沼渣沼液混施对潮土团聚体结合有机碳的影响

2024-01-20王慧敏唐蛟吕利娟郝跃鑫殷金忠吴大付

河南科技学院学报(自然科学版) 2024年1期

王慧敏,唐蛟,2,吕利娟,3,郝跃鑫,殷金忠,吴大付,2

（1.河南科技学院资源与环境学院,河南新乡 453003；2.河南省生物药肥研发与协同应用工程研究中心,河南新乡 450003；3.河南心连心化学工业集团股份有限公司,河南新乡 450000）

土壤团聚体是矿物质颗粒通过胶结物质发生团聚过程形成的粒状或团块状结构体,是组成土壤结构的基本单元[1].土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,其中土壤有机碳是构成土壤碳库的重要组成部分,并对全球碳循环、气候变化以及农业可持续发展产生关键作用[2].土壤有机碳与团聚体之间关系紧密,大部分以结合有机碳的形式存在于表层土壤团聚体内.一方面有机碳作为重要的胶结物质促进土壤团聚体结构的形成,并提高团聚体稳定性；另一方面,团聚体为土壤有机碳的迁移与转化提供载体,并通过物理保护作用促进碳的固定[3].因此,开展土壤团聚体结合有机碳方面的相关研究对稳定土体结构和固持土壤有机碳具有重要意义.

沼肥是畜禽粪污经过厌氧发酵过程而产生的清洁能源沼气后的残余物,由固相和液相两部分组成,分别为沼渣和沼液.其中沼渣是残余物经固液分离脱水干燥后的固态物质,沼液则是残留的液体组分[4].随着我国沼气工程规模的不断扩大,沼渣沼液的产生量持续增加.由于沼肥中含有丰富的氮、磷、钾等元素以及微量元素、有机质、蛋白质、氨基酸等,能够为植物生长提供营养和有益活性物质,因此可作为农业生产的一种优质有机肥[5-7].将沼肥施入农田,不仅可实现农业废弃物的资源化利用,而且可以改善土壤结构,提高土壤肥力,减少化肥使用量,加快构建现代绿色循环农业模式的步伐,促进农业可持续发展[8].因此,开展沼肥的农业应用研究具有重要的实际意义.

目前有关沼肥施用对土壤有机碳提升、结构改良和作物增产的影响已经有较为系统的研究.唐蛟等[9]发现沼液与化肥配施能够促进大粒径团聚体的形成,增加团聚体稳定性.代红翠等[10]发现沼渣还田可以提高土壤有机碳（SOC）、土壤颗粒有机碳（POC）以及土壤可溶性有机碳（DOC）含量,且从农田土壤固碳角度分析,沼渣还田优于秸秆还田.李全等[11]对沼渣的改土作用研究表明沼渣可以改变土壤中胶结物质的性质,增加土壤孔隙度,且在等氮量条件下,沼肥的增产效果优于化肥.王威等[12]研究发现秸秆全量还田配施不同量的沼液比单一秸秆还田更有利于砂姜黑土水稳性团聚体的形成和稳定,并提高大团聚体质量占比及结合有机碳的含量.虽然不同有机物料添加对土壤团聚体形成及有机碳固持和稳定性的影响研究较多,但缺乏同时施用厌氧发酵残余物沼液和沼渣对团聚体及结合有机碳影响的研究.因此,有必要开展沼液沼渣混施对团聚体及结合有机碳影响的相关试验,为农业废弃物资源的合理运用提供理论和数据支持.

