长期不同施肥对黄壤主要物理性状的影响

张 艳，刘彦伶，李 渝，黄兴成，张雅蓉，杨胜玲，2，张文安，蒋太明

（1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；3.农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006；4.贵州省农业科学院茶叶研究所，贵州 贵阳 550006）

黄壤占贵州土壤面积的46.40%［1］，其黏、酸、瘦等障碍因子制约了农业生产［2］，加之近年来不合理施用化肥导致土壤物理性状变差，不利于土壤质量健康和农业可持续发展［3］。因此，改善黄壤区土壤质地、孔隙、持水、通透性等主要物理性状对于耕地质量提升具有重要意义。有机肥主要成分为有机碳，并含多种养分，具有疏松多孔、养分丰富、肥效持久等特点［4］。施用有机肥可改善土壤质量［5］，是改善土壤物理性状的关键措施之一。王道中等［5］研究表明，施用有机肥可以降低土壤容重，提高土壤持水性。赵婷婷等［6］研究表明，施用有机肥可提高土壤养分。GUO等［7］研究发现，施用有机肥可以改善土壤孔隙。关于施用有机肥对土壤物理性状的影响已开展较多研究，但在黄壤区施用牛粪有机肥对不同层次土壤物理性状的影响缺乏系统研究［8］。基于此，笔者以黄壤肥力与肥效长期定位试验为依托，探明长期施肥对不同层次土壤物理性状的影响，为黄壤区合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内，土壤类型为黄壤土类黄泥土，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。黄壤长期定位试验始于1995年，试验前耕层（0～20 cm）土壤性质为：w（有机质）43.6 g/kg，w（全氮）2.05 g/kg，w（全磷）0.99 g/kg，w（全钾）10.7 g/kg，w（碱解氮）167.0 mg/kg，w（有效磷）17.0 mg/kg，w（速效钾）109.0 mg/kg，pH 6.70。

1.2 试验设计

试验采用大区对比试验设计，小区面积340 m2（35.7 m×5.6 m），设置有10个施肥模式，本研究选取其中5个：CK（不施肥）、NPK（常规化肥）、1/4M+3/4NP（25%有机肥替代化肥）、1/2M+1/2NP（50%有机肥替代化肥）、M（施有机肥）。供试化肥为尿素（w（N）46.0%）、过磷酸钙（w（P2O5）12.0%）和氯化钾（w（K2O）60%）；有机肥为牛厩肥，鲜基养分多年测试平均w（N）2.7 g/kg、w（P2O5）1.3 g/kg、w（K2O）6.0 g/kg。不同处理施肥量见表1，氮肥按幼苗肥40%、大喇叭口肥60%分2次追施，磷钾肥和有机肥作基肥一次性施用。种植制度为玉米-冬闲，冬季翻耕炕田。试验过程中不使用除草剂、杀虫剂等化学农药，所有处理除施肥差异外，其他农事活动均一致。

表1 不同施肥模式施肥量 kg/hm2

1.3 样品采集与分析方法

由于长期定位试验小区面积较大并未设置重复，本研究将试验地延长边三等分，设置3个调查取样重复小区，于2019年9月玉米收获后采用“S”形五点取样法采集0～20 cm、＞20～40 cm深度的土壤样品，将采集的土样去除根系带回室内风干，测定土壤机械组成，采用标准体积为100 cm3环刀取土（0～5 cm、＞5～10 cm、＞10～20 cm、＞20～30 cm），用环刀法测定土壤容重，并用环刀法［9］测定土壤最大持水量和田间持水量。

最大持水量测定：将装有湿土的环刀，揭去上、下底盖，仅留一垫有滤纸的带网眼的底盖，放入平底盘，注入水并保持盘中水层的高度至上沿，吸水24 h，此时土壤中所有毛管孔隙及非毛管孔隙都充满了水分，盖上上、下底盖，水平取出，立即称量，计算出土壤最大持水量。

田间持水量测定：将上述称量后的环刀，揭去上、下底盖，继续放入铺有干砂的平底盘中，保持24 h，此时环刀中土壤的水为毛管悬着水，盖上上、下底盖，水平取出，立即称量，计算出土壤田间持水量，在105℃下烘干至恒质量测定土壤水含量，其中土壤相对密度取值为2.65。

激光粒度仪法（型号：丹东百特BT9300st）测定土壤机械组成，参照国际制分类方法，按照粒径将土壤颗粒分成3类：砂粒（0.020～2.000 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）和黏粒（＜0.002 mm）。以上均按照土壤物理性质测定法测定［10］。计算方法均参照文献［11-12］，计算公式为：

