有机液肥对赣南脐橙园土壤团聚体及其有机碳分布的影响

赖金平，姚锋先，徐丽红，张永浩，陈 蓉，郭家乾

（赣南师范大学生命科学学院，国家脐橙工程技术研究中心，江西 赣州 341000）

良好的土壤结构是维持土壤肥力的基础，其中团聚体是土壤最基本的结构单元，其分布和稳定性是土壤物理性质的重要指标［1］。施用有机肥是提高土壤有机质（SOM）和改善土壤肥力的主要措施［2-7］；SOM含量的增加和质量的提高对土壤团聚体的结构和稳定性有促进作用，对土壤质量的可持续性和作物产量的稳定性具有至关重要的作用。长期试验显示，随土壤有机物质供应水平提高，土壤质量性状全面改善，作物产量显著增加［8］。

近年来有机肥形态和施肥方式在生产上的应用都有了拓展。利用形式已从传统的固态利用转向液态或半固态形式［9-11］，施用方法上也有注射施肥［12］、滴灌施肥［9］、叶面喷施［13］等。从效果上看，固态有机肥单施或与化肥配施对土壤肥力和作物生长的影响主要表现出正效应，但液态有机肥施用对土壤的影响研究结果呈多样性［14-16］。有研究报道柑橘在盆栽条件下，动、植物源液态有机肥滴灌施用对土壤肥力和植株生长均表现出促进作用［9］。沼液等液肥能明显提高旱地红壤SOM含量、较大直径（＞0.25 mm）机械稳定性和水稳定性团聚体含量［17］。

江西赣南是我国鲜食脐橙的主产区。脐橙产量与土壤肥力质量存在显著相关性［18］。我国99.2%的柑橘园施用化肥，仅47.8%的柑橘园施用有机肥，年均有机肥氮、磷、钾养分仅分别占总施用量的9.58%、19.6%和6.24%，有机肥投入严重不足［19］。赣南脐橙园大多数建在丘陵山地上，地形地貌变化大，且普遍坡度较大；该区域土壤多为红壤，植被差、冲刷重、酸度高、有机质和有效养分低。已有的研究表明，81%的赣南脐橙园SOM含量小于15 g/kg，平均含量10.35 g/kg，普遍处于缺乏水平［20］。目前，有机肥施用对土壤团聚体及其有机碳分布影响的研究已有相关报道［17，21-23］，但主要是以固体有机肥或动物源液肥（沼液）为主，而关于植物源有机液肥施用对赣南丘陵山地脐橙园土壤团聚体及其有机碳分布特征影响的研究还鲜见报道。

本研究拟通过有机液肥灌溉施用大田试验，研究有机液肥灌溉施用对赣南脐橙果园土壤团聚体组成和稳定性的影响，并探讨团聚体内有机碳的分布特征。通过研究无机营养液肥、植物源有机液肥、以及有机无机液肥配施等不同液肥处理对赣南脐橙园土壤团聚体及其有机碳分布的影响，从而为赣南丘陵山地脐橙园以饼肥为主要原料的有机肥灌溉施肥技术模式构建提供理论依据，为南方丘陵山地果园有机肥替代化肥的实施提供轻简高效的施肥技术方案。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2019年3月至2020年11月在赣南师范大学国家脐橙工程技术研究中心校内基地进行，基地位于114.8°E，25.8°N。试验土壤属第四纪红壤，其基础理化性质：pH 4.5，土壤有机质6.94 g/kg，碱解氮46.43 mg/kg，有效磷5.63 mg/kg，速效钾159.67 mg/kg。试验材料为长势基本一致的枳壳砧纽荷尔脐橙幼龄果树。

1.2 试验方法

1.2.1 植物源有机液肥制备

植物源有机液肥以当地榨油坊购得的菜籽饼粕为原料，原料的基础理化性质：pH 5.21，有机质79.44%，全氮42.92 g/kg，全磷9.03 g/kg，全钾7.94 g/kg。将原料置于塑料容器桶内加水浸泡，固∶水为1∶10（w∶v），经发酵一段时间后生成的沤腐液液相部分作为有机液肥原液，其理化性质见表1。其中2019年使用有机液肥在自然条件下发酵制得，2020年所使用有机液肥在2019年有机液肥制备方法的基础上加入饼粕降解菌发酵制得［24］。

