黃土高原溝壑區(qū)不同施肥下植物對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

尤 偉，高照良，邊 峰

（1．水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心，北京100053；2．西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3．黃河水利委員會(huì) 天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 天水741000）

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武試驗(yàn)站于1984年由西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所建立，1991年加入中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN），2005年12月經(jīng)科技部批準(zhǔn)，成為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，2007年入選為水利部“水土保持科技示范園區(qū)”。期間并成為陜西省農(nóng)業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地和西北農(nóng)林科技大學(xué)野外科研教學(xué)實(shí)習(xí)基地。試驗(yàn)設(shè)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站進(jìn)行。該站位于黃土高原中南部的陜甘交界處，地處 N35°12′，E107°40′，海拔1 200m，暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降水584mm，降雨季節(jié)分布不均，多集中于夏秋季節(jié)，平均氣溫9．1℃，無(wú)霜期171d，地下水埋深50～80m。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)由于嚴(yán)重的水土流失和長(zhǎng)期的不合理開(kāi)發(fā)利用，土地資源嚴(yán)重退化，地形支離破碎，植被嚴(yán)重破壞、植物退化、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及功能急劇衰退，屬于生態(tài)脆弱區(qū)［1－2］。本文采用野外種植和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相結(jié)合的研究方法［3］，在長(zhǎng)武王東溝修建實(shí)驗(yàn)小區(qū)（2m×2m），每個(gè)小區(qū)用磚塊砌筑間隔，小區(qū)內(nèi)填50cm生土（來(lái)源于附近荒地）模擬棄土場(chǎng)，小區(qū)內(nèi)種植植物。7種植物在不施肥、施有機(jī)肥和秸稈處理下均能明顯降低棄土場(chǎng)0－20cm土壤容重、提高孔隙度，改善棄土場(chǎng)土壤物理結(jié)構(gòu)，有利于棄土場(chǎng)的土壤肥力改良。綜合以上數(shù)據(jù)，秸稈對(duì)土壤0－20 cm土層容重和孔隙度的改善效果明顯優(yōu)于不施肥和施有機(jī)肥處理，三種處理方式下0－10cm土層的容重和孔隙度情況優(yōu)于10－20cm土層。土壤的物理性狀主要包括土壤溫度、土壤水分、土壤容重、孔隙度以及團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等，而容重和孔隙度是表征土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，它們與土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、土壤松緊、以及土壤腐殖質(zhì)含量息息相關(guān)［4］，同時(shí)也對(duì)土壤中的水、肥、氣、熱等資源的含量和供應(yīng)狀況有影響。因此，研究土壤容重和孔隙度對(duì)于評(píng)價(jià)土壤的肥力也是十分必要的。

1 對(duì)0－10cm土層容重和孔隙度的影響分析

土層容重是指單位容積原狀土壤干土的質(zhì)量，通常以g／cm3表示［5］；孔隙度是指單位容積土壤中孔隙所占的百分率，即土壤固體顆粒間孔隙的百分率。土壤總孔隙度包括毛管孔隙及非毛管孔隙［6］。由圖1可以看出，不同處理下植物土壤容重的變化規(guī)律不同。在不施肥處理中，除沙打旺（1．36g／cm3）和黑麥草（1．33g／cm3）容重略微大于對(duì)照，紫花苜蓿（1．32g／cm3）與對(duì)照相同，其他各植物容重值與對(duì)照相比均有所降低，容重值最低為白三葉（1．22g／cm3），比對(duì)照降低0．1 g／cm3。該處理下按照各植物容重值由小到大的順序排列為：白三葉＜紅豆草＜小冠花＜草木樨＜紫花苜蓿＜黑麥草＜沙打旺，平均容重值為1．29g／cm3，較對(duì)照降低0．03g／cm3。觀察圖2，各植物在不施肥處理下孔隙度的變化規(guī)律與容重相反，沙打旺（48．82%）和黑麥草（49．69%）孔隙度略微低于對(duì)照，紫花苜蓿（50．17%）接近對(duì)照值，其他各植物孔隙度與對(duì)照相比均有所增加，孔隙度最大為白三葉（54．02%），比對(duì)照提高3．96%。將該處理下各植物的孔隙度由大到小的順序排列為：白三葉＞紅豆草＞小冠花＞草木樨＞紫花苜蓿＞黑麥草＞沙打旺，平均孔隙度為51．39%，比對(duì)照增加1．33%。

