張玉鳳，李彥，高新昊，張英鵬，孫明，羅加法

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室/山東省植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/山東省環(huán)保肥料工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250100；2.新西蘭皇家農(nóng)業(yè)科學研究院，新西蘭 3240)

不同田間管理措施對棕壤土持水能力的影響

張玉鳳1，李彥1，高新昊1，張英鵬1，孫明1，羅加法2

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室/山東省植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/山東省環(huán)保肥料工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250100；2.新西蘭皇家農(nóng)業(yè)科學研究院，新西蘭 3240)

為篩選出提高土壤持水能力的田間管理措施，通過大田試驗研究了小麥-玉米輪作條件下，深耕、秸稈覆蓋、增施有機肥、保水劑、沸石措施對棕壤土容重、水分庫容、氮素含量等理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：與推薦施肥處理相比，增施有機肥、深耕、秸稈覆蓋、施沸石、保水劑均降低土壤容重，提高土壤孔隙度，可不同程度提高土壤有效水庫容，進而增加作物產(chǎn)量；土壤容重降幅在0.72%～9.21%，土壤孔隙度增幅在0.30%～14.25%，土壤有效水庫容增幅在0.05%～10.91%，作物產(chǎn)量增幅在0.07%～10.68%。綜合各項指標，能夠增加土壤持水能力且能保證作物產(chǎn)量的田間措施是增施有機肥和沸石，其中有效水庫容增幅最大的是增施沸石處理，增產(chǎn)效果最好的是增施有機肥處理。

田間管理措施；棕壤土；土壤水庫容；孔隙度；容重；產(chǎn)量

土壤水分含量不僅制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移[1]，而且也是影響土壤物理性質(zhì)的一個重要因素。土壤水分的變化不僅與降水、蒸發(fā)、日照時數(shù)等氣象因子有關(guān)，還與土壤類型及作物覆蓋程度等農(nóng)業(yè)管理措施有關(guān)。研究表明，施用有機肥可提高土壤總孔隙度，使耕層土壤變松，增加持水能力，提高水分有效利用率[2]。覆蓋可減少土壤水分蒸發(fā)，增大土壤含水量；保水劑是土壤的良好膠結(jié)劑，可有效增大土壤庫容，有植物“微型水庫”之稱[3]。土壤中添加沸石能夠增大土壤孔隙度和土壤含水量[4]；深耕可疏松土壤，增大土壤孔隙度[5]。國內(nèi)對深耕、覆蓋、增施土壤改良劑等田間管理措施的應(yīng)用效果研究很多，但是在同一種植條件下，各項管理措施在增加土壤通透性的同時，是否提高了土壤含水量和土壤養(yǎng)分，進而提高作物產(chǎn)量，目前報道較少。為此，本研究通過田間試驗，探究了深耕、秸稈覆蓋、增施有機肥、保水劑、沸石等田間管理措施對棕壤土小麥和玉米產(chǎn)量及土壤的水分狀況、氮含量、容重、孔隙度等的影響，以期明確作物產(chǎn)量與土壤含水量和土壤孔隙度的關(guān)系，進而篩選出能保持土壤含水量且能提高作物產(chǎn)量的田間管理措施，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中高效利用水資源提供有效的管理措施。

1 材料與方法

1.1試驗地點與材料

試驗地點：山東省招遠市張星鎮(zhèn)付家村，該地地貌類型為平原，代表面積 533.3 m2。地力均勻，屬高肥力水平。

供試土壤：棕壤土類、典型棕壤亞類。基本理化性狀：有機質(zhì)含量11.2 mg/kg，堿解氮76 mg/kg，有效磷24.8 mg/kg，速效鉀76.3 mg/kg。

供試作物：玉米(浚單20)和小麥(煙農(nóng)24)。

供試肥料和原料：有機肥(豬糞)；秸稈(小麥秸稈)；沸石(美國改性沸石)；保水劑(自行研制，CEC為 35 cmol/kg)

