，，,

(1.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農業(yè)生態(tài)院重點實驗室，海倫農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，黑龍江 哈爾濱 150081; 2.山東省高密市國土資源局，山東省 高密市 261500)

東北三省黑土區(qū)土地總面積為7 684萬hm2，其中平原區(qū)約占全國平原面積的1/3，有耕地2 204萬hm2。區(qū)內寬闊平坦，黑土帶分布面積大，土壤有機質含量高，作物生長季內雨熱同期，是玉米、大豆和水稻等糧食作物的主要產區(qū)，每年糧產量位于全國前列，是重要的商品糧生產基地，對于保障國家糧食安全方面具有極其重要的作用[1]。東北黑土地區(qū)是雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，土壤水分的主要來源是大氣降水，降水的多少能夠直接影響土壤內的水分含量和運移[2]，因此水分是該地區(qū)農業(yè)生產中的主要限制因子[3]。

土壤中25%～30%的持水孔隙和其較好的入滲能力，使大部分降水原地入滲，進入土壤，并蓄存于土壤中，形成土壤水。由于土壤儲水能夠調節(jié)豐枯和持續(xù)供給作物，所以在農業(yè)上將土壤看作無形的水庫[4]。農田黑土土質肥沃，有機質含量較高，0～100 cm土層的田間持水量為387.3 mm，相當于多年平均年降水量的73%；最大土壤蓄水量為575.9 mm，相當于多年平均年降水量的108%；土壤的有效蓄水量為242.7 mm，相當于多年平均年降水量的46%[2]。因此，農田黑土的持水能力較強，蓄水庫容較大，其決定了農田黑土水庫作用較強，尤其是上層疏松、下層緊實的土體構型，形成了有利于土壤水分貯存的環(huán)境條件以及作物需水和土壤供水的內在條件。據(jù)韓曉增等關于東北黑土區(qū)大氣降水特點的分析得到該地區(qū)存在明顯的年際間大氣降水不均，及在過去的50 a里干旱年份、正常年份和豐水年份各占1/3[3]，同時該地區(qū)年內各月大氣降水變異較大特別是作物生長季節(jié)[5-6]，導致了土壤季節(jié)性土壤水分缺乏的出現(xiàn)。肥料的施用能夠影響土壤的水分-物理性質，改善土壤結構[7]，影響土壤對大氣降水的蓄積和土壤對作物的供水能力[8]，進而影響土壤含水量。但是在東北黑土區(qū)不同施肥管理方式對土壤水分缺乏的影響還鮮見報道。因此，研究基于中國科學院海倫農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站內的長期定位試驗數(shù)據(jù)，探尋土壤水分缺乏的時期，明確不同施肥管理方式對土壤水分缺乏的影響，旨在為調控該區(qū)內的土壤水分缺乏提供科學的指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在中國科學院海倫農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站內進行，海倫站地處黑土區(qū)中部，地勢平坦，屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同期，年平均氣溫1.5℃，極端最高溫度為37℃，極端最低溫度為-39.5℃，年降水量為550 mm左右，主要集中在7月份、8月份、9月份，年均>10℃有效積溫2 450℃，年均日照時數(shù)約為2 700 h，無霜期為125 d。土壤類型屬于中厚層黑土，來源于第四紀形成的黃土狀母質上發(fā)育起來的地帶性土壤，質地以粘性土為主，土壤物理性粘粒含量大于60%，土壤固相比大于50%，土壤膨脹性大于25%，土壤持水能力和保水能力較強，儲水庫容較大。地下水埋深20 m～30 m。

1.2 試驗設計與研究方法

試驗研究始于1993年，研究選取1999年-2008年的數(shù)據(jù)對土壤水分進行分析，3個處理分別為：無肥(CK)，化肥(NP)(N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2)，有機肥+化肥(NPM)(腐熟豬糞30 000 kg·hm-2，N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2)，4次重復，隨機排列，每個小區(qū)的面積為60 m2(6 m×10 m)。各處理土壤的基本理化性質見表1。

表1 試驗小區(qū)基本的0～20 cm土層土壤的物理化學性質Tab.1 Soil properties of experimented plots in 0～20 cm layer

注：數(shù)據(jù)來源于參考文獻[7,9,10]

1999年-2004年作物種植制度為小麥-玉米-大豆輪作，2005-2008年作物種植制度為大豆-玉米輪作，有機肥在前一年秋季整地時施入。試驗期間利用CNC503DR型中子儀測定土壤含水量，在作物生長季5月-9月每隔5 d測定一次，測量深度依次為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、170 cm，其中0～10 cm和10 cm～20 cm土層的土壤含水量采用環(huán)刀法進行測定。同時在氣象站進行降雨和溫度等各項指標的觀測。

