不同保水剂对土壤团聚体组成及微生物量碳、氮的影响

马 征，董晓霞，张柏松1,*

(1.山东省植物营养与肥料重点实验室，山东 济南 250100；2.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，山东 济南 250100；3.农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东 济南 250100)

团聚体是土壤结构的基本单元，具有保证和协调土壤表层水、热、气、肥状况、影响土壤微生物活性、维持土壤疏松熟化层等作用，是评价土壤质量的重要指标[1-2]。在土壤团聚体形成过程中，有机胶结物质的胶结作用是形成水稳性团聚体的主要因素，土壤微生物，特别是真菌直接参与了土壤颗粒的团聚。因此，微生物在土壤团聚体的形成和稳定中起着重要的作用。土壤微生物量碳、氮是植物营养物质的“源”与“库”，其大小可以表征微生物新陈代谢活动强弱，对阐述团聚体的形成、反映微生物群落状态与功能变化、综合评价土壤质量或肥力具有重要意义[3-4]。

保水剂(super absorbent polymer，SAP)作为一种具有超高吸水和保水能力的高分子聚合物，是良好的土壤胶结剂，既能蓄水保墒，又能促进团聚体的形成[5-6]。相关研究表明，保水剂对土壤团粒结构的形成有促进作用，0.5～1和0.25～0.5 mm团聚体改善土壤结构有显著效果；随着保水剂用量的增加，土壤中>0.25 mm粒径的水稳性大团聚体数量可显著增加[7-8]。在土壤生态环境中，土壤微生物活性受诸多环境因素影响，其中土壤含水率和养分供应是重要限制因子。保水剂的施入不但提高了土壤含水率，还可以吸附土壤和肥料中的养分并缓慢释放，对改善土壤水热条件，增强土壤微生物活性，增加微生物生物量均可产生积极影响。目前，国内外关于保水剂的研究多注重其自身材料的改进，对作物生长、土壤物理性状及养分吸收利用的影响方面[9-11]，而有关保水剂所带来的微生物量的差异如何在土壤团聚体中体现，有待进一步的研究。

本文采用小麦盆栽试验方式，研究了不同类型保水剂对土壤团聚体分布、稳定性及微生物量碳、氮的影响，明确保水剂对改善土壤微生态环境及土壤质量的贡献。随着新型保水剂材料层出不穷，开展相关研究可为保水剂的合理使用及综合评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验点位于山东省农业科学院饮马泉试验农场(北纬36°72′，东经117°09′)，该农场属于典型的暖温带大陆性气候，年平均气温14.7 ℃，年平均降水671.1 mm，年日照时数2 616.8 h。该地区土壤类型为砂壤土，耕层土壤有机质含量为12.70 g/kg，水解性氮46.68 mg/kg，有效磷18.57 mg/kg，速效钾116 mg/kg，pH值7.96，盐分0.47 g/kg，容重1.50 g/cm3，比重2.61，总孔隙度42.53%。

试验小麦品种为济麦22。试验所选用的4种保水剂，按其合成材料可以分为，有机-无机复合类型保水剂(凹凸棒与聚丙烯酸钠交联物，简称WT2，直径2 mm)、聚丙烯酰胺型(丙烯酰胺与丙烯酸钾盐共聚物，简称AS，3005 S，直径≤0.3 mm)、复合类型有机肥保水剂(自制，简称OSC，主要成分为AS与有机肥原料混合物，比例1∶2，其养分含量为：全氮1.52%，全磷1.50%，全钾1.65%，有机质36.24%)、复合类型腐殖酸保水剂(自制，简称FSC，主要成分为AS与腐殖酸类原料混合物，比例1∶2，有机质含量50.72%)。氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为重过磷酸钙(P2O544%)，钾肥为硫酸钾(K2O 50%)，有机肥原料为牛粪、菌渣等，腐殖酸类原料为腐殖酸、生化黄腐酸钾等。

