有機物料還田對土壤導水導氣性的綜合影響

趙麗麗，李陸生，蔡煥杰，石小虎，薛少平

（1西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100；2中國旱區節水農業研究院，陜西楊凌 712100；3華北水利水電大學水利學院，鄭州 450046；4西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100）

0 引言

【研究意義】陜西關中平原是我國主要的糧食生產區，以小麥-玉米輪作為主，一年兩熟，屬高度集約化農業生產區，具有悠久連續的農耕歷史[1]。該區土壤類型以土為主，是基于黃土母質，伴隨長期土糞堆墊，經反復旱耕、熟化發育而成的土壤[2]。關中平原受到長期灌溉、過量施用化肥和小型農機具耕作（以旋代耕）等農田管理措施的影響，土壤有機質流失（一般低于15 g·kg-1），土壤緊實、硬化、板結普遍發生，破壞了土壤孔隙結構，阻斷了土壤水分和空氣與外界的交換媒介，降低了土壤導水導氣性能[3-5]。土壤導水導氣性反映土壤水分和空氣的更新速率，直接關系到土壤水氣的流通、貯存及對作物的供應是否充分、協調，影響土壤熱和養分狀況，對作物的生長發育和產量形成具有重要的指導意義[6-9]。有機物料和化肥配施，綜合了有機物料持久性和化肥速效性的優點，既能為農作物生長提供充足的養分，又能改善土壤孔隙結構，提高土壤導水導氣性，為作物正常生長創造良好的水分和空氣環境[10-12]。【前人研究進展】目前，關于施加有機物料對紅壤[13]、潮土[14]、石灰性黑鈣土[15]、砂姜黑土[16]和變性土[17]的孔隙分布、水分常數及水分入滲參數等的影響已有較多報道。針對土，YU等[18]和丁奠元等[19]研究指出秸稈粉碎氨化還田促進土壤孔隙結構發育，增加土壤總孔隙度和結構孔隙度，培肥土壤，改善土壤耕性；SHI等[20]和 ZHANG等[21]發現長期有機無機肥配施顯著提高了土的非飽和導水率。而關于添加有機物料對土壤導氣性的影響，國外學者指出施加稻殼或糞肥能夠增加土壤大孔隙，改善土壤孔隙連通性，提高土壤導氣性[22-24]。國內僅陳帥等[25]、羅松等[26]和王衛華等[27]利用 PL-300儀器分析了開墾年限、秸稈覆蓋、覆膜和改良劑等田間管理措施下土壤導氣性的變化。【本研究切入點】雖然以上研究考慮了有機物料還田對土壤孔隙結構、水力傳導特征或導氣性的影響，但缺乏其對土壤導水導氣性的綜合評價。另外，關中平原施用有機物料種類多樣，故需對比不同有機物料還田對土壤導水導氣性的改善效果，以確定最優還田模式。【擬解決的關鍵問題】本研究選取麥稈、麥殼、土糞和生物肥4種當地常用的有機物料，通過2年田間小區定位試驗，分析其與化肥配施對0—30 cm土層土壤孔隙性和導水導氣性的影響，并基于主成分分析獲取不同土層改善效果最優的有機物料還田方式，旨在為關中平原地區合理利用有機物料資源及農業生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2014年6月至2016年6月在西北農林科技大學教育部旱區農業水土工程重點實驗室節水灌溉試驗站進行（108°04′ E，34°17′ N，海拔 521 m）。該區屬典型的暖溫帶半濕潤季風氣候，年均無霜期 210 d，日照時數2 164 h，氣溫13 °C，降水量632 mm，蒸發量1 510 mm。供試土壤類型為土（土墊旱耕人為土，Eum-Orthic Anthrosols），播前土壤基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗田種植制度為冬小麥-夏玉米輪作。采用小區試驗設計，共 5個處理：化肥（CK）；化肥+麥稈（MWS）：秸稈曬干后切割成約2 cm的小段；化肥+麥殼（MWH）：麥殼曬干粉碎后過10目篩備用；化肥+土糞（MFS）：土糞為當地農民腐熟好的羊糞和土壤的4﹕1混合物；化肥+生物肥（MBF）：生物肥為土糞+微生物菌劑（60 kg·hm-2，有效活菌數≥2×108cfu/g），各處理重復3次，固定小區定位處理，小區面積為30 m2（7.5 m×4.0 m），不同有機物料基本理化性質見表 2。試驗前，田間肥料管理措施為單施化肥，施肥種類為尿素（46%N）和磷酸二銨（18%N，46%P2O5），冬小麥季施用150 kg N·hm-2，110 kg P2O5·hm-2，全部基施；夏玉米季施用 170 kg N·hm-2，170 kg P2O5·hm-2，60%基施，40%于大喇叭口期追施。有機物料還田試驗，化肥施用量和施用方式遵循試驗前農田施肥習慣，有機物料施用量為 20 000 kg·hm-2（干重）。播種前將化肥和有機物料均勻撒于小區地表，用鏵式犁翻地1遍，旋耕機旋地2遍耙平土地，作業深度約25 cm。其他管理根據當地常規操作進行。

表1 播前0—30 cm土層土壤基本理化性質Table 1 Initial physio-chemical characteristics of the 0—30 cm soil layers in the experimental field under investigation

表2 試驗用有機物料的理化性質Table 2 Physico-chemical characteristics of the applied organic materials

