短期沼液化肥配施對砂姜黑土團聚體特征的影響

胡林,唐蛟,2,3,吳大付,靳沙沙,燕賈偉,王威

（1.河南科技學院資源與環(huán)境學院,河南新鄉(xiāng)453003；2.河南農業(yè)大學博士后流動站,河南鄭州450000；3.河南科技學院博士后研發(fā)基地,河南新鄉(xiāng)453003）

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模集約化的快速發(fā)展,在一定程度上滿足了人民對肉蛋奶的迫切需求,但是帶來的環(huán)境問題也逐漸凸顯.根據第一次全國污染源普查公報數據顯示,規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖產生糞便2.43億t,尿液1.63億t.畜禽糞便已成為農業(yè)面源污染中最突出的環(huán)境問題[1].如何合理有效地處理畜禽糞便是規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)面臨的首要問題,也是實現現代農業(yè)可持續(xù)、健康、協調發(fā)展的當務之急.

受養(yǎng)殖企業(yè)生產成本和經營利潤限制,現階段我國主要采用沼氣工程進行畜禽糞便處理.但是每年產生的畜禽糞便數量巨大,產生的沼氣雖然可以作為一種清潔能源直接進行利用,但是其厭氧發(fā)酵副產物（沼渣和沼液）體積極其龐大.其中沼渣能夠做成固態(tài)有機肥,在蔬菜和花卉種植中進行利用,但是沼液以液態(tài)形式存在,養(yǎng)分含量較低,受運輸成本限制,以就近農田肥料化利用為優(yōu)先選擇.以往研究表明沼液可以作為一種優(yōu)質有機肥,不僅為植物生長發(fā)育提供必須的營養(yǎng)元素,還可以提高土壤有機質含量,增加土壤團粒結構比例,調節(jié)土壤固、液、氣三相比例,從而達到改良土壤的效果[2-5].同時,施用到土壤中的沼液可以通過土壤膠體和有機質吸附溶液中的陽離子,起到一定的保肥性和緩沖性.此外,沼液中還含有大量的活性物質有助于植物根系和土壤微生物的生長和發(fā)育,促進植物生物量的積累和微生物活動,而且施用沼液有助于提高農作物產量,改良農作物品質[6-8].

土壤團聚體既是土壤結構形成的基本物質基礎,也是土壤肥力維持的重要載體,對于土壤養(yǎng)分、水分和空氣的運移產生重要影響[9-11].施肥作為最普遍的農田管理措施,對土壤團聚體分布有著至關重要的影響.長期不同施肥方式能夠對土壤養(yǎng)分含量及動態(tài)變化過程產生直接作用,同時對土壤團聚體穩(wěn)定性產生重要影響[12-14].有研究證明進行配比施肥,特別是有機肥和化肥配施有助于土壤團聚體的形成及增強其穩(wěn)定性,促進土壤微團粒向大團聚體形成,減少粒徑較小團聚體的組成比例,同時外源有機物的投入可以顯著增加土壤中大團聚體的數量,且在一定范圍內,隨著有機肥施用比例的增加而更為顯著[15-16].然而現代集約化農業(yè)生產過程過度依賴化肥,長期缺少有機物料的投入,容易導致土壤酸化和土壤有機質含量持續(xù)下降,引起土壤板結和土壤結構退化,造成土壤肥力下降,影響作物產量.

