不同施肥处理对黑土土壤肥力和作物产量的影响

时间：2024-05-21

孙勇，曲京博，初晓冬，刘金明，2，王延鹏，许相

(1.东北农业大学工程学院，黑龙江哈尔滨 150030； 2.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，黑龙江大庆 163319)

世界仅存的三大黑土之一的东北黑土是我国最肥沃的土壤之一[1]，是东北地区极其重要的农业土壤，黑土中耕地土壤面积约占总面积的65.6%[2]，种植作物主要为玉米、大豆和小麦[3]。黑土质地较黏重，结构疏松，容重较小，松紧度较为适宜。耕层中容重在1.0 g/cm3左右，pH值为5.5～7.5，腐殖质含量较高，一般为30～60 g/kg[4]。东北黑土区在长时间的开垦后，由于施肥不当、耕后管理不佳等原因，造成黑土区土壤肥力显著下降、水土流失加剧、黑土耕层变薄，土壤养分库容偏低、土壤酸化现象日益严重[5]。合理施肥可以培肥土壤，补偿地力不足。然而，大量甚至过量施用化肥会使土壤颗粒分散，土壤的水稳性团粒结构被破坏[6]，造成土壤酸化、板结，同时严重影响农作物的产量及质量。

肥力是土壤所独有的性质，只用不养或不合理地施肥必然会导致土壤肥力降低。土壤肥力指标包括物理指标和化学指标，如土壤质地、厚度、容重、孔隙度、有机质含量、土壤pH值、阳离子交换量(CEC)、氮(N)磷(P)钾(K)含量等。科学合理地施肥不仅有利于土壤肥力的恢复与提高，而且有助于当季作物高产。根据肥料的来源、性质及其作用机制可分为4类：有机肥、化肥、微生物肥[7-8]、叶面肥[7，9]。

目前，针对过量施用化肥导致黑土土壤肥力不断下降的问题已有报道[10-13]，但研究多种施肥处理(有机肥、化肥、微生物肥、叶面肥)对黑土的影响很少，而且尚没有形成确定的黑土培肥模式。为此，本试验选择黑龙江省具有代表性的东北农业大学向阳试验基地，通过在黑土区施用不同肥料，种植玉米和大豆2种作物，来研究不同施肥处理对黑土土壤肥力及作物产量的影响，评价不同施肥处理的培肥效果，旨在找到缓解东北黑土退化并提升土壤肥力的施肥模式，为东北黑土培肥并提高作物生产的竞争力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验地位于东北农业大学向阳试验示范基地(地理位置45°46′20″N，126°55′34″E)，土壤类型为黑土。试验地所在区域属中温带大陆性季风气候，年平均降水量569.1 mm，年有效积温 2 700～3 000 ℃。供试土壤0～20 cm土层基本理化性质：容重1.305 g/cm3；有机质含量21.30 g/kg；全氮含量1.627 g/kg；速效磷含量25.30 mg/kg；速效钾含量 261.80 mg/kg；pH值6.40。供试作物为玉米和大豆，玉米品种为强盛31，大豆品种为东农61。

1.2 试验设计

采取大田试验，试验田面积0.15 hm2，共设置6个处理，以等氮为原则，各处理施氮总量为150 kg/hm2，各处理设3次重复，共18个小区，每小区面积40 m2。各处理分别为对照(CK)，不施肥；T1，有机肥Ⅰ(含氮1.29%，磷0.32%，钾 0.74%)，采用牛粪发酵高温堆肥制成；T2，有机肥Ⅱ(含氮 1.36%，磷0.31%，钾0.73%)，鸡粪羊粪混合发酵堆肥制成；T3，微生物菌肥(含氮18.87%)，有效菌数≥2 000万CFU/g；T4，叶面肥，由植物配方精萃而成，富含有益菌，需稀释200倍；T5，化肥，施入N 150 kg/hm2，P2O570 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2；尿素(46%N)266.54 kg/hm2，磷酸氢二铵(18%N，56%P2O5)152.17 kg/hm2，氯化钾(60%K2O)187.50 kg/hm2。各处理操作根据肥料使用说明并参考玉米、大豆施肥技术(表1)[14]。

