水稳性团聚体是土壤的“细胞”,是土壤肥力的基础,其数量和质量在很大程度上决定土壤肥力的高低[1-2]。有机质是土壤水稳定性团聚体重要的胶结物质,袁晶晶等[3]研究表明：随着土壤有机质含量提高,不仅水稳定性团聚体数量增加,而且稳定性也增强。施用厩肥、粪便肥、有机肥以及秸秆还田等,均是提高土壤有机质含量,促进土壤矿质土粒团聚作用,提高土壤水稳定团聚体数量。例如：施用可提高土壤有机碳含量,增加土壤大团聚体比例；与化肥配施的效果更好,>0.25 mm团聚体显著增加；施用畜禽粪便可促进小团聚体向大团聚体转变,改善土壤结构,提高土壤质量[4-5]。
我国餐厨垃圾年产生量超过1亿t[6-7],其主要成分有糖类、脂肪、蛋白质、纤维素、半纤维素和木质素,是有机肥来源之一,目前还没有得到有效地利用[8]。近期研究结果显示,施用餐厨垃圾堆肥,土壤含氮量增加,持水量也提高,促进金森女贞和夹竹桃等植物生长[9],但对土壤团聚体的影响还没有相关的报道。
生物质炭农业与环境应用成为近期的研究热点,越来越多的研究结果显示：生物质炭用作土壤调节剂,可显著改善土壤物理、化学和生物学性状,提高土壤肥力,增加作物产量[3]。Lu等[10]发现施用稻壳生物炭,变性黏土2～5 mm和0.25～0.50 mm大团聚体含量显著增加,而<0.25 mm微团聚体减少,土壤团聚体质量和几何平均直径均显著提高。王恩武等[11-13]指出施用生物炭可以显著地提高土壤团聚体水稳性,可能是因为施用生物炭提高了土壤有机质含量和土壤微生物量及其活性。金梁等[14]的研究结果显示：生物质炭与厩肥甚至化肥配合施用的效果更好,化肥与玉米秸秆生物炭配施3 a后,黑土耕层土壤物理性状显著改善,土壤团聚体数量增加,持水性增强,总孔隙和有效孔隙增多。
我国是一个设施种植大国,设施蔬菜种植面积超过370 hm2[15]。主要是由于高强度利用,土壤有机质消耗量比较大,尽管输入量相对较多,但土壤颗粒团聚作用仍然较弱,水稳定性团聚体数量和质量均比较低,亟待研发新材料和新方法,增强土壤颗粒团聚作用,改善土壤结构,提高土壤质量。本研究基于生物质炭、厨余发酵物和厩肥的特点,按照不同比例混合后施入北京郊区典型的塑料大棚菜地,旨在研究了解：①生物质炭对菜地土壤水稳性团聚体分布及有机碳氮含量的影响；②生物质炭与商品有机肥料配合施用对菜地土壤水稳性团聚体分布及有机碳氮含量的影响；③生物质炭、厨余发酵物及商品有机肥料配施对土壤水稳性团聚体分布及有机碳氮含量的影响；④最终探索合适的有机肥料配方,加快土壤团聚作用,改善设施土壤结构,从而提高土壤生产力。
1 材料和方法
1.1 土壤
供试土壤为潮土(Cambisols),有机碳14.40 g/kg,全氮1.18 g/kg,全磷0. 53 g/kg,全钾8. 39 g/kg, 碱解氮46. 5 mg/kg,速效磷8. 96 mg/kg,速效钾106. 2 mg/kg,pH值7.09,EC 227 ms/cm, 60%沙粒,20%黏粒,20%粉粒,为砂质黏壤土。试验开始前,用土钻(直径3 cm)多点采集0～25 cm土层土壤,约10钻组成混合样品,按照四分法取大约2 kg带回实验室。室内风干后沿自然裂隙掰成<5 mm的小土块,并剔除大的根系和砾石,用于测定土壤水稳性团聚体,有机质组分及其碳氮含量和分布特征。
1.2 生物质炭及有机肥料
生物质炭购自辽宁金和福农业有限公司,由花生壳、锯末400～600 ℃下慢速热裂解2 h而成,pH值9.52,电导率(EC)127.10 ms/cm,有机碳262.80 g/kg,有效磷242.29 mg/kg,有效钾9 541.08 mg/kg,全氮6.83 g/kg,全磷1.90 g/kg,全钾15.18 g/kg。
常规有机肥料购自北京顺义美施美生物科技有限公司,原材料为动物粪便、植物残体及天然矿物质,高温发酵而成。pH值8.68,EC 513.60 ms/cm,有机碳180.20 g/kg,有效磷1 312.35 mg/kg,有效钾13 738.56 mg/kg,全氮11.14 g/kg。
厨余发酵物由北京嘉博文生物科技有限公司提供,原材料为餐厨废弃物,利用微生物菌剂高温发酵而成,pH值5.13,EC 510.6 ms/cm,有机碳443.39 g/kg,有效磷577.98 mg/kg,有效钾6 542.87 mg/kg,全氮77.44 g/kg,全磷2.1 g/kg,全钾17.63 g/kg。
1.3 田间试验设计
