不同有机培肥对黑土团聚体含量及特征的影响

宋金红，吴景贵

(吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118)



不同有机培肥对黑土团聚体含量及特征的影响

宋金红，吴景贵

(吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118)

[摘要]【目的】 研究不同有机培肥处理对土壤团聚体形成和稳定性的影响。【方法】 以吉林中部地区黑土为供试土壤，通过3年培肥盆栽试验，以不施用任何肥料为对照(CK)，研究不同有机肥料(牛粪、鸡粪、树叶、猪粪、菌渣、秸秆、稻糠、草炭)及化肥对土壤团聚体含量、稳定性参数(团聚体平均质量直径(MWD)、平均几何直径(GMD))以及分形维数(D)的影响。【结果】 各处理粒径≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量为77.82%～89.18% ，表现为：草炭>牛粪>鸡粪>树叶>化肥>菌渣>秸秆>稻糠>CK>猪粪；各处理粒径≥0.25 mm水稳性团聚体含量为 47.04%～62.18%，表现为：秸秆>稻糠>树叶>牛粪>菌渣>猪粪>草炭>化肥>CK>鸡粪。各处理土壤机械稳定性团聚体MWD和GMD值大小顺序均为：草炭>猪粪>化肥>秸秆>牛粪>菌渣>树叶>稻糠>鸡粪>CK；各处理土壤水稳性团聚体MWD由大到小的顺序为：牛粪>菌渣>鸡粪>秸秆>稻糠>草炭>猪粪>树叶>化肥>CK，GMD由大到小的顺序为：秸秆>牛粪>菌渣>稻糠>鸡粪>草炭>猪粪>树叶>化肥>CK。各处理机械稳定性团聚体的分形维数为2.441～2.626，表现为：CK>稻糠>猪粪>菌渣>秸秆>鸡粪>树叶>化肥>牛粪>草炭。各处理水稳性团聚体分形维数由高到低的顺序为：CK>化肥>草炭>鸡粪>猪粪>菌渣>牛粪>树叶>稻糠>秸秆，所有培肥处理均显著低于CK。【结论】 培肥处理有利于提高土壤机械稳定性和水稳性团聚体含量，增加土壤稳定性，改善土壤结构状况。

[关键词]土壤团聚体；有机培肥；分形维数；团粒结构

土壤团聚体作为土壤最基本的物质基础，是土壤养分的贮存库和各种土壤微生物的生境[1]。不同级别团聚体在养分的保持和供应过程中的作用不同[2]，其数量分布和空间排列方式决定了土壤孔隙的分布和连续性，进而决定了土壤的水力特征，影响土壤生物的活动[3]。随着农业集约化程度的提高，有机肥施用量减少，导致土壤结构恶化加剧，土壤物理性状不良，成为农业发展的主要限制因子[4]。因此，如何改良土壤物理性状，进而提高作物产量成为现代农业研究的重要内容。施用有机肥有利于土壤团聚体内细颗粒有机碳的积累，促进土壤团聚体的形成，提高其稳定性。

有研究者提出，可将平均质量直径作为评价土壤团聚体分布的指标[5]；Van Bavel[6]认为，平均质量直径和直径>0.25 mm水稳性团聚体的含量是评价土壤结构的重要指标；有研究认为，土壤团聚体具有一定的分形特征，分形理论已成为定量描述土壤团聚体的新方法[7]。本研究通过盆栽试验，综合运用平均质量直径、平均几何直径、大于0.25 mm团聚体含量、土壤结构破坏率和分形维数(D)等指标,分析了不同有机培肥条件下黑土团聚体粒级、含量和稳定性等特征，研究不同有机肥料对土壤团聚体和结构特征的影响，为合理利用有机肥资源及指导吉林中部地区农业生产提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试土壤

试验地选择在吉林农业大学试验站，供试土壤为黑土，采集于吉林农业大学西南区，其基本理化性质为：pH值6.36，有机质含量26.7 g/kg，全氮含量1.26 g/kg，全磷含量1.07 g/kg，碱解氮含量90.44 g/kg，速效磷含量34.15 g/kg，速效钾含量92.50 g/kg。