1.3 測定項目與方法

于2015年6月和2016年6月小麥收獲前在各小區按三角形選取3個樣點取樣。利用土鉆（直徑5 cm）分層（每10 cm一層）取土至30 cm，采用烘干法測定土壤水分，比重瓶法測定土粒密度。用環刀（Φ5.046 cm×5 cm）分3層（2—7 cm、12—17 cm、22—27 cm）取原狀土，采用環刀法測定土壤容重和10 kPa土壤水吸力條件下的土壤含水量（田間持水量）；根據土壤毛管水上升理論，10 kPa土壤水吸力條件下的土壤體積含水率等于土壤小孔隙（＜30 μm），同等土壤水吸力條件下的孔隙度等于土壤大孔隙（≥30 μm）[8]。土壤入滲性能采用環刀法測定，初滲率為初始3 min的平均入滲率；穩滲率為達到穩滲時的入滲率；平均入滲率為達到穩滲時的滲透總量與入滲時間的比值；因土壤入滲率在75 min均已達到穩定，為便于比較，累積入滲量取90 min的滲透總量。土壤飽和導水率采用定水頭法測定[7]，土壤導氣率在10 kPa土壤水吸力條件下采用一維穩態法測定[28]。于2014年6月（試驗前）在試驗田隨機選取6個樣點取樣，測定土壤孔隙性和導水導氣性相關指標的初始值（PT）。

土壤導氣率和孔隙連通性的計算方法如下：

（1）土壤導氣率

式中：ka為土壤導氣率（μm2）；μ為干空氣動態黏滯系數（Pa·s）；Z為土樣高度（m）；Q為氣體傳導速率（m3·s-1）；A為橫截面積（m2），ΔP為土柱管內密閉空間壓強與大氣壓強差（Pa）。

干空氣黏滯系數受溫度影響，估算公式如下：

式中：T為空氣溫度（℃）。

（2）GROENEVELT等[29]提出反映土壤孔隙連通性的指標PO

式中：PO為孔隙連通性指標（μm2）；ka為一定土壤水吸力條件下（10 kPa）的土壤導氣率（μm2）；ε為同等土壤水吸力條件下的土壤孔隙度（%）。

土壤導氣率選用10 kPa土壤水吸力（土壤含水量接近田間持水量）條件下的數值，而未采用土壤完全干燥條件下的數值，具有明顯優勢：完全干燥條件下的土壤易收縮，產生較大裂縫，土壤結構遭受破壞，影響測量精度[30]；土壤導氣率與大孔隙中水流密切相關，當土壤含水量接近田間持水量時，氣體流動主要發生于大孔隙中[7]，易于探索土壤導氣率和孔隙結構之間的關系；前人研究主要探討10 kPa土壤水吸力條件下的土壤導氣率變化特征，本研究選用相同的測定條件便于引用前人成果。

1.4 數據處理

通過SPSS 20.0進行顯著性分析和主成分分析，利用Origin 8.0繪圖。

2 結果

2.1 土壤孔隙性

土壤孔隙性包括孔隙度、孔隙分布和孔隙連通性，是土壤結構特征的反映，直接影響土壤導水導氣性[7,19]。綜合分析有機物料連續 2 年還田不同土層土壤孔隙性的變化特征（表 3）。結果表明：有機物料還田改善0—10 cm土層土壤容重和孔隙度，但未達到顯著水平（P＞0.05），可能受田間管理措施影響較大。各有機物料處理0—10 cm土層土壤大孔隙較CK和 PT顯著（P＜0.05）增加 25.5%—66.8%，其中以MWS處理增幅最大，說明該影響與有機物料自身結構特性有關（麥稈具有大量纖維結構（表 2），起到疏通土壤大孔隙的作用）。另外，MWS和MWH處理0—10 cm土層土壤孔隙連通性較CK和PT顯著（P＜0.05）增加93.1%—221.2%。

有機物料連續還田 2年對土壤產生了直接的稀釋效應[31]，降低了10—20 cm土壤容重、增加了土壤孔隙度，其中MWS、MWH和MFS處理均達到顯著（P＜0.05）水平，較 CK和 PT土壤容重降低了3.2%—5.1%，土壤孔隙度增加了3.9%—6.0%。而且，高量有機物料還田可增加土壤有機質含量，疏松土壤，改善土壤容重和孔隙度，進而提高土壤孔隙連通性[22]。各有機物料處理10—20 cm土層土壤孔隙連通性較 CK和 PT顯著（P＜0.05）增加了64.9%—374.5%。在孔隙分布方面，僅MWS處理2 年后顯著（P＜0.05）增加 10—20 cm 土壤大孔隙，而MWH、MFS和MBF處理作用于土2年均顯著（P＜0.05）增加10—20 cm土層土壤小孔隙，可能是由于有機物料還田疏松0—10 cm土層的土壤，灌水和降水過程導致表層土黏粒向下層土壤遷移，堵塞10—20 cm土層部分大孔隙，增加小孔隙[31]，而麥稈因具有大量纖維結構，更有利于形成大孔隙[19]；也可能是由于較低C/N比的有機物料（表2）腐解速率更快，可較快速的改善土壤微生物活性和土壤結構，有利于增加團聚體內部的小孔隙[18,20]。

有機物料連續2年還田，20—30 cm土層土壤大孔隙較CK和PT顯著（P＜0.05）增加58.5%—136.4%，土壤小孔隙較CK和PT顯著（P＜0.05）減少9.3%—17.9%；可能是有機物料還田促進了作物根系生長和土壤動物活動，有效增加了生物大孔隙[12]。但有機物料還田沒有改善20—30 cm土層的孔隙連通性，MWH和MWS處理土壤孔隙連通性甚至顯著（P＜0.05）降低，較CK和PT減小29.6%—52.5%，這可能受生物大孔隙的彎曲度影響。

