有机物料输入对黄河故道区土壤物理结构的影响

李传哲， 姚文静， 杨 苏， 徐 聪， 马洪波， 吴建燕， 汪吉东， 艾玉春， 张永春

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部江苏耕地保育科学观测试验站，江苏南京 210014；2.江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏淮安223001； 3.南京林业大学南方现代林业协同创新中心/竹类研究所，江苏南京210037；4.烟台泓源生物肥料有限公司，山东烟台 264000)

黄河故道是指黄河改道之后留下的一段主河道，西起河南省兰考县三义寨和东坝头，流经豫、鲁、皖、苏4省22个县(市)，总面积达2 204万hm，是淮河与黄河流域之间一个独特的地理单元。黄河故道潮土区受成土母质及地形等因素的影响，土壤具有沙性重、结构差、有机质含量低、养分缺乏等障碍问题。其中，江苏省北部的黄河故道区是重要的粮食主产区，提升该区域低产潮土肥力，对于实现“藏粮于地、藏粮于技”战略目标及农业的可持续发展具有现实和长远意义。

土壤是构成土壤肥力的物质基础，是由固、液、气三相物质构成的一种颗粒性半无限介质，三者之间相互转化、相互联系。土壤三相是指土壤的固相(固相率)、液相(水分率)、气相(孔隙度)三者占土体的比例，反映土壤的松紧程度、充水和充气程度，是农田管理和土建工程中常用的土壤参数。理想状态的土壤三相结构是固体 ∶液体 ∶气体= 50% ∶25% ∶25%。土壤团聚体是土壤结构的基本单位，能够协调土壤水、肥、气、热的供应，对土壤熟化层的维持和稳定起重要作用，是土壤结构和肥力的重要指标。土壤板结很大程度上是由于土壤团聚体结构较差导致土壤三相失衡，透水透气性差。土壤容重以及孔隙度是衡量土壤疏松度和结构状况的重要指标，直接影响土壤的通气性和蓄水保水能力。土壤紧实度可预测土壤承载量、耕性和根系伸展的阻力，其大小可影响作物根系的穿孔和生长。土壤紧实度大，水分渗入难，肥料利用率低，阻碍植物根系生长，导致作物减产。土壤比重与土壤中矿物质组成和有机质含量有关。长时间施用单一化肥会加重土壤板结情况，导致土壤有益微生物减少，土壤环境变差。土壤物理结构对于提高作物产量尤为重要。前人研究表明，有机物料施入能够改善微生物介导的土壤生态系统，改善土壤结构等培肥效应。近年来，通过添加有机物料对土壤养分和产量的影响研究较多，但以黄河故道潮土区为研究对象，进行土壤沙性结构改良的研究鲜有报道。

有机物料类型多种多样，我国农业废弃物(菌菇渣和作物秸秆)储量大，其中菌菇渣在我国的用处广泛，因其容重小、透气性好，可用于制作园艺作物栽培基质。此外，菌菇渣还田可促进有机污染物降解，修复生态环境，提高经济效益。菌菇渣含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素、菌丝残体和矿物质等营养物质，具有独特的理化性质，不仅可以促进微生物生长和繁殖，还能作为土壤改良剂，改善土壤结构。关于菌菇渣连续还田对土壤肥力影响的研究表明，菌菇渣与化肥配施可改善土壤酸化状况，增加大粒径团聚体含量和土壤速效养分含量。但目前对于菌菇渣的利用存在认识不足和开发技术滞后等问题，导致菌菇渣利用率仅为33%。

菌菇渣作为当地最为丰富的有机肥源之一，如果具有与商品有机肥相当的保肥增产效果，不仅能促进菌菇渣的资源化利用，也能为黄河故道区土壤结构改良提供新的思路和方法。本研究在秸秆还田的基础上，利用菌菇渣作为外源添加物，连续2年进行田间定位试验，跟踪监测黄河故道区菌菇渣及当地商品有机肥投入对土壤物理性状的影响，同时探究不同外源碳投入量对旱田农业生态系统物理性质的影响，为黄河故道区农业废弃物资源化利用、当地耕地质量提升和作物高产稳产提供数据支撑。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验区概况

试验区位于江苏省东北部的滨海县三坝村(33°43′N，119°37′E)，气候温和，降水充沛，地势较为平坦，属于温带半湿润气候，常年平均温度在14.1 ℃左右。

1.2 试验材料

本试验所用的阿古利斯有机肥由泰兴市阿古利斯生物科技有限公司提供，由中药渣发酵而来。秸秆菌渣和树枝菌渣为秀珍菇培养基废料，均为盐城市亭湖区春秋菌业专业合作社提供。有机物料养分含量见表1。供试土壤类型为脱盐潮土，土壤较为贫瘠，耕层(0～20 cm)土壤基本理化性质：全氮含量0.38 g/kg，碱解氮含量20.6 mg/kg，有效磷含量9.86 mg/kg，速效钾含量70 mg/kg，有机质含量 5.58 g/kg，pH值8.57，容重1.43 g/cm。主要农作物为冬小麦和玉米。