黄淮海平原既是我国重要的粮食生产基地,也是现代畜禽养殖规模集约化发展的核心区域.然而,过量施用化肥导致土壤酸化板结的现象成为黄淮海平原农田普遍存在的问题,土壤退化迹象愈加严重,亟需在该地区开展土壤改良,实现农业土壤可持续发展[9].同时,因养殖业的快速发展而产生的畜禽粪污虽然经过厌氧消化处理但仍需结合大田作物种植进行有效利用.然而,目前对黄淮海平原农田开展的沼渣沼液混施的试验相对较少,特别是沼肥还田中沼渣沼液配施的比例难以确定.因此,本研究以黄淮海平原潮土为主要研究对象,测定不同沼渣沼液混施比例下团聚体的组成及结合有机碳变化情况,以期在消纳沼气工程残余物、减轻环境压力的同时,改善土壤结构、提高土壤肥力,为该地区沼渣沼液有效利用和农业健康发展提供科学依据.

1 材料与方法、

1.1 研究区概况

本研究依托牧原食品股份有限公司豫东区域种养结合循环农业科技示范基地沼液还田长期定位试验平台进行.试验地位于河南省周口市扶沟县固城乡古北村（114°32′E,34°94′N）,该地区属于暖温带大陆性气候,四季分明、冬寒夏热,历年平均气温为14.4 ℃,年均降水量为611.4 mm,无霜期为225 d.土壤类型为潮土,其基本理化性质为：pH 7.56,电导度256.00 μS/cm,全氮0.33 g/kg,碱解氮13.12 mg/kg,有机碳8.06 g/kg,速效磷7.25 mg/kg,有效钾136.00 mg/kg.供试沼渣、沼液全部来自于扶沟牧原农牧有限公司生猪养殖场.该生猪养殖场将生猪养殖粪便、尿液以及猪舍冲洗用水通过厌氧发酵进行集中处理,其中沼渣含有机碳量为315 g/kg,沼液含有机碳量为1.8 g/L.

1.2 试验设计

本试验于2021 年11 月开始,在等碳量条件下进行不同比例的沼渣与沼液混施盆栽实验,共设置六个处理,分别为：①CK,空白对照处理,不施用沼渣与沼液；②60%沼渣与40%沼液配施；③70%沼渣与30%沼液配施；④80%沼渣与20%沼液配施；⑤90%沼渣与10%沼液配施；⑥100%沼渣施用.每个处理设置3 个重复,每个重复盆栽土壤质量为15 kg.施用沼渣处理需要将土壤与沼渣充分混匀；施用沼液处理需要分2～3 次进行沼液灌施.为了保证全过程各处理灌水量一致,根据配施沼液处理的液体体积,在相同时间对其余处理进行清水补灌.各处理沼液沼渣具体施用量见表1,随后在自然环境下进行6 个月的培养.为避免植物生长和根系分泌物对土壤结构的影响,培养期间不种植任何植物,但是需要根据天气条件对盆栽土壤进行适当水分补充,维持一定的土壤湿度.

表1 试验处理设置及沼肥施用量Tab.1 Experimental treatment setting and the application amount of biogas digestate

1.3 样品采集与测定

2022 年6 月对盆栽土壤进行采集,带回实验室自然风干并手动去除石砾等杂质,同时将大土块按自然裂痕剥离,使其能通过10 mm 土壤筛.土样在阴凉干燥处风干后储存,以供团聚体分级备用.

土壤水稳性团聚体分离采用湿筛法,其步骤如下：称取50 g 风干土样置于土壤团聚体分析仪（TF-100 型,浙江舜龙）套筛顶层,套筛筛孔尺寸分别为2.000 mm、0.250 mm 和0.053 mm,加入去离子水至浸没待测土样,浸泡10 min 后开启设备进行振荡,频率设定为30 次/min,振荡幅度为5 cm,振荡时间为5 min.筛分结束后将留在土筛上的组分依次分别转移至已称质量的铝盒中,得到＞2.000 mm、0.250～2.000 mm、0.053～0.249 mm、＜0.053 mm 四个粒径土壤团聚体组分.然后利用烘箱（温度设置为60 ℃）将土样烘干至恒质量,称质量.采用重铬酸钾外加热法测定各粒级团聚体结合有机碳含量[13].

