有机肥配施改良剂对酸性水稻土团聚体特征及水稻产量的影响

王洋 ,  罗博 ,  孟佳奥 ,  代文才

水土保持通报 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (05) : 45 -52.

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水土保持通报 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (05) : 45 -52. DOI: 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.037
试验研究

有机肥配施改良剂对酸性水稻土团聚体特征及水稻产量的影响

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Effects of combined application of organic fertilizer and amendments on aggregate characteristics and rice yield of acidic paddy soil

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摘要

目的 分析单施改良剂和有机肥配施改良剂对酸性水稻土团聚体分布特征和水稻产量的影响,为酸性水稻土修复和提高水稻产量提供科学依据。 方法 以酸性水稻土为研究对象,设置了对照(CK)、钙镁磷肥(T1)、碳酸钙粉(T2)、钙镁硅类调理剂(T3)、有机肥+钙镁磷肥(T4)、有机肥+碳酸钙粉(T5)、有机肥+钙镁硅类调理剂(T6)共7个处理。比较不同处理下土壤的团聚体分布特征、团聚体的稳定性以及水稻产量。 结果 ①整体上,T1—T6处理的土壤pH值和土壤养分指标较CK均呈上升趋势,但未达显著水平;T5处理的pH值提升至最高,达4.8,较CK的提升了0.4个单位,T1有效磷含量为最高值9.74 mg/kg,较CK提升了152%。 ②T1—T6处理风干性土壤团聚体中>5 mm粒级的含量显著高于CK处理,其中T5处理效果最显著,较CK增幅为6.37%。 ③T4—T6处理土壤风干性团聚体和水稳性团聚体的平均重量直径(MWD),几何重量直径(GMD),>0.25 mm团聚体含量(R0.25)较CK处理显著提高,分别提升7.51%~8.61%,26.0%~28.6%,6.29%~6.50%,分形维数D显著降低。 ④T1—T6处理水稻产量显著高于CK处理,T5处理水稻产量增幅最大,为17.46%。 结论 有机肥配施钙镁磷肥、碳酸钙粉和钙镁硅类调理剂可显著提高土壤结构稳定性和水稻产量,以有机肥配施碳酸钙粉处理效果最佳。

Abstract

Objective The effects of single amendment application and combined application of organic fertilizer with amendments on the distribution characteristics of soil aggregates and rice yield of acidic paddy soil were analyzed, in order to provide a scientific basis for the amelioration of acidic paddy soil and the improvement of rice yield. Methods Acidic paddy soil was selected as the research object. Seven treatments were set up: control (CK); calcium magnesium phosphate fertilizer (T1), calcium carbonate powder (T2), calcium magnesium silicate conditioner (T3), organic fertilizer+calcium magnesium phosphate fertilizer (T4), organic fertilizer+calcium carbonate powder (T5), and organic fertilizer+calcium magnesium silicate conditioner (T6). The soil aggregate distribution characteristics, aggregate stability, and rice yield under different treatments were compared. Results ① Overall, the soil pH value and soil nutrient indicators of T1—T6 showed an increasing trend compared with CK, but not reaching statistical significance. Among them, T5 showed the highest pH value at 4.8, an increase of 0.4 units over CK. Additionally, T1 recorded the highest available phosphorus content at 9.74 mg/kg, representing a 152% increase compared to CK. ② The content of >5 mm aggregates in air-dried soil aggregates of T1—T6 was significantly higher than in CK, with T5 treatment showing the most pronounced effect, an increase of 6.37% compared to CK. ③ The mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD), and >0.25 mm aggregate content (R0.25) of air-dried and water-stable aggregates in T4—T6 were significantly higher than in CK, increasing by 7.51%—8.61%, 26.0%—28.6%, and 6.29%—6.50%, respectively. And the fractal dimension D significantly decreased. ④Rice yield under T1—T6 treatments was significantly higher than that of CK, with the T5 treatment showing the highest increase of 17.46%. Conclusion The combined application of organic fertilizer with calcium magnesium phosphate fertilizer, calcium carbonate powder, and calcium magnesium silicate conditioner significantly improves soil structural stability and rice yield, with the organic fertilizer+calcium carbonate powder treatment (T5) demonstrating the optimal effect.

