菌糠与有机肥对设施土壤有机碳库和团聚体稳定性的影响

Effects of spent mushroom substrate and organic fertilizer on soil organic carbon storage and aggregate stability in facility soil

摘要

为探究菌糠与有机肥配施对设施土壤有机碳库和团聚体稳定性的影响，以设施辣椒土壤为研究对象，设置空白对照（CK）、单施菌糠（JK）、低量菌糠与有机肥配施（LKF）、中量菌糠与有机肥配施（MKF）和高量菌糠与有机肥配施（HKF）等5个处理。研究结果表明，MKF处理在0~<15 cm和15~30 cm的两个土层下的土壤有机碳（SOC）含量较CK高出25.7%和52.3%，而可溶性有机碳（DOC）分别高出38.7%和39.6%。JK、LKF和HKF处理在0~<15 cm土层的固碳潜力分别达到0.38、2.05、2.78和3.05 t·hm^-2，在15~30 cm土层下JK、LKF、MKF和HKF处理的固碳潜力依次为0.22、1.67、4.30和2.23 t·hm^-2。4个菌糠与有机肥配施处理均显著提高了土壤平均重量直径（D_MW）和几何平均直径（D_GM）。相关性分析表明，有机碳与有机碳储量、固碳潜力之间呈现极显著的正相关关系。综上，中量菌糠与有机肥配施（MKF）可显著提升设施土壤有机碳储量、固碳潜力及团聚体稳定性，为黄土高原设施土壤地力培育提供有效的最优策略。

Abstract

To investigate the effects of spent mushroom substrate and organic fertilizer on the soil organic carbon storage and aggregate stability in greenhouse soil. Five treatments were established： Control （CK）， single application of spent mushroom substrate （JK）， low rate of spent mushroom substrate and organic fertilizer （LKF）， medium rate of spent mushroom substrate and organic fertilizer （MKF）， and high rate of spent mushroom substrate and organic fertilizer （HKF）. Results showed that the content of soil organic carbon （SOC） in MKF treatment was 25.7% and 52.3% higher in the 0~<15 cm and 15~30 cm soil layers. Compared with CK and the content of dissolved organic carbon （DOC） increased by 38.7% and 39.6%， respectively. The carbon sequestration potential of the JK， LKF， and HKF treatments in the 0~<15 cm soil layer were 0.38， 2.05， 2.78， and 3.05 t·hm^-2， respectively. The carbon sequestration potentials of the JK， LKF， MKF， and HKF treatments in the 15~30 cm soil layer were 0.22， 1.67， 4.30， and 2.23 t·hm^-2， respectively. Four combining spent mushroom substrate and organic fertilizer significantly increased the mean weight diameter （D_MW） and geometric mean diameter （D_GM） of soil aggregates. Correlation analysis indicated that organic carbon showed a highly significant positive correlation with organic carbon storage and carbon sequestration potential. In summary， the combined application of medium grade spent mushroom substrate and organic fertilizer （MKF） can significantly enhance the organic carbon storage， carbon sequestration potential， and aggregate stability of greenhouse soils， providing an effective and optimal strategy for improving soil fertility in greenhouse soils on the Loess Plateau.

Graphical abstract

关键词

设施土壤 / 有机碳库 / 团聚体 / 平均重量直径 / 固碳潜力

Key words

greenhouse soil / organic carbon storage / aggregate / mean weight diameter / carbon sequestration potential

设施蔬菜生产在中国现代农业中占据重要地位，其在保障城乡居民蔬菜周年供应、提高土地利用效率和单位面积产出方面具有不可替代的作用^［1］。然而，在设施农业在快速发展的同时，农民盲目追求蔬菜的经济效益和产量，过量和不合理施肥成为常用的施肥方式。此外，设施农业高强度、连续化的生产方式使土壤质量问题日益凸显。

黄绍文等^［3］基于中国578个设施蔬菜的实地调研发现，当前肥料投入严重超标，平均施用量高达推荐标准的1.9倍。这种肥料利用的失衡不仅导致肥料资源浪费、利用效率低下，更诱发了土壤有机碳含量与稳定性下降以及土壤生物学功能退化^［4］。因此，设施土壤优化的核心目标在于强化有机碳的持久固存、调节微生物群落结构并提升土壤综合生产力。

