1 引言(Introduction)

随着社会经济的快速发展，人口增长与城市化进程的不断推进，资源与环境问题日益突出，一方面工农业废弃物的不规范处置与管理，占用土地资源，并污染环境；另一方面可利用的资源有限，许多自然资源濒临枯竭，资源利用与人类社会的可持续发展已成为全世界关注的问题，发展循环经济，加强废弃物资源化利用已逐渐成为解决资源环境问题的有效途径.特别是近年来废弃物的农业资源化已成为国内外研究的热点(陈广银等，2012；董雪云等，2014)，主要包括其施加后对土壤肥力(张俊华，2014)、作物产量(许轲等，2015)和温室气体排放(张自常等，2015)的影响等，如吴俊松等(2015)研究表明水稻秸秆沟埋还田能明显增加土壤有机碳、酶活性和作物产量；赵学通等(2015)发现秸秆生物炭还田能显著提高土壤中的速效养分含量，改善亚热带葡萄园土壤理化性质等.此外，Ali等(2008)和Wang等(2014)研究表明炉渣的施加在减缓温室气体排放的同时，可增加土壤养分并提高水稻产量，但关于废弃物施加对表征土壤质量的团聚体组成及稳定性的影响的研究很少，有待进一步深入研究.

土壤团聚体是土壤结构的基本单元(Tisdall et al.，1982)，是土壤肥力的基础以及评价土壤质量的主要指标(Rattan et al.，2001；王丽等，2014).综观当前国内外研究进展，从生态系统类型来看，土壤团聚体的研究主要集中在林地和旱地农业土壤，而关于稻田土壤的研究相对较少.从研究内容来看，主要探讨了施肥(赵红等，2011)、耕作方式(武均等，2014)、种植年限(李摇玮等，2014)和土地利用变化(邱晓蕾等，2015)等对土壤团聚体组成及其稳定性的影响，但综合考虑多指标(DR_0.25、MWD、GMD和D)，探讨以工农业废弃物为土壤改良剂的物质施加对土壤团聚体组成及其稳定性的影响研究尚鲜见报道.

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，全球一半以上的人口以稻米为主食，同时它也是我国种植面积最大、单产最高、总产最多的粮食作物，我国水稻平均种植面积和总产分别占粮食作物面积和总产的28%和38%左右，在我国约有60%人口以稻米为主食.因此，水稻生产对保障我国粮食安全、稻农增收具有举足轻重的作用(朱德峰，2006)，以稻田为研究对象，开展废弃物对稻田土壤团聚体分布及其稳定性的影响研究具有重要的现实意义.

福建省是我国水稻种植的主要区域之一，近年来，受到酸雨影响较大，土壤酸化问题较为突出.因此，选择合适的土壤改良剂改良酸性土壤对于水稻的可持续生产具有重要意义.石膏、贝壳、生物炭、炉渣均是源于工农业生产中的废弃物，价格便宜，作为肥料和土壤改良剂的施加也是资源的有效再利用形式，对国民经济和环境保护来说都具有积极意义.与此同时，这些工农业废弃物均为碱性物质，预期可改良酸性稻田土壤，但其对稻田土壤团聚体分布及其稳定性的影响如何？尚不清楚.针对这一问题开展研究，对科学与综合评价工农业废弃物在稻田土壤改良应用中的有效性十分必要，与此同时，也可为广泛推广工农业废弃物在稻田管理中的应用提供重要的科学依据.

基于此，本研究以地处我国东南沿海福建省福州平原稻田为研究对象，研究石膏、贝壳、生物炭、炉渣4种工农业废弃物的施加对稻田土壤团聚体分布特征与稳定性的影响，以期为我国工农业废弃物资源化管理提供科学依据，该研究的开展也对水稻的可持续增产与保障粮食安全具有重要意义.

