化肥减量配施秸秆和有机肥对酸化土壤改良及侵蚀阻控的影响

试验于2023—2024年在湖北省咸宁市双溪桥镇（114^°19^'21^″E、29^°50^'29^″N）进行，该地区海拔200~800 m，属于亚热带大陆性季风气候，平均气温16.8 ℃，年平均降水量1 577.4 mm，年平均日照时间1 754.5 h，试验土壤为第四纪红壤。试验开展前土壤的初始性质为土壤pH5.25、有机质质量分数12.08 g/kg、全氮质量分数0.62 g/kg、速效磷质量分数2.85 g/kg、速效钾质量分数145.28 mg/kg、质量密度1.10 g/cm³。

本试验共设置6个处理：常规施肥（CK），化肥减施30%、6 000 kg/hm²秸秆（FSM0），化肥减施30%、6 000 kg/hm²秸秆、1 500 kg/hm²有机肥（FSM1），化肥减施30%、6 000 kg/hm²秸秆、3 000 kg/hm²有机肥（FSM2）；化肥减施30%、6 000 kg/hm²秸秆、4 500 kg/hm²有机肥（FSM3）；化肥减施30%、6 000 kg/hm²秸秆和6 000 kg/hm²有机肥（FSM4）。其中，秸秆还田量根据当地上季作物（玉米）的秸秆量全量还田；化肥减量和有机肥施用量则依据国家农业农村部《2023年秋冬季冬小麦、冬油菜、马铃薯科学施肥技术指导意见》进行设置。每个处理设置3个重复，共18个小区，小区面积约为27 m²。每个小区之间设置1.5 m的保护行，以防止相邻处理串水串肥。化肥为当地农资店购买的复合肥15-7-8（N-P₂O₅-K₂O），用量为750 kg/hm²，减量30%的化肥用量为525 kg/hm²。上季玉米秸秆产量为6 000 kg/hm²，将秸秆粉碎为5 cm左右小段全量还田。商品有机肥和玉米秸秆pH为7.81和6.53，有机质质量分数为44.99%和61.53%，全氮质量分数为1.30%和0.98%，全磷质量分数为68.7 mg/kg，全钾质量分数为44.61，25.44 mg/kg。此外，所有小区冬季追肥1次，常规施肥小区追施尿素150 kg/hm²，化肥减施30%小区追施尿素105 kg/hm²。其余除草、杀虫等管理与当地农民的常规管理一致。

分别在油菜苗期、蕾薹期、花期、角果期和收获期进行土样的采集。按照五点取样法在每个小区用土钻取0—20 cm土层的土样，并将其混合。土样去除石块和根茬后，自然风干并研磨，随后过1，0.25 mm筛，以供后续土壤理化性质的测定。在收获期，采用符合抗剪试验要求的环刀（内径6.18 cm，高2 cm），采集各个小区原状土样，每个小区采集4个，用于土壤抗剪强度的测定。

（1）土壤样品测定

土壤pH通过pH组合电极 测定。采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定可交换性K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺浓度；交换性盐基离子总量为K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺之和。采用KCl交换中和滴定法测定土壤可交换性酸和可交换性H⁺；可交换性酸与可交换性H⁺的差值即为可交换性Al³⁺。采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质；采用流 动分析仪测定土壤全氮。原状土样的抗剪强度采用全自动四联直剪仪进行测定：将采集的环刀土样垂直推入剪切盒后，在不同的垂直压力（100，200，300，400 kPa）下，以0.8 mm/min的剪切速率进行快剪， 直到试样剪切破坏。直剪试验严格按照土工试验方法标准（GB/T 50123-1999）进行，并根据库伦式计算黏聚力和内摩擦角。

（2）植物样品测定

在油菜收获期，随机选取各小区1 m²样方采集油菜样品。样品经脱粒、晒干至恒重后称重，以确定产量。此外，在油菜苗期、蕾薹期、花期、角果期和收获期，使用DJI MAVIC 3无人机在田间进行多光谱遥感数据采集。无人机的飞行参数设置为：分辨率1.8 cm、飞行高度40 m、航向重叠率80%和旁向重叠率70%。

