長期施用有機肥對松嫩平原西部鹽堿土肥力和玉米產量的影響

于 菲，趙 碩，趙 影，汪 勇，范益愷，孟慶峰

(東北農業大學資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

近年來，土壤鹽漬化在全球化環境中已經成為了很嚴重的問題，這一問題主要由自然因素和人類活動引起，并且已經成為主要的環境風險之一[1-2]。全世界約有鹽漬土面積 9.55×108hm2，共占據約100多個國家和地區，每年以1.00×105～1.5×105hm2的速度增加[3-4]。我國東北地區鹽漬土面積約3.84×106hm2，是我國土地鹽漬化最嚴重的地區之一[5-6]。隨著時間的不斷推移，可耕地面積日漸減少、土地資源不斷匱乏,它已成為了非常重要的后備資源。鹽漬化問題不僅危害耕地質量，而且嚴重影響國家糧食安全和區域生態環境。因此，鹽堿地治理已成為生態環境保護的當務之急[7]。我們應釆取合理開發和改良利用并存的措施，大幅度提高鹽堿地區農業的綜合生產效率，增加鹽堿區的有效耕地面積，這將對保障我國1.43×108hm2耕地面積以及提高糧食產量和糧食安全具有重大戰略意義。

鹽堿土水-肥-鹽方面的研究大約從20世紀70年代開始。研究得出以施肥來改良鹽漬土的基本觀點[8-9]；建議利用有機質和土壤養分在時間、空間、形態上影響土壤的鹽基交換量，改善土壤的水、肥、氣、熱并促進土壤團粒結構的形成，從而能夠調節和影響鹽堿土壤中離子的固定、遷移和淋溶，達到了調控鹽分的作用[10]。研究表明，在土壤中施用有機肥可以達到一定的增產效果[11-12]，可提高土壤速效養分，促進土壤團聚體形成，改善土壤結構[13]，改善土壤鹽類離子組成[14-15]，降低土壤pH值[16]，提高土壤生產力。同時，施用有機肥可以改善土壤結構、降低土壤容重，增加土壤孔隙度，影響土壤鹽分運移，利于排鹽[17-19]。

松嫩平原位于東北地區中部，是我國重要的糧食產區，在我國糧食生產安全中發揮著重要作用。然而，它也是世界三大蘇打鹽堿土集中分布區之一，面積約為3.73×106hm2，是我國鹽堿化最嚴重、對農業影響最大的地區之一[20]，同時鹽堿土作為后備土地資源對我國耕地數量的動態平衡具有重要意義。目前，已開展的鹽堿土改良工作只具有短期效果，缺乏持續性的長期定位試驗。通過長期定位試驗所獲取的研究數據更為穩定、可靠，并能正確地反映鹽堿土的改良效果及其變化趨勢。因此，本研究以松嫩平原西部草甸堿土為研究材料，通過長期施用有機肥的方式進行鹽堿土改良，闡明長期施用有機肥對土壤養分、物理性狀和鹽堿性質的影響，并利用結構方程模型(SEM)分析玉米產量提升的機制。本研究結果為其他區域的鹽堿土改良工作亦可提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區定位于黑龍江省大慶市肇州縣永樂鎮東北農業大學鹽堿土長期定位試驗站(125.06°E，45.40°N，海拔135 m)，地處松嫩平原中部，位于黑龍江鹽漬土的主要分布區。試驗區地處黑龍江省第一積溫帶，氣候類型為中溫帶大陸性季風氣候，年均活動積溫2 800 ℃，年均降水量436 mm，年均蒸發量1 800 mm，屬半干旱地區。試驗區四季分明,春季多風少雨；夏季炎熱多雨；秋季涼爽，易出現早霜；冬季寒冷干燥。土壤類型為草甸堿土，質地為粘土(26%砂粒，22%粉粒，52%粘粒)。未開墾前試驗區為鹽堿荒地，堿斑零星分布，堿斑面積約占40%左右，開墾前土壤基本理化性質見表1。

