有機硅功能肥對不同利用方式下土壤團聚性和抗蝕性的影響

溫曉蘭 宋福如 石溫慧 宋利強 劉小粉 宋聚強 曹子庫

摘要：以河北省邯鄲地區(qū)果園、荒草地和農(nóng)田的土壤為試驗對象，探討土壤有機調(diào)理劑（AF）、顆粒復(fù)合肥（BF）和大量元素水溶肥（DF）等3種有機硅功能肥對土壤團聚體分布、穩(wěn)定性及其抗蝕性的影響。采用濕篩法分離土壤水穩(wěn)性團聚體，并以土壤平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數(shù)（D）、土壤可蝕性因子（K）和分散率（Dr）為評價指標(biāo)。結(jié)果表明，3種有機硅功能肥使供試土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量均有所增加，其中經(jīng)AF處理的土壤>2.00 mm水穩(wěn)性團聚體含量均顯著高于其他處理，經(jīng)BF處理的土壤>0.25～2.00 mm水穩(wěn)性團聚體含量也相對高于其他處理;與空白組對比，加入肥料的土壤穩(wěn)定性和抗蝕性均顯著提高，其中AF處理最利于果園土壤穩(wěn)定性和抗蝕性提高，而BF處理最利于荒草地和農(nóng)田的提高;相關(guān)性分析結(jié)果表明，果園土壤>0.25 mm團聚體含量幾乎與各參數(shù)均呈顯著正相關(guān)，與<0.05 mm團聚體含量呈顯著負相關(guān)，而荒草地和農(nóng)田土壤>0.25～2.00 mm團聚體含量與各參數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，與<0.25 mm 團聚體呈極顯著負相關(guān)。因此，土壤調(diào)理劑主要通過增加>2.00 mm水穩(wěn)性團聚體含量，復(fù)合肥主要通過增加>0.25～2.00 mm水穩(wěn)性團聚體含量，從而提高團聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。研究結(jié)果為不同有機硅功能肥對土壤結(jié)構(gòu)的改良提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：有機硅功能肥;土地利用方式;土壤團聚體組成;土壤團聚體穩(wěn)定性;土壤抗蝕性

中圖分類號：S158 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）05-0218-07

收稿日期：2021-07-01

基金項目： 河北省自然科學(xué)基金（編號：C2020402022、D2016402029）;河北省青年拔尖人才支持計劃（第三批）;河北省梨產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系土壤耕作與肥水調(diào)控崗位。

作者簡介：溫曉蘭（1998—），女，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事土壤肥料方面的研究。E-mail：3474728633@qq.com。

通信作者：劉小粉，博士，教授，主要從事綠肥資源綜合利用方面的研究。E-mail：liuxiaofenok@126.com。

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位[1-2]，其數(shù)量和分布反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗蝕性[3-4]。土壤水肥氣熱等性質(zhì)都與土壤團聚體的穩(wěn)定性有關(guān)[5-6]，穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)既能保水、保肥、提高土壤質(zhì)量、減少水土流失[7-8]，還利于植物生長和微生物活動[9]。研究表明，質(zhì)量良好的土壤一般擁有更穩(wěn)定的團聚體，因此，土壤團聚體穩(wěn)定性被廣泛作為評價土壤健康狀況的重要指標(biāo)[10-11]。土壤抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力[12]，與土壤團聚體穩(wěn)定性密切相關(guān)，抗蝕性的大小主要由土粒間的膠結(jié)力及土粒和水的親和力決定[13]。土壤學(xué)研究中，常采用濕篩法獲得水穩(wěn)性團聚體，并用平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數(shù)（D）等指標(biāo)衡量土壤團聚體穩(wěn)定性[14-15]，用土壤可蝕性因子（K）和分散率（Dr）評價土壤抗蝕性[16-17]。

