沼渣沼液混施對潮土團聚體結合有機碳的影響

王慧敏,唐蛟,2,呂利娟,3,郝躍鑫,殷金忠,吳大付,2

（1.河南科技學院資源與環境學院,河南 新鄉 453003；2.河南省生物藥肥研發與協同應用工程研究中心,河南 新鄉 450003；3.河南心連心化學工業集團股份有限公司,河南 新鄉 450000）

土壤團聚體是礦物質顆粒通過膠結物質發生團聚過程形成的粒狀或團塊狀結構體,是組成土壤結構的基本單元[1].土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫,其中土壤有機碳是構成土壤碳庫的重要組成部分,并對全球碳循環、氣候變化以及農業可持續發展產生關鍵作用[2].土壤有機碳與團聚體之間關系緊密,大部分以結合有機碳的形式存在于表層土壤團聚體內.一方面有機碳作為重要的膠結物質促進土壤團聚體結構的形成,并提高團聚體穩定性；另一方面,團聚體為土壤有機碳的遷移與轉化提供載體,并通過物理保護作用促進碳的固定[3].因此,開展土壤團聚體結合有機碳方面的相關研究對穩定土體結構和固持土壤有機碳具有重要意義.

沼肥是畜禽糞污經過厭氧發酵過程而產生的清潔能源沼氣后的殘余物,由固相和液相兩部分組成,分別為沼渣和沼液.其中沼渣是殘余物經固液分離脫水干燥后的固態物質,沼液則是殘留的液體組分[4].隨著我國沼氣工程規模的不斷擴大,沼渣沼液的產生量持續增加.由于沼肥中含有豐富的氮、磷、鉀等元素以及微量元素、有機質、蛋白質、氨基酸等,能夠為植物生長提供營養和有益活性物質,因此可作為農業生產的一種優質有機肥[5-7].將沼肥施入農田,不僅可實現農業廢棄物的資源化利用,而且可以改善土壤結構,提高土壤肥力,減少化肥使用量,加快構建現代綠色循環農業模式的步伐,促進農業可持續發展[8].因此,開展沼肥的農業應用研究具有重要的實際意義.

目前有關沼肥施用對土壤有機碳提升、結構改良和作物增產的影響已經有較為系統的研究.唐蛟等[9]發現沼液與化肥配施能夠促進大粒徑團聚體的形成,增加團聚體穩定性.代紅翠等[10]發現沼渣還田可以提高土壤有機碳（SOC）、土壤顆粒有機碳（POC）以及土壤可溶性有機碳（DOC）含量,且從農田土壤固碳角度分析,沼渣還田優于秸稈還田.李全等[11]對沼渣的改土作用研究表明沼渣可以改變土壤中膠結物質的性質,增加土壤孔隙度,且在等氮量條件下,沼肥的增產效果優于化肥.王威等[12]研究發現秸稈全量還田配施不同量的沼液比單一秸稈還田更有利于砂姜黑土水穩性團聚體的形成和穩定,并提高大團聚體質量占比及結合有機碳的含量.雖然不同有機物料添加對土壤團聚體形成及有機碳固持和穩定性的影響研究較多,但缺乏同時施用厭氧發酵殘余物沼液和沼渣對團聚體及結合有機碳影響的研究.因此,有必要開展沼液沼渣混施對團聚體及結合有機碳影響的相關試驗,為農業廢棄物資源的合理運用提供理論和數據支持.

黃淮海平原既是我國重要的糧食生產基地,也是現代畜禽養殖規模集約化發展的核心區域.然而,過量施用化肥導致土壤酸化板結的現象成為黃淮海平原農田普遍存在的問題,土壤退化跡象愈加嚴重,亟需在該地區開展土壤改良,實現農業土壤可持續發展[9].同時,因養殖業的快速發展而產生的畜禽糞污雖然經過厭氧消化處理但仍需結合大田作物種植進行有效利用.然而,目前對黃淮海平原農田開展的沼渣沼液混施的試驗相對較少,特別是沼肥還田中沼渣沼液配施的比例難以確定.因此,本研究以黃淮海平原潮土為主要研究對象,測定不同沼渣沼液混施比例下團聚體的組成及結合有機碳變化情況,以期在消納沼氣工程殘余物、減輕環境壓力的同時,改善土壤結構、提高土壤肥力,為該地區沼渣沼液有效利用和農業健康發展提供科學依據.

