長期不同施肥對黃壤主要物理性狀的影響

張 艷，劉彥伶，李 渝，黃興成，張雅蓉，楊勝玲，2，張文安，蔣太明

（1.貴州大學農學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農業科學院土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；3.農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴州 貴陽 550006；4.貴州省農業科學院茶葉研究所，貴州 貴陽 550006）

黃壤占貴州土壤面積的46.40%［1］，其黏、酸、瘦等障礙因子制約了農業生產［2］，加之近年來不合理施用化肥導致土壤物理性狀變差，不利于土壤質量健康和農業可持續發展［3］。因此，改善黃壤區土壤質地、孔隙、持水、通透性等主要物理性狀對于耕地質量提升具有重要意義。有機肥主要成分為有機碳，并含多種養分，具有疏松多孔、養分豐富、肥效持久等特點［4］。施用有機肥可改善土壤質量［5］，是改善土壤物理性狀的關鍵措施之一。王道中等［5］研究表明，施用有機肥可以降低土壤容重，提高土壤持水性。趙婷婷等［6］研究表明，施用有機肥可提高土壤養分。GUO等［7］研究發現，施用有機肥可以改善土壤孔隙。關于施用有機肥對土壤物理性狀的影響已開展較多研究，但在黃壤區施用牛糞有機肥對不同層次土壤物理性狀的影響缺乏系統研究［8］。基于此，筆者以黃壤肥力與肥效長期定位試驗為依托，探明長期施肥對不同層次土壤物理性狀的影響，為黃壤區合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗點位于貴州省貴陽市花溪區貴州省農業科學院內，土壤類型為黃壤土類黃泥土，成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖風化物。黃壤長期定位試驗始于1995年，試驗前耕層（0～20 cm）土壤性質為：w（有機質）43.6 g/kg，w（全氮）2.05 g/kg，w（全磷）0.99 g/kg，w（全鉀）10.7 g/kg，w（堿解氮）167.0 mg/kg，w（有效磷）17.0 mg/kg，w（速效鉀）109.0 mg/kg，pH 6.70。

1.2 試驗設計

試驗采用大區對比試驗設計，小區面積340 m2（35.7 m×5.6 m），設置有10個施肥模式，本研究選取其中5個：CK（不施肥）、NPK（常規化肥）、1/4M+3/4NP（25%有機肥替代化肥）、1/2M+1/2NP（50%有機肥替代化肥）、M（施有機肥）。供試化肥為尿素（w（N）46.0%）、過磷酸鈣（w（P2O5）12.0%）和氯化鉀（w（K2O）60%）；有機肥為牛廄肥，鮮基養分多年測試平均w（N）2.7 g/kg、w（P2O5）1.3 g/kg、w（K2O）6.0 g/kg。不同處理施肥量見表1，氮肥按幼苗肥40%、大喇叭口肥60%分2次追施，磷鉀肥和有機肥作基肥一次性施用。種植制度為玉米-冬閑，冬季翻耕炕田。試驗過程中不使用除草劑、殺蟲劑等化學農藥，所有處理除施肥差異外，其他農事活動均一致。

表1 不同施肥模式施肥量 kg/hm2

1.3 樣品采集與分析方法

由于長期定位試驗小區面積較大并未設置重復，本研究將試驗地延長邊三等分，設置3個調查取樣重復小區，于2019年9月玉米收獲后采用“S”形五點取樣法采集0～20 cm、＞20～40 cm深度的土壤樣品，將采集的土樣去除根系帶回室內風干，測定土壤機械組成，采用標準體積為100 cm3環刀取土（0～5 cm、＞5～10 cm、＞10～20 cm、＞20～30 cm），用環刀法測定土壤容重，并用環刀法［9］測定土壤最大持水量和田間持水量。

最大持水量測定：將裝有濕土的環刀，揭去上、下底蓋，僅留一墊有濾紙的帶網眼的底蓋，放入平底盤，注入水并保持盤中水層的高度至上沿，吸水24 h，此時土壤中所有毛管孔隙及非毛管孔隙都充滿了水分，蓋上上、下底蓋，水平取出，立即稱量，計算出土壤最大持水量。

田間持水量測定：將上述稱量后的環刀，揭去上、下底蓋，繼續放入鋪有干砂的平底盤中，保持24 h，此時環刀中土壤的水為毛管懸著水，蓋上上、下底蓋，水平取出，立即稱量，計算出土壤田間持水量，在105℃下烘干至恒質量測定土壤水含量，其中土壤相對密度取值為2.65。