试验共设5个处理,分别为：①全量常规有机肥(M4)(3.4 kg/m2,折合约34 t/hm2),②生物质炭(5 kg/m2,折合约50 t/hm2)+全量常规有机肥(3.4 kg/m2)(BM4),③生物质炭+2/3全量常规有机肥(2.26 kg/m2 )+ 1/3全量厨余发酵物(1.7 kg/m2,折合约17 t/hm2)(BM3K1),④生物质炭+1/2全量常规有机肥(1.7 kg/m2)+ 1/2厨余发酵物1.14 kg/m2(BM2K2),⑤生物质炭5 kg/m2+1/3全量常规有机肥(1.14 kg/m2)+ 全量厨余发酵物(2.26 kg/m2,折合约22.7 t/hm2)(BM1K3)。每个处理3次重复,小区面积约23 m2,随机区组排列。
田间试验设置在北京市顺义区康鑫源农业观光采摘园蔬菜大棚,于5月份,按照试验处理,向各小区撒施有机物料,按照常规方法种植西红柿。西红柿收获后,同上用土钻从各个试验小区采集0～25 cm土层土壤,测定土壤水稳定性团聚体及其有机碳和全氮含量。
1.4 测定项目与方法
土壤机械组成用吸管法。pH和EC用5∶1 水土比浸提,分别用UB-7 pH计和雷磁DDS-307A电导仪测定。有机质用重铬酸钾外加热法,全N用凯氏法,全PK用HClO4-H2SO4消煮,磷用钼黄比色法,钾用火焰光度法。碱解氮用还原剂碱解扩散法,速效磷用Olsen法,速效钾用1 mol/L 的NH4OAc浸提,火焰光度计法测定[16]。
土壤水稳性团聚体用修改的Cambardella等[17]湿筛法测定。称取100.00 g风干土壤,放入装有4个直径为13 cm孔径分别为2,1,0.5,0.25,0.053 mm套筛的顶层,再将套筛缓慢放入装有足量的去离子水的圆筒中,振动2 min(30次/min,振幅3 cm),取下2 mm的筛子,立即用少量去离子水将2 mm团聚体无损地转移到100 mL铝盒中,即为>2 mm的团聚体；再振动2 min,同上收集1 mm筛子上的团聚体,即为2～1 mm团聚体,由于>2 mm较少,与2～1 mm的团聚体合并为>1 mm的团聚体；重复上述过程,依次得到1.000～0.500 mm,0.500～0.250 mm,0.250～0.053 mm,<0.053 mm的水稳性团聚体。
将收集的各级团聚体,置于50 ℃烘箱中烘干至恒质量,置于干燥器内冷却后称质量。然后进行砂粒校正,计算各级团聚体质量分数。砂粒校正方法：称取2.000 g各级团聚体于50 mL三角瓶中,加入10 mL 5 g/L六偏磷酸钠,充分振荡4 h(230 r/min),全部过53 μm,用少量去离子水将筛子上的砂粒洗至铝盒中,105 ℃下烘至恒质量,称取质量。用稀盐酸除去各级团聚体中的碳酸盐,再用蒸馏水反复洗涤除去盐酸,在65 ℃下烘干,研磨过0.147 mm筛子,用CN元素分析仪测定有机碳和全氮含量,并计算占土壤总有机碳和全氮的比例。
1.5 数据统计方法
所有数据均为3次测定的平均值,用单因素方差分析误差,再用Duncan法表示各处理之间的显著性差异。
2 结果与分析
2.1 土壤水稳定性团聚体质量分数
所有处理土壤主要是0.250～0.500 mm的团聚体,其质量分数占30%左右,其次是<0.053 mm的团聚体,约占20%,<0.053 mm团聚体质量分数降低了4.0%～8.5%，而0.500～1.000 mm团聚体比较少,不到12%(图1)。>0.5 mm团聚体增加了2%～6%。配合施用生物质炭(BM4)降低了<0.053 mm团聚体的质量分数,比施用常规有机肥料(M4)降低了4%；生物质炭与常规有机肥料及厨余发酵物配合施用时(BM3K1、BM2K2、BM1K3),<0.053 mm团聚体质量分数比BM4降低了2.0%～4.5%,而>0.500 mm团聚体(包括0.500～1.000和>1.000 mm之和)增加了2%～6%,其中BM1K3处理大团聚体质量分数增加最为显著,由M4的6%提高到12%,说明生物炭与常规有机肥料及厨余发酵物一定比例配合施用,可促进土壤颗粒团聚作用,增加大团聚体数量。
柱上的不同小写字母表示不同处理
之间95%置信度的显著性差异。图2-4同。
The different lowercase letters on the column represent the significant
difference among the different treatments at 95% level.The same as Fig.2-4.
