不同施肥模式對設(shè)施菜地土壤團(tuán)聚體粒級分布和穩(wěn)定性的影響

曹秀鵬，黃興學(xué)，周國林，張潤花，施玲芳，鄧耀華

（1.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，武漢 430300；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，武漢 430070）

土壤團(tuán)聚體是土壤的基本構(gòu)成單元，設(shè)施蔬菜栽培時，適宜的土壤有機(jī)質(zhì)含量和良性的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)是保持作物產(chǎn)量的重要因素［1］。土壤團(tuán)聚體形成于礦物土壤顆粒和有機(jī)物質(zhì)間的結(jié)合，溫室高溫高濕的環(huán)境容易刺激土壤有機(jī)質(zhì)分解，加上菜農(nóng)采用不合理的施肥和灌溉措施，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的惡化［2，3］。

土壤團(tuán)聚體粒級分布和穩(wěn)定性與耕作方式、施肥模式和年限等密切相關(guān)，且施肥模式對團(tuán)聚體的影響最深刻［4-6］。土壤團(tuán)聚體不同粒級分布對于保持和供應(yīng)土壤養(yǎng)分、改善孔隙組成等具有不同的作用［7］。以0.25 mm界，＜0.25 mm 的團(tuán)聚體為微團(tuán)聚體，＞0.25 mm 的團(tuán)聚體為大團(tuán)聚體，其值越大表明土壤肥力越高。平均重量直徑（MWD）、幾何均重直徑（GMD）和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率（PAD）是被廣泛應(yīng)用于表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)［8］。相關(guān)研究表明，應(yīng)用有機(jī)物料可以保持并提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)［9］，有機(jī)肥配施化肥可以增加土壤團(tuán)聚體含量，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性［10，11］。秸稈還田有利于增加＞2 mm 的土壤團(tuán)聚體含量［12］，提高土壤有機(jī)碳的固存［13］。也有研究表明，有機(jī)肥配施化肥顯著降低了表層土大團(tuán)聚體比例、MWD和GMD［14］。相關(guān)研究多集中在單一施肥水平上，且結(jié)論不盡相同。不同施肥模式對設(shè)施菜地土壤團(tuán)聚體的影響鮮有報道，因此，本研究以有機(jī)肥和秸稈2 種有機(jī)物料為基礎(chǔ)，探討不同施肥模式對菜地土壤團(tuán)聚體粒級分布和穩(wěn)定性的影響，以期為提高菜地土壤肥力、改善土壤質(zhì)量、保持蔬菜高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院武湖基地（114°25′E、30°28′N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛、光照充足、熱量豐富，年平均無霜期255 d，年均日照時數(shù)為1 540～2 180 h，年均降水量為1 000～1 200 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤：沙壤土，供試前土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地耕層土壤基本理化性質(zhì)

供試材料：櫻桃番茄和結(jié)球白菜輪作，櫻桃番茄品種名紅風(fēng)鈴，結(jié)球白菜品種名元寶，均為長江中下游區(qū)域常見栽培品種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計，設(shè)5 個處理：不施肥（CK）、常規(guī)化肥（CF）、優(yōu)化施肥（OF）、秸稈與常規(guī)化肥配施（CFS）、秸稈與優(yōu)化施肥結(jié)合（OFS），其中，優(yōu)化施肥為有機(jī)肥與化肥配施處理。田間隨機(jī)區(qū)組排列，每個處理3 次重復(fù)。

櫻桃番茄于2021 年4 月下旬定植，7 月采收，種植密度約2 株/m2。結(jié)球白菜于2021 年9 月下旬定植，11 月下旬采收，種植密度約5 株/m2。第2 年4 月初定植櫻桃番茄，6 月下旬采收，種植密度同上。

據(jù)武漢市農(nóng)業(yè)施肥習(xí)慣，常規(guī)化肥為SOUPRO三元復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15），氮（N）、磷（P）、鉀（K）施用量分別為112.5、49.1、93.4 kg/hm2。優(yōu)化施肥為用生物有機(jī)肥（商品名為根沃寧，N 含量2.97%、P2O5含量2.16%、K2O 含量1.37%，山西稼和沃農(nóng)業(yè)科技有限公司）替代化肥中30%氮。秸稈為玉米秸稈，使用威而德（日照）園林機(jī)械有限公司生產(chǎn)的粉碎機(jī)（GTS300），粉碎后翻耕入0～20 cm 表層土，秸稈施加量為3 500 kg/hm2。

1.4 土壤采集

連續(xù)栽植3 季后，使用土鉆在每個小區(qū)以5 點(diǎn)取樣法采集土樣，裝進(jìn)密封袋混勻，自然風(fēng)干后用于測定土壤有機(jī)碳含量。使用環(huán)刀在每個小區(qū)采集3 份土樣，用于測定土壤容重。使用塑料方盒采集每個小區(qū)的原狀土，運(yùn)輸過程中減少擾動，避免破壞團(tuán)聚體，自然風(fēng)干后掰成約1 cm3小土塊，剔除雜質(zhì)后篩分，用于測定土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。

