王 歡,付 威,胡錦昇,樊 軍,*,郝明德,
(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 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌 712100)
冬小麥?zhǔn)俏急焙弟饕募Z食作物,降水不足且時(shí)空分布不均以及土壤貧瘠是影響該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的主要因素[1-2]。因此,通過合理施肥和采取蓄水保墑等農(nóng)耕措施來改善土壤性狀是提高該地區(qū)作物產(chǎn)量的有效措施。合理的肥料配施可以有效改善土壤物理狀況,提高地力水平,進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[3-8]。研究表明,氮磷肥配施能夠顯著提高小麥產(chǎn)量[3-4]。氮磷肥配施鉀肥可以顯著提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[3],降低收獲期土壤容重,增加土壤總孔隙度,提高土壤水分利用效率,增加耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量[5]。生物炭的施加,可以降低土壤容重[6],增加土壤飽和導(dǎo)水率[5],增強(qiáng)土壤持水性能[7],增加土壤大團(tuán)聚體含量[8]。地膜覆蓋能夠減少土壤地表無效蒸發(fā)[9],具有良好的蓄水保墑效果[10],是旱作農(nóng)田提高水分利用效率的有效措施[11]。但有大量研究發(fā)現(xiàn),地膜覆蓋下作物耗水量增加,土壤墑情有所下降,在覆膜后期經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因作物過度耗水而導(dǎo)致的“青干現(xiàn)象”[12-14]。地膜覆蓋時(shí)期不同,對土壤物理性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響,其主要表現(xiàn)在土壤水分變化上。對旱地冬小麥研究發(fā)現(xiàn),夏閑期覆膜可顯著提高播種前土壤儲(chǔ)水量[15],而生育期覆膜則會(huì)增加土壤的耗水量[16],與夏閑期覆膜相比,全年覆膜水分利用效率更高[17]。到目前為止,關(guān)于施肥或覆蓋對小麥增產(chǎn)及耕層土壤理化性質(zhì)影響的研究較多,但施肥和不同地膜覆蓋時(shí)期對土壤剖面物理性質(zhì)影響的研究較少。針對這一現(xiàn)狀,本文依托長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站長期不同施肥覆蓋措施定位試驗(yàn),對試驗(yàn)區(qū)2016—2017年冬小麥?zhǔn)斋@期0—40 cm土壤含水量、容重、總孔隙度、飽和導(dǎo)水率和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體進(jìn)行測定與分析,比較不同施肥覆蓋措施下土壤剖面相關(guān)物理性質(zhì)的差異,旨在探索適合該區(qū)域保持良好土壤物理性質(zhì)的措施,為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)高效用水提供參考。
試驗(yàn)區(qū)位于陜西省長武縣長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(35°14′ N、107°40′ E),為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,農(nóng)作物以一年一熟小麥和玉米為主。年均降雨量578.5 mm,且季節(jié)分布不均,降水主要分布在7—9月。平均海拔1200 m,日照時(shí)數(shù)2226 h,年均氣溫9.1℃,1月份平均氣溫-4.7℃,7月份平均氣溫22.1℃。地處黏黑壚土地帶,母質(zhì)為深厚的馬蘭黃土。0—40 cm土層容重為1.23~1.44 g/cm3,顆粒組成以0.01~0.05 mm粗顆粒為主,孔隙度50%左右。
田間定位試驗(yàn)始于2002年,各處理每年均保持不變,供試作物為一年一熟冬小麥,品種均為長航1號(hào),行播種植,行距20 cm。本季冬小麥于2016年9月26日播種,2017年6月24日收獲。小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),面積為35 m2(5 m × 7 m),每個(gè)小區(qū)周邊有10 cm高的田埂與鄰近小區(qū)隔開。本文選取2016—2017一季作物的6個(gè)處理進(jìn)行研究 (表1),其中NP、NPB兩個(gè)處理設(shè)4次重復(fù),其它處理設(shè)3次重復(fù),共20個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)用地膜為寬60 cm、厚0.015 mm的聚乙烯薄膜。生物炭基本性質(zhì)見文獻(xiàn)[5]。
