长期施用畜禽粪对黑土有机无机复合体动态变化的影响

2022-08-16孟庆龙吴景贵李建明关华建季佳鹏牛岸秋

水土保持学报 2022年4期

孟庆龙，吴景贵，李建明，关华建，季佳鹏，牛岸秋

(吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118)

土壤有机碳是土壤碳的重要组成部分，土壤中有机碳主要以有机质的形式存在，有机质积累和分解的速率决定着土壤碳储量。土壤有机质与土壤矿物是土壤最重要的组成部分，二者密不可分，有机物的积累是重要的土壤形成过程，而这一过程则需要通过形成有机无机复合体完成。

土壤中有机碳的循环与积累过程主要是有机碳本身的难降解性、土壤无机矿物对有机碳的固定以及团聚体对有机碳的物理保护。土壤无机矿物对有机碳的固定形成有机无机复合体，作为土壤胶体的主要形式，土壤有机无机复合体在土壤良好结构的形成中起到重要作用，它一方面提高碳的稳定性，另一方面也提高土壤对养分的固持能力。

在农业生产不断发展的今天，农产品的产量极大增加，伴之而来的是农业生产中的废弃物，大量的家禽和动物粪便得不到及时处理，造成一系列的环境问题，同时也造成资源的浪费。农业废弃物的资源化利用已成为许多专家学者研究的重点，但前人的研究多集中于有机物料还田后可提升土壤养分，并且改善土壤物理性质。畜禽粪施入后，为土壤带来新的有机质通过有机—矿物结合，形成有机无机复合体，稳定于土壤中，但经过长期有机培肥后土壤中有机无机复合体的动态变化却鲜有研究。由于不同畜禽粪自身性质的差异，对土壤有机质含量的影响不尽相同，土壤有机质含量又是有机无机复合体形成的重要影响因素，所以不同畜禽粪对土壤有机无机复合体都有着不同影响。有研究表明，土壤有机质的变化与有机肥使用年限密切相关，而通过长期定位试验对土壤进行动态采样观测，可以系统揭示不同畜禽粪对土壤有机质及有机无机复合体动态变化的影响。本文通过长期定位试验，对不同畜禽粪施入黑土后有机无机复合体组成及有机碳在有机无机复合体分布状态的动态变化进行研究，探究不同畜禽粪长期连续施用对黑土有机质复合状况的动态影响，揭示不同畜禽粪在长期有机培肥过程中对黑土有机无机复合体供肥规律及特性的影响，从而为培肥土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点设在吉林省长春市吉林农业大学教学科研基地进行。研究区年降水量600 mm，6—8月的降水总量350～400 mm，占全年降水的60%以上。无霜期145天。试验为长期定位试验，研究对象为长期施用畜禽粪的黑土，土壤基本理化性质为有机碳含量19.37 g/kg，全氮含量1.13 g/kg，全磷含量0.87 g/kg，全钾含量2.39 g/kg，土壤pH 6.67。

1.2 试验设计

试验小区分布采取随机排列，每小区宽8垄，长5 m，面积26 m，共选取4个处理。分别为单施化肥(CK)、猪粪+化肥(ZF)、牛粪+化肥(NF)及鸡粪+化肥(JF)。各小区化肥施用量为磷酸二铵120 kg/hm，氯化钾90 kg/hm。有机物料按照等碳原则连年施入，其中各畜禽粪施入量为鸡粪4 931 kg/hm，猪粪4 402 kg/hm，牛粪3 916 kg/hm，每个处理设3个重复。试验选用的猪粪、牛粪取自吉林农业大学动物科学与技术学院养殖场，鸡粪取自辽源鑫荣生物肥科技有限公司。有机物料基本理化性质见表1。

表1 供试物料基本理化性质

1.3 供试土壤采集与测定

本试验土壤样品选用连续施用畜禽粪的第1年(2010年)、3年(2012年)、6年(2015年)、9年(2018年)、11年(2020年)秋收土壤，采用五点法对不同小区的0—20 cm土层进行取样，带回实验室自然风干。

在对有机无机复合体的研究中，土壤复合度是通过土壤不同组分的密度不同，将密度相对较高的与矿物结合的土壤腐殖质分离出来。土壤复合状况主要的衡量指标为土壤复合度，土壤复合度可以反映土壤有机质与土壤矿物复合的数量状况，本试验采用密度分组法测定土壤复合度，土壤与重液比为1∶5，重液选用密度为1.8的碘化钠，超声分散，离心，采用CaCl洗涤重组土壤，再用蒸馏水洗至无Cl反应。随后烘干称重，用重铬酸钾外加热法测定重组有机碳含量(HFOC)，从而计算原土复合量(SQC)和原土复合度(SDC)。

