长期施肥对黄土高原旱地黑垆土水稳性团聚体的影响

长期施肥对黄土高原旱地黑垆土水稳性团聚体的影响

霍琳^1,2武天云²蔺海明^{1 * *} 曹诗瑜²唐文雪²

（1甘肃农业大学农学院　甘肃兰州　730070；2甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所　甘肃兰州　730070）

摘要：通过27年的长期定位试验，研究了长期施肥对黄土高原旱地黑垆土水稳性团聚体的影响。结果表明：与自然土壤相比，黑垆土开垦后，0～10 cm和10～20 cm土层＞0.25 mm的水稳性团聚体含量分别下降了21.35%和38.82%；0.5 mm以上各粒级的水稳性团聚体含量均呈下降趋势，其中＞5 mm和5～2 mm大粒径团聚体的下降幅度最大；而0.5～0.25 mm的水稳性团聚体含量却增加了104.75%和23.13%。0～10 cm土层各粒级水稳性团聚体含量均高于10～20 cm土层。单施有机肥和有机无机肥配施处理5～2 mm粒级的水稳性团聚体含量增加最多，＞5 mm粒级次之；增施有机肥、有机无机肥配合施用和秸秆还田处理能显著增加大粒径水稳性团聚体含量，改善土壤团聚体的结构。各处理0～10 cm表层土壤水稳性团聚体平均质量直径（MMD）均大于10～20 cm土层；自然土壤的团聚体MMD显著高于同层次耕作土壤，长期施肥处理MMD大于无肥对照，有机物质培肥处理明显高于化肥处理。土壤团聚体MMD与＞0.25 mm水稳性团聚体含量呈显著正相关。

关键词：长期施肥；黑垆土；水稳性团聚体；平均质量直径

土壤团聚体作为土壤结构的重要组成部分，起着保证和协调土壤中的水肥气热、影响土壤酶的种类和活性、维持和稳定土壤疏松熟化等作用，是影响土壤肥力和土壤质量的重要因素之一。土壤团聚体的形成、特性以及作用功能十分复杂，既受土壤本身物质组成的影响，还受人为活动等因素的影响。国内外学者把土壤团聚体的水稳性作为评价土壤物理性质及抗侵蚀能力的重要指标^[1～3]，认为土壤的结构性直接影响着土壤肥力和农作物的生长，若能提高土壤团聚体的水稳性以及水稳性团聚体的数量和质量，就可提高土壤抗侵蚀能力、土壤肥力和作物产量^[3～6]。土壤团聚体平均质量直径也是土壤结构评价的指标之一，平均质量直径的大小能很好地反映土壤团聚体分布及稳定性^[7～8]。

注：本文发表于《应用生态学报》，2008，19（3）：545～550.

肥料长期定位试验是研究长期施用不同肥料及其相互组合对作物产量、土壤肥力和生态环境影响的可靠方法。近年来，国内外学者在土壤肥力^[9～11]、土壤团聚体^[10,12-13]及微团聚体^{[11～12,14～15]}的研究方面取得了显著进展,基本上明确了土壤中微团聚体在土壤肥力中的作用^[14～15]。但在黄土高原土壤团聚体的研究中，往往是和土壤侵蚀联系在一起的，众多学者运用多元回归分析方法从土地利用方式、植被恢复等方面研究了土壤团聚体的响应和演变及其与主要影响因子之间的关系^[16～18]，而有关施肥对土壤团聚体的影响研究并不多见。本试验在27年小麦—玉米轮作的基础上，研究了长期施肥对黑垆土团聚体含量及其水稳性的影响，旨在为改善黑垆土理化性状、培肥地力和作物持续高产稳产提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　自然概况

试验在甘肃省泾川县高平镇上湾村平凉农业科学研究所试验场（35°15′N，107°35′E）进行，海拔1232 m。肥料长期定位试验于1979年开始，土壤为黑垆土，无灌溉条件，为典型的黄土高原旱作农业区。该地年平均降水量560 mm，年均气温10.2℃，≥0℃积温3959.7℃，≥10℃积温3 312.2℃。试验地耕层土壤有机质含量10.5 g/kg，全氮0.76g/kg，全磷0.57g/kg，碱解氮60.0mg/kg，速效磷7.2mg/kg，速效钾165 mg/kg，pH值为8.4，CaCO₃113.8g/kg，容重1.20g/cm³。