1.2 试验方法

试验采用盆栽法，花盆规格为30 cm×25 cm(直径×高)，每盆装土15 kg，将肥料和保水剂与一部分土壤混合，然后与剩余土壤混合装盆使用。试验以单纯施肥为对照，选用4种保水剂，2个保水剂施用水平，共设9个处理，分别为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)，每个处理3个重复。施肥量为氮150 kg/hm2，磷60 kg/hm2，钾60 kg/hm2，肥料一次性施入。商品保水剂施用量以2 g/kg为适宜量，5 g/kg为过量，自制有机肥保水剂及腐殖酸保水剂的施用量参考有机肥施用量，设5和10 g/kg 两个水平。

小麦于2015年10月30日播种，每盆20粒小麦种子，待出苗后定苗15株，试验过程中每周浇水1次，每次1 L，定期除草，2016年6月2日收获。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水稳定性团聚体含量测定

分别于拔节期及成熟期，按“S”型五点取0～20 cm土层原状土样，自然风干后除去粗根及小石块，采用Elliott湿筛法测定[12]，具体方法为：将50 g样品放置于孔径自上而下为2、1、0.5、0.25、0.053 mm的套筛之上；将套筛缓慢放入水中，保持最顶层筛的上边缘低于水面，浸润10 min；使用TTF-100型团聚体分析仪进行分析，转速30次/min，定时20 min；将各级孔径筛层上团聚体转移至铝盒，烘干称重得Wwi，计算得到各级团聚体的质量百分比。

1.3.2 土壤微生物量碳、氮的测定

微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)采用Vance等[13]的氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定。取12.5 g鲜土2份，一份进行氯仿熏蒸，一份不熏蒸，至于暗处(25℃)培养24 h。排除氯仿后，加入0.5 mol/L K2SO450 mL，振荡30 min后过滤，浸提液中的MBC和MBN采用总有机碳分析仪(德国)测定。

1.4 数据处理

不同粒级水稳性团聚体的质量百分比：

(1)

式中：wi为i粒级团聚体质量百分比(%)；Wwi为i粒级团聚体重量(g)。

>0.25 mm团聚体含量：

(2)

式中：R0.25为粒径>0.25 mm团聚体含量(%)；Mr>0.25为粒径>0.25 mm团聚体的重量(g)；MT为团聚体总重量(g)。

平均重量直径(mean weight diameter，MWD)：

(3)

几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)：

(4)

不稳定团粒指数ELT(%)：

(5)

分形维数(D)的计算国内一般沿用了杨培岭等[14]推导的公式：

(6)

对上式两边取对数，即得：

(7)

土壤微生物量碳(MBC，mg/kg)：

(8)

式中：EC为熏蒸土壤有机碳量与未熏蒸土壤有机碳量之差，mg/kg；KC为MBC转换系数(0.45)[15]。

土壤微生物量氮(MBN，mg/kg)：

(9)

式中：EN为熏蒸土壤总氮与未熏蒸土壤总氮之差，mg/kg；KN为MBN转换系数(0.54)[16]。

土壤微生物熵为土壤微生物量碳与土壤总有机碳比值[17]，即

土壤微生物熵(%)=MBC/TOC

(10)

式中：TOC为土壤总有机碳含量，mg/kg。

试验所得数据采用Excel 2010软件进行数据整理，采用DPS 7.05软件进行单因素方差分析，采用SPSS 19.0软件对数据进行相关性分析(Pearson correlation，双侧检验)。