胶散分组法是利用化学方法根据有机无机复合体不同的胶散情况，将有机无机复合体进行分组，本研究采用陈家坊等的方法分离，分别提取水质分散组(G)、钠质分散组(G)和超声分散组(G)。烘干称重，计算含量，采用重铬酸钾—外加热法测定各组分胶散复合体有机碳含量。

1.4 数据处理

运用Microsoft Excel 2016、SPSS 18.0和Origin 2017软件对数据进行整理分析及作图。

2 结果与分析

2.1 长期施用畜禽粪对黑土有机质含量的影响

从图1可以看出，各处理土壤有机质含量在畜禽粪施入的前2年先出现小幅下降，从2012年后随着畜禽粪施用时间的增加出现显著提高。各处理中CK处理提升幅度较小。到2020年，不同畜禽粪处理中，JF处理相比CK提升最多，达到11.1%，其次是ZF和NF处理，增幅为6.3%～9.9%。

注：不同大写字母表示同一处理在不同年份之间差异性显著(p<0.05)；不同小写字母表示同一年份不同处理之间差异性显著(p<0.05)。下同。

2.2 长期施用畜禽粪对黑土重组有机碳的影响

从图2可以看出，不同畜禽粪的长期施用对不同时期黑土重组有机碳的影响不同。从整体动态变化来看，所有处理均在2012年后呈现升高趋势，到2020年，所有处理相比2010年均有显著提高。不同处理比较来看，到2020年，各处理不同时期黑土重组有机碳含量表现为JF>ZF>NF>CK，畜禽粪处理相比CK增加显著，增幅达到6.8%～12.0%，2020年不同畜禽粪处理中，JF与ZF处理间没有显著差异，但均比NF处理提升显著。

图2 不同处理对不同时期重组有机碳含量的影响

2.3 长期施用畜禽粪对黑土原土复合量与原土复合度的影响

从图3可以看出，长期施用畜禽粪对不同时期黑土原土复合量的影响不同。从整体动态来看，随着畜禽粪的长期施入，2012年后黑土原土复合量出现连续显著增高，而CK处理变化较小。施用畜禽粪后黑土原土复合量相比CK均有提升，提高最多的在2020年，JF、ZF和NF处理分别相比CK提高10.0%，9.2%和5.5%。各畜禽粪之间，JF处理始终显著高于NF处理，2018年和2020年ZF处理与JF处理无显著差异，但显著高于NF处理。

从图3还可看出，原土复合度的动态变化相对稳定。从整体时间的动态变化来看，各处理的原土复合度在2012年达到最高，随后出现连续下降，到2020年与2010年相比有显著降低。而在不同年份中CK处理高于施入畜禽粪的各个处理，但施入不同畜禽粪，并没有使原土复合度在同一年份中出现显著差异。

图3 不同处理对不同时期土壤原土复合量与复合度的影响

表2为土壤复合度随时间动态变化过程的拟合。通过不同函数拟合发现，原土复合度的动态变化可用二次多项式拟合，CK、NF、ZF和JF处理拟合方程的分别为0.999，0.997，0.992和0.968，可以看出，添加畜禽粪所带来的外源有机碳导致各畜禽粪处理拟合方程的均小于CK，且JF处理最小，说明JF处理对土壤原土复合度影响最大，二次项系数均为负值，大小顺序依次为CKJF>NF。常数项均为正数，CK最大，畜禽粪处理的大小依次为ZF

表2 土壤原土复合度(y)随时间(x)动态变化过程拟合

2.4 长期施用畜禽粪对黑土胶散复合体组成的影响

从表3可以看出，不同组分土壤胶散复合体的含量大小始终为G>G>G。从时间动态来看，所有处理的G复合体在2012年后均有显著提高，而G复合体整体呈下降趋势，G复合体相对稳定，CK与NF的G复合体含量在长期试验中无显著差异，JF与ZF处理的G复合体含量到2018年相比2010年有显著提升。水稳性复合体(G+G)的总含量与G含量变化相似，整体呈连续下降趋势。复合体总含量的动态变化中，经过长期添加畜禽粪后，相比2010年均呈现显著提高，到2020年JF处理复合体总含量最高，大小依次为JF>ZF>NF>CK。

