蘇打型草甸堿土團聚體特征對長期有機培肥措施的響應

李玉珠，李欣倫，屈曉澤，孟慶峰，周 銘，張澤慧，熊 峰，唐欣田

(東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

蘇打草甸堿土在松嫩平原西部有廣泛的分布面積[1]。鹽堿土作為后備土地資源，為保證18億畝耕地“紅線”，其改良治理戰(zhàn)略意義重大。蘇打草甸堿土結構性差，主要是因為NaHCO3和Na2CO3，土壤呈強堿性[1]，Na+使土壤分散，不利于大團聚體形成，致使大團聚體含量低。

土壤團聚體是土壤結構的基本單位，其形成與穩(wěn)定與土壤肥力和健康狀況息息相關，而不同的農(nóng)業(yè)措施也會對土壤團聚體分布造成影響[2]。良好的土壤結構有助于土壤肥力的提高，進而幫助作物獲得高產(chǎn)[3]，而土壤結構變差不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。水穩(wěn)性團聚體的組成對探討土壤肥力、土壤結構變化有著重要的理論和實踐意義[5]。楊明等[6]研究發(fā)現(xiàn)有機培肥對改良鹽堿土具有顯著效果，趙晶等[7]研究表明施用有機肥使土壤pH降低，對土壤團聚體結構形成有利的Ca2+濃度增加，而致使土壤分散的Na+含量減少，從而改善土壤結構，加快土壤脫鹽、脫堿。

本研究以松嫩平原長期施用有機肥的蘇打鹽堿土壤為研究對象，利用平均重量直徑、幾何平均直徑、分形維數(shù)，探討長期施用有機肥措施對土壤結構的影響，為土壤的鹽堿化治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)設在黑龍江省大慶市肇州縣，東經(jīng)125°27″，北緯45°7″，地處黑龍江省西部。研究區(qū)域氣候類型為北溫帶大陸性季風氣候，屬第一積溫帶，年均活動積溫2800℃，無霜期143 d，年降水量約457.6 mm。其特點是春季多風、少雨、干旱；夏季酷熱、多雨；秋季涼爽，易發(fā)生早霜；冬季寒冷、干燥。成土母質(zhì)為第四紀河湖沉積物，質(zhì)地黏重。

1.2 試驗設計

草甸堿土有機培肥長期定位試驗開始于 1995年，有機肥種類為腐熟牛糞，施用量為每年秋整地前施用牛糞 45 m3·hm-2，供試作物為玉米，在玉米拔節(jié)期施用375 kg·hm-2尿素作為追肥。根據(jù)有機肥的不同施用年限，共設置4個處理，分別為：施用有機肥5a(S5)，9a(S9)，12a(S12)，以不施用有機肥的處理作為對照(CK)。試驗小區(qū)壟寬為0.65 m(每小區(qū)10壟)，長為10 m，小區(qū)面積65 m2。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，3次重復。

1.3 樣品采集與分析

土壤采樣時間為2016年4月，每個采樣點用環(huán)刀法分別取0～20 cm和20～40 cm土層深度原狀土帶回，自然風干后，去掉石礫和殘根等，將土壤沿自然斷裂面掰成直徑 1 cm 左右的小土塊，用于土壤水穩(wěn)性團聚體的測定。

土壤水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法進行測定。濕篩分析使用團聚體分析儀，套篩孔徑分別為5，2，1，0.5，0.25，0.106 mm。先將土樣倒入套篩，用水緩慢濕潤約10 min，調(diào)整套篩高度，使得儀器開動時套篩上沿始終保持在水面以下。開啟團聚體分析儀，設置上下震蕩60次/min，定時30min。篩分結束后，將各級篩子上的團聚體分別洗入蒸發(fā)皿，<0.106 mm的團聚體則在篩分桶內(nèi)放置沉降后，棄去上清液轉移至蒸發(fā)皿中。將蒸發(fā)皿放在烘箱內(nèi)55℃烘干后稱重。粒徑>0.25 mm的土壤團聚體為大團聚體(R0.25)，粒徑<0.25 mm為小團聚體[8]。

