番茄秸秆和菌菇渣还田对土壤团聚体稳定性及其有机碳分布的影响

王敏，李祥云，赵征宇，王圣健，孙永红，朱丕生，王政，刘树堂

（1.青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109；2.青岛市农业科学研究院，山东 青岛 266100）

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元和土壤有机碳固存的重要场所，其稳定性和有机碳含量是土壤肥力的物质基础，是保障作物高产的必要土壤条件，对维护土壤碳库稳定具有重要意义［1－3］。良好的土壤团聚体结构不仅对种子萌发、根系发育和作物生长有重要影响，对于保持土壤肥力，提高土壤孔隙度、持水性以及保护土壤有机碳都具有非常重要的作用［4，5］。秸秆还田是促进耕作土壤团聚体稳定的重要手段。有研究发现，东北黑土区添加外源有机物料显著增加＞2 mm粒级团聚体含量，显著降低0.053～0.25 mm团聚体含量，提高水稳性团聚体的平均重量直径和几何平均直径，提高有机碳含量［6］。孙雪等［7］基于18年的长期定位试验研究发现，化肥配以秸秆还田显著提高粒径＞0.25 mm团聚体含量和团聚体稳定性，提高土壤和团聚体各组分有机碳含量。但目前关于秸秆还田对团聚体组成的研究大多着眼于粮食作物秸秆还田，对蔬菜秸秆还田的相关研究还较少。

近年来，我国蔬菜种植面积和产量逐年增加，随之产生的大量残株、藤蔓和果壳等农业废弃物已成为第四大农作物秸秆，约占全国农作物秸秆总产量9.09%［8－10］。目前，绝大部分蔬菜秸秆被随意丢弃腐烂，严重污染农业生态环境。如何将蔬菜废弃物进行无害化、资源化利用成为亟需解决的问题。为此，本研究设置不同的番茄秸秆和平菇菌渣还田比例，辅以腐熟剂和化肥进行秸秆直接还田，研究其对土壤团聚体组成及其有机碳含量的影响，以期为探索蔬菜秸秆等农业有机废弃物资源化利用方式和实现农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019—2020年青岛市农业科学研究院院内（36°9′4″N，120°25′45″E）3 m2独立水泥池中进行。连续两年该区年均降水量650～800 mm，多集中在夏季，年均气温约12℃。土壤类型为潮土，耕层土壤基本理化性质：有机质含量1.42 g／kg、碱解氮118.80 mg／kg、速效磷170.02 mg／kg、速效钾150.13 mg／kg，pH值6.7。

1.2 试验设计及方法

试验采用双因素裂区设计（表1），以菌菇渣和番茄秸秆混合还田比例（下也称秸秆还田比例）为主处理，分别为3∶7（S1，菌菇渣9 t／hm2＋番茄秸秆21 t／hm2）、2∶3（S2，菌菇渣12 t／hm2＋番茄秸秆18 t／hm2）和1∶1（S3，菌菇渣15 t／hm2＋番茄秸秆15 t／hm2）；腐熟剂（世明生物反应堆专用菌种001）添加量为副处理，分别为75 kg／hm2（A1）、105 kg／hm2（A2）、135 kg／hm2（A3），秸秆还田所有处理在秸秆填埋时均添加尿素300 kg／hm2；此外，设置不施肥空白处理（CK）和常规施肥处理［CF，基施有机肥（有机质含量≥7%）1500 kg／hm2、NPK复合肥（15－15－15）300 kg／hm2，追施复合肥300 kg／hm2］。所有处理重复3次。

表1 试验设置

将菌菇渣和番茄秸秆晒干，之后番茄秸秆切成5～10 cm长的小段，菌菇渣敲碎，二者混匀后直接填埋于事先挖好的沟槽内（深20～30 cm），再将腐熟剂均匀撒在秸秆上，铁锨拍振后起土回填，浇水湿透秸秆。2～3 d后起垄，秸秆上土层厚度保持15～20 cm。用粗钢筋在每行间打孔，穿透秸秆层，孔穴保持通畅以利于通气促进秸秆腐熟。

