黄土高原沟壑区不同施肥下植物对土壤容重和孔隙度的影响

尤 伟，高照良，边 峰

（1．水利部水土保持监测中心，北京100053；2．西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；3．黄河水利委员会 天水水土保持科学试验站，甘肃 天水741000）

中国科学院长武试验站于1984年由西北农林科技大学水土保持研究所建立，1991年加入中国生态系统研究网络（CERN），2005年12月经科技部批准，成为农田生态系统国家野外科学观测研究站，2007年入选为水利部“水土保持科技示范园区”。期间并成为陕西省农业科学实验基地和西北农林科技大学野外科研教学实习基地。试验设在中国科学院水利部水土保持研究所长武农业生态试验站进行。该站位于黄土高原中南部的陕甘交界处，地处 N35°12′，E107°40′，海拔1 200m，暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水584mm，降雨季节分布不均，多集中于夏秋季节，平均气温9．1℃，无霜期171d，地下水埋深50～80m。

黄土高原丘陵沟壑区由于严重的水土流失和长期的不合理开发利用，土地资源严重退化，地形支离破碎，植被严重破坏、植物退化、生态系统生产力及功能急剧衰退，属于生态脆弱区［1－2］。本文采用野外种植和实验室测定相结合的研究方法［3］，在长武王东沟修建实验小区（2m×2m），每个小区用砖块砌筑间隔，小区内填50cm生土（来源于附近荒地）模拟弃土场，小区内种植植物。7种植物在不施肥、施有机肥和秸秆处理下均能明显降低弃土场0－20cm土壤容重、提高孔隙度，改善弃土场土壤物理结构，有利于弃土场的土壤肥力改良。综合以上数据，秸秆对土壤0－20 cm土层容重和孔隙度的改善效果明显优于不施肥和施有机肥处理，三种处理方式下0－10cm土层的容重和孔隙度情况优于10－20cm土层。土壤的物理性状主要包括土壤温度、土壤水分、土壤容重、孔隙度以及团粒结构等，而容重和孔隙度是表征土壤物理性质的重要指标之一，它们与土壤的团粒结构、土壤松紧、以及土壤腐殖质含量息息相关［4］，同时也对土壤中的水、肥、气、热等资源的含量和供应状况有影响。因此，研究土壤容重和孔隙度对于评价土壤的肥力也是十分必要的。

1 对0－10cm土层容重和孔隙度的影响分析

土层容重是指单位容积原状土壤干土的质量，通常以g／cm3表示［5］；孔隙度是指单位容积土壤中孔隙所占的百分率，即土壤固体颗粒间孔隙的百分率。土壤总孔隙度包括毛管孔隙及非毛管孔隙［6］。由图1可以看出，不同处理下植物土壤容重的变化规律不同。在不施肥处理中，除沙打旺（1．36g／cm3）和黑麦草（1．33g／cm3）容重略微大于对照，紫花苜蓿（1．32g／cm3）与对照相同，其他各植物容重值与对照相比均有所降低，容重值最低为白三叶（1．22g／cm3），比对照降低0．1 g／cm3。该处理下按照各植物容重值由小到大的顺序排列为：白三叶＜红豆草＜小冠花＜草木樨＜紫花苜蓿＜黑麦草＜沙打旺，平均容重值为1．29g／cm3，较对照降低0．03g／cm3。观察图2，各植物在不施肥处理下孔隙度的变化规律与容重相反，沙打旺（48．82%）和黑麦草（49．69%）孔隙度略微低于对照，紫花苜蓿（50．17%）接近对照值，其他各植物孔隙度与对照相比均有所增加，孔隙度最大为白三叶（54．02%），比对照提高3．96%。将该处理下各植物的孔隙度由大到小的顺序排列为：白三叶＞红豆草＞小冠花＞草木樨＞紫花苜蓿＞黑麦草＞沙打旺，平均孔隙度为51．39%，比对照增加1．33%。

图1 不同施肥下各植物0－10cm土层容重值

以上研究数据说明种植植物对于降低土壤容重和提高土壤孔隙度有积极的作用。豆科植物根系较多，在土壤中生长、穿插，能够促进土壤中的团粒结构的形成，使土壤变得疏松多孔，提高土壤的渗透性能，防止土壤板结，从而降低土壤的容重、提高土壤的孔隙度，改善土壤的结构，调节土壤水肥气热等资源，进而增强土壤的保水保肥能力，有利于作物的生长。

图2 不同施肥下各植物0－10cm土层孔隙度值

各植物在施肥处理下容重值大小顺序为：白三叶＜沙打旺＜黑麦草＜草木樨＜红豆草＜ 紫花苜蓿＜小冠花，平均容重值是1．27g／cm3，比对照降低0．05g／cm3，比不施肥处理下平均值降低0．02g／cm3。该处理下的容重值最小为白三叶，与不施肥处理下相同，仍为1．22g／cm3；最大值为小冠花1．31g／cm3，比对照值低0．01g／cm3。沙打旺与黑麦草在施肥后的土壤容重明显降低，沙打旺降低0．13g／cm3、黑麦草降低0．06 g／cm3，说明施肥条件下更有利于沙打旺和黑麦草对土壤容重的改变。观察图2中各植物在施肥处理下土壤孔隙度的情况，其变化规律与容重相反，将其按照由大到小的顺序排列为：白三叶＞沙打旺＞黑麦草＞草木樨＞红豆草＞紫花苜蓿 ＞小冠花，平均孔隙度为51．94%，比对照增加1．88%，比不施肥处理的平均值增加0．55%。该处理下孔隙度最大为白三叶（53．89%），比对照增加3．83%；最低为小冠花（50．43%），比对照增加0．37%。

