有機(jī)物料輸入對(duì)黃河故道區(qū)土壤物理結(jié)構(gòu)的影響

李傳哲， 姚文靜， 楊 蘇， 徐 聰， 馬洪波， 吳建燕， 汪吉東， 艾玉春， 張永春

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江蘇耕地保育科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，江蘇南京 210014；2.江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇淮安223001； 3.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/竹類研究所，江蘇南京210037；4.煙臺(tái)泓源生物肥料有限公司，山東煙臺(tái) 264000)

黃河故道是指黃河改道之后留下的一段主河道，西起河南省蘭考縣三義寨和東壩頭，流經(jīng)豫、魯、皖、蘇4省22個(gè)縣(市)，總面積達(dá)2 204萬hm，是淮河與黃河流域之間一個(gè)獨(dú)特的地理單元。黃河故道潮土區(qū)受成土母質(zhì)及地形等因素的影響，土壤具有沙性重、結(jié)構(gòu)差、有機(jī)質(zhì)含量低、養(yǎng)分缺乏等障礙問題。其中，江蘇省北部的黃河故道區(qū)是重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，提升該區(qū)域低產(chǎn)潮土肥力，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略目標(biāo)及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義。

土壤是構(gòu)成土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是由固、液、氣三相物質(zhì)構(gòu)成的一種顆粒性半無限介質(zhì)，三者之間相互轉(zhuǎn)化、相互聯(lián)系。土壤三相是指土壤的固相(固相率)、液相(水分率)、氣相(孔隙度)三者占土體的比例，反映土壤的松緊程度、充水和充氣程度，是農(nóng)田管理和土建工程中常用的土壤參數(shù)。理想狀態(tài)的土壤三相結(jié)構(gòu)是固體 ∶液體 ∶氣體= 50% ∶25% ∶25%。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，能夠協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱的供應(yīng)，對(duì)土壤熟化層的維持和穩(wěn)定起重要作用，是土壤結(jié)構(gòu)和肥力的重要指標(biāo)。土壤板結(jié)很大程度上是由于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)較差導(dǎo)致土壤三相失衡，透水透氣性差。土壤容重以及孔隙度是衡量土壤疏松度和結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo)，直接影響土壤的通氣性和蓄水保水能力。土壤緊實(shí)度可預(yù)測(cè)土壤承載量、耕性和根系伸展的阻力，其大小可影響作物根系的穿孔和生長。土壤緊實(shí)度大，水分滲入難，肥料利用率低，阻礙植物根系生長，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。土壤比重與土壤中礦物質(zhì)組成和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。長時(shí)間施用單一化肥會(huì)加重土壤板結(jié)情況，導(dǎo)致土壤有益微生物減少，土壤環(huán)境變差。土壤物理結(jié)構(gòu)對(duì)于提高作物產(chǎn)量尤為重要。前人研究表明，有機(jī)物料施入能夠改善微生物介導(dǎo)的土壤生態(tài)系統(tǒng)，改善土壤結(jié)構(gòu)等培肥效應(yīng)。近年來，通過添加有機(jī)物料對(duì)土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響研究較多，但以黃河故道潮土區(qū)為研究對(duì)象，進(jìn)行土壤沙性結(jié)構(gòu)改良的研究鮮有報(bào)道。

有機(jī)物料類型多種多樣，我國農(nóng)業(yè)廢棄物(菌菇渣和作物秸稈)儲(chǔ)量大，其中菌菇渣在我國的用處廣泛，因其容重小、透氣性好，可用于制作園藝作物栽培基質(zhì)。此外，菌菇渣還田可促進(jìn)有機(jī)污染物降解，修復(fù)生態(tài)環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益。菌菇渣含有豐富的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、菌絲殘?bào)w和礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，不僅可以促進(jìn)微生物生長和繁殖，還能作為土壤改良劑，改善土壤結(jié)構(gòu)。關(guān)于菌菇渣連續(xù)還田對(duì)土壤肥力影響的研究表明，菌菇渣與化肥配施可改善土壤酸化狀況，增加大粒徑團(tuán)聚體含量和土壤速效養(yǎng)分含量。但目前對(duì)于菌菇渣的利用存在認(rèn)識(shí)不足和開發(fā)技術(shù)滯后等問題，導(dǎo)致菌菇渣利用率僅為33%。