（3）油菜经济效益计算

总收益（G，元/hm²）和净收入（N，元/hm²）的计算公式分别为：

（4）数据处理

利用Origin2023软件进行基础 数据处理和作图，采用DJITerra软件生成航拍无人机影像，运用ArcGIS10.6软件对无人机飞行影像进行分析处理。使用SPSS20.0软件对试验数据进行方差分析和显著性检验，处理间差异采用邓肯（Duncan）多重比较法，显著性水平为0.05。

由图1可知，油菜生长期间，除CK处理外，其他处理的土壤pH随油菜生长先上升后趋于稳定，CK处理下的土壤pH则在油菜苗期上升后呈现下降趋势。其中，FSM4处理在整个油菜生长周期中的土壤pH一直处于较高水平。随着有机肥施用量的增加，同一生长阶段的土壤pH也随之上升。此外，与CK处理相比，SFM1、SFM2、SFM3、SFM4处理使土壤pH分别平均增加0.09，0.18，0.19，0.23个单位。可见，只施化肥会加剧土壤酸化，而适量减少化肥并配合施用秸秆和有机肥可有效提高土壤pH。

由图2可知，土壤交换性酸由交换性H⁺和交换性Al³⁺含量的总和表示。在整个油菜生育期中，秸秆和有机肥的施入均不同程度降低了土壤的交换性H⁺、交换性Al³⁺及交换性酸含量。各指标均表现出 FSM4<FSM3<FSM2<FSM1<FSM0<CK的趋势。其中，FSM4处理的交换性H⁺、交换性Al³⁺及交换性酸的最小值分别为0.32，3.49，3.81 cmol/kg，与CK相比分别降低39.81%，22.10%，23.90%。可见，施用化肥会导致土壤交换性酸、Al³⁺含量增加，而化肥减量配施秸秆和有机肥可以有效降低土壤交换性Al³⁺和交换性酸含量。

由图3可知，土壤交换性盐基总量由交换性K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺构成。随着油菜生长，土壤交换性盐基总量呈持续增加趋势，且各处理下的土壤交换性盐基总量均 在油菜成熟期达到最大值。在整个生育期内，与CK处理相比，FSM1、FSM2、FSM3和FSM4处理下的土壤交换性盐基总量分别平均增加17.07%， 23.06%，28.22%，34.68%。此外，油菜生长进入蕾薹期后，各处理间的土壤交换性盐基总量差异逐渐减小。

由图4可知，不同处理下土壤在4 000~400 cm^-1波长范围内的红外光谱主要集中在3 622，3 437，1 628，1 427，1 082，1 033，778，693，530，472 cm^-1处。已有研究可知，3  622，3 437 cm^-1是羟基伸缩振动的吸收峰，主要来源是土壤中的碳水化合物和羟基和氨基酸的N-H伸缩振动吸收；1 628 cm^-1吸收峰来源于芳香族的酰胺C=O；1 427 cm^-1为羧基—COO—变形和伸缩振动；1 082cm^-1可能是多糖C—O伸缩振动，也有可能是有机硅化合物Si—O伸缩振动；1 033cm^-1来源为土壤硅酸盐矿物Si—O伸缩振动；在778，693，530，472 cm^-1来源为土壤硅O—Si—O对称伸缩振动或膨润土Si—O—Al和Si—O键伸缩。

不同处理的图谱形状和特征峰基本相似，但吸收峰强度不同，说明有机肥施入量的差异未能改变土壤中官能团的种类和组成结构，但对官能团含量存在一定影响。与CK处理相比，化肥减量配施秸秆和有机肥可增强土壤中芳香碳、羧基碳、烷氧碳含量，具体表现为FSM4>FSM3>FSM2>FSM1>FSM0。这些含氧官能团（羧基、酚羟基）增加了土壤负电荷点位，具有强吸附作用，进而增强了土壤对酸的缓冲能力，提高了土壤pH。

由图5可知，在油菜全生育期内，相较于CK处理，化肥减量并配施秸秆及有机肥均不同程度地提高了土壤有机质和全氮含量，其中FSM4处理组的增幅最为显著（p<0.05)。在相同生育期，土壤有机质和全氮含量均呈现出FSM3>FSM2> FSM1>FSM0>CK的趋势。此外，同一处理不同时期土壤有机质和全氮含量均呈现上升趋势。试验结果表明，化肥减量配施秸秆（FSM0）、化肥减量配施秸秆与有机肥（FSM1、FSM2、FSM3、FSM4）处理均有利于提高土壤中有机质和全氮含量。其中，化肥减量配施秸秆和3 000 kg/hm²有机肥（FSM4）处理的提升效果最佳，全氮和有机质分别提升62.86%和61.50%。

