玉米、三葉草秸稈和蚯蚓堆肥施用對黃河故道潮土理化性狀的影響

白潔瑞，劉慶峰，于建光，4*，陳小云，肖 新，李 勇

（1．江蘇省常州市金壇區(qū)種植業(yè)技術推廣中心，江蘇 常州 213200；2．江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014；3．南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇 南京 210095；4．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，江蘇 南京 210014；5．安徽科技學院資源與環(huán)境學院，安徽 鳳陽 233100）

良好的土壤結構有助于土壤的保水、保肥及通氣，從而減少水土流失。在降雨侵蝕條件下，土壤顆粒隨徑流的遷移主要以<20 μm細顆粒為主［1］。植物殘體是土壤有機質(zhì)與腐殖質(zhì)的基本來源，為農(nóng)田土壤提供有機質(zhì)和養(yǎng)分，對于土壤結構與功能維持具有重要的意義；國內(nèi)外關于秸稈對農(nóng)田土壤物理結構、養(yǎng)分含量以及產(chǎn)量的研究已有不少，研究表明施用有機物料、綠肥等均有助于增加土壤中大團聚體的比例，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤中碳含量等［2-4］，且不同質(zhì)量有機物料組合比單一物料對土壤生物化學性質(zhì)的影響更顯著［5］。

江蘇省黃河故道涉及省內(nèi)徐州、宿遷、淮安、鹽城4個市13個縣，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平低，土壤中粉粒含量較高［6］，具有沙瘦、板結、漏水、漏肥、有機質(zhì)含量低和團聚體結構差等缺點，因此極大地制約了土地資源生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。玉米在江蘇省黃河故道地區(qū)大范圍種植，單一種植存在水土流失風險，豆科的白三葉草是當?shù)爻Ｒ姷淖o坡綠肥植物，單獨種植用于水土保持和改良土壤，但由于不產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益難以被農(nóng)民所接受。間作套種是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)良傳統(tǒng)，不僅可以增加復種指數(shù)，還能改善土壤群落和植物生境［7］。在種植玉米的同時，如果同時套種三葉草，不僅有利于雨季玉米田間土壤的防風固沙，而且在玉米成熟收獲后，三葉草還可以和玉米秸稈同時翻壓還田為下茬作物提供充足養(yǎng)分。蚯蚓堆肥是蚯蚓參與作用的堆肥產(chǎn)物，具有結構好、養(yǎng)分含量豐富的特點，常用于改良土壤。有關玉米等禾本科秸稈還田對土壤理化性狀影響的研究較多，三葉草秸稈還田的研究較少，玉米秸稈和三葉草秸稈同時還田并施用蚯蚓堆肥的研究鮮有報道。基于黃河故道土壤的上述缺點，擬將上述2種秸稈和蚯蚓堆肥施用于該土壤后，研究其對土壤理化性狀的影響，從而準確評估這3類常見有機物料及其組合的改良效果，為江蘇省黃河故道潮土地區(qū)禾本科-豆科套種及秸稈還田綜合土壤改良實踐提供技術支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤來自江蘇省鹽城市濱?？h界牌鎮(zhèn)黃河灣綠色科技產(chǎn)業(yè)園（119.868°E，34.106°N），為黃河沖積物發(fā)育形成的典型潮土，其質(zhì)地為粉壤土。土壤采集后混勻過2 mm篩，同時剔除大型土壤動物、根茬和秸稈等；供試土壤pH 8.24，電導率337 μS·cm-1，有機碳2.45 g·kg-1，全氮0.25 g·kg-1，堿解氮12.76 mg·kg-1，有效磷5.89 mg·kg-1，速效鉀81.63 mg·kg-1。有機物料選用自然風干的玉米秸稈、三葉草秸稈以及蚯蚓堆肥（牛糞經(jīng)蚯蚓參與活動堆制而成），其基本性狀見表1。玉米秸稈與三葉草秸稈粉碎為1～2 mm，供試盆缽大小一致且底部加篩網(wǎng)防漏。