硅是作物有益營養(yǎng)元素，其氧化物含量占作物灰分的14.2%～61.4%[18]。美國加州大學(xué)早在1926年開始研制硅素肥料，并肯定了它的肥效[19]。我國內(nèi)地的硅肥應(yīng)用研究始于20世紀70年代中期，80年代后逐步實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)和小面積示范、推廣，在施用過程中，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)有明顯提高，土壤生態(tài)環(huán)境也得到改善。有機硅功能肥是近幾年興起的一種新型肥料，具有綜合的肥效作用，不僅能為植物提供養(yǎng)分、改善作物產(chǎn)品品質(zhì)，還可以提高土壤質(zhì)量[20]，因此得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)對有機硅功能肥在治理土壤鹽堿化[21-22]和防治土壤重金屬污染[23]方面的研究已廣泛開展，但其對土壤團聚體性及抗蝕性的影響罕見報道。

因此，本試驗以河北省邯鄲市3種利用方式不同的土壤為研究對象，探討有機硅功能肥對水穩(wěn)性團聚體分布、穩(wěn)定性及抗蝕性的影響，以期為有機硅功能肥在土壤結(jié)構(gòu)改良和水土保持方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中3種利用方式不同的土壤的具體情況如下。

永年縣河北工程大學(xué)試驗基地果園土：土壤質(zhì)地為沙壤，其中沙粒（>0.050～2.000 mm）占54.2%，粉粒（0.002～0.050 mm）占28.1%，黏粒（<0.002 mm）占12.9%，有機質(zhì)含量為15.4 g/kg。

肥鄉(xiāng)縣康源農(nóng)業(yè)園區(qū)荒草地土：土壤質(zhì)地為粉壤，其中沙粒占3.2%，粉粒占73.1%，黏粒占20.2%，有機質(zhì)含量為20.0 g/kg。

成安縣三信農(nóng)業(yè)園區(qū)種植夏玉米-冬綠肥的農(nóng)田土：土壤質(zhì)地為粉壤，其中沙粒占19.6%，粉粒占59.4%，黏粒占16.1%，有機質(zhì)含量為14.5 g/kg。

試驗所用3種有機硅功能肥由河北省硅谷農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院和河北硅谷肥業(yè)有限公司共同研發(fā)和生產(chǎn)，已在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。有機硅土壤調(diào)理劑（AF）：氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）總含量≥40%，有機質(zhì)含量≥15%，黃腐酸含量≥3%，活性硅含量≥2%;有機硅大量元素水溶肥（DF）：氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）總含量≥50%，硼（B）和鋅（Zn）總含量≥0.3%;有機硅復(fù)合肥（BF）：氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）含量均為18%。肥料詳細配方為商業(yè)機密，此處不再詳述。

1.2 試驗設(shè)計

2019年10月采集3種不同利用方式土壤樣品，取樣深度為0～20 cm。用土鉆采集5～8個點混合土樣，除去肉眼可見的草根、石子等雜物，沿土壤自然裂縫輕輕掰碎直至全部過8 mm篩，風(fēng)干。參考文獻[24]進行濕篩法測定土壤團聚體，獲得 >2.00 mm、>0.25～2.00 mm、0.05～0.25 mm和 <0.05 mm 等4個粒級團聚體。具體步驟：稱取約50 g土樣，平鋪于孔徑自上而下為2、0.25、0.05 mm的套篩頂端，并放入經(jīng)過不同處理的溶液中，快速濕潤并靜置5 min，隨后垂直上下振蕩5 min（團聚體濕篩機械參數(shù)：垂直上下振蕩約25 次/min;上下移動垂直距離為3.8 cm），之后把各級篩層上的土粒轉(zhuǎn)移至已稱質(zhì)量的鋁盒中，放進恒溫60 ℃烘箱直至烘干，稱質(zhì)量并記錄。每個土樣均設(shè)置4個處理。CK：在4 000 mL清水中濕篩;AF：在土壤調(diào)理劑和清水體積比為1 ∶50的4 000 mL溶液中濕篩;BF：在復(fù)合肥和清水體積比為1 ∶50的4 000 mL溶液中濕篩;DF：在大量元素水溶肥料和清水體積比為 1 ∶50 的4 000 mL溶液中濕篩。每個處理3次重復(fù)。

