长期施用有机肥对松嫩平原西部盐碱土肥力和玉米产量的影响

于 菲，赵 硕，赵 影，汪 勇，范益恺，孟庆峰

(东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

近年来，土壤盐渍化在全球化环境中已经成为了很严重的问题，这一问题主要由自然因素和人类活动引起，并且已经成为主要的环境风险之一[1-2]。全世界约有盐渍土面积 9.55×108hm2，共占据约100多个国家和地区，每年以1.00×105～1.5×105hm2的速度增加[3-4]。我国东北地区盐渍土面积约3.84×106hm2，是我国土地盐渍化最严重的地区之一[5-6]。随着时间的不断推移，可耕地面积日渐减少、土地资源不断匮乏,它已成为了非常重要的后备资源。盐渍化问题不仅危害耕地质量，而且严重影响国家粮食安全和区域生态环境。因此，盐碱地治理已成为生态环境保护的当务之急[7]。我们应釆取合理开发和改良利用并存的措施，大幅度提高盐碱地区农业的综合生产效率，增加盐碱区的有效耕地面积，这将对保障我国1.43×108hm2耕地面积以及提高粮食产量和粮食安全具有重大战略意义。

盐碱土水-肥-盐方面的研究大约从20世纪70年代开始。研究得出以施肥来改良盐渍土的基本观点[8-9]；建议利用有机质和土壤养分在时间、空间、形态上影响土壤的盐基交换量，改善土壤的水、肥、气、热并促进土壤团粒结构的形成，从而能够调节和影响盐碱土壤中离子的固定、迁移和淋溶，达到了调控盐分的作用[10]。研究表明，在土壤中施用有机肥可以达到一定的增产效果[11-12]，可提高土壤速效养分，促进土壤团聚体形成，改善土壤结构[13]，改善土壤盐类离子组成[14-15]，降低土壤pH值[16]，提高土壤生产力。同时，施用有机肥可以改善土壤结构、降低土壤容重，增加土壤孔隙度，影响土壤盐分运移，利于排盐[17-19]。

松嫩平原位于东北地区中部，是我国重要的粮食产区，在我国粮食生产安全中发挥着重要作用。然而，它也是世界三大苏打盐碱土集中分布区之一，面积约为3.73×106hm2，是我国盐碱化最严重、对农业影响最大的地区之一[20]，同时盐碱土作为后备土地资源对我国耕地数量的动态平衡具有重要意义。目前，已开展的盐碱土改良工作只具有短期效果，缺乏持续性的长期定位试验。通过长期定位试验所获取的研究数据更为稳定、可靠，并能正确地反映盐碱土的改良效果及其变化趋势。因此，本研究以松嫩平原西部草甸碱土为研究材料，通过长期施用有机肥的方式进行盐碱土改良，阐明长期施用有机肥对土壤养分、物理性状和盐碱性质的影响，并利用结构方程模型(SEM)分析玉米产量提升的机制。本研究结果为其他区域的盐碱土改良工作亦可提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区定位于黑龙江省大庆市肇州县永乐镇东北农业大学盐碱土长期定位试验站(125.06°E，45.40°N，海拔135 m)，地处松嫩平原中部，位于黑龙江盐渍土的主要分布区。试验区地处黑龙江省第一积温带，气候类型为中温带大陆性季风气候，年均活动积温2 800 ℃，年均降水量436 mm，年均蒸发量1 800 mm，属半干旱地区。试验区四季分明,春季多风少雨；夏季炎热多雨；秋季凉爽，易出现早霜；冬季寒冷干燥。土壤类型为草甸碱土，质地为粘土(26%砂粒，22%粉粒，52%粘粒)。未开垦前试验区为盐碱荒地，碱斑零星分布，碱斑面积约占40%左右，开垦前土壤基本理化性质见表1。