表1 有机物料的基本性质

1.3 试验设计

本试验为田间定位试验，采用完全随机排列，分别设置CK(不施有机物料)、M1(有机肥6 t/hm)及M2(有机肥12 t/hm)、S1(秸秆菌渣6 t/hm)及S2(秸秆菌渣12 t/hm)、B1(树枝菌渣6 t/hm)及B2(树枝菌渣12 t/hm)共7个处理，每个处理3个重复，共21个小区，每个小区面积为96 m(长 12 m，宽8 m)。试验区为小麦→玉米轮作制度，所有作物收获后秸秆全部还田，小麦品种为华麦7号，玉米品种为蠡玉31号。有机物料添加始于2017年6月玉米种植前，撒施于表层，并进行旋耕，玉米生长期为当年6月至次年10月；小麦季同样在种植前撒施，小麦生长期从当年10月至次年6月。玉米株间距为25 cm，行间距为75 cm；小麦行间距为 15 cm，籽粒种植密度为300 kg/hm。玉米季和小麦季均一次性施入复合肥(N ∶PO∶KO=18% ∶12% ∶10%)600 kg/hm作基肥。玉米季在拔节期和大喇叭口期追施尿素，小麦季在返青期和拔节期追施尿素，追肥均占总氮用量的30%。土壤采集：以试验前期2017年6月采集的土样作为基础土样，以2018年6月和2019年6月小麦收获期及2017年10月和2018年10月玉米收获期采集的土样作为处理土样。

1.4 测定项目与方法

土壤自然含水率的测定采用烘干法；容重的测定采用100 cm环刀法；比重的测定采用比重瓶法；田间持水量的测定采用环刀法；紧实度采用澳大利亚CP40Ⅱ土壤紧实度仪于2019年3月15日(拔节期)测定；土壤水稳性团聚体采用湿筛法并利用 TTF-100 型土壤团聚体分析仪测定；土壤三相比分别于2018年和2019年小麦收获后采用DIK-1130型土壤三相仪测定。土壤三相结构距离指数(STPSD)计算公式为

=(-50%)+(-50%)(-25%)+(-25%)；=100%--。

式中：为土壤三相结构距离指数；为固相体积分数，大于25%；为液相体积分数，%；为气相体积分数，%。

土壤总孔隙度=(1-容重/比重)×100%；土壤毛管孔隙度(%)=田间持水量(%)×容重；土壤非毛管孔隙度(%)=土壤总孔隙度-土壤毛管孔隙度。

1.5 试验数据处理

试验数据采用Excel 2010 整理，运用SPSS 20.0 软件进行数据分析，Excel 2010和Origin 8.0软件作图；显著性水平设定为=0.05。

2 结果与分析

2.1 有机物料输入对土壤水稳性团聚体的影响

从图1和表2可以看出，有机物料施用可以改善土壤结构，明显增加耕层土壤>0.25 mm粒径团聚体含量。由于土壤质地属于粉沙质土，>2.000 mm粒径的团聚体含量较少，有机物料处理土样与CK处理相比，>2.000 mm粒径团聚体含量无明显变化。2018年0～10 cm耕层土壤中，各有机物料处理 >0.250 mm 粒径水稳性团聚体含量均高于10～20 cm 土壤，表明施用有机物料主要改善了浅耕层土壤结构。在各处理0～10 cm土层中，2018年土壤水稳性团聚体主要分布在<0.053 mm范围内，占总团聚体的38.58%～56.24%，2019年则以0.053～<0.250 mm粒径为主，占比达到52.82%～73.06%，表明随有机物料施用时间的延长会减少<0.053 mm 微团聚体含量，增加0.053～<0.250大团聚体含量。2018年各处理0～10 cm耕层0.250～2.000 mm粒径团聚体含量与对照相比明显增加，其中M2处理增幅最大(129.79%)。有机物料施用1年(2018年)后，各处理>0.250 mm粒径团聚体含量与对照相比的增加效果最佳，增幅为21.30%～119.46%。

表2 土壤三相结构距离指数

2.2 有机物料输入对土壤紧实度的影响

通过对每个试验小区进行数据分析，结果显示(图2)，随着有机物料施用年限的增加，土壤紧实度降低，且0～10 cm土层土壤紧实度明显低于10～20 cm 土层，10～20 cm土层土壤紧实度为0～10 cm 土层的1.32～5.90倍，说明表层土壤比深层土壤疏松。由图2可知，在2018年10月，有机物料施用均可降低10～20 cm土层的土壤紧实度，与CK处理相比降幅为16.8%～29.4%，但对0～10 cm土层的影响未达到显著水平。2019年各处理土壤紧实度比2018年明显降低，但处理间差异不显著，B2处理0～10 cm土层土壤紧实度最低，为 705 kPa，比CK处理低34.1%，S1处理10～20 cm土层土壤紧实度最低，为3 019 kPa，比CK处理低17.9%。

