番茄秸稈和菌菇渣還田對土壤團聚體穩(wěn)定性及其有機碳分布的影響

王敏，李祥云，趙征宇，王圣健，孫永紅，朱丕生，王政，劉樹堂

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 青島 266100）

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和土壤有機碳固存的重要場所，其穩(wěn)定性和有機碳含量是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是保障作物高產(chǎn)的必要土壤條件，對維護土壤碳庫穩(wěn)定具有重要意義［1－3］。良好的土壤團聚體結(jié)構(gòu)不僅對種子萌發(fā)、根系發(fā)育和作物生長有重要影響，對于保持土壤肥力，提高土壤孔隙度、持水性以及保護土壤有機碳都具有非常重要的作用［4，5］。秸稈還田是促進(jìn)耕作土壤團聚體穩(wěn)定的重要手段。有研究發(fā)現(xiàn)，東北黑土區(qū)添加外源有機物料顯著增加＞2 mm粒級團聚體含量，顯著降低0.053～0.25 mm團聚體含量，提高水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑，提高有機碳含量［6］。孫雪等［7］基于18年的長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，化肥配以秸稈還田顯著提高粒徑＞0.25 mm團聚體含量和團聚體穩(wěn)定性，提高土壤和團聚體各組分有機碳含量。但目前關(guān)于秸稈還田對團聚體組成的研究大多著眼于糧食作物秸稈還田，對蔬菜秸稈還田的相關(guān)研究還較少。

近年來，我國蔬菜種植面積和產(chǎn)量逐年增加，隨之產(chǎn)生的大量殘株、藤蔓和果殼等農(nóng)業(yè)廢棄物已成為第四大農(nóng)作物秸稈，約占全國農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量9.09%［8－10］。目前，絕大部分蔬菜秸稈被隨意丟棄腐爛，嚴(yán)重污染農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。如何將蔬菜廢棄物進(jìn)行無害化、資源化利用成為亟需解決的問題。為此，本研究設(shè)置不同的番茄秸稈和平菇菌渣還田比例，輔以腐熟劑和化肥進(jìn)行秸稈直接還田，研究其對土壤團聚體組成及其有機碳含量的影響，以期為探索蔬菜秸稈等農(nóng)業(yè)有機廢棄物資源化利用方式和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019—2020年青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院院內(nèi)（36°9′4″N，120°25′45″E）3 m2獨立水泥池中進(jìn)行。連續(xù)兩年該區(qū)年均降水量650～800 mm，多集中在夏季，年均氣溫約12℃。土壤類型為潮土，耕層土壤基本理化性質(zhì)：有機質(zhì)含量1.42 g／kg、堿解氮118.80 mg／kg、速效磷170.02 mg／kg、速效鉀150.13 mg／kg，pH值6.7。

1.2 試驗設(shè)計及方法

試驗采用雙因素裂區(qū)設(shè)計（表1），以菌菇渣和番茄秸稈混合還田比例（下也稱秸稈還田比例）為主處理，分別為3∶7（S1，菌菇渣9 t／hm2＋番茄秸稈21 t／hm2）、2∶3（S2，菌菇渣12 t／hm2＋番茄秸稈18 t／hm2）和1∶1（S3，菌菇渣15 t／hm2＋番茄秸稈15 t／hm2）；腐熟劑（世明生物反應(yīng)堆專用菌種001）添加量為副處理，分別為75 kg／hm2（A1）、105 kg／hm2（A2）、135 kg／hm2（A3），秸稈還田所有處理在秸稈填埋時均添加尿素300 kg／hm2；此外，設(shè)置不施肥空白處理（CK）和常規(guī)施肥處理［CF，基施有機肥（有機質(zhì)含量≥7%）1500 kg／hm2、NPK復(fù)合肥（15－15－15）300 kg／hm2，追施復(fù)合肥300 kg／hm2］。所有處理重復(fù)3次。

表1 試驗設(shè)置

將菌菇渣和番茄秸稈曬干，之后番茄秸稈切成5～10 cm長的小段，菌菇渣敲碎，二者混勻后直接填埋于事先挖好的溝槽內(nèi)（深20～30 cm），再將腐熟劑均勻撒在秸稈上，鐵锨拍振后起土回填，澆水濕透秸稈。2～3 d后起壟，秸稈上土層厚度保持15～20 cm。用粗鋼筋在每行間打孔，穿透秸稈層，孔穴保持通暢以利于通氣促進(jìn)秸稈腐熟。