表1 开垦前土壤基本理化性质

1.2 试验设计

本研究根据施用腐熟牛粪的年限，在碱斑土上共设置4个处理，分别是施用有机肥13 a(13A)，施用有机肥19 a(19A)，施用有机肥24 a(24A)，以不施用有机肥的处理作为对照(CK)。供试作物为玉米，施肥方式为每年四月下旬以垄作结合方式只施入干质量为10 000 kg·hm-2的腐熟牛粪，不施用化肥。在玉米拔节期全部处理追施尿素375 kg·hm-2。玉米生育期内无灌溉。腐熟牛粪的性质为：有机质含量590.69 g·kg-1，氮含量13.28 g·kg-1，磷含量12.02 g·kg-1，钾含量15.35 g·kg-1，pH值8.42，钙含量9.77 g·kg-1，镁含量4.58 g·kg-1。

1.3 样品采集

2019年10月中旬采集0～20 cm和20～40 cm土壤样品，每小区随机选取3个点。土壤样品带回实验室内剔除外侵入物后进行自然风干，风干后将土壤样品磨碎并过筛，先全部通过1 mm筛；然后，将土壤样品均匀取出一部分过0.25 mm筛。过筛后用于土壤化学性质的测定；在采集土壤农化样品的同时，利用环刀采集相同原状土壤，用于测定土壤的物理性质。

1.4 研究方法

土壤pH值与电导率(EC)按照5∶1水土比，采用pH计和电导率仪测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定；土壤全氮采用浓硫酸消煮，凯氏定氮仪蒸馏法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提，火焰光度法测定；土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗显色法测定；土壤交换性钠离子采用1 mol·L-1醋酸铵浸提，火焰光度法测定；土壤阳离子交换量(CEC)采用乙酸钠一火焰光度法测定。依据公式(1)计算土壤碱化度(ESP)。

(1)

式中，ESP为土壤碱化度(%)；交换性Na+为交换性钠离子(cmol·kg-1)；CEC为土壤阳离子交换量(mol·kg-1)。

用环刀收集未搅动的土壤样品，测定田间持水量；采用环刀法测定土壤容重；采用比重瓶法测定土壤颗粒密度，并根据公式(2)计算土壤孔隙度。

(2)

式中，ft为土壤孔隙度(%)；ρb为容重(g·cm-3)；ρd为土壤颗粒密度(g·cm-3)。

1.5 数据处理

数据经Excel处理后，采用SPSS软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)比较处理间差异，用Duncan’s法检验差异显著性(P<0.05)。采用AMOS 21.0的结构方程模型(SEM)探讨土壤理化因子主要驱动因素的影响路径及程度。

2 结果与分析

2.1 施用有机肥对土壤有机质的影响

由图1可知，与CK相比，施用有机肥后，土壤0～20 cm和20～40 cm土层有机质含量均明显增加。同时除处理24A外，其余处理随土层深度增加土壤有机质含量均减小，即在0～20 cm土层中土壤有机质含量达到最大。在0～20 cm土层中，处理19A的有机质含量达到最高，较不施肥的处理有机质含量提高了近3.5倍。在20～40 cm土层中，处理19A的有机质含量达到最高，较不施肥的处理有机质含量提高了约5.3倍。方差分析结果表明，在0～20 cm土层中，各处理与CK相比差异显著(P<0.05)，施用有机肥的各处理间差异不显著；在20～40 cm土层中，各处理与CK相比均差异显著(P<0.05)；处理19A、处理24A与处理13A相比差异显著(P<0.05)。

注: 不同小写字母表示同一土层处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 施用有机肥对土壤养分的影响

不同施肥年限各处理下0～20 cm和20～40 cm土层中全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量随时间的变化规律见表2。与CK相比，施用有机肥后的0～20 cm土层中全氮、碱解氮、速效钾的含量均显著增加。在0～20 cm的土层中，与CK相比，处理24A的全氮、碱解氮、速效钾含量都提高了2倍左右，速效磷含量较不施肥处理下的速效磷含量提高了81.07%。在20～40 cm的土层中，土壤全氮、碱解氮含量都显著提升。随着有机肥施用年限的增加，土壤全氮、速效磷、速效钾在处理24A时达到最高含量。方差分析结果表明，在0～20 cm土层中，各处理土壤全氮含量与CK相比差异显著(P<0.05)；处理24A的土壤碱解氮与CK相比差异显著(P<0.05)；处理13A、24A的土壤速效磷与CK相比差异显著(P<0.05)；处理24A的土壤速效钾与CK相比差异显著(P<0.05)，而处理13A、19A差异不显著。在20～40 cm土层中，各处理的土壤全氮与CK相比均差异显著(P<0.05)；处理24A的土壤碱解氮与CK相比差异不显著，其他处理均差异显著(P<0.05)；处理24A的土壤速效磷与CK相比差异显著(P<0.05)；处理13A、24A的土壤速效钾与CK相比差异显著(P<0.05)，而处理19A差异不显著。