2 结果与分析

2.1 保水剂对土壤团聚体的影响

2.1.1 保水剂对土壤团聚体分布的影响

在拔节期和收获期，不同保水剂对土壤水稳性团聚体的分布影响显著(表1)。拔节期，4种保水剂可显著降低<0.05 mm的团聚体含量9.94%～39.76%，其中AS保水剂效果最为显著，T3和T4在<0.05 mm的团聚体含量分别比CK降低36.99%和39.78%。低施用量时，WT2和AS主要提高了0.5～1和0.25～0.5 mm的团聚体含量，OSC对>0.25 mm的各粒径级均有不同程度提高，FSC主要提高了耕层土壤>2、1～2和0.5～1 mm水稳性团聚体含量。随着施用量翻倍，WT2和FSC处理<0.05 mm的团聚体含量分别显著减小33.19%和39.41%；AS处理的0.05～0.25 mm团聚体含量显著减小19.85%。与低施用量相比，高施用量使WT2和AS处理的>2、1～2和0.5～1 mm、OSC处理的0.25～0.5 mm和FSC处理的>2、0.5～1和1～2 mm的团聚体含量显著上升。随着作物生长，到收获期，AS、OSC和FSC均可显著降低<0.25 mm的团聚体含量，显著增加>0.25 mm的团聚体含量，其中FSC处理主要提高了>2、1～2和0.5～1 mm水稳性团聚体含量，随保水剂用量的增加效果更加显著。WT2对土壤团聚体影响较小，高施用量对小麦生长起抑制作用。除WT2外，各处理在拔节期和收获期的土壤R0.25值均高于对照，增幅在46.97%～124.89%和9.35%～75.20%。其中T8处理在拔节期和收获期增幅均为最高。

2.1.2 保水剂对土壤团聚体稳定性的影响

从表2可看出，拔节期4种保水剂施入后，各处理的土壤团聚体MWD值比对照分别显著增加了22.73%、95.45%、72.73%、118.18%、77.27%、68.18%、118.18%和136.36%，GMD值比对照分别显著增加了37.50%、100.00%、87.50%、125.00%、62.50%、37.50%、87.50%和125.00%，说明保水剂施用可提高土壤团聚体的平均粒径团聚度和稳定性[18]。WT2、AS和FSC处理的MWD和GMD值随施用浓度的增加呈显著增长趋势，但OSC处理的作用效果在浓度间的差异不显著。收获期FSC处理作用效果最好，MWD和GMD值分别比对照显著增加102.32%、146.51%和88.89%、200.00%，AS和OSC处理效果近似，MWD和GMD值分别比对照增加20.93%～86.05%和33.3%～94.44%，但AS在两浓度间有显著差异，而OSC不明显。WT2处理效果与对照相比没有显著差异。

表1 不同时期各处理的各粒径级水稳性团聚体的质量百分比 (%)

注：图中粒径相同的一组中，不同小写字母表示不同处理间的差异达显著水平(P<0.05)。

表2 保水剂对土壤水稳性团聚体稳定性的影响

注：同一列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.1.3 保水剂对土壤颗粒分形维数的影响

运用回归分析法，由(7)式计算出土壤颗粒分形维数。如表2所示，拔节期土壤颗粒分形维数变化范围是2.74～2.85，收获期土壤颗粒分形维数变化范围是2.50～2.74。在保水剂的作用下各处理D值均显著降低，T4降低幅度最大，为3.51%，但AS保水剂施用量增加并未引起D值的显著变化。收获期WT2处理的D值与CK无显著差异，其他处理D值降低幅度在1.83%～8.42%，OSC和FSC处理在施用低浓度时效果相当，当施用量加倍时FSC处理D值更小，说明施用FSC的土壤结构性更强，稳定性更高。

2.2 保水剂对土壤微生物量碳、氮的影响

2.2.1 保水剂对土壤微生物量碳及微生物熵的影响

不同保水剂处理土壤BMC含量见表3，BMC含量介于58.86～126.70 mg/kg之间，各处理差异显著(P<0.05)，除T2外各处理均比对照明显上升，其中FSC的BMC含量较高，分别比对照提高189.27%和161.78%。保水剂通过其高分子材料对养分保持、缓慢释放，为微生物提供了营养物质。OSC原料中含有有机物料，为土壤微生物提供了碳源和能源，使微生物生长繁殖加快，但也会加速土壤原有有机碳的分解，从而一定程度上降低BMC含量，T5处理BMC值比T1、T3分别降低了20.15%和33.37%。随着OSC施用量进一步增大，有机质和全氮输入增多，供微生物利用的碳、氮源增大，使得T6处理BMC值比T5显著升高72.24%。FSC原料中的腐殖酸成分不但可以促进氮磷钾肥料利用率，还可为微生物提供碳源、氮源，显著提高BMC值。

