香菇菌渣对不同质地土壤团聚体组成的影响

徐 爽 (汉中职业技术学院,陕西 汉中 723000)

良好的土壤结构是土壤发挥生产和生态功能的重要条件[1]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元,团聚体的组成、分布和质量对土壤肥力、水分特征和生物学特征等环境条件和功能的形成有着重要作用,同时受到土壤利用和管理方式的直接影响,长期实行密集型生产管理的农田普遍存在土壤协调功能受损、抗逆性降低的现象[2-3]。土壤自我修复能力与环境协调能力的变化在团聚体的性状和稳定性变化上有着突出的体现[4],一般通过优化土地利用结构[5]、调整耕作方式[6]、增施有机肥[7]等方法提升土壤团聚体质量,恢复土壤功能。秸秆还田是培肥土壤、改善土壤团聚体性状的主要方法之一。已有研究表明,玉米秸秆持续还田可有效增加耕地大团聚体含量,增大土壤团聚体平均重量直径,改善团聚体性状[8]。周方亮等[9]研究发现,紫云英培育土壤能够有效增加直径>2 mm团聚体的含量,改善团聚体性状。

食用菌菌渣也称作菌糠,是食用菌采收后的生产废弃物。香菇菌渣中残留有大量的纤维素、半纤维素、木质素、菌体蛋白和微量元素等[10],是一种结构疏松多孔、透气性良好、富含营养物质和生物活性酶的土壤养分供给体和土壤生理机能调节体[11]。废弃的香菇栽培基质用于土壤改良,不仅增加了土壤中含氮养分和有机质含量[12],促进了土壤养分循环,增强根际土壤中与氮素转化相关的酶活性[13],同时对环境污染物的降解和转化具有明显效果[14-15]。目前,国内外对食用菌菌渣应用于改善土壤团聚体组成和性状的研究已经取得了一定进展。如栗方亮等[16]通过研究稻田施用不同用量菌渣下团聚体组成发现,施用菌渣增加了>2 mm团聚体的含量,平均重量直径和几何均重直径随着菌渣用量的增加而提高;NAKATSUKA等[17]研究发现,新鲜的香菇菌渣直接施入土壤中能够迅速改善土壤结构和孔隙度,改良后的土壤团聚体中含有大量的菌渣残留物,对促进土壤团聚体的形成有着重要意义。但对于添加菌渣对不同质地的土壤团聚体组成的影响研究鲜见报道。

以2种不同质地的土壤为研究对象,香菇菌渣为添加材料,开展室内恒温培养试验,测定不同添加比例和不同培养时长的土壤水稳性团聚体组成情况,分析土壤水稳性团聚体性状,以此研究香菇菌渣对不同质地土壤团聚体组成及性状的改善效果,为进一步研究食用菌菌渣的资源化利用和土壤团聚体改良方法提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1供试土壤的基本性质

供试土壤A为陕西省汉中市留坝县留侯镇耕地土壤,农作模式为玉米/马铃薯间作,近年来土地耕作密集,有机肥与化肥混施,结构状态表观良好;供试土壤B为汉中市汉台区宗营镇汉中职业技术学院农业生产基地耕地土壤,该土地生产极为密集,蔬菜四季轮种(采样时目标地块种植作物为马铃薯),有机肥与化肥混施,水肥投入逐年增大,结构性表现差。

每个供试田块按照“S”型分布设置15个采样点,分别采集0～20 cm表层的原状土壤样品和扰动土壤样品。用方形硬塑料盒收集原状样品,防止运输过程中被挤压破坏,带回实验室后在自然风干过程中除去植物残体及小石块,沿结构体自然裂隙面掰成直径约1 cm大小的小块,风干后用于测定团聚体的组成;扰动样品风干研磨过筛后用于测定土壤质地和养分含量。土壤质地采用吸管法测定,有机质含量用丘林法测定,碱解氮含量用扩散法测定,速效磷含量用Olsen法测定,速效钾含量用NH4OAc提取-火焰光度法测定[18]。

土壤质地采用卡庆斯基二级分类制分类,测得供试土壤A物理性砂粒(≥0.01 mm)含量w为87.2%,物理性黏粒(<0.01 mm)含量w为12.8%,质地类型为砂壤土;供试土壤B物理性砂粒含量w为21.3%,物理性黏粒含量w为78.7%,质地类型为中黏土。

