黃土區(qū)不同施肥措施對新造農田土壤的改良效果

武曉莉，姚晶晶，賀龍云，黨宏忠，張友焱，周澤福?

(1.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，100091，北京；2.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京)

黃土區(qū)不同施肥措施對新造農田土壤的改良效果

武曉莉1，姚晶晶2，賀龍云2，黨宏忠1，張友焱1，周澤福1?

(1.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，100091，北京；2.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京)

以晉西黃土區(qū)新造農田為研究對象，以大豆為種植作物，比較分析施用有機肥(M)、有機肥+無機肥(M+NPK)、生物菌肥(B)、生物菌肥+無機肥(B+NPK)、無機肥(NPK)和對照(CK)6種措施對新造農田土壤物理性質的影響以及大豆產量的變化。結果表明：各施肥措施均能在一定程度上改善晉西黃土區(qū)新造農田土壤物理性質并提高大豆產量。1)B+NPK措施在提高土壤最大持水量和田間持水量方面效果最顯著，其最大持水量達362.80 g/kg，比CK高15.23%，比其他4種施肥措施高1.85%～4.46%；其田間持水量達340.20 g/kg，比CK高15.54%，比其他4種施肥措施高1.45%～3.19%。2)M+NPK措施在降低土壤密度、提高土壤孔隙度、改善土壤機械組成、促進水穩(wěn)性團聚體形成、增加土壤有機質質量分數(shù)方面效果最顯著，其大豆產量為5種施肥措施之首，高達173.55 g/m2，比CK增產235.95%，比其他4種施肥措施增產18.20%～125.80%。認為M+NPK措施是晉西黃土區(qū)新造農田培肥與土壤物理性質改良的最佳選擇。

施肥措施； 土壤改良； 新造農田； 土壤物理性質； 大豆產量； 黃土區(qū)

黃土高原地區(qū)土地遼闊，光熱充足，在發(fā)展農業(yè)方面具有很大的開發(fā)利用潛力。近幾年，在該地區(qū)進行的大規(guī)模土地整理工程中，雖然有對表土的保護，但在表土剝離和覆土的過程中難免有大量疏松多孔、蓄水保墑能力低的生土[1]出現(xiàn)在耕作層，如何使新造農田得到較快地改良一直是困擾土地再利用的難題。土壤的質地、結構以及水分、空氣狀況等物理性狀是土壤質量的重要組成部分，不僅能夠直接或間接的影響植物和土壤動物的生存，還能調控土壤保持水土、提供水肥的能力[2]。良好的土壤物理性狀是提高土壤肥力，增加農作物產量的重要保障。已有大量研究表明，施肥能夠改善土壤的物理性狀[3-5]；但長期施用無機肥料會使土壤密度增加、田間持水量降低[6-7]、土壤退化等[8]，還會影響土壤中其他離子的含量[9]，且會對土壤質量和農產品質量帶來一定的污染和影響：因此人們更傾向于采用施加有機肥或有機無機肥配施的措施[10,5]來改良土壤。目前，針對土壤改良和培肥的研究多基于長期定位試驗[11-13]；但耕地種植是農民生產生活的主要經濟來源，大量生土裸露在新造農田表層使得土壤貧瘠、生產力低下，嚴重影響了當?shù)剞r民的收入和生活，而動輒幾十年的改良時間使大面積的新造農田不能投入使用，更加重了農民的經濟壓力。為弄清施肥措施在短期內對土壤改良是否有效，且何種肥料和施肥措施能快速改善當?shù)匦略燹r田土壤狀況，本試驗以黃土丘陵區(qū)新造農田生土為研究對象，開展不同有機肥料和無機肥料配施措施對新造農田生土改良效果的對比研究，分析不同施肥措施土壤物理性質的改良效果，旨在為當?shù)睾Y選優(yōu)良的生土改良措施提供參考。

