長期不同施肥方式對華北地區(qū)溫室和農田土壤團聚體形成特征的影響*

劉 哲, 孫增慧, 呂貽忠

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長期不同施肥方式對華北地區(qū)溫室和農田土壤團聚體形成特征的影響*

劉 哲1,2,3, 孫增慧1,2,3, 呂貽忠2**

(1. 陜西省土地工程建設集團有限責任公司 西安 710075; 2. 中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 北京 100193; 3. 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室 西安 710075)

土壤的團聚狀況是土壤重要的物理性質之一, 團聚體數量是衡量和評價土壤肥力的重要指標。施用有機肥是提高土壤有機碳(SOC)含量、促進土壤團聚體形成和改善土壤結構的重要措施。本文以華北地區(qū)曲周長期定位試驗站的溫室土壤和農田土壤為研究對象, 運用濕篩法, 對比研究施用化肥(NP)、有機肥加少量化肥(NPM)、單施有機肥(OM)3種施肥方式對溫室和農田兩種利用方式土壤水穩(wěn)性團聚體含量、分布和穩(wěn)定性的影響, 以提示施肥措施對不同土地利用方式土壤水穩(wěn)性團聚體特征的影響。結果表明: 在溫室土壤和農田土壤中, OM處理較NP和NPM處理顯著降低了土壤容重, 增加了土壤有機質含量(<0.05), 且在0~10 cm土層中效果最為明顯。其中在溫室土壤0~10 cm土層, 單施有機肥處理(OM1)的土壤容重為1.17 g·cm-3, 分別較施用化肥(NP1)和有機肥加少量化肥(NPM1)處理降低12.0%和8.6%, OM1的土壤有機質含量為54.81 g·kg-1, 較NP1和NPM1增加104.8%和35.7%; 在農田土壤0~10 cm土層, 單施有機肥處理(OM2)的土壤容重為1.19 g·cm-3, 較施用化肥(NP2)、有機肥加少量化肥(NPM2)分別降低8.5%和7.0%, OM2的土壤有機質為22.67 g·kg-1, 較NP2、NPM2分別增加23.1%和15.0%。溫室土壤和農田土壤中, 0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm層土壤團聚體的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均為OM>NPM>NP; OM處理下水穩(wěn)性團聚體的分形維數()值最低, NP處理下最大。OM處理顯著降低0~20 cm土層內水穩(wěn)性團聚體的值, 表層0~10 cm土層效果最為明顯, 土壤結構明顯得到改善; 相比農田土壤, 溫室土壤穩(wěn)定性指標變化最為明顯, 團聚體結構改善效果最好。土壤有機質含量與>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量間呈極顯著正相關關系(<0.001), 說明土壤有機質含量越高, >0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量就越高, 土壤團聚體水穩(wěn)性越強, 土壤結構越穩(wěn)定。因此有機施肥方式能在補充土壤有機碳庫和有效養(yǎng)分含量的同時, 顯著增加土壤中大團聚體的含量及其水穩(wěn)性, 是提高華北平原農田土壤、尤其是溫室土壤結構穩(wěn)定性和實現土壤可持續(xù)發(fā)展的有效措施。

有機肥; 土壤團聚體; 土壤有機質; 分形維數; 溫室土壤; 農田土壤

團聚體是土壤結構的基本單位, 是土壤的重要組成部分[1-2], 可保證和協調土壤中水肥氣熱等因子之間的平衡狀態(tài)、影響土壤酶的種類和活性、維持和改善土壤的結構性及孔隙性[3-4]。土壤團聚體普遍被認為是土壤養(yǎng)分“貯藏庫”, 其數量的增加標志著土壤供儲養(yǎng)分能力的增強[5]。土壤團聚體的形成、特征以及作用功能十分復雜, 既受土壤本身物質組成的影響, 還受人為活動等因素的影響。國內外學者把土壤團聚體的水穩(wěn)性作為評價土壤物理性質及抗侵蝕能力的重要指標[6-9], 認為土壤的結構特性直接影響著土壤肥力和農作物的生長情況, 因此提高土壤團聚體的穩(wěn)定性以及團聚體的數量和質量一直是農業(yè)生產研究中的重要方向。