土壤三相比=土壤固体体积∶土壤液体体积∶土壤气体体积=（100%-土壤总孔隙度）∶（土壤水含量×容重）∶（土壤总孔隙度-土壤水含量×容重）。

式中，STPSD代表土壤三相结构距离，土壤三相结构越接近理想状态，STPSD越接近0；GSSI代表广义土壤结构指数，土壤结构越接近理想状态，GSSI越接近100。φs为固相体积分数（＞25%），φl为液相体积分数（＞0），φg为气相体积分数（＞0）。

1.4 数据分析

数据的统计与分析采用Excel 2019、IBM SPSS Statistics 20软件进行，处理间差异性采用邓肯新复极差法（Duncan）检验。

2 结果与分析

2.1 长期不同处理对土壤机械组成和分形维数的影响

长期不同施肥处理对土壤机械组成与分形维数的影响主要集中在0～20 cm土层土壤中（见表2），对深层土壤影响较小。在0～20 cm土层中，与CK处理相比，施用有机肥的各处理黏粒体积分数显著降低了10.13%～23.60%，砂粒体积分数显著增加了8.42%～30.57%。与单施化肥处理相比，施用有机肥的各处理黏粒体积分数显著减少了11.76%～14.99%，砂粒体积分数显著增加了11.40%～34.17%。

表2 不同施肥处理土壤机械组成与分形维数特征

在＞20～40 cm土层中，与CK处理相比，施用有机肥的各处理黏粒体积分数显著增加7.84%～27.95%，砂粒体积分数显著降低4.64%～22.95%。与NPK处理相比，施用有机肥各处理黏粒体积分数增加15.45%～36.98%，砂粒体积分数减少13.28%～29.93%。不同处理间分形维数无显著差异，但随土壤深度的增加，分形维数有增加的趋势，增幅不明显。

2.2 长期不同施肥处理对土壤水含量的影响

不同施肥处理对土壤水含量的影响见图1。由图1可知，长期不同施肥处理均不同程度影响土壤水含量。与CK处理相比，NPK处理0～30 cm土壤平均水含量显著降低了7.00%，M处理0～30 cm土壤平均水含量显著增加了6.92%。不同施肥处理中，0～5 cm土壤水含量均最小，在＞5～10 cm土层中，与NPK处理相比，施用有机肥的各处理土壤含水量提高了10.65%～24.09%，以M处理增幅最大。

图1 不同施肥处理土壤水含量

2.3 长期不同处理对土壤容重和孔隙度的影响

5种不同施肥处理整体表现出随着土层深度增加，土壤容重增加、孔隙度降低的趋势（见图2、表3）。在＞5～10 cm土层，与CK相比，施用有机肥的各处理土壤容重显著减少了1.88%～5.87%，以M处理降幅最大。与NPK处理相比，施用有机肥的各处理土壤容重显著减少了5.25%～12.72%。在＞10～20 cm土层，与CK处理相比，1/2M+1/2NP、M处理土壤容重降低了5.25%～15.40%。与NPK处理相比，M处理土壤容重显著减少了10.63%。

图2 不同处理土壤容重

表3 不同施肥处理对土壤孔隙的影响

在＞5～10 cm土层，与CK处理相比，施用有机肥的各处理土壤总孔隙度增幅较大且差异明显。与NPK处理相比，M处理土壤总孔隙度显著增加了7.64%。在＞10～20 cm土层，与CK处理相比，NPK、1/2M+1/2NP、M处理土壤总孔隙度分别增加了6.52%、4.12%、12.04%，1/4M+3/4NP处理土壤总孔隙度减少了5.43%。在0～5 cm、＞20～30 cm土层中，各处理土壤总孔隙度间无明显差异，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度也呈现相同的趋势。在＞5～10 cm土层，不同处理对土壤毛管孔隙度的影响规律与土壤总孔隙度基本一致，施用有机肥的各处理土壤毛管孔隙度显著高于CK，以M处理增幅最大。在＞10～20 cm土层，M处理土壤毛管孔隙度显著高于CK和NPK处理。在＞5～10 cm、＞10～20 cm土层各处理土壤非毛管孔隙度无明显差异。

