不同施肥模式对设施菜地土壤团聚体粒级分布和稳定性的影响

曹秀鹏，黄兴学，周国林，张润花，施玲芳，邓耀华

（1.武汉市农业科学院蔬菜研究所，武汉 430300；2.华中农业大学园艺林学学院，武汉 430070）

土壤团聚体是土壤的基本构成单元，设施蔬菜栽培时，适宜的土壤有机质含量和良性的土壤团聚结构是保持作物产量的重要因素［1］。土壤团聚体形成于矿物土壤颗粒和有机物质间的结合，温室高温高湿的环境容易刺激土壤有机质分解，加上菜农采用不合理的施肥和灌溉措施，导致土壤团聚体结构的恶化［2，3］。

土壤团聚体粒级分布和稳定性与耕作方式、施肥模式和年限等密切相关，且施肥模式对团聚体的影响最深刻［4-6］。土壤团聚体不同粒级分布对于保持和供应土壤养分、改善孔隙组成等具有不同的作用［7］。以0.25 mm界，＜0.25 mm 的团聚体为微团聚体，＞0.25 mm 的团聚体为大团聚体，其值越大表明土壤肥力越高。平均重量直径（MWD）、几何均重直径（GMD）和团聚体结构破坏率（PAD）是被广泛应用于表征土壤团聚体稳定性的指标［8］。相关研究表明，应用有机物料可以保持并提高土壤有机质含量、改善土壤团聚体结构［9］，有机肥配施化肥可以增加土壤团聚体含量，提高土壤团聚体稳定性［10，11］。秸秆还田有利于增加＞2 mm 的土壤团聚体含量［12］，提高土壤有机碳的固存［13］。也有研究表明，有机肥配施化肥显著降低了表层土大团聚体比例、MWD和GMD［14］。相关研究多集中在单一施肥水平上，且结论不尽相同。不同施肥模式对设施菜地土壤团聚体的影响鲜有报道，因此，本研究以有机肥和秸秆2 种有机物料为基础，探讨不同施肥模式对菜地土壤团聚体粒级分布和稳定性的影响，以期为提高菜地土壤肥力、改善土壤质量、保持蔬菜高产提供科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省武汉市农业科学院武湖基地（114°25′E、30°28′N），属亚热带季风气候，雨量充沛、光照充足、热量丰富，年平均无霜期255 d，年均日照时数为1 540～2 180 h，年均降水量为1 000～1 200 mm。

1.2 试验材料

供试土壤：沙壤土，供试前土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地耕层土壤基本理化性质

供试材料：樱桃番茄和结球白菜轮作，樱桃番茄品种名红风铃，结球白菜品种名元宝，均为长江中下游区域常见栽培品种。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计，设5 个处理：不施肥（CK）、常规化肥（CF）、优化施肥（OF）、秸秆与常规化肥配施（CFS）、秸秆与优化施肥结合（OFS），其中，优化施肥为有机肥与化肥配施处理。田间随机区组排列，每个处理3 次重复。

樱桃番茄于2021 年4 月下旬定植，7 月采收，种植密度约2 株/m2。结球白菜于2021 年9 月下旬定植，11 月下旬采收，种植密度约5 株/m2。第2 年4 月初定植樱桃番茄，6 月下旬采收，种植密度同上。

据武汉市农业施肥习惯，常规化肥为SOUPRO三元复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15），氮（N）、磷（P）、钾（K）施用量分别为112.5、49.1、93.4 kg/hm2。优化施肥为用生物有机肥（商品名为根沃宁，N 含量2.97%、P2O5含量2.16%、K2O 含量1.37%，山西稼和沃农业科技有限公司）替代化肥中30%氮。秸秆为玉米秸秆，使用威而德（日照）园林机械有限公司生产的粉碎机（GTS300），粉碎后翻耕入0～20 cm 表层土，秸秆施加量为3 500 kg/hm2。

1.4 土壤采集

连续栽植3 季后，使用土钻在每个小区以5 点取样法采集土样，装进密封袋混匀，自然风干后用于测定土壤有机碳含量。使用环刀在每个小区采集3 份土样，用于测定土壤容重。使用塑料方盒采集每个小区的原状土，运输过程中减少扰动，避免破坏团聚体，自然风干后掰成约1 cm3小土块，剔除杂质后筛分，用于测定土壤团聚体结构。

1.5 样品测定

机械稳定性团聚体的分级采用沙维诺夫干筛法［15］，水稳定性团聚体的分级采用Elliott 湿筛法［16］，筛子孔径分别为5、3、2、1、0.5、0.25 mm，筛分后得到＞5、3～5、2～3、1～2、0.5～1、0.25～0.5、＜0.25 mm 的7 个不同粒级团聚体。

