有机肥替代对鲁西北轻度盐碱地土壤性状和小麦、玉米产量的影响
王逸筠赵文栋孙泽强刘盛林郑东峰董晓霞赵海军李进胜刘兆辉
(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部山东耕地保育科学观测实验站，山东 济南 250100；
2.莱芜第一中学，山东 济南 251499；
3.山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东 济南 250100)
我国盐碱地面积占可耕地面积的20%以上[1]，盐碱地作为我国重要的后备耕地战略资源，其开发利用对于保障我国粮食安全、促进农业发展以及生态环境改善具有重要意义[2，3]。为增加产量，农民往往过多施用化肥，但过量施用会导致农田生态系统中物质和能量循环不平衡[3]，降低土地质量，导致农产品的品质下降。因而科学合理利用有机肥与化肥平衡施用可提升盐碱地地力，提高作物产量。
大量研究表明，盐碱地施用有机肥可促进大粒径土壤团聚体形成以改善土质，降低土壤pH值，使盐碱、板结土壤恢复活力，促进土壤空气流通，提高作物生产力[4，5]。祝英等[6]研究表明，河西绿洲灌溉区有机肥替代30%化肥显著提高玉米的株高、地上部生物量、产量和土壤养分的容量及供应强度，土壤氮磷钾和有机质含量显著提高。尹志荣等[7]研究表明，宁夏盐碱地减施1/2化肥＋增施1倍羊粪＋增施1倍生物有机肥施肥模式显著提高0～20 cm土壤养分含量，降低土壤pH值和全盐含量；
极显著降低土壤碱化度，有效改善土壤生物活性，细菌数量增加40.3倍、放线菌数量增加1.5倍；
产量达7 000.5 kg/hm2，增产22.81%。本试验在鲁西北轻度盐碱地上设置低、中、高3个有机肥用量与减施20%习惯施肥配比，研究有机肥替代部分化肥对盐碱土壤团粒结构、盐分含量、微生物性状和冬小麦-夏玉米养分吸收及产量的影响，以期为鲁西北平原及相似区域轻度盐碱地开发利用提供科学依据和技术支撑。
1.1 试验区概况
试验在山东省沾化县曹坨村进行。该区属于暖温带季风气候区，大陆性气象特征明显，四季分明，年均气温12℃，年均降水量575.5 mm。试验区耕层土壤有机质偏低，水解性氮和有效磷较丰富，速效钾中量，土壤偏碱性，属于轻度盐渍化土壤。土壤基本理化性质见表1。试验期间降水量为382.0 mm，冬小麦季降水量75 mm，夏玉米季降水量307.0 mm，在7月底和8月初，有两次超过100 mm的降水，形成了田间涝害。
表1 供试土壤的基本理化性质
1.2 供试材料
供试小麦品种为济麦22，玉米品种为郑单958。供试肥料:史丹利“三安”复混肥(N-P2O5-K2O＝20-26-8)、尿素(N 46%)，普通有机肥购买当地干燥羊粪(有机质65.5%、全氮1.65%、全磷0.47%、全钾0.23%)。
1.3 试验设计
试验采用随机区组设计，设置4个处理:(1)习惯施肥(CK)，复混肥600 kg/hm2；
(2)低量有机肥处理(LOF)，有机肥1 500 kg/hm2＋复混肥480 kg/hm2；
(3)中量有机肥处理(MOF)，有机肥5 250 kg/hm2＋复混肥480 kg/hm2；
(4)高量有机肥处理(HOF)，有机肥9 000 kg/hm2＋复混肥480 kg/hm2。
冬小麦种植前有机肥和复混肥均作基肥撒施旋耕后播种，所有处理在冬小麦返青期追施尿素120 kg/hm2；
玉米种植前所有处理基施复混肥600 kg/hm2，种肥同播，其他田间管理措施相同。10月7日播种冬小麦，播量225 kg/hm2；
小麦收获后播种夏玉米，种植密度为6.75万株/hm2。随机区组排列，重复3次。小区面积5 m×8 m＝40 m2。
1.4 测定项目及方法
玉米收获后即进行样品采集。
1.4.1 土壤EC值 取样深度为0～100 cm土层，每20 cm为一个取样土层，取两钻混合样。土样风干后，用1∶5土水比浸提，采用DDS-11A数显电导率仪测定土壤EC值[8]。
1.4.2 土壤团聚体 取样深度为0～20 cm土层。土壤团聚体组成采用TTF-100型土壤团聚体/团粒分析仪测定。土壤水稳定性团聚体含量采用湿筛法测定[9]。每处理取土样100 g，在团聚体分析仪上进行湿筛分析。套筛孔径依次为5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm。将土样倒入套筛后，浸润10min，开启团聚体分析仪，筛动频率为20次/min(上下筛动时套筛不能露出水面)，定时2 min。筛好后，将套筛拆开，留在筛子上的各级团聚体用细水流通过漏斗分别洗入铝盒，待澄清后弃去上清液，烘箱55℃烘干，在空气中平衡2 h后称重[10]。每处理重复3次。参照文献[11-13]计算土壤团聚体数量及其特征值。
