不同保水劑對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及微生物量碳、氮的影響

馬 征，董曉霞，張柏松1,*

(1.山東省植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟(jì)南 250100；3.農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100)

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，具有保證和協(xié)調(diào)土壤表層水、熱、氣、肥狀況、影響土壤微生物活性、維持土壤疏松熟化層等作用，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[1-2]。在土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程中，有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用是形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體的主要因素，土壤微生物，特別是真菌直接參與了土壤顆粒的團(tuán)聚。因此，微生物在土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定中起著重要的作用。土壤微生物量碳、氮是植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的“源”與“庫(kù)”，其大小可以表征微生物新陳代謝活動(dòng)強(qiáng)弱，對(duì)闡述團(tuán)聚體的形成、反映微生物群落狀態(tài)與功能變化、綜合評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量或肥力具有重要意義[3-4]。

保水劑(super absorbent polymer，SAP)作為一種具有超高吸水和保水能力的高分子聚合物，是良好的土壤膠結(jié)劑，既能蓄水保墑，又能促進(jìn)團(tuán)聚體的形成[5-6]。相關(guān)研究表明，保水劑對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有促進(jìn)作用，0.5～1和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體改善土壤結(jié)構(gòu)有顯著效果；隨著保水劑用量的增加，土壤中>0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量可顯著增加[7-8]。在土壤生態(tài)環(huán)境中，土壤微生物活性受諸多環(huán)境因素影響，其中土壤含水率和養(yǎng)分供應(yīng)是重要限制因子。保水劑的施入不但提高了土壤含水率，還可以吸附土壤和肥料中的養(yǎng)分并緩慢釋放，對(duì)改善土壤水熱條件，增強(qiáng)土壤微生物活性，增加微生物生物量均可產(chǎn)生積極影響。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于保水劑的研究多注重其自身材料的改進(jìn)，對(duì)作物生長(zhǎng)、土壤物理性狀及養(yǎng)分吸收利用的影響方面[9-11]，而有關(guān)保水劑所帶來(lái)的微生物量的差異如何在土壤團(tuán)聚體中體現(xiàn)，有待進(jìn)一步的研究。

本文采用小麥盆栽試驗(yàn)方式，研究了不同類型保水劑對(duì)土壤團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性及微生物量碳、氮的影響，明確保水劑對(duì)改善土壤微生態(tài)環(huán)境及土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)。隨著新型保水劑材料層出不窮，開展相關(guān)研究可為保水劑的合理使用及綜合評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)點(diǎn)位于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院飲馬泉試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(北緯36°72′，東經(jīng)117°09′)，該農(nóng)場(chǎng)屬于典型的暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫14.7 ℃，年平均降水671.1 mm，年日照時(shí)數(shù)2 616.8 h。該地區(qū)土壤類型為砂壤土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為12.70 g/kg，水解性氮46.68 mg/kg，有效磷18.57 mg/kg，速效鉀116 mg/kg，pH值7.96，鹽分0.47 g/kg，容重1.50 g/cm3，比重2.61，總孔隙度42.53%。

試驗(yàn)小麥品種為濟(jì)麥22。試驗(yàn)所選用的4種保水劑，按其合成材料可以分為，有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合類型保水劑(凹凸棒與聚丙烯酸鈉交聯(lián)物，簡(jiǎn)稱WT2，直徑2 mm)、聚丙烯酰胺型(丙烯酰胺與丙烯酸鉀鹽共聚物，簡(jiǎn)稱AS，3005 S，直徑≤0.3 mm)、復(fù)合類型有機(jī)肥保水劑(自制，簡(jiǎn)稱OSC，主要成分為AS與有機(jī)肥原料混合物，比例1∶2，其養(yǎng)分含量為：全氮1.52%，全磷1.50%，全鉀1.65%，有機(jī)質(zhì)36.24%)、復(fù)合類型腐殖酸保水劑(自制，簡(jiǎn)稱FSC，主要成分為AS與腐殖酸類原料混合物，比例1∶2，有機(jī)質(zhì)含量50.72%)。氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為重過(guò)磷酸鈣(P2O544%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)，有機(jī)肥原料為牛糞、菌渣等，腐殖酸類原料為腐殖酸、生化黃腐酸鉀等。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用盆栽法，花盆規(guī)格為30 cm×25 cm(直徑×高)，每盆裝土15 kg，將肥料和保水劑與一部分土壤混合，然后與剩余土壤混合裝盆使用。試驗(yàn)以單純施肥為對(duì)照，選用4種保水劑，2個(gè)保水劑施用水平，共設(shè)9個(gè)處理，分別為CK(NPK)、T1(NPK+2 g/kg WT2)、T2(NPK+5 g/kg WT2)、T3(NPK+2 g/kg AS)、T4(NPK+5 g/kg AS)、T5(NPK+5 g/kg OSC)、T6(NPK+10 g/kg OSC)、T7(NPK+5 g/kg FSC)和T8(NPK+10 g/kg FSC)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。施肥量為氮150 kg/hm2，磷60 kg/hm2，鉀60 kg/hm2，肥料一次性施入。商品保水劑施用量以2 g/kg為適宜量，5 g/kg為過(guò)量，自制有機(jī)肥保水劑及腐殖酸保水劑的施用量參考有機(jī)肥施用量，設(shè)5和10 g/kg 兩個(gè)水平。