長期不同施肥方式能夠對土壤養(yǎng)分含量及動態(tài)變化過程產生直接作用, 同時對土壤團聚體穩(wěn)定性產生重要影響[10-12]。然而, 由于不同粒級團聚體中所含膠結物質的作用強度不同, 所以各級團聚體內部結合的養(yǎng)分數量和穩(wěn)定性也不同[13-14]。土壤團聚體是諸多因子綜合作用下產生的優(yōu)質結構體, 而在質地、種植制度和環(huán)境條件相對一致的前提下, 長期不同施肥方式就成為影響土壤理化性質的關鍵因素[15-16]。

近年來, 關于溫室蔬菜栽培導致土壤質量下降的問題受到一些土壤學者的高度關注, 研究點主要集中在設施土壤酸化、次生鹽漬化、養(yǎng)分變化及板結等方面[17-18]。與農田相比, 溫室栽培由于具有半封閉、施肥量大、無自然雨淋、耕作頻繁及高度集約利用等特點, 其必將對土壤團聚體性狀產生較大影響[19]。孫艷等[20]研究了不同種植年限對溫室土壤和露地土壤團聚體數量及穩(wěn)定性的影響, 得出不同種植年限溫室土壤水穩(wěn)性大團聚體數量多于露地土壤, 水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性強于露地土壤, 而對比研究不同施肥方式對溫室土壤和農田土壤團聚體形成特征的影響較少, 難以區(qū)分長期不同施肥方式對溫室土壤和農田土壤團聚體大小、數量及穩(wěn)定性的影響。因此在溫室和農田條件下, 對比研究不同施肥處理對兩種利用方式下土壤團聚體特征的影響, 進一步探討和理解溫室和農田條件下土壤肥力特征的變化, 對溫室土壤和農田土壤研究具有重要的理論意義。為此本文以華北平原曲周縣不同施肥方式下溫室和農田長期定位試驗的土壤為研究對象, 通過對其容重、有機質含量和團聚體穩(wěn)定性指標的定量化研究, 以揭示不同施肥措施對兩種利用方式下土壤水穩(wěn)性團聚體特征的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

主要試驗點設在中國農業(yè)大學曲周長期定位試驗站(36°52′N, 115°01′E), 屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候, 年平均氣溫13.1 ℃, 年無霜期平均210 d, 多年平均降水量為604 mm。根據中國土壤系統(tǒng)分類該地土壤為鹽化潮褐土, 在華北地區(qū)頗具代表性, 土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗區(qū)不同類型土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗分別在溫室菜田和普通農田中進行。溫室菜田和普通農田各設3個處理, 分別為單施用化肥(NP)、有機肥配施少量化肥(有機肥占80%, NPM)、單施有機肥(OM)。溫室菜田土壤長期施肥試驗開始于2002年, 日光溫室為拱圓式, 每個溫室東西長52 m, 南北寬7 m, 3種處理分別在3個日光溫室進行。菜田種植制度為番茄(Mill.)-黃瓜(L.)輪作, 每年收獲兩次, 耕作方式為翻耕。普通農田長期施肥試驗開始于1993年, 農田小區(qū)南北長10.3 m、寬3 m, 小區(qū)和小區(qū)間有30 cm的畦埂作為隔離帶, 四周有1 m的保護行, 為冬小麥(L.)-夏玉米(L.)種植制度, 耕作方式為翻耕?；什捎脧秃戏? 氮磷鉀含量分別為15%、10%、20%, 有機肥采用干雞糞, 雞糞含有機質339.83 g×kg-1, 全N 23.2 g×kg-1, P(P2O5)9.3 g×kg-1, K(K2O)15.8 g×kg-1。

不同處理間的施肥方式及折算成單質肥料量見表2, 各處理全季總體施肥量相同。施肥時將有機肥料直接施于土壤表層, 溫室土壤每季作物共分3次施肥, 基肥1次, 追肥2次。其中溫室土壤分別在每年的3月和9月即種植番茄和黃瓜之前對每個施肥處理施入基肥, 追肥在開花期和結果期分別施入。單施有機肥處理基施有機肥12 500 kg×hm-2, 第1次追施有機肥750 kg×hm-2, 第2次追施有機肥750 kg×hm-2; 有機肥配施少量化肥處理基施有機肥10 000 kg×hm-2, 第1次追施有機肥600 kg×hm-2、化肥125 kg×hm-2, 第2次追施有機肥600 kg×hm-2、化肥125 kg×hm-2; 化肥處理不施加有機肥, 基施化肥250 kg×hm-2, 第一次追施化肥125 kg×hm-2, 第2次追施化肥125 kg×hm-2。農田土壤每季作物共分2次施肥, 基肥1次, 追肥1次。分別在每年的6月和9月即種植夏玉米和冬小麥之前對每個施肥處理施入基肥, 追肥在拔節(jié)期施入。每季有機肥處理基施有機肥12 500 kg×hm-2, 追施雞糞2 500 kg×hm-2; 有機肥配施少量化肥處理基施有機肥10 000 kg×hm-2, 追施雞糞2 000 kg×hm-2、化肥300 kg×hm-2; 化肥處理不施加有機肥, 無機肥處理基施化肥300 kg×hm-2, 追施化肥300 kg×hm-2。

