梯度堆肥添加對黑土理化性質的影響

劉 昆， 徐嘉萍， 于天聰， 李婷玉， 韓成龍， 楊 巍*

(1.東北農業大學資源與環境學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.東北農業大學農學院，黑龍江哈爾濱 150030)

?

梯度堆肥添加對黑土理化性質的影響

劉 昆1， 徐嘉萍1， 于天聰2， 李婷玉1， 韓成龍1， 楊 巍1*

(1.東北農業大學資源與環境學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.東北農業大學農學院，黑龍江哈爾濱 150030)

[目的]揭示梯度堆肥添加對黑土理化性質的影響。[方法]以黑農35作為供試大豆品種，采用完全隨機區組設計，共設4個處理，分別為堆肥添加量1.5、3.0、6.0 kg/m2,以不添加堆肥作為對照，研究不同堆肥添加量對土壤含水量、pH、總氮(TN)、總磷(TP)、有機質、速效磷、速效鉀含量以及大豆產量的影響。[結果]大豆的不同生長發育期及梯度堆肥添加均可提高土壤有機質、TN、TP、速效磷和速效鉀的含量以及大豆產量。其中，1.5和3.0 kg/m2的堆肥投入量對有機質、TN、TP、速效磷、速效鉀含量較對照均有一定的提升，但并未達到顯著水平，而堆肥投入量為6.0 kg/m2時，對土壤理化性質的改善最為顯著。[結論]松嫩平原大豆生產中推薦堆肥添加量為6.0 kg/m2。

堆肥；大豆；土壤理化性質

當前，由于人類大規模的農業活動和對土壤資源的過度利用，土壤退化問題在全球范圍內日益嚴峻。我國是受土壤退化影響最為嚴重的國家之一，全國土壤退化總面積達460 km2，占我國土地總面積的40%[1]。土壤退化導致的土壤理化性質惡化、土壤肥力衰竭、土壤物理結構破壞和農產品品質下降等一系列生態問題，已成為影響農業可持續發展及生態環境質量的重要問題[2-3]。另一方面，隨著畜禽養殖規?；图s化農業生產的發展，出現大量畜禽糞便和農作物秸稈等有機固體廢棄物的堆積和不合理利用現象[4-5]。因此，科學合理地利用有機固體廢棄物已經成為畜牧業和農業持續發展中面臨的重要問題之一[6-7]。

實踐證明，有機廢棄物的高溫堆肥化處理不僅使有機廢棄物無害化和資源化，同時也是修復退化土壤的有效途徑。堆肥是利用微生物將有機廢棄物(如農作物秸桿和畜禽糞便)轉化為可溶性養分和腐殖質的生物學過程[8]。與傳統的有機肥相比，堆肥更穩定，緩釋性更強，肥料利用率更高[9]。因此，合理的堆肥施用對于維持和提高土壤肥力和生產力、改良退化土壤及實現農業生產的可持續發展具有重要的理論意義和實際價值。因此，筆者在黑龍江省哈爾濱市向陽農場建立了“松嫩平原大豆農田生態系統對堆肥添加的響應與反饋作用” 長期定位研究平臺，探討梯度堆肥添加對黑土理化性質的影響，以期為大豆農田生態系統合理有效施用堆肥提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料供試大豆品種為黑農35，播種密度為50 株/m2。

1.2試驗設計該定位試驗于2005年5月在東北農業大學向陽試驗站進行。試驗設計為完全隨機區組設計，4個處理，包括堆肥添加量分別為1.5 kg/m2(F1)，3.0 kg/m2(F2)和6.0 kg/m2(F3)，同時以不添加堆肥為對照(CK)，每處理4次重復。每小區面積為3 m × 3 m，各小區之間相隔 1 m 作為緩沖帶(圖1)，緩沖帶不施肥。施肥于2015年4月底播種前進行。

1.3樣品采集與處理2015年6～8月分別進行了3次樣品采集。在每處理小區內隨機采集5份土壤樣品并混合為1份樣品。將樣品保存于冰盒內，帶回實驗室進行樣品處理。新鮮土壤樣品立刻進行土壤含水量測定。其余土壤樣品置于通風陰涼處風干，風干后的土壤樣品一部分通過1.00 mm篩，用于土壤pH、速效磷、速效鉀含量的測定；另一部分土壤樣品通過0.25 mm篩，用于土壤有機質、總氮(TN)、總磷(TP)含量的測定。

1.4測定項目與方法2015年7～9月分別采集試驗地各試驗小區的土壤樣品，采用烘干法測定土壤含水量，采用電位測定法測定土壤pH，采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質含量，采用半微量開氏法測定TN含量，采用高氯酸-硫酸法測定TP含量，采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提法測定速效磷含量，采用1 mol/L乙酸銨浸提法-火焰光度法測定速效鉀含量。

