楊穎楠, 黃明斌

(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.西北農(nóng)林科技大學(xué)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)

土壤質(zhì)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤水力性質(zhì)是土壤質(zhì)量的重要組成部分[1]。土壤水力學(xué)性質(zhì)決定了土壤保持水分和傳導(dǎo)水分的能力，是維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。肥料的使用可以改善土壤的某些理化性質(zhì)，提高水分利用效率，但長期不合理的化肥施用會(huì)導(dǎo)致區(qū)域土壤質(zhì)量明顯退化，嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量。近年來，有機(jī)肥與化肥配施是農(nóng)業(yè)研究的主要方向，配施有機(jī)肥能夠提高土壤貯水能力和水分利用效率，促進(jìn)作物生長發(fā)育、增加了有機(jī)物的歸還量，進(jìn)而改善了土壤物理性質(zhì)[2-3]。但過量的化肥使用會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)[4]、破壞土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]，同時(shí)過量的氮、磷肥會(huì)隨地表徑流、地下徑流和深層滲漏污染地表水和地下水[6]。

由于施肥試驗(yàn)時(shí)間長短不一樣、施肥水平不同、試驗(yàn)條件和研究作物差異，以及氣候和土壤不同，不同研究者取得試驗(yàn)結(jié)果不完全一致。對(duì)栗褐土[1]、潮土[7]、紅壤[5]的研究發(fā)現(xiàn)，長期施用化肥破壞了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，土壤孔隙度降低，導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)惡化；與單施化肥相比，施有機(jī)肥能改善土壤總孔隙度、土壤有效水含量、透水性、飽和導(dǎo)水率，同時(shí)提高土壤持水性。馬俊永等[8]的施肥試驗(yàn)表明，有機(jī)肥和無機(jī)肥混合施用可以使土壤的容重得到明顯的降低，不僅提高了土壤孔隙度和毛管孔隙的數(shù)量，還改善了土壤的物理環(huán)境，土壤有效持水容量和田間最大持水量也得到了提高。但也有不同研究發(fā)現(xiàn)，長期單獨(dú)施用化肥并非造成土壤板結(jié)的主要原因[9]，而施有機(jī)肥沒有提高甚至?xí)档屯寥里柡蛯?dǎo)水率[10]。另外，不同深度土壤水力性質(zhì)受施肥影響存在差異，目前這方面的研究報(bào)道還很少。

為此，本研究以黃土高原地區(qū)1984—2020年的長期施肥定位試驗(yàn)為依據(jù)，探討不同施肥處理對(duì)土壤主要水力性質(zhì)的影響及其隨深度的變化，以期為制定科學(xué)的施肥方案提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省長武縣十里鋪塬面旱地(35°14′N，107°40′E)，該區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，是典型的渭北旱塬旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物以一年一熟小麥和玉米為主[11]。試驗(yàn)區(qū)平均海拔1 200 m，日照時(shí)數(shù)2 226 h，年均氣溫9.1 ℃, 1月平均氣溫-4.7 ℃, 7月平均氣溫22.1 ℃。年均降雨量578.5 mm，年際變異較大，季節(jié)性分布不均， 7—9月降水量占全年降水總量的55%以上。長期定位施肥試驗(yàn)于1984年開始，試驗(yàn)地土壤屬黃蓋粘黑壚土，母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，全剖面土質(zhì)均勻疏松。土壤容重1.23～1.44 g/cm3，孔隙度50%左右，通透性好，肥力中等[12-13]。耕層土壤的平均有機(jī)質(zhì)含量為6.89 g/kg，平均全氮含量為0.99 g/kg，全磷含量為1.01 mg/kg[14-15]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過試驗(yàn)區(qū)多年田間定位試驗(yàn)，試驗(yàn)選取4個(gè)施肥處理，分別為：CK(不施肥對(duì)照處理)，NP(氮磷配施， N 120 kg/hm2, P 26.4 kg/hm2)，M(單施有機(jī)肥，有機(jī)肥 75 t/hm2)，NPM(氮磷有機(jī)肥配施， N 120 kg/hm2, P 26.4 kg/hm2，有機(jī)肥 75 t/hm2)。氮素化肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，有機(jī)肥為廄肥，有機(jī)質(zhì)含量106 g/kg，全氮含量2.65 g/kg，速效磷含量0.11 g/kg。所有肥料于作物播種前一次撒施地表，翻入土中，田間管理同大田。