表1 具體試驗(yàn)處理措施Table 1 Details of experimental treatments
冬小麥?zhǔn)斋@后,在各小區(qū)相同對角線中點(diǎn)及1/4點(diǎn)共3點(diǎn) (除NP、NPB處理為12次重復(fù),其余處理皆為9次重復(fù)) 挖階梯狀土壤剖面進(jìn)行取樣(2017年7月7日至10日)。剖面共分為四層,即0—10、10—20、20—30和30—40 cm。分別在每個(gè)土層中部進(jìn)行取樣,用于測定土壤含水量、土壤容重、飽和導(dǎo)水率和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體。
土壤飽和導(dǎo)水率測定采用定水頭自下供水法,土壤容重和土壤含水量測定采用烘干法[18]。
土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成采用濕篩法[19]測定。采集每個(gè)土層原狀土,自然風(fēng)干后,將原狀土壤樣品沿土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面分成直徑約為1 cm的土壤顆粒,過8 mm篩,去除動(dòng)植物殘?bào)w和石塊備用。將孔徑為2、0.25和0.053 mm的篩子按孔徑由大到小疊放成一組套篩,稱取200 g風(fēng)干土樣,篩分成不同粒級團(tuán)聚體,稱重并計(jì)算其各組分重量比例,按照比例配50 g土樣用于濕篩測定。將50 g土樣置于團(tuán)聚體分析儀套篩最上層 (套篩孔徑自上而下依次為2、0.25和0.053 mm),沿桶壁緩慢加入去離子水至水沒過土樣,浸泡10 min,豎直震蕩30 min,30次/min,振幅為4 cm。按次序收集各級篩子及鐵桶中土樣于100 mL燒杯中,依次為大團(tuán)聚體 (〉 2 mm)、較大團(tuán)聚體 (2~0.25 mm)、微團(tuán)聚體 (0.25~0.053 mm) 和粘粉粒組分 (〈 0.053 mm),然后于60℃下烘干至恒重,稱量各粒徑的質(zhì)量,計(jì)算出各粒級團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)采用平均重量直徑(MWD,mm) 和幾何平均直徑 (GMD,mm) 來描述。計(jì)算公式分別為:式中,為某級團(tuán)聚體平均直徑,Wi為第i級團(tuán)聚體的質(zhì)量。
數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理使用Excel 2013,不同處理之間的方差分析和多重比較使用SPSS 18.0軟件,繪圖用Origin 9.3軟件。
不同施肥覆蓋措施對冬小麥?zhǔn)斋@后剖面土壤含水量有一定影響 (圖1)。與NP相比,NPB、NPFGT和NPFWT處理0—40 cm土壤含水量分別平均增加了7.0%、20.7%和10.1%,且NPFWT在0—10 cm差異達(dá)顯著水平 (P〈 0.05)。NPFFT處理0—40 cm土壤含水量平均降低4.2%。NPFGT和NPFWT處理表層土壤含水量最高,隨著土壤深度的增加含水量降低。
圖1 不同施肥覆蓋措施下收獲期各層土壤含水量Fig. 1 Soil water content in each layer under different fertilization and mulching measures at harvest
圖2 不同施肥覆蓋措施下收獲期各層土壤容重Fig. 2 Soil bulk density in each layer under different fertilization and mulching measures at harvest
6種不同處理均表現(xiàn)出隨著土層深度增加,容重增加、孔隙度降低的趨勢 (圖2,表2)。與NP處理相比,NPK和NPB處理使耕層 (0—20 cm) 土壤容重分別降低了1.3%和8.5%;NPFFT、NPFGT和NPFWT處理三種覆膜處理使耕層土壤容重分別增加了4.7%、5.5%和7.3%。
在0—10 cm土層,與NP處理相比,NPK和NPB處理土壤總孔隙度分別增加了0.7%和7.3%,NPB處理達(dá)到極顯著水平 (P〈 0.01),NPFFT、NPFGT和NPFWT處理土壤總孔隙度分別顯著降低了5.1%、4.9%和6.7%,NPFWT處理達(dá)到極顯著水平 (P〈 0.01)。在10—20 cm土層,與NP處理相比,NPK和NPB處理土壤總孔隙度分別增加了1.4%和6.6%,NPFFT、NPFGT和NPFWT處理土壤總孔隙度分別降低了2.7%、4.2%和4.8%,但均未達(dá)到顯著水平(表2)。
表2 不同施肥覆蓋措施收獲期各層土壤總孔隙度(%)Table 2 Soil porosity in each layer under different fertilization and mulching measures at harvest
