黑土肥料長期定位試驗凍土分割搬遷后土壤融合效果評價①

匡恩俊，遲鳳琴*，張久明，宿慶瑞，周寶庫，高中超，朱寶國

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黑土肥料長期定位試驗凍土分割搬遷后土壤融合效果評價①

匡恩俊1，遲鳳琴1*，張久明1，宿慶瑞1，周寶庫1，高中超1，朱寶國2

(1 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室，黑龍江省肥料工程技術研究中心，哈爾濱 150086；2黑龍江省農業科學院佳木斯分院，黑龍江佳木斯 154007)

為了明確黑土長期定位試驗土壤搬遷后與新址的融合效果，以一個搬遷土塊為研究對象，明確搬遷土塊間的接縫處土壤與距接縫處不同距離的中心土壤在理化特性上的不同。結果表明，0 ~ 20 cm層次土體中心50 cm處的田間持水量比接縫處高5%，容重低4%，變異系數均明顯高于其他層次；20 ~ 40 cm層次，土壤的固相率和容重高于其他層次，田間持水量降低，土塊橫切面各部位物理性質均無明顯差別；剖面底部80 ~ 100 cm層次接縫處土壤松散縫處的固相率比30 cm和土體中心處低4.3%，液相率低3.1%，氣相率高出7.6%，容重下降8.3%。0 ~ 40 cm土層的縫處、距縫30 cm和距縫50 cm處的孔隙率均低于40 ~ 100 cm層次，其中80 ~ 100 cm層次的孔隙率最大，20 ~ 40 cm孔隙率最低為44.2%；土壤飽和導水率0 ~ 20 cm層次為35.3 ~ 38.0 cm/d，隨著深度的加深呈下降趨勢，均小于20 cm/d；而80 ~ 100 cm層次縫處的飽和導水率值高達144.4 cm/d，是表層土壤的4倍。同一層次搬遷土塊縫處與土塊中心土壤速效養分無明顯差別，縫處全氮含量均高于土塊的其他位置，且與距縫30 cm和50 cm處的數值差異均達到顯著水平(<0.05)；pH隨著土層的加深逐漸增大，堿解氮和土壤有機碳含量隨著土層的加深而下降。長期定位土壤搬遷5 a后，深層土壤接縫處還處于疏松狀態，下層土壤的融合要弱于上層土壤。

長期定位；土壤分割和搬遷；理化性質；容重；田間持水量；孔隙度

肥料定位試驗是國內外土壤肥料科學廣泛采用的研究方法[1-2]，著名的英國洛桑試驗站長期定位試驗已經連續進行150 a，為農學、土壤學、植物營養學、生態學和環境科學的發展做出了重要貢獻，被稱為“經典試驗”[3]。國內自改革開放以來先后在各種土壤上開展了相關研究[4-8]，有的定位試驗研究已經連續進行40 a，得到大量寶貴的科學數據，為我國研究農田土壤肥力演變規律奠定了堅實的基礎。

黑土一直被人們認定是高產土壤[9]，黑龍江省的“黑土肥力長期定位監測試驗”始建于1979年，是東北黑土區時間最長的肥料長期定位試驗，所監測的作物產量、品質、環境因子、土壤養分、肥力因素等資料，為東北黑土地保護及合理開發利用等決策提供了寶貴的資料。由于近年來城市擴展迅猛，2010年，哈爾濱黑土長期定位試驗區被迫全部搬遷至民主農業科技園區。關于試驗區土壤原狀土搬遷，國內已有先例，比如河北衡水試驗站、河南農科院等都采用切割法進行原狀土的整體搬遷。由于部分原狀土在運輸過程中因震動造成土塊崩解，從而降低了原狀土的搬遷效果。為了實現原狀土搬遷目的，最大限度減少搬遷過程中對土壤結構的擾動和破壞，利用黑龍江省冬季土壤凍結自然條件進行搬遷。經過搬遷后連續多年觀察，地上部植物長勢均勻，各處理之間作物生長趨勢與搬遷之前基本一致，保證和確認了凍土分割搬遷前后調查數據的連續性和可靠性。遲鳳琴等[10]認為凍土分割搬遷后土壤容重的變異系數有所增加，但未說明造成土壤容重變異增加的原因。考慮到搬遷后試驗區內存在大量間隔1 m、深1.2 m的縱橫交錯的土塊接縫，盡管這些接縫會由于表土下移、土塊脹縮崩解等原因逐漸彌合，但對土壤水分、養分移動以及剖面變化等都會產生影響。本文試圖通過比較搬遷后試驗區土塊縫之間與土塊中心土壤的理化性質上的差別，初步判斷對土壤理化性質以及對定位試驗結果的影響，為長期定位試驗土體的搬遷提供方法和理論依據。