砂姜黑土是一種分布在黃淮海平原的中低產土壤類型,面積達370萬hm2,其中河南省砂姜黑土面積約120萬hm2,占全省耕地面積的13.9%.砂姜黑土具有干堅實、濕黏閉、脹縮強、耕期短、僵塊多、結構差等特點,而且土壤有機質含量低、供肥能力差[17].但是砂姜黑土區(qū)同樣具有土層深厚,熱量條件較好,地形平緩的優(yōu)勢,有利于開展大規(guī)模機械化耕作[18].常年進行小麥-玉米輪作容易導致土壤養(yǎng)分流失，有機物質難于積累.土壤結構不良,有機質含量低已經成為制約砂姜黑土作物高產穩(wěn)產和土地可持續(xù)利用的主要障礙.大量研究表明施用沼液可以有效改善土壤質量,提高土壤有機質的含量,提升土壤團聚體組成比例,還可以增加土壤微生物數量[2-5],然而目前有關大規(guī)模利用沼液對砂姜黑土改良的研究及沼液與化肥配施對砂姜黑土團聚體影響的研究較少.因此可以通過在傳統(tǒng)施用化肥基礎上與沼液進行配比施用,在砂姜黑土分布區(qū)域進行不同沼液化肥配施試驗,探究短期內兩者配施對砂姜黑土團聚體組成和穩(wěn)定性的影響,以期為沼液農田利用和砂姜黑土肥力提升提供理論和實踐指導.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于河南省周口市商水縣沼液農田資源化綜合利用長期定位實驗基地（33°63′N,114°28′E）.屬暖溫帶大陸性氣候,四季分明,冬寒夏熱,秋涼春早.歷年平均氣溫14.5℃,年均降水量為785.1 mm,降水量在季節(jié)分配上極不均勻,70%以上的降雨集中在6月到9月.年平均日照時間為2 094.9 h,年平均無霜期通常為223 d.該區(qū)域常年實行冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度,冬小麥播前進行旋耕和夏玉米免耕直播是當地采用的常見耕作方式.試驗區(qū)域土壤屬于典型砂姜黑土,耕層（0～10 cm）土壤的含有機質量為18.19 g/kg、含全氮量為1.18 g/kg、含有效磷量為19.62 mg/kg、含速效鉀量為180.96 mg/kg,土壤顆粒組成為砂粒41.08%、粉粒26.20%、黏粒32.72%.

1.2 試驗設計

供試玉米品種選擇“鄭單958”,播種時間為2020年6月15日,行距設置為60 cm,密度為67 500株/hm2.沼氣工程的主要原料是養(yǎng)殖產生的豬糞和尿液,也包括部分豬圈的沖洗水.通過采用微生物厭氧發(fā)酵工藝,控制發(fā)酵溫度35～40℃,根據季節(jié)溫度變化設定發(fā)酵時間7～10 d.發(fā)酵后的沼液轉移到覆蓋黑色高聚酯膜的貯存池中,以防氣體釋放揮發(fā).由于養(yǎng)殖場飼養(yǎng)規(guī)模和出欄量在試驗年限內相對一致,飼喂方式和發(fā)酵工藝標準化,可以保證在試驗年份使用的沼液的理化性質穩(wěn)定均勻.施用沼液的基本理化性質為pH值為7.55,總氮質量濃度（TN）為1 150～1 250 mg/L,總磷（TP）質量濃度為275.1～320.5 mg/L,總鉀（TK）質量濃度為350～610 mg/L.試驗用的復合肥為心連心牌黑++復合肥（N-P-K：28-4-6 kg/667m2）.玉米生育期折合總需N-P2O5-K2O為24-12-16 kg/667 m2.試驗共設置4個處理,試驗設計施肥方案見表1.

表1 試驗設計施肥方案Tab.1 Fertilization scheme of experimental design

試驗采用隨機區(qū)組設計,每個處理設置3個試驗小區(qū),各小區(qū)面積為60 m2（10 m×6 m）.小區(qū)之間均設置1.0 m的緩沖帶.沼液在播種前10 d通過噴灌撒施于地表,其他種植管理方式與當地常規(guī)種植方式保持一致.2020年9月23日進行玉米收獲并采集土樣,采用五點取樣法分別在各處理小區(qū)進行0～10 cm,10～20 cm耕層原狀土樣的采集,沿土壤自然縫隙把大土塊粉碎成粒徑＜10 mm的小土塊,自然風干后去除石礫和根系,用于土壤團聚體的測定.

1.3 土壤團聚體測定和計算

分別采用干篩法和濕篩法進行力穩(wěn)性和水穩(wěn)性土壤團聚體的測定[19-20].根據篩分的各粒級團聚體數據,進行平均質量直徑、幾何平均直徑、土壤團聚體結構破壞率的計算,具體計算公式為

式（1）～（3）中：Xi為任一級別的平均土壤團聚體直徑,數值上等于相鄰兩級篩孔的平均值,＞5 mm團聚體直徑上限為10 mm；Wi為對應于Xi的團聚體百分比.MR0.25為＞0.25 mm力穩(wěn)性團聚體含量/%,WR0.25為＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量/%.

1.4 數據分析

采用Excel軟件對數據進行整理并利用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對土壤團聚體數據進行單因素方差分析,并采用Duncan新復極差法（SSR）進行多重比較,置信水平設定為95%.利用Excel軟件繪圖.