2 研究区与研究方法(Study area and methods) 2.1 研究区概况

研究区位于福州城郊南部，乌龙江的北岸，属亚热带海洋季风气候，年均气温19.6℃，无霜期长达325~330 d，年均降水量为1392.5 mm，蒸发量为1413.7 mm，相对湿度为77.6%，区内地貌主要为冲海积平原，地表平坦，海拔3~5 m，零星分布剥蚀丘陵地貌(陈世亮，2009).本实验区位于福建省仓山区盖山镇福建省水稻研究所吴凤综合实验基地(图 1，26.1°N，119.3°E)内(韩兰芝等，2009)，该实验基地共有红壤稻田7 hm²(马永跃等，2012).水稻田土壤耕作层全碳含量为(18.30±0.36)g·kg^-1、全氮含量为(1.75±0.06)g·kg^-1、全磷含量为(1.80±0.06)g·kg^-1，土壤粒径中砂粒、壤粒、粘粒比例分别为28%、60%和12%，土壤三价铁含量为3.18 g·kg^-1.实验区内主要实行早稻-晚稻-蔬菜的轮作制度.实验前对翻耕后的田地进行人工整平，以保持土壤的均一性.实验阶段选择早稻生长期，水稻栽培品种为江西省农科院研发的和盛10号.水稻于2014年4月16日机插移栽，2014年7月16日收割.其中机插采用春苗插秧机，株行距14 cm×28 cm，复合肥(N-P₂O₅-K₂O=16-16-16)和尿素(46%N)是本研究中的主要施加肥料，底肥在移栽前1 d施加，包括42 kg N·hm^-2、40 kg P₂O₅ hm^-2和40 kg K₂O·hm^-2，分蘖肥在移栽大约1周后施加，包括35 kg N·hm^-2、20 kg P₂O₅·hm^-2和20 kg K₂O·hm^-2，穗肥在大约8周后施加，包括18 kg N·hm^-2、10 kg P₂O₅·hm^-2和10 kg K₂O·hm^-2.水稻生长期水分管理采用传统的灌溉方式，即水稻前期实行水淹管理，水稻分蘖期后实行淹水-烤田-湿润灌溉相结合.

2.2 实验设计

在2014年4月16日到7月16日早稻生长季节，在实验区选择相对平整且人为干扰较少的水稻田，设置对照、石膏渣、贝壳、生物炭和炉渣5种处理，施加前各种废弃物过2 mm孔筛(Wang et al.，2015)，在水稻移栽前施加到实验田里，施加量均为8 t·hm^-2.其中，石膏渣主要含有SiO₂(0.7%)、CaO(43.1%)、SO₃(54.4%)、Fe₂O₃(0.4%)、MgO(0.5%)和K₂O(0.1%)，生物炭主要含有N(1.4%)、P(1.0%)、K(1.8%)、C(56.6%)、S(0.6%)、Mg(1.0%)、Ca(0.5%)和Fe(0.2%)，贝壳主要含有SiO₂(2.7%)、CaCO₃(94.3%)、SO₃(0.2%)、Fe₂O₃(0.3%)、P₂O₅(0.1%)、MgO(0.1%)和K₂O(0.1%)，炉渣主要含有SiO₂(27.7%)、CaO(35.7%)、SO₃(1.3%)、Fe₂O₃(6.2%)、P₂O₅(0.1%)、MgO(4.3%)和K₂O(2.7%).每个处理设置3个重复，共15个小区，随机区组排列，并用0.5 cm厚，30 cm高的PVC板隔离，防止水体和物质交换.

2.3 土样的采集与测定

土样的采集：在2014年7月16日水稻收获后，采集对照、石膏、贝壳、生物炭与炉渣样地0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层土壤，每个处理设置3个重复，共45个样品，装入自封袋，带回实验室挑去动植物残体、根系和石块后，置于阴凉通风处自然风干待用.

土样的测定：将土样置于套筛顶部(套筛孔径依次为2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm(Kemper et al，1986)，底部装有底盒)，在水中静置浸泡10 min，以30次·min^-1的速率在水中上下震荡2 min，将各级粒径的团聚体分别洗入烧杯中，烘干后称量，记为M_i.土壤养分含量的测定参考鲁如坤的方法(鲁如坤，1999)，容重采用环刀法，土壤pH值采用便携式pH计(STARTER 300，USA)测定.

