不同施肥處理對(duì)黑土土壤肥力和作物產(chǎn)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(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)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(guó)最肥沃的土壤之一[1]，是東北地區(qū)極其重要的農(nóng)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(zhì)地較黏重，結(jié)構(gòu)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(zhì)含量較高，一般為30～60 g/kg[4]。東北黑土區(qū)在長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)墾后，由于施肥不當(dāng)、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(kù)容偏低、土壤酸化現(xiàn)象日益嚴(yán)重[5]。合理施肥可以培肥土壤，補(bǔ)償?shù)亓Σ蛔?。然而，大量甚至過(guò)量施用化肥會(huì)使土壤顆粒分散，土壤的水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞[6]，造成土壤酸化、板結(jié)，同時(shí)嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量及質(zhì)量。

肥力是土壤所獨(dú)有的性質(zhì)，只用不養(yǎng)或不合理地施肥必然會(huì)導(dǎo)致土壤肥力降低。土壤肥力指標(biāo)包括物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)，如土壤質(zhì)地、厚度、容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、土壤pH值、陽(yáng)離子交換量(CEC)、氮(N)磷(P)鉀(K)含量等?？茖W(xué)合理地施肥不僅有利于土壤肥力的恢復(fù)與提高，而且有助于當(dāng)季作物高產(chǎn)。根據(jù)肥料的來(lái)源、性質(zhì)及其作用機(jī)制可分為4類：有機(jī)肥、化肥、微生物肥[7-8]、葉面肥[7，9]。

目前，針對(duì)過(guò)量施用化肥導(dǎo)致黑土土壤肥力不斷下降的問(wèn)題已有報(bào)道[10-13]，但研究多種施肥處理(有機(jī)肥、化肥、微生物肥、葉面肥)對(duì)黑土的影響很少，而且尚沒(méi)有形成確定的黑土培肥模式。為此，本試驗(yàn)選擇黑龍江省具有代表性的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)基地，通過(guò)在黑土區(qū)施用不同肥料，種植玉米和大豆2種作物，來(lái)研究不同施肥處理對(duì)黑土土壤肥力及作物產(chǎn)量的影響，評(píng)價(jià)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(chǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)地位于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)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(yàn)地所在區(qū)域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)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(zhì)：容重1.305 g/cm3；有機(jī)質(zhì)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(qiáng)盛31，大豆品種為東農(nóng)61。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取大田試驗(yàn)，試驗(yàn)田面積0.15 hm2，共設(shè)置6個(gè)處理，以等氮為原則，各處理施氮總量為150 kg/hm2，各處理設(shè)3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積40 m2。各處理分別為對(duì)照(CK)，不施肥；T1，有機(jī)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(jī)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(shù)≥2 000萬(wàn)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(jù)肥料使用說(shuō)明并參考玉米、大豆施肥技術(shù)(表1)[14]。

表1 各肥料處理實(shí)際施用量

試驗(yàn)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(jī)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(jìn)行追肥，不噴灑農(nóng)藥，人工鋤草進(jìn)行2遍中耕。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

分別于玉米拔節(jié)期、大口期、開(kāi)花期、成熟期及大豆苗期、開(kāi)花期、鼓粒期、成熟期進(jìn)行取樣。作物成熟后，進(jìn)行測(cè)產(chǎn)及室內(nèi)考種。

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定 每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)按五點(diǎn)取樣法采集0～20 cm深的土樣，將土樣充分混勻，按四分對(duì)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(shí)風(fēng)干以免因生物作用導(dǎo)致樣品變質(zhì)，用圓木碾碾研并過(guò)20目篩保存待測(cè)。土壤理化性質(zhì)的測(cè)定參考《土壤農(nóng)化分析》[16]。其中，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤pH值采用電位計(jì)法測(cè)定。

1.3.2 產(chǎn)量的測(cè)定 每小區(qū)取5 m2，收獲成熟玉米、大豆，待自然風(fēng)干后，稱質(zhì)量，換算為單位面積產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

本試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010和Origin 8.5進(jìn)行整理分析、繪圖制作。同時(shí)，利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，并進(jìn)行顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤容重 從圖1不同施肥處理對(duì)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?；疽?guī)律如下：(1)玉米各處理中，T1處理對(duì)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(duì)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%?？偟目磥?lái)，有機(jī)肥能較好地改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重。

