不同施肥處理對黑土土壤肥力和作物產量的影響

孫 勇，曲京博，初曉冬，劉金明，2，王延鵬，許 相

(1.東北農業(yè)大學工程學院，黑龍江哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農墾大學信息技術學院，黑龍江大慶 163319)

世界僅存的三大黑土之一的東北黑土是我國最肥沃的土壤之一[1]，是東北地區(qū)極其重要的農業(yè)土壤，黑土中耕地土壤面積約占總面積的65.6%[2]，種植作物主要為玉米、大豆和小麥[3]。黑土質地較黏重，結構疏松，容重較小，松緊度較為適宜。耕層中容重在1.0 g/cm3左右，pH值為5.5～7.5，腐殖質含量較高，一般為30～60 g/kg[4]。東北黑土區(qū)在長時間的開墾后，由于施肥不當、耕后管理不佳等原因，造成黑土區(qū)土壤肥力顯著下降、水土流失加劇、黑土耕層變薄，土壤養(yǎng)分庫容偏低、土壤酸化現象日益嚴重[5]。合理施肥可以培肥土壤，補償地力不足。然而，大量甚至過量施用化肥會使土壤顆粒分散，土壤的水穩(wěn)性團粒結構被破壞[6]，造成土壤酸化、板結，同時嚴重影響農作物的產量及質量。

肥力是土壤所獨有的性質，只用不養(yǎng)或不合理地施肥必然會導致土壤肥力降低。土壤肥力指標包括物理指標和化學指標，如土壤質地、厚度、容重、孔隙度、有機質含量、土壤pH值、陽離子交換量(CEC)、氮(N)磷(P)鉀(K)含量等。科學合理地施肥不僅有利于土壤肥力的恢復與提高，而且有助于當季作物高產。根據肥料的來源、性質及其作用機制可分為4類：有機肥、化肥、微生物肥[7-8]、葉面肥[7，9]。

目前，針對過量施用化肥導致黑土土壤肥力不斷下降的問題已有報道[10-13]，但研究多種施肥處理(有機肥、化肥、微生物肥、葉面肥)對黑土的影響很少，而且尚沒有形成確定的黑土培肥模式。為此，本試驗選擇黑龍江省具有代表性的東北農業(yè)大學向陽試驗基地，通過在黑土區(qū)施用不同肥料，種植玉米和大豆2種作物，來研究不同施肥處理對黑土土壤肥力及作物產量的影響，評價不同施肥處理的培肥效果，旨在找到緩解東北黑土退化并提升土壤肥力的施肥模式，為東北黑土培肥并提高作物生產的競爭力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗地位于東北農業(yè)大學向陽試驗示范基地(地理位置45°46′20″N，126°55′34″E)，土壤類型為黑土。試驗地所在區(qū)域屬中溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量569.1 mm，年有效積溫 2 700～3 000 ℃。供試土壤0～20 cm土層基本理化性質：容重1.305 g/cm3；有機質含量21.30 g/kg；全氮含量1.627 g/kg；速效磷含量25.30 mg/kg；速效鉀含量 261.80 mg/kg；pH值6.40。供試作物為玉米和大豆，玉米品種為強盛31，大豆品種為東農61。

1.2 試驗設計

采取大田試驗，試驗田面積0.15 hm2，共設置6個處理，以等氮為原則，各處理施氮總量為150 kg/hm2，各處理設3次重復，共18個小區(qū)，每小區(qū)面積40 m2。各處理分別為對照(CK)，不施肥；T1，有機肥Ⅰ(含氮1.29%，磷0.32%，鉀 0.74%)，采用牛糞發(fā)酵高溫堆肥制成；T2，有機肥Ⅱ(含氮 1.36%，磷0.31%，鉀0.73%)，雞糞羊糞混合發(fā)酵堆肥制成；T3，微生物菌肥(含氮18.87%)，有效菌數≥2 000萬CFU/g；T4，葉面肥，由植物配方精萃而成，富含有益菌，需稀釋200倍；T5，化肥，施入N 150 kg/hm2，P2O570 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2；尿素(46%N)266.54 kg/hm2，磷酸氫二銨(18%N，56%P2O5)152.17 kg/hm2，氯化鉀(60%K2O)187.50 kg/hm2。各處理操作根據肥料使用說明并參考玉米、大豆施肥技術(表1)[14]。

表1 各肥料處理實際施用量

試驗于2016年4月25日施肥，各肥料均作為底肥，人工一次性均勻撒入田中，5月10日播種。2種作物均采用機播，玉米每穴1粒種子，播種深度為6 cm，株距為28 cm，行距為73 cm；大豆每穴2粒種子，播種深度為6 cm，株距為12 cm，行距為73 cm。后期不進行追肥，不噴灑農藥，人工鋤草進行2遍中耕。

