增施有機(jī)肥改善黑土物理特性與促進(jìn)玉米根系生長的效果

槐圣昌，劉玲玲，汝甲榮，閆志浩，王瑾瑜，王士超，邢婷婷，武紅亮，盧昌艾*，孫繼英*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

黑土是我國寶貴的高肥力土壤資源，但近年來由于不合理的土地管理措施和高強(qiáng)度的土地利用方式，使得黑土區(qū)土壤緊實(shí)，犁底層加厚，阻礙玉米根系的生長。秸稈還田和施用有機(jī)肥一定程度上改善了土壤物理特性，為根系生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境［1-2］。目前秸稈還田后增施有機(jī)肥對黑土物理特性和根系生長的研究相對較少。玉米抽雄期是營養(yǎng)生長和生殖生長旺盛的并進(jìn)階段，是決定玉米產(chǎn)量最關(guān)鍵時(shí)期。因此，明確不同秸稈還田方式基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥對黑土物理特性和玉米抽雄期根系生長的影響，對東北黑土區(qū)深厚熟化耕層構(gòu)建具有重要意義。

研究表明［3-5］，增施有機(jī)肥減小土壤容重，增加土壤的透氣性和土壤含水量，從而促進(jìn)根系生長，提高作物產(chǎn)量。韓曉增等［6］研究發(fā)現(xiàn)在東北黑土區(qū)增施有機(jī)肥較不施有機(jī)肥土壤容重降低了6.20%，總孔隙度增加了6.02%，0～100 cm土層土壤含水量均顯著增加。在黃淮海地區(qū)棕壤土上的研究表明［7］，常規(guī)秸稈還田基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥能夠促進(jìn)秸稈腐解，提升秸稈還田對改善土壤物理特性和促進(jìn)根系生長的潛力。也有研究表明［8-11］，相比單純秸稈還田，增施有機(jī)肥后不同秸稈還田方式對物理特性的改善效果存在明顯差異。

上述研究進(jìn)展表明，秸稈還田基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥對土壤物理特性的改善效果仍有待進(jìn)一步明確，且相關(guān)研究極少涉及根系生長特征，不同秸稈還田方式基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥對東北黑土物理特性和玉米根系生長的改善效果有待于進(jìn)一步研究。本文通過增施有機(jī)肥試驗(yàn)，測定了不同處理下黑土土壤容重、土壤含水量等物理特性的變化特征，并采用微根管法田間原位監(jiān)測玉米抽雄期玉米根系生長特征，擬明確東北黑土區(qū)不同秸稈還田方式基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥對黑土物理特性和根系生長的改善效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

該定位試驗(yàn)開展于2015年，兩試驗(yàn)點(diǎn)分別位于吉林省公主嶺（43.18～44.15°N、124.03～125.30°E）、黑龍江省克山（47.85～48.56°N、125.17～126.14°E）。公主嶺為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，長期平均年降水量為572 mm，2018年降水量為683 mm，2018年生育期降水量590.3 mm；年平均氣溫為4～5℃，2018年玉米抽雄期日均最高氣溫28℃，日均最低氣溫18℃?？松綖楹疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量為499 mm，2018年降水量為639 mm，2018年生育期降水量555.7 mm；年平均氣溫為2.4℃，2018年抽雄期日均最高氣溫26℃，日均最低氣溫16℃。本研究進(jìn)行于2018年，5月初種植春玉米，10月初收獲。試驗(yàn)所選用的玉米品種公主嶺為富民985、克山為瑞福爾1號(hào)。供試土壤為黑土，用于測定土壤基礎(chǔ)值的土樣于2015年4月獲得，風(fēng)干并研磨后通過2 mm的篩子，進(jìn)行理化性質(zhì)的測定。其0～15、15～30以及30～45 cm土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，以不同有機(jī)肥處理為主區(qū)，設(shè)2個(gè)水平，分別為不施有機(jī)肥、增施有機(jī)肥（M）；以秸稈還田方式為副區(qū)，設(shè)旋耕秸稈還田（RS，旋耕耕深15 cm）、深翻秸稈還田（DS，深翻耕深30 cm）和深松秸稈還田（SS，深松耕深30 cm）3種方式。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為330 m2，小區(qū)之間有5 m寬的保護(hù)行；每個(gè)小區(qū)有16行玉米，均勻條播，公主嶺種植密度為67 500株/hm2、克山為90 000株/hm2。有機(jī)肥為牛糞腐熟有機(jī)肥（有機(jī)質(zhì)30.5 g/kg，全氮3.5 g/kg，全磷0.2 g/kg，全鉀1.6 g/kg）。玉米收獲后，粉碎的玉米秸稈均勻鋪于小區(qū)地表，同時(shí)增施有機(jī)肥處理的小區(qū)均勻撒施有機(jī)肥（兩試驗(yàn)點(diǎn)均為7.5 t/hm2），然后進(jìn)行耕作整地，旋耕采用意大利MASCHIO 旋耕機(jī)完成旋耕作業(yè)；深松采用ISQ-340型全方位深松機(jī)，深松后利用旋耕機(jī)將秸稈與土壤混勻；深翻采用挪威格蘭 KVERNELAND 懸掛式翻轉(zhuǎn)犁完成作業(yè)，秸稈翻埋于土中。

