【研究意义】塿土主要分布于我国秦岭北麓，是在黄土发育而成的褐土上经长期的施肥耕作，最终堆积增厚而成的一种土壤，在关中平原分布广泛。塿土一般呈碱性，有机质含量较低，仅13 g/kg左右，因此，对塿土进行有效培肥十分必要。【前人研究进展】目前，关于塿土施肥的研究已有报道。赵聪等研究了不同施肥方式对于塿土氮素分布的影响，研究结果表明，施用低量有机肥或者与低量化肥配施的处理增加了土壤中有效氮素的含量，同时也不会引起硝态氮向下淋溶危害生态环境［1］。杨学云等通过长期施肥对塿土磷素状况的影响研究发现，施用化肥可提高土壤全磷、速效磷含量，施用有机肥可在一定程度上提高土壤有机磷含量［2］。也有研究发现有机肥与化肥的合理配合施用，既补充了有机碳源又改善了土壤物理性状，长期施用，可使土壤维持在较高的潜在肥力水平，提高作物增产的幅度［3］。李婕等研究发现长期有机肥施用和秸秆还田可提升塿土大团聚体的含量［4］。
【本研究切入点】提升塿土肥力的方法有秸秆还田和增施有机肥等，其中秸秆还田对土壤的养分供应相对有限。牛粪是传统的优质有机肥料，可用于提升土壤有机质和土壤养分含量［5］；蚓粪作为一种新型的有机肥，富含有机质，有利于土壤团粒结构的形成，同时含有丰富的氮、磷、钾等多种养分元素，还有利于土壤微生物的生长和繁殖，促进植物根系发育，提升作物产量［6-9］，已引起了国内外的广泛关注。【拟解决的关键问题】目前关于蚓粪的研究大多集中在对南方酸性土壤的改良培肥或者土壤的污染修复等方面，而关于蚓粪对碱性土壤的培肥改良研究报道较少，同时关于蚓粪对塿土土壤肥力提升的研究甚少。因此，本研究通过在塿土中分别施加不同比例的蚓粪、牛粪，通过室内物候箱培养试验，分析和对比培养前后塿土土壤肥力特征的变化，探索和揭示塿土有效的培肥方式，以期为塿土的改良培肥研究提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试土壤采自陕西省西安市鄠邑区柿园村（108°36′E，34°1′N），为杂草覆盖撂荒的土地，为黄土发育而成的塿土，供试土壤3年内无施肥等农艺措施。采样深度为0～10 cm，风干、分别过2、0.149 mm筛后备用。供试土壤的基本理化性质见表1。
供试牛粪：将新鲜牛粪放置于贮粪池内，压实并用塑料薄膜覆盖，发酵1个月，使牛粪充分腐熟［10］。将上步骤所得的部分物料，进行自然风干并研磨，过2 mm筛，备用［11］。
供试蚓粪的制备：按照1 kg牛粪加入100条赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）的添加比例，向堆沤完成的饱和含水量为60%的牛粪中接种健康活泼、大小一致的蚯蚓。然后，将加有蚯蚓的牛粪在室温条件下培养2个月，使所有牛粪经过蚯蚓充分消化，然后分离蚯蚓和消化后的蚓粪［6］。将所得的蚓粪自然风干、研磨，过2 mm筛，备用。
牛粪与蚓粪的基本理化性质见表1。
1.2 试验方法
试验采用单因素试验设计，牛粪、蚓粪施用水平分别为5%、10%、20%、25%，共设 9个处理，分别为：LT（100%土壤）为不施肥的对照，YF1（5%蚓粪+95%土壤）、YF2（10%蚓粪+90%土壤）、YF3（20%蚓粪+80%土壤）、YF4（25%蚓粪+75%土壤）为蚓粪处理，NF1（5%牛粪+95%土壤）、NF2（10%牛粪+90%土壤）、NF3（20%牛粪+80%土壤）、NF4（25%牛粪+75%土壤）为牛粪处理，每个处理3次重复。按照设计用量，分别将蚓粪和牛粪作为基肥，与土壤按比例混匀装入500 mL底部无孔的广口瓶中，将扎有小孔的透明薄膜覆于广口瓶口。试验于2018年10月8日至12月7日（共60 d）在陕西师范大学地理科学与旅游学院实验室内进行。试验期间不进行追肥，但需保持瓶内土壤饱和含水量为60%～80%。试验完成后，将广口瓶内土壤自然风干并研磨，其中一部分土壤过2 mm筛，另一部分过0.149 mm筛，备用。