1.2試驗設(shè)計

試驗共設(shè) 8 個處理，每處理重復(fù)3 次，小區(qū)面積 60 m2(10 m×6 m)。分別為： T1：對照，不施肥； T2：習慣施肥，按照當?shù)剞r(nóng)民施肥量和方式，小麥季、玉米季施肥量均分別為 N280 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 55 kg/hm2，小麥季，其中60%氮肥和全部磷鉀肥基施，40%氮肥于春季返青期追施(以下小麥試驗處理基追比相同)，玉米季，其中50%氮肥和全部磷鉀肥基施，50%氮肥于大喇叭口期追施(以下玉米試驗處理基追比相同)；T3：推薦施肥，根據(jù)前幾年的試驗結(jié)果制定出的作物產(chǎn)量和肥力達到最優(yōu)的施肥量和方式，小麥季、玉米季施肥量均分別為 N 240 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2；T4：推薦施肥+有機肥，有機肥于小麥播種前全部基施，玉米季不施有機肥，化肥施用量為推薦施肥用量的 80%，同時施用有機肥，有機肥施用量為 7 500 kg/hm2，有機肥用量的確定依據(jù)為代替化肥中等量的磷；T5：推薦施肥+深耕，化肥施用量和方式同推薦施肥，采用小型電動翻耕機械深耕30 cm，在小麥播種前深耕，玉米季未深耕；T6：推薦施肥+覆蓋秸稈，化肥施用量和方式同推薦施肥，種植作物后覆蓋 4 500 kg/hm2桔稈，小麥季覆蓋玉米秸稈，玉米季覆蓋小麥秸稈，秸稈經(jīng)機械粉碎后，相當于秸稈產(chǎn)量的半量覆蓋；T7：推薦施肥+沸石，化肥施用量和方式同推薦施肥，同時施用進口沸石，施用量為 900 kg/hm2，施用量是根據(jù)預(yù)備試驗的最佳效果確定的，僅在小麥季施用，玉米季未施用；T8：推薦施肥+保水劑，化肥施用量和方式同推薦施肥，保水劑施用量為 900 kg/hm2，施用量是根據(jù)預(yù)備試驗的最佳效果確定的，僅在小麥季施用，玉米季未施用。除 T5 外，其余處理均常規(guī)機械旋耕，深度為 12～15 cm。種植方式為小麥-玉米輪作，小麥的播種時間為 2014年10月8日，收獲時間為2015年 6月20日。玉米播種時間為 2015年6月22日，收獲時間為 10月7日。其它田間管理措施按當?shù)剞r(nóng)民習慣。

1.3試驗方法

種植小麥前，按照試驗設(shè)計要求施肥和翻耕，機械播種，行距 12 cm，666.7m2播種量 15 kg。于小麥返青期 3 月 20 日追施氮肥。小麥收獲時取每個小區(qū)中間 4 行測定產(chǎn)量，取樣面積是 5 m2。采用環(huán)刀取土，分別測定0～5、5～10、10～15、15～20 cm土層的土壤容重，每個小區(qū)隨機取5環(huán)刀，加權(quán)計算耕層的土壤容重；用土鉆分別取0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤，在每個小區(qū)隨機取5個點，混合，測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。小麥收獲后秸稈移出試驗區(qū)。

玉米季按照試驗設(shè)計的要求施肥和翻耕，T6處理按照試驗要求覆蓋小麥秸稈，機械播種，行距 60 cm，株距 25 cm，每666.7m2種植 4 500 株。玉米的一半氮肥于大喇叭口期 (8月2日)追施。收獲時取每個小區(qū)中間 2 行測定產(chǎn)量，取樣面積是 5 m2。土壤取樣方法同小麥季。

土壤指標的測定方法：土壤容重用環(huán)刀法[6]；田間持水量：室內(nèi)測定法[6]；土壤銨態(tài)氮：2 mol/L KCl浸提-蒸餾法[6]；土壤硝態(tài)氮：酚二磺酸比色法[6]。