圖1 不同施肥下各植物0－10cm土層容重值

以上研究數(shù)據(jù)說(shuō)明種植植物對(duì)于降低土壤容重和提高土壤孔隙度有積極的作用。豆科植物根系較多，在土壤中生長(zhǎng)、穿插，能夠促進(jìn)土壤中的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，使土壤變得疏松多孔，提高土壤的滲透性能，防止土壤板結(jié)，從而降低土壤的容重、提高土壤的孔隙度，改善土壤的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤水肥氣熱等資源，進(jìn)而增強(qiáng)土壤的保水保肥能力，有利于作物的生長(zhǎng)。

圖2 不同施肥下各植物0－10cm土層孔隙度值

各植物在施肥處理下容重值大小順序?yàn)椋喊兹~＜沙打旺＜黑麥草＜草木樨＜紅豆草＜ 紫花苜蓿＜小冠花，平均容重值是1．27g／cm3，比對(duì)照降低0．05g／cm3，比不施肥處理下平均值降低0．02g／cm3。該處理下的容重值最小為白三葉，與不施肥處理下相同，仍為1．22g／cm3；最大值為小冠花1．31g／cm3，比對(duì)照值低0．01g／cm3。沙打旺與黑麥草在施肥后的土壤容重明顯降低，沙打旺降低0．13g／cm3、黑麥草降低0．06 g／cm3，說(shuō)明施肥條件下更有利于沙打旺和黑麥草對(duì)土壤容重的改變。觀察圖2中各植物在施肥處理下土壤孔隙度的情況，其變化規(guī)律與容重相反，將其按照由大到小的順序排列為：白三葉＞沙打旺＞黑麥草＞草木樨＞紅豆草＞紫花苜蓿 ＞小冠花，平均孔隙度為51．94%，比對(duì)照增加1．88%，比不施肥處理的平均值增加0．55%。該處理下孔隙度最大為白三葉（53．89%），比對(duì)照增加3．83%；最低為小冠花（50．43%），比對(duì)照增加0．37%。

總體來(lái)看施肥處理下各植物的土壤容重均小于對(duì)照，其平均值也比不施肥處理降低0．02 g／cm3；土壤孔隙度均高于對(duì)照值，比不施肥處理的平均值增加0．55%。說(shuō)明土壤中施加有機(jī)肥后，有利于土壤容重的減小和孔隙度增加。施有機(jī)肥能夠使土壤保持疏松狀態(tài)，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)體的形成，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，使土壤的通氣性增強(qiáng)，從而能很好的改良棄土場(chǎng)土壤的物理性狀，有利于提高土壤的保水保肥能力，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而能更好的改良棄土場(chǎng)土壤肥力狀況。

施秸稈處理后各植物的土壤容重情況見(jiàn)圖1，觀察得知除白三葉變化不明顯外，其余各植物較前兩種處理均有明顯的降低，沙打旺降低幅度最大，其容重值為1．02g／cm3，比對(duì)照降低0．3 g／cm3，比不施肥處理降低0．34g／cm3，比施肥處理降低0．2g／cm3，說(shuō)明施秸稈能更進(jìn)一步促進(jìn)沙打旺對(duì)土壤容重的改良。該處理下各植物土壤容重由小到大為：沙打旺＜小冠花＜紅豆草＜草木樨＜白三葉＜黑麥草＜紫花苜蓿，各植物平均值為1．17g／cm3，較對(duì)照降低0．15g／cm3，較不施肥降低0．12g／cm3，較施有機(jī)肥降低0．1g／cm3。由圖2觀察得知，除白三葉外，施秸稈處理下種植各植物的土壤孔隙度較另外兩種處理均有明顯的提高，孔隙度大小順序?yàn)椋荷炒蛲拘」诨ǎ炯t豆草＞草木樨＞白三葉＞黑麥草＞紫花苜蓿，該處理下土壤孔隙度平均值為55．93%，比對(duì)照高5．87%，比不施肥處理高4．54%，比施肥處理高3．99%。