1.5 樣品測定

機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分級采用沙維諾夫干篩法［15］，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分級采用Elliott 濕篩法［16］，篩子孔徑分別為5、3、2、1、0.5、0.25 mm，篩分后得到＞5、3～5、2～3、1～2、0.5～1、0.25～0.5、＜0.25 mm 的7 個不同粒級團(tuán)聚體。

土壤有機(jī)碳的測定采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤容重的測定采用環(huán)刀法［17］。

1.6 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)篩分后的各粒級團(tuán)聚體數(shù)據(jù)，分別計算＞0.25 mm 的機(jī)械 穩(wěn)定性 團(tuán)聚體含量（DR0.25）、＞0.25 mm 的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量（WR0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何均重直徑（GMD）、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率（PAD），相關(guān)計算公式如下：

式中，ωi為某粒徑團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xi為某粒徑團(tuán)聚體平均直徑。

采用Excel 2017 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖，SPSS 21.0 軟件進(jìn)行差異顯著性分析，LSD 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式對土壤團(tuán)聚體粒級分布的影響

由圖1 可知，不同施肥模式下，通過干篩法得到的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體均以＞5 mm 的土壤團(tuán)聚體含量最高，0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體含量最低。相較于CK 處理，CF 處理中團(tuán)聚體粒級分布與CK 處理基本一致，OF 處理中＞5 mm 的團(tuán)聚體含量增幅為28.94%，CFS處理中2～5 mm 和0.25～1 mm 的團(tuán)聚體含量增幅范圍為3.75%～31.23%，OFS 處理中＜1 mm 的團(tuán)聚體含量增幅范圍為31.88%～82.33%，以上差異未達(dá)到顯著性水平。處理間比較發(fā)現(xiàn)，相較于OFS 處理，OF處理中＞5 mm 的團(tuán)聚體含量顯著提高（53.60%），0.5～1 mm 的團(tuán)聚體含量顯著降低（44.68%），CFS 處理中＜0.25 mm 的微團(tuán)聚體含量顯著降低（33.26%）。

圖1 不同施肥模式下機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒級分布

通過濕篩法得到的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體是評價土壤穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，由圖2 可知，不同處理均以＜0.25 mm 的土壤團(tuán)聚體含量最高，顯著高于其他粒級，＞5 mm 的土壤團(tuán)聚體含量最低。相較于CK 處理，CF 處理中0.5～1 mm 的團(tuán)聚體含量明顯降低（26.76%），0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體 含量顯 著提高（53.59%）；OF 處理中＞5 mm 和0.25～0.5 mm 的團(tuán)聚體含量顯著提高（108.60%、133.98%），0.5～1 mm 的團(tuán)聚體含量顯著降低（37.33%）；CFS 處理中0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體含量顯著提高（57.78%），＞0.5 mm 的團(tuán)聚體含量增幅范圍為5.39%～115.25%，未達(dá)到顯著水平；OFS 處理中2～5 mm 和0.25～0.5 mm 的團(tuán)聚體含量顯著提高（67.81%～294.97%），＜0.25 mm 微團(tuán)聚體含量顯著降低（24.59%）。綜上，隨著秸稈和有機(jī)肥的施加，降低了＜0.25 mm 的微團(tuán)聚體含量，提高了其他粒級團(tuán)聚體含量。

圖2 不同施肥模式下水穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒級分布

2.2 不同施肥模式對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.2.1 土壤團(tuán)聚體含量（R0.25）的變化 由圖3a 可知，干篩下，CFS處理較OFS 處理，DR0.25顯著增加（10.07%），CK、CF 和OF 處理較OFS 處理，DR0.25分別增加7.31%、7.92%、8.49%，差異不顯著。濕篩下，CFS 和OFS 處理較CF 處理，WR0.25顯著增 加（26.22%、48.64%）；CFS 和OFS 處理較CK 處理，WR0.25顯著增加（32.24%、55.73%）；OF 處理較CK 和CF 處理，WR0.25分別增加24.89%、19.21%。

2.2.2 土壤團(tuán)聚體MWD和GMD的變化 由圖3b、圖3c 可知，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD和GMD均在OF處理時最大（2.15 mm、2.04 mm），OFS 處理最?。?.84 mm、1.44 mm），OF 和OFS 處理達(dá)到顯著水平，其他處理間無顯著變化。施加有機(jī)肥和秸稈后，水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD隨之增大，表現(xiàn)為CK＜CF＜OF＜CFS＜OFS。OFS 處理較CK 和CF 處理，MWD顯著增加（53.57%、36.51%），GMD顯著增加（35.75%、33.96%）。

2.2.3 土壤團(tuán)聚體PAD的變化 由圖3d 可知，隨著有機(jī)肥和秸稈的施加，種植3 季蔬菜后土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率（PAD）呈降低趨勢，PAD表現(xiàn)為OFS＜CFS＜OF＜CF＜CK，OFS 處理的PAD最低（38.11%），顯著低于其他處理，CK 處理的PAD最高（62.89%）。OF 和CFS 處理較CF 處理，PAD分別降低了11.76%、14.58%，較CK 處理，分別降低14.14%、16.87%，差異不顯著。