潛在蒸散量和作物需水量的計算：基于海倫站長期積累的氣象數(shù)據(jù)，利用聯(lián)國際糧農組織(FAO-56)提供的Penman-Monteith公式計算潛在蒸散量[11]，公式如下：

(1)

式中：計算時統(tǒng)一采用日步長，ET0—潛在蒸散量(mm·d-1)；Rn—凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G—土壤的熱通量(MJ·m-2·d-1)，通常被忽略；r—干濕球濕度常數(shù)(kPa·℃-1)；T—日平均溫度(℃)；u2—2 m處的風速(m·s-1)；es—飽和水氣壓(kPa)；ea—實際水汽壓(kPa)；△—飽和水汽壓和溫度間曲線的斜率(kPa·℃-1)。

(2)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0進行單因素方差分析，采用Sigmaplot 10.0和Excel 2007畫圖。

2 結果與分析

2.1 1999年-2008年降水特征分析

1999年-2008年大氣降水的情況見表2。大氣降水的年平均值為489 mm，標準差為127.2 mm，變異系數(shù)為26.0%，與近57 a大氣降水平均值相比減少了49.0 mm，雖然1999年-2008年間大氣降水與57 a平均值相比減少，但是這并不能說目前東北黑土區(qū)大氣降水呈減少的趨勢，因為我們并不知道未來10 a大氣降水的情況。作物生長季內(5月-9月)大氣降水的平均值為404.0 mm，標準差為117.4 mm，變異系數(shù)為29.1%。降水在各月分布特征與1952年-2008年相似，但是這兩個時間段的月降水在量上具有一定的差別，表現(xiàn)為1999年-2008年月平均降水量與1952-2008年相比，呈減少的趨勢，尤其在作物生長季表現(xiàn)的明顯。1999-2008年作物生長季內降水量比1952-2008年減少了60 mm。根據(jù)降水年型的劃分標準，豐水年共有2年，分別是2003年和2006年；平水年共有4年，分別是2000年、2002年、2005年和2008年；枯水年共有4年，分別是1999年、2001年、2004年和2007年。

2.2 東北黑土區(qū)作物根系活動層

為了分析根系活動對土壤水分的影響，我們選擇2004年8月25日和2003年8月15日土壤含水量，結合10 a土壤含水量的平均值，來定義黑土區(qū)作物根系活動層，見圖1。2004年8月25日前由于有11 d沒有降水，之前的降水又很少，導致8月25日土壤含水量處于最低水平，表層0～10 cm已經低于萎蔫點。而2003年8月15日之前累計的降水量到達了187 mm，此時土壤含水量處于較高的水平，0～50 cm土層土壤含水量已經超過了田間持水量。2004年8月25日和2003年8月15日土壤含水量之間的差異隨著土層深度的增加逐漸減小，90 cm以下土層兩者土壤含水量的差異已經極大的減小。所以定義黑土區(qū)作物根系活動層位0～90 cm土層。然而CK、NP和NPM之間根系活動層的深度沒有顯著的差異。

不同施肥管理方式影響了土壤含水量在土壤剖面內的分布，表現(xiàn)為在0～90 cm土層土壤含水量呈現(xiàn)CK > NP > NPM的趨勢，與CK相比NP和NPM在0～90 cm土層土壤含水量的平均值分別下降了1.5%和3.5%，見圖1。受作物根系對水分吸收的影響[12]，施肥管理方式間土壤含水量差異的最大值出現(xiàn)在20 cm～50 cm土層之間，然后隨著土層深度的增加不同處理間土壤含水量的差異逐漸減小，在90 cm處不同處理的土壤含水量基本持平，表明在研究區(qū)域長期不同肥料的施用已經影響了土壤水分含量在剖面的分布，影響深度為0～90 cm土層。

表2 試驗的10年內大氣降水特征 (mm)Tab.2 The feature of precipitation in experimental 10 years

圖1 東北黑土區(qū)作物根系活動層Fig.1 Crop root zone in northeast China

2.3 東北黑土區(qū)作物生長季內的潛在蒸散量

基于海倫站積累的氣象歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)Penman-Monteith公式計算得到東北黑土區(qū)作物生長季內的潛在蒸散量，見圖2。統(tǒng)計得到1999年-2008年10 a內作物生長季內各月份的潛在蒸散量，分析得出各月份潛在蒸散量之間存在較大差異，6月的潛在蒸散量最大，10 a的平均值為159 mm，是6月平均降水的2.53倍，占全年總潛在蒸散量的21.31%；其次是5月和7月，潛在蒸散量分別為136 mm和125 mm，分別是當月平均降水量的3.24倍和0.86倍，占全年潛在蒸散量的18.2%和16.75%；8月和9月的潛在蒸散量相對較小，分別為108 mm和92 mm，分別是當月平均降水量的0.99倍和2.11倍，占全年總潛在蒸散量的14.47%和12.33%。受氣象條件的影響，5月份和6月份潛在蒸散量變異較大。