不同施肥覆蓋措施對剖面土壤飽和導(dǎo)水率有一定的影響 (表3)。與NP處理相比,NPK處理土壤飽和導(dǎo)水率在0—10 cm顯著降低29.5%;NPB處理土壤飽和導(dǎo)水率在0—10 cm顯著降低27.9%,在10—40 cm平均提高31.2%,但在各個(gè)土層均未達(dá)到差異顯著水平;NPFGT處理在0—40 cm土壤飽和導(dǎo)水率平均降低32.0%,且在0—10 cm顯著降低60.2%,并達(dá)到極顯著水平 (P〈 0.01),其余土層均未達(dá)到顯著水平;NPFWT處理土壤飽和導(dǎo)水率,在0—10 cm下降21.0%,差異未達(dá)到顯著水平,在10—40 cm平均提高57.5%,且10—20 cm達(dá)到極顯著水平 (P〈 0.01)。
表3 不同施肥覆蓋措施收獲期剖面土壤飽和導(dǎo)水率 (cm/d)Table 3 Soil saturated hydraulic conductivity of profile under different fertilization and mulching measures at harvest
2.4.1 水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布 不同施肥覆蓋措施下各粒級團(tuán)聚體的分布表現(xiàn)出類似的規(guī)律 (圖3),在各個(gè)土層各處理團(tuán)聚體主要集中在2~0.25 mm和 〈0.053 mm,且 〉 2 mm的團(tuán)聚體含量最低。在0—40 cm土層,與NP處理相比,NPK、NPB和NPFWT處理 〉 2 mm的團(tuán)聚體含量分別平均增加了45.9%、59.5%和92.1%,其中NPK和NPB處理在0—10 cm土層分別顯著提高了1.3倍和1.0倍,NPFWT處理在20—30 cm和30—40 cm土層分別顯著提高了2.4倍和1.0倍。NPFWT處理在0—10 cm和10—20 cm土層 〈 0.053 mm粘粒含量分別顯著降低了34.7和15.2%。
圖3 不同施肥覆蓋措施下收獲期剖面水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布Fig. 3 Water-stable aggregates distribution of profile under different fertilization and mulching measures at harvest
圖4 不同施肥覆蓋措施下收獲期剖面水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑和幾何平均重量直徑Fig. 4 Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of water-stable aggregates in each layer under different fertilization and mulching measures at harvest
2.4.2 水穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性 不同施肥覆蓋措施對剖面土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性有一定的影響,MWD和GMD可反映土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性狀況(圖4)。相較于NP處理,NPK和NPB處理各層土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD和GMD除10—20 cm土層外均呈增加趨勢。其中0—10 cm土層MWD分別增加了44.3%和32.9%,均達(dá)到顯著水平 (P〈 0.05);GMD分別增加了75.0%和20.8%,但僅NPK處理達(dá)到顯著水平 (P〈 0.05)。20—30 cm土層MWD分別增加了11.5%和4.9%,均未達(dá)到顯著水平;GMD分別增加了62.5%和12.5%,NPK處理達(dá)到顯著水平 (P〈 0.05)。30—40 cm土層MWD分別增加了30.6%和8.2%,GMD分別增加了100%和76.9%,且兩個(gè)處理的GMD均達(dá)到顯著水平 (P〈 0.05)。較NP處理,NPFWT處理在0—40 cm各土層土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性均有不同程度的提高,MWD平均提高18.5%,在各土層分別提高了20.2%、7.2%、26.2%和20.4%,但均未達(dá)到顯著水平;GMD平均提高48.8%,在各土層分別提高了54.2%、28.6%、12.5%和1.0倍,且除20—30 cm外其余土層皆達(dá)到顯著水平 (P〈 0.05)。