菌菇渣作為當(dāng)?shù)刈顬樨S富的有機(jī)肥源之一，如果具有與商品有機(jī)肥相當(dāng)?shù)谋７试霎a(chǎn)效果，不僅能促進(jìn)菌菇渣的資源化利用，也能為黃河故道區(qū)土壤結(jié)構(gòu)改良提供新的思路和方法。本研究在秸稈還田的基礎(chǔ)上，利用菌菇渣作為外源添加物，連續(xù)2年進(jìn)行田間定位試驗(yàn)，跟蹤監(jiān)測(cè)黃河故道區(qū)菌菇渣及當(dāng)?shù)厣唐酚袡C(jī)肥投入對(duì)土壤物理性狀的影響，同時(shí)探究不同外源碳投入量對(duì)旱田農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物理性質(zhì)的影響，為黃河故道區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用、當(dāng)?shù)馗刭|(zhì)量提升和作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省東北部的濱?？h三壩村(33°43′N，119°37′E)，氣候溫和，降水充沛，地勢(shì)較為平坦，屬于溫帶半濕潤氣候，常年平均溫度在14.1 ℃左右。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的阿古利斯有機(jī)肥由泰興市阿古利斯生物科技有限公司提供，由中藥渣發(fā)酵而來。秸稈菌渣和樹枝菌渣為秀珍菇培養(yǎng)基廢料，均為鹽城市亭湖區(qū)春秋菌業(yè)專業(yè)合作社提供。有機(jī)物料養(yǎng)分含量見表1。供試土壤類型為脫鹽潮土，土壤較為貧瘠，耕層(0～20 cm)土壤基本理化性質(zhì)：全氮含量0.38 g/kg，堿解氮含量20.6 mg/kg，有效磷含量9.86 mg/kg，速效鉀含量70 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量 5.58 g/kg，pH值8.57，容重1.43 g/cm。主要農(nóng)作物為冬小麥和玉米。

表1 有機(jī)物料的基本性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為田間定位試驗(yàn)，采用完全隨機(jī)排列，分別設(shè)置CK(不施有機(jī)物料)、M1(有機(jī)肥6 t/hm)及M2(有機(jī)肥12 t/hm)、S1(秸稈菌渣6 t/hm)及S2(秸稈菌渣12 t/hm)、B1(樹枝菌渣6 t/hm)及B2(樹枝菌渣12 t/hm)共7個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共21個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為96 m(長 12 m，寬8 m)。試驗(yàn)區(qū)為小麥→玉米輪作制度，所有作物收獲后秸稈全部還田，小麥品種為華麥7號(hào)，玉米品種為蠡玉31號(hào)。有機(jī)物料添加始于2017年6月玉米種植前，撒施于表層，并進(jìn)行旋耕，玉米生長期為當(dāng)年6月至次年10月；小麥季同樣在種植前撒施，小麥生長期從當(dāng)年10月至次年6月。玉米株間距為25 cm，行間距為75 cm；小麥行間距為 15 cm，籽粒種植密度為300 kg/hm。玉米季和小麥季均一次性施入復(fù)合肥(N ∶PO∶KO=18% ∶12% ∶10%)600 kg/hm作基肥。玉米季在拔節(jié)期和大喇叭口期追施尿素，小麥季在返青期和拔節(jié)期追施尿素，追肥均占總氮用量的30%。土壤采集：以試驗(yàn)前期2017年6月采集的土樣作為基礎(chǔ)土樣，以2018年6月和2019年6月小麥?zhǔn)斋@期及2017年10月和2018年10月玉米收獲期采集的土樣作為處理土樣。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤自然含水率的測(cè)定采用烘干法；容重的測(cè)定采用100 cm環(huán)刀法；比重的測(cè)定采用比重瓶法；田間持水量的測(cè)定采用環(huán)刀法；緊實(shí)度采用澳大利亞CP40Ⅱ土壤緊實(shí)度儀于2019年3月15日(拔節(jié)期)測(cè)定；土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用濕篩法并利用 TTF-100 型土壤團(tuán)聚體分析儀測(cè)定；土壤三相比分別于2018年和2019年小麥?zhǔn)斋@后采用DIK-1130型土壤三相儀測(cè)定。土壤三相結(jié)構(gòu)距離指數(shù)(STPSD)計(jì)算公式為

=(-50%)+(-50%)(-25%)+(-25%)；=100%--。

式中：為土壤三相結(jié)構(gòu)距離指數(shù)；為固相體積分?jǐn)?shù)，大于25%；為液相體積分?jǐn)?shù)，%；為氣相體積分?jǐn)?shù)，%。

