短期沼液化肥配施对砂姜黑土团聚体特征的影响

胡林,唐蛟,2,3,吴大付,靳沙沙,燕贾伟,王威

（1.河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003；2.河南农业大学博士后流动站,河南郑州450000；3.河南科技学院博士后研发基地,河南新乡453003）

随着我国畜禽养殖业规模集约化的快速发展,在一定程度上满足了人民对肉蛋奶的迫切需求,但是带来的环境问题也逐渐凸显.根据第一次全国污染源普查公报数据显示,规模化畜禽养殖产生粪便2.43亿t,尿液1.63亿t.畜禽粪便已成为农业面源污染中最突出的环境问题[1].如何合理有效地处理畜禽粪便是规模化养殖企业面临的首要问题,也是实现现代农业可持续、健康、协调发展的当务之急.

受养殖企业生产成本和经营利润限制,现阶段我国主要采用沼气工程进行畜禽粪便处理.但是每年产生的畜禽粪便数量巨大,产生的沼气虽然可以作为一种清洁能源直接进行利用,但是其厌氧发酵副产物（沼渣和沼液）体积极其庞大.其中沼渣能够做成固态有机肥,在蔬菜和花卉种植中进行利用,但是沼液以液态形式存在,养分含量较低,受运输成本限制,以就近农田肥料化利用为优先选择.以往研究表明沼液可以作为一种优质有机肥,不仅为植物生长发育提供必须的营养元素,还可以提高土壤有机质含量,增加土壤团粒结构比例,调节土壤固、液、气三相比例,从而达到改良土壤的效果[2-5].同时,施用到土壤中的沼液可以通过土壤胶体和有机质吸附溶液中的阳离子,起到一定的保肥性和缓冲性.此外,沼液中还含有大量的活性物质有助于植物根系和土壤微生物的生长和发育,促进植物生物量的积累和微生物活动,而且施用沼液有助于提高农作物产量,改良农作物品质[6-8].

土壤团聚体既是土壤结构形成的基本物质基础,也是土壤肥力维持的重要载体,对于土壤养分、水分和空气的运移产生重要影响[9-11].施肥作为最普遍的农田管理措施,对土壤团聚体分布有着至关重要的影响.长期不同施肥方式能够对土壤养分含量及动态变化过程产生直接作用,同时对土壤团聚体稳定性产生重要影响[12-14].有研究证明进行配比施肥,特别是有机肥和化肥配施有助于土壤团聚体的形成及增强其稳定性,促进土壤微团粒向大团聚体形成,减少粒径较小团聚体的组成比例,同时外源有机物的投入可以显著增加土壤中大团聚体的数量,且在一定范围内,随着有机肥施用比例的增加而更为显著[15-16].然而现代集约化农业生产过程过度依赖化肥,长期缺少有机物料的投入,容易导致土壤酸化和土壤有机质含量持续下降,引起土壤板结和土壤结构退化,造成土壤肥力下降,影响作物产量.