Graphical abstract

关键词

有机肥 / 酸性土壤改良 / 团聚体 / 水稻产量 / 分形维数

Key words

organic fertilizer / acidic soil amelioration / aggregates / rice yield / fractal dimension

引用本文

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王洋,罗博,孟佳奥,代文才. 有机肥配施改良剂对酸性水稻土团聚体特征及水稻产量的影响[J]. 水土保持通报, 2025, 45(05): 45-52 DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.037

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文献参数: 王洋, 罗博, 孟佳奥, 等.有机肥配施改良剂对酸性水稻土团聚体特征及水稻产量的影响[J].水土保持通报,2025,45(5):45-52. Citation:Wang Yang, Luo Bo, Meng Jiaao, et al. Effects of combined application of organic fertilizer and amendments on aggregate characteristics and rice yield of acidic paddy soil [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(5):45-52.
土壤酸化是在自然和人为条件下,土壤pH值持续降低、交换性酸不断增加的过程,是土壤退化的主要表现之一1。近年来,由于过量施用化肥、灌溉方式不当等人为因素,土壤酸化速率加快,农田土壤平均pH值降低了0.5个单位2,严重影响了土壤质量和农业生产。其中,酸性水稻土作为我国重要的耕作土壤类型,其酸化问题尤为突出,在长江中下游等主要稻作区已造成显著产量损失3。土壤酸化会引发一系列负面效应,首先,导致土壤中的盐基离子(K+,Na+,Ca2+,Mg2+等)大量流失,造成土壤养分失衡;其次,提高重金属离子在土壤中的有效性,增加农产品安全风险4;再者,破坏土壤水稳性团聚体结构,造成土壤板结等不良影响。此外,对于酸性水稻土,铝毒和锰毒是限制水稻生长的关键因素,特别是在长期淹水条件下,还原态锰的积累会加剧对根系的毒害作用5。因此,改良酸化土壤,对改善土壤质量、保障国家粮食安全具有十分重要的意义。
已有研究6-7表明,施用石灰、钙镁磷肥等碱性物质及有机肥是改良酸化土壤的有效手段。钙镁磷肥既能提高土壤pH值,又可提高土壤中的磷及盐基离子含量。碳酸钙能显著提高土壤pH值、土壤阳离子交换量8。N. S. Aye等9研究表明土壤中施入石灰,不仅提高土壤pH值,还能增加土壤团聚体的稳定性。有机物质富含碱性物质,不仅能中和土壤酸度、提高土壤酸碱缓冲能力,而且能络合土壤中的铝离子,其疏松多孔的特性,对改良土壤结构及团聚体的形成也起到促进作用。李越等10研究表明,有机肥配施化肥能显著提升土壤团聚体的稳定性。
酸化土壤中施用碱性物质可提高作物产量。杨小敏等11的研究表明,施用碱性物料如石灰、钙镁磷肥和酸性土壤改良剂显著提高了土壤pH值并使水稻产量增加了8.31%~19.4%。在不同氮素水平下,尿素配施碳酸钙,使油菜产量较对照处理提高了1.1%~8.8%,使玉米产量较仅施尿素处理提高了8.8%12。在水稻-油菜轮作系统中连续施入酸性土壤改良剂后,油菜产量显著提高了约40%13
目前对酸化土壤改良的研究集中在单一改良剂(如石灰)的施用上,然而,长期施用石灰会造成土壤板结和养分不平衡等问题14。将石灰等无机碱性物质与有机肥配合施用,能维持土壤团聚体和肥力的长期稳定性,展现出比单一改良剂更优的可持续改良潜力,并可以解决单一改良剂施用存在的问题,但其施用技术有待进一步研究14。相比单一改良剂,有机肥配施改良剂通过有机-无机协同效应,在快速中和土壤酸度的同时改善土壤结构和养分平衡,能显著提升改良效果。孟庆英等15的研究表明,有机肥配施石灰不仅显著提高了土壤中有机质含量,使大豆产量提高13.07%。有机肥配施钙镁磷肥也能显著提高蕉柑产量16。然而,利用有机肥配施改良剂对酸化水稻土的团聚体特征及水稻产量的影响尚不清楚。因此,本文以酸性水稻土为研究对象,探讨有机肥配施改良剂对酸性水稻土团聚体组成、稳定性以及水稻产量的影响,以期为缓解酸化水稻土的酸化程度,改善土壤物理结构、提高水稻产量提供科学依据。并通过提升土壤碳汇潜力助力农业低碳转型,响应国家“碳达峰、碳中和”战略目标,契合提升耕地质量、推动绿色施肥与可持续土壤管理的政策要求。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于重庆市江津区石蟆镇正林村(28°57′54″N,105°56′15″E),平均海拔305 m。试验地属于亚热带季风湿润气候,年均温度为17.5 ℃,年均降雨量为1 100 mm,年平均日照时数1 400 h,无霜期年平均350 d。

