猪粪配施化肥对侵蚀林地土壤团聚体及其有机碳分布的影响

郭力铭，陈宇琳，周碧青，吴凤英，毛艳玲,3 *

（1. 福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002；2. 土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室，福建 福州 350002；3. 自然生物资源保育利用福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

0 引言

【研究意义】我国是世界上水土流失情况较为严重的国家之一，其中，南方红壤丘陵区水土流失情况更为严重，仅次于黄土高原区域。福建省依山傍海，林地广袤，耕地稀少，是南方红壤丘陵区的代表地区。受高温多雨的亚热带气候和近年来人为因素的影响，该地区的崩岗等土壤侵蚀情况比较严重[1]，林地土壤结构遭到严重破坏，土壤质量下降。最明显的表现之一就是该地区的土壤中团聚体及有机碳数量的减少。土壤团聚体是土壤质量的物质基础，是土壤结构的基本单元，其稳定性对土壤的结构性质、质量及养分供给起决定性作用[2]，是综合反映土壤肥力的重要参考依据。土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）是反映土壤肥力的重要指标，也是土壤团聚体形成过程中的重要胶结物质。有机碳不仅能够有效提升土壤肥力，还会影响土壤中的团聚体结构。土壤团聚体被破坏会导致土壤持水性、通气性及保肥能力下降，耕地质量恶化。因此，研究土壤团聚体及有机碳的分布及影响其稳定性的因素，对改良土壤结构，提高土壤肥力，增加土壤团聚体数量具有重要意义。【前人研究进展】畜禽粪便是农业生产中有机肥的重要来源之一，其富含作物生长所需的多种营养元素，获取较为便捷。施用到土壤中不仅能够增加土壤肥力，改良土壤性状，增加土壤微生物活性，还能改善土壤团聚体结构。但如果施用过量，也会给农田生态系统造成一定的负面影响，比如重金属污染[3]。目前，国内外已有大量研究表明，施用有机肥能够有效提升土壤团聚体稳定性。徐虎等[4]研究发现，施用有机肥能够显著提高土壤中有机碳和全氮的含量，且增长量与有机物料施用量呈正相关趋势。王超等[5]研究发现，施用鸡粪可以有效提高砖红壤中团聚体的机械稳定性；邸佳颖等[6]研究发现，有机肥配施化肥能够提高水稻土中大团聚体的稳定性，并增加土壤有机碳的固持能力。但也有研究表明，施用有机肥后，土壤中力稳性大团聚体的含量及稳定性有所下降[7]。由此可见，尽管关于施用有机肥对土壤团聚体稳定性影响的研究很多，但并没有一致的结论，要根据不同土壤情况进行针对性的研究[8]。【本研究切入点】猪粪中含有丰富的有机质和微生物，但施用量不合理，也有可能对土壤造成负面影响，适得其反。目前，利用猪粪配施化肥改良土壤的研究大多针对耕地土壤[9]，而针对侵蚀林地土壤的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以南方侵蚀林地土壤为研究对象，施用化肥与猪粪，研究不同施用量下土壤团聚体结构及相关指标的变化，以期阐明施用猪粪对土壤团聚体结构及其稳定性的影响状况，为畜禽粪便的合理施用及田间消纳提供理论依据，为侵蚀林地土壤结构改良及水土保持提供一定的思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤于2018年10月采自福建省三明市清流县灵地镇（北纬25°50′42″，东经116°47′50″），属亚热带季风性气候。该地区平均海拔为350 m，为低山丘陵地貌。年平均气温为18.2 ℃，最高气温可达38.8 ℃。夏季高温多雨，降雨主要集中在5～6月，年平均降水量达1 853.5 mm，年平均日照时数1 583.4 h。该地区土壤为亚热带红壤，是由花岗岩类经风化和淋洗作用后形成的残坡积物发育而成的，具有较高的可蚀性。2008年人工将马尾松林皆伐后，改种罗汉松（Podocarpus macrophyllus）、竹柏（Podocarpus nagi）等。供试土壤采自罗汉松林下表层（0～20 cm）土壤，自然风干土样后，将石块、沙砾及动植物残体等杂物去除，粉碎过2 mm筛备用，其基本理化性质如下：pH5.43，土壤容重1.21 g·kg−1，有机质4.39 g·kg−1，全氮0.58 g·kg−1，全磷0.26 g·kg−1，全钾8.13 g·kg−1，碱 解氮24.58 mg·kg−1，速 效磷6.41 mg·kg−1，速效钾81.54 mg·kg−1。

