不同施肥處理下盆栽土壤通氣性的變化*

白勝軍，徐靈穎 ，辛 佳,3，錢成宇,4，權(quán) 玲，張文太1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，中國科學院 南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.東北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，黑龍江哈爾濱 150030；4.云南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650201)

氧氣作為土壤氣體的重要組成部分，在作物生長過程中起重要作用[1]。設(shè)施蔬菜高度集約、過量水肥的生產(chǎn)模式常造成土壤板結(jié)(壓實)，土壤通氣性降低，嚴重時甚至會誘發(fā)低氧脅迫[2]，抑制根系對養(yǎng)分的吸收[3]，進而導致減產(chǎn)。研究認為：土壤中氧氣體積分數(shù)達到15%才能滿足作物正常生長[4]；當土壤中氧氣體積分數(shù)降到5%以下，作物根系就會停止發(fā)育[5]?？梢?，土壤氧氣含量是土壤通氣性能的重要指標，對保障作物健康生長、確保糧食安全具有重要意義。

國內(nèi)外關(guān)于土壤通氣性的研究多集中于水肥耦合加氣灌溉改善土壤理化性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量和水分利用效率等方面[6-9]，而有關(guān)肥料影響土壤通氣性的研究主要集中于團聚體[10-11]、容重[12]和孔隙度[13]等指標，如侯毛毛等[14]對比了生物有機肥和化肥施用對土壤容重和孔隙度的影響，結(jié)果表明生物有機肥處理更有利于提高土壤孔隙度。田間試驗表明：相較于化肥和不施肥處理，長期施用有機肥可以提高土壤通氣性，改善土壤結(jié)構(gòu)[13]。有研究認為：新型肥料研發(fā)有利于綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展[15-16]，其中化肥配施腐植酸是重要的新型肥料研發(fā)方向。腐植酸因具有豐富的羧基、酚羥基、羥基等官能團結(jié)構(gòu)，具有較好的離子交換能力，對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、水氣滲透能力等均具有調(diào)節(jié)作用[17]，還能提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)[18]。劉艷等[19]研究發(fā)現(xiàn)：腐植酸肥料能夠顯著增加土壤水穩(wěn)性團聚體含量，提高其穩(wěn)定性，降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)。然而，由于受測定技術(shù)所限，腐植酸肥料能否在短期內(nèi)提高設(shè)施土壤通氣性目前尚不清楚，不同施肥處理下土壤中氧氣動態(tài)變化差異也鮮有報道?；诖?，本研究以土壤氧氣體積分數(shù)為出發(fā)點，以生菜為指示作物，分析不同施肥處理下土壤氧氣體積分數(shù)的日、季節(jié)變化差異，為水、肥、氣的精準調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與肥料

供試土壤采自江蘇省南京市溧水區(qū)高塘村(N31°39′，E119°1′)處于轉(zhuǎn)化期的設(shè)施菜地土壤，前期為水稻田。土壤類型為黃棕壤，質(zhì)地為粉砂壤土。采集0～20 cm 的耕層土壤，風干，過2 mm 篩，混勻備用，土壤養(yǎng)分性質(zhì)為：有機碳含量7.01 g/kg，全氮含量0.59 g/kg，堿解氮含量65.48 mg/kg，有效磷含量4.82 mg/kg，速效鉀含量111.00 mg/kg。供試化肥為河南心連心化學工業(yè)集團股份有限公司提供的普通尿素(含N 45.60%)和腐植酸尿素(含N 42.80%，腐植酸含量2.70%)；供試有機肥為當?shù)厣唐酚袡C肥，主要成分為雞糞，含N 1.20%，有機碳含量15.09%。

