蚯蚓糞施用量對黃土區(qū)典型土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布的影響

李彥霈，邵明安，王 嬌

（1. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100； 2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；4. 中國科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心，西安710061）

0 引 言

在半干旱地區(qū)，土壤質(zhì)量退化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一，土壤肥力、土壤結(jié)構(gòu)和水土流失等均會對土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響[1-2]。土壤團(tuán)聚體是土壤的基本構(gòu)成單位，不同粒級團(tuán)聚體的數(shù)量分布和穩(wěn)定程度會對土壤養(yǎng)分物質(zhì)的循環(huán)和微生物活動產(chǎn)生顯著的影響[3-4]。土壤有機(jī)碳是促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的良好膠結(jié)物質(zhì)且對農(nóng)作物生長有顯著促進(jìn)作用，可有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量及質(zhì)量[5]。因此促進(jìn)團(tuán)聚體形成，提升土壤有機(jī)碳含量對提高土壤質(zhì)量，改善生態(tài)環(huán)境有著積極意義。在土壤中施用生物有機(jī)肥料代替化肥，以此來改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[6-7]，是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中采用的較為普遍的措施之一，可有效確保資源合理化利用，減少化學(xué)物質(zhì)投入，對環(huán)境保護(hù)有著重要意義。

近年來隨著蚯蚓的工業(yè)化飼養(yǎng)，作為其副產(chǎn)品的蚯蚓糞產(chǎn)量也得到了大幅度的提升。蚯蚓糞是蚯蚓的排泄產(chǎn)物，其比表面積大，顏色較深，呈均一、多孔結(jié)構(gòu)[8]。由于蚯蚓體內(nèi)的消化作用，較其他有機(jī)肥料而言，蚯蚓糞在理化性狀、生化特征和營養(yǎng)成分方面更具有優(yōu)勢，且其產(chǎn)量大，價格低廉，因而作為生物有機(jī)肥得到了廣泛的應(yīng)用[9]。目前，有研究表明施用蚯蚓糞會對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，例如改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保溫透水性能[10]。但由于蚯蚓種類、所取食的有機(jī)物以及蚯蚓消化程度不同，蚯蚓糞的理化性質(zhì)有所差異[11]，對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的影響不同。

已有研究表明，蚯蚓糞中含有豐富的腐殖質(zhì)，有利于促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[8]。孫喜軍等[12]指出連作土壤施用適量蚯蚓糞可有效增加土壤微團(tuán)聚體數(shù)量和有機(jī)質(zhì)含量；Li等[13]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)證明了施用蚯蚓糞對微團(tuán)聚體結(jié)合碳穩(wěn)定性的改善作用大于大團(tuán)聚體結(jié)合碳，但并未闡明蚯蚓糞施用量對土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳的影響。因此，本文以中國黃土高原地區(qū)常見的3種土壤為研究對象，通過室內(nèi)土柱培養(yǎng)試驗(yàn)，分析了不同蚯蚓糞施用量處理條件下土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布特征，為利用蚯蚓糞改良土壤結(jié)構(gòu)和合理培肥制度的建立提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以黃土高原不同氣候區(qū)的3種典型土壤（黃綿土、黑壚土、風(fēng)沙土）為研究對象,分別采自安塞（109°19′E，36°51′N）、長武（107°78′E，35°21′N）和神木（110°52′E，38°83′N）農(nóng)田,耕作制度均為春玉米連作。2018年10月玉米收割后采集0～20 cm的土壤樣品，清除根系等雜質(zhì)后自然風(fēng)干，過2 mm篩備用；同時利用100 m3環(huán)刀采集未擾動土壤樣品測定容重和田間持水量。供試土壤及蚯蚓糞基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤及蚯蚓糞基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical characteristics of soils and earthworm casts used in this study