总体来看施肥处理下各植物的土壤容重均小于对照，其平均值也比不施肥处理降低0．02 g／cm3；土壤孔隙度均高于对照值，比不施肥处理的平均值增加0．55%。说明土壤中施加有机肥后，有利于土壤容重的减小和孔隙度增加。施有机肥能够使土壤保持疏松状态，促进土壤结构体的形成，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，使土壤的通气性增强，从而能很好的改良弃土场土壤的物理性状，有利于提高土壤的保水保肥能力，促进植物的生长，进而能更好的改良弃土场土壤肥力状况。

施秸秆处理后各植物的土壤容重情况见图1，观察得知除白三叶变化不明显外，其余各植物较前两种处理均有明显的降低，沙打旺降低幅度最大，其容重值为1．02g／cm3，比对照降低0．3 g／cm3，比不施肥处理降低0．34g／cm3，比施肥处理降低0．2g／cm3，说明施秸秆能更进一步促进沙打旺对土壤容重的改良。该处理下各植物土壤容重由小到大为：沙打旺＜小冠花＜红豆草＜草木樨＜白三叶＜黑麦草＜紫花苜蓿，各植物平均值为1．17g／cm3，较对照降低0．15g／cm3，较不施肥降低0．12g／cm3，较施有机肥降低0．1g／cm3。由图2观察得知，除白三叶外，施秸秆处理下种植各植物的土壤孔隙度较另外两种处理均有明显的提高，孔隙度大小顺序为：沙打旺＞小冠花＞红豆草＞草木樨＞白三叶＞黑麦草＞紫花苜蓿，该处理下土壤孔隙度平均值为55．93%，比对照高5．87%，比不施肥处理高4．54%，比施肥处理高3．99%。

由以上数据来看，秸秆的施入对弃土场土壤容重和孔隙度的改良有明显的效果。在弃土场土壤改良中施入秸秆，能降低土壤容重、提高土壤孔隙度，使土壤物理性状得到改善，进而有利于植物生长，这对于弃土场的植被恢复有着十分重要的意义。

2 对10－20cm土层容重和孔隙度的影响分析

图3中不施肥处理下种植各植物的土壤容重值，从小到大顺序为：小冠花＜白三叶＜沙打旺＜黑麦草＜红豆草＜紫花苜蓿＜草木樨，小冠花明显低于其他植物，为1．22g／cm3，比对照降低0．17g／cm3；草木樨在该处理下的容重值最大值，1．34g／cm3，比对照小0．05g／cm3。该处理下种植各植物的平均容重为1．31g／cm3，低于对照，但是比该处理0－10cm土层容重值增加0．02 g／cm3。各植物在不施肥处理下的土壤孔隙度与容重变化规律相反，小冠花＞白三叶＞沙打旺＞黑麦草＞红豆草＞紫花苜蓿＞草木樨，小冠花的孔隙度最大，为53．79%，比对照增加6．24%。该处理平均孔隙度为50．71%，比对照高3．16%，比0－10cm土层低0．68%。综合以上数据表明，不施肥处理下各植物对10－20cm土层容重和孔隙度的改善仍然起到了作用，但是改善效果低于0－10cm土层。这可能是由于植物种植时间较短，根系还未能全部伸展到土壤10－20cm土层内，因此对该层土壤物理结构的改善作用亚于对0－10cm土层的作用，其后续改善作用还有待于进行长期的实验研究。

图3 不同施肥下各植物10－20cm土层容重值

施有机肥处理下所有植物土壤容重均小于对照，其大小顺序为：红豆草＜紫花苜蓿＜小冠花＜白三叶＜沙打旺 ＜ 黑麦草＜草木樨，平均容重值是1．35g／cm3，比对照降低0．04g／cm3，比不施肥处理下平均值增加0．04g／cm3。该处理下的容重值最小为红豆草，为1．31g／cm3，比对照值低0．08g／cm3；最大值为草木樨1．38g／cm3，比相同处理下0－10cm土层容重增加0．09 g／cm3。相比不施肥处理，沙打旺与黑麦草施有机肥后的0－10cm土层容重值明显降低，但是在10－20cm土层反而增加，只有红豆草和紫花苜蓿比不施肥处理略有降低。

观图4中各植物在有机肥处理下孔隙度情况，将其按由大到小顺序排列为：红豆草＞紫花苜蓿＞小冠花＞白三叶＞沙打旺＞黑麦草＞草木樨，平均孔隙度为49．08%，比对照增加1．53%，比不施肥处理的平均减少1．63%。该处理下孔隙度最大为红豆草（50．38%），比对照增加2．83%；最低为草木樨（50．43%），比对照增加0．42%。