在本研究中,冬小麥?zhǔn)斋@后與NP處理相比,NPB、NPFGT和NPFWT處理在0—40 cm各土層土壤含水量均增加,而NPFFT處理土壤含水量均降低(圖1)。主要是由于生物炭的施加能夠改善土壤孔隙狀況,提高土壤保水性,在探索生物炭對黃土區(qū)土壤水分入滲影響的相關(guān)試驗(yàn)[20]中也印證了這一觀點(diǎn)。地膜覆蓋可以有效抑制地表土壤水分蒸發(fā)[15],生育期覆膜能夠促進(jìn)植物根系對下層土壤水分的利用,促進(jìn)下層土壤水分向土體上層遷移[16],夏閑期覆膜能夠在播種前為土壤儲(chǔ)存大量水分供作物生育期使用[21]。因NPFGT和NPFWT處理在生育期均有地膜覆蓋,所以收獲期0—40 cm各土層土壤含水量均高于NP處理,而NPFFT處理生育期沒有地膜覆蓋,且上一休閑期儲(chǔ)存的水分已經(jīng)在生育期消耗,因此土壤水分含量較低。柴守璽等[16]研究指出,冬小麥?zhǔn)斋@期0—200 cm平均土壤含水量覆膜處理較對照有所降低,這與本研究結(jié)果不同,可能是由于兩個(gè)試驗(yàn)研究的土層深度不同,覆膜有利于改善表層土壤墑情,而下層土壤含水量卻會(huì)降低,一方面因?yàn)闊o法受到降雨入滲補(bǔ)充,另一方面覆膜會(huì)增加冬小麥生育期耗水及對下層土壤水分的利用。
施鉀肥會(huì)促進(jìn)冬小麥生長,增加地下部分小麥根系殘留量[21],進(jìn)而增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤結(jié)構(gòu)。本研究與付威等[5]對耕層土壤的研究結(jié)果一致,在氮磷肥配施的基礎(chǔ)上施加鉀肥,0—10 cm和10—20 cm土壤容重分別降低0.9%和1.6%。但20—30 cm土層容重基本無變化,30—40 cm土層容重增加2.1%,導(dǎo)致犁底層土壤容重增加的原因可能是,鉀肥主要施加在耕層,促進(jìn)了上層根系的生長,對下層根系生長有一定抑制作用。
施加生物炭后,0—20 cm的土壤容重降低,土壤總孔隙度顯著增加,這與相關(guān)研究[22-25]對耕層土壤探究中得出的結(jié)果一致。施加生物炭有利于降低土壤容重,增加土壤總孔隙度,達(dá)到改良土壤物理性狀的作用[7],其主要原因是加入的生物炭本身容重低于礦質(zhì)土壤,加入土壤后產(chǎn)生稀釋作用,從而降低了土壤容重[5]。因當(dāng)?shù)馗魃疃葹?0 cm左右,生物炭無法到達(dá)深層,所以20—40 cm土層容重并未降低。
降雨和小麥生長耗水的時(shí)空分布不均衡及土壤水分蒸發(fā)損失是目前制約黃土塬區(qū)小麥生長的主要因素。夏閑期和生育期覆膜可以有效緩解這個(gè)問題,但是長期地膜覆蓋卻增加了0—20 cm土壤容重,降低土壤總孔隙度 (圖2、表2),導(dǎo)致土壤質(zhì)量的下降。由于地膜材質(zhì)以聚乙烯為主,不易降解,經(jīng)長期覆蓋后會(huì)殘留在耕層土壤中,阻塞土壤孔隙,導(dǎo)致耕層土壤總孔隙度下降,土壤容重增大[23]。雖然本研究開展過程中播種前和收獲后均人工清除地膜,減少了土壤中塑料薄膜殘留,但依舊產(chǎn)生了塑料垃圾,增加了工作量,不利于持續(xù)發(fā)展。因此,今后若在該地區(qū)使用可降解地膜,可達(dá)到既促進(jìn)小麥增產(chǎn)又保護(hù)生態(tài)環(huán)境的雙重目的。
相關(guān)研究顯示,生物炭的施用可以顯著降低土壤容重,增加土壤總孔隙度,提高土壤水分入滲能力,增加表層土壤飽和導(dǎo)水率[22,26]。本研究發(fā)現(xiàn)施加生物炭后0—10 cm飽和導(dǎo)水率下降,可能是由于生物炭的施加在土壤表層累積,堵塞了部分大孔隙,因而會(huì)減少土壤大孔隙的數(shù)量,增加中小孔隙的數(shù)量[27],小孔隙的增加降低了土壤水分傳導(dǎo)能力,導(dǎo)致表層土壤飽和導(dǎo)水率降低。10—40 cm各層土壤飽和導(dǎo)水率較NP處理均呈增加趨勢,但均未達(dá)到顯著水平,主要受土壤總孔隙度的影響,生物炭具有增加土壤總孔隙度的作用,在本研究中10—40 cm各層土壤總孔隙度較NP處理均增加,但均未達(dá)到顯著水平。
聚乙烯薄膜因其難降解性,導(dǎo)致覆膜后表層土壤的孔隙度和透水性降低,進(jìn)而降低土壤飽和導(dǎo)水率[5]。本試驗(yàn)也反映出這一規(guī)律,在0—10 cm土層,NPFFT、NPFGT和NPFWT三種覆膜處理土壤飽和導(dǎo)水率分別降低13.8%、60.2%和21.0%,且NPFGT處理在10—40 cm土層飽和導(dǎo)水率也降低。然而,在本試驗(yàn)中,NPFWT處理增加了10—40 cm土壤飽和導(dǎo)水率。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是全年覆膜會(huì)促進(jìn)冬小麥生長并產(chǎn)生大量的根系分泌物,增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量[5],但因地膜殘留主要集中在土壤表層,所以地膜覆蓋下10—40 cm土層飽和導(dǎo)水率增加。
本研究中,NPK處理0—40 cm各土層 〉 2 mm的大團(tuán)聚體含量均增加,且除10—20 cm土層其余土層的MWD和GMD值均增加。說明鉀肥的施加可促進(jìn)土壤中大團(tuán)聚體的形成[28]并增加水穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性。付威等前期研究顯示,施加鉀肥可提升耕層土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量[5],而有機(jī)質(zhì)中的多糖、胡敏酸和蛋白質(zhì)等均為良好的膠結(jié)劑,可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成。