表1 各肥料处理实际施用量

试验于2016年4月25日施肥，各肥料均作为底肥，人工一次性均匀撒入田中，5月10日播种。2种作物均采用机播，玉米每穴1粒种子，播种深度为6 cm，株距为28 cm，行距为73 cm；大豆每穴2粒种子，播种深度为6 cm，株距为12 cm，行距为73 cm。后期不进行追肥，不喷洒农药，人工锄草进行2遍中耕。

1.3 测定项目及方法

分别于玉米拔节期、大口期、开花期、成熟期及大豆苗期、开花期、鼓粒期、成熟期进行取样。作物成熟后，进行测产及室内考种。

1.3.1 土壤理化性质的测定每个试验小区内按五点取样法采集0～20 cm深的土样，将土样充分混匀，按四分对角取舍的方法保留土壤样品[15]。从田间采集的土壤样品及时风干以免因生物作用导致样品变质，用圆木碾碾研并过20目筛保存待测。土壤理化性质的测定参考《土壤农化分析》[16]。其中，土壤容重采用环刀法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度计法测定；土壤pH值采用电位计法测定。

1.3.2 产量的测定每小区取5 m2，收获成熟玉米、大豆，待自然风干后，称质量，换算为单位面积产量。

1.4 数据分析方法

本试验所有数据均采用Excel 2010和Origin 8.5进行整理分析、绘图制作。同时，利用SPSS 22.0软件进行方差分析和相关性分析，并进行显著性比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤理化性质的影响

2.1.1 土壤容重从图1不同施肥处理对土壤容重的影响可以看出，各施肥处理与CK相比，土壤容重发生了显著变化。基本规律如下：(1)玉米各处理中，T1处理对土壤容重的影响最明显，较施肥前降低了2.84%；T3和T5处理对土壤容重影响不明显。(2)大豆各处理中CK与各施肥处理间存在显著性差异，T1和T2处理土壤容重降低得最多，与施肥前相比分别降低了2.84%、2.51%。总的看来，有机肥能较好地改善土壤结构，降低土壤容重。

2.1.2 土壤pH值图2为不同施肥处理对土壤pH值的影响，可见不同施肥处理下土壤对pH值变化的缓冲能力不同。具体表现在：(1)玉米生长过程中，各处理土壤pH值大致变化趋势为苗期至大口期逐渐下降，大口期至成熟期逐渐上升；T1处理土壤pH值显著高于其他处理，与施肥前相比，土壤pH值增加了0.14；而T5处理与施肥前相比，土壤pH值降低了 0.15。(2)大豆生长过程中，各处理土壤pH值均在开花期或鼓粒期达到最低值，之后缓慢上升；与施肥前相比，T1处理土壤pH值升高0.06，各处理土壤pH值均高于CK处理。

2.1.3 土壤有机质从图3不同施肥处理对土壤有机质含量的影响可以看出，与其他肥料相比，施用有机肥能够显著提高土壤有机质含量。结果显示：(1)在玉米生长过程中，各处理在施肥后土壤有机质含量先迅速增加，达到峰值后到成熟期整体呈下降趋势。在成熟期，T1处理的土壤有机质含量为21.54 g/kg；各处理均与CK有明显差异；与施肥前相比，T1、T2处理土壤有机质含量分别增加了0.79%、0.47%。(2)在大豆生长过程中，各处理在施肥后至苗期土壤有机质含量均有一定增长但增长速率不及玉米；与施肥前相比，T1、T2处理土壤有机质含量分别增加0.84%、0.70%。因此，有机肥与其他肥料相比能够明显提高土壤有机质含量。

2.1.4 土壤速效养分土壤速效养分通常是指土壤中的离子态养分和交换态养分[17]，本试验选择土壤全氮、速效磷、速效钾含量这3个指标进行测定。由表2可见，玉米成熟期时，T5和T3处理土壤全氮含量显著高于其他处理，T5处理与施肥前相比增幅最多，为12.23%；各处理土壤速效磷含量为T5>T1>T3>T2>T4>CK，化肥处理与其他处理差异显著。各处理土壤速效钾含量依次为T5>T3>T2>T1>T4>CK，化肥处理与其他处理差异显著，与施肥前土壤速效钾含量相比，化肥处理增加了5.88%。大豆成熟期时，各处理土壤全氮含量均高于T5处理，T1处理全氮含量最高，为1.639 g/kg，除T5处理外，各处理均与CK差异显著；各处理土壤速效磷含量排序与玉米土壤速效钾含量一致，与施肥前土壤速效磷含量相比，T5和T3处理增幅分别为12.17%、3.83%，各处理均与CK差异显著；各处理土壤速效钾含量依次为T5>T3>T1>T2>T4>CK，T5和T3处理与施肥前土壤速效钾含量相比，增幅分别为13.56%、10.05%，叶面肥对土壤速效磷含量的作用不明显。