2.2 土壤入滲性能

土壤入滲性能反映土壤導水性，是重要的土壤物理性質[7,20]。由圖1可知，不同有機物料連續2年還田試驗中，同一土層土壤初滲率、穩滲率、平均入滲率和90 min累積入滲量的變化規律基本一致。各有機

物料處理較CK和PT顯著（P＜0.05）增加0—10 cm土層土壤初滲率 0.10—2.94 cm·min-1，穩滲率0.11—1.78 cm·min-1，平均入滲率 0.11—1.98 cm·min-1和累積入滲量9.73—175.15 cm，其中，MWS處理效果顯著最優（P＜0.05），主要原因是MWS處理土壤大孔隙相對較多，對土壤入滲性能有顯著正作用。同時，各有機物料處理較CK和PT也顯著（P＜0.05）增加了 10—20 cm 土層土壤初滲率 0.14—1.57 cm·min-1，穩滲率 0.15—1.06 cm·min-1，平均入滲率0.16—1.33 cm·min-1和累積入滲量14.02—120.21 cm，而MBF處理效果顯著最優（P＜0.05）。可能由于生物肥含有大量有效活菌，增加土壤微生物生物量，增強微生物活性，微生物的菌絲可有效地黏結土壤礦物顆粒，促進良好的團粒結構的形成，改善了土壤孔隙性，進而提高土壤入滲性能，土壤亞表層表現尤其明顯[19,32]。同理，MBF處理對20—30 cm土層土壤入滲性能的改善效果也達到顯著（P＜0.05）水平，較CK和 PT增加土壤初滲率 0.03—0.14 cm·min-1，穩滲率0.02—0.05 cm·min-1，平均入滲率 0.02—0.05 cm·min-1和累積入滲量2.06—4.88 cm。

表3 2014—2016年有機物料還田不同土層土壤容重、孔隙度、孔隙分布和孔隙連通性變化Table 3 Changes in soil bulk density, total porosity, macro and micro-porosity distribution and pore continuity of different depths with various organic amendments to soils in 2014-2016

圖1 2014—2016年有機物料還田不同土層土壤入滲速率變化Fig. 1 Changes in soil infiltration rates of organic amendments at different depths in 2014-2016

2.3 土壤飽和導水率

土壤飽和導水率反映土壤導水性，是土壤水分和溶質運移的重要水力參數[7,20]。如圖2-a和2-b所示，不同有機物料連續2年還田試驗中，各土層土壤飽和導水率與土壤入滲性能變化規律相似。與CK和PT對比，有機物料還田顯著（P＜0.05）提高0—20 cm土層土壤飽和導水率0.05—0.72 cm·min-1。其中，MWS處理在0—10 cm土層增幅最大，達0.63—0.72 cm·min-1，而MBF處理在10—20 cm土層增幅最大，達0.23—0.43 cm·min-1。MBF處理較CK和PT也顯著（P＜0.05）增加了20—30 cm土層土壤飽和導水率，增幅為 0.01—0.02 cm·min-1，其他處理間無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 2014—2016年有機物料還田不同土層土壤飽和導水率和導氣率（10 kPa）變化Fig. 2 Changes in saturated hydraulic conductivity and air permeability at -10 kPa soil matric suction of organic amendments at different depths in 2014-2016

2.4 土壤導氣率

土壤導氣率是土壤導氣性的重要指標，可充分反映土壤孔隙和土壤結構特征[6,24]。圖2-c和2-d為不同有機物料還田土壤導氣率的剖面分布特征。MWS和MWH處理較CK和PT顯著（P＜0.05）增加0—10 cm土層導氣率2.1—5.1倍，這與MWS和MWH處理具有較多的土壤大孔隙和良好的孔隙連通性有關。而且MWS和 MWH處理由于較好的孔隙連通性，較 CK和PT顯著增加了10—20 cm土層導氣率（P＜0.05）。另外，MBF處理由于增加了土壤微生物的腐解作用，使得土壤顆粒的團聚作用加強，土壤孔隙連通性增加[22]，能夠顯著改善10—20 cm土層導氣率。各處理20—30 cm土層導氣率均較低，但MBF和MFS處理土壤導氣率較 CK和PT顯著增加 0.6—1.2倍（P＜0.05），這主要因為增施土糞和生物肥增加了蚯蚓數量和土壤生物活性，進而增加了土壤生物大孔隙，改善土壤通氣性[24]。

2.5 土壤導水導氣性綜合評價

結合土壤孔隙性（1.容重、2.孔隙度、3.大孔隙、4.小孔隙，5.孔隙連通性），導水性（6.初滲率、7.穩滲率、8.平均入滲率、9.90 min累積入滲量、10.飽和導水率）和導氣性（11.土壤導氣率）三類因子進行主成分分析（對容重進行同趨化處理），所有數據為兩次取樣的平均值。由圖3可知，土壤導水性和導氣性在0—10 cm和10—20 cm土層存在分異，在20—30 cm土層幾乎重合。在0—10 cm土層，土壤導水性參數與大孔隙最接近（r=0.854—0.889，P＜0.01），土壤導氣性參數與容重（r=-0.807，P＜0.01）、孔隙度（r=0.810，P＜0.01）和孔隙連通性（r=0.975，P＜0.01）最接近。土壤導水導氣性參數與小孔隙分布相反（r=-0.533—-0.909，P＜0.01），相關系數均為負值。MWS處理0—10 cm土層土壤導水導氣性綜合得分最高（表4），主要是因為增施麥稈增加土壤大孔隙、提高土壤水力傳導能力，效果最優；而且，增施麥稈也顯著改善了土壤孔隙連通性和導氣性。在10—20 cm土層，各土壤參數的分布情況與0—10 cm土層基本相似。MBF處理10—20 cm土層導水導氣性綜合得分最高，原因為生物肥相對于其他有機物料增加了土壤微生物的數量和活動范圍[32]，提高了土壤孔隙連通性，不僅改善了土壤導氣性，而且對土壤導水性的改善效果達到了最優。在 20—30 cm土層，生物肥增加土壤大孔隙，優化土壤孔隙結構，土壤導水導氣性參數均與MBF處理最接近，綜合得分最高。

