摘要
以甘肃省农业科学院国家土壤质量安定观测实验站黄绵土区长期定位试验为研究平台，研究长期施用有机肥对西北半干旱区旱地马铃薯产量及其水分利用效率和土壤团聚体结构稳定性的影响。结果表明：通过连续 8 年的肥料定位试验，施肥显著影响马铃薯产量及其水分利用效率，以有机肥与化肥配施（NPKM）效果最好，单施有机肥（OM）处理次之；与单施化肥（NPK）处理相比，长期施用有机肥（NPKM、OM）处理马铃薯产量分别增加了 24.4% 和 17.5%，水分利用效率分别提高了 32.2% 和 22.0%。黄土丘陵沟壑区耕层土壤水稳性团聚体组成随着粒径减小呈阶梯式递增的态势，以 <0.25 mm 的微团聚体占据优势级别，其比例达 41.9% ～ 75.8%。与不施肥对照（CK）处理相比，不同施肥处理耕层 0 ～ 20 cm 土壤团聚化程度增加明显，其中以 NPKM 处理效果最好， >2、1 ～ 2、0.5 ～ 1 和 0.25 ～ 0.5 mm 粒径土壤水稳性团聚体较 NPK 处理分别增加了 169.4%、49.5%、206.4%、 28.8%，<0.25 mm 粒径土壤水稳性团聚体减少了 31%。与 NPK 处理相比，NPKM 和 OM 处理显著增加了 >0.25 mm 团聚体含量（R0.25）、团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）；NPK 较 CK 处理显著增加了 0.25 ～ 0.5 mm 粒径水稳性团聚体含量。综上所述，在西北黄土丘陵沟壑区黄绵土条件下，极度干旱年份长期施用有机肥显著影响马铃薯产量及其水分利用效率，以 NPKM 处理增加效果最明显，较 NPK 处理显著提高了水稳性大团聚体（0.25 ～ 2 mm）粒径含量和团聚体 MWD 和 GMD，促进了土壤团聚体的形成，增强了团聚体的稳定性。
Abstract
The effects of long-term application of organic fertilizer on the yield and water use efficiency of rain-fed potato and the stability of soil aggregate structure in the semi-arid region of Northwest China were studied based on the long-term positioning experiment of National Soil Anding District Observation and Experiment Station of Gansu Academy of Agricultural Sciences．The results showed that fertilization significantly affected potato yield and water use efficiency through 8 years of positioning fertilizer experiment．Organic fertilizer combined with chemical fertilizer（NPKM）treatment had the best effect， followed by organic fertilizer alone（OM）treatment ．Compared with single-application fertilizer（NPK）treatment， long-term application of organic fertilizer（NPKM and OM）treatment increased potato yield by 24.4% and 17.5%，and water use efficiency by 32.2% and 22.0%，respectively．The soil water stability aggregate composition in the loess hilly and gully region increased in step with the decrease of particle size，and the micro-aggregate <0.25 mm occupied the dominant level，with the proportion of 41.9%-75.8%．Compared with CK，the agglomeration degree of 0-20 cm soil in the topsoil under different fertilization treatments increased significantly，and NPKM treatment had the best effect．Compared with NPK treatment，the water stable aggregates of soil with diameter >2，1-2，0.5-1 and 0.25-0.5 mm were increased by 169.4%， 49.5%，206.4% and 28.8%，respectively，while the water stable aggregates of soil with diameter <0.25 mm was decreased by 31%．Compared with NPK treatment，NPKM and OM treatment significantly increased the content of > 0.25 mm aggregates （R0.25），mean weight diameter（MWD）and geometric mean diameter（GMD）．NPK treatment significantly increased the content of 0.25-0.5 mm water-stable aggregates compared with CK．In summary，under the condition of loessial soil in the loess hilly and gully region of Northwest China，long-term application of organic fertilizer significantly affected potato yield and water use efficiency in extremely dry years，and the effect of NPKM treatment was the most obvious．Compared with NPK treatment，it significantly increased the particle size content of water-stable macroaggregates（0.25-2 mm）and the MWD and GMD of aggregates，promoted the formation of soil aggregates，and enhanced the stability of aggregates.
