2024, Vol. 56
2. 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心, 南京 210018
滨海盐碱地是我国最具开发价值的耕地储备资源，拥有巨大的固碳潜力，仅在江苏地区沿海滩涂总面积就达50万hm2，约占全国沿海滩涂面积的1/4[1]，且仍以每年近1.3万hm2的速率向海自然淤长。然而高pH、高盐分和肥力低下使得大量农作物难以生长，制约了滨海盐碱地的开发与利用[2]。因此，高效培肥是改良利用滨海盐碱地的关键举措。
土壤有机碳是陆地生态系统中最大的碳库[3]，是衡量土壤质量的重要指标，提升土壤有机碳库储量及稳定性是改善土壤结构、提高土壤肥力和维持生态系统可持续发展的有效手段[4]。颗粒结合态有机质(Particulate organic matter，POM)主要由植物细根片断和其他有机残余组成[5]，是土壤有机碳变化的敏感指标之一[6]。矿物结合态有机质(Mineral-associated organic matter，MAOM)是有机物的最终分解产物与土壤黏粒结合的部分，周转期较慢且稳定，其含量的多少可间接表征土壤有机碳的抗氧化程度与难利用程度。土壤易氧化有机碳(Labile organic carbon，LOC)是土壤中移动快、最不稳定、易氧化、易矿化、生物活性最高的有机碳[7]，可以更灵敏地反映土壤微小的变化，对土壤碳库平衡、生化肥力的保持至关重要。土壤惰性有机碳(Recalcitrant organic carbon，ROC)在土壤中相对稳定性较高，不容易被微生物分解和植物利用，它对农田管理措施反应不敏感，但也是反映土壤肥力高低的重要指标[8]，其含量越高越有利于土壤有机碳的积累。土壤碳库管理指数结合了土壤碳库指标和土壤碳库活度指标，可综合反映外界管理措施对土壤有机碳总量的影响及土壤有机碳组分的变化情况[9]。研究表明土壤有机碳含量及稳定性在一定程度上受土壤有机碳化学结构的影响，植物残体中的碳水化合物和蛋白质类物质会优先被降解，而芳香烃碳等结构复杂的化合物则在土壤中富集，经过微生物周转形成稳定的土壤有机碳[10]。然而，现有的研究对滨海盐碱地有机碳组分及碳库变化、有机碳的化学结构及其稳定性尚不明确，因此开展滨海盐碱地有机碳库的研究对完善不同生态系统碳循环特征具有重要意义。
蚯蚓粪结构松散、孔隙度高、团聚性能好，不仅含有大量有机物、腐殖质，还含有各种营养元素和植物激素，以及活性酶类等[11]，对改善土壤结构、增强微生物活性、缓解土壤连作障碍、促进植物生长发育具有积极作用[12]。目前，针对蚯蚓粪肥的研究多集中在对作物产量和品质的影响上，对于滨海盐碱地的改良以及滨海盐碱地有机碳库及其稳定性的研究鲜有报道。本文通过探究不同蚓粪施用量对滨海盐碱地土壤有机碳、有机碳组分含量、有机碳库及其稳定性的影响，为滨海盐碱地固碳培肥提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况田间试验于江苏省南通市如东县栟茶镇方凌垦区(120°56′03″E，32°36′30″N)进行。试验区距黄海海岸约5.5 km，属于亚热带季风气候，年平均气温为15.1 ℃，平均降水量为1 074.6 mm。试验区围垦于2010年，为淤涨型的淤泥质海岸，该地区土壤类型为盐碱土。供试的蚯蚓粪来自江苏省泰州市春光生态农业发展有限公司，蚯蚓粪符合国家农用标准(GB/T 4284—2018)[13]。田间试验前表层土壤和供试蚯蚓粪的基本理化性质见表 1。
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表 1 供试土壤和蚯蚓粪的基本理化性质 Table 1 Basic physiochemical properties of coastal saline-alkaline soil and vermicompost |
本试验设置5个蚯蚓粪施用量处理：0、25、50、100、200 t/hm2，分别用VC0、VC25、VC50、VC100、VC200表示。每个处理设置3个重复，小区面积为16 m2(4.0 m⊆4.0 m)，采用完全随机区组设计。2019年10月，将蚯蚓粪一次性施于小区表层，并通过旋耕将其与0 ~ 20 cm深度的表土层充分混匀。试验区采用大麦和玉米轮作，作物播种后人工控制田间杂草，在整个作物生长季节不施用其他肥料，也不提供额外淡水灌溉。