1.3 測定項目及方法

分別于玉米拔節(jié)期、大口期、開花期、成熟期及大豆苗期、開花期、鼓粒期、成熟期進行取樣。作物成熟后，進行測產及室內考種。

1.3.1 土壤理化性質的測定 每個試驗小區(qū)內按五點取樣法采集0～20 cm深的土樣，將土樣充分混勻，按四分對角取舍的方法保留土壤樣品[15]。從田間采集的土壤樣品及時風干以免因生物作用導致樣品變質，用圓木碾碾研并過20目篩保存待測。土壤理化性質的測定參考《土壤農化分析》[16]。其中，土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度計法測定；土壤pH值采用電位計法測定。

1.3.2 產量的測定 每小區(qū)取5 m2，收獲成熟玉米、大豆，待自然風干后，稱質量，換算為單位面積產量。

1.4 數據分析方法

本試驗所有數據均采用Excel 2010和Origin 8.5進行整理分析、繪圖制作。同時，利用SPSS 22.0軟件進行方差分析和相關性分析，并進行顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤理化性質的影響

2.1.1 土壤容重 從圖1不同施肥處理對土壤容重的影響可以看出，各施肥處理與CK相比，土壤容重發(fā)生了顯著變化。基本規(guī)律如下：(1)玉米各處理中，T1處理對土壤容重的影響最明顯，較施肥前降低了2.84%；T3和T5處理對土壤容重影響不明顯。(2)大豆各處理中CK與各施肥處理間存在顯著性差異，T1和T2處理土壤容重降低得最多，與施肥前相比分別降低了2.84%、2.51%。總的看來，有機肥能較好地改善土壤結構，降低土壤容重。

2.1.2 土壤pH值 圖2為不同施肥處理對土壤pH值的影響，可見不同施肥處理下土壤對pH值變化的緩沖能力不同。具體表現在：(1)玉米生長過程中，各處理土壤pH值大致變化趨勢為苗期至大口期逐漸下降，大口期至成熟期逐漸上升；T1處理土壤pH值顯著高于其他處理，與施肥前相比，土壤pH值增加了0.14；而T5處理與施肥前相比，土壤pH值降低了 0.15。(2)大豆生長過程中，各處理土壤pH值均在開花期或鼓粒期達到最低值，之后緩慢上升；與施肥前相比，T1處理土壤pH值升高0.06，各處理土壤pH值均高于CK處理。

2.1.3 土壤有機質 從圖3不同施肥處理對土壤有機質含量的影響可以看出，與其他肥料相比，施用有機肥能夠顯著提高土壤有機質含量。結果顯示：(1)在玉米生長過程中，各處理在施肥后土壤有機質含量先迅速增加，達到峰值后到成熟期整體呈下降趨勢。在成熟期，T1處理的土壤有機質含量為21.54 g/kg；各處理均與CK有明顯差異；與施肥前相比，T1、T2處理土壤有機質含量分別增加了0.79%、0.47%。(2)在大豆生長過程中，各處理在施肥后至苗期土壤有機質含量均有一定增長但增長速率不及玉米；與施肥前相比，T1、T2處理土壤有機質含量分別增加0.84%、0.70%。因此，有機肥與其他肥料相比能夠明顯提高土壤有機質含量。

2.1.4 土壤速效養(yǎng)分 土壤速效養(yǎng)分通常是指土壤中的離子態(tài)養(yǎng)分和交換態(tài)養(yǎng)分[17]，本試驗選擇土壤全氮、速效磷、速效鉀含量這3個指標進行測定。由表2可見，玉米成熟期時，T5和T3處理土壤全氮含量顯著高于其他處理，T5處理與施肥前相比增幅最多，為12.23%；各處理土壤速效磷含量為T5>T1>T3>T2>T4>CK，化肥處理與其他處理差異顯著。各處理土壤速效鉀含量依次為T5>T3>T2>T1>T4>CK，化肥處理與其他處理差異顯著，與施肥前土壤速效鉀含量相比，化肥處理增加了5.88%。大豆成熟期時，各處理土壤全氮含量均高于T5處理，T1處理全氮含量最高，為1.639 g/kg，除T5處理外，各處理均與CK差異顯著；各處理土壤速效磷含量排序與玉米土壤速效鉀含量一致，與施肥前土壤速效磷含量相比，T5和T3處理增幅分別為12.17%、3.83%，各處理均與CK差異顯著；各處理土壤速效鉀含量依次為T5>T3>T1>T2>T4>CK，T5和T3處理與施肥前土壤速效鉀含量相比，增幅分別為13.56%、10.05%，葉面肥對土壤速效磷含量的作用不明顯。