2 結果與分析

2.1 沼液化肥配施對土壤力穩(wěn)性團聚體組成影響

沼液化肥配施對土壤力穩(wěn)性團聚體組成的影響見圖1.

圖1 沼液化肥配施對0～10 cm耕層土壤力穩(wěn)性團聚體組成的影響Fig.1 The effect of combined application of biogas slurry and chemical fertilizers on the composition of soil mechanically stable aggregates in the 0～10 cm cultivated layer

由圖1可知,沼液化肥配施對0～10 cm耕層各粒徑力穩(wěn)性土壤團聚體均產生顯著影響（F=4.76,P＜0.05）.與空白對照相比較,沼液化肥配施顯著降低了＞5 mm,2～5 mm粒徑力穩(wěn)性土壤團聚體組成比例（P＜0.05）,其中50%的化肥與50%的沼液配施（A3）與全化肥施用（A1）條件下＞5 mm土壤力穩(wěn)性團聚體組成比例無顯著差異,分別為9.65%和10.3%（P＞0.05）；其余各處理間均存在顯著性差異.然而與空白對照相比較,只進行化肥施用或者利用沼液化肥配施能夠顯著增加0.25～2 mm粒徑土壤團聚體組成比例,增加比例分別為55.7%,31.4%和71.8%.相較于全化肥施用,進行沼液化肥配施（A2和A3）可以顯著增加＜0.25 mm粒徑力穩(wěn)性土壤團聚體組成比例,但是不同沼液化肥配施比例之間無顯著性差異,分別為4.1%和4.36%（P＞0.05）.

不同處理下10～20 cm耕層的土壤力穩(wěn)性團聚體組成見表2.

表2 不同處理下10～20 cm耕層的土壤力穩(wěn)性團聚體組成Tab.2 Composition of soil mechanically stable aggregates of 10～20 cm cultivated layer under different treatments %

由表2可知,沼液化肥配施對10～20 cm耕層各粒徑力穩(wěn)性土壤團聚體均產生顯著影響（F=4.76,P＜0.05）.與空白對照相比較,沼液化肥配施顯著升高了＞5 mm土壤團聚體組成比例（P＜0.05）,各處理間均存在顯著性差異.全化肥施用（A1）與高化肥低沼液配比施用（A2）,低化肥高沼液配施（A3）與空白處理（CK）條件2～5 mm土壤力穩(wěn)性團聚體組成比例無顯著差異,分別為32.71%和31.91%,36.42%和35.67%（P＜0.05）.相較于全化肥施用,進行沼液化肥配施（A2和A3）可以顯著減少0.25～2 mm粒徑力穩(wěn)性土壤團聚體組成比例,降低幅度為11.5%和11.1%,且各處理間均存在顯著性差異（P＜0.05）.然而與空白對照相比較,只進行全化肥施用（A1）或者利用高沼液低化肥比例配施（A3）能夠顯著降低＜0.25 mm粒徑土壤團聚體組成比例,降低幅度分別為79%和75%；并顯著提高＞0.25 mm粒徑的大團聚體組成比例,增加比例為4.9%、1.4%和4.3%.

2.2 沼液配施對土壤水穩(wěn)性團聚體組成影響

沼液配施對土壤水穩(wěn)性團聚體組成影響見圖2.

圖2 不同處理下0～10 cm耕層水穩(wěn)性團聚體組成Fig.2 Composition of water-stable aggregates of 0-10 cm cultivated layer under different treatments

由圖2可知,沼液化肥配施對0～10 cm耕層各粒徑水穩(wěn)性土壤團聚體均產生顯著影響（F=4.76,P＜0.05）.與空白對照相比較,沼液化肥配施顯著降低了＞5 mm,2～5 mm粒徑水穩(wěn)性土壤團聚體組成比例（P＜0.05）,但是只有高化肥和低沼液配施（A2）和低化肥和高沼液配施（A3）在＞5 mm土壤水穩(wěn)性團聚體組成比例存在顯著性差異,其含量是4.7%和2.34%；2～5 mm水穩(wěn)性團聚體組成大小A2＞A1＞A3,降低幅度分別是20.7%、57.2%和65.1%,各處理間均存在顯著性差異.與空白對照相比較,各處理都能夠顯著增加0.25～2 mm粒徑土壤團聚體組成比例,增加比例分別為45%、21.6%和50.5%；相較于全化肥施用,進行沼液化肥配施（A2和A3）可以顯著降低＜0.25 mm粒徑水穩(wěn)性土壤團聚體組成比例,但是不同沼液化肥配施比例之間無顯著性差異,分別為15.25%和16.6%.