表2 不同处理的土壤养分含量

2.3 施用有机肥对土壤盐碱性质的影响

不同施肥年限处理下0～20、20～40 cm土层的pH值、EC、ESP随时间的变化规律见表3。0～20cm土层中，土壤pH值随施肥年限的增加逐渐降低，各处理的pH值比CK降低了20.00%～24.45%；各处理的EC、ESP与CK相比均显著降低，降幅为42.86%～77.78%。在20～40 cm土层中，各处理的EC、ESP与CK相比均显著降低。方差分析结果表明，在0～20 cm土层中，与CK相比，各处理pH值均差异显著(P<0.05)。EC与ESP具有相似趋势，各处理与CK相比均差异显著(P<0.05)。在20～40 cm土层中，各处理pH值、EC、ESP与CK的差异均达显著水平(P<0.05)。

表3 不同处理的土壤盐碱性质

2.4 施用有机肥对土壤物理性质的影响

不同施肥年限处理下0～20 cm和20～40 cm土层的土壤容重、密度、孔隙度随时间的变化规律见表4。与CK相比，长期施用有机肥后土壤孔隙度呈上升趋势；容重、密度呈下降趋势。2019年试验结束时，在0～20 cm土层中，处理24A的容重为1.08 g·cm-3，较不施肥处理容重(1.64 g·cm-3)降低了34.15%；土壤密度较CK降低了5.91%；孔隙度较CK升高了54.56%。方差分析结果表明，在0～20 cm土层，与CK相比，各处理容重、密度、孔隙度均差异显著(P<0.05)；在20～40 cm土层，各处理的容重与CK相比均差异显著(P<0.05)；处理19A、24A的土壤密度较CK差异显著，处理13A与CK间差异不显著(P<0.05)；施用有机肥后，各处理孔隙度虽呈上升趋势，但均与CK差异不显著。

表4 不同处理的土壤物理性质

由图2可知，与CK相比，随着施用有机肥年限的增长，土壤田间持水量呈上升趋势。施用有机肥后，0～20 cm土层的田间持水量高于20～40 cm土层。在0～20 cm土层中，各处理的田间持水量与CK(18.22%)相比提高至36.55%～42.35%之间，处理24A的田间持水量达到最高值42.35%；在20～40 cm土层中，各处理的田间持水量与CK相比提升范围在23.74%～38.54%之间。方差分析结果表明，在0～20 cm和20～40 cm土层中，各处理的田间持水量与CK相比均差异显著(P<0.05)。

图2 不同处理的土壤田间持水量

2.5 施用有机肥对玉米产量的影响

由长期定位试验的玉米测产结果(图3)可以得知，施肥年限的不同对玉米增产效果的影响有差异，产量呈现了一定的规律性，即处理24A>19A>13A>CK。方差分析结果表明，处理13A、19A、24A与CK差异均显著(P<0.05)。2019年试验结束时处理24A的玉米产量达到了13 780 kg·hm-2，较玉米产量为8 690 kg·hm-2的处理CK相比提高了58.57%，表明随着有机肥施用年限的增加产量会显著提高。

