黄土区不同施肥措施对新造农田土壤的改良效果

武晓莉，姚晶晶，贺龙云，党宏忠，张友焱，周泽福†

(1.中国林业科学研究院荒漠化研究所，100091，北京；2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

黄土区不同施肥措施对新造农田土壤的改良效果

武晓莉1，姚晶晶2，贺龙云2，党宏忠1，张友焱1，周泽福1†

(1.中国林业科学研究院荒漠化研究所，100091，北京；2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

以晋西黄土区新造农田为研究对象，以大豆为种植作物，比较分析施用有机肥(M)、有机肥+无机肥(M+NPK)、生物菌肥(B)、生物菌肥+无机肥(B+NPK)、无机肥(NPK)和对照(CK)6种措施对新造农田土壤物理性质的影响以及大豆产量的变化。结果表明：各施肥措施均能在一定程度上改善晋西黄土区新造农田土壤物理性质并提高大豆产量。1)B+NPK措施在提高土壤最大持水量和田间持水量方面效果最显著，其最大持水量达362.80 g/kg，比CK高15.23%，比其他4种施肥措施高1.85%～4.46%；其田间持水量达340.20 g/kg，比CK高15.54%，比其他4种施肥措施高1.45%～3.19%。2)M+NPK措施在降低土壤密度、提高土壤孔隙度、改善土壤机械组成、促进水稳性团聚体形成、增加土壤有机质质量分数方面效果最显著，其大豆产量为5种施肥措施之首，高达173.55 g/m2，比CK增产235.95%，比其他4种施肥措施增产18.20%～125.80%。认为M+NPK措施是晋西黄土区新造农田培肥与土壤物理性质改良的最佳选择。

施肥措施； 土壤改良； 新造农田； 土壤物理性质； 大豆产量； 黄土区

黄土高原地区土地辽阔，光热充足，在发展农业方面具有很大的开发利用潜力。近几年，在该地区进行的大规模土地整理工程中，虽然有对表土的保护，但在表土剥离和覆土的过程中难免有大量疏松多孔、蓄水保墒能力低的生土[1]出现在耕作层，如何使新造农田得到较快地改良一直是困扰土地再利用的难题。土壤的质地、结构以及水分、空气状况等物理性状是土壤质量的重要组成部分，不仅能够直接或间接的影响植物和土壤动物的生存，还能调控土壤保持水土、提供水肥的能力[2]。良好的土壤物理性状是提高土壤肥力，增加农作物产量的重要保障。已有大量研究表明，施肥能够改善土壤的物理性状[3-5]；但长期施用无机肥料会使土壤密度增加、田间持水量降低[6-7]、土壤退化等[8]，还会影响土壤中其他离子的含量[9]，且会对土壤质量和农产品质量带来一定的污染和影响：因此人们更倾向于采用施加有机肥或有机无机肥配施的措施[10,5]来改良土壤。目前，针对土壤改良和培肥的研究多基于长期定位试验[11-13]；但耕地种植是农民生产生活的主要经济来源，大量生土裸露在新造农田表层使得土壤贫瘠、生产力低下，严重影响了当地农民的收入和生活，而动辄几十年的改良时间使大面积的新造农田不能投入使用，更加重了农民的经济压力。为弄清施肥措施在短期内对土壤改良是否有效，且何种肥料和施肥措施能快速改善当地新造农田土壤状况，本试验以黄土丘陵区新造农田生土为研究对象，开展不同有机肥料和无机肥料配施措施对新造农田生土改良效果的对比研究，分析不同施肥措施土壤物理性质的改良效果，旨在为当地筛选优良的生土改良措施提供参考。

