質潮土增產、穩產的重要途徑。因此，本研究以河北廊坊砂質潮土為研究對象，采用田間定位試驗，通過分析小麥–玉米季作物產量、土壤團聚體以及團聚體碳氮含量的變化特征，評價新型土壤改良劑在養分供應、土壤結構等方面的改良效果，以期為蝦頭蟹殼和凹凸棒土的資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤改良劑

本試驗所用有機改良劑為實驗室自制，將蝦頭蟹殼廢棄物粉碎后按照重量2∶3混合加入草炭、秸稈和花生殼及其他材料，接入地衣芽孢桿菌、干酪乳桿菌、枯草芽孢桿菌等多種微生物菌劑，經過好氧發酵、高溫堆肥等工藝處理后制成商業化產品，其理化性狀為：pH 7.75、全氮14.7 g/kg、全磷21.05 g/kg、全鉀 22.88 g/kg、有機質 73.74 g/kg。無機改良劑為改性凹凸棒土，其主要理化性狀為：pH 8.40、全氮 0.07 g/kg、全磷 0.08 g/kg、全鉀 0.01 g/kg、比表面積 369 m2/g、陽離子交換量 (CEC) 21.96 cmol/kg。

1.2 試驗地概況

試驗地位于河北省廊坊市萬莊鎮中國農業科學院國際高新技術示范園區 (39°36′N、116°36′E)，屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫11.9℃，年均降水量550 mm，集中在6月份。土壤為砂質潮土。試驗前0—20 cm土層土壤的基礎肥力指標如下：土壤有機碳 7.48 g/kg、全氮 0.81 g/kg、有效磷 17.55 mg/kg、速效鉀 153.32 mg/kg、pH 8.83。

1.3 試驗設計

田間試驗于2015年10月開始，到2019年10月已連續種植4年8季作物。采用小麥–玉米輪作制度，供試作物為當地主栽品種，小麥為‘廊研43’、玉米為‘鄭單958’。試驗共設4個處理：1) 單施化肥 (CK)；2) 化肥+無機改良劑 2.25 t/hm2(SA)；3) 化肥+有機改良劑 15 t/hm2(SC)；4) 化肥+有機改良劑 15 t/hm2+無機改良劑 2.25 t/hm2(SCA)。每個處理設置3次重復，采用隨機區組排列方式。試驗小區面積為30 m2，不同小區間起壟隔開。施肥按照當地施肥習慣 (表1)。有機改良劑和無機改良劑在種植前隨基肥一同施入，并通過多次翻耕與耕層土壤混勻。其他大田管理措施均與當地習慣一致。不同土壤改良劑養分輸入量見表1。

表 1 不同土壤改良劑各處理養分輸入量 (kg/hm2)Table 1 Nutrient inputs under different soil amendments

1.4 樣品采集、測定項目及方法

1.4.1 土壤樣品采集 于2019年6月 (小麥收獲期)和10月 (玉米收獲期) 在各個試驗小區采用“S”型5點取樣法，使用土鉆采集耕層 (0—20 cm) 土壤樣品。去除土壤樣品中的石礫、根系等雜物，將5個取樣點充分混勻的土壤樣品放入帶有冰袋的保溫箱內，帶回實驗室。隨后將樣品分為2份，一份于實驗室陰涼處風干，過2 mm篩后測定理化性質以及水穩性團聚體含量；另一份裝入白色棉布袋，于4℃冷凍保存，用于測定土壤微生物量。

1.4.2 測定項目和方法 土壤理化指標均采用土壤農化分析常用分析法[18]測定。土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法[19]，將解凍的新鮮土壤樣品在恒溫25℃的恒溫箱中培養7天后用氯仿熏蒸—硫酸鉀浸提，TOC儀測定碳和氮含量，用轉化系數0.45計算土壤微生物量碳氮。土壤團聚體組成分析采用Elliott等[20]描述的方法，通過濕篩法分離出粒徑＞0.25 mm 大團聚體、0.053～0.25 mm 微團聚體和＜0.053 mm粉粘粒組分。具體方法是將土樣中石塊和根系去除，稱取40 g平鋪于0.25 mm套篩內 (每個篩子里預先放置30個直徑為4 mm的玻璃珠)，將套篩放置在沉降桶內，隨后沿桶壁緩慢加入去離子水直至沒過土樣，浸潤5 min。然后上下振蕩2 min，振幅為4 cm，振動頻率為50次/min，最后將各層篩上的土壤樣品分別沖洗至容器中，在60℃下烘干至恒重，冷卻后稱重，計算各級別團聚體百分比。將各級團聚體的部分土樣研磨，過0.147 mm篩測定土壤有機碳和全氮含量。

