優化施肥方式對黃土高原新增耕地土壤有機質含量和團聚體特性的影響

劉 哲, 張 揚, 雷 娜,張庭瑜, 熊宇斐, 張盼盼, 黎雅楠

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司, 陜西 西安 710075;2.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 陜西 西安 710021; 3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司, 陜西 西安 710021; 4.陜西省土地整治工程技術研究中心, 陜西 西安 710075)

土壤結構的改善及肥力提升對于黃土高原生態脆弱區的生態安全保障與耕地產能提升具有重要的作用[1-2]。而隨著城鎮化、退耕還林工程的實施，該地區面臨耕地數量急劇減少、土壤質量退化、人地矛盾加劇的嚴重問題，為適時的補充耕地資源，保障糧食安全，該地區開展了大量的新增耕地整治項目[3-4]。在土地整治過程中，造地土壤主要來源于梁、峁深層未經熟化的生土，有時難免會將表層土壤與底層未經熟化的土壤混合整平，造成工程新增耕地的土壤存在熟化水平低，土壤結構脆弱不穩定，生產力低下等問題，與傳統耕種多年的土壤有所差異，嚴重制約著新增耕地的生態效應和生產能力，因此如何提升黃土高原溝壑區新增耕地的土壤結構穩定性和肥力來達到改善當地生態環境和土地產能的研究是當前亟需解決的新的任務[5-7]。優化施肥方式是影響土壤性質和農作物生長發育的關鍵農業管理措施之一，長期不同的優化施肥處理，不僅影響土壤的肥力狀況和土地生產力，而且對于土壤的健康可持續發展發揮著重要作用[8-9]。近些年的農業生產實踐活動中，仍然存在著濫用化肥的嚴重問題，不僅造成土壤團粒結構破壞和土壤板結，而且導致大量的養分資源浪費，化肥的增產效應降低，損耗增大，最終進一步加劇了土壤、大氣及地下水的污染問題的發生，嚴重影響著未來土地的健康可持續發展[10-11]。因此，化肥的減量使用和優化施肥方式的應用研究對于新增耕地土壤產能提升和可持續發展具有重要的意義。

有機肥富含有機物質和多種營養元素，肥效持久，能夠有效的改善土壤結構，提高土壤微生物和酶的活性，有助于施肥方式的優化和化肥的減量施用，在改善新整治耕地質量和保護生態環境方面發揮著重要的作用[12-13]。Xin等[14]研究得出，有機肥施用不僅可以顯著增加水穩性大團聚體的含量，提升土壤肥力，而且有助于提高土壤的生產力和維持作物產量的可持續性。呂欣欣等[15]研究表明，有機肥配施化肥或單施有機肥可以有效的改善棕壤結構穩定性，提高土地的生產力。而新增耕地后期的種植管理過程中，普遍以施用化肥為主，長期的化肥投入導致土壤有機質和有效養分含量失衡，土壤團聚體數量和結構穩定性下降，破壞了土壤的多級孔隙和微生物群落，不利于土壤的快速熟化和可持續發展，其物理和化學性質以及農作物生長將受到嚴重影響[3,16]。目前，關于不同優化施肥方式和化肥有機替代對新增耕地肥力提升的研究較少，因此，為了構建新增耕地土壤良性發展的優化施肥方式，以提升新增耕地的土壤肥力與結構穩定性，本研究以具有代表性的土壤團聚體和有機質指標來反映新增耕地土壤的質量變化，對比研究不同的施肥處理對新增耕地土壤團聚體數量、結構穩定性、有機質含量變化和作物產量的影響，評估土壤有機質含量與團聚體結構穩定性MWD和GMD指標間的相關性，以期為新增耕地土壤建立合理的優化施肥處理和區域新造土地的健康可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與供試土樣