表2 不同土壤類型的不同處理的施肥方式及施肥量(折算為單質肥料量)

1.3 研究方法

1.3.1 采樣方法

2011年9月下旬, 溫室番茄與農田玉米收獲完成后, 對每個小區(qū)采用“S”形取樣法, 分0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm 3個層次分別采集混合土樣和原狀土樣, 每個小區(qū)設置3個重復。在采集和運輸過程中盡量減少對土壤的擾動, 以免破壞團聚體。

1.3.2 測定方法

土壤容重采用環(huán)刀法, 土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法[21]。

土壤團聚體的分布狀況和穩(wěn)定性采用濕篩法[22]。將50 g風干土樣置于1 L量筒中, 沿量筒邊緣緩慢加去離子水至飽和, 然后將飽和土樣轉移至水桶中的套篩(孔徑依次為2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm和0.05 mm)頂部, 利用震蕩儀以30次×min-1上下震蕩5 min, 將各級孔徑篩子上的土樣置于鋁盒內烘干稱重記為wit, 然后再加入10 mol×L-1六偏磷酸鈉溶液10 mL并用玻璃棒攪拌分散, 置于相應孔徑篩子震蕩, 將留在篩子上的沙粒烘干并稱重, 記為wis, 則各粒級團聚體重量wi由公式(1)計算獲得:

1.3.3 數據處理

w為粒級團聚體重量所占的比例。

描述土壤團聚體分形特征可采用平均重量直徑(mean weight diameter, MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter, GMD)[23]以及分形維數(fractal dimension,)[24]等。

利用各粒級團聚體數據, 計算大于0.25 mm團聚體含量(0.25)、MWD和GMD, 公式如下:

(4)

(5)

分維數的計算采用楊培嶺等[25]推導的公式:

對公式(6)兩邊取對數, 可得:

(7)

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據整理, SigmaPlot 10.0軟件進行作圖, SPSS 22.0軟件對試驗數據進行單因素方差分析和回歸分析, 采用最小顯著極差法(LSD法)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同施肥措施對土壤容重和有機質含量的影響

在溫室土壤和農田土壤中, OM1和OM2較其他處理明顯降低了土壤容重(表3)。其中, 在溫室土壤中, 0~10 cm土層OM1的土壤容重較NP1和NPM1分別降低12.0%和8.6%, 10~20 cm土層則分別降低9.8%和3.0%, 20~40 cm土層分別降低7.1%和2.7%。在農田土壤中, 0~10 cm土層OM2的土壤容重較NP2、NPM2分別降低8.5%和7.0%, 10~20 cm土層分別降低2.6%和2.0%, 20~40 cm土層分別降低5.8%和4.6%。說明長期施用有機肥的溫室土壤和農田土壤的緊實度都降低了, 且表層容重小于底層。表3不同類型土壤容重間的差異性分析進一步表明, 有機肥處理的溫室土壤和農田土壤在0~20 cm土層容重差異達到顯著, 且溫室土壤容重下降幅度明顯大于農田土壤, 且0~20 cm耕作層土壤尤為明顯。

在兩種土壤類型中, OM1和OM2較其他處理明顯增加了土壤有機質含量(表3)。其中, 在溫室土壤中, 0~10 cm土層OM1的土壤有機質較NP1和NPM1分別增加104.8%和35.7%, 10~20 cm土層分別增加83.2%和68.4%, 20~40 cm土層分別增加64.3%和53.2%。在農田土壤中, 0~10 cm土層OM2的土壤有機質較NP2、NPM2分別增加23.1%和15.0%, 10~20 cm土層分別增加26.8%和24.4%, 20~40 cm土層分別增加18.9%和6.6%。說明長期施用有機肥的溫室土壤和農田土壤的有機質含量均增加, 且表層有機質含量高于底層。在20~40 cm土層, 農田土壤的3種施肥措施土壤有機質含量差別不大, 主要是由于農田施用的有機肥較少, 且主要集中在耕作層, 本試驗農田土壤的耕作層主要集中在0~20 cm深度, 進入到20~40 cm處的有機質較少。分析發(fā)現, 增施有機肥對溫室土壤有機質的提高效果好于農田土壤, 不同施肥處理間溫室土壤的有機質含量整體高于農田土壤, 分析原因可能是溫室土壤半封閉高度集約化栽培使大量蔬菜爛葉、根系分泌物、根系殘體遺留于土壤中, 使得溫室土壤中的有機物質富集。

