我国滨海地区有丰富的滩涂资源^[1], 土壤质量低下是制约苏北海涂土壤开发利用的重要障碍因子^[2]。为加速滨海盐碱地脱盐、增肥和提升地力, 多种改良措施如物理、化学、生物、工程及其综合调控手段已被广泛应用并验证^[2-3]。王守纯和穆从如^[4]及陈恩凤等^[5]先后提出在盐渍土区建立“淡化肥沃层”、“治水是基础, 培肥是根本”的观点, 通过提高土壤肥力, 以肥对土壤盐分进行时、空、形的调控, 在农作物主要根系活动层建立一个良好的肥、水、盐生态环境, 达到农作物持续高产稳产。但是传统的施肥措施导致肥料利用率低且土壤次生盐渍化危害等弊端也暴露出来。有研究发现, 苏北滩涂围垦土壤单施有机肥虽能增加土壤含水量、降低土壤pH, 但其土壤电导率升高了11.56%^[6]; 尿素的转化可积累大量的NH₄⁺, 引起土壤pH增加2 ~ 3个单位^[7]。同时我国土壤氮素平衡问题陷入困境, 氮肥投入量大而利用率低下^[8-9]。研究认为有机无机配施有增产、提高当季肥料利用率的作用^[10]。黄腐酸作为一种新型改良剂, 其在农业生产上的作用主要表现在两个方面^[11-14]：一方面减少作物叶片蒸腾速率; 一方面促进根系发育, 增强根系活力, 使作物吸收较多水分和养料, 在滩涂土壤改良中具有重要的应用价值。在盐碱地的施肥改良应用中, 以传统肥料的施肥水平处理、调理剂和调控措施^[15-16]的研究居多, 黄腐酸肥料对滩涂土壤盐碱消减和土壤团聚体及有机碳影响的研究尚不多见。

本文以滨海新垦滩涂轻度盐渍土为研究对象, 通过田间试验的方式重点研究了水稻-小麦轮作下, 黄腐酸肥料应用对土壤盐分消减、有机碳和团聚体含量提升的作用, 分析了不同种植模式和不同肥料氮水平下土壤盐分和养分的变化规律, 探讨了有机肥料对轻度盐渍化农田土壤改良及地力提升效应, 研究结果对滨海盐渍土养分优化管理具有重要意义。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于江苏省东台市弶港镇条子泥垦区, 地处北亚热带和暖温带季风气候区^[17]。该区年平均降水量1 000 mm, 年均蒸发量1 417 mm, 且降水量季节波动性较大, 降水主要集中在6—9月份的雨季, 非雨季农田灌溉一般采用当地微咸水。试验区2015年围垦, 土壤类型为冲积盐土类, 潮盐土亚类, 是典型的淤泥质海岸带盐渍土, 表层土壤以黏壤为主, 深层土壤以粉砂壤为主, 表层、心土层与底土层含盐量均较高, 盐分组成与海水基本一致, 以氯化物占绝对优势。剖面40 ~ 60 cm深度以下一般呈现灰褐色、青褐色的潜育层, 是长期淹水条件下的典型特点。地下水埋深整体较浅, 总体分布在0.8 ~ 1.6 m, 矿化度高且有较大波动, 地下水盐分与土壤盐分组成也表现出较高的一致性。试验地土壤结构差, 紧实度高, 养分含量较低, 表层0 ~ 20 cm土壤基本理化性质见表 1。

1.2 试验设计

本试验采用水稻-小麦轮作方式, 共设置3个氮水平及有、无黄腐酸共5个处理, 每个处理设置3次重复, 完全随机排列, 具体处理见表 2。

试验肥料分基肥和追肥, 基肥为复混肥料和尿素。复混肥料主要成分为黄腐酸、有机质和N-P-K复合肥, 按照20%、30%和50%比例掺混制成。追肥肥料只使用尿素。低、中、高氮水平处理的复混肥料施用量均为600 kg/hm², 不同氮水平通过尿素用量调整来实现。

