长期施用化肥与有机肥对黄壤物理特性的影响

张 艳， 刘彦伶， 李 渝， 黄兴成， 张雅蓉， 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)

0 引言

【研究意义】土壤是农业生产的物质基础，土壤物理性质是土壤质量的重要组成部分[1]；土壤物理性质不仅影响土壤保肥和供应水肥的能力，对调控土壤气热状况和地表径流也具有重要作用；土壤肥力的发展与演变是一个长期的过程。黄壤黏粒含量高，干时坚硬，湿时黏闭，耕性和通透性差，易旱易涝，物理性状差是黄壤肥力水平较低的主要原因，采用长期定位试验研究施肥对土壤肥力的影响比短期试验更加准确可靠，具有重要的生产指导意义[2-3]。【前人研究进展】大量研究表明，长期施用有机肥可降低土壤容重、改善土壤机械组成、提高土壤孔隙度和持水能力，进而改善土壤的物理特性。但由于试验条件的差异，长期施用化肥对物理性状影响结果不尽一致。长期施用化肥，栗褐土[3]和红壤[4]物理性质呈变劣趋势，黄潮土[5]和棕壤[6]物理性质一定程度上得到改善。原因可能是土壤基础肥力、施肥水平以及作物生长状况不同所致。黄壤是西南地区典型的地带性土壤，其中，以贵州分布面积最大，全国25.30%的黄壤分布在贵州，占贵州土壤面积的46.40%，是贵州省农业用地的主要土壤类型。【研究切入点】关于长期施肥对土壤化学性质和生物学性质方面已有研究报道[7-10]，但对土壤物理性状影响方面的研究相对不足，有待进行长期定位试验研究。【拟解决的关键问题】以黔中黄壤为研究对象，通过长期定位试验方法，研究长期施用化肥与有机肥黄壤土壤质地、容重、孔隙度、最大持水量、田间持水量、固相率、液相率、气相率和三相比偏离值等的变化，明确不同施肥措施的综合培肥效果，为贵州黄壤区土壤改良与合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内(106°07′E，26°11′N)，地处黔中黄壤丘陵区，平均海拔1 071 m，年均气温15.3℃，年均日照时数1 354 h，相对湿度75.5%，全年无霜期270 d，年降雨量1 100～1 200 mm。土壤类型为黄壤类黄泥土，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。黄壤长期施肥定位试验始于1995年，试验开始前耕层(0～20 cm)土壤肥力为有机质43.6 g/kg，全氮2.05 g/kg，全磷0.99 g/kg，全钾10.7 g/kg，碱解氮167.0 mg/kg，有效磷17.0 mg/kg，速效钾109.0 mg/kg，pH 6.70。

1.2 材料

1.2.1 肥料 化肥：尿素(含N 46.0%)，贵州赤天化桐梓化工有限公司；过磷酸钙(含P2O512.0%)，贵州开磷有限责任公司；氯化钾(含K2O 60%)，中国化工建设有限公司。有机肥：供试有机肥为农家牛厩肥。

1.2.2 仪器 BT-9300ST全自动激光粒度仪，丹东百特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 采用大区对比试验设计，小区面积340 m2(35.7 m×5.6 m)，选取长期施肥定位试验中的5种施肥模式，即5个处理：对照(CK)，不施肥；NPK处理，施氮、磷、钾肥；1/4M+3/4NP处理，施1/4有机肥+3/4氮、磷肥；1/2M+1/2NP处理，施1/2有机肥+1/2氮、磷肥；M处理,施有机肥；不同处理施肥量见表1。

表1 不同施肥模式的施肥量

氮肥按幼苗肥-大喇叭口肥40%∶60%的比例分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和杀虫剂等化学农药，所有处理除施肥差异外，其他农事活动均一致。

1.3.2 样品采集 由于长期定位试验小区面积较大并未设置重复，研究将试验地沿长边三等分，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5点取样法，采用标准体积为100 cm3环刀采集0～20 cm土壤样品，将采集土样经去除根系后带回室内风干备用。

1.3.3 指标测定 测定指标主要有土壤最大持水量(%)、田间持水量(%)、土壤自然含水量(%)、土壤容重(g/cm3)、土壤粒径(mm)、土壤总孔隙度(%)、毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)、固相率(%)、液相率(%)、气相率(%)和三相比偏离值(R)。

