不同調(diào)理劑改良低丘新墾耕地土壤物理性狀的效果

嚴(yán)建立，章明奎，王道澤

（1杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，杭州 310024；2浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058；3杭州市植保土肥總站，杭州 310020）

0 引言

耕地是農(nóng)業(yè)發(fā)展和人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，其生產(chǎn)力高低與土壤質(zhì)量密切相關(guān)。雖然世界各國(guó)對(duì)土壤質(zhì)量仍無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但一般都認(rèn)為其是眾多性質(zhì)的綜合反映。影響耕地土壤質(zhì)量的因素很多，如土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、水分狀況、溫度狀況、生物狀況、有機(jī)質(zhì)含量、pH等[1-2]，凡是影響土壤物理、化學(xué)、生物性質(zhì)的因素，都會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量造成一定的影響[3-5]。中國(guó)南方地區(qū)耕地需求與建設(shè)占用的矛盾日益尖銳[6-8]，開墾低丘土壤是這一地區(qū)耕地的重要來(lái)源[9-10]，但由于投入相對(duì)偏低、缺少長(zhǎng)期的定向培肥，新開墾耕地多存在表土太薄、有機(jī)質(zhì)偏低、死土裸露、結(jié)構(gòu)不良、多數(shù)養(yǎng)分不足及水肥氣熱不協(xié)調(diào)等眾多的問(wèn)題，因此，新開墾的土壤在正常農(nóng)業(yè)利用前必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的改良與培肥[11-12]，如何培肥熟化是這些新墾耕地高效利用成敗的關(guān)鍵[13-15]。耕地熟化是在耕作條件下通過(guò)合理耕作、科學(xué)培肥與改良，使土壤水、肥、氣、熱諸因素不斷諧調(diào)[16-17]，以達(dá)到作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的過(guò)程[18-19]。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，特別是近30年來(lái)，中國(guó)非常重視耕地地力培育與提升，投入大量的人力、物力進(jìn)行土壤改良，促進(jìn)了中國(guó)南方地區(qū)耕地質(zhì)量的提高[17]。但長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)對(duì)耕地質(zhì)量的提升比較偏重于土壤有機(jī)質(zhì)的提高、酸堿度的校治及土壤養(yǎng)分的平衡[20-21]。因此，在改良新墾耕地時(shí)，人們常常只注重有機(jī)肥料、石灰和化學(xué)肥料的施用，關(guān)注土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分和酸堿度的變化，由于缺乏相關(guān)技術(shù)改善土壤物理性狀[15]，長(zhǎng)此以往雖然新墾耕地土壤養(yǎng)分有明顯的提升，土壤酸度明顯下降，但耕地生產(chǎn)力仍然處于較低的水平，水肥氣熱仍處于不平衡狀態(tài)[11]。因此，在南方地區(qū)低丘新墾耕地改良中加強(qiáng)物理性狀的提升技術(shù)研究非常必要。為此，本研究采用溫室培養(yǎng)試驗(yàn)，選擇3種質(zhì)地不同的新墾耕地土壤，試驗(yàn)研究了不同種類的改良劑對(duì)新耕墾地土壤結(jié)構(gòu)性、保水性、透水性等物理性狀的影響，目的是為指導(dǎo)新墾紅壤的改良提供理論指導(dǎo)。

1 供試土壤和試驗(yàn)方法

1.1 供試土壤

選擇3類質(zhì)地不同的新墾低丘土壤用于試驗(yàn)，其基本性狀見表1，它們的有機(jī)質(zhì)含量均較低，土壤呈酸性，陽(yáng)離子交換量以粘土最高，砂土最低。

1.2 供試改良劑

基于文獻(xiàn)研究[22-27]，共選擇3類14種改良劑進(jìn)行試驗(yàn)，即人工合成類的聚丙烯酰胺(PAM)和β-環(huán)糊精（環(huán)狀低聚糖類物），礦物類的褐腐酸鉀（由褐煤制備）、膨潤(rùn)土、高嶺土、蛭石、沸石、硅藻土、石灰石粉，天然材料制成的商品有機(jī)肥、水稻秸稈、紫云英、生物質(zhì)炭和泥炭。