供试作物为水稻和小麦。水稻品种为‘淮稻5号’, 为育苗后移栽, 水稻各种植微区的面积为2 m × 2 m, 各微区种植规格为6行, 每行12穴, 每穴5株; 小麦品种为‘扬麦22’, 播种量为375 kg/hm², 行距25 cm。水稻和小麦均采用60%氮肥作基肥, 种植前随翻耕施入, 40%为追肥, 均分两次追施尿素; 磷肥和钾肥随基肥一次性施入。试验开始于2016年5月, 至2017年5月底结束。试验期间的田间管理如病虫草害防治等按照当地传统方式进行。

1.3 样品采集与分析方法

水稻和小麦收获后均进行产量测定并进行土壤样品采集分析。水稻和小麦从出苗后每隔15 ~ 30 d分别于对应的生育期, 用土钻法在每个试验小区进行分层(0 ~ 20和20 ~ 40cm)土壤样品采集, 并用四分法取样。土壤样品带回实验室自然风干, 磨碎, 过筛后进行相关指标测定。土壤电导率、pH采用水土比5:1制备浸提液, 分别用电导法和电极法测定; 表层土样的土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定^[18], 土壤水稳性团聚体采用湿筛法测定^[19-21], 并根据不同粒径团聚体含量分布计算团聚体平均重量直径(MWD), 具体公式为:${\rm{MWD}} = \sum\nolimits_{i = 1}^n {{F_i}} \cdot {D_i}$, 式中, F_i为每一级内团聚体含量, D_i为每一级范围内团聚体的平均直径(mm), 其中 > 2 mm团聚体直径上限是10 mm。

1.4 数据统计与分析

数据的作图用SPSS 18.0统计软件, 各处理间差异的显著性检验应用最小显著性差异法(LSD法)。

2 结果与分析 2.1 土壤电导率与pH的变化特征

土壤盐分的时间波动性随着土壤深度的增加有减小的趋势, 旱季表层土壤电导率变化随季节降水波动明显。试验的管理与施肥措施对土壤盐分调控作用显著, 本试验的轮作模式和施肥处理对土壤电导率的影响随时间波动以表层0 ~ 20 cm最为显著(图 1)。从图 1中可以看出, 水稻季各处理0 ~ 40 cm土壤电导率均有显著降低, CK0、CK1、F1N1、F1N2、F1N3处理土壤电导率分别降低37.6%、36.4%、25%、51.3%和38.9%, 其中F1N2处理较CK0与CK1分别降低13.7%和14.9%, 差异达显著水平(P < 0.05)。小麦季表层土壤则表现出积盐现象, 这与旱季水分的大量蒸发及作物的蒸腾旺盛有关; 其中F1N2处理在小麦生育期内除施肥初期外的土壤电导率均最低, 相较于CK0电导率降低25.8%;20 ~ 40 cm土壤电导率变化差异不显著, 随着氮水平增加, 电导率表现出升高趋势。

滨海滩涂围垦土壤pH整体偏高(图 2), 在两季试验期内土壤pH具有一定程度的波动性, 其变化范围在9.00 ~ 9.62, 具有明显的碱化特征。从图 2可以看出, 水稻季土壤pH介于CK0与CK1之间, 其中CK0、F1N2、F1N3处理均有所升高, 且F1N2 > F1N3 > F1N1, 表明常规施肥处理对水稻季土壤pH降低效果最好, 不同氮水平处理下, F1N1处理效果优于F1N2和F1N3处理。小麦季土壤pH随时间表现出先升高后降低的趋势, pH升高主要原因是种植初期氮肥转化引起的, 且由水田土壤脱水引起的胶体对土壤Na⁺和HCO- 3的吸附增加, 土壤碱化进一步增强。整个小麦季土壤pH结果表明, 常规施肥处理pH升高, 黄腐酸各处理pH均降低, F1N1、F1N2和F1N3处理分别降低0.2、0.38和0.22个单位, 其中F1N2处理相较与CK1降低0.5个单位, 表明黄腐酸在氮肥用量为300 kg/hm²时对旱作土壤pH降低效果最好。