1 研究區(qū)概況

選取山西省中陽縣下棗林鄉(xiāng)為研究區(qū)域(E111°03′10″～111°07′46″，N37°15′18″～37°21′56″)。該區(qū)域屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，海拔1 400～1 500 m，屬于溫帶大陸性季風半干旱氣候，四季分明，光照充足，年平均氣溫10.5 ℃，極端最高氣溫38.1 ℃，極端最低氣溫-21 ℃，夏秋季雨水較多，年平均降水量464.2 mm，年最大蒸發(fā)量2 171.7 mm，最小1 766.2 mm，蒸發(fā)量大于降水量，無霜期為150～200 d。農業(yè)以種植玉米(Zeamays)、紅薯(Ipomoeabatatas)、谷子(Setariaitalica)和大豆(Glycinemax(L.) Merr)為主，但土壤貧瘠，地表支離破碎。

2 研究方法

2.1 試驗材料

1)供試作物：大豆。

2)供試土壤：取自中陽縣下棗林鄉(xiāng)陽坡村大規(guī)模新造農田的表層土壤，由于造田過程中機械作業(yè)使得土壤結構被破壞，且土層翻動使大量生土出現(xiàn)在表層，其基本理化性質見表1。

表1 供試土壤和肥料基本理化性質

3)供試肥料：(1)無機肥：尿素(含N46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 50%)；(2)有機肥：雞糞，糞肥是最常用的一種有機肥料，含有豐富的氮、磷、鉀等植物生長必需的養(yǎng)分，能改良土壤，所用有機肥基本性質見表1；(3)生物菌肥，生物菌肥是一種新型肥料，富含各種有益微生物，并以微生物的生命活動使植物得到特定肥料效應。本研究所用菌肥由中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所提供。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗設計 試驗共設6個處理：1)單施有機肥(M)；2)有機肥和無機肥配施(M+NPK)；3)單施菌肥(B)；4)菌肥和無機肥配施(B+NPK)；5)無機肥(NPK)；6)不施肥(CK)。各措施施肥量為：尿素(6 g/箱)，過磷酸鈣(9 g/箱)，氯化鉀(3 g/箱)，有機肥(450 g/箱)，菌肥(45 g/箱)。

試驗采用種植箱種植試驗，種植箱高30 cm，長40 cm，寬30 cm，根據(jù)土壤密度將供試土壤進行裝箱，每個處理重復4次，每箱留苗4株，生育期統(tǒng)一管理；收獲后采集0～20 cm耕層土壤進行理化性質的測定。

2.2.2 測定方法 土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量和田間持水量都采用環(huán)刀法測定[14]，土壤機械組成采用比重計法[15]，土壤水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法[15]，土壤有機質測定參照NY/T 1121.6—2006《土壤檢測第6部分：土壤有機質的測定》[16]執(zhí)行。

2.2.3 分析方法

X[17]=n1/n2。

(1)

式中：X為結構性顆粒指數(shù)；n1為<0.001 mm細黏粒質量分數(shù)；n2為0.001～0.05 mm粉黏粒質量分數(shù)。

(2)

3 結果與分析

3.1 不同施肥措施對土壤持水量的影響

如圖1所示，與CK相比，各施肥措施能夠顯著提高黃土區(qū)新造農田土壤的最大持水量和田間持水量。B+NPK措施對土壤最大持水量和田間持水量的促進作用大于其他措施，其最大持水量達362.80 g/kg，比CK高15.23%，比其他4種施肥措施高1.85%～4.46%(圖1(a))；其田間持水量達340.20 g/kg，比CK高15.54%，比其他4種施肥措施高1.45%～3.19%(圖1(b))，說明B+NPK措施在改善晉西黃土區(qū)新造農田土壤持水量方面較好，但各施肥措施之間差異不顯著。

