豬糞配施化肥對侵蝕林地土壤團聚體及其有機碳分布的影響

郭力銘，陳宇琳，周碧青，吳鳳英，毛艷玲,3 *

（1. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002；2. 土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002；3. 自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

0 引言

【研究意義】我國是世界上水土流失情況較為嚴重的國家之一，其中，南方紅壤丘陵區(qū)水土流失情況更為嚴重，僅次于黃土高原區(qū)域。福建省依山傍海，林地廣袤，耕地稀少，是南方紅壤丘陵區(qū)的代表地區(qū)。受高溫多雨的亞熱帶氣候和近年來人為因素的影響，該地區(qū)的崩崗等土壤侵蝕情況比較嚴重[1]，林地土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，土壤質(zhì)量下降。最明顯的表現(xiàn)之一就是該地區(qū)的土壤中團聚體及有機碳數(shù)量的減少。土壤團聚體是土壤質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性對土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、質(zhì)量及養(yǎng)分供給起決定性作用[2]，是綜合反映土壤肥力的重要參考依據(jù)。土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，也是土壤團聚體形成過程中的重要膠結(jié)物質(zhì)。有機碳不僅能夠有效提升土壤肥力，還會影響土壤中的團聚體結(jié)構(gòu)。土壤團聚體被破壞會導(dǎo)致土壤持水性、通氣性及保肥能力下降，耕地質(zhì)量惡化。因此，研究土壤團聚體及有機碳的分布及影響其穩(wěn)定性的因素，對改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，增加土壤團聚體數(shù)量具有重要意義。【前人研究進展】畜禽糞便是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機肥的重要來源之一，其富含作物生長所需的多種營養(yǎng)元素，獲取較為便捷。施用到土壤中不僅能夠增加土壤肥力，改良土壤性狀，增加土壤微生物活性，還能改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)。但如果施用過量，也會給農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成一定的負面影響，比如重金屬污染[3]。目前，國內(nèi)外已有大量研究表明，施用有機肥能夠有效提升土壤團聚體穩(wěn)定性。徐虎等[4]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥能夠顯著提高土壤中有機碳和全氮的含量，且增長量與有機物料施用量呈正相關(guān)趨勢。王超等[5]研究發(fā)現(xiàn)，施用雞糞可以有效提高磚紅壤中團聚體的機械穩(wěn)定性；邸佳穎等[6]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥配施化肥能夠提高水稻土中大團聚體的穩(wěn)定性，并增加土壤有機碳的固持能力。但也有研究表明，施用有機肥后，土壤中力穩(wěn)性大團聚體的含量及穩(wěn)定性有所下降[7]。由此可見，盡管關(guān)于施用有機肥對土壤團聚體穩(wěn)定性影響的研究很多，但并沒有一致的結(jié)論，要根據(jù)不同土壤情況進行針對性的研究[8]。【本研究切入點】豬糞中含有豐富的有機質(zhì)和微生物，但施用量不合理，也有可能對土壤造成負面影響，適得其反。目前，利用豬糞配施化肥改良土壤的研究大多針對耕地土壤[9]，而針對侵蝕林地土壤的研究鮮有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以南方侵蝕林地土壤為研究對象，施用化肥與豬糞，研究不同施用量下土壤團聚體結(jié)構(gòu)及相關(guān)指標(biāo)的變化，以期闡明施用豬糞對土壤團聚體結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的影響狀況，為畜禽糞便的合理施用及田間消納提供理論依據(jù)，為侵蝕林地土壤結(jié)構(gòu)改良及水土保持提供一定的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤于2018年10月采自福建省三明市清流縣靈地鎮(zhèn)（北緯25°50′42″，東經(jīng)116°47′50″），屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。該地區(qū)平均海拔為350 m，為低山丘陵地貌。年平均氣溫為18.2 ℃，最高氣溫可達38.8 ℃。夏季高溫多雨，降雨主要集中在5～6月，年平均降水量達1 853.5 mm，年平均日照時數(shù)1 583.4 h。該地區(qū)土壤為亞熱帶紅壤，是由花崗巖類經(jīng)風(fēng)化和淋洗作用后形成的殘坡積物發(fā)育而成的，具有較高的可蝕性。2008年人工將馬尾松林皆伐后，改種羅漢松（Podocarpus macrophyllus）、竹柏（Podocarpus nagi）等。供試土壤采自羅漢松林下表層（0～20 cm）土壤，自然風(fēng)干土樣后，將石塊、沙礫及動植物殘體等雜物去除，粉碎過2 mm篩備用，其基本理化性質(zhì)如下：pH5.43，土壤容重1.21 g·kg?1，有機質(zhì)4.39 g·kg?1，全氮0.58 g·kg?1，全磷0.26 g·kg?1，全鉀8.13 g·kg?1，堿 解氮24.58 mg·kg?1，速 效磷6.41 mg·kg?1，速效鉀81.54 mg·kg?1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為盆栽試驗，在福建農(nóng)林大學(xué)校內(nèi)進行。盆缽直徑為 25 cm、高 35 cm，每盆裝入7 kg土，種植2棵兩年生竹柏。試驗設(shè)5個處理：①對照（CK）；②化肥（F）；③化肥+低量豬糞（LFM）；④化肥+中量豬糞（MFM）；⑤化肥+高量豬糞（HFM），每個處理 設(shè)3次重復(fù)；化肥施 用 量F為500 kg·hm?2，采用環(huán)施法施肥；豬糞施用量由低到高分別為7.5、15、30 t·hm?2。試驗所用化肥m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶15∶15，所用豬糞經(jīng)堆肥發(fā)酵處理，有 機 質(zhì) 含 量 為377.31 g·kg?1，全 氮23.01 g·kg?1，全磷30.11 g·kg?1，全 鉀2.82 g·kg?1，pH 6.6，價 格為2元·kg?1。