表3 不同处理对不同时期土壤有机无机复合体组成的影响

施用畜禽粪的处理始终相比CK处理G复合体含量显著提高，2020年JF处理相比CK增加最多，达到13.8%，ZF与NF处理分别比CK增加11.8%和8.8%。从畜禽粪处理来看，除2015年相互无显著差异外，均为JF处理G含量最高，并始终显著高于NF处理。G复合体相对稳定，只在2015年和2018年施用畜禽粪的处理G含量高于CK，JF处理分别比CK高出3.3%和1.5%，ZF处理分别比CK高出2.9%和2.6%。NF处理分别比CK高出1.4%和3.0%；畜禽粪的不同并未使各处理间土壤G复合体含量出现显著差异。G复合体同样是稳定的复合体，只有JF和ZF处理到2018年与2020年相比CK有显著提高，NF处理在2018和2020年相比CK有增加，但差异未达到显著水平。2020年JF和ZF处理分别相比CK提高12.8%和9.1%；畜禽粪各处理之间同样没有显著差异，只在2015年后，JF、ZF处理相比NF处理有升高，但差异不显著。

不同复合体组成的动态变化中，由于G复合体含量整体呈上升趋势，所以G复合体占比出现同样的趋势，所有处理的G复合体在2020年占比最高，不同畜禽粪处理中，2010年与2012年大小顺序均为JF>ZF>NF，2015年不同畜禽粪之间无显著差异，2018年以ZF处理最高，2020年同样不同畜禽粪之间无显著差异。G复合体含量呈下降趋势，其占比同样呈现连年下降趋势，所有处理均在2020年占比最低，JF与ZF处理除2010年外无显著差异，而NF处理在2012年与2018年显著高于JF与ZF处理。G复合体含量最少，其占比受G和G含量影响较大，但JF和ZF处理的G复合体占比在2020年相比2010年显著提高。在不同年份中，畜禽粪的不同并未造成G复合体占比的不同，各畜禽粪处理间无显著差异。

2.5 长期施用畜禽粪对黑土各组分胶散复合体中有机碳分布的影响

胶散复合体的含量虽然只有53.6%～60.7%，但其中的有机碳却占到土壤有机碳的72.73%～77.90%。从各组复合体的有机碳含量上，3组胶散复合体的有机碳含量大小依次为G>G>G，但在有机碳的分布上由于不同复合体含量存在差异，3组复合体的碳分布按大小依次为G>G>G。

由图4可知，随着长期试验的进行，除G复合体外，分布在G和G复合体中的有机碳均在长期试验后出现显著增加。从各处理之间的比较来看，G复合体中分布的有机碳除2018年NF处理与CK无显著差异外，施用畜禽粪处理均显著高于CK，到2020年JF处理相比CK增加最多，增幅达到17.9%，其次是ZF与NF处理，分别相比CK增加14.5%和10.4%。不同畜禽粪之间，除2015年各畜禽粪处理之间没有显著差异，其他年份JF处理均显著高于NF处理，而ZF处理只在2018年相比NF处理的增加达到显著水平。G复合体的有机碳含量虽有上升，但由于G复合体含量降低，分布于G的有机碳并未随畜禽粪施入出现连续显著增加；不同处理间，除2012年所有处理无显著差异外，施用畜禽粪的处理相比CK均有提升，但只有JF处理在其他年份中相比CK的增加始终达到显著水平，JF处理在2020年相比CK增加5.3%，ZF与NF处理在2020中相比CK有增加但不显著，分别增加3.7%和2.5%；畜禽粪处理之间对比，2012年与2018年各畜禽粪之间没有显著差异，其他年份JF处理含量最高，但相比其他畜禽粪处理的增加未达到显著水平。G复合体相对稳定，其有机碳分布整体呈现上升趋势，但不同处理间只有JF处理相比CK在所有年份中的增加达到显著水平，2020年增幅最大，达到17.4%，ZF处理在2012年、2018年和2020年相比CK有显著增加，同样在2020年相比CK增加最多，增幅为12.3%，NF处理在2018年和2020年相比CK有显著提高，而2020年相比CK处理，增幅只有6.3%。不同畜禽粪处理之间表现为JF>ZF>NF，JF处理在2010年和2018年相比其他畜禽粪处理达到显著水平，其他年份有增加，但差异不显著。

图4 不同处理对不同时期土壤中胶散复合体有机碳含量的影响

不同年份的动态变化之间胶散复合体有机碳总量不同。所有处理从2012年开始出现显著提升，2020年达到最高，各年份中的添加畜禽粪处理均高于CK，2020年JF、ZF和NF处理分别相比CK提高9.8%，7.5%和5.1%。畜禽粪处理之间除2015年和2018年没有显著差异，其他均是JF处理含量最高，NF与ZF处理在长期试验中无显著差异。

3 讨论

土壤有机质在维持土壤肥力中有着不可替代的作用，在生产中施用有机物料，尤其是有机物料配施化肥能提高土壤有机质的含量，本文从土壤复合度和土壤胶散复合体2个方面对不同畜禽粪长期施用条件下黑土有机无机复合体的动态影响进行研究。