表3 不同施肥措施下兩種土壤不同深度的容重和有機質含量

不同小寫字母表示同一土層同一類型土壤不同施肥處理間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示同一土層相同處理不同類型土壤間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences at the same depths under different fertilizer treatments for the same soil type (< 0.05), and different capital letters indicate significant differences between two soil types at the same depth under the same fertilizer treatment (< 0.05).

2.2 不同施肥措施對土壤水穩(wěn)性團聚體數量的影響

根據團聚體形成的多級團聚理論, 微團聚體(直徑<0.25 mm)聚合形成大團聚體(直徑>0.25 mm), 大團聚體破碎形成小團聚體, 二者既互為基礎又互為消長。一般把>0.25 mm的團聚體(0.25)稱為土壤團粒結構體, 團粒結構是土壤中最好的結構體, 其數量與土壤的肥力狀況呈正相關。因此本研究采用>0.25 mm團聚體的比例來說明土壤團聚體的數量變化, 以此來反映不同施肥措施對土壤肥力及穩(wěn)定性狀況的影響程度(表4)。

通過濕篩法獲得的團聚體是土壤中的水穩(wěn)性團聚體, 水穩(wěn)性團聚體對保持土壤結構的穩(wěn)定性有著重要貢獻, 因而比非穩(wěn)性團聚體更為重要。從表4可以看出, 溫室土壤中, OM1在0~10 cm和20~40 cm土層中的0.25顯著高于NP1和NPM1; 在10~20 cm土層中, OM1和NPM1中的0.25顯著高于NP1。在農田土壤各土層中0.25的順序為OM2>NPM2>NP2, 且增施有機肥對溫室土壤大團聚體的提高效果明顯好于農田土壤。

表4 不同施肥處理兩種土壤不同深度>0.25 mm團聚體(R0.25)含量

0.25指土壤中>0.25 mm的團聚體數量。不同小寫字母表示同一土層同一類型土壤不同施肥處理間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示同一土層相同處理不同類型土壤間差異顯著(<0.05)。0.25is the aggregates of diameter >0.25 mm. Different lowercase letters indicate significant differences at the same depths under different fertilizer treatments for the same soil type (< 0.05), and different capital letters indicate significant differences between two soil types at the same depth under the same fertilizer treatment (< 0.05).

2.3 不同施肥措施對不同粒徑土壤團聚體分布的影響

水穩(wěn)性團聚體的分布狀況反映土壤結構的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。從圖1可以看出, 在溫室土壤中, 隨著土壤層次的加深, >0.25 mm的團聚體比例逐漸降低, <0.05 mm的微團聚體比例逐漸增加。在3種不同深度土壤中<0.05 mm的微團聚體所占比例最高。>0.25 mm的團聚體含量在OM1中最高, NPM1次之, NP1最低。

在農田土壤中, 各級團聚體的變化與溫室土壤相似。隨著土壤層次的加深, >0.25 mm的團聚體比例逐漸降低, <0.05 mm的微團聚體比例逐漸增加。在3種不同深度土壤中<0.05 mm的微團聚體所占比例最高。各施肥條件下, 農田土壤中<0.05 mm的微團聚體比例高于溫室土壤, >0.25 mm的團聚體比例低于溫室土壤。

2.4 不同施肥措施對土壤團聚體大小分布的影響

不同粒級團聚體對土壤養(yǎng)分的保持和供應、孔隙組成、水力性質和生物運動具有不同的作用, 因此在團聚體總量的基礎上, 團聚體大小分布狀況與土壤的質量關系更加密切。MWD和GMD是反映土壤團聚體大小分布狀況的常用指標。MWD和GMD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高, 穩(wěn)定性越強。如表5所示, 溫室土壤與農田土壤中0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm層土壤團聚體的MWD和GMD均為OM1>NPM1>NP1和OM2>NPM2>NP2。說明無論是在溫室土壤還是農田土壤中, 施用有機肥都能增加水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性, 且增施有機肥對溫室土壤MWD和GMD的提高程度優(yōu)于農田土壤。