1 材料與方法

1.1 土壤取樣方法

為最大程度保持土壤原貌和原結構不被破壞，在冬季土壤凍結后，將試驗區土壤分割成若干個1.0 m × 1.0 m × 1.1 m =1.1 m3凍土塊，編碼后搬運至新址并按空間位置進行緊密對接。為盡量少破壞試驗區，僅在搬遷后的休閑耕作區挖1個長、寬、深1 m × 1 m × 1.2 m的土壤剖面，并在兩土塊交界縫處(0 cm)，距縫30 cm和距縫50 cm分層采取原狀土樣品，取樣層次為0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm，其中原狀土采用環刀法測定，3次重復。

1.2 測定項目及方法

土壤三相比、土壤容重、田間持水量等均采用環刀法(DIK-1130)測定，飽和導水率用DIK四點式飽和導水率儀測定。土壤化學性質按照常規方法[11]測定，速效氮采用堿解擴散法、有效磷采用Olsen法、速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法、有機碳采用重鉻酸鉀-高溫外熱法。

1.3 數據分析

數據的計算與處理采用Microsoft Excel 2007和SPSS17.0、Sigmaplot 10.0軟件進行統計和相關性分析并作圖。采用最小顯著法(LSD)檢驗試驗數據的差異顯著性水平(＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同位置處的土壤水分

由于凍土搬遷以1 m3為單位，本研究以一塊土體為代表，選擇接縫處、距離接縫30 cm處和距離接縫50 cm處的土壤，來比較搬遷后土體結構的整合情況。由圖1可以看出，土壤的含水量隨著深度的增加呈現增加的趨勢。0 ~ 60 cm層次均為接縫處的含水量較高，而距縫30 cm和距縫50 cm處的土壤含水量差別不明顯；80 ~ 100 cm層次，接縫處的含水量明顯低于其他2個部位，但差異并沒有達到顯著水平。

2.2 不同位置處的土壤三相組成變化

土壤三相組成可反映土壤的松緊程度以及水氣容量等，也是衡量農田土壤物理性狀好壞的重要指標。由圖2可知，首先，0 ~ 20 cm層次土壤，接縫處、距縫30 cm和距縫50 cm處的三相組成無明顯差別；20 ~ 40 cm土壤層次，接縫處、距縫30 cm和距縫50 cm處的三相組成表現出相同的增長趨勢，且數值間無明顯差別，但與0 ~ 20 cm層次相比，土壤的固相率、液相率均有提高，其中液相率平均提高4.0%，固相率平均提高2.6%，氣相率平均下降了6.6%；80 ~ 100 cm層次，距縫30 cm和距縫50 cm處的三相組成無明顯差別，而接縫處的固相率比30 cm和50 cm低4.3%，液相率低3.1%，氣相率高7.6%。其他層次土壤無明顯差別。