小麥于2015年10月30日播種，每盆20粒小麥種子，待出苗后定苗15株，試驗(yàn)過(guò)程中每周澆水1次，每次1 L，定期除草，2016年6月2日收獲。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量測(cè)定

分別于拔節(jié)期及成熟期，按“S”型五點(diǎn)取0～20 cm土層原狀土樣，自然風(fēng)干后除去粗根及小石塊，采用Elliott濕篩法測(cè)定[12]，具體方法為：將50 g樣品放置于孔徑自上而下為2、1、0.5、0.25、0.053 mm的套篩之上；將套篩緩慢放入水中，保持最頂層篩的上邊緣低于水面，浸潤(rùn)10 min；使用TTF-100型團(tuán)聚體分析儀進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)速30次/min，定時(shí)20 min；將各級(jí)孔徑篩層上團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至鋁盒，烘干稱重得Wwi，計(jì)算得到各級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比。

1.3.2 土壤微生物量碳、氮的測(cè)定

微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)采用Vance等[13]的氯仿熏蒸-K2SO4提取法測(cè)定。取12.5 g鮮土2份，一份進(jìn)行氯仿熏蒸，一份不熏蒸，至于暗處(25℃)培養(yǎng)24 h。排除氯仿后，加入0.5 mol/L K2SO450 mL，振蕩30 min后過(guò)濾，浸提液中的MBC和MBN采用總有機(jī)碳分析儀(德國(guó))測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比：

(1)

式中：wi為i粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分比(%)；Wwi為i粒級(jí)團(tuán)聚體重量(g)。

>0.25 mm團(tuán)聚體含量：

(2)

式中：R0.25為粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體含量(%)；Mr>0.25為粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體的重量(g)；MT為團(tuán)聚體總重量(g)。

平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)：

(3)

幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)：

(4)

不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)ELT(%)：

(5)

分形維數(shù)(D)的計(jì)算國(guó)內(nèi)一般沿用了楊培嶺等[14]推導(dǎo)的公式：

(6)

對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，即得：

(7)

土壤微生物量碳(MBC，mg/kg)：

(8)

式中：EC為熏蒸土壤有機(jī)碳量與未熏蒸土壤有機(jī)碳量之差，mg/kg；KC為MBC轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.45)[15]。

土壤微生物量氮(MBN，mg/kg)：

(9)

式中：EN為熏蒸土壤總氮與未熏蒸土壤總氮之差，mg/kg；KN為MBN轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.54)[16]。

土壤微生物熵為土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳比值[17]，即

土壤微生物熵(%)=MBC/TOC

(10)

式中：TOC為土壤總有機(jī)碳含量，mg/kg。

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用DPS 7.05軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(Pearson correlation，雙側(cè)檢驗(yàn))。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

2.1.1 保水劑對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響

在拔節(jié)期和收獲期，不同保水劑對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布影響顯著(表1)。拔節(jié)期，4種保水劑可顯著降低<0.05 mm的團(tuán)聚體含量9.94%～39.76%，其中AS保水劑效果最為顯著，T3和T4在<0.05 mm的團(tuán)聚體含量分別比CK降低36.99%和39.78%。低施用量時(shí)，WT2和AS主要提高了0.5～1和0.25～0.5 mm的團(tuán)聚體含量，OSC對(duì)>0.25 mm的各粒徑級(jí)均有不同程度提高，F(xiàn)SC主要提高了耕層土壤>2、1～2和0.5～1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。隨著施用量翻倍，WT2和FSC處理<0.05 mm的團(tuán)聚體含量分別顯著減小33.19%和39.41%；AS處理的0.05～0.25 mm團(tuán)聚體含量顯著減小19.85%。與低施用量相比，高施用量使WT2和AS處理的>2、1～2和0.5～1 mm、OSC處理的0.25～0.5 mm和FSC處理的>2、0.5～1和1～2 mm的團(tuán)聚體含量顯著上升。隨著作物生長(zhǎng)，到收獲期，AS、OSC和FSC均可顯著降低<0.25 mm的團(tuán)聚體含量，顯著增加>0.25 mm的團(tuán)聚體含量，其中FSC處理主要提高了>2、1～2和0.5～1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，隨保水劑用量的增加效果更加顯著。WT2對(duì)土壤團(tuán)聚體影響較小，高施用量對(duì)小麥生長(zhǎng)起抑制作用。除WT2外，各處理在拔節(jié)期和收獲期的土壤R0.25值均高于對(duì)照，增幅在46.97%～124.89%和9.35%～75.20%。其中T8處理在拔節(jié)期和收獲期增幅均為最高。