1.3 土壤样品的采集与测定 1.3.1 样品采集与基本理化性质测定于2022年10月作物收获后采用五点取样法采集0 ~ 20 cm耕层土壤样品，并进行风干处理，研磨、过筛(100目、20目、10目)，保存以供进一步分析。参照常规土壤农化分析方法[14]测定土壤理化指标：使用电导率计和pH计在水土质量比为5∶1的悬浮液中检测土壤电导率(EC)和pH；采用重铬酸钾(K2Cr2O7)氧化法测定土壤有机碳(SOC)；土壤全氮(TN)、全磷(TP)和有效磷(AP)分别采用半微量凯氏法、硫酸-高氯酸消解法和碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；采用TOC仪测定土壤可溶性有机碳(Dissolved organic carbon，DOC)含量(水土质量比5∶1)。
1.3.2 土壤各有机碳库组分的测定方法土壤颗粒态和矿物结合态组分的分离：称取10.00 g风干且过2 mm筛的土壤样品于50 mL离心管中，加入0.005 g/mL的六偏磷酸钠溶液30 ~ 35 mL，180 r/min振荡18 h，将土壤溶液过53 µm筛，留在筛上的部分收集冲洗烘干称重，即颗粒态有机物(POM)，过筛溶液4 000 r/min离心15 min，倾去上清液，剩余部分烘干称重，即矿物结合态有机物(MAOM)。参照常规土壤农化分析方法[14]分别测定各组分中C、N、P含量。
土壤易氧化有机碳(LOC)的测定：土壤样品经研磨过0.5 mm筛，根据全土SOC含量，计算含有15 mg C的土壤样品量作为待测样品的称样重，置于50 mL离心管中，以不加土样作为空白。向离心管中加入25 mL浓度为333 mmol/L的高锰酸钾溶液，室温下振荡1 h，2 000 r/min离心5 min，将上清液用去离子水以1∶250倍稀释，吸取1 mL上清液转移至250 mL容量瓶中，定容。同时配制不同浓度梯度的高锰酸钾的标准溶液，稀释样品和标准溶液用分光光度计在565 nm处测定吸光度。建立高锰酸钾浓度和吸光度线性直线方程，将待测样品的吸光度代入方程得到氧化有机碳后剩余高锰酸钾的浓度，同样得到空白的高锰酸钾浓度，前后二者之差即为氧化活性有机碳后高锰酸钾溶液的浓度变化值，根据假设，氧化过程中高锰酸钾浓度变化1 mmol/L消耗0.75 mmol或9 mg C，计算出LOC含量。
钙结合有机碳(Calcium associated organic carbon，Ca-OC)的测定：称取过0.25 mm筛的土壤样品0.25 g置于50 mL的离心管中，加入0.5 mol/L Na2SO4溶液20 mL。180 r/min振荡2 h，2 000 r/min离心10 min，滤膜过滤，用TOC仪测定上清液中的有机碳浓度，计算得到Ca-OC含量。
1.3.3 固体核磁共振波谱分析土壤样品的前处理：称取过0.149 mm筛的土壤样品2.00 g置于50 mL的离心管中，加入10% 的氢氟酸10 mL，150 r/min振荡24 h，4 500 r/min离心15 min，上述氢氟酸洗涤过程重复10次。为去除氢氟酸残留物，在氢氟酸洗涤后的土壤样品中加入10 mL去离子水振荡4 h，4 500 r/min离心20 min，去离子水洗涤过程重复10次，处理后的土壤样品烘干进行固体核磁共振波普分析(600 MHz DSX-300光谱仪，美国安捷伦)。具体测试条件为：将土壤样品包在4 mm锆转子中，并以13 kHz的频率旋转，接触时间为1 ms，循环延迟为1 s，处理光谱采用的零填充因子为2，谱线增宽为75 Hz，并使用MestReNova软件(安捷伦，v.3.7.10)进行集成。四甲基硅烷用于校准化学位移。