供試蚯蚓糞為赤子愛勝蚓（Eisenia foetida）所產(chǎn)，蚯蚓購于楊凌綠方生態(tài)公司。赤子愛勝蚓為黃土高原地區(qū)常見的表棲類蚯蚓，該物種在成蟲期的平均長度約為11 cm，直徑約為0.5 cm。蚯蚓糞具體收集方法如下：將3 kg粉碎的樹葉，1 kg蘋果渣，5 kg玉米秸稈混合放入圓形培養(yǎng)箱中（直徑50 cm×高度30 cm），發(fā)酵20 d直到混合物顏色變黑，降溫后接種蚯蚓。試驗(yàn)共計5個蚯蚓培養(yǎng)箱，每個培養(yǎng)箱接種40條成年蚯蚓。將裝有蚯蚓的培養(yǎng)箱放置在25 ℃的溫度下，保持培養(yǎng)箱中濕度保持在50%～65%。每隔7 d從培養(yǎng)基質(zhì)表面采集蚯蚓糞，自2019年1月25日起持續(xù)采集3個月，并根據(jù)收集日期進(jìn)行標(biāo)記。將該期間收集的蚯蚓糞混合均勻后用于測試分析和培養(yǎng)試驗(yàn)，以減少試驗(yàn)誤差。

1.2 試驗(yàn)方法

為更好地控制試驗(yàn)條件，本研究采用室內(nèi)土柱培養(yǎng)法進(jìn)行。試驗(yàn)于2019年在中國科學(xué)院水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)置12個處理，包括3種土壤類型：黃綿土（CS）、黑壚土（DS）和風(fēng)沙土（AS）；4種蚯蚓糞施用量：0、1%、3%和5%（蚯蚓糞質(zhì)量占其與土壤質(zhì)量之和的比），蚯蚓糞施用量為0的處理作為對照（CK），每個處理設(shè)置3個重復(fù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用有機(jī)肥用量為5～35 g/kg，其中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～35%，蚯蚓糞施用量根據(jù)有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量確定。采用土柱填裝的方法使其接近田間條件下土壤容重。根據(jù)試驗(yàn)處理將土壤樣品和蚯蚓糞混合均勻，按照田間測定容重裝入直徑為25 cm，高度為25 cm的PVC管中，管底密封防止補(bǔ)給水分滲漏，共36個土柱。填裝完畢后置于室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，室溫為（22±3）℃，培養(yǎng)時間為5月15日－9月15日共計4個月。添加水分使各處理的土壤含水率為田間持水量的75%，根據(jù)測定結(jié)果確定CS、DS和AS的初始土壤含水率為17.3%、23.6%和11.5%。培養(yǎng)期間每3 d稱取土柱質(zhì)量，計算水分損耗量并進(jìn)行水分補(bǔ)充，以保持土壤水分達(dá)到初始水平。培養(yǎng)結(jié)束后，采用破壞性取樣的方法采集土壤樣品，將采集后的土壤樣品自然風(fēng)干，并在風(fēng)干過程中沿自然結(jié)構(gòu)面輕輕地用手掰成直徑約為1 cm左右的小土塊，避免受到機(jī)械壓力。

1.3 指標(biāo)測定和計算

采用干篩法對采集的風(fēng)干土壤樣品的團(tuán)聚體粒級分級進(jìn)行測定，即依次使用0.25、0.5、1、2和5 mm套篩將土壤樣品進(jìn)行分離。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分級采用Yoder濕篩法[14]測定。另取土壤樣品經(jīng)過去除有機(jī)質(zhì)，脫鈣和去除氯離子后，采用激光粒度儀（Mastersizer 2000）測定其土壤顆粒組成。土壤有機(jī)碳測定方法參照文獻(xiàn)[15]。土壤易氧化碳采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定。

土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性采用平均重量直徑（Mean Weight Diameter, MWD, mm）、幾何平均直徑（Geometric mean diameter, GMD, mm）以及粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體含量（R0.25, %）來描述，計算公式如下[16]：

各粒級團(tuán)聚體結(jié)合碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率（CR，%）計算公式如下：

式中ai為各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，g/kg；bi為不同粒級土壤團(tuán)聚體含量，%；c為土壤有機(jī)碳含量，g/kg。

為了進(jìn)一步分析蚯蚓糞對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)測定了土壤團(tuán)聚體的分形維數(shù)。土壤的分形維數(shù)（D）計算公式如下[17]：

式中Mr＜xi為粒徑的團(tuán)聚體的含量，%；xmax為團(tuán)聚體的最大粒徑，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用雙因素方差分析檢驗(yàn)蚯蚓糞施用量和土壤類型對土壤團(tuán)聚體粒級分布和穩(wěn)定性以及團(tuán)聚體結(jié)合碳數(shù)量和穩(wěn)定性的影響。不同處理之間的多重比較采用Duncan新復(fù)極差法（α=0.05），所有統(tǒng)計分析均使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行，利用Origin 8.5完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用蚯蚓糞對土壤團(tuán)聚體組成的影響