1.5 數據計算

用平均重量直徑 (MWD)和幾何平均直徑(GMD) 作為評價土壤團聚體穩定性狀況的指標，具體計算公式為：

1.6 數據統計分析

用 SPSS 22.0 進行單因素方差分析 (ANOVA)和Duncan新復極差法對各變量進行顯著性檢驗，用R語言進行Pearson相關性分析；用Canoco 5.0進行冗余分析 (RDA)；AMOS 22.0進行結構方程模型(SEM) 分析，在分析之前使用R語言“vegan”包對土壤大團聚體和微團聚體含量及其碳氮含量進行PCA降維分析，并選用PC1的結果作為土壤團聚體分布指標；對土壤 MWD，GMD，粒徑＞0.25 mm團聚體進行PCA降維分析，并選用PC1的結果作為土壤團聚體的穩定性指標。用R語言“ggplot”包以及 Origin 2018 作圖。

2 結果與分析

2.1 連續施用不同土壤改良劑對作物產量和土壤基本性質的影響

如圖1所示，在2019年小麥季和玉米季，有機–無機改良劑配合施用對作物產量的提升作用最為明顯。小麥季SA和SC處理較CK處理產量分別增加了26.80%和24.42%，但未達到顯著水平；SCA處理較CK處理產量顯著增加了54.16% (P＜0.05)。玉米季產量情況與小麥季相似，只有SCA處理顯著增加了 24.26% (P＜0.05)。

圖 1 不同輪作季節作物產量 (2019年)Fig.1 Wheat and maize yields in 2019 under different soil amendments

連續施用土壤改良劑4年后，各處理土壤化學性質均有變化 (表2)。小麥季SC處理的土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機碳以及微生物量碳與CK相比分別顯著提升了31.33%、233.20%、39.94%、30.85%和8.82% (P＜0.05)。玉米季SCA處理的土壤各養分較CK均顯著提高，其中全氮、有效磷、速效鉀、有機碳以及微生物量碳含量分別顯著增加了21.35%、358.43%、46.65%、37.41%和33.65% (P＜0.05)。土壤pH在2019年小麥季和玉米季均隨著改良劑的施入而降低，其中在小麥季SC處理顯著降低3.19% (P＜0.05)，玉米季 SCA 處理顯著降低 5.92% (P＜0.05)。

表 2 不同改良劑對土壤基本化學性質和微生物量的影響Table 2 Soil chemical properties and microbial biomass under different soil amendments

2.2 連續施用不同改良劑對土壤團聚體的影響

2.2.1 不同輪作季節水穩性團聚體分布及穩定性的變化 由圖2可知，施用土壤改良劑影響團聚體組成。2019年小麥季微團聚體 (粒徑0.053～0.25 mm)含量相對較高，為69.78%～73.19%，大團聚體 (粒徑＞0.25 mm)和粉粘粒 (粒徑＜0.053 mm) 含量大致相同，分別為11.33%～16.15%和12.12%～18.88%。與CK相比，施用有機改良劑SC和SCA處理大團聚體分別顯著增加了 42.51%和29.66% (P＜0.05)。玉米季團聚體組成狀況基本與小麥季一致，微團聚體含量相對較高，為66.04%～72.72%。大團聚體中只有SCA處理達到顯著差異水平 (P＜0.05)，較CK增加了68.71%。粉粘粒含量SA、SC和SCA處理與 CK 相比，分別減少了 20.57% (P＜0.05)、11.97%和25.83% (P＜0.05)。

圖 2 不同改良劑處理土壤團聚體粒徑分布特征Fig.2 Fractions of soil aggregates under different soil amendments