表1 供试植物源有机液肥基本理化性质

1.2.2 处理的设置

试验设4个处理，分别为：CK，不施肥；T1，单施化肥溶液；T2，单施植物源有机液肥；T3，50%化肥N+50%有机液肥N的混合液。采用单因素随机区组设计，每个处理6次重复，相邻小区间用水泥砖隔开，小区面积1.0 m×1.0 m，每个小区定植长势基本一致的1年生枳壳砧纽荷尔脐橙幼苗1株，嫁接时间为2018年8月，2019年3月12日定植，随机区组排列。2019和2020年每株幼树试验期间施氮量分别为50和100 g；有机液肥和化肥水溶液均以灌溉方式施用，两年施肥时间均为4～10月，每10～15 d灌溉施肥1次，每次每株浇施液肥6 L，对照浇施等量去离子水。具体施肥量见表2。其中，氮肥为尿素（N 46%）和磷酸二氢铵（N 12%、P2O561%），磷肥为磷酸二氢铵（N 12%、P2O561%），钾肥为硫酸钾（K2O 52%）。

1.3 样品采集与测定

2020年11月1日，每处理选取3个小区进行土样采集。在各处理小区内距离幼龄树主干20 cm处随机选取3个点，挖取长宽高分别约20 cm的土壤剖面，采集0～15 cm土层原状土样。置于铝质盒中，以保持原状土壤结构。在室内将采集的原状土样摊开，当土壤含水量达塑性极限时，沿土壤自然裂隙轻轻掰成10 mm左右的小土团，混合均匀后，采用四分法采集混合样，剔除根系、石头等杂物，在阴凉处风干备用。待土壤样品完全风干后，分别采用萨维诺夫干筛法和湿筛法测定＞2、1～2、0.5～1、0.25～0.5、0.053～0.25和＜0.053 mm各粒级土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体含量。采用重铬酸钾外加热法测定原土和各粒级团聚体有机碳含量［25］。

表2 不同处理中NPK的来源与构成 （g/株）

1.4 土壤团聚体指标计算方法

各级团聚体的质量百分含量（%）=该级团聚体质量/土壤样品总质量×100

团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）依据公式（1）和（2）计算：

式中，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，＞2 mm团聚体直径上限为2.5 mm；Wi为对应于Xi的团聚体百分比。

土壤团聚体稳定率（AR）依据公式（3）计算：

式中，DR0.25为＞0.25 mm机械稳定性团聚体含量（%），WR0.25为＞0.25 mm水稳定性团聚体含量（%）。

质量分形维数（D）依据杨培岭等［26］推导的公式（4）计算：

式中，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，＞2 mm团聚体直径上限为2.5 mm；Xmax为最大粒级的平均粒径，mm；M（r＜Xi）为 粒 径 小 于Xi团 聚 体 的 重 量，M为团聚体总重量。以lg（Xi/Xmax）为横坐标，lg［M（r＜Xi）/M］为纵坐标，最小二乘法直线拟合，计算其斜率，最后由斜率推算得到质量分形维数D。

1.5 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理、绘制图表，采用SPSS 23.0进行单因素方差分析和相关性分析（大小采用Pearson指数），差异显著性分析采用Duncan新复极差方法，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 有机液肥施用对土壤团聚体大小分布特征的影响

2.1.1 机械稳定性团聚体组成

通过干筛法获得不同施肥处理下土壤机械稳定性团聚体组成（表 3）。各处理＞0.25 mm机械稳定性团聚体平均含量（DR0.25）为76.32%～86.68%。各处理均以＜0.053 mm团聚体含量最低。各处理对＞2 mm机械稳定性团聚体含量（DR2）的影响：T1、T2、T3处理较CK处理分别显著提高了58.65%、115.95%、72.78%，T2、T3处理较T1处理分别提高了36.12%、8.90%。表3结果表明，各处理对DR0.25的影响：T2、T3处理较CK处理分别显著提高了8.98%、7.34%，较T1处理分别显著提高了13.57%、11.87%；T1处理较CK处理显著降低了4.05%。