微生物熵反映土壤有机碳转化为土壤微生物量碳的效率[19]。本文中微生物熵的范围为0.53%～1.64%，除T2和T5外，其他处理微生物熵比CK都有不同程度增加，其中T6、T7和T8处理分别比对照显著提高76.71%、124.66%和87.67%，说明OSC和FSC处理有利于促进土壤有机碳向土壤微生物量碳转化，从而增强有机碳的矿化。

表3 不同类型保水剂对收获期土壤生物量碳、氮的影响

2.2.2 保水剂对土壤微生物量氮和微生物量碳氮比的影响

由表3可得，土壤BMN虽然与BMC值差异明显，但其变化规律与BMC基本一致。WT2对BMN值无明显影响，AS在低施用量(T3)时BMN值与对照亦无明显差异，随着施用量增大，保水剂对土壤氮素吸持效果显现，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比对照显著提高62.44%。OSC和FSC处理BMN值显著高于对照，T5～T8处理增幅分别为48.81%、132.44%、107.95%和334.89%。

土壤微生物量碳氮比与微生物群落结构有关，可反映土壤中真菌和细菌的比例。微生物量碳氮比越高，真菌越占优势[20]。通过计算发现，T1、T3和T7处理的微生物量碳氮比分别较对照显著提高35.74%、87.15%和39.36%，但比值均在3～5之间，仍旧是细菌占优势。

3 讨论

3.1 不同保水剂对土壤团聚体的影响

保水剂的吸水—释水过程中伴随着保水剂的膨胀与收缩，土壤孔隙便由此形成，适量保水剂可调节土壤通气状况。同时，保水剂具有良好的胶结作用，可促进团粒的形成、提高水稳性大团聚体含量，有助于土壤结构的改善。有研究表明，施加保水剂可使土壤团聚体含量显著提高，当保水剂与肥料配施后土壤团聚体含量亦有显著提高，且随保水剂用量增大而增大[21]。但保水剂效果因其种类、施用量和施用土壤不同而存在一定差异。本研究分别应用R0.25、MWD、GMD、ELT和D5个参数评价不同保水剂对土壤团聚体的影响。经分析发现，在拔节期，保水剂施用量为2 g/kg时，4种保水剂均能显著提高R0.25、MWD、GMD值，各指标分别比对照增加46.97%～88.59%、22.73%～118.18%、37.5%～87.5%；4种保水剂亦能显著降低ELT和D值，各指标分别比对照降低11.97%～22.59%、1.4%～3.5%。但保水剂用量加倍后，WT2显著抑制了小麦的生长，OSC效果浓度间差异不显著。随着小麦生育期的推进，收获期除WT2外，其他各处理的R0.25、MWD、GMD值分别提高30.00%～75.19%、37.21%～146.51%和33.33%～200.00%，其中FSC效果最好，这可能是腐殖酸类物质本身也具有胶体性质，同保水剂成分共同作用，促使土壤矿物质胶体结合，形成土壤无机有机复合胶体，使土壤中水稳性团粒增加。

3.2 不同保水剂对土壤团聚体中微生物量碳、氮的影响

4 结论

土壤团聚体及土壤微生物量碳、氮对不同保水剂的响应说明，保水剂类型对土壤结构和微生物活性均有显著的影响。本研究采用的4种保水剂中，WT2和AS主要提高了耕层土壤0.5～1和0.25～0.5 mm水稳性团聚体含量，OSC对>0.25 mm的各粒径级均有不同程度提高，FSC主要提高了耕层土壤>2、1～2和0.5～1 mm水稳性团聚体含量。对于土壤结构而言，FSC更有利于土壤小颗粒胶结成较大粒径的团聚体。不同保水剂处理较对照均能使MBC值有一定的提高，但保水剂施用量与MBC值的变化无明显规律。低施用量时，WT2和AS对MBN无显著影响，随着施用量增大，AS、OSC和FSC处理的MBN值均显著增大。FSC处理的MBC和MBN值显著高于其他处理，说明该保水剂可有效改善土壤微环境条件，进而提高土壤质量。该试验从物理、生物的角度研究保水剂对土壤的影响，以期为科学评价土壤保水剂对农田土壤健康质量和可持续发展提供理论依据。