1.3 土壤樣品采集及分析

竹柏種植7個月后收獲，用尺子和游標(biāo)卡尺分別測量株高、地徑。收獲后，每盆采用四分法取原狀土1 kg，將原狀土分為兩份，其中一份風(fēng)干后用于測定土壤理化性質(zhì)，另一份使其自然風(fēng)干，當(dāng)土壤含水量達到土壤塑限值（含水量22%～25%）時，沿土壤自然裂隙將其分成直徑1 cm左右的小塊[10]，繼續(xù)風(fēng)干，供團聚體分析測試使用。采用干篩法[11?13]測定土壤非水穩(wěn)性團聚體組成，將其分成＞2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm、＜0.25 mm等5個級別的團聚體樣品，通過稱重計算出各粒級團聚體樣品在風(fēng)干總土樣質(zhì)量中所占比例；采用濕篩法[14]測定土壤水穩(wěn)性團聚體組成。磨細烘干的團聚體土樣過0.149 mm篩，采用碳氮元素分析儀（德國Elemem tar）測定土壤碳氮。土壤總有機碳采用碳氮元素分析儀（德國Elemem tar）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù) 據(jù) 采 用M icrosoft Excel 2013和SPSS 20.0軟件進行整理分析，采用Ducan法比較不同處理間各種指標(biāo)之間的差異。利用各粒級團聚體質(zhì)量數(shù)據(jù)，計算團聚體平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑和團聚體破壞率，公式如下[8,15]：

式中，MWD為團聚體平均重量直徑，mm；為某粒徑團聚體平均直徑，mm；wi為某粒徑團聚體的質(zhì)量分數(shù)，%；GMD為團聚體幾何平均直徑，mm；WA0.25為＞0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體比例，%；DA0.25為＞0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體比例，%；PAD為土壤的團聚體破壞率，%；W0.25為＜0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體比例，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用豬糞對竹柏生長狀況的影響

施用豬糞對竹柏生長狀況的影響如圖1所示。與單施化肥相比，施用豬糞后，竹柏的株高和地徑增長效果更好，增長量均表現(xiàn)為化肥+中量豬糞＞化肥+高量豬糞＞化肥+低量豬糞＞單施化肥＞對照。其中，化肥+中量豬糞效果最佳，株高增長量是單施化肥的1.75倍，地徑增長量是單施化肥的2.08倍，差異顯著（P＜0.05），說明施用豬糞能夠有效促進竹柏株高和地徑的增加，且效果優(yōu)于單施化肥。