2.2 土壤团聚体组成

从连续两季土壤团聚体含量(以质量分数计)变化结果(图 3)可以看出, 滩涂土壤团聚体含量的主要粒径分布为 > 2 mm与 < 0.053 mm; 其次为0.053 ~ 0.25 mm团聚体, 约占总量的15%;0.25 ~ 2 mm团聚体含量最少, 约占总量的5%。在一季水旱轮作后土壤 > 2 mm团聚体含量显著增加, 与不施肥处理相比, 3种含黄腐酸施肥处理土壤中 < 0.053 mm团聚体含量显著降低。水稻季, 与CK0与CK1相比, 黄腐酸各不同氮水平处理均显著增加 > 2 mm团聚体含量, 其中F1N2处理分别增加18.6%和22.9%;显著降低 < 0.053 mm团聚体含量, 其中F1N2处理分别降低17.7%和18.7%;各处理间0.053 ~ 2 mm团聚体含量变化差异不显著。小麦季, F1N2处理显著促进 > 2 mm团聚体含量增加和 < 0.053 mm团聚体含量的降低, 与CK0和CK1相比, > 2 mm团聚体含量分别增加13.8%和14.5%;与水稻季相比, 各处理0.053 ~ 0.25 mm团聚体含量均增加, 表明在微团聚体结构(< 0.25 mm)分布上整体有从 < 0.053 mm向0.053 ~ 0.25 mm缓慢转化的趋势。

土壤团聚体平均重量直径(MWD)是反映土壤团聚体稳定性的重要指标, MWD越大表明土壤大团聚体含量越多, 土壤抗侵蚀能力越强, 稳定性越高^[22]。从图 4可以看出, CK0与CK1小麦季MWD高于水稻季, 表明旱作更利于团聚作用的发生; 水稻季与小麦季F1N2处理MWD均最高, 且小麦季MWD较水稻季增加10.3%, 而F1N1与F1N3处理小麦季较水稻季分别降低7.1%和15.7%, 表明旱季低氮与高氮处理均不利于土壤团聚体稳定性的增加, 原因可能是由于新垦滩涂土壤结构性质较差, 土壤高盐分含量使土壤的聚合作用因表层盐分离子浓度的升高而降低, 从而导致大团聚体含量降低^{[19, 22]}。随着氮素水平的增加, MWD在两季均呈现出先增加后减少的趋势, F1N2处理MWD增加73.6%。因此, F1N2处理对促进滩涂水稻-小麦轮作体系土壤结构改善、团聚体形成效果最显著。

2.3 土壤有机碳含量

土壤有机碳含量是表征土壤潜在肥力的重要指标。为消除本底差异, 通过试验初始与当季作物收获后有机碳含量的变化来表征有机碳对不同处理的响应。由图 5结果可以看出, 种植前各处理有机碳差异不显著, 两季试验结束后各处理土壤有机碳含量差异显著, 水稻季有机碳积累显著高于小麦季, 主要原因可能是新围垦土壤由于种植导致土壤微生物活性增加^[24], 从而大幅增加土壤微生物生物量碳。CK0有机碳含量呈少量积累, 第二季共增加0.25 g/kg, 表明滨海新围垦滩涂土壤发育程度低, 农业种植增加碳输入, 有利于土壤有机碳缓慢积累。由于水田土壤厌氧环境一定程度抑制微生物呼吸代谢^[23]及短期试验条件等, 土壤有机碳含量变化不明显。与CK0相比, F1N2处理水稻季有机碳含量增加0.49 g/kg, 有机碳积累率达到14.6%。水稻季, F1N2与F1N3处理有机碳含量均显著高于CK0(P < 0.05), 但F1N1处理水稻季有机碳含量降低3.6%, 旱季则增加16.7%, 表明低氮处理不利于水田有机碳的积累, 旱作促进有机碳积累。小麦季, F1N2处理有机碳含量较F1N1与F1N3处理分别增加(P < 0.05), F1N3处理有机碳基本无积累, 主要原因可能是土壤微生物的活性增强, 高氮水平促进有机碳矿化过程, 以及作物根系反馈给土壤根际环境的分泌物及团聚作用减弱^[25], 从而减少有机碳的形成。CK1与F1N2处理氮水平相同, 有机碳均表现出积累现象, 且积累量基本相同; F1N2处理较F1N1与F1N3处理两季总有机碳积累量分别增加31.0%和120.0%, 表明氮水平较黄腐酸处理对土壤有机碳含量的影响更大, 常规氮水平300 kg/hm²效果最好。

