李彥霈 邵明安，2，3 王 嬌

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）（2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）（3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190）

有機(jī)肥富含大量有益物質(zhì)，肥效時(shí)間長(zhǎng)，合理施用可提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，為作物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分儲(chǔ)量豐富、有效性高的生態(tài)環(huán)境［1-2］，而且長(zhǎng)期施用有機(jī)肥還可促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成，提高土壤總孔隙度和持水孔隙度，使耕層土壤變松，表土硬度降低，提高土壤透水和保水性能［3-4］。

蚯蚓是土壤中的主要?jiǎng)游镱惾?，在土壤表面和土體內(nèi)部可產(chǎn)生大量排泄物——蚯蚓糞，蚯蚓糞是水氣調(diào)和、孔隙大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，保水保肥效果顯著［5-6］，施入土壤中可促進(jìn)難溶性礦質(zhì)養(yǎng)分溶解，增加土壤有效養(yǎng)分，且蚯蚓糞中較多的腐殖質(zhì)可與黏土粒結(jié)合形成團(tuán)粒，改善土壤結(jié)構(gòu)［7］，因而被廣泛作為有機(jī)肥施入土壤［8］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)蚯蚓糞對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響已經(jīng)開展了諸多研究：王福友等［9］通過在鹽堿地施加蚯蚓糞，證實(shí)蚯蚓糞可增加玉米幼苗地上部和地下部的生物量及對(duì)養(yǎng)分的吸收量；蘇曉紅等［10］指出添加蚯蚓糞可以緩解高磷土壤對(duì)油菜生長(zhǎng)的抑制作用，增加土壤磷酸酶活性；趙鵬博等［11］將蚯蚓糞與酒糟混施加入土壤，發(fā)現(xiàn)土壤容重減小，有效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量增高；秦芳等［12］按不同比例向土壤中添加蚯蚓糞，發(fā)現(xiàn)土壤pH隨蚯蚓糞添加量增大而減?。焕顝龋?3］也通過研究發(fā)現(xiàn)覆蓋于土壤表層的蚯蚓糞可抑制土壤水分蒸發(fā)，且抑制作用隨覆蓋面積及厚度的增大而加強(qiáng)。

蚯蚓糞的施用方式及用量差異會(huì)導(dǎo)致蚯蚓糞在土壤中空間分布的改變［14］，因而會(huì)對(duì)土壤理化性狀及水土過程產(chǎn)生不同的影響。目前的研究多集中于蚯蚓糞施用對(duì)土壤生物學(xué)特征的影響［15-19］，而針對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)方面的研究甚少。因此，本研究基于室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，通過探究蚯蚓糞施用方式及用量對(duì)土壤水分入滲過程的影響及機(jī)理，為蚯蚓糞作為有機(jī)肥的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以陜西關(guān)中地區(qū)塿土（褐土類，塿土亞類）為供試土壤，采自陜西楊凌水土保持研究所試驗(yàn)農(nóng)地，去除地表雜質(zhì)后，采集0～50 cm的土壤樣品，清除根系等雜質(zhì)后自然風(fēng)干，過2 mm篩備用。土壤各粒級(jí)的體積分?jǐn)?shù)分別為：砂粒5.92%，粉粒62.85%，黏粒31.23%；土壤有機(jī)質(zhì)含量5.36 g·kg-1，全氮0.81 g·kg-1。

試驗(yàn)用蚯蚓糞由大平1號(hào)蚯蚓產(chǎn)生，具體收集方法為：將磨碎的樹葉與土壤混合均勻后放入直徑為40 cm的塑料盆缽中，在其中接種40條蚯蚓，置于溫度為20℃、水分含量為100 g·kg-1～150 g·kg-1的條件下進(jìn)行培養(yǎng)；一個(gè)月后在培養(yǎng)基質(zhì)的表面收集蚯蚓糞，選取形狀和大小相似的蚯蚓糞待用。蚯蚓糞顆粒各粒級(jí)的體積分?jǐn)?shù)分別為：砂粒19.78%，粉粒59.69%，黏粒20.53%；有機(jī)質(zhì)含量18.92 g·kg-1，全氮8.77 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)方法