1.3 樣品采集與測定

試驗(yàn)樣品采集于2020年11月，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)。由于施肥僅影響耕層土壤物理性質(zhì)[16]，每個(gè)小區(qū)采樣深度僅限于耕層和犁底層深度。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選一點(diǎn)用土鉆取0—10，10—20，20—30，30—40 cm的擾動(dòng)土樣，裝入自封袋，填寫標(biāo)簽，帶回室內(nèi)處理，用于測定土壤機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量。同時(shí)，各土層容重、田間持水量和水分特征曲線采用原狀土壤樣品測定[17]。

土壤容重采用環(huán)刀法測定[18]。土壤總孔隙度由公式p=1-(土壤容重/土壤密度)計(jì)算得出，土壤密度取2.65 g/cm3[19]。田間持水量(FC)用沙吸法測定[20]。土壤水分特征曲線用離心機(jī)法[21]，取1 500 kPa水吸力值下的土壤含水量作為土壤凋萎系數(shù)。有效持水容量(AWHC)為田間持水量與凋萎系數(shù)的差值[22]。土壤顆粒組成采用吸管法測定[23]，各層砂粒(粒徑0.02～2 mm)、粉粒(粒徑0.02～0.002 mm)、黏粒(粒徑<0.002 mm)含量見表1。

表1 黃土高原地區(qū)不同施肥處理各土層土壤顆粒組成 %

1.4 飽和導(dǎo)水率計(jì)算

2001年， Suleiman等[24]提出了使用土壤有效孔隙度估算飽和導(dǎo)水率(Ks)的相對(duì)有效孔隙度模型(REPM)。經(jīng)過多個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋容^結(jié)果表明[25-26], REPM是估算Ks的簡單可靠經(jīng)驗(yàn)方法，因此本研究借助該模型對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行估算。其表達(dá)式如下：

式中：Ks為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)；φer為相對(duì)有效孔隙度,可以通過有效孔隙度(φe)與FC(田間持水量)的比值計(jì)算：

式中：P為總孔隙度。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2018及SPSS(24.0)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素(one-way ANOVA)和LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較，檢驗(yàn)不同處理間在p<0.05的顯著性水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

不同施肥處理表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異及其隨深度的變化如圖1所示。由圖1可知，不同施肥處理會(huì)影響到表層0—30 cm有機(jī)質(zhì)含量。在0—10 cm土層， M和NPM處理顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，而NP和CK處理之間的土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異；相對(duì)于CK和NP處理， M處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高了50.1%和29.3%, NPM處理有機(jī)質(zhì)含量分別提高了64.3%和41.63%。在10—20 cm土層， NP，M和NPM處理均顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，較CK處理分別提高了36.8%，51.7%和68.9%；其中， NPM處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于NP處理，提高了23.5%。在20—30 cm土層，僅M處理顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量， CK和NP，NPM處理間無顯著差異。

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤容重和總孔隙度的影響

由圖2可知，各處理的土壤容重均隨著土層深度增加而增加。在0—10 cm土層，較NP處理，NPM處理的土壤容重顯著降低了7.2%。在10—20 cm土層，NP處理土壤容重顯著增加，較CK，M，NPM處理分別增加了4.4%，7.4%，8.2%。在20—40 cm土層，各處理間無顯著差異。