土壤平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）[25]、土壤分形維數(shù)（D）[26]計算公式如下：

MWD=∑4i=1wixi∑4i=1wi;（1）

GMD=exp∑4i=1wilnxi∑4i=1wi。（2）

式中：xi為粒級i團聚體的平均直徑;wi為粒級i團聚體的質(zhì)量。

didmax3-D=W（δ<di）W0。（3）

式中：di是兩相鄰粒徑di和di+1（di>di+1，i=1，2，3，4） 的平均值;dmax為最大粒級土粒的平均值;W（δ<di）為大于di 的累計土粒質(zhì)量;W0表示土壤各粒級質(zhì)量總和。以lg（Wi/W0）、lg（di/dmax）縱、橫坐標(biāo)進行回歸分析，可以得到斜率3-D的值，進而得到D的值。

土壤可蝕性因子（K）[27]和分散率（Dr）計算公式如下：

K=7.954×{0.001 7+0.049 4×exp[-0.5×（1.675+lgGMD0.698 6）2]}。（4）

Dr=<0.05 mm微團聚體百分含量/<0.05 mm機械組成百分含量×100%。（5）

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2019和SPSS 26.0處理，圖和表分別用Sigmaplot 10.0和Excel 2019制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機硅功能肥對土壤水穩(wěn)性團聚體分布的影響

由圖1可以看出，與CK相比，AF、BF、DF處理能顯著增加果園土壤>0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體含量，同時顯著減少<0.25 mm水穩(wěn)性微團聚體含量。>2.00 mm 團聚體含量在處理間表現(xiàn)為AF>BF>DF>CK，其中AF處理分別為BF、DF、CK處理的2.4、3.3、9.3倍;>0.25～2.00 mm團聚體含量表現(xiàn)為DF>BF>AF>CK，DF處理分別是AF、CK處理的1.2、1.5倍;0.05～0.25 mm和<0.05 mm水穩(wěn)性團聚體含量在4個處理間表現(xiàn)趨勢一致：CK含量最高，3個肥料處理間無顯著性差異。由表1可以看出，>2.00 mm和>0.25～2.00 mm 團聚體含量均與<0.05 mm團聚體含量呈顯著負相關(guān)，>0.25～2.00 mm團聚體含量還與0.05～0.25 mm 團聚體含量呈極顯著負相關(guān)。因此，對于該試驗果園土壤，AF處理最利于>2.00 mm水穩(wěn)性團聚體含量增加，而DF和BF處理最利于>0.25～2.00 mm水穩(wěn)性團聚體含量增加;肥料的加入使>0.25 mm的大團聚體含量增加，同時<0.05 mm的團聚體含量減少，且>0.25～2.00 mm團聚體含量增加使0.05～0.25 mm團聚體含量減少，且二者相關(guān)性較強。