2.4 长期不同处理对土壤持水性的影响

不同施肥处理对不同土层土壤持水性有一定的影响（见图3）。在＞5～10 cm土层，与NPK处理相比，施用有机肥的各处理土壤最大持水量增加了5.82%～24.20%；在＞10～20 cm土层，与NPK处理相比，M处理土壤最大持水量显著增加了19.71%。在＞5～10 cm土层，不同处理对土壤毛管持水量的影响规律与土壤最大持水量基本一致；在＞10～20 cm土层，与NPK处理相比，M处理土壤毛管持水量增加了7.92%。在＞5～10 cm土层，不同处理对土壤田间持水量的影响规律与土壤最大持水量、毛管持水量呈同样趋势；在＞10～20 cm土层，与NPK处理相比，M处理土壤田间持水量增加了7.92%。长期施肥对0～5 cm和＞20～30 cm土层土壤持水性影响不明显。

图3 不同施肥处理对土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤田间持水量的影响

2.5 长期不同处理对土壤三相比的影响

不同施肥处理对不同土层土壤三相比有一定的影响（见表4）。在＞5～10 cm土层，与CK处理相比，各施肥处理土壤固相率降低了7.60%～19.26%，以M处理降幅最大且差异显著。与NPK处理相比，M处理土壤固相率显著降低了8.90%，液相率显著增加了5.11%，气相率显著增加了15.05%。与CK和NPK处理相比，施用有机肥的各处理STPSD（土壤三相结构距离）显著降低，各处理GSSI（土壤结构指数）无显著差异。在＞10～20 cm土层，与CK处理相比，M处理土壤固相率显著降低了10.19%，气相率显著增加了145.99%；土壤液相率各处理间无显著性差异。与NPK处理相比，M处理土壤固相率显著降低了4.95%，气相率显著增加了56.41%，施用有机肥的处理GSSI显著提高、STPSD显著降低。长期施肥对0～5 cm和＞20～30 cm土层土壤三相比的影响不明显。

表4 不同施肥处理对土壤三相比的影响

3 讨论

土壤机械组成是土壤的关键物理特性之一，对土壤保水、保肥等具有明显的影响，分形维数可反映土壤质地、物理性状及土壤肥力等特征，与土壤结构稳定性息息相关，分形维数越小说明土壤结构越稳定［11-12］。本研究表明，长期施肥主要影响耕层，对深层土壤影响不明显。在耕层土壤中，施用有机肥的各处理土壤分形维数均比不施肥和单施化肥处理小，表明施用有机肥有利于土壤结构趋于稳定。这与孙梅等［13］、王少博等［14］研究结果一致。其原因可能是施用有机肥可以显著提高黄壤有机碳含量，而有机碳的增多有利于土壤细颗粒的存留，另外，施用有机肥改善了黄壤肥力，使土壤能截留风蚀所带来的细颗粒［15］。

肥料的合理施用能促进作物根系深扎，增强作物对深层水分的利用［16］。施用有机肥可以提高土壤水含量。本试验结果表明，与不施肥和单施化肥处理相比施用有机肥的各处理土壤水含量均不同程度地提高。这与前人研究结果一致［17］。主要是由于有机肥的施用能够改善土壤孔隙状况，提高土壤保水性［18］。施肥可以影响土壤容重和孔隙性，对评价土壤质量具有重要意义。本研究结果表明，5种不同施肥整体表现出随着土层深度的增加，土壤容重增加、孔隙度降低的趋势。在0～20 cm土层中，与不施肥和单施化肥处理相比，施用有机肥的各处理土壤容重降低了5.47%～15.40%，土壤总孔隙度增加了4.12%～20.97%。这与前人研究结果一致［19］。这可能是有机肥能改善根系环境，促进土壤疏松多孔，且有机肥施用后产生稀释作用，土壤容重降低，孔隙性得到了改善［20］。

土壤粒径组成决定土壤孔隙结构，而孔隙结构影响土壤水分运动，从而影响土壤三相比［20］。本研究表明，在0～20 cm土层中，与不施肥和单施化肥处理相比，施用有机肥的各处理土壤最大持水量、毛管持水量、田间持水量分别增加了5.82%～39.94%、5.58%～18.25%、1.80%～27.73%。长期施用有机肥可显著提高土壤持水性能，增加土壤气相率，改善土壤通气性。而在深层土壤中，5种处理无显著差异。这与前人研究结果一致［11，21］。其原因可能是牛粪有机肥施入后影响土壤孔隙结构，进而改善了土壤持水性和三相比。

4 结论

长期施肥对黄壤理化性状的影响主要在耕层，对深层土壤影响不明显。长期施用有机肥明显改善了土壤机械组成，促进土壤结构稳定，降低土壤容重，改善了土壤持水性和土壤通气性。因此，在贵州黄壤区农业生产中应重视有机肥的合理施用。