圖2 黃土高原地區(qū)不同施肥處理下各土層土壤容重

不同施肥處理表層土壤總孔隙度的差異及其隨深度的變化如圖3所示。由圖3可知，不同施肥處理僅影響到表層0—20 cm總孔隙度，不同施肥處理20—40 cm土層土壤總孔隙度無顯著差異。在0—10 cm土層， NPM處理顯著提高了土壤總孔隙度，相對(duì)于CK，NP和M處理，土壤總孔隙度分別提高了2.7%，5.1%和1.8%；而CK，NP和M處理之間土壤總孔隙度差異不顯著。在10—20 cm土層， NP處理顯著降低了土壤總孔隙度，而CK，M和NPM處理間土壤總孔隙度無顯著差異，相對(duì)于CK，M和NPM處理， NP處理導(dǎo)致土壤總孔隙度分別降低了3.9%，6.2%和6.9%。通過相關(guān)性分析表明，土壤孔隙度大小和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖4)，隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤總孔隙度線性增加。

圖3 黃土高原地區(qū)不同施肥處理下各土層土壤總孔隙度

圖4 黃土高原地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤孔隙度的相關(guān)性

2.3 不同施肥處理對(duì)表層土壤田間持水量和有效持水容量的影響

圖5為不同施肥處理表層土壤田間持水量的差異及其隨深度的變化。由圖5可知，不同施肥處理會(huì)影響表層0—30 cm田間持水量， 30—40 cm土層土壤田間持水量無顯著差異。在0—10 cm土層， NPM處理顯著提高了土壤田間持水量，相對(duì)于CK，NP和M處理，土壤田間持水量分別提高了22.4%，21.3%，17.2%；CK，NP和M處理之間土壤田間持水量無顯著差異。在10—20 cm土層， NPM處理較 CK，NP，M處理田間持水量分別顯著提高了24.4%，23.0%，23.8%, CK，NP和M處理之間田間持水量仍無顯著差異。而在20—30 cm土層，相對(duì)于CK處理， NPM處理顯著提高了田間持水量， NP，M和CK處理之間土壤田間持水量差異不顯著。

圖5 黃土高原地區(qū)不同施肥處理各土層土壤田間持水量

CK，NP，M，NPM 4種處理在土壤表層0—40 cm的有效持水容量分別為16.7，19.4，21.2，23.9 mm，相對(duì)于CK處理， NP，M和NPM處理都顯著提高了表層土壤有效持水容量。圖6為不同施肥處理表層土壤有效持水容量的差異及其隨深度的變化，不同施肥處理對(duì)表層0—30 cm土層土壤有效持水容量有顯著影響， 30—40 cm土層各處理間無顯著差異。在0—10 cm土層， CK，NP和M處理間土壤有效持水容量無顯著差異，而NPM處理顯著提高了土壤有效持水容量，較CK，NP和M處理分別提高了37.1%，25.2%和17.0%。類似于0—10 cm土層，在10—20 cm土層也只有NPM處理顯著提高了土壤有效持水容量，相對(duì)于CK，NP和M處理， NPM處理土壤有效持水容量分別提高了46.5%，42.6%，34.6%。在20—30 cm土層， NP，M與NPM處理之間土壤有效持水容量無顯著差異，但較CK處理分別顯著提高了土壤有效持水容量36.8%，47.3%和50.2%。