表2 不同施肥处理对土壤理化性质的影响

注：同列数据后标有不同小写字母代表不同施肥处理在0.05水平上呈差异显著。

2.2 不同施肥处理对产量的影响

2.2.1 产量如图4所示，各处理玉米产量依次为T5>T3>T1>T2>T4>CK，化肥处理产量最高，为8834.4 kg/hm2，T5与T1、T3之间的差异不显著。与CK相比，T1、T2、T3、T4、T5处理的大豆产量分别提高 30.73%、3.15%、24.87%、29.72%、30.35%。T1、T3、T4、T5处理间差异不显著。化肥在速效养分的供应能力上优于其他处理，作物可从土壤中吸收利用大量营养元素满足其生长需要，因此化肥处理的作物产量高于除T1外的其他处理。

2.2.2 相关性分析对不同施肥处理土壤理化性质与产量进行相关性分析，由表3可以看出，玉米土壤容重与土壤pH值、有机质含量呈显著负相关；土壤全氮含量与速效钾含量呈极显著正相关；玉米产量与土壤全氮、速效磷、速效钾含量均呈极显著正相关。由此可见，土壤理化性质极大地影响了玉米产量。大豆土壤容重与土壤pH值、有机质、全氮含量均呈显著或极显著负相关；土壤有机质含量与土壤全氮含量呈极显著正相关；土壤速效磷含量与土壤速效钾含量呈极显著正相关；大豆产量与土壤理化性质并无显著相关关系。

2.3 土壤质量的主成分分析

2.3.1 特征根与方差贡献率对土壤7个肥力指标进行主成分分析，评价不同施肥制度下土壤的培肥能力，为东北黑土培肥和提高作物生产的竞争力提供理论依据。各主成分的特征值和方差贡献率如表4所示。根据统计学原理，当各主成分的累计方差贡献率大于85%时，即可用来反映系统的变异信息，同时各主成分影响力度大小可用特征值表示[18-20]。从表4可以看出，玉米和大豆的PC2累计贡献率分别达 90.72%、87.11%，基本解释了数据的全部变异。

2.3.2 因子负荷及主成分表达式通常情况下，因子负荷与变量在相应主成分中的权重成正比[21]。由图5可知，pH值、产量、全氮含量、有机质含量、速效磷含量和速效钾含量这6个性质在PC1上有较高的因子负荷；速效磷含量、速效钾含量、全氮含量、产量在PC2上有较高的因子负荷。因此，对于2种作物的土壤质量来说，绝大多数变量在上述2个主成分上有较高的因子负荷，因此PC1和PC2这2个主成分可以反映由上述土壤指标代表的土壤质量水平。

表3 不同施肥处理土壤理化性质与产量的相关性分析

注：“*”代表在0.05水平上显著相关，“**”代表在0.01水平上显著相关；BD为土壤容重；OM为土壤有机质含量；TN为土壤全氮含量；AP为速效磷含量；AK为速效钾含量；YD为产量。下同。

表4 2种作物主成分分析的特征根与方差贡献率

注：PC1表示主成分1，PC2表示主成分2。下同。

根据SPSS软件分析所得的各变量在相应主成分上的因子负荷，分别获得玉米土壤主成分函数表达式：

PC1=-0.384BD+0.280pH+0.315OM+0.231TN+0.471AP+0.412AK+0.480YD；PC2=0.364BD-0.496pH-0.470OM+0.482TN+0.206AP+0.284AK+0.211YD。