1 材料與方法、

1.1 研究區概況

本研究依托牧原食品股份有限公司豫東區域種養結合循環農業科技示范基地沼液還田長期定位試驗平臺進行.試驗地位于河南省周口市扶溝縣固城鄉古北村（114°32′E,34°94′N）,該地區屬于暖溫帶大陸性氣候,四季分明、冬寒夏熱,歷年平均氣溫為14.4 ℃,年均降水量為611.4 mm,無霜期為225 d.土壤類型為潮土,其基本理化性質為：pH 7.56,電導度256.00 μS/cm,全氮0.33 g/kg,堿解氮13.12 mg/kg,有機碳8.06 g/kg,速效磷7.25 mg/kg,有效鉀136.00 mg/kg.供試沼渣、沼液全部來自于扶溝牧原農牧有限公司生豬養殖場.該生豬養殖場將生豬養殖糞便、尿液以及豬舍沖洗用水通過厭氧發酵進行集中處理,其中沼渣含有機碳量為315 g/kg,沼液含有機碳量為1.8 g/L.

1.2 試驗設計

本試驗于2021 年11 月開始,在等碳量條件下進行不同比例的沼渣與沼液混施盆栽實驗,共設置六個處理,分別為：①CK,空白對照處理,不施用沼渣與沼液；②60%沼渣與40%沼液配施；③70%沼渣與30%沼液配施；④80%沼渣與20%沼液配施；⑤90%沼渣與10%沼液配施；⑥100%沼渣施用.每個處理設置3 個重復,每個重復盆栽土壤質量為15 kg.施用沼渣處理需要將土壤與沼渣充分混勻；施用沼液處理需要分2～3 次進行沼液灌施.為了保證全過程各處理灌水量一致,根據配施沼液處理的液體體積,在相同時間對其余處理進行清水補灌.各處理沼液沼渣具體施用量見表1,隨后在自然環境下進行6 個月的培養.為避免植物生長和根系分泌物對土壤結構的影響,培養期間不種植任何植物,但是需要根據天氣條件對盆栽土壤進行適當水分補充,維持一定的土壤濕度.

表1 試驗處理設置及沼肥施用量Tab.1 Experimental treatment setting and the application amount of biogas digestate

1.3 樣品采集與測定

2022 年6 月對盆栽土壤進行采集,帶回實驗室自然風干并手動去除石礫等雜質,同時將大土塊按自然裂痕剝離,使其能通過10 mm 土壤篩.土樣在陰涼干燥處風干后儲存,以供團聚體分級備用.

土壤水穩性團聚體分離采用濕篩法,其步驟如下：稱取50 g 風干土樣置于土壤團聚體分析儀（TF-100 型,浙江舜龍）套篩頂層,套篩篩孔尺寸分別為2.000 mm、0.250 mm 和0.053 mm,加入去離子水至浸沒待測土樣,浸泡10 min 后開啟設備進行振蕩,頻率設定為30 次/min,振蕩幅度為5 cm,振蕩時間為5 min.篩分結束后將留在土篩上的組分依次分別轉移至已稱質量的鋁盒中,得到＞2.000 mm、0.250～2.000 mm、0.053～0.249 mm、＜0.053 mm 四個粒徑土壤團聚體組分.然后利用烘箱（溫度設置為60 ℃）將土樣烘干至恒質量,稱質量.采用重鉻酸鉀外加熱法測定各粒級團聚體結合有機碳含量[13].

1.4 數據處理與統計分析

土壤團聚體結合總有機碳含量為各粒級團聚體結合含有機碳量與該粒級團聚體質量組成比例乘積之和.

各粒徑團聚體結合有機碳貢獻率,其公式為

試驗數據在SPSS 25.0 軟件計算分析,采用單因素方差分析（One-way ANOVA）進行測定指標差異顯著性檢驗,并利用最小顯著極差法（LSD）進行多重比較,顯著性水平設置為0.05.在Microsoft Excel 2021 上進行繪圖.