种植模式为青椒－白菜轮作。常规施肥处理于两种蔬菜种植前和生长期分别进行一次。秸秆还田一年两次，分别于青椒和白菜种植前2周完成。

1.3 样品采集及测定

2020年白菜收获后采集0～20 cm表层原状土样，自然风干后除去根系及小石块等杂物，将大土块按自然裂痕剥离为直径1 cm左右小块。土壤水稳性团聚体分离采用湿筛法：称取100 g风干土样，放置在团粒分析仪套筛桶上，调整桶内水面高度，使筛子移动到最高位置时最上一层筛子上面恰好淹过水面，浸润5 min，以上下振幅3 cm、30次／min的速度筛分5 min，留在土筛上的组分转移至已称重的烧杯中，再将土样分离成＞2 mm、＞0.25～2 mm、0.053～0.25 mm、＜0.053 mm四个级别的团聚体，制得样品在70℃下烘干24 h称重［11］。本试验中所有处理均无＞2 mm团聚体。有机碳测定采用重铬酸钾外加热法进行［12］。

1.4 测定指标及数据处理

（1）平均重量直径（mean weight diameter，MWD），计算公式如下：

式中，Xi和Wi分别代表团聚体第i个组分的平均直径（mm）和质量百分数（%）。

（2）几何平均直径（geometric mean diameter，GMD），计算公式为：

式中，Wi为不同粒级团聚体质量百分数（%），lnXi为土壤粒级平均直径的自然对数。

（3）＞0.25 mm水稳性团聚体含量，计算公式为：

式中，Wt为不同粒级团聚体总质量（g），W＞0.25为平均直径＞0.25 mm土壤粒级质量（g）。

（4）贡献率，即土壤某粒径团聚体中有机碳对总有机碳的贡献率，计算公式如下：

式中，Y为某粒径团聚体有机碳对总有机碳的贡献率（%），Ci为某粒径团聚体有机碳浓度（g／kg），Mi为某粒径团聚体质量（g）。

试验数据采用SPSS 24.0进行方差分析，Duncan’s法进行多重比较分析，采用Origin 2016软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤团聚体质量分布的影响

不同处理对土壤水稳性团聚体质量组成有明显影响（图1）。各处理均以＞0.25～2 mm大团聚体为主，平均约占全土的45.15%，其次是＜0.053 mm的粉黏粒，0.053～0.25 mm的微团聚体组分含量最少。所有处理中常规施肥处理（CF）＞0.25～2 mm大团聚体含量最少，为40.02%，＜0.053 mm的粉黏粒含量最高，为35.99%，与空白对照（CK）和秸秆还田处理相比，其土壤水稳性团聚体中大团聚体含量减少，粉黏粒含量增加。秸秆还田处理中S2A1处理大团聚体含量最多，为51.83%，S1A3处理最少，为42.78%。秸秆还田处理大团聚体含量比CF增加6.90%～29.51%，除S2A1和S3A1处理外，其他秸秆还田处理大团聚体含量与CF和CK间无显著差异（P＞0.05）。秸秆还田处理微团聚体含量最高的是S1A2，为28.95%，最低的是S2A3，为22.21%，秸秆还田处理与CF、CK间均无显著差异（P＞0.05）。秸秆还田处理S1A3粉黏粒含量最多，为34.67%，S2A1处理最少，为21.03%，秸秆还田处理粉黏粒含量比CF处理减少3.67%～41.57%，除S2A1处理外，其他秸秆还田处理与CF、CK间无显著差异（P＞0.05）。

图1 不同处理下土壤水稳性团聚体质量分布特征

菌菇渣和番茄秸秆不同还田比例以及腐熟剂不同添加量对土壤水稳性团聚体含量的影响也有明显差异。由图2A看出，S1、S2和S3三种还田比例下，秸秆还田处理间大团聚体、微团聚体和粉黏粒含量均无显著差异（P＞0.05）。其中S2处理大团聚体含量最高，为47.84%，粉黏粒含量最少，为26.45%；S1处理大团聚体含量最少，为43.49%，粉黏粒含量最多，为29.70%。S1、S2和S3处理大团聚体含量高于CF，且S2、S3与CF差异显著（P＜0.05）；粉黏粒含量均低于CF处理，且S2处理与CF差异显著（P＜0.05）。S1、S2和S3处理微团聚体含量高于CF，但差异不显著（P＞0.05）。

