不同配方土壤熟化調理劑對新修梯田土壤改良效果的影響

柳燕蘭，郭賢仕，姜小風，董　博，郭天文

(甘肅省農業科學院旱地農業研究所，甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

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不同配方土壤熟化調理劑對新修梯田土壤改良效果的影響

柳燕蘭，郭賢仕，姜小風，董博，郭天文

(甘肅省農業科學院旱地農業研究所，甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

針對西北黃土高原半干旱區新修梯田土壤瘠薄、保水保肥能力差的特點，通過3年的田間定位試驗，在氮磷肥平衡施用基礎上，研究添施不同配方土壤熟化劑對新修梯田土壤理化性狀、養分狀況與作物產量等方面的影響。結果表明：(1) 施用不同配方土壤熟化劑可降低新修梯田土壤容重，增大毛管孔隙度和田間持水量，增加土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量；且表層(0～10 cm)熟化效果好于底層(10～20 cm)。與試驗前相比，表層土壤容重降低5.14%～18.49%，孔隙度和田間持水量分別增加9.14%～18.86%和10.96%～17.19%；土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀分別增加56.11%～114.19%、9.84%～78.69%、48.52%～268.50%、70.10%～427.53%；(2) 與CK相比，A處理的培肥效果最顯著，容重年均降低0.06 g·cm-3，孔隙度和田間持水量年均分別增加3.15、0.45%；土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀的年增加速率分別提高2.48 g·kg-1、0.2 g·kg-1、7.82 mg·kg-1、129.23 mg·kg-1；其余培肥處理的效果為B>C、 D、E>CK；(3) 施用土壤熟化劑提高了作物產量和水分利用效率，以A配方的效果最好，2012、2013年馬鈴薯產量較CK分別提高37.69%、50.93%，2014年小麥產量較CK提高94.41%； 3年A配方的水分利用效率較CK分別提高43.09%、48.71%、102.31%，且差異顯著。綜合可知，A配方(黑礬、腐植酸、氯化鉀、微肥、DA-6用量分別為375、600、150、45、150×10-3kg·hm-2)對于改善土壤理化性狀、提高土壤養分、水分利用效率和作物增產效應最佳，為西北黃土高原半干旱區新修梯田快速培肥較適宜的措施。

土壤熟化調理劑；土壤理化性質；土壤養分；產量；水分利用效率

旱坡地改梯田可以起到攔蓄降水、減少水土流失、改善生態環境的目的，也是提高作物生產力、發展農業生產的重要途徑之一。但新修梯田往往生土裸露、土壤養分含量極低且易板結，土壤水、肥、氣、熱環境不協調，導致作物生長發育狀況差，產量低而不穩定，干旱年份甚至出現當年絕收，如何培肥新修梯田土壤、提高作物產量是該區農業生產面臨的重要問題。

土壤改良劑的出現無疑為上述問題的解決提供了一個有效的途徑，其可改善土壤結構，提高肥力，增加其保水、保肥性能。侯云鵬等[1]認為土壤施入生物改良劑可以使土壤容重變小，孔隙度增大，易于截留吸附滲入土壤中的水分和釋放出的營養元素離子，使有效養分元素不易被固定。陳乃政等[2]研究發現新修梯田增施黑礬后能改善土壤物理性能，增加土壤水穩性團聚體，從而加速形成良好的土壤結構，疏松土壤，促進微生物對養分的轉化和釋放。王方等[3]在新墾灌區土壤上施用土壤熟化劑均可使小麥、玉米、油葵、豌豆、胡麻增產。然而，目前市面上土壤改良劑種類繁多，不同土壤調理劑主要成分不同，其作用機理和效果都有差異[4]，且專門針對西北半干旱區新修梯田土壤熟化培肥的產品相對甚少，尤其對于多種改良劑組合的培肥產品對新修梯田改良效果的研究還少見報道。為此，本課題組將腐植酸、黑礬、氯化鉀、微肥、DA-6生長調節劑及保水劑等原料按照不同的比例配制成5種不同配方熟化劑在新修梯田進行田間試驗研究，目的是評價與篩選出適宜西北黃土高原半干旱區新修梯田快速培肥的土壤熟化調理劑，以期為該區新修梯田土壤快速培肥改良及農業持續發展提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗區概況

