长期不同施肥措施下黄泥田水稻土团聚体组成、稳定性及养分分布特征

高 强，宓文海,2，夏斯琦，刘明月，毛 伟，居 静，赵海涛

(1.扬州大学 环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127； 2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058； 3.扬州市耕地质量保护站，江苏 扬州 225101)

黄泥田是我国南方省份广泛分布的一种低产水稻土[1]，养分贫瘠和较差的土壤结构是其生产力的重要限制因子。探究能够提升其土壤养分含量及优化土壤结构的培肥模式对于提升黄泥田肥力、保障当地粮食生产具有重要意义。团聚体作为土壤最基本的结构单元，是有机质分解与积累、养分迁移与转化的主要场所[2]。良好的土壤团聚体结构是保障调控作物生长养分供应的重要基础，其稳定性容易受到土地利用方式、土地耕作制度、作物生长发育以及人为施肥管理模式的影响[3]。有机质作为重要的胶结物质，影响土壤的团聚化作用。霍琳等[4]对黑垆土的研究表明，增施有机肥及秸秆还田可以提高黑垆土的大团聚体含量及其稳定性。汪景宽等[5]针对棕壤的研究也得出相似的结论，长期施用有机肥促进了棕壤团聚体的形成，提高了团聚体稳定性。对于红壤水稻土的研究表明，不同施肥处理对>2 mm土壤团聚体含量的影响最明显，有机肥的施入显著提高了>2 mm土壤团聚体含量[6]。秸秆和牛粪是来源广泛的农业有机肥料资源，探明长期秸秆和牛粪投入有机培肥模式下黄泥田土壤养分变化及团聚体组成结构特征对于提升黄泥田地力和农业废弃物处置具有重要意义。根系是植物与土壤的动态界面，其分泌物可以为微生物活动提供大量能源物质[7]，增强根系周围的微生物活动强度，影响土壤颗粒团聚化作用，同时植物根系正常活动过程中对于周围土体的缠绕、挤压、穿插作用同样会对团聚体结构及其稳定性产生影响[8]。目前已有关于施肥对黄泥田土壤结构及养分的影响研究报道，主要集中于土地利用、管理方式等外部控制因素[9-12]，缺少对作物生育期内土壤团聚体组成及养分分布的研究，同时黄泥田水稻土团聚体稳定性的影响机制尚不十分清晰。为此，系统研究长期不同施肥措施下黄泥田水稻关键生育时期根际/非根际土壤团聚体组成、稳定性及养分分布特征，以期为黄泥田农业区提供合适的施肥模式。

1 材料和方法

1.1 试验区域及材料

试验开始于2011年6月，试验田位于浙江省金华市琅琊镇新朱村(29°01′19″N，119°27′99″E)。耕地土壤类型为水稻土，试验开始前耕层土壤含有机质27.75 g/kg、全氮1.64 g/kg、速效钾79.33 mg/kg、有效磷11.84 mg/kg，pH值为5.10。

供试水稻品种早稻为籼稻金早09(浙江省金华市农业科学研究院选育)、晚稻为籼稻岳优9113(湖南省岳阳市农科所选育)。试验所用化肥为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)、控释BB肥(N∶P2O5∶K2O=24∶12∶12)，其中，控释BB肥为硫磺树脂双包膜尿素,控释期3个月，由山东金正大生态工程股份有限公司提供。秸秆和牛粪C含量分别为438、289 g/kg，N含量分别为9、21 g/kg，P含量分别为1、10 g/kg，K含量分别为20、12 g/kg。试验所用秸秆快腐菌剂为“宁粮”牌秸秆腐熟剂，购自南京宁粮生物肥料有限公司，该产品含有自然条件下适应能力较强,能够快速降解秸秆中的粗蛋白、纤维素、半纤维素和木质素的细菌、真菌和放线菌。