表1 供試土壤基本性狀

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

盆栽模擬試驗(yàn)于2019年在溫室內(nèi)進(jìn)行。從田間采集的3個(gè)土壤樣品風(fēng)干后分別過(guò)5 mm土篩后充分混勻用于試驗(yàn)，每盆用土量為20 kg。每一土壤共設(shè)置15個(gè)處理，重復(fù)3次：（1）空白對(duì)照，不施任何改良劑；（2）聚丙烯酰胺(PAM)，施用量0.25%；（3）β-環(huán)糊精，施用量0.25%；（4）褐腐酸鉀（由褐煤制備），施用量0.25%；（5）泥炭，施用量5%；（6）膨潤(rùn)土，施用量10%；（7）高嶺土，施用量10%；（8）蛭石，施用量10%；（9）沸石，施用量10%（；10）硅藻土，施用量10%（；11）石灰石粉，施用量1.0%；（12）商品有機(jī)肥，施用量2%；（13）水稻秸稈，施用量2%；（14）紫云英，施用量2%；（15）生物質(zhì)炭，施用量2%。各處理改良劑與土壤充分混勻，不經(jīng)外力壓實(shí)、裝入塑料容器中，培養(yǎng)時(shí)間持續(xù)6個(gè)月。培養(yǎng)試驗(yàn)在玻璃房?jī)?nèi)進(jìn)行，土壤保持80%～85%的田間持水量，培養(yǎng)期間溫度在20～35℃。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定土壤性質(zhì)。

1.4 測(cè)試方法

參考Elliott等[28]土壤團(tuán)聚體濕篩法測(cè)定水穩(wěn)性團(tuán)聚體：將樣品放置于孔徑自上而下為5、2、0.25、0.053 mm套篩之上，先用水浸潤(rùn)10 min，豎直上下震蕩 10 min，收集各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體(＞5，5～2，2～0.25，0.25～0.053，＜0.053 mm)至鋁盒中，烘干稱重后，文中只介紹＞5 mm和＞0.25mm團(tuán)聚體含量的結(jié)果。土壤容重用容重圈直接取樣測(cè)定[29]；土壤含水率用新鮮土樣直接烘干測(cè)定。土壤pH采用電位計(jì)測(cè)定[29]，土水比1:2.5；有機(jī)碳用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法測(cè)定[29]；陽(yáng)離子交換量(CEC)用醋酸銨交換法測(cè)定[29]；飽和導(dǎo)水率依據(jù)森林土壤滲透性測(cè)定方法(LY/T 1218—1999)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤pH、有機(jī)碳和CEC的影響

土壤pH、有機(jī)碳和CEC是土壤重要的基本性狀，其對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤結(jié)構(gòu)的形成、土壤的透水性和保水性均有明顯的影響。表2結(jié)果表明，各類改良劑施用對(duì)土壤pH、有機(jī)碳和CEC的影響程度隨改良劑種類和土壤質(zhì)地有較大的變化。與對(duì)照處理比較，在試驗(yàn)的14種改良劑中，只有石灰石粉和生物質(zhì)炭可明顯提高土壤pH，其中施用石灰石粉提高土壤pH的作用明顯高于施用生物質(zhì)炭，二者的提升量分別在1.16～1.93和0.29～0.43之間，提升效果在砂土中明顯高于在粘土中；其他改良劑對(duì)土壤pH的影響不明顯。

人工合成類和礦物類的9種改良劑對(duì)土壤有機(jī)碳的影響較小，而施用天然材料制成的商品有機(jī)肥、水稻秸稈、紫云英、生物質(zhì)炭和泥炭均可明顯提高土壤有機(jī)碳含量，提升量以施用泥炭最為顯著（比對(duì)照提高346.15%～546.37%），其次為施用生物質(zhì)炭（比對(duì)照提高256.71%～455.03%），商品有機(jī)肥、水稻秸稈和紫云英也可明顯提高土壤有機(jī)碳量（分別比對(duì)照提高114.93%～220.39%、86.27%～162.69%和 54.45%～119.32%）。施用膨潤(rùn)土、高嶺土、蛭石、沸石、硅藻土、石灰石粉等礦物改良劑可輕微降低土壤有機(jī)碳的水平。