試驗于2012—2014年在甘肅省定西市團結鎮萬家岔新修梯田進行。該區海拔1 970 m，年均氣溫6.2℃，年輻射總量5 898 MJ·m-2，年日照時數2 500 h，≥10℃積溫2 075.1℃，無霜期140 d，年均降水量為415 mm，季節分布不均，多集中在6—9月份，占全年降水量的68%，屬于中溫帶半干旱區，作物一年一熟，無灌溉，為典型的旱地雨養農業區。試驗區土壤為黃綿土，其原來是旱坡地，水土流失嚴重，植被稀疏，土壤貧瘠，2012年3月大型機械推修為梯田。4月布置了熟化劑試驗，種植了馬鈴薯。

1.2參試土壤熟化劑

試驗選擇了6種土壤熟化調理的原材料，包括黑礬(FeSO4)、腐植酸、氯化鉀(KCl)、微肥、DA-6生長調節劑、保水劑(PAM)，將6種原材料按不同比例配制成5種不同配方的土壤熟化調理劑(具體配比見表1)進行田間試驗。施用方法：定位試驗每年播種前將土壤熟化調理劑按表1 的量均勻地撒在土壤表層，人工深翻30 cm，與土壤混勻。

1.3試驗方法

采用3年定位大田試驗，2012、2013年以馬鈴薯為研究材料，品種為“新大坪”，2014年以小麥為研究材料，品種為“西旱2號”。共設置6個處理(表1)，每個處理4次重復，每個處理在挖方的一面設置2個重復，在填方的一面設置2個重復，采用隨機區組排列，小區面積45 m2(5 m×9 m)。所有處理的化肥施用水平相同，N為12 kg·667m-2；P2O5為8 kg·667m-2，均作為基肥一次性施入。馬鈴薯2012年4月24日播種，10月8日收獲；2013年4月23日播種，10月10日收獲；小麥2014年3月21日播種，8月9日收獲，其他管理同大田。

1.4測定項目及方法

1.4.1土壤物理性狀測定于2012年試驗開始及定位試驗3年間每年作物收獲時挖剖面，采集0～10、10～20 cm土層的原狀土樣用于土壤基本物理性狀測定。其中，容重采用環刀法測定[5]；孔隙度和田間持水量采用常規分析方法測定[6]。2012、2013、2014年播前、收獲時采集0～200 cm土層土樣，每20 cm取一樣本，采用烘干法測定土壤含水量。

1.4.2土壤化學性狀測定于2012年試驗開始及定位試驗3年間作物收獲時采集0～10 cm、10～20 cm土層土樣用于土壤基本化學性狀測定。其中，有機質采用油浴加熱-重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量開氏法，速效磷采用0.5 mol·L-1Na2CO3浸鉬銻抗比色法，速效鉀采用1 mol·L-1醋酸銨浸提火焰光度法[7]。

表1　不同土壤熟化調理劑配方的肥料種類及用量(kg·hm-2)

注：不同處理的化肥施用量為180 kg·hm-2純 N、120 kg·hm-2P2O5。

Note: The rates of different fertilizer treatments were 180 kg·hm-2of N and 120 kg·hm-2of P2O5.

1.4.3產量的測定馬鈴薯收獲后除去塊莖上的泥土，分小區稱重，作為鮮重產量；小麥按小區單收單打測產。

2　結果與分析

2.1不同配方土壤熟化調理劑對新修梯田土壤物理性狀的影響

新修梯田土壤經過3年熟化后，表層(0～10 cm)土壤容重呈穩定降低趨勢，從熟化前的1.22 g·cm-3降低到熟化第3年的0.99～1.16 g·cm-3，降低幅度為5.14%～18.49%。底層(10～20 cm)土壤容重降低趨勢較平緩，從熟化前的1.3 g·cm-3降低到熟化第3年的1.12～1.19 g·cm-3，降低幅度為8.46%～13.85%，熟化效果次于表層。其中，A處理熟化效果最明顯(圖1)。不同熟化措施下土壤容重的減量和降低速率均表現為：A>B>C、D、E>CK，表層A處理土壤容重年降低速率比CK快0.06 g·cm-3，較其他處理快0.04 g·cm-3左右(圖1、表2)。