1) 最大持水量。参照文献[11]的方法，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，注入并保持盆中水层的高度至上沿为止，使其吸水达24 h，此时土壤中所有毛管孔隙及非毛管孔隙都充满水分，盖上上、下底盖，水平取出后立即称量计算土壤最大持水量(%)。

2) 田间持水量。参照文献[11]的方法，将上述称量后的环刀，揭去上、下底盖，继续放入铺有干砂平底盘中，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，水平取出后立即称量并计算土壤田间持水量(%)。

3) 土壤容重及土壤自然含水量。环刀样品在105℃烘干后测定土壤容重，铝盒样品在相同温度下烘干测定土壤自然含水量，其中土壤比重取值为2.65。

4) 土壤粒径。参照国际制分类方法，按照粒径(d)大小将土壤颗粒分为3类：砂粒，粒径为0.02～2.00 mm；粉粒，粒径为0.002～0.02 mm；黏粒，粒径<0.002 mm。不同粒径土壤均按照土壤物理性质[12]采用激光粒度仪测定。

土壤总孔隙度=(1-容重/比重)×100%

毛管孔隙度=土壤自然含水量×土壤容重×100%

非毛管孔隙度=土壤总孔隙度-毛管孔隙度

式中，R为所测定土壤样品三相比与理想状态下土壤三相比的偏离值，X为所测土壤固相值，Y为所测土壤液相值，Z为所测土壤气相值。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016和SPSS 20对数据进行统计与分析，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 长期施用化肥及有机肥的土壤质地

从图1看出，不同处理土壤黏粒、砂粒和粉粒不同质地的变化。黏粒：不同处理为15.31%～20.41%，依次为NPK>CK>1/4M+3/4NP>1/2M+1/2NP>M；NPK较CK提高，有机肥及有机肥配施处理黏粒含量较CK和NPK均降低，M降幅最大；M显著低于其余处理，NPK与CK间差异不显著，二者显著高于1/4M+3/4NP和1/2M+1/2NP，1/4M+3/4NP与1/2M+1/2NP间差异不显著。粉粒：不同处理为62.58%～63.81%，各处理粉粒含量接近，差异均不显著。砂粒：不同处理为16.30%～21.87%，依次为M>1/2M+1/2NP>1/4M+3/4NP>CK>NPK；NPK较CK降低，有机肥及有机肥配施处理较CK和NPK砂粒含量均增加，M增幅最大；M显著高于其余处理，1/2M+1/2NP显著高于1/4M+3/4NP，CK与NPK显著低于其余处理，但二者间差异不显著。可见，长期施用有机肥能在一定程度上改善土壤质地状况。

2.2 长期施用化肥及有机肥土壤的容重及孔隙度

从表2可知，不同处理土壤容重及孔隙度的变化。土壤容重：CK最大，为1.23 g/cm3；NPK其次，为1.20 g/cm3；M最小，为1.06 g/cm3；有机肥及有机肥配施处理较CK和NPK均降低；CK与NPK差异不显著，二者显著高于其余处理；M显著低于其余处理，1/2M+1/2NP与1/4M+3/4NP间差异不显著。土壤总孔隙度：M最大，为59.9%；1/4M+3/4NP其次，为56.5%；CK最小，为53.4%；有机肥及有机肥配施处理较CK和NPK均增加；M显著高于其余处理，CK显著低于其余处理，1/2M+1/2NP与1/4M+3/4NP间差异不显著，二者显著高于NPK。毛管孔隙度：M最大，为52.1%；1/4M+3/4NP其次，为46.9%；CK最小，为42.8%；M显著高于其余处理，CK与NPK间差异不显著，二者显著低于其余处理，1/2M+1/2NP与1/4M+3/4NP间差异不显著。非毛管孔隙度：NPK最大，为11.0%；CK其次，为10.6%；M最小，为7.8%；有机肥及有机肥配施处理较CK和NPK均下降；M显著低于其余处理，NPK显著高于1/4M+3/4NP，CK、NPK、1/2M+1/2NP间和CK、1/2M+1/2NP、1/4M+3/4NP间差异不显著。可见，施用有机肥尤其是单施有机肥可显著降低土壤容重和增加土壤的孔隙度。