不同處理下10～20 cm耕層的土壤水穩(wěn)性團聚體組成見表3.

表3 不同處理下10～20 cm耕層的土壤水穩(wěn)性團聚體組成Tab.3 Composition of soil water-stable aggregates of 10～20 cm cultivated layer under different treatments %

由表3可知,沼液化肥配施對10～20 cm耕層各粒徑水穩(wěn)性土壤團聚體均產生顯著影響（F=4.76,P＜0.05）.與空白對照相比較,沼液化肥配施顯著降低了＞5 mm和2～5 mm粒徑水穩(wěn)性土壤團聚體組成比例（P＜0.05）,減少幅度分別是49.4%、9.8%和28.6%,16.2%、31.5%和37.5%,各處理間均存在顯著性差異.然而與空白對照相比較,只進行化肥施用或者利用沼液化肥配施能夠顯著增加0.25～2 mm土壤團聚體組成比例,增加比例分別為55.69%、33.9%和52.6%；相對于空白,只有全化肥（A1）和高化肥與低沼液配施（A2）顯著提升＜0.25 mm粒徑的組成比例；其中高化肥與低沼液配施（A3）條件下＞0.25 mm土壤水穩(wěn)性團聚體組成比例與空白對照有顯著差異.

2.3 沼液配施對土壤團聚體穩(wěn)定性參數影響

沼液配施對0～10 cm土壤團聚體平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）的影響見表4.

表4 沼液配施對0～10 cm土壤團聚體平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）的影響Tab.4 Effects of combined application of biogas slurry on the MWD and GMD of 0～10 cm soil aggregates %

由表4可知,沼液化肥配施對0～10 cm耕層力穩(wěn)性團聚體和水穩(wěn)性土壤團聚體均產生顯著影響（F=4.76,P＜0.05）.與空白對照相比較,沼液化肥配施顯著降低了力穩(wěn)性團聚體的MWD,GWD數值（P＜0.05）,降低幅度為27.4%、17.8%和29.9%,17.8%、13.0%和23.2%,且各處理均存在顯著性差異.與空白相比,沼液化肥配施均會降低水穩(wěn)性團聚體的MWD數值,分別降低幅度18.9%,7.4%和21.0%,其中全化肥（A1）和低化肥與高沼液配施（A3）與CK有顯著性差異.沼液化肥配施均會降低水穩(wěn)性團聚體的GWD數值,但是全化肥施用（A1）和50%的化肥與50%的沼液配施（A3）不存在顯著性差異,數值分別是0.95%和0.97%（P＜0.05）.

沼液配施對10～20 cm土壤團聚體平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）的影響見表5.

表5 沼液配施對10～20 cm土壤團聚體平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）的影響Tab.5 Effects of combined application of biogas slurry on the MWD and GMD of 10～20 cm soil aggregates %

由表5可知,沼液化肥配施對10～20 cm耕層力穩(wěn)性團聚體和水穩(wěn)性土壤團聚體均產生顯著影響（F=4.76,P＜0.05）.與空白對照相比較,沼液化肥配施顯著升高了力穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD數值（P＜0.05）,增加比例分別為10.4%、11.6%和20.8%,16.1%、8.6%和26.9%,各處理均存在顯著性差異；與空白相比,沼液化肥配施顯著降低了土壤水穩(wěn)性團聚體MWD數值,降低幅度為16.8%,0.8%和7.1%,雖然沼液化肥配施也顯著降低了土壤水穩(wěn)性團聚體GWD數值,但是化肥配施各處理（A1,A2,A3）并不存在顯著性差異.沼液配施對土壤團聚體結構破壞率的影響見表6.

表6 沼液配施對土壤團聚體結構破壞率的影響Tab.6 Effects of combined application of biogas slurry on soil aggregate structure destruction rate %

由表6可知,沼液化肥配施對土壤團聚體結構破壞率產生顯著影響（F=4.76,P＜0.05）.與空白對照相比較,化肥沼液配比施肥對不同耕層的影響不一樣,低化肥與高沼液配施（A3）顯著提高0～10 cm的PAD值,其他兩個處理（A1,A2）并無顯著性差異,數值分別是48.34%和49.15%（P＜0.05）.相較于空白來說,沼液化肥配比施肥會降低10～20 cm的PAD值,全化肥施用（A1）和50%的化肥與50%的沼液配施（A3）相比于空白（CK）條件下的10～20 cm的PAD值存在顯著性差異,數值分別是49.4%和49.61%（P＜0.05）.

