不同施肥处理下盆栽土壤通气性的变化*

白胜军，徐灵颖 ，辛 佳,3，钱成宇,4，权 玲，张文太1

(1.新疆农业大学 资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站，中国科学院 南京土壤研究所，江苏 南京 210008；3.东北农业大学 资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150030；4.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201)

氧气作为土壤气体的重要组成部分，在作物生长过程中起重要作用[1]。设施蔬菜高度集约、过量水肥的生产模式常造成土壤板结(压实)，土壤通气性降低，严重时甚至会诱发低氧胁迫[2]，抑制根系对养分的吸收[3]，进而导致减产。研究认为：土壤中氧气体积分数达到15%才能满足作物正常生长[4]；当土壤中氧气体积分数降到5%以下，作物根系就会停止发育[5]。可见，土壤氧气含量是土壤通气性能的重要指标，对保障作物健康生长、确保粮食安全具有重要意义。

国内外关于土壤通气性的研究多集中于水肥耦合加气灌溉改善土壤理化性质、提高作物产量和水分利用效率等方面[6-9]，而有关肥料影响土壤通气性的研究主要集中于团聚体[10-11]、容重[12]和孔隙度[13]等指标，如侯毛毛等[14]对比了生物有机肥和化肥施用对土壤容重和孔隙度的影响，结果表明生物有机肥处理更有利于提高土壤孔隙度。田间试验表明：相较于化肥和不施肥处理，长期施用有机肥可以提高土壤通气性，改善土壤结构[13]。有研究认为：新型肥料研发有利于绿色农业生产高质量发展[15-16]，其中化肥配施腐植酸是重要的新型肥料研发方向。腐植酸因具有丰富的羧基、酚羟基、羟基等官能团结构，具有较好的离子交换能力，对土壤结构稳定性、水气渗透能力等均具有调节作用[17]，还能提高作物产量，改善作物品质[18]。刘艳等[19]研究发现：腐植酸肥料能够显著增加土壤水稳性团聚体含量，提高其稳定性，降低土壤容重，改善土壤结构。然而，由于受测定技术所限，腐植酸肥料能否在短期内提高设施土壤通气性目前尚不清楚，不同施肥处理下土壤中氧气动态变化差异也鲜有报道。基于此，本研究以土壤氧气体积分数为出发点，以生菜为指示作物，分析不同施肥处理下土壤氧气体积分数的日、季节变化差异，为水、肥、气的精准调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与肥料

供试土壤采自江苏省南京市溧水区高塘村(N31°39′，E119°1′)处于转化期的设施菜地土壤，前期为水稻田。土壤类型为黄棕壤，质地为粉砂壤土。采集0～20 cm 的耕层土壤，风干，过2 mm 筛，混匀备用，土壤养分性质为：有机碳含量7.01 g/kg，全氮含量0.59 g/kg，碱解氮含量65.48 mg/kg，有效磷含量4.82 mg/kg，速效钾含量111.00 mg/kg。供试化肥为河南心连心化学工业集团股份有限公司提供的普通尿素(含N 45.60%)和腐植酸尿素(含N 42.80%，腐植酸含量2.70%)；供试有机肥为当地商品有机肥，主要成分为鸡粪，含N 1.20%，有机碳含量15.09%。

1.2 盆栽试验设计

盆栽试验在中国科学院南京土壤研究所温室进行，供试作物为生菜(Lactuca sativavar.ramosa)。盆栽桶为圆形，高25 cm，直径 22 cm。采用随机区组布置盆栽，试验周期为2021 年4 月—2022年3 月，重复3 茬，每茬收获后休耕20 d。控制各处理施氮量一致(180 kg/hm2)，设置不施尿素(CK)以及施用常规尿素(T1)、腐植酸尿素(T2)、有机肥(T3)、45%有机肥+55%常规尿素(T4，与当地常规一致)共5 个处理，每个处理4 个重复。施用磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)、钾肥为氯化钾(含 K2O 60%)，均购自当地农资公司，用量分别为180 和280 kg/hm2。除CK 不施氮肥外，其余处理氮磷钾用量一致。每个花盆装土约3.5 kg (风干基计)，土壤容重1.30 g/cm3，播种前一次性施肥，后续2 茬种植前不翻耕以避免土壤扰动，肥料与盆土混合均匀。施肥后管理按照一般设施蔬菜种植规范执行，菜苗长到15～20 片叶视为收获。试验结束后，在植株茎秆横向距离约5 cm 处采集100 cm3环刀样品，用于容重分析。