將風(fēng)干后的土樣按容重1.3 g·cm-3分層裝入內(nèi)徑7 cm、壁厚0.5 cm、高22.5 cm的有機(jī)玻璃管內(nèi)，填裝厚度為20 cm，裝土前在土柱底部墊上濾紙及紗布，防止土壤顆粒流失。管壁均勻涂抹一層凡士林以減少管壁效應(yīng)對(duì)水分入滲的影響。農(nóng)田有機(jī)肥的施用方法包括撒施、條施、穴施等多種形式，為探究蚯蚓糞施用方式及施用量對(duì)土壤水分入滲過程的影響，本研究設(shè)置了3種不同的施用量：蚯蚓糞在干土中的質(zhì)量分別為50 g·kg-1、75 g·kg-1、100 g·kg-1，并分別以5種不同方式施用，用于模擬撒施后翻耕、施后覆土和翻土后施肥等不同方式，具體方法為：A. 0～10 cm蚯蚓糞與土壤混合填裝；B. 10～20 cm蚯蚓糞與土壤混合填裝；（A和B下文統(tǒng)稱為混施）C. 5～8 cm鋪設(shè)蚯蚓糞；D.10～13 cm鋪設(shè)蚯蚓糞；E. 15～18 cm鋪設(shè)蚯蚓糞（C、D、E下文統(tǒng)稱為層施）。試驗(yàn)以不添加蚯蚓糞的處理作為對(duì)照（裸土），共計(jì)16個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

試驗(yàn)采用一維定水頭垂直積水入滲法測(cè)定土壤入滲過程。由高40 cm、內(nèi)徑5 cm的馬氏瓶向土柱供水，瓶身用刻度尺進(jìn)行標(biāo)注，水頭高度控制在2 cm。入滲過程開始后，記錄馬氏瓶的水面高度及濕潤(rùn)鋒的深度，時(shí)間間隔前密后疏，共測(cè)定180 min。入滲結(jié)束30 min后，用內(nèi)徑1 cm、長(zhǎng)30 cm的土鉆從表層向下每4 cm取土樣，并用烘干法測(cè)定各土層樣品的含水率。上述試驗(yàn)均在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均為各重復(fù)測(cè)定的平均值，采用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0計(jì)算各變量的描述性統(tǒng)計(jì)特征值及進(jìn)行單因素方差分析；利用Origin 8.5完成制圖。

采用Kostiakov模型對(duì)實(shí)測(cè)累積入滲量隨時(shí)間的變化過程進(jìn)行擬合，Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)式為：

式中，I（t）為累積入滲量，mm；t為入滲時(shí)間，min；K和n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蚯蚓糞施用方式及用量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

圖1顯示了混施和層施情形下濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。從圖中可以看出，各處理濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增大，但在不同施用方式下，50 g·kg-1蚯蚓糞施用量處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度均大于裸土，其中最大差值為4.1 cm，這可能是由于蚯蚓糞具有較高的孔性，施入土壤后有利于水分入滲［20］，促進(jìn)了濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移。0～10 cm混施蚯蚓糞各處理的濕潤(rùn)鋒深度差異不顯著（P＞0.05），但施用蚯蚓糞后濕潤(rùn)鋒遷移速率高于裸土，其中，施用量為50 g·kg-1、75 g·kg-1、100 g·kg-1處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度分別較裸土大1 cm、1 cm、0.3 cm（t =180 min）。在蚯蚓糞混施入10～20 cm土層的處理中，蚯蚓糞施用量為50 g·kg-1時(shí)濕潤(rùn)鋒深度大于裸土，但施用量為75 g·kg-1和100 g·kg-1時(shí)，濕潤(rùn)鋒深度則分別較裸土減小3%和11%（t =180 min），其原因可能是隨著施用量不斷增加，蚯蚓糞內(nèi)的大孔隙對(duì)水分入滲的促進(jìn)作用逐漸小于蚯蚓糞持水性能及土壤水分通道曲折對(duì)水分入滲的抑制作用。對(duì)比兩種混施方式可以發(fā)現(xiàn)：10～20 cm混施各處理濕潤(rùn)鋒深度均小于0～10 cm混施處理，比較蚯蚓糞和土壤的顆粒組成可以發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞含有更多的砂粒，且具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，因此，施加蚯蚓糞能夠增加土壤孔隙度，當(dāng)混施入0～10 cm時(shí)可使較多水分進(jìn)入土壤，同時(shí)蚯蚓糞較普通土壤的有機(jī)質(zhì)含量更高，因而具有良好的持水性能，在積水入滲條件下上層土壤蓄積較多水分，上層土壤的含水量高于10～20 cm混施處理，因而更有利于促進(jìn)水分下移。