1.2 试验设计

试验为盆栽试验，在福建农林大学校内进行。盆钵直径为 25 cm、高 35 cm，每盆装入7 kg土，种植2棵两年生竹柏。试验设5个处理：①对照（CK）；②化肥（F）；③化肥+低量猪粪（LFM）；④化肥+中量猪粪（MFM）；⑤化肥+高量猪粪（HFM），每个处理 设3次重复；化肥施 用 量F为500 kg·hm−2，采用环施法施肥；猪粪施用量由低到高分别为7.5、15、30 t·hm−2。试验所用化肥m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶15∶15，所用猪粪经堆肥发酵处理，有 机 质 含 量 为377.31 g·kg−1，全 氮23.01 g·kg−1，全磷30.11 g·kg−1，全 钾2.82 g·kg−1，pH 6.6，价 格为2元·kg−1。

1.3 土壤样品采集及分析

竹柏种植7个月后收获，用尺子和游标卡尺分别测量株高、地径。收获后，每盆采用四分法取原状土1 kg，将原状土分为两份，其中一份风干后用于测定土壤理化性质，另一份使其自然风干，当土壤含水量达到土壤塑限值（含水量22%～25%）时，沿土壤自然裂隙将其分成直径1 cm左右的小块[10]，继续风干，供团聚体分析测试使用。采用干筛法[11−13]测定土壤非水稳性团聚体组成，将其分成＞2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm、＜0.25 mm等5个级别的团聚体样品，通过称重计算出各粒级团聚体样品在风干总土样质量中所占比例；采用湿筛法[14]测定土壤水稳性团聚体组成。磨细烘干的团聚体土样过0.149 mm筛，采用碳氮元素分析仪（德国Elemem tar）测定土壤碳氮。土壤总有机碳采用碳氮元素分析仪（德国Elemem tar）测定。

1.4 数据处理与分析

试验数 据 采 用M icrosoft Excel 2013和SPSS 20.0软件进行整理分析，采用Ducan法比较不同处理间各种指标之间的差异。利用各粒级团聚体质量数据，计算团聚体平均质量直径、几何平均直径和团聚体破坏率，公式如下[8,15]：

式中，MWD为团聚体平均重量直径，mm；为某粒径团聚体平均直径，mm；wi为某粒径团聚体的质量分数，%；GMD为团聚体几何平均直径，mm；WA0.25为＞0.25 mm水稳定性团聚体比例，%；DA0.25为＞0.25 mm非水稳性团聚体比例，%；PAD为土壤的团聚体破坏率，%；W0.25为＜0.25 mm水稳定性团聚体比例，%。

2 结果与分析

2.1 施用猪粪对竹柏生长状况的影响

施用猪粪对竹柏生长状况的影响如图1所示。与单施化肥相比，施用猪粪后，竹柏的株高和地径增长效果更好，增长量均表现为化肥+中量猪粪＞化肥+高量猪粪＞化肥+低量猪粪＞单施化肥＞对照。其中，化肥+中量猪粪效果最佳，株高增长量是单施化肥的1.75倍，地径增长量是单施化肥的2.08倍，差异显著（P＜0.05），说明施用猪粪能够有效促进竹柏株高和地径的增加，且效果优于单施化肥。

图1 施用猪粪对竹柏生长状况的影响Fig. 1 Effect of pig manure app lication on p lant grow th

2.2 施用猪粪对土壤团聚体分布的影响

施用猪粪对土壤中非水稳性团聚体的分布状况如图2所示。在供试土壤中，非水稳性团聚体以＞2 mm为主，占比为32.18%。在单施化肥处理中，各粒级非水稳性团聚体含量与对照基本一致，二者没有显著差异（P＜0.05）。研究发现，在施用猪粪后，土壤中＞2 mm的非水稳性团聚体增加，增幅表现为化肥+高量猪粪＞化肥+中量猪粪＞化肥+低量猪粪＞化肥＞对照，其中化肥+高量猪粪在＞2 mm粒 级的含量占比高达62.48%，增幅为30.3%；化肥+中量猪粪在＞2 mm粒级的含量增长了22.91%，说明施用猪粪能使土壤中非水稳性大团聚体含量显著增加（P＜0.05）。与对照相比，施用猪粪后，＜2 mm粒级的非水稳性团聚体数量有所下降，其中，＜0.25 mm的团聚体含量随着猪粪施用量的增加呈下降趋势，表现为化肥+高量猪粪＜化肥+中量猪粪＜化肥+低量猪粪＜化肥，说明施用猪粪能够促进红壤中非水稳性微团聚体向大团聚体转变。

图2 施用猪粪对土壤中非水稳性团聚体分布的影响Fig. 2 Effect of pig m anure app lication on distribution of non-water-stable aggregates in soil