表1 供试牛粪、蚓粪和土壤的基本理化性质
Table 1 Basic physicochemical properties of cattle manure, earthworm cast and soil
有效磷Available P （mg/kg）土壤 Soil 8.08 13.0 0.88 0.46 24.6 14.8 17.8牛粪Cattle manure 7.30 407 25.0 9.88 8.54 165 929蚓粪Earthworm cast 7.18 484 19.7 11.8 8.69 146 970 Material pH 有机质Organic matter（g/kg）材料全氮Total N（g/kg）全磷Total P（g/kg）全钾Total K（g/kg）铵态氮Ammonium N (mg/kg)
1.3 土壤样品测定方法
采用电位法按水土质量比2.5∶1，测定土壤pH值，采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量，采用凯式定氮法测定全氮含量，采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定全磷含量，采用NaOH熔融-火焰光度法测定全钾含量，采用NH4F-HCl钼锑抗比色法测定有效磷含量，采用连续流动分析仪AA3检测法测定铵态氮含量［12］。
试验数据使用SPSS Statistics 21分析软件进行方差分析和多重比较（Duncan’s），通过SPSS Statistics 21和R软件（3.0.2）对土壤肥力特性各项指标进行主成分分析和判别分析。
2 结果与分析
2.1 不同比例牛粪对塿土土壤肥力特性的影响
从表2可以看出，牛粪各处理塿土土壤有机质、全氮、全磷、铵态氮及有效磷含量均随着牛粪施入量的增加而显著升高，全钾含量则随着牛粪施入量的增加而显著减少。与对照（LT）相比，牛粪NF1、NF2、NF3、NF4处理土壤有机质含量分别提高129%、286%、635%和659%（P＜0.001），全氮含量分别提高79%、112%、370%和393%（P＜0.01），全磷含量分别提高174%、432%、846%和1134%（P＜0.01），铵态氮含量分别提高63%、82%、120%和254%（P＜0.05），有效磷含量分别提高669%、992%、1293%和1568%（P＜0.05）。NF1～NF4处理土壤pH值均低于LT对照，随着牛粪施入量的增加呈现出下降的趋势，但处理间无显著差异。
表2 塿土中各牛粪处理的土壤肥力特征
Table 2 Fertility characteristics of cattle manure treatments in Lou soi
注：同列数据后小写英文字母不同者表示差异显著。
Note：Different lowercase letters in the same column represent significant difference.
