長(zhǎng)期不同施肥對(duì)黃壤主要物理性狀的影響

張 艷，劉彥伶，李 渝，黃興成，張雅蓉，楊勝玲，2，張文安，蔣太明

（1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，貴州 貴陽(yáng) 550006；4.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006）

黃壤占貴州土壤面積的46.40%［1］，其黏、酸、瘦等障礙因子制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［2］，加之近年來不合理施用化肥導(dǎo)致土壤物理性狀變差，不利于土壤質(zhì)量健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［3］。因此，改善黃壤區(qū)土壤質(zhì)地、孔隙、持水、通透性等主要物理性狀對(duì)于耕地質(zhì)量提升具有重要意義。有機(jī)肥主要成分為有機(jī)碳，并含多種養(yǎng)分，具有疏松多孔、養(yǎng)分豐富、肥效持久等特點(diǎn)［4］。施用有機(jī)肥可改善土壤質(zhì)量［5］，是改善土壤物理性狀的關(guān)鍵措施之一。王道中等［5］研究表明，施用有機(jī)肥可以降低土壤容重，提高土壤持水性。趙婷婷等［6］研究表明，施用有機(jī)肥可提高土壤養(yǎng)分。GUO等［7］研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥可以改善土壤孔隙。關(guān)于施用有機(jī)肥對(duì)土壤物理性狀的影響已開展較多研究，但在黃壤區(qū)施用牛糞有機(jī)肥對(duì)不同層次土壤物理性狀的影響缺乏系統(tǒng)研究［8］。基于此，筆者以黃壤肥力與肥效長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為依托，探明長(zhǎng)期施肥對(duì)不同層次土壤物理性狀的影響，為黃壤區(qū)合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)，土壤類型為黃壤土類黃泥土，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁(yè)巖風(fēng)化物。黃壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于1995年，試驗(yàn)前耕層（0～20 cm）土壤性質(zhì)為：w（有機(jī)質(zhì)）43.6 g/kg，w（全氮）2.05 g/kg，w（全磷）0.99 g/kg，w（全鉀）10.7 g/kg，w（堿解氮）167.0 mg/kg，w（有效磷）17.0 mg/kg，w（速效鉀）109.0 mg/kg，pH 6.70。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積340 m2（35.7 m×5.6 m），設(shè)置有10個(gè)施肥模式，本研究選取其中5個(gè)：CK（不施肥）、NPK（常規(guī)化肥）、1/4M+3/4NP（25%有機(jī)肥替代化肥）、1/2M+1/2NP（50%有機(jī)肥替代化肥）、M（施有機(jī)肥）。供試化肥為尿素（w（N）46.0%）、過磷酸鈣（w（P2O5）12.0%）和氯化鉀（w（K2O）60%）；有機(jī)肥為牛廄肥，鮮基養(yǎng)分多年測(cè)試平均w（N）2.7 g/kg、w（P2O5）1.3 g/kg、w（K2O）6.0 g/kg。不同處理施肥量見表1，氮肥按幼苗肥40%、大喇叭口肥60%分2次追施，磷鉀肥和有機(jī)肥作基肥一次性施用。種植制度為玉米-冬閑，冬季翻耕炕田。試驗(yàn)過程中不使用除草劑、殺蟲劑等化學(xué)農(nóng)藥，所有處理除施肥差異外，其他農(nóng)事活動(dòng)均一致。

表1 不同施肥模式施肥量 kg/hm2

1.3 樣品采集與分析方法

由于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)小區(qū)面積較大并未設(shè)置重復(fù)，本研究將試驗(yàn)地延長(zhǎng)邊三等分，設(shè)置3個(gè)調(diào)查取樣重復(fù)小區(qū)，于2019年9月玉米收獲后采用“S”形五點(diǎn)取樣法采集0～20 cm、＞20～40 cm深度的土壤樣品，將采集的土樣去除根系帶回室內(nèi)風(fēng)干，測(cè)定土壤機(jī)械組成，采用標(biāo)準(zhǔn)體積為100 cm3環(huán)刀取土（0～5 cm、＞5～10 cm、＞10～20 cm、＞20～30 cm），用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，并用環(huán)刀法［9］測(cè)定土壤最大持水量和田間持水量。