1.2 盆栽試驗設(shè)計

盆栽試驗在中國科學院南京土壤研究所溫室進行，供試作物為生菜(Lactuca sativavar.ramosa)。盆栽桶為圓形，高25 cm，直徑 22 cm。采用隨機區(qū)組布置盆栽，試驗周期為2021 年4 月—2022年3 月，重復(fù)3 茬，每茬收獲后休耕20 d?？刂聘魈幚硎┑恳恢?180 kg/hm2)，設(shè)置不施尿素(CK)以及施用常規(guī)尿素(T1)、腐植酸尿素(T2)、有機肥(T3)、45%有機肥+55%常規(guī)尿素(T4，與當?shù)爻Ｒ?guī)一致)共5 個處理，每個處理4 個重復(fù)。施用磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)、鉀肥為氯化鉀(含 K2O 60%)，均購自當?shù)剞r(nóng)資公司，用量分別為180 和280 kg/hm2。除CK 不施氮肥外，其余處理氮磷鉀用量一致。每個花盆裝土約3.5 kg (風干基計)，土壤容重1.30 g/cm3，播種前一次性施肥，后續(xù)2 茬種植前不翻耕以避免土壤擾動，肥料與盆土混合均勻。施肥后管理按照一般設(shè)施蔬菜種植規(guī)范執(zhí)行，菜苗長到15～20 片葉視為收獲。試驗結(jié)束后，在植株莖稈橫向距離約5 cm 處采集100 cm3環(huán)刀樣品，用于容重分析。

1.3 指標測試與分析

連續(xù)種植兩季后觀測土壤結(jié)構(gòu)指標，包括氧氣體積分數(shù)和容重。(1) 土壤氧氣體積分數(shù)：采用光纖微氧傳感器(OXY4-mini，德國 Presens 公司)測定[20]。第1 季播種前(2021 年4 月3 日)將測氧探針埋設(shè)于距植株莖稈橫向距離5 cm、深10 cm 的土壤中，后續(xù)播種收獲均未對探針進行擾動。測定尺度包括日步長和全生育期。針對全生育期土壤氧氣體積分數(shù)測定，從播種開始每隔5 d 于12：3 0 測定氧氣體積分數(shù)，每個處理測定3 次，直至收獲；在臨近收獲期(2022 年2 月23 日—3 月2 日)進行日步長的土壤氧氣體積分數(shù)監(jiān)測，每15 min 測定1 次，測量時靜置5 min，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定自動保存后手動更換到下一連接探頭繼續(xù)測量。(2) 土壤容重：采用稱重法測定[21]，并取相同處理的4 次重復(fù)進行統(tǒng)計。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2013 和 SPSS 19.0 進行數(shù)據(jù)處理與分析；采用GraphPad Prism 9.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理的土壤容重與氧氣體積分數(shù)

由圖1 可知：不同處理間的土壤容重無顯著差異。T1處理的平均土壤容重最大，為1.48 g/cm3；其次是T3處理，為1.44 g/cm3；然后是CK 處理，為1.43 g/cm3；以T2和T4處理容重最低，為1.41 g/cm3。種植初期土壤容重為1.30 g/cm3，說明種植3 茬生菜后土壤容重增加，而腐植酸尿素(T2)和有機肥+尿素配施(T4)處理更有利于降低土壤容重，提高通氣性。由圖1 還可知：相較于CK處理，T1、T2和T3處理可顯著提高土壤氧氣體積分數(shù)，分別增加了7.07%、6.53%和3.20%；且T4處理與CK 處理間無顯著差異。

2.2 土壤氧氣體積分數(shù)隨生育期的變化規(guī)律

由圖2 可知：整體上，生育期內(nèi)T1和T2處理的土壤平均氧氣體積分數(shù)最高，分別為18.85%和17.50%；其次是T3和T4處理，分別為14.95%和13.31%；CK 處理最低，為12.75%。各處理間的變化趨勢明顯，其中，CK 處理的波動變化最明顯，峰值出現(xiàn)在1 月2 日、1 月27 日和2 月11 日，分別為12.14%、14.90%和14.57%；T1和T2處理變化趨勢較為一致，從播種期到收獲期，T1處理的土壤氧氣體積分數(shù)從16.82%緩慢上升至19.68%，T2處理從12.68%上升至18.85%；T3和T4處理的土壤氧氣體積分數(shù)均呈先升后降又緩慢回升的變化趨勢。