3 討論

3.1 有機物料還田對土壤導水性的影響

圖3 各處理土壤導水導氣性的主成分分析Fig. 3 Principal component analysis of soil water-gas transport parameters

表4 有機物料還田對土壤導水導氣性影響的綜合得分Table 4 Comprehensive scores of effects of organic amendments on soil water-gas transport properties

已有研究表明有機物料還田能有效提高土壤有機質含量，降低土壤容重，改善土壤孔隙結構，進而增強土壤水分傳導性能，具有較好的土壤儲水效能[21,33]。這種改善效果大部分是通過多年連續應用有機物料實現的[20-21,34]。但也有短期試驗研究發現有機物料還田可顯著改善土壤導水性[12,17,35]，例如YAZDANPANAH等[33]研究表明30 000 kg·hm-2有機廢棄物和苜蓿草渣還田2年可顯著改善土壤導水性能。與此相似，本研究在關中平原上開展了 2年高量有機物料還田試驗（20 000 kg·hm-2），發現增施麥稈、麥殼、土糞和生物肥均能顯著增加0—20 cm土層土壤入滲性能和飽和導水率（圖1，2-a和2-b）。一方面是因為有機物料具有高纖維素含量和低容重特性（表 2），將其施于農田可有效降低土壤緊實狀況，增加有效孔隙數量，改善土壤導水性能[33,35]。另一方面，有機物料還田，增加土壤有機質含量，存在于土壤有機質中的長鏈分子能有效地束縛和黏結礦物顆粒，穩定土壤團聚結構，加快土壤孔隙結構的形成，促進土壤已有孔隙向更大孔隙發育[19]（表 3），而大孔隙作為土壤水分運移的優勢路徑[8-9]，對土壤入滲性能和飽和導水率有顯著的正作用（圖3）。WATSON和LUXMOORE[36]指出超過 70%的壤中流發生于大孔隙中。CARMEIRA等[37]發現土壤大孔隙對土壤總入滲量的貢獻率達到85%。KUNCORO等[8]也表明添加有機物料條件下，土壤大孔隙解釋了土壤飽和導水率79%的變異。然而，郭慧超等[38]通過室內土柱模擬試驗，發現添加生物有機肥能顯著減小土飽和導水率，主要原因是有機肥與土壤充分混合后直接進行試驗，缺少有機肥分解過程，土壤飽和后有機肥膨脹占據土壤大孔隙，降低了土壤飽和導水率。

另外，不同有機物料施加量雖相同，對土壤導水性的改善效果卻存在差異（圖1，2-a和2-b），這與有機物料自身屬性相關[32-33]。4種有機物料中，麥稈含有大量的纖維結構，干容重最低（表 2），且呈約2 cm長的段狀，經翻壓大部分留于表層土[18]，對0—10 cm土層的稀釋作用最強，導致土壤容重最低，土壤大孔隙最多，進而對土壤導水性的改善效果最好。另外，麥稈具有高有機碳含量和高C/N比特征（表2），利于土壤有機碳積累，顯著增加0—10 cm土層大孔隙（表 3），對土壤導水性能的改善效果顯著優于其他有機物料[35,39]。相反，微生物肥由于其低有機碳含量和低C/N比特征（表2），礦化速率高，腐解快，不利于穩定土壤有機碳[32]。但是，生物肥具有大量有效活菌，可增強土壤生物活性和土壤團聚作用，改善土壤孔隙分布，提高土壤孔隙連通性發育程度，促進土壤水分入滲，提高土壤飽和導水率，尤其是在10—30 cm土層，其改善效果最優（圖1，2-a和2-b）。BORIE等[40]和 CELIK 等[32]也表明表層土壤由于受田間管理措施的影響較大，抑制土壤微生物的作用，而亞表層具有更好的微生物環境，促使土壤微生物數量和活性增加，有利于團聚體穩定膠結物質的形成，改善土壤孔隙結構，提高土壤水分傳導性能。