2.5 不同施肥措施對土壤團聚體分維特征的影響

本文利用公式(7)對團聚體數據進行了擬合,2值均大于0.95。圖2是溫室土壤和農田土壤團聚體的分形維數在0~40 cm剖面上的分布圖。從圖2a可以看出, 在溫室土壤中OM1的水穩(wěn)性團聚體的值在表層0~10 cm最低(2.84), 而且從上向下逐漸增大; 而NP1的水穩(wěn)性團聚體的值在表層最大。NP1和NPM1中, 10 cm以下土層的水穩(wěn)性團聚體的值趨于穩(wěn)定, 在20~40 cm土層內兩處理的水穩(wěn)性團聚體的值大致相等(2.95); 3種施肥方式處理10 cm以下土層中水穩(wěn)性團聚體值的變化范圍為2.89~2.99, 其変幅明顯小于表層土壤; 在0~10 cm和10~20 cm內, 土壤水穩(wěn)性團聚體值的大小順序為OM1

表5 不同施肥措施下兩種土壤不同深度團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑

不同小寫字母表示同一土層同一類型土壤不同施肥處理間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示同一土層相同處理不同類型土壤間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences at the same depths under different fertilizer treatments for the same soil type (< 0.05), and different capital letters indicate significant differences between two soil types at the same depth under the same fertilizer treatment (< 0.05).

從圖2b可以看出, 在農田土壤0~10 cm層, 3個施肥處理下土壤的分形維數基本相同, 在10~20 cm層中的水穩(wěn)性團聚體的分形維數的變化范圍為2.96~2.98, 在20~40 cm層中, 3個施肥處理下的值又趨于一致。土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數自表層向下逐漸增加, 表明底層的團聚體水穩(wěn)性逐漸降低。從整體上來看, 增施有機肥對溫室土壤水穩(wěn)性團聚體值的降低程度好于農田土壤。

2.6 土壤有機質含量與0.25的關系

由圖3可以看出, 土壤有機質含量與>0.25 mm (0.25)水穩(wěn)性團聚體含量間呈極顯著正相關關系(溫室土壤,2=0.714 4,<0.000 1; 農田土壤,2=0.756 4,<0.000 1)。說明土壤有機質含量越高, >0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量就越高, 土壤團聚體水穩(wěn)性越強, 土壤結構越穩(wěn)定。同時說明增施有機肥、有機肥加少量化肥配合施用等措施在補充土壤有機碳庫和有效養(yǎng)分含量的同時, 能顯著增加土壤中大團聚體含量及其水穩(wěn)性, 是改善華北平原溫室土壤和農田土壤理化性質、培肥地力和確保作物健康穩(wěn)產的有效途徑。

3 討論

土壤容重和總孔隙度是評價土壤物理性質的重要指標, 二者直接影響土壤水肥供應、通氣狀況及作物生長[26-27]。單施化肥可能因作物對不同電荷離子的選擇吸收、土壤吸附作用差異、雜質離子的作用等因素而導致土壤物理性質惡化, 亦可通過增加有機物歸還量而改善土壤物理性質[28-29], 對其土壤容重和總孔隙度的影響應取決于具體試驗情景中上述兩種效應的綜合作用強度。本研究中, 在溫室土壤和農田土壤中長期施用有機肥顯著降低了土壤容重, 增大了土壤孔隙度。因為有機肥具有較好的肥效, 可以直接向土壤中補充大量活性有機物質、促進作物生長, 因此在降低土壤容重和增加土壤孔隙度方面往往較單施化肥具有更突出的效果[30-31]。