種植模式為青椒－白菜輪作。常規(guī)施肥處理于兩種蔬菜種植前和生長期分別進(jìn)行一次。秸稈還田一年兩次，分別于青椒和白菜種植前2周完成。

1.3 樣品采集及測定

2020年白菜收獲后采集0～20 cm表層原狀土樣，自然風(fēng)干后除去根系及小石塊等雜物，將大土塊按自然裂痕剝離為直徑1 cm左右小塊。土壤水穩(wěn)性團聚體分離采用濕篩法：稱取100 g風(fēng)干土樣，放置在團粒分析儀套篩桶上，調(diào)整桶內(nèi)水面高度，使篩子移動到最高位置時最上一層篩子上面恰好淹過水面，浸潤5 min，以上下振幅3 cm、30次／min的速度篩分5 min，留在土篩上的組分轉(zhuǎn)移至已稱重的燒杯中，再將土樣分離成＞2 mm、＞0.25～2 mm、0.053～0.25 mm、＜0.053 mm四個級別的團聚體，制得樣品在70℃下烘干24 h稱重［11］。本試驗中所有處理均無＞2 mm團聚體。有機碳測定采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行［12］。

1.4 測定指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理

（1）平均重量直徑（mean weight diameter，MWD），計算公式如下：

式中，Xi和Wi分別代表團聚體第i個組分的平均直徑（mm）和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（%）。

（2）幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD），計算公式為：

式中，Wi為不同粒級團聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（%），lnXi為土壤粒級平均直徑的自然對數(shù)。

（3）＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，計算公式為：

式中，Wt為不同粒級團聚體總質(zhì)量（g），W＞0.25為平均直徑＞0.25 mm土壤粒級質(zhì)量（g）。

（4）貢獻(xiàn)率，即土壤某粒徑團聚體中有機碳對總有機碳的貢獻(xiàn)率，計算公式如下：

式中，Y為某粒徑團聚體有機碳對總有機碳的貢獻(xiàn)率（%），Ci為某粒徑團聚體有機碳濃度（g／kg），Mi為某粒徑團聚體質(zhì)量（g）。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 24.0進(jìn)行方差分析，Duncan’s法進(jìn)行多重比較分析，采用Origin 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤團聚體質(zhì)量分布的影響

不同處理對土壤水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量組成有明顯影響（圖1）。各處理均以＞0.25～2 mm大團聚體為主，平均約占全土的45.15%，其次是＜0.053 mm的粉黏粒，0.053～0.25 mm的微團聚體組分含量最少。所有處理中常規(guī)施肥處理（CF）＞0.25～2 mm大團聚體含量最少，為40.02%，＜0.053 mm的粉黏粒含量最高，為35.99%，與空白對照（CK）和秸稈還田處理相比，其土壤水穩(wěn)性團聚體中大團聚體含量減少，粉黏粒含量增加。秸稈還田處理中S2A1處理大團聚體含量最多，為51.83%，S1A3處理最少，為42.78%。秸稈還田處理大團聚體含量比CF增加6.90%～29.51%，除S2A1和S3A1處理外，其他秸稈還田處理大團聚體含量與CF和CK間無顯著差異（P＞0.05）。秸稈還田處理微團聚體含量最高的是S1A2，為28.95%，最低的是S2A3，為22.21%，秸稈還田處理與CF、CK間均無顯著差異（P＞0.05）。秸稈還田處理S1A3粉黏粒含量最多，為34.67%，S2A1處理最少，為21.03%，秸稈還田處理粉黏粒含量比CF處理減少3.67%～41.57%，除S2A1處理外，其他秸稈還田處理與CF、CK間無顯著差異（P＞0.05）。

圖1 不同處理下土壤水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分布特征

菌菇渣和番茄秸稈不同還田比例以及腐熟劑不同添加量對土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響也有明顯差異。由圖2A看出，S1、S2和S3三種還田比例下，秸稈還田處理間大團聚體、微團聚體和粉黏粒含量均無顯著差異（P＞0.05）。其中S2處理大團聚體含量最高，為47.84%，粉黏粒含量最少，為26.45%；S1處理大團聚體含量最少，為43.49%，粉黏粒含量最多，為29.70%。S1、S2和S3處理大團聚體含量高于CF，且S2、S3與CF差異顯著（P＜0.05）；粉黏粒含量均低于CF處理，且S2處理與CF差異顯著（P＜0.05）。S1、S2和S3處理微團聚體含量高于CF，但差異不顯著（P＞0.05）。