圖1 施用豬糞對竹柏生長狀況的影響Fig. 1 Effect of pig manure app lication on p lant grow th

2.2 施用豬糞對土壤團聚體分布的影響

施用豬糞對土壤中非水穩(wěn)性團聚體的分布狀況如圖2所示。在供試土壤中，非水穩(wěn)性團聚體以＞2 mm為主，占比為32.18%。在單施化肥處理中，各粒級非水穩(wěn)性團聚體含量與對照基本一致，二者沒有顯著差異（P＜0.05）。研究發(fā)現(xiàn)，在施用豬糞后，土壤中＞2 mm的非水穩(wěn)性團聚體增加，增幅表現(xiàn)為化肥+高量豬糞＞化肥+中量豬糞＞化肥+低量豬糞＞化肥＞對照，其中化肥+高量豬糞在＞2 mm粒 級的含量占比高達62.48%，增幅為30.3%；化肥+中量豬糞在＞2 mm粒級的含量增長了22.91%，說明施用豬糞能使土壤中非水穩(wěn)性大團聚體含量顯著增加（P＜0.05）。與對照相比，施用豬糞后，＜2 mm粒級的非水穩(wěn)性團聚體數(shù)量有所下降，其中，＜0.25 mm的團聚體含量隨著豬糞施用量的增加呈下降趨勢，表現(xiàn)為化肥+高量豬糞＜化肥+中量豬糞＜化肥+低量豬糞＜化肥，說明施用豬糞能夠促進紅壤中非水穩(wěn)性微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)變。

圖2 施用豬糞對土壤中非水穩(wěn)性團聚體分布的影響Fig. 2 Effect of pig m anure app lication on distribution of non-water-stable aggregates in soil

施用豬糞后土壤中水穩(wěn)性團聚體的分布情況如圖3所示。研究表明，供試土壤中水穩(wěn)性團聚體以＜0.25 mm粒級為主，占比為42.48%～63.04%。施用豬糞后，＞2 mm的水穩(wěn)性團聚體增加，而＜0.5 mm團聚體數(shù)量減少。其中＞2 mm的增幅表現(xiàn)為化肥+中量豬糞＞化肥+高量豬糞＞化肥+低量豬糞＞化肥＞對照。化肥+低量豬糞中水穩(wěn)性團聚體在＜0.25 mm粒級占比為54.24%；＞2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量相比對照顯著增加，增幅為8.12%?；?高量豬糞在＞0.5 mm的粒級中，水穩(wěn)性團聚體含量均有所增長，其中＞2 mm粒級增長顯著（P＜0.05），增幅為16.8%，而在＜0.25 mm粒級中的含量低于對照，降幅為15.48%。相比于單施化肥，化肥+中量豬糞在＞2 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量增長顯著（P＜0.05），增長了21.62%，而＜0.25 mm的含量則顯著減少（P＜0.05），降低了11.64%。說明施用豬糞可促進土壤中水穩(wěn)性微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化，效果優(yōu)于單施化肥，其中中量施用豬糞對紅壤中水穩(wěn)性微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化有顯著的促進作用。

圖3 施用豬糞對土壤中水穩(wěn)性團聚體分布的影響Fig. 3 Effect of pig manure app lication on distribution of water-stable aggregates in soil

2.3 施用豬糞對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是反映土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，MWD和GMD值越大表示團聚體平均直徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強[16]。由表1可知，施用豬糞和化肥后，非水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑（MWD）均呈增長趨勢，且配施豬糞的效果好于單施化肥。其中，化肥+中量豬糞與化肥+高量豬糞分別增長48.28%和59.05%。GMD值隨豬糞施用量增加而增加，且配施豬糞效果好于單施化肥，增加效果表現(xiàn)為化肥+高量豬糞＞化肥+中量豬糞＞化肥+低量豬糞＞化肥，其中化肥+高量豬糞的GMD值最高，相比對照增長了近一倍。

表1 施用豬糞對土壤非水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響Table 1 Effect of pig m anure app lication on stability of non-water-stable aggregates in soil （單位：mm)

