有機肥替代對魯西北輕度鹽堿地土壤性狀和小麥、玉米產量的影響

王逸筠趙文棟孫澤強劉盛林鄭東峰董曉霞趙海軍李進勝劉兆輝

(1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業部山東耕地保育科學觀測實驗站，山東 濟南 250100；2.萊蕪第一中學，山東 濟南 251499；3.山東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東 濟南 250100)

我國鹽堿地面積占可耕地面積的20%以上[1]，鹽堿地作為我國重要的后備耕地戰略資源，其開發利用對于保障我國糧食安全、促進農業發展以及生態環境改善具有重要意義[2，3]。為增加產量，農民往往過多施用化肥，但過量施用會導致農田生態系統中物質和能量循環不平衡[3]，降低土地質量，導致農產品的品質下降。因而科學合理利用有機肥與化肥平衡施用可提升鹽堿地地力，提高作物產量。

大量研究表明，鹽堿地施用有機肥可促進大粒徑土壤團聚體形成以改善土質，降低土壤pH值，使鹽堿、板結土壤恢復活力，促進土壤空氣流通，提高作物生產力[4，5]。祝英等[6]研究表明，河西綠洲灌溉區有機肥替代30%化肥顯著提高玉米的株高、地上部生物量、產量和土壤養分的容量及供應強度，土壤氮磷鉀和有機質含量顯著提高。尹志榮等[7]研究表明，寧夏鹽堿地減施1/2化肥＋增施1倍羊糞＋增施1倍生物有機肥施肥模式顯著提高0～20 cm土壤養分含量，降低土壤pH值和全鹽含量；極顯著降低土壤堿化度，有效改善土壤生物活性，細菌數量增加40.3倍、放線菌數量增加1.5倍；產量達7 000.5 kg/hm2，增產22.81%。本試驗在魯西北輕度鹽堿地上設置低、中、高3個有機肥用量與減施20%習慣施肥配比，研究有機肥替代部分化肥對鹽堿土壤團粒結構、鹽分含量、微生物性狀和冬小麥-夏玉米養分吸收及產量的影響，以期為魯西北平原及相似區域輕度鹽堿地開發利用提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在山東省沾化縣曹坨村進行。該區屬于暖溫帶季風氣候區，大陸性氣象特征明顯，四季分明，年均氣溫12℃，年均降水量575.5 mm。試驗區耕層土壤有機質偏低，水解性氮和有效磷較豐富，速效鉀中量，土壤偏堿性，屬于輕度鹽漬化土壤。土壤基本理化性質見表1。試驗期間降水量為382.0 mm，冬小麥季降水量75 mm，夏玉米季降水量307.0 mm，在7月底和8月初，有兩次超過100 mm的降水，形成了田間澇害。

表1 供試土壤的基本理化性質

1.2 供試材料

供試小麥品種為濟麥22，玉米品種為鄭單958。供試肥料:史丹利“三安”復混肥(N-P2O5-K2O＝20-26-8)、尿素(N 46%)，普通有機肥購買當地干燥羊糞(有機質65.5%、全氮1.65%、全磷0.47%、全鉀0.23%)。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設置4個處理:(1)習慣施肥(CK)，復混肥600 kg/hm2；(2)低量有機肥處理(LOF)，有機肥1 500 kg/hm2＋復混肥480 kg/hm2；(3)中量有機肥處理(MOF)，有機肥5 250 kg/hm2＋復混肥480 kg/hm2；(4)高量有機肥處理(HOF)，有機肥9 000 kg/hm2＋復混肥480 kg/hm2。

冬小麥種植前有機肥和復混肥均作基肥撒施旋耕后播種，所有處理在冬小麥返青期追施尿素120 kg/hm2；玉米種植前所有處理基施復混肥600 kg/hm2，種肥同播，其他田間管理措施相同。10月7日播種冬小麥，播量225 kg/hm2；小麥收獲后播種夏玉米，種植密度為6.75萬株/hm2。隨機區組排列，重復3次。小區面積5 m×8 m＝40 m2。

1.4 測定項目及方法

玉米收獲后即進行樣品采集。

1.4.1 土壤EC值 取樣深度為0～100 cm土層，每20 cm為一個取樣土層，取兩鉆混合樣。土樣風干后，用1∶5土水比浸提，采用DDS-11A數顯電導率儀測定土壤EC值[8]。

1.4.2 土壤團聚體 取樣深度為0～20 cm土層。土壤團聚體組成采用TTF-100型土壤團聚體/團粒分析儀測定。土壤水穩定性團聚體含量采用濕篩法測定[9]。每處理取土樣100 g，在團聚體分析儀上進行濕篩分析。套篩孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm。將土樣倒入套篩后，浸潤10min，開啟團聚體分析儀，篩動頻率為20次/min(上下篩動時套篩不能露出水面)，定時2 min。篩好后，將套篩拆開，留在篩子上的各級團聚體用細水流通過漏斗分別洗入鋁盒，待澄清后棄去上清液，烘箱55℃烘干，在空氣中平衡2 h后稱重[10]。每處理重復3次。參照文獻[11-13]計算土壤團聚體數量及其特征值。