由圖2B看出，A1、A2和A3三種不同腐熟劑添加量下，秸稈還田處理間大團聚體和微團聚體含量均無顯著差異（P＞0.05），A3處理粉黏粒含量顯著高于A1。A1處理大團聚體含量最高，為48.31%，粉黏粒含量最少，為25.27%；A3處理大團聚體含量最少，為44.58%，粉黏粒含量最多，為32.79%。大團聚體含量隨腐熟劑添加量的增加而逐漸減小，粉黏粒含量隨腐熟劑添加量的增加而逐漸增大。A1、A2和A3處理大團聚體含量高于CF處理，其中A1處理與CF差異顯著（P＜0.05）；粉黏粒含量均低于CF，其中A1和A2處理與CF差異顯著（P＜0.05）；A1和A2處理微團聚體含量高于CF，A3處理則低于CF，但差異均不顯著（P＞0.05）。

圖2 不同秸稈還田比例和腐熟劑用量下土壤水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分布特征

2.2 不同處理對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

總體（表2）來看，秸稈還田處理R0.25、MWD和GMD值高于CK和CF，其中CF處理R0.25、MWD和GMD最小，分別為40.02%、0.50 mm和0.18 mm。秸稈還田處理中R0.25、MWD和GMD值最大的是S2A1，分別為51.83%、0.63 mm和0.30 mm，最小的是S1A3，分別為42.78%、0.52 mm和0.20 mm。秸稈還田處理與CF相比R0.25值增加6.90%～29.51%，MWD增加4.00%～26.00%，GMD增加11.11%～66.67%。除S2A1和S3A1外，其他秸稈還田處理R0.25、MWD和GMD值與CF和CK無顯著差異（P＞0.05）。

表2 土壤團聚體穩(wěn)定性

由表3看出，菌菇渣和番茄秸稈三種還田比例下，S2處理R0.25、MWD和GMD值均最大，其次是S3處理，S1處理最小。秸稈還田處理間R0.25、MWD和GMD值均無顯著差異（P＞0.05），但均顯著高于CF處理（P＜0.05），而S2和S3處理R0.25、MWD和GMD值顯著高于CK（P＜0.05），S1處理則與CK無顯著差異（P＞0.05）。

表3 不同菌菇渣和番茄秸稈還田比例對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

由表4看出，腐熟劑三種添加量處理中，A1處理R0.25、MWD和GMD值均最大，其次是A2處理，A3處理最小。隨腐熟劑添加量的增加，土壤水穩(wěn)性團聚體R0.25、MWD和GMD值逐漸減小。A1、A2和A3處理間R0.25、MWD和GMD均無顯著差異（P＞0.05），但均顯著高于CF處理（P＜0.05）。A1處理這三個指標(biāo)值均顯著高于CK（P＜0.05）；A2和A3處理R0.25和MWD值也高于CK，但差異不顯著（P＞0.05）；A2處理GMD值顯著高于CK（P＜0.05），A3處理GMD值與CK差異不顯著（P＞0.05）。

表4 不同腐熟劑添加量對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

2.3 不同處理對土壤有機碳含量的影響

圖3顯示，與CK和CF處理相比，秸稈還田處理顯著增加土壤有機碳含量（P＜0.05），CK土壤有機碳含量最低，為6.44 g／kg，CF處理略高于CK，但二者差異不顯著（P＞0.05）。秸稈還田處理中土壤有機碳含量最高的是S2A2處理，為20.06 g／kg，S1A1處理最低，為11.03 g／kg；與CF處理相比，秸稈還田處理土壤有機碳含量增加68%～206%。秸稈還田處理中，S1A1、S2A1、S3A1、S1A3、S2A3和S3A3處理土壤有機碳含量較低且處理間差異不顯著（P＞0.05）；S1A2、S2A2處理土壤有機碳含量較高，二者差異不顯著但顯著高于S3A2及其他處理（P＜0.05）。