表1 開墾前土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

本研究根據施用腐熟牛糞的年限，在堿斑土上共設置4個處理，分別是施用有機肥13 a(13A)，施用有機肥19 a(19A)，施用有機肥24 a(24A)，以不施用有機肥的處理作為對照(CK)。供試作物為玉米，施肥方式為每年四月下旬以壟作結合方式只施入干質量為10 000 kg·hm-2的腐熟牛糞，不施用化肥。在玉米拔節期全部處理追施尿素375 kg·hm-2。玉米生育期內無灌溉。腐熟牛糞的性質為：有機質含量590.69 g·kg-1，氮含量13.28 g·kg-1，磷含量12.02 g·kg-1，鉀含量15.35 g·kg-1，pH值8.42，鈣含量9.77 g·kg-1，鎂含量4.58 g·kg-1。

1.3 樣品采集

2019年10月中旬采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品，每小區隨機選取3個點。土壤樣品帶回實驗室內剔除外侵入物后進行自然風干，風干后將土壤樣品磨碎并過篩，先全部通過1 mm篩；然后，將土壤樣品均勻取出一部分過0.25 mm篩。過篩后用于土壤化學性質的測定；在采集土壤農化樣品的同時，利用環刀采集相同原狀土壤，用于測定土壤的物理性質。

1.4 研究方法

土壤pH值與電導率(EC)按照5∶1水土比，采用pH計和電導率儀測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤全氮采用濃硫酸消煮，凱氏定氮儀蒸餾法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提，火焰光度法測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗顯色法測定；土壤交換性鈉離子采用1 mol·L-1醋酸銨浸提，火焰光度法測定；土壤陽離子交換量(CEC)采用乙酸鈉一火焰光度法測定。依據公式(1)計算土壤堿化度(ESP)。

(1)

式中，ESP為土壤堿化度(%)；交換性Na+為交換性鈉離子(cmol·kg-1)；CEC為土壤陽離子交換量(mol·kg-1)。

用環刀收集未攪動的土壤樣品，測定田間持水量；采用環刀法測定土壤容重；采用比重瓶法測定土壤顆粒密度，并根據公式(2)計算土壤孔隙度。

(2)

式中，ft為土壤孔隙度(%)；ρb為容重(g·cm-3)；ρd為土壤顆粒密度(g·cm-3)。

1.5 數據處理

數據經Excel處理后，采用SPSS軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)比較處理間差異，用Duncan’s法檢驗差異顯著性(P<0.05)。采用AMOS 21.0的結構方程模型(SEM)探討土壤理化因子主要驅動因素的影響路徑及程度。

2 結果與分析

2.1 施用有機肥對土壤有機質的影響

由圖1可知，與CK相比，施用有機肥后，土壤0～20 cm和20～40 cm土層有機質含量均明顯增加。同時除處理24A外，其余處理隨土層深度增加土壤有機質含量均減小，即在0～20 cm土層中土壤有機質含量達到最大。在0～20 cm土層中，處理19A的有機質含量達到最高，較不施肥的處理有機質含量提高了近3.5倍。在20～40 cm土層中，處理19A的有機質含量達到最高，較不施肥的處理有機質含量提高了約5.3倍。方差分析結果表明，在0～20 cm土層中，各處理與CK相比差異顯著(P<0.05)，施用有機肥的各處理間差異不顯著；在20～40 cm土層中，各處理與CK相比均差異顯著(P<0.05)；處理19A、處理24A與處理13A相比差異顯著(P<0.05)。

注: 不同小寫字母表示同一土層處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 施用有機肥對土壤養分的影響

不同施肥年限各處理下0～20 cm和20～40 cm土層中全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量隨時間的變化規律見表2。與CK相比，施用有機肥后的0～20 cm土層中全氮、堿解氮、速效鉀的含量均顯著增加。在0～20 cm的土層中，與CK相比，處理24A的全氮、堿解氮、速效鉀含量都提高了2倍左右，速效磷含量較不施肥處理下的速效磷含量提高了81.07%。在20～40 cm的土層中，土壤全氮、堿解氮含量都顯著提升。隨著有機肥施用年限的增加，土壤全氮、速效磷、速效鉀在處理24A時達到最高含量。方差分析結果表明，在0～20 cm土層中，各處理土壤全氮含量與CK相比差異顯著(P<0.05)；處理24A的土壤堿解氮與CK相比差異顯著(P<0.05)；處理13A、24A的土壤速效磷與CK相比差異顯著(P<0.05)；處理24A的土壤速效鉀與CK相比差異顯著(P<0.05)，而處理13A、19A差異不顯著。在20～40 cm土層中，各處理的土壤全氮與CK相比均差異顯著(P<0.05)；處理24A的土壤堿解氮與CK相比差異不顯著，其他處理均差異顯著(P<0.05)；處理24A的土壤速效磷與CK相比差異顯著(P<0.05)；處理13A、24A的土壤速效鉀與CK相比差異顯著(P<0.05)，而處理19A差異不顯著。