根据核磁共振波谱图，将化学位移划分为4个共振区域[15]：①0 ~ 44 ppm化学位移处是烷基碳官能团区，烷基碳是脂肪族化合物的一种，主要来源于脂类、软木质、蜡状质；②44 ~ 68 ppm化学位移处为N-烷基碳官能团区，主要来源为木质素；③68 ~ 113 ppm化学位移处为O-烷基碳官能团区，主要来源于纤维素、半纤维素、蛋白质以及木质素侧链等碳水化合物；④113 ~ 162 ppm化学位移处为芳香族碳，其主要来源是木质素和不饱和烯烃；⑤羰基碳官能团区的化学位移在162 ~ 220 ppm处，主要来源于脂肪酸、氨基酸、酰胺和酯类。
1.4 数据处理与分析碳库管理指数(CMI)使用以下等式计算[16]：
| $ 碳库指数(\text{CPI})=\frac{{{\text{TSOC}}}}{{{\text{CSOC}}}} $ | (1) |
式中：TSOC是各处理的SOC含量，CSOC是未施入蚯蚓粪处理即VC0的SOC含量；
| $ 碳库活度(\text{CPA})=\frac{{{\text{LOC}}}}{{{\text{SOC}} - {\text{LOC}}}} $ | (2) |
| $ 碳库活度指数(\text{CPAI})=\frac{{{\text{CPA}}}}{{{\text{CA}}}} $ | (3) |
式中：CA是未施入蚯蚓粪处理即VC0的碳库活度；
| $ 碳库管理指数\text{(CMI)=CPI× CPAI×100 }$ | (4) |
利用SPSS 23.0进行数据统计分析，通过单因素方差分析和最小显著性差异(LSD)法对不同蚯蚓粪施用量处理土壤理化性质的显著性进行检验。采用MestReNova 14.2.1进行固体核磁共振图谱分析，土壤理化特征与土壤碳组分之间的相关关系采用Pearson相关分析方法。采用Canoco 5.0进行土壤有机碳组分和环境因子之间的冗余分析。
2 结果与分析 2.1 不同蚓粪施用量下土壤的理化性质由表 2可知，随着蚯蚓粪施用量的增加，土壤中pH呈先下降后上升趋势，EC呈先上升后下降趋势，SOC、TN、TP、AP含量均呈上升趋势。施用蚯蚓粪后，各处理中AP含量较对照增加79%、173%、198%、280%。在50、100、200 t/hm2施用量下，SOC含量较对照增加了35%、38%、97%；TP含量较对照增加了53%、61%、137%。在100、200 t/hm2施用量下，TN含量较对照增加了62%、102%。
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表 2 不同蚓粪施用量下滨海盐碱地土壤的基本理化性质 Table 2 Basic physiochemical properties of coastal saline-alkaline soil under different application amounts of vermicompost |
施用蚯蚓粪后，与对照相比，土壤中DOC含量呈先下降后上升的趋势，在100、200 t/hm2施用量下，土壤中DOC含量较对照增加了27%、104%(图 1A)。
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(图中小写字母不同表示不同蚓粪施用量处理间差异显著(P < 0.05)。下同) 图 1 不同蚓粪施用量下土壤DOC(A)和Ca-oc(B)含量 Fig. 1 Soil DOC (A) and Ca-OC (B) contents under different application amounts of vermicompost |
随着蚯蚓粪施用量的增加，土壤中Ca-OC含量呈先上升后下降趋势。在50、100 t/hm2施用量下，与对照相比，Ca-OC含量增加了26%、19%(图 1B)。
2.3 不同蚓粪施用量下土壤POM和MAOM的变化图 2表明，施用蚯蚓粪后，与对照相比，土壤中POM的质量分数呈现先下降后上升的趋势，各处理土壤中POM质量分数较对照下降了16%、20%、15%、10%。
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图 2 不同蚓粪施用量下土壤POM和MAOM的比例 Fig. 2 Proportions of soil POM and MAOM under different application amounts of vermicompost |
