不同有機廢棄物提升新圍涂地土壤有機碳庫與生物活性的效果

尉吉乾，倪春霄，許思嘉，章明奎

（1杭州市農業技術推廣中心，杭州 310020；2杭州市臨平區農業農村局，杭州 311100；3浙江大學環境與資源學院，杭州 310058）

0 引言

海涂是中國東部沿海地區重要的土地資源，大部分圍墾海涂可培育成良好的耕地[1-2]。中國早期的海涂圍墾是采用“先墾后圍”，經過一定時間耕作熟化后的圍墾涂地一般已具備較高的土壤肥力，可基本滿足農業生產需要。但20世紀70年代以后的海涂利用多采用“先圍后墾”，在低灘地上筑堤，然后排水形成耕地，這類圍墾的耕地多為生土，因缺乏培肥，其生產能力較低，主要表現為土壤有機質偏低、結構不良、生物活性低下[3]。因此，如何提高土壤有機碳水平和微生物活性是這類耕地改良的主要內容。大量的研究表明，有機肥能提高土壤有機質水平[4-6]，提供土壤各種養分[7-9]，改善土壤結構[10]，增加土壤微生物的活性[11-13]。中國東部地區人口密度高、農業發達，畜禽糞便、城市垃圾、生活垃圾、作物秸稈、沼渣、果蔬收獲殘留物及城市污泥等有機廢棄物產生量大。有機廢棄物是一種棄之為害、用之為寶的肥料，利用有機廢棄物培肥土壤是其重要的利用方向[4]。然而，有機物料因來源不同，其成分可有較大的差異，對土壤質量的提升效果也有所不同[14-19]。為了解不同來源的有機廢棄物在改良新圍涂地土壤上的效果，本研究采用盆栽試驗比較了等量有機碳條件下施用豬糞、雞糞、稻草秸稈、蔬菜收獲殘留物、廚余垃圾堆肥、沼渣、豬糞/稻草秸稈堆肥和生活垃圾堆肥等8種有機廢棄物對土壤有機碳庫和生物活性的影響。

1 供試土壤和試驗方法

1.1 供試土壤

供試土壤為浙東圍墾時間約5年的圍墾荒地，采自錢塘江口。土壤已基本脫鹽，但還未進行培肥改良。土壤類型為灰潮土，質地壤土，有機碳含量4.98 g/kg，全氮0.074 g/kg，全磷0.41 g/kg，有效磷4.74 mg/kg，速效鉀164 mg/kg，陽離子交換量(CEC) 7.54 cmol/kg，pH 7.68。

1.2 供試有機廢棄物

供試的8 種有機廢棄物（包括經處理后的堆肥）的有機碳和全氮含量有較大的差異（表1），有機碳的含量在322.48～510.10 g/kg 之間，全氮的含量在7.11～31.54 g/kg之間；C/N比在10.22～56.66之間。

表1 供試有機廢棄物性狀（測定結果以干物質為基礎）

1.3 試驗方法

供試土壤經充分混勻、風干過5 mm 土篩后用于盆栽試驗。試驗共設9 個處理，包括不添加有機廢棄物的對照和每千克土壤分別添加相當于25 g有機碳的8種有機廢棄物處理。試驗用盆缽為一容積為10 L的塑料桶，每盆裝土量為10 kg；重復3 次。試驗前各處理土壤在65%田間持水量條件下預培養7 天，之后分別添加相應數量的有機廢棄物并經充分混勻后進行培養試驗。試驗期間室溫和空氣濕度分別控制在20～25℃和75%～85%之間；期間用稱重法保持土壤含水量（田間持水量的70%左右）。培養試驗共持續30周，分別在第10、20、30周采樣分析相關指標的變化。

1.4 分析方法

采集的土樣經風干并分別磨細過2 mm和0.149 mm土篩用于分析，分析指標包括土壤pH、容重、水穩定性團聚體、有機碳、活性有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳氮磷及脲酶、中性磷酸酶、蛋白酶、蔗糖酶、過氧化氫酶等酶的活性。pH 用pH 計測定；容重用容重圈測定；水穩定性團聚體用濕篩法測定；土壤有機碳用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤中易氧化有機碳采用0.333 mol/L 高錳酸鉀氧化法測定[20]；土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定[21]，提取液中碳用Shimadzu TOC自動分析儀測定，氮用凱氏定氮法測定；土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸-NaHCO3提取法測定[22]，提取液中磷用比色法測定。土壤水溶性有機碳采用去離子水浸提（水土比為5:1，25℃下浸提30 min，高速離心后過0.45μm濾膜抽濾），提取液中的有機碳采用TOC儀測定。土壤蔗糖轉化酶、過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶用常規方法測定[23]。其中，蔗糖轉化酶用3,5-二硝基水楊酸比色法，過氧化氫酶用滴定法；脲酶用奈氏比色法；脫氫酶用氯化三苯基四氮唑(TTC)法；中性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法。