表2 不同處理的土壤養分含量

2.3 施用有機肥對土壤鹽堿性質的影響

不同施肥年限處理下0～20、20～40 cm土層的pH值、EC、ESP隨時間的變化規律見表3。0～20cm土層中，土壤pH值隨施肥年限的增加逐漸降低，各處理的pH值比CK降低了20.00%～24.45%；各處理的EC、ESP與CK相比均顯著降低，降幅為42.86%～77.78%。在20～40 cm土層中，各處理的EC、ESP與CK相比均顯著降低。方差分析結果表明，在0～20 cm土層中，與CK相比，各處理pH值均差異顯著(P<0.05)。EC與ESP具有相似趨勢，各處理與CK相比均差異顯著(P<0.05)。在20～40 cm土層中，各處理pH值、EC、ESP與CK的差異均達顯著水平(P<0.05)。

表3 不同處理的土壤鹽堿性質

2.4 施用有機肥對土壤物理性質的影響

不同施肥年限處理下0～20 cm和20～40 cm土層的土壤容重、密度、孔隙度隨時間的變化規律見表4。與CK相比，長期施用有機肥后土壤孔隙度呈上升趨勢；容重、密度呈下降趨勢。2019年試驗結束時，在0～20 cm土層中，處理24A的容重為1.08 g·cm-3，較不施肥處理容重(1.64 g·cm-3)降低了34.15%；土壤密度較CK降低了5.91%；孔隙度較CK升高了54.56%。方差分析結果表明，在0～20 cm土層，與CK相比，各處理容重、密度、孔隙度均差異顯著(P<0.05)；在20～40 cm土層，各處理的容重與CK相比均差異顯著(P<0.05)；處理19A、24A的土壤密度較CK差異顯著，處理13A與CK間差異不顯著(P<0.05)；施用有機肥后，各處理孔隙度雖呈上升趨勢，但均與CK差異不顯著。

表4 不同處理的土壤物理性質

由圖2可知，與CK相比，隨著施用有機肥年限的增長，土壤田間持水量呈上升趨勢。施用有機肥后，0～20 cm土層的田間持水量高于20～40 cm土層。在0～20 cm土層中，各處理的田間持水量與CK(18.22%)相比提高至36.55%～42.35%之間，處理24A的田間持水量達到最高值42.35%；在20～40 cm土層中，各處理的田間持水量與CK相比提升范圍在23.74%～38.54%之間。方差分析結果表明，在0～20 cm和20～40 cm土層中，各處理的田間持水量與CK相比均差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同處理的土壤田間持水量

2.5 施用有機肥對玉米產量的影響

由長期定位試驗的玉米測產結果(圖3)可以得知，施肥年限的不同對玉米增產效果的影響有差異，產量呈現了一定的規律性，即處理24A>19A>13A>CK。方差分析結果表明，處理13A、19A、24A與CK差異均顯著(P<0.05)。2019年試驗結束時處理24A的玉米產量達到了13 780 kg·hm-2，較玉米產量為8 690 kg·hm-2的處理CK相比提高了58.57%，表明隨著有機肥施用年限的增加產量會顯著提高。