有效磷Available P （mg/kg）LT 8.03 16.5 ± 0.8 d 1.06 ± 0.05 e 0.30 ± 0.08 e 24.4 ± 0.3 a 16.9 ± 0.7 e 31.8 ± 3.8 e NF1 8.00 37.7 ± 4.3 c 1.90 ± 0.21 d 0.83 ± 0.52 d 23.0 ± 0.5 b 27.5 ± 1.3 d 245 ± 4 d NF2 7.88 63.6 ± 4.3 b 2.25 ± 0.47 c 1.61 ± 0.11 c 22.5 ± 0.2 b 30.7 ± 0.1 c 348 ± 10 c NF3 7.61 121 ± 12 a 5.00 ± 0.27 b 2.86 ± 0.12 b 21.3 ± 0.4 c 37.1 ± 1.1 b 443 ± 8 b NF4 7.82 125 ± 5 a 5.25 ± 0.46 a 3.73 ± 0.14 a 21.0 ± 0.5 c 59.7 ± 0.9 a 531 ± 11 a处理Treatment pH有机质Organic matter（g/kg）全氮Total N （g/kg）全磷Total P （g/kg）全钾Total K （g/kg）铵态氮Ammonium N (mg/kg)
2.2 不同比例蚓粪对塿土土壤肥力特性的影响
从表3可以看出，蚓粪各处理土壤有机质、全氮、全磷、铵态氮及有效磷含量均随着蚓粪施入量的增加而显著升高。与对照（LT）相比，蚓粪YF1、YF2、YF3、YF4处理土壤有机质含量分别提高136%、264%、507%和646%（P＜0.01），全氮含量分别提高52%、123%、249%和335%（P＜0.01），全磷含量分别提高79%、263%、656%和905%（P＜0.01），铵态氮含量分别提高30%、41%、187%和239%（P＜0.01），有效磷含量分别提高554%、870%、1145%和1343%（P＜0.05）。YF1～YF4处理土壤pH值均低于LT对照，但处理间无显著差异。
表3 塿土中各蚓粪处理的土壤肥力特征
Table 3 Fertility characteristics of earthworm cast treatments in Lou soil
注：同列数据后小写英文字母不同者表示差异显著。
Note：Different lowercase letters in the same column represent significant difference.
有效磷Available P （mg/kg）LT 8.03 16.5 ± 0.8 e 1.06 ± 0.05 e 0.30 ± 0.08 e 24.4 ± 0.3 a 16.9 ± 0.7 e 31.8 ± 3.8 e NF1 7.79 38.8 ± 1.0 d 1.62 ± 0.30 d 0.54 ± 0.02 d 22.4 ± 0.1 b 21.9 ± 0.7 d 208 ± 3 d NF2 7.75 60.0 ± 4.5 c 2.38 ± 0.21 c 1.10 ± 0.06 c 22.2 ± 0.3 b 23.7 ± 0.7 c 309 ±15 c NF3 7.94 100 ± 3 b 3.72 ± 0.24 b 2.28 ± 0.26 b 21.1 ± 0.3 c 48.3 ± 1.0 b 396 ± 5 b NF4 7.84 123 ± 3.0 a 4.63 ± 0.23a 3.04 ± 0.05a 20.3 ± 0.3 d 57.1 ± 0.6 a 459 ± 4 a处理Treatment pH有机质Organic matter（g/kg）全氮Total N （g/kg）全磷Total P （g/kg）全钾Total K （g/kg）铵态氮Ammonium N (mg/kg)
2.3 试验土壤的理化性质多元数据分析
2.3.1 牛粪各处理土壤理化性质主成分分析如图1所示，牛粪各处理主成分分析第一主成分（AX1）与第二主成分（AX2）的累计方差贡献率达93.3%，可以反映牛粪不同处理土壤理化指标的大部分信息。由主成分载荷图（图1A）可知：第一主成分的累计方差贡献率为72.6%，分别与全钾、有效磷、有机质、全氮和铵态氮相关，且各变量之间关系密切；第二主成分的方差贡献率为20.7%，主要与pH值和全磷有关。由主成分得分图（图1B）可知：牛粪各处理之间的差异达到极显著水平（P＜0.001），且处理间的差异主要来源于第一主成分。处理LT、NF1和NF2较明显地偏向pH值和全磷较高的方向，而处理NF3和NF4则偏向有效磷、有机质、全氮和铵态氮较高的方向。在主成分得分图（图1B）中，牛粪各处理按5%、10%、20%和25%的添加比例排序，且随着添加比例的升高，对应处理的土壤肥力随之升高，添加25%的牛粪有利于塿土中有效磷、有机质、全氮和铵态氮含量的提升。