土壤總孔隙度=(1-容重/比重)×100%；土壤毛管孔隙度(%)=田間持水量(%)×容重；土壤非毛管孔隙度(%)=土壤總孔隙度-土壤毛管孔隙度。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 整理，運(yùn)用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Excel 2010和Origin 8.0軟件作圖；顯著性水平設(shè)定為=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料輸入對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

從圖1和表2可以看出，有機(jī)物料施用可以改善土壤結(jié)構(gòu)，明顯增加耕層土壤>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量。由于土壤質(zhì)地屬于粉沙質(zhì)土，>2.000 mm粒徑的團(tuán)聚體含量較少，有機(jī)物料處理土樣與CK處理相比，>2.000 mm粒徑團(tuán)聚體含量無明顯變化。2018年0～10 cm耕層土壤中，各有機(jī)物料處理 >0.250 mm 粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均高于10～20 cm 土壤，表明施用有機(jī)物料主要改善了淺耕層土壤結(jié)構(gòu)。在各處理0～10 cm土層中，2018年土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要分布在<0.053 mm范圍內(nèi)，占總團(tuán)聚體的38.58%～56.24%，2019年則以0.053～<0.250 mm粒徑為主，占比達(dá)到52.82%～73.06%，表明隨有機(jī)物料施用時(shí)間的延長會(huì)減少<0.053 mm 微團(tuán)聚體含量，增加0.053～<0.250大團(tuán)聚體含量。2018年各處理0～10 cm耕層0.250～2.000 mm粒徑團(tuán)聚體含量與對(duì)照相比明顯增加，其中M2處理增幅最大(129.79%)。有機(jī)物料施用1年(2018年)后，各處理>0.250 mm粒徑團(tuán)聚體含量與對(duì)照相比的增加效果最佳，增幅為21.30%～119.46%。

表2 土壤三相結(jié)構(gòu)距離指數(shù)

2.2 有機(jī)物料輸入對(duì)土壤緊實(shí)度的影響

通過對(duì)每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果顯示(圖2)，隨著有機(jī)物料施用年限的增加，土壤緊實(shí)度降低，且0～10 cm土層土壤緊實(shí)度明顯低于10～20 cm 土層，10～20 cm土層土壤緊實(shí)度為0～10 cm 土層的1.32～5.90倍，說明表層土壤比深層土壤疏松。由圖2可知，在2018年10月，有機(jī)物料施用均可降低10～20 cm土層的土壤緊實(shí)度，與CK處理相比降幅為16.8%～29.4%，但對(duì)0～10 cm土層的影響未達(dá)到顯著水平。2019年各處理土壤緊實(shí)度比2018年明顯降低，但處理間差異不顯著，B2處理0～10 cm土層土壤緊實(shí)度最低，為 705 kPa，比CK處理低34.1%，S1處理10～20 cm土層土壤緊實(shí)度最低，為3 019 kPa，比CK處理低17.9%。

2.3 有機(jī)物料輸入對(duì)土壤三相的影響

由圖3可知，經(jīng)過2年的施肥處理，土壤三相比大多分布在理想狀態(tài)的左上方，表明液相占比大，固相占比小。由三元相圖和表2可知，施用有機(jī)物料后，土壤三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD)降低，土壤結(jié)構(gòu)有明顯的改善趨勢(shì)。就3種有機(jī)物料而言，S2和B2處理對(duì)潮土土壤結(jié)構(gòu)改善效果最接近理想狀態(tài)。有機(jī)肥施用2年后使土壤三相結(jié)構(gòu)距離降低 3.57～11.57，比CK處理降低9.68%～31.37%。

2.4 有機(jī)物料輸入對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

由表3可知，添加不同有機(jī)物料對(duì)0～20 cm土層的土壤容重和孔隙度存在顯著影響。經(jīng)連續(xù)2年試驗(yàn)處理后，土壤容重隨著有機(jī)物料的施加而降低。如M1與M2處理相較于CK處理的土壤容重分別降低了3.73%和8.96%。田間持水量、土壤總孔隙度、毛管孔隙度隨著有機(jī)物料的施加量增加均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，如M1、M2處理相較于CK處理田間持水量升高了5.68%和16.76%，總孔隙度升高了8.44%，毛管孔隙度升高了17.65%、1.80%和6.47%。土壤非毛管孔隙度也隨著有機(jī)物料的施加呈上升趨勢(shì)，如M1處理與CK處理相比升高了25.67%，M2處理與M1處理相比升高了16.03%。總體來看，在相同有機(jī)物料施用下，樹枝菌渣對(duì)土壤容重和孔隙度的改善效果最好。

