王逸筠趙文棟孫澤強(qiáng)劉盛林鄭東峰董曉霞趙海軍李進(jìn)勝劉兆輝

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部山東耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，山東 濟(jì)南 250100；2.萊蕪第一中學(xué)，山東 濟(jì)南 251499；3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100)

我國鹽堿地面積占可耕地面積的20%以上[1]，鹽堿地作為我國重要的后備耕地戰(zhàn)略資源，其開發(fā)利用對(duì)于保障我國糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義[2，3]。為增加產(chǎn)量，農(nóng)民往往過多施用化肥，但過量施用會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量循環(huán)不平衡[3]，降低土地質(zhì)量，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)下降。因而科學(xué)合理利用有機(jī)肥與化肥平衡施用可提升鹽堿地地力，提高作物產(chǎn)量。

大量研究表明，鹽堿地施用有機(jī)肥可促進(jìn)大粒徑土壤團(tuán)聚體形成以改善土質(zhì)，降低土壤pH值，使鹽堿、板結(jié)土壤恢復(fù)活力，促進(jìn)土壤空氣流通，提高作物生產(chǎn)力[4，5]。祝英等[6]研究表明，河西綠洲灌溉區(qū)有機(jī)肥替代30%化肥顯著提高玉米的株高、地上部生物量、產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的容量及供應(yīng)強(qiáng)度，土壤氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量顯著提高。尹志榮等[7]研究表明，寧夏鹽堿地減施1/2化肥＋增施1倍羊糞＋增施1倍生物有機(jī)肥施肥模式顯著提高0～20 cm土壤養(yǎng)分含量，降低土壤pH值和全鹽含量；極顯著降低土壤堿化度，有效改善土壤生物活性，細(xì)菌數(shù)量增加40.3倍、放線菌數(shù)量增加1.5倍；產(chǎn)量達(dá)7 000.5 kg/hm2，增產(chǎn)22.81%。本試驗(yàn)在魯西北輕度鹽堿地上設(shè)置低、中、高3個(gè)有機(jī)肥用量與減施20%習(xí)慣施肥配比，研究有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)鹽堿土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、鹽分含量、微生物性狀和冬小麥-夏玉米養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量的影響，以期為魯西北平原及相似區(qū)域輕度鹽堿地開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在山東省沾化縣曹坨村進(jìn)行。該區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣象特征明顯，四季分明，年均氣溫12℃，年均降水量575.5 mm。試驗(yàn)區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)偏低，水解性氮和有效磷較豐富，速效鉀中量，土壤偏堿性，屬于輕度鹽漬化土壤。土壤基本理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)期間降水量為382.0 mm，冬小麥季降水量75 mm，夏玉米季降水量307.0 mm，在7月底和8月初，有兩次超過100 mm的降水，形成了田間澇害。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 供試材料

供試小麥品種為濟(jì)麥22，玉米品種為鄭單958。供試肥料:史丹利“三安”復(fù)混肥(N-P2O5-K2O＝20-26-8)、尿素(N 46%)，普通有機(jī)肥購買當(dāng)?shù)馗稍镅蚣S(有機(jī)質(zhì)65.5%、全氮1.65%、全磷0.47%、全鉀0.23%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)處理:(1)習(xí)慣施肥(CK)，復(fù)混肥600 kg/hm2；(2)低量有機(jī)肥處理(LOF)，有機(jī)肥1 500 kg/hm2＋復(fù)混肥480 kg/hm2；(3)中量有機(jī)肥處理(MOF)，有機(jī)肥5 250 kg/hm2＋復(fù)混肥480 kg/hm2；(4)高量有機(jī)肥處理(HOF)，有機(jī)肥9 000 kg/hm2＋復(fù)混肥480 kg/hm2。

冬小麥種植前有機(jī)肥和復(fù)混肥均作基肥撒施旋耕后播種，所有處理在冬小麥返青期追施尿素120 kg/hm2；玉米種植前所有處理基施復(fù)混肥600 kg/hm2，種肥同播，其他田間管理措施相同。10月7日播種冬小麥，播量225 kg/hm2；小麥?zhǔn)斋@后播種夏玉米，種植密度為6.75萬株/hm2。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積5 m×8 m＝40 m2。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