1.4 團聚體穩(wěn)定性指標計算

平均重量直徑MWD[9]

(1)

幾何平均直徑GMD[9]

(2)

式中，Xi為i粒級的平均直徑，Wi為Xi相對應的粒級團聚體占總重的百分比。

分形維數(shù)D[10]

(3)

式中,di為i粒級團聚體的平均直徑；dmax為團聚體的最大粒徑；W(δ≤di)為粒徑小于di的團聚體重量；W0為各粒級團聚體的總重量。分形維數(shù)D可通過回歸分析方法得到。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有測定結果用Excel進行整理和初步分析，用SPSS進行方差分析，多重比較采用Duncan法檢驗，顯著水平P<0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團聚體的分布

由圖1可知，不同有機培肥年限處理下土壤水穩(wěn)性團聚體的分布情況。0～20 cm土層水穩(wěn)性大團聚體含量處理S9(35.20%)>S12(31.82%)>S5(26.06%)>CK(9.77%)。經(jīng)有機培肥處理，大團聚體含量均優(yōu)于對照。與對照相比，處理S5(增加16.29%)、處理S12(增加22.05%)、處理S9增加了25.43%，大團聚體含量最高。這一結果表明，有機培肥后大團聚體數(shù)量增加，小團聚體數(shù)量減少。這與汪景寬等[13]的研究基本一致，即有機培肥9 a處理效果最好。

0～20 cm土層的大團聚體中，0.5～1 mm團聚體含量處理S5(12.67%)和S9(12.55%)高于其它處理；0.25～0.5 mm團聚體主要分布在處理S12(15.12%)。而對CK來說，主要集中在粒徑<0.106 mm(74.79%)的團聚體。

圖1 不同有機培肥年限處理0～20cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體的分布Fig.1 Distribution of water-stable aggregates in 0～20cm soil depth under different organic fertilization treatments

同一粒徑不同處理的團聚體含量差異較大。在0～20 cm土層，>5 mm和0.25～0.5 mm團聚體含量處理S12最高，分別占0.70%和15.12%；2～5 mm和1～2 mm團聚體中S9(8.50%，3.69%)>S12(2.10%，1.91%)>S5(1.30%,1.20%)>CK(0.19%，0.53%)；0.5～1 mm團聚體中S5(12.67%)處理團聚體含量最高。

2.2 土壤結構穩(wěn)定性分析

對比分析不同處理下土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑，如圖2所示。0～20 cm土層土壤團聚體的MWD變化趨勢為處理S9(54.22 mm)>S12(34.36 mm)>S5(27.54 mm)>CK(13.48 mm)。各處理均大于對照，處理S9比CK大40.74 mm，并且處理S9與CK的MWD達到差異顯著(P<0.05)水平，其余處理之間差異不顯著。在本研究中，截止到有機培肥12 a處理，隨有機培肥年限增加，土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑先增大再減小。

對比分析不同處理下土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑，如圖3所示。0～20 cm土層土壤團聚體的GMD變化趨勢為S9(0.17 mm)>S12(0.14 mm)>S5(0.13 mm)>CK(0.08 mm)，這和MWD變化趨勢一致，>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量大小順序為S9>S12>S5>CK，表明MWD、GMD的增加與大團聚體含量增加有關。這一結果顯示，0～20 cm土層團聚體穩(wěn)定性為處理S9>S12>S5>CK，截止到有機培肥12 a處理，隨有機培肥年限增加，土壤結構穩(wěn)定性先增大再減小。

圖2 不同有機培肥年限處理土壤團聚體平均重量直徑Fig.2 MWD of soil aggregates under different organic fertilization treatments

圖3 不同有機培肥年限處理土壤團聚體幾何平均直徑Fig.3 GMD of soil aggregates under different organic fertilization treatments

2.3 土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)分析

不同有機培肥年限土壤團聚體分形維數(shù)的計算見圖4。本研究中，分形維數(shù)隨還田年限的增加有明顯下降的趨勢，0～20 cm土層CK(2.95)>S5(2.88)>S12(2.87)>S9(2.86)，說明有機肥的施用，使土壤分形維數(shù)降低，土壤結構得到改善。