2.4 土壤团聚体稳定性指标计算方法

稳定性团聚体含量计算，参考南京土壤所编制的土壤理化分析方法(中国科学院南京土壤研究所，1983).

(1)

(2)

即

(3)

其中，w_i为第i级团聚体质量所占的百分比，M_i为第i级水稳定性团聚体的质量，DR_0.25为>0.25 mm稳定性团聚体的含量.

平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GWD)，参考邱莉萍等(2006)推倒的公式确定：

(4)

(5)

式中，w_i为第i级团聚体质量所占的百分比，R_i是筛分出来的某一级别团聚体的平均直径，M_i是第i级团聚体的质量.

分形维数(D)参考杨培岭等(1993)推倒的公式确定：

(6)

两边同时取对数，可得:

(7)

其中，R_i是筛分出来第i级团聚体的平均直径，M_T是各个粒级团聚体的总质量，R_max是团聚体的最大粒径，M(r < R_i)是粒径小于R_i的团聚体的质量.

2.5 数据处理与分析

运用Microsoft Excel 2003、Origin 8.0和SPSS 19.0统计分析软件对测定数据进行整理与分析.其中，原始数据的平均值及标准差的计算采用Microsoft Excel 2003软件，采用Origin 8.0软件进行作图，废弃物施加后土壤团聚体DR_0.25、MWD、GMD和D差异性分析检验均采用SPSS 19.0的单因素方差分析方法进行分析，利用Pearson相关性分析，对土壤团聚体各粒级含量及其各稳定性参数进行相关性分析.

3 结果与分析(Result and analysis) 3.1 废弃物施加对土壤团聚体分布特征的影响

从图 2可以看出，5种处理团聚体百分含量均以 < 0.25 mm和0.25~0.5 mm粒级为主，0.5~1 mm粒级次之，1~2 mm粒级含量最少；不同粒级团聚体含量呈现随粒径增大而减小的趋势；随深度增加团聚体的分布整体均呈现 < 0.25 mm粒级团聚体含量显著增加，0.25~0.5 mm粒级、0.5~1 mm粒级和1~2 mm粒级团聚体含量显著减少的趋势.

在0~10 cm土层中，施加石膏与对照各粒级团聚体含量差异很小；施加贝壳处理与对照相比， < 0.25 mm和0.25~0.5 mm粒级团聚体分别减少了24.11%和8.24%，0.5~1 mm和1~2 mm粒级团聚体分别增加了56.21%和163.9%；与对照相比，施加生物炭处理中， < 0.25 mm粒级团聚体减少18.27%，其他3个粒级团聚体分别增加了11.06%、21.17%和16.54%；施加炉渣较对照， < 0.25 mm粒级团聚体减少10.81%，其他3个粒级团聚体分别增加了8.04%、3.49%、37.51%.

在10~20 cm土层中，与对照相比，施加石膏处理中， < 0.25 mm粒级团聚体减少14.41%，其他3个粒级团聚体分别增加10.40%、20.68%和23.51%；施加贝壳较对照 < 0.25 mm粒级团聚体减少了37.17%，其他3个粒级团聚体分别增加了27.02%、50.66%和69.95%；与对照相比，施加生物炭处理中， < 0.25 mm粒级团聚体减少21.83%，其他3个粒级团聚体分别增加了7.32%、51.19%和25.96%；与对照相比，施加炉渣处理中， < 0.25 mm粒级团聚体减少22.22%，其他3个粒级团聚体分别增加了27.12%、15.20%和3.14%.