玉米收獲后即進(jìn)行樣品采集。

1.4.1 土壤EC值 取樣深度為0～100 cm土層，每20 cm為一個(gè)取樣土層，取兩鉆混合樣。土樣風(fēng)干后，用1∶5土水比浸提，采用DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定土壤EC值[8]。

1.4.2 土壤團(tuán)聚體 取樣深度為0～20 cm土層。土壤團(tuán)聚體組成采用TTF-100型土壤團(tuán)聚體/團(tuán)粒分析儀測定。土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量采用濕篩法測定[9]。每處理取土樣100 g，在團(tuán)聚體分析儀上進(jìn)行濕篩分析。套篩孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm。將土樣倒入套篩后，浸潤10min，開啟團(tuán)聚體分析儀，篩動(dòng)頻率為20次/min(上下篩動(dòng)時(shí)套篩不能露出水面)，定時(shí)2 min。篩好后，將套篩拆開，留在篩子上的各級(jí)團(tuán)聚體用細(xì)水流通過漏斗分別洗入鋁盒，待澄清后棄去上清液，烘箱55℃烘干，在空氣中平衡2 h后稱重[10]。每處理重復(fù)3次。參照文獻(xiàn)[11-13]計(jì)算土壤團(tuán)聚體數(shù)量及其特征值。

不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量:

式中，wi為i級(jí)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)，Wwi為該級(jí)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的烘干質(zhì)量(g)，100為稱取的土壤質(zhì)量(g)。

水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量:

式中，R0.25為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(＞0.25 mm)數(shù)量(%)，Mr＞0.25為大于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量(g)，MT為團(tuán)聚體的總質(zhì)量(g)。

團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD，mm):

幾何平均直徑(GMD，mm):

式中，Wi為各粒級(jí)團(tuán)聚體的土壤質(zhì)量(g)。

分形維數(shù)(D):

對(duì)公式(5)兩邊取對(duì)數(shù)，可得:

1.4.3 土壤微生物數(shù)量 取樣深度為0～20 cm土層。土壤細(xì)菌、放線菌及真菌數(shù)量采用平板菌落計(jì)數(shù)法測定，土壤細(xì)菌選用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌選用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基，真菌選用馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基。

1.4.4 植株氮磷鉀含量 分別于冬小麥和夏玉米收獲期每小區(qū)隨機(jī)選取5株，新鮮樣品洗凈殺青，即105℃鼓風(fēng)烘干30 min，然后降至60℃，烘干后備用。采用凱氏定氮法測定氮含量、礬鉬黃比色法測定磷含量、火焰光度法測定鉀含量[14]。

1.4.5 小麥、玉米產(chǎn)量 每小區(qū)取3個(gè)1 m2樣方收獲計(jì)產(chǎn)，測定小區(qū)產(chǎn)量，折算公頃產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖，利用DPS 7.05軟件中Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)輕度鹽堿地土壤性狀的影響

2.1.1 對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響 由圖1可知，施用不同用量有機(jī)肥后＞1 mm各級(jí)土壤團(tuán)聚體比例均增加。與CK相比，＞5 mm團(tuán)聚體比例低、中、高3個(gè)有機(jī)肥用量處理分別增加63.03%、60.88%和2.00%，2～5 mm團(tuán)聚體比例分別增加82.13%、11.38%和87.19%，1～2 mm土壤團(tuán)聚體分別增加44.05%、93.77%和45.43%。除MOF施肥模式處理0.25～0.5 mm粒徑外，土壤粒徑＜1mm各級(jí)土壤團(tuán)聚體比例均下降，其中，0.5～1 mm和0.053～0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體比例降幅較大，較CK分別下降63.06%、56.11%、49.97%和58.44%、75.78%、58.29%，0.25～0.5 mm和＜0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體比例下降較小。