与对照相比，土壤中MAOM的质量分数呈现先上升后下降的趋势，各处理土壤中MAOM质量分数较对照上升了61%、73%、55%、37%。
图 3展示了POM和MAOM组分中SOC、TN、TP含量的变化。随着蚯蚓粪施用量的增加，POM和MAOM组分中SOC、TN、TP含量均呈上升趋势。各处理下POM和MAOM组分中SOC含量较对照分别上升了14%、25%、80%、124% 和46%、54%、37%、85%(图 3A)。在100、200 t/hm2蚓粪施用量下，POM组分中TN含量较对照增加了32%、145%；TP含量增加了23%、99%。各处理下MAOM组分中TN含量和TP含量较对照分别增加了54%、48%、45%、92% 和79%、109%、89%、158%(图 3B、3C)。
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图 3 不同蚓粪施用量下土壤POM和MAOM组分中SOC、TN和TP含量 Fig. 3 Contents of SOC, TN and TP in soil POM and MAOM under different amounts of vermicompost |
由表 3可知，施用蚯蚓粪后，与对照相比，土壤中LOC和ROC含量呈上升趋势。在50、100、200 t/hm2施用量下，土壤中LOC含量较对照增加了6%、9%、94%；土壤中ROC含量较对照增加了43%、46%、102%。
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表 3 不同蚓粪施用量下滨海盐碱地土壤LOC、ROC含量和CPI、CMI的变化 Table 3 LOC, ROC, CPI and CMI of coastal saline-alkaline soil under different application amounts of vermicompost |
随蚓粪施用量增加，土壤CPI呈上升趋势，在50、100、200 t/hm2蚓粪施用量下，与对照相比，CPI增加了39%、42%、101%。CMI呈先下降后上升趋势，在100、200 t/hm2施用量下，CMI较对照上升了6%、92%。
2.5 不同施用量下蚓粪对土壤有机碳官能团结构的影响图 4表明不同蚓粪施用量的土壤有机碳的核磁共振谱图形状基本一致，但各处理的化学位移峰的强度明显不同，说明土壤有机碳的碳骨架相似，但各种官能团的含量不同。
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(烷基碳：0 ~ 44 ppm；N-烷基碳：44 ~ 68 ppm；O-烷基碳：68 ~ 113 ppm；芳香碳：113 ~ 162 ppm；羰基碳：162 ~ 220 ppm) 图 4 不同蚓粪施用量下土壤13C核磁共振谱 Fig. 4 Soil 13C NMR spectra under different application amounts of vermicompost |
在滨海盐碱地土壤有机碳的5种主要官能团中含量最多的是68 ~ 113 ppm的O-烷基碳，相对含量为31.27% ~ 36.11%；其次为0 ~ 44 ppm的烷基碳，其含量比例在18.12% ~ 36.19%；排在第三位的是44 ~ 68 ppm的N-烷基碳，相对含量比例在10.55% ~ 18.12%；排在第四位的是113 ~ 162 ppm的芳香族碳，相对含量比例在8.03% ~ 19.47%；含量最低的是162 ~ 220 ppm的羰基碳，其相对含量在7.05% ~ 12.28%(表 4)。
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表 4 不同蚓粪施用量下滨海盐碱地土壤有机碳官能团相对含量(%) Table 4 Relative contents of organic carbon functional groups in coastal saline-alkaline soils under different application amounts of vermicompost |