在20~30 cm土层中，与对照相比，施加石膏处理中， < 0.25 mm粒级团聚体减少25.54%，其他3个粒级团聚体分别增加6.33%、66.97%和77.03%；与对照相比，施加贝壳处理中， < 0.25 mm粒级团聚体减少了43.02%，其他3个粒级团聚体分别增加了30.66%、74.82%和68.85%；与对照相比，施加生物炭处理中， < 0.25 mm和0.25~0.5 mm粒级的团聚体分别增加了0.06%和4.68%，0.5~1 mm和1~2 mm粒级的团聚体分别减少11.32%和13.63%；与对照相比，施加炉渣处理中， < 0.25 mm粒级团聚体减少29.35%，其他3个粒级团聚体分别增加了19.14%、59.38%和31.16%.

3.2 废弃物施加对水稻田土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体DR_0.25、平均质量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标，其值越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强.本研究采用不同处理不同深度土壤团聚体DR_0.25、MWD和GMD作为评价土壤团聚体稳定性的参数.从表 1可以看出，废弃物的施加对土壤团聚体稳定性的影响差异显著(p < 0.05)，施加石膏、贝壳、生物炭和炉渣后，水稳定性团聚体DR_0.25、MWD和GMD均有不同程度的增大，并且本实验中作用程度贝壳>炉渣>石膏>生物炭；施加石膏条件下DR_0.25、MWD和GMD较对照分别增加了12.76%、12.13%和12.17%，施加贝壳条件下DR_0.25、MWD和GMD较对照分别增加了32.65%、31.83%和33.86%，施加生物炭条件下DR_0.25、MWD和GMD较对照组分别增加了12.07%、9.32%和11.70%，施加炉渣条件下DR_0.25、MWD和GMD较对照分别增加了19.70%、13.59%和18.10%.分形维数D也是反应土壤团聚体稳定性的常用指标，分形维数越小则团粒结构越好、结构越稳定.废弃物施加条件下，土壤团聚体分形维数为2.13～2.56，与对照相比，施加石膏、贝壳、生物炭和炉渣后土壤团聚体分形维数均呈现减小的趋势，分别减少了4.02%、11.65%、4.37%和4.35%，说明废弃物的施加均不同程度的增强了团聚体的稳定性.同时不同土层间的土壤团聚体分形维数存在差异，0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层平均分形维数分别为2.36、2.51、2.53，随土层深度的增加呈递增趋势.

3.3 土壤团聚体各粒级含量与各稳定性参数的相关性

利用Pearson相关性分析，评价土壤团聚体各粒级含量及其各稳定性参数之间的关系，结果见表 2.其中，DR_0.25、MWD和GMD分别与 < 0.25 mm粒级团聚体呈极显著负相关，与0.25~0.5 mm、0.5~1 mm和1~2 mm粒级团聚体呈极显著正相关；D与 < 0.25 mm粒级团聚体呈极显著正相关，0.25~0.5 mm、0.5~1 mm和1~2 mm粒级团聚体含量呈极显著负相关.土壤团聚体稳定性参数MWD、GMD与DR_0.25极显著正相关；D与DR_0.25呈极显著负相关.

3.4 废弃物施加对水稻田土壤理化性质的影响

从图 3可以看出4种废弃物石膏、贝壳、生物炭和炉渣的施加均显著提高了土壤pH(p < 0.05)，生物炭施加显著增加了土壤有机质含量(p < 0.05)，石膏施加显著提高了土壤全磷含量(p < 0.05)，生物炭和炉渣施加显著增加了土壤有效硅含量(p < 0.05).虽然废弃物的施加对土壤全氮以及土壤容重也产生一定的影响，但其变化均未达到显著差异水平.

4 讨论(Discussion) 4.1 废弃物施加对团聚体组成与稳定性的影响

影响土壤团聚体含量和稳定性的内在因素是形成土壤团聚体的胶结物质的数量与性质，土壤团聚体的主要胶结剂包括有机胶结物质(有机残体和菌丝等粗有机质)、无机胶结物质(铁、铝氧化物和氢氧化物，以及二氧化硅和碳酸钙等)(Barral et al.，1998)和有机无机复合体(章明奎和何振立，1997).此外，微生物的活性与数量也对土壤团聚体的含量与稳定性具有重要影响.本研究显示石膏施加增强了土壤团聚体稳定性，这主要是因为石膏主要成分为CaSO₄，其施加后，土壤中钙离子能抑制土粒分散，通过替换粘粒或团聚体中的Na⁺和Mg²⁺将已破坏的团聚体再次结合在一起，从而提高大团聚体的数量，增强团聚体稳定性(Armstrong et al.，1992；任振江等，2011)，这与孙毅等(2001)的研究结果一致.