庫容是衡量土壤水分狀況的一項重要指標。土壤總庫容[7]是指剖面中總孔隙容積部分，由剖面中各土層的總孔隙度換算加權(quán)而得，土壤水總庫容(m3/hm2)=2 000×土壤孔隙度÷100；貯水庫容[7]是指能保持土壤水分的最大容量，由田間持水量計算而得，土壤貯水庫容(m3/hm2)=10 000×0.2×田間持水量÷100；有效水庫容[7]的劃分涉及土壤萎蔫含水量和田間持水量。通過計算土壤水吸力為 30 kPa 時的土壤含水量(田間持水量)與土壤水吸力為 1.5 MPa 時的土壤含水量之差作為有效水庫容。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

運用 DPS v 7.00 對數(shù)據(jù)進行方差分析，應(yīng)用 Duncan’s新復(fù)極差法對不同處理進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1不同田間管理措施對耕層土壤容重和孔隙度的影響

由表1 可知，與習慣施肥處理T2相比，推薦施肥處理T3在小麥季的土壤孔隙度稍高，容重稍降低，但是差異均未達到顯著水平。

與推薦施肥處理T3相比，在推薦施肥基礎(chǔ)上增施有機肥、深耕、秸稈覆蓋、增施沸石、保水劑均可不同程度提高土壤孔隙度，玉米季的增幅分別為 0.30%、1.84%、6.41%、0.91%、0.91%，小麥季的增幅分別為 14.25%、6.99%、2.85%、1.30%、11.66%；土壤容重均降低，玉米季降幅分別為 0.72%、1.45%、5.07%、0.72%、0.72%；小麥季降幅分別為 9.21%、4.61%、1.97%、1.32%、6.58%。

綜合小麥-玉米兩個生長季來看，孔隙度增幅較大且容重降幅也較大的為增施有機肥處理，變化幅度最小的為沸石處理。

表1 不同田間管理措施對耕層土壤容重和孔隙度的影響

注：表中同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平(P<0.05)。下表同。

2.2不同田間管理措施對耕層土壤水分庫容的影響

由表2可知，推薦施肥處理的貯水庫容和有效水庫容稍高于習慣施肥處理，但差異未達到顯著水平，兩處理的總庫容相同，說明本試驗中推薦施肥與習慣施肥在保持土壤含水量方面無差異。

與推薦施肥處理相比，在玉米季，在推薦施肥基礎(chǔ)上增施有機肥、深耕、秸稈覆蓋、增施沸石、保水劑均可不同程度提高土壤的總庫容，增幅分別為 0.31%、1.84%、6.42%、0.92%、0.92%，其中差異達到顯著水平的是秸稈覆蓋處理T6；增施有機肥、秸稈覆蓋、增施沸石處理的貯水庫容均提高，增幅分別為 2.85%、4.56%、8.07%，其中添加沸石處理的貯水庫容最高，顯著高于深耕和保水劑處理，深耕和添加保水劑處理的貯水庫容稍有降低，但與推薦施肥處理差異未達到顯著水平；土壤有效水庫容也得到不同程度的提高，增幅分別為 3.87%、0.05%、6.29%、10.91%、1.00%，其中差異達到顯著水平的是增施沸石處理。

在小麥季，與推薦施肥處理相比，在推薦施肥基礎(chǔ)上增施有機肥、深耕、秸稈覆蓋、增施沸石、保水劑均可不同程度提高土壤的總庫容，增幅分別為 17.21%、9.68%、0.23%、9.68%、14.52%，除秸稈覆蓋外，其余處理均達到顯著水平；有機肥、秸稈覆蓋、增施沸石、保水劑處理的貯水庫容均提高，增幅分別為 2.85%、4.56%、8.09%、0.96%，深耕處理的貯水庫容降低，但差異未達到顯著水平；有機肥、深耕、秸稈覆蓋、增施沸石、保水劑處理的有效水庫容均提高，增幅分別為 3.55%、0.05%、6.29%、10.85%、1.00%，其中增幅最大的是增施沸石處理。