表3 有机液肥施用对土壤机械稳定性团聚体组成的影响 （%）

2.1.2 土壤水稳定团聚体组成

由表4可知，各处理＞0.25 mm水稳定性团聚体平均含量（WR0.25）为64.55%～77.32%。各处理均以0.25～2 mm团聚体含量最高，＜0.053 mm团聚体含量最低。除CK处理外，各处理土壤水稳性团聚体含量由多到少依次为0.25～2、＞2、0.053～0.25、＜0.053 mm。CK处 理 土 壤水稳性团聚体含量由多到少依次为0.25～2、0.053～0.25、＞2、＜0.053 mm。T1、T2、T3处 理WR0.25较CK处理分别显著提高了13.38%、19.78%、18.26%。T2、T3处理WR0.25较T1处理分别提高了5.64%、4.30%。与CK处理相比，T1、T2、T3处理＞2 mm水稳定性团聚体含量分别显著提高了90.56%、143.79%、55.55%。

表4 有机液肥施用对土壤水稳定性团聚体组成的影响 （%）

2.2 有机液肥施用对土壤团聚体稳定性的影响

2.2.1 土壤团聚体平均质量直径和几何平均直径

由表5可知，各处理土壤机械稳定性团聚体MWD和GMD的 大 小 顺 序 均 为：T2＞T3＞T1＞CK。T1、T2、T3处理机械稳定性团聚体MWD较CK处理分别提高了13.04%、36.96%、30.43%。T2、T3处理机械稳定性团聚体MWD较T1处理分别显著提高了21.15%、15.38%。T1、T2、T3处理机械稳定性团聚体GMD较CK处理分别提高了4.84%、40.32%、35.48%。T2、T3处理机械稳定性团聚体GMD较T1处理分别显著提高了33.85%、29.23%。

表5 有机液肥灌溉施用对土壤机械稳定性和水稳性团聚体MWD和GMD的影响 （mm）

各处理土壤水稳性团聚体MWD表现为：T2＞T1＞T3＞CK。T1、T2、T3较CK处理分别显著提高24.47%、38.30%、22.34%。各处理土壤水稳性 团 聚 体GMD表 现 为：T2＞T3＞T1＞CK。T1、T2、T3较CK处理分别显著提高27.59%、46.55%、32.76%。T2、T3较T1处 理 分 别 提 高14.86%、4.05%。

DR0.25、WR0.25和MWD、GMD进行相关性分析（表6），发现DR0.25、WR0.25与MWD和GMD均呈线 性 正 相 关（y=ax-b，R2＞0.45），且DR0.25与 机械稳定性团聚体MWD、机械稳定性团聚体GMD呈极显著线性正相关，WR0.25与机械稳定性团聚体MWD、水稳定性团聚体MWD、机械稳定性团聚体GMD、水稳定性团聚体GMD均呈极显著线性相关。说明随着DR0.25、WR0.25含量的增加，机械稳定性和水稳定性团聚体MWD、GMD也相应增加。

表6 机械稳定性和水稳定性大团聚体含量与MWD和GMD的相关系数

2.2.2 土壤团聚体稳定率和分形维数

由表7可知，与CK处理相比，T1、T2、T3处理均显著提高了土壤团聚体稳定率（AR），增幅分别为13.07%、9.77%、10.07%，但其相互之间无显著差异。

通过分析DR0.25、WR0.25与AR之间的关系可知（表8），DR0.25同AR呈弱负相关，而WR0.25同AR之间呈极显著正相关（P＜0.01）。说明有机液肥灌溉施用主要通过提高 ＞0.25 mm水稳性团聚体含量来提高土壤团聚体稳定性。

各处理的机械稳定性团聚体分形维数范围为2.09～2.29，CK与T1处理机械稳定性团聚体分形维数无显著差异，T2、T3处理机械稳定性团聚体分形维数均低于CK与T1处理，其中T2与CK、T1差异显著。各处理水稳定性团聚体分形维数范围为2.25～2.31，各处理间差异不显著。

通过分析DR0.25、WR0.25与分形维数之间的关系（表8）可知，两者与各自的分形维数间均呈线性负相关，说明随着＞0.25 mm机械稳定性和水稳定性团聚体数量增加，分形维数降低，进而降低土壤粘重程度，改善土壤质地。

