红壤是我国南方地区的主要土壤类型，在我国农业发展以及国民经济的持续发展中扮演着重要的角色。但由于红壤本身性质较弱以及人类不合理的利用，我国南方红壤区生态环境恶化，土壤结构遭到破坏^[1]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤肥力的载体^[2]，能够反映土壤的物理、化学、生物学特性，在土壤的形成与发展中扮演着重要的角色。它由土壤颗粒在自然环境的影响下以胶结物质为媒介通过多级团聚过程形成^[3]。目前，相关研究多集中在土壤团聚体的机械稳定性和水力学稳定性方面。近年来，以沼气为纽带的“种养结合”模式不仅有效地解决了农业废弃物带来的环境污染问题，同时，产出的沼液在农业生产中得到了较为广泛的应用，在提高作物产量，改善作物品质以及改良土壤结构方面都产生了积极的作用，但关于沼液农用对土壤团聚体影响的报道颇少。大田试验中发现，相对纯化肥施用，沼液化肥配合施用能显著提高旱作红壤机械稳定性、水稳定性团聚体含量及团聚体机械稳定性，但作用机理尚未探明。由于每年沼液产出量巨大，研究沼液对土壤团聚体含量影响对于推广沼液合理农用意义重大。研究表明沼液中成分复杂，除含有丰富的常量元素和微量元素外，还含有较多的维生素、氨基酸、水解酶、植物激素等，沼液合理农用能够在一定程度上减少作物病害，提高作物品质^[4]。同时，沼液作为有机肥料，合理农用不仅能够解决能源浪费问题，还能改善土壤生态环境，提高土壤产出能力^[4]。刘希玉等^[5]发现，土壤中碳能够提高土壤团聚体的稳定性，促进大团聚体和微团聚体的形成，土壤团聚体中的氮含量与施肥方式密切相关，长期施肥尤其是施用有机肥有利于促进红壤水稻土中大团聚体的形成。沼液在施肥的过程中，会向土壤中带入较多的离子，有研究表明，土壤溶液中一价可溶性阳离子对于>0.25mm团聚体具有分散作用，三价可溶性阳离子对≤ 0.25mm团聚体具有絮凝或再团聚作用，而二价可溶阳离子同时存在分散和絮凝作用；不同粒径的团聚体在同种盐溶液下表现出不一致的响应倾向^[6]。同时，有机肥施用可提高土壤团聚体水稳性，抑制离子对团聚体的分散作用^[7]，提高Na⁺、K ⁺、Mg²⁺ 含量，同时影响土壤pH和磷素有效性，进而影响大团聚体稳定性^[8]。水力学稳定性作为评价土壤结构体特征的重要指标，前人研究大多数采用纯水分散湿筛的方法，但土壤溶液并非纯水，特别是施肥后土壤溶液成分、浓度急剧变化，溶液性状、离子类型及含量均会影响土壤颗粒的团聚。沼液化肥配施与纯化肥施用相比，施肥的同时也是灌溉的过程，溶液中离子复杂且还有较丰富的有机质，该溶液会对土壤团聚体产生冲击，因此，利用沼液作为分散介质分析团聚体组成，更符合实际生产状况；分析不同配比溶液下土壤团聚体的分布，探讨旱作红壤团聚体稳定性对沼液化肥混合溶液的响应机制和推广沼液合理农用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤样品为旱地红壤，取自江西省余江县鹰潭红壤生态试验站（116°5′E，28°12′N）。气候属于亚热带季风气候，年均温为17.8℃，多年平均降水量约1842mm。分别采集了耕层（0～20cm）原状土壤样品以及扰动样品。原状土用于土壤团聚体分析，用木盒盛装防止运输途中破坏，室内风干后将其掰成1cm³ 大小的土块，经振动干筛机分为不同粒级的团聚体备用。扰动样品用于测定土壤的部分理化性质，其主要理化性质为：pH 5.30，有机碳7.90g·kg^-1，总氮0.83g·kg^-1，碱解氮62.8mg·kg^-1，有效磷0.3mg·kg^-1，速效钾126.7mg·kg^-1。

1.2 试验设计

试验开展于2018年30℃恒温室内，共设7个沼液化肥混合液处理：CF1（100%化学N）、 CF2（80%化学N+20%沼液N）、CF3（60%化学N+40%沼液N）、CF4（40%化学N+60%沼液N）、CF5（20%化学N+80%沼液N）、F（100%沼液N）、 CK（纯水）。各混合物总N、P、K保持一致，N、 P₂O₅、K₂O分别为120、90、135kg·hm^-2，具体施肥量见表1。