1.2盆栽试验设计

试验用盆为高40 cm、平均直径30 cm的塑料盆。将准备好的土壤和不同类型的有机物料(牛粪、 鸡粪、树叶、猪粪、菌渣、秸秆、稻糠、草炭)风干，粉碎过0.85 mm筛，测定土壤和有机物料的含水量。给塑料盆装入风干土14.5 kg/盆，施入风干土质量1.5%的有机物料，各盆均施入化肥，其中N、P2O5和K2O分别为10，5和7 g/盆，以不施用任何肥料(CK)及施用化肥(N、P2O5、K2O用量同上)为对照，试验共设10个处理，每个处理3次重复，共计30盆。供试有机物料均采自吉林农业大学附近；供试氮肥选用尿素(含氮量45.8%)，磷肥选用过磷酸钙(含P2O514%)，钾肥选用氯化钾(K2O 50%)。盆栽试验在室外连续进行3年，每年按照当地时令统一种植大豆，空气湿度控制在50%～60%。

1.3样品测定与分析

分别采集0～20 cm土层的原状土样和扰动土样，原状土样在风干过程中沿自然裂隙掰成1 cm大小的小样块，扰动土样供土壤有关化学组成项目的测定。

1.3.1有机质含量测定有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法[8]测定。

1.3.2团聚体含量测定(1)机械稳定性团聚体含量。采用干筛法[7]测定。取500 g土样，用振荡式机械筛分仪进行测定，以210 r/min的速度振荡5 min，将土壤团聚体粒级分为10～7，7～5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25 mm[8]，再将各级筛网上的土样分别收集，然后测定质量，精确至0.01 g，计算各粒级机械稳定性团聚体的含量。

(2)水稳定性团聚体含量。采用湿筛法[8]测定。将干筛各级土壤团聚体按比例配成50 g风干土样，置于孔径分别为5，2，1，0.5和0.25 mm的团粒分析仪上，将各粒级水稳性团聚体慢慢淹没于顶层设有孔径为5 mm筛子的水中，静置5 min，以3 cm的振幅筛分2 min，收集土壤团聚体，置105 ℃烘干，测定团聚体质量，计算各粒级水稳性团聚体含量。

1.4数据处理

采用平均质量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)、土壤团聚体结构破坏率(PAD)以及分形维数(D) 描述土壤团聚体分形特征，其计算公式如下[9]：

(1)

(2)

(3)

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%。

(4)

采用Excel 2003、SPSS 17.0分析软件对试验数据进行统计分析。运用回归分析法，计算团聚体含量与分形维数的相关系数。

2结果与分析

2.1有机培肥对黑土团聚体含量的影响

表1显示，10个处理粒径≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量为77.82%～89.18%，各种培肥处理粒径≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量大多高于CK，且各培肥处理间亦有一定差异， 其中草炭处理土壤机械稳定性团聚体含量最高，较CK提高6.72%，猪粪处理土壤机械稳定性团聚体含量最低，较CK降低了4.46%。总体看来，10种处理的粒径≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量大小顺序为草炭>牛粪>鸡粪>树叶>化肥>菌渣>秸秆>稻糠>CK>猪粪。

从表2可以看出，10个处理粒径≥0.25 mm水稳性团聚体含量为 47.04%～62.18%，各培肥处理粒径≥0.25 mm水稳性团聚体含量大多高于CK，且各培肥处理间亦有一定差异，其中秸秆处理的水稳性团聚体含量最高，较CK提高15.00%，鸡粪处理的水稳性团聚体含量最低。总体看来，10种处理中粒径≥0.25 mm水稳性团聚体含量由大到小的顺序为：秸秆>稻糠>树叶>牛粪>菌渣>猪粪>草炭>化肥>CK>鸡粪。

2.2有机培肥对黑土团聚体稳定性参数的影响

由表3可知，各处理机械稳定性团聚体平均质量直径(MWD)和平均几何直径 (GMD)均明显高于水稳性团聚体，可知各培肥处理土壤团聚体中水稳性团聚体所占比例较小。各处理土壤机械稳定性团聚体MWD和GMD值大小顺序均为：草炭>猪粪>化肥>秸秆>牛粪>菌渣>树叶>稻糠>鸡粪>CK，除鸡粪和稻糠处理土壤机械稳定性团聚体MWD和GMD与CK差异不显著外，其余处理均显著高于CK处理。