圖6 黃土高原地區(qū)不同施肥處理各土層土壤有效持水容量

2.4 不同施肥處理對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

由表2可知，不同施肥處理對(duì)各土層土壤飽和導(dǎo)水率有顯著影響。在整個(gè)土壤剖面(0—40 cm)，NPM處理較CK和M處理顯著提高了土壤飽和導(dǎo)水率。在0—10 cm土層， NPM處理顯著提高了土壤飽和導(dǎo)水率，相對(duì)于CK，NP和M處理，土壤飽和導(dǎo)水率分別提高了8.7%，7.1%，6.6%；CK，NP和M處理之間土壤飽和導(dǎo)水率無顯著差異。在10—20 cm土層，相對(duì)于CK處理， NPM處理的土壤飽和導(dǎo)水率顯著提高了6.6%, M處理顯著降低了7.1%；NP和CK處理間的飽和導(dǎo)水率無顯著差異。在20—30 cm土層， NP和NPM處理顯著提高了土壤飽和導(dǎo)水率，相對(duì)于CK處理分別提高了17.7%和21.3%；而M和CK處理間的土壤飽和導(dǎo)水率無顯著差異。在30—40 cm土層， NP處理顯著提高了土壤飽和導(dǎo)水率，相對(duì)于CK和M處理，土壤飽和導(dǎo)水率分別提高了12.4%和9.2%；CK，M和NPM處理之間土壤飽和導(dǎo)水率差異不顯著。

表2 黃土高原地區(qū)不同施肥處理各土層土壤飽和導(dǎo)水率

3 討 論

長期不同施肥措施影響土壤性質(zhì)，本研究選取有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重、土壤孔隙度、土壤水分參數(shù)等來評(píng)價(jià)土壤性質(zhì)的變化。

有機(jī)質(zhì)是改善土壤結(jié)構(gòu)的主要物質(zhì)，它通過降低土壤容重和提升土壤孔隙度顯著改變土壤功能[19]。目前，國內(nèi)學(xué)者已有不少關(guān)于施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響的研究。對(duì)黑土[27]、紅壤、灰漠土、壚土、潮土、褐土[28]長期耕作施肥后研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥或有機(jī)肥配施化肥，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，而長期施用化肥的土壤有機(jī)質(zhì)含量與供試前相比差異不顯著。本研究結(jié)果表明， M和NPM處理均能顯著提高表層土壤有機(jī)質(zhì)含量， NP與CK處理之間差異不顯著，這與柳影等[29]報(bào)道土壤有機(jī)質(zhì)含量主要受施用有機(jī)肥數(shù)量和質(zhì)量的影響的結(jié)論相一致。

土壤容重是反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力高低的重要指標(biāo)，對(duì)土壤水、氣、熱狀況和作物根系生長有著直接的影響。土壤容重與土壤孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤容重越小，土壤孔隙度越大，說明土壤結(jié)構(gòu)、透氣透水性能越好。大量研究結(jié)果表明，長期不施肥的土壤，耕層結(jié)構(gòu)致密，孔隙發(fā)育很少，土壤微結(jié)構(gòu)較差；單施化肥，土壤顆粒未形成結(jié)構(gòu)體，孔隙少；施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施，土壤粗顆粒數(shù)量顯著增加，結(jié)構(gòu)疏松，而且孔隙量大[30]。本研究結(jié)果表明， M和NPM處理均在一定程度上降低了表層土壤容重，提高了表層土壤孔隙度；同時(shí)，土壤孔隙度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，這與施肥對(duì)塿土[31]、潮土[8]和砂姜黑土[32]的影響研究結(jié)果一致。說明施加有機(jī)肥分解形成的有機(jī)質(zhì)可以疏松土壤、增大孔隙度，降低土壤容重，有效改善表層土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤有效養(yǎng)分，有利于土壤保水保肥[33]。而NP處理增加了表層土壤容重，10—20 cm土層較CK處理顯著增加4.4%，土壤孔隙度顯著降低6.9%，土壤有硬化趨向，可能是由于長期偏施無機(jī)肥，農(nóng)田土壤磷素過高，破壞了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，致使土壤板結(jié)，影響冬小麥根系生長和水分和養(yǎng)分吸收。這與王改蘭等[1]長期不施肥或單獨(dú)施用化肥，土壤容重趨劣的結(jié)論相一致，但部分研究發(fā)現(xiàn)長期施用化肥會(huì)降低表層土壤容重、增加土壤孔隙度[10]，這可能與研究區(qū)地形、土壤性質(zhì)和施肥水平等不同有關(guān)，具體機(jī)理需要進(jìn)一步的研究。不同施肥處理對(duì)20—40 cm土壤的孔隙度無顯著影響，可能是有機(jī)肥分解形成的有機(jī)質(zhì)只對(duì)表層土壤產(chǎn)生了一定的影響，而對(duì)下層土壤影響不顯著的緣故[9]。