Keywords
粮食安全一直是我国经济发展的核心考量因素，而化肥的应用无疑成为了快速且显著提升作物产量的关键手段。然而，化肥过度施用导致了土壤结构退化、养分流失和环境污染。同时，畜禽粪便等农业废弃物的处理成为亟待解决的问题。研究表明，堆肥处理的畜禽粪便作为有机肥施入土壤能减轻施用化肥所带来的环境压力，提供全面且持久的养分，改善土壤理化性质[1]，增强持水保肥能力，增加土壤中的碳、氮、磷含量[2]。近 20 年来，许多学者在研究中发现，有机肥的长期施用能够显著增加土壤水肥耦合性能，罗照霞等[3]研究发现，施肥后作物产量增加、水分利用效率也相应提高，施用有机肥水分利用效率提升最大。袁颖红等[4] 研究发现，不同施肥处理下的水分利用效率均高于不施肥处理，有机肥与无机肥配施和单施有机肥产量和水分利用效率显著高于其他施肥处理。
土壤团聚体作为土壤结构的核心构成部分，是评估土壤质量的关键指标，其孔隙结构和稳定性在土壤固碳、水分传导、溶质运移和促进植物生长等方面具有重要作用[5]，土壤的性能和肥力在很大程度上取决于团聚体的数量及其品质。值得注意的是，不同粒径的团聚体对土壤的作用具有显著差异。据研究显示，大团聚体的形成得益于植物根系、菌丝以及微生物分泌物的共同作用，这些物质与土壤胶结团聚在一起[6]。相较于化肥，施用有机肥能够显著增加土壤的微生物量，进而提升大团聚体的含量，增强土壤团聚体的稳定性。关于长期施肥对产量、水分利用效率和土壤团聚体稳定性的影响已有大量报道。杨鸿等[7]研究表明，施用有机肥能增加大粒级水稳性团聚体的含量，显著提高团聚体的稳定性。李春越等[8]研究发现，黄土旱塬小麦农田不同施肥处理中，氮肥配施有机肥的土壤微团聚体含量在不同施肥方式中最高。赵红等[9] 研究发现，单施有机肥水稳性团聚体的平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）显著高于有机无机肥配施和不施肥。因此，施肥作为主要农田管理措施可对作物产量及其水分利用效率和土壤团聚体分布及其稳定性产生重要影响。本研究将依托黄土丘陵沟壑区黄绵土类型与肥料效益长期定位监测试验，探究长期施用有机肥对旱地马铃薯产量及其水分利用和土壤水稳性团聚体分布及其稳定性的影响，为黄土丘陵沟壑区农田可持续利用和优化农田管理措施提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验设在甘肃省农业科学院国家土壤质量安定观测实验站（104°36′E，35°36′N），该地区平均海拔 1970 m，多年平均气温 6.2℃，年平均降水量 415 mm，无霜期 146～149 d，为典型的西北黄土丘陵半干旱区。土壤类型为黄绵土，试验开始时耕层土壤理化性状为有机质 10.62 g/kg、全氮 0.78 g/kg、硝态氮 22.13 mg/kg、铵态氮 5.38 mg/kg、有效磷 10.12 mg/kg、速效钾 163.8 mg/kg、pH 8.32。试验区降水量见表1，2022 年为欠水年，全年降水量较年均降水量减少了 165 mm，马铃薯全生育期降水量仅为 189.5 mm。
表12022 年试验区降水量
1.2 试验设计
试验以马铃薯（Solanum tuberosum）为研究材料，品种为‘陇薯 10 号’。采用随机区组设计[10]，设 4 个施肥水平，分别为（1）不施肥（对照，CK）、（2）单施化肥（NPK）、（3）单施有机肥（OM）、（4）有机肥与化肥配施（NPKM）。小区面积 20 m2，3 次重复。试验所用有机肥为腐熟纯羊粪，氮、磷、钾养分施用量和有机肥施用量见表2，所有肥料于覆膜前一次性施入。马铃薯采用全膜覆盖垄播栽培，即全地面覆膜，起单垄，垄宽 60 cm，高 15 cm，沟宽 40 cm，马铃薯种植在垄的两侧。试验采用马铃薯连作种植，每年 4 月下旬播种，10 月上旬收获，田间管理措施与当地一致。
表2各处理养分用量
1.3 测定项目及方法