圖1 增施有機(jī)肥對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響

由表2看出，施用不同用量有機(jī)肥均顯著增加土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(R0.25)的比例，與CK相比，LOF、MOF、HOF處理分別增加16.51%、20.66%和9.61%。因此，有機(jī)肥替代處理可增加土壤大團(tuán)聚體含量，且隨有機(jī)肥用量的增加呈先增加后降低趨勢。施用有機(jī)肥可增加土壤團(tuán)聚體MWD和GMD值，LOF、MOF、HOF處理較CK分別增加64.62%、45.64%、23.59%和104.76%、104.76%、44.44%；施用有機(jī)肥降低土壤顆粒分形維數(shù)(D)值，LOF、MOF、HOF處理分別較CK減少3.32%、2.21%和1.48%，但差異均未達(dá)顯著水平。

表2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征值

2.1.2 對(duì)土壤EC值的影響 由圖2可知，施用有機(jī)肥明顯降低0～40 cm土層的鹽分含量，且隨著有機(jī)肥用量的增加降幅增大。與CK相比，LOF、MOF和HOF處理的EC值分別下降12.86%、26.05%和35.05%。

圖2 增施有機(jī)肥對(duì)土壤EC值的影響

2.1.3 對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響 由表3看出，隨著有機(jī)肥用量增加土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量均呈增加趨勢，而放線菌數(shù)量只在LOF處理下較CK顯著增加，MOF和HOF處理較CK無明顯變化。與CK相比，MOF和HOF處理下土壤細(xì)菌數(shù)量顯著增加6.2%和7.1%，土壤真菌數(shù)量顯著增加1.09倍和1.60倍。

表3 增施有機(jī)肥對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響 (cfu/g)

2.2 有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)輕度鹽堿地小麥、玉米養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響

由表4可知，隨有機(jī)肥用量增加冬小麥和夏玉米對(duì)氮素的吸收均呈先升高后降低趨勢。其中中高量有機(jī)肥處理的氮素吸收量顯著高于CK，分別增加37.5%、18.5%(小麥)和29.4%、22.3%(玉米)。對(duì)磷素的吸收則隨著有機(jī)肥用量的增加而增加，與CK相比，MOF和HOF處理分別顯著增加23.0%、23.2%(小麥)和5.3%、13.4%(玉米)。冬小麥的鉀素吸收量在LOF處理下較CK降低，MOF和HOF處理有所增加，其中HOF處理顯著增加16.1%；夏玉米的鉀素吸收量隨著有機(jī)肥用量的增加先升高后降低，低中高用量處理分別增加18.7%、35.3%和30.8%。

由表4看出，低量有機(jī)肥處理冬小麥較CK減產(chǎn)10.53%，中高量處理分別較CK增產(chǎn)8.87%和17.08%。有機(jī)肥不同用量處理均可顯著增加夏玉米產(chǎn)量，與CK相比，LOF、MOF、HOF處理分別增產(chǎn)28.9%、39.7%和39.4%。

表4 有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)小麥、玉米養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響

綜上可見，中高量有機(jī)肥替代部分化肥能較大幅度提高冬小麥、夏玉米產(chǎn)量，在減施20%化肥的條件下，輕度鹽堿地最佳有機(jī)肥用量為9 000 kg/hm2。

3 討論

鹽漬化土壤由于其含鹽量高、土壤結(jié)構(gòu)差、有機(jī)質(zhì)含量低、微生物群落結(jié)構(gòu)和活性低等特性，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高[15，16]。降低鹽度以及改善土壤結(jié)構(gòu)是改良鹽堿土的基本目標(biāo)[17]。本試驗(yàn)中不同用量有機(jī)肥均提高了＞1 mm各級(jí)土壤團(tuán)聚體比例，出現(xiàn)土壤團(tuán)聚體分布向中間粒級(jí)過渡的特征。這與王超等[18]的研究結(jié)果一致，表明有機(jī)肥替代部分化肥可以增加土壤大團(tuán)聚體含量。