由圖2可以看出，與CK相比，荒草地土壤3個肥料處理>0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體含量增加，其中>0.25～2.00 mm粒級團聚體含量顯著增加;同時<0.25 mm水穩(wěn)性微團聚體含量減少，其中 <0.05 mm 粒級團聚體含量顯著減少。>2.00 mm團聚體含量在處理間表現(xiàn)為AF>DF>BF>CK，其中AF處理分別為DF、BF、CK處理的2.5、2.9、8.9倍;>0.25～2.00 mm團聚體含量在處理間表現(xiàn)為BF>DF>AF>CK，其中BF處理分別為DF、AF、CK處理的1.2、1.3、2.1倍;0.05～0.25 mm團聚體含量表現(xiàn)為 CK>DF>AF>BF，其中CK處理分別為DF、AF、BF處理的1.5、1.9、7.8倍;<0.05 mm 團聚體含量以CK最高，3個肥料處理間無顯著差異。由表2可以看出，0.05～0.25 mm團聚體含量與 <0.05 mm 團聚體含量均與>0.25～2.00 mm團聚體含量呈極顯著負相關(guān)，且0.05～0.25 mm團聚體含量與<0.05 mm團聚體含量呈極顯著正相關(guān)。這說明，對于該試驗荒草地土壤，在肥料溶解的狀態(tài)下，AF處理最利于>2.00 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量增加，而BF處理最利于>0.25～2.00 mm 粒級的水穩(wěn)性團聚體含量增加;肥料的加入使>0.25～2.00 mm團聚體含量增加的同時，減少了<0.25 mm團聚體的含量，而0.05～0.25 mm團聚體含量與<0.05 mm團聚體含量同時減少。

由圖3可以看出，與CK相比，農(nóng)田土壤3個肥料處理>0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體含量增加，其中 >0.25～2.00 mm粒級團聚體含量顯著增加;<0.25 mm 水穩(wěn)性微團聚體含量顯著減少。>2.00 mm 團聚體含量在處理間表現(xiàn)為AF>BF>DF>CK，其中AF處理分別為BF、DF、CK處理的2.5、4.3、5.9倍;>0.25～2.00 mm團聚體含量在處理間表現(xiàn)為BF>DF>AF>CK，其中BF處理分別為DF、AF、CK處理的1.1、1.2、3.5倍;0.05～0.25 mm團聚體含量以CK最高，3個肥料處理間無顯著差異;<0.05 mm團聚體含量表現(xiàn)為 CK>AF>DF>BF，其中CK分別為AF、DF、BF處理的3.8、4.0、8.4倍。由表3可以看出，0.05～0.25 mm、<0.05 mm 團聚體含量均與>0.25～2.00 mm 團聚體含量呈極顯著負相關(guān)，且0.05～0.25 mm團聚體含量與<0.05 mm團聚體含量呈極顯著正相關(guān)。這說明，對于該試驗農(nóng)田土壤，AF處理最利于 >2.00 mm 粒級水穩(wěn)性團聚體含量增加，而BF處理最利于>0.25～2.00 mm粒級水穩(wěn)性團聚體含量增加;肥料的加入使>0.25～2.00 mm團聚體含量增加的同時減少了<0.25 mm團聚體的含量，而0.05～0.25 mm、<0.05 mm團聚體含量同時減少。

2.2 有機硅功能肥對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性和抗蝕性的影響

由表4可以看出，肥料處理顯著提高了果園土壤團聚體穩(wěn)定性和抗蝕性。MWD在處理間的順序表現(xiàn)為AF>BF>DF>CK，GMD表現(xiàn)為AF>BF>DF>CK，D表現(xiàn)為CK>DF>AF>BF?？晌g性指標(biāo)K和Dr在處理間的趨勢均表現(xiàn)為CK>DF>BF>AF?？傊?，對該試驗果園土壤而言，AF處理最有利于提高土壤MWD和GMD，同時也利于降低K和Dr;而BF處理最有利于降低D。因此，3種肥料均有利于增強果園土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，且AF處理效果最好。

荒草地和農(nóng)田土壤的4種處理中，MWD的順序表現(xiàn)為AF>BF>DF>CK，GMD表現(xiàn)為BF>AF>DF>CK，D表現(xiàn)為CK>AF>DF>BF，K和Dr均表現(xiàn)為CK>AF>DF>BF。總之，對該試驗荒草地和農(nóng)田土壤而言，BF處理最有利于提高土壤GMD，同時也利于降低K、Dr、D，而AF處理最有利于提高土壤MWD，且荒草地和農(nóng)田的參數(shù)在不同肥料處理間的大小順序大致相似?？傮w上看，3種肥料處理均有利于增強荒草地和農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，且BF處理效果最好。