表2　3年施用不同配方土壤熟化劑新修梯田表層(0～10 cm)土壤物理性狀的變化

經過3年培肥，新修梯田土壤孔隙度呈增加趨勢(圖1)。表層(0～10 cm)土壤孔隙度從熟化前的50.06%上升到第3年的54.64%～59.50%，上升幅度達4.58～9.44個百分點。底層(10～20 cm)土壤孔隙度從熟化前51.51%上升到第3年54.7%～58.94%，上升幅度達3.19～7.43個百分點，表層熟化程度好于底層。A處理的土壤平均孔隙度最高達58.06%，較CK提高4.93個百分點；其次是B處理，為57.21%，較CK提高4.07個百分點，C、D、E的平均孔隙度較低，分別為54.45%、53.99%、55.39%，較CK提高0.85～2.25個百分點。在年增加速率上，以A、B處理最快，較CK年均分別增加3.15、2.89%，差異不顯著(P>0.05)，其他處理孔隙度增加速率為1.64%～2.34%(表2)。

不同配方土壤熟化調理劑對新修梯田土壤田間持水量的影響呈增加趨勢。表層(0～10 cm)土壤田間持水量從熟化前的22.42%上升到第3年的24.70%～26.27%，增幅達2.28～3.85個百分點。底層(10～20 cm)土壤田間持水量從熟化前的22.32%上升到第3年24.46%～26.80%，增幅達2.14～4.48個百分點，不同處理熟化效果表現為：A>B>C、D、E>CK(圖1)，表明不同配方土壤熟化劑都能改善土壤的保水性能。表層A處理土壤平均田間持水量最高，達25.49%，較CK提高1.80個百分點，與其他處理的平均含量差異顯著。B處理的次之，較CK提高1.35個百分點，與A處理無顯著差異，與其他處理差異顯著，C、D、E處理較CK提高 0.26～1.22個百分點。在年增加速率上，以A、B處理最快，年均增加0.45%左右，E處理年均增加0.27%，D處理與CK相當，C處理略低于CK(圖1、表3)。

圖1不同配方熟化劑對梯田土壤物理性狀的影響

Fig.1The effect of soil physical properties of the terrace field under different formula of soil modifiers

2.2不同配方土壤熟化調理劑對新修梯田土壤養分含量的影響

經過3年培肥，新修梯田土壤養分含量均表現不同變化趨勢(圖2)。熟化2年后新修梯田表層(0～10 cm)土壤有機質、全氮、速效磷及速效鉀含量分別較熟化前增加56.11%～114.19%、9.84%～78.69%、48.52%～268.50%、70.10%～427.53%。底層(10～20 cm)土壤有機質、全氮、速效磷及速效鉀含量分別較熟化前增加74.75%～104.46%、10.34%～31.03%、143.86%～487.28%、31.89%～225.88%，除表層土壤速效磷含量低于底層外，其余養分含量好于底層，這主要是施用土壤熟化劑后，土壤保水性能好，磷在土壤中發生淋溶所致。

不同配方熟化調理劑對土壤養分含量影響不同(圖2、表3)。A、B處理的土壤有機質、速效磷、速效鉀平均值均達最高。與CK相比，有機質均值含量分別提高25.79%、26.37%，速效磷分別提高73.20%、50.12%，速效鉀分別提高101.45%、108.37%，兩處理間差異不顯著，與CK及其它處理間均達顯著水平。B、D處理的全氮含量均值較高，較CK 分別提高26.98%、33.33%。在年增加速率上，A處理的有機質、全氮、速效磷較高，較CK分別提高2.48 g·kg-1、0.2 g·kg-1、7.82 mg·kg-1。A、B處理的速效鉀增加速率較高，分別較CK提高129.23、137.83 mg·kg-1。因此，采取施肥措施，特別是施用合適配方的土壤熟化調理劑，是快速提高新修梯田土壤肥力的有效途徑，也是旱作農田獲得穩產、高產的基本保證。

圖2不同配方熟化劑對梯田土壤養分含量的影響

Fig.2The effect of different formula of soil modifiers on soil nutrients of terrace field

2.3不同配方土壤熟化調理劑對馬鈴薯產量及水分利用效率的影響

施用不同配方土壤熟化調理劑對作物產量的影響不同(圖3)。經過3年培肥，A處理產量都顯著高于CK和其他熟化調理劑配方處理(2014年小麥產量除外)，其中2012、2013年馬鈴薯產量較CK分別顯著提高37.69%、50.93%；較其他熟化調理劑配方分別提高1.80%～6.34%、6.47%～12.40%，但不同熟化調理劑處理間差異不顯著。2013年提高的幅度明顯高于2012年，說明隨著培肥時間的延長，土壤熟化調理劑快速培肥效果更明顯。2014年C處理小麥產量最高，較CK顯著提高100.07%，其次是A處理，較CK顯著提高94.41%，E處理最低，較CK提高85.28%，但不同熟化調理劑配方間差異不顯著。

表3　2年施用不同配方土壤熟化劑新修梯田表層(0～10 cm)土壤基本化學性狀的變化

注：2012、2013年為馬鈴薯；2014年為小麥。

Note: 2012 and 2013, potato; 2014, wheat.