土壤團聚體平均重量直徑 (MWD)、平均幾何直徑 (GMD) 常用來表征土壤中團聚體的穩定狀況，其值越大，表示土壤團聚度越高，結構穩定性越好。由圖3可知，小麥季SC處理的MWD和GMD較CK 分別顯著增加了 22.41%和20.35% (P＜0.05)。在玉米季，MWD和GMD在處理之間的變化規律一致，由高到低依次為SCA＞SC＞SA＞CK，只有SCA處理達到顯著差異水平，分別較CK處理增加了 35.47%和29.65% (P＜0.05)。

圖 3 不同改良劑處理土壤團聚體平均重量直徑 (MWD)和幾何平均直徑 (GMD)Fig.3 The mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of soil aggregates under different soil amendments

2.2.2 不同輪作季節土壤水穩性團聚體有機碳氮含量的變化 團聚體粒級大小對碳氮分布的影響較為顯著，其中大團聚體中碳氮含量最高，其次是粉粘粒，微團聚體最低。而土壤各級團聚體的C/N值卻呈現大團聚體＞微團聚體＞粉粘粒的規律。在各級團聚體中，SCA處理的有機碳含量最高，大團聚體、微團聚體和粉粘粒中有機碳含量與CK處理相比小麥季 (圖 4 B、C、D) 分別顯著增加了 26.49%、64.74%和51.23% (P＜0.05)；玉米季 (圖 4 F、G、H)分別顯著增加了34.10%、46.39%和64.83% (P＜0.05)。施用不同土壤改良劑也影響土壤各級團聚體中氮素的分布。在小麥季和玉米季土壤中，各級團聚體中全氮含量SCA處理較CK處理分別顯著增加了 16.40%～31.70% (圖 4 B、C、D，P＜0.05)和17.68%～52.67% (圖 4 F、G、H，P＜0.05)，說明SCA處理可以顯著增加各級團聚體對全氮的積累。

圖 4 土壤不同粒級團聚體中碳、氮含量和C/N值Fig.4 Aggregate-associated soil organic carbon (SOC), total nitrogen contents and C/N ratios under different soil amendments

2.2.3 不同粒級團聚體對耕層土壤碳氮貢獻率 由表3可以看出，兩季作物土壤不同粒級團聚體碳氮對土壤碳氮的貢獻率表現為：微團聚體最高，大團聚體次之，粉粘粒最低。大團聚體中，與CK處理相比，小麥季SC處理的有機碳和全氮貢獻率差異達到顯著水平，分別增加了29.06%和69.24% (P＜0.05)，玉米季SCA處理較CK處理差異達到顯著水平，有機碳和全氮貢獻率分別增加了61.62%和114.20% (P＜0.05)。粉粘粒中，小麥季 SA、SC和SCA處理有機碳貢獻率較CK處理分別減少了18.13%、31.97%和30.65%，全氮貢獻率較CK處理分別減少了16.16%、35.46%和41.41%，其中SC與SCA較CK處理均達到了顯著差異水平 (P＜0.05)；玉米季SA、SC和SCA處理有機碳貢獻率較CK處理分別減少了32.25%、11.29%和11.47%，全氮貢獻率較CK處理分別減少了16.46%、16.46%和16.89%，但均未達到顯著差異水平。

表 3 不同處理下不同粒級團聚體對耕層土壤碳氮的貢獻率 (%)Table 3 Contribution rates of soil organic carbon and nitrogen contents in aggregate fractions to their total content in soil samples under different treatments

2.3 土壤理化因子、微生物量對土壤團聚體的影響

如圖5A所示，以土壤不同級別團聚體為響應變量，以土壤理化性質和微生物量碳、氮為解釋變量進行冗余分析，結果表明，大團聚體與pH為負相關關系，與有效磷 (AP)、微生物量碳 (MBC)、有機碳(SOC) 以及各粒級團聚體中碳含量呈正相關關系。通過蒙特卡羅置換檢驗可知，AP (F=9.3，P=0.002)是影響土壤團聚體分布最為關鍵的環境因子，其次是 MBC (F=6.7，P=0.018)。結構方程模型 (SEM)表示改良劑施用后土壤理化性質和微生物量對土壤團聚體分布以及團聚體穩定性的直接和間接影響。圖5B中的結構方程模型 (SEM) 表明pH、AP和MBC可解釋78%大團聚體和微團聚體的分布，其中 AP和MBC 具有正向影響 (P＜0.001和P＜0.05)，而 pH 具有負向影響 (P＜0.001)。此外土壤大團聚體和微團聚體分布解釋了76%的團聚體穩定性，說明這兩種粒徑團聚體更利于潮土團聚體的穩定。

