不同施肥模式對設施菜地土壤團聚體粒級分布和穩定性的影響

曹秀鵬，黃興學，周國林，張潤花，施玲芳，鄧耀華

（1.武漢市農業科學院蔬菜研究所，武漢 430300；2.華中農業大學園藝林學學院，武漢 430070）

土壤團聚體是土壤的基本構成單元，設施蔬菜栽培時，適宜的土壤有機質含量和良性的土壤團聚結構是保持作物產量的重要因素［1］。土壤團聚體形成于礦物土壤顆粒和有機物質間的結合，溫室高溫高濕的環境容易刺激土壤有機質分解，加上菜農采用不合理的施肥和灌溉措施，導致土壤團聚體結構的惡化［2，3］。

土壤團聚體粒級分布和穩定性與耕作方式、施肥模式和年限等密切相關，且施肥模式對團聚體的影響最深刻［4-6］。土壤團聚體不同粒級分布對于保持和供應土壤養分、改善孔隙組成等具有不同的作用［7］。以0.25 mm界，＜0.25 mm 的團聚體為微團聚體，＞0.25 mm 的團聚體為大團聚體，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）和團聚體結構破壞率（PAD）是被廣泛應用于表征土壤團聚體穩定性的指標［8］。相關研究表明，應用有機物料可以保持并提高土壤有機質含量、改善土壤團聚體結構［9］，有機肥配施化肥可以增加土壤團聚體含量，提高土壤團聚體穩定性［10，11］。秸稈還田有利于增加＞2 mm 的土壤團聚體含量［12］，提高土壤有機碳的固存［13］。也有研究表明，有機肥配施化肥顯著降低了表層土大團聚體比例、MWD和GMD［14］。相關研究多集中在單一施肥水平上，且結論不盡相同。不同施肥模式對設施菜地土壤團聚體的影響鮮有報道，因此，本研究以有機肥和秸稈2 種有機物料為基礎，探討不同施肥模式對菜地土壤團聚體粒級分布和穩定性的影響，以期為提高菜地土壤肥力、改善土壤質量、保持蔬菜高產提供科學依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

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

1.2 試驗材料

供試土壤：沙壤土，供試前土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗地耕層土壤基本理化性質

供試材料：櫻桃番茄和結球白菜輪作，櫻桃番茄品種名紅風鈴，結球白菜品種名元寶，均為長江中下游區域常見栽培品種。

1.3 試驗設計

試驗采用裂區設計，設5 個處理：不施肥（CK）、常規化肥（CF）、優化施肥（OF）、秸稈與常規化肥配施（CFS）、秸稈與優化施肥結合（OFS），其中，優化施肥為有機肥與化肥配施處理。田間隨機區組排列，每個處理3 次重復。

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。

據武漢市農業施肥習慣，常規化肥為SOUPRO三元復合肥（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。優化施肥為用生物有機肥（商品名為根沃寧，N 含量2.97%、P2O5含量2.16%、K2O 含量1.37%，山西稼和沃農業科技有限公司）替代化肥中30%氮。秸稈為玉米秸稈，使用威而德（日照）園林機械有限公司生產的粉碎機（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

連續栽植3 季后，使用土鉆在每個小區以5 點取樣法采集土樣，裝進密封袋混勻，自然風干后用于測定土壤有機碳含量。使用環刀在每個小區采集3 份土樣，用于測定土壤容重。使用塑料方盒采集每個小區的原狀土，運輸過程中減少擾動，避免破壞團聚體，自然風干后掰成約1 cm3小土塊，剔除雜質后篩分，用于測定土壤團聚體結構。

1.5 樣品測定

機械穩定性團聚體的分級采用沙維諾夫干篩法［15］，水穩定性團聚體的分級采用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 個不同粒級團聚體。

土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤容重的測定采用環刀法［17］。

1.6 數據處理

根據篩分后的各粒級團聚體數據，分別計算＞0.25 mm 的機械 穩定性 團聚體含量（DR0.25）、＞0.25 mm 的水穩定性團聚體含量（WR0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何均重直徑（GMD）、團聚體結構破壞率（PAD），相關計算公式如下：

式中，ωi為某粒徑團聚體的質量分數；xi為某粒徑團聚體平均直徑。

采用Excel 2017 軟件進行數據統計，Origin 9.0軟件進行繪圖，SPSS 21.0 軟件進行差異顯著性分析，LSD 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式對土壤團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械穩定性團聚體均以＞5 mm 的土壤團聚體含量最高，0.25～0.5 mm 團聚體含量最低。相較于CK 處理，CF 處理中團聚體粒級分布與CK 處理基本一致，OF 處理中＞5 mm 的團聚體含量增幅為28.94%，CFS處理中2～5 mm 和0.25～1 mm 的團聚體含量增幅范圍為3.75%～31.23%，OFS 處理中＜1 mm 的團聚體含量增幅范圍為31.88%～82.33%，以上差異未達到顯著性水平。處理間比較發現，相較于OFS 處理，OF處理中＞5 mm 的團聚體含量顯著提高（53.60%），0.5～1 mm 的團聚體含量顯著降低（44.68%），CFS 處理中＜0.25 mm 的微團聚體含量顯著降低（33.26%）。