表7 有机液肥施用对土壤团聚体稳定率和分形维数的影响

表8 机械稳定性和水稳定性大团聚体含量与土壤团聚体稳定率和分形维数的相关系数

2.3 有机液肥施用对土壤有机碳的影响

2.3.1 土壤总有机碳含量

由表9可知，T1、T2、T3均能提高土壤有机碳含量，且T2、T3效果优于T1。与CK相比，T1、T2、T3处理土壤有机碳含量分别提高了1.76%、22.74%、24.37%。

2.3.2 土壤水稳定性团聚体有机碳含量

有机碳在不同粒径水稳性团聚体中的含量与分布情况见表9。结果表明，各处理＞2、0.25～2、0.053～0.25、＜0.053 mm粒级团聚体中有机碳的含量分别为8.10～11.44、6.64～9.55、4.31～6.60、8.36～13.86 g/kg。各 处 理 水 稳 性团聚体有机碳含量随着粒径的减小呈现先下降后上升的趋势。同一处理不同粒径水稳性团聚体中有机碳含量由高到低依次为 ＜0.053、＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm。除T3处 理 外，各 处 理＞2 mm土壤团聚体有机碳含量高于CK，＜0.053 mm土壤团聚体有机碳含量低于CK。与T1处理相比，T2和T3处理增加了各粒级土壤团聚体有机碳含量，增幅分别达到39.00%和10.09%、43.83%和28.61%、53.13%和32.71%、39.95%和30.38%，除＞2 mm外，其它粒级土壤团聚体有机碳含量均达到显著差异。总的来说，有机液肥灌溉施用明显提高了大团聚体的有机碳含量。

表9 不同处理土壤团聚体有机碳含量 （g/kg）

2.4 土壤团聚体平均质量直径、几何平均直径、稳定率、分形维数与其有机碳含量的相关分析

由表10可知，土壤团聚体MWD和GMD与＞2、0.25～2 mm粒级团聚体有机碳含量之间呈正相关，且与＞2 mm粒级团聚体有机碳含量呈极显著或显著正相关，与＜0.25 mm粒级团聚体呈负相关，说明团聚体稳定性受大团聚体有机碳含量影响大，其含量越高，土壤团聚体稳定性越强，土壤结构越稳定。AR与＞0.25 mm粒级团聚体有机碳含量呈正相关，与0.053～0.25、＜0.053 mm粒级有机碳含量呈显著、极显著负相关，说明微团聚体有机碳含量的增加可显著降低团聚体的稳定程度，同时还可降低团聚体的稳定性。

表10 不同粒级土壤水稳性团聚体有机碳含量与团聚体稳定性之间的相关系数

3 讨论

3.1 有机液肥灌溉施用对赣南脐橙园土壤团聚体及稳定性的影响

大量试验结果表明，施用有机肥可对土壤团聚体及其稳定性产生积极影响［22-23，27］。本研究发现，与单施化肥（T1）相比，脐橙园单施有机液肥（T2）和有机无机肥配施（T3）处理均显著提高了土壤＞0.25 mm机械稳定性团聚体含量，其增幅分别达到13.57%和11.87%；同时以上处理也提高了土壤＞0.25 mm水稳定性团聚体含量，增幅分别达到5.64%和4.30%，但差异不显著。这可能是由于有机液肥灌溉施用既减少了人为对果园土壤扰动的频率和强度，又增加了有机质的输入，促进了植物根系、土壤动物、微生物活动，使它们的代谢产物增多，土壤中有机胶结物质增加，从而促进了大团聚体的形成。此结果与胡林等［28］、徐永昊等［29］研究结果基本一致。

土壤团聚体越稳定，土壤结构越良好，可更好地给作物提供养分、水分和空气的运输通道［17］。团聚体平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、团聚体稳定率、分形维数等通常被用来作为评价团聚体稳定性的指标，可较好地反映团聚体大小分布状况和土壤结构的稳定性［30-31］。本研究发现，T2、T3处理机械稳定性团聚体MWD较T1处理分别显著提高了21.15%、15.38%，机械稳定性团聚体GMD较T1处理分别显著提高了33.85%、29.23%，而T1、T2、T3处理间水稳定性团聚体MWD和GMD均无显著差异。这说明有机液肥灌溉施用显著提高了果园土壤结构机械稳定性，单施有机液肥效果较好，而对土壤结构水稳定性影响不大，这与郑学博等［17］的研究结果基本一致。本研究中，MWD、GMD与＞0.25 mm团聚体含量均呈线性正相关（表 5），表明＞0.25 mm团聚体含量越高，MWD、GMD越大，团聚体稳定性越强，土壤抗蚀能力越强，此结论与李建华等［22］的研究结果一致。本研究还发现，分形维数与＞0.25 mm团聚体含量呈线性负相关（表 7）。单施有机液肥和有机无机配施分形维数低于不施肥、单施化肥处理，可能是有机液肥灌溉的施用显著增加了土壤有机质含量，提高了土壤有机胶结物质，同时使土壤微生物增加，菌丝体增多，促进了土壤团聚作用［32］，进而使土壤大团聚体含量增加所致。