注：2、5、12、15 為CK，1、6、11、16 為 F1 處理(1.5 kg/m2堆肥)， 3、 8、10、13 為 F2 處理(3.0 kg/m2堆肥)，4、7、9、14 為 F3 處理(6.0 kg/m2堆肥)。Note：2, 5, 12 and 15 were CK; 1, 6, 11 and 16 were F1 treatment(1.5 kg/m2 compost); 3, 8, 10 and 13 were F2 treatment(3.0 kg/m2 compost); 4, 7, 9 and 14 were F3 treatment(6.0 kg/m2 compost).圖1　各試驗處理的小區設計Fig.1　Plot design of each test treatment

1.5數據處理與分析利用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗堆肥添加、大豆生長發育期和二者交互作用對土壤含水量、pH、有機質、TN、TP、速效磷和速效鉀含量的影響。雙因素方差分析前，所有數據均進行了方差齊性檢驗。雙因素方差分析后，采用Tukey’s HSD方法比較不同處理之間的差異。以上所有數據分析在SPSS 20.0中完成。

2　結果與分析

2.1堆肥添加對土壤含水量與pH的影響雙因素方差分析結果顯示，施用堆肥和不同生長發育期顯著影響土壤含水量(表1)。從圖2可見，在苗期，F3處理的土壤含水量最高，且顯著高于CK和F1處理；在開花期和成熟期，4個處理之間的土壤含水量差異不顯著。

施用堆肥對土壤pH的影響極為顯著，但是不同生長期及二者的交互作用對土壤pH并無顯著影響(表1)。從圖3可見，在苗期，F3處理的土壤pH最高，且顯著高于CK；在成熟期，F3、F2處理的土壤pH均顯著高于CK；在開花期，4個處理之間的土壤pH差異不顯著。

2.2堆肥添加對土壤化學性質的影響

2.2.1有機質含量。 雙因素方差分析結果表明，施用堆肥顯著影響土壤有機質、TN和TP含量(表1)，不同生長期顯著影響土壤有機質和TN含量，但是二者的交互作用對土壤有機質、TN和TP含量影響均不顯著。

表1　雙因素方差分析結果

注：不同柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖2　不同處理土壤含水量比較Fig.2　Comparison of soil moisture contents among treatments

注：不同柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖3　不同處理土壤pH比較Fig.3　Comparison of soil pH among treatments

從圖4可見，在苗期，與CK相比，F3處理顯著提高了有機質含量的151.76%；與F2相比，F3處理顯著提高了有機質含量的58.08%；與F1相比，F3處理顯著提高了有機質含量的86.05%。在成熟期，與CK相比，F3處理顯著提高了有機質含量的91.86%；與F2相比，F3處理顯著提高了有機質含量的39.72%；與F1相比，F3處理顯著提高了有機質含量的32.67%。而無論在苗期或成熟期，CK、F1、F2處理間差異不顯著。在花期，隨著施肥量的增加，土壤有機質含量也隨之顯著提高。

注：不同柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖4　不同處理土壤有機質含量比較Fig.4　Comparison of soil organic matter contents among treatments

2.2.2TN含量。從圖5可見，在苗期和花期，隨著施肥量的增加，土壤TN含量也隨之顯著提高，以F3處理的TN含量最高[苗期：(2.67 ± 0.34) g/kg，花期：(2.15 ± 0.23) g/kg]。在成熟期，F3處理的土壤有機質含量[(2.23±0.47) g/kg]分別顯著高出CK、F1、F2處理86.00%、47.03%和37.93%，而CK、F1、F2處理之間差異不顯著。

注：不同柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖5　不同處理土壤TN含量比較Fig.5　Comparison of total nitrogen contents among treatments

2.2.3TP含量。從圖6可見，土壤TP含量在不同的生長發育期表現出一致的趨勢。苗期、花期和成熟期，土壤TP含量均以F3處理最高，分別為(0.96±0.05)、(0.85±0.17)和(0.90±0.19 )g/kg。并且F3處理的土壤TP含量顯著高于CK(苗期：78.23%,花期：99.34%，成熟期：94.29%)、F1(苗期：74.62%，花期：58.76%,成熟期：60.15%)和F2處理(苗期：52.59%，花期：34.86%，成熟期：50.06%)，而CK、F1、F2處理之間差異不顯著。

注：不同柱上不同小寫字母表示在處理間在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖6　不同處理土壤TP含量比較Fig.6　Comparison of total phosphorus contents among treatments