土壤有机碳作为土壤生态系统的核心组成部分，其赋存形态、含量和稳定性直接决定了设施土壤碳汇功能。土壤团聚体作为有机碳的主要存储载体，团聚体的形成与稳定是决定有机碳固定的关键因素之一，从而维持碳库的长期稳定性^［7-8］。现有研究表明，单一施用传统有机肥虽然能短期内提升土壤有机质含量，但在高温高湿的设施土壤环境下，其分解速率过快且难以形成长期稳定的腐殖质与矿物复合体，对大团聚体的胶结作用有限^［9-11］。相比之下，菌糠作为食用菌产业的农业废弃物，富含丰富的纤维素、半纤维素及木质素且含有具备缓慢释放特性^［12］。菌糠中的菌丝体网络可作为天然的土壤“生物胶结剂”，从而为土壤有机碳提供更强的物理保护^［13］。然而，当前关于大多数研究多集中于单一有机肥或化肥减施效应^［14-15］，对于有机肥与缓效性菌糠配施如何协同驱动土壤团聚体演变，进而对土壤有机碳库影响机制尚缺乏系统深入的理论阐释。

本研究以陕西省安塞区设施辣椒土壤为研究对象，探究菌糠与有机肥对设施土壤有机碳储量和团聚体稳定性的影响，旨在为中国黄土高原地区设施农业区土壤地力培育、有机碳库优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域地位于安塞区高桥镇田间试验基地（北纬36°38'E，东经109°16'N）中进行。土壤主要类型为砂黄绵土，试验初期耕层土壤基本理化性质为持水率为18.4%，pH值为8.1，有机质含量为8.2 g·kg^-1，全氮含量为0.6 g·kg^-1，碱解氮含量为66.3 mg·kg^-1，有效磷含量为14.5 mg·kg^-1，速效钾含量为99.8 mg·kg^-1，耕作层土壤平均干容重1.3 g·cm^-3。

1.2 供试材料

供试辣椒品种为延安大学纯系8号。供试蘑菇废基菌糠在去除塑料膜后收集成菌渣，其养分平均含量为氮含量1.98%、磷含量0.87%、钾含量1.54%。生物有机肥由陕西鄜州神鹿有限公司生产，其中有效活菌数≥2亿/克且有机质≥45%，所有肥料作为基肥在辣椒播种前一次性施入。

1.3 试验设计

试验开展于2024和2025年3月下旬在温室大棚中进行移栽定植，塑料拱棚结构长30 m、宽8 m，温度控制在20 ℃~25 ℃。采用地膜覆盖双株栽培种植技术，行距70 cm、株距40 cm。本试验采用随机区组设计，设有5个处理浓度，涉及绿肥与蘑菇残渣的施用：CK（对照，空白）、JK（1 800 kg·hm^-2菌糠）、LKF（1 200 kg·hm^-2菌糠和1 500 kg·hm^-2有机肥，低量处理）、MKF（1 800 kg·hm^-2菌糠和3 000 kg·hm^-2有机肥，中量处理）、HKF（2 400 kg·hm^-2菌糠+4 500 kg·hm^-2有机肥，高量处理）。每个处理重复3次。试验开始前，对菌糠进行粉碎处理，并根据各处理要求将菌糠与有机肥均匀撒施于土壤表面，再利用微耕机混入0~30 cm土壤下，使物料与土壤充分融合。播种前，各处理统一施入氮肥（N）135 kg·hm^-²、磷肥（P₂O₅）80 kg·hm^-²和钾肥（K₂O）150 kg·hm^-²作为基肥。病虫害与辣椒浇水管理按照当地常规做法执行。

1.4 样品采集及测定指标

在2024年和2025年6月进入辣椒采收阶段，从每个处理区的五个点采集土样。土壤样品一部分在4 ℃条件下保存，其余部分风干、筛分后用于测定土壤有机碳、可溶性有机碳以及团聚体指标。

土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定^［16］，可溶性有机碳（DOC）采用蒸馏水浸提法测定。土壤团聚则采用湿筛法，称取风干土样置于孔径自上而下依次为2 000、1 000、250 μm的套筛最上层（底部配有收集盘）。振荡结束后，于60 ℃烘干至恒重，称重并计算各粒级团聚体的质量百分比。

1.5 团聚体稳定性指标计算

为全面评估土壤团聚体稳定性，计算了不同粒径水稳性团聚体的质量百分数、各粒径级别团聚体的平均质量直径D_MW和土壤团聚体几何平均直径D_GM，计算公式为

W_{\mathrm{i}}=M_{\mathrm{i}}/M\times \mathrm{100}\mathrm{\%}，（1）

D_{\mathrm{M}\mathrm{W}}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(W_i\times \overline{x_i})}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i}，（2）

