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随着我国畜禽养殖业的发展,畜禽废弃物产生的环境污染已成为我国农村面源污染的主要来源之一。畜禽粪便资源化成有机肥有利于解决畜禽粪便污染,同时也有助于土壤质量的改善。本研究选择江苏省海安县长期施用(20年以上)畜禽粪便和化肥的稻麦轮作土壤作为研究土壤。研究目标为:1)明确施用畜禽粪便对土壤有机碳库的影响;2)分析施用畜禽粪便和化肥后土壤有机碳库对土壤物理结构、土壤肥力以及土壤微生物性质的影响;3)探讨施用畜禽粪便和化肥后土壤有机质矿化特征;4)揭示长期施用畜禽粪便和化肥对土壤质量的影响。旨在于探讨施用畜禽粪便和化肥对土壤质量的影响机制。
1.长期施用畜禽粪便显著提高了土壤有机碳库含量。由于有机物料长期投入,施用畜禽粪便土壤总有机碳、土壤活性有机碳以及土壤惰性有机碳含量均显著高于施用化肥土壤。海相沉积物发育土壤有机碳含量显著低于河相冲积物发育土壤,说明了施用畜禽粪便对土壤有机碳的改善受土壤类型影响。有机碳组成分析结果表明,惰性有机碳(矿物结合态有机碳)占土壤总有机碳的66.84-87.78％,是土壤总有机碳库的主要组成部分。活性有机碳含量均低于22.66％,但显著地受施肥的影响。土壤总有机碳与有机碳组分间有着极显著地正相关关系(p＜0.01),说明土壤总有机碳含量是影响土壤有机碳库组分含量的重要因素。
2.提高土壤有机碳库有助于土壤物理结构的改善。与施用化肥比较,长期施用畜禽粪便土壤总孔隙度和贮水孔隙、土壤持水性能以及土壤饱和导水率均显著提高,土壤抗张强度则显著低于施用化肥土壤,说明长期施用畜禽粪便有利于土壤物理结构改善。土壤有机碳及其组分与土壤孔隙结构、持水性能以及土壤抗张强度有着极显著地相关关系,表明施用畜禽粪便是通过改变土壤有机碳库来影响土壤物理结构。由于河相冲积物发育土壤比海相沉积物发育土壤更有利于对土壤有机碳库的提高和保护,因此,河相冲积物发育土壤也更有利于土壤物理结构的改善。施用畜禽粪便土壤稳定性指数—标准化平均重量直径显著高于施用化肥土壤,说明畜禽粪便有助于土壤团聚体稳定性提高。不同类型土壤比较结果显示,河相冲积物发育土壤团聚体稳定性显著低于海相沉积物发育土壤。影响因素分析结果表明,土壤化学性质和矿质元素是第一影响因子,土壤有机碳和养分含量为第二影响因子。海相沉积物发育土壤上土壤团聚体稳定性主要受第一因子影响;河相冲积物发育土壤上施用畜禽粪便土壤团聚体稳定性主要主要受第二因子影响。
3.土壤有机碳库的提高,促进了土壤化学肥力的提高。长期施用畜禽粪便土壤缓冲能力、土壤阳离子交换量以及土壤电导率均明显高于施用化肥土壤。与施用化肥比较,施用畜禽粪便显著提高了土壤中全量和有效养分含量;其中,河相冲积物发育土壤上,施用畜禽粪便耕作层土壤有效磷含量是施用化肥土壤的7-8倍。长期施用畜禽粪便土壤矿化潜力态氮含量明显高于施用化肥土壤(p＜0.05),说明施用畜禽粪便有利于土壤有机氮库的储备。不同土壤类型上,在河相冲积物发育土壤施肥比海相沉积物发育土壤更有利于土壤肥力水平的提高。土壤有机碳库与土壤肥力指标间有着极显著相关性(p＜0.01),说明土壤有机碳是影响土壤肥力的重要因素。
4.土壤有机碳库提高对土壤微生物性质改善产生了明显的影响。与施用化肥比较,施用畜禽粪便显著影响了土壤微生物类群组成、微生物生物量和活性以及土壤酶活性。影响因素分析结果显示,活性有机碳含量、有效氮以及土壤pH等化学性质是主要因素。不同类型土壤上,海相沉积物发育土壤微生物群落活性以及微生物类群总量均明显高于河相冲积物发育土壤,说明海相沉积物发育土壤上有机碳更容易被土壤微生物消耗。长期施用畜禽粪便有显著提高AWCD和McIntoch指数的趋势,香农指数、辛普森指数及丰富度均没有明显的差异,但不同施肥土壤微生物生物群落对不同碳源利用能力有明显差异,说明长期施用畜禽粪便和化肥主要是改变了土壤微生物利用碳源的取向。
5.土壤有机碳库与土壤有机质矿化密切相关。长期施用畜禽粪便土壤有机质矿化速率显著高于施用化肥土壤,其中施用猪粪土壤矿化速率最高。土壤颗粒有机碳、土壤质地以及微生物生物量是影响土壤有机质矿化的主要影响因素。海相沉积物发育土壤有机质矿化速率显著高于河相冲积物发育土壤主要受土壤质地的影响。
6.土壤有机碳库是影响土壤质量最重要指标。土壤质量评价结果显示,长期施用畜禽粪便土壤质量评价指数显著高于施用化肥土壤。不同土壤层次比较,耕作层土壤质量指数显著高于犁底层土壤;不同土壤类型比较,表现为河相冲积物发育土壤质量高于海相沉积物发育土壤。土壤活性有机碳与SQI间极显著地相关关系结果表明,土壤活性有机碳能够作为反映土壤质量变化的敏感指标。
本研究阐述了长期施用畜禽粪便和化肥后土壤有机碳库、土壤肥力、土壤物理结构以及土壤微生物性质的变化,探讨了施用畜禽粪便对土壤质量的影响机制。长期施用畜禽粪便通过提高土壤有机碳数量和质量,改变土壤肥力和土壤物理结构性质,影响土壤微生物生物量、活性以及土壤微生物群落功能多样性,最终达到提高土壤质量的目的。土壤质地通过影响土壤有机碳含量来改变土壤质量。