圖3不同配方熟化劑對作物產量和水分利用效率的影響

Fig.3The effect of different formula of soil modifiers

on crop yield and water use efficiency

3年培肥作物水分利用效率均以A處理最高，與CK相比，2012年提高43.09%，2013年提高48.71%，2014年提高102.31%，且差異顯著。其次是B、D處理，3年水分利用效率分別提高38.17%～96.52%、36.62%～93.32%，且B和D處理間無顯著差異，與CK、A處理間差異顯著。C、E處理的水分利用效率較差，3年分別提高29.11%～85.56%、31.82%～82.35%，且2012年C、E間無顯著差異，與其他處理差異顯著；2013年C與其他處理間差異顯著，E與B、D處理無顯著差異，與其余處理差異顯著；2014年C與CK差異顯著，與其他處理無顯著差異，E與CK、A處理差異顯著，與其他處理無顯著差異。

3　結論與討論

西北黃土高原半干旱區新修梯田普遍存在土壤瘠薄、養分含量低、保水保肥性能差，加劇人地、人糧矛盾，制約經濟發展。目前，主要采用無機換有機、有機肥施用熟土、先鋒作物輪作等措施進行新修梯田培肥。近年來，施用土壤調理劑是在現代化工的基礎上發展起來的有別于傳統土壤改良的新方法。土壤快速熟化劑是一系列無機膠體并含有作物所需的各種微量元素，無毒、無污染，對生土、瘠薄、板結土壤有較強的熟化、改良作用[10]。施用土壤熟化劑可通過直接和間接效應，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，疏松土壤，增加土壤養分，改善土壤結構和土壤水分環境[11-15]。本研究3年試驗結果表明，新修梯田施用不同配方土壤熟化調理劑能降低土壤容重，增加孔隙度和田間持水量，改良土壤結構。其中表層(0～10 cm)土壤容重較熟化前降低5.14%～18.49%，孔隙度和田間持水量分別增加9.14%～18.86%和10.96%～17.19%。底層(10～20 cm)土壤容重降低趨勢較平緩，較熟化前降幅8.46%～13.85%，孔隙度和田間持水量增加6.20%～14.44%和9.59%～20.06%，表層熟化程度好于底層(圖1)。因為土壤熟化劑配方中的腐植酸富含形成土壤腐殖質的胡敏酸和富里酸等組分，其直接影響土壤保肥性、保水性，可改善土壤物理性質[16]。此外，黑礬施入后可促使土壤膨脹發暄，孔隙度增加；另一方面保水劑(聚丙烯酰胺)提高了土壤結構穩定性、增強水肥保蓄能力[17]，這與李道林、范冬根等研究結果相似[18]。不同配方熟化調理劑主要物理性狀的熟化速率表現為A>B>C、D、E>CK，A處理表現出最好的熟化效果。

土壤養分是土壤肥力和土壤生產力的基礎，土壤養分的供應狀況主要體現在有機質和速效養分上。施用土壤熟化調理劑改善了土壤物理性狀，加速了有機質和養分的釋放[12]。本研究中新修梯田上施用熟化劑2年，表層(0～10 cm)土壤有機質、全氮、速效磷及速效鉀含量分別較熟化前增加56.11%～114.19%、9.84%～78.69%、48.52%～268.50%、70.10%～427.53%。底層(10～20 cm)土壤有機質、全氮、速效磷及速效鉀含量分別較熟化前增加74.75%～104.46%、10.34%～31.03%、143.86%～487.28%、31.89%～225.88%(圖2)，這主要是本研究中所用熟化劑都含有不同比例的腐植酸，其可增加土壤有機質[16]。此外腐植酸本身可以活化土壤養分，提高土壤養分的生物有效性，同時腐植酸施入土壤后通過鰲(絡)合物作用，增加土壤中無機和有機養分含量，防止養分流失，提高肥料利用效率[19]。不同配方間A處理表現出最佳的效果，在年增加速率上，其有機質、全氮、速效磷及速效鉀較CK分別提高2.48 g·kg-1、0.2 g·kg-1、7.82 mg·kg-1、129.23 mg·kg-1、137.83 mg·kg-1。