表2 改良劑對(duì)土壤pH、有機(jī)碳和CEC的影響

施用改良劑對(duì)土壤CEC的影響不僅與改良劑的種類有關(guān)，也受土壤質(zhì)地的影響。施用膨潤(rùn)土、泥炭和生物質(zhì)炭可同時(shí)明顯提高3種質(zhì)地土壤的CEC，增幅分別為18.79%～40.15%、27.33%～34.89%和14.06%～31.91%；沸石可明顯提高砂土和壤土的CEC，增幅分別為23.16%和14.06%，但其對(duì)粘土的CEC影響較小。蛭石只對(duì)砂土的CEC產(chǎn)生明顯影響（增幅為25.11%），對(duì)壤土和粘土的CEC影響不明顯。施用商品有機(jī)肥可明顯增加粘土的CEC（增幅分別為14.69%），但其對(duì)砂土和壤土的CEC影響較小。

2.2 對(duì)土壤團(tuán)聚體和容重的影響

表3結(jié)果表明，與對(duì)照比較，多數(shù)改良劑均可提高土壤＞0.25 mm團(tuán)聚體，以施用人工合成類的聚丙烯酰胺和β-環(huán)糊精（環(huán)狀低聚糖類物）及礦物類的褐腐酸鉀效果最為明顯。施用聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、泥炭、商品有機(jī)肥和水稻秸稈均可提高3類質(zhì)地土壤的＞0.25 mm團(tuán)聚體，提高幅度分別為42.88%～299.38%、41.15%～239.69%、55.39%～207.70%、31.90%～119.69%、35.19%～71.05%和19.00%～28.95%。膨潤(rùn)土和紫云英可明顯提高砂土和壤土的＞0.25 mm團(tuán)聚體，提高幅度分別為31.65%～71.65%和27.52%～39.94%，但對(duì)粘土＞0.25 mm團(tuán)聚體影響較小。高嶺土和蛭石可明顯提高砂土的＞0.25 mm團(tuán)聚體，提高幅度分別為130.04%和38.21%，但對(duì)粘土和壤土的＞0.25 mm團(tuán)聚體影響較小。硅藻土、石灰石粉可明顯提高壤土的＞0.25 mm團(tuán)聚體，提高幅度分別為16.26%和20.10%，但對(duì)粘土和砂土的＞0.25 mm團(tuán)聚體影響較小。生物質(zhì)炭對(duì)3類土壤的＞0.25 mm團(tuán)聚體均不明顯。總體上，改良劑對(duì)砂土和壤土團(tuán)聚體的影響大于對(duì)粘土的影響。改良劑對(duì)＞5 mm團(tuán)聚體的影響趨勢(shì)與對(duì)＞0.25 mm團(tuán)聚體的影響相似，但增幅略大于對(duì)＞0.25mm團(tuán)聚體的影響。

改良劑對(duì)土壤容重的影響也較為明顯（表3）。施用各類改良劑均降低了土壤的容重，施用聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、泥炭、商品有機(jī)肥和生物質(zhì)炭均可明顯降低3類質(zhì)地土壤的容重；膨潤(rùn)土和高嶺土對(duì)砂土和壤土的容重也有明顯的降低效果，但對(duì)粘土容重的影響較小；硅藻土和石灰石粉雖然對(duì)砂土的容重影響較小，但其對(duì)壤土和粘土容重也有明顯的降低效果。