图1 生物质炭与有机肥料配施下设施菜
地土壤水稳性团聚体质量分数
Fig.1 The mass percentages of application of biochar and
organic fertilizer in different water-stable aggregates
2.2 不同团聚体有机碳含量
不同团聚体有机碳含量差异较大(图2-A),>1 mm的团聚体有机碳含量比较高, 35.47～116.16 g/kg,平均84.47 g/kg；而0.053～0.500 mm 团聚体有机碳含量较低,8.61～17.15 g/kg,平均12.24 g/kg。生物质炭和常规有机肥料配合施用(BM4),<0.053 mm,0.500～1.000 mm和>1.000 mm的团聚体有机碳含量比仅施用有机肥料(M4)分别增加了167%,174%和227%。生物炭与常规有机肥料及厨余发酵物配施下(BM3K1、BM2K2、BM1K3),仅>1.000 mm团聚体有机碳含量降低了14%～31%,其余团聚体有机碳含量与BM4没有显著的差异。土壤有机碳超过70%分布在>0.250 mm的团聚体中(图2-B),生物炭与常规有机肥料及厨余发酵物配合施用时,>1.000 mm团聚体有机碳占土壤总有机碳的比例,从M4的25%提高到42%；与之相反,0.053～0.250 mm有机碳占比则降低了5.6百分点,这显然是由于团聚体质量分数和有机碳含量变化的缘故。
图2 生物质炭与有机肥料配施下设施菜地土壤不同团聚体有机碳含量(A)及其占土壤总有机碳的比例(B)
Fig.2 Organic carbon contents of application of biochar and organic fertilizer in different water-stable aggregates (A) and their relative proportions in total organic C (B)
2.3 不同团聚体全氮含量
不同团聚体全氮含量与有机碳含量相似,>0.500～1.000 mm团聚体全氮含量比较高,>2.3 g/kg,而0.053～0.500 mm团聚体全氮含量比较低,<1.3 g/kg。生物炭与常规有机肥料及厨余发酵物配合施用时,各级团聚体全氮含量没有发生显著的
图3 生物质炭与有机肥料配施下设施土壤不同团聚体全氮含量(A)及其占土壤全氮的比例(B)
Fig.3 Total nitrogen contents (A) of application of biochar and organic fertilizer in different water-stable aggregates and their relative proportions in total N (B)
变化(图3-A)。与有机碳有所不同,尽管大团聚体仍然是氮素分布的主要场所,但<0.053 mm团聚体也含有大量的氮素,占21%,而有机碳仅占17%；总体来看,生物炭与常规有机肥料及厨余发酵物配合施用时,<0.250 mm团聚体全氮占土壤全氮的比例,与M4相比，绝大多数处理下平均降低了8百分点，<0.053 mm团聚体氮素占比大幅度提高到37%(图3-B)。
仅施有机肥料(M4),不同团聚体C/N比值差异很小,8～12；生物炭与常规有机肥料及厨余发酵物配合施用时,各级团聚体C/N比值提高,尤其是<0.053 mm，0.500～1.000 mm和>1.000 mm的团聚体,其C/N比值分别比M4提高了98%～144%,25%～116%和108%～191%(图4),这显然是各级团聚体有机碳含量相对增加的缘故。
图4 生物质炭与有机肥配施下设施土壤水稳定性团聚体有机碳与全氮的比值(C/N)
Fig.4 The ratios of organic C to total N (C/N) of application of biochar and organic fertilizer in different water-stable aggregates