不同粒级水稳性团聚体的数量:
式中，wi为i级水稳定性团聚体的质量分数(%)，Wwi为该级水稳定性团聚体的烘干质量(g)，100为称取的土壤质量(g)。
水稳性大团聚体数量:
式中，R0.25为水稳性大团聚体(＞0.25 mm)数量(%)，Mr＞0.25为大于0.25 mm团聚体质量(g)，MT为团聚体的总质量(g)。
团聚体平均质量直径(MWD，mm):
几何平均直径(GMD，mm):
式中，Wi为各粒级团聚体的土壤质量(g)。
分形维数(D):
对公式(5)两边取对数，可得:
1.4.3 土壤微生物数量 取样深度为0～20 cm土层。土壤细菌、放线菌及真菌数量采用平板菌落计数法测定，土壤细菌选用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌选用改良高氏一号培养基，真菌选用马铃薯葡萄糖琼脂培养基。
1.4.4 植株氮磷钾含量 分别于冬小麦和夏玉米收获期每小区随机选取5株，新鲜样品洗净杀青，即105℃鼓风烘干30 min，然后降至60℃，烘干后备用。采用凯氏定氮法测定氮含量、矾钼黄比色法测定磷含量、火焰光度法测定钾含量[14]。
1.4.5 小麦、玉米产量 每小区取3个1 m2样方收获计产，测定小区产量，折算公顷产量。
1.5 数据分析
采用Microsoft Excel 2007进行数据整理及作图，利用DPS 7.05软件中Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验(P＜0.05)。
2.1 有机肥替代部分化肥对轻度盐碱地土壤性状的影响
2.1.1 对土壤水稳性团聚体的影响 由图1可知，施用不同用量有机肥后＞1 mm各级土壤团聚体比例均增加。与CK相比，＞5 mm团聚体比例低、中、高3个有机肥用量处理分别增加63.03%、60.88%和2.00%，2～5 mm团聚体比例分别增加82.13%、11.38%和87.19%，1～2 mm土壤团聚体分别增加44.05%、93.77%和45.43%。除MOF施肥模式处理0.25～0.5 mm粒径外，土壤粒径＜1mm各级土壤团聚体比例均下降，其中，0.5～1 mm和0.053～0.25 mm粒径土壤团聚体比例降幅较大，较CK分别下降63.06%、56.11%、49.97%和58.44%、75.78%、58.29%，0.25～0.5 mm和＜0.053 mm粒径土壤团聚体比例下降较小。
图1 增施有机肥对土壤水稳性团聚体组成的影响
由表2看出，施用不同用量有机肥均显著增加土壤水稳性大团聚体(R0.25)的比例，与CK相比，LOF、MOF、HOF处理分别增加16.51%、20.66%和9.61%。因此，有机肥替代处理可增加土壤大团聚体含量，且随有机肥用量的增加呈先增加后降低趋势。施用有机肥可增加土壤团聚体MWD和GMD值，LOF、MOF、HOF处理较CK分别增加64.62%、45.64%、23.59%和104.76%、104.76%、44.44%；
施用有机肥降低土壤颗粒分形维数(D)值，LOF、MOF、HOF处理分别较CK减少3.32%、2.21%和1.48%，但差异均未达显著水平。
表2 水稳性团聚体特征值
2.1.2 对土壤EC值的影响 由图2可知，施用有机肥明显降低0～40 cm土层的盐分含量，且随着有机肥用量的增加降幅增大。与CK相比，LOF、MOF和HOF处理的EC值分别下降12.86%、26.05%和35.05%。
图2 增施有机肥对土壤EC值的影响
2.1.3 对土壤微生物数量的影响 由表3看出，随着有机肥用量增加土壤细菌和真菌数量均呈增加趋势，而放线菌数量只在LOF处理下较CK显著增加，MOF和HOF处理较CK无明显变化。与CK相比，MOF和HOF处理下土壤细菌数量显著增加6.2%和7.1%，土壤真菌数量显著增加1.09倍和1.60倍。
表3 增施有机肥对土壤微生物数量的影响 (cfu/g)
2.2 有机肥替代部分化肥对轻度盐碱地小麦、玉米养分吸收和产量的影响
由表4可知，随有机肥用量增加冬小麦和夏玉米对氮素的吸收均呈先升高后降低趋势。其中中高量有机肥处理的氮素吸收量显著高于CK，分别增加37.5%、18.5%(小麦)和29.4%、22.3%(玉米)。对磷素的吸收则随着有机肥用量的增加而增加，与CK相比，MOF和HOF处理分别显著增加23.0%、23.2%(小麦)和5.3%、13.4%(玉米)。冬小麦的钾素吸收量在LOF处理下较CK降低，MOF和HOF处理有所增加，其中HOF处理显著增加16.1%；