長期定位試驗點設置在陜西省富平縣試驗基地(34°42′N，109°12′E)，該研究區屬渭北黃土高原溝壑區，氣候類型為大陸性溫帶半干旱、半濕潤氣候區，年均氣溫為13.4 ℃，年光能輻射總量為518.6～535.0 kJ/cm2，干濕季節分明，自然條件可以滿足農作物的生長需求。供試土樣類型為黃土母質發育成的黃墡土，是新增耕地土地整治的土壤類型，存在結構穩定性差、熟化度低、肥力水平差的嚴重問題。0—20 cm土層新增耕地土壤基本理化性質如下：質地類型為粉砂壤土(USDA)，其中砂粒(0.05～2 mm)質量分數為17.06%，粉粒(0.002～0.05 mm)的質量分數為，75.38%，黏粒(<0.002 mm)質量分數為7.56%，pH值為8.20，電導率值為284 us/cm，陽離子交換量為8.90 cmol/kg，有機質含量為6.78 g/kg，有效磷含量為6.5 mg/kg，速效鉀含量為101.9 mg/kg；>2，1～2，0.5～1，0.25～0.5，<0.25粒級水穩性團聚體的質量分數分別為0.67%，0.84%，1.67%，3.55%，93.27%，水穩性團聚體結構穩定性指標MWD，GMD，R0.25和D值分別為0.30 mm，0.27 mm，6.73%和2.99。

1.2 試驗設計

本研究采用了盆栽試驗的研究方法，在2017年7月開始進行不同優化施肥處理試驗。試驗共設置3種施肥處理：有機肥施肥處理(OF，有機肥配施化肥處理(NP)，常規施肥處理(CF)，每種處理設置6個重復。盆栽規格為頂部直徑48 cm，底部直徑36 cm，高42 cm，土樣自然風干后剔除石礫等雜質，過5 mm篩后混勻備用，每盆裝土約40 kg，盆栽邊緣設置有通氣管。常規施肥方式只施用化學肥料，有機肥配施化肥處理施用70%的有機肥和配施30%的化肥，有機肥施肥處理只施用有機肥， 3種施肥處理以等氮量(240 kg/hm)的方式施入土壤，通過養分量轉換成有機肥和化肥的實物量后，按照處理的不同比例進行施用。化學肥料采用尿素、磷酸二銨和硫酸鉀，有機肥采用當地常用的腐熟羊糞。肥料的用量依據當地農業實踐的推薦施肥量，施肥前測定有機肥的氮磷鉀含量。有機肥及磷鉀肥全部基施，氮肥50%用量基施，50%用量根據作物的生長周期和氣候條件進行追施，澆水量、病蟲害防治等其他管理措施與水平保持一致。作物種植制度為油菜—玉米輪作制度，采用人工播種的方式，播種前有機肥和化肥均勻的撒在土壤表面，然后通過耕作將有機肥和礦質肥料拌入到0—20 cm的表土中，追肥采用相同的施肥方式。每盆玉米種植過程中點播種子3粒，待出苗后于玉米3葉期進行間苗，每盆只預留1株長勢健壯的玉米苗。

1.3 樣品采集與指標測定

土壤樣品在2019年9月底玉米收獲后，分0—10 cm和10—20 cm采集原狀土樣和混合土樣，在采集和運輸土樣的過程中避免對土壤團聚體結構的影響，然后帶回實驗室自然風干后剔除根系、石礫等雜質后進行團聚體、有機質等指標的檢測。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測定[17]，0—20 cm土層土壤團聚體的粒級分布和穩定性采用濕篩法和干篩法測定[18-19]，>0.25 mm大團聚體(R0.25)，平均重量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)和分形維數(D)詳細計算見公式(1)—(4)和相關參考文獻[20-21]。在玉米成熟后，根系生物量、地上部分生物量、百粒重及單株產量采用常規稱重法測算，將玉米根系和地上植株曬干，分別裝袋后于烘箱中烘干至恒重后稱重，玉米百粒重及單株產量在玉米收獲后將籽粒烘干后稱取記錄。

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1.4 數據分析

試驗數據由Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0軟件進行處理和分析。采用SigmaPlot 12.5軟件進行圖形繪制與生成。通過IBM SPSS Statistics 22.0采用LSD法對試驗數據進行顯著性統計分析，顯著性檢驗水平p<0.05。