由以上數(shù)據(jù)來(lái)看，秸稈的施入對(duì)棄土場(chǎng)土壤容重和孔隙度的改良有明顯的效果。在棄土場(chǎng)土壤改良中施入秸稈，能降低土壤容重、提高土壤孔隙度，使土壤物理性狀得到改善，進(jìn)而有利于植物生長(zhǎng)，這對(duì)于棄土場(chǎng)的植被恢復(fù)有著十分重要的意義。

2 對(duì)10－20cm土層容重和孔隙度的影響分析

圖3中不施肥處理下種植各植物的土壤容重值，從小到大順序?yàn)椋盒」诨ǎ及兹~＜沙打旺＜黑麥草＜紅豆草＜紫花苜蓿＜草木樨，小冠花明顯低于其他植物，為1．22g／cm3，比對(duì)照降低0．17g／cm3；草木樨在該處理下的容重值最大值，1．34g／cm3，比對(duì)照小0．05g／cm3。該處理下種植各植物的平均容重為1．31g／cm3，低于對(duì)照，但是比該處理0－10cm土層容重值增加0．02 g／cm3。各植物在不施肥處理下的土壤孔隙度與容重變化規(guī)律相反，小冠花＞白三葉＞沙打旺＞黑麥草＞紅豆草＞紫花苜蓿＞草木樨，小冠花的孔隙度最大，為53．79%，比對(duì)照增加6．24%。該處理平均孔隙度為50．71%，比對(duì)照高3．16%，比0－10cm土層低0．68%。綜合以上數(shù)據(jù)表明，不施肥處理下各植物對(duì)10－20cm土層容重和孔隙度的改善仍然起到了作用，但是改善效果低于0－10cm土層。這可能是由于植物種植時(shí)間較短，根系還未能全部伸展到土壤10－20cm土層內(nèi)，因此對(duì)該層土壤物理結(jié)構(gòu)的改善作用亞于對(duì)0－10cm土層的作用，其后續(xù)改善作用還有待于進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 不同施肥下各植物10－20cm土層容重值

施有機(jī)肥處理下所有植物土壤容重均小于對(duì)照，其大小順序?yàn)椋杭t豆草＜紫花苜蓿＜小冠花＜白三葉＜沙打旺 ＜ 黑麥草＜草木樨，平均容重值是1．35g／cm3，比對(duì)照降低0．04g／cm3，比不施肥處理下平均值增加0．04g／cm3。該處理下的容重值最小為紅豆草，為1．31g／cm3，比對(duì)照值低0．08g／cm3；最大值為草木樨1．38g／cm3，比相同處理下0－10cm土層容重增加0．09 g／cm3。相比不施肥處理，沙打旺與黑麥草施有機(jī)肥后的0－10cm土層容重值明顯降低，但是在10－20cm土層反而增加，只有紅豆草和紫花苜蓿比不施肥處理略有降低。

觀圖4中各植物在有機(jī)肥處理下孔隙度情況，將其按由大到小順序排列為：紅豆草＞紫花苜蓿＞小冠花＞白三葉＞沙打旺＞黑麥草＞草木樨，平均孔隙度為49．08%，比對(duì)照增加1．53%，比不施肥處理的平均減少1．63%。該處理下孔隙度最大為紅豆草（50．38%），比對(duì)照增加2．83%；最低為草木樨（50．43%），比對(duì)照增加0．42%。

圖4 不同施肥下各植物10－20cm土層孔隙度值

總體來(lái)看施有機(jī)肥處理下種植各植物的土壤容重仍然小于對(duì)照，孔隙度均高于對(duì)照，但是與不施肥處理相比容重增加0．04g／cm3、孔隙度降低1．63%；與施肥處理下0－10cm土層相比容重增加0．08g／cm3、孔隙度降低2．86%，說(shuō)明施肥對(duì)10－20cm土層的容重和孔隙度改良仍有效果，但是比0－10cm土層的效果差。