表1 供試物料的養(yǎng)分含量

1.2 試驗設計

試驗共設置8個處理。（1）CK：空白對照；（2）M：玉米秸稈；（3）C：三葉草秸稈；（4）V：蚯蚓堆肥；（5）MC：玉米秸稈+三葉草秸稈；（6）MV：玉米秸稈+蚯蚓堆肥；（7）CV：三葉草秸稈+蚯蚓堆肥；（8）MCV：玉米秸稈+三葉草秸稈+蚯蚓堆肥。將相當于1 kg干重的過2 mm篩的新鮮土壤填充至盆缽中，分別將各處理秸稈或蚯蚓堆肥與土壤充分混勻，若是混合物料則等比例施用，有機物料用量為2%（物料/干土重）；每處理重復4次，共32個盆缽；所有盆缽于28 ℃暗室培養(yǎng)，定期（每周）加水保持濕度（每次加水至80%的土壤田間持水量，土壤采樣時除外），并同時測定土壤水分含量（稱重法）。試驗于2018年4月23日開始，培養(yǎng)180 d后破壞性采樣，土壤樣品風干后測定土壤理化指標。

1.3 分析與測定方法

土壤pH和電導率采用土水比1∶2.5浸提，pH測定儀（Mettler Toledo）讀數(shù)，電導率采用電導率儀（雷磁DDS-307A）測定；土壤有機碳含量（SOC）采用K2Cr2O7容量法測定；全氮（TN）采用半微量凱氏定氮法測定；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用氯化鉀溶液浸提，全自動間斷式化學分析儀（Smartchem 200）測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定［8］。

水穩(wěn)性團聚體分離采用濕篩法［9］：土壤依次通過2、0.25和0.053 mm篩而獲得4個級別團聚體，即>2 mm大團聚體、0.25～2 mm大團聚體、微團聚體（0.053～0.25 mm）以及粘粉粒（<0.053 mm）。濕篩前，濕潤土樣通過8 mm篩并且風干，過篩前取50 g風干土樣放在孔徑大小分別為2、0.25和0.053 mm的3個套篩上浸入水桶中5 min；用設置振幅30次·min-1的篩分儀豎直上下振蕩5 min。然后把每層篩子和水桶（<0.053 mm）的土壤沖入燒杯中，靜置一段時間后去除漂浮于燒杯水面上的有機物質(zhì)，并在50℃過夜烘干稱重。土壤的平均重量直徑（MWD）采用以下公式獲得［10］：

式中，xi指各粒級的平均直徑，wi指相應各粒級的重量百分比。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理和作圖采用SPSS 19.0和Excel 2016，不同處理之間差異顯著性采用Duncan法檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同有機物料添加對土壤pH和電導率的影響

與CK相比，添加玉米秸稈（M）、三葉草秸稈（C）和蚯蚓堆肥（V）180 d后均顯著降低土壤pH（P<0.05），降幅分別為4.12%、8.05%和1.62%，其中C處理對土壤pH降幅最為明顯，M處理次之，V處理影響最小；與CK相比，3種物料以不同組合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均可顯著降低土壤pH（P<0.05），降幅分別為5.55%、2.56%、4.82%和2.44%，其中MC處理的土壤pH降幅最大，CV次之，而MV和MCV處理降幅較小，不同物料組合添加對土壤pH的影響介于單一物料之間（圖1）。

與CK相比，M、C和V均顯著提高了土壤電 導 率（P<0.05），提 高 幅 度 分 別 為77.55%、288.06%和56.34%，其變化與pH的變化相反，其中C處理對土壤電導率增幅最為明顯，M和V處理次之；與CK相比，3種物料以不同組合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均可顯著提高土壤電導率（P<0.05），提高幅度分別為259.80%、109.22%、249.97%和134.88%，其中MC和CV處理對土壤電導率的增幅最大，MV和MCV次之，不同物料組合添加（MC、MV、CV和MCV）對土壤電導率的影響介于單一物料影響之間（圖1）。