2 結果與分析

2.1 優化施肥方式對新增耕地土壤水穩性團聚體分布的影響

優化施肥方式對不同粒級土壤水穩性團聚體的分布產生了顯著的影響(圖1—2)。與常規施肥處理(CF)相比，在0—10 cm土層，有機施肥處理(OF)下>5，2～5，1～2，0.5～1，0.25～0.5 mm粒級水穩性團聚體顯著增加，<0.25 mm粒級團聚體顯著減少(p<0.05)；有機肥配施化肥處理(NP)下2～5，1～2 mm粒級團聚體顯著增加，其他粒級團聚體變化差異不是很顯著(圖1)。

注：①OF為有機施肥； NP為有機配施化肥； CF為常規施肥； ②小寫字母表示優化施肥處理下差異顯著性(p<0.05)，下同。

OF和NP處理下>0.25 mm粒級水穩性大團聚體含量分別比CF處理增加了148.3%和40.9%，OF處理下>0.25 mm粒級水穩性大團聚體的含量增加幅度最大，與NP處理和CF處理差異顯著(p<0.05)。在10—20 cm土層，OF和NP處理下>5，2～5，1～2，0.5～1，0.25～0.5 mm粒級團聚體相比于對照CF相比也得到了顯著增加(p<0.05)，其中OF和NP處理下>0.25 mm粒級水穩性大團聚體(R0.25)的分布比例分別比CF處理增加了138.2%和88.0%，OF處理與NP處理間在>0.25 mm粒級水穩性團聚數量上差異不顯著(圖2)。綜上所述，有機肥的增施促進了新增耕地土壤水穩性團聚體的團聚膠結，增加了水穩性大團聚體的含量。

圖2 優化施肥處理下10—20 cm土層各粒級水穩性團聚體含量

2.2 優化施肥處理對新增耕地土壤團聚體穩定性指標MWD，GMD，R0.25和D的影響

濕篩法和干曬法測定的新增耕地土壤團聚體穩定性指標數據表明，在0—10 cm和10—20 cm土層中，OF和NP處理下的MWD，GMD，R0.25值均高于常規CF處理，D值小于CF處理(表1)。

表1 優化施肥處理下新增耕地土壤團聚體穩定性指標的比較

濕篩法測定的結果顯示，在0—10 cm土層，OF處理下的MWD，GMD，R0.25值分別比CF處理高62.5%，21.4%和148.3%，D值比CF處理低1.7%，OF與CF處理間差異顯著(p<0.05)。NP處理下的MWD，GMD，R0.25值分別比CF處理高18.8%，3.6%和40.9%，D值比CF處理低0.3%， NP處理與CF處理在R0.25值上間差異顯著。在10—20 cm土層，OF處理下的MWD，GMD，R0.25值分別比CF處理高28.6%，11.5%和138.2%，D值比CF處理低0.3%，OF與CF處理在MWD和R0.25值上差異顯著(p<0.05)。NP處理下的MWD，GMD，R0.25值分別比CF處理高17.8%，7.7%和88.0%，D值比CF處理低0.4%，NP與CF處理在MWD和R0.25值上差異顯著(p<0.05)。干篩法測定的團聚體穩定性結果與濕篩法有相似的趨勢，相比于CF處理，OF和NP處理均提高了MWD，GMD，R0.25值，降低了D值，OF處理下團聚體穩定性指標改善效果最好。上述結果表明，在化肥的減量施用下，有機肥添加促進了新增耕地土壤團聚體結構穩定性的提升，有利于后期新增耕地土壤的質量改善和侵蝕防治，其中OF處理下團聚體結構穩定性的改善效果最佳。

2.3 優化施肥處理對新增耕地土壤有機質含量的影響

相比于常規CF處理，在0—10 cm和10—20 cm土層，OF和NP處理顯著提高了土壤有機質含量(p<0.05)，優化施肥處理下土壤有機質含量的大小順序均為CF