1.4 数据处理与统计分析

土壤团聚体结合总有机碳含量为各粒级团聚体结合含有机碳量与该粒级团聚体质量组成比例乘积之和.

各粒径团聚体结合有机碳贡献率,其公式为

试验数据在SPSS 25.0 软件计算分析,采用单因素方差分析（One-way ANOVA）进行测定指标差异显著性检验,并利用最小显著极差法（LSD）进行多重比较,显著性水平设置为0.05.在Microsoft Excel 2021 上进行绘图.

2 结果与分析

2.1 沼渣沼液混施对水稳性团聚体质量组成比例的影响

不同比例沼渣沼液混施处理对土壤水稳性团聚体质量组成的影响见表2.

表2 不同沼渣沼液配施处理下土壤水稳性团聚体质量组成Tab.2 Mass proportion of water-stable aggregates in response to biogas residue and biogas slurry combined application %

由表2 可知,沼渣沼液混施对水稳性团聚体质量组成比例产生显著影响（P＜0.05）.团聚体主要集中在0.250～2.000 mm 和0.053～0.249 mm 的粒径范围,＞2.000 mm 粒径水稳性团聚体质量占比最低,仅为1.4%～10.2%.与CK 相比,施用沼肥可以显著提高≥0.250 mm 各粒径大团聚体质量组成比例,其中以90%沼渣与10%沼液混施处理最为显著（P＜0.05）,＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm 粒径团聚体质量组成比例较CK 分别提升628.17%和130.24%.同时,各沼肥混施处理均显著降低＜0.250 mm 各粒径微团聚体组成比例,同样以90%沼渣与10%沼液混施处理最为显著（P＜0.05）,0.053～0.249 mm 和＜0.053 mm 粒径水稳性团聚体质量组成比例最低,较CK 分别降低38.37%和75.54%.各沼肥混施处理均有利于＞0.250 mm 粒径水稳性大团聚体的形成,与CK 相比,各处理WR0.25 值显著提高,其中以90%沼渣处理的数值最高,为57.40%.

2.2 沼渣沼液配施对水稳性团聚体结合有机碳的影响

不同比例沼渣沼液混施处理对各粒径水稳性团聚体结合有机碳含量的影响见表3.

表3 不同沼渣沼液配施处理下各粒径水稳性团聚体结合含有机碳量Tab.3 The organic carbon content of water-stable aggregates in response to biogas residue and biogas slurry combined applicationg/kg

由表3 可知,土壤团聚体结合有机碳含量随着团聚体粒径的增加呈现先降低后增加的趋势.其中0.250～2.000 mm 粒径水稳性团聚体结合有机碳含量最高,其次为＞2.000 mm 和＜0.053 mm 粒径,0.053～0.249 mm 粒径水稳性团聚体结合有机碳含量最低.各沼肥施用处理较CK 均能增加＜0.053 mm粒径水稳性团聚体结合有机碳含量,其中80%沼渣处理增加幅度最大（P＜0.05）.然而,各沼肥施用处理均降低＞2.000 mm 和0.053～0.249 mm 粒径水稳性团聚体结合有机碳含量.对于0.250～2.000 mm 粒径水稳性团聚体结合有机碳含量,各沼肥施用处理与CK 处理之间无显著差异（P＞0.05）,且随沼渣施用比例的增加而表现为降低的趋势.其中100%沼渣处理下＞2.000 mm、0.250～2.000 mm 和0.053～0.249 mm 粒径水稳性团聚体结合有机碳含量降低幅度最为显著（P＜0.05）,分别下降了103.63%,10.87%和70.09%.

不同沼液沼渣混施处理对土壤团聚体结合总有机碳含量的影响见图1.