砂姜黑土是一种分布在黄淮海平原的中低产土壤类型,面积达370万hm2,其中河南省砂姜黑土面积约120万hm2,占全省耕地面积的13.9%.砂姜黑土具有干坚实、湿黏闭、胀缩强、耕期短、僵块多、结构差等特点,而且土壤有机质含量低、供肥能力差[17].但是砂姜黑土区同样具有土层深厚,热量条件较好,地形平缓的优势,有利于开展大规模机械化耕作[18].常年进行小麦-玉米轮作容易导致土壤养分流失，有机物质难于积累.土壤结构不良,有机质含量低已经成为制约砂姜黑土作物高产稳产和土地可持续利用的主要障碍.大量研究表明施用沼液可以有效改善土壤质量,提高土壤有机质的含量,提升土壤团聚体组成比例,还可以增加土壤微生物数量[2-5],然而目前有关大规模利用沼液对砂姜黑土改良的研究及沼液与化肥配施对砂姜黑土团聚体影响的研究较少.因此可以通过在传统施用化肥基础上与沼液进行配比施用,在砂姜黑土分布区域进行不同沼液化肥配施试验,探究短期内两者配施对砂姜黑土团聚体组成和稳定性的影响,以期为沼液农田利用和砂姜黑土肥力提升提供理论和实践指导.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于河南省周口市商水县沼液农田资源化综合利用长期定位实验基地（33°63′N,114°28′E）.属暖温带大陆性气候,四季分明,冬寒夏热,秋凉春早.历年平均气温14.5℃,年均降水量为785.1 mm,降水量在季节分配上极不均匀,70%以上的降雨集中在6月到9月.年平均日照时间为2 094.9 h,年平均无霜期通常为223 d.该区域常年实行冬小麦-夏玉米一年两熟种植制度,冬小麦播前进行旋耕和夏玉米免耕直播是当地采用的常见耕作方式.试验区域土壤属于典型砂姜黑土,耕层（0～10 cm）土壤的含有机质量为18.19 g/kg、含全氮量为1.18 g/kg、含有效磷量为19.62 mg/kg、含速效钾量为180.96 mg/kg,土壤颗粒组成为砂粒41.08%、粉粒26.20%、黏粒32.72%.

1.2 试验设计

供试玉米品种选择“郑单958”,播种时间为2020年6月15日,行距设置为60 cm,密度为67 500株/hm2.沼气工程的主要原料是养殖产生的猪粪和尿液,也包括部分猪圈的冲洗水.通过采用微生物厌氧发酵工艺,控制发酵温度35～40℃,根据季节温度变化设定发酵时间7～10 d.发酵后的沼液转移到覆盖黑色高聚酯膜的贮存池中,以防气体释放挥发.由于养殖场饲养规模和出栏量在试验年限内相对一致,饲喂方式和发酵工艺标准化,可以保证在试验年份使用的沼液的理化性质稳定均匀.施用沼液的基本理化性质为pH值为7.55,总氮质量浓度（TN）为1 150～1 250 mg/L,总磷（TP）质量浓度为275.1～320.5 mg/L,总钾（TK）质量浓度为350～610 mg/L.试验用的复合肥为心连心牌黑++复合肥（N-P-K：28-4-6 kg/667m2）.玉米生育期折合总需N-P2O5-K2O为24-12-16 kg/667 m2.试验共设置4个处理,试验设计施肥方案见表1.

表1 试验设计施肥方案Tab.1 Fertilization scheme of experimental design

试验采用随机区组设计,每个处理设置3个试验小区,各小区面积为60 m2（10 m×6 m）.小区之间均设置1.0 m的缓冲带.沼液在播种前10 d通过喷灌撒施于地表,其他种植管理方式与当地常规种植方式保持一致.2020年9月23日进行玉米收获并采集土样,采用五点取样法分别在各处理小区进行0～10 cm,10～20 cm耕层原状土样的采集,沿土壤自然缝隙把大土块粉碎成粒径＜10 mm的小土块,自然风干后去除石砾和根系,用于土壤团聚体的测定.

1.3 土壤团聚体测定和计算

分别采用干筛法和湿筛法进行力稳性和水稳性土壤团聚体的测定[19-20].根据筛分的各粒级团聚体数据,进行平均质量直径、几何平均直径、土壤团聚体结构破坏率的计算,具体计算公式为

式（1）～（3）中：Xi为任一级别的平均土壤团聚体直径,数值上等于相邻两级筛孔的平均值,＞5 mm团聚体直径上限为10 mm；Wi为对应于Xi的团聚体百分比.MR0.25为＞0.25 mm力稳性团聚体含量/%,WR0.25为＞0.25 mm水稳性团聚体含量/%.

1.4 数据分析

采用Excel软件对数据进行整理并利用SPSS 19.0统计软件对土壤团聚体数据进行单因素方差分析,并采用Duncan新复极差法（SSR）进行多重比较,置信水平设定为95%.利用Excel软件绘图.