D_{\mathrm{G}\mathrm{M}}=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left({\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(W_i\times \mathrm{l}\mathrm{n}\overline{x_i}\right)，（3）

其中，W_i 为不同粒径水稳性团聚体的质量百分数；M_i 表示i级团聚体过筛后的质量（g）；M代表所测团聚体的整体质量（g）；\overline{x_i}为该级粒径土壤团聚体的平均直径（mm）；n为分离获得的团聚体组分数量；i为第i个粒径分级。

1.6 土壤有机碳指标的计算方法

各土层下土壤有机碳储量（SOC_s，t·hm^-2）以及土壤固碳潜力（CSP，t·hm^-2）的计算方法如下：

S_{\mathrm{S}\mathrm{O}{\mathrm{C}}_{\mathrm{s}}}(\mathrm{t}\mathrm{h}{\mathrm{a}}^{-\mathrm{1}})=C\times BD\times h\times \mathrm{0.1}，（4）

C_{\mathrm{C}\mathrm{S}\mathrm{P}}(\mathrm{t}\mathrm{h}{\mathrm{a}}^{-\mathrm{1}})=S_{\mathrm{S}\mathrm{O}{\mathrm{C}}_{\mathrm{s}}}-K_{\mathrm{S}\mathrm{O}{\mathrm{C}}_{\mathrm{s}\mathrm{k}}}，（5）

其中，C为土壤有机碳含量（g·kg^-1），BD为土壤容重（g·cm^-3），h为土壤层厚度（cm），S_{\mathrm{S}\mathrm{O}{\mathrm{C}}_{\mathrm{s}}}（t·hm^-2）为处理条件下的土壤碳储量，K_{\mathrm{S}\mathrm{O}{\mathrm{C}}_{\mathrm{s}\mathrm{k}}}为对照处理下的土壤碳储量。

1.7 数据处理与分析

统计分析使用SPSS 22版本完成方差分析，图形绘制通过Origin 2025软件实现。

2 结果与分析

2.1 菌糠与有机肥对设施土壤有机碳和可溶性有机碳含量的影响

土壤有机碳是衡量土壤肥力和质量的核心指标，其含量变化直接影响土壤结构、养分供给能力及微生物活性。菌糠和有机肥配施对设施土壤有机碳和可溶性含量有极显著影响（图2），各处理间有机碳和全氮含量差异显著（P<0.05），其影响效应排序为MKF>HKF>LKF>JK>CK。从土壤垂直分布分析显示，土壤有机碳含量随土层加深呈显著降低趋势（P<0.05），0~<15 cm土层有机碳含量较15~30 cm土层高。这与有机物料表层输入、根系分泌物释放及微生物活动的表层富集效应密切相关。在0~<15 cm土层，JK、LKF、MKF和HKF处理下的有机碳含量分别比CK处理高3.7%、16.5%、25.7%和23.2% （图1A）。在15~30 cm土层，JK、LKF、MKF和HKF处理下的有机碳含量分别比CK处理高8.56%、23.1%、52.3%和30.5% （图2A）。

在0~<15 cm表层土壤，JK、LKF、MKF和HKF处理对土壤可溶性含量提升效果显著，较CK处理分别显著增加7.5%、11.8%、38.7%和28.6%，较CK处理均有不同程度提升，其中JK处理提升幅度最小（图1B）。在15~30 cm土层，JK、LKF、MKF和HKF处理下的有机碳含量分别比CK处理高7.9%~39.6%（图1B），结果表明，菌糠与有机肥联合施用具有协同增效作用，不仅促进了表层土壤活性有机碳的累积，也增强了可溶性有机碳在深层土壤的迁移与固持，从而提升了有机碳的有效性和稳定性。

2.2 菌糠与有机肥对设施土壤有机碳储量和固碳潜力的影响

菌糠与有机肥配施对设施土壤在0~<15 cm和15~30 cm土层下有机碳储量如图3A所示。结果表明，设施土壤有机碳储量随深度增加呈显著递减趋势（P<0.05）。与CK相比，JK、LKF、MKF和HKF处理分别使有机碳储量增加了4.18%、18.12%、26.45%和24.18% （图2A），也就是说MKF处理为最高，其次为HMK、LKF和JK，最低为CK处理。在15~30 cm深层土壤下JK、LKF、MKF和HKF处理相对于CK处理，其有机碳提高为9.29%~54.21%（图2A）说明菌糠与有机肥的配施能显著改善0~30 cm土层的有机碳积累状况，其中以MKF处理（中量菌糠与有机肥配施）的提升效果最为显著。