當(dāng)蚯蚓糞以層施方式加入土壤后，不同深度層施各處理的濕潤(rùn)鋒深度均表現(xiàn)為由大到小依次為：50 g·kg-1用量、裸土、75 g·kg-1用量、100 g·kg-1用量，且75 g·kg-1和100 g·kg-1用量對(duì)水分入滲的抑制作用隨施用深度增加而減小。5～8 cm層施的不同用量處理之間差異顯著（P＜0.05），50 g·kg-1用量處理的濕潤(rùn)鋒深度高出裸土5.3%，75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的濕潤(rùn)鋒深度則分別較裸土低6.3%和19.5%（t =180 min）。10～13 cm層施條件下，75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理之間差異不顯著（P＞0.05），濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度分別較裸土低15.2%、16.3%（t =180 min）；50 g·kg-1用量在入滲60 min后，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率變小，這可能是由于蚯蚓糞施用層與土層之間存在空隙而導(dǎo)致界面產(chǎn)生毛管障礙［21］，影響水分向下移動(dòng)。上述結(jié)果表明：50 g·kg-1用量的蚯蚓糞層施時(shí)對(duì)水分入滲具有促進(jìn)作用，但用量為75 g·kg-1和100 g·kg-1則會(huì)抑制水分下移，且抑制作用隨用量增加而增強(qiáng)。其原因可能是施入較多蚯蚓糞（75 g·kg-1及100 g·kg-1蚯蚓糞用量）時(shí)，混合層的進(jìn)水吸力大于土層，當(dāng)濕潤(rùn)鋒剛到達(dá)上界面時(shí)，基質(zhì)勢(shì)較小，水分無(wú)法立即進(jìn)入蚯蚓糞混合層，當(dāng)界面處的水分增加到一定程度，濕潤(rùn)鋒才開始繼續(xù)向下移動(dòng)［22］；此外，粒徑較小的蚯蚓糞可能會(huì)堵塞土壤孔隙，且蚯蚓糞能夠保持較多的水分，從而加劇其對(duì)土壤水分入滲的抑制作用。

圖1 蚯蚓糞混施（A、B）和層施（C、D、E）方式不同用量處理的濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Dynamics of wetting front relative to cast application rate and application depth