表2 长期施用化肥及有机肥处理土壤的容重及孔隙度

2.3 长期施用化肥及有机肥土壤的持水性能

从图2看出，不同处理土壤最大持水量和田间持水量的变化。土壤最大持水量：M最大，为56.45%；CK最小，为43.30%；各施肥处理较CK均提高；M显著高于其余处理，CK与NPK间差异不显著，二者显著低于1/2M+1/2NP和1/4M+3/4NP，1/2M+1/2NP与1/4M+3/4NP间差异不显著。田间持水量：M最大，为43.14%；CK最小，为37.11%；各施肥处理较CK均提高。M显著高于其余处理，CK显著低于1/2M+1/2NP，CK、NPK、1/4M+3/4NP间和NPK、1/4M+3/4NP、1/2M+1/2NP间差异均不显著。可见，施用有机肥可显著改善土壤的持水性能，有机肥施用量越高效果越好。

图2 长期施用化肥及有机肥处理土壤的最大持水量及田间持水量

2.4 长期施用化肥及有机肥土壤的三相率及三相比偏离值

从表3可知，不同处理土壤固相率、液相率、气相率和三相比偏离值的变化。固相率：CK最高，为46.6%；NPK其次，为45.2%；M最低，为40.1%；各施肥处理较CK均降低；CK显著高于其余处理，M显著低于其余处理，NPK显著高于1/4M+3/4NP和1/2M+1/2NP，1/4M+3/4NP与1/2M+1/2NP间差异不显著。液相率：不同处理为44.9%～46.4%，各处理间差异不显著。气相率：M最高，为14.1%；1/4M+3/4NP其次，为11.5%；CK最低，为7.6%；M显著高于其余处理，CK显著低于除NPK外的其余处理，CK与NPK间、NPK与1/2M+1/2NP间、1/4M+3/4NP与1/2M+1/2NP间差异均不显著。三相比偏离值：NPK最大，为27.58；CK其次，为27.35；1/4M+3/4NP最小，为24.90；有机肥及有机肥配施处理较CK和NPK均下降；NPK与CK间差异不显著，二者显著高于其余处理，其余处理间差异不显著。可见，施用有机肥可调节土壤三相比，提高土壤气相率并降低土壤固相率，进而增大土壤通透性。

表3 长期施用化肥及有机肥处理土壤的三相率及三相比偏离值

3 讨论

黄壤质地粘重，土壤容重偏高已成为制约黄壤区作物生长的限制因子之一。长期施用化肥，栗褐土[3]和红壤[4]物理性质呈变劣趋势，黄潮土[5]和棕壤[6]物理性质一定程度上得到改善。研究结果表明，长期施用有机肥可降低土壤黏粒含量和土壤容重，土壤孔隙度增加和持水性能改善，土壤固相率降低和气相率提高，使土壤固-液-气三相比更适宜，因此，应重视黄壤有机肥的施用。研究结果表明，不同处理土壤黏粒含量为15.31%～20.41%，有机肥及有机肥配施处理均较CK和NPK减少；不同处理土壤容重为1.06～1.23 g/cm3，有机肥及有机肥配施处理均较CK和NPK降低；不同处理土壤总孔隙度为53.4%～59.9%，各施肥处理均较CK和NPK增加。与在砂姜黑土[13]、潮土[14]和塿土[15]等的研究结果一致。土壤田间持水量与土壤有机质呈显著正相关，提高土壤有机质含量可提高土壤田间持水量[16]。贵州降水分配不均，夏旱灾害严重，提高土壤持水性能对作物增产具有重要意义。研究结果表明，不同处理最大持水量和田间持水量分别为43.30%～56.45%和37.11%～43.14%，有机肥及有机肥配施处理均较CK和NPK提高。单施有机肥或有机无机配施土壤三相比偏离值和固相率降低，土壤气相率提高，使土壤三相比相对较理想。其原因可能是有机物料增加，土壤有机质含量明显增多，导致土壤中有机无机复合体增加，有利于形成较大的孔隙度，促进土壤团聚作用[8,17-19]。且施用有机肥土壤砂粒含量增加和黏粒含量减少，土壤孔隙度增加，进而土壤通透性和土壤持水性能提高[20-21]。

4 结论

长期施用有机肥可降低黄壤的黏粒含量和容重，其孔隙度增加和持水性能改善，土壤固相率降低和气相率提高，土壤固-液-气三相比更适宜，生产上应重视黄壤有机肥的施用。