圖2 土壤三相組成

2.3 土壤容重和田間持水量

容重反映了土壤孔隙狀況，該值越小說明土壤疏松多孔，結構良好[12-13]。圖3可以看出，各土壤層次間的接縫處、距縫30 cm和距縫50 cm處容重差異不顯著；由于犁底層的存在，20 ~ 40 cm的容重值最大，平均在1.47 g/cm3；80 ~ 100 cm層次，土塊接縫處的容重值最低，為1.22 g/cm3，距縫30 cm和距縫50 cm處容重均為1.32 g/cm3，比表層土壤要低。接縫處和土塊中心的田間持水量不同，但差異不明顯(圖4)，0 ~ 20 cm層次土壤的田間持水量高于20 ~ 40 cm，略低于80 ~ 100 cm層次，與容重的趨勢相反。表層0 ~ 20 cm層次接縫處、距縫30 cm和50 cm無明顯差別，田間持水量平均為31.9%；20 ~ 40 cm層次接縫處、距縫30 cm和50 cm平均為27.2%；80 ~ 100 cm接縫處田間持水量為36.1%，距縫30 cm和50 cm為33.0%。0~ 20 cm層次的田間持水量的變異系數比其他兩個層次大，達到了中等變異程度(變異系數>10%，表1)。

圖3 土壤容重

圖4 土壤田間持水量

表1 土壤容重和田間持水量的變異程度

2.4 孔隙狀況

土壤孔隙率和孔隙比均能反映土壤的孔隙狀況(表2)。0 ~ 40 cm接縫處、距縫30 cm和距縫50 cm處的孔隙率均低于40 ~ 100 cm層次，其中80 ~ 100 cm處的孔隙率最大，20 ~ 40 cm孔隙率最小，這是每年的耕翻使0 ~ 20 cm的表層土壤疏松，而20 ~ 40 cm則由機械碾壓形成了較硬的犁底層所致。距縫30 cm處的40 ~ 60 cm和60 ~ 80 cm兩個土層深度的孔隙率和孔隙比均較大，且變異系數均為最小。

2.5 不同位置處飽和導水率的變化

土壤的飽和導水率是土壤水運動的重要參數，反映土壤的入滲和滲漏性質，在農田排灌以及水土保持工程中有著重要意義[13]。由表3可見，土壤飽和導水率的表現趨勢為0 ~ 20 cm層次最大，隨著深度的加深呈下降趨勢。由于表層以下存在犁底層，該層土壤較為緊實，故飽和導水率較小；80 ~ 100 cm層次接縫處的飽和導水率高達144.4 cm/d，與距縫30 cm和50 cm處相比差異顯著(<0.05)，同時也是0 ~ 20 cm層次飽和導水率的4倍；80 ~ 100 cm層次接縫處的高飽和導水率與圖2這一層次固相率低、孔隙大相對應。表土層的飽和導水率大于其他層次，這主要是由于耕作導致表層土壤中大孔隙較多，增強了土壤水分的通透性。

表2 各層次土壤孔隙狀況

表3 不同土層土壤飽和導水率(cm/d)

注： 表中小寫字母不同表示差異達到<0.05顯著水平。

2.6 不同位置處土壤化學性質

2.6.1 土壤pH和有機碳 從土壤縱剖面看(圖5)，pH隨著土層深度的加深逐漸增大，60 ~ 100 cm土層 pH達到8以上；橫向比較，從土塊接縫處到土壤50 cm的橫切面，同一土壤層次的pH均比較相近。接縫處土壤pH與土塊中心50 cm之間的pH趨勢一致，且差異不大。

土壤有機碳也是隨著土層深度的加深變化較明顯(表5)，呈下降趨勢，0 ~ 20 cm層次最高，80 ~ 100 cm層次最低；各層次接縫處與土塊中心有機碳差異不明顯。

圖5 不同層次土壤有機碳和pH

2.6.2 土壤養分 接縫處、距縫30 cm、距縫50 cm 3個位置堿解氮有相同的趨勢，均隨著土層的加深含量下降(圖6)。0 ~ 20 cm的表層土壤堿解氮含量最高，土塊中心50 cm處的堿解氮含量高達58 mg/kg；20 ~ 40 cm層次，堿解氮的含量聚集在40 ~ 45 mg/kg之間，40 cm以下堿解氮含量急劇下降，橫切面的各處理間差異不明顯。有效磷含量與堿解氮呈相反趨勢，總體上隨著土層的加深呈上升趨勢，波動幅度較大。深度為60 ~ 80 cm層次的距縫30 cm處土壤有效磷含量明顯高于其他處理，這可能是樣品差異引起的。