由图2B看出，A1、A2和A3三种不同腐熟剂添加量下，秸秆还田处理间大团聚体和微团聚体含量均无显著差异（P＞0.05），A3处理粉黏粒含量显著高于A1。A1处理大团聚体含量最高，为48.31%，粉黏粒含量最少，为25.27%；A3处理大团聚体含量最少，为44.58%，粉黏粒含量最多，为32.79%。大团聚体含量随腐熟剂添加量的增加而逐渐减小，粉黏粒含量随腐熟剂添加量的增加而逐渐增大。A1、A2和A3处理大团聚体含量高于CF处理，其中A1处理与CF差异显著（P＜0.05）；粉黏粒含量均低于CF，其中A1和A2处理与CF差异显著（P＜0.05）；A1和A2处理微团聚体含量高于CF，A3处理则低于CF，但差异均不显著（P＞0.05）。

图2 不同秸秆还田比例和腐熟剂用量下土壤水稳性团聚体质量分布特征

2.2 不同处理对土壤团聚体稳定性的影响

总体（表2）来看，秸秆还田处理R0.25、MWD和GMD值高于CK和CF，其中CF处理R0.25、MWD和GMD最小，分别为40.02%、0.50 mm和0.18 mm。秸秆还田处理中R0.25、MWD和GMD值最大的是S2A1，分别为51.83%、0.63 mm和0.30 mm，最小的是S1A3，分别为42.78%、0.52 mm和0.20 mm。秸秆还田处理与CF相比R0.25值增加6.90%～29.51%，MWD增加4.00%～26.00%，GMD增加11.11%～66.67%。除S2A1和S3A1外，其他秸秆还田处理R0.25、MWD和GMD值与CF和CK无显著差异（P＞0.05）。

表2 土壤团聚体稳定性

由表3看出，菌菇渣和番茄秸秆三种还田比例下，S2处理R0.25、MWD和GMD值均最大，其次是S3处理，S1处理最小。秸秆还田处理间R0.25、MWD和GMD值均无显著差异（P＞0.05），但均显著高于CF处理（P＜0.05），而S2和S3处理R0.25、MWD和GMD值显著高于CK（P＜0.05），S1处理则与CK无显著差异（P＞0.05）。

表3 不同菌菇渣和番茄秸秆还田比例对土壤团聚体稳定性的影响

由表4看出，腐熟剂三种添加量处理中，A1处理R0.25、MWD和GMD值均最大，其次是A2处理，A3处理最小。随腐熟剂添加量的增加，土壤水稳性团聚体R0.25、MWD和GMD值逐渐减小。A1、A2和A3处理间R0.25、MWD和GMD均无显著差异（P＞0.05），但均显著高于CF处理（P＜0.05）。A1处理这三个指标值均显著高于CK（P＜0.05）；A2和A3处理R0.25和MWD值也高于CK，但差异不显著（P＞0.05）；A2处理GMD值显著高于CK（P＜0.05），A3处理GMD值与CK差异不显著（P＞0.05）。

表4 不同腐熟剂添加量对土壤团聚体稳定性的影响

2.3 不同处理对土壤有机碳含量的影响

图3显示，与CK和CF处理相比，秸秆还田处理显著增加土壤有机碳含量（P＜0.05），CK土壤有机碳含量最低，为6.44 g／kg，CF处理略高于CK，但二者差异不显著（P＞0.05）。秸秆还田处理中土壤有机碳含量最高的是S2A2处理，为20.06 g／kg，S1A1处理最低，为11.03 g／kg；与CF处理相比，秸秆还田处理土壤有机碳含量增加68%～206%。秸秆还田处理中，S1A1、S2A1、S3A1、S1A3、S2A3和S3A3处理土壤有机碳含量较低且处理间差异不显著（P＞0.05）；S1A2、S2A2处理土壤有机碳含量较高，二者差异不显著但显著高于S3A2及其他处理（P＜0.05）。