圖1 不同施肥模式下機械穩定性團聚體粒級分布

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

圖2 不同施肥模式下水穩定性團聚體粒級分布

2.2 不同施肥模式對土壤團聚體穩定性的影響

2.2.1 土壤團聚體含量（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 土壤團聚體MWD和GMD的變化 由圖3b、圖3c 可知，機械穩定性團聚體MWD和GMD均在OF處理時最大（2.15 mm、2.04 mm），OFS 處理最小（1.84 mm、1.44 mm），OF 和OFS 處理達到顯著水平，其他處理間無顯著變化。施加有機肥和秸稈后，水穩性團聚體MWD和GMD隨之增大，表現為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 土壤團聚體PAD的變化 由圖3d 可知，隨著有機肥和秸稈的施加，種植3 季蔬菜后土壤團聚體結構破壞率（PAD）呈降低趨勢，PAD表現為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 不同施肥模式對團聚體穩定性的影響

2.3 不同施肥模式對土壤有機碳含量和容重的影響

由圖4 可知，不同施肥模式下，土壤有機碳含量為5.57～12.61 g/kg，土壤容重為2.18～2.50 g/cm3。連續施加有機肥和秸稈對土壤有機碳有顯著影響，CFS 和OFS 有機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，有機碳含量顯著增加（114.54%、126.39%）；CFS和OFS 處理較CF 處理，有機碳含量顯著增加（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碳含量和容重的影響

3 小結與討論

土壤團聚體對改善土壤結構、促進作物生長起到重要作用［18］。有研究表明，施加有機肥可以顯著提高＞0.25 mm 的團聚體含量，降低＜0.25 mm 的團聚體含量［19］。本研究中，優化施肥（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，這可能與有機肥類型的差異有關。較高的生物量，包括秸稈、根系殘茬等也是影響土壤團聚體的主要因素［20］，本試驗秸稈與常規化肥配施處理（CFS）相較于不施肥（CK）處理和常規化肥處理（CF），WR0.25的含量顯著提高（32.24%、26.22%），可能與秸稈連續施加后土壤有機碳組成的差異有關。連續3 個生長季的CFS 處理顯著提高了土壤有機碳含量，有研究發現，耕層土中絕大部分有機碳位于土壤團聚體內［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，促進有機質分解，從而提高土壤中腐殖質含量，腐殖質中的胡敏酸和富里酸是團聚體的膠結劑［22］，腐殖質的含量與水穩定性團聚體呈正相關［23］。同時作物（根系分泌）和微生物（有機分解）會產生多糖，多糖同樣作為一種有機膠結劑，附著在土壤顆粒上，有利于促進微團聚體向大團聚體的形成［24］。

通過對 不同施 肥模式下WR0.25、MWD水穩性、GMD水穩性和PAD的比較不難發現，與CK 處理相比，連續單施化肥對團聚體穩定性幾乎無影響，而秸稈和有機肥的施加均能提高土壤團聚體的穩定性，這與前人研究結果一致［25-27］。相較于OF 處理，CFS 處理中WR0.25含量較高、MWD水穩性和GMD水穩性較大、PAD較低，說明在設施菜地條件下，連續施加秸稈比有機肥配施化肥能更有效地改善土壤團聚體穩定性。同時連續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，促進生長［28］。王西和等［29］認為，增施有機肥對灰漠土大團聚體含量的提高和有機碳的積累優于秸稈還田，這可能與不同的土壤類型及耕作方式有關，Xiao等［20］研究表明，玉米大豆連作6 年后，與施加有機肥相比，秸稈和化肥配施進一步提高了土壤有機碳含量及MWD水穩性、GMD水穩性，與本研究結果一致。此外，本研究結果顯示，有機肥配施化肥與施加秸稈相結合有協同作用，與CK 處理相比，OFS 處理中WR0.25、MWD水穩性、GMD水穩性和PAD均達到顯著差異，說明OFS 處理對土壤團聚結構的改善效果最佳。

綜上所述，連續單施化肥與不施肥相比，菜地土壤團聚體的粒級分布和穩定性難以產生較大影響，連續秸稈配施化肥對土壤團聚體穩定性的提高優于有機肥配施化肥，且提高了土壤有機碳固存，降低了土壤容重。OFS 處理在有機肥和秸稈結合的基礎上進一步提高了團聚體穩定性，改善了土壤結構，效益最佳。