各層次間土壤全量養分整體變化趨勢基本一致。全氮每一層次接縫處的含量均高于土塊的其他位置，平均值比距縫30 cm和50 cm處高37.5% ~ 71.4%，且與距縫30 cm和50 cm處的數值差異均達到顯著水平(<0.05)；各層次全磷的表現趨勢相同，數值間差異不明顯，均以接縫處的含量最高，距縫30 cm位置全磷含量最低；全鉀除了80 ~ 100 cm層次接縫處含量最高外，其他土壤層次均表現為接縫處含量最低，距縫50 cm處含量最高。

3 討論

選取土壤容重、田間持水量和飽和導水率等來評價土壤物理性質的變化雖有一定的局限性，但從土壤結構角度出發，以上指標可以反映土壤物理性狀變化趨勢[14]。國內學者依據各種土壤的定位試驗研究了長期施肥對土壤物理性質的影響[15-19]，其性質惡化或改善均有不同差異，究其原因可能與土壤基礎肥力、施肥水平以及作物生長狀況不同有關。遲鳳琴等[2,10]分析了原狀土壤搬遷對土壤微生物、物理性質的影響，其僅限于比較不同處理間的影響，而對搬遷單元土塊間的融合及物理性質的改變還沒有涉及。

裂隙的產生和閉合是土壤內在性質和外界環境綜合作用的結果，是一個復雜的動態過程，可導致不良后果，如增加土體表面積，促使土壤水分通過裂隙的內表面迅速蒸發；其次裂隙可能影響植物根系的分布和吸水過程，甚至造成根系生理損傷[20]；再者裂隙在灌溉或降雨的過程中可作為優先流路徑，加速水分入滲，降低水肥的利用效率[21]；更是破壞了土體的完整性，在土壤表層形成連通的復雜分支，具有強烈的不均勻性和各向異性[22]。在本次調查中，0 ~ 40 cm層次，土塊接縫處整合完好，變化已不明顯。對比層次間的變異系數，無論是田間持水量還是容重，0 ~ 20 cm層次變異程度最高，這說明表層土壤受氣候及人為擾動的影響比較大。20 ~ 40 cm層次，由于犁底層的存在，土壤的固相率、容重均增大，田間持水量降低，每年大型機械深耕(25 ~ 30 cm)使表層土壤疏松大孔隙較多，增強了土壤水分的通透性，30 ~ 40 cm土層被壓實，減少了水分流動的大孔隙，而增加了許多非活性孔隙[23]。從剖面底部80 ~ 100 cm層次發現，接縫處土壤松散，其固相率比距縫30 cm和50 cm處低4.3%，液相率低3.1%，氣相率高出7.6%，容重下降8.3%，該處的飽和導水率是表層土壤的4倍，是同層次其他位置的40倍，源于此接縫處的土壤融合不緊密存在裂隙導致的。從土壤顏色上看，黑色與黃色交叉(圖7)，這是表層的黑土散落到母質層，并與母質混合的表現。由于土壤凍融交替，且較深層次沒有受到外界擾動，接縫處的土壤還處于疏松狀態。