测得供试土壤基本理化性状为:土壤A的w(有机质)为15.7 mg·kg-1,w(碱解氮)为123.3 mg·kg-1,w(速效磷)为110.8 mg·kg-1,w(速效钾)为211.2 mg·kg-1;土壤B的w(有机质)为9.8 g·kg-1,w(碱解氮)为74.7 mg·kg-1,w(速效磷)为22.4 mg·kg-1,w(速效钾)为54.6 mg·kg-1。2种供试土壤为处在同一区域的旱地耕作土壤,但由于土壤所处海拔、农业耕作模式和管理模式不同,土壤质地类型和有机质含量等肥力指标均存在显著差异(P<0.05)。

1.1.2供试菌糠的养分组成

供试香菇菌渣收集自汉中市汉台区武乡镇食用菌生产基地。将样品在室内自然风干后用粉碎机粉碎,过直径为1 mm孔径筛备用。香菇菌渣w(有机碳)为703.2 g·kg-1,全量w(氮)、w(磷)、w(钾)分别为12.8、3.5和1.8 g·kg-1,w(碱解氮)、w(速效磷)和w(速效钾)分别为816.2、28.3 和1 326.2 mg·kg-1。供试香菇菌渣w(有机碳)达70%左右,C/N比为55∶1,所含各类养分中大部分为速效养分,可为微生物提供良好的活动环境。

1.2 试验设计

土壤样品制备方法:通过机械筛分剔除直径为5 mm以上的大团聚体,仅保留在农业上有价值的直径≤5 mm的土壤团聚体[19]样品用于测定。称取供试土壤+菌渣样品共50 g[20](分别称取供试土壤A和B各50.0、49.5、47.5、42.5和35.0 g,按顺序加入香菇菌渣0、0.5、2.5、7.5和15.0 g),配置成菌渣添加量0、1%、5%、15%和30%的混合样品,轻轻摇匀后置于480 mL培养瓶中备用。上述混合样品每个处理配制12瓶,分为4组,分别对应0、30、60和90 d培养时间,每个处理设置3个重复。样品编号设计为土样类型编号(砂壤土A、中黏土B)、菌渣添加量和培养时长组成,例如砂壤土添加w=1%的菌渣培养30 处理编号为A1-30。

在配制好的混合样品中加入10 mL蒸馏水润湿土壤,放入SPX-150B-Z型恒温生化培养箱,在24 ℃恒温下培养相应天数后进行团聚体组成测定,培养期间每5 d补充1次水分,保持样品湿润,并及时除去杂草杂菌。

1.3 土壤水稳性团聚体组成的测定方法

土壤水稳性团聚体采用湿筛法测定。使用土壤水稳性团粒分析仪(德码zy200型,上海德码信息技术有限公司)进行团聚体筛分。具体操作为:沿盛有样品的培养瓶瓶壁缓缓加入20 mL去离子水浸润,将样品全部洗入仪器的套筛上(套筛孔径从上到下依次为5、3、2、1、0.5和0.25 mm),缓慢加入去离子水直至没过样品,仪器设置振幅3.0 cm,以40次·min-1的频率竖直上下振荡5 min。分离得到直径≤0.25、>0.25～0.5、>0.5～1、>1～2、>2～3和>3～5 mm的团聚体留于土筛上,将各级团聚体小心冲洗入蒸发皿,在水浴锅上蒸干后移入烘箱,烘干至恒重后称重,计算土壤水稳性团聚体的组成。

1.4 土壤水稳性团聚体性状指标计算

对测定所获数据,分别计算各级团聚体质量百分含量、平均重量直径(mean weight diameter,MWD,DMW)和几何均重直径(geo-metric mean diameter,GMD,DGM),用于团聚体组成分析和团聚体质量评价,计算公式为

(1)

(2)

式(1)～(2)中,xi为团聚体的直径,mm;wi为某一直径团聚体的质量,g。平均重量直径和几何平均直径是评价土壤团聚体组成和状态的指标,常用于评价土壤团聚状态和质量,平均重量直径和几何平均直径数值越大,代表土壤团聚度越高[21]。