2.1.2 土壤pH值 圖2為不同施肥處理對(duì)土壤pH值的影響，可見(jiàn)不同施肥處理下土壤對(duì)pH值變化的緩沖能力不同。具體表現(xiàn)在：(1)玉米生長(zhǎng)過(guò)程中，各處理土壤pH值大致變化趨勢(shì)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(zhǎng)過(guò)程中，各處理土壤pH值均在開(kāi)花期或鼓粒期達(dá)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(jī)質(zhì) 從圖3不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響可以看出，與其他肥料相比，施用有機(jī)肥能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。結(jié)果顯示：(1)在玉米生長(zhǎng)過(guò)程中，各處理在施肥后土壤有機(jī)質(zhì)含量先迅速增加，達(dá)到峰值后到成熟期整體呈下降趨勢(shì)。在成熟期，T1處理的土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量分別增加了0.79%、0.47%。(2)在大豆生長(zhǎng)過(guò)程中，各處理在施肥后至苗期土壤有機(jī)質(zhì)含量均有一定增長(zhǎng)但增長(zhǎng)速率不及玉米；與施肥前相比，T1、T2處理土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.84%、0.70%。因此，有機(jī)肥與其他肥料相比能夠明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)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(yàn)選擇土壤全氮、速效磷、速效鉀含量這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。由表2可見(jiàn)，玉米成熟期時(shí)，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T(mén)5>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T(mén)5>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(shí)，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T(mén)5>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(duì)土壤速效磷含量的作用不明顯。

表2 不同施肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫(xiě)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(duì)產(chǎn)量的影響

2.2.1 產(chǎn)量 如圖4所示，各處理玉米產(chǎn)量依次為T(mén)5>T3>T1>T2>T4>CK，化肥處理產(chǎn)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(chǎn)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?；试谒傩юB(yǎng)分的供應(yīng)能力上優(yōu)于其他處理，作物可從土壤中吸收利用大量營(yíng)養(yǎng)元素滿足其生長(zhǎng)需要，因此化肥處理的作物產(chǎn)量高于除T1外的其他處理。

2.2.2 相關(guān)性分析 對(duì)不同施肥處理土壤理化性質(zhì)與產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，由表3可以看出，玉米土壤容重與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤全氮含量與速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)；玉米產(chǎn)量與土壤全氮、速效磷、速效鉀含量均呈極顯著正相關(guān)。由此可見(jiàn)，土壤理化性質(zhì)極大地影響了玉米產(chǎn)量。大豆土壤容重與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮含量均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)；土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)；土壤速效磷含量與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)；大豆產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)并無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

2.3 土壤質(zhì)量的主成分分析

2.3.1 特征根與方差貢獻(xiàn)率 對(duì)土壤7個(gè)肥力指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，評(píng)價(jià)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(chǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力提供理論依據(jù)。各主成分的特征值和方差貢獻(xiàn)率如表4所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，當(dāng)各主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，即可用來(lái)反映系統(tǒng)的變異信息，同時(shí)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(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá) 90.72%、87.11%，基本解釋了數(shù)據(jù)的全部變異。

2.3.2 因子負(fù)荷及主成分表達(dá)式 通常情況下，因子負(fù)荷與變量在相應(yīng)主成分中的權(quán)重成正比[21]。由圖5可知，pH值、產(chǎn)量、全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、速效磷含量和速效鉀含量這6個(gè)性質(zhì)在PC1上有較高的因子負(fù)荷；速效磷含量、速效鉀含量、全氮含量、產(chǎn)量在PC2上有較高的因子負(fù)荷。因此，對(duì)于2種作物的土壤質(zhì)量來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)變量在上述2個(gè)主成分上有較高的因子負(fù)荷，因此PC1和PC2這2個(gè)主成分可以反映由上述土壤指標(biāo)代表的土壤質(zhì)量水平。

表3 不同施肥處理土壤理化性質(zhì)與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

注：“*”代表在0.05水平上顯著相關(guān)，“**”代表在0.01水平上顯著相關(guān)；BD為土壤容重；OM為土壤有機(jī)質(zhì)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(chǎn)量。下同。