圖2 不同處理土壤氧氣體積分數(shù)隨時間的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of soil oxygen volume fraction over time for different treatments

2.3 土壤氧氣體積分數(shù)的日變化規(guī)律

由圖3 可知：不同處理間的土壤氧氣含量日動態(tài)變化整體趨勢較一致。T1和T2處理的平均氧氣體積分數(shù)最高，分別為19.68%和19.55%；T3和T4處理次之，分別為14.88%和13.61%；CK 處理最低，為11.93%。土壤氧氣體積分數(shù)日變化大致可劃分為4 個時間段：0：0 0-5：3 0、5：3 0-13：0 0、13：0 0-18：0 0 和18：0 0-0：0 0。0：0 0-5：3 0 階段，各處理的土壤氧氣體積分數(shù)均呈下降趨勢。5：3 0-13：0 0 階段，除CK 處理外，其他處理的土壤氧氣體積分數(shù)基本保持不變。13：0 0-18：0 0 階段，各處理的土壤氧氣體積分數(shù)呈增加趨 勢。18：0 0-0：0 0 階段，CK、T3和T4處理的土壤氧氣體積分數(shù)均呈先升高后降低的趨勢，分別在21：0 0、20：3 0 和21：3 0 達到峰值，分別為13.67%、17.03%和14.90%；而T1和T2處理的土壤氧氣體積分數(shù)在約18：0 0 達到峰值，18：0 0-0：0 0 階段呈下降趨勢。綜合來看，相較于有機肥以及有機肥+尿素配施處理，施用尿素和腐植酸尿素會影響土壤氧氣體積分數(shù)，導致其峰值提前。

圖3 不同處理土壤溶解氧體積分數(shù)的日動態(tài)變化Fig.3 Diurnal dynamic change of soil oxygen volume fraction under different treatments

3 討論

土壤中氧氣體積分數(shù)達到15%才能滿足作物呼吸作用的需求[4]。本研究表明：相較于不施肥(CK)處理，施用肥料可顯著提高土壤氧氣體積分數(shù)，增加幅度為3.20%～7.07%。這與谷曉博等[22]對不同施氮量下冬油菜土壤氧氣量的研究結(jié)果有所不同，其研究表明旺盛期不同施氮量土壤氧氣濃度不存在明顯差異，這可能是由于該研究采用覆膜處理，能夠保水保墑，對土壤和大氣之間的氣體交換存在阻礙作用，弱化了施肥量對土壤通氣性的影響。尿素和腐植酸尿素對土壤氧氣體積分數(shù)的增加效果顯著高于商品有機肥以及有機肥+尿素配施處理，土壤氧氣體積分數(shù)最高達20.13%，這與前人“有機肥更有利提高土壤通氣性”的研究結(jié)論[23]相悖。由于氧氣測量儀測定的是表層土壤和大氣不斷交換部分的氧氣體積分數(shù)，其變化主要由作物根系/土壤微生物呼吸以及土壤孔隙分布決定。本研究顯示：腐植酸尿素和有機肥+尿素配施處理的土壤容重最小，說明有機碳源(如腐植酸、有機肥)和化學氮肥(尿素)組合更有利于增加土壤總孔隙度。LUAN 等[24]研究也發(fā)現(xiàn)：有機無機配合能夠顯著增加土壤孔隙，提高土壤保水性和通氣性。此外，本研究還顯示：尿素處理的土壤容重最大，且土壤氧氣體積分數(shù)較高，由于其總孔隙度較低，所以其高氧氣體積分數(shù)可能主要是由于作物根系/土壤微生物有氧呼吸作用減慢。這一結(jié)果暗示了傳統(tǒng)尿素處理會降低土壤通氣性，作物/土壤微環(huán)境退化，進而影響作物生長。與傳統(tǒng)尿素不同，有機肥處理的容重略高于CK 處理，且土壤氧氣體積分數(shù)較低，這可能是以下2 個因素共同作用的結(jié)果：(1) 有機肥投入量難以在短期內(nèi)快速改善土壤團聚結(jié)構(gòu)，對土壤容重和氧氣體積分數(shù)的改良效率較低[25]；(2) 有機肥增加了土壤微生物活性，有機質(zhì)分解過程中土壤呼吸作用增強，使得土壤環(huán)境氧氣消耗，氧氣體積分數(shù)下降。因此，從土壤容重和氧氣體積分數(shù)的結(jié)果綜合來看，腐植酸尿素處理更有利于提高土壤通氣性，改善栽培土壤微環(huán)境。