土壤中穩(wěn)定性大團(tuán)聚體(R0.25)的數(shù)量(r＞0.25 mm)是土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)[19]，與土壤肥力密切相關(guān)，一般認(rèn)為土壤大團(tuán)聚體數(shù)量越多，土壤結(jié)構(gòu)越好、土壤肥力越高。MWD、GMD和土壤顆粒分形維數(shù)(D)是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況及團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的常用指標(biāo)。MWD和GMD值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[20]，而團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越好、結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定則分形維數(shù)(D)值越小[21]。本試驗(yàn)中，LOF和MOF處理均顯著增加了土壤水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量、MWD和GMD值，表明增施有機(jī)肥有利于土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和維持。而HOF處理下R0.25、MWD和GWD相較于LOF和MOF處理有所下降，但仍高于CK。這可能與不同處理下大團(tuán)聚體含量有關(guān)[22]；同時(shí)，高量有機(jī)肥替代部分化肥也可能導(dǎo)致C/N比發(fā)生變化，增加了有機(jī)肥腐解速率和碳源供給，進(jìn)而提高微生物對(duì)土壤的分解利用，這也與HOF處理下較高的細(xì)菌和真菌數(shù)量相對(duì)應(yīng)。這與龍攀等[23]的研究結(jié)果一致。與習(xí)慣施肥相比，不同用量有機(jī)肥處理對(duì)分形維數(shù)降低的效果不明顯，其可能在于有機(jī)肥的施入只對(duì)鹽堿土壤的部分性狀具有明顯改良效果。何瑞成等[24]的研究亦表明在鹽堿地施用羊糞處理對(duì)土壤分形維數(shù)降低的效果不顯著。

本試驗(yàn)中，與習(xí)慣施肥相比，有機(jī)肥替代部分化肥能夠降低耕層土壤鹽分含量，這與其土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改良有關(guān)，減少了表層土壤水分蒸發(fā)，降低了下層鹽分向表層移動(dòng)速率，從而抑制土壤返鹽[25-29]。

土壤微生物在有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成以及土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)改良方面發(fā)揮重要作用，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)。陶磊等[30]研究表明，習(xí)慣施肥減量20%～40%配施以3 000、6 000 kg/hm2有機(jī)肥不僅不會(huì)導(dǎo)致棉花減產(chǎn)，而且對(duì)提高土壤酶活性、調(diào)節(jié)土壤細(xì)菌、真菌、放線菌群落組成結(jié)構(gòu)，改善北疆綠洲滴灌棉田土壤生物學(xué)性狀有顯著作用。李秀英等[31]研究表明有機(jī)無機(jī)肥配施會(huì)提高土壤中細(xì)菌和真菌數(shù)量。本試驗(yàn)結(jié)果也表明:隨著有機(jī)肥用量的增大，土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量有所增加，而放線菌數(shù)量只在LOF處理下顯著增加，MOF和HOF處理下變化不明顯，表明有機(jī)肥替代化肥可增加土壤微生物數(shù)量，提高土壤肥力水平。

本研究表明，與習(xí)慣施肥相比，中高量有機(jī)肥替代部分化肥可增加小麥、玉米對(duì)氮、磷、鉀的吸收，提高小麥、玉米產(chǎn)量，且以高量處理增產(chǎn)效果最好。表明施用有機(jī)肥能夠改良土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物根系發(fā)育，增加根系對(duì)養(yǎng)分的吸收以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[32]。另一方面，施用有機(jī)肥后土壤中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和各種養(yǎng)分，它不僅是作物養(yǎng)分的直接供給源，又可以活化土壤中潛在養(yǎng)分和增強(qiáng)生物學(xué)活性，增加作物產(chǎn)量[33]。

4 結(jié)論

4.1 施用有機(jī)肥對(duì)輕度鹽漬化土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和鹽分含量產(chǎn)生明顯影響。土壤團(tuán)聚體由＜0.25mm向＞1 mm團(tuán)聚體增加的趨勢，而水穩(wěn)性團(tuán)聚體較CK均有所提高；增施有機(jī)肥顯著降低0～40 cm土層鹽分含量。

4.2 中高量有機(jī)肥替代部分化肥顯著提高土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量，其中以高量有機(jī)肥處理增加最多，而對(duì)放線菌數(shù)量影響不明顯。

4.3 與習(xí)慣施肥相比，中高量有機(jī)肥替代部分化肥均可明顯促進(jìn)小麥、玉米對(duì)氮、磷、鉀的吸收；中高量有機(jī)肥替代部分化肥明顯提高冬小麥、夏玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)8.87%～39.70%，在減施20%化肥條件下，輕度鹽堿地適宜有機(jī)肥用量為9 000 kg/hm2。