土壤有机碳的测定采用重铬酸钾外加热法，土壤容重的测定采用环刀法［17］。

1.6 数据处理

根据筛分后的各粒级团聚体数据，分别计算＞0.25 mm 的机械 稳定性 团聚体含量（DR0.25）、＞0.25 mm 的水稳定性团聚体含量（WR0.25）、平均重量直径（MWD）、几何均重直径（GMD）、团聚体结构破坏率（PAD），相关计算公式如下：

式中，ωi为某粒径团聚体的质量分数；xi为某粒径团聚体平均直径。

采用Excel 2017 软件进行数据统计，Origin 9.0软件进行绘图，SPSS 21.0 软件进行差异显著性分析，LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对土壤团聚体粒级分布的影响

由图1 可知，不同施肥模式下，通过干筛法得到的机械稳定性团聚体均以＞5 mm 的土壤团聚体含量最高，0.25～0.5 mm 团聚体含量最低。相较于CK 处理，CF 处理中团聚体粒级分布与CK 处理基本一致，OF 处理中＞5 mm 的团聚体含量增幅为28.94%，CFS处理中2～5 mm 和0.25～1 mm 的团聚体含量增幅范围为3.75%～31.23%，OFS 处理中＜1 mm 的团聚体含量增幅范围为31.88%～82.33%，以上差异未达到显著性水平。处理间比较发现，相较于OFS 处理，OF处理中＞5 mm 的团聚体含量显著提高（53.60%），0.5～1 mm 的团聚体含量显著降低（44.68%），CFS 处理中＜0.25 mm 的微团聚体含量显著降低（33.26%）。

图1 不同施肥模式下机械稳定性团聚体粒级分布

通过湿筛法得到的水稳定性团聚体是评价土壤稳定性的重要指标，由图2 可知，不同处理均以＜0.25 mm 的土壤团聚体含量最高，显著高于其他粒级，＞5 mm 的土壤团聚体含量最低。相较于CK 处理，CF 处理中0.5～1 mm 的团聚体含量明显降低（26.76%），0.25～0.5 mm 团聚体 含量显 著提高（53.59%）；OF 处理中＞5 mm 和0.25～0.5 mm 的团聚体含量显著提高（108.60%、133.98%），0.5～1 mm 的团聚体含量显著降低（37.33%）；CFS 处理中0.25～0.5 mm 团聚体含量显著提高（57.78%），＞0.5 mm 的团聚体含量增幅范围为5.39%～115.25%，未达到显著水平；OFS 处理中2～5 mm 和0.25～0.5 mm 的团聚体含量显著提高（67.81%～294.97%），＜0.25 mm 微团聚体含量显著降低（24.59%）。综上，随着秸秆和有机肥的施加，降低了＜0.25 mm 的微团聚体含量，提高了其他粒级团聚体含量。

图2 不同施肥模式下水稳定性团聚体粒级分布

2.2 不同施肥模式对土壤团聚体稳定性的影响

2.2.1 土壤团聚体含量（R0.25）的变化 由图3a 可知，干筛下，CFS处理较OFS 处理，DR0.25显著增加（10.07%），CK、CF 和OF 处理较OFS 处理，DR0.25分别增加7.31%、7.92%、8.49%，差异不显著。湿筛下，CFS 和OFS 处理较CF 处理，WR0.25显著增 加（26.22%、48.64%）；CFS 和OFS 处理较CK 处理，WR0.25显著增加（32.24%、55.73%）；OF 处理较CK 和CF 处理，WR0.25分别增加24.89%、19.21%。

2.2.2 土壤团聚体MWD和GMD的变化 由图3b、图3c 可知，机械稳定性团聚体MWD和GMD均在OF处理时最大（2.15 mm、2.04 mm），OFS 处理最小（1.84 mm、1.44 mm），OF 和OFS 处理达到显著水平，其他处理间无显著变化。施加有机肥和秸秆后，水稳性团聚体MWD和GMD随之增大，表现为CK＜CF＜OF＜CFS＜OFS。OFS 处理较CK 和CF 处理，MWD显著增加（53.57%、36.51%），GMD显著增加（35.75%、33.96%）。