图3 不同处理下土壤有机碳含量

由图4A看出，不同还田比例下土壤有机碳含量表现为S2＞S1＞S3，但三者间无显著差异（P＞0.05）。腐熟剂添加量对土壤有机碳含量有明显影响，其中A2处理显著高于A1和A3（P＜0.05），A1和A3处理间无显著差异（P＞0.05）。

图4 不同秸秆还田比例和腐熟剂用量处理下土壤有机碳含量

2.4 不同处理对土壤团聚体有机碳含量的影响

由图5看出，不同秸秆还田处理对土壤水稳性团聚体有机碳含量有明显影响，各处理均以＜0.053 mm粉黏粒有机碳含量最高，其次是0.053～0.25 mm微团聚体，＞0.25～2 mm大团聚体有机碳含量最低。有机碳含量随团聚体直径的减小而逐渐增加。粉黏粒有机碳含量最低的是CF处理，微团聚体和大团聚体有机碳含量最低的均是CK。秸秆还田处理中S2A2处理大团聚体和微团聚体有机碳含量均高于其他处理，分别为17.89 g／kg和20.54 g／kg，S1A2处理粉黏粒有机碳含量高于其他处理，为23.05 g／kg，大团聚体、微团聚体和粉黏粒有机碳含量最低的处理分别是S2A3、S1A3和S2A1。与CF相比，秸秆还田处理大团聚体、微团聚体和粉黏粒有机碳含量分别增加99%～372%、34%～180%和65%～154%。秸秆还田处理不同团聚体组分的有机碳含量均显著高于CF和CK（P＜0.05），S1A2、S2A2和S3A2处理三种团聚体组分有机碳含量均显著高于其他秸秆还田处理（P＜0.05），S1A1、S2A1、S3A1、S1A3、S2A3和S3A3六个处理同一团聚体组分有机碳含量均无显著差异（P＞0.05）。

图5 不同处理下土壤水稳性团聚体有机碳含量

由图6看出，菌菇渣和番茄秸秆不同还田比例以及腐熟剂不同添加量处理土壤不同团聚体组分的有机碳含量均显著高于CF和CK（P＜0.05）。S1、S2和S3三种还田比例下，秸秆还田处理间同一团聚体组分有机碳含量均无显著差异（P＞0.05），S2处理三种团聚体组分有机碳含量均略高于S1和S3。不同腐熟剂添加量比较，A1和A3处理同一团聚体组分有机碳含量均无显著差异（P＞0.05），A2处理三种团聚体组分有机碳含量均显著高于A1和A3（P＜0.05）。

图6 不同秸秆还田比例和腐熟剂用量处理下土壤水稳性团聚体有机碳含量

2.5 不同处理对土壤有机碳贡献率的影响

由图7看出，CK和CF处理团聚体有机碳主要集中在＜0.053 mm的粉黏粒中，＞0.25～2 mm大团聚体中有机碳分布最少。与CK和CF处理相比，不同秸秆还田处理大团聚体有机碳的贡献率增加，粉黏粒有机碳的贡献率减少，微团聚体有机碳的贡献率变化不明显。秸秆还田处理中，大团聚体有机碳贡献率最大的是S2A1处理，为43.81%，最小的是S2A3处理，为30.06%，比CF增加30%～89%；粉黏粒有机碳贡献率最大的是S2A3处理，为49.48%，最小的是S2A1处理，为28.59%，比CF减少0.2%～42.0%。

图7 土壤各粒级团聚体有机碳相对贡献率

2.6 不同处理对土壤团聚体的综合影响分析

由表5可知，不同秸秆还田比例对土壤有机碳含量有显著影响（P＜0.05），对＞0.25～2 mm大团聚体有机碳和0.053～0.25 mm微团聚体有机碳含量有极显著影响（P＜0.01）。腐熟剂添加量对0.053～0.25 mm微团聚体和＜0.053 mm粉黏粒的质量分数及几何平均直径GMD均有显著影响（P＜0.05），对＜0.053 mm粉黏粒的有机碳含量和土壤有机碳含量有极显著影响（P＜0.01）。不同秸秆还田比例和腐熟剂添加量的交互作用显著影响＞0.25～2 mm大团聚体有机碳和0.053～0.25 mm微团聚体有机碳含量（P＜0.05），对土壤有机碳含量有极显著影响（P＜0.01）。