施用猪粪后土壤中水稳性团聚体的分布情况如图3所示。研究表明，供试土壤中水稳性团聚体以＜0.25 mm粒级为主，占比为42.48%～63.04%。施用猪粪后，＞2 mm的水稳性团聚体增加，而＜0.5 mm团聚体数量减少。其中＞2 mm的增幅表现为化肥+中量猪粪＞化肥+高量猪粪＞化肥+低量猪粪＞化肥＞对照。化肥+低量猪粪中水稳性团聚体在＜0.25 mm粒级占比为54.24%；＞2 mm的水稳性团聚体含量相比对照显著增加，增幅为8.12%。化肥+高量猪粪在＞0.5 mm的粒级中，水稳性团聚体含量均有所增长，其中＞2 mm粒级增长显著（P＜0.05），增幅为16.8%，而在＜0.25 mm粒级中的含量低于对照，降幅为15.48%。相比于单施化肥，化肥+中量猪粪在＞2 mm粒级的水稳性团聚体含量增长显著（P＜0.05），增长了21.62%，而＜0.25 mm的含量则显著减少（P＜0.05），降低了11.64%。说明施用猪粪可促进土壤中水稳性微团聚体向大团聚体转化，效果优于单施化肥，其中中量施用猪粪对红壤中水稳性微团聚体向大团聚体转化有显著的促进作用。

图3 施用猪粪对土壤中水稳性团聚体分布的影响Fig. 3 Effect of pig manure app lication on distribution of water-stable aggregates in soil

2.3 施用猪粪对土壤团聚体稳定性的影响

团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是反映土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD和GMD值越大表示团聚体平均直径团聚度越高，稳定性越强[16]。由表1可知，施用猪粪和化肥后，非水稳性团聚体的平均重量直径（MWD）均呈增长趋势，且配施猪粪的效果好于单施化肥。其中，化肥+中量猪粪与化肥+高量猪粪分别增长48.28%和59.05%。GMD值随猪粪施用量增加而增加，且配施猪粪效果好于单施化肥，增加效果表现为化肥+高量猪粪＞化肥+中量猪粪＞化肥+低量猪粪＞化肥，其中化肥+高量猪粪的GMD值最高，相比对照增长了近一倍。

表1 施用猪粪对土壤非水稳性团聚体稳定性的影响Table 1 Effect of pig m anure app lication on stability of non-water-stable aggregates in soil （单位：mm)

由表2可知，与对照相比，施用猪粪及化肥后，红壤中水稳性团聚体的平均重量直径均有所增长，增幅表现为化肥+低量猪粪＜化肥+高量猪粪＜化肥+中量猪粪，分别增长75%、109.09%和129.55%。单施化肥也能够使水稳性团聚体MWD值增加，但与配施猪粪的处理相比，效果略差。表明施用猪粪可显著提高红壤中水稳性团聚体的稳定性（P＜0.05）。几何平均直径随猪粪施用量增加呈增长趋势，增幅表现为化肥+中量猪粪＞化肥+高量猪粪＞化肥+低量猪粪＞单施化肥＞对照，其中化肥+中量猪粪的GMD值最大，相比对照增加了152.17%。由此可见，施用中量猪粪对水稳性团聚体稳定性的增加效果最佳。

表2 猪粪对土壤水稳性团聚体稳定性的影响Table 2 Effect of pig manure app lication on stability of water-stable aggregates in soil （单位：mm)

由图4可知，施用猪粪能有效降低土壤团聚体破坏率。与对照相比，单施化肥对土壤中团聚体的破坏性并无显著影响（P＞0.05）。施用猪粪后，团聚体PAD值显著下降，其降幅表现为化肥+低量猪粪＜化肥+高量猪粪＜化肥+中量猪粪，其中化肥+中量猪粪的PAD值最低，降幅为19.10%。说明施用猪粪能够显著降低红壤中团聚体的破坏率（P＜0.05），增加团聚体稳定性，但降幅与猪粪施用量有密切联系，当猪粪施用量超过一定量时，降低反而有所减弱，因此适量配施猪粪效果更佳。