3 讨论与结论
3.1 生物质炭对土壤水稳定性团聚体的影响及其机理
水稳定性团聚体是土壤十分重要的物理性状之一,尽管其形成过程十分复杂,目前还不十分了解。但大量研究结果显示,有机物质是土壤水稳定性团聚体极其重要的胶结物质[18],有机肥料含有腐殖酸等多种有机物质,可直接将矿质土粒黏结在一起,或通过金属离子健桥的作用黏连矿质土粒,形成水稳定性团聚体[5]；此外,有机肥料可作为微生物生长的基质,施用有机肥料不仅提高土壤微生物量和活性,甚至改变土壤微生物群落结构,微生物代谢产物以及微生物细胞本身,均可胶黏矿质土粒,形成水稳定性团聚体[19]。生物质炭是高有机碳含量、高度芳构化的材料,一些研究结果显示,施用生物炭的土壤,水稳定性团聚体数量显著增加[14]。本研究也获得类似的结果,施用生物炭显著地提高了>0.500 mm团聚体质量分数,但降低了<0.053 mm团聚体质量分数。主要原因可能包括：①生物炭含有可观的可溶性有机物质,其中一些物质可能作为胶结剂,直接胶结矿质土粒[20]；②生物炭为多孔结构,具有巨大的表面积,能够吸附有机物质、金属离子等[21-22],这些物质可作为桥梁,与矿质土粒胶联在一起[14]；③生物炭带有多种官能团[23],可直接与矿质土粒结合在一起,形成团聚体[24-25]；④生物炭能够影响土壤微生物群落结构和活性[26-27],微生物细胞及其代谢产物可促进矿质土粒团聚,形成水稳定性团聚体。
3.2 生物质炭与常规有机肥及厨余发酵物配施对土壤水稳定性团聚体的影响及其机理
大量研究结果显示：不同的有机物料由于其组成成分和性状的差异,施入土壤后对水稳定性团聚体的影响也有所不同。不同有机物料配合施用的时候,就可能表现出一定的相互作用。蔺芳等[28]的研究显示,鸡粪与尿素配施下,随着鸡粪占比增加,土壤团聚体有机碳含量先升后降,可能原因是当施入比例达到一定阈值时,有机碳的矿化分解速度会有一定程度降低。朱刘兵等[29]报道秸秆和化肥配施处理土壤0.25～0.5 mm，0.5～1 mm团聚体与单施化肥处理分别增加了39.5%和30.66%，说明生物炭与化肥配施能够促进土壤大粒径团聚体的形成。最新研究结果显示,生物炭与有机肥和化肥配合施用时,可以提高有机肥和化肥的肥效,其原因可能是生物炭的多孔性有利于吸附养分离子,减少养分流失[19]。李鑫等[30]认为秸秆生物炭与猪粪配施时,随着生物炭比例的增加(0～1.5%),土壤水稳性团聚体提高,说明生物炭与猪粪之间存在相互作用,这种作用有利于水稳定性团聚体形成。本研究也获得类似的结果,生物炭与常规有机肥及厨余发酵物不同比例配合施用时,<0.053 mm团聚体质量分数明显减少,而>0.500 mm大团聚体质量分数显著提高,大团聚体有机碳含量也显著增加。这说明矿质土粒的团聚作用增强,施入的有机物料中更多的有机物质形成大团聚体。究其原因,可能与生物炭与常规有机肥及厨余发酵物相互作用有关,如吸附有机物质,从而影响有机物质与矿质土粒的相互作用；改变微生物群落结构及其活性,影响有机物质分解过程,进而影响微生物代谢产物及菌体本身胶黏土粒的作用,详细过程及其机理还有待进一步研究。
3.3 结论
生物炭与常规有机肥料及厨余发酵物配合施用,可显著地减少<0.053 mm水稳定性团聚体质量分数，但对于>0.250 mm水稳定性团聚体而言，除个别处理质量分数略微下降以外，大部分处理的大团聚体质量分数均有不同程度的增加。生物质炭(5 kg/m2)与1/3全量常规有机肥(1.14 kg/m2)及全量厨余发酵物(2.26 kg/m2)BM1K3配合施用的效果最好,团聚体有机碳含量增加,说明生物炭与常规有机肥及厨余发酵物存在显著的相互作用,配合施用时,更有利于形成大团聚体,施入的有机物质更多地进入大团聚体。
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