圖3 不同處理下土壤有機碳含量

由圖4A看出，不同還田比例下土壤有機碳含量表現(xiàn)為S2＞S1＞S3，但三者間無顯著差異（P＞0.05）。腐熟劑添加量對土壤有機碳含量有明顯影響，其中A2處理顯著高于A1和A3（P＜0.05），A1和A3處理間無顯著差異（P＞0.05）。

圖4 不同秸稈還田比例和腐熟劑用量處理下土壤有機碳含量

2.4 不同處理對土壤團聚體有機碳含量的影響

由圖5看出，不同秸稈還田處理對土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量有明顯影響，各處理均以＜0.053 mm粉黏粒有機碳含量最高，其次是0.053～0.25 mm微團聚體，＞0.25～2 mm大團聚體有機碳含量最低。有機碳含量隨團聚體直徑的減小而逐漸增加。粉黏粒有機碳含量最低的是CF處理，微團聚體和大團聚體有機碳含量最低的均是CK。秸稈還田處理中S2A2處理大團聚體和微團聚體有機碳含量均高于其他處理，分別為17.89 g／kg和20.54 g／kg，S1A2處理粉黏粒有機碳含量高于其他處理，為23.05 g／kg，大團聚體、微團聚體和粉黏粒有機碳含量最低的處理分別是S2A3、S1A3和S2A1。與CF相比，秸稈還田處理大團聚體、微團聚體和粉黏粒有機碳含量分別增加99%～372%、34%～180%和65%～154%。秸稈還田處理不同團聚體組分的有機碳含量均顯著高于CF和CK（P＜0.05），S1A2、S2A2和S3A2處理三種團聚體組分有機碳含量均顯著高于其他秸稈還田處理（P＜0.05），S1A1、S2A1、S3A1、S1A3、S2A3和S3A3六個處理同一團聚體組分有機碳含量均無顯著差異（P＞0.05）。

圖5 不同處理下土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量

由圖6看出，菌菇渣和番茄秸稈不同還田比例以及腐熟劑不同添加量處理土壤不同團聚體組分的有機碳含量均顯著高于CF和CK（P＜0.05）。S1、S2和S3三種還田比例下，秸稈還田處理間同一團聚體組分有機碳含量均無顯著差異（P＞0.05），S2處理三種團聚體組分有機碳含量均略高于S1和S3。不同腐熟劑添加量比較，A1和A3處理同一團聚體組分有機碳含量均無顯著差異（P＞0.05），A2處理三種團聚體組分有機碳含量均顯著高于A1和A3（P＜0.05）。

圖6 不同秸稈還田比例和腐熟劑用量處理下土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量

2.5 不同處理對土壤有機碳貢獻(xiàn)率的影響

由圖7看出，CK和CF處理團聚體有機碳主要集中在＜0.053 mm的粉黏粒中，＞0.25～2 mm大團聚體中有機碳分布最少。與CK和CF處理相比，不同秸稈還田處理大團聚體有機碳的貢獻(xiàn)率增加，粉黏粒有機碳的貢獻(xiàn)率減少，微團聚體有機碳的貢獻(xiàn)率變化不明顯。秸稈還田處理中，大團聚體有機碳貢獻(xiàn)率最大的是S2A1處理，為43.81%，最小的是S2A3處理，為30.06%，比CF增加30%～89%；粉黏粒有機碳貢獻(xiàn)率最大的是S2A3處理，為49.48%，最小的是S2A1處理，為28.59%，比CF減少0.2%～42.0%。

圖7 土壤各粒級團聚體有機碳相對貢獻(xiàn)率

2.6 不同處理對土壤團聚體的綜合影響分析

由表5可知，不同秸稈還田比例對土壤有機碳含量有顯著影響（P＜0.05），對＞0.25～2 mm大團聚體有機碳和0.053～0.25 mm微團聚體有機碳含量有極顯著影響（P＜0.01）。腐熟劑添加量對0.053～0.25 mm微團聚體和＜0.053 mm粉黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及幾何平均直徑GMD均有顯著影響（P＜0.05），對＜0.053 mm粉黏粒的有機碳含量和土壤有機碳含量有極顯著影響（P＜0.01）。不同秸稈還田比例和腐熟劑添加量的交互作用顯著影響＞0.25～2 mm大團聚體有機碳和0.053～0.25 mm微團聚體有機碳含量（P＜0.05），對土壤有機碳含量有極顯著影響（P＜0.01）。