1 研究区概况

选取山西省中阳县下枣林乡为研究区域(E111°03′10″～111°07′46″，N37°15′18″～37°21′56″)。该区域属于典型的黄土丘陵沟壑区，海拔1 400～1 500 m，属于温带大陆性季风半干旱气候，四季分明，光照充足，年平均气温10.5 ℃，极端最高气温38.1 ℃，极端最低气温-21 ℃，夏秋季雨水较多，年平均降水量464.2 mm，年最大蒸发量2 171.7 mm，最小1 766.2 mm，蒸发量大于降水量，无霜期为150～200 d。农业以种植玉米(Zeamays)、红薯(Ipomoeabatatas)、谷子(Setariaitalica)和大豆(Glycinemax(L.) Merr)为主，但土壤贫瘠，地表支离破碎。

2 研究方法

2.1 试验材料

1)供试作物：大豆。

2)供试土壤：取自中阳县下枣林乡阳坡村大规模新造农田的表层土壤，由于造田过程中机械作业使得土壤结构被破坏，且土层翻动使大量生土出现在表层，其基本理化性质见表1。

表1 供试土壤和肥料基本理化性质

3)供试肥料：(1)无机肥：尿素(含N46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 50%)；(2)有机肥：鸡粪，粪肥是最常用的一种有机肥料，含有丰富的氮、磷、钾等植物生长必需的养分，能改良土壤，所用有机肥基本性质见表1；(3)生物菌肥，生物菌肥是一种新型肥料，富含各种有益微生物，并以微生物的生命活动使植物得到特定肥料效应。本研究所用菌肥由中国林业科学研究院林业研究所提供。

2.2 试验方法

2.2.1 试验设计 试验共设6个处理：1)单施有机肥(M)；2)有机肥和无机肥配施(M+NPK)；3)单施菌肥(B)；4)菌肥和无机肥配施(B+NPK)；5)无机肥(NPK)；6)不施肥(CK)。各措施施肥量为：尿素(6 g/箱)，过磷酸钙(9 g/箱)，氯化钾(3 g/箱)，有机肥(450 g/箱)，菌肥(45 g/箱)。

试验采用种植箱种植试验，种植箱高30 cm，长40 cm，宽30 cm，根据土壤密度将供试土壤进行装箱，每个处理重复4次，每箱留苗4株，生育期统一管理；收获后采集0～20 cm耕层土壤进行理化性质的测定。

2.2.2 测定方法 土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、最大持水量和田间持水量都采用环刀法测定[14]，土壤机械组成采用比重计法[15]，土壤水稳性团聚体采用湿筛法[15]，土壤有机质测定参照NY/T 1121.6—2006《土壤检测第6部分：土壤有机质的测定》[16]执行。

2.2.3 分析方法

X[17]=n1/n2。

(1)

式中：X为结构性颗粒指数；n1为<0.001 mm细黏粒质量分数；n2为0.001～0.05 mm粉黏粒质量分数。

(2)

3 结果与分析

3.1 不同施肥措施对土壤持水量的影响

如图1所示，与CK相比，各施肥措施能够显著提高黄土区新造农田土壤的最大持水量和田间持水量。B+NPK措施对土壤最大持水量和田间持水量的促进作用大于其他措施，其最大持水量达362.80 g/kg，比CK高15.23%，比其他4种施肥措施高1.85%～4.46%(图1(a))；其田间持水量达340.20 g/kg，比CK高15.54%，比其他4种施肥措施高1.45%～3.19%(图1(b))，说明B+NPK措施在改善晋西黄土区新造农田土壤持水量方面较好，但各施肥措施之间差异不显著。

M、M+NPK、B、B+NPK、NPK、CK分别表示施有机肥、有机肥和无机肥配施、菌肥、菌肥和无机肥配施、无机肥和不施肥对照；数据为均值±标准误；字母a, b表示P<0.05条件下的显著性。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. 图1 不同施肥措施对土壤持水量的影响Fig.1 Effects of different fertilization measures on soil moisture capacity