2 结果与分析

2.1 沼液化肥配施对土壤力稳性团聚体组成影响

沼液化肥配施对土壤力稳性团聚体组成的影响见图1.

图1 沼液化肥配施对0～10 cm耕层土壤力稳性团聚体组成的影响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

由图1可知,沼液化肥配施对0～10 cm耕层各粒径力稳性土壤团聚体均产生显著影响（F=4.76,P＜0.05）.与空白对照相比较,沼液化肥配施显著降低了＞5 mm,2～5 mm粒径力稳性土壤团聚体组成比例（P＜0.05）,其中50%的化肥与50%的沼液配施（A3）与全化肥施用（A1）条件下＞5 mm土壤力稳性团聚体组成比例无显著差异,分别为9.65%和10.3%（P＞0.05）；其余各处理间均存在显著性差异.然而与空白对照相比较,只进行化肥施用或者利用沼液化肥配施能够显著增加0.25～2 mm粒径土壤团聚体组成比例,增加比例分别为55.7%,31.4%和71.8%.相较于全化肥施用,进行沼液化肥配施（A2和A3）可以显著增加＜0.25 mm粒径力稳性土壤团聚体组成比例,但是不同沼液化肥配施比例之间无显著性差异,分别为4.1%和4.36%（P＞0.05）.

不同处理下10～20 cm耕层的土壤力稳性团聚体组成见表2.

表2 不同处理下10～20 cm耕层的土壤力稳性团聚体组成Tab.2 Composition of soil mechanically stable aggregates of 10～20 cm cultivated layer under different treatments %

由表2可知,沼液化肥配施对10～20 cm耕层各粒径力稳性土壤团聚体均产生显著影响（F=4.76,P＜0.05）.与空白对照相比较,沼液化肥配施显著升高了＞5 mm土壤团聚体组成比例（P＜0.05）,各处理间均存在显著性差异.全化肥施用（A1）与高化肥低沼液配比施用（A2）,低化肥高沼液配施（A3）与空白处理（CK）条件2～5 mm土壤力稳性团聚体组成比例无显著差异,分别为32.71%和31.91%,36.42%和35.67%（P＜0.05）.相较于全化肥施用,进行沼液化肥配施（A2和A3）可以显著减少0.25～2 mm粒径力稳性土壤团聚体组成比例,降低幅度为11.5%和11.1%,且各处理间均存在显著性差异（P＜0.05）.然而与空白对照相比较,只进行全化肥施用（A1）或者利用高沼液低化肥比例配施（A3）能够显著降低＜0.25 mm粒径土壤团聚体组成比例,降低幅度分别为79%和75%；并显著提高＞0.25 mm粒径的大团聚体组成比例,增加比例为4.9%、1.4%和4.3%.

2.2 沼液配施对土壤水稳性团聚体组成影响

沼液配施对土壤水稳性团聚体组成影响见图2.

图2 不同处理下0～10 cm耕层水稳性团聚体组成Fig.2 Composition of water-stable aggregates of 0-10 cm cultivated layer under different treatments

由图2可知,沼液化肥配施对0～10 cm耕层各粒径水稳性土壤团聚体均产生显著影响（F=4.76,P＜0.05）.与空白对照相比较,沼液化肥配施显著降低了＞5 mm,2～5 mm粒径水稳性土壤团聚体组成比例（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土壤水稳性团聚体组成比例存在显著性差异,其含量是4.7%和2.34%；2～5 mm水稳性团聚体组成大小A2＞A1＞A3,降低幅度分别是20.7%、57.2%和65.1%,各处理间均存在显著性差异.与空白对照相比较,各处理都能够显著增加0.25～2 mm粒径土壤团聚体组成比例,增加比例分别为45%、21.6%和50.5%；相较于全化肥施用,进行沼液化肥配施（A2和A3）可以显著降低＜0.25 mm粒径水稳性土壤团聚体组成比例,但是不同沼液化肥配施比例之间无显著性差异,分别为15.25%和16.6%.