施加生物炭后,0—40 cm各土層 〉 2 mm的大團(tuán)聚體含量均增加,且除10—20 cm外,其余土層的MWD和GMD值均增加。說明施加生物炭可促進(jìn)土壤中大團(tuán)聚體的形成并增加土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性。Glaser等[7]研究發(fā)現(xiàn),生物炭具有促進(jìn)土壤顆粒形成土壤團(tuán)聚體和有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的作用,同時(shí)能夠提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。一方面由于生物炭本身為大分子結(jié)構(gòu)[29],比表面積較大,具有膠結(jié)和團(tuán)聚作用,能夠促進(jìn)微團(tuán)聚體向較大團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化[30];另一方面,土壤微生物能夠分泌增加土壤團(tuán)聚性的膠結(jié)物質(zhì),施加生物炭后,土壤有機(jī)質(zhì)含量增加[31],可促進(jìn)微生物生長發(fā)育和膠結(jié)物質(zhì)的產(chǎn)生[32]。
氮磷肥配合地膜全年覆蓋,0—40 cm各土層 〉 2 mm的大團(tuán)聚體含量、MWD和GMD值均增加。表明地膜全年覆蓋可促進(jìn)土壤中大團(tuán)聚體的形成和土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高。付鑫等[33]研究顯示,地膜覆蓋可提高0—10 cm土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性并能夠促進(jìn)小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化。主要原因是,地膜覆蓋可以提高土壤溫度[11],促進(jìn)微生物的生長繁殖,分泌更多的膠結(jié)物質(zhì)[34],進(jìn)而促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成,增加其穩(wěn)定性。
本研究發(fā)現(xiàn),不同施肥覆蓋措施對土壤容重、土壤總孔隙度和飽和導(dǎo)水率的影響主要在0—20 cm土層,對20—40 cm土層影響較小,這可能是受到當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣的影響,一般的耕作深度在20 cm以內(nèi)。淺層耕作會(huì)影響作物根系下扎,導(dǎo)致根系分泌物主要分布在上層土壤,下層土壤有機(jī)質(zhì)較少,不利于改善土壤物理性質(zhì),影響降水向下層土壤入滲。因此,應(yīng)該開展深耕對旱塬土壤剖面理化性質(zhì)影響的研究。此外,土壤地力水平的提高需要改善土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì),本文僅從土壤物理性質(zhì)方面提出了適宜該地區(qū)的管理措施,今后應(yīng)開展關(guān)于該地區(qū)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)三方面屬性的綜合研究,全面評價(jià)不同管理措施的效果。
在氮磷肥配施的基礎(chǔ)上增施生物炭,能夠降低收獲期耕層土壤容重,增加耕層土壤總孔隙度,促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成,增強(qiáng)土壤持水性和降低表層土壤飽和導(dǎo)水率,提高下層土壤飽和導(dǎo)水率,但生物炭經(jīng)濟(jì)投入較大,不利于長期使用。氮磷肥配合地膜夏閑期覆蓋會(huì)降低土壤持水性,增加耕層土壤容重,降低耕層土壤總孔隙度。氮磷肥配合地膜生育期覆蓋能夠增加土壤持水性,但會(huì)增加耕層土壤容重,降低耕層土壤總孔隙度,降低土壤飽和導(dǎo)水率。
在氮磷肥配施的基礎(chǔ)上增施鉀肥,能夠降低收獲期耕層土壤容重,增加耕層土壤總孔隙度,促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成。氮磷肥配合地膜全年覆蓋能夠促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成,增加水穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性,增強(qiáng)土壤持水性,且能夠提高10—30 cm土壤飽和導(dǎo)水率。這兩個(gè)處理綜合效應(yīng)較好,是適宜該地區(qū)保持良好土壤剖面物理性狀的有效措施。