由表2可知，與對照相比，施用豬糞及化肥后，紅壤中水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑均有所增長，增幅表現(xiàn)為化肥+低量豬糞＜化肥+高量豬糞＜化肥+中量豬糞，分別增長75%、109.09%和129.55%。單施化肥也能夠使水穩(wěn)性團聚體MWD值增加，但與配施豬糞的處理相比，效果略差。表明施用豬糞可顯著提高紅壤中水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性（P＜0.05）。幾何平均直徑隨豬糞施用量增加呈增長趨勢，增幅表現(xiàn)為化肥+中量豬糞＞化肥+高量豬糞＞化肥+低量豬糞＞單施化肥＞對照，其中化肥+中量豬糞的GMD值最大，相比對照增加了152.17%。由此可見，施用中量豬糞對水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的增加效果最佳。

表2 豬糞對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響Table 2 Effect of pig manure app lication on stability of water-stable aggregates in soil （單位：mm)

由圖4可知，施用豬糞能有效降低土壤團聚體破壞率。與對照相比，單施化肥對土壤中團聚體的破壞性并無顯著影響（P＞0.05）。施用豬糞后，團聚體PAD值顯著下降，其降幅表現(xiàn)為化肥+低量豬糞＜化肥+高量豬糞＜化肥+中量豬糞，其中化肥+中量豬糞的PAD值最低，降幅為19.10%。說明施用豬糞能夠顯著降低紅壤中團聚體的破壞率（P＜0.05），增加團聚體穩(wěn)定性，但降幅與豬糞施用量有密切聯(lián)系，當(dāng)豬糞施用量超過一定量時，降低反而有所減弱，因此適量配施豬糞效果更佳。

圖4 施用豬糞后紅壤中團聚體破壞率Fig. 4 PAD of red soil after app lication of pig m anure

2.4 施用豬糞對水穩(wěn)性團聚體有機碳分布的影響

紅壤中各粒級團聚體有機碳含量隨著豬糞施用量的不同，呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。如表3所示，在施用豬糞及化肥后，供試土壤中總有機碳量均顯著增加（P＜0.05），其表現(xiàn)為化肥+高量豬糞＞化肥+中量豬糞＞化肥+低量豬糞＞化肥＞對照。相比于單施化肥，化肥+低量豬糞、化肥+中量豬糞及化肥+高量豬糞的團聚體總有機碳的含量分別增長6.35%、21.83%和53.30%，說明施用豬糞可以顯著提高紅壤中有機碳的含量（P＜0.05），且配施豬糞效果優(yōu)于單施化肥。在施用豬糞后，＞2 mm的水穩(wěn)性團聚體有機碳含量均遠高于單施化肥，0.5～2 mm的有機碳含量隨豬糞施用量的增大而增大。由此可見，與單施化肥相比，配施豬糞更有利于土壤總有機碳的累積。在對照中，有機碳含量分布以＜0.25 mm團聚體為主，而在施用豬糞后，＞0.25 mm團聚體的有機碳含量顯著上升（P＜0.05）。在＞2 mm粒級團聚體中，有機碳含量表現(xiàn)為化肥+低量豬糞＜化肥+中量豬糞＜化肥+高量豬糞，相比于單施化肥，有機碳含量分別增長了81.48%、177.78%和403.70%。由此可見，施用豬糞能使水穩(wěn)性大團聚體的有機碳含量顯著增加（P＜0.05），且隨豬糞施用量增加而增加。而在＜0.25 mm粒徑范圍中，有機碳含量與豬糞施用量呈負相關(guān)趨勢，化肥+低量豬糞、化肥+中量豬糞與化肥+高量豬糞分別降低了12.33%、22.73%和33.77%。說明高量施用豬糞能夠顯著提高土壤中有機碳含量及水穩(wěn)性大團聚體的有機碳含量（P＜0.05），對微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化具有一定的促進作用，這與陸太偉等[17]的研究結(jié)果相一致。

表3 豬糞對水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的影響Table 3 Effect of pig manure on organic carbon content of water-stable aggregates （單位：g·kg?1）