圖3 不同施肥模式對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.3 不同施肥模式對土壤有機(jī)碳含量和容重的影響

由圖4 可知，不同施肥模式下，土壤有機(jī)碳含量為5.57～12.61 g/kg，土壤容重為2.18～2.50 g/cm3。連續(xù)施加有機(jī)肥和秸稈對土壤有機(jī)碳有顯著影響，CFS 和OFS 有機(jī)碳含量顯著高于其他處理，OF 較CK、CF 處理差異不顯著；CFS 和OFS 處理較CK 處理，有機(jī)碳含量顯著增加（114.54%、126.39%）；CFS和OFS 處理較CF 處理，有機(jī)碳含量顯著增加（49.54%、57.80%）。此外，秸稈的施加降低了土壤容重，表現(xiàn)為OFS＜CFS＜CF＜CK＜OF；OFS 處理較CK、CF 和OF 處理，容重顯著降低（10.66%、10.29%、12.80%）。CFS 處理較OF 處理，容重顯著降低（9.20%），與其他處理差異不顯著。

圖4 不同施肥模式對土壤有機(jī)碳含量和容重的影響

3 小結(jié)與討論

土壤團(tuán)聚體對改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物生長起到重要作用［18］。有研究表明，施加有機(jī)肥可以顯著提高＞0.25 mm 的團(tuán)聚體含量，降低＜0.25 mm 的團(tuán)聚體含量［19］。本研究中，優(yōu)化施肥（OF）相較于不施肥（CK）處理，DR0.25和WR0.25含量分別 提高1.10%、24.89%，無顯著差異，這可能與有機(jī)肥類型的差異有關(guān)。較高的生物量，包括秸稈、根系殘茬等也是影響土壤團(tuán)聚體的主要因素［20］，本試驗(yàn)秸稈與常規(guī)化肥配施處理（CFS）相較于不施肥（CK）處理和常規(guī)化肥處理（CF），WR0.25的含量顯著提高（32.24%、26.22%），可能與秸稈連續(xù)施加后土壤有機(jī)碳組成的差異有關(guān)。連續(xù)3 個生長季的CFS 處理顯著提高了土壤有機(jī)碳含量，有研究發(fā)現(xiàn)，耕層土中絕大部分有機(jī)碳位于土壤團(tuán)聚體內(nèi)［7］，秸稈的施加為土壤引入了豐富的碳源［21］，有利于提高微生物生物量，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解，從而提高土壤中腐殖質(zhì)含量，腐殖質(zhì)中的胡敏酸和富里酸是團(tuán)聚體的膠結(jié)劑［22］，腐殖質(zhì)的含量與水穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈正相關(guān)［23］。同時作物（根系分泌）和微生物（有機(jī)分解）會產(chǎn)生多糖，多糖同樣作為一種有機(jī)膠結(jié)劑，附著在土壤顆粒上，有利于促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的形成［24］。

通過對 不同施 肥模式下WR0.25、MWD水穩(wěn)性、GMD水穩(wěn)性和PAD的比較不難發(fā)現(xiàn)，與CK 處理相比，連續(xù)單施化肥對團(tuán)聚體穩(wěn)定性幾乎無影響，而秸稈和有機(jī)肥的施加均能提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，這與前人研究結(jié)果一致［25-27］。相較于OF 處理，CFS 處理中WR0.25含量較高、MWD水穩(wěn)性和GMD水穩(wěn)性較大、PAD較低，說明在設(shè)施菜地條件下，連續(xù)施加秸稈比有機(jī)肥配施化肥能更有效地改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。同時連續(xù)施加秸稈降低了土壤容重，通常疏松多孔的土壤容重較低，有利于提高作物根系有氧呼吸，促進(jìn)生長［28］。王西和等［29］認(rèn)為，增施有機(jī)肥對灰漠土大團(tuán)聚體含量的提高和有機(jī)碳的積累優(yōu)于秸稈還田，這可能與不同的土壤類型及耕作方式有關(guān)，Xiao等［20］研究表明，玉米大豆連作6 年后，與施加有機(jī)肥相比，秸稈和化肥配施進(jìn)一步提高了土壤有機(jī)碳含量及MWD水穩(wěn)性、GMD水穩(wěn)性，與本研究結(jié)果一致。此外，本研究結(jié)果顯示，有機(jī)肥配施化肥與施加秸稈相結(jié)合有協(xié)同作用，與CK 處理相比，OFS 處理中WR0.25、MWD水穩(wěn)性、GMD水穩(wěn)性和PAD均達(dá)到顯著差異，說明OFS 處理對土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的改善效果最佳。

綜上所述，連續(xù)單施化肥與不施肥相比，菜地土壤團(tuán)聚體的粒級分布和穩(wěn)定性難以產(chǎn)生較大影響，連續(xù)秸稈配施化肥對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高優(yōu)于有機(jī)肥配施化肥，且提高了土壤有機(jī)碳固存，降低了土壤容重。OFS 處理在有機(jī)肥和秸稈結(jié)合的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善了土壤結(jié)構(gòu)，效益最佳。