圖1為不同蚯蚓糞施用量處理的團(tuán)聚體粒級分布。與CK（不施蚯蚓糞）相比，施用蚯蚓糞使3種土壤中粒徑＞0.50～1.0 mm的土壤團(tuán)聚體含量均顯著增加（P＜0.05）；3%和5%用量可使＞1.0～2.0 mm團(tuán)聚體增多，但使粒徑≤0.25 mm團(tuán)聚體含量降低，CS、DS和AS中該粒級團(tuán)聚體含量較CK分別減少了15.6%～24.7%、13.0%～21.3%和25.9%～34.0%。1%蚯蚓糞用量下CS和DS中≤0.25 mm團(tuán)聚體含量也發(fā)生了顯著降低，比CK減少了9.2%和7.0%。對于＞0.25～0.50 mm團(tuán)聚體，CS和DS中3%和5%用量蚯蚓糞處理的該粒徑團(tuán)聚體含量低于CK，而AS中這2個處理則高于CK，1%用量下DS中該級團(tuán)聚體無顯著變化。CS中施用蚯蚓糞后＞2.0～5.0 mm團(tuán)聚體顯著減小，1%用量蚯蚓糞對DS和AS中該級團(tuán)聚體無顯著影響，但3%和5%用量下該級團(tuán)聚體分別呈現(xiàn)增加和減少的趨勢。施用蚯蚓糞使CS處理中＞5.0 mm團(tuán)聚體的含量增加，但使DS和AS中該粒級團(tuán)聚體含量減少，3%和5%用量效果不存在顯著差異（P＜0.05）。結(jié)合土壤團(tuán)聚體總量發(fā)現(xiàn)：1%用量對3種土壤團(tuán)聚體總量無顯著影響，當(dāng)用量達(dá)3%時，土壤團(tuán)聚體總量才會顯著增加。

2.2 施用蚯蚓糞對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

3種土壤各蚯蚓糞施用量處理下的各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量如圖2所示。在本研究中，1%用量蚯蚓糞即可顯著提升CS和AS水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量，而當(dāng)用量達(dá)到3%后DS的水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量才顯著增加。從不同粒徑團(tuán)聚體來看，施用3%用量蚯蚓糞后CS各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較CK均有顯著提高（P＜0.05），但1%用量處理與CK間未表現(xiàn)出顯著差異，而用量增加到5%后≤0.25、＞0.25～0.50和＞0.50～1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)并未顯著提高。施用蚯蚓糞對DS中除＞0.25～0.50 mm外各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加具有積極作用，3%和5%用量可使＞0.25～0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加，較CK分別增加了16.7%和28.4%，5%用量處理的＞0.25～0.50和＞5.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體顯著多于3%用量處理，在其他粒級未表現(xiàn)出顯著差異。在3種施用量中，3%和5%用量處理下AS的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較CK均增加但5%增加最多，其中＞0.50～1.0 mm粒級增長幅度最高，比CK增加了9.2%。

如表2所示，土壤類型和施用量對MWD、GMD、R0.25和D有顯著影響（P＜0.05），但二者交互作用對團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)無顯著影響（P＞0.05）。在3種土壤中，施用3%和5%用量蚯蚓糞后MWD、GMD和R0.25值均顯著增大（P＜0.05），1%用量處理對AS團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)有顯著影響。3%施用量處理下MWD，GMD和R0.25值在CS中分別比CK高17.0%，16.1%和26.2%；DS中該數(shù)值為19.3%、27.0%和9.0%；AS中該數(shù)值為92.3%、29.4%和61.5%，施用量增加至5%后，3個指標(biāo)并未都繼續(xù)增大。DS和AS土壤團(tuán)聚體D值在施用蚯蚓糞后顯著減小（P＜0.05），CS中只有當(dāng)施用量達(dá)到5%時D值才發(fā)生顯著變化，但DS和AS中3%和5%用量處理間均不存在顯著差異。結(jié)果表明施用1%蚯蚓糞即可顯著提高風(fēng)沙土團(tuán)聚體穩(wěn)定性，而用量達(dá)到3%時施用蚯蚓糞才對黃綿土和黑壚土團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增加具有顯著作用。

表2 蚯蚓糞施用量及土壤類型對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響Table 2 Soil aggregate stability index affected by and soil types application rates of earthworm casts