1.2　试验设计

试验设7个处理：（1）未开垦自然土壤（NS）；（2）不施肥耕作（CK）；（3）施纯N 90 kg/hm²（N）；（4）施土粪75000 kg/hm²（M）；（5）施纯N90 kg/hm²，P₂O₅75kg/hm²（NP）；（6）施土粪75 000 kg/hm²，纯N90 kg/hm²，P₂O₅75kg/hm²（MNP）；（7）施秸秆3750kg/ hm²，纯N90kg/hm²，隔年施P₂O₅75kg/hm²（SNP）。试验小区面积667m²，3次重复，采用玉米（2年）—小麦（4年）轮作方式。试验所用土粪为厩肥，多年测定的有机质平均含量为22.5g/kg、全氮1.8g/kg、全磷1.7g/ kg、速效氮215.0mg/kg、速效磷35.0mg/kg、速效钾262mg/kg；秸秆采用当年种植作物秸秆，切成10 cm左右碎段，与土粪在前茬作物收获后结合深翻施入；试验所用氮肥为尿素、磷肥为普通过磷酸钙，每年均在播种前结合浅耕施入。

1.3　测定项目与方法

2006年4月18日玉米播种前，每处理各采集0～10cm、10～20cm原状混合土样3份作为3次重复，去除其中的石块和草根等杂物,放入硬质盒内带回实验室风干备用。分别测定各级风干团聚体和水稳定性团聚体含量，2次重复。

风干团聚体用干筛法^[19]测定，分为＞8 mm、8～5mm、5～2mm、2～1mm、1～0.5mm和0.5～0.25mm6个粒级。水稳性团聚体用湿筛法^[20]测定，分为＞5mm、5～2mm、2～1mm、1～0.5mm和0.5～0.25mm5个粒级。称取过8mm筛的风干土40 g（w1）,平铺于套筛上（从上到下的顺序为5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm），盛土的各孔径筛子先在水中浸泡10min，然后用湿筛仪上下振荡10 min，将每个筛子上的水稳性团聚体分别冲洗入已称重的三角瓶中，105℃烘干、称量（w₂i）。最后每瓶加入0.5%六偏磷酸钠50 ml振荡45 min，分散后分别过相应孔径的筛子，收集各级筛子上的残留物，105℃烘干、称量（w_3i）。同时用烘干法^[21]测定土壤含水量wc（g/g）。水稳定性团聚体（WSA）各粒级含量的计算公式为：

式中,i=1,2,3,……,n，为团聚体级别。土壤水稳定性团聚体的平均质量直径（MMD,mean mass diameter）计算公式为：

式中，MMD是团聚体平均质量直径，mm；Xi是筛分出来的某一级别团聚体的平均直径mm；WSAi是该级别团聚体的质量百分含量%。

1.4　数据分析

试验数据采用SAS软件进行统计分析。

2　结果与讨论

2.1　耕作对黑垆土水稳性团聚体的影响

良好的土壤结构往往依赖于直径1～10 mm的水稳性团聚体^[22]，其对植物生长的影响在于能维持一定的孔隙度,以供空气、水分运动和根部的伸展^[23]，所以各级水稳性团聚体的比例可较好地反映土壤团聚体的质量。黑垆土开垦后，由于人类活动的影响和生态环境条件的变化，贮存在土壤中的有机物质迅速分解，0～10 cm和10～20 cm土层＞0.25 mm的水稳性团聚体与耕作前相比极显著下降（P＜0.01），分别由原来的45.42%和37.21%下降到35.72%和22.76%，降幅分别为21.35%和38.82%（表1）。0.5 mm以上各粒级的水稳性团聚体含量均呈下降趋势，其中＞5mm和5～2mm大粒径团聚体的下降趋势最为明显，差异均达显著水平（P＜0.05）。0～10cm和10～20 cm土层＞5mm的水稳性团聚体含量分别由2.82%、0.85%下降到0.13%和0.11%，降幅分别为95.53%和86.71%；5～2 mm的水稳性团聚体含量降幅分别为93.34%和92.45%；2～1mm粒级的降幅分别为76.03%和77.24%；1～0.5mm粒级的降幅只有7.80%和41.41%；而0.5～0.25mm的水稳性团聚体含量却在同期内增加了104.75%和23.13%，差异分别达极显著（P＜ 0.01）和显著水平（P＜0.05），水稳性团聚体的粒径由以大团聚体为主改变为以小粒径的水稳性团聚体占绝对优势。耕作土壤的水稳性团聚体中＜2mm的小团聚体较多，且分布较均匀,说明其团聚性较差，结构松散，表明耕作扰动会降低土壤水稳性团聚体含量，破坏土壤结构，使土壤团聚体的稳定性降低。其原因可能是耕作不仅使表层土壤的团聚体经常受到干扰，而且释放了受团聚体保护的免遭矿化的土壤有机质^[24-25]，也导致可使团聚体稳定的胶结物质减少^[26]；同时，耕作也促进了土壤有机质的周转，减少了土壤团聚作用的发生^[27]，从而使团聚体的稳定性降低，大团聚体的比例减少，微团聚体的比例增加。