土壤固碳潜力表示土壤储存有机碳的极限容量，是衡量有机碳动态演变的重要参数。菌糠和有机肥配合施用对0~<15 cm和15~30 cm土层下土壤固碳潜力的影响如图2B所示。以对照组（CK）在0~<15 cm和15~30 cm土层的峰值碳储量作为参照计算，JK、LKF和HKF处理在0~<15 cm土层的固碳潜力分别达到0.38、2.05、2.78和3.05 t·hm^-2 （图2B）。其中，MKF处理的固碳潜力较JK、LKF和HKF处理分别大幅提升了708.8%、48.9%和9.8%（图2B）。在15~30 cm土层，JK、LKF、MKF和HKF处理的固碳潜力依次为0.22、1.67、4.30和2.23 t·hm^-2。上述结果表明，绿肥与菌糠配合施用，特别是二者中量协同配施（MKF处理），能够有效增强土壤的固碳潜力。

2.3 菌糠与有机肥对设施土壤团聚体分布含量的影响

土壤团聚体粒径分布是衡量土壤结构稳定性与肥力水平的关键指标。菌糠与有机肥配施显著影响了设施土壤的团聚体组成格局（图3）。在0~<15 cm和15~30 cm土层中，团聚体含量随粒径增大呈现递减趋势，其中<0.25 mm粒级始终占据主导地位，占团聚体总量的57.39%~70.38%（图3），表明微团聚体在该土壤中具有优势分布。

在0~<15 cm土层中，团聚体>2 mm粒级占2.56%~4.67%，团聚体1~2 mm粒级占2.78%~7.13%，团聚体0.5~1 mm粒级占4.76%~12.05%，团聚体0.25~0.5 mm粒级占19.12%~21.32%，团聚体<0.25 mm粒级占57.39%~70.38%。各处理间再不同粒级之间差异性显著（图3）。在15~30 cm的土层中，团聚体>2 mm粒级占1.87%~3.88%，团聚体1~2 mm粒级占2.21%~5.66%，团聚体0.5~1 mm粒级占3.89%~9.96%，团聚体0.25~<0.5 mm粒级占16.23%~18.57%，各处理团聚体<0.25 mm粒级范围在62.87%~73.87%（图3）。随着土层加深，各处理对大粒径团聚体的提升作用逐渐减弱，反映出团聚体分布对土层深度的响应规律。

2.4 菌糠与有机肥对设施土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体平均重量直径（D_MW）是反映土壤团聚体稳定性的常用指标。平均重量直径越大，表明土壤团聚体的团聚程度越高，稳定性越大，土壤抗侵蚀能力越强。

在0~<15 cm土层下，各处理的D_MW值由高到低依次为MKF>HKF>LKF>JK>CK（图4A），其中MKF处理较CK提升51.98%（P<0.01），显著高于其他处理，表明中量的绿肥与菌糠的协同作用对促进大粒径团聚体形成的效果最为显著。在15~30 cm土层下，D_MW值随深度增加呈下降趋势，但MKF处理仍较CK提升52.88%（p<0.01），且显著优于其他处理（图4A）。

土壤团聚体几何平均直径（D_GM）是反映粒径对数正态分布特性的结构参数，其值增大说明土壤抗扰动及抗水蚀性能越强。在0~<15 cm土层下，JK、LMK、MKF和HKF处理较CK处理的GMD值增加了12.73%、18.03%、37.89%和32.56%，各处理间差异显著（图4B）。在15~30 cm土层下，JK、LMK、MKF和HKF处理的GMD值较CK处理分别增加了10.56%、21.89%、30.24%和27.99%。表明绿肥与菌糠的联合施用显著提升了土壤团聚体的整体抗侵蚀性能，且MKF处理在增强土壤结构稳定性方面表现最优。

2.5 土壤有机碳储量、固碳潜力及土壤团聚体稳定性之间的相关关系

根据相关性分析结果（图5），土壤有机碳（SOC）与有机碳储量（SOC_s）、固碳潜力（CSP）之间呈现极显著的正相关关系。同时，SOC与>2 mm粒径大团聚体含量呈显著正相关，而与<0.25 mm粒径的微团聚体含量呈极显著负相关。此外，MWD和GMD与>2 mm粒径大团聚体含量呈极显著正相关，而与<0.25 mm微团聚体含量呈极显著负相关，进一步证实大团聚体是提升土壤结构稳定性的主要贡献者。在不同粒级团聚体之间，>2 mm粒径大团聚体与1~2 mm、0.5~1 mm粒径团聚体含量均呈显著正相关，表明大团聚体的形成是由较小粒级团聚体逐级聚合而成。