表2 不同施肥處理對土壤理化性質的影響

注：同列數據后標有不同小寫字母代表不同施肥處理在0.05水平上呈差異顯著。

2.2 不同施肥處理對產量的影響

2.2.1 產量 如圖4所示，各處理玉米產量依次為T5>T3>T1>T2>T4>CK，化肥處理產量最高，為8834.4 kg/hm2，T5與T1、T3之間的差異不顯著。與CK相比，T1、T2、T3、T4、T5處理的大豆產量分別提高 30.73%、3.15%、24.87%、29.72%、30.35%。T1、T3、T4、T5處理間差異不顯著。化肥在速效養(yǎng)分的供應能力上優(yōu)于其他處理，作物可從土壤中吸收利用大量營養(yǎng)元素滿足其生長需要，因此化肥處理的作物產量高于除T1外的其他處理。

2.2.2 相關性分析 對不同施肥處理土壤理化性質與產量進行相關性分析，由表3可以看出，玉米土壤容重與土壤pH值、有機質含量呈顯著負相關；土壤全氮含量與速效鉀含量呈極顯著正相關；玉米產量與土壤全氮、速效磷、速效鉀含量均呈極顯著正相關。由此可見，土壤理化性質極大地影響了玉米產量。大豆土壤容重與土壤pH值、有機質、全氮含量均呈顯著或極顯著負相關；土壤有機質含量與土壤全氮含量呈極顯著正相關；土壤速效磷含量與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關；大豆產量與土壤理化性質并無顯著相關關系。

2.3 土壤質量的主成分分析

2.3.1 特征根與方差貢獻率 對土壤7個肥力指標進行主成分分析，評價不同施肥制度下土壤的培肥能力，為東北黑土培肥和提高作物生產的競爭力提供理論依據。各主成分的特征值和方差貢獻率如表4所示。根據統(tǒng)計學原理，當各主成分的累計方差貢獻率大于85%時，即可用來反映系統(tǒng)的變異信息，同時各主成分影響力度大小可用特征值表示[18-20]。從表4可以看出，玉米和大豆的PC2累計貢獻率分別達 90.72%、87.11%，基本解釋了數據的全部變異。

2.3.2 因子負荷及主成分表達式 通常情況下，因子負荷與變量在相應主成分中的權重成正比[21]。由圖5可知，pH值、產量、全氮含量、有機質含量、速效磷含量和速效鉀含量這6個性質在PC1上有較高的因子負荷；速效磷含量、速效鉀含量、全氮含量、產量在PC2上有較高的因子負荷。因此，對于2種作物的土壤質量來說，絕大多數變量在上述2個主成分上有較高的因子負荷，因此PC1和PC2這2個主成分可以反映由上述土壤指標代表的土壤質量水平。

表3 不同施肥處理土壤理化性質與產量的相關性分析

注：“*”代表在0.05水平上顯著相關，“**”代表在0.01水平上顯著相關；BD為土壤容重；OM為土壤有機質含量；TN為土壤全氮含量；AP為速效磷含量；AK為速效鉀含量；YD為產量。下同。

表4 2種作物主成分分析的特征根與方差貢獻率

注：PC1表示主成分1，PC2表示主成分2。下同。

根據SPSS軟件分析所得的各變量在相應主成分上的因子負荷，分別獲得玉米土壤主成分函數表達式：

PC1=-0.384BD+0.280pH+0.315OM+0.231TN+0.471AP+0.412AK+0.480YD；PC2=0.364BD-0.496pH-0.470OM+0.482TN+0.206AP+0.284AK+0.211YD。

大豆土壤主成分函數表達式：

PC1=-0.499BD+0.501pH+0.484OM+0.495TN-0.077AP+0.092AK+0.079YD；PC2=-0.034BD+0.076pH-0.085OM-0.118TN+0.626AP+0.603AK+0.465YD。

2.4 不同施肥處理綜合得分

綜合主成分的函數模型[18-19]：

(1)