供试土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥岩发育经水耕熟化而形成的紫色水稻土。供试土壤的基本理化性质:pH值为4.2,有机质含量为25.8 g/kg,全氮含量为1.71 g/kg,全磷含量0.235 g/kg,全钾含量18.3 g/kg。

1.2 试验设计

(1) 共设置7个处理。对照即不添加改良剂和有机肥(CK)、钙镁磷肥(T1)、碳酸钙粉(T2)、钙镁硅类调理剂(T3)、有机肥+钙镁磷肥(T4)、有机肥+碳酸钙粉(T5)、有机肥+钙镁硅类调理剂(T6)。每个处理设置3个重复,采用随机区组排列在21个5 m✕4 m的小区内,各个小区的田间管理与常规施肥处理一致。各试验处理的基肥施用情况详见表1。所有肥料均表面撒施,施肥处理采用“等氮、等磷、等钾”原则。

(2) 供试材料。供试肥料均为市售尿素(N 46%)、磷酸二铵(P2O542%,N 15%)、氯化钾(K2O 60%)、钙镁磷肥(P2O512%)、钙镁硅类调理剂(CaO≥33.0%,MgO≥5.0%,SiO2≥28.0%)和有机肥(有机质≥30%,N, P2O5,K2O分别为0.5%,0.25%,0.25%),水稻品种为晶两优534。

1.3 样品采集与分析

于2024年8月下旬水稻收获时,测定每个小区内水稻产量。采集每个小区0—20 cm的表层土壤样品,在各小区内按照梅花形采样法采集5个点,在去除土壤中石砾及植物残体后,将5点土壤样品采用四分法混匀成一个样品,约2 kg带回实验室,共采集21个土样。在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动,以免破坏团聚体。室内风干土样,当土壤含水量降低到塑限时,在室内沿自然结构将其掰成约1 cm的小块,同时去除水稻根系等杂质后备用。

水稻产量及土壤基本理化性质测定17:水稻产量采用称量法测定;土壤pH值采用电位法测定(水土比 2.5∶1);交换性酸采用KCl(1 mol/L)交换,中和滴定法测定;交换性钾、钠、钙、镁采用醋酸铵(1 mol/L)浸提,原子吸收分光光度法测定;土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定;土壤碱解氮采用碱解扩散法测定;土壤有效磷采用NaHCO3 (pH=8.5,浓度为0.5 mol/L)浸提-钼蓝比色法测定;土壤速效钾醋酸铵(pH 7.0, 1 mol/L)浸提-火焰光度计法测定。

土壤团聚体测定18:风干性团聚体和水稳性团聚体分别采用沙维诺夫干筛法和湿筛法分离出>5 mm,2~5 mm,1~2 mm,0.5~1 mm,0.25~0.5 mm,<0.25 mm的团聚体。

1.4 数据处理与统计分析

土壤团聚体第i粒级团聚体所占的比例(Wi)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、>0.25 mm团聚体含量(R0.25)、破坏率(PAD)和分形维数(D)的计算公式19