3.2 不同施肥措施对土壤密度和孔隙度的影响

如表2所示，各施肥措施能够降低土壤密度，但M、B、NPK措施的土壤密度与CK没有显著差异，M+NPK措施的土壤密度最低，比CK降低6.28%，比其他4种措施降低约0.79%～2.87%；各施肥措施能够提高土壤非毛管孔隙度，但均与CK差异不显著；各施肥措施使土壤毛管孔隙度增加，但只有M+NPK措施与CK差异显著，比CK增加7.20%；各施肥措施下，土壤总孔隙度增加，M、B、B+NPK和NPK4种措施下土壤总孔隙度与CK差异不显著，M+NPK措施土壤总孔隙度最高，达45.52%，显著高于CK，比CK增加7.59%。说明各施肥措施能够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，这主要是有机肥本身养分丰富且质地较疏松，且有机肥和无机肥的配施能够促进大豆植株的生长，植物根系也能够疏松土壤，改善土壤结构，从而降低土壤密度，增加土壤孔隙度。

表2 不同施肥措施对土壤孔隙度的影响

3.3 不同施肥措施对土壤机械组成的影响

各施肥措施对土壤机械组成有显著影响，能降低土壤砂粒和粉粒质量分数，增加土壤黏粒质量分数。如表3所示，试验区土壤以砂粒和粉粒为主，所占比例高达90.67%～93.06%，经施肥处理后，各措施土壤砂粒质量分数显著低于CK，M+NPK措施砂粒质量分数最低，比CK低7.36%；M+NPK、B和NPK措施土壤粉粒质量分数显著低于CK，M+NPK措施土壤粉粒质量分数同样最低，比CK低1.02%；5种施肥措施土壤黏粒质量分数显著高于CK，M+NPK措施的土壤黏粒质量分数最高，达9.33%，显著高于CK和其他4种措施，比CK高34.44%，比其他4种措施高9.51%～16.04%。各施肥措施能够显著提高土壤结构性颗粒指数，M+NPK措施最高，显著高于CK和其他4种措施，比CK高37.27%，比其他4种措施高11.03%～17.05%。说明M+NPK措施对晋西黄土区新造农田土壤机械组成的改良效果最显著，对土壤颗粒细化的促进作用最强。

表3 不同施肥措施对土壤机械组成的影响

注：砂粒、粉粒和黏粒数据均为质量分数均值，P<0.05。Note: The data of sand, silt, and clay in the table are mean mass fractions，P<0.05.

3.4 不同施肥措施对土壤水稳性团聚体的影响

各施肥措施能够增加土壤有机质质量分数，促进土壤水稳性团聚体的形成。如表4所示，各施肥措施>0.25 mm的土壤水稳性团聚体质量分数显著高于CK，M+NPK措施最高，达1.62%，比CK高44.64%，比其他4种措施高2.53%～31.71%；各施肥措施平均质量直径显著高于CK，M+NPK措施最高，为14.39 mm，比CK高8.20%，比其他4种措施高0.42%～4.50%；除NPK措施外，各施肥措施土壤有机质质量分数显著高于CK，M+NPK措施最高，为2.59 g/kg，比CK高21.60%，比其他4种措施高1.57%～16.67%。有机质对水稳性团聚体的形成有重要的促进作用，因为有机碳能够被黏粒包裹形成团聚体，也可以通过物理性缠绕等将不同大小的颗粒连接成团聚体[19]，有机胶结物质还能够通过有机碳的矿化和微生物分泌物的释放使团聚体更加稳定[20]。黄土区新造农田土壤黏粒质量分数低，且微生物多样性和活性也较低，不利于团聚体的形成；但M+NPK措施能够显著增加土壤黏粒质量分数和有机质质量分数，对水稳性团聚体的形成起到促进作用。说明M+NPK措施在改善晋西黄土区新造农田土壤有机质和水稳性团聚体方面效果最显著。

土壤结构对土壤肥力有良好的协调能力，施肥能够增加土壤黏粒质量分数，而土壤有机质和养分主要分布在细颗粒中[20]。本试验中有机肥和无机肥配施措施土壤黏粒质量分数显著提高，加之有机肥本身有机质质量分数较高，使土壤有机质质量分数显著增加，从而促进土壤水稳性团聚体的形成，使得新造农田的土壤结构得到改善。