激光粒度儀法（型號：丹東百特BT9300st）測定土壤機械組成，參照國際制分類方法，按照粒徑將土壤顆粒分成3類：砂粒（0.020～2.000 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）和黏粒（＜0.002 mm）。以上均按照土壤物理性質測定法測定［10］。計算方法均參照文獻［11-12］，計算公式為：

土壤三相比=土壤固體體積∶土壤液體體積∶土壤氣體體積=（100%-土壤總孔隙度）∶（土壤水含量×容重）∶（土壤總孔隙度-土壤水含量×容重）。

式中，STPSD代表土壤三相結構距離，土壤三相結構越接近理想狀態，STPSD越接近0；GSSI代表廣義土壤結構指數，土壤結構越接近理想狀態，GSSI越接近100。φs為固相體積分數（＞25%），φl為液相體積分數（＞0），φg為氣相體積分數（＞0）。

1.4 數據分析

數據的統計與分析采用Excel 2019、IBM SPSS Statistics 20軟件進行，處理間差異性采用鄧肯新復極差法（Duncan）檢驗。

2 結果與分析

2.1 長期不同處理對土壤機械組成和分形維數的影響

長期不同施肥處理對土壤機械組成與分形維數的影響主要集中在0～20 cm土層土壤中（見表2），對深層土壤影響較小。在0～20 cm土層中，與CK處理相比，施用有機肥的各處理黏粒體積分數顯著降低了10.13%～23.60%，砂粒體積分數顯著增加了8.42%～30.57%。與單施化肥處理相比，施用有機肥的各處理黏粒體積分數顯著減少了11.76%～14.99%，砂粒體積分數顯著增加了11.40%～34.17%。

表2 不同施肥處理土壤機械組成與分形維數特征

在＞20～40 cm土層中，與CK處理相比，施用有機肥的各處理黏粒體積分數顯著增加7.84%～27.95%，砂粒體積分數顯著降低4.64%～22.95%。與NPK處理相比，施用有機肥各處理黏粒體積分數增加15.45%～36.98%，砂粒體積分數減少13.28%～29.93%。不同處理間分形維數無顯著差異，但隨土壤深度的增加，分形維數有增加的趨勢，增幅不明顯。

2.2 長期不同施肥處理對土壤水含量的影響

不同施肥處理對土壤水含量的影響見圖1。由圖1可知，長期不同施肥處理均不同程度影響土壤水含量。與CK處理相比，NPK處理0～30 cm土壤平均水含量顯著降低了7.00%，M處理0～30 cm土壤平均水含量顯著增加了6.92%。不同施肥處理中，0～5 cm土壤水含量均最小，在＞5～10 cm土層中，與NPK處理相比，施用有機肥的各處理土壤含水量提高了10.65%～24.09%，以M處理增幅最大。

圖1 不同施肥處理土壤水含量

2.3 長期不同處理對土壤容重和孔隙度的影響

5種不同施肥處理整體表現出隨著土層深度增加，土壤容重增加、孔隙度降低的趨勢（見圖2、表3）。在＞5～10 cm土層，與CK相比，施用有機肥的各處理土壤容重顯著減少了1.88%～5.87%，以M處理降幅最大。與NPK處理相比，施用有機肥的各處理土壤容重顯著減少了5.25%～12.72%。在＞10～20 cm土層，與CK處理相比，1/2M+1/2NP、M處理土壤容重降低了5.25%～15.40%。與NPK處理相比，M處理土壤容重顯著減少了10.63%。

圖2 不同處理土壤容重

表3 不同施肥處理對土壤孔隙的影響

在＞5～10 cm土層，與CK處理相比，施用有機肥的各處理土壤總孔隙度增幅較大且差異明顯。與NPK處理相比，M處理土壤總孔隙度顯著增加了7.64%。在＞10～20 cm土層，與CK處理相比，NPK、1/2M+1/2NP、M處理土壤總孔隙度分別增加了6.52%、4.12%、12.04%，1/4M+3/4NP處理土壤總孔隙度減少了5.43%。在0～5 cm、＞20～30 cm土層中，各處理土壤總孔隙度間無明顯差異，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度也呈現相同的趨勢。在＞5～10 cm土層，不同處理對土壤毛管孔隙度的影響規律與土壤總孔隙度基本一致，施用有機肥的各處理土壤毛管孔隙度顯著高于CK，以M處理增幅最大。在＞10～20 cm土層，M處理土壤毛管孔隙度顯著高于CK和NPK處理。在＞5～10 cm、＞10～20 cm土層各處理土壤非毛管孔隙度無明顯差異。