3 讨论

3.1 设施土壤有机碳和可溶性有机碳含量对菌糠和有机肥配施的响应

土壤有机碳是表征土壤肥力的指标之一^［15］。本研究中，菌糠与有机肥的配施处理（JK、LKF、MKF和HKF）处理在0~<15 cm土层下与CK处理相比分别增加了3.7%、16.5%、25.7%和23.2%，而在15~30 cm土层下JK、LKF、MKF和HKF处理较CK处理分别增加了8.56%、23.1%、52.3%和30.5%，各处理对土壤有机碳含量的由高到低的排序为MKF>HKF>LKF>JK>CK。这一结果表明，菌糠与有机肥的配施能够显著增加土壤有机碳含量，且中量配施（MKF处理）可有效的提升土壤有机碳含量，此结果也与刘玲等^［16］关于有机物料的施用可显著提升土壤有机碳含量的研究结论相一致。此外，菌糠作为一种富含木质纤维素半纤维素及木质素，可以有效的加速分解且与土壤中的离子发生反应，在土壤中会持续释放有机碳。而有机肥在土壤中更容易加速分解，造成微生物活动频繁且有助于改善土壤结构与养分，有效的促进土壤有机碳的增加^［17-18］。值得注意的是，在15~30 cm土层下MKF处理的土壤有机碳含量较CK处理高出52.3%，显著高于0~<15 cm土层。这一结果表明中量菌糠与有机肥配施（MKF处理）能够改善了土壤的孔隙度和通气性，同时增加了根部的细胞和残体向土壤的输入，因此加速了深层土壤中新碳的合成。

3.2 设施土壤团聚体组成和稳定性对菌糠和有机肥配施的响应

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其粒径分布和稳定性直接决定了土壤孔隙状况、水分运移及抗侵蚀能力^［19］。本研究中，菌糠与有机肥配施显著改变了设施土壤的团聚体组成和稳定性，各处理对团聚体分布的由高到低排序为MKF>HKF>LKF>JK>CK。本研究表明在0~<15 cm和15~30 cm土层下团聚体含量均随粒径增大呈现递减趋势，其中<0.25 mm微团聚体始终占据主导地位，占团聚体总量的57.39%~70.38%。这一发现与CHEN等^［20］关于微团聚体在耕作土壤中占优势的研究结论相吻合。微团聚体作为主要组成，主要依赖多价阳离子桥接与短程范德华力维持，而大团聚体的形成则更依赖于生物胶结剂^［21］。

平均重量直径（D_MW）和几何平均直径（D_GM）作为评价团聚体稳定性的两个核心指标，其值的增大直接反映了土壤具有很强的抗侵蚀能力和抗破坏能力^［22］。在本研究结果中，MKF处理在0~<15 cm土层下平均重量直径（D_MW）较CK处理高出51.98%，且几何平均直径（D_GM）较CK处理高出37.89%。而在15~30 cm土层下MKF处理的D_MW和D_GM较CK处理分别增加了52.88%和30.24%。结果表明中量菌糠与有机肥配施（MKF处理）能有效地促进<0.25 mm的微团聚体胶结成大团聚体，而大团聚体的增加也提升了团聚体D_MW和D_GM，减少了设施土壤侵蚀^［23-24］。相比之下，中量菌糠与有机肥配施（MKF处理）维持了适量的碳源和氮源，使微生物能够持续分泌酸类将微团聚体稳固胶结。因此，中量菌糠和有机肥配施有效的能够稳定了土壤团聚体结构。

4 结论

1）菌糠与有机肥配施可显著提升了设施土壤有机碳和可溶性有机碳含量，而随深度增加土壤有机碳含量呈显著递减趋势。

2）在0~<15 cm土层下的各处理的固碳潜力范围在0.38~3.05 t·hm⁻²，在15~30 cm土层各处理的固碳潜力依次为0.22~2.23 t·hm⁻²。

3）平均重量直径（D_MW）与几何平均直径（D_GM）均以MKF处理在0~<15 cm和15~30 cm土层中均表现最优。有机碳与有机碳储量、固碳潜力之间呈现极显著的正相关关系，中量菌糠与有机肥配施可作为黄土高原设施农业区土壤地力培育和碳库优化的推荐方案。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32560774)

陕西省自然科学基础研究计划面上项目(2025JC-YBMS-228)

延安市科学计划项目(2025-CYL-106)

榆林市科学计划项目(2025-CXY-078)