最大持水量測(cè)定：將裝有濕土的環(huán)刀，揭去上、下底蓋，僅留一墊有濾紙的帶網(wǎng)眼的底蓋，放入平底盤，注入水并保持盤中水層的高度至上沿，吸水24 h，此時(shí)土壤中所有毛管孔隙及非毛管孔隙都充滿了水分，蓋上上、下底蓋，水平取出，立即稱量，計(jì)算出土壤最大持水量。

田間持水量測(cè)定：將上述稱量后的環(huán)刀，揭去上、下底蓋，繼續(xù)放入鋪有干砂的平底盤中，保持24 h，此時(shí)環(huán)刀中土壤的水為毛管懸著水，蓋上上、下底蓋，水平取出，立即稱量，計(jì)算出土壤田間持水量，在105℃下烘干至恒質(zhì)量測(cè)定土壤水含量，其中土壤相對(duì)密度取值為2.65。

激光粒度儀法（型號(hào)：丹東百特BT9300st）測(cè)定土壤機(jī)械組成，參照國(guó)際制分類方法，按照粒徑將土壤顆粒分成3類：砂粒（0.020～2.000 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）和黏粒（＜0.002 mm）。以上均按照土壤物理性質(zhì)測(cè)定法測(cè)定［10］。計(jì)算方法均參照文獻(xiàn)［11-12］，計(jì)算公式為：

土壤三相比=土壤固體體積∶土壤液體體積∶土壤氣體體積=（100%-土壤總孔隙度）∶（土壤水含量×容重）∶（土壤總孔隙度-土壤水含量×容重）。

式中，STPSD代表土壤三相結(jié)構(gòu)距離，土壤三相結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)，STPSD越接近0；GSSI代表廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)，土壤結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)，GSSI越接近100。φs為固相體積分?jǐn)?shù)（＞25%），φl(shuí)為液相體積分?jǐn)?shù)（＞0），φg為氣相體積分?jǐn)?shù)（＞0）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析采用Excel 2019、IBM SPSS Statistics 20軟件進(jìn)行，處理間差異性采用鄧肯新復(fù)極差法（Duncan）檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期不同處理對(duì)土壤機(jī)械組成和分形維數(shù)的影響

長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)土壤機(jī)械組成與分形維數(shù)的影響主要集中在0～20 cm土層土壤中（見表2），對(duì)深層土壤影響較小。在0～20 cm土層中，與CK處理相比，施用有機(jī)肥的各處理黏粒體積分?jǐn)?shù)顯著降低了10.13%～23.60%，砂粒體積分?jǐn)?shù)顯著增加了8.42%～30.57%。與單施化肥處理相比，施用有機(jī)肥的各處理黏粒體積分?jǐn)?shù)顯著減少了11.76%～14.99%，砂粒體積分?jǐn)?shù)顯著增加了11.40%～34.17%。

表2 不同施肥處理土壤機(jī)械組成與分形維數(shù)特征

在＞20～40 cm土層中，與CK處理相比，施用有機(jī)肥的各處理黏粒體積分?jǐn)?shù)顯著增加7.84%～27.95%，砂粒體積分?jǐn)?shù)顯著降低4.64%～22.95%。與NPK處理相比，施用有機(jī)肥各處理黏粒體積分?jǐn)?shù)增加15.45%～36.98%，砂粒體積分?jǐn)?shù)減少13.28%～29.93%。不同處理間分形維數(shù)無(wú)顯著差異，但隨土壤深度的增加，分形維數(shù)有增加的趨勢(shì)，增幅不明顯。