表4 不同施肥措施对土壤水稳性团聚体的影响

注：各粒径数据均为质量分数均值，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质重和产量的变化

不同施肥措施对大豆干物质量和产量的变化有显著影响。如表5所示，各施肥措施都使大豆株干物质量显著增加：M+NPK措施下大豆株干物质量最高，达26.03g，比CK增加353.48%，比其他4种措施增加54.94%～122.10%。各施肥措施都能够增加大豆产量，M+NPK措施大豆产量最高，显著高于CK和其他4种施肥措施，产量高达173.55 g/m2，比CK增产235.95%，比其他4种施肥措施增产18.20%～125.80%；B+NPK是第二高产，比CK增产184.22%；各施肥措施下大豆籽粒千粒质量显著高于CK，其中，M+NPK措施的大豆籽粒千粒质量最高，达169.81 g。说明施肥措施能够促进大豆植株生长，同时提高大豆籽粒的质量，从而增加产量；M+NPK措施的效果最显著。

表5 不同施肥措施下大豆干物质量和产量的变化

4 结论与讨论

研究结果表明，在晋西黄土区新造农田进行M、M+NPK、B、B+NPK、NPK等5种施肥措施下，土壤物理性质在短期内能够表现出一定程度的改善：B+NPK措施下土壤最大持水量和田间持水量显著高于对照，且为5种施肥措施中最高，说明生物菌肥和无机肥配施在提高土壤持水量方面效果最好；M+NPK措施下土壤密度显著低于对照，土壤孔隙度、土壤黏粒质量分数、有机质质量分数和水稳性团聚体质量分数都显著高于对照，且M+NPK措施下大豆产量最高，说明有机肥和无机肥配施在提高土壤物理性质和提高大豆产量方面效果最显著。综上所述，M+NPK措施是晋西黄土区新造农田土壤培肥改良的最优选择。

土壤物理性质是影响土壤肥力和农作物生产力的重要因素，土壤密度和孔隙度是影响土壤水、肥、气、热条件和农作物根系活力的直接因素，许多研究表明，施肥能够降低土壤密度和提高土壤孔隙度，且有机肥与无机肥配施的效果更好[2,21-22]。有学者认为土壤密度的降低和土壤孔隙度的增加主要是因为有机肥中有机质质量分数高、有机物质腐殖化系数高所致[23]。本研究中有机肥与无机肥配施措施土壤有机质质量分数最高，显著降低了土壤密度、增加了土壤孔隙度，结论与之一致；但笔者认为除有机质的作用外，该处理的大豆植株干物质质量较高，植株生长较旺盛，其根部对土壤会带来一定的疏松效果，也是造成土壤密度降低和孔隙度增加的因素之一。

张辉等[24]的数据表明生物有机肥在提高农作物产量和土壤有机质质量分数方面优于传统有机肥；但本研究中生物菌肥对大豆产量和土壤有机质质量分数的提高作用不及有机肥。这可能是因为2种生物有机肥的配方和养分含量不同，加之黄土与曲周潮褐土在理化性质方面的差异所导致。生物菌肥与无机肥配施措施下的土壤最大持水量和田间持水量比有机肥与无机肥配施措施下的高，但差异并不显著，且单施生物菌肥与单施有机肥之间差异也不显著。说明二者在提高土壤持水量方面均有效果，但短期内各措施对土壤持水量的影响差异不显著。

本研究基于盆栽试验，植株的生长环境较易控制，且土壤理化性质变化较明显，与大田试验仍存在差异，还需要在盆栽试验的同时进行长期大田试验以实现推广价值。

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(责任编辑：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

武晓莉(1986—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持与荒漠化防治。E-mail:wuxiaoli0319@126.com

†通信作者简介：周泽福(1953—)，男，研究员。主要研究方向：水土保持。E-mail:zhouzf@caf.ac.cn

S152

A

1672-3007(2015)05-0099-06

项目名称：“十二五”国家科技支撑课题“农田水土保持生物防护关键技术研究”(2011BAD31B02)