M、M+NPK、B、B+NPK、NPK、CK分別表示施有機肥、有機肥和無機肥配施、菌肥、菌肥和無機肥配施、無機肥和不施肥對照；數(shù)據(jù)為均值±標準誤；字母a, b表示P<0.05條件下的顯著性。下同。M, M+NPK, B, B+NPK, NPK, and CK are respectively organic fertilizer only, organic fertilizer+inorganic fertilizer, bio-fertilizer only, bio-fertilizer+inorganic fertilizer, inorganic fertilizer, and control check. Data in the table are mean±standard error, and letters refer to significance at P<0.05. The same as below. 圖1 不同施肥措施對土壤持水量的影響Fig.1 Effects of different fertilization measures on soil moisture capacity

3.2 不同施肥措施對土壤密度和孔隙度的影響

如表2所示，各施肥措施能夠降低土壤密度，但M、B、NPK措施的土壤密度與CK沒有顯著差異，M+NPK措施的土壤密度最低，比CK降低6.28%，比其他4種措施降低約0.79%～2.87%；各施肥措施能夠提高土壤非毛管孔隙度，但均與CK差異不顯著；各施肥措施使土壤毛管孔隙度增加，但只有M+NPK措施與CK差異顯著，比CK增加7.20%；各施肥措施下，土壤總孔隙度增加，M、B、B+NPK和NPK4種措施下土壤總孔隙度與CK差異不顯著，M+NPK措施土壤總孔隙度最高，達45.52%，顯著高于CK，比CK增加7.59%。說明各施肥措施能夠改善土壤密度和孔隙度，M+NPK措施在降低土壤密度和提高土壤孔隙度方面效果最好，這主要是有機肥本身養(yǎng)分豐富且質地較疏松，且有機肥和無機肥的配施能夠促進大豆植株的生長，植物根系也能夠疏松土壤，改善土壤結構，從而降低土壤密度，增加土壤孔隙度。

表2 不同施肥措施對土壤孔隙度的影響

3.3 不同施肥措施對土壤機械組成的影響

各施肥措施對土壤機械組成有顯著影響，能降低土壤砂粒和粉粒質量分數(shù)，增加土壤黏粒質量分數(shù)。如表3所示，試驗區(qū)土壤以砂粒和粉粒為主，所占比例高達90.67%～93.06%，經施肥處理后，各措施土壤砂粒質量分數(shù)顯著低于CK，M+NPK措施砂粒質量分數(shù)最低，比CK低7.36%；M+NPK、B和NPK措施土壤粉粒質量分數(shù)顯著低于CK，M+NPK措施土壤粉粒質量分數(shù)同樣最低，比CK低1.02%；5種施肥措施土壤黏粒質量分數(shù)顯著高于CK，M+NPK措施的土壤黏粒質量分數(shù)最高，達9.33%，顯著高于CK和其他4種措施，比CK高34.44%，比其他4種措施高9.51%～16.04%。各施肥措施能夠顯著提高土壤結構性顆粒指數(shù)，M+NPK措施最高，顯著高于CK和其他4種措施，比CK高37.27%，比其他4種措施高11.03%～17.05%。說明M+NPK措施對晉西黃土區(qū)新造農田土壤機械組成的改良效果最顯著，對土壤顆粒細化的促進作用最強。

表3 不同施肥措施對土壤機械組成的影響

注：砂粒、粉粒和黏粒數(shù)據(jù)均為質量分數(shù)均值，P<0.05。Note: The data of sand, silt, and clay in the table are mean mass fractions，P<0.05.