1.3 指标测试与分析

连续种植两季后观测土壤结构指标，包括氧气体积分数和容重。(1) 土壤氧气体积分数：采用光纤微氧传感器(OXY4-mini，德国 Presens 公司)测定[20]。第1 季播种前(2021 年4 月3 日)将测氧探针埋设于距植株茎秆横向距离5 cm、深10 cm 的土壤中，后续播种收获均未对探针进行扰动。测定尺度包括日步长和全生育期。针对全生育期土壤氧气体积分数测定，从播种开始每隔5 d 于12：3 0 测定氧气体积分数，每个处理测定3 次，直至收获；在临近收获期(2022 年2 月23 日—3 月2 日)进行日步长的土壤氧气体积分数监测，每15 min 测定1 次，测量时静置5 min，待数据稳定自动保存后手动更换到下一连接探头继续测量。(2) 土壤容重：采用称重法测定[21]，并取相同处理的4 次重复进行统计。

1.4 数据分析

采用 Excel 2013 和 SPSS 19.0 进行数据处理与分析；采用GraphPad Prism 9.0 作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理的土壤容重与氧气体积分数

由图1 可知：不同处理间的土壤容重无显著差异。T1处理的平均土壤容重最大，为1.48 g/cm3；其次是T3处理，为1.44 g/cm3；然后是CK 处理，为1.43 g/cm3；以T2和T4处理容重最低，为1.41 g/cm3。种植初期土壤容重为1.30 g/cm3，说明种植3 茬生菜后土壤容重增加，而腐植酸尿素(T2)和有机肥+尿素配施(T4)处理更有利于降低土壤容重，提高通气性。由图1 还可知：相较于CK处理，T1、T2和T3处理可显著提高土壤氧气体积分数，分别增加了7.07%、6.53%和3.20%；且T4处理与CK 处理间无显著差异。

2.2 土壤氧气体积分数随生育期的变化规律

由图2 可知：整体上，生育期内T1和T2处理的土壤平均氧气体积分数最高，分别为18.85%和17.50%；其次是T3和T4处理，分别为14.95%和13.31%；CK 处理最低，为12.75%。各处理间的变化趋势明显，其中，CK 处理的波动变化最明显，峰值出现在1 月2 日、1 月27 日和2 月11 日，分别为12.14%、14.90%和14.57%；T1和T2处理变化趋势较为一致，从播种期到收获期，T1处理的土壤氧气体积分数从16.82%缓慢上升至19.68%，T2处理从12.68%上升至18.85%；T3和T4处理的土壤氧气体积分数均呈先升后降又缓慢回升的变化趋势。

图2 不同处理土壤氧气体积分数随时间的动态变化Fig.2 Dynamic change of soil oxygen volume fraction over time for different treatments

2.3 土壤氧气体积分数的日变化规律

由图3 可知：不同处理间的土壤氧气含量日动态变化整体趋势较一致。T1和T2处理的平均氧气体积分数最高，分别为19.68%和19.55%；T3和T4处理次之，分别为14.88%和13.61%；CK 处理最低，为11.93%。土壤氧气体积分数日变化大致可划分为4 个时间段：0：0 0-5：3 0、5：3 0-13：0 0、13：0 0-18：0 0 和18：0 0-0：0 0。0：0 0-5：3 0 阶段，各处理的土壤氧气体积分数均呈下降趋势。5：3 0-13：0 0 阶段，除CK 处理外，其他处理的土壤氧气体积分数基本保持不变。13：0 0-18：0 0 阶段，各处理的土壤氧气体积分数呈增加趋 势。18：0 0-0：0 0 阶段，CK、T3和T4处理的土壤氧气体积分数均呈先升高后降低的趋势，分别在21：0 0、20：3 0 和21：3 0 达到峰值，分别为13.67%、17.03%和14.90%；而T1和T2处理的土壤氧气体积分数在约18：0 0 达到峰值，18：0 0-0：0 0 阶段呈下降趋势。综合来看，相较于有机肥以及有机肥+尿素配施处理，施用尿素和腐植酸尿素会影响土壤氧气体积分数，导致其峰值提前。

图3 不同处理土壤溶解氧体积分数的日动态变化Fig.3 Diurnal dynamic change of soil oxygen volume fraction under different treatments