圖2 東北黑土區(qū)作物生長季內潛在蒸散量特征Fig.2 Potential evaptranspiration in growing season注：虛線表示10 a的平均值

2.4 土壤水分盈虧

根據(jù)東北黑土區(qū)作物根系活動層在0～90 cm土層，利用潛在蒸散量與0～90 cm土層土壤的有效水儲量計算得到土壤水分的盈虧狀況，正值表示土壤處于缺水狀態(tài)，見圖3。從試驗10年的平均值分析，可以得出整個作物生育時期CK、NP和NPM的土壤水分虧缺量分別為-36.6 mm、-34.2 mm和-30.2 mm，所以對于10 a的平均值而言整個生育時期土壤水分未處于虧缺狀態(tài)。CK在5月份-9月份的平均土壤水分盈虧量分別為-40.1 mm、-0.04 mm、-30.3 mm、-51.9 mm和-60.8 mm；而NP在6月略顯缺水，5月份-9月份土壤水分的盈虧量分別為-38.1 mm、2.4 mm、-27.5 mm、-48.8 mm和-59.3 mm；NPM表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即5月份-9月份土壤水分的盈虧量分別為-35.4 mm、7.0 mm、-20.3 mm、-45.3 mm和-57.2 mm。受氣象因素的影響，不同時期土壤水分盈虧的變異具有差異。土壤水分盈虧與降水之間關系密切，用直線相關分析生長季內降水量與土壤水分缺乏量之間的關系，得到CK、NP和NPM的相關系數(shù)分別為0.36，0.35和0.32(p<0.05)，說明作物生長季內降水的分布顯著影響了土壤水分缺乏的發(fā)生，見圖4。其中6月份的變異最大，其次是5月份，而7月、8月和9月份之間差異不是很明顯。不同施肥管理間表現(xiàn)為肥料的施用有減小變異的趨勢，其中有機肥的影響要大于化肥。

但是從土壤水分缺乏發(fā)生的次數(shù)來分析，土壤水分缺乏較為嚴重的時期是6月份和7月份，這與潛在蒸散量的較高值出現(xiàn)在6月份和7月份(圖2)是相一致的。在試驗的10 a中CK在6月份發(fā)生水分缺乏的概率是90%，而NP和NPM發(fā)生水分缺乏的概率是100%；雖然7月份的降水較大，但是此時作物的耗水量也較高，當降水不能滿足作物耗水需求時出現(xiàn)了土壤水分的缺乏，CK和NP在7月份發(fā)生水分缺乏的概率是50%，而NPM發(fā)生水分缺乏的概率為60%；在5月份三種施肥管理方式發(fā)生水分缺乏的概率均為50%，處于相對較低的水平，5月份作物處于生長初期，對水分需求較少，同時休閑期內由于降水和降雪累計的土壤水分是緩解5月份土壤水分缺乏的一個重要方式；然而在8月份和9月份由于降水較為集中，相對于其他月份來說CK、NP和NPM發(fā)生水分缺乏的概率相對較小。

圖3 黑土區(qū)作物生長季內土壤水分的虧缺Fig.3 Water deficit in growing season注：虛線表示10 a的平均值

圖4 作物生長季內降水量與土壤水分虧缺量的相關性分析Fig.4 The correlation of precipitation and water deficit in growing season

2.5 黑土農田土壤水分盈虧的累積概率分布

前面我們分析了土壤水分缺乏發(fā)生的程度，然而水分缺乏對作物的影響也取決于土壤水分缺乏發(fā)生的頻率，為此我們分析了CK、NP和NPM土壤水分缺乏的累計概率分布，見圖5。不同施肥管理方式下土壤水分的虧缺量在-167.4 mm～55.1 mm之間波動，說明在試驗的10 a內土壤水分的最大虧缺量為55.07 mm，相當于多年平均年降水量的10.2%(538 mm)，而最大的土壤水分盈余量為167.4 mm，相當于多年平均降水量的31.0%。當84% < p < 92%時，在任何給定的概率下NPM和NP的土壤水分虧缺量的都要大于CK。