2.2.4速效磷和速效鉀含量。施用堆肥、大豆的不同生長發育期及二者的交互作用均顯著影響土壤中速效磷和速效鉀的含量(表1)。

從圖7可見，在苗期，土壤速效磷含量隨著施肥量的增加顯著增加，且F3處理的速效磷含理高達(269.93±61.17) mg/kg，同時顯著高于CK、F1、F2處理。與CK相比，F1、F2、F3處理的土壤速效磷含量分別提高了302.71%、569.73%和1 313.23%。從圖8可見，在苗期，F3處理的土壤速效鉀含量最高，達(985.92±420.64) mg/kg，同時顯著高于CK、F1、F2處理，但是CK、F1、F2處理之間差異不顯著。與CK相比，F1、F2、F3處理的土壤速效鉀含量分別提高了48.95%、134.27%和482.25%。

從圖7、8可見，在花期，土壤速效磷和速效鉀含量均以F3處理最高，分別為(129.44±47.88)和(494.12±151.59) mg/kg。同時，F3處理的速效磷和速效鉀含量均顯著高于CK、F1處理，且CK、F1、F2處理之間差異不顯著。與CK相比，F1、F2、F3處理的土壤速效磷含量分別提高了204.00%、496.08%和999.34%，土壤速效鉀含量分別提高了26.22%、64.48%和175.16%。

隨著大豆生長發育階段的推移，土壤速效磷和速效鉀含量顯著降低，在成熟期速效磷和速效鉀含量均降至最低。在成熟期，土壤速效磷和速效鉀含量同樣以F3處理最高，分別為(43.64±18.32)和(385.28±85.68) mg/kg。F3處理的速效磷和速效鉀含量均顯著高于CK、F1、F2處理，且CK、F1、F2處理間差異不顯著。與CK相比，F1、F2、F3處理的土壤速效磷含量分別提高了188.43%、259.22%和806.38%，速效鉀含量分別提高了24.56%、38.41%和115.28%。

注：不同柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖7　不同處理的速效磷含量比較Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.

注：不同柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖8　不同處理的速效鉀含量比較Fig.8　Comparison of available potassium contents among treatments

注：不同柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note: Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖9　不同處理的大豆產量比較Fig.9　 Comparison of soybean yields among treatments

2.3堆肥添加對大豆產量的影響從圖9可以看出，施用堆肥對大豆產量影響不顯著，CK、F1、F2、F3處理間無顯著差異。

3　討論

(1)前人研究表明，堆肥在改善土壤理化性質、保持水分、調節土壤溫度、提高作物產量等方面均有著不可替代的作用[8,10-12]。該研究表明，施用堆肥提高了土壤有機質、TN、TP、速效磷和速效鉀含量。同樣，胡誠等[13]研究發現，長期施用堆肥顯著提高了土壤有機質、TN、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，且與土壤微生物量碳呈極顯著相關。另外，黃繼川等[14]研究表明，施用堆肥顯著增強了土壤酶活性，同時土壤脲酶和過氧化氫酶與土壤含水量、土壤TN和土壤有機碳含量之間呈顯著正相關; 多酚氧化酶與土壤pH呈顯著正相關[15]。綜上，施用堆肥后不僅促進了微生物活動，還促進了土壤酶活性。因此，堆肥可能通過增加土壤中微生物量和土壤酶活性來達到增加土壤的養分含量，提高土壤肥力的目的。

(2)筆者研究發現，6.0 kg/m2的堆肥施用量對改善土壤理化性質效果最為顯著。與對照相比，高強度施用堆肥對土壤有機質、TN、TP、速效磷和速效鉀含量均達顯著性水平。而低強度和中強度施肥水平土壤的有機質、TN、TP、速效磷、速效鉀含量較對照處理均有一定提升，但并未達到顯著水平。葛春輝等[16]研究表明，土壤有機質、速效氮、速效磷、速效鉀隨施用堆肥量的增加而增加，土壤肥力明顯提高；劉國偉[17]研究發現，隨著有機肥施入量的增加，不僅土壤TN含量增加，其他速效成分也均隨之增加。筆者研究表明，土壤各養分參數具有隨著堆肥投入量的增加而增加的規律，還發現在較低的堆肥施肥投入水平下對土壤肥力改善效果不大。

(3)由于大豆各時期對養分需求不同，在作物不同生長階段土壤理化性質也呈現明顯的變化規律。其中，速效磷和速效鉀含量在苗期最高，隨著大豆的生長發育階段推移，土壤速效磷和速效鉀含量顯著降低，在成熟期均降至最低。這說明從開花期至成熟期大豆積累更多的TN、TP、TK，因此，在開花期和成熟期對土壤速效養分需求量大。

4　結論

該研究表明，施用堆肥和大豆的不同生長期顯著影響土壤含水量、土壤有機質、TN、速效磷、速效鉀含量。在不同施肥強度中，1.5和3.0 kg/m2的堆肥投入量下，土壤有機質、TN、TP、速效磷、速效鉀含量均較對照有一定的提升，但并未達到顯著水平；而當堆肥投入量達到6.0 kg/m2時，對土壤理化性質的改善最為顯著。因此，施用堆肥能夠達到改善黑土肥力的目的，在一定范圍內堆肥投入量越大，改善效果越好。

[1] 張桃林, 王興祥.土壤退化研究的進展與趨向[J].自然資源學報，2000，15(3)：280-284.