表5 土壤团聚体不同指标的变异来源分析

3 讨论与结论

蔬菜秸秆在土壤中腐熟可增加土壤有机质和其他营养元素含量，改善土壤容重和孔隙结构状况，增强土壤持水能力［13，14］。菌菇渣本身含有大量有机营养成分、次级代谢产物及微量元素，因其疏松多孔的特性也能起到改良土壤结构的作用［15，16］。本研究发现，番茄秸秆和菌菇渣配以腐熟剂还田施用后，大团聚体含量比常规施肥处理增加6.90%～29.51%，粉黏粒含量比常规施肥处理减少3.67%～41.57%。秸秆还田处理中S2A1处理大团聚体含量最多，为51.83%。大团聚体含量随腐熟剂添加量的增加而逐渐减少，这可能是因为有机质是促进大团聚体形成的黏结剂，蔬菜秸秆中有机质被腐熟剂中的微生物分解导致了胶结物质的减少，从而造成大团聚体含量的减少［17］。

土壤大团聚体含量（＞0.25 mm）、平均重量直径和几何平均直径可用来表征土壤团聚体结构，＞0.25 mm土壤团聚体含量越多、平均重量直径和几何平均直径越大说明土壤团聚体结构越稳定，土壤抗蚀性越好［18－20］。本研究发现常规施用化肥处理的R0.25、MWD和GMD值小于空白处理，说明施用化肥不利于土壤团聚体的稳定。秸秆还田处理的R0.25、MWD和GMD值与常规施肥处理相比分别增加6.90%～29.51%、4.00%～26.00%和11.11%～66.67%，表明秸秆还田处理增强了土壤团聚体的稳定性和抗蚀能力，所有秸秆还田处理中S2A1处理这三个指标值均为最大。随腐熟剂添加量的增加，土壤水稳性团聚体的R0.25、MWD和GMD值逐渐减小，团聚体稳定性下降。

秸秆还田处理粉黏粒有机碳含量最高，大团聚体有机碳含量最低，各粒径团聚体有机碳含量随粒径的减小而增加。其原因可能是较小团聚体中有机和无机胶体能紧密结合固持碳，团聚体内部紧实通气性不佳，固持的有机碳不易为微生物分解释放［21－23］。秸秆还田处理与空白处理和常规施化肥处理相比显著增加土壤有机碳含量（P＜0.05），增幅达68%～206%；不同团聚体组分的有机碳含量均显著高于常规施肥和空白处理（P＞0.05），大团聚体、微团聚体和粉黏粒有机碳含量分别增加99%～372%、34%～180%和65%～154%。秸秆还田处理间土壤有机碳含量有明显差异，S2A2处理土壤有机碳含量、大团聚体和微团聚体有机碳含量均高于其他处理。

S1、S2和S3三处理间团聚体组分含量、R0.25、MWD、GMD、土壤有机碳含量及同一团聚体组分有机碳含量均无显著差异（P＞0.05），但均以S2的值最大。A1、A2和A3三处理间团聚体组分含量、R0.25、MWD和GMD均无显著差异（P＞0.05），以A1处理值最大，A2处理土壤有机碳含量及同一团聚体组分的有机碳含量均显著高于A1和A3处理（P＜0.05）。

虽然粒径较小的粉黏粒有机碳含量较高，但秸秆还田处理明显增加了大团聚体含量，所以综合来看秸秆还田后大团聚体有机碳的贡献率增加，粉黏粒有机碳的贡献率减少，微团聚体有机碳的贡献率变化不明显。通过分析发现，不同秸秆还田比例主要影响有机碳含量，腐熟剂添加量主要影响团聚体稳定性和有机碳含量，二者的交互作用对团聚体稳定性影响不明显，但显著影响有机碳含量。