圖3 2019年不同處理的玉米產量

2.6 土壤肥力的結構方程模型

為了明確長期施用有機肥后土壤肥力對玉米產量的影響，通過構建SEM來分析0～20 cm土層(耕作層)的土壤有機質、養分、鹽堿指標、物理性質對玉米產量的綜合響應，見圖4。SEM 擬合結果為：P=0.94，擬合優度指數(GFI)=0.89，均方根誤差(RMSEA)=0.00，說明模型適配良好。模型解釋了玉米產量改變的影響因素并不是唯一。結果表明，通過施用有機肥調控土壤有機質，從而影響土壤容重、田間持水量以及土壤全氮來提高玉米產量，其中，有機質對田間持水量和土壤全氮的影響體現為正效應,其路徑系數分別為0.98和0.97；對容重體現為負效應，其路徑系數為-0.74。田間持水量與土壤pH值呈負相關關系(路徑系數為-0.69)從而影響玉米產量，土壤pH值與土壤有機質也呈負相關關系(路徑系數為-0.24)，并在比較小的程度上受到土壤堿化度和容重的影響。土壤全氮和速效鉀含量對玉米產量也產生了直接的影響，其路徑系數分別為0.36和0.34。綜上，土壤有機質可通過改善土壤結構和土壤全氮供應達到增產效果。并且在此模型中，容重的降低、田間持水量的提高成為對玉米產量影響最大的、對多因素綜合影響的重要因素。

注：每個箭頭的粗細和箭頭上的數值分別代表路徑系數及其大小，實線代表正相關，虛線代表負相關。

2.7 土壤理化性質的相關性分析

對土壤理化性質進行相關性分析。結果表明，土壤有機質與容重、土壤密度、pH值、電導率、堿化度呈極顯著負相關(P<0.01)，與土壤田間持水量、孔隙度、全氮呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤堿解氮與土壤有機質呈顯著正相關(P<0.05)。土壤速效磷、速效鉀與有機質未達顯著相關水平。土壤田間持水量與土壤pH值、電導率、堿化度呈極顯著負相關(P<0.01)。土壤容重與土壤pH值、電導率、堿化度呈極顯著正相關(P<0.01)，與全氮、堿解氮呈極顯著負相關(P<0.01)。

3 討 論

通過有機培肥長期定位試驗，施用有機肥后，土壤有機質和養分顯著提高，原因是有機肥中富含植物生長所必需的大量營養元素，如氮、磷、鉀和豐富的有機質，還含有數量豐富的有機營養成分，如氨基酸、核酸、糖、維生素等，施入土壤后有利于有機質的積累，使土壤養分得到不同程度的改善[21]，活化土壤內部的潛在養分和增強土壤微生物活性，增加作物的生物量[22]，并有效增加土壤中可利用的有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量，從而改善作物的生長環境。也可能是因為有機肥活化土壤中潛在養分后, 促進了土壤原有有機質的礦化分解。在本研究中，施用有機肥后，與不施肥的處理相比，0～20 cm土層的土壤有機質與速效氮、速效鉀和堿解氮含量均有提高，這與韓曉增[23]、李娟[24]等的研究結論基本一致，只是增加的幅度不同，可能是受研究區的氣候條件、土壤類型、施肥時間等因素影響所致。然而，有機肥中的有機質與微生物對土壤磷的轉化比較遲鈍[25], 故施用有機肥后土壤有機質含量和全氮含量增幅較大, 土壤速效磷含量增幅較小。處理24A的土壤有機質含量與其他更短時間施用有機肥的處理相比盡管有下降趨勢，但差異不顯著，且與CK處理相比仍達到顯著差異水平(P<0.05)。這可能是由于長期施肥后膠結物質增多，土壤的結構得到改善，環境條件變得適宜的情況下，微生物活動旺盛，則分解作用進行較快，有機質產生了礦化作用[26]，導致有機質的礦化量大于有機質的累積量，有機碳庫呈虧缺狀態。從表5可知，有機質與全氮之間呈極顯著正相關(r=0.95**)，與堿解氮呈顯著正相關(r=0.44*)。因此，土壤全氮、堿解氮含量的變化趨勢與有機質含量變化趨勢基本一致。其他養分也與有機質含量呈現正相關關系，出現波動但是略有偏差。

表5 鹽堿土各指標之間的相關系數

本研究表明，有機肥除了能夠增加土壤養分的積累，還能夠改善各土層土壤容重、密度,對于土壤板結的減輕程度具有較好的改良效應。有機肥料的孔隙結構和土壤的團聚體結構降低了土壤容重，并且土壤有機質的增加也會促進微團聚體的形成，進而降低土壤容重，尤其對于0～20 cm土壤的影響較為顯著。土壤容重降低的同時，土壤的緊實度和透氣性也會得到改善,土壤的孔隙度增加，增強土壤的保水性能[27]，從而提高土壤的蓄水能力，降低土壤水分的蒸發速率[28]。從表5可以看出，孔隙度與田間持水量之間呈極顯著正相關關系(P<0.01)，孔隙度與田間持水量的提高,能夠進一步促進根系的下扎和對深層土壤水分及養分的利用，調控作物應對水分和養分欠缺的能力[29-30]。因此，施用有機肥對改善土壤物理性質具有重要意義。