2.3 蚯蚓糞對土壤有機(jī)碳及團(tuán)聚體結(jié)合碳的影響

各處理土壤總有機(jī)碳含量見圖3。與初始有機(jī)碳含量（表1）相比，CK處理的有機(jī)碳含量下降了3.8%～6.1%，而施用蚯蚓糞則使土壤有機(jī)碳含量顯著提高了17.9%～66.9%（P＜0.05，圖3）。不同蚯蚓糞施用量處理之間也存在顯著差異（P＜0.05），蚯蚓糞施用量最高時（5%），CS、DS和AS的有機(jī)碳含量與CK相比分別提高了29.5%、32.7%和66.9%，表明施用蚯蚓糞對3種土壤有機(jī)碳含量的增加具有積極作用，且作用效果隨施用量增大而增加。

3種土壤中不同粒級土壤團(tuán)聚體結(jié)合碳含量如表3所示。土壤類型和施用量對各級團(tuán)聚體結(jié)合碳含量有顯著影響（P＜0.05），但二者交互作用無顯著影響。與CK相比，施用蚯蚓糞顯著提高了不同粒級團(tuán)聚體結(jié)合碳含量（P＜0.05）。在CS和DS處理中，用量由1%增加至5%時，不同粒級土壤團(tuán)聚體結(jié)合碳含量均呈增加趨勢，CS中1%和3%用量處理間以及3%和5%用量處理間無顯著差異，DS中3%用量處理僅比1%用量處理的＞1.0～2.0 mm團(tuán)聚體結(jié)合碳含量高，用量由3%增加至5%后也只有＞2.0～5.0 mm團(tuán)聚體結(jié)合碳含量發(fā)生了顯著變化；其中，團(tuán)聚體結(jié)合碳含量在＞0.25～1.0 mm粒級團(tuán)聚體中增長最多，蚯蚓糞施用量為1%、3%和5%時，該粒級團(tuán)聚體結(jié)合碳與CK相比分別提高了29.3%，37.4%和41.9%。AS中1%和3%用量僅在＞5.0 mm團(tuán)聚體結(jié)合碳含量下具有顯著差異，而3%和5%用量則僅在＞0.25～0.50 mm團(tuán)聚體結(jié)合碳含量下差異顯著；團(tuán)聚體結(jié)合碳含量在＞0.50～1.0 mm粒級最高，且1%、3%和5%用量處理與CK相比分別增加了44.3%、60.7%和82.8%，在AS中＞2.0～5.0 mm粒級的團(tuán)聚體結(jié)合碳含量最低。

蚯蚓糞施用量、土壤類型及其相互作用顯著影響各粒級團(tuán)聚體對土壤總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率（P＜0.05，表4），但在不同土壤中的影響并不一致。CS的有機(jī)碳主要分布在＞5.0 mm團(tuán)聚體中，DS中主要分布在＞2.0～5.0 mm團(tuán)聚體中，而AS則主要在＞0.25～0.50 mm團(tuán)聚體中。添加蚯蚓糞后CS和DS中≤0.25 mm團(tuán)聚體對總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率降低了21.4%～41.1%和15.7%～20.4%，而AS中3%和5%用量蚯蚓糞使≤0.25 mm團(tuán)聚體對總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較CK提高了9.4%～10.7%。當(dāng)用量為3%和5%時，施用蚯蚓糞可增加CS中＞2.0～5.0 mm和＞5.0 mm團(tuán)聚體對總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，減少≤0.25、＞0.25～0.50、＞0.50～1.0 mm團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率，而多數(shù)粒級團(tuán)聚體對總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率經(jīng)1%用量蚯蚓糞處理后并未顯著改變。向DS中添加蚯蚓糞，可使除＞0.50～1.0、＞5.0 mm外的團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)率發(fā)生變化，其中≤0.25 mm的微團(tuán)聚體對總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率降低，1%與3%以及3%與5%用量處理間無顯著差異，1%與5%用量處理間存在差異。施用3%和5%用量的蚯蚓糞時，AS各級團(tuán)聚體對總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均較CK發(fā)生變化，而1%用量僅對＞2.0～5.0 mm范圍內(nèi)的團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率有顯著影響。與CS和DS不同，AS中微團(tuán)聚體（≤0.25 mm）對總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率在施用蚯蚓糞后有所增加。

表3 蚯蚓糞施用量及土壤類型對土壤團(tuán)聚體結(jié)合碳含量的影響Table 3 Effects of earthworm cast application rates and soil types on aggregate-associated organic carbon content