化肥采用緩釋性包膜玉米專用肥，一次性基施，各小區(qū)施用同樣的化肥用量，公主嶺玉米專用肥N∶P2O5∶K2O養(yǎng)分配比為26∶11∶13，用量為900 kg/hm2；克山玉米專用肥N∶P2O5∶K2O養(yǎng)分配比為 26∶12∶12，用量為 600 kg/hm2。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤容重采用環(huán)刀法，測定時(shí)將環(huán)刀中的原狀土樣轉(zhuǎn)移到鋁盒中，在105℃下烘24 h稱重，計(jì)算單位體積中烘干土的質(zhì)量。土壤體積含水量采用TDR土壤水分測量儀進(jìn)行測定，測定前一周內(nèi)未有降雨。土壤容重和土壤含水量均于2018年8月6日測定了0～15、15～30、30～45 cm 3個(gè)土層，每個(gè)處理均重復(fù)3次。土壤緊實(shí)度測定于2018年8月7日，所用儀器為美國spectrum公司SC-900土壤緊實(shí)度儀，測量范圍為0～45 cm，測定間距為2.5 cm，每個(gè)處理均重復(fù)10次。

1.3.2 根系特征值的測定

利用CI-600植物根系檢測系統(tǒng)監(jiān)測了玉米抽雄期的根系生長特征（CID Bio-Science，Camas，WA，USA）。該系統(tǒng)主要包括微根管，微型攝像頭和WinRHIZOTron 圖像分析軟件3部分［12］。微根管于2018年玉米苗期前進(jìn)行安裝。微根管（透明白色玻璃管）直徑6.5 cm、長1 m，安裝時(shí)與地面夾角為45°，地下埋深65 cm，于兩個(gè)玉米植株之間進(jìn)行安裝，每個(gè)處理小區(qū)隨機(jī)安裝3根。地上露出部分用錫紙與膠帶包裹好，管口用黑色頂蓋密封，防止陽光雨水進(jìn)入微根管內(nèi)。

玉米抽雄期利用CI-600根系掃描設(shè)備對根系進(jìn)行掃描，觀測時(shí)將附有滑竿的微型攝像頭與計(jì)算機(jī)連接，滑竿移動(dòng)間距為21 cm，每根管通過掃描獲得0～15、15～30和30～45 cm 3張不同土層圖片（21.59 cm×19.56 cm），然后用WinRHIZOTron 2015HR 軟件分析獲得根長、根尖數(shù)，根平均直徑等根系生長指標(biāo)值，并進(jìn)一步計(jì)算得出根長密度、根尖數(shù)密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文利用各指標(biāo)變化量（即秸稈還田+有機(jī)肥處理與單純秸稈還田處理各指標(biāo)的差值）表示增施有機(jī)肥的效果，正值表示各指標(biāo)增加量，負(fù)值表示各指標(biāo)降低量。運(yùn)用Excel 2017 對本文數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪圖軟件為OriginPro 9.0；利用SPSS 17.0軟件，對有機(jī)肥和秸稈還田的單因素效應(yīng)和互作效應(yīng)進(jìn)行二因素方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式下增施有機(jī)肥對黑土物理特性的影響