1.2 试验设计

试验设置3个处理，分别为单施化肥(尿素+过磷酸钙+氮化钾，NPK)、化肥配施秸秆同时添加秸秆快腐菌剂(NPK+RS)、控释BB肥配施牛粪(BBF+CM)，每个处理设置3个重复小区，每个小区面积为30 m2(6 m×5 m)。每个试验小区之间设置田埂，同时用塑料薄膜包裹田埂。各处理氮、磷、钾(不包括添加的有机物料养分)投入相同：N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2(在BBF+CM处理中补充施入氯化钾来保证钾素投入量相等，补充施入量为50 kg/hm2)。早稻氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥4∶3∶3施入，晚稻氮肥按基肥∶蘖肥4∶6施入。有机物料及秸秆快腐菌剂在早稻、晚稻种植前施入，其中，牛粪用量为13 500 kg/hm2，秸秆投入量(干质量)为3 000 kg/hm2，秸秆快腐菌剂添加量为30 kg/hm2。牛粪、秸秆、秸秆快腐菌剂、钾肥、磷肥及控释BB肥均作基肥一次投入。水稻种植制度为双季稻，2018年早稻于4月23日移栽,株距16.5 cm，行距19.8 cm,每穴5～6苗,7月27日收割,习惯施肥处理在生长期间分别于5月10日、6月7日追施分蘖肥、穗肥。2018年晚稻于8月1日移栽,株距、行距均为19.8 cm，每穴1～2苗,10月16日收获,习惯施肥处理于8月17日追施分蘖肥。

1.3 土壤样品采集及预处理

分别于2018年5月19日(分蘖期)、6月10日(拔节期)、7月25日(成熟期)在不同处理小区均匀布点，布点避免试验田田埂等特殊地形的部位，每个试验小区按S形选择10丛水稻进行采样。水稻根系周围附着大量泥土，轻轻抖动水稻时，有大块土壤掉落，将这部分土壤视为非根际土。将根系上仍附着部分土壤的水稻置于地头，3～5 h后水分含量大幅下降，用毛刷小心将附着在根系上的土壤刷落至硬质餐盒中，将这部分土壤视为根际土壤。各采样点所取土样混合后，按四分法采集部分土壤，将其装入硬质采样盒中，避免受到外力挤压而改变土壤原状结构。将采集的土样带回实验室内进行风干，在风干过程中时刻关注土壤样品含水率变化，在土样达到塑限时，按照土样自然破碎纹理将其进一步掰碎。待土样完全风干后，收集过5 mm筛土壤样品备用。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 团聚体分级及理化性质 不同粒径团聚体分级采用干筛法进行。称取分蘖期、拔节期、成熟期沿着土壤自然结构面掰开并通过5 mm筛的风干土壤样品100 g，将其转移平铺至恩德OCTAGON 200振动筛最上层套筛上(套筛孔径由上到下分别为2.00、0.25 mm，最下层为配套托盘)，于上层土壤筛上加盖并拧紧螺丝固定，仪器通电运行10 min，可以分离得到>2.00 mm、0.25～2.00 mm及<0.25 mm粒径的土壤团聚体，将不同粒径土壤团聚体收集到铝盒中称质量，记录不同粒径团聚体质量，计算不同粒径团聚体所占比例。

对水稻成熟期(7月25日)耕层土壤及根际不同粒径团聚体理化性质进行测定。其中，土壤有机质及全氮含量使用元素分析仪(德国)直接测定，有效磷含量采用NaHCO3溶液浸提—分光光度法测定，速效钾含量采用NH4OAC溶液浸提—火焰光度法测定，pH值用酸度计直接测定(水土比1∶5)。

1.4.2 团聚体稳定性 采用团聚体平均质量直径(Mean weight diameter，MWD)、几何平均直径(Geometric mean diameter，GMD)来衡量分蘖期、拔节期、成熟期土壤团聚体稳定性。

式中，Xi为i粒级团聚体平均直径，Wi为i粒级团聚体质量分数。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2017进行整理；使用SPSS 19.0 Duncan’s新复极差法进行多重比较，并进行Person相关性分析；使用Origin 8.5制图。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥措施下黄泥田水稻土耕层土壤养分含量变化

长期施肥对黄泥田水稻土耕层土壤养分含量的影响如表1所示。与试验开始前土壤相比，3种不同施肥模式均显著提高了土壤有机质、全氮含量， NPK、NPK+RS、BBF+CM处理土壤有机质含量分别提高了12%、34%、41%，全氮含量分别提高了11%、34%、49%；NPK+RS、BBF+CM处理土壤有效磷含量分别显著提高了37%、55%，速效钾含量分别显著提高了58%、25%，而NPK处理土壤速效钾含量显著降低了17%；BBF+CM处理土壤pH值显著提高。

表1 不同施肥处理黄泥田水稻土耕层土壤养分含量及pH值

2.2 长期不同施肥措施下黄泥田水稻土团聚体组成变化

土壤团聚体组成是决定土壤质量优劣的重要因素。由图1可知，NPK处理黄泥田水稻土>2.00 mm、0.25～2.00 mm和<0.25 mm粒径团聚体所占比例分别为56.56%～65.25%、22.98%～31.63%和7.32%～11.80%，>2.00 mm粒径团聚体是黄泥田水稻土团聚体主要组成部分，<0.25 mm粒径团聚体所占比例最小。对于根际土壤，>2.00 mm粒径团聚体所占比例在水稻成熟期最高，为60.91%；对于非根际土壤，>2.00 mm粒径团聚体所占比例则在水稻分蘖期最高，为65.25%。