表 2　不同有机培肥对黑土水稳性团聚体含量的影响

由表3还可知，各培肥处理土壤水稳性团聚体MWD 值较CK均有一定程度提高，其中牛粪处理提高幅度最大，达76.67%，化肥处理提高幅度最小，仅为1.67%； MWD由大到小的顺序为：牛粪>菌渣>鸡粪>秸秆>稻糠>草炭>猪粪>树叶>化肥>CK。各培肥处理土壤水稳性团聚体GMD值亦较CK明显提高，其中秸秆处理增幅最大，为47.73%，化肥处理增幅最小，为9.09%；GMD由大到小的顺序为：秸秆>牛粪>菌渣>稻糠>鸡粪>草炭>猪粪>树叶>化肥>CK。分析各处理土壤水稳性团聚体MWD和GMD值可知，除了化肥处理与CK处理差异不显著外，其余处理均较CK显著提高。

表 3　不同有机培肥对黑土团聚体平均质量直径(MWD )和平均几何直径(GMD)的影响

注：同列数据后标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下表同。

Note：Different small letters indicate significant difference (P<0.05).The same below.

2.3有机培肥处理对黑土团聚体组成分维特征、结构破坏率的影响

供试土样的结构破坏率、分形维数和团聚体与分形维数的相关系数如表4所示。从表4可以看出，CK的机械稳定性团聚体的分形维数最大，为2.626，草炭处理的机械稳定性团聚体的分形维数最小，为2.441，其余8个处理的分形维数为2.540～2.618，分形维数由大到小排列的次序为：CK>稻糠>猪粪>菌渣>秸秆>鸡粪>树叶>化肥>牛粪>草炭。总的来看，各培肥处理土壤机械稳定性团聚体的分形维数均低于CK，除猪粪、稻糠处理与CK差异不显著外，其余培肥处理均显著低于CK。

表4显示，各处理水稳性团聚体的分形维数由高到低的顺序为：CK>化肥>草炭>鸡粪>猪粪>菌渣>牛粪>树叶>稻糠>秸秆，除了化肥处理与CK差异不显著外，其余培肥处理均显著低于CK。

团聚体的结构破坏率是反映土壤团聚体结构稳定性的指标，结构破坏率越小，代表土壤团聚体稳定性越高。由表4可知，各处理团聚体的结构破坏率由大到小的排列次序是：CK>鸡粪>草炭>化肥>菌渣>牛粪>树叶>猪粪>稻糠>秸秆。

利用相关分析评价≥0.25 mm团聚体含量与分形维数的关系，结果表明，≥0.25 mm团聚体含量与分形维数呈正相关关系，说明分形维数能够客观地反映团粒结构的性状，进一步证明其可以作为土壤通透性、抗蚀性以及肥力的表征指标。

表 4　不同有机培肥黑土团聚体分形维数(D)及结构破坏率

3讨论

团粒结构是土壤肥力的物质基础，影响着土壤养分、水分和空气的传输及作物的产量[10-11]。本研究结果表明，3年不同培肥处理对土壤结构产生了明显的影响，各培肥处理土壤机械稳定性和水稳定性团聚体状况均显著优于CK，这是因为培肥处理后土壤有机质含量提高，体积质量降低，孔隙度增加，作物根系及土壤微生物的活动能力增强，有助于团聚体的形成[12]。王兴祥等[12]发现，施用有机肥更有利于大直径团聚体含量的增加。刘京等[13]发现，土壤机械稳定性大团聚体含量上升是由土壤中有机质含量的增加与胶结物质的改变所致。本试验中，经过连续3年培肥后，土壤大粒径团聚体的含量及其稳定性均得到了提高。

Nemati等[14]提出，平均质量直径可作为反映土壤团聚体分布特征的指标。姜灿烂等[15]研究表明，施有机肥处理的红壤旱地团聚体平均质量直径均大于对照。从本研究结果来看，土壤团聚体MWD值和GMD值总体上可以反映各培肥处理下不同级别团聚体的分布特征，各培肥处理MWD值与GMD值均高于CK。

分形维数作为评价土壤结构分布的一个综合指标，其值越高，表明土壤质地越黏重，通透性越差[16]。很多研究表明，团聚体分布具有分形特征[17-18]。分形维数不仅能够描述团聚体的分布，而且能够反映不同培肥条件下团聚体的变化[19]。本研究结果表明，各培肥条件下土壤水稳性团聚体和机械稳定性团聚体的分形维数均小于CK，这可能是因为施用有机物料和化肥后显著增加了土壤中的有机质含量[20]，提高了土壤内胶结物质的比例，使土壤团聚体含量增加所致。