注：圖例中點代表處理，線代表各處理分形維數(shù)計算公式的回歸直線。Note: The point of example represents the treatment, and the line represents the regression line of the fractol dimension calculation formula.圖4 0～20cm不同有機培肥年限土壤團聚體分形維數(shù)計算Fig.4 Fractal dimension calculation of 0～20 cm soil aggregates under different organic fertilization treatments

在鹽堿土改良初期土壤團聚體分形維數(shù)較大，之后，隨著有機培肥年限增加到9 a處理，團聚體分形維數(shù)逐漸降低，從2.95降低到2.86左右，之后并沒有出現(xiàn)隨著有機培肥年限增加而繼續(xù)減小的規(guī)律，處理S12(2.87)大于S9(2.86)而小于S5(2.88)。

0～20 cm土層D的變化規(guī)律(CK>S5>S12>S9)與R0.25含量、MWD、GMD(S9>S12>S5>CK)相反，對0～20 cm土層水穩(wěn)性大團聚體含量與MWD、GMD、D進行回歸分析(如表1所示)。R0.25與MWD、GMD呈顯著正相關；R0.25與D呈顯著負相關。這說明隨大團聚體含量增加，分形維數(shù)變小。

表1R0.25與MWD、GMD、D的關系

Table 1 RelationshipbetweenR0.25andMWD,GMD,D

穩(wěn)定性指標Stability index大團聚體含量Macro-aggregatescontents線性回歸模型Linear regressionmodel相關系數(shù)rMWDR0.25Y=1.36x-2.57090.91?GMDR0.25Y=0.0034x+0.04430.97?DR0.25Y=-0.0036x+2.98210.99?

注：*代表在P<0.05水平上相關。

Note:* represent the correlation is significant atP<0.05.

3 討 論

通常認為不同粒級的團聚體對土壤養(yǎng)分的儲備和供應、孔隙分布、持水性具有不同的作用[11]。在一定程度上不同粒級水穩(wěn)性團聚體的分布比例能反映出土壤的結構性能，大團聚體含量高，土壤孔隙多，通氣性好，持水性低，土壤水穩(wěn)定性大團聚體含量的高低還能夠很好地反映土壤保持和供應養(yǎng)分能力的強弱[5]。國內(nèi)外許多研究表明，施有機肥對土壤團聚體的影響一般首先體現(xiàn)在大團聚體上[12～13]，王曉娟[14]等認為有機肥處理能顯著提高土壤水穩(wěn)性大團聚體含量。本文研究結果表明，各施用有機肥處理在0～20 cm土層土壤水穩(wěn)性大團聚體含量均優(yōu)于CK，處理S9(35.20%)>處理S12(31.82%)>處理S5(26.06%)>CK(9.77%)，處理S9與CK大團聚體含量之差高達25.43%。這可能是由于有機肥能不斷為土壤供給腐殖質(zhì)及有機質(zhì)，加強了土壤顆粒之間有機質(zhì)的膠結作用，從而導致土壤中較小團聚體向較大團聚體的轉化[15]，同時有機肥的分解殘體激發(fā)微生物活性，真菌和放線菌等以菌絲將土壤彼此機械地纏繞在一起而形成團聚體，而另一些類群代謝產(chǎn)生多糖等有機物質(zhì)，這些物質(zhì)膠結土壤顆粒形成大團聚體[16]。

Zhao等[17]研究表明，有機質(zhì)對團聚體穩(wěn)定性和分布具有顯著影響。有機碳絕大部分儲存在團聚體中，因此團聚體的穩(wěn)定對于土壤有機碳的保持作用關鍵[18]，付鑫等[19]研究表明，表層土壤大部分有機碳存儲于機械穩(wěn)定的大團聚體中，團聚體對有機碳的物理保護主要通過大團聚體來實現(xiàn)。陳曉芬等[20]認為有機質(zhì)是土壤團聚體形成的重要膠結物，其含量與水穩(wěn)性大團聚體的數(shù)量呈正相關關系。本研究中，通過對不同處理0～20 cm土層水穩(wěn)性大團聚體含量與有機質(zhì)量進行回歸分析如圖5所示，水穩(wěn)性大團聚體含量與有機質(zhì)量相關系數(shù)r=0.90，呈顯著正相關。這與上述研究結果相符。