图1 不同沼液沼渣配施处理下结合含总有机碳量Fig.1 Total organic carbon content within water-stable aggregates in response to different biogas slurry and biogas residue combined application

由图1 可知,沼渣沼液混施对水稳性团聚体结合总有机碳含量产生显著影响（P＜0.05）,整体上表现为随着沼渣施用量的增加先升高后降低的趋势.其中80%沼渣与20%沼液混施处理下的团聚体结合总有机碳含量最高,其次为70%沼渣与30%沼液混施处理,并均显著高于CK,团聚体结合含有机碳量分别为16.50 g/kg 和15.81 g/kg.然而80%沼渣与20%沼液混施处理与60%和70%以及90%沼渣处理间团聚体结合有机碳含量无显著差异（P＞0.05）.100%沼渣处理与CK 之间团聚体结合有机碳含量无显著差异,但是低于CK 处理.

不同沼液沼渣混施处理下对各粒径水稳性团聚体结合有机碳贡献率的影响见图2.

图2 不同沼液沼渣混施处理下水稳性团聚体结合有机碳贡献率Fig.2 The contribution rate of organic carbon within aggregates in response tobiogas slurry and biogas residue combined application

由图2 可知,沼渣沼液混施显著改变了各粒径水稳性团聚体结合有机碳的贡献率（P＜0.05）.其中＞2.000 mm 粒径团聚体结合有机碳贡献率最低,仅为3.02%～14.02%；其次为＜0.053 mm,为8.85%～22.99%；0.250～2.000 mm 粒径团聚体对土壤有机碳的贡献率最高,高达30.96%～62.04%.各处理对＜0.053 mm 粒径团聚体结合有机碳贡献率无显著差异（P＞0.05）.然而与CK 相比,各沼肥施用处理均提高了＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm 粒径团聚体结合有机碳贡献率,但是降低了0.053～0.249 mm 和＜0.053 mm粒径团聚体结合有机碳贡献率.其中以90%沼渣处理0.250～2.000 mm 较CK 提高了31.08%.因此,90%沼渣处理对大团聚体中土壤有机碳的贡献率的提高效果更佳.

3 讨论

3.1 沼渣沼液混施对土壤团聚体粒径分布的影响

土壤团聚体作为评价土壤结构的重要指标,一般可根据粒径大小分为≥0.250 mm 粒径的大团聚体和＜0.250 mm 粒径的微团聚体.土壤矿质颗粒与胶结物质结合先形成微团聚体,再聚合成大团聚体；或者已形成的大团聚体,经过挤压和崩解过程形成微团聚体[14].土壤团聚体通过调节土壤水、肥、气、热条件,使土壤维持平衡状态,进而影响土壤肥力.目前多采用湿筛法对团聚体的数量、大小、稳定性进行测定[15].乔丹丹等[16]研究发现有机物料的有机质含量较高,可以作为微生物生长所需的基质,增加微生物数量,提高微生物活性,促进土壤颗粒胶结,从而促进土壤水稳性团聚体的形成.本研究发现,在碳投入量相同的情况下,随着沼渣施用比例的提高,≥0.250 mm 粒径水稳性大团聚体数量呈现逐渐增加的趋势,然而＜0.250 mm粒径微团聚体呈现逐渐减少的趋势,均以90%沼渣与10%沼液混施处理最为明显.这表明沼渣沼液混施能够改变土壤水稳性团聚体的分布情况,促进水稳性微团聚体向大团聚体转变,提高土壤结构的稳定性.其原因可能是随着沼渣施用比例的增加,提高了土壤有机物料的投入,补充了土壤有机碳,为土壤大团聚体形成提供所需的胶结物质,这与王站付等[17]在施用沼渣肥料对土壤环境的影响研究中发现沼渣肥料堆肥产品具有使土壤小团聚体向大团聚体转变的趋势的研究结果基本一致.