2 結果與分析

2.1 沼渣沼液混施對水穩性團聚體質量組成比例的影響

不同比例沼渣沼液混施處理對土壤水穩性團聚體質量組成的影響見表2.

表2 不同沼渣沼液配施處理下土壤水穩性團聚體質量組成Tab.2 Mass proportion of water-stable aggregates in response to biogas residue and biogas slurry combined application %

由表2 可知,沼渣沼液混施對水穩性團聚體質量組成比例產生顯著影響（P＜0.05）.團聚體主要集中在0.250～2.000 mm 和0.053～0.249 mm 的粒徑范圍,＞2.000 mm 粒徑水穩性團聚體質量占比最低,僅為1.4%～10.2%.與CK 相比,施用沼肥可以顯著提高≥0.250 mm 各粒徑大團聚體質量組成比例,其中以90%沼渣與10%沼液混施處理最為顯著（P＜0.05）,＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm 粒徑團聚體質量組成比例較CK 分別提升628.17%和130.24%.同時,各沼肥混施處理均顯著降低＜0.250 mm 各粒徑微團聚體組成比例,同樣以90%沼渣與10%沼液混施處理最為顯著（P＜0.05）,0.053～0.249 mm 和＜0.053 mm 粒徑水穩性團聚體質量組成比例最低,較CK 分別降低38.37%和75.54%.各沼肥混施處理均有利于＞0.250 mm 粒徑水穩性大團聚體的形成,與CK 相比,各處理WR0.25 值顯著提高,其中以90%沼渣處理的數值最高,為57.40%.

2.2 沼渣沼液配施對水穩性團聚體結合有機碳的影響

不同比例沼渣沼液混施處理對各粒徑水穩性團聚體結合有機碳含量的影響見表3.

表3 不同沼渣沼液配施處理下各粒徑水穩性團聚體結合含有機碳量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,土壤團聚體結合有機碳含量隨著團聚體粒徑的增加呈現先降低后增加的趨勢.其中0.250～2.000 mm 粒徑水穩性團聚體結合有機碳含量最高,其次為＞2.000 mm 和＜0.053 mm 粒徑,0.053～0.249 mm 粒徑水穩性團聚體結合有機碳含量最低.各沼肥施用處理較CK 均能增加＜0.053 mm粒徑水穩性團聚體結合有機碳含量,其中80%沼渣處理增加幅度最大（P＜0.05）.然而,各沼肥施用處理均降低＞2.000 mm 和0.053～0.249 mm 粒徑水穩性團聚體結合有機碳含量.對于0.250～2.000 mm 粒徑水穩性團聚體結合有機碳含量,各沼肥施用處理與CK 處理之間無顯著差異（P＞0.05）,且隨沼渣施用比例的增加而表現為降低的趨勢.其中100%沼渣處理下＞2.000 mm、0.250～2.000 mm 和0.053～0.249 mm 粒徑水穩性團聚體結合有機碳含量降低幅度最為顯著（P＜0.05）,分別下降了103.63%,10.87%和70.09%.

不同沼液沼渣混施處理對土壤團聚體結合總有機碳含量的影響見圖1.

圖1 不同沼液沼渣配施處理下結合含總有機碳量Fig.1 Total organic carbon content within water-stable aggregates in response to different biogas slurry and biogas residue combined application

由圖1 可知,沼渣沼液混施對水穩性團聚體結合總有機碳含量產生顯著影響（P＜0.05）,整體上表現為隨著沼渣施用量的增加先升高后降低的趨勢.其中80%沼渣與20%沼液混施處理下的團聚體結合總有機碳含量最高,其次為70%沼渣與30%沼液混施處理,并均顯著高于CK,團聚體結合含有機碳量分別為16.50 g/kg 和15.81 g/kg.然而80%沼渣與20%沼液混施處理與60%和70%以及90%沼渣處理間團聚體結合有機碳含量無顯著差異（P＞0.05）.100%沼渣處理與CK 之間團聚體結合有機碳含量無顯著差異,但是低于CK 處理.

不同沼液沼渣混施處理下對各粒徑水穩性團聚體結合有機碳貢獻率的影響見圖2.