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕林地土壤的非水穩(wěn)性團聚體分布以＞2 mm為主，且通過施用豬糞，該粒級的非水穩(wěn)性團聚體含量有所提升，而水穩(wěn)性團聚體的分布以＜0.25 mm為主，說明施用豬糞對土壤中非水穩(wěn)性大團聚體的形成有促進作用。研究發(fā)現(xiàn)，與單施化肥相比，施用豬糞能顯著提高團聚體穩(wěn)定性，其中對＞2 mm的團聚體的分布影響最為顯著，能有效促進微團聚體轉(zhuǎn)化為大團聚體，這與龍攀等[18]和代紅翠[19]的研究結(jié)果相一致。研究發(fā)現(xiàn)，中量施用豬糞對土壤水穩(wěn)性大團聚體的促進效果最好，增幅為24.92%，高量施用豬糞相比中量施用處理，水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量減少，說明適量施用豬糞使土壤中微團聚體粒徑增加，對微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化有顯著促進作用，但過量施用反而會抑制大團聚體的形成[20]。

團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是反映土壤團聚體大小分布狀況的重要指標(biāo)，其值越大，表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強[21]。石紋碹等[22]研究發(fā)現(xiàn)，施用豬糞有機肥可顯著增加潮土水穩(wěn)性大團聚體粒徑。本研究發(fā)現(xiàn)，相比于單施化肥，施用豬糞后，水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑均顯著增加（P＜0.05），其中中量施用豬糞后，團聚體MWD值最大，此時土壤團聚體水穩(wěn)性最強，而單施化肥的水穩(wěn)性團聚體MWD值漲幅不明顯。同樣，施用豬糞后，非水穩(wěn)性團聚體的GMD值均顯著增加（P＜0.05），且作用效果優(yōu)于單施化肥。這可能是因為豬糞中富含大量微生物，當(dāng)豬糞施入土壤中后，土壤中的微生物活性和生物量增加，改善了微生物群落結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了促進團聚體形成的分泌物，增加團聚體膠結(jié)物質(zhì)，增強了土壤顆粒間的黏結(jié)作用，從而增加土壤團聚體的穩(wěn)定性[23?25]。高量施用豬糞相比于中量施用，團聚體穩(wěn)定性有所降低，這說明過量施用豬糞對團聚體穩(wěn)定性有一定的抑制效果。

研究發(fā)現(xiàn)，施用豬糞可顯著降低土壤團聚體的破壞率，增加團聚體穩(wěn)定性，對土壤團聚體起到一定的保護作用，其中中量施用豬糞降低效果最佳。分析其原因可能為原土中有機質(zhì)含量偏低，而豬糞中含有大量有機質(zhì)及微生物，在施用豬糞后，土壤中團聚體形成時所需的膠結(jié)物質(zhì)含量增加，土壤團聚體膠結(jié)能力增強，導(dǎo)致水穩(wěn)性團聚體含量顯著增加，從而對團聚體產(chǎn)生了保護機制，有效降低了團聚體破壞率，提高了團聚體穩(wěn)定性，這與高煥平等[26]的研究結(jié)果一致。此外，豬糞的適量施用使土壤中水穩(wěn)性大團聚體的數(shù)量增加，增強了團聚體穩(wěn)定性，這可能是導(dǎo)致PAD值減小的因素之一。

施用有機肥是提高土壤中有機碳含量的重要手段之一。本研究發(fā)現(xiàn)，高量施用豬糞能夠顯著提高土壤中總有機碳量和各粒徑團聚體有機碳含量，有效促進了土壤團聚體結(jié)構(gòu)形成并提高了其穩(wěn)定性，這與多位學(xué)者的研究結(jié)果一致[27?28]。研究發(fā)現(xiàn)有機碳分布主要在＞0.25 mm粒級，表明土壤中大團聚體對有機碳的富集能力強于微團聚體。施用高量豬糞后，土壤中微生物數(shù)量和活性增加，能夠促進有機碳的分解和礦化以及作物生長，導(dǎo)致作物根系分泌物增加，增強團聚體膠結(jié)作用，同時作物殘留物回歸土壤中，也能增加有機碳的含量，對侵蝕林地土壤修復(fù)有一定作用。