2.4 長期不同處理對土壤持水性的影響

不同施肥處理對不同土層土壤持水性有一定的影響（見圖3）。在＞5～10 cm土層，與NPK處理相比，施用有機肥的各處理土壤最大持水量增加了5.82%～24.20%；在＞10～20 cm土層，與NPK處理相比，M處理土壤最大持水量顯著增加了19.71%。在＞5～10 cm土層，不同處理對土壤毛管持水量的影響規律與土壤最大持水量基本一致；在＞10～20 cm土層，與NPK處理相比，M處理土壤毛管持水量增加了7.92%。在＞5～10 cm土層，不同處理對土壤田間持水量的影響規律與土壤最大持水量、毛管持水量呈同樣趨勢；在＞10～20 cm土層，與NPK處理相比，M處理土壤田間持水量增加了7.92%。長期施肥對0～5 cm和＞20～30 cm土層土壤持水性影響不明顯。

圖3 不同施肥處理對土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤田間持水量的影響

2.5 長期不同處理對土壤三相比的影響

不同施肥處理對不同土層土壤三相比有一定的影響（見表4）。在＞5～10 cm土層，與CK處理相比，各施肥處理土壤固相率降低了7.60%～19.26%，以M處理降幅最大且差異顯著。與NPK處理相比，M處理土壤固相率顯著降低了8.90%，液相率顯著增加了5.11%，氣相率顯著增加了15.05%。與CK和NPK處理相比，施用有機肥的各處理STPSD（土壤三相結構距離）顯著降低，各處理GSSI（土壤結構指數）無顯著差異。在＞10～20 cm土層，與CK處理相比，M處理土壤固相率顯著降低了10.19%，氣相率顯著增加了145.99%；土壤液相率各處理間無顯著性差異。與NPK處理相比，M處理土壤固相率顯著降低了4.95%，氣相率顯著增加了56.41%，施用有機肥的處理GSSI顯著提高、STPSD顯著降低。長期施肥對0～5 cm和＞20～30 cm土層土壤三相比的影響不明顯。

表4 不同施肥處理對土壤三相比的影響

3 討論

土壤機械組成是土壤的關鍵物理特性之一，對土壤保水、保肥等具有明顯的影響，分形維數可反映土壤質地、物理性狀及土壤肥力等特征，與土壤結構穩定性息息相關，分形維數越小說明土壤結構越穩定［11-12］。本研究表明，長期施肥主要影響耕層，對深層土壤影響不明顯。在耕層土壤中，施用有機肥的各處理土壤分形維數均比不施肥和單施化肥處理小，表明施用有機肥有利于土壤結構趨于穩定。這與孫梅等［13］、王少博等［14］研究結果一致。其原因可能是施用有機肥可以顯著提高黃壤有機碳含量，而有機碳的增多有利于土壤細顆粒的存留，另外，施用有機肥改善了黃壤肥力，使土壤能截留風蝕所帶來的細顆粒［15］。

肥料的合理施用能促進作物根系深扎，增強作物對深層水分的利用［16］。施用有機肥可以提高土壤水含量。本試驗結果表明，與不施肥和單施化肥處理相比施用有機肥的各處理土壤水含量均不同程度地提高。這與前人研究結果一致［17］。主要是由于有機肥的施用能夠改善土壤孔隙狀況，提高土壤保水性［18］。施肥可以影響土壤容重和孔隙性，對評價土壤質量具有重要意義。本研究結果表明，5種不同施肥整體表現出隨著土層深度的增加，土壤容重增加、孔隙度降低的趨勢。在0～20 cm土層中，與不施肥和單施化肥處理相比，施用有機肥的各處理土壤容重降低了5.47%～15.40%，土壤總孔隙度增加了4.12%～20.97%。這與前人研究結果一致［19］。這可能是有機肥能改善根系環境，促進土壤疏松多孔，且有機肥施用后產生稀釋作用，土壤容重降低，孔隙性得到了改善［20］。

土壤粒徑組成決定土壤孔隙結構，而孔隙結構影響土壤水分運動，從而影響土壤三相比［20］。本研究表明，在0～20 cm土層中，與不施肥和單施化肥處理相比，施用有機肥的各處理土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量分別增加了5.82%～39.94%、5.58%～18.25%、1.80%～27.73%。長期施用有機肥可顯著提高土壤持水性能，增加土壤氣相率，改善土壤通氣性。而在深層土壤中，5種處理無顯著差異。這與前人研究結果一致［11，21］。其原因可能是牛糞有機肥施入后影響土壤孔隙結構，進而改善了土壤持水性和三相比。

4 結論

長期施肥對黃壤理化性狀的影響主要在耕層，對深層土壤影響不明顯。長期施用有機肥明顯改善了土壤機械組成，促進土壤結構穩定，降低土壤容重，改善了土壤持水性和土壤通氣性。因此，在貴州黃壤區農業生產中應重視有機肥的合理施用。