3 讨论

土壤中氧气体积分数达到15%才能满足作物呼吸作用的需求[4]。本研究表明：相较于不施肥(CK)处理，施用肥料可显著提高土壤氧气体积分数，增加幅度为3.20%～7.07%。这与谷晓博等[22]对不同施氮量下冬油菜土壤氧气量的研究结果有所不同，其研究表明旺盛期不同施氮量土壤氧气浓度不存在明显差异，这可能是由于该研究采用覆膜处理，能够保水保墒，对土壤和大气之间的气体交换存在阻碍作用，弱化了施肥量对土壤通气性的影响。尿素和腐植酸尿素对土壤氧气体积分数的增加效果显著高于商品有机肥以及有机肥+尿素配施处理，土壤氧气体积分数最高达20.13%，这与前人“有机肥更有利提高土壤通气性”的研究结论[23]相悖。由于氧气测量仪测定的是表层土壤和大气不断交换部分的氧气体积分数，其变化主要由作物根系/土壤微生物呼吸以及土壤孔隙分布决定。本研究显示：腐植酸尿素和有机肥+尿素配施处理的土壤容重最小，说明有机碳源(如腐植酸、有机肥)和化学氮肥(尿素)组合更有利于增加土壤总孔隙度。LUAN 等[24]研究也发现：有机无机配合能够显著增加土壤孔隙，提高土壤保水性和通气性。此外，本研究还显示：尿素处理的土壤容重最大，且土壤氧气体积分数较高，由于其总孔隙度较低，所以其高氧气体积分数可能主要是由于作物根系/土壤微生物有氧呼吸作用减慢。这一结果暗示了传统尿素处理会降低土壤通气性，作物/土壤微环境退化，进而影响作物生长。与传统尿素不同，有机肥处理的容重略高于CK 处理，且土壤氧气体积分数较低，这可能是以下2 个因素共同作用的结果：(1) 有机肥投入量难以在短期内快速改善土壤团聚结构，对土壤容重和氧气体积分数的改良效率较低[25]；(2) 有机肥增加了土壤微生物活性，有机质分解过程中土壤呼吸作用增强，使得土壤环境氧气消耗，氧气体积分数下降。因此，从土壤容重和氧气体积分数的结果综合来看，腐植酸尿素处理更有利于提高土壤通气性，改善栽培土壤微环境。

叶类蔬菜(本研究指生菜)属于生育期短的作物，需要保肥、透水、通气的环境才能满足生长需求。本研究的肥料处理均在同一氮、磷、钾用量梯度，而供试土壤质地相对比较黏重，故推测合理的土壤通气性(土壤氧气体积分数)是保障作物生长的首要前提[26]。在叶菜幼苗期(2021 年12 月28 日—2022 年1 月2 日)，各处理土壤氧气体积分数均出现不同程度上升。由于土壤硝化作用需要充足的氧气供应[27]，所以土壤氧气增加可以间接表明该时期土壤硝态氮含量增加，以供应生菜吸收氮素，形成正向反馈，蔬菜根系进入地下，提高了耕层的氧气体积分数。成熟期至收获期(2022 年2 月11 日—2022 年3 月8 日)，CK 处理氧气体积分数下降，可能是由于不施肥土壤活性有机氮残留较少，需要通过微生物分解转化有机态氮和固定态铵来维持作物生长，大量氧气消耗导致该时期氧气体积分数明显下降；然而，在这一时期，T1和T2处理的土壤氧气体积分数无显著上升趋势，与T3和T4处理的变化趋势明显不同，这可能与肥料氮形态影响土壤养分供应有关。T1和T2处理施用的是尿素类氮肥，T3和T4处理的有机肥虽然也是以等氮形式投入，但其形态主要为有机态氮，在作物吸收利用过程中需要更多能量消耗，与土壤周边的空气交换更为频繁。此外，土壤氧气与外界温度变化关系显著[28]，本研究发现：0：0 0-5：3 0 土壤氧气体积分数逐渐下降，这是由于5：3 0-6：0 0 是一天中土壤温度最低的时间[29]，随着温度下降土壤氧气体积分数减小；白天随着气温上升，土壤水分蒸发增加氧气向土壤的扩散，使得土壤氧气体积分数逐渐增加[30]。在日动态变化中，不同施肥处理的氧气体积分数达到最大峰值的时间存在明显不同，但均在18：0 0 之后，这是由于土壤具有保温功能，土壤温度变化存在滞后性[31]；此外，不同施肥处理对土壤保温保墒的作用效果存在差异，导致土壤氧气体积分数峰值不同。本研究只分析了不同肥料处理在一次施肥背景下土壤氧气体积分数的变化趋势，但蔬菜实际生产的肥料用量大，施肥次数多，后续研究需综合考虑施肥次数和施肥量等的影响。

4 结论

相较于施用有机肥以及有机肥+尿素配施，施用腐植酸尿素可显著提高土壤氧气体积分数，且土壤容重低。不同处理的土壤氧气体积分数在生育期内的变化并不一致，除苗期外，尿素和腐植酸尿素的土壤氧气体积分数平缓上升，而有机肥以及有机肥+尿素配施处理下土壤氧气体积分数呈明显波动。土壤氧气体积分数在白天呈明显上升趋势，但其达到峰值的时间受肥料类型的影响。