1.3.1 马铃薯和产量的测定
SPAD 值采用植株叶绿素仪测定；产量按小区单收测定，并折算为公顷产量。
1.3.2 马铃薯农田水分的测定[11]
土壤水分采用烘干法测定。在马铃薯播种前和收获期采集 0～100 cm 土层（ 每 20 cm 一个层次）取样，测定土壤水分含量。土壤含水量 = W/M×100%，W 为土壤水分的重量（烘干前的土样重量-烘干后的土壤重量），M 为烘干后的土壤重量。土壤贮水量（mm）=WS×b×d，WS 为土壤重量含水量，b 为土壤容重，d 为土壤深度。水分利用效率 =Y/ET，Y 为单位面积鲜薯产量 （kg/hm2），ET 为马铃薯生育期耗水量（mm）。ET= SWSBF+P-SWSHA，SWSBF 为播前土壤贮水量（mm）， SWSHA 为收获后土壤贮水量（mm），P 为马铃薯生育期降水量（mm）。
1.3.3 土壤团聚体及其稳定性的测定
2022 年 10 月 9 日马铃薯收获后按照“S”形多点取样法采集各处理耕层 0～20 cm 原状土样，土样自然风干。称取 50 g 土样，采用湿筛法[12]分离出 >2、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm 粒径的水稳性团聚体。R0.25、MWD 和 GMD 计算方法[13]如下：
式中，MWD 为土壤团聚体平均重量直径，GMD 为几何平均直径，R0.25 为 >0.25 mm 团聚体所占比重， m 为土壤团聚体总重，Xi 为第 i 级团聚体的平均直径，Wi 为第 i 级团聚体的重量占比。
1.4 数据处理
采用 Excel 2021 处理数据，采用 SPSS 27.0 进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 长期施用有机肥对马铃薯叶片 SPAD 值及其产量的影响
由图1可知，不同施肥处理对马铃薯主要生育期叶片 SPAD 值的影响表现为 NPKM>OM>NPK>CK，其中，在马铃薯块茎形成期，NPKM 处理较 OM 和 NPK 处理马铃薯叶片 SPAD 值分别显著增加了 17.9% 和 14.6%，OM 与 NPK 处理间无差异，但两者显著高于 CK；在块茎膨大期，NPKM、OM 处理较 NPK 处理的 SPAD 值分别显著增加了 16.7% 和 14.0%，NPK 与 CK 处理间差异显著。结果表明，长期施肥显著提高了马铃薯生育期 SPAD 值，促进马铃薯光合作用和干物质积累，化肥与有机肥配施 （NPKM）的效果明显好于单施化肥（NPK）。
图1不同施肥处理对马铃薯叶片 SPAD 值及其产量的影响
注：小写字母不同表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
由图1可知，在定位施肥第 8 年，年降水量 250 mm、生育期降水量 189.5 mm 的极度干旱条件下，施肥处理较 CK 马铃薯产量均有不同程度增加，表现为 NPKM>OM>NPK>CK， NPKM 处理最高。NPKM 和 OM 处理较 NPK 处理马铃薯产量分别增加 24.4% 和 17.5%，较 CK 分别显著增加 119.2% 和 107.1%，NPK 处理较 CK 增加 76.2%。NPKM、OM 与 NPK 处理间差异不显著。上述结果表明，在西北黄土丘陵沟壑区极度干旱年份条件下，马铃薯产量受施肥因素影响效果明显，NPKM 处理施肥效果好于 NPK 处理。
2.2 长期施用有机肥对马铃薯水分利用效率的影响
由表3可知，不同施肥处理生育期耗水量表现为 NPK>OM>NPKM>CK，NPKM 较 NPK 处理生育期耗水量降低了 5.6%。不同施肥处理对马铃薯水分利用效率的影响表现为 NPKM>OM>NPK>CK，NPKM 处理最好。其中，与 NPK 处理相比，NPKM 和 OM 处理的水分利用效率分别提高了 32.2% 和 22.0%，较 CK 分别显著增加了 117.0% 和 100.2%，NPK 处理较 CK 显著增加了 64.1%，NPKM、OM 与 NPK 处理间差异不显著。上述结果表明，长期施用有机肥能够降低半干旱区马铃薯的生育期耗水量，有效地将其转化为生物量和产量，提高了旱地马铃薯农田的水分利用效率。