由表2可知，相比不施有機(jī)肥，增施有機(jī)肥后各土層土壤物理特性均有所改善。與不施有機(jī)肥相比，增施有機(jī)肥處理公主嶺土壤容重、土壤緊實(shí)度的平均值分別降低0.041 g/cm3和111 kPa，克山分別降低0.037 g/cm3和129 kPa；公主嶺和克山土壤含水量的平均值分別提高2.21%和2.04%。

不同秸稈還田方式增施有機(jī)肥后，對黑土物理特性的改善效果不同，其中0～15 cm土層RSM處理改善效果最明顯，15～45 cm土層SSM和DSM處理改善效果最明顯（表2）。從兩試驗(yàn)點(diǎn)可以看出，0～15 cm土層RSM處理土壤容重和土壤含水量變化量（兩試驗(yàn)點(diǎn)平均）為-0.061 g/cm3和2.7個(gè)百分點(diǎn)，較SSM處理高29.7%和15.8%，較DSM處理高48.7%和18.9%；15～45 cm土層增施有機(jī)肥后SSM和DSM處理土壤容重和土壤含水量的改善效果均優(yōu)于RSM處理，其中SSM和DSM處理土壤容重的變化量（兩試驗(yàn)點(diǎn)平均）分別比RSM處理高86.3%和59.0%，SSM和DSM處理土壤含水量的變化量分別比RSM處理高73.6%和66.9%；對于土壤緊實(shí)度，0～15 cm土層RSM處理的改善效果最好，公主嶺土壤緊實(shí)度降低了159 kPa，SSM和DSM處理次之，土壤緊實(shí)度分別降低了139和123 kPa；隨土壤深度增加，SSM和DSM處理土壤緊實(shí)度降低迅速，15～30 cm土層其土壤緊實(shí)度改善效果（175和170 kPa）明顯優(yōu)于RSM處理（134 kPa）；30 cm土層以下，對于土壤緊實(shí)度的降低幅度，SSM、DSM和RSM處理間無顯著差異。

表2 不同秸稈還田下增施有機(jī)肥后土壤容重、含水量和緊實(shí)度的變化量

除0～15 cm土層土壤緊實(shí)度外，有機(jī)肥和秸稈還田方式互作對土壤容重和土壤緊實(shí)度具有顯著負(fù)效應(yīng)，對土壤含水量具有顯著正效應(yīng)（表3）。綜合來看，相比其他耕作模式，SSM和DSM更有利于黑土物理特性的改變。

表3 有機(jī)肥和秸稈還田單因素效應(yīng)與互作效應(yīng)的二因素方差分析P值

2.2 不同秸稈還田方式下增施有機(jī)肥對玉米根系生長的影響

2.2.1 根長密度和根尖數(shù)密度

從兩試驗(yàn)點(diǎn)來看，增施有機(jī)肥后各土層的平均根長密度和根尖數(shù)密度均高于不施有機(jī)肥處理（表4）。在公主嶺，增施有機(jī)肥處理根長密度和根尖數(shù)密度分別增加了0.19 cm/cm2和33.4×10-3個(gè)/cm2；在克山，增施有機(jī)肥處理0～45 cm土層根長密度和根尖數(shù)密度分別增加了0.19 cm/cm2和36.4×10-3個(gè)/cm2。