圖5 水穩(wěn)性大團聚體含量與有機質(zhì)含量關系Fig.5 Relationship between water-stable macro-aggregates content and organic matter content

MWD和GMD是反映土壤團聚體穩(wěn)定性的常用指標，其值越大，團聚體的粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性也越強。本文研究結果顯示，施用有機肥使土壤大團聚體數(shù)量增加，這與Du等[21]的研究一致；經(jīng)有機培肥處理土壤團聚體MWD和GMD增大，且有機培肥9 a處理的MWD顯著(P<0.05)高于CK。然而，隨有機培肥年限繼續(xù)增加，有機培肥12 a處理1～2mm、2～5mm粒級大團聚體含量較有機培肥9 a處理減少，導致處理S12的MWD和GMD小于處理S9，這主要是因為有機肥K+的分散作用。隨有機肥施用年限的增加，K+呈現(xiàn)出累積的趨勢。

我們研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層內(nèi)土壤團聚體的分形維數(shù)CK最大，其次是培肥5 a處理，再次是培肥12 a處理，培肥9 a處理最小。有機培肥12 a處理的分形維數(shù)大于有機培肥9 a處理的原因可能也是由于有機肥中的K+的分散作用導致大團聚體數(shù)量減少，分形維數(shù)增大。梁愛珍等[22]研究表明，土壤團聚體分形維數(shù)與其結構及穩(wěn)定性關系密切，團聚體分形維數(shù)愈小，土壤愈具有良好的結構與穩(wěn)定性。謝賢健等[23]研究發(fā)現(xiàn)土壤分形維數(shù)越大，土壤穩(wěn)定性越弱。本文研究結果表明，施用有機肥前，土壤分形維數(shù)最大，穩(wěn)定性弱；施用有機肥后，土壤分形維數(shù)減小，穩(wěn)定性增強。通過長期有機培肥處理，蘇打草甸堿土分形維數(shù)減小，土壤結構穩(wěn)定性增強。

4 結 論

(1)蘇打草甸堿土經(jīng)過有機培肥處理，大團聚體數(shù)量增加，小團聚體數(shù)量減少。不同培肥年限處理0～20cm土層水穩(wěn)性大團聚體含量處理S9(35.20%)最大，處理S12(31.82%)次之，其次是處理S5(26.06%)，對照(9.77%)最小。

(2)各有機培肥處理水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑均優(yōu)于對照，有機培肥9 a處理對土壤結構穩(wěn)定性(平均重量直徑54.22 mm，幾何平均直徑0.17 mm，分形維數(shù)2.86)效果最好。

(3)土壤有機質(zhì)量與水穩(wěn)性大團聚體含量呈正相關關系(r=0.90)，土壤中有機質(zhì)含量越高，水穩(wěn)性大團聚體越多；水穩(wěn)性大團聚體含量與平均重量直徑(r=0.91)、幾何平均直徑(r=0.97)呈顯著正相關，與分形維數(shù)(r=0.99)呈顯著負相關。

綜上，蘇打草甸堿土經(jīng)有機培肥9 a處理后大團聚體含量最高，平均重量直徑、幾何平均直徑最大，分形維數(shù)最小，即土壤結構最佳，改良效果最好。土壤有機質(zhì)含量與土壤結構指標相關性很強，這為鹽堿土改良效果評價提供理論參考。

參考文獻：

[1] 張喚，黃立華，李洋洋，等.東北蘇打鹽堿地種稻研究與實踐[J].土壤與作物，2016，5(3)：191-197.

[2] 劉恩科，趙秉強，梅旭榮，等.不同施肥處理對土壤水穩(wěn)定性團聚體及有機碳分布的影響[J].生態(tài)學報，2010，30(4)：1035-1041.