此外，由于福建土壤偏酸性(陈穗玲等，2014)，本研究中，石膏施加后土壤pH升高，姜瑜(2007)在研究中发现土壤pH的升高有利于增加微生物数量与活性，从而有利于有机胶结物质的形成，增加大团聚体的数量与稳定性，这与何云峰等(1998)的研究结果一致.贝壳施加同样增强了稻田土壤团聚体稳定性，因为贝壳主要成分是碳酸钙，碳酸盐可使土壤有机碳的矿化度降低(Clough et al.，2000)，从而增加作为团聚体形成的重要胶结物质土壤有机质在土壤中的存量，进而促进土壤大团聚体的形成(郭玉文等，2004)，提高土壤团聚体稳定性(Boix-Fayos et al.，2001).此外，贝壳由于主要成分是碳酸钙，其施加后能增加土壤中Ca²⁺含量，进而构建阳离子桥来增加团聚体数量，这一点与施加石膏提高土壤团聚体数量与稳定性机理一致.生物炭施加增强了稻田土壤团聚体稳定性，主要原因如下，第一，福建土壤偏酸性(陈穗玲等，2014)，生物炭为碱性物质，在本研究中，其施加后增加了土壤pH，这将提高微生物数量与活性，进而促进大团聚体的形成，增强土壤团聚体稳定性；第二，生物炭含有丰富的碳水化合物、长链烯烃等有机大分子，可以与土壤中的矿物质形成有机无机复合体，促进土壤大团聚体的形成，并提高团聚体稳定性(李文军等，2014；尚艺婕等，2015)；此外，有机胶结剂特别是土壤有机质是促成团聚体形成的主要胶结剂(Bronick et al.，2005)，本研究中，生物炭的施加显著增加了作为土壤团聚体促成剂的有机质含量，从而进一步增强了团聚体稳定性.炉渣的施加增强了稻田土壤团聚体稳定性，首先其施加后CaO和MgO的溶解，释放出OH^-，作为碱性施加物可以提高酸性土壤中的pH，因此施加炉渣可通过提高微生物的活性与数量，促成大团聚体的形成，并增强土壤团聚体稳定性.其次，还可以通过化学或物理吸附形成团粒结构，增加土壤大团聚含量，提高土壤团聚体稳定性.此外，施加炉渣还可以促进Al(OH)₃和Fe(OH)₃等团聚体形成的胶结物质沉淀的生成(刘鸣达等，2001)，并且在pH为4~10范围内，随土壤pH升高Al(OH)₃和Fe(OH)₃的吸附作用增强，增加促成团聚体形成的铁铝物质的含量，促进土壤大团聚体的形成，并增强土壤团聚体的稳定性.

此外，在本研究中，表征土壤团聚体稳定性的DR_0.25、平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)以及分形维数(D)对于石膏渣、生物炭、贝壳与炉渣施加后对土壤团聚体稳定性的影响均表现为废弃物施加增加了稻田土壤团聚体的稳定性，从以上参数的相关性中也可发现，DR_0.25与平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)之间存在极显著的正相关，而与分形维数(D)呈现极显著的负相关(表 2).鉴于此，在今后的研究中，考虑到工作量的问题，可以直接用土壤大团聚体含量(DR_0.25)来表征稻田土壤团聚体稳定性.