土壤有机碳与团聚体关系密切,提高有机碳含量可以促进土壤结构改善和提高团聚体稳定性.Yu等[18]研究发现施用有机肥可以促进有机肥中的有机物质与矿质颗粒胶结,增加大团聚体数量,提高团聚体的水稳性结构,这与本试验中不同沼液沼渣混施比例对团聚体的影响得到的结论基本一致.但是本研究中100%沼渣处理数值较90%沼渣与10%沼液混施处理下降39.12%,其原因可能是100%沼渣处理中无沼液添加,而沼液具有流动性,能增加与土壤颗粒的接触面积,促进土壤大团聚体的形成,且沼液中的阳离子也能够充当黏合剂的作用,增加土壤结构的稳定性[9].因此90%沼渣与10%沼液混施能最大程度地促进大粒径团聚体的形成,提高团聚体稳定性.

3.2 沼渣沼液混施对团聚体结合有机碳的影响

施用有机肥可以为作物和微生物提供大量的营养物质,促进作物的地上部和地下部根系的生长繁殖,增加根系分泌物及有机残体数量,使微生物和作物产生较大分子的多糖和分泌物,从而促进土壤团聚体的形成[19].同时,土壤有机碳作为衡量土壤肥力的关键指标,可促进土壤养分循环,增强养分有效性,其含量的增加有利于大团聚体的形成并提高团聚体稳定性[20].本研究中团聚体结合有机碳含量主要集中在＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm 粒径,这与Oades 等[21]在研究中发现土壤团聚体层级结构中大团聚体是较低层次的团聚体加上有机物等胶结物质形成的,所以土壤有机碳含量会随着团聚体粒径的增大而增加.但＜0.053 mm 粒径团聚体结合有机碳含量大于0.053～0.249 mm 粒径,说明小粒级团聚体具备固存更多碳素的能力[22].

施用沼肥可以提高土壤总有机碳含量.陈源泉[23]在不同有机物料添加对华北地区麦玉轮作土壤有机碳的研究中发现施用沼渣的土壤总有机碳（TOC）含量显著高于其他有机物料处理.吴新德[24]在施用沼肥对土壤肥力的研究中发现施用沼渣处理的土壤有机质含量比化肥处理高.郝近羽等[25]在不同有机物料还田的研究中发现施用沼渣处理比化肥和秸秆还田处理土壤有机碳含量分别提高119.52%和9.43%.本研究发现,土壤团聚体结合总有机碳含量随沼渣添加量的增加呈现先增加后降低的趋势,这与秦乃群等[26]的研究结果不同,可能是由于地理位置、耕作模式、管理方法、施肥措施以及水稳性团聚体的筛分方法等的差异而造成的.

团聚体结合有机碳贡献率受各粒径团聚体质量组成比例及其结合有机碳含量影响[9].韩明钊[27]等在有机物添加对黑土团聚体稳定性和有机碳的研究中发现添加不同类型有机物料均增加了≥0.250 mm粒径水稳性团聚体的贡献率.本研究发现,不同处理均显著提升有机碳在＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm粒径水稳性团聚体中的贡献率,降低其在0.053～0.249 mm 和＜0.053 mm 粒径水稳性团聚体中的贡献率,说明施用沼肥特别是沼渣沼液混施,有效地提升了土壤有机质含量,从而促进了水稳性大团聚体的形成,其中以90%沼渣与10%沼液混施处理最为明显.这与李文军等[28]在施肥对土壤团聚体特征及有机碳分布的影响研究中水稳性大团聚体是土壤有机碳的主要储存场所,并且施用有机肥增加大粒径团聚体对土壤有机碳的贡献率的结论相似.

本研究以盆栽的形式进行,周期较短,受自然环境影响较小,与大田情况有一定的差异.此外,土壤团聚体对沼肥的响应还与还田时间密切相关.因此,还需通过长期大田定位试验进一步验证和揭示沼渣沼液混施还田对土壤团聚体及结合有机碳的影响,为该地区选择科学合理的沼肥还田量提供更有力的实践依据和为农业健康发展奠定坚实基础.