不同土層來看，增施有機(jī)肥后，不同秸稈還田方式的根長密度和根尖數(shù)密度在不同土層的提升效果存在顯著差異。0～15 cm土層RSM處理根長密度（兩試驗(yàn)點(diǎn)平均）提高了0.27 cm/cm2，比SSM和DSM處理分別高27.2%和33.3%；15～45 cm土層SSM和DSM處理根長密度的提升效果較RSM更加顯著，分別提高了（兩試驗(yàn)點(diǎn)平均）0.21和0.20 cm/cm2，較RSM處理高66.6%和58.3%。與根長密度表現(xiàn)相似，增施有機(jī)肥后，不同秸稈還田方式對根尖數(shù)密度的提升效果不同，0～15 cm土層根尖數(shù)密度的提升效果表現(xiàn)為RSM＞DSM、SSM，分別增加（兩試驗(yàn)點(diǎn)平均） （51.9、38.4、35.7） ×10-3個(gè)/cm2；15～45 cm土層根尖數(shù)密度增加量大小則表現(xiàn)SSM、DSM＞RSM，分別增加（兩試驗(yàn)點(diǎn)平均） （37.1、32.4、24.2） ×10-3個(gè)/cm2。

除0～15 cm土層根尖數(shù)密度外，增施有機(jī)肥與秸稈還田方式互作對根長密度和根尖數(shù)密度均有顯著正交互作用（表3）。相比其他耕作模式，SSM和DSM均能顯著促進(jìn)根系生長。

2.2.2 根平均直徑

由圖1可知，增施有機(jī)肥能夠顯著增加根平均直徑，其中公主嶺根平均直徑增加0.13 mm；克山增加0.11 mm。與根長密度和根尖數(shù)密度有所不同，對于根平均直徑的增加幅度，除克山15～30 cm土層，SSM、DSM和RSM處理間無顯著差異，其中0～15 cm土層SSM、DSM和RSM根平均直徑分別增加（兩試驗(yàn)點(diǎn)平均）0.20、0.17和0.21 mm；15～30 cm土層分別增加0.13、0.12和0.07 mm；30～45 cm土層分別增加0.04、0.04和0.03 mm。有機(jī)肥與秸稈還田方式互作對公主嶺0～15和15～30 cm土層以及克山15～30 cm土層根平均直徑具有顯著正交互作用，而對其他土層并未產(chǎn)生顯著影響（表3），但綜合幾種模式來看，仍表現(xiàn)為深松秸稈還田+有機(jī)肥和深翻秸稈還田+有機(jī)肥的根平均直徑最高。

表4 不同秸稈還田下增施有機(jī)肥后根長密度和根尖數(shù)密度的變化量

3 討論

3.1 不同秸稈還田方式下增施有機(jī)肥對黑土物理特性的影響

土壤容重和土壤緊實(shí)度是反映土壤松緊程度、通氣狀況的綜合指標(biāo)，直接或間接地影響土壤水分狀況和作物根系的生長［4，13］。本研究結(jié)果表明，相比單純秸稈還田，增施有機(jī)肥后各土層土壤容重和土壤緊實(shí)度均明顯降低，這與董印麗等［14］研究保持一致。秸稈還田基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥進(jìn)一步降低土壤容重和土壤緊實(shí)度，可能是由于容重較低的有機(jī)肥與土壤混合后降低土壤容重，并且有機(jī)肥中含有較高的有機(jī)質(zhì)，起到疏松土壤的作用［15］；另外，有機(jī)肥能夠促進(jìn)秸稈的腐解［16］，進(jìn)一步改良土壤結(jié)構(gòu)，從而降低土壤容重和土壤緊實(shí)度。秸稈基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥后各土層土壤含水量也顯著增加，可能是由于增施有機(jī)肥后土壤容重和土壤緊實(shí)度降低，土壤孔隙狀況改善，促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，提高土壤的蓄水性和持水能力［17］。