從鹽堿土各指標之間的相關系數(表5)可以看出，土壤EC與容重之間呈極顯著正相關(r=0.94**)。由此可以得出，施用有機肥通過影響土壤的物理性質進而影響鹽分的表聚性。與不施肥處理相比，增施有機肥一方面可以改善土壤通透性，提高土壤的毛管孔隙度，利于表層土壤鹽分向土體下層淋洗，促進土壤排鹽并抑制返鹽，從而電導率降低。這與王世斌[31]、李國輝[32]等的研究結果一致。另一方面有機肥中的Ca2+將土壤膠體中的Na+置換出來，被吸附到土壤溶液中，改變了鹽堿土中鹽分離子的組成，從而降低了堿化度，起到改良鹽堿土的效果[33]。由表3可知，處理24A的0～20 cm鹽分含量與20～40 cm土層鹽分差異不顯著。可能是因為地下水位淺，礦化度高，鹽分在毛管作用下向上遷移[17]，并且是在秋季收獲后取樣，沒有地表覆蓋，蒸發強度大，鹽分向表層移動。土壤pH值經過有機肥的處理均低于對照，降低的原因可能是有機肥降解過程中形成的有機酸可以降低土壤中的堿性物質，增強土壤對pH的緩沖能力，降低土壤pH值。然而，處理24A的土壤ESP略高于處理19A，這與較高的土壤鹽分有關，從表5可知，土壤ESP與EC呈極顯著正相關關系(r=0.96**)。有機質均能不同程度地影響土壤pH值、鹽分含量、堿化度。在本研究中，隨著施用有機肥年限的增加，與CK相比，有機質含量增加，鹽堿性質顯著降低。

本研究對草甸堿土的理化指標建立SEM，較好地證明了施用有機肥后土壤中理化性質對玉米產量的影響及作用，從模型中驗證了土壤物理性質和鹽堿性質是影響玉米產量的主要原因。其中，土壤物理性質的改善是促使玉米產量提升的關鍵因素。長期施用有機肥后，鹽堿土壤的田間持水量提高，持水性能增強，容重下降。物理結構的改善促進土壤排鹽，減輕了鹽分對作物的脅迫作用，有效減緩了土壤的板結與返鹽，在一定程度上，使水、肥、鹽、氣形成一種動態平衡。吳春濤、張瑜[34-35]等研究結果表明，施用有機肥能有效改善土壤理化性狀，減少土壤水分蒸發, 降低鹽分的積累，達到提高作物產量的效果。鹽堿性質是無法消除的，在此前提下，改善土壤物理性質作為改良鹽堿土的一個重要方向，是滿足作物生長所需的必備條件。本研究結果表明，施用有機肥后土壤的物理性狀變化顯著，土壤環境更加適合作物生存，玉米產量得到提升。在今后的研究改良過程中，我們需繼續長期定位實行上述處理，以驗證長期施用有機肥對鹽堿土的改良效應。

4 結 論

長期施用有機肥后，0～20、20～40 cm土層的有機質在土壤中不斷積累，釋放養分供給作物吸收利用，全氮、速效養分含量顯著提高；土壤pH值、電導率(EC)、堿化度(ESP)顯著降低；土壤容重、顆粒密度顯著降低，土壤田間持水量、飽和含水量顯著提高，土壤物理結構得到明顯改善。隨有機肥施用年限的增加，玉米產量顯著提高。有機肥處理在連續施用有機肥24 a后玉米產量達到最高水平。并通過結構方程模型分析得出，長期施肥后通過提升土壤有機質，降低了容重、提高了田間持水量，進而影響土壤的pH值，改善了土壤的微環境，達到增產效果。其中容重的降低、田間持水量的提高在改良鹽堿土中發揮主要作用，對玉米產量的提高和穩定具有重要影響。