由图1可知，NPK+RS处理>2.00 mm、0.25～2.00 mm和<0.25 mm粒径团聚体所占比例分别为61.28%～70.65%、22.64%～32.39%和2.97%～7.80%。水稻分蘖期根际土壤>2.00 mm粒径团聚体所占比例显著低于拔节期和成熟期，而非根际土壤>2.00 mm粒径团聚体所占比例则显著高于拔节期和成熟期。根际土壤0.25～2.00 mm粒径团聚体所占比例表现为分蘖期显著高于成熟期和拔节期，而非根际土壤表现为拔节期显著高于分蘖期和成熟期。根际土壤<0.25 mm粒径团聚体所占比例表现为分蘖期和拔节期显著高于成熟期，而非根际土壤表现为拔节期显著高于分蘖期和成熟期。

由图1可知，BBF+CM处理>2.00 mm、0.25～2.00 mm和<0.25 mm粒径团聚体所占比例分别为67.72%～78.70%、22.50%～29.74%和2.70%～7.46%。不同生育时期根际土壤>2.00 mm粒径团聚体所占比例无明显变化，而非根际土壤>2.00 mm粒径团聚体所占比例则出现降低趋势，表现为分蘖期显著高于拔节期和成熟期。根际、非根际土壤0.25～2.00 mm粒径团聚体所占比例均表现为拔节期和成熟期显著高于分蘖期。根际土壤<0.25 mm团聚体所占比例表现为分蘖期和拔节期显著高于成熟期，而非根际土壤表现为拔节期>分蘖期>成熟期，差异显著。

不同小写字母表示同一粒径团聚体在不同生育时期间差异显著(P<0.05)

方差分析结果(表2)显示，取样位置对<0.25 mm粒径团聚体所占比例有显著影响，施肥处理、取样时间及二者互作对3个粒径团聚体所占比例均有极显著或显著影响，取样位置与施肥处理互作对<0.25 mm粒径团聚体所占比例有极显著影响，对>2 mm粒径团聚体所占比例有显著影响。取样位置与取样时间互作及取样位置、取样时间、施肥处理三者互作对3个粒径团聚体所占比例均有极显著影响。

表2 不同影响因子对黄泥田水稻土团聚体组成及稳定性的影响

2.3 长期不同施肥措施下黄泥田水稻土团聚体稳定性变化

MWD和GMD是用来衡量土壤团聚体结构稳定性的常用指标。由表3—4可知，NPK处理土壤团聚体MWD和GMD分别为1.47～1.67和1.10～1.20，NPK+RS处理土壤团聚体MWD和GMD分别为1.58～1.72和1.14～1.21，而BBF+CM处理土壤团聚体MWD和GMD分别为1.64～1.76和1.16～1.24。与NPK处理相比，NPK+RS处理MWD、GMD分别提高了5%、2%，BBF+CM处理MWD、GMD分别提高了6%、3%。3个施肥处理水稻根际土壤团聚体MWD和GMD均随着水稻生育时期的推进逐渐增大，与根际土壤团聚体稳定性变化规律不同，非根际土壤团聚体MWD和GMD总体上在水稻分蘖期最大、拔节期最小。在水稻分蘖期，3个施肥处理非根际土壤团聚体MWD和GMD大于根际土壤；而在水稻拔节期和成熟期，根际土壤团聚体MWD和GMD总体上大于非根际土壤。

表3 不同施肥处理黄泥田水稻土团聚体MWD

表4 不同施肥处理黄泥田水稻土团聚体GMD

方差分析结果(表2)显示，取样位置及取样位置、取样时间、施肥处理三者互作对黄泥田水稻土团聚体稳定性均无显著影响，而取样时间、施肥处理、取样时间与施肥处理互作、取样时间与取样位置互作、施肥处理与取样位置互作均极显著影响黄泥田水稻土团聚体稳定性。

将土壤团聚体稳定性评价指标MWD、GMD与土壤理化性质进行相关性分析,结果见表5。由表5可以发现，土壤有机质含量、速效钾含量是影响土壤团聚体稳定性的主要因素。土壤团聚体MWD与有机质、速效钾含量的相关系数分别为0.856、-0.830，均达到极显著水平。土壤团聚体GMD与有机质、速效钾含量的相关系数分别为0.909、-0.801，均达到极显著水平；与土壤全氮含量的相关性也达到了显著水平，相关系数为0.730。