不同粒級水穩性團聚體的數量:

式中，wi為i級水穩定性團聚體的質量分數(%)，Wwi為該級水穩定性團聚體的烘干質量(g)，100為稱取的土壤質量(g)。

水穩性大團聚體數量:

式中，R0.25為水穩性大團聚體(＞0.25 mm)數量(%)，Mr＞0.25為大于0.25 mm團聚體質量(g)，MT為團聚體的總質量(g)。

團聚體平均質量直徑(MWD，mm):

幾何平均直徑(GMD，mm):

式中，Wi為各粒級團聚體的土壤質量(g)。

分形維數(D):

對公式(5)兩邊取對數，可得:

1.4.3 土壤微生物數量 取樣深度為0～20 cm土層。土壤細菌、放線菌及真菌數量采用平板菌落計數法測定，土壤細菌選用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌選用改良高氏一號培養基，真菌選用馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基。

1.4.4 植株氮磷鉀含量 分別于冬小麥和夏玉米收獲期每小區隨機選取5株，新鮮樣品洗凈殺青，即105℃鼓風烘干30 min，然后降至60℃，烘干后備用。采用凱氏定氮法測定氮含量、礬鉬黃比色法測定磷含量、火焰光度法測定鉀含量[14]。

1.4.5 小麥、玉米產量 每小區取3個1 m2樣方收獲計產，測定小區產量，折算公頃產量。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2007進行數據整理及作圖，利用DPS 7.05軟件中Duncan’s新復極差法進行差異顯著性檢驗(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 有機肥替代部分化肥對輕度鹽堿地土壤性狀的影響

2.1.1 對土壤水穩性團聚體的影響 由圖1可知，施用不同用量有機肥后＞1 mm各級土壤團聚體比例均增加。與CK相比，＞5 mm團聚體比例低、中、高3個有機肥用量處理分別增加63.03%、60.88%和2.00%，2～5 mm團聚體比例分別增加82.13%、11.38%和87.19%，1～2 mm土壤團聚體分別增加44.05%、93.77%和45.43%。除MOF施肥模式處理0.25～0.5 mm粒徑外，土壤粒徑＜1mm各級土壤團聚體比例均下降，其中，0.5～1 mm和0.053～0.25 mm粒徑土壤團聚體比例降幅較大，較CK分別下降63.06%、56.11%、49.97%和58.44%、75.78%、58.29%，0.25～0.5 mm和＜0.053 mm粒徑土壤團聚體比例下降較小。

圖1 增施有機肥對土壤水穩性團聚體組成的影響

由表2看出，施用不同用量有機肥均顯著增加土壤水穩性大團聚體(R0.25)的比例，與CK相比，LOF、MOF、HOF處理分別增加16.51%、20.66%和9.61%。因此，有機肥替代處理可增加土壤大團聚體含量，且隨有機肥用量的增加呈先增加后降低趨勢。施用有機肥可增加土壤團聚體MWD和GMD值，LOF、MOF、HOF處理較CK分別增加64.62%、45.64%、23.59%和104.76%、104.76%、44.44%；施用有機肥降低土壤顆粒分形維數(D)值，LOF、MOF、HOF處理分別較CK減少3.32%、2.21%和1.48%，但差異均未達顯著水平。

表2 水穩性團聚體特征值

2.1.2 對土壤EC值的影響 由圖2可知，施用有機肥明顯降低0～40 cm土層的鹽分含量，且隨著有機肥用量的增加降幅增大。與CK相比，LOF、MOF和HOF處理的EC值分別下降12.86%、26.05%和35.05%。

圖2 增施有機肥對土壤EC值的影響

2.1.3 對土壤微生物數量的影響 由表3看出，隨著有機肥用量增加土壤細菌和真菌數量均呈增加趨勢，而放線菌數量只在LOF處理下較CK顯著增加，MOF和HOF處理較CK無明顯變化。與CK相比，MOF和HOF處理下土壤細菌數量顯著增加6.2%和7.1%，土壤真菌數量顯著增加1.09倍和1.60倍。

表3 增施有機肥對土壤微生物數量的影響 (cfu/g)

2.2 有機肥替代部分化肥對輕度鹽堿地小麥、玉米養分吸收和產量的影響

由表4可知，隨有機肥用量增加冬小麥和夏玉米對氮素的吸收均呈先升高后降低趨勢。其中中高量有機肥處理的氮素吸收量顯著高于CK，分別增加37.5%、18.5%(小麥)和29.4%、22.3%(玉米)。對磷素的吸收則隨著有機肥用量的增加而增加，與CK相比，MOF和HOF處理分別顯著增加23.0%、23.2%(小麥)和5.3%、13.4%(玉米)。冬小麥的鉀素吸收量在LOF處理下較CK降低，MOF和HOF處理有所增加，其中HOF處理顯著增加16.1%；夏玉米的鉀素吸收量隨著有機肥用量的增加先升高后降低，低中高用量處理分別增加18.7%、35.3%和30.8%。