表1 为各试验处理每升混合溶液中需要添加的化肥和沼液用量，不足一升的用纯水补足。所使用化肥为尿素（N 46%）、磷酸二氢钾（P₂O₅ 24%、 K₂O 27%）和氯化钾（K₂O 60%）。供试沼液采集于养猪场正常产气的沼液池，地处安徽省合肥市肥东县，试验前一天采集，经多层纱布过滤，pH 7.4、总氮789mg·L^-1、总磷21.3mg·L^-1、总钾453mg·L^-1。

1.3 分析方法

机械团聚体稳定性（干筛法）：将风干土样过孔径5、2、1和0.25mm土筛，分>5、2～5、 1～2、0.25～1、<0.25mm 5个级别，过筛后收集并计算出各粒级团聚体所占风干总土样质量的比例。经计算得>0.25mm机械性团聚体含量（DR_0.25）为95.42%。

水稳定性团聚体（湿筛法）：将各粒级土粒按干筛法比例配成50g土壤样品，沿容器壁缓慢加入CF1、CF2、CF3、CF4、CF5、F、CK处理相同的沼液化肥混合溶液300mL，浸泡土壤24h，然后将各处理样品完全转移至1L有机玻璃沉降筒中，相应混合溶液补充至600mL，封闭沉降筒，使沉降筒中土壤悬液上下翻动5min（30次·min^-1）。将分散好的土壤样品转移至淹没在相应浓度化肥沼液混合溶液的一套土筛上，筛孔从上到下依次为5、2、1和0.25mm，在水中上下晃动数次，将留在各筛子上的团聚体小心冲洗至蒸发皿，水浴蒸干后移至烘箱烘干至恒重，计算土壤团聚体组成。以上各处理重复3次。

1.4 数据处理

利用各粒级团聚体数据，计算团聚体平均质量直径（MWD，mm）、几何平均直径（GWD， mm）、土壤团聚体稳定率（AR，%）和质量分形维数（D），计算公式：

$\begin{array}{c}MWD=\sum _{i=1}^n{X}_i\times W_i\\ GWD=Exp\left[\frac{\sum _{i=1}^n{W}_i\times \mathrm{l}\mathrm{n}{X}_i}{\sum _{i=1}^n{W}_i}\right]\end{array}$

式中：X_i 为任一级别的平均土壤团聚体直径，数值上等于相邻两级筛孔的平均值，>5mm团聚体直径上限为10mm；W_i 为对应的团聚体百分比。

$AR=\frac{W{R}_{0.25}}{D{R}_{0.25}}\times 100\mathrm{\%}$

式中：DR _0.25 为>0.25mm机械稳定性团聚体含量（%），WR _0.25 为>0.25mm水稳定性团聚体含量（%）。质量分形维数（D）的计算采用杨培岭等^[9]推导的公式：

$D=3-\mathrm{l}\mathrm{g}\frac{M\left(r<X_i\right)}{M}/\mathrm{l}\mathrm{g}\left(\frac{X_i}{X_{max}}\right)$

式中：X_i 为任一级别的平均土壤团聚体直径，数值上等于相邻两级筛孔的平均值，>5mm团聚体直径上限为10mm；X _max 为最大粒级的平均粒径；M（r<X_i）为粒径小于X_i 的团聚体的重量， M 为团聚体总重量。以lg（X_i/X _max） 为横坐标， lg[M（r<X_i）/M ]为纵坐标，最小二乘法直线拟合，计算其斜率，最后由斜率推算得到质量分形维数 D。