2.2 蚯蚓糞施用方式及用量對(duì)累積入滲量的影響

水分入滲過程達(dá)到穩(wěn)定后可用穩(wěn)定入滲率表征入滲能力，但在達(dá)到穩(wěn)定入滲之前，常用累積入滲量表征入滲能力［23］?；焓┘皩邮┣樾蜗峦寥览鄯e入滲量隨時(shí)間變化過程如圖2所示。由圖2可知，各處理在0～10 cm混施蚯蚓糞條件下的累積入滲量由高到低依次為：50 g·kg-1用量、75 g·kg-1用量、100 g·kg-1用量、裸土，但裸土與75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量并無(wú)明顯差異（P＞0.05）；而在10～20 cm混施條件下，裸土的累積入滲量在整個(gè)入滲過程中則均大于施用蚯蚓糞的處理，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量分別較裸土小8.2 mm、7.6 mm、11.8 mm（t =180 min）。當(dāng)蚯蚓糞施入0～10 cm時(shí)，該層土壤的孔隙度和持水能力均得到了提高，不僅能夠促進(jìn)水分進(jìn)入土壤，還能夠保持較多水分，因而施用蚯蚓糞處理的累積入滲量高于裸土；此外，入滲過程受土壤含水率的影響，當(dāng)蚯蚓糞施入10～20 cm土層時(shí)，水分到達(dá)蚯蚓糞層時(shí)入滲速率會(huì)減小，因而0～10 cm土層的含水率可能高于裸土，進(jìn)而影響水分進(jìn)入土壤。另一方面，由于蚯蚓糞形狀不規(guī)則，施用過程中不同的排列重疊模式會(huì)對(duì)土壤孔隙度和孔隙分布特征產(chǎn)生影響［24］，施用后雖然增加了土壤中的總孔隙度和大孔隙數(shù)量，但有效孔隙則可能會(huì)減少；此外，水分運(yùn)動(dòng)通道曲折復(fù)雜也會(huì)阻礙水分運(yùn)動(dòng)，當(dāng)該抑制作用小于由于孔隙增加所產(chǎn)生的促進(jìn)作用時(shí)，單位入滲歷時(shí)內(nèi)的入滲量就會(huì)減?。?5］。

對(duì)比不同層施深度各處理累積入滲量的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)：5～8 cm層施與10～13 cm層施可明顯減少75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量，但在15～18 cm層施條件下各處理間差異不明顯。對(duì)于5～8 cm層施的各處理而言，50 g·kg-1用量處理的累積入滲量在入滲的中后期明顯高于裸土，入滲過程結(jié)束時(shí)，裸土、50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量的累積入滲量分別為74.2 mm、75.7 mm、70.7 mm、59.7 mm；當(dāng)蚯蚓糞施入10～13 cm土層時(shí)，各處理之間差異顯著（P＜0.05），累積入滲量隨蚯蚓糞施用量的增加而減小，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量分別較裸土小6 mm、13.1 mm、20.3 mm；在15～18 cm層施條件下，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量分別低于裸土1.7%、6.1%、12.9%。上述結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)：將蚯蚓糞施入較深土層時(shí)在一定程度上會(huì)阻礙水分入滲。

圖2 蚯蚓糞混施（A、B）和層施（C、D、E）不同用量處理的累積入滲量動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 Dynamics of cumulative infiltrations relative to cast application rate and application depth

2.3 蚯蚓糞施用方式及用量對(duì)土壤入滲參數(shù)的影響

從圖2中可以看到，施加蚯蚓糞各處理雖然表現(xiàn)出了一定的層狀土入滲特征，但其累積入滲量隨時(shí)間的變化規(guī)律與均質(zhì)土差異不明顯，因此，可采用Kostiakov模型對(duì)實(shí)測(cè)累積入滲量隨時(shí)間的變化過程進(jìn)行擬合，以進(jìn)一步分析蚯蚓糞的施用方式及用量對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)過程的影響。

擬合得到的不同施用方式及用量處理的土壤入滲參數(shù)及決定系數(shù)如表1所示，從表中可以看出，模型擬合的決定系數(shù)R2在0.996～0.999之間，表明擬合結(jié)果較好。對(duì)比層施蚯蚓糞各處理的入滲參數(shù)可知，除50 g·kg-1用量蚯蚓糞在5～8 cm施用的處理外，其余各處理K值均隨施用量的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，n值則隨施用量增加而減小。K值越大，初始入滲率越大，n值越小，入滲率隨時(shí)間衰減的過程越緩慢［26］，由此可知，施用蚯蚓糞多數(shù)情況下可以增大土壤初始入滲率，并降低入滲率的減小速度。在不同施用方式及用量條件下，100 g·kg-1施用量的n值均為最小。根據(jù)擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：混施條件下，75 g·kg-1和100 g·kg-1用量有利于促進(jìn)前期土壤水分入滲，且促進(jìn)作用隨著蚯蚓糞施用量的增加而增強(qiáng)；5～8 cm層施蚯蚓糞會(huì)減緩前期水分入滲，而10～13 cm及15～18 cm層施蚯蚓糞時(shí)，入滲率的衰減程度隨施用量的增加而減弱，這與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