表5 团聚体稳定性与土壤理化性质的相关性分析

2.4 长期不同施肥措施下成熟期水稻根际土壤团聚体养分分布特征

与NPK处理相比，NPK+RS和BBF+CM处理均可以显著提高各粒径团聚体有机质、全氮、有效磷、速效钾(BBF+CM处理0.25～2.00 mm团聚体除外)含量(图2)。其中，>2.00 mm粒径团聚体有机质含量分别提高19%和34%，0.25～2.00 mm粒径团聚体有机质含量分别提高23%和28%，<0.25 mm粒径团聚体有机质含量均提高23%；>2.00 mm粒径团聚体全氮含量分别提高19%和36%，0.25～2.00 mm粒径团聚体全氮含量分别提高22%和28%，<0.25 mm粒径团聚体全氮含量分别提高29%和81%；>2.00 mm粒径团聚体有效磷含量分别提高49%和114%，0.25～2.00 mm粒径团聚体有效磷含量分别提高26%和178%，<0.25 mm粒径团聚体有效磷含量分别提高31%和47%；>2.00 mm粒径团聚体速效钾含量分别提高157%和41%，0.25～2.00 mm粒径团聚体速效钾含量分别提高133%和17%，<0.25mm粒径团聚体速效钾含量分别提高131%和38%。BBF+CM处理对各粒径团聚体有机质、全氮、有效磷含量的提升效果优于NPK+RS处理，而对速效钾含量的提升幅度则小于NPK+RS处理。黄泥田水稻土不同粒径团聚体养分分布存在差异，其中有机质和全氮含量均表现为>2.00 mm粒径团聚体高于0.25～2.00 mm和<0.25 mm粒径团聚体，而有效磷和速效钾含量则表现为0.25～2.00 mm和<0.25 mm粒径团聚体高于>2.00 mm粒径团聚体。

不同大、小写字母分别表示不同施肥处理、不同粒径之间差异达到显著水平(P<0.05)

3 结论与讨论

3.1 长期不同施肥措施下黄泥田水稻土团聚体组成及养分分布特征

土壤结构差、养分贫瘠是制约黄泥田生产力的重要因子[13]，通过培肥使土壤形成良好的土壤团聚体结构对于提升土壤保水保肥能力具有重要意义。有机质的胶结作用是保证土壤团粒结构形成的重要基础，通常有机质含量丰富的土壤团聚体结构稳定性更强[14]。前人研究结果表明，有机培肥模式显著改善了棕壤[15]、黑垆土[16]、红壤[17-18]团聚体结构，提高了团聚体稳定性。本研究结果表明，与NPK处理相比,NPK+RS和BBF+CM处理均提高了黄泥田水稻土>2.00 mm粒径大团聚体所占比例，而降低了<0.25 mm粒径微团聚体含量，增强了土壤团聚体稳定性，这与前人研究成果相似。对比NPK+RS和BBF+CM 2种有机培肥处理，发现BBF+CM处理对黄泥田水稻土团聚体结构改善的效果优于前者，可能是由于添加的秸秆快腐菌剂未能及时、快速、有效地起到促使秸秆腐烂降解的作用，导致进入到农田的秸秆仍旧存在腐熟较慢、有机酸积累等问题[19]，对土壤形成良好团聚体结构造成了不良影响[20]。添加到稻田中的牛粪是经过充分发酵腐熟的，在水稻生长前期相对于秸秆还田同时添加秸秆快腐菌剂能够更好地促进土壤团聚化[21]，增加土壤大团聚体所占比例，提高团聚体稳定性。