3.4 不同施肥措施對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

各施肥措施能夠增加土壤有機質質量分數(shù)，促進土壤水穩(wěn)性團聚體的形成。如表4所示，各施肥措施>0.25 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體質量分數(shù)顯著高于CK，M+NPK措施最高，達1.62%，比CK高44.64%，比其他4種措施高2.53%～31.71%；各施肥措施平均質量直徑顯著高于CK，M+NPK措施最高，為14.39 mm，比CK高8.20%，比其他4種措施高0.42%～4.50%；除NPK措施外，各施肥措施土壤有機質質量分數(shù)顯著高于CK，M+NPK措施最高，為2.59 g/kg，比CK高21.60%，比其他4種措施高1.57%～16.67%。有機質對水穩(wěn)性團聚體的形成有重要的促進作用，因為有機碳能夠被黏粒包裹形成團聚體，也可以通過物理性纏繞等將不同大小的顆粒連接成團聚體[19]，有機膠結物質還能夠通過有機碳的礦化和微生物分泌物的釋放使團聚體更加穩(wěn)定[20]。黃土區(qū)新造農田土壤黏粒質量分數(shù)低，且微生物多樣性和活性也較低，不利于團聚體的形成；但M+NPK措施能夠顯著增加土壤黏粒質量分數(shù)和有機質質量分數(shù)，對水穩(wěn)性團聚體的形成起到促進作用。說明M+NPK措施在改善晉西黃土區(qū)新造農田土壤有機質和水穩(wěn)性團聚體方面效果最顯著。

土壤結構對土壤肥力有良好的協(xié)調能力，施肥能夠增加土壤黏粒質量分數(shù)，而土壤有機質和養(yǎng)分主要分布在細顆粒中[20]。本試驗中有機肥和無機肥配施措施土壤黏粒質量分數(shù)顯著提高，加之有機肥本身有機質質量分數(shù)較高，使土壤有機質質量分數(shù)顯著增加，從而促進土壤水穩(wěn)性團聚體的形成，使得新造農田的土壤結構得到改善。

表4 不同施肥措施對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

注：各粒徑數(shù)據(jù)均為質量分數(shù)均值，P<0.05，下同。Note: The data of particle size in the table are mean mass fractions. The same as below.

3.5 不同施肥措施下大豆干物質重和產量的變化

不同施肥措施對大豆干物質量和產量的變化有顯著影響。如表5所示，各施肥措施都使大豆株干物質量顯著增加：M+NPK措施下大豆株干物質量最高，達26.03g，比CK增加353.48%，比其他4種措施增加54.94%～122.10%。各施肥措施都能夠增加大豆產量，M+NPK措施大豆產量最高，顯著高于CK和其他4種施肥措施，產量高達173.55 g/m2，比CK增產235.95%，比其他4種施肥措施增產18.20%～125.80%；B+NPK是第二高產，比CK增產184.22%；各施肥措施下大豆籽粒千粒質量顯著高于CK，其中，M+NPK措施的大豆籽粒千粒質量最高，達169.81 g。說明施肥措施能夠促進大豆植株生長，同時提高大豆籽粒的質量，從而增加產量；M+NPK措施的效果最顯著。

表5 不同施肥措施下大豆干物質量和產量的變化

4 結論與討論

研究結果表明，在晉西黃土區(qū)新造農田進行M、M+NPK、B、B+NPK、NPK等5種施肥措施下，土壤物理性質在短期內能夠表現(xiàn)出一定程度的改善：B+NPK措施下土壤最大持水量和田間持水量顯著高于對照，且為5種施肥措施中最高，說明生物菌肥和無機肥配施在提高土壤持水量方面效果最好；M+NPK措施下土壤密度顯著低于對照，土壤孔隙度、土壤黏粒質量分數(shù)、有機質質量分數(shù)和水穩(wěn)性團聚體質量分數(shù)都顯著高于對照，且M+NPK措施下大豆產量最高，說明有機肥和無機肥配施在提高土壤物理性質和提高大豆產量方面效果最顯著。綜上所述，M+NPK措施是晉西黃土區(qū)新造農田土壤培肥改良的最優(yōu)選擇。