2 结果与分析

2.1 不同处理下水稳性团聚体数量的分布

表2 为通过湿筛法获得的水稳性团聚体的分布情况。从表2可知，各处理均以<0.25mm水稳性团聚体含量最高（30.34%～38.12%），其次为>5mm水稳性团聚体（22.69%～29.04%）。 5～2和2～1mm水稳性团聚体含量较少，其中CF1、CF2、CF3以及CK处理2～1mm水稳性团聚体含量最低（6.39%～9.57%），CF1、CF4、 CF5以及F处理5～2mm水稳性团聚体含量最低（8.53%～9.77%）。各处理>0.25mm水稳性团聚体含量（WR_0.25）均较高（61.88%～69.66%），但相比较供试土壤样品的>0.25mm机械性团聚体含量（DR_0.25）95.42%均有大幅度的下降，降幅依次为35.15%、34.35%、30.25%、32.78%、29.75%、 27.35%和27.00%，CK处理的WR_0.25 最高，降幅最低，除CF4处理外，随着混合溶液中沼液含量的增加，WR_0.25 逐渐增加，较DR_0.25 下降比依次降低。该现象表明，用纯水和沼液化肥混合溶液作为分散介质湿筛，对>0.25mm团聚体具有冲击作用，使其分散为粒径更小的团聚体，纯水的冲击作用最小，沼液化肥混合溶液中随着沼液含量的增加，对>0.25mm团聚体的冲击作用减弱。

注：同一列中不同小写字母代表0.05水平下差异显著。下同。

2.2 不同处理下水稳性团聚体的平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）

土壤团聚体稳定性是土壤物理质量的综合体现^[10]，研究表明（表3），各处理的MWD大小顺序为CK>F>CF5=CF1>CF3>CF4>CF2，GMD的大小顺序为CK>F>CF5>CF3>CF1>CF4>CF2，除CF1处理外，各处理的MWD和GMD的大小顺序均和WR_0.25 一致。这与郑学博等^[11]研究中发现的MWD、GMD与>0.25mm团聚体含量呈线性正相关符合。从表2中可得CF1处理>5mm水稳性团聚体含量在各处理中最高，且与CF2、CF3、CF4处理在0.05水平上存在显著差异，所以CF1处理的MWD和GMD均高于CF2和CF4处理。由于在配比用于湿筛的土壤样品过程中，只能保证各粒级质量相等，而不能确保各粒级颗粒大小完全一致，在>5mm团聚体中的表现更为明显，这可能是造成CF1处理>5mm水稳性团聚体含量在各处理中最高的原因之一。F处理的MWD和GMD与CK处理差异较小，在0.05水平上差异不显著，说明全沼液溶液对土壤团聚体的冲击作用接近于纯水溶液，对大团聚体的破坏程度较小。

2.3 不同处理下土壤团聚体稳定率

由图1可知，各处理下土壤团聚体稳定率的大小顺序为CK>F>CF5>CF3>CF4>CF2>CF1，该顺序与WR_0.25 一致，CF2、CF3、CF4、CF5、F和CK处理较CF1处理相比，土壤团聚体稳定率增幅依次为1.23%、7.56%、3.65%、8.32%、12.02%和12.57%。CF1处理除了和CF2处理在0.05水平上差异不显著外，和其他处理差异均显著。除CF4处理外，从CF1到F处理，随着沼液浓度的增加，土壤团聚体稳定率增大。通过对沼液含量与团聚体稳定率进行拟合（图2），发现两者呈线性正相关关系（R²=0.80406），与图1所得结论一致，说明沼液化肥混合溶液中沼液含量是决定土壤团聚体稳定率大小的主要因素之一。

注：柱上不同小写字母表示0.05水平下差异显著。下同。

2.4 不同处理下的分形维数

图3 和图4是关于分形维数的相关图形分析。从图3可知，各处理分形维数的范围为2.677～2.739，CK处理最低，除CK处理外，CF1处理最高，F处理最低。其中CF4处理分形维数大于CF3处理，而其余的后一个处理的分形维数均小于前一个处理，由此可得，随着沼液化肥混合溶液中沼液含量的增加，分形维数呈现下降的趋势（CF4除外）。图4显示了沼液含量与分形维数的拟合情况（R²=0.80124），与图3结论一致。这与WR_0.25 和团聚体稳定率呈现相反的趋势。