表5 土壤團聚體不同指標(biāo)的變異來源分析

3 討論與結(jié)論

蔬菜秸稈在土壤中腐熟可增加土壤有機質(zhì)和其他營養(yǎng)元素含量，改善土壤容重和孔隙結(jié)構(gòu)狀況，增強土壤持水能力［13，14］。菌菇渣本身含有大量有機營養(yǎng)成分、次級代謝產(chǎn)物及微量元素，因其疏松多孔的特性也能起到改良土壤結(jié)構(gòu)的作用［15，16］。本研究發(fā)現(xiàn)，番茄秸稈和菌菇渣配以腐熟劑還田施用后，大團聚體含量比常規(guī)施肥處理增加6.90%～29.51%，粉黏粒含量比常規(guī)施肥處理減少3.67%～41.57%。秸稈還田處理中S2A1處理大團聚體含量最多，為51.83%。大團聚體含量隨腐熟劑添加量的增加而逐漸減少，這可能是因為有機質(zhì)是促進(jìn)大團聚體形成的黏結(jié)劑，蔬菜秸稈中有機質(zhì)被腐熟劑中的微生物分解導(dǎo)致了膠結(jié)物質(zhì)的減少，從而造成大團聚體含量的減少［17］。

土壤大團聚體含量（＞0.25 mm）、平均重量直徑和幾何平均直徑可用來表征土壤團聚體結(jié)構(gòu)，＞0.25 mm土壤團聚體含量越多、平均重量直徑和幾何平均直徑越大說明土壤團聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗蝕性越好［18－20］。本研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)施用化肥處理的R0.25、MWD和GMD值小于空白處理，說明施用化肥不利于土壤團聚體的穩(wěn)定。秸稈還田處理的R0.25、MWD和GMD值與常規(guī)施肥處理相比分別增加6.90%～29.51%、4.00%～26.00%和11.11%～66.67%，表明秸稈還田處理增強了土壤團聚體的穩(wěn)定性和抗蝕能力，所有秸稈還田處理中S2A1處理這三個指標(biāo)值均為最大。隨腐熟劑添加量的增加，土壤水穩(wěn)性團聚體的R0.25、MWD和GMD值逐漸減小，團聚體穩(wěn)定性下降。

秸稈還田處理粉黏粒有機碳含量最高，大團聚體有機碳含量最低，各粒徑團聚體有機碳含量隨粒徑的減小而增加。其原因可能是較小團聚體中有機和無機膠體能緊密結(jié)合固持碳，團聚體內(nèi)部緊實通氣性不佳，固持的有機碳不易為微生物分解釋放［21－23］。秸稈還田處理與空白處理和常規(guī)施化肥處理相比顯著增加土壤有機碳含量（P＜0.05），增幅達(dá)68%～206%；不同團聚體組分的有機碳含量均顯著高于常規(guī)施肥和空白處理（P＞0.05），大團聚體、微團聚體和粉黏粒有機碳含量分別增加99%～372%、34%～180%和65%～154%。秸稈還田處理間土壤有機碳含量有明顯差異，S2A2處理土壤有機碳含量、大團聚體和微團聚體有機碳含量均高于其他處理。

S1、S2和S3三處理間團聚體組分含量、R0.25、MWD、GMD、土壤有機碳含量及同一團聚體組分有機碳含量均無顯著差異（P＞0.05），但均以S2的值最大。A1、A2和A3三處理間團聚體組分含量、R0.25、MWD和GMD均無顯著差異（P＞0.05），以A1處理值最大，A2處理土壤有機碳含量及同一團聚體組分的有機碳含量均顯著高于A1和A3處理（P＜0.05）。

雖然粒徑較小的粉黏粒有機碳含量較高，但秸稈還田處理明顯增加了大團聚體含量，所以綜合來看秸稈還田后大團聚體有機碳的貢獻(xiàn)率增加，粉黏粒有機碳的貢獻(xiàn)率減少，微團聚體有機碳的貢獻(xiàn)率變化不明顯。通過分析發(fā)現(xiàn)，不同秸稈還田比例主要影響有機碳含量，腐熟劑添加量主要影響團聚體穩(wěn)定性和有機碳含量，二者的交互作用對團聚體穩(wěn)定性影響不明顯，但顯著影響有機碳含量。