夏玉米的钾素吸收量随着有机肥用量的增加先升高后降低，低中高用量处理分别增加18.7%、35.3%和30.8%。
由表4看出，低量有机肥处理冬小麦较CK减产10.53%，中高量处理分别较CK增产8.87%和17.08%。有机肥不同用量处理均可显著增加夏玉米产量，与CK相比，LOF、MOF、HOF处理分别增产28.9%、39.7%和39.4%。
表4 有机肥替代部分化肥对小麦、玉米养分吸收和产量的影响
综上可见，中高量有机肥替代部分化肥能较大幅度提高冬小麦、夏玉米产量，在减施20%化肥的条件下，轻度盐碱地最佳有机肥用量为9 000 kg/hm2。
盐渍化土壤由于其含盐量高、土壤结构差、有机质含量低、微生物群落结构和活性低等特性，严重制约着农业生产水平的提高[15，16]。降低盐度以及改善土壤结构是改良盐碱土的基本目标[17]。本试验中不同用量有机肥均提高了＞1 mm各级土壤团聚体比例，出现土壤团聚体分布向中间粒级过渡的特征。这与王超等[18]的研究结果一致，表明有机肥替代部分化肥可以增加土壤大团聚体含量。
土壤中稳定性大团聚体(R0.25)的数量(r＞0.25 mm)是土壤结构的关键指标[19]，与土壤肥力密切相关，一般认为土壤大团聚体数量越多，土壤结构越好、土壤肥力越高。MWD、GMD和土壤颗粒分形维数(D)是反映土壤团聚体大小分布状况及团粒结构的常用指标。MWD和GMD值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强[20]，而团粒结构越好、结构越稳定则分形维数(D)值越小[21]。本试验中，LOF和MOF处理均显著增加了土壤水稳定性大团聚体含量、MWD和GMD值，表明增施有机肥有利于土壤结构的稳定和维持。而HOF处理下R0.25、MWD和GWD相较于LOF和MOF处理有所下降，但仍高于CK。这可能与不同处理下大团聚体含量有关[22]；
同时，高量有机肥替代部分化肥也可能导致C/N比发生变化，增加了有机肥腐解速率和碳源供给，进而提高微生物对土壤的分解利用，这也与HOF处理下较高的细菌和真菌数量相对应。这与龙攀等[23]的研究结果一致。与习惯施肥相比，不同用量有机肥处理对分形维数降低的效果不明显，其可能在于有机肥的施入只对盐碱土壤的部分性状具有明显改良效果。何瑞成等[24]的研究亦表明在盐碱地施用羊粪处理对土壤分形维数降低的效果不显著。
本试验中，与习惯施肥相比，有机肥替代部分化肥能够降低耕层土壤盐分含量，这与其土壤团聚体结构改良有关，减少了表层土壤水分蒸发，降低了下层盐分向表层移动速率，从而抑制土壤返盐[25-29]。
土壤微生物在有机质分解、腐殖质形成以及土壤团粒结构改良方面发挥重要作用，是评价土壤肥力的重要指标。陶磊等[30]研究表明，习惯施肥减量20%～40%配施以3 000、6 000 kg/hm2有机肥不仅不会导致棉花减产，而且对提高土壤酶活性、调节土壤细菌、真菌、放线菌群落组成结构，改善北疆绿洲滴灌棉田土壤生物学性状有显著作用。李秀英等[31]研究表明有机无机肥配施会提高土壤中细菌和真菌数量。本试验结果也表明:随着有机肥用量的增大，土壤细菌和真菌数量有所增加，而放线菌数量只在LOF处理下显著增加，MOF和HOF处理下变化不明显，表明有机肥替代化肥可增加土壤微生物数量，提高土壤肥力水平。
本研究表明，与习惯施肥相比，中高量有机肥替代部分化肥可增加小麦、玉米对氮、磷、钾的吸收，提高小麦、玉米产量，且以高量处理增产效果最好。表明施用有机肥能够改良土壤团聚体结构，促进作物根系发育，增加根系对养分的吸收以实现增产[32]。另一方面，施用有机肥后土壤中含有丰富的有机质和各种养分，它不仅是作物养分的直接供给源，又可以活化土壤中潜在养分和增强生物学活性，增加作物产量[33]。
4.1 施用有机肥对轻度盐渍化土壤团粒结构和盐分含量产生明显影响。土壤团聚体由＜0.25mm向＞1 mm团聚体增加的趋势，而水稳性团聚体较CK均有所提高；
增施有机肥显著降低0～40 cm土层盐分含量。
4.2 中高量有机肥替代部分化肥显著提高土壤细菌和真菌数量，其中以高量有机肥处理增加最多，而对放线菌数量影响不明显。
4.3 与习惯施肥相比，中高量有机肥替代部分化肥均可明显促进小麦、玉米对氮、磷、钾的吸收；
中高量有机肥替代部分化肥明显提高冬小麦、夏玉米产量，增产8.87%～39.70%，在减施20%化肥条件下，轻度盐碱地适宜有机肥用量为9 000 kg/hm2。