2.2 不同有機物料添加對土壤水穩(wěn)性團聚體分布以及MWD的影響

與CK相比，M處理180 d后顯著增加了>2和0.25～2 mm大團聚體比例（P<0.05），增幅分別達339.51%和131.58%，同時顯著降低了<0.053 mm粘粉粒的比例（P<0.05），降幅達49.77%，而0.053～0.25 mm微團聚體的比例雖略有增加（增幅達30.09%），但差異不顯著。與CK相比，C處理180 d后增加了>2和0.25～2 mm大團聚體比例，增幅分別達232.24%和30.87%，其中>2 mm大團聚體比例增幅顯著（P<0.05）；與此相反，0.053～0.25 mm微團聚體和<0.053 mm粘粉粒所占比例均略有下降，降幅分別達13.84%和10.04%，但差異不顯著（P>0.05）。與CK相比，V處理180 d后使>2和0.25～2 mm大團聚體比例略有增加（增幅分別為13.69%和22.05%），而使0.053～0.25 mm微團聚體和<0.053 mm粘粉粒所占比例略有下降（降幅分別為7.95%和0.84%），但差異均未達顯著水平（P>0.05）（表2）。

與CK相比，3種有機物料各種組合處理（MC、MV、CV和MCV）均可提高>2和0.25～2 mm水穩(wěn)性大團聚體比例（增幅50.13%～339.34%），除CV處理0.25～2 mm水穩(wěn)性大團聚體比例變化不顯著外（P>0.05），其他均達差異顯著水平（P<0.05）。與CK相比，3種有機物料各種組合處理（MC、MV、CV和MCV）對0.053～0.25 mm微團聚體所占比例影響不大，使<0.053 mm粘粉粒比例均略有下降（降幅8.31%～30.57%），但均未達差異顯著水平（P>0.05）（表2）。

表2 不同有機物料添加對土壤水穩(wěn)性團聚體分布的影響 （%）

土壤平均重量直徑（MWD）表征土壤團聚體整體大小分布狀況，其值越大，土壤穩(wěn)定性越好。與CK相比，分別單獨添加3種有機物料（M、C、V）180 d后，均可提高土壤平均重量直徑，增幅分別為154.20%、71.92%和12.99%，其增幅次序為M>C>V，其中M和C處理與CK處理間差異顯著（P<0.05）。與CK相比，3種有機物料組合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均顯著提高了土壤的MWD（P<0.05），增幅分別為106.74%、100.04%、56.49%和141.87%，其中MCV處理的增幅最明顯（圖2）。

2.3 不同有機物料添加對潮土養(yǎng)分含量的影響

與CK相比，3種有機物料添加（M、C、V）180 d后均顯著提高土壤中有機碳含量（P<0.05），其中M處理的效果尤其明顯，有機碳含量增幅達113.75%，遠高于C和V處理增幅（分別為50.87%和33.19%）；與CK相比，3種物料以不同組合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均可顯著提高土壤有機碳含量（P<0.05），增幅分別為64.54%、47.58%、59.90%和73.27%，不同物料組合添加對土壤有機碳的影響介于單一物料影響之間（表3）。

與CK相比，3種有機物料添加（M、C、V）180 d后均顯著提高土壤中全氮含量（P<0.05），增幅分別為144.35%、187.88%和57.51%，其中尤以C和M處理明顯，V處理次之；與CK相比，3種物料以不同組合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后均可顯著提高土壤全氮含量（P<0.05），增幅分別為200.59%、109.05%、160.30和169.32%，不同物料組合添加（MV、CV和MCV）對土壤全氮的影響介于單一物料影響之間；與土壤全氮含量的變化相類似，3種有機物料（M、C、V）及其物料組合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后也顯著提高了土壤堿解氮的含量（P<0.05），其增幅為123.64%～197.19%，增幅低于全氮含量的變化（表3）。