表4 蚯蚓糞施用量及土壤類型對各粒級團(tuán)聚體對土壤總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的影響Table 4 Effects of earthworm cast application rate and soil types on contribution rate of soil organic carbon in different particle size aggregates

2.4 施用蚯蚓糞對土壤易氧化碳的影響

不同蚯蚓糞施用量下3種土壤的團(tuán)聚體中易氧化碳含量如圖4所示。施用蚯蚓糞顯著增加了土壤易氧化碳含量（P＜0.05），且各粒級團(tuán)聚體易氧化碳含量均隨蚯蚓糞施用量增加而增大。對于相同粒級的團(tuán)聚體，不同土壤團(tuán)聚體中易氧化碳含量從高到低均表現(xiàn)為DS、CS、AS。施用蚯蚓糞后，CS不同粒級團(tuán)聚體中易氧化碳含量比CK增加了5.1%～18.6%；DS和AS團(tuán)聚體易氧化碳含量增長率分別為4.2%～13.8%和26.7%～61.9%。3種土壤團(tuán)聚體中的易氧化碳含量均隨團(tuán)聚體粒徑增大而增加，且施用蚯蚓糞后易氧化碳最大增長率均出現(xiàn)在＞5.0 mm的團(tuán)聚體中。

3 討 論

3.1 施用蚯蚓糞對土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性影響著土壤有機(jī)碳穩(wěn)定、水力學(xué)特性、營養(yǎng)元素傳輸?shù)韧寥佬再|(zhì)與過程，是土壤肥力基礎(chǔ)和評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[16]。本研究結(jié)果表明，施用蚯蚓糞會減少黃綿土和黑壚土≤0.25 mm微團(tuán)聚體含量，增加了黃綿土中＞0.50～1.0和＞1.0～2.0 mm大團(tuán)聚體含量，而黑壚土中＞0.50～1.0、＞1.0～2.0和＞2.0～5.0 mm大團(tuán)聚體含量在施用量達(dá)到3%時顯著提高，表明1%用量蚯蚓糞可以顯著增強(qiáng)黃綿土土粒的團(tuán)聚性，3%用量才能顯著影響黑壚土團(tuán)聚體組成。同時也可以看出，這2種土壤3%和5%用量處理間在多個粒徑中未表現(xiàn)出顯著差異。對于風(fēng)沙土來說，用量至3%時≤5.0 mm團(tuán)聚體含量才發(fā)生顯著變化，且5%效果更明顯，這可能是因?yàn)轱L(fēng)沙土本身結(jié)構(gòu)松散且砂粒含量多，需要較多蚯蚓糞才能幫助微團(tuán)聚體膠結(jié)。由上述分析可知3%用量即可有效促進(jìn)蚯蚓糞對黃綿土和黑壚土大團(tuán)聚體的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)，5%用量對風(fēng)沙土效果最佳。同時，Hurisso等[18]的研究也發(fā)現(xiàn)外源有機(jī)物質(zhì)可能會引起交換絡(luò)合物發(fā)生變化，導(dǎo)致部分大團(tuán)聚體分解，這可能是本研究中施用蚯蚓糞后3種土壤＞5.0 mm團(tuán)聚體反而減少的原因。通常＞5.0 mm的大團(tuán)聚體有助于提高土壤抗蝕性，但并不是良好的土壤結(jié)構(gòu)[19]，進(jìn)一步說明施用蚯蚓糞對土壤結(jié)構(gòu)改良具有積極作用。