采用碳庫管理指數(CPMI)表征試驗土壤碳庫變化[24]。計算公式如式(1)所示。

其中：CPI=樣品總碳含量(g/kg)/參考土壤總碳含量(g/kg)；AI=樣品碳庫活度(A)/參考土壤碳庫活度；A=土壤活性有機碳含量(g/kg)/土壤非活性有機碳含量(g/kg)；本研究中活性有機碳是指易氧化有機碳，非活性有機碳為總碳與活性碳的差值。以對照土壤碳庫管理指數為100，施有機廢棄物后碳庫管理指數高于100，說明土壤碳庫有所改善。統計分析采用軟件SPSS12.0完成。

2 結果與分析

2.1 土壤酸堿性和土壤物理性狀

表2為試驗結束時（第30周）對土壤容重、水穩定性團聚體和pH的測定結果。結果表明，各類有機廢棄物的施用輕微降低了土壤pH，提高了土壤中水穩定性團聚體的數量，降低了土壤容重。對降低土壤pH效果明顯的有機廢棄物包括蔬菜收獲殘留物和餐廚垃圾堆肥，pH 比對照降低約0.2 個單位。降低土壤容重和增加土壤中＞0.25 mm 水穩定性團聚效果較好的有機廢棄物種類基本一致，主要為豬糞、豬糞/水稻秸稈堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣。

表2 不同有機廢棄物對土壤容重、水穩定性團聚體和pH的影響（培養30周）

2.2 土壤有機碳積累、有機碳活性與碳庫管理指數變化

施用各類有機廢棄物均可提高土壤中有機碳、易氧化有機碳和穩定態有機碳的含量（表3）。與對照比較，所有施用有機廢棄物的土壤有機碳含量均顯著增加，但增加量隨培養時間的增加而逐漸下降。至培養時間30 周時，土壤有機碳增幅較大的為豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣，比對照增加223%～277%；其次為豬糞、雞糞和水稻秸稈，比對照增加108%～137%；施用蔬菜收獲殘留物的增幅較小，僅比對照增加53%。土壤中易氧化有機碳的增幅比有機碳更為明顯，施用各類有機廢棄物土壤的易氧化有機碳均顯著高于對照。但土壤中易氧化有機碳含量也隨培養時間的增加呈現迅速下降，至培養時間30 周時，施用蔬菜收獲殘留物的土壤易氧化有機碳比對照增加37%，相對較低；其他處理的土壤易氧化有機碳均比對照增加了78%～157%，其中以施用豬糞/水稻秸稈堆肥的效果最為明顯。同時，各類有機廢棄物的施用也明顯增加了穩定態有機碳（非活性有機碳），但其增幅小于易氧化有機碳。與易氧化有機碳不同，土壤中穩定態有機碳含量隨培養時間呈緩慢增加的趨勢，說明在培養過程中存在活性有機碳向穩定有機碳的轉化；與對照比較，土壤中穩定態有機碳的增量與有機碳總量的增幅趨勢基本相似。至培養30 周時，增幅最大的為豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣，比對照增加323%～402%；其次為豬糞、雞糞和水稻秸稈，比對照增加133%～186%；施用蔬菜收獲殘留物的增幅較小，僅比對照增加68%。

表3 不同有機廢棄物對土壤有機碳庫的影響 g/kg

水溶性有機碳是土壤中活性較高的有機碳，是土壤中活性有機碳的重要組成。表4 可知，有機廢棄物的施用顯著地提高了土壤中水溶性有機碳的水平，其含量是對照的數倍至數十倍；但水溶性有機碳隨培養時間可發生較大的變化，多數呈現先增加后下降的變化特點。隨著培養時間的進一步增加，活性有機碳的分解，其含量可發生不斷下降。

土壤碳庫管理指數可表征土壤中有機物質的轉化速率，能反映土壤質量的變化[25]；已被廣泛應用于施肥對土壤碳庫影響的評價[26-27]。表4表明，施用各類有機廢棄物均明顯提高了土壤的碳庫管理指數，這在試驗初期尤為明顯。但隨著培養時間的增加，活性有機碳的分解、降低，土壤的碳庫管理指數也逐漸下降。至培養時間30周時，施用蔬菜收獲殘留物的土壤的碳庫管理指數為124%，比對照增加24%；其他廢棄物處理的土壤的碳庫管理指數均明顯高于對照，并以施用豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣的處理較高，比對照增加65%～98%；施用豬糞、雞糞和水稻秸稈的增加量略低，增加50%～62%。