表3 不同處理對(duì)土壤容重及孔隙度的影響

3 討論

土壤物理性質(zhì)決定土壤結(jié)構(gòu)和土壤固、液、氣三相占比， 進(jìn)而影響土壤中氣體的輸入和輸出。通常來講，土壤質(zhì)地越疏松、容重越小，土壤孔隙度越大，氣相占比越高，此時(shí)的氣體交換通道越暢通，CO排放越快；反之土壤越緊實(shí)，固相比越大，則會(huì)阻抑土壤與大氣之間的氣體交換，增加土壤中CO濃度，限制作物根系有氧呼吸，對(duì)作物的生長產(chǎn)生不利影響。

本研究表明，施入不同有機(jī)物料連續(xù)2年后，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)得到改善，0～20 cm土層>0.250 mm土壤大團(tuán)聚體含量增加，并且隨著施用量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體含量平均值明顯下降。本研究結(jié)果與張志毅等的研究結(jié)果一致，施用有機(jī)物料均會(huì)增加>0.250 mm粒徑團(tuán)聚體含量，主要原因是有機(jī)物料自身含有豐富的養(yǎng)分(包括有機(jī)殘?bào)w和菌絲等)，還田后會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，而有機(jī)質(zhì)是形成土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的主要膠結(jié)物質(zhì)。

土壤固、液、氣三相比是評(píng)價(jià)土壤水肥氣熱相互關(guān)系的重要參數(shù)。本研究通過連續(xù)2年施加有機(jī)物料使土壤氣相和液相體積分?jǐn)?shù)降低，固相升高，土壤STPSD值呈逐漸減少趨勢(shì)，并且隨著有機(jī)物料施用量的增加，土壤三相比例分配接近理想狀態(tài)。但有機(jī)物料施用并不是越多越好，當(dāng)施肥量超過最高產(chǎn)量施肥量時(shí)，作物的產(chǎn)量隨施肥量的增加而減少，生產(chǎn)投入成本增加但收益卻減少。已有研究表明，施用過多的有機(jī)物料會(huì)導(dǎo)致土壤中水分蒸發(fā)過快，土壤氣體增多，土壤變得過于松散，土壤結(jié)構(gòu)變差，使土壤三相比偏離理想值。

土壤緊實(shí)度是土壤對(duì)外界垂直穿透力的反抗力，往往受土壤質(zhì)地本身以及外源施壓如大型機(jī)器碾壓等影響，土壤緊實(shí)度過高往往會(huì)抑制作物根系生長的下扎，影響作物產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，隨著有機(jī)物料用量增加，土壤緊實(shí)度逐漸下降，土壤板結(jié)狀況得到緩解。并且樹枝菌渣輸入可使土壤緊實(shí)度下降的更明顯，這可能與樹枝菌渣具有多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大有關(guān)。土壤容重與土壤孔隙度密切相關(guān)，土壤容重過大，土壤孔隙度變小，土壤越緊實(shí)，直接影響作物根系正常生長和根系活力，進(jìn)而影響產(chǎn)量。本研究中施加有機(jī)物料后土壤容重顯著降低，土壤總孔隙度和毛管孔隙度整體增加，也符合土壤緊實(shí)度變化的趨勢(shì)，除了與有機(jī)物料的比表面積大有關(guān)，也可能與施加有機(jī)物料會(huì)影響土壤中動(dòng)物和微生物的活性有關(guān)。本研究以江蘇省黃河故道區(qū)資源豐富的菌菇渣為外源有機(jī)物料，與施用商品有機(jī)肥對(duì)比，能獲得與商品有機(jī)肥相同甚至更高的土壤改良效果，并且成本更低，為提高該區(qū)域作物生產(chǎn)的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益提供理論和技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

有機(jī)物料輸入能夠顯著改善黃河故道區(qū)土壤結(jié)構(gòu)：(1)明顯改善0～10 cm土層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提高>0.250 mm粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，降低<0.053 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性；(2)顯著改善土壤三相比，增加固相比，減少液相比和氣相比，降低STPED值，緩解土壤板結(jié)；(3)顯著降低土壤容重和10～20 cm土層土壤緊實(shí)度，提高土壤總孔隙度和毛管孔隙度，增加田間持水量，創(chuàng)造良好的土壤物理?xiàng)l件。從土壤物理結(jié)構(gòu)的改善效果考慮，本研究明確了該地區(qū)有機(jī)物料效益最適施肥量，在耕作層施入12 t/hm的樹枝菌渣對(duì)該地區(qū)土壤物理結(jié)構(gòu)的改良效果最佳。