圖 5 玉米季不同粒級團聚體與土壤理化因子、各粒級團聚體有機碳及微生物生物量的冗余分析及結構方程模型分析Fig.5 Redundancy analysis and structural equation model (SEM) analysis of soil aggregate fractions with soil properties，aggregate-associated soil organic carbon and microbial biomass in maize season

2.4 土壤團聚體、土壤養分和作物產量的相互作用

如圖6A所示，相關性分析表明，作物產量與團聚體數量和團聚體穩定性呈正相關，與SOC和C/N 值呈顯著正相關 (P＜0.05和P＜0.01)，與 pH 呈極顯著負相關 (P＜0.01)。利用結構方程模型 (SEM)分析，發現團聚體穩定性和化學性狀解釋了55%的產量變化，其中SOC主要通過土壤C/N (路徑系數=0.468) 影響作物產量(圖6B)。此外，土壤SOC、pH與團聚體穩定性之間存在顯著交互關系，說明SOC和pH對團聚體穩定性有重要影響，而穩定的團聚體也會影響SOC和pH，進而影響作物產量。

圖 6 土壤理化性質、團聚體與作物產量結構方程模型分析Fig.6 Structural equation model (SEM) explaining soil properties, soil aggregate and crop yield

3 討論

3.1 連續施用土壤改良劑對土壤團聚體形成和分布的影響

在本研究中，施用有機改良劑后微團聚體所占總團聚體比例最高 (圖2)，與Yu等[21]在沙壤土長期施用無機肥和堆肥結果相似，而與Liu等[22]在江西紅壤施用生物炭改良劑、以及Mustafa等[23]在紅壤施用有機肥后團聚體分布結果不同，后者大團聚體比例更高。這可能是因為土壤質地不同。在砂質土壤中，粘粒含量相當低，土壤顆粒之間的粘結性較差，不易形成大團聚體，所以微團聚體比例最高。另外，本研究發現，施用有機改良劑會增加大團聚體數量，提高土壤團聚體穩定性 (圖3)。這一結果與梁堯等[24]在黑土上使用化肥配施有機肥，與Dai等[16]在沙土上施用秸稈改良劑的研究結果相似。主要原因是本研究中有機改良劑含有甲殼素等多糖類高分子化合物[25]，易與粘粒礦物晶面上的氧原子形成氫鍵，增加土壤團聚性；另一方面，增加的外源碳，直接或間接地為土壤團聚體提供了膠結劑，將微團聚體和初級顆粒結合到大團聚體上，通過物理保護增加土壤團聚體穩定性[26]。但不同的輪作季節，施用有機改良劑對土壤團聚體的影響不同，玉米季大團聚體、團聚體穩定性均高于小麥季。進一步用冗余分析和SEM分析，結果表明土壤pH是影響團聚體粒徑組成的關鍵因子，玉米季pH整體略低于小麥季，這一方面使土壤膠體表面電位勢降低，降低膠體表面排斥力；另一方面，本試驗區為堿性土壤，磷與土壤膠體交換性Ca2+形成磷酸鈣化合物，當pH降低時，磷酸鈣溶解度會升高，釋放出的Ca2+會增加土壤膠體的絮凝作用[27]。此外，玉米根系具有更大的根長密度，有利于小的團聚體通過根系和土壤真菌 (尤其是菌根) 的作用形成穩定的大團聚體[28]，這也在一定程度上解釋了玉米季團聚體穩定性高于小麥季的原因。因此，土壤pH以及玉米和小麥根系結構的差異可能影響不同輪作季節土壤團聚體分布和穩定性。