表4 施用不同有機廢棄物對土壤水溶性有機碳和碳庫管理指數的影響

2.3 土壤微生物生物量碳、氮、磷的變化

施用各類有機廢棄物后,土壤微生物生物量碳、氮、磷均顯著增加（表5），說明有機廢棄物的施用明顯提升了土壤生物活性。土壤中微生物生物量碳明顯高于微生物生物量氮和磷，并以微生物生物量磷為最低。隨著培養時間的增加，土壤中微生物生物量碳迅速下降，微生物生物量氮、磷也呈現下降趨勢，但兩者的下降速率一般低于微生物生物量碳的下降。施用各類有機廢棄物的土壤之間微生物生物量碳、氮的變化趨勢較為相似，其變化與以上有機碳的積累變化趨勢基本一致，但各處理之間微生物生物量磷的變化有所不同，以施用豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥、豬糞和雞糞的較高，其他處理相對較低。

表5 施用各類有機物對土壤水溶性碳、氮、磷的影響

2.4 土壤酶活性

施用各類有機廢棄物均顯著提高了土壤酶的活性。表6 為培養30 周后土壤中5 種酶活性的分析結果，雖然對酶活性的影響因有機廢棄物種類不同有所差異，但總體上以施用豬糞、雞糞、豬糞/水稻秸稈堆肥和餐廚垃圾堆肥的土壤具較高的酶活性；而施用蔬菜收獲殘留物的土壤5 種酶活性增幅均相對較小；施用水稻秸稈對增加土壤中的蔗糖轉化酶和過氧化氫酶活性有較大的作用，而對其他3 種酶活性的增效相對較小；生活垃圾堆肥對增加土壤中的脲酶和脫氫酶活性有較大的作用，而對蔗糖轉化酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶活性的增效相對較小。

表6 施用不同有機物對土壤酶活性的影響（30周）

3 結論

試驗結果表明，與對照比較，施用任何有機廢棄物對改善新圍涂地土壤質量均有不同程度的作用，但不同來源的有機廢棄物在提升土壤有機碳庫和生物活性作用有所差異。有機廢棄物中含有大量的有益微生物,施入土壤后可明顯增加土壤中微生物生物量碳、氮、磷；改善土壤結構，為微生物提供了良好的環境。豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣對提升新圍涂地土壤有機碳庫、生物活性及農田碳庫管理指數的效果最為顯著；其次為豬糞、雞糞和水稻秸稈；蔬菜收獲殘留物因主要由新鮮有機物質組成，其穩定性較差，對提升土壤有機碳庫和生物活性的效果較差。在新圍涂地改良中應優先考慮施用豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣等有機廢棄物。

4 討論

不同來源的有機廢棄物元素組成、性狀可有較大的變化[4]，當被用作土壤改良劑時它們在土壤中的分解、轉變也有差異，從而對土壤的影響也有差異，以上8種有機廢棄物的施用對新圍涂地土壤性狀的影響不同顯然與不同有機廢棄物的物質組成差異有關。施用不同有機廢棄物均可顯著提高土壤有機碳和活性有機碳，這與有機廢棄物主要成分為有機碳有關；同時，有機廢棄物的施用明顯增加了土壤中微生物生物量碳、氮和磷及土壤酶的活性，這是由于有機廢棄物的投入都不同程度地增加了土壤中活性有機物質[28-31]，而后者既是土壤中微生物活動的能量來源（提供碳源），也是土壤微生物的主要組分（提供碳、氮、硫等元素）[32-33]；而且土壤中有機物質的降解與轉化主要通過微生物與酶反應來完成；土壤有機物與土壤微生物相輔相成，使得有機廢棄物的施用增加了土壤中微生物生物量碳、氮和磷，提高了土壤酶的活性[34]。

土壤碳庫管理指數可反映土壤管理措施對土壤有機質變化的影響，用于土壤質量變化的評價[27]。以上研究結果表明，施用各類有機物均可提高土壤中有機碳和活性有機碳組分的含量，但隨著時間的增加，土壤碳庫管理指數逐漸下降，這與施入土壤中的有機廢棄物隨時間增加其中的活性組分逐漸分解有關[16,33]。蔬菜收獲殘留物為新鮮的有機物質，其在土壤中容易發生降解，因此它們降解后殘留在土壤中的有機碳相對較少，除部分轉化為相對穩定的有機碳外，多數隨時間迅速分解，導致其最后的土壤碳庫管理指數相對較低。而其他有機廢棄物在土壤中可停留較長的時間，相應土壤的碳庫管理指數明顯高于對照。

雖然有機廢棄物對土壤不同指標的影響有所差異，但從以上的結果可知，施用豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣對改善土壤有機碳、微生物生物量碳、酶活性等作用總體上明顯高于其他有機廢棄物，其原因是豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣是已經過生物發酵處理的有機物，其中的有機碳具有較高的生物穩定性[16]，它們在土壤中的分解速率較慢，故而對提升土壤有機碳、微生物活性和碳庫管理指數具較高的潛力。因此，從提升新圍涂地土壤有機碳庫和生物活性考慮，應優先選擇豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥、餐廚垃圾堆肥和沼渣等有機廢棄物作為改良劑。