土壤田間持水量和土壤有效持水容量與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以反映土壤蓄水、保水和供水性能的優(yōu)劣，也能間接地反映出土壤中孔隙的分布。一般來說，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高[34]，土壤孔隙度越大，土壤通氣透水性越好，土壤涵養(yǎng)水源能力和保持水土的功能就越好。本研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥后表層土壤的田間持水量和有效持水容量均有提高，其中NPM處理效果最佳。在0—30 cm土層， NPM處理的田間持水量較CK顯著提高了23.5%，有效持水容量顯著提高了40.1%；30—40 cm土層各處理間均無顯著差異，表明化肥有機(jī)肥配施對(duì)提高0—30 cm土層土壤持水性能有明顯作用，可以有效改善表層土壤透水和持水狀況。M處理顯著提高了0—10 cm和20—30 cm土層的土壤有效持水容量，說明有機(jī)物的良好親水特性可以增強(qiáng)土壤保水能力[8]。NP和CK處理之間的持水性能差異較小，且均低于M和NPM處理，可能是因?yàn)榇罅縉肥的使用導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞從而降低了土壤的持水特性[19]。

此外，土壤飽和導(dǎo)水率也是研究土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)，它與土壤孔隙數(shù)量、土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、含水量等有關(guān)，是土壤重要的物理特性之一。研究表明，MNP處理較CK顯著提高了整個(gè)剖面(0—40 cm)土壤飽和導(dǎo)水率;較CK，NP，M處理，顯著提高了表層(0—20 cm)土壤飽和導(dǎo)水率，這與Shi等[35]對(duì)塿土的研究結(jié)果相一致，化肥有機(jī)肥配施可以增加土壤孔隙度，進(jìn)而改善表層土壤的透水狀況，提高土壤水分入滲能力[36-38]。M和NP處理降低了10—20 cm的土壤飽和導(dǎo)水率，可能是由于長期施單肥，耕層的粉粒、黏粒和肥料堵塞了部分大孔隙，導(dǎo)致土壤大孔隙數(shù)量減少，中小孔隙數(shù)量增加，土壤逐漸緊實(shí)，從而降低了土壤水分傳導(dǎo)能力[13]。

長期不同施肥處理改變了土壤肥力狀況和土壤理化性質(zhì)，最終影響冬小麥產(chǎn)量。經(jīng)過36 a，NP，M，NPM處理對(duì)應(yīng)的平均產(chǎn)量分別為3 895.3，3 438.0，4 494.9 kg/hm2，分別比對(duì)照增產(chǎn)161.7%，130.9%，201.9%，差異顯著(p<0.05)。本研究發(fā)現(xiàn)NPM處理相對(duì)NP和M能增大土壤孔隙度，降低土壤容重，提高土壤持水性能，因而NPM處理具有最大增產(chǎn)優(yōu)勢，是旱地農(nóng)業(yè)最佳施肥方式。

4 結(jié) 論

通過分析36 a不同施肥處理土壤水力性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，與不施肥相比，化肥有機(jī)肥配施和單施有機(jī)肥顯著提高了表層(0—20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)含量，化肥有機(jī)肥配施效果更優(yōu)；長期單施化肥則顯著增加了表層(0—20 cm)土壤容重，降低了表層土壤孔隙度，導(dǎo)致土壤緊實(shí)、破壞土壤結(jié)構(gòu)；各施肥處理都有效改善了土壤持水性能，其中，化肥有機(jī)肥配施顯著提高了0—20 cm土層土壤田間持水量和有效持水容量以及 0—30 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率。不同施肥處理對(duì)深層(30—40 cm)土壤的物理性質(zhì)無顯著影響。