表2 不同田間管理措施對耕層土壤水分庫容的影響 (m3/hm2)

2.3不同田間管理措施對土壤氮素的影響

由表 3 可知， 0～20、20～40 cm土層中推薦施肥處理的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均高于習慣施肥，說明本試驗設(shè)計的推薦施肥處理，施氮量雖然減少，但未影響作物生長對氮肥的需求。在推薦施肥處理基礎(chǔ)上增施有機肥、深耕、秸稈覆蓋、增施沸石、保水劑，基本呈現(xiàn) 0～20 cm 土層中推薦施肥處理硝態(tài)氮含量低于不同管理措施處理，20～40、40～60 cm 土層中推薦施肥處理硝態(tài)氮含量大都高于不同管理措施處理的趨勢。銨態(tài)氮含量也基本呈現(xiàn) 0～20 cm 土層中深耕、秸稈覆蓋、沸石處理高于推薦施肥處理，20～40、40～60 cm 土層中推薦施肥處理的銨態(tài)氮含量大都高于不同管理措施處理。初步說明不同管理措施可以增加 0～20 cm 土層中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，降低氮素流失到 20 cm 以下土層，具有保持土壤肥力的作用。

表3 不同田間管理措施對麥收后土體硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響

2.4不同田間管理措施對玉米和小麥產(chǎn)量的影響

由表4可知，與對照處理相比，所有施肥處理的玉米、小麥產(chǎn)量均顯著升高，表明該試驗地的養(yǎng)分不能滿足作物生長所需，應(yīng)該施用一定量肥料。與習慣施肥處理相比，推薦施肥的玉米和小麥產(chǎn)量均升高，但差異未達到顯著水平，說明本試驗設(shè)計的推薦施肥量與作物需肥規(guī)律更接近。與推薦施肥處理相比，在推薦施肥基礎(chǔ)上增施有機肥、深耕、秸稈覆蓋、增施沸石、保水劑均可不同程度地提高作物產(chǎn)量，玉米的增產(chǎn)幅度分別為 6.15%、3.83%、0.07%、2.11%、0.09%；小麥的增產(chǎn)幅度分別為10.68%、4.21%、1.97%、7.65%、8.56%。其中增幅最大的是有機肥處理。

表4不同田間管理措施對玉米、小麥產(chǎn)量的影響 (kg/hm2)

3 討論

3.1能夠增加土壤水庫容并保持產(chǎn)量的田間管理措施篩選

研究表明，采用秸稈、雜草或稻草等對地表加以覆蓋可提高土壤持水量，增加土壤有效水含量，顯著增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及土壤入滲能力[3]，促進農(nóng)作物生長，明顯提高作物產(chǎn)量[8]。但也有研究表明，秸稈覆蓋明顯降低了冬小麥的產(chǎn)量[9]，這可能是由于地理位置、氣候條件、覆蓋作物種類、耕作方式的不同而導(dǎo)致的，也可能是因為秸稈覆蓋導(dǎo)致有機質(zhì)礦化而造成作物減產(chǎn)[10]。本試驗中，與習慣施肥相比，雖然秸稈覆蓋措施在玉米季顯著增加土壤的總庫容和土壤孔隙度，但對小麥和玉米產(chǎn)量增幅均不顯著。原因可能是秸稈分解需要養(yǎng)分，與作物競爭了土壤中的養(yǎng)分，所以作物產(chǎn)量增加不明顯。

丁昆侖等[11]研究發(fā)現(xiàn)，深耕能有效打破犁底層，降低土壤容重，降低田間耗水量，水分利用效率提高，作物產(chǎn)量增加。本試驗中，與習慣施肥相比，深耕措施的貯水庫容和有效水庫容未達到顯著水平，原因可能是由于本試驗測定的是 0～20 cm內(nèi)的各項土壤指標，而深耕深度為 30 cm，深耕后土壤孔隙度增加，土壤水分可能滲入到 20 cm 以下土層，所以下一步應(yīng)該增加 20 cm 以下土壤各項指標的測定。小麥季土壤水總庫容、有效水庫容增加均顯著，小麥和玉米季增產(chǎn)均達顯著水平。