圖1 不同秸稈還田方式下增施有機(jī)肥后根平均直徑的變化量

增施有機(jī)肥后，不同秸稈還田方式對物理特性的改善效果不同。本試驗(yàn)結(jié)果表明增施有機(jī)肥后0～15 cm土層RSM處理土壤物理指標(biāo)改善效果最好，而15～45 cm土層SSM和DSM處理各指標(biāo)改善效果明顯高于RSM處理。這可能是受試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時(shí)間和耕作深度的影響，本研究選取的是長期傳統(tǒng)旋耕的農(nóng)田，試驗(yàn)前具有較高土壤容重和土壤緊實(shí)度（表1），短期旋耕秸稈還田雖然在一定程度上改善了土壤犁底層厚實(shí)、水氣失調(diào)的現(xiàn)狀，但效果有限［18-20］，其改善程度不如SSM和DSM處理，F(xiàn)eng等［21］在中國西北地區(qū)粉壤土，以及本課題組在東北黑土區(qū)的研究均證明了這一點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥后，RSM處理土壤表層物理指標(biāo)有了較大程度的改善，但由于厚實(shí)犁底層的存在，僅有部分有機(jī)肥能通過稀釋作用、聚集作用等途徑改善下層土壤的物理特性，而SSM和DSM處理均能打破犁底層，秸稈和有機(jī)肥能夠有效改善耕層及耕層以下土壤結(jié)構(gòu)，使得15～45 cm土層RSM處理各物理指標(biāo)改善程度明顯低于SSM和DSM處理。

3.2 不同秸稈還田方式下增施有機(jī)肥對玉米根系生長的影響

有機(jī)肥能夠通過改善根系環(huán)境，如土壤容重、土壤緊實(shí)度和土壤含水量等，從而刺激根系生長［4，22-23］。本研究表明相比單純秸稈還田，秸稈還田基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥后各土層根長密度、根尖數(shù)密度和根平均直徑均顯著增加，這與Zhou等［24］在黑鈣土、張國娟等［25］在灰漠土上的研究結(jié)果一致。這可能與增施有機(jī)肥后土壤物理特性的改善有關(guān)，增施有機(jī)肥后土壤疏松多孔，水氣狀況更加合理，從而促進(jìn)根系生長，增加了根長密度、根尖數(shù)密度等，另一方面有機(jī)肥不僅含有作物必需的各種營養(yǎng)元素，而且含有大量的生物活性物質(zhì)，能夠促進(jìn)秸稈腐解和活化土壤微生物，從而創(chuàng)造有利于根系生長的環(huán)境條件［26-27］。

增施有機(jī)肥后，SSM、DSM和RSM處理對各根系生長指標(biāo)的改善效果存在顯著差異。本研究結(jié)果表明，增施有機(jī)肥后0～15 cm土層RSM處理根長密度、根尖數(shù)密度和根平均直徑的增加幅度高于SSM和DSM處理，而15～45 cm土層與之相反。這可能與土壤物理特性的變化特征有關(guān)［28］，從前面的討論得知，RSM處理土壤表層物理特性改善效果明顯，從而更大程度上促進(jìn)根系生長，并且由于RSM處理各根系指標(biāo)的基礎(chǔ)值較低，使其在增施有機(jī)肥后0～15 cm土層各根系指標(biāo)的增加幅度顯著高于SSM和DSM；深松秸稈還田和深翻秸稈還田均能打破犁底層，使耕層土壤疏松多孔，在此基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥進(jìn)一步協(xié)調(diào)土壤氣、液、固三相比，加速秸稈腐解，為土壤微生物提供更為豐富的碳源，創(chuàng)造更為有利根系生長的土壤環(huán)境，使得15～45 cm土層SSM和DSM處理各根系指標(biāo)改善效果較RSM更加顯著。

4 結(jié)論

增施有機(jī)肥后均能明顯降低黑土土壤容重和土壤緊實(shí)度，增加土壤含水量，提升玉米根長密度、根尖數(shù)密度和根平均直徑，促進(jìn)根系生長。增施有機(jī)肥基礎(chǔ)上，不同秸稈還田方式對物理特性和根系生長的改善效果不同，其中0～15 cm土層旋耕秸稈還田+有機(jī)肥的改善效果最好，15～45 cm土層深松秸稈還田+有機(jī)肥和深翻秸稈還田+有機(jī)肥的改善效果最好。綜合來看，深松秸稈還田和深翻秸稈還田基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥更有利于改善黑土物理特性和促進(jìn)根系生長，是東北黑土地較為適宜的物理培肥模式。