3.2 有机液肥灌溉施用对赣南脐橙园土壤团聚体有机碳含量的影响

已有大量研究报道固体有机肥施用后能增加土壤有机碳含量［6-7，33］。然而，液态动、植物源有机肥的施用对土壤有机碳含量的影响结果却不一致，有提高［14］、降低［15］的结果，也有不变的结果［16］。农家有机肥通过发酵或浸泡等方式处理后制备成液态形式［13］，从而使得有机肥中营养元素的有效性与化肥肥料相当；与固体有机肥相比，液体有机肥的有机质含量相对较低［34］，但长期施用或施用量较大的情况下也能显著提高土壤有机质含量［35-36］。本研究发现，通过两年的有机液肥灌溉施用定位试验，与单施化肥处理相比，单施有机液肥和有机无机配施均显著提高了土壤总有机碳含量，增幅分别达到20.62%和22.22%。与Maillard等［11］、Matsi等［37］的 研 究 结 果 基 本一致。

Oades等［38］认为大团聚体是较低层次的团聚体加上有机物等胶结剂形成的，所以土壤有机碳含量会随着团聚体粒径的增大而增加。本研究CK处理中有机碳主要分布在＜0.053 mm微团聚体上，大团聚体含量较低，说明微团聚体比大团聚体形成的早，稳定性高于大团聚体，验证了微团聚体通过胶结作用形成大团聚体的层次性机制。本研究还发现各处理水稳性团聚体有机碳含量随着粒径的减小呈现先下降后上升的趋势。同一处理不同粒径水稳性团聚体中有机碳含量由高到低的顺序为＜0.053、＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm。这与王义祥等［39］研究所得团聚体内有机碳含量表现为随着粒径增大而增加的趋势不一致，其原因可能与土壤类型有关。与T1处理相比，T2、T3处理分别显著增加了各粒级土壤团聚体有机碳含量，增幅分别达到10.09%～39.00%、28.61%～43.83%、32.71%～53.13%、30.38%～39.95%。此结论与陈晓芬等［40］、刘振东等［41］的研究结果一致。

不同团聚体具有特定的孔隙特征以及不同粒级团聚体碳源数量与质量的差异，影响有机质的持久性及有机质的亲水性和疏水性物质的比例，进而影响团聚体的稳定性［42-44］。相关性分析结果表明，团聚体MWD、GMD及稳定率与＞2、0.25～2 mm团聚体有机碳含量均呈现线性正相关，其中团聚体MWD和GMD与＞2 mm团聚体有机碳含量均呈现显著正相关，其含量越高，土壤团聚体稳定性越强，土壤结构越稳定。有机液肥施用对果园土壤团聚体有机碳的影响是导致团聚体形成及其稳定性变化的重要原因。但有关果园土壤团聚体质量和数量、稳定性变化与团聚体有机碳含量、分布及微生物多样性之间的相互关系还有待进一步探讨。

4 结论

不管是单施有机液肥或有机无机液肥配施，均在一定程度上提高了＞0.25 mm土壤机械稳定性和水稳定性团聚体含量。有机液肥施用对赣南脐橙园土壤团聚体及其稳定会产生积极影响，不仅能够减少人为土壤干扰，还能促进大团聚体形成，提高土壤团聚体MWD、GMD和稳定率，降低土壤团聚体分形维数，改善土壤结构稳定性；同时，也优化了土壤团聚体有机碳含量与分布，较大幅度提高了土壤总有机碳和大团聚体（＞0.25 mm）有机碳含量。