溫室土壤和農田土壤中的水穩(wěn)性團聚體主要以<0.05 mm粒級團聚體為優(yōu)勢粒級, 但其含量因不同施肥處理而異。以往研究表明施用有機肥可以增加大團聚體含量, 增強團聚體穩(wěn)定性[32], 這與本研究所得結果一致, 有機肥處理的溫室土壤和農田土壤大團聚含量明顯增加, 團聚體穩(wěn)定性也得到增強。這主要是由于有機肥中有機殘留物的輸入, 增加了土壤可溶性有機碳含量和微生物活性, 從而使小粒級團聚體膠結形成大團聚體, 增加了土壤的團聚程度, 最終增加了大團聚體含量, 提高了團聚體的穩(wěn)定性[33-34]; 同時施用有機肥可在一定程度上抵消耕作對土壤團聚體的破壞作用。邸佳穎等[35]和趙紅等[36]研究了有機肥施用對團聚體穩(wěn)定性的影響, 結果表明有機肥處理下土壤團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑值均顯著高于對照和無機肥處理, 單施有機肥處理和有機肥配施化肥處理能夠有效提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。但本研究中單施有機肥處理相比于有機肥配施化肥處理, 對土壤容重、團聚體穩(wěn)定性及有機質的改善效果更明顯, 分析其原因是由于本試驗是長期定位試驗, 長期不斷地施用有機肥, 等量養(yǎng)分輸入的情況下, 相比于有機肥配施化肥處理施用的有機肥量大, 增加土壤有機質的作用更明顯。作為土壤團聚體的主要膠結劑, 有機肥分解可產生如多糖、蛋白質、木質素等不同種類的有機質以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物, 這些土壤中重要的有機膠結物質對大團聚體的形成及穩(wěn)定產生了積極影響, 提高了大團聚數量及團聚體穩(wěn)定性, 土壤結構和穩(wěn)定性明顯得到改善[37-38], 這與邢旭明等[39]的研究結果一致。也有研究表明長期施用化肥也可增加大團聚體含量[40]。本研究中單施化肥并沒有增加土壤中大團聚體含量和團聚體穩(wěn)定分析其原因可能是本試驗土壤長期單施化肥, 可能造成土壤板結, 微生物活性降低, 容重變大, 孔隙性變差, 進而影響土壤結構; 另外長期施用化肥造成的土壤酸化加劇了對土壤陽離子損失也可能是團聚體穩(wěn)定性降低的原因之一[31,34,40]。有機質是土壤團聚體的重要組分, 在土壤團聚體形成中有著重要作用, 無論土壤中有機質分解后形成何種物質, 而有機質含量與水穩(wěn)性團聚體數量及穩(wěn)定性具有正相關性已被很多研究結果證實。同樣本文相關分析的結果證實, 在溫室土壤和農田土壤中有機質含量的提高不僅可增加土壤中>0.25 mm團聚體含量, 還可增大團聚體的水穩(wěn)性[41]。

本研究0~20 cm土層有機質含量, 溫室土壤之所以高于農田土壤, 其原因就是溫室種植多為蔬菜, 為了滿足蔬菜作物根系對土壤疏松程度的較高要求, 大量施用牛糞、雞糞等有機肥, 加之高度集約化栽培使大量蔬菜爛葉、根系分泌物、根系殘體遺留于土壤中, 使溫室土壤中的有機物質富集。有機質含量的增加不僅為土壤肥力的提高奠定了基礎, 其分解后形成的多糖和腐殖質也為團聚體的形成提供了粘結劑。因此, 在溫室栽培過程中注重有機肥的施用, 不僅是生產綠色有機蔬菜的根本保證, 更是保持良好土壤結構的物質基礎。

4 結論

基于長期定位施肥試驗研究得出, 施肥方式對溫室土壤和農田土壤容重、有機質含量和團聚體特性都有顯著影響。施用有機肥可顯著降低溫室土壤和農田土壤容重, 增加土壤有機質含量, 從而改善土壤松緊狀況, 其影響效應在0~20 cm土層明顯高于20~40 cm土層, 且在溫室土壤中的影響效應高于農田土壤。施用有機肥能顯著增加>0.25 mm粒級的團聚體含量、MWD和GMD值, 降低分形維數()值, 說明施用有機肥處理可以促進土壤團聚體的形成, 增加其顆粒直徑, 降低其團聚體的分形維數; 但不同方式對20~40 cm層土壤的分形維數影響不大, 在此土層中各施肥處理下水穩(wěn)性團聚體基本趨于一致。土壤有機質含量與>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體所占比例之間呈顯著正相關, 說明有機質含量越高, >0.25 mm水穩(wěn)性團聚體所占比例越大, 土壤團聚體穩(wěn)定性越強。因此, 施用有機肥在補充土壤有機碳庫和有效養(yǎng)分含量的同時, 能顯著增加土壤中大團聚體的含量及其水穩(wěn)性, 改善土壤結構, 提高土壤肥力, 是在溫室土壤和農田土壤中改善其理化性狀和培肥地力的有效途徑。