2.2 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)土壤水含量的影響

不同施肥處理對(duì)土壤水含量的影響見圖1。由圖1可知，長(zhǎng)期不同施肥處理均不同程度影響土壤水含量。與CK處理相比，NPK處理0～30 cm土壤平均水含量顯著降低了7.00%，M處理0～30 cm土壤平均水含量顯著增加了6.92%。不同施肥處理中，0～5 cm土壤水含量均最小，在＞5～10 cm土層中，與NPK處理相比，施用有機(jī)肥的各處理土壤含水量提高了10.65%～24.09%，以M處理增幅最大。

圖1 不同施肥處理土壤水含量

2.3 長(zhǎng)期不同處理對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

5種不同施肥處理整體表現(xiàn)出隨著土層深度增加，土壤容重增加、孔隙度降低的趨勢(shì)（見圖2、表3）。在＞5～10 cm土層，與CK相比，施用有機(jī)肥的各處理土壤容重顯著減少了1.88%～5.87%，以M處理降幅最大。與NPK處理相比，施用有機(jī)肥的各處理土壤容重顯著減少了5.25%～12.72%。在＞10～20 cm土層，與CK處理相比，1/2M+1/2NP、M處理土壤容重降低了5.25%～15.40%。與NPK處理相比，M處理土壤容重顯著減少了10.63%。

圖2 不同處理土壤容重

表3 不同施肥處理對(duì)土壤孔隙的影響

在＞5～10 cm土層，與CK處理相比，施用有機(jī)肥的各處理土壤總孔隙度增幅較大且差異明顯。與NPK處理相比，M處理土壤總孔隙度顯著增加了7.64%。在＞10～20 cm土層，與CK處理相比，NPK、1/2M+1/2NP、M處理土壤總孔隙度分別增加了6.52%、4.12%、12.04%，1/4M+3/4NP處理土壤總孔隙度減少了5.43%。在0～5 cm、＞20～30 cm土層中，各處理土壤總孔隙度間無(wú)明顯差異，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。在＞5～10 cm土層，不同處理對(duì)土壤毛管孔隙度的影響規(guī)律與土壤總孔隙度基本一致，施用有機(jī)肥的各處理土壤毛管孔隙度顯著高于CK，以M處理增幅最大。在＞10～20 cm土層，M處理土壤毛管孔隙度顯著高于CK和NPK處理。在＞5～10 cm、＞10～20 cm土層各處理土壤非毛管孔隙度無(wú)明顯差異。

2.4 長(zhǎng)期不同處理對(duì)土壤持水性的影響

不同施肥處理對(duì)不同土層土壤持水性有一定的影響（見圖3）。在＞5～10 cm土層，與NPK處理相比，施用有機(jī)肥的各處理土壤最大持水量增加了5.82%～24.20%；在＞10～20 cm土層，與NPK處理相比，M處理土壤最大持水量顯著增加了19.71%。在＞5～10 cm土層，不同處理對(duì)土壤毛管持水量的影響規(guī)律與土壤最大持水量基本一致；在＞10～20 cm土層，與NPK處理相比，M處理土壤毛管持水量增加了7.92%。在＞5～10 cm土層，不同處理對(duì)土壤田間持水量的影響規(guī)律與土壤最大持水量、毛管持水量呈同樣趨勢(shì)；在＞10～20 cm土層，與NPK處理相比，M處理土壤田間持水量增加了7.92%。長(zhǎng)期施肥對(duì)0～5 cm和＞20～30 cm土層土壤持水性影響不明顯。