2 结果与分析

2.1 供试土壤的水稳性团聚体组成

图1为2种供试土壤的水稳性团聚体累计质量分数。供试土壤A和B中直径≤0.25 mm的水稳性团聚体含量均在60%以上,直径≤0.5 mm的水稳性团聚体含量均为75%。2种质地的土壤在较小直径的水稳性团聚体中百分含量相当,在>3～5 mm直径范围内两者则显现出了较大差异。土壤A中>3～5 mm直径水稳性团聚体含量仅占不到2%,土壤B中为6.25%。表明2种供试土壤的水稳性团聚体组成差异主要体现在>3～5 mm直径的较大团聚体。

图1 不同质地类型土壤团聚体累计质量分数Fig.1 Cumulative weight precentage of different textured tested soil aggregates

2.2 添加香菇菌渣培养处理下土壤水稳性团聚体的组成

图2为各处理培养后的土壤团聚体质量分数累计曲线。加入不同比例的菌渣但未经培养的处理团聚体整体组成发生了一定变化,但未见明显差异。恒温培养30 d后,土壤A和土壤B中>0.25 mm直径的团聚体含量都明显增大。培养前,土壤A中>0.25 mm直径的团聚体含量w为32%,土壤B中为37%。经菌渣培养后,土壤A中>0.25 mm直径的团聚体含量增加到50%左右,土壤B中增加到60%以上。对于土壤A而言,主要增加了>1～2 mm直径的团聚体含量。随着菌渣添加比例的增加,>3～5 mm直径的团聚体含量也明显增大;对于土壤B而言,加入菌渣主要增加了>3～5 mm直径团聚体的含量。由累计曲线的变化特征可见,菌渣培养处理对土壤团聚体的组成有着显著的影响,不同质地土壤形成新团聚体的级别存在明显差异。

处理编号中A为砂壤土,B为中黏土,数字表示添加菌渣比例。图2 不同直径土壤团聚体累计质量分数Fig.2 The cumulative curves of soil aggregates content

2.3 添加香菇菌渣培养处理下土壤水稳性团聚体的性状分析

图3为各处理的土壤水稳性团聚体MWD和GMD。从图中可以看出,不同处理间的MWD和GMD均呈规律性的明显差异。定性分析结果显示,土壤A和土壤B的MWD和GMD都随着菌渣添加量的增加而增大,土壤B增量比土壤A更加明显,表明添加菌渣培养增大了土壤团聚体的团聚程度,且菌渣对土壤B的团聚体质量改善效果更好。

图中平均重量直径和几何均重直径数值按照添加香菇菌渣的比例进行分组,组间作定性比较;组内为同一菌渣添加量培养不同时间所获得的团聚体性状指标,组内数值之间进行统计分析。处理编号中A为砂壤土,B为中黏土,数字表示添加菌渣的比例。英文小写字母不同表示在α=0.05水平上差异显著。图3 土壤团聚体性状指标Fig.3 Character indicators of soil aggregates

定量分析结果显示,添加菌渣后,A5、A15、A30和B1、B5、B15、B30处理的团聚体MWD和GMD都随着培养时长的增加而增大。A1处理未见显著差异,A5处理培养30 d以上的团聚体比未培养的处理显著增大(P<0.05),但培养时长增至90 d时未见进一步显著增加;A15和A30处理的团聚体MWD和GMD显著高于对照,培养90 d的团聚体显著大于培养30和60 d的处理(P<0.05)。B1、B5、B30培养30、60和90 d的团聚体MWD和GMD无显著差异;B15培养60和90 d处理的团聚体MWD显著高于培养30 d的处理,团聚体GMD在培养30、60和90 d后均逐步显著增大(P<0.05)。

上述结果表明,对质地黏重的中黏土而言,菌渣添加量w为1%时,即可达到改善土壤团聚性的目的,但在质地较轻的砂壤土中,菌渣添加量w需在5%以上才具有改善效果。2种土壤培养的菌渣添加量w在15%时,增加培养时长均可以进一步改善土壤团聚性。