圖6 不同土層土壤養分情況

合理的土地利用方式可以改善土壤結構，增強土壤對外界環境變化的抵抗力；而不合理的土地利用方式則會導致土壤質量下降，加速土壤侵蝕，導致土壤退化[24]。土體構型的改變對土壤水氮存儲、運移過程影響顯著[25]。陳學文等[26-27]對空間移位下的不同肥力土壤pH、養分及酶活性等影響作了分析，其前提是改變了水熱條件下的各項指標的變化，與本文不同，長期定位土壤搬遷，新址的水熱狀況、土壤性質均與原址相近。但就剖面層次來說，同一層次搬遷土塊接縫處與土塊中心土壤化學性質無明顯的差別，其含量值僅表現為土層深度上的差異[28-29]。pH隨著土層的加深逐漸增大，到60 ~ 100 cm pH達到8以上；堿解氮和土壤有機碳隨著土層的加深含量下降。由于剖面的處理屬于對照區，連續38 a未使用肥料，所以整體的養分含量偏低，pH偏高。全氮表現為接縫處的含量明顯高于距縫50 cm處，這可能是由于接縫處的土壤含水量較高，抑制了好氧微生物對氮素的分解。

圖7 接縫處地表與環刀樣品

4 結論

長期定位土壤搬遷5 a后，就某一搬遷土壤剖面，0 ~ 60 cm范圍由于機械耕作的加深，縫間融合很好，沒有出現大量土壤塌陷或者漏土的現象，較深層次土壤在沒有人為干擾的情況下，接縫處的土壤還處于疏松狀態。這在另一方面也說明了此次長期定位試驗原狀土搬遷把對土壤的影響降到了最小，凍土搬遷是一種可行的辦法，至于土塊與土塊之間的融合過程，還有待于進一步調查。

致謝：特別感謝黑龍江省農科院劉峰研究員對本文章的修改。

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Assessment on Soil Fusion Effects of Segmented and Removed Frozen Black Soil Under Long-term Located Experiment

KUANG Enjun1, CHI Fengqin1*, ZHANG Jiuming1, SU Qingrui1, ZHOU Baoku1, GAO Zhongchao1, ZHU Baoguo2

(1 Institute of Soil Fertilizer and Environment Resource, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Soil Environment and Plant Nutrition of Heilongjiang Province, Heilongjiang Fertilizer Engineering Research Center, Harbin 150086, China; 2 Jiamusi Branch, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Jiamusi, Heilongjiang 154007, China)

In order to evaluate the fusion effects after and before soil being removed from long-term located experiment, one removed soil column was chosen to study the differences of chemical and physical properties between soils in commissure and in different distances from the commissure of soil column. The results showed that the field water capacity of 0–20 cm layer at 50 cm far from the commissure in the soil column was 5% higher but bulk density was 4% lower than those in commissure, respectively, and the variation coefficients were also higher than those in other layers. There was no significant difference between soils in the commissure and in other places in 20–40 cm layer, however, soil solid rate and bulk density were higher while field water capacity was lower than other layers. In 80–100 cm layer, soil solid rate and bulk density in the commissure were 4.3% and 8.3% lower while the gas rate was 7.6% higher than those in other places. The porosity in 0–40 cm layer was lower than 40–100 cm layers, with maximal porosity in 80–100 cm layer and minimal porosity in 20–40 cm layer. Soil saturated hydraulic conductivity was 35.3–38.0 cm/d in 0–20 cm layer, and decreased with the increase of depth, lower than 20 cm/d in other layers, but soil saturated hydraulic conductivity in the commissure in 80–100 cm layer was 4 times higher than that of topsoil. The rapid available nutrients in the same layers had no significant differences in different places. Total nitrogen in the commissure were significantly higher than those in other places (<0.05). pH was increased but available nitrogen and soil organic carbon were reduced with the increase of depth. The segmented and removed soil in the commissure is still loose in the deep layers even after 5 years, and soil fusion effect is decreased with the increase of depth.

Black soil long-term located experiment; Soil segmentation and removal; Soil physical-chemical properties; Bulk density; Field capacity; Porosity

國家自然科學基金項目(41171244)和國家重點研發計劃項目(2016YFD0300806-2)資助。

(fqchi2013@163.com)

匡恩俊(1982—)，女，黑龍江海林人，碩士，助理研究員，主要研究方向為土壤肥力。E-mail: kuangenjun2002@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.020

S153.622

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