由表4看出，低量有機肥處理冬小麥較CK減產10.53%，中高量處理分別較CK增產8.87%和17.08%。有機肥不同用量處理均可顯著增加夏玉米產量，與CK相比，LOF、MOF、HOF處理分別增產28.9%、39.7%和39.4%。

表4 有機肥替代部分化肥對小麥、玉米養分吸收和產量的影響

綜上可見，中高量有機肥替代部分化肥能較大幅度提高冬小麥、夏玉米產量，在減施20%化肥的條件下，輕度鹽堿地最佳有機肥用量為9 000 kg/hm2。

3 討論

鹽漬化土壤由于其含鹽量高、土壤結構差、有機質含量低、微生物群落結構和活性低等特性，嚴重制約著農業生產水平的提高[15，16]。降低鹽度以及改善土壤結構是改良鹽堿土的基本目標[17]。本試驗中不同用量有機肥均提高了＞1 mm各級土壤團聚體比例，出現土壤團聚體分布向中間粒級過渡的特征。這與王超等[18]的研究結果一致，表明有機肥替代部分化肥可以增加土壤大團聚體含量。

土壤中穩定性大團聚體(R0.25)的數量(r＞0.25 mm)是土壤結構的關鍵指標[19]，與土壤肥力密切相關，一般認為土壤大團聚體數量越多，土壤結構越好、土壤肥力越高。MWD、GMD和土壤顆粒分形維數(D)是反映土壤團聚體大小分布狀況及團粒結構的常用指標。MWD和GMD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩定性越強[20]，而團粒結構越好、結構越穩定則分形維數(D)值越小[21]。本試驗中，LOF和MOF處理均顯著增加了土壤水穩定性大團聚體含量、MWD和GMD值，表明增施有機肥有利于土壤結構的穩定和維持。而HOF處理下R0.25、MWD和GWD相較于LOF和MOF處理有所下降，但仍高于CK。這可能與不同處理下大團聚體含量有關[22]；同時，高量有機肥替代部分化肥也可能導致C/N比發生變化，增加了有機肥腐解速率和碳源供給，進而提高微生物對土壤的分解利用，這也與HOF處理下較高的細菌和真菌數量相對應。這與龍攀等[23]的研究結果一致。與習慣施肥相比，不同用量有機肥處理對分形維數降低的效果不明顯，其可能在于有機肥的施入只對鹽堿土壤的部分性狀具有明顯改良效果。何瑞成等[24]的研究亦表明在鹽堿地施用羊糞處理對土壤分形維數降低的效果不顯著。

本試驗中，與習慣施肥相比，有機肥替代部分化肥能夠降低耕層土壤鹽分含量，這與其土壤團聚體結構改良有關，減少了表層土壤水分蒸發，降低了下層鹽分向表層移動速率，從而抑制土壤返鹽[25-29]。

土壤微生物在有機質分解、腐殖質形成以及土壤團粒結構改良方面發揮重要作用，是評價土壤肥力的重要指標。陶磊等[30]研究表明，習慣施肥減量20%～40%配施以3 000、6 000 kg/hm2有機肥不僅不會導致棉花減產，而且對提高土壤酶活性、調節土壤細菌、真菌、放線菌群落組成結構，改善北疆綠洲滴灌棉田土壤生物學性狀有顯著作用。李秀英等[31]研究表明有機無機肥配施會提高土壤中細菌和真菌數量。本試驗結果也表明:隨著有機肥用量的增大，土壤細菌和真菌數量有所增加，而放線菌數量只在LOF處理下顯著增加，MOF和HOF處理下變化不明顯，表明有機肥替代化肥可增加土壤微生物數量，提高土壤肥力水平。

本研究表明，與習慣施肥相比，中高量有機肥替代部分化肥可增加小麥、玉米對氮、磷、鉀的吸收，提高小麥、玉米產量，且以高量處理增產效果最好。表明施用有機肥能夠改良土壤團聚體結構，促進作物根系發育，增加根系對養分的吸收以實現增產[32]。另一方面，施用有機肥后土壤中含有豐富的有機質和各種養分，它不僅是作物養分的直接供給源，又可以活化土壤中潛在養分和增強生物學活性，增加作物產量[33]。

4 結論

4.1 施用有機肥對輕度鹽漬化土壤團粒結構和鹽分含量產生明顯影響。土壤團聚體由＜0.25mm向＞1 mm團聚體增加的趨勢，而水穩性團聚體較CK均有所提高；增施有機肥顯著降低0～40 cm土層鹽分含量。

4.2 中高量有機肥替代部分化肥顯著提高土壤細菌和真菌數量，其中以高量有機肥處理增加最多，而對放線菌數量影響不明顯。

4.3 與習慣施肥相比，中高量有機肥替代部分化肥均可明顯促進小麥、玉米對氮、磷、鉀的吸收；中高量有機肥替代部分化肥明顯提高冬小麥、夏玉米產量，增產8.87%～39.70%，在減施20%化肥條件下，輕度鹽堿地適宜有機肥用量為9 000 kg/hm2。