團(tuán)聚體的穩(wěn)定性反映了土壤結(jié)構(gòu)的持水能力、滲透性和抗侵蝕性，能夠有效地幫助評估土壤穩(wěn)定性。在本研究中，3種土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量在施用蚯蚓糞后呈現(xiàn)增加趨勢，其中3%和5%用量處理與對照存在顯著差異，表明用量達(dá)到3%后蚯蚓糞對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高具有積極影響，但3%和5%用量處理間在多個粒徑下不顯著的差異表明繼續(xù)增加用量并不能進(jìn)一步增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性。MWD、GMD和R0.25常被用作反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)，其中MWD通過測量土壤團(tuán)聚體直徑來評估團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，可以更好地反映大團(tuán)聚體含量的變化[19]。在本研究中，各土壤團(tuán)聚體的MWD值隨蚯蚓糞施用量增加呈增大趨勢，說明施用蚯蚓糞有利于大團(tuán)聚體的形成，這與團(tuán)聚體粒徑分布變化結(jié)果基本一致。Tisdall等[20]指出有機(jī)質(zhì)增加可以促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成，從而使MWD值增大，這與本研究中MWD值與有機(jī)碳含量變化一致的結(jié)果吻合。然而，Aksakal等[21]的研究也發(fā)現(xiàn)施用蚯蚓糞反而會降低MWD值，可能是由于微團(tuán)聚體中的內(nèi)部孔隙較大且礦物顆粒的堆積密度較高，因此比大團(tuán)聚體更穩(wěn)定，并且由于飼養(yǎng)條件不同，蚯蚓糞本身的物理和化學(xué)性質(zhì)之間可能存在差距。與MWD相比，GMD側(cè)重于評價指標(biāo)體系中團(tuán)聚體含量的影響程度，因此不同處理各級團(tuán)聚體含量的不同可能是導(dǎo)致GMD值差異的主要原因。R0.25可以表示土壤團(tuán)聚體數(shù)量變化并反映土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣，＞0.25 mm團(tuán)聚體被認(rèn)為是土壤中最好的機(jī)構(gòu)體[22]，從本研究結(jié)果看，風(fēng)沙土和黑壚土施用蚯蚓糞處理的R0.25均顯著高于對照，表明1%用量蚯蚓糞就對這2種土壤結(jié)構(gòu)改善具有較好作用。雷娜等[23]研究發(fā)現(xiàn)土壤的分形維數(shù)可以很好表征土壤的質(zhì)量情況，其數(shù)值越小，土壤團(tuán)聚體的分布和穩(wěn)定性越好。較一般土壤而言，蚯蚓糞結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定且有機(jī)質(zhì)含量更高，因此施用蚯蚓糞會改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[8]，這一結(jié)論在本研究中也得到了證實(shí)。綜合對比分析3種施用量下各處理的水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)可知，向風(fēng)沙土中施加1%用量蚯蚓糞即可顯著改善團(tuán)聚體穩(wěn)定性，黃綿土和黑壚土則應(yīng)施加3%用量。

3.2 施用蚯蚓糞對土壤有機(jī)碳、團(tuán)聚體結(jié)合碳及易氧化碳的影響

當(dāng)土壤中添加外源碳時，土壤有機(jī)質(zhì)含量會顯著增加[8]，本研究中蚯蚓糞有機(jī)質(zhì)含量比供試土壤平均高3.8%（表1），因此各處理有機(jī)碳含量隨施用量增大而增加。研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)對有機(jī)碳具有較好的保護(hù)作用，有利于碳在團(tuán)聚體中的長期穩(wěn)定，從而提高土壤有機(jī)碳含量[24]；此外，蚯蚓糞中含有大量的碳水化合物，有機(jī)碳的這一組分處于動態(tài)變化中，但在保護(hù)土壤物理性質(zhì)的同時，也會提升土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，從而增加有機(jī)質(zhì)含量[25]。

不同粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳分布的變化可以解釋外源新碳在團(tuán)聚體中的分布及其對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，從而揭示土壤有機(jī)碳的貯存和保護(hù)機(jī)制。表4結(jié)果表明CS和DS處理土壤有機(jī)碳主要分布在大團(tuán)聚體中。竇森等[26]研究表明微團(tuán)聚體主要被穩(wěn)定性較高的有機(jī)物所穩(wěn)定，而大團(tuán)聚體是由這些微團(tuán)聚體進(jìn)一步膠結(jié)而成，膠結(jié)物質(zhì)除了原有的有機(jī)物外，還包括碳水化合物、根和菌絲體等有機(jī)質(zhì)，因此大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量高于微團(tuán)聚體。AS的土壤有機(jī)碳主要集中于≤0.25、＞0.25～0.50 mm的團(tuán)聚體中，一方面是因?yàn)閳F(tuán)聚體結(jié)合碳對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率是由各團(tuán)聚體粒級所占比例及其結(jié)合碳數(shù)量共同決定的，該土壤中≤0.25、＞0.25～0.50 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量顯著高于其他團(tuán)聚體；另一方面可能是由于大粒級團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)以物理保護(hù)為主[26]，而風(fēng)沙土的結(jié)構(gòu)性能較差，大團(tuán)聚體對有機(jī)碳的保護(hù)作用相對較弱。有研究指出，小粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳分解慢，有利于長期保存；而大粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳周轉(zhuǎn)較快[13]。本研究結(jié)果顯示，蚯蚓糞施用后黃綿土和黑壚土小粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率變小，說明蚯蚓糞輸入對較為穩(wěn)定的團(tuán)聚體結(jié)合碳并不能產(chǎn)生積極作用，但風(fēng)沙土在3%用量下小粒徑團(tuán)聚體含量的顯著增加表明蚯蚓糞有利于該土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高。苑亞茹等[27]在有機(jī)質(zhì)含量豐富的黑土中添加不同量有機(jī)肥發(fā)現(xiàn)，高施用量對土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量影響不顯著。