圖2 不同沼液沼渣混施處理下水穩性團聚體結合有機碳貢獻率Fig.2 The contribution rate of organic carbon within aggregates in response tobiogas slurry and biogas residue combined application

由圖2 可知,沼渣沼液混施顯著改變了各粒徑水穩性團聚體結合有機碳的貢獻率（P＜0.05）.其中＞2.000 mm 粒徑團聚體結合有機碳貢獻率最低,僅為3.02%～14.02%；其次為＜0.053 mm,為8.85%～22.99%；0.250～2.000 mm 粒徑團聚體對土壤有機碳的貢獻率最高,高達30.96%～62.04%.各處理對＜0.053 mm 粒徑團聚體結合有機碳貢獻率無顯著差異（P＞0.05）.然而與CK 相比,各沼肥施用處理均提高了＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm 粒徑團聚體結合有機碳貢獻率,但是降低了0.053～0.249 mm 和＜0.053 mm粒徑團聚體結合有機碳貢獻率.其中以90%沼渣處理0.250～2.000 mm 較CK 提高了31.08%.因此,90%沼渣處理對大團聚體中土壤有機碳的貢獻率的提高效果更佳.

3 討論

3.1 沼渣沼液混施對土壤團聚體粒徑分布的影響

土壤團聚體作為評價土壤結構的重要指標,一般可根據粒徑大小分為≥0.250 mm 粒徑的大團聚體和＜0.250 mm 粒徑的微團聚體.土壤礦質顆粒與膠結物質結合先形成微團聚體,再聚合成大團聚體；或者已形成的大團聚體,經過擠壓和崩解過程形成微團聚體[14].土壤團聚體通過調節土壤水、肥、氣、熱條件,使土壤維持平衡狀態,進而影響土壤肥力.目前多采用濕篩法對團聚體的數量、大小、穩定性進行測定[15].喬丹丹等[16]研究發現有機物料的有機質含量較高,可以作為微生物生長所需的基質,增加微生物數量,提高微生物活性,促進土壤顆粒膠結,從而促進土壤水穩性團聚體的形成.本研究發現,在碳投入量相同的情況下,隨著沼渣施用比例的提高,≥0.250 mm 粒徑水穩性大團聚體數量呈現逐漸增加的趨勢,然而＜0.250 mm粒徑微團聚體呈現逐漸減少的趨勢,均以90%沼渣與10%沼液混施處理最為明顯.這表明沼渣沼液混施能夠改變土壤水穩性團聚體的分布情況,促進水穩性微團聚體向大團聚體轉變,提高土壤結構的穩定性.其原因可能是隨著沼渣施用比例的增加,提高了土壤有機物料的投入,補充了土壤有機碳,為土壤大團聚體形成提供所需的膠結物質,這與王站付等[17]在施用沼渣肥料對土壤環境的影響研究中發現沼渣肥料堆肥產品具有使土壤小團聚體向大團聚體轉變的趨勢的研究結果基本一致.

土壤有機碳與團聚體關系密切,提高有機碳含量可以促進土壤結構改善和提高團聚體穩定性.Yu等[18]研究發現施用有機肥可以促進有機肥中的有機物質與礦質顆粒膠結,增加大團聚體數量,提高團聚體的水穩性結構,這與本試驗中不同沼液沼渣混施比例對團聚體的影響得到的結論基本一致.但是本研究中100%沼渣處理數值較90%沼渣與10%沼液混施處理下降39.12%,其原因可能是100%沼渣處理中無沼液添加,而沼液具有流動性,能增加與土壤顆粒的接觸面積,促進土壤大團聚體的形成,且沼液中的陽離子也能夠充當黏合劑的作用,增加土壤結構的穩定性[9].因此90%沼渣與10%沼液混施能最大程度地促進大粒徑團聚體的形成,提高團聚體穩定性.