表3不同施肥方式对马铃薯水分利用效率的影响
注：同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异水平达 0.05。下同。
2.3 长期施用有机肥对土壤水稳性团聚体分布的影响
由表4可知，在西北黄土丘陵沟壑区黄绵土条件下，通过连续 8 年的定位试验，不同施肥处理耕层 0～20 cm 土壤水稳性团聚体组成随着粒径减小呈阶梯式递增态势，以 <0.25 mm 的微团聚体占据优势级别，其比例达 41.9%～75.8%。与 CK 相比，不同施肥处理耕层 0～20 cm 土壤团聚化程度增加明显，其中以 NPKM 处理效果最好。不同施肥处理 1～2、0.5～1 和 0.25～0.5 mm 粒径土壤水稳性团聚体均表现为 NPKM>OM>NPK>CK，<0.25 mm 粒径则相反，且差异显著（P<0.05）。与 NPK 处理相比，NPKM、OM 处理 0.5～1 和 0.25～0.5 mm 粒径土壤水稳性团聚体分别显著增加了 206.4%、 153.5% 和 28.8%、9.6%，<0.25 mm 粒径土壤水稳性团聚体分别显著降低了 31.0%、13.5%。NPK 处理较 CK 0.25～0.5 mm 粒径水稳性团聚体显著增加 64.9%，<0.25 mm 粒径团聚体显著降低 20.0%。上述结果表明，在西北黄土丘陵沟壑区黄绵土条件下，长期施肥显著影响耕层土壤团聚体粒径分布，NPKM 和 OM 处理较 NPK 处理显著提高了 0.25～2 mm 粒径的水稳性团聚体含量，显著降低了 <0.25 mm 微团聚体含量，促进了团聚体的形成。
表4不同施肥方式 0～20 cm 土层土壤水稳性团聚体分布
2.4 长期施用有机肥对土壤水稳性团聚体稳定性的影响
由图2可知，不同施肥处理对耕层 0～20 cm 土壤的 R0.25、MWD、GMD 的影响均表现为 NPKM>OM>NPK>CK，且各处理间差异显著 （P<0.05）。其中，NPKM、OM 处理较 NPK 和 CK 处理水稳性团聚体 R0.25 分别显著增加了 47.8% 和 140.4%、20.9% 和 96.5%，团聚体 MWD 分别显著增加了 59.9% 和 104.6%、13.5% 和 45.2%， GMD 分别显著增加了 37.4% 和 67.2%、13.7% 和 38.3%。NPK 处理与 CK 之间差异显著，NPK 处理较 CK 团聚体 R0.25、MWD、GMD 分别显著增加了 62.6%、28.0%、21.6%。上述结果表明，在西北黄土丘陵沟壑区黄绵土条件下，长期施肥显著影响耕层土壤水稳性团聚的稳定性，NPKM 和 OM 处理较 NPK 处理可显著增加 R0.25 和团聚体 MWD 及 GMD，增强了团聚体稳定性，改善了土壤结构。
图2不同施肥处理对耕层土壤水稳性团聚体稳定性的影响
3 讨论
3.1 长期施用有机肥对马铃薯叶片 SPAD 值及产量的影响
本研究结果表明，在黄土丘陵沟壑区黄绵土条件下，通过连续 8 年的定位试验，长期施用有机肥可显著提高马铃薯主要生育期叶片 SPAD 值及其产量，NPKM 和 OM 处理较 NPK 处理马铃薯块茎产量分别增加了 24.4% 和 17.5%，这与前人的研究结果基本一致：赵旭等[14]研究表明，与单施化肥相比，有机肥配施化肥和单施有机肥均可显著提高马铃薯产量及商品薯率。马文军等[15]研究表明，单施有机肥和有机肥配施化肥均可提升马铃薯产量，有机肥配施化肥有效发挥了化肥养分速效性和有机肥养分缓释性的特点，充分平衡了作物生长前期和后期的养分供应。