不同处理下10～20 cm耕层的土壤水稳性团聚体组成见表3.

表3 不同处理下10～20 cm耕层的土壤水稳性团聚体组成Tab.3 Composition of soil water-stable aggregates of 10～20 cm cultivated layer under different treatments %

由表3可知,沼液化肥配施对10～20 cm耕层各粒径水稳性土壤团聚体均产生显著影响（F=4.76,P＜0.05）.与空白对照相比较,沼液化肥配施显著降低了＞5 mm和2～5 mm粒径水稳性土壤团聚体组成比例（P＜0.05）,减少幅度分别是49.4%、9.8%和28.6%,16.2%、31.5%和37.5%,各处理间均存在显著性差异.然而与空白对照相比较,只进行化肥施用或者利用沼液化肥配施能够显著增加0.25～2 mm土壤团聚体组成比例,增加比例分别为55.69%、33.9%和52.6%；相对于空白,只有全化肥（A1）和高化肥与低沼液配施（A2）显著提升＜0.25 mm粒径的组成比例；其中高化肥与低沼液配施（A3）条件下＞0.25 mm土壤水稳性团聚体组成比例与空白对照有显著差异.

2.3 沼液配施对土壤团聚体稳定性参数影响

沼液配施对0～10 cm土壤团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的影响见表4.

表4 沼液配施对0～10 cm土壤团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的影响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,沼液化肥配施对0～10 cm耕层力稳性团聚体和水稳性土壤团聚体均产生显著影响（F=4.76,P＜0.05）.与空白对照相比较,沼液化肥配施显著降低了力稳性团聚体的MWD,GWD数值（P＜0.05）,降低幅度为27.4%、17.8%和29.9%,17.8%、13.0%和23.2%,且各处理均存在显著性差异.与空白相比,沼液化肥配施均会降低水稳性团聚体的MWD数值,分别降低幅度18.9%,7.4%和21.0%,其中全化肥（A1）和低化肥与高沼液配施（A3）与CK有显著性差异.沼液化肥配施均会降低水稳性团聚体的GWD数值,但是全化肥施用（A1）和50%的化肥与50%的沼液配施（A3）不存在显著性差异,数值分别是0.95%和0.97%（P＜0.05）.

沼液配施对10～20 cm土壤团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的影响见表5.

表5 沼液配施对10～20 cm土壤团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的影响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,沼液化肥配施对10～20 cm耕层力稳性团聚体和水稳性土壤团聚体均产生显著影响（F=4.76,P＜0.05）.与空白对照相比较,沼液化肥配施显著升高了力稳性团聚体的MWD和GMD数值（P＜0.05）,增加比例分别为10.4%、11.6%和20.8%,16.1%、8.6%和26.9%,各处理均存在显著性差异；与空白相比,沼液化肥配施显著降低了土壤水稳性团聚体MWD数值,降低幅度为16.8%,0.8%和7.1%,虽然沼液化肥配施也显著降低了土壤水稳性团聚体GWD数值,但是化肥配施各处理（A1,A2,A3）并不存在显著性差异.沼液配施对土壤团聚体结构破坏率的影响见表6.

表6 沼液配施对土壤团聚体结构破坏率的影响Tab.6 Effects of combined application of biogas slurry on soil aggregate structure destruction rate %

由表6可知,沼液化肥配施对土壤团聚体结构破坏率产生显著影响（F=4.76,P＜0.05）.与空白对照相比较,化肥沼液配比施肥对不同耕层的影响不一样,低化肥与高沼液配施（A3）显著提高0～10 cm的PAD值,其他两个处理（A1,A2）并无显著性差异,数值分别是48.34%和49.15%（P＜0.05）.相较于空白来说,沼液化肥配比施肥会降低10～20 cm的PAD值,全化肥施用（A1）和50%的化肥与50%的沼液配施（A3）相比于空白（CK）条件下的10～20 cm的PAD值存在显著性差异,数值分别是49.4%和49.61%（P＜0.05）.