图4 施用猪粪后红壤中团聚体破坏率Fig. 4 PAD of red soil after app lication of pig m anure

2.4 施用猪粪对水稳性团聚体有机碳分布的影响

红壤中各粒级团聚体有机碳含量随着猪粪施用量的不同，呈现出不同的变化趋势。如表3所示，在施用猪粪及化肥后，供试土壤中总有机碳量均显著增加（P＜0.05），其表现为化肥+高量猪粪＞化肥+中量猪粪＞化肥+低量猪粪＞化肥＞对照。相比于单施化肥，化肥+低量猪粪、化肥+中量猪粪及化肥+高量猪粪的团聚体总有机碳的含量分别增长6.35%、21.83%和53.30%，说明施用猪粪可以显著提高红壤中有机碳的含量（P＜0.05），且配施猪粪效果优于单施化肥。在施用猪粪后，＞2 mm的水稳性团聚体有机碳含量均远高于单施化肥，0.5～2 mm的有机碳含量随猪粪施用量的增大而增大。由此可见，与单施化肥相比，配施猪粪更有利于土壤总有机碳的累积。在对照中，有机碳含量分布以＜0.25 mm团聚体为主，而在施用猪粪后，＞0.25 mm团聚体的有机碳含量显著上升（P＜0.05）。在＞2 mm粒级团聚体中，有机碳含量表现为化肥+低量猪粪＜化肥+中量猪粪＜化肥+高量猪粪，相比于单施化肥，有机碳含量分别增长了81.48%、177.78%和403.70%。由此可见，施用猪粪能使水稳性大团聚体的有机碳含量显著增加（P＜0.05），且随猪粪施用量增加而增加。而在＜0.25 mm粒径范围中，有机碳含量与猪粪施用量呈负相关趋势，化肥+低量猪粪、化肥+中量猪粪与化肥+高量猪粪分别降低了12.33%、22.73%和33.77%。说明高量施用猪粪能够显著提高土壤中有机碳含量及水稳性大团聚体的有机碳含量（P＜0.05），对微团聚体向大团聚体转化具有一定的促进作用，这与陆太伟等[17]的研究结果相一致。

表3 猪粪对水稳性团聚体有机碳含量的影响Table 3 Effect of pig manure on organic carbon content of water-stable aggregates （单位：g·kg−1）

3 讨论

本研究发现，侵蚀林地土壤的非水稳性团聚体分布以＞2 mm为主，且通过施用猪粪，该粒级的非水稳性团聚体含量有所提升，而水稳性团聚体的分布以＜0.25 mm为主，说明施用猪粪对土壤中非水稳性大团聚体的形成有促进作用。研究发现，与单施化肥相比，施用猪粪能显著提高团聚体稳定性，其中对＞2 mm的团聚体的分布影响最为显著，能有效促进微团聚体转化为大团聚体，这与龙攀等[18]和代红翠[19]的研究结果相一致。研究发现，中量施用猪粪对土壤水稳性大团聚体的促进效果最好，增幅为24.92%，高量施用猪粪相比中量施用处理，水稳性大团聚体数量减少，说明适量施用猪粪使土壤中微团聚体粒径增加，对微团聚体向大团聚体转化有显著促进作用，但过量施用反而会抑制大团聚体的形成[20]。

团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是反映土壤团聚体大小分布状况的重要指标，其值越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强[21]。石纹碹等[22]研究发现，施用猪粪有机肥可显著增加潮土水稳性大团聚体粒径。本研究发现，相比于单施化肥，施用猪粪后，水稳性团聚体的平均重量直径均显著增加（P＜0.05），其中中量施用猪粪后，团聚体MWD值最大，此时土壤团聚体水稳性最强，而单施化肥的水稳性团聚体MWD值涨幅不明显。同样，施用猪粪后，非水稳性团聚体的GMD值均显著增加（P＜0.05），且作用效果优于单施化肥。这可能是因为猪粪中富含大量微生物，当猪粪施入土壤中后，土壤中的微生物活性和生物量增加，改善了微生物群落结构，产生了促进团聚体形成的分泌物，增加团聚体胶结物质，增强了土壤颗粒间的黏结作用，从而增加土壤团聚体的稳定性[23−25]。高量施用猪粪相比于中量施用，团聚体稳定性有所降低，这说明过量施用猪粪对团聚体稳定性有一定的抑制效果。

研究发现，施用猪粪可显著降低土壤团聚体的破坏率，增加团聚体稳定性，对土壤团聚体起到一定的保护作用，其中中量施用猪粪降低效果最佳。分析其原因可能为原土中有机质含量偏低，而猪粪中含有大量有机质及微生物，在施用猪粪后，土壤中团聚体形成时所需的胶结物质含量增加，土壤团聚体胶结能力增强，导致水稳性团聚体含量显著增加，从而对团聚体产生了保护机制，有效降低了团聚体破坏率，提高了团聚体稳定性，这与高焕平等[26]的研究结果一致。此外，猪粪的适量施用使土壤中水稳性大团聚体的数量增加，增强了团聚体稳定性，这可能是导致PAD值减小的因素之一。

施用有机肥是提高土壤中有机碳含量的重要手段之一。本研究发现，高量施用猪粪能够显著提高土壤中总有机碳量和各粒径团聚体有机碳含量，有效促进了土壤团聚体结构形成并提高了其稳定性，这与多位学者的研究结果一致[27−28]。研究发现有机碳分布主要在＞0.25 mm粒级，表明土壤中大团聚体对有机碳的富集能力强于微团聚体。施用高量猪粪后，土壤中微生物数量和活性增加，能够促进有机碳的分解和矿化以及作物生长，导致作物根系分泌物增加，增强团聚体胶结作用，同时作物残留物回归土壤中，也能增加有机碳的含量，对侵蚀林地土壤修复有一定作用。