3.2 有機物料還田對土壤導氣性的影響

有機物料還田后經腐解可有效改善土壤孔隙結構，促進土壤空氣與外界的交流，提高土壤導氣能力[24]，具有較好的土壤通氣效能。已有研究表明有機物料經翻耕還田后大部分混于耕層土壤[20-21]，因此其對耕層土壤導氣性的影響尤其明顯。本研究表明有機物料還田改善了0—20 cm土層土壤導氣率，其中，增施麥稈和麥殼達到顯著水平（圖2-c和2-d），這不僅受土壤大孔隙的影響，還與土壤孔隙連通性密切相關（圖 3）。試驗表明麥稈和麥殼還田較單施化肥顯著增加0—20 cm土層孔隙連通性，改善土壤導氣性（表3，圖2-c和 2-d），這與 ARTHUR等[22]和KHAN等[23]的研究結果類似。此外，HUBBE等[41]研究表明土壤導氣性還與添加的有機物料種類密切相關，增施高纖維素含量的有機物料，對改善土壤導氣性發揮顯著正作用。這可能也正是本研究中麥稈和麥殼對 0—20 cm土層導氣性的改善效果優于土糞和生物肥（尤其在0—10土層達到顯著水平）的原因。雖然生物肥的纖維素含量相對較低（表 2），但能有效增加亞表層土壤微生物生物量和蚯蚓數量[32]，促進作物根系生長[22]，有利于形成生物大孔隙[24]并改善孔隙連通性，促使10—20 cm和20—30 cm土層的導氣性得以顯著提高。有機物料還田條件下，良好的土壤導氣性不僅改善土壤肥力和土壤結構，而且阻礙土壤CO2和N2O排放，起到保護土壤環境和大氣環境的作用[24]。然而，KUNCORO 等[8-9]表明土壤大孔隙相同的情況下，添加有機物料降低了土壤孔隙連通性，對土壤空氣傳輸產生阻礙作用。這是因為有機物料未經腐解直接混于土壤，增加土壤黏粒質量分數，提高黏粒與土壤顆粒的聚集作用，阻塞了部分大孔隙，降低了土壤孔隙連通性和導氣性。

3.3 土壤導水導氣性的綜合改善建議

由于關中平原長期單施化肥，以旋代耕造成土壤物理性質發生“隱型退化”，土體內部緊實，0—10 cm耕層土壤容重介于1.04—1.34 g·cm-3，符合農作物正常生長需要；而20—40 cm土壤容重在1.46—1.70 g·cm-3范圍內，約36%的農田超過了1.60 g·cm-3的極限容重值[4]。土壤緊實阻礙土壤水分運移與氣體交換，限制作物根系下扎，影響作物正常生長[8,21]。有機物料具有低容重、高孔隙度、高有機碳含量和高纖維結構等自然屬性[32]，應用于農田可改善土壤孔隙結構并提高土壤導水導氣性[24,35]，對黏粒含量相對較高的土壤其改善效果尤其明顯[33]，因此，有機物料還田是關中平原（土）必要的農田管理措施。有機物料還田對土壤導水導氣性的綜合作用與其施加量和施加類型有關，需要在農田運用中重點考慮[33,41]。YAZDANPANAH等[33]和王曉娟等[42]指出短期（2年）有機物料還田對土壤緊實狀況的改善效果隨施加量的增加而增加。在施加量相同的條件下，不同有機物料類型因自身結構特性差異，對不同土層土壤導水導氣性的影響存在差異[33,41]。本研究運用主成分分析對土壤導水導氣性進行綜合評價發現：增施麥稈和生物肥分別在0—10 cm和10—30 cm土層對土壤導水導氣性的改良效果達到最優（圖 3）。鑒于關中平原農田亞表層土壤的緊實化問題嚴重，0—30 cm土壤呈“上松下緊”的結構特征[4]，本研究認為增施生物肥為相對最優的有機物料還田方式，較其他有機物料處理顯著改善10—30 cm土層導水導氣性，有效緩解亞表層土壤緊實狀況，提高土壤透水通氣性。因此，在有機物料管理措施應用初級階段，宜采用高量生物肥還田以構建合理的耕層結構，提高根層土壤水分和空氣含量[22,33]，為種子萌發、根系發育和開花結果等作物生長過程提供良好水氣條件和肥力條件[7]，增加作物產量和水分利用效率[5,18]，對提高關中平原農田土壤生產力具有重要意義。另外，生物肥原料充足[43]，易于制備，成本不高，在生產實踐中可操作性強，可推廣應用。

已有研究表明有機物料還田對土壤透水通氣性能的正作用主要集中在耕作層[20-21]，為了更有效的改善土犁底層緊實程度，構建合理的耕層結構，促進耕層和心土層之間的水氣交換，需將有機物料還田與合理的耕作方式相結合[44-47]。王秋菊等[44]發現深耕+秸稈還田對土壤飽和透水系數和通氣系數的改善效果優于旋耕，但由于深耕成本高，易造成耕層養分下降，不建議連續深耕。相對于連年深耕，免耕和深松隔年輪耕可有效打破犁底層加深耕層，增加犁底層的孔隙度，改善土壤保水力和通氣性[45]。翟振等[46]進一步研究不同深松作業深度的改土效果，發現對試驗地進行25 cm深度的深松，形成耕層25 cm，犁底層5 cm的耕層構造，為相對較好的犁底層改良方式；與全虛耕層構造相比，既可節省農機動力消耗，又有透水、增產效能。秸稈心土混合犁[47]也是一種改善犁底層土壤結構并增加作物產量的有效措施，但其存在機械作業效率低、動力節余和浪費能源等弊端，可操作性相對較差。綜上所述，免耕和深松（作業深度約25 cm）隔年輪耕與生物肥相結合，既可避免連年深耕的高成本和養分流失的弊端，又能改善犁底層土壤結構，增加土壤導水導氣性，可能為緩解土“隱型退化”的有效措施。

此外，增施有機物料對農田土壤導水導氣性的影響是一個漸進式的作用過程，經過多年連續定位試驗后更能體現有機物料還田的實際效果。有機物料長期應用過程中，如何科學組裝有機物料施加類型、施加量和耕作措施，實現土壤導水導氣性的綜合提升，推進資源節約和環境保護雙贏，有待進一步長期深入的研究。