2.3 土壤團聚體組成各參數(shù)間相關(guān)性分析

由表5可以看出，3種不同利用方式下土壤MWD與GMD呈極顯著正相關(guān)，D、K和Dr相互之間呈極顯著正相關(guān)，MWD和GMD均與D、K和Dr呈極顯著負相關(guān)。3種土壤的MWD和GMD都與 <0.25 mm 粒徑的團聚體呈負相關(guān)，與>0.25 mm粒級的團聚體呈正相關(guān)，而D、K、Dr與之相反;果園土壤>0.25 mm和<0.05 mm粒徑團聚體含量與各參數(shù)幾乎均顯著或極顯著相關(guān)，而荒草地和農(nóng)田土壤<2.00 mm粒徑團聚體含量與各參數(shù)均呈極顯著相關(guān)。說明有機硅功能肥加入后主要引起果園土壤>0.25 mm粒徑團聚體含量增加和<0.05 mm粒徑團聚體含量減少，荒草地和農(nóng)田土壤則是>0.25～2.00 mm粒徑團聚體含量增加和 <0.05 mm 粒徑團聚體含量減少，這使其相應(yīng)的MWD和GMD增大，D、K和Dr減小。

3 討論

3.1 有機硅功能肥對土壤團聚體組成的影響

土壤團聚體組成是影響土壤穩(wěn)定性、抗侵蝕和抗板結(jié)能力等土壤物理性質(zhì)的重要因素[28]，不同粒徑對土壤結(jié)構(gòu)發(fā)揮的作用不同，有研究認為，土壤中大團聚體（>0.25 mm）所占比例越高，土壤結(jié)構(gòu)越好[10，29]。有機硅功能肥是有機硅改性材料與化肥原料復(fù)合而成的一種肥料，同時有機硅材料可作為一種土壤改良劑，不僅具有調(diào)節(jié)土壤酸堿性，產(chǎn)生分散性和降低鹽離子的活性等作用，且它的親土性可促進土壤團聚體的形成[30]。謝國雄等在改良劑聚丙烯酰胺（PAM）、腐殖酸和β-環(huán)糊精對水穩(wěn)性團聚體形成的影響中發(fā)現(xiàn)，PAM更利于>5.00 mm團聚體形成，而腐殖酸更利于>0.25～2.00 mm團聚體形成[31]。本研究得出相似結(jié)果，AF處理的3種土壤>2.00 mm水穩(wěn)性團聚體含量均顯著高于其他處理，BF處理的荒草地和農(nóng)田土壤>0.25～2.00 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體含量均顯著高于其他處理。同時，DF和BF處理的果園土壤>0.25～2.00 mm 粒徑團聚體含量間無顯著差異且均顯著高于其他處理。由此可知，3種有機硅功能肥中，AF處理產(chǎn)生的親土性更利于土壤中>2.00 mm粒徑團聚體含量增加，BF處理的親土性更利于>0.25～2.00 mm粒徑團聚體含量提高。