有机培肥对土壤结构及碳氮养分含量具有正向促进效应[22-26]。本研究结果表明，与NPK处理相比，NPK+RS和BBF+CM处理显著提高了黄泥田水稻土各粒径团聚体有机质、全氮、有效磷、速效钾(BBF+CM处理0.25～2.00 mm团聚体除外)含量，这是由于投入到田间的有机物料本身含有较多碳、氮、磷、钾，另外有机培肥模式下土壤生产力较高，增加了作物残茬量，形成正向促进效应，增加了各粒径团聚体养分含量[27-28]。本研究发现，BBF+CM处理对相同粒径团聚体有机质、全氮、有效磷含量的提升效果优于NPK+RS处理，这是由于投入到土壤中的牛粪是经过充分发酵腐熟的，有利于更多养分的释放，而秸秆进入土壤后存在腐熟较慢、有机酸积累等不利于养分释放的问题，同时有机物料碳氮比是影响其是否能够被微生物充分分解利用的重要因素[29-31]，牛粪的碳氮比明显低于秸秆，这导致了这2种有机物料在被微生物利用难易程度上存在差异，从而导致对土壤的培肥效果出现差异。本研究发现，>2.00 mm粒径团聚体有机质和全氮含量较高，表明土壤大团聚体对于土壤碳氮具有一定的富集保护作用[32]，新进入到土壤中的有机质首先会胶结在大团聚体上，以免被微生物快速分解[33]。<0.25 mm粒径微团聚体速效钾含量较其他粒径团聚体高，这可能是由于K+置换性较强[34]，可以将土壤团粒结构中的多价阳离子置换出来，而K+不具有键桥的作用，从而使大团聚体结构破裂为微团聚体。综上，NPK+RS和BBF+CM 2种培肥措施均可以提高黄泥田土壤养分含量，改善土壤团聚体结构,但是培肥改良效果以BBF+CM处理较优，适合在该农业区大面积推广，值得注意的是，该培肥措施下适当补施钾肥是十分必要的。

3.2 水稻种植对于黄泥田水稻土团聚体组成及稳定性的影响

水稻种植期间，由于水分、温度、田间施肥、除草等农事操作会对土壤结构、养分转化及微生物活动产生影响[35-37]，研究了水稻生育期内土壤团聚体组成及稳定性变化规律，进而探究人为干扰对土壤结构的影响。本研究发现，在水稻生育期内黄泥田土壤结构出现明显季节性变化，这与蒋胜竞等[38]的研究结果相似；同时还发现，在水稻生育期内根际/非根际土壤结构变化规律存在明显差异。随着水稻生育进程的推进，根际土壤>2.00 mm粒径团聚体所占比例逐渐增加，团聚体稳定性逐渐增强，在水稻成熟期根际土壤团聚体稳定性最强；而在水稻分蘖期非根际土壤>2.00 mm粒径大团聚体含量最高、稳定性最强，之后土壤团聚体稳定性降低。这可能是由于在水稻分蘖期，根系活动旺盛，对于根际土壤挤压穿插作用明显，导致土壤大团聚体破碎，土壤团聚体稳定性较弱，随着水稻的日渐成熟，根系生长延伸变缓，根系所分泌的高分子黏质多糖等分泌物逐渐累积在根际周围[39-40]，对土壤颗粒的胶结作用明显增强，土壤大团聚体数量随之升高，团聚体稳定性随之增强。日常的施肥、除草等人为田间管理措施对于非根际土壤结构的影响作用较根际土壤明显，由于当地农户习惯在水稻拔节期对稻田进行晒田、除草、追肥等人为农事操作，人为干扰因素导致非根际土壤大团聚体破碎为微团聚体，团聚体稳定性下降，耕层土壤可能会出现板结、持水通气能力下降的现象，进而影响水稻正常生长。因此，进行田间除草、施肥等农事操作时不宜对土壤进行大幅度人为扰动，避免破坏耕层土壤结构。

3.3 根际效应对于黄泥田水稻土团聚体组成及稳定性的影响

根系作为植物正常生长的支撑，保证了植物地上部的水分、养分的供应,同时由于根系具有独特的生物学特征，增强了植物适应生长环境变化的能力[41]。植物根系的分泌物可以为微生物提供大量碳源和氮源[42]，这使得植物根系周围存在大量的微生物种群，从而产生更多的多糖，进一步促进了土壤颗粒团聚化作用。同时，植物根系正常活动过程中对于周围土体的缠绕、挤压、穿插作用同样会对土壤结构产生影响[8]。本研究结果表明，在水稻分蘖期，不同施肥处理下非根际土壤>2.00 mm粒径团聚体所占比例及团聚体MWD、GMD明显高于根际土壤，这可能是由于在分蘖期水稻根系活动旺盛，根系生长时体积增大对周围土体产生挤压破碎作用，导致大团聚体进一步破碎、团聚体稳定性进而降低；而在水稻拔节期和成熟期，根际土壤大团聚体所占比例及MWD、GMD总体上高于非根际土壤，这是由于随着水稻生育进程的推进，水稻根系活力逐渐下降，其生长蔓延对于周围土体的挤压、穿插、破碎作用变弱，同时根系周围积累了大量根系分泌物及组织脱落物[43]，多糖等根系分泌物促进了土壤颗粒团聚化，增加了土壤大颗粒团聚体数量，提高了土壤团聚体稳定性。