图1 牛粪各处理土壤理化性质主成分分析
Fig.1 Principle component analysis of soil physicochemical properties of different cattle manure treatments
2.3.2 蚓粪各处理土壤理化性质主成分分析如图2所示，蚓粪各处理主成分分析第一主成分和第二主成分的累计方差贡献率达到99.4%，可以反映蚓粪不同处理土壤理化指标的大部分信息。其中第一主成分的累计方差贡献率为94.7%，分别与有机质、全氮、全钾、有效磷、全磷和铵态氮有关，且各变量间关系密切；第二主成分的方差贡献率为4.7%，主要是与pH值有关。由主成分得分图（图2B）可知：蚓粪各处理之间的差异达到极显著水平，各处理之间的差异主要来源于第一主成分。处理LT、YF1和YF2明显偏向pH值较高的方向，而处理YF3和YF4则偏向有机质、全氮、有效磷、全磷和铵态氮较高的方向。蚓粪各处理按5%、10%、25%和20%的添加比例排序，且随着添加比例的升高，对应处理土壤中的肥力随之升高，YF3则在各处理中最高。在塿土中施用20%蚓粪有助于提高土壤中有机质、全氮、有效磷、全磷和铵态氮含量。
图2 蚓粪各处理土壤理化性质主成分分析
Fig.2 Principle component analysis of soil physico chemical properties of different earthworm cast treatments
3 讨论
3.1 施用牛粪对塿土土壤肥力的影响
作为一种丰富的有机肥资源，牛粪富含有机质、氮、磷和钾等养分元素。本研究中，向塿土施入牛粪，塿土的养分含量能得到显著提高，其全磷含量达到施用前的4倍，有效磷含量则达到6倍及以上。可见，施用牛粪能有效提升塿土的土壤肥力，对塿土次生盐渍化、板结及肥力下降等问题具有一定的改善作用。有研究表明，一次性施入不同比例的牛粪不仅能有效减轻果农的劳动强度，还能有效提升土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量［5］。有研究指出，添加牛粪后，土壤有机质含量均高于30.0 g/kg；土壤速效磷含量在10～15 mg/kg之间，速效钾含量均在150 mg/kg以上，碱解氮含量在141～263 mg/kg之间［13］。本研究施入牛粪后塿土中有机质含量为37～125 g/kg，全氮含量为1.9～5.25 g/kg，均达到较丰富的水平，同时明显降低了塿土的pH值。综上，施入牛粪能显著提升土壤中有效磷、有机质、全氮和铵态氮含量，其中以25%牛粪的提升效果最好。
3.2 施用蚓粪对塿土土壤肥力的影响
有研究表明，蚓粪不仅富含养分，还含有大量有益微生物和植物激素，可作为园林花卉等植物的生物有机肥料，能明显提高和改善作物的产量和品质［6］。本研究中蚓粪的有机质、全氮、全磷和有效磷含量较高，将蚓粪作为有机肥施入塿土后，各处理有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量都随着蚓粪施加量的增加而显著提升，说明蚓粪的施入可显著提高塿土的养分含量，同时降低其pH值，改善塿土的肥力状况和酸碱性［14-23］。此外，本研究结果表明，对于同一混合比例的蚓粪和牛粪，蚓粪处理土壤养分含量如有效磷、铵态氮均高于牛粪处理，且随着有机物料比例的提升，蚓粪和牛粪处理土壤养分含量差异更大，因此相比于牛粪处理，施入蚓粪对塿土养分含量的提升效果更好，尤其是20%的蚓粪。另外，蚓粪对碱性土壤的酸碱性也有一定的调节作用。在当前畜禽养殖总量和畜禽养殖废弃物不断扩大的形势下，利用蚯蚓处理养殖业废弃物，经过蚯蚓的消化作用将其转化为具有优良物理、化学和生物特性的蚓粪，并将其作为一种环境友好有机肥料用于培肥土壤，提高土壤肥力，对推进畜禽养殖废弃物资源化利用和加强农业面源污染防治、改善生态环境、发展绿色农业具有重要意义。
4 结论
本研究结果表明，蚓粪和牛粪均能显著提升塿土的土壤肥力，尤其是20%蚓粪和25%牛粪的提升效果较好。蚓粪在提升土壤肥力方面具有很大应用推广价值。
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