图3 2019年不同处理的玉米产量

2.6 土壤肥力的结构方程模型

为了明确长期施用有机肥后土壤肥力对玉米产量的影响，通过构建SEM来分析0～20 cm土层(耕作层)的土壤有机质、养分、盐碱指标、物理性质对玉米产量的综合响应，见图4。SEM 拟合结果为：P=0.94，拟合优度指数(GFI)=0.89，均方根误差(RMSEA)=0.00，说明模型适配良好。模型解释了玉米产量改变的影响因素并不是唯一。结果表明，通过施用有机肥调控土壤有机质，从而影响土壤容重、田间持水量以及土壤全氮来提高玉米产量，其中，有机质对田间持水量和土壤全氮的影响体现为正效应,其路径系数分别为0.98和0.97；对容重体现为负效应，其路径系数为-0.74。田间持水量与土壤pH值呈负相关关系(路径系数为-0.69)从而影响玉米产量，土壤pH值与土壤有机质也呈负相关关系(路径系数为-0.24)，并在比较小的程度上受到土壤碱化度和容重的影响。土壤全氮和速效钾含量对玉米产量也产生了直接的影响，其路径系数分别为0.36和0.34。综上，土壤有机质可通过改善土壤结构和土壤全氮供应达到增产效果。并且在此模型中，容重的降低、田间持水量的提高成为对玉米产量影响最大的、对多因素综合影响的重要因素。

注：每个箭头的粗细和箭头上的数值分别代表路径系数及其大小，实线代表正相关，虚线代表负相关。

2.7 土壤理化性质的相关性分析

对土壤理化性质进行相关性分析。结果表明，土壤有机质与容重、土壤密度、pH值、电导率、碱化度呈极显著负相关(P<0.01)，与土壤田间持水量、孔隙度、全氮呈极显著正相关(P<0.01)。土壤碱解氮与土壤有机质呈显著正相关(P<0.05)。土壤速效磷、速效钾与有机质未达显著相关水平。土壤田间持水量与土壤pH值、电导率、碱化度呈极显著负相关(P<0.01)。土壤容重与土壤pH值、电导率、碱化度呈极显著正相关(P<0.01)，与全氮、碱解氮呈极显著负相关(P<0.01)。

3 讨 论

通过有机培肥长期定位试验，施用有机肥后，土壤有机质和养分显著提高，原因是有机肥中富含植物生长所必需的大量营养元素，如氮、磷、钾和丰富的有机质，还含有数量丰富的有机营养成分，如氨基酸、核酸、糖、维生素等，施入土壤后有利于有机质的积累，使土壤养分得到不同程度的改善[21]，活化土壤内部的潜在养分和增强土壤微生物活性，增加作物的生物量[22]，并有效增加土壤中可利用的有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量，从而改善作物的生长环境。也可能是因为有机肥活化土壤中潜在养分后, 促进了土壤原有有机质的矿化分解。在本研究中，施用有机肥后，与不施肥的处理相比，0～20 cm土层的土壤有机质与速效氮、速效钾和碱解氮含量均有提高，这与韩晓增[23]、李娟[24]等的研究结论基本一致，只是增加的幅度不同，可能是受研究区的气候条件、土壤类型、施肥时间等因素影响所致。然而，有机肥中的有机质与微生物对土壤磷的转化比较迟钝[25], 故施用有机肥后土壤有机质含量和全氮含量增幅较大, 土壤速效磷含量增幅较小。处理24A的土壤有机质含量与其他更短时间施用有机肥的处理相比尽管有下降趋势，但差异不显著，且与CK处理相比仍达到显著差异水平(P<0.05)。这可能是由于长期施肥后胶结物质增多，土壤的结构得到改善，环境条件变得适宜的情况下，微生物活动旺盛，则分解作用进行较快，有机质产生了矿化作用[26]，导致有机质的矿化量大于有机质的累积量，有机碳库呈亏缺状态。从表5可知，有机质与全氮之间呈极显著正相关(r=0.95**)，与碱解氮呈显著正相关(r=0.44*)。因此，土壤全氮、碱解氮含量的变化趋势与有机质含量变化趋势基本一致。其他养分也与有机质含量呈现正相关关系，出现波动但是略有偏差。

表5 盐碱土各指标之间的相关系数

本研究表明，有机肥除了能够增加土壤养分的积累，还能够改善各土层土壤容重、密度,对于土壤板结的减轻程度具有较好的改良效应。有机肥料的孔隙结构和土壤的团聚体结构降低了土壤容重，并且土壤有机质的增加也会促进微团聚体的形成，进而降低土壤容重，尤其对于0～20 cm土壤的影响较为显著。土壤容重降低的同时，土壤的紧实度和透气性也会得到改善,土壤的孔隙度增加，增强土壤的保水性能[27]，从而提高土壤的蓄水能力，降低土壤水分的蒸发速率[28]。从表5可以看出，孔隙度与田间持水量之间呈极显著正相关关系(P<0.01)，孔隙度与田间持水量的提高,能够进一步促进根系的下扎和对深层土壤水分及养分的利用，调控作物应对水分和养分欠缺的能力[29-30]。因此，施用有机肥对改善土壤物理性质具有重要意义。