本研究发现，施用蚯蚓粪显著增加了滨海盐碱地SOC的含量，且随着蚯蚓粪施用量的增加而增加。这与邓晓等[17]在海南滨海盐渍土中施用蚯蚓粪能显著增加土壤中有机质含量的研究一致。一方面蚯蚓粪本身富含有机质[18]；另一方面，蚯蚓粪具有大的比表面积、适宜的孔隙率和大量的腐植酸，有较强吸附能力[19]，所以其吸附性能可以高效富集土壤中的SOC。此外，施用蚯蚓粪后明显改善了土壤的理化性质，TN、TP和AP养分含量显著增加(表 2)，从而促进作物生长，使得作物根系及其分泌物的输入增加[20]，因此SOC含量增加。
大量研究表明施用有机物料能提高土壤DOC含量[21-22]。蚯蚓粪中富含易被微生物降解的有机碳，施入土壤后会释放出大量的水溶性有机碳[23]，从而导致DOC含量增加。在25、50 t/hm2施用量下，土壤中DOC含量下降可能是因为蚯蚓粪中存在着某些微生物可以直接降解利用的DOC[24]。
RDA图中Ca-OC与SOC呈正相关关系(图 5)。有研究表明Ca-OC是土壤有机碳库的重要组成部分，钙离子对土壤有机质保存具有重要作用[25]。本研究发现，施用蚯蚓粪后，Ca-OC含量增加，这可能是因为蚯蚓粪的施用改变了土壤的胶结程度，蚯蚓粪中的有机胶体与土壤中水分散组胶结，增强了钙离子与土壤的结合，使得Ca-OC含量增加。这与许连周等[26]长期施用有机肥改良苏打盐碱土能显著增加土壤钙结合复合体含量的研究结论一致。
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图 5 不同蚓粪施用量滨海盐碱地土壤有机碳组分与环境因子冗余分析 Fig. 5 Redundancy analysis of soil organic carbon components and environmental factors in coastal saline-alkaline soils under different application amounts of vermicompost |
土壤有机碳库由植物源碳和微生物源碳两部分组成[27]，POC主要来源于土壤中的植物源碳，MAOC主要来源于土壤中的微生物源碳[28]。最近的一项Meta分析表明：外源碳输入可以显著增加POC和MAOC的含量[29]。本研究结果与此一致，施用蚯蚓粪后发现POC和MAOC含量增加。这可能是因为蚯蚓粪中含有丰富的微生物群落，这些微生物通过分泌胞外酶分解或转化大分子植物碳底物向土壤源源不断地输送植物源残体[30]，导致土壤POC含量增加；同时土壤中的微生物产物可驱动土壤植物源可溶性有机质和微生物源小分子有机物与黏土矿物结合，从而形成稳定的MAOC，微生物的死亡残体以及代谢产物的迭代累积也会促进MAOC的增加[31]。RDA1轴和RDA2轴(图 5)分别解释了有机碳组分91.32% 和5.78% 的变化，pH、DOC、LOC、TN、SOC、AP、ROC、TP、Ca-OC对POC和MAOC影响显著(P < 0.05)，表明有机碳组分的变化受到土壤环境和土壤养分的影响较大。
3.2 施用蚓粪对土壤碳库稳定性的影响LOC是土壤中移动快、不稳定、易于氧化和矿化、具有较高微生物活性的有机碳[32]，主要来源于凋落物和根系分泌物的输入[33]。ROC是SOC中比较难降解的组分，通常认为SOC与LOC之差就是ROC[34]。有研究表明，有机物料和有机残体的输入能显著提高LOC和ROC的含量[35-38]。本研究结果与此一致，这可能是因为蚯蚓粪的施用增加了土壤中有机碳的投入，同时还提供了N、P等养分的供给，从而提高了土壤对LOC的固存能力，造成LOC积累[39]。与此同时，蚯蚓粪中存在大量微生物在进行分解活动，微生物的分解活动越强，有机残体难降解部分进入土壤中也越多，因此ROC含量也随之增多。