从图 6可以看出, 黄腐酸各处理可以显著提高土壤大团聚体有机碳含量, 与表层土壤总有机碳趋势相同, 随着施氮量的增加, 水稳性团聚体有机碳含量先增加后降低, F1N2处理含量最高; 与CK0相比, F1N1、F1N2和F1N3处理有机碳含量分别增加12.8 %、15.6%和6.0%, 差异达显著水平(P < 0.05)。CK1与CK0有机碳含量差异不显著, 表明常规施肥短期内对促进团聚体有机碳的含量效果不明显。土壤大团聚体中有机碳含量高于表层0 ~ 20 cm土壤均值, 表明土壤有机碳主要在大团聚体中汇集, 碳密度高于其他各粒径团聚体。不同肥料处理通过改变土壤结构以及土壤有机碳的分布影响团聚体的形成和分布, 因此土壤有机碳与团聚体有机碳表现出显著的正相关关系, 表明土壤有机碳能够促进大团聚体的形成, 提高团聚体稳定性, 进一步改善土壤结构组成。

3 讨论 3.1 氮肥及黄腐酸对土壤电导率、pH的作用

从土壤电导率及pH变化来看, 黄腐酸的低、高氮肥处理都不利于土壤盐分的降低。肥料中黄腐酸是能够有效降低土壤盐分的主要原因^[26], 一方面是黄腐酸及肥料中的有机质对土壤结构有一定的改善作用^[27], 通过形成团粒结构破坏盐分沿土壤毛管孔隙随水分上升的条件, 降低土壤耕层的盐分积累。另一方面, 黄腐酸与有机质络合、螯合土壤中的金属阳离子形成的胶体结构以及其多孔性(比表面大)可吸附土壤溶液中的盐分离子^[28], 从而降低土壤中盐含量。同时由于降雨等条件也加速土壤表层盐分离子淋洗, 促进盐分含量降低。前人研究表明^[1], 随着土壤脱盐, Na⁺及HCO- 3在土体中的移动增加了土壤胶体的吸附量, 使土壤碱化, pH升高。而本研究表明, 氮肥配施黄腐酸对表层0 ~ 20 cm土壤pH降低具有促进作用。肥料的水旱轮作试验能够有效降低土壤pH, 一方面体现在黄腐酸对土壤pH的缓冲作用上; 另一方面, 水田在淹水条件下土壤毛管孔隙封闭减少了对Na⁺及HCO- 3的吸附^[22], 在旱季施肥后黄腐酸减缓了尿素在土壤中转化的速率, 放缓了尿素分解引起的pH增加, 降低小麦初期碱害威胁。

3.2 氮肥及黄腐酸对土壤有机碳含量的作用

黄腐酸对表层0 ~ 20 cm土壤有机碳积累有显著促进作用, 在氮肥用量为300 kg/hm²时效果最好。在耕作初期, 土壤盐分较高且结构性差, 土壤中微生物多样性与活性相对较低, 不同的氮水平处理影响土壤中碳氮比, 对微生物代谢过程具有较高的影响, 进而影响有机质积累和转化。同时, 土壤大团聚体与有机碳有密切关系^[29], 土壤中有机碳与微生物分泌的各种胶结剂如球囊霉素等可以有效促进大团聚体的形成且有较高稳定性^[29]。因此氮肥及黄腐酸处理通过对土壤表层盐分和土壤结构的调控作用直接影响土壤中微生物代谢和有机质转化过程, 通过降低表层盐分含量和提高土壤团粒结构含量促进土壤有机碳含量的增加。梁雷等^[24]研究认为, 入侵植物对土壤总有机碳含量无显著影响, 但降低了土壤易氧化碳和可溶性碳含量, 增加了土壤微生物生物量碳含量。但在本试验中表现为有机碳含量的增加, 主要因为有机碳本底值较低且土壤结构性差导致的微生物活性低。水稻季有机碳积累量高于小麦季, 主要原因与土壤水分和盐分有关, 旱季土壤蒸发及植物蒸腾作用强烈, 土壤盐分随水分在表层聚集, 对根际微生物的活动有一定的抑制作用^[25]。