與CK相比，分別添加3種有機物料（M、C、V）180 d后均能不同程度增加土壤有效磷和速效鉀含量，其中M和C處理均使有效磷和速效鉀含量顯著增加（P<0.05），其中有效磷分別增加184.76%和249.52%，速效鉀分別增加98.54%和237.32%，V處理使土壤有效磷的含量顯著增加，增幅達436.19%，增幅超過M和C處理，但對土壤速效鉀含量影響不顯著；與CK相比，3種有機物料組合（MC、MV、CV和MCV）添加到土壤后也均顯著提高了土壤有效磷和速效鉀的含量（P<0.05），其中有效磷的增幅為233.33%～343.81%，速效鉀的增幅為61.81%～181.63%，介于單一物料影響之間（表3）。

表3 不同有機物料添加對土壤養(yǎng)分的影響

3 討論

有機物料玉米秸稈、三葉草秸稈和蚯蚓堆肥施用于土壤180 d后，顯著降低了土壤的pH，均由原先的8.2降為8.0以下，尤其玉米秸稈和三葉草秸稈施用后分別降為7.86和7.54，接近于當?shù)刂饕魑镉衩缀托←湹倪m宜pH上限值，這與他人的研究結果相似［11-13］；可能的原因是有機物料在微生物參與下腐解，促進了土壤腐殖酸和有機酸的形成，導致土壤pH降低，達到改良堿性土壤的效果［14-15］，而土壤pH下降幅度為三葉草秸稈>玉米秸稈>蚯蚓堆肥，其原因可能與秸稈和蚯蚓堆肥中易分解有機物含量有關。土壤電導率可以間接表示離子成分的總濃度，其變化趨勢與土壤中養(yǎng)分變化趨勢有較強的相關性；與pH變化相反，有機物料玉米秸稈、三葉草秸稈和蚯蚓堆肥施用后，均顯著增加了土壤的電導率，尤其是三葉草秸稈施用后電導率提高近3倍，這標志著土壤礦質(zhì)養(yǎng)分含量水平的顯著提升，與張凱凱等［12］、王寧等［16］的研究結果一致，原因可能與有機物料本身含有較多的可溶性鹽或在有機質(zhì)分解的時候釋放出礦質(zhì)鹽分有關；而土壤電導率上升幅度為三葉草秸稈>玉米秸稈>蚯蚓堆肥，原因也是與秸稈和蚯蚓堆肥中易分解有機物含量有關。3種物料以不同組合施用于土壤后的pH和電導率的變化幅度介于單一有機物料施用后的變化之間，其原因也主要與組合物料進入土壤后的腐解和養(yǎng)分釋放有關。

有機物料施用后可以顯著提高土壤團聚體穩(wěn)定性［17］，本試驗中供試土壤較貧瘠，且粘粒含量較低，供試土壤>2和0.25～2 mm水穩(wěn)性大團聚體的比例以及MWD值均較低，施用玉米秸稈和三葉草秸稈后土壤>2和0.25～2 mm水穩(wěn)性大團聚體的比例及MWD值均增加，尤其>2 mm水穩(wěn)性大團聚體比例顯著增加，幅度達到2～3倍以上，其結果與他人研究結果類似［18-19］；秸稈施用于土壤后可在團聚體形成中起核心作用［20］，它通過將高比例易降解多糖和真菌菌絲、細根、根毛和微生物等結合，進而將松散的土壤顆粒粘結于一體［21］；玉米秸稈對大團聚體比例的促進作用遠強于三葉草秸稈，究其原因，可能與玉米秸稈含有更多易降解多糖和它施用后引發(fā)土壤中產(chǎn)生更多真菌菌絲有關。蚯蚓堆肥施入土壤后未使>2和0.25～2 mm水穩(wěn)性大團聚體的比例和土壤MWD值顯著增加，可能與蚯蚓堆肥的基本理化性狀及施用量有關，即蚯蚓堆肥相比玉米秸稈和三葉草秸稈具有較低的有機碳和全氮含量，且在試驗中2%的施用量均不足以改變土壤的團聚過程。與上述大團聚體的變化相適應，由于秸稈施用后的團聚作用增強，更多的微團聚體將進一步團聚成大團聚體，除施用玉米秸稈使0.053～0.25 mm微團聚體的比例略有增大外，施用三葉草秸稈和蚯蚓堆肥均使其下降，同時分別施用3種有機物料均使<0.053 mm粘粉粒的比例下降。3種物料以不同組合施用于土壤后的團聚體分布和MWD值變化幅度介于單一有機物料影響之間，也主要與組合物料中各物料的單一性狀和進入土壤后對土壤團聚過程的綜合作用過程有關。