施入秸稈后各植物的土壤容重由小到大依次為：草木樨＜小冠花＜黑麥草＜紅豆草＜紫花苜蓿＜沙打旺＜白三葉，平均容重值為1．25g／cm3，較對(duì)照降低0．14g／cm3，較不施肥降低0．06 g／cm3，較施肥降低0．1g／cm3，較相同處理下0－10cm土層容重增加0．08g／cm3。除白三葉和小冠花外，其余各植物較不施肥處理有明顯的降低；7種植物施入秸稈后10－20cm土層容重值均明顯低于施肥處理。秸稈處理?xiàng)l件下各植物孔隙度平均值為52．82%，比對(duì)照高5．27%，比不施肥處理高2．11%，比有機(jī)肥處理高3．74%。種植各植物的土壤孔隙度大小順序?yàn)椋翰菽鹃兀拘」诨ǎ竞邴湶荩炯t豆草＞紫花苜蓿＞沙打旺＞白三葉。

由以上數(shù)據(jù)來(lái)看，秸稈的施入對(duì)棄土場(chǎng)10－20cm土層土壤容重和孔隙度的改良效果仍然優(yōu)于不施肥和施肥處理，但是比0－10cm土層效果差。在棄土場(chǎng)土壤改良中施入秸稈，能有效改善土壤的物理性狀，降低土壤容重、提高土壤孔隙度，從而有利于棄土場(chǎng)的植被恢復(fù)。

3 結(jié)論

綜合分析三種處理方式下種植各植物土壤的容重和孔隙度情況，在種植白三葉、草木樨等7種作物的條件下，不施肥、施有機(jī)肥、施秸稈均能明顯降低棄土場(chǎng)0－20cm土壤容重、提高孔隙度，改善棄土場(chǎng)土壤物理結(jié)構(gòu)，有利于棄土場(chǎng)的土壤肥力改良。秸稈對(duì)土壤0－20cm土層容重和孔隙度的改善效果優(yōu)于不施肥和施有機(jī)肥處理，三種處理方式下0－10cm土層的容重和孔隙度情況優(yōu)于10－20cm土層。

在0－10cm土層：不施肥處理下種植各植物土壤的容重和孔隙度平均值分別為1．29g／cm3、51．39%，相比對(duì)照變化為，容重降低0．03 g／cm3、孔隙度增加1．33%；施有機(jī)肥處理下各植物容重和孔隙度平均值分別為1．27g／cm3、51．94%，相比對(duì)照變化為，容重降低 0．05 g／cm3、孔隙度增加1．88%，相比不施肥處理容重降低0．02g／cm3、孔隙度增加0．55%；施秸稈處理下各植物的土壤容重和孔隙度平均值分別為1．17g／cm3、55．93%，相比對(duì)照變化為，容重降低0．15g／cm3、孔隙度增加5．87%，相比不施肥容重降低0．12g／cm3、孔隙度增加4．54%，相比施肥容重降低0．1g／cm3、孔隙度增加3．99%。

在10－20cm土層：不施肥處理下各植物的土壤容重和孔隙度平均值分別為1．31g／cm3、50．71%，相比對(duì)照變化為，容重降低0．08 g／cm3、孔隙度增加3．16%；施肥處理下各植物的土壤容重和孔隙度平均值分別為1．35g／cm3、49．08%，相比對(duì)照變化為，容重降低0．04g／cm3、孔隙度增加1．53%，相比不施肥處理容重增加0．04g／cm3、孔隙度降低1．63%；施秸稈處理下各植物的土壤容重和孔隙度平均值分別為1．25 g／cm3、52．82%，相比對(duì)照變化為，容重降低0．14 g／cm3、孔隙度增加5．27%，相比不施肥容重降低0．06g／cm3、孔隙度增加2．11%，相比施肥容重降低0．1g／cm3、孔隙度增加3．74%。

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