在本文的研究结果中存在1个现象，不论是土壤有机质、原土复合量，还是胶散复合体中有机碳的含量，试验的前期提升缓慢，甚至出现下降。王莉等的研究指出，大豆连续种植3年与第1年种植相比，土壤腐殖质活化部分更多，紧结态腐殖质向松稳二态转移，土壤肥力减弱；也有研究认为，外源有机物料的加入会刺激土壤微生物产生更多的分解酶，产生激发效应。本研究结果与上述研究结果相符，试验之初土壤中水稳性复合体(G+G)的含量、土壤有机碳含量与土壤重组有机碳含量均有所下降。但从土壤复合度来看，2012年的土壤复合度并未出现下降，说明损失的有机碳中，不稳定的轻组有机碳占比更大，随着畜禽粪的长期施用，以及长期定位试验中作物根茬还田，土壤中的有机质得到补充，形成有机无机复合体稳定在土壤中，有机质累积的量也重新大于分解量，且伴随着常年有机物料的添加，这种现象出现得更早，有机质稳定的量更多。

从土壤整体复合状况来看，施用畜禽粪后土壤中的重组有机碳与原土复合量均高于未施畜禽粪的CK处理，说明畜禽粪的施入可以改善土壤中碳的稳定性，这也与前人的研究结果相一致。2012年后，重组有机碳与原土复合量随施用有机物料的年限增加而增加，这与史吉平等的研究结果相符，可能是由于长期施用的有机物料向土壤补充有机质，这些新增的有机质在土壤中长期积累，与土壤矿物质结合，使得土壤中稳定的重组有机碳含量与原土复合量增加，这也说明2012年后新加入的有机质大于土壤中分解流失的有机质，使得土壤有机质处于积累状态。原土复合度与重组有机碳和原土复合量的变化趋势相反，其原因为畜禽粪的施入，为土壤带来更多处于游离状态的轻组有机碳，使得重组有机碳的占比降低，导致原土复合度降低。

目前，土壤胶散复合体的研究方法一般将胶散复合体分成G(水分散组)、G(钠分散组)和G(超声分散组)3个组分，以往对3组复合体含量的研究结果显示，添加有机物料可以提高各组分的复合体含量，而本研究结果也显示，同一年份中，添加畜禽粪处理的复合体含量显著高于CK处理。本文的研究结果还显示，随着畜禽粪的长期施用，G复合体和G复合体含量均显著增加,但G复合体在长期试验期间出现连续下降。在丁慧仪等对长期耕作黑土中胶散复合体的研究中也发现，G复合体随时间增加，出现减小情况，该研究通过分析指出，这一现象可能是长期的耕作和施肥导致土壤钙离子淋失，从而使土壤复合体稳定性下降。陈恩凤等的研究也指出，随着开垦年限的增加，土壤中G复合体含量也随之增加，这也是即使G复合体含量下降，但土壤胶散复合体总量没有下降的原因。

从有机碳在各组复合体的分布来看，在2012年以后，随着畜禽粪的连续施用，各组分复合体中分布的有机碳相比单施化肥有显著提高，这与前面的重组有机碳和原土复合量的变化规律一致，说明长期施用畜禽粪可以使土壤中有更多有机质形成有机无机复合体，从而稳定下来。Das等研究发现，长期施肥，尤其是有机肥与无机肥配施，可以改变土壤的碳稳定性，与本文结论相符。

本研究所用的畜禽粪之中，JF(鸡粪)处理无论是对土壤复合体含量还是碳含量的提升都起到显著作用，其次是ZF(猪粪)处理，这与以往对不同畜禽粪还田效果的研究成果一致。王笃超等对不同畜禽粪还田的研究中也发现，鸡粪对土壤的有机碳提升最为明显。究其原因，有研究指出，不同畜禽粪本身的性质也决定其还田效果，有机物料本身的碳氮比也决定该有机物料的腐解速率；再者鸡粪与猪粪碳氮比较低，按照等碳量还田后，给土壤带来更多养分，促进作物生长，长期施用造成根茬还田量不同，导致土壤中有机质储量的不同。本试验用到的畜禽粪中，即以NF(牛粪)处理的碳氮比最高，而JF(鸡粪)和ZF(猪粪)处理的碳氮比均远小于NF(牛粪)处理。有机质是有机无机复合体重要的影响因素，有机质储量的变化会导致有机无机复合体出现差异。而牛粪属于冷性肥料，鸡粪猪粪属于热性肥料，本身性质的差异可能也导致其分解时土壤微生物活性的不同。不同畜禽粪带来的养分不同，使得土壤微生物活性与代谢产物存在差异，所以随着微生物活动增强，代谢分泌物增多，也使得土壤有机碳积累增加。