Wi=wiwt×100%
MWD=i=1nxi¯wi
GMD=expi=1nwilnxi¯
R0.25=1-wi<0.25wt
PAD=DR0.25-WR0.25DR0.25×100%
Mr<xi¯wt=xi¯xmax3-D

式中:wi为第i级团聚体的质量(g); wt为各级团聚体的总质量(g); n为粒径分组的组数; xi¯i粒级分组团聚体的平均直径; wi<0.25为粒径<0.25 (mm)团聚体的质量(g); DR0.25为风干性团聚体>0.25 (mm)粒级的质量分数; WR0.25为水稳性团聚体>0.25 (mm)粒级的质量分数; Mr<xi¯为粒径<xi的团聚体的质量(g); xmax为团聚体的最大粒径(mm)。

所有图表和数据均采用Excel 2016软件进行整理绘制。

采用R 4.2.1进行统计分析。不同处理间显著性差异采用单因素方差分析(one-way ANOVA),Tukey HSD验证方法;添加有机肥效果的显著性差异采用T检验分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤酸化指标及基本理化性质的影响

从表2—3可以看出,在酸性水稻土中施用不同改良剂后,各处理的土壤酸化指标和基本理化性质无显著性差异。对于土壤pH值而言,T2,T4,T5和T6较CK分别提高了7.1%,4.8%,14.3%和2.4%,但未达显著水平(p>0.05)。对于土壤有机质、碱解氮和有效磷,T4,T5和T6较CK均有增加的趋势,但差异不显著(p>0.05)。

2.2 不同改良剂对土壤团聚体组成的影响

表4可以看出,各处理土壤风干性团聚体>5 mm粒级含量介于68.09%~74.46%,施用改良剂后,各处理该粒级团聚体含量较CK处理提高了2.58%~9.35%。具体地,T1,T2和T3处理较CK相比,该粒级团聚体含量存在上升的趋势,但增幅未达显著性水平(p>0.05);T4,T5和T6处理较CK相比,分别显著增加了8.25%,9.35%和8.18%(p<0.05);有机肥配施改良剂的T4和T5处理该粒级含量分别显著高于单施改良剂的处理T1和T2处理土壤风干性团聚体>5 mm粒级含量。相反地,各处理风干性土壤团聚体<0.25 mm粒级含量均低于CK处理,各处理团聚体该粒级含量与CK处理的差异性和>5 mm粒级含量基本一致(T3除外),即有机肥配施改良剂能显著降低风干性土壤团聚体<0.25 mm含量(p<0.05)。

表5可以看出,各处理土壤水稳性团聚体各粒级含量无显著性差异(<0.25 mm粒级除外)(p>0.05)。有机肥配施改良剂处理(T4,T5和T6)土壤水稳性团聚体<0.25 mm粒级含量显著低于CK处理(p<0.05),分别较CK处理低了15.79%,15.59%和18.66%。

2.3 不同改良剂对土壤团聚体稳定性的影响

表6可以看出,单施改良剂处理(T1,T2和T3)MWD, GMD和R0.25较CK处理无显著性差异(p>0.05);有机肥配施改良剂处理(T4,T5和T6)MWD, GMD和R0.25显著高于CK处理(p<0.05),分别是CK处理的1.075~1.086倍,1.259~1.286倍,1.062~1.065倍。有机肥配施改良剂处理(T4和T5)MWD, GMD和R0.25分别显著高于单施改良剂处理(T1和T2)(p<0.05),T6和T3处理土壤团聚体的MWD, GMD和R0.25无显著性差异(p>0.05)。T4处理MWD, GMD和R0.25较T1处理分别增加了5.36%,17.8%和4.32%,T5处理MWD, GMD和R0.25较T2处理分别增加了5.51%,18.9%和4.95%。

针对水稳性土壤团聚体MWD而言,各处理MWD的值较CK处理表现为显著增加(T1处理除外)(p<0.05),单施改良剂处理的土壤水稳性团聚体MWD与有机肥配施改良剂处理表现为无显著差异(p>0.05)。