本試驗中的供試土壤養(yǎng)分含量較低，不添加任何有機物料對照處理經(jīng)180 d后土壤中的有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量變化不大；而玉米秸稈、三葉草秸稈和蚯蚓堆肥中上述養(yǎng)分含量均高于供試土壤，因此施用180 d后均顯著增加了土壤中上述養(yǎng)分的含量。由于玉米秸稈和三葉草秸稈的有機碳、全氮和全鉀含量高于蚯蚓堆肥，尤其三葉草秸稈的全氮和全鉀含量分別是蚯蚓堆肥的4和2倍以上，因而它們施入土壤180 d后對增加土壤有機碳、全氮和速效鉀含量的作用明顯強于蚯蚓堆肥，而蚯蚓堆肥的全磷含量較高，其含量分別是玉米秸稈和三葉草秸稈的5和2.5倍左右，其施入土壤后對土壤有效磷含量的提升作用強于玉米秸稈和三葉草秸稈。

由于單一物料本身均含有多種養(yǎng)分，3種物料不管以何種組合施用于土壤，其自身所含的有機質(zhì)均會在土壤中進行礦化和腐殖化，其中碳氮元素在礦化和腐殖化過程中部分會以氣態(tài)和液態(tài)形式排放和流失，完成腐殖化以后的部分碳氮元素會形成新的土壤有機質(zhì)，而磷鉀元素在礦化和腐殖化過程中以氣態(tài)和液態(tài)形式排放和流失的很少，完成腐殖化以后的磷鉀幾乎全部形成新土壤有機質(zhì)。玉米秸稈和三葉草秸稈施入土壤經(jīng)180 d以后不能全部腐殖化，而蚯蚓堆肥施入土壤經(jīng)180 d后幾乎完全腐殖化；加之所有有機物料施入土壤均可改變原有有機質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，部分如玉米或三葉草秸稈甚至可加快原土壤有機質(zhì)的分解；因此，不同組合有機物料進入土壤后的礦化和腐殖化過程相比單一物料更復雜，但因為其綜合所含有的養(yǎng)分含量受不同有機物料組合所限定，介于單一物料含量間，因而其添加后經(jīng)180 d對土壤養(yǎng)分含量的影響介于各單一物料的影響之間，但均比不添加任何有機物料的對照處理土壤的養(yǎng)分含量要高。

另外需要強調(diào)的是本試驗屬室內(nèi)培養(yǎng)試驗，試驗時間短且與大田條件有差異，且在試驗中沒有作物參與，因而難以評估作物參與下根系分泌物以及作物吸收養(yǎng)分對土壤的影響，未來需布置田間長期試驗并結合土壤和作物的綜合響應，以進一步對玉米、三葉草秸稈配合蚯蚓堆肥的改良和培肥效應進行評估。

4 結論

（1）添加玉米秸稈、三葉草秸稈和蚯蚓堆肥均會減小黃河故道潮土pH，提高黃河故道潮土電導率，增加其大團聚體比例和土壤團聚體平均重量直徑。

（2）添加玉米秸稈、三葉草秸稈和蚯蚓堆肥均會增加土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

（3）考慮到黃河故道潮土養(yǎng)分的均衡供應與團聚體結構改善，玉米、三葉草秸稈配合施用蚯蚓堆肥的綜合效果更好。