3.2 連續施用土壤改良劑對土壤團聚體中碳氮含量分配的影響

本研究表明，所有處理有機碳和全氮含量主要分配在大團聚體中 (圖4)。前人許多研究也證實了這一結論，例如Wang等[29]通過對不同年限茶樹土壤團聚體的研究，發現有機碳和總氮在大團聚體中有較高含量；Liu等[22]在紅壤中添加生物炭改良劑的結果表明，土壤有機碳和全氮在粒徑＞0.25 mm團聚體中含量最高，表明來源于土壤改良劑的外源碳優先固定在大團聚體中，并且大團聚體碳還可以在物理保護下不被分解。但Dai等[16]在砂質土壤中施用秸稈、糞便和生物炭作為有機改良劑的試驗中卻得到了相反的結果，相比于大團聚體和微團聚體，粉粘粒中有機碳的含量相對更高。主要是因為土壤中粉粘粒所占比例不同。我們的研究還發現，相較于微團聚體，粉粘粒中有機碳含量更高。這與粉粘粒與有機分子的化學結合能力以及礦物表面飽和度有關[30]，粉粘粒具有較大的表面積，可以吸附更多的有機碳。另外，Fang等[31]研究證實，在粉粒和粘粒中，微生物和酶對有機碳具有較低的分解效率，這也從另一方面解釋了粉粘粒中有機碳含量較高的原因。除此之外，本研究發現單獨施用無機改良劑對土壤團聚體中碳氮含量沒有顯著影響，而有機無機改良劑配施則會顯著增加各級團聚體中碳氮的含量。這是由于有機無機改良劑配合施用增加土壤中的外源碳輸入，同時促進微生物生物量的增加，進而影響碳氮的固存[32]。施用改良劑不僅會影響團聚體中有機碳和全氮的含量，還會對不同級別團聚體中有機碳和全氮的貢獻率產生影響。在本研究中，不同改良劑處理粒徑0.053～0.25 mm微團聚體中有機碳和全氮貢獻率最高。這與前人研究結果并不一致，張秀芝等[33]研究表明，長期施肥土壤粒徑0.25～2 mm和0.053～0.25 mm 兩個粒級的團聚體中有機碳貢獻率最大。這主要是因為團聚體含量的差異。另外，比較不同處理發現，有機改良劑提高了大團聚體中有機碳和全氮的貢獻率，悅飛雪等[34]和王碧勝等[13]的研究也印證了這一結果，這主要是因為改良劑進入土壤會改變土壤團聚體分布狀況，進而引起團聚體養分的變化。我們還發現，在不同輪作季節，有機改良劑對大團聚體中有機碳貢獻率的影響并不一致。在小麥季單獨施用有機改良劑，更利于大團聚體中有機碳和全氮貢獻率的提升，而玉米季則是在有機無機改良劑配施下效果更為顯著。之前有大量研究表明，雖然施用肥料或土壤改良劑會顯著提升各粒級團聚體中有機碳和全氮含量，但團聚體對土壤有機碳和全氮的貢獻率主要受其含量高低或受物理保護的影響[35]，因此pH以及根系結構仍然是不同輪作季節團聚體碳氮貢獻率產生差異的影響因素。此外，施用無機改良劑會增加微團聚體的有機碳貢獻率。主要是因為無機改良劑和NPK增加了有機碳的不穩定性[36]，并且隨著不穩定有機碳的耗盡，從大團聚體到微團聚體的碳流動也不斷增加[32]。

3.3 連續施用土壤改良劑對作物產量的影響

大量研究證明了有機–無機肥料的配合施用可以提高養分利用效率，增加作物產量[37-38]，本研究也得到相同結果。進一步用SEM分析表明，改良劑主要通過增加土壤有機碳含量、增加團聚體穩定性、改善土壤C/N、降低土壤pH來影響作物產量。具體增產機制可能是有機無機改良劑配施能夠改善土壤結構，增加大團聚體以及提高團聚體穩定性 (圖2和圖3)，并且良好的土壤結構增加了有機碳和全氮的儲存量[39]，改善了土壤C/N。而合理的土壤C/N促進微生物的生長與活動，并通過微生物對氮的固持和死亡釋放來調整土壤對氮素的供應，減少養分損失[40]，提高作物養分利用效率，提高作物產量。總之，良好的土壤結構可以支持可持續生產并提高作物產量，所以應用改良劑是改變土壤團聚體組成，提高產量的有效方式。

4 結論

通過4年的田間定位試驗，發現連續施用有機–無機改良劑，顯著增加砂質潮土大團聚體的形成和穩定性，增加土壤微生物量碳氮含量，提升土壤養分供應能力 (C/N調整)，最終實現小麥–玉米產量的顯著提高。