除T处理外,各处理(T2—T6)土壤水稳性团聚体GMD值较CK处理显著增加(p<0.05);有机肥配施改良剂处理(T4和T5)显著高于单施改良剂处理(T1和T2)(p<0.05);有机肥配施改良剂处理的R0.25显著高于CK处理(p<0.05),T4,T5和T6较CK处理分别增加了5.28%,5.22%和6.24%。各处理土壤团聚体PAD差异性不显著(p>0.05)。

图1可知,施用不同改良剂后,各处理土壤风干性团聚体分形维数介于2.291~2.393,T5处理最低;仅施用改良剂处理T1,T2和T3的分形维数较CK处理分别降低了1.40%,1.38%和2.64%,但差异性不显著(p>0.05);有机肥配施改良剂处理T4,T5和T6的分形维数较CK处理分别显著降低了5.27%,5.57%和5.18%(p<0.05);有机肥配施改良剂处理T4,T5和T6的土壤风干性团聚体分形维数显著低于其对应仅施用改良剂处理T1,T2和T3,分别降低了0.09,0.10,0.06(p<0.05)。从图1可知,各处理土壤水稳性团聚体分形维数介于2.559~2.614。相较于CK处理,T2,T3,T4,T5和T6处理土壤水稳性团聚体分形维数分别显著降低了0.976%,1.463%,1.770%,1.747%和2.114%(p<0.05),而T1处理和CK处理土壤水稳性团聚体分形维数无显著性差异;类似地,有机肥配施改良剂处理T4,T5和T6的土壤水稳性团聚体分形维数显著低于其对应仅施用改良剂处理T1,T2和T3,分别降低了1.34%,0.78%和0.66%(p<0.05)。表明有机肥配施改良剂对团聚体结构稳定性的改善效果优于单一改良剂处理,这一结果与风干性团聚体分形维数变化趋势一致。

2.4 不同改良剂对水稻产量的影响

图2可知,施用改良剂的各处理,水稻产量均显著高于CK处理(p<0.05),产量提高了8.09%~17.46%;有机肥配施改良剂处理T4和T5水稻产量显著高于与其对应的单施改良剂处理T1和T2处理(p<0.05),分别显著增加了5.1%和5.79%;T6较T3处理水稻产量增加了2.33%,但未达到显著水平(p>0.05)。

3 讨 论

3.1 不同改良剂对土壤团聚体组成及稳定性的影响

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,其组成特征和稳定性是评价土壤物理性状的重要指标,有研究表明有机肥施用会提升土壤团粒结构20。有机肥富含大量有机质和腐殖酸类物质,能显著提高改良剂中钙镁离子的活性与缓释性,延长其在土壤中的有效期,减少养分淋失。同时,有机质是团聚体形成的主要胶结剂,且其中碳源物质可以供土壤生物分解利用,并提高土壤生物活性,进一步促进大粒径团聚体的形成21-22。本研究的结果表明,单施用钙镁磷肥、碳酸钙粉和钙镁硅类调理剂后,其风干性团聚体>5 mm粒级含量较对照无差异,这与王秀斌等23的研究结果相似,单一施用钙镁磷肥对团聚体形成的贡献微小。而有机肥配施钙镁磷肥、碳酸钙粉和钙镁硅类调剂后,显著提高了风干性团聚体该粒级的含量。这与刘亚军等24的研究结果相似,他们的研究发现生物有机肥配施钙镁硅类调理剂显著提高了土壤>2.000 mm和0.251~2.000 mm粒级的含量,即增加了大团聚体含量,这有利于增加土壤的结构稳定性。