3.2 沼渣沼液混施對團聚體結合有機碳的影響

施用有機肥可以為作物和微生物提供大量的營養物質,促進作物的地上部和地下部根系的生長繁殖,增加根系分泌物及有機殘體數量,使微生物和作物產生較大分子的多糖和分泌物,從而促進土壤團聚體的形成[19].同時,土壤有機碳作為衡量土壤肥力的關鍵指標,可促進土壤養分循環,增強養分有效性,其含量的增加有利于大團聚體的形成并提高團聚體穩定性[20].本研究中團聚體結合有機碳含量主要集中在＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm 粒徑,這與Oades 等[21]在研究中發現土壤團聚體層級結構中大團聚體是較低層次的團聚體加上有機物等膠結物質形成的,所以土壤有機碳含量會隨著團聚體粒徑的增大而增加.但＜0.053 mm 粒徑團聚體結合有機碳含量大于0.053～0.249 mm 粒徑,說明小粒級團聚體具備固存更多碳素的能力[22].

施用沼肥可以提高土壤總有機碳含量.陳源泉[23]在不同有機物料添加對華北地區麥玉輪作土壤有機碳的研究中發現施用沼渣的土壤總有機碳（TOC）含量顯著高于其他有機物料處理.吳新德[24]在施用沼肥對土壤肥力的研究中發現施用沼渣處理的土壤有機質含量比化肥處理高.郝近羽等[25]在不同有機物料還田的研究中發現施用沼渣處理比化肥和秸稈還田處理土壤有機碳含量分別提高119.52%和9.43%.本研究發現,土壤團聚體結合總有機碳含量隨沼渣添加量的增加呈現先增加后降低的趨勢,這與秦乃群等[26]的研究結果不同,可能是由于地理位置、耕作模式、管理方法、施肥措施以及水穩性團聚體的篩分方法等的差異而造成的.

團聚體結合有機碳貢獻率受各粒徑團聚體質量組成比例及其結合有機碳含量影響[9].韓明釗[27]等在有機物添加對黑土團聚體穩定性和有機碳的研究中發現添加不同類型有機物料均增加了≥0.250 mm粒徑水穩性團聚體的貢獻率.本研究發現,不同處理均顯著提升有機碳在＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm粒徑水穩性團聚體中的貢獻率,降低其在0.053～0.249 mm 和＜0.053 mm 粒徑水穩性團聚體中的貢獻率,說明施用沼肥特別是沼渣沼液混施,有效地提升了土壤有機質含量,從而促進了水穩性大團聚體的形成,其中以90%沼渣與10%沼液混施處理最為明顯.這與李文軍等[28]在施肥對土壤團聚體特征及有機碳分布的影響研究中水穩性大團聚體是土壤有機碳的主要儲存場所,并且施用有機肥增加大粒徑團聚體對土壤有機碳的貢獻率的結論相似.

本研究以盆栽的形式進行,周期較短,受自然環境影響較小,與大田情況有一定的差異.此外,土壤團聚體對沼肥的響應還與還田時間密切相關.因此,還需通過長期大田定位試驗進一步驗證和揭示沼渣沼液混施還田對土壤團聚體及結合有機碳的影響,為該地區選擇科學合理的沼肥還田量提供更有力的實踐依據和為農業健康發展奠定堅實基礎.

4 結論

（1）各沼渣沼液混施處理均顯著增加了大團聚體質量組成比例,其中以90%沼渣與10%沼液混施處理提升效果最為明顯,團聚體穩定性最高.

（2）各沼渣沼液混施處理均顯著增加了外源有機碳投入,提高了各粒徑水穩性團聚體結合有機碳含量,以＞2.000 mm 粒徑團聚體結合有機碳含量為最高.團聚體結合總有機碳含量隨沼渣施用比例的增加呈現先升高后降低的趨勢,以80%沼渣與20%沼液混施處理含量最高.

（3）各施肥處理顯著增加≥0.250 mm 各粒徑團聚體結合有機碳貢獻率,降低＜0.250 mm 各粒徑團聚體結合有機碳的貢獻率,其中90%沼渣與10%沼液混施處理變化幅度最為明顯,能夠通過平衡各粒徑團聚體結合有機碳貢獻率促進土壤有機碳的維持和養分的釋放.

綜上所述,施用沼肥時以80%～90%比例的沼渣還田并配施一定量的沼液可以有效改善土壤結構,加強土壤養分含量,促進有機碳的固持.