土壤物理性質是影響土壤肥力和農作物生產力的重要因素，土壤密度和孔隙度是影響土壤水、肥、氣、熱條件和農作物根系活力的直接因素，許多研究表明，施肥能夠降低土壤密度和提高土壤孔隙度，且有機肥與無機肥配施的效果更好[2,21-22]。有學者認為土壤密度的降低和土壤孔隙度的增加主要是因為有機肥中有機質質量分數(shù)高、有機物質腐殖化系數(shù)高所致[23]。本研究中有機肥與無機肥配施措施土壤有機質質量分數(shù)最高，顯著降低了土壤密度、增加了土壤孔隙度，結論與之一致；但筆者認為除有機質的作用外，該處理的大豆植株干物質質量較高，植株生長較旺盛，其根部對土壤會帶來一定的疏松效果，也是造成土壤密度降低和孔隙度增加的因素之一。

張輝等[24]的數(shù)據(jù)表明生物有機肥在提高農作物產量和土壤有機質質量分數(shù)方面優(yōu)于傳統(tǒng)有機肥；但本研究中生物菌肥對大豆產量和土壤有機質質量分數(shù)的提高作用不及有機肥。這可能是因為2種生物有機肥的配方和養(yǎng)分含量不同，加之黃土與曲周潮褐土在理化性質方面的差異所導致。生物菌肥與無機肥配施措施下的土壤最大持水量和田間持水量比有機肥與無機肥配施措施下的高，但差異并不顯著，且單施生物菌肥與單施有機肥之間差異也不顯著。說明二者在提高土壤持水量方面均有效果，但短期內各措施對土壤持水量的影響差異不顯著。

本研究基于盆栽試驗，植株的生長環(huán)境較易控制，且土壤理化性質變化較明顯，與大田試驗仍存在差異，還需要在盆栽試驗的同時進行長期大田試驗以實現(xiàn)推廣價值。

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(責任編輯：郭雪芳)

Improvement of new farmland soil in loess area under different fertilization treatments

Wu Xiaoli1, Yao Jingjing2, He Longyun2, Dang Hongzhong1, Zhang Youyan1, Zhou Zefu1

(1.Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, 100091,Beijing,China； 2. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing,China)

The study was conducted in new farmland of hilly loess region of western Shanxi Province where soybean is planted.We compared and analyzed the effect of six different fertilization measures, i.e., organic fertilizer only(M), organic fertilizer + inorganic fertilizer(M + NPK), bio-fertilizer only(B), bio-fertilizer + inorganic fertilizer(B + NPK), applied inorganic fertilizer(NPK)and control check(CK),on raw soil physical properties and changes in soybean yield.The results showed that all fertilization measures could improve the physical properties of raw soil to some extent and increase the soybean yield.Among them, B + NPK had the most significant effect in increasing maximum moisture capacity and field moisture capacity, with the maximum moisture capacity 362.80 g/kg, 15.23% higher than CK and 1.85%-4.46% higher than the other four measures; the field moisture capacity was 340.20 g/kg, which was 15.54% higher than CK and 1.45%-3.19% higher than the other four measures.The effects of M + NPK were the most significant in reducing soil density, increasing soil porosity, improving soil mechanical composition, promoting the formation of water-stable aggregates, and heightening soil organic matter content, and the soybean yield under this measure was the highest in the five measures, up to 173.55 g/m2, having a 235.95% increase compared with CK and a 18.20%-125.80% increase compared with the other four measures.Therefore, M + NPK was the optimum measure to improve raw soil physical properties and increase soybean yield in new farmland in the loess area of western Shanxi.

fertilization measure; soil improvement; new farmland; soil physical property; soybean yield; loess area

2014-12-22

2015-07-08

武曉莉(1986—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持與荒漠化防治。E-mail:wuxiaoli0319@126.com

?通信作者簡介：周澤福(1953—)，男，研究員。主要研究方向：水土保持。E-mail:zhouzf@caf.ac.cn

S152

A

1672-3007(2015)05-0099-06

項目名稱：“十二五”國家科技支撐課題“農田水土保持生物防護關鍵技術研究”(2011BAD31B02)