2.1.2 保水劑對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

從表2可看出，拔節(jié)期4種保水劑施入后，各處理的土壤團(tuán)聚體MWD值比對(duì)照分別顯著增加了22.73%、95.45%、72.73%、118.18%、77.27%、68.18%、118.18%和136.36%，GMD值比對(duì)照分別顯著增加了37.50%、100.00%、87.50%、125.00%、62.50%、37.50%、87.50%和125.00%，說(shuō)明保水劑施用可提高土壤團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度和穩(wěn)定性[18]。WT2、AS和FSC處理的MWD和GMD值隨施用濃度的增加呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，但OSC處理的作用效果在濃度間的差異不顯著。收獲期FSC處理作用效果最好，MWD和GMD值分別比對(duì)照顯著增加102.32%、146.51%和88.89%、200.00%，AS和OSC處理效果近似，MWD和GMD值分別比對(duì)照增加20.93%～86.05%和33.3%～94.44%，但AS在兩濃度間有顯著差異，而OSC不明顯。WT2處理效果與對(duì)照相比沒(méi)有顯著差異。

表1 不同時(shí)期各處理的各粒徑級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比 (%)

注：圖中粒徑相同的一組中，不同小寫字母表示不同處理間的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表2 保水劑對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

注：同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.1.3 保水劑對(duì)土壤顆粒分形維數(shù)的影響

運(yùn)用回歸分析法，由(7)式計(jì)算出土壤顆粒分形維數(shù)。如表2所示，拔節(jié)期土壤顆粒分形維數(shù)變化范圍是2.74～2.85，收獲期土壤顆粒分形維數(shù)變化范圍是2.50～2.74。在保水劑的作用下各處理D值均顯著降低，T4降低幅度最大，為3.51%，但AS保水劑施用量增加并未引起D值的顯著變化。收獲期WT2處理的D值與CK無(wú)顯著差異，其他處理D值降低幅度在1.83%～8.42%，OSC和FSC處理在施用低濃度時(shí)效果相當(dāng)，當(dāng)施用量加倍時(shí)FSC處理D值更小，說(shuō)明施用FSC的土壤結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高。

2.2 保水劑對(duì)土壤微生物量碳、氮的影響

2.2.1 保水劑對(duì)土壤微生物量碳及微生物熵的影響

不同保水劑處理土壤BMC含量見(jiàn)表3，BMC含量介于58.86～126.70 mg/kg之間，各處理差異顯著(P<0.05)，除T2外各處理均比對(duì)照明顯上升，其中FSC的BMC含量較高，分別比對(duì)照提高189.27%和161.78%。保水劑通過(guò)其高分子材料對(duì)養(yǎng)分保持、緩慢釋放，為微生物提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。OSC原料中含有有機(jī)物料，為土壤微生物提供了碳源和能源，使微生物生長(zhǎng)繁殖加快，但也會(huì)加速土壤原有有機(jī)碳的分解，從而一定程度上降低BMC含量，T5處理BMC值比T1、T3分別降低了20.15%和33.37%。隨著OSC施用量進(jìn)一步增大，有機(jī)質(zhì)和全氮輸入增多，供微生物利用的碳、氮源增大，使得T6處理BMC值比T5顯著升高72.24%。FSC原料中的腐殖酸成分不但可以促進(jìn)氮磷鉀肥料利用率，還可為微生物提供碳源、氮源，顯著提高BMC值。

微生物熵反映土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為土壤微生物量碳的效率[19]。本文中微生物熵的范圍為0.53%～1.64%，除T2和T5外，其他處理微生物熵比CK都有不同程度增加，其中T6、T7和T8處理分別比對(duì)照顯著提高76.71%、124.66%和87.67%，說(shuō)明OSC和FSC處理有利于促進(jìn)土壤有機(jī)碳向土壤微生物量碳轉(zhuǎn)化，從而增強(qiáng)有機(jī)碳的礦化。