MWD和GMD是评价土壤结构体优劣的重要指标,其值越大,表明土壤结构越稳定,抗蚀能力越强。R0.25和PAD也是评价团聚体稳定的重要指标。本研究结果表明,有机肥配施改良剂处理的风干性团聚体和水稳性团聚体的MWD, GMD和R0.25显著高于对照和单施改良剂处理,这与刘亚军等24 、石艳香等25和王飞等26的研究结果类似。PAD能够反映土壤结构体的抗蚀性,其值越小,表明团聚体的抗蚀性越高。土壤中的黏粒含量与腐殖质含量是影响PAD的两个主导因子,土壤团聚体PAD数值越高,土壤有机质含量越低,二者呈现出显著的此消彼长趋势27-28。本研究结果表明各处理土壤团聚体PAD无显著性差异,这与李越等10和王秀斌等23的研究结果不一致。可能是本研究各处理土壤中有机质含量无显著性差异导致的,具体原因还需要进一步探究。

土壤分形维数D是体现土壤结构几何形状的参数,D值越小,表明土壤结构稳定性越强28。本研究表明,仅施用改良剂处理风干性团聚体分形维数和对照处理无差异,有机肥配施改良剂显著降低其分形维数;水稳性团聚体分形维数和风干性团聚体分形维数表现的规律相似。此外,有机肥配施改良剂处理土壤团聚体分形维数显著低于对应单施改良剂处理。单施钙镁硅调理剂对土壤分形维数的影响与刘亚军等24人的研究结果类似。施用有机肥能显著降低土壤团聚体分形维数,增加土壤结构稳定性,这与李越等10的研究结果一致。这是由于施用有机肥,促进了土壤中的大团聚体的形成,从而导致团聚体分形维数降低,团聚体稳定性增强。

3.2 不同改良剂对水稻产量的影响

土壤是作物赖以生存的基础环境,土壤理化性质影响作物生长及其产量。土壤团聚体的数量和稳定性直接影响土壤肥力和通透性等功能,进而影响作物生长。此外,稳定团聚体形成“多级孔隙系统”(大孔隙通气,小孔隙保水),协调土壤通气性与持水性,避免积水或干旱胁迫。团聚体稳定的土壤通气孔隙度可达30%以上,根系呼吸和扩展更顺畅。此外,减少雨滴冲击和机械耕作导致的土壤结构破坏,维持疏松状态,降低根系生长阻力,使得作物生长更加旺盛29。团聚体内部微环境为微生物提供栖息地,加速有机质分解和养分转化(如氮的矿化)。稳定结构减少养分淋溶损失(如磷、钾随水流失),提高养分有效性30。本研究结果表明,改良剂处理显著增产,且有机肥配施钙镁磷肥、碳酸钙粉处理其水稻产量显著高于单施对应的改良剂处理,以有机肥配施碳酸钙粉增产幅度最大(17.4%)。在本研究中,各处理施用改良剂后,其土壤pH值、有机质等养分指标均有略微上升,但未达到显著水平。但各处理土壤团聚体的数量和稳定性较对照处理均有显著性提高,进而导致水稻增产。这与大多数研究结果一致111323

4 结 论

(1) 钙镁磷肥、碳酸钙粉、钙镁硅类调理剂配施有机肥能显著提高土壤风干性团聚体中>5 mm粒级含量。

(2) 有机肥配施改良剂能提高土壤团聚体的稳定性,具体表现为有机肥配施钙镁磷肥、碳酸钙粉和钙镁硅类调理剂显著提高土壤风干性团聚体和水稳性团聚体的GMD, MWD, R0.25值,显著降低D值。

(3) 单施钙镁磷肥、碳酸钙粉、钙镁硅类调理剂和配施有机肥能提高酸化水稻土土壤肥力,改善土壤物理结构,使水稻增产8.09%~17.46%,有机肥配施碳酸钙粉处理水稻增产最高。

(4) 综合来看,有机肥配施钙镁磷肥、碳酸钙粉和钙镁硅类调理剂能提高土壤肥力和改善土壤结构,是改良酸化水稻土和提升产量的有效途径,以有机肥配施碳酸钙粉效果最佳,产量较对照处理提升17.46%。

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中央高校基本科研业务费专项“升温和多环芳烃对土壤动物的联合效应及其解毒机制”(SWU-KR22026)

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