4 結論

不同種類有機物還田對各土層土壤導水導氣性的影響存在差異。有機物料還田與單施化肥相比顯著增加0—10 cm土層大孔隙，提高土壤入滲性能和飽和導水率，其中增施麥稈的改善效果最優；而且有機物料還田也改善了0—10 cm土層孔隙連通性和導氣率，增施麥稈和麥殼達到顯著水平。同時，各有機物料還田相對于單施化肥顯著增加 10—20 cm土層孔隙連通性，改善土壤入滲性能和飽和導水率，尤其是增施生物肥，土壤導水性參數顯著優于其他有機物料處理；增施生物肥較單施化肥也顯著增加了10—20 cm土層導氣率。另外，增施生物肥較單施化肥顯著提高20—30 cm土層土壤大孔隙、入滲性能、飽和導水率和導氣率。

綜合考慮土壤孔隙性、導水性和導氣性因素，發現有機物料還田為綜合改善土導水導氣性的有效措施，增施麥稈對0—10 cm土層的改善效果最優，增施生物肥對10—30 cm土層的改善效果最優。因此，建議在關中平原上增施生物肥，可有效改善亞表層土壤緊實狀況，實現土導水導氣性最優的改善效果。

[1] JI J M, CAI H J, HE J Q, WANG H J. Performance evaluation of CERES-Wheat model in Guanzhong Plain of Northwest China.Agriculture Water Management, 2014, 144: 1-10.

[2] LI S, LI Y B, LI X S, TIAN X H, ZHAO A Q, WANG S J, WANG S X, SHI J L. Effect of straw management on carbon sequestration and grain production in a maize-wheat cropping system in Anthrosol of the Guanzhong Plain.Soil & Tillage Research, 2016, 157: 43-51.

[3] ZHANG Y L, LI C H, WANG Y W, HU Y M, CHRISTIE P, ZHANG J L, LI X L. Maize yield and soil fertility with combined use of compost and inorganic fertilizers on a calcareous soil on the North China Plain.Soil & Tillage Research, 2016, 155: 85-94.

[4] 王加旭, 王益權, 李欣, 梁化學, 史紅平, 石宗琳.關中農田土壤物理狀態與分析. 干旱地區農業研究, 2017, 35(3): 245-252.WANG J X, WANG Y Q, LI X, LIANG H X, SHI H P, SHI Z L.Evaluation of soil physical state in Guanzhong farmland.Agricultural Research in the Arid Areas, 2017, 35(3): 245-252. (in Chinese)

[5] MU X Y, ZHAO Y L, LIU K, JI B Y, GUO H B, XUE Z W, LI C H.Responses of soil properties, root growth and crop yield to tillage and crop residue management in a wheat–maize cropping system on the North China Plain.European Journal of Agronomy, 2016, 78: 32-43.

[6] 李陸生, 張振華, 潘英華, 趙麗麗, 朱敏, 任尚崗. 一種田間測算土壤導氣率的瞬態模型. 土壤學報, 2012, 49(6): 1252-1256.LI L S, ZHANG Z H, PAN Y H, ZHAO L L, ZHU M, REN S G.Transient-flow model for in-situ measuring of soil air permeability.Acta Pedologica, 2012, 49 (6): 1252-1256. (in Chinese)

[7] 邵明安, 王全九, 黃明斌. 土壤物理學. 北京: 高等教育出版社,2006.SHAO M A, WANG Q J, HUANG M B.Soil Physics. Beijing: Higher Education Press, 2006. (in Chinese)

[8] KUNCORO P H, KOGA K, SATTA N, MUTO Y. A study on the effect of compaction on transport properties of soil gas and water Ⅰ:Relative gas diffusivity, air permeability, and saturated hydraulic conductivity.Soil & Tillage Research, 2014, 143: 172-179.

[9] KUNCORO P H, KOGA K, SATTA N, MUTO Y. A study on the effect of compaction on transport properties of soil gas and water Ⅱ:Soil pore structure indices.Soil & Tillage Research, 2014, 143:180-187.

[10] YANG X Y, SUN B H, ZHANG S L. Trends of yield and soil fertility in a long-term wheat–maize system.Journal of Integrative Agriculture,2014, 13: 402-414.

[11] LAIRD D A, CHANG C W. Long-term impacts of residue harvesting on soil quality.Soil & Tillage Research, 2013, 134: 33-40.

[12] GILL J S, SALE P W G, PERIES R R, TANG C. Changes in soil physical properties and crop root growth in dense sodic subsoil following incorporation of organic amendments.Field Crops Research, 2009, 114: 137-146.

[13] 楊志臣, 呂貽忠, 張鳳榮, 肖小平, 劉沫. 秸稈還田和腐熟有機肥對水稻土培肥效果對比分析. 農業工程學報, 2008, 24(3): 214-218.YANG Z C, Lü Y Z, ZHANG F R, XIAO X P, LI M. Comparative analysis of the effects of straw-returning and decomposed manure on paddy soil fertility betterment.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(3): 214-218. (in Chinese)

[14] 李江濤, 鐘曉蘭, 張斌, 劉勤, 趙其國. 長期施用畜禽糞便對土壤孔隙結構特征的影響. 水土保持學報, 2010, 24(6): 137-140.LI J T, ZHONG X L, ZHANG B, LIU Q, ZHAO Q G. Soil pore structure properties as affected by long-term application of poultry litter and livestock manure.Journal of Soil and Water Conservation,2010, 24(6): 137-140. (in Chinese)

[15] 王秋菊, 高中超, 常本超, 劉峰. 有機物料深耕還田改善石灰性黑鈣土物理性狀. 農業工程學報, 2015, 31(10): 161-166.WANG Q J, GAO Z C, CHANG B C, LIU F. Deep tillage with organic materials returning to field improving soil physical characters of calcic chernozem.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(10): 161-166. (in Chinese)

[16] 趙占輝, 張叢志, 蔡太義, 劉昌華, 張佳寶. 不同穩定性有機物料對砂姜黑土理化性質及玉米產量的影響. 中國生態農業學報, 2015,23(10): 1228-1235.ZHAO Z H, ZHANG C Z, CAI T Y, LIU C H, ZHANG J B. Effects of different stable organic matters on physicochemical properties of lime concretion black soil and maize yield.Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(10): 1228-1235. (in Chinese)

[17] BANDYOPADHYAY K K, MISRA A K, GHOSH P K, HATI K M.Effect of integrated use of farmyard manure and chemical fertilizers on soil physical properties and productivity of soybean.Soil & Tillage Research, 2010, 110 (1): 115-125.