4结论

1)各培肥处理的土壤机械稳定性团聚体含量大多高于CK，其中草炭处理的土壤机械稳定性团聚体含量最高，大于89.18%；牛粪、鸡粪、化肥、树叶、菌渣次之，在84.46%～88.78%，猪粪、秸秆、稻糠含量较低，为77.82%～83.52%。除鸡粪外，其余各种培肥处理土壤的水稳性团聚体含量均高于CK，其中以秸秆处理最高，达62.18%；稻糠、树叶、牛粪、菌渣、猪粪处理次之，为51.38%～60.64%，草炭、化肥处理较低，为47.04%～48.26%。

2)各培肥处理土壤机械稳定性团聚体MWD和GMD较CK均有不同程度的提高，其中草炭处理MWD、GMD增幅最大，较CK分别提高了96.52%和97.63%；鸡粪处理MWD、GMD增幅最小，较CK分别提高了0.87%和0.76%。各培肥处理土壤水稳性团聚体MWD和GMD较CK也有不同程度的提高。

3)各培肥处理土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体的分形维数均低于CK，但各培肥处理水稳性团聚体与机械稳定性团聚体的分形维数在排序上有一定差异。

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Effects of different organic fertilizers on content and characteristics of black soil aggregates

SONG Jin-hong，WU Jing-gui

(CollegeofResourecesandEnvironment,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118,China)

Abstract:【Objective】 The influence of different organic fertilizers on the formation and stability of soil aggregates was studied.【Method】 The black soil in Central Jilin was tested through 3 years’ fertilization experiment.Comparing with no fertilizer (CK) and chemical fertilizers,the influence of different organic fertilizers (cattle manure,chicken manure,leaves,pig manure,mushroom residue,straw,rice chaff,and peat) on stability of soil aggregates,parameters (MWD and GMD) and fractal dimension was analyzed.【Result】 The contents of mechanical stable aggregates with diameter of ≥0.25 mm were 77.82%-89.18% with the decreasing order ofpeat>cow dung>chicken manure>leaves>fertilizers>mushroom residue>straw>rice straw>CK>pig manure.The contents of water stable aggregates with diameter of ≥0.25 mm were 47.04%-62.18%,and the decreasing order was straw>rice straw>leaves>cow dung>mushroom residue>pig manure>peat>fertilizers>CK>chicken manure.The order of MWD and GMD of mechanical stable aggregates was peat>pig manure>fertilizers>straw>cow dung>mushroom residue>leaves>rice straw>chicken manure>CK.The order of MWD of water stable aggregates was cow dung>mushroom residue>chicken manure>straw>rice straw>peat>pig manure>leaves>fertilizers>CK,while that of MWD of water stable aggregates was straw>cow dung>mushroom residue>rice straw>chicken manure>peat>pig manure>leaves>fertilizers>CK.Fractal dimension of mechanical stable aggregates was 2.441-2.626 with a decreasing order of CK>rice straw>pig manure>mushroom residue>straw>chicken manure>leaves>fertilizers>cow dung>peat,while the order of fractal dimension of water stable aggregates was CK>fertilizers>peat>chicken manure>pig manure>mushroom residue>cow dung>leaves>rice straw>straw.【Conclusion】 Fertilization treatments improved stability of mechanical stable aggregates and contents of water stable aggregates,increased soil stability,and enhanced soil structure.

Key words:soil aggregate;organic fertilizers;fractal dimension;aggregate structure

DOI：网络出版时间:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.015

[收稿日期]2014-07-16

[基金项目]松辽平原农牧结合循环技术集成与示范项目(2012BAD14B05)；东北与黄淮海粮食主产区适应气候变化技术研发与应用项目(2013BAC09B01)；吉林农业大学科研启动基金项目(201322)

[作者简介]宋金红(1983-)，女，河北保定人，讲师，在读博士，主要从事资源环境与遥感技术研究。E-mail:157613090@qq.com[通信作者]吴景贵(1965-)，男，吉林长春人，教授，博士，博士生导师，主要从事土壤学及土壤有机培肥研究。

[中图分类号]S152.3

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)03-0103-06