大豆土壤主成分函数表达式：

PC1=-0.499BD+0.501pH+0.484OM+0.495TN-0.077AP+0.092AK+0.079YD；PC2=-0.034BD+0.076pH-0.085OM-0.118TN+0.626AP+0.603AK+0.465YD。

2.4 不同施肥处理综合得分

综合主成分的函数模型[18-19]：

(1)

式中：F为综合主成分值；b为贡献率；m为主成分数量；Z为主分量；j=1,2,3,…,n。

根据公式(1)计算出综合主成分分值进行排序，并对不同施肥处理土壤肥力水平进行综合评分。如图6所示，玉米土壤中有机肥Ⅰ处理综合得分最高，为1.243，微生物肥、化肥、有机肥Ⅱ、叶面肥处理综合得分依次递减，得分分别为0.612、0.573、0.519、-0.553，不施肥处理综合得分最低，为 -2.393；大豆土壤中，有机肥Ⅰ处理综合得分同样最高，为1.445，有机肥Ⅱ、微生物肥、叶面肥、化肥处理综合得分依次递减，得分分别为0.911、0.707、-0.168、-0.654，不施肥处理综合得分最低，为-2.241。上述综合评分说明，施用有机肥优于其他施肥处理，微生物肥表现也较为优秀。

3 讨论

土壤容重可以判断土壤的松紧程度，同时可以表征土壤对作物的适宜度，种植禾谷类作物最适宜的土壤容重为 1.1～1.3 g/cm3。温延臣等在长期不同施肥定位的试验中得出，施用有机肥与施用化肥相比可有效改善土壤容重[18]。这与本研究中有机肥处理相比于化肥处理土壤容重下降了 0.022 g/cm3(玉米)、0.034 g/cm3(大豆)的结果一致，这是因为相比于硬块结构土壤，施用有机肥后与土壤结合形成碎散的团粒，在一定程度上改善了土壤耕性及蓄水、透水、通气等性能。

土壤pH值对作物从土壤获取养分的有效性存在显著的影响[2]，不同施肥处理对土壤pH值缓冲能力的影响不同，本试验中，成熟期玉米土壤pH值排序为有机肥>微生物肥、叶面肥>CK>化肥，由于化肥中的NH4+、H2PO4-等与土壤中H+及其他阳离子反应生成酸性盐，引起土壤酸化。

相关研究表明，土壤有机质在保蓄土壤水分、增加土壤阳离子交换量、改善土壤结构、缓冲土壤pH值变化方面都起到极重要的作用[22-24]。本试验发现，有机肥与其他肥料相比能够显著提高有机质含量，施用有机肥Ⅰ后土壤有机质含量增加了0.79%(玉米)、0.84%(大豆)；有机肥在土壤分解过程中形成高分子腐殖酸，对于提升土壤有机质含量及改良土壤结构起重要作用。在产量方面，玉米产量排序为T5>T3>T1>T2>T4>CK，大豆产量排序为T5>T1>T4>T3>T2>CK。化肥处理的产量高于除T1外的其他处理。

相关性分析得出，玉米产量与土壤速效养分含量均呈极显著正相关，因此增施氮磷钾养分可提升玉米产量；大豆产量与土壤速效养分含量无显著相关关系。近年来，研究者在进行土壤肥力综合评价时通常采用主成分分析和因子分析的方法，这类方法可以对土壤肥力分析中获得的大量数据进行评价，将数据充分利用，在复杂的土壤肥力因子中提炼出综合规律[25-26]。本试验运用主成分分析法分析不同施肥处理的土壤肥力并进行主成分评价和综合得分，结果表明，2种作物施用有机肥和微生物菌肥的综合得分均明显高于不施肥处理，所以施用有机肥和微生物菌肥可以均衡改善土壤肥力，有利于黑土的可持续利用。

就黑土区现状来说，施用有机肥可缓解黑土退化并改良黑土土壤，提高土壤肥力。微生物菌肥和叶面肥在改良土壤某些单指标(土壤有机质含量、土壤全氮含量、土壤速效磷含量)方面可以选择性施用；化肥降低了土壤pH值，造成土壤酸化，同时对土壤容重、土壤有机质含量也无显著作用。在下一阶段的研究中，应将有机肥与微生物菌肥配施，并确定既可提升黑土区土壤肥力又可提高作物产量的配施最优比例。