式中：F為綜合主成分值；b為貢獻率；m為主成分數量；Z為主分量；j=1,2,3,…,n。

根據公式(1)計算出綜合主成分分值進行排序，并對不同施肥處理土壤肥力水平進行綜合評分。如圖6所示，玉米土壤中有機肥Ⅰ處理綜合得分最高，為1.243，微生物肥、化肥、有機肥Ⅱ、葉面肥處理綜合得分依次遞減，得分分別為0.612、0.573、0.519、-0.553，不施肥處理綜合得分最低，為 -2.393；大豆土壤中，有機肥Ⅰ處理綜合得分同樣最高，為1.445，有機肥Ⅱ、微生物肥、葉面肥、化肥處理綜合得分依次遞減，得分分別為0.911、0.707、-0.168、-0.654，不施肥處理綜合得分最低，為-2.241。上述綜合評分說明，施用有機肥優(yōu)于其他施肥處理，微生物肥表現也較為優(yōu)秀。

3 討論

土壤容重可以判斷土壤的松緊程度，同時可以表征土壤對作物的適宜度，種植禾谷類作物最適宜的土壤容重為 1.1～1.3 g/cm3。溫延臣等在長期不同施肥定位的試驗中得出，施用有機肥與施用化肥相比可有效改善土壤容重[18]。這與本研究中有機肥處理相比于化肥處理土壤容重下降了 0.022 g/cm3(玉米)、0.034 g/cm3(大豆)的結果一致，這是因為相比于硬塊結構土壤，施用有機肥后與土壤結合形成碎散的團粒，在一定程度上改善了土壤耕性及蓄水、透水、通氣等性能。

土壤pH值對作物從土壤獲取養(yǎng)分的有效性存在顯著的影響[2]，不同施肥處理對土壤pH值緩沖能力的影響不同，本試驗中，成熟期玉米土壤pH值排序為有機肥>微生物肥、葉面肥>CK>化肥，由于化肥中的NH4+、H2PO4-等與土壤中H+及其他陽離子反應生成酸性鹽，引起土壤酸化。

相關研究表明，土壤有機質在保蓄土壤水分、增加土壤陽離子交換量、改善土壤結構、緩沖土壤pH值變化方面都起到極重要的作用[22-24]。本試驗發(fā)現，有機肥與其他肥料相比能夠顯著提高有機質含量，施用有機肥Ⅰ后土壤有機質含量增加了0.79%(玉米)、0.84%(大豆)；有機肥在土壤分解過程中形成高分子腐殖酸，對于提升土壤有機質含量及改良土壤結構起重要作用。在產量方面，玉米產量排序為T5>T3>T1>T2>T4>CK，大豆產量排序為T5>T1>T4>T3>T2>CK。化肥處理的產量高于除T1外的其他處理。

相關性分析得出，玉米產量與土壤速效養(yǎng)分含量均呈極顯著正相關，因此增施氮磷鉀養(yǎng)分可提升玉米產量；大豆產量與土壤速效養(yǎng)分含量無顯著相關關系。近年來，研究者在進行土壤肥力綜合評價時通常采用主成分分析和因子分析的方法，這類方法可以對土壤肥力分析中獲得的大量數據進行評價，將數據充分利用，在復雜的土壤肥力因子中提煉出綜合規(guī)律[25-26]。本試驗運用主成分分析法分析不同施肥處理的土壤肥力并進行主成分評價和綜合得分，結果表明，2種作物施用有機肥和微生物菌肥的綜合得分均明顯高于不施肥處理，所以施用有機肥和微生物菌肥可以均衡改善土壤肥力，有利于黑土的可持續(xù)利用。

就黑土區(qū)現狀來說，施用有機肥可緩解黑土退化并改良黑土土壤，提高土壤肥力。微生物菌肥和葉面肥在改良土壤某些單指標(土壤有機質含量、土壤全氮含量、土壤速效磷含量)方面可以選擇性施用；化肥降低了土壤pH值，造成土壤酸化，同時對土壤容重、土壤有機質含量也無顯著作用。在下一階段的研究中，應將有機肥與微生物菌肥配施，并確定既可提升黑土區(qū)土壤肥力又可提高作物產量的配施最優(yōu)比例。

4 結論

施用有機肥能夠明顯改良黑土土壤結構、提升土壤有機質含量、提高土壤對酸堿的緩沖性并改善土壤酸化，從而提升黑土土壤肥力，且牛糞發(fā)酵而成的有機肥總體表現比雞糞、羊糞發(fā)酵的有機肥好。

化肥雖可提高土壤速效養(yǎng)分含量和產量，但加劇了土壤酸化；微生物菌肥和葉面肥在提高土壤全氮含量、緩解土壤酸化、改良土壤容重等方面表現較好。

施用有機肥并配施微生物肥是緩解東北黑土退化并提升土壤肥力的施肥模式，研究結論為東北黑土培肥并提高作物生產的競爭力提供理論依據。