土壤易氧化碳可作為土壤活性有機(jī)碳的指標(biāo)，可以對土壤管理措施做出積極響應(yīng)[28]。已有研究發(fā)現(xiàn)，土壤易氧化碳含量與土壤有機(jī)碳的變化趨勢往往一致[29]。在本研究中，當(dāng)蚯蚓糞作為外源碳施入土壤時，土壤有機(jī)碳含量顯著增加，易氧化碳含量同樣呈現(xiàn)隨施用量增大而顯著增加的趨勢，但黃綿土和黑壚土中的增幅均低于20%，只有風(fēng)沙土受蚯蚓糞影響較大。井大煒等[30]研究發(fā)現(xiàn)在櫻桃栽培中施用蚯蚓糞后土壤中易氧化碳數(shù)量顯著增加，表明施用蚯蚓糞能加強(qiáng)土壤供貯養(yǎng)分的能力，但同時土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性下降。土壤易氧化碳含量變化與土壤容重、pH值、全氮及有機(jī)碳密切相關(guān)[31]。表1中可以看到蚯蚓糞比對照土壤具有更高的有機(jī)碳含量和更小的容重，張曉緒等[32]指出土壤添加蚯蚓糞后pH值顯著降低，且蚯蚓糞添加量越大降低越明顯，因此施用蚯蚓糞后土壤相關(guān)理化性質(zhì)會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致易氧化碳的改變。各粒級團(tuán)聚體中＞5.0 mm團(tuán)聚體易氧化碳含量增加最為顯著，這也證明了土壤中新鮮有機(jī)物會首先分配至大團(tuán)聚體中，即新鮮有機(jī)物會促進(jìn)土壤中大團(tuán)聚體的形成[26]。施用蚯蚓糞后大團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量增加，加快了有機(jī)碳周轉(zhuǎn)，從而有效提高了土壤中可供植物生長利用的速效養(yǎng)分含量。

3.3 田間施用意義

蚯蚓每日產(chǎn)糞量為自身質(zhì)量的5～10倍，在溫帶土壤中，每公頃蚯蚓糞的數(shù)量每年可達(dá)到75～250 t，在熱帶草原上蚯蚓產(chǎn)糞量更高。然而，大多數(shù)蚯蚓糞沒有得到有效的利用，只有少量蚯蚓糞通過生物堆肥和其他方式回收利用。蚯蚓糞能有效改善作物品質(zhì)，提高作物產(chǎn)量。由本研究可知，施用適量蚯蚓糞可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量并增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。此外，施用蚯蚓糞還避免了由于長期施用化肥而對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，施用蚯蚓糞可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，減少施用化肥造成的土壤質(zhì)量退化，可有效緩解土壤貧瘠化問題，形成綠色、循環(huán)的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。

4 結(jié) 論

1）3%用量蚯蚓糞可有效促進(jìn)微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體并增加團(tuán)聚體總量，但3%和5%用量效果無顯著差異。

2）蚯蚓糞用量為1%時，風(fēng)沙土團(tuán)聚體穩(wěn)定性得到顯著改善，用量達(dá)到3%時對黃綿土和黑壚土團(tuán)聚體穩(wěn)定性提升表現(xiàn)出積極作用。

3）施用3%和5%用量蚯蚓糞后黃綿土和黑壚土有機(jī)碳活性增加，而風(fēng)沙土有機(jī)碳穩(wěn)定性提高，而當(dāng)用量由3%增加至5%后，土壤團(tuán)聚體結(jié)合碳數(shù)量及穩(wěn)定性并未明顯改善。

綜上，建議在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用3%用量的蚯蚓糞即可實(shí)現(xiàn)對黃綿土、黑壚土和風(fēng)沙土團(tuán)聚體和有機(jī)碳穩(wěn)定性的改良。