在马铃薯蕾期和块茎膨大期，NPKM 和 OM 处理较 NPK 处理马铃薯叶片 SPAD 值分别显著增加了 17.9% 和 14.6%、16.7% 和 14.0%。这与要娟娟等[16]、苏云松等[17]研究结果基本一致，表明施用有机肥和化肥与有机肥配施显著影响作物的 SPAD 值，作物叶片 SPAD 值与产量呈显著正相关。叶片中的叶绿素含量直接影响作物的光合性能[18]，施肥可使作物在主要生育期获得相对较高且稳定的 SPAD 值，能够增强光合性能，提高干物质积累能力和产量。
3.2 长期施用有机肥对马铃薯水分利用效率的影响
在西北黄土丘陵沟壑区，连续 8 年定位试验结果表明，长期施肥显著影响马铃薯水分利用效率， NPKM 处理效果最好，OM 处理次之，NPKM 和 OM 处理较 NPK 处理马铃薯水分利用效率分别增加 32.2% 和 22.0%，较 CK 分别显著增加了 117.0% 和 100.2%，这与前人[19-21]的研究结果基本一致。 NPK 处理较 NPKM 和 OM 处理生育期耗水量有增加趋势，但差异性不明显，这可能是施用有机肥具有土壤蓄水保墒性能，减缓了土壤水分的无效蒸发，易被作物吸收利用，使得有机肥在提高水分利用效率方面表现出独特的优势[22]。此外，化肥施用初期肥料溶解造成土壤水分消耗，可能导致耗水量增加。
3.3 长期施用有机肥对土壤水稳性团聚体稳定性的影响
在西北黄土丘陵沟壑区黄绵土条件下，通过连续 8 年的定位试验得出，NPKM 和 OM 处理较 NPK 处理的 R0.25、MWD、GMD 分别显著增加了 47.8% 和 20.9%、59.9% 和 13.5%、37.4% 和 13.7%，表明长期施用有机肥较单施化肥显著增强了土壤团聚体的稳定性，有利于改善土壤结构。这与前人的研究结果基本一致：王晓娟等[23]研究表明，施用有机肥对耕层土壤团聚体结构稳定性具有积极作用，随有机肥施用量的增加，效果逐渐显著。姜灿烂等[24]研究表明，旱地长期有机肥与无机肥配施能够提高水稳性团聚体的结构水平，对 >0.25 mm 大团聚体增加效果尤其显著。高飞等[25]研究表明，有机肥可以提升土层团聚体的稳定性，对土壤团聚结构改良有积极影响。崔荣美等[26] 研究发现，0～20 cm 土层土壤团聚体 MWD 随着有机肥施用量的增加而加大，且 2～5、 0.5～1 mm 粒径的水稳性团聚体含量与有机质含量呈正相关。本研究中，NPKM、OM 处理较 NPK 处理 1～2、0.5～1 和 0.25～0.5 mm 粒径土壤水稳性团聚体显著增加，<0.25 mm 粒径则相反。这与张秀芝等[27]研究结果一致，而张大庚等[28]的研究表明，单施或配施有机肥均可增加较大粒级团聚体含量，但有机肥配施氮、磷肥后在一定程度上降低了对大团聚体的团聚作用，引起土壤结构稳定性下降，原因可能是化肥中的氮、磷积累使土壤酸碱度失去平衡，酸性土壤条件下释放土壤中的可溶性铝离子，阻碍了土壤团聚体的形成，导致土壤质地松散，结构易受破坏。长期施用有机肥有利于提高植物根系分泌物的增加和提高微生物活性，增强植物根系分泌物和真菌菌丝分泌的多糖与其他有机复合物的胶结团聚[29-30]，有利于增加 >0.25 mm 团聚体的数量，提高了土壤团聚体的稳定性。
4 结论
（1）在西北黄土丘陵半干旱区极度干旱年份条件下，长期施肥显著影响了马铃薯生育期 SPAD 值和产量，化肥与有机肥配施（NPKM）和单施有机肥（OM）的效果好于单施化肥（NPK）。
（2）在西北黄土丘陵沟壑区黄绵土条件下，通过连续 8 年的定位施肥，长期施用有机肥显著影响 0～20 cm 土层土壤水稳性团聚体粒径分布及其稳定性，与单施化肥（NPK）相比，有机肥与化肥配施（NPKM）和单施有机肥（OM）显著提高了水稳性团聚体（0.25～2 mm 粒径）含量，显著增加了水稳性团聚体 MWD 和 GMD，促进了土壤团聚体的形成，增强了团聚体的稳定性。NPK 处理较 CK 显著增加 0.25～0.5 mm 粒径水稳性团聚体含量。