[18] YU K, DONG Q G, CHEN H X, FENG H, ZHAO Y, SI B.C, LI Y,HOPKINS W. Incorporation of pre-treated straw improves soil aggregate stability and increases crop productivity.Agronomy Journal,2017, 109 (5): 2253-2265.

[19] 丁奠元, 馮浩, 趙英, 杜璇. 氨化秸稈還田對土壤孔隙結構的影響.植物營養與肥料學報, 2016, 22(3): 650-658.DING D Y, FENG H, ZHAO Y, DU X. Effect of ammoniated straw returning on soil pore structure.Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(3): 650-658. (in Chinese)

[20] SHI Y G, ZHAO X N, GAO X D, ZHANG S L, WU P T. The effects of long-term fertiliser applications on soil organic carbon and hydraulic properties of a Loess soil in China.Land Degradation &Development, 2016, 27 (1): 60-67.

[21] ZHANG S L, YANG X Y, WISS M, GRIP M, LOVDAHL L. Changes in physical properties of a loess soil in China following two long-term fertilization regimes.Geoderma, 2006, 136 (3/4): 579-587.

[22] ARTHUR E, SCHJ?NNING P, MOLDRUP P, TULLER M, JONGE L W D. Density and permeability of a loess soil: long-term organic matter effect and the response to compressive stress.Geoderma, 2013,236-245: 193-194.

[23] KHAN A R, CHANDRA D, QURAISHI S, SINHA R K. Soil aeration under different soil surface conditions.Journal of Agronomy and Crop Science, 2000, 185 (2): 105-112.

[24] NAVEED M, MOLDRUP P, VOGEL H J, LAMANDé M,WILDENSCHILD D, TULLER M, JONGE L.W.D. Impact of long-term fertilization practice on soil structure evolution.Geoderma,2014, 217-218: 181-189.

[25] 陳帥, 陳強, 孫濤, 張光輝, 張興義. 黑土坡耕地秸稈覆蓋對表層土壤結構和導氣性的影響. 水土保持通報, 2016, 36(1): 17-21.CHEN S, CHEN Q, SUN T, ZHANG G H, ZHANG X Y. Effects of straw mulching on topsoil structure and air permeability in Black soil sloping farmland.Bulletin of Soil and Water Conservation, 2016,36(1): 17-21. (in Chinese)

[26] 羅松, 韓少杰, 王恩姮, 陳祥偉. 不同開墾年限黑土耕地土壤導氣率及其影響因素. 東北林業大學學報, 2017, 45(6): 47-50.LUO S, HAN S J, WANG E H, CHEN X W. Air permeability and its influence factors of black soil with different tillage periods.Journal of Northeast Forestry University, 2017, 45(6): 47-50. (in Chinese)

[27] 王衛華, 李建波, 張志鵬, 王全九. 覆膜滴灌條件下土壤改良劑對土壤導氣率的影響. 農業機械學報, 2015, 46(6): 160-167.WANG W H, LI J B, ZHANG Z P, WANG Q J. Effects of soil amendments on soil air permeability in film mulched drip irrigation field.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015, 46(6): 160-167. (in Chinese)

[28] SOLTANI A, RAVALEC-DUPIN M L, FOURAR M. An experimental method for one dimensional permeability characterization of heterogeneous porous media at the core scale.Transport Porous Media, 2009, 77(1): 1-16.

[29] GROENEVELT P H, KAY B D, GRANT C D. Physical assessment of a soil with respect to rooting potential.Geoderma, 1984, 34 (2):101-114.

[30] 王衛華. 土壤導氣率變化特征試驗研究[D]. 西安: 西安理工大學,2008.WANG W H. Experimental studies on soil air permeability[D]. Xi’an:Xi’an University of Technology, 2008. (in Chinese)

[31] 李江濤, 鐘曉蘭, 趙其國. 畜禽糞便施用對稻麥輪作土壤質量的影響. 生態學報, 2011, 31(10): 2837-2845.LI J T, ZHONG X L, ZHAO Q G. Enhancement of soil quality in a rice-wheat rotation after long-term application of poultry litter and livestock manure.Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(10): 2837-2845.(in Chinese)

[32] CELIK I, GUNAL H, BUDAK M, AKPINAR C. Effects of long-term organic and mineral fertilizers on bulk density and penetration resistance in semi-arid Mediterranean soil conditions.Geoderma,2010, 160(2): 236-243.

[33] YAZDANPANAH N, MAHMOODABADI M, CERDà A. The impact of organic amendments on soil hydrology, structure and microbial respiration in semiarid lands.Geoderma, 2016, 266: 58-65.

[34] XIN X L, ZHANG J B, ZHU A, ZHANG C Z. Effects of long-term(23 years) mineral fertilizer and compost application on physical properties of fluvo-aquic soil in the North China Plain.Soil & Tillage Research, 2016, 156: 166-172.