3 討論

在本研究中,相對于空白處理,沼液化肥配施使不同深度土壤的大團聚體（＞0.25 mm）組成比例都有顯著增加,隨著沼液化肥配施中沼液比例的增加,＞0.25 mm的大團聚體所占比例也在逐漸增加,而＜0.25 mm的微團聚體組成比例在慢慢減少.原因可能是沼液中含有豐富的有機質和大量活性物質,隨著配施沼液量的增加,會逐漸提高土壤中有機質的含量,而土壤團聚體與土壤有機質含量是密不可分的.土壤團聚體的形成是一個漸進且復雜的過程.主要是有機和無機兩類膠狀物質的互相作用，其中土壤有機質和土壤微生物等作為有機膠結物質都對團聚體的形成有促進作用[19].而促使土壤團聚體形成的微生物種類較多,真菌和放線菌等以菌絲及其生活的代謝產物-多糖和其他有機物對土壤顆粒的膠結作用形成穩(wěn)定性團聚體[20].姜燦爛等[21]研究表明有機無機肥配施可使旱地紅壤有機質含量增加9%～54%,＞5 mm機械穩(wěn)定性團聚體增長2%～42%,改善了土壤團聚體結構及其穩(wěn)定性；有機肥施用明顯增加了＞2 mm大團聚體的比例,同時0.053～0.250 mm微團聚體比例降低[22]；陳敬軒等[23]研究表明,通過連續(xù)22 a的施肥,各處理相比較對照均顯著增加了耕層土壤中＞0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體含量,同時提高了土壤團聚體水平.劉恩科等[24]發(fā)現秸稈還田、有機肥施用均能促進＞0.25 mm土壤團聚體形成.有研究顯示,沼液與化肥配合使用,不但可以均衡土壤所需的營養(yǎng)元素,增強土壤的肥效,而且可以疏松土壤,增加土壤的透氣性,提高土壤團聚體組成和穩(wěn)定性[25].

團聚體平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、土壤團聚體結構破壞率（PAD）是常用來反映團聚體的穩(wěn)定性指標.土壤團聚體的MWD和GMD值越高,表明土壤越穩(wěn)定,能夠有效反映土壤團聚體組成分布和結構穩(wěn)定性[21,26-29].本文研究結果顯示,隨著沼液化肥配施比例增加,與空白相比較,0～10 cm耕層除了水穩(wěn)性團聚體的GWD升高以外,土壤力穩(wěn)性和水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD值顯著降低；10～20 cm耕層水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD值也顯著降低,但是力穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD值顯著升高.與空白對照相比較,0～10 cm耕層除了全化肥施用以外,沼液化肥配比的PAD值都升高.而在10～20 cm耕層各處理土壤的PAD值都是顯著降低.與鄭學博等[30]對旱地紅壤施加沼液后土壤力穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD值顯著升高,而水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD值影響不大；劉哲等[31]施用5種不同有機物料均顯著促進0～15 cm耕作層土壤水穩(wěn)性微團聚體向大團聚體（＞0.25 mm）的團聚,提高水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD結果不一致,主要原因可能是短期的沼液施入,達不到顯著的改良效果；不同的化肥沼液配施比例也會有不同的效果；沼液對不同的土質改良的效果不一致.

4 結論

（1）與空白對照相比較,隨著沼液施入比例的增加,砂姜黑土0～10 cm和10～20 cm耕層的土壤＞0.25 mm粒徑的力穩(wěn)性團聚體和水穩(wěn)性團聚體比例增加.

（2）50%沼液加50%復合肥處理,對＞0.25 mm粒級的力穩(wěn)性團聚體含量和水穩(wěn)性團聚體含量有顯著提升作用.

（3）隨著沼液施入比例的增加,砂姜黑土0～10 cm土壤力穩(wěn)性、0～10 cm水穩(wěn)性團聚體和10～20 cm土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD會降低,10～20 cm土壤力穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD會升高.與空白對照相比較,隨著沼液量的增加會提高0～10 cm土壤團聚體的PAD值,降低10～20 cm土壤團聚體的PAD值.