图4 不同施肥下各植物10－20cm土层孔隙度值

总体来看施有机肥处理下种植各植物的土壤容重仍然小于对照，孔隙度均高于对照，但是与不施肥处理相比容重增加0．04g／cm3、孔隙度降低1．63%；与施肥处理下0－10cm土层相比容重增加0．08g／cm3、孔隙度降低2．86%，说明施肥对10－20cm土层的容重和孔隙度改良仍有效果，但是比0－10cm土层的效果差。

施入秸秆后各植物的土壤容重由小到大依次为：草木樨＜小冠花＜黑麦草＜红豆草＜紫花苜蓿＜沙打旺＜白三叶，平均容重值为1．25g／cm3，较对照降低0．14g／cm3，较不施肥降低0．06 g／cm3，较施肥降低0．1g／cm3，较相同处理下0－10cm土层容重增加0．08g／cm3。除白三叶和小冠花外，其余各植物较不施肥处理有明显的降低；7种植物施入秸秆后10－20cm土层容重值均明显低于施肥处理。秸秆处理条件下各植物孔隙度平均值为52．82%，比对照高5．27%，比不施肥处理高2．11%，比有机肥处理高3．74%。种植各植物的土壤孔隙度大小顺序为：草木樨＞小冠花＞黑麦草＞红豆草＞紫花苜蓿＞沙打旺＞白三叶。

由以上数据来看，秸秆的施入对弃土场10－20cm土层土壤容重和孔隙度的改良效果仍然优于不施肥和施肥处理，但是比0－10cm土层效果差。在弃土场土壤改良中施入秸秆，能有效改善土壤的物理性状，降低土壤容重、提高土壤孔隙度，从而有利于弃土场的植被恢复。

3 结论

综合分析三种处理方式下种植各植物土壤的容重和孔隙度情况，在种植白三叶、草木樨等7种作物的条件下，不施肥、施有机肥、施秸秆均能明显降低弃土场0－20cm土壤容重、提高孔隙度，改善弃土场土壤物理结构，有利于弃土场的土壤肥力改良。秸秆对土壤0－20cm土层容重和孔隙度的改善效果优于不施肥和施有机肥处理，三种处理方式下0－10cm土层的容重和孔隙度情况优于10－20cm土层。

在0－10cm土层：不施肥处理下种植各植物土壤的容重和孔隙度平均值分别为1．29g／cm3、51．39%，相比对照变化为，容重降低0．03 g／cm3、孔隙度增加1．33%；施有机肥处理下各植物容重和孔隙度平均值分别为1．27g／cm3、51．94%，相比对照变化为，容重降低 0．05 g／cm3、孔隙度增加1．88%，相比不施肥处理容重降低0．02g／cm3、孔隙度增加0．55%；施秸秆处理下各植物的土壤容重和孔隙度平均值分别为1．17g／cm3、55．93%，相比对照变化为，容重降低0．15g／cm3、孔隙度增加5．87%，相比不施肥容重降低0．12g／cm3、孔隙度增加4．54%，相比施肥容重降低0．1g／cm3、孔隙度增加3．99%。

在10－20cm土层：不施肥处理下各植物的土壤容重和孔隙度平均值分别为1．31g／cm3、50．71%，相比对照变化为，容重降低0．08 g／cm3、孔隙度增加3．16%；施肥处理下各植物的土壤容重和孔隙度平均值分别为1．35g／cm3、49．08%，相比对照变化为，容重降低0．04g／cm3、孔隙度增加1．53%，相比不施肥处理容重增加0．04g／cm3、孔隙度降低1．63%；施秸秆处理下各植物的土壤容重和孔隙度平均值分别为1．25 g／cm3、52．82%，相比对照变化为，容重降低0．14 g／cm3、孔隙度增加5．27%，相比不施肥容重降低0．06g／cm3、孔隙度增加2．11%，相比施肥容重降低0．1g／cm3、孔隙度增加3．74%。

［1］李永红，高照良，彭珂珊．中国耕地资源保护与可持续利用研究［M］．北京：中国言实出版社，2011．

［2］侯晓杰，汪景宽，李世朋．不同施肥处理与地膜覆盖对土壤微生物群落功能多样性的影响［J］．生态学报，2007（2）：12－15．

［3］李成亮，孔宏敏，何园球．施肥结构对旱地红壤有机质和物理性质的影响［J］．水土保持学报，2004（6）：112－114．

［4］曾路生，高岩，李俊良，等．寿光大棚土壤团聚体中交换性盐基离子组成与土壤团聚性关系［J］．水土保持学报，2011（5）：114－118．

［5］陈义群，董元华，王辉．不同农业措施对草莓连作土壤微生物群落特征的影响［J］．安徽农业科学，2011（25）：112－114．

［6］徐海．旱地农田土壤营养协调疲劳症及其发生机理［D］．杨凌：西北农林科技大学，2011．