圖3 優化施肥處理對新增耕地不同土層土壤有機質含量的影響

2.4 新增土壤有機含量與水穩性團聚體 MWD，GMD間的相關關系

由圖4可以看出，土壤有機質含量與水穩性團聚體的平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)間呈顯著正相關關系(MWD，R2=0.661 0，p<0.000 1；GMD，R2=0.627 5，p<0.000 1);相關性分析數據表明隨著化肥的減量施用，外源有機肥的增施促進了土壤有機質含量的增加，有利于水穩性微團聚體向水穩性大團聚的團聚，>0.25 mm水穩性大團聚體(R0.25)含量顯著增大。隨著土壤有機質含量和水穩性大團聚含量的增加，土壤團聚體的GMD，MWD值就越高，新增耕地土壤顆粒的團聚性和水穩性越強，土壤結構的穩定性就越高。

圖4 優化施肥處理下團聚體結構穩定性指標MWD，GMD與土壤有機質之間的相關關系

2.5 優化施肥處理對新增耕地玉米生物量和經濟效益的影響

隨著有機肥的施用，玉米根系生物量、地上部分生物量、百粒重和單株產量呈現出顯著增加的趨勢(表2)。其中，OF處理下玉米根系生物量和地上部分生物量分別比CF處理增加了29.5%和7.4%，NP處理下玉米根系生物量和地上部分生物量分別比CF處理增加了18.4%和5.4%，OF處理下的增幅較大。隨著玉米生物量的增加，OF和NP處理下的玉米百粒重和單株產量均顯著高于CF處理，玉米單株產量分別比CF處理增加了34.5%和25.5%。結果表明，由于有機肥富含多種營養元素，優化施肥處理在增加土壤有機質含量和改善土壤結構的同時，促進了玉米根系和植株的生長發育，增加了新增耕地玉米的生物量和經濟產量。OF和NP處理下玉米的產量分別比CF處理增加了24.5%和35.5%，但由于折算等養分的處理下有機肥的施用量較大，OF和NP處理下的肥料投入成本比CF處理的高，導致OF和NP處理下的產投比與CF處理差異不顯著。總體而言，優化施肥方式下的OF和NP處理對土壤質量的提升是單施化肥所不能相比的，對于新增耕地土壤的健康可持續發展及作物品質的提升具有明顯的優勢[22]。

表2 優化施肥處理對玉米生物量和經濟效益的影響

3 討 論

土壤有機質是反映土壤肥力狀況和理化性質的重要指標，在改善土壤結構，維持土壤生產力方面起著關鍵作用[15,23]。OF和NP處理由于化肥的減量施用，外源有機肥的輸入可以直接向土壤中補充大量活性有機物質和豐富均衡的營養元素，提高土壤有機質含量，促進作物的生長發育，而且植物殘體和根系的歸還量也會高于CF處理，因此對新整治耕地有機質含量有著顯著的提升，有助于增加新增耕地土壤的保肥供肥能力，這與付威等[24]和Song等[25]的研究結果相似，他們的研究表明外源有機肥的施用有利于黑土等耕地土壤有機質含量的提高。但由于土地整治后新增耕地土壤不同于傳統的耕種多年的土壤，存在成熟度低、結構差、生產力低等問題[6-7]，亟需改善其結構和肥力特性，優化施肥處理在新增耕地土壤有機質含量的提升幅度上要高于傳統的耕地土壤。而CF處理由于單一施用化肥沒有外源有機物質的輸入，加之可能因作物對不同電荷離子的選擇吸收、土壤吸附作用差異等因素加劇了對土壤陽離子損失，導致土壤有機質含量的不斷減少[26-27]。