[3] 尚應妮，趙世偉，王子龍，等.植被恢復下土壤結構與功能的關系[J].水土保持研究，2016，23(5)：370-375.

[4] 鄭毅，張福鎖.土壤結構和耕作對根際微生態(tài)系統(tǒng)的影響[J].云南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2003，18(2)：193-197.

[5] 崔榮美，李儒，韓清芳.不同有機肥培肥對旱作農(nóng)田土壤團聚體的影響[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版)，2011，39(11)：124-132.

[6] 楊明，孫毅，高玉山，等.有機肥對蘇打鹽堿土的改良效果研究[J].吉林農(nóng)業(yè)科學，2013，38(3)：43-46,58.

[7] 趙晶，孟慶峰，周連仁，等.長期施用有機肥對草甸堿土土壤酶活性及養(yǎng)分特征的影響[J].中國土壤與肥料，2014，(2)：23-26，34.

[8] 張翰林，鄭憲清，何七勇，等.不同秸稈還田年限對稻麥輪作土壤團聚體和有機碳的影響[J].水土保持學報，2016，30(4)：216-220.

[9] Barreto R C, Madari B E, Maddock J E L, et al. The impact of soil management on aggregation, carbon stabilization and carbon loss as CO2in the surface layer of a Rhodic Ferralsol in Southern Brazil[J].Agriculture Ecosystems & Environment, 2009,132(3/4):243-251.

[10] 陳文媛，徐學選，華瑞，等.黃土丘陵區(qū)林草退耕年限對土壤團聚體特征的影響[J].環(huán)境科學學報，2017， 37(4)：1486-1492.

[11] 曹晶晶，魏飛，馬芳霞，等. 秸稈還田與長期連作棉田土壤水穩(wěn)性團聚體特征[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017，35(1)：26-32.

[12] 高飛，賈志寬，韓清芳，等.有機肥不同施用量對寧南土壤團聚體粒級分布和穩(wěn)定性的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28(3)：100-106.

[13] 苗淑杰，周連仁，喬云發(fā)，等.長期施肥對黑土有機碳礦化和團聚體碳分布的影響[J].土壤學報，2009，46(6)：1068-1075.

[14] 王曉娟，賈志寬，梁連友，等.旱地施有機肥對土壤有機質(zhì)和水穩(wěn)性團聚體的影響[J].應用生態(tài)學報，2012，23(1)：159-165.

[15] 張星星. 土壤團聚體研究進展[J]. 綠色科技， 2017(24)：138-139.

[16] Mikha M M, Rice C W. Tillage and manure effects on soil and aggregate-associated carbon and nitrogen[J].Soil Sci Soc Am J, 2004,68:809-816.

[17] Zhao J S, Chen S, Hua R G, Li Y Y. Aggregate stability and size distribution of red soils under different land uses integrally regulated by soil organic matter, and iron and aluminum oxides[J]. Soil & Tillage Research,2016,167 (2017):73-79.

[18] 周振芳，胡雅杰，馬燦，等. 長期傳統(tǒng)耕作對土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳分布的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2012，30(6)：145-156.

[19] 付鑫，王俊，趙丹丹. 覆蓋方式對旱作小麥田土壤團聚體有機碳的影響 [J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2016,34(6)：163-169,183.

[20] 陳曉芬，李忠佩，劉明，等.不同施肥處理對紅壤水稻土團聚體有機碳、氮分布和微生物生物量的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2013，46(5)：950-960.

[21] Du Z L, Wu W L, Zh Q Z, et al. Long-Term Manure Amendments Enhance Soil Aggregation and Carbon Saturation of Stable Pools in North China Plain[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(10):2276-2285.

[22] 梁愛珍，張曉平，楊學明.耕作對東北黑土團聚體粒級分布及其穩(wěn)定性的短期影響[J].土壤學報，2009，46(1)：154-158.

[23] 謝賢健，張繼.巨桉人工林下土壤團聚體穩(wěn)定性及分形特征[J].水土保持學報，2012，26(6)：175-179.