由图6可知，采用土壤抗剪强度、黏聚力、内摩擦角反映土壤抗侵蚀能力。土壤快剪试验得到的应力—应变曲线均呈现应力硬化型，其中土壤结构的破坏伴随显著的塑性变形。应力-应变曲线可划分为2个阶段：第1阶段，在剪切初期，剪切力与剪切位移呈近似线性增长，表明土壤主要发生弹性形变；第2阶段，当剪切位移在6 mm附近时，剪应力增加至土样所能承受的最大值，导致土样原始结构开始破坏，随着破坏面开始发生滑动直至土壤结构完全丧失强度特性，此时曲线斜率不断变小，趋于平缓。

此外，在100，200，300，400 kPa的竖直应力下，CK、FSM0、FSM1、FSM2、FSM3和FSM4处理土壤的峰值抗剪强度分别为81~241，85~254，91~260，99~273，93~250，91~240 kPa。各剪切力与竖直应力呈现显著正相关（p<0.05），各组处理的最大剪切力随着竖直应力的增加而增加。

由图7可知，当土壤在外部荷载作用下发生剪切破坏时，作用在剪切面上的极限剪切力为土壤的抗剪强度，其数值上等于峰值抗剪强度。本研究选取剪切位移为6 mm附近所对应的最大剪应力作为土样的抗剪强度。在100 kPa竖直应力下CK、FSM0、FSM1、FSM2、FSM3和FSM4土壤峰值抗剪强度分别为81，85，91，99，93，91 kPa。FSM2处理峰值抗剪强度最大，相较于CK而言，100 kPa竖直应力下FSM2处理的抗剪强度显著增长22.22%（p<0.05）。

总之，随着有机肥施入量的增加，土壤峰值抗剪强度呈现出先升高后下降的趋势，且在FSM2处理下达到峰值。因此，化肥减量配施秸秆与有机肥对土壤抗剪强度和稳定性有较大贡献。

为了进一步研究有机肥与秸秆的施入对土壤力学特性的影响，通过库仑定律计算出土样的内摩擦角与黏聚力。CK、FSM0、FSM1、FSM2、FSM3和FSM4处理下，土壤的黏聚力和内摩擦角分为31.21~37.48 kPa和27.25°~330.36°。随着有机肥施入量的增加，土壤黏聚力呈现先上升后下降的趋势，在FSM2处理下达到最高值（37.48 kPa）。可见，适量施用有机肥能显著增强土壤黏聚力，但过量施用可能导致黏聚力降低。此外，内摩擦角随着有机肥施入量的增加呈现先增大后减小的趋势，在FSM2处理下内摩擦角达到最大值，与CK相比增长11.38%。

由图8可知，油菜不同生育期的NDVI值呈现先上升后下降的趋势（花期除外）。在角果期，NDVI数值最大（0.783 4），花期由于油菜遭受冻害NDVI值下降。在同一生育期，随着有机肥施入量的升高，NDVI值呈现逐渐升高的趋势。具体而言，与CK相比，有机肥的施入NDVI可显著提高0.69%~9.05%（p<0.05）。

CK、FSM0、FSM1、FSM2、FSM3和FSM4处理的油菜产量分别为1 901，2 030，2 321，2 546，2 598，2 645 kg/hm²。随着有机肥施入量的升高，油菜的产量在逐渐升高，FSM4处理的油菜产量一直保持最高水平。与CK处理相比，FSM2、FSM3 和FSM4处理显著提高油菜产量（p<0.05），产量分别提高33.93%，36.66%，39.61%。试验结果表明，化肥减施的情况下，配施秸秆和有机肥是提高油菜产量的有效途径。

由表1可知，化肥减量配施秸秆和有机肥对油菜总收益、净收入有显著影响（p< 0.05）。随着有机肥施入量的增加，总收益呈现逐渐增加的趋势。与CK处理相比，FSM2、FSM3、FSM4处理总收益显著提高（p<0.05），分别提高34.51%，36.28%，39.82%。随着有机肥施用量的增加，劳动力和物料成本随之上升，尽管作物产量有所提高，但总成本的增加导致净收入先增加后减少；在FSM2处理下净收入最高（0.58万元/hm²）。