葉類蔬菜(本研究指生菜)屬于生育期短的作物，需要保肥、透水、通氣的環(huán)境才能滿足生長需求。本研究的肥料處理均在同一氮、磷、鉀用量梯度，而供試土壤質(zhì)地相對比較黏重，故推測合理的土壤通氣性(土壤氧氣體積分數(shù))是保障作物生長的首要前提[26]。在葉菜幼苗期(2021 年12 月28 日—2022 年1 月2 日)，各處理土壤氧氣體積分數(shù)均出現(xiàn)不同程度上升。由于土壤硝化作用需要充足的氧氣供應(yīng)[27]，所以土壤氧氣增加可以間接表明該時期土壤硝態(tài)氮含量增加，以供應(yīng)生菜吸收氮素，形成正向反饋，蔬菜根系進入地下，提高了耕層的氧氣體積分數(shù)。成熟期至收獲期(2022 年2 月11 日—2022 年3 月8 日)，CK 處理氧氣體積分數(shù)下降，可能是由于不施肥土壤活性有機氮殘留較少，需要通過微生物分解轉(zhuǎn)化有機態(tài)氮和固定態(tài)銨來維持作物生長，大量氧氣消耗導致該時期氧氣體積分數(shù)明顯下降；然而，在這一時期，T1和T2處理的土壤氧氣體積分數(shù)無顯著上升趨勢，與T3和T4處理的變化趨勢明顯不同，這可能與肥料氮形態(tài)影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)有關(guān)。T1和T2處理施用的是尿素類氮肥，T3和T4處理的有機肥雖然也是以等氮形式投入，但其形態(tài)主要為有機態(tài)氮，在作物吸收利用過程中需要更多能量消耗，與土壤周邊的空氣交換更為頻繁。此外，土壤氧氣與外界溫度變化關(guān)系顯著[28]，本研究發(fā)現(xiàn)：0：0 0-5：3 0 土壤氧氣體積分數(shù)逐漸下降，這是由于5：3 0-6：0 0 是一天中土壤溫度最低的時間[29]，隨著溫度下降土壤氧氣體積分數(shù)減?。话滋祀S著氣溫上升，土壤水分蒸發(fā)增加氧氣向土壤的擴散，使得土壤氧氣體積分數(shù)逐漸增加[30]。在日動態(tài)變化中，不同施肥處理的氧氣體積分數(shù)達到最大峰值的時間存在明顯不同，但均在18：0 0 之后，這是由于土壤具有保溫功能，土壤溫度變化存在滯后性[31]；此外，不同施肥處理對土壤保溫保墑的作用效果存在差異，導致土壤氧氣體積分數(shù)峰值不同。本研究只分析了不同肥料處理在一次施肥背景下土壤氧氣體積分數(shù)的變化趨勢，但蔬菜實際生產(chǎn)的肥料用量大，施肥次數(shù)多，后續(xù)研究需綜合考慮施肥次數(shù)和施肥量等的影響。

4 結(jié)論

相較于施用有機肥以及有機肥+尿素配施，施用腐植酸尿素可顯著提高土壤氧氣體積分數(shù)，且土壤容重低。不同處理的土壤氧氣體積分數(shù)在生育期內(nèi)的變化并不一致，除苗期外，尿素和腐植酸尿素的土壤氧氣體積分數(shù)平緩上升，而有機肥以及有機肥+尿素配施處理下土壤氧氣體積分數(shù)呈明顯波動。土壤氧氣體積分數(shù)在白天呈明顯上升趨勢，但其達到峰值的時間受肥料類型的影響。