4.2 土壤深度对团聚体组成与稳定性的影响

本研究中，团聚体的分布表现为稳定性团聚体含量(DR_0.25)、平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)均随土层的加深而减小，这与李文军等(2014)的研究结果一致，分形维数(D)表现为随土层深度加深而增大，这与王丽(2014)等的研究结果一致.可见随深度增加土壤团聚作用减弱，团聚体稳定性降低.在本研究中团聚体稳定性随着土壤深度的变化稳定性降低主要是由以下几方面原因：第一，与土壤大团聚体数量的形成和土壤稳定性呈正相关关系的主要胶结剂土壤有机质(王清奎等，2005；Bronick et al.，2005)含量都随着土壤深度的增加而降低(何淑勤等 2009；吴俊松等，2015；宁丹丽，2005)，进而促使土壤的团聚作用减弱，稳定性降低有关；第二，土壤微生物(真菌、细菌和放线菌)的变化也与大团聚的形成和稳定性表现出相同的变化趋势(李娜等，2013)，邱珊莲等(2012)研究表明随土层的加深，土壤中的细菌、真菌和放线菌的数量均呈减少趋势，这也使得形成团聚体的有机胶结物质随着土层的增加而减少，土壤的团聚作用减弱，大团聚体的数量减少，团聚体的稳定性降低；第三，金属氧化物也对团聚体的形成和土壤稳定性具有正效应，主要是由于铁、铝氧化物表面有较多的OH^-、OH₂、OH₃⁺等基团，包被在粘土矿物表面后，能使粘土矿物表面拥有大量可与有机和无机离子交换和配位的基团使得的铁、铝氧化物成为有机和无机阴阳离子的有效吸附剂(谭文峰等，2007)，此外，铁、铝氧化物增强团聚体的稳定还与铁铝在土壤溶液中可充当絮凝剂，或充当粘粒和有机分子的胶结剂，或作为凝胶在粘粒表面沉淀(Goldeberg et al.，1987)有关，在水稻田表层土壤中，由于水稻根系的分布以及水土交界面氧化层的存在，使得铁铝氧化物表层(0~10 cm)含量较高，而在相对深层(20~30 cm)土壤，处于犁耕层以下(本研究样地犁耕层一般为0~15 cm)，长期处于厌氧环境，使得铁铝氧化物含量较低，最终形成了本研究中土壤团聚体分布呈现出随土层加深含量减少稳定性降低的趋势.

5 结论(Conclusions)

1) 对照、石膏、贝壳、生物炭和炉渣处理中0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层团聚体分布均以 < 0.25 mm和0.25~0.5 mm粒级为主，0.5~1 mm粒级次之，1~2 mm粒级最少；随土层深度的增加 < 0.25 mm粒级的微团聚体含量增加，>0.25 mm粒级的大团聚体含量减少；土壤的团聚作用和团聚体的稳定性随土层加深而减弱.

2) 石膏、贝壳、生物炭和炉渣施加后0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层均表现为 < 0.25 mm粒级微团聚体的含量显著减少，0.25~0.5 mm、0.5~1 mm和1~2 mm粒级团聚体的含量显著增加，其中施加贝壳的作用程度最大.

3) 石膏、贝壳、生物炭和炉渣施加后，土壤团聚体DR_0.25、MWD和GMD较对照组均显著增加，D显著减小，石膏、贝壳、生物炭和炉渣的施加均可增加水稻田土壤水稳定性团聚体的含量和稳定性，并且随土层深度的加深，作用程度逐渐减弱.

(4) DR_0.25、MWD和GMD分别与 < 0.25 mm粒级团聚体呈极显著负相关，与0.25~0.5 mm、0.5~1 mm和1~2 mm粒级团聚体呈极显著正相关；D与 < 0.25 mm粒级团聚体呈极显著正相关，0.25~0.5 mm、0.5~1 mm和1~2 mm粒级团聚体含量呈极显著负相关.

致谢: 本研究在野外采样和室内分析过程中得到福建师范大学湿地研究中心纪钦阳、安婉丽和刘小慧同学的帮助, 在资料收集过程中得到南京农业大学农业资源与生态环境研究所程琨老师的帮助, 在此一并表示深深地感谢！