土壤大团聚体有机碳含量与表层土壤0 ~ 20 cm土壤总有机碳含量变化表现出显著正相关, 这与前人研究认为土壤有机碳在0.5 ~ 1 mm粒级团聚体中含量最高且与水稳性大团聚体含量的变化呈正相关^{[19, 30]}相一致。表明在滨海滩涂围垦地区, 盐渍土壤有机碳含量的增加能够显著促进土壤大团聚体的形成, 改善土壤结构与稳定性, 提高滩涂土壤地力与可耕性。

3.3 氮肥及黄腐酸对土壤团聚体含量的作用

滨海滩涂土壤开垦初期, 土壤以黏壤与粉砂壤为主, 土壤结构性质差、肥力水平低且保水保肥能力差^[3], 导致土壤以小粒径微团聚体为主, 且存在较大分布差异, 土壤在熟化过程中通过降低盐分改善土壤物理结构, 从而形成更利于土壤团聚作用进行的条件, 促进土壤有机碳形成, 而有机碳含量的增加, 也进一步促进土壤活性有机碳分解和微生物生物量碳含量增加^[24]以及土壤大团聚体的形成。与成熟土壤不同, 滩涂土壤稳定性随着耕作年限的提高而逐渐增加^[25], 水旱轮作模式对土壤盐分的显著抑制效果更利于土壤团聚体的形成。土壤在水耕熟化过程中, 土壤有机质在淹水条件下经微生物厌氧分解过程较慢, 相应的腐殖质形成有一定程度的积累^[31-34], 土壤有机碳及大团聚体的含量也相应增加。随着氮肥用量的增加, 土壤大团聚体含量先增后减且在常规氮用量达到最高, 差异达显著水平, 说明在滩涂土壤培肥与地力提升过程中优化施肥及用量对土壤结构形成具有显著的促进与调控作用。

4 结论

1) 氮肥及黄腐酸处理能够显著降低表层土壤电导率和pH, 有利于滨海轻中度盐渍土壤快速脱盐降碱。黄腐酸在氮肥用量300 kg/hm²时有效降低表层0 ~ 20 cm土壤盐分, 与不施肥和当地常规施肥处理相比, 土壤电导率分别降低13.7%和14.9%, 差异达显著水平(P < 0.05)。经一季水旱轮作, 常规施肥处理土壤pH升高, 黄腐酸各处理的土壤表层pH均降低, 且氮水平300 kg/hm²处理效果最好。

2) 氮肥及黄腐酸处理能显著增加土壤有机碳含量, 氮水平300 kg/hm²显著提高表层0 ~ 20 cm土壤有机碳积累量和水稳性大团聚体中有机碳含量, 且水田更利于有机碳的积累, 相较于低氮(225 kg/hm²)与高氮(325 kg/hm²)处理, 两季土壤总有机碳积累量分别增加31.0%和120.0%, 加速调控滨海滩涂土壤的碳汇效应, 有效培肥土壤地力。

3) 氮肥及黄腐酸处理能改善土壤结构, 氮水平300 kg/hm²有效促进土壤水稳性团聚体含量的积累并提高团聚体稳定性, 与不施肥和当地常规施肥处理相比, > 2 mm团聚体含量分别增加13.8%和14.5%, 与不施肥处理相比, 团聚体MWD增加73.6%。黄腐酸配施适量氮肥可显著提高土壤可耕性, 促进滨海滩涂土壤熟化, 在加速滨海盐渍化土壤农业开发利用上具有广阔应用前景。