表1　不同处理的土壤水稳性团聚体含量

Table1　The composition of water-stable soil aggregate sunder different treatments（%）

注：TS：耕作土壤，为6个处理的平均值Tillage soil,data was the average of six treatments；NS：自然土壤Native soil.同土层同粒径不同大、小写字母分别表示处理间差异极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）下同。Different capital and small letters meant significant difference in the same size group at the same soil depth at 0.01 and 0.05 levels,respectively.The same below.

2.2　长期施肥对黑垆土水稳性团聚体含量的影响

长期不同施肥方式下，黑垆土水稳性团聚体含量的变化也不相同。从表2可以看出，湿筛后0～10cm土层各粒级团聚体含量在培肥处理期间的变化规律为：＞5 mm团聚体含量平均为0.15%，变化区间为0～0.45%；5～2mm团聚体含量平均为0.54%，变化区间为0.38%～0.77%；2～1mm团聚体含量平均为2.28%，变化区间为1.30%～2.97%；1～0.5mm团聚体含量平均为15.84%，变化区间为10.67%～19.91%；0.5～0.25mm团聚体含量平均为16.97%，变化区间为12.53%～23.21%。与CK相比，长期施肥主要增加了土壤中大粒级水稳性团聚体含量。其中，5～2mm的水稳性团聚体含量增加最多，除施化肥处理（N、NP）无显著差异外，其他施肥处理均差异显著（P＜0.05），其次是＞5mm的水稳性团聚体含量。有机肥与氮磷肥及秸秆与氮磷肥配施处理＞0.25mm土壤水稳性团聚体含量均较CK明显增加，增幅分别为16.83%和12.68%。

随着土层变深，各施肥处理10～20cm各粒级水稳性团聚体含量的变化均呈以下规律：＞5mm团聚体含量平均为0.12%，变化区间为0～0.35%；5～2mm团聚体含量平均为0.30%，变化区间为0.09%～0.58%；2～1mm团聚体含量平均为1.73%，变化区间为1.04%～2.89%；1～0.5mm团聚体含量平均为8.80%，变化区间为5.72%～11.98%；0.5～0.25mm团聚体含量平均为10.99%，变化区间为7.81%～13.72%（表2）。与上层土壤相比，该层土壤各粒级水稳性团聚体在组成上的变化趋势是一致的，但在含量上均有所降低。其原因可能是：自然土壤的生物群落是多年生杂草，而耕作土壤的生物群落是一年生农作物，这一变化加速了土壤有机质分解，导致有机碳库含量下降，有机胶结作用减弱，从而导致水稳性团聚体含量下降；其次，耕作土壤是一个开放或半开放的农田生态系统，土壤中的主要营养元素和土壤水分以及大部分农产品和茎秆等物质流出系统，使原有的自然生态系统碳平衡格局被打破，每年归还农田的有机物质总量明显减少，这种入不敷出的物质循环方式导致土壤有机碳库储量迅速下降，从而加速了水稳性团聚体之间有机胶结物质的分解，使大团聚体分解，转变成小粒径的水稳性团聚体。

单施有机肥处理0～10cm和10～20cm土层＞5mm水稳性团聚体含量分别为0.45%和0.35%，均显著高于其他各施肥处理。单施有机肥和有机肥与氮磷肥配施处理5～2mm水稳性团聚体含量，在0～10cm土层分别为0.77%和0.70%，在10～20cm土层分别为0.42%和0.58%，均显著高于其他施肥处理；秸秆与氮磷肥配施处理5～2mm水稳性团聚体含量与单施化肥处理相比也有明显增加，但差异不显著。各施肥处理较其他较小粒径团聚体含量之间无明显差异，说明施用有机肥或有机肥与化肥、秸秆与化肥配施均能增加土壤水稳性团聚体含量，提高土壤团聚体的稳定性，改善土壤结构，体现出土壤培肥的作用与效果。施用有机肥或有机肥与化肥配施的处理效果明显比单施化肥好，这可能与有机肥分解过程中形成的腐殖质胶结有关。

表2　不同施肥处理各粒级土壤水稳性团聚体含量

Table 2　Com position of water-stable soil aggregates under different fertilization treatments　%