从盐碱土各指标之间的相关系数(表5)可以看出，土壤EC与容重之间呈极显著正相关(r=0.94**)。由此可以得出，施用有机肥通过影响土壤的物理性质进而影响盐分的表聚性。与不施肥处理相比，增施有机肥一方面可以改善土壤通透性，提高土壤的毛管孔隙度，利于表层土壤盐分向土体下层淋洗，促进土壤排盐并抑制返盐，从而电导率降低。这与王世斌[31]、李国辉[32]等的研究结果一致。另一方面有机肥中的Ca2+将土壤胶体中的Na+置换出来，被吸附到土壤溶液中，改变了盐碱土中盐分离子的组成，从而降低了碱化度，起到改良盐碱土的效果[33]。由表3可知，处理24A的0～20 cm盐分含量与20～40 cm土层盐分差异不显著。可能是因为地下水位浅，矿化度高，盐分在毛管作用下向上迁移[17]，并且是在秋季收获后取样，没有地表覆盖，蒸发强度大，盐分向表层移动。土壤pH值经过有机肥的处理均低于对照，降低的原因可能是有机肥降解过程中形成的有机酸可以降低土壤中的碱性物质，增强土壤对pH的缓冲能力，降低土壤pH值。然而，处理24A的土壤ESP略高于处理19A，这与较高的土壤盐分有关，从表5可知，土壤ESP与EC呈极显著正相关关系(r=0.96**)。有机质均能不同程度地影响土壤pH值、盐分含量、碱化度。在本研究中，随着施用有机肥年限的增加，与CK相比，有机质含量增加，盐碱性质显著降低。

本研究对草甸碱土的理化指标建立SEM，较好地证明了施用有机肥后土壤中理化性质对玉米产量的影响及作用，从模型中验证了土壤物理性质和盐碱性质是影响玉米产量的主要原因。其中，土壤物理性质的改善是促使玉米产量提升的关键因素。长期施用有机肥后，盐碱土壤的田间持水量提高，持水性能增强，容重下降。物理结构的改善促进土壤排盐，减轻了盐分对作物的胁迫作用，有效减缓了土壤的板结与返盐，在一定程度上，使水、肥、盐、气形成一种动态平衡。吴春涛、张瑜[34-35]等研究结果表明，施用有机肥能有效改善土壤理化性状，减少土壤水分蒸发, 降低盐分的积累，达到提高作物产量的效果。盐碱性质是无法消除的，在此前提下，改善土壤物理性质作为改良盐碱土的一个重要方向，是满足作物生长所需的必备条件。本研究结果表明，施用有机肥后土壤的物理性状变化显著，土壤环境更加适合作物生存，玉米产量得到提升。在今后的研究改良过程中，我们需继续长期定位实行上述处理，以验证长期施用有机肥对盐碱土的改良效应。

4 结 论

长期施用有机肥后，0～20、20～40 cm土层的有机质在土壤中不断积累，释放养分供给作物吸收利用，全氮、速效养分含量显著提高；土壤pH值、电导率(EC)、碱化度(ESP)显著降低；土壤容重、颗粒密度显著降低，土壤田间持水量、饱和含水量显著提高，土壤物理结构得到明显改善。随有机肥施用年限的增加，玉米产量显著提高。有机肥处理在连续施用有机肥24 a后玉米产量达到最高水平。并通过结构方程模型分析得出，长期施肥后通过提升土壤有机质，降低了容重、提高了田间持水量，进而影响土壤的pH值，改善了土壤的微环境，达到增产效果。其中容重的降低、田间持水量的提高在改良盐碱土中发挥主要作用，对玉米产量的提高和稳定具有重要影响。