2.3 對(duì)土壤水分常數(shù)的影響

表4為添加不同調(diào)理劑后3類土壤飽和持水量、凋萎含水量、飽和導(dǎo)水率和有效水范圍等4個(gè)土壤水分常數(shù)變化的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，添加調(diào)理劑可增加土壤飽和持水量、飽和導(dǎo)水率和有效水范圍，降低凋萎含水量。對(duì)土壤飽和持水量的影響平均以砂土最為明顯（比對(duì)照增加25.29%），其次為壤土（比對(duì)照增加19.35%），對(duì)粘土的效果相對(duì)較小（比對(duì)照增加12.23%）。對(duì)土壤凋萎含水量的影響與對(duì)土壤飽和持水量的影響恰好相反，平均以粘土最為明顯（比對(duì)照下降4.90%），其次為壤土（比對(duì)照下降3.66%），對(duì)砂土的效果相對(duì)較小（比對(duì)照下降2.78%）。與對(duì)照比較，砂土、壤土和粘土添加調(diào)理劑平均增加飽和導(dǎo)水率分別為9.10%、19.07%和14.80%，以對(duì)壤土的效果最佳。添加調(diào)理劑均可顯著增加土壤有效水范圍，與對(duì)照比較，砂土、壤土和粘土分別增加35.14%、27.50%和32.27%。

表3 改良劑對(duì)土壤團(tuán)聚體和容重的影響

不同調(diào)理劑對(duì)土壤飽和持水量、飽和導(dǎo)水率和有效水范圍及凋萎含水量的影響有較大的差異（表4）。所有調(diào)理劑均可顯著增加土壤飽和持水量，其中施用聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、泥炭、商品有機(jī)肥、生物質(zhì)炭等有機(jī)類的調(diào)理劑的效果明顯好于其他調(diào)理劑，但施用礦物類調(diào)理劑對(duì)改善土壤飽和持水量也有較好的效果。調(diào)理劑對(duì)飽和導(dǎo)水率和有效水范圍的影響效果與對(duì)土壤飽和持水量的影響基本相似，也以施用聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、泥炭、商品有機(jī)肥、生物質(zhì)炭的效果明顯好于其他調(diào)理劑；施用膨潤(rùn)土后粘土的飽和導(dǎo)水率沒(méi)有增加，反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（比對(duì)照下降10.83%）。不同調(diào)理劑對(duì)土壤凋萎含水量的影響變化較為復(fù)雜，降低效果最佳的為泥炭和生物質(zhì)炭，其次為褐腐酸鉀、蛭石、硅藻土、商品有機(jī)肥。而施用膨潤(rùn)土、高嶺土和石灰石粉不但沒(méi)有降低土壤凋萎含水量，反而輕微增加了土壤的凋萎含水量。

表4 改良劑對(duì)土壤水分常數(shù)的影響

3 討論

土壤物理性狀中水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量、容重、飽和持水量、凋萎含水量、飽和導(dǎo)水率和有效水范圍是評(píng)估土壤質(zhì)量常用的指標(biāo)[30-32]，它們體現(xiàn)了土壤物理性狀不同的方面，但它們之間也有一定的聯(lián)系。不同的物理性狀可表達(dá)土壤質(zhì)量的不同方面，對(duì)于改善土壤物理性狀來(lái)說(shuō)，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量、容重、飽和持水量、凋萎含水量、飽和導(dǎo)水率和有效水范圍整體提升是土壤培肥熟化追求的目標(biāo)。因此，在評(píng)估調(diào)理劑改良?jí)ㄔ旄赝寥牢锢硇誀畹男Ч麜r(shí)必須綜合考慮。從以上的試驗(yàn)結(jié)果可知，無(wú)論是砂質(zhì)土壤，還是壤土或粘土，施用聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、泥炭和商品有機(jī)肥對(duì)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量、容重、飽和持水量、凋萎含水量、飽和導(dǎo)水率和有效水范圍等6個(gè)物理指標(biāo)均有明顯的改善效果，這些調(diào)理劑的物質(zhì)組成均主要為有機(jī)成分，總體上的效果明顯好于施用無(wú)機(jī)成分的調(diào)理劑，其原因可能是土壤結(jié)構(gòu)等物理性狀的形成是有機(jī)與無(wú)機(jī)成分綜合作用的產(chǎn)物，而新墾丘陵土壤普遍存在有機(jī)質(zhì)缺乏的問(wèn)題，因此補(bǔ)充有機(jī)成分的調(diào)理劑可彌補(bǔ)其改善物理性狀的有機(jī)物質(zhì)的不足。