沸石類似于疏松多孔的海綿體，施入土壤中，能促進水穩(wěn)性團聚體的形成[12]，起到貯藏水肥的作用，可使土壤孔隙度增加，容重降低，有利于提高土壤含水量[13-15]，不同程度增加了土壤中銨態(tài)氮含量，進而提高作物產(chǎn)量[4]。本試驗中，與習慣施肥相比，施用沸石處理的小麥季增產(chǎn)顯著，土壤水總庫容、貯水庫容、有效水庫容及 0～20 cm土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均顯著增加，玉米季貯水庫容、有效水庫容增加顯著，但是土壤孔隙度和容重未達到顯著水平，說明施用沸石能改善土壤保水性能，同時提高耕層土壤氮素含量，但是對土壤孔隙度和容重的改善不明顯。

保水劑的原理是將土壤中的自然水或人工水迅速吸收并保存，使其變?yōu)楣虘B(tài)水而不流動、不滲失，干旱時緩慢釋放供給植物利用，因此施用保水劑能使土壤孔隙度增大，容重降低，土壤含水量增加[16]，作物產(chǎn)量提高[17]。本試驗中，與習慣施肥相比，施用保水劑處理的小麥季總庫容增加顯著，且小麥顯著增產(chǎn)，因此保水劑措施對土壤保水能力提高和小麥產(chǎn)量提高效果良好。

研究表明，連年施用有機肥能顯著提高土壤飽和持水量和田間持水量，降低土壤容重[18]、提高作物產(chǎn)量，且有機肥施用量與產(chǎn)量之間呈顯著正相關(guān)[19]。在本試驗中，與推薦施肥處理相比，作物產(chǎn)量和土壤各項指標變化基本達到顯著水平的是增施有機肥處理。

綜合比較上述各項措施，能夠增加土壤持水能力且能保證作物產(chǎn)量的田間措施是增施有機肥和沸石，其中有效水庫容增幅最大的是增施沸石處理，增產(chǎn)效果最好的是增施有機肥處理。

3.2作物產(chǎn)量、土壤水分、土壤氮素、土壤孔隙度的關(guān)系

作物產(chǎn)量的高低與土壤水分和養(yǎng)分的供應(yīng)密切相關(guān)。植物對養(yǎng)分的吸收、運轉(zhuǎn)和利用都依賴于土壤水分，土壤的水分狀況在很大程度上決定著肥料的合理用量[1]。而養(yǎng)分影響著植物對水分的利用，干旱條件下，施肥能提高土壤水勢，從而提高土壤水分的有效性，使一部分原來對植物生長“無效”的水變得“有效”，使植物能吸收利用更多的土壤水分[20]。所以，適宜的水分條件和合理的養(yǎng)分供應(yīng)是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基本保證，水分脅迫、養(yǎng)分缺乏以及二者供應(yīng)的不同步性均不利于作物生長。

本試驗中推薦施肥的作物產(chǎn)量、土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均高于習慣施肥，土壤貯水庫容和有效水庫容含量稍高于習慣施肥，說明本試驗設(shè)計的土壤肥力能滿足作物的生長，肥力不是限制作物產(chǎn)量的因素。