改良劑中含有豐富的植物必需或有益的礦質營養，不僅改變土壤理化性質還為作物提供生長所需的營養元素，能夠刺激或促進作物生長[20-21]，其培肥結果最終體現在作物產量上。本研究中不同配方土壤熟化調理劑均增加了作物產量，其中A處理的效果最好，2012、2013年馬鈴薯產量較CK分別提高37.69%、50.93%；較其他熟化劑配方提高1.80%～6.34%、6.47%～12.40%；2014年小麥產量較CK提高94.41%，較除C處理外的其他熟化調理劑配方提高1.04%～4.93%(圖3)。A處理對提高作物水分利用效率的效果也最好，2012年提高43.09%，2013年提高48.71%，2014年提高102.31%，A配方大幅度降低了土壤容重，提高了孔隙度和田間持水量(圖1)，改善了土壤的通透性，有利于養分的轉化，同時為作物根系提供了呼吸條件和水分吸收，促進作物生長進而提高了產量。

綜上所述，西北黃土高原半干旱區新修梯田施用土壤熟化調理劑明顯改善土壤的基本理化性能，從而加速形成良好的土壤結構，疏松土壤，促進微生物對養分的轉化和釋放，進而提高作物產量和水分利用效率。其中，以A配方效果最佳，且3年試驗的同時對A配方的產品進行大面積的示范推廣，其馬鈴薯增產10%～30%，小麥增幅達15%～30%，為此，本課題以A處理的配方申請專利并已進入實審階段，此產品的成功研究為該區新修梯田快速培肥及農業持續發展奠定基礎。

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Effect of different formula of modifiers on soil improvement of newly built terrace

LIU Yan-lan, GUO Xian-shi, JIANG Xiao-feng, DONG Bo, GUO Tian-wen

(InstituteofDrylandFarming,GansuAcademyofAgriculturalSciences;KeyLaboratoryofHighWaterUtilizationonDrylandofGansuProvince)

To study the effect of different formula of modifiers on soil physical and chemical properties, nutrient status of the new terrace and the yield of the crops, a 3-year field experimental trial was carried out. The results showed that application of different modifiers formula reduced soil bulk density, increased soil porosity and field water capacity, increased soil organic matter, total nitrogen, available phosphorus and available potassium content. The effect of the surface layer (0 to 10 cm) was better than that of the bottom layer (10 cm to 20 cm). The soil bulk density of the surface layer was decreased by 5.14%～18.49%, soil porosity and field capacity by 9.14%～18.86% and 10.96%～17.19%, respectively. Soil organic matter, total nitrogen, available phosphorus and available potassium were increased by 56.11%～114.19%, 9.84%～78.69%, 48.52%～268.50%, 70.10%～427.53% respectively. (2) Compared with CK, the effect of A treatment was the largest, with an average annual decrease in the soil bulk density of 0.06 g·cm-3, an average annual increase in soil porosity and field capacity of 3.15% and 0.45%. And the average annual increase rate of soil organic matter, total nitrogen, available phosphorus and available potassium were 2.48 g·kg-1, 0.2 g·kg-1, 7.82 mg·kg-1, 129.23 mg·kg-1, respectively. The effects of other treatments showed an order of B>C, D, E>CK. (3) The application of modifiers could improve the crop yield and water use efficiency. Take A formula as an example, the potato yield was increased by 37.69% and 50.93% in 2012 and 2013, respectively, and wheat production by 94.41% in 2014 compared with CK. The water use efficiency of A treatment significantly was increased by 43.09%, 48.71% and 48.71% in the year of 2012, 2013 and 2014, respectively. Taken together, we proposed a formula for new terrace on semiarid region of the Loess Plateau.

soil modifier; soil physical and chemical property; soil nutrient; yield; water use efficiency

1000-7601(2016)04-0139-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.21

2015-09-20

國家科技支撐計劃(2012BAD05B03)；公益性行業(農業)科研專項(201503124)

柳燕蘭(1981—)，女，甘肅民勤人，助理研究員，主要從事生態系統養分循環與肥力研究。E-mail: 1067261675@qq.com。

郭天文(1963—)，男，甘肅白銀人，研究員，主要從事土壤養分管理及節水農業。E-mail: guotw101@163.com。

S156.2

A