2.3 有机物料输入对土壤三相的影响

由图3可知，经过2年的施肥处理，土壤三相比大多分布在理想状态的左上方，表明液相占比大，固相占比小。由三元相图和表2可知，施用有机物料后，土壤三相结构距离(STPSD)降低，土壤结构有明显的改善趋势。就3种有机物料而言，S2和B2处理对潮土土壤结构改善效果最接近理想状态。有机肥施用2年后使土壤三相结构距离降低 3.57～11.57，比CK处理降低9.68%～31.37%。

2.4 有机物料输入对土壤容重和孔隙度的影响

由表3可知，添加不同有机物料对0～20 cm土层的土壤容重和孔隙度存在显著影响。经连续2年试验处理后，土壤容重随着有机物料的施加而降低。如M1与M2处理相较于CK处理的土壤容重分别降低了3.73%和8.96%。田间持水量、土壤总孔隙度、毛管孔隙度随着有机物料的施加量增加均呈现升高趋势，如M1、M2处理相较于CK处理田间持水量升高了5.68%和16.76%，总孔隙度升高了8.44%，毛管孔隙度升高了17.65%、1.80%和6.47%。土壤非毛管孔隙度也随着有机物料的施加呈上升趋势，如M1处理与CK处理相比升高了25.67%，M2处理与M1处理相比升高了16.03%。总体来看，在相同有机物料施用下，树枝菌渣对土壤容重和孔隙度的改善效果最好。

表3 不同处理对土壤容重及孔隙度的影响

3 讨论

土壤物理性质决定土壤结构和土壤固、液、气三相占比， 进而影响土壤中气体的输入和输出。通常来讲，土壤质地越疏松、容重越小，土壤孔隙度越大，气相占比越高，此时的气体交换通道越畅通，CO排放越快；反之土壤越紧实，固相比越大，则会阻抑土壤与大气之间的气体交换，增加土壤中CO浓度，限制作物根系有氧呼吸，对作物的生长产生不利影响。

本研究表明，施入不同有机物料连续2年后，土壤团聚体结构得到改善，0～20 cm土层>0.250 mm土壤大团聚体含量增加，并且随着施用量的增加呈现上升趋势，<0.053 mm粒径团聚体含量平均值明显下降。本研究结果与张志毅等的研究结果一致，施用有机物料均会增加>0.250 mm粒径团聚体含量，主要原因是有机物料自身含有丰富的养分(包括有机残体和菌丝等)，还田后会增加土壤有机质含量，而有机质是形成土壤团聚结构的主要胶结物质。

土壤固、液、气三相比是评价土壤水肥气热相互关系的重要参数。本研究通过连续2年施加有机物料使土壤气相和液相体积分数降低，固相升高，土壤STPSD值呈逐渐减少趋势，并且随着有机物料施用量的增加，土壤三相比例分配接近理想状态。但有机物料施用并不是越多越好，当施肥量超过最高产量施肥量时，作物的产量随施肥量的增加而减少，生产投入成本增加但收益却减少。已有研究表明，施用过多的有机物料会导致土壤中水分蒸发过快，土壤气体增多，土壤变得过于松散，土壤结构变差，使土壤三相比偏离理想值。

土壤紧实度是土壤对外界垂直穿透力的反抗力，往往受土壤质地本身以及外源施压如大型机器碾压等影响，土壤紧实度过高往往会抑制作物根系生长的下扎，影响作物产量。本研究结果表明，随着有机物料用量增加，土壤紧实度逐渐下降，土壤板结状况得到缓解。并且树枝菌渣输入可使土壤紧实度下降的更明显，这可能与树枝菌渣具有多孔结构、比表面积大有关。土壤容重与土壤孔隙度密切相关，土壤容重过大，土壤孔隙度变小，土壤越紧实，直接影响作物根系正常生长和根系活力，进而影响产量。本研究中施加有机物料后土壤容重显著降低，土壤总孔隙度和毛管孔隙度整体增加，也符合土壤紧实度变化的趋势，除了与有机物料的比表面积大有关，也可能与施加有机物料会影响土壤中动物和微生物的活性有关。本研究以江苏省黄河故道区资源丰富的菌菇渣为外源有机物料，与施用商品有机肥对比，能获得与商品有机肥相同甚至更高的土壤改良效果，并且成本更低，为提高该区域作物生产的生态效益和经济效益提供理论和技术支撑。

4 结论

有机物料输入能够显著改善黄河故道区土壤结构：(1)明显改善0～10 cm土层土壤团聚体结构，提高>0.250 mm粒径土壤水稳性团聚体含量，降低<0.053 mm粒径水稳性团聚体含量，增强土壤团聚体稳定性；(2)显著改善土壤三相比，增加固相比，减少液相比和气相比，降低STPED值，缓解土壤板结；(3)显著降低土壤容重和10～20 cm土层土壤紧实度，提高土壤总孔隙度和毛管孔隙度，增加田间持水量，创造良好的土壤物理条件。从土壤物理结构的改善效果考虑，本研究明确了该地区有机物料效益最适施肥量，在耕作层施入12 t/hm的树枝菌渣对该地区土壤物理结构的改良效果最佳。