在本試驗條件下，與推薦施肥相比，不同田間管理措施的作物產(chǎn)量均升高，總庫容、貯水庫容、有效水庫容基本呈現(xiàn)升高趨勢，土壤孔隙度均升高，土壤容重均降低，0～20 cm土層氮素含量大都升高，說明作物產(chǎn)量的增加與土壤含水量、氮素含量有關(guān)。本試驗采用的田間管理措施改變了土壤孔隙度和容重，土壤孔隙度的變化影響了土壤含水量和氮素養(yǎng)分含量。在推薦施肥處理基礎(chǔ)上增施有機肥、深耕、秸稈覆蓋、增施沸石、保水劑基本呈現(xiàn) 0～20 cm 土層中氮素含量提高的趨勢，而20～40、40～60 cm土層中氮素含量降低的趨勢，說明不同管理措施具有保持耕作層氮素肥力，避免氮素養(yǎng)分流失的作用。但是作物產(chǎn)量與土壤含水量、土壤孔隙度及氮素養(yǎng)分之間的變化規(guī)律，應(yīng)該進一步通過設(shè)計同一管理措施下不同施用量的試驗來深入研究。

4 結(jié)論

本試驗結(jié)果初步表明，對改善土壤保水能力效果較好的技術(shù)措施為秸稈覆蓋和增施沸石，增加土壤孔隙度、降低容重的效果較好的技術(shù)措施為增施有機肥和秸稈覆蓋，增加耕層土壤速效氮固持容量效果較好的技術(shù)措施為秸稈覆蓋和增施沸石，增產(chǎn)效果顯著的為增施有機肥。

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EffectsofDifferentFieldManagementMeasuresonWaterHoldingCapacityofBrownSoil

Zhang Yufeng1, Li Yan1, Gao Xinhao1, Zhang Yingpeng1, Sun Ming1, Luo Jiafa2

(1.InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,ShandongAcademyofAgriculturalScience/KeyLaboratoryofAgro-EnvironmentofHuang-Huai-HaiPlain,MinistryofAgriculture/ShandongProvincialKeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizer/ShandongProvincialEngineeringResearchCenterofEnvironmentalProtectionFertilizers,Jinan250100,China; 2.NewZealandRoyalAcademyofAgriculturalSciences，NewZealand3240)

In order to screen out the field management measures to improve the soil water holding capacity, the effects of deep tillage, straw mulching, increasing application of organic fertilizer, water retention agent and zeolite on bulk density, water storage capacity, nitrogen content and other physical or chemical properties of brown soil and the crop yield were studied under the wheat-maize rotation condition in field. The results showed that compared with the recommended fertilization treatment, the treatments of increasing application of organic fertilizer, deep tillage, straw mulching, zeolite and water retention agent all could decrease the soil bulk density, increase the soil porosity, and improve the soil available water storage capacity and crop yield in different extent. The soil bulk density declined by 0.72%～9.21%, the soil porosity increased by 0.30%～14.25%, the soil available water storage capacity increased by 0.05%～10.91%, and the crop yield increased by 0.07%～10.68%. Comprehensively considering all the indexes, the field management measures, which could increase the soil water holding capacity and ensure the crop yield at the same time, were the treatments of increasing application of organic fertilizer and zeolite. The zeolite treatment had the largest increase of soil available water storage capacity. The increasing application of organic fertilizer treatment had the best effect on the crop yield improving.

Field management measure; Brown soil; Soil water storage capacity; Porosity; Bulk density; Yield

S152.7+1

A

1001-4942(2017)10-0064-06

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.10.014

2017-07-18

國家重點研發(fā)計劃子課題“黃淮(山東)旱作區(qū)豐產(chǎn)增效的全程機械化保護性耕作技術(shù)體系” (2016YFD0300804-5)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項“糧食主產(chǎn)區(qū)土壤肥力演變與培肥技術(shù)研究與示范”(201203030)；“海外泰山學者”建設(shè)工程專項；山東省科技重大專項“新型高效抗病-抗重茬多功能生物肥料的研制與應(yīng)用示范”(2015ZDXX0502B04) ；農(nóng)業(yè)部“948”項目“小麥玉米一次性施肥技術(shù)與環(huán)境影響評價”(2014-S21)

張玉鳳(1972—)，女，山東聊城人，博士，研究員，主要從事植物營養(yǎng)和新型肥料研究。E-mail: zhyfsdu@126.com

李彥(1970—)女，黑龍江人，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境方面的研究。E-mail: nkyliyan@126.com