研究結(jié)果也表明，有些調(diào)理劑也能改善某些土壤物理性狀，例如，施用水稻秸稈可明顯改善土壤中的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，但其對(duì)改善土壤其他物理性狀的作用較小；施用紫云英可明顯改善砂土和壤土的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，但其對(duì)改善粘土的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體及其他物理性狀的作用較小；其原因可能是水稻秸稈和紫云英在土壤中分解產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)雖然能與土壤無(wú)機(jī)成分緊密結(jié)合，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但它們不易促進(jìn)土壤大孔隙的形成，促進(jìn)土壤其他物理性狀的改善，有關(guān)機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。本研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭與水稻秸稈和紫云英相反，其不利于水穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的形成，但卻能較好地改善土壤容重及飽和持水量、凋萎含水量、飽和導(dǎo)水率和有效水范圍，其原因可能與生物質(zhì)炭的多孔性有關(guān)[33～35]，即生物質(zhì)炭的施用，增加了土壤中多孔物質(zhì)，隨之改變了土壤的容重和水分性狀；而生物質(zhì)炭中因缺乏小分子有機(jī)物質(zhì)，其較難與無(wú)機(jī)成分形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體，所以其對(duì)土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成貢獻(xiàn)有限。也就是說(shuō)，生物質(zhì)炭對(duì)土壤物理性狀的影響是直接的影響。

另外，本研究的結(jié)果也表明，一些無(wú)機(jī)成分在改善某些土壤的物理性狀也非常重要，可根據(jù)需要選擇應(yīng)用。例如，膨潤(rùn)土、高嶺土可明顯改善砂質(zhì)土壤的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和土壤容重，膨潤(rùn)土、高嶺土及硅藻土可促進(jìn)壤土中水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成和容重的降低，但它們對(duì)粘土的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量和容重的改善效果不明顯。其原因可能是，粘土本身含有較高的無(wú)機(jī)細(xì)顆粒，而砂質(zhì)土和壤土中無(wú)機(jī)細(xì)顆粒缺乏，因此，施用這些粘土礦物可增加砂質(zhì)土壤和壤土中細(xì)顆粒成分，從而有利于砂質(zhì)土壤和壤土物理性狀的改善。石灰石粉是南方紅壤地區(qū)常用的土壤改良劑，其主要是降低土壤酸度[36]。但本試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，石灰石粉也可促進(jìn)壤土中水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，降低壤土和粘土的容重，但施用石灰石粉對(duì)土壤水分常數(shù)等物理性狀的影響較小。本研究結(jié)果是在室內(nèi)培養(yǎng)條件下獲得的，其大田效果有待田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

利用溫室培養(yǎng)試驗(yàn)比較研究的14種改良劑（聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、膨潤(rùn)土、高嶺土、蛭石、沸石、硅藻土、石灰石粉、商品有機(jī)肥、水稻秸稈、紫云英、生物質(zhì)炭和泥炭）對(duì)3種質(zhì)地不同的新墾耕地土壤的結(jié)構(gòu)性、保水性、透水性等物理性狀的影響，結(jié)果表明：

（1）聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、泥炭和商品有機(jī)肥等有機(jī)成分的調(diào)理劑是低丘新墾土壤理想的調(diào)理劑，其可全面改善土壤物理性狀；并以聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀的效果最為明顯。

（2）生物質(zhì)炭可明顯改善土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體以外的物理性狀，對(duì)改善土壤水分常數(shù)非常明顯，其可同時(shí)增加土壤的保水性和透水性。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)地可影響無(wú)機(jī)礦物成分對(duì)土壤物理性狀的改善效果。其中，膨潤(rùn)土、高嶺土及硅藻土可促進(jìn)砂土和壤土中水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成和容重的降低。