3 讨论

土壤是具有一定生命特征的“类生命体”[22],团聚体是土壤结构的重要功能“器官”,在土壤发挥生态协调功能过程中具有重要作用。土壤质地是影响团聚体形成的重要因素之一[23]。葛楠楠等[24]研究了黄土高原不同质地土壤的团聚体分布特征,发现直径>0.25 mm的团聚体含量随着土壤质地由细变粗而逐渐减小。砂壤土中直径>0.25 mm团聚体的质量分数高于中黏土,其原因是由于黄土高原的土壤团聚体以碳酸盐为主要胶结剂[25],黏粒含量高的土壤碳酸盐与黏粒的混合胶结作用促进了团聚体的形成,而供试区域土壤团聚体主要依靠有机质和黏粒自身胶结作用形成,其中土壤有机质起主要胶结作用[26-27],供试的砂壤土比中黏土的有机质含量更高,更有利于较大团聚体的形成。

香菇菌渣用作土壤添加剂不仅能够有效提升土壤微生物数量和酶活性[28],还能够有效改善土壤结构[29]。MANOJ[30]归纳了土壤耕层团聚体性状评级指标,认为直径>0.25 mm水稳性团聚体含量低于20%,属于团聚体性状差的土壤;>20%～40%属于团聚体性状较差;>40%～60%属于团聚体性状良好;而>60%属于团聚体性状很好的优水平。该研究供试的砂壤土和中黏土直径>0.25 mm水稳定性团聚体含量为36.88%和32.05%,团聚体性状均为较差水平。经菌渣培养后,砂壤土团聚体性状为良好水平,中黏土达到优水平。相关研究发现,添加有机物料(农业废弃物料)增加了土壤团聚体的MWD,有机物料进入土壤不仅加快了土壤大团聚体的形成,同时减少了原有大团聚体的分散[31]。GENTILE 等[32]研究表明,添加玉米秸秆等农业废弃物料对黏土和砂壤土大团聚体的形成均有明显的促进作用,并且在黏土中表现更加显著。添加香菇菌渣能明显增大供试砂壤土和黏土的MWD和GMD,中黏土的团聚体性状指标增加更加显著,表明添加香菇菌渣改善了土壤的物理状态,并且对中黏土的改善效果更佳。

有机物料的添加量是判断有机物料作为土壤改良剂对土壤团聚体性状改善效果的重要因素之一[33-34]。顾鑫等[35]以风化的褐煤为添加物料改良盐碱土,土壤MWD和GMD都随着褐煤添加量的增加而增大,添加30%褐煤处理的团聚体稳定性最强。添加秸秆生物炭显著提高了土壤水稳性团聚体的含量,田间生物炭添加量为30 t·hm-2时大团聚体增幅最大,添加量为50 t·hm-2时土壤有机质含量增幅最大[36],由此可见土壤中过量添加有机物料并不一定能够改善土壤团聚体稳定性。这与笔者的研究结果相似,并且针对不同质地的土壤,相同香菇菌渣添加量对团聚体性状也表现出不同的改善效果。菌渣添加量为15%和30%时对砂壤土团聚体性状的改善效果仍随着培养时长的增加而增加,而中黏土30%的添加量处理并未表现出相同的效果,应当是由于香菇菌渣中残留有大量的菌丝,真菌菌丝对直径>2 mm的大团聚体形成具有重要作用[37-38],而黏粒丰富的环境更有利于菌丝在土壤中发挥团聚作用[39],加快了大团聚体的形成。

4 结论

香菇菌渣能够有效增加土壤中大团聚体的含量,改善土壤团聚体性状。菌渣对质地较细的土壤团聚体的改善效果强于质地较粗的土壤。菌渣添加量对土壤团聚体组成的影响显著,黏粒含量较大、质地较细的土壤,其团聚体更容易在香菇菌渣的培育下发生团聚作用,能够通过少量的菌渣和更短的培育时间改善土壤团聚体性状;而质地较粗的土壤团聚体对菌渣培育的敏感度较低。当菌渣添加量高于15%时,中黏土没有继续发生明显的团聚化作用,而质地较粗的砂壤土在菌渣添加量达到15%和30%时均表现出随着培育时长增加,水稳性团聚体质量逐渐提升的趋势。