表1 Kostiakov模型擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of the Kostiakov model

2.4 層施方式下蚯蚓糞施用量對(duì)土壤含水量的影響

圖3為層施蚯蚓糞條件下不同土層土壤含水率的分布情況。從圖中可以看出，5～8 cm層施條件下，添加蚯蚓糞的各處理4～8 cm土層內(nèi)含水率顯著高于裸土（P＜0.05），50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的土壤含水量分別高出裸土9.6%、12.9%和13.7%，16～20 cm土層在蚯蚓糞施用量為75 g·kg-1及100 g·kg-1時(shí)含水量則明顯低于裸土。對(duì)于10～13 cm層施蚯蚓糞的各處理而言，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的8～12 cm土層內(nèi)含水量分別較裸土高28.3%、30.1%、31.4%，但12～16 cm土層內(nèi)含水量差異不顯著（P＞0.05），50 g·kg-1用量處理中16～20 cm土層含水量高于裸土及75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理。15～18 cm層施情形下，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理12～16 cm土層含水量較裸土分別增加了5.9%、3.6%、4.4%，但75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理之間差異不顯著（P＞0.05），50 g·kg-1和75 g·kg-1用量處理16～20 cm土層內(nèi)含水量分別較裸土高1.5%和0.9%。

蚯蚓糞顆粒均勻，保水透氣能力是普通土壤的3倍，將蚯蚓糞施用在土壤中能夠提高土壤的孔性、排水性和持水性能［27］。在水分入滲過程中，蚯蚓糞層會(huì)蓄積大量水分，從而影響水分分布。由測(cè)定結(jié)果可知，蚯蚓糞與土壤混合層形成了一個(gè)高含水量區(qū)域，其下層土壤含水率也會(huì)相應(yīng)增加，但層施用量較高的蚯蚓糞（75 g·kg-1、100 g·kg-1）則可能減少深層（16～20 cm）土壤含水量。

圖3 層施蚯蚓糞對(duì)土壤含水量分布的影響Fig. 3 Effects of application of earthworm cast on distribution of soil water content relatively cast application depth

本試驗(yàn)所用土壤為塿土，其質(zhì)地比較黏重，大孔隙及水分傳導(dǎo)孔隙較少且土壤孔隙彎曲程度較高，水分在土壤中往往難以入滲［28］；蚯蚓糞孔隙豐富，施入土壤中可促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)土壤腐殖質(zhì)的形成與富集［29］，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增大土壤孔隙度，施入上層土壤可有效促進(jìn)水分向下入滲；但蚯蚓糞自身為良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，保水能力強(qiáng)，施用量較高時(shí)則會(huì)使水分大部分蓄積在蚯蚓糞層，從而抑制土壤水分向下層入滲。

3 結(jié) 論

蚯蚓糞施用方式及用量差異對(duì)土壤水分入滲過程具有不同程度的影響。50 g·kg-1用量蚯蚓糞與0～10 cm土壤混合施用能夠促進(jìn)水分入滲，75 g·kg-1和100 g·kg-1用量蚯蚓糞混施入該層土壤能夠減少累積入滲量，但對(duì)濕潤(rùn)鋒遷移過程無(wú)明顯影響；在蚯蚓糞混施入10～20 cm土層情形下，只有用量達(dá)到100 g·kg-1后才能顯著延緩水分入滲過程。不同蚯蚓糞施用方式及用量條件下的土壤水分入滲過程可用Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行描述，擬合結(jié)果表明，添加75 g·kg-1和100 g·kg-1用量的蚯蚓糞可增加初始入滲率，而將蚯蚓糞施入較深土層則能夠降低入滲率的減小速度。蚯蚓糞以層施方式加入土壤后，多數(shù)情況下可提高其下層的土壤水分含量，但用量較多時(shí)則可能會(huì)延緩水分入滲過程，從而導(dǎo)致深層土壤含水率相對(duì)偏低。