表3 不同類型保水劑對(duì)收獲期土壤生物量碳、氮的影響

2.2.2 保水劑對(duì)土壤微生物量氮和微生物量碳氮比的影響

由表3可得，土壤BMN雖然與BMC值差異明顯，但其變化規(guī)律與BMC基本一致。WT2對(duì)BMN值無(wú)明顯影響，AS在低施用量(T3)時(shí)BMN值與對(duì)照亦無(wú)明顯差異，隨著施用量增大，保水劑對(duì)土壤氮素吸持效果顯現(xiàn)，使得土壤氮水平增加，一定程度上提高了土壤微生物量氮含量，T4比對(duì)照顯著提高62.44%。OSC和FSC處理BMN值顯著高于對(duì)照，T5～T8處理增幅分別為48.81%、132.44%、107.95%和334.89%。

土壤微生物量碳氮比與微生物群落結(jié)構(gòu)有關(guān)，可反映土壤中真菌和細(xì)菌的比例。微生物量碳氮比越高，真菌越占優(yōu)勢(shì)[20]。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，T1、T3和T7處理的微生物量碳氮比分別較對(duì)照顯著提高35.74%、87.15%和39.36%，但比值均在3～5之間，仍舊是細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)。

3 討論

3.1 不同保水劑對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

保水劑的吸水—釋水過(guò)程中伴隨著保水劑的膨脹與收縮，土壤孔隙便由此形成，適量保水劑可調(diào)節(jié)土壤通氣狀況。同時(shí)，保水劑具有良好的膠結(jié)作用，可促進(jìn)團(tuán)粒的形成、提高水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，有助于土壤結(jié)構(gòu)的改善。有研究表明，施加保水劑可使土壤團(tuán)聚體含量顯著提高，當(dāng)保水劑與肥料配施后土壤團(tuán)聚體含量亦有顯著提高，且隨保水劑用量增大而增大[21]。但保水劑效果因其種類、施用量和施用土壤不同而存在一定差異。本研究分別應(yīng)用R0.25、MWD、GMD、ELT和D5個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)不同保水劑對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在拔節(jié)期，保水劑施用量為2 g/kg時(shí)，4種保水劑均能顯著提高R0.25、MWD、GMD值，各指標(biāo)分別比對(duì)照增加46.97%～88.59%、22.73%～118.18%、37.5%～87.5%；4種保水劑亦能顯著降低ELT和D值，各指標(biāo)分別比對(duì)照降低11.97%～22.59%、1.4%～3.5%。但保水劑用量加倍后，WT2顯著抑制了小麥的生長(zhǎng)，OSC效果濃度間差異不顯著。隨著小麥生育期的推進(jìn)，收獲期除WT2外，其他各處理的R0.25、MWD、GMD值分別提高30.00%～75.19%、37.21%～146.51%和33.33%～200.00%，其中FSC效果最好，這可能是腐殖酸類物質(zhì)本身也具有膠體性質(zhì)，同保水劑成分共同作用，促使土壤礦物質(zhì)膠體結(jié)合，形成土壤無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合膠體，使土壤中水穩(wěn)性團(tuán)粒增加。

3.2 不同保水劑對(duì)土壤團(tuán)聚體中微生物量碳、氮的影響

4 結(jié)論

土壤團(tuán)聚體及土壤微生物量碳、氮對(duì)不同保水劑的響應(yīng)說(shuō)明，保水劑類型對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和微生物活性均有顯著的影響。本研究采用的4種保水劑中，WT2和AS主要提高了耕層土壤0.5～1和0.25～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，OSC對(duì)>0.25 mm的各粒徑級(jí)均有不同程度提高，F(xiàn)SC主要提高了耕層土壤>2、1～2和0.5～1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)而言，F(xiàn)SC更有利于土壤小顆粒膠結(jié)成較大粒徑的團(tuán)聚體。不同保水劑處理較對(duì)照均能使MBC值有一定的提高，但保水劑施用量與MBC值的變化無(wú)明顯規(guī)律。低施用量時(shí)，WT2和AS對(duì)MBN無(wú)顯著影響，隨著施用量增大，AS、OSC和FSC處理的MBN值均顯著增大。FSC處理的MBC和MBN值顯著高于其他處理，說(shuō)明該保水劑可有效改善土壤微環(huán)境條件，進(jìn)而提高土壤質(zhì)量。該試驗(yàn)從物理、生物的角度研究保水劑對(duì)土壤的影響，以期為科學(xué)評(píng)價(jià)土壤保水劑對(duì)農(nóng)田土壤健康質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。