表4 2種作物主成分分析的特征根與方差貢獻(xiàn)率

注：PC1表示主成分1，PC2表示主成分2。下同。

根據(jù)SPSS軟件分析所得的各變量在相應(yīng)主成分上的因子負(fù)荷，分別獲得玉米土壤主成分函數(shù)表達(dá)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(shù)表達(dá)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(shù)模型[18-19]：

(1)

式中：F為綜合主成分值；b為貢獻(xiàn)率；m為主成分?jǐn)?shù)量；Z為主分量；j=1,2,3,…,n。

根據(jù)公式(1)計(jì)算出綜合主成分分值進(jìn)行排序，并對(duì)不同施肥處理土壤肥力水平進(jìn)行綜合評(píng)分。如圖6所示，玉米土壤中有機(jī)肥Ⅰ處理綜合得分最高，為1.243，微生物肥、化肥、有機(jī)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(jī)肥Ⅰ處理綜合得分同樣最高，為1.445，有機(jī)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(píng)分說(shuō)明，施用有機(jī)肥優(yōu)于其他施肥處理，微生物肥表現(xiàn)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(shí)可以表征土壤對(duì)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(zhǎng)期不同施肥定位的試驗(yàn)中得出，施用有機(jī)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(jī)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(jié)果一致，這是因?yàn)橄啾扔谟矇K結(jié)構(gòu)土壤，施用有機(jī)肥后與土壤結(jié)合形成碎散的團(tuán)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(duì)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(duì)土壤pH值緩沖能力的影響不同，本試驗(yàn)中，成熟期玉米土壤pH值排序?yàn)橛袡C(jī)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(yáng)離子反應(yīng)生成酸性鹽，引起土壤酸化。

相關(guān)研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)在保蓄土壤水分、增加土壤陽(yáng)離子交換量、改善土壤結(jié)構(gòu)、緩沖土壤pH值變化方面都起到極重要的作用[22-24]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥與其他肥料相比能夠顯著提高有機(jī)質(zhì)含量，施用有機(jī)肥Ⅰ后土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了0.79%(玉米)、0.84%(大豆)；有機(jī)肥在土壤分解過(guò)程中形成高分子腐殖酸，對(duì)于提升土壤有機(jī)質(zhì)含量及改良土壤結(jié)構(gòu)起重要作用。在產(chǎn)量方面，玉米產(chǎn)量排序?yàn)門(mén)5>T3>T1>T2>T4>CK，大豆產(chǎn)量排序?yàn)門(mén)5>T1>T4>T3>T2>CK?；侍幚淼漠a(chǎn)量高于除T1外的其他處理。

相關(guān)性分析得出，玉米產(chǎn)量與土壤速效養(yǎng)分含量均呈極顯著正相關(guān)，因此增施氮磷鉀養(yǎng)分可提升玉米產(chǎn)量；大豆產(chǎn)量與土壤速效養(yǎng)分含量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。近年來(lái)，研究者在進(jìn)行土壤肥力綜合評(píng)價(jià)時(shí)通常采用主成分分析和因子分析的方法，這類方法可以對(duì)土壤肥力分析中獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將數(shù)據(jù)充分利用，在復(fù)雜的土壤肥力因子中提煉出綜合規(guī)律[25-26]。本試驗(yàn)運(yùn)用主成分分析法分析不同施肥處理的土壤肥力并進(jìn)行主成分評(píng)價(jià)和綜合得分，結(jié)果表明，2種作物施用有機(jī)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(jī)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(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，施用有機(jī)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(biāo)(土壤有機(jī)質(zhì)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(shí)對(duì)土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)含量也無(wú)顯著作用。在下一階段的研究中，應(yīng)將有機(jī)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(chǎn)量的配施最優(yōu)比例。

4 結(jié)論

施用有機(jī)肥能夠明顯改良黑土土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤有機(jī)質(zhì)含量、提高土壤對(duì)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(jī)肥總體表現(xiàn)比雞糞、羊糞發(fā)酵的有機(jī)肥好。

化肥雖可提高土壤速效養(yǎng)分含量和產(chǎn)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(xiàn)較好。

施用有機(jī)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(jié)論為東北黑土培肥并提高作物生產(chǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力提供理論依據(jù)。