2.3　长期施肥对黑垆土水稳性团聚体平均质量直径的影响

由图1可知，自然土壤0～10cm和10～20 cm土层的水稳性团聚体平均质量直径分别为0.81mm和0.54mm，均极显著高于同层次耕作土壤。再次说明农业经营管理制度直接影响黑垆土的结构状况，耕作土壤团聚体的水稳性和抗侵蚀能力与自然土壤相比均有大幅度降低，而耕种过程中的物理机械破坏和植物群落的变化可能是引起黑垆土大粒径水稳性团聚体迅速下降的主要原因之一。

各处理0～10 cm表层土壤平均质量直径均大于10～20 cm土壤，施有机肥处理在这两层土壤中变化很小,而自然土壤和其他各施肥处理变化较大，说明土壤水稳性团聚体平均质量直径随土层深度的增加而减小。经过长期培肥，黑垆土水稳性团聚体的平均质量直径在0～10cm和10～20cm土层都发生显著变化，施肥处理大于无肥对照，有机肥处理明显高于化肥处理，特别是有机肥与氮磷肥和秸秆与氮磷肥配施处理的平均质量直径，在0～10cm土层分别达0.34mm和0.35mm，在10～20cm土层分别达0.27mm和0.26mm，说明有机无机肥配合施用和秸秆还田等措施显著增加了大粒径水稳性团聚体含量，改善了土壤团聚体的结构，增强了土壤结构的稳定性和黑垆土抗侵蚀的能力，也再次体现了长期土壤培肥的作用与效果。

图1　不同施肥处理土壤水稳性团聚体平均质量直径

Fig1　Mean mass diameter of water-stable soil aggregates under different fertilization treatments.

2.4　平均质量直径与＞0.25mm水稳性团聚体的关系

由图2可知，土壤团聚体平均质量直径与＞0.25mm水稳性团聚体含量之间呈极显著正相关（r=0.712 * * ，P＜0.01）。说明＞0.25mm水稳性团聚体的含量越高，平均质量直径越大，土壤团聚体水稳性越强，土壤结构越稳定。而增施有机肥、有机无机肥配合施用和秸秆还田等措施在补充土壤有机碳库和有效养分含量的同时，能显著增加了土壤中的大团聚体含量及其水稳性，是改善黑垆土理化性状、培肥地力和确保作物高产稳产的有效途径。

图2　平均质量直径与＞0.25 mm水稳性团聚体含量之间的关系

Fig 2　Correlation between mean mass diameter and the content of＞0.25 mm water-stable soil aggregates.

3　结论

（1）黑垆土开垦后，由于人类活动的影响和生态环境条件的变化，贮存在土壤中的有机物质迅速分解，0～10 cm和10～20 cm土层＞0.25 mm水稳性团聚体含量与耕作前相比均有不同程度下降，分别较自然土壤降低了21.35%和38.82%。0.5mm以上各粒级水稳性团聚体含量均呈下降趋势，其中＞5mm和5～2mm大粒径团聚体的下降最为明显，而0.5～0.25mm水稳性团聚体含量却增加了104.75%和23.13%。＜2mm的小团聚体较多，且分布较均匀，说明其团聚性较差，结构松散，表明耕作扰动会降低土壤水稳性团聚体含量，破坏土壤结构，使土壤团聚体的稳定性降低。

（2）长期施肥主要增加了土壤中大粒级水稳性团聚体含量，其中5～2mm水稳性团聚体含量增加最多，＞5mm次之。10～20cm土层各粒级水稳性团聚体在组成上与0～10cm土层的变化趋势是一致的，但在含量上均有所降低。长期施肥，特别是增施有机肥、有机无机肥配合施用和秸秆还田能增加大粒径水稳性团聚体含量，显著改善土壤团聚体结构。

（3）各处理0～10cm表层土壤平均质量直径均大于10～20cm土层土壤。自然土壤的水稳性团聚体平均质量直径显著高于同层次耕作土壤。经过长期培肥，黑垆土水稳性团聚体的平均质量直径在0～10cm和10～20cm土层都发生显著变化，施肥处理大于无肥对照，有机肥处理明显高于化肥处理。土壤团聚体平均质量直径与＞0.25mm水稳性团聚体含量之间呈显著正相关，说明＞0.25mm水稳性团聚体的含量越高，平均质量直径越大，土壤团聚体水稳性越强。

（4）增施有机肥、有机无机肥配合施用和秸秆还田等措施在补充土壤有机碳库和有效养分含量的同时，能显著增加土壤中大团聚体的含量及其水稳性，改善土壤结构，提高土壤肥力，是改善黑垆土理化性状、培肥地力和确保作物高产稳产的有效途径。