3.2 有機硅功能肥對土壤穩(wěn)定性和抗蝕性的影響

土壤平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑能從一定程度上描繪土壤團聚體的組成情況，分形維數(shù)反映了土壤水穩(wěn)定性團聚體含量對土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響趨勢[32]，土壤可蝕性因子和分散率能反映土壤對侵蝕外營力的敏感性，它們的值均與土壤團聚體組成相關(guān)[12，27]。一般情況下，大團聚體（>0.25 mm）含量越多土壤結(jié)構(gòu)越好，而MWD和GMD越大，D、K和Dr越小，表明土壤團聚體穩(wěn)定性越好且土壤抗侵蝕能力越強[27，33]。本研究中，MWD、GMD、D、K和Dr各參數(shù)間呈顯著相關(guān)，這說明，以上參數(shù)均能很好地反映團聚體的穩(wěn)定性和可蝕性，這與劉新梅等的研究結(jié)果[10，34]相同。另外，將以上參數(shù)在不同處理間比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)AF處理的果園土壤團聚體穩(wěn)定性和抗蝕性效果最好，而荒草地和農(nóng)田以BF處理效果最好，同時荒草地和農(nóng)田雖然土地利用方式不同，但二者穩(wěn)定性和抗蝕性參數(shù)在不同肥料處理間的值大小順序大致相似。同時，有機硅功能肥以增加>0.25 mm團聚體含量來提高果園土壤穩(wěn)定性和抗蝕性，而以增加>0.25～2.00 mm團聚體含量來提高荒草地和農(nóng)田土壤穩(wěn)定性和抗蝕性，可能和本試驗供試的土壤質(zhì)地不同有關(guān)。劉中良等研究也發(fā)現(xiàn)土壤團聚體的組成和分布受土壤質(zhì)地影響[35]。由表6可知，在AF處理下，粒徑>0.050～2.000 mm的土壤顆粒含量與 >2.00 mm、0.05～0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量均呈顯著正相關(guān)，且與<0.05 mm團聚體含量呈顯著負相關(guān)，而0.002～0.050 mm顆粒含量則相反，<0.002 mm 顆粒含量與0.05～0.25 mm團聚體呈顯著負相關(guān);在BF處理下，>0.050～2.000 mm土壤顆粒含量與>2.00 mm、0.05～0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量均呈顯著正相關(guān)，且與>0.25～2.00 mm 團聚體含量呈顯著負相關(guān)，而0.002～0.050 mm與<0.002 mm顆粒含量則相反;而在DF處理下，顆粒與團聚體無顯著相關(guān)性。這說明，土壤沙粒（>0.050～2.000 mm）含量越高，越有利于AF處理增加>2.00 mm團聚體含量和BF處理增加>2.00 mm且減少>0.25～2.00 mm團聚體含量;土壤粉粒（0.002～0.050 mm）含量越高，越有利于AF處理減少>2.00 mm團聚體含量并使BF處理減少>2.00 mm團聚體含量且增加>0.25～2.00 mm 團聚體含量;土壤黏粒（<0.002 mm）含量越高，越有利于BF處理減少>2.00 mm團聚體含量且增加>0.25～2.00 mm團聚體含量。因此，土壤調(diào)理劑（AF）更適用于沙粒較多的土壤而BF適用于粉粒和黏粒較多的土壤。綜上，果園土壤質(zhì)地為沙壤土，沙粒較多，AF處理有利于增加 >2.00 mm 團聚體含量，而荒草地和農(nóng)田質(zhì)地為粉壤土，粉粒和黏粒較多，BF處理有利于增加>0.25～2.00 mm團聚體含量，從而提高土壤穩(wěn)定性和抗侵蝕性且效果在3種有機硅肥料中最好。

4 結(jié)論

在土壤團聚體的組成上，3種有機硅功能肥中，土壤調(diào)理劑（AF）更利于土壤>2.00 mm粒徑團聚體含量增加，而復(fù)合肥（BF）更利于>0.25～2.00 mm 粒徑團聚體含量提高。

在土壤團聚體的結(jié)構(gòu)改良上，3種有機硅功能肥與CK相比，均能一定程度提高土壤團聚體穩(wěn)定性和抗蝕性，但土壤的機械組成會影響有機硅功能肥促進不同粒徑水穩(wěn)性團聚體的形成，其中土壤調(diào)理劑（AF）最利于沙粒含量較高的沙壤土改良，而復(fù)合肥（BF）最利于粉粒和黏粒含量較高的粉壤土改良?？梢姡袡C硅功能肥對土壤結(jié)構(gòu)的改善有一定成效，且受土壤質(zhì)地影響很大，但其對土壤肥力的影響仍需長期進一步研究。

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