3 讨论

3.1 土壤团聚体稳定率

本试验利用沼液化肥混合溶液作为分散介质，当土壤样品与之完全接触时，实际上与溶液中的水、各种离子以及有机质进行了充分的接触。 Bissonnais^[12]研究表明，当干燥的土壤遇水快速润湿时，土粒迅速被水包被，土壤团聚体孔隙中的空气无法及时排出，再加上水的进入导致团聚体内部产生巨大压力，团聚体破裂，即水溶液的消散作用。混合溶液中含有大量的离子电解质，牛华玲等^[13]研究表明，土壤团聚体破裂的本质是土壤所处的溶液电解质浓度降低，土壤颗粒表面电场迅速增强，在短时间内在颗粒之间形成强大的静电排斥力，导致团聚体破裂。溶液中电解质对土壤团聚体的破坏作用主要表现为破坏大团聚体、形成小团聚体^[14]。从团聚体的形成角度去考虑，一般认为，大团聚体是由寿命短暂的菌丝和根系将微团聚体胶结起来形成的，而微团聚体则由一些更为稳定的有机组分所决定^[15]。从水溶液对土壤团聚体的消散作用以及电解质对土壤团聚体的作用可以解释各处理均以<0.25mm水稳性团聚体含量最高这一结果和各处理WR_0.25 均小于DR_0.25 的原因。有机质在土壤团聚体的形成过程中扮演着重要的角色^[10]，团聚体和有机质是保持土壤结构和肥力的基础，二者相互作用，不可分割，前者是后者存在的场所，后者是前者存在的胶结物质^[16]。黄学茹等^[17]指出，在土壤团聚体的形成和稳定方面，土壤电场带来的是斥力，它导致团聚体分散；有机大分子增强的是引力，它阻止团聚体的分散。Tombácz等^[18]认为在自然水体系中，有机大分子与土壤矿质颗粒表面发生配位反应，增加了水分散体系胶体稳定性。在本试验中，随着混合溶液中沼液用量的增加，体系中的有机大分子也随之增加，颗粒与颗粒之间的引力增大，能够减弱离子对团聚体的冲击作用。因此，随着沼液用量的增加，WR_0.25 呈现上升的趋势。在全沼液处理中，体系中必然存在离子态物质，尽管有机物质含量较高，也避免不了这部分离子对团聚体的冲击，这可以解释F处理的WR_0.25 小于又非常接近于CK处理这一现象。

3.2 土壤结构特性

关于土壤结构特性的评价指标，学术界普遍采用筛分方法，测得直径>0.25mm的团聚体含量作为指标。为了更加全面地反映团聚体的大小和含量等综合信息，更加准确地评价团聚体的质量水平^[19]，van Bavel^[20]采用加权求和方法提出了结构体平均质量直径（MWD）的概念，Gardner^[21]在此基础上提出了几何平均直径的（GMD）的概念。在本试验中，随着混合溶液中沼液用量的增加， WR_0.25、AR、MWD、GMD大致呈现上升的趋势。根据郑学博等^[11]研究所得“>0.25mm团聚体含量越高，MWD、GMD越大，AR越大，团聚体稳定性越强，土壤抗蚀能力越强”，不难得出“随着混合溶液中有机物质的增加，土壤团聚体水稳定性增强”这一结论。

近些年来，也有人运用分形理论研究土壤团聚体的分布状况^[22-23]。Castrignanò等^[24]将分形理论运用于土壤团聚体评价的研究之中，提出分形维数（D）概念，土壤团聚体分形维数越大，则团聚体的分散度越大，当D接近2时，表明团聚体主要由数量很少的大团聚体组成，随着D的增大，土壤中小级别团聚体的数量随之增加。从图3可以看出，各处理分形维数都在2.66之上，表明各处理土壤主要由中小团聚体组成，大团聚含量较低，团聚体分散度较高。随着沼液用量的增加，分形维数呈现下降的趋势，团聚体的分散度下降，即有机大分子能够减弱混合溶液对团聚体的分散作用。

由于沼液成分的复杂性，利用沼液作为试验材料，无法定量控制各种沼液成分的含量，对试验结果会有一定的影响，这是本试验的不足之处。在今后进一步的研究中，可以定量模拟沼液中的主要成分，从而排除天然沼液复杂性对试验的影响。通过控制变量法和多元线性回归分析，研究沼液中各种不同主要成分对试验结果的影响，进而得出更加准确的结论。

4 结论

随着混合溶液中沼液用量的增加，>0.25mm团聚体含量、团聚体稳定率、平均质量直径和几何平均直径都呈现上升的趋势，分形维数呈现下降的趋势。水溶液以及离子对土壤团聚体具有冲击作用，使土壤团聚体破裂，土壤团聚体的破坏主要表现为破坏大团聚体，形成小团聚体，而有机大分子可以减弱团聚体的分散作用。随着混合溶液中有机物质的增加，土壤团聚体的水稳定性增加。

参考文献