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Effect of long-term fertilization on soil aggregate formation in greenhouse and farmland conditions in the North China Plain*

LIU Zhe1,2,3, SUN Zenghui1,2,3, LYU Yizhong2**

(1. Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group, Xi’an 710075, China; 2. College of Resource and Environment, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 3. Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, Ministry of Land and Resources, Xi’an 710075, China)

The status of soil aggregates is an important soil physical property and the amount of soil aggregates is a critical index for measuring and evaluating soil fertility. Organic fertilizer application is an essential measure for improving soil organic carbon (SOC) content, promoting soil aggregate formation and improving soil structure. A long-term experiment was conducted in greenhouse soil and in farmland soil under three fertilizer treatments in Quzhou County in the North China Plain in order to investigate the effects of different modes of fertilization on the content, distribution and stability of soil water-stable aggregates using the wet-sieving method under different land use types. Results indicated that continuous organic matter application (OM) significantly decreased soil bulk density and significantly increased soil organic matter content, compared with chemical fertilizer application (NP) and mixed organic manure with chemical fertilizer treatment (NPM) in both greenhouse and farmland soils (< 0.05). This effect was obviously for the 0-10 cm soil layer. The bulk density of the 0-10 cm soil layer under greenhouse conditions with organic fertilize application treatment was 1.17 g·cm-3, which decreased respectively by 12.0% and 8.6% compared with those under chemical fertilizer and mixed organic manure with chemical fertilizer treatments. The content of organic matter in the 0-10 cm soil layer of greenhouse with organic fertilize application treatment was 54.81 g·kg-1, which increased respectively by 104.8% and 35.7% compared with those under chemical fertilizer and mixed organic manure with chemical fertilizer treatments. Also the bulk density of soil in the 0-10 cm layer of farmland with organic fertilize application was 1.19 g·cm-3, which decreased respectively by 8.5% and 7.0% compared with those under chemical fertilizer and mixed organic manure with chemical fertilizer treatments. The contents of farmland organic matter in the 0-10 cm soil layer with organic fertilize application was 22.67 g·kg-1, which increased respectively by 23.1% and 15.0% compared with those under chemical fertilizer and mixed organic manure with chemical fertilizer treatments. The mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of water-stable aggregates of both greenhouse and farmland soils changed in the following order: OM > NPM > NP. Fractal dimension () of water-stable aggregates under OM treatment was lowest while that under NP treatment was highest. Treatments with OM significantly decreasedvalue in the 0-20 cm soil layer, which effect was most obvious for the 0-10 cm soil layer where soil structure improvement was also very obvious. Compared with farmland soil, changes of soil stability indexes and the effects of aggregate structure were more obvious for greenhouse soil. The most significant correlation was between soil organic matter content and the content of >0.25 mm soil aggregates, which indicated that the more soil organic matter, the greater stability the soil structure. In conclusion, the application of organic matter not only increased the content of soil organic matter and available nutrients, but also promoted the formation of macro-aggregates and improved aggregate stability. It was an effective measure to improve the stability of farmland soil, which also was good for sustaining soil development, especially for soils under greenhouse conditions in the North China Plain.

Organic fertilizer;Soil aggregate; Soil organic matter; Fractal dimension; Greenhouse soil; Farmland soil

10.13930/j.cnki.cjea.161060

S152.4+81

A

1671-3990(2017)08-1119-10

* 國家科技支撐計劃課題(2014BAL01B01)、國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目(201411008-3)和陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目 (2016KCT-23)資助

**通訊作者:呂貽忠, 研究方向為土壤物理及質量提升等。E-mail: 405009048@qq.com

劉哲, 研究方向為土壤結構及土壤質量改良。E-mail: liuzhe168@126.com

2016-11-24 接受日期: 2016-12-23

* The study was supported by the National Key Technology R&D Program of China (2014BAL01B01), the Special Funds on Public Welfare Research by Ministry of Land of China (201411008-3) and the Key Science and Technology Innovation Team Projects of Shaanxi Province, China (2016KCT-23).

, E-mail: 405009048@qq.com

Nov. 24, 2016; accepted Dec. 23, 2016

劉哲, 孫增慧, 呂貽忠. 長期不同施肥方式對華北地區(qū)溫室和農田土壤團聚體形成特征的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2017, 25(8): 1119-1128

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