圖3 不同施肥處理對(duì)土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤田間持水量的影響

2.5 長(zhǎng)期不同處理對(duì)土壤三相比的影響

不同施肥處理對(duì)不同土層土壤三相比有一定的影響（見表4）。在＞5～10 cm土層，與CK處理相比，各施肥處理土壤固相率降低了7.60%～19.26%，以M處理降幅最大且差異顯著。與NPK處理相比，M處理土壤固相率顯著降低了8.90%，液相率顯著增加了5.11%，氣相率顯著增加了15.05%。與CK和NPK處理相比，施用有機(jī)肥的各處理STPSD（土壤三相結(jié)構(gòu)距離）顯著降低，各處理GSSI（土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)）無(wú)顯著差異。在＞10～20 cm土層，與CK處理相比，M處理土壤固相率顯著降低了10.19%，氣相率顯著增加了145.99%；土壤液相率各處理間無(wú)顯著性差異。與NPK處理相比，M處理土壤固相率顯著降低了4.95%，氣相率顯著增加了56.41%，施用有機(jī)肥的處理GSSI顯著提高、STPSD顯著降低。長(zhǎng)期施肥對(duì)0～5 cm和＞20～30 cm土層土壤三相比的影響不明顯。

表4 不同施肥處理對(duì)土壤三相比的影響

3 討論

土壤機(jī)械組成是土壤的關(guān)鍵物理特性之一，對(duì)土壤保水、保肥等具有明顯的影響，分形維數(shù)可反映土壤質(zhì)地、物理性狀及土壤肥力等特征，與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性息息相關(guān)，分形維數(shù)越小說明土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定［11-12］。本研究表明，長(zhǎng)期施肥主要影響耕層，對(duì)深層土壤影響不明顯。在耕層土壤中，施用有機(jī)肥的各處理土壤分形維數(shù)均比不施肥和單施化肥處理小，表明施用有機(jī)肥有利于土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。這與孫梅等［13］、王少博等［14］研究結(jié)果一致。其原因可能是施用有機(jī)肥可以顯著提高黃壤有機(jī)碳含量，而有機(jī)碳的增多有利于土壤細(xì)顆粒的存留，另外，施用有機(jī)肥改善了黃壤肥力，使土壤能截留風(fēng)蝕所帶來的細(xì)顆粒［15］。

肥料的合理施用能促進(jìn)作物根系深扎，增強(qiáng)作物對(duì)深層水分的利用［16］。施用有機(jī)肥可以提高土壤水含量。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與不施肥和單施化肥處理相比施用有機(jī)肥的各處理土壤水含量均不同程度地提高。這與前人研究結(jié)果一致［17］。主要是由于有機(jī)肥的施用能夠改善土壤孔隙狀況，提高土壤保水性［18］。施肥可以影響土壤容重和孔隙性，對(duì)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量具有重要意義。本研究結(jié)果表明，5種不同施肥整體表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，土壤容重增加、孔隙度降低的趨勢(shì)。在0～20 cm土層中，與不施肥和單施化肥處理相比，施用有機(jī)肥的各處理土壤容重降低了5.47%～15.40%，土壤總孔隙度增加了4.12%～20.97%。這與前人研究結(jié)果一致［19］。這可能是有機(jī)肥能改善根系環(huán)境，促進(jìn)土壤疏松多孔，且有機(jī)肥施用后產(chǎn)生稀釋作用，土壤容重降低，孔隙性得到了改善［20］。

土壤粒徑組成決定土壤孔隙結(jié)構(gòu)，而孔隙結(jié)構(gòu)影響土壤水分運(yùn)動(dòng)，從而影響土壤三相比［20］。本研究表明，在0～20 cm土層中，與不施肥和單施化肥處理相比，施用有機(jī)肥的各處理土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量分別增加了5.82%～39.94%、5.58%～18.25%、1.80%～27.73%。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可顯著提高土壤持水性能，增加土壤氣相率，改善土壤通氣性。而在深層土壤中，5種處理無(wú)顯著差異。這與前人研究結(jié)果一致［11，21］。其原因可能是牛糞有機(jī)肥施入后影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善了土壤持水性和三相比。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期施肥對(duì)黃壤理化性狀的影響主要在耕層，對(duì)深層土壤影響不明顯。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥明顯改善了土壤機(jī)械組成，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，降低土壤容重，改善了土壤持水性和土壤通氣性。因此，在貴州黃壤區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)重視有機(jī)肥的合理施用。