3 讨论

在本研究中,相对于空白处理,沼液化肥配施使不同深度土壤的大团聚体（＞0.25 mm）组成比例都有显著增加,随着沼液化肥配施中沼液比例的增加,＞0.25 mm的大团聚体所占比例也在逐渐增加,而＜0.25 mm的微团聚体组成比例在慢慢减少.原因可能是沼液中含有丰富的有机质和大量活性物质,随着配施沼液量的增加,会逐渐提高土壤中有机质的含量,而土壤团聚体与土壤有机质含量是密不可分的.土壤团聚体的形成是一个渐进且复杂的过程.主要是有机和无机两类胶状物质的互相作用，其中土壤有机质和土壤微生物等作为有机胶结物质都对团聚体的形成有促进作用[19].而促使土壤团聚体形成的微生物种类较多,真菌和放线菌等以菌丝及其生活的代谢产物-多糖和其他有机物对土壤颗粒的胶结作用形成稳定性团聚体[20].姜灿烂等[21]研究表明有机无机肥配施可使旱地红壤有机质含量增加9%～54%,＞5 mm机械稳定性团聚体增长2%～42%,改善了土壤团聚体结构及其稳定性；有机肥施用明显增加了＞2 mm大团聚体的比例,同时0.053～0.250 mm微团聚体比例降低[22]；陈敬轩等[23]研究表明,通过连续22 a的施肥,各处理相比较对照均显著增加了耕层土壤中＞0.25 mm水稳性大团聚体含量,同时提高了土壤团聚体水平.刘恩科等[24]发现秸秆还田、有机肥施用均能促进＞0.25 mm土壤团聚体形成.有研究显示,沼液与化肥配合使用,不但可以均衡土壤所需的营养元素,增强土壤的肥效,而且可以疏松土壤,增加土壤的透气性,提高土壤团聚体组成和稳定性[25].

团聚体平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、土壤团聚体结构破坏率（PAD）是常用来反映团聚体的稳定性指标.土壤团聚体的MWD和GMD值越高,表明土壤越稳定,能够有效反映土壤团聚体组成分布和结构稳定性[21,26-29].本文研究结果显示,随着沼液化肥配施比例增加,与空白相比较,0～10 cm耕层除了水稳性团聚体的GWD升高以外,土壤力稳性和水稳性团聚体的MWD和GMD值显著降低；10～20 cm耕层水稳性团聚体的MWD和GMD值也显著降低,但是力稳性团聚体的MWD和GMD值显著升高.与空白对照相比较,0～10 cm耕层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耕层各处理土壤的PAD值都是显著降低.与郑学博等[30]对旱地红壤施加沼液后土壤力稳性团聚体的MWD和GMD值显著升高,而水稳性团聚体的MWD和GMD值影响不大；刘哲等[31]施用5种不同有机物料均显著促进0～15 cm耕作层土壤水稳性微团聚体向大团聚体（＞0.25 mm）的团聚,提高水稳性团聚体的MWD和GMD结果不一致,主要原因可能是短期的沼液施入,达不到显著的改良效果；不同的化肥沼液配施比例也会有不同的效果；沼液对不同的土质改良的效果不一致.

4 结论

（1）与空白对照相比较,随着沼液施入比例的增加,砂姜黑土0～10 cm和10～20 cm耕层的土壤＞0.25 mm粒径的力稳性团聚体和水稳性团聚体比例增加.

（2）50%沼液加50%复合肥处理,对＞0.25 mm粒级的力稳性团聚体含量和水稳性团聚体含量有显著提升作用.

（3）随着沼液施入比例的增加,砂姜黑土0～10 cm土壤力稳性、0～10 cm水稳性团聚体和10～20 cm土壤水稳性团聚体的MWD和GMD会降低,10～20 cm土壤力稳性团聚体的MWD和GMD会升高.与空白对照相比较,随着沼液量的增加会提高0～10 cm土壤团聚体的PAD值,降低10～20 cm土壤团聚体的PAD值.