[35] KHALIQ A, ABBASI M K. Improvements in the physical and chemical characteristics of degraded soils supplemented with organic-inorganic amendments in the Himalayan region of Kashmir,Pakistan.Catena, 2015, 126: 209-219.

[36] WATSON K, LUXMOORE R. Estimating macroporosity in a forest watershed by use of a tension infiltrometer.Soil Science Society of America Journal, 1986, 50(3): 578-582.

[37] CAMEIRA M R, FERNANDO R M, PEREIRA L S. Soil macropore dynamics affected by tillage and irrigation for a silty loam alluvial soil in southern Portugal.Soil & Tillage Research, 2003, 70(2): 131-140.

[38] 郭慧超, 邵明安, 樊軍. 有機肥質量分數對土壤導水率穩定性的影響. 中國水土保持科學, 2013, 11(6): 7-14.GUO H C, SHAO M A, FAN J. Effects of the organic matter content on the stability of the soil hydraulic conductivity.Science of Soil and Water Conservation, 2013, 11(6): 7-14. (in Chinese)

[39] 王秋菊, 常本超, 張勁松, 韓東來, 隋玉剛, 陳海龍, 楊興玉, 王雪冬, 焦峰, 新家憲, 劉峰. 長期秸稈還田對白漿土物理性質及水稻產量的影響. 中國農業科學, 2017, 50(14): 2748-2757.Wang Q j, CHaNG B C, Zhang J s, HAN D L, SUI Y G, CHEN H L,YANG X Y, WANG X D, Jiao F, KEN A, Liu F. Effects of albic soil physical properties and rice yields after long-term straw incorporation.Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(14): 2748-2757. (in Chinese)

[40] BORIE F, RUBIO R, ROUANET J L, MORALES A, BORIE G,ROJAS C. Effects of tillage systems on soil characteristics, glomalin and mycorrhizal propagules in a Chilean Ultisol.Soil & Tillage Research, 2006, 88 (1/2): 253-261.

[41] HUBBE M A, NAZHAD M, SáNCHEZ C. Composting as a way to convert cellulosic biomass and organic waste into high-value soil amendments: A review.Bioresources, 2010, 5(4): 2808-2854.

[42] 王曉娟, 賈志寬, 梁連友, 韓清芳, 丁瑞霞, 楊保平, 崔榮美.旱地施有機肥對土壤有機質和水穩性團聚體的影響. 應用生態學報,2012, 23(1): 159-165.WANG X J, JIA Z K, LIANG L Y, HAN Q F, DING R X, YANG B P,CUI R M. Effects of organic manure application on dry land soil organic matter and water stable aggregates.Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(1): 159-165. (in Chinese)

[43] 呂鳳蓮, 侯苗苗, 張弘弢, 強久次仁, 周應田, 路國艷, 趙秉強, 楊學云, 張樹蘭. 塿土冬小麥–夏玉米輪作體系有機肥替代化肥比例研究. 植物營養與肥料學報, 2018, 24(1): 22-32.Lü F L, HOU M M, ZHANG H T, QIANG J C R, ZHOU Y T, LU G Y, ZHAO B Q, YANG X Y, ZHANG S L. Replacement ratio of chemical fertilizer nitrogen with manure under the winter wheat–summer maize rotation system in Lou soil.Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(1): 22-32. (in Chinese)

[44] 王秋菊, 高中超, 張勁松, 常本超, 姜輝, 孫兵, 郭中原, 賈會彬,焦峰, 劉峰. 黑土稻田連續深耕改善土壤理化性質提高水稻產量大田試驗. 農業工程學報, 2017, 33(9): 126-132.WANG Q J, GAO Z C, ZHANG J S, CHANG B C, JIANG H, SUN B,GUO Z Y, JIA H B, JIAO F, LIU F. Black-soil paddy field experiment on improving soil physical and chemical properties and increasing rice yield by continuous deep ploughing.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(9): 126-132. (in Chinese)

[45] 侯賢清, 賈志寬, 韓清芳, 孫紅霞, 王維, 聶俊峰, 楊寶平. 不同輪耕模式對旱地土壤結構及入滲蓄水特性的影響. 農業工程學報,2012, 28(5): 85-94.HOU X Q, JIA Z K, HAN Q F, SUN H X, WANG W, NIE J F, YANG B P. Effects of different rotational tillage patterns on soil structure,infiltration and water storage characteristics in dryland.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(5): 85-94.(in Chinese)

[46] 翟振, 李玉義, 郭建軍, 王婧, 董國豪, 郭智慧, 逄煥成. 耕深對土壤物理性質及小麥–玉米產量的影響. 農業工程學報, 2017, 33(11):115-123.ZHAI Z, LI Y Y, GUO J J, WANG J, DONG G H, GUO Z H, PANG H C. Effect of tillage depth on soil physical properties and yield of winter wheat–summer maize.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(11): 115-123. (in Chinese)

[47] 朱寶國, 張春峰, 賈會彬, 王囡囡, 孟慶英, 匡恩俊, 王秋菊, 高中超, 劉峰, 張立波, 高雪冬. 秸稈心土混合犁改良白漿土效果. 農業工程學報, 2017, 33(15): 57-63.ZHU B G, ZHANG C F, JIA H B, WANG N N, MENG Q Y, KUANG E J, WANG Q J, GAO Z C, LIU F, ZHANG L B, GAO X D. Effect of planosol improvement by using straw subsoil mixed layer plough.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017,33(15): 57-63. (in Chinese)