[2] MADER P, FLIESSBACH A, DUBOIS D，et al.Soil fertility and biodiversity in organic farming[J].Science，2002，296：1694-1697.

[3] FOLEY J A, DEFRIES R, ASNER G P, et al.Global consequences of land use[J].Science，2005，309：570-574.

[4] 仝少偉, 時連輝, 劉登民, 等.不同有機堆肥對土壤性狀及微生物生物量的影響[J].植物營養與肥料學報，2014，20(1)：110-117.

[5] ZHEN Z, LIU H T, WANG N, et al.Effects of manure compost application on soil microbial community diversity and soil microenvironments in a temperate cropland in China[J].Plos One，2014，9:108555.

[6] MORSE D.Environmental considerations of livestock producers[J].Journal of animal science,1995,73：2733-2740.

[7] LOPEZ-REAL J, BAPTISTA M.A preliminary comparative study of three manure composting systems and their influence on process parameters and methane emissions[J].Compost science & utilization,1996,4：71-82.

[8] CAVAGNARO T R.Impacts of compost application on the formation and functioning of arbuscular mycorrhizas[J].Soil biology & biochemistry,2014,78：38-44.

[9]ARANDA V, MACCI C, PERUZZI E, et al.Biochemical activity and chemical-structural properties of soil organic matter after 17 years of amendments with olive-mill pomace co-compost[J].Journal of environmental management,2015,147：278-285.

[10] PEREZ-PIQUERES A, EDEL-HERMANN W, ALABOUVETTE C, et al.Response of soil microbial communities to compost amendments[J].Soil biology &biochemistry,2006,38：460-470.

[11] AHMAD R, JILANI G, ARSHAD M, et al.Bio-conversion of organic wastes for their recycling in agriculture：An overview of perspectives and prospects[J].Annals of microbiology,2007,57：471-479.

[13] 胡誠，曹志平，羅艷蕊，等.長期施用生物有機肥對土壤肥力及微生物生物量碳的影響[J].中國農業生態學報,2007，15(3)：48-51.

[14] 黃繼川，彭智平，李文英，等.施用堆肥對生菜品質和土壤生物活性及土壤肥力的影響[J].熱帶作物學報,2010,31(5)：705-710.

[15] 李聰，孫正峰，曹宇，等.林區不同土地利用模式對土壤理化性質與酶學特性的影響[J].森林工程,2013,29(3)：18-24.

[16]葛春輝，楊新華，孫九勝，等.施入生活垃圾堆肥對玉米品質、產量及土壤理化性質的影響[J].中國農學通報,2013,29(33)：237-241.

[17] 劉國偉.長期施用生物有機肥對土壤理化性質影響的研究[D].北京：中國農業大學,2004：1-49.

Effects of Gradient Compost Addition on Physical and Chemical Properties of Black Soil

LIU Kun1, XU Jia-ping1, Yu tian-cong2, YANG Wei1*et al

(1.College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin, Heilongjiang 150030;2.College of Agronomy,Northeast Agricultural University, Harbin, Heilongjiang 150030)

[Objective] To reveal the effects of gradient compost addition on the physical and chemical properties of black soil.[Method] With Heinong 35 as the tested soybean variety, we adopted the completely randomized block design.There were in all four treatments, which were 1.5, 3.0 and 6.0 kg/m2compost treatments and no compost treatment.Effects of compost dosage on soil moisture content, pH, total nitrogen, total phosphorus, organic matter, available phosphorus and available potassium were researched.[Result] Gradient compost enhanced the soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, available potassium and soybean yield during all growth stages.Among them, 1.5 and 3.0 kg/m2compost input increased the organic matter, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and available potassium in certain degrees, but did not reach significant level.However, 6.0 kg/m2compost was the most significant in improving soil physical and chemical properties.[Conclusion] The 6.0 kg/m2compost is recommended in soybean production in Songnen Plain.

Compost; Soybean; Soil physical and chemical properties

國家自然科學基金(31500426)。

劉昆(1994- )，男，黑龍江哈爾濱人，本科生，專業：農業資源與環境。*通訊作者，講師,博士,從事土壤微生物學研究。

2016-07-04

S 155.2+7

A

0517-6611(2016)24-147-04