土壤結構穩定性和抗侵蝕能力取決于穩定團聚體的數量，大團聚體被認為是土壤中的優質結構體，是評價土壤質量和抗侵蝕能力的重要指標，其含量越高，土壤的結構穩定性和肥力狀況越好[28-29]。本研究中OF與NP處理下水穩性和機械穩定性大團聚體比例增加的可能原因是化肥的減量施用以及外源有機肥的輸入，緩解了土壤的板結惡化現象，增加了土壤有機質含量，而有機質是土壤團聚體形成和穩定的重要膠結物質，促使微團聚體向大團聚體的膠結團聚，從而增加大團聚體的含量，改善了土壤結構。這些研究結果表明，化肥的減量施用下，外源有機肥的施用有助于提高新整治耕地土壤團聚體的膠結團聚能力，增強土壤的結構穩定性和抗侵蝕能力。我們的結果與付威等[24]和Meng等[30]的研究結果相似。Meng等發現外源有機肥的施用對土壤團聚體的分布有重要影響，可以顯著的提高水穩性大團聚的數量，改善土壤結構，但由于新增耕地處于土壤熟化的早期，其結構改善對于后期肥力和生產力提升非常關鍵，相比于傳統耕地土壤，優化施肥方式將對新增耕地土壤團聚體形成和結構穩定產生更為重要的促進作用。

MWD，GMD，R0.25，D是反映土壤團聚體粒徑幾何形狀與穩定性的重要指標，土壤團聚體的MWD，GMD，R0.25值越高，D值越小，表明土壤的團聚性和穩定性越好，土壤結構性越好[20,27]。相比于原始土樣和常規CF處理，OF和NP處理均增強了新增耕地土壤的團聚性和穩定性，改善了土壤結構，在增強土壤抗侵蝕能力、保持結構穩定性方面具有積極的作用。其中，OF處理對于團聚體的團聚性和穩定性的改善效果最好。分析原因可能是土壤有機質含量的高低與土壤團聚體的形成和穩定性密切相關，在等量養分投入量下，OF處理施用的有機肥比NP處理施用的有機肥量更大，增加土壤有機質的作用更明顯，而有機質是土壤團聚體形成和穩定的重要膠結物質，這些重要的有機膠結物質增強了團聚體的團聚粘結力，對土壤團聚體的形成和穩定將產生更為積極的促進作用[12,31]。

新增耕地土壤有機質含量與團聚體的平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)呈顯著正相關關系。這些研究結果與趙紅等[31]和Wang等[32]的研究結果相似，趙紅等和Wang等的研究表明與常規施用化肥相比，優化施肥方式下的土壤有機質含量與團聚體的數量和結構穩定性呈正相關關系，促進了水穩性大團聚的形成和團聚體結構穩定性的改善，而且優化施肥方式對新增耕地團聚體GMD，MWD值和結構穩定性改善程度要好于傳統耕種多年的土壤。同時，OF和NP處理對于新增耕地玉米生物量和經濟效益也產生了一定的影響，玉米產量和經濟效益顯著高于CF處理[33]。但由于有機肥的有效養分投入成本高于化肥，OF和NP處理的產投比與CF處理差異不明顯，但對于新增耕地土壤的健康可持續發展、作物品質的提升和環境的改善要具有明顯的優勢[34-36]。綜上所述，優化施肥方式下OF和NP處理在提高土壤有機質含量的同時，能顯著增加土壤中水穩性大團聚體含量及其結構穩定性，提高玉米的產量，是增加新整治耕地土壤肥力、結構穩定性和生產力的有效措施。

4 結 論

相比于常規CF處理，化肥有機替代方式下的OF和NP處理顯著增加了新增耕地土壤有機質含量，提高了團聚體的MWD，GMD，R0.25值，降低了D值，增加了玉米產量(p<0.05)，土壤團聚體結構和穩定性明顯得到改善，其中OF處理對新整治耕地土壤保肥特性、團聚體數量和結構穩定性的改善效果最佳。土壤有機質含量與水穩性團聚體的平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)呈顯著正相關關系(p<0.001)，表明隨著化肥的減量施用，外源有機肥的加入有利于土壤有機質含量的增大，促進了>0.25 mm水穩性大團聚體的團聚，提高了新增耕地土壤的團聚體數量和結構穩定性。因此，這些結果證實了優化施肥方式下的OF和NP處理對黃土高原地區新整治耕地土壤肥力提升、團聚體數量增加與結構改善的益處，是有利于提高新增耕地土壤質量、土地生產力和健康可持續發展的有效措施。