土壤碳库管理指数CMI是反映和评估土壤碳素动态变化的重要指标，可反映土壤碳库和土壤肥力质量的变化[40]。林晓钦等[41]研究发现蚯蚓粪的添加使得CMI是对照组的1.95倍。井大炜等[42]发现蚯蚓粪与化肥以不同比例配施能显著提高CMI。本研究施用蚯蚓粪后显著提高CMI的结果与上述研究一致。相关性分析(图 6)表明，CMI与AP、MAOC呈极显著正相关(P < 0.01)，与SOC、TN、TP、DOC、POC呈极显著正相关(P < 0.001)，说明CMI能较好地反映土壤养分以及土壤有机碳库组分的变化。
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(*、**、***分别表示相关性达P < 0.05、P < 0.01、P < 0.001显著水平) 图 6 不同蚓粪施用量滨海盐碱地土壤有机碳组分、碳库管理指数与环境因子相关性热图 Fig. 6 Heat map of correlation between soil organic carbon components, carbon pool management index and environmental factors in coastal saline-alkaline soils under different application amounts of vermicompost |
本研究结果表明，不同蚓粪施用量下有机碳官能团相对含量最多的是O-烷基碳官能团，其次是烷基碳官能团，最后是N-烷基碳官能团、芳香族碳官能团和羰基碳官能团。研究表明，烷基碳是有机碳化学结构中最稳定的官能团，其主要来源是植物体内的脂质、角质、木栓质、蜡状质等，或者土壤微生物代谢也会产生烷基碳[43]。施用蚯蚓粪后，丰富了土壤中微生物群落，提高了微生物的活性，微生物代谢的产物也随之增加，导致土壤中烷基碳官能团相对含量增加。同时，本研究还发现O-烷基碳相对含量也表现出增加的趋势。这可能是因为O-烷基碳主要来源于纤维素、半纤维素等碳水化合物，施用蚯蚓粪后，土壤中微生物生物量升高，其分解活动增强，从而导致土壤中植物残体分解加快，最终导致有机碳中O-烷基碳相对含量增加[44-45]。因烷基碳官能团是相对稳定、不易被分解的碳组分，而O-烷基碳官能团是较易被分解、不稳定的碳组分，因此常用烷基碳官能团与O-烷基碳官能团的相对含量之比来表示有机碳烷基化的程度高低，指征有机碳的稳定程度[46]。刘玲等[47]研究表明，长期有机物料的添加可显著提高土壤有机碳库及其稳定性。由表 4可知，烷基碳/O-烷基碳的数值增大，表明有机碳的稳定性呈上升趋势。芳香族碳官能团的相对含量也在施用蚯蚓粪条件下有所增加，常用芳香族碳官能团来表示有机碳芳香结构的多少[48]。当芳香族碳官能团相对含量增加时，表示有机碳的方向及结构越多、分子结构越复杂、越不易被分解。此外有研究认为[49]，增加芳香碳的相对含量，有机碳的稳定性也会随之提高，这一结果与脂肪族碳/芳香族碳的数值表现出的结果相同。常用脂肪族碳与芳香族碳的比值作为衡量土壤中有机碳化学结构的复杂程度[50]。本研究中脂肪族碳与芳香族碳的比值减小，即施用蚯蚓粪增加了有机碳的复杂程度，最终导致有机碳稳定性上升。对于羰基碳来说，施用蚯蚓粪后降低了其相对含量，由于羰基碳官能团是土壤有机碳较易被分解的组分，因此其相对含量降低时，有机碳的稳定性相应有所上升。疏水碳/亲水碳的数值与有机碳的稳定程度呈正相关[51]，这是因为疏水碳较难分解，而亲水碳易分解，因此二者的比值在一定程度上可以表征土壤有机碳的稳定性。施用蚯蚓粪后，疏水碳/亲水碳的数值增大，表明土壤有机碳稳定性上升。
4 结论施用蚯蚓粪后，不仅改变了滨海盐碱地土壤有机碳库的含量，也改变了有机碳的结构组成。当施用量超过50 t/hm2时，滨海盐碱地土壤有机碳的含量显著提升，且随着蚓粪施用量的增加，土壤可溶性有机碳、颗粒态有机碳、易氧化有机碳以及惰性有机碳含量均随之增加；烷基碳与O-烷基碳的比值逐步增大。施用100 t/hm2时，土壤碳库管理指数显著提升；疏水碳与亲水碳的比值逐步增大。脂肪族碳与芳香族碳的比值随着蚓粪施用量的增加而减小。综上，施用蚯蚓粪有效提升了滨海盐碱地土壤碳库含量及其稳定性，且在50和100 t/hm2施用量下的效果最为明显。
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