2.2.3 土壤团聚体PAD的变化 由图3d 可知，随着有机肥和秸秆的施加，种植3 季蔬菜后土壤团聚体结构破坏率（PAD）呈降低趋势，PAD表现为OFS＜CFS＜OF＜CF＜CK，OFS 处理的PAD最低（38.11%），显著低于其他处理，CK 处理的PAD最高（62.89%）。OF 和CFS 处理较CF 处理，PAD分别降低了11.76%、14.58%，较CK 处理，分别降低14.14%、16.87%，差异不显著。

图3 不同施肥模式对团聚体稳定性的影响

2.3 不同施肥模式对土壤有机碳含量和容重的影响

由图4 可知，不同施肥模式下，土壤有机碳含量为5.57～12.61 g/kg，土壤容重为2.18～2.50 g/cm3。连续施加有机肥和秸秆对土壤有机碳有显著影响，CFS 和OFS 有机碳含量显著高于其他处理，OF 较CK、CF 处理差异不显著；CFS 和OFS 处理较CK 处理，有机碳含量显著增加（114.54%、126.39%）；CFS和OFS 处理较CF 处理，有机碳含量显著增加（49.54%、57.80%）。此外，秸秆的施加降低了土壤容重，表现为OFS＜CFS＜CF＜CK＜OF；OFS 处理较CK、CF 和OF 处理，容重显著降低（10.66%、10.29%、12.80%）。CFS 处理较OF 处理，容重显著降低（9.20%），与其他处理差异不显著。

图4 不同施肥模式对土壤有机碳含量和容重的影响

3 小结与讨论

土壤团聚体对改善土壤结构、促进作物生长起到重要作用［18］。有研究表明，施加有机肥可以显著提高＞0.25 mm 的团聚体含量，降低＜0.25 mm 的团聚体含量［19］。本研究中，优化施肥（OF）相较于不施肥（CK）处理，DR0.25和WR0.25含量分别 提高1.10%、24.89%，无显著差异，这可能与有机肥类型的差异有关。较高的生物量，包括秸秆、根系残茬等也是影响土壤团聚体的主要因素［20］，本试验秸秆与常规化肥配施处理（CFS）相较于不施肥（CK）处理和常规化肥处理（CF），WR0.25的含量显著提高（32.24%、26.22%），可能与秸秆连续施加后土壤有机碳组成的差异有关。连续3 个生长季的CFS 处理显著提高了土壤有机碳含量，有研究发现，耕层土中绝大部分有机碳位于土壤团聚体内［7］，秸秆的施加为土壤引入了丰富的碳源［21］，有利于提高微生物生物量，促进有机质分解，从而提高土壤中腐殖质含量，腐殖质中的胡敏酸和富里酸是团聚体的胶结剂［22］，腐殖质的含量与水稳定性团聚体呈正相关［23］。同时作物（根系分泌）和微生物（有机分解）会产生多糖，多糖同样作为一种有机胶结剂，附着在土壤颗粒上，有利于促进微团聚体向大团聚体的形成［24］。

通过对 不同施 肥模式下WR0.25、MWD水稳性、GMD水稳性和PAD的比较不难发现，与CK 处理相比，连续单施化肥对团聚体稳定性几乎无影响，而秸秆和有机肥的施加均能提高土壤团聚体的稳定性，这与前人研究结果一致［25-27］。相较于OF 处理，CFS 处理中WR0.25含量较高、MWD水稳性和GMD水稳性较大、PAD较低，说明在设施菜地条件下，连续施加秸秆比有机肥配施化肥能更有效地改善土壤团聚体稳定性。同时连续施加秸秆降低了土壤容重，通常疏松多孔的土壤容重较低，有利于提高作物根系有氧呼吸，促进生长［28］。王西和等［29］认为，增施有机肥对灰漠土大团聚体含量的提高和有机碳的积累优于秸秆还田，这可能与不同的土壤类型及耕作方式有关，Xiao等［20］研究表明，玉米大豆连作6 年后，与施加有机肥相比，秸秆和化肥配施进一步提高了土壤有机碳含量及MWD水稳性、GMD水稳性，与本研究结果一致。此外，本研究结果显示，有机肥配施化肥与施加秸秆相结合有协同作用，与CK 处理相比，OFS 处理中WR0.25、MWD水稳性、GMD水稳性和PAD均达到显著差异，说明OFS 处理对土壤团聚结构的改善效果最佳。

综上所述，连续单施化肥与不施肥相比，菜地土壤团聚体的粒级分布和稳定性难以产生较大影响，连续秸秆配施化肥对土壤团聚体稳定性的提高优于有机肥配施化肥，且提高了土壤有机碳固存，降低了土壤容重。OFS 处理在有机肥和秸秆结合的基础上进一步提高了团聚体稳定性，改善了土壤结构，效益最佳。