圖5 土壤水分盈虧的概率分布Fig.5 Cumulative probability distribution of water deficit

為了檢驗CK、NP和NPM土壤水分缺乏累計概率分布之間的差異顯著性，對CK、NP和NPM土壤水分缺乏的累計概率進行方差分析，結果顯示不同處理間的差異在統(tǒng)計學上達到了顯著水平(p<0.05)，見表3。

表3 不同施肥管理方式間土壤水分虧缺量的方差分析Tab.3 ANOVA of water deficit between different fertilization practices

3 討 論

農田土壤養(yǎng)分狀況與施肥管理密切相關，施肥能夠增加作物可利用的土壤有效養(yǎng)分，同時改變作物耗水量。在自然積溫和有限降水的條件下，適量施用氮、磷和鉀肥可以調節(jié)土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量、增加土壤供養(yǎng)強度、改變作物用水規(guī)律以及充分發(fā)揮有限土壤可用水量的作用，繼而增加作物抵御惡劣自然氣候如冷害或干旱的能力[13]。作物耗水是土壤水分消耗的主要途徑，在作物生長季內不同施肥管理間土壤含水量的差異主要是因為肥料的施用在增加地上生物量的同時，擴大了根系在土壤中的吸水空間，增加了作物對土壤中水分的利用[8,13]。有機肥的施用在增加土壤養(yǎng)分的同時又通過調節(jié)土壤的物理性狀，增加了土壤保水和保肥能力，促進作物對土壤中水分的利用[14]。

在農田生態(tài)系統(tǒng)中土壤水分缺乏是影響作物生長和產量的因子之一[15-16]。一般情況下在東北黑土區(qū)大氣降水能夠滿足作物對水分的需求[3]，但是大部分降水發(fā)生在7月份-9月份，同時此時降水的變異也較大(表1)，容易引起了土壤水分的季節(jié)性缺乏。研究中土壤水分缺乏值的計算是利用土壤中有效水的含量與潛在蒸散量作差得到的，因此這個值更能反映土壤真實的水分狀況。肥料的施用增加了植物對土壤水分的吸收利用，容易引起土壤水分缺乏[8,17]。施用有機肥和化肥的處理發(fā)生土壤水分缺乏的概率要大于無肥處理。

氣象條件和作物需水情況是導致土壤水分缺乏的主要因素之一。在研究區(qū)域6月份降水占全年降水量的17.2%，但是此時期潛在蒸散量是降水量的2.53倍，導致了6月份土壤水分缺乏發(fā)生頻率較大，在90%以上；7月份潛在蒸散量是該月降水量的0.86倍，雖然略低于當月降水量，但是由于降水在年際間的變異較大(表1)，同時此時期作物的需水量較高[7]，土壤水分缺乏發(fā)生的概率達到了50%以上；雖然5月份的降水相對較少，占年降水量的8.3%，潛在蒸散量是降水量的3.04倍，但是由于凍融過程積聚了一定水分在土壤剖面[18]，緩解了該時期土壤水分的缺乏，5月份作物處于生長初期需水量較少也是該階段土壤水分缺乏相對較小的原因之一；8月份的降水占當月潛在蒸散量的1.16倍，降水能夠滿足作物需水，只有在較為干旱的年份才會出現(xiàn)土壤水分缺乏(例如2004年)；而進入9月份以后作物開始趨于成熟，耗水量逐漸減小，降水基本可以滿足作物此階段對水分的需求。作物生長季內降水與土壤水分虧缺量之間呈顯著正相關的關系(圖5)。

4 結 論

① 通過對10 a長期定位試驗的土壤含水量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，研究結果表明不同的施肥管理方式影響了土壤含水量，影響的深度為90 cm，表現(xiàn)為肥料的施用顯著減少了該層土壤含水量，在施用化肥的基礎上增施有機肥進一步加劇了土壤中水分的消耗，即表現(xiàn)為CK > NP > NPM。通過對比分析發(fā)現(xiàn)東北黑土區(qū)作物根系活動層位于0～90 cm處。

② 不同施肥管理下土壤水分顯示略有盈余，但是從某個階段來說仍然有土壤水分發(fā)生缺乏時期，主要在6月份和7月份，其中6月份發(fā)生土壤水分缺乏的概率在90%以上，7月份發(fā)生土壤水缺乏的概率在50%以上，所以加強6月份和7月份的土壤水分管理對于緩解土壤水分缺乏對作物生長和產量的影響重要的意義。降水的分布對土壤水缺乏的發(fā)生具有顯著的影響。肥料的施用促使了土壤水分缺乏的發(fā)生，不同施肥處理之間表現(xiàn)為CK

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