長期不同施肥處理對不同土層土壤水力性質的影響

楊穎楠, 黃明斌

(1.西北農林科技大學 資源環境學院 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室 陜西 楊凌 712100)

土壤質量是農業生產的物質基礎，土壤水力性質是土壤質量的重要組成部分[1]。土壤水力學性質決定了土壤保持水分和傳導水分的能力，是維持農業可持續發展的關鍵因素。肥料的使用可以改善土壤的某些理化性質，提高水分利用效率，但長期不合理的化肥施用會導致區域土壤質量明顯退化，嚴重影響農作物產量。近年來，有機肥與化肥配施是農業研究的主要方向，配施有機肥能夠提高土壤貯水能力和水分利用效率，促進作物生長發育、增加了有機物的歸還量，進而改善了土壤物理性質[2-3]。但過量的化肥使用會導致土壤板結[4]、破壞土壤結構的穩定性[5]，同時過量的氮、磷肥會隨地表徑流、地下徑流和深層滲漏污染地表水和地下水[6]。

由于施肥試驗時間長短不一樣、施肥水平不同、試驗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結果不完全一致。對栗褐土[1]、潮土[7]、紅壤[5]的研究發現，長期施用化肥破壞了土壤結構的穩定性，土壤孔隙度降低，導致土壤物理性質惡化；與單施化肥相比，施有機肥能改善土壤總孔隙度、土壤有效水含量、透水性、飽和導水率，同時提高土壤持水性。馬俊永等[8]的施肥試驗表明，有機肥和無機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量，還改善了土壤的物理環境，土壤有效持水容量和田間最大持水量也得到了提高。但也有不同研究發現，長期單獨施用化肥并非造成土壤板結的主要原因[9]，而施有機肥沒有提高甚至會降低土壤飽和導水率[10]。另外，不同深度土壤水力性質受施肥影響存在差異，目前這方面的研究報道還很少。

為此，本研究以黃土高原地區1984—2020年的長期施肥定位試驗為依據，探討不同施肥處理對土壤主要水力性質的影響及其隨深度的變化，以期為制定科學的施肥方案提供科學依據，進而促進農業的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于陜西省長武縣十里鋪塬面旱地(35°14′N，107°40′E)，該區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，是典型的渭北旱塬旱作農業區，農作物以一年一熟小麥和玉米為主[11]。試驗區平均海拔1 200 m，日照時數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。長期定位施肥試驗于1984年開始，試驗地土壤屬黃蓋粘黑壚土，母質是深厚的中壤質馬蘭黃土，全剖面土質均勻疏松。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質含量為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 試驗設計

通過試驗區多年田間定位試驗，試驗選取4個施肥處理，分別為：CK(不施肥對照處理)，NP(氮磷配施， N 120 kg/hm2, P 26.4 kg/hm2)，M(單施有機肥，有機肥 75 t/hm2)，NPM(氮磷有機肥配施， N 120 kg/hm2, P 26.4 kg/hm2，有機肥 75 t/hm2)。氮素化肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，有機肥為廄肥，有機質含量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

試驗樣品采集于2020年11月，試驗采用隨機區組設計，每個處理設3次重復，共12個小區。由于施肥僅影響耕層土壤物理性質[16]，每個小區采樣深度僅限于耕層和犁底層深度。每個小區隨機選一點用土鉆取0—10，10—20，20—30，30—40 cm的擾動土樣，裝入自封袋，填寫標簽，帶回室內處理，用于測定土壤機械組成和有機質含量。同時，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。有效持水容量(AWHC)為田間持水量與凋萎系數的差值[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 黃土高原地區不同施肥處理各土層土壤顆粒組成 %

1.4 飽和導水率計算

2001年， Suleiman等[24]提出了使用土壤有效孔隙度估算飽和導水率(Ks)的相對有效孔隙度模型(REPM)。經過多個經驗模型的比較結果表明[25-26], REPM是估算Ks的簡單可靠經驗方法，因此本研究借助該模型對土壤飽和導水率進行估算。其表達式如下：

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

式中：P為總孔隙度。

1.5 數據分析

采用Excel 2018及SPSS(24.0)軟件對數據進行統計分析，采用單因素(one-way ANOVA)和LSD法進行方差分析和多重比較，檢驗不同處理間在p<0.05的顯著性水平。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤有機質的影響

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

2.2 不同施肥處理對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，相對于CK，M和NPM處理， NP處理導致土壤總孔隙度分別降低了3.9%，6.2%和6.9%。通過相關性分析表明，土壤孔隙度大小和有機質含量呈極顯著正相關關系(圖4)，隨著土壤有機質含量的增加，土壤總孔隙度線性增加。

圖3 黃土高原地區不同施肥處理下各土層土壤總孔隙度

圖4 黃土高原地區土壤有機質含量與土壤孔隙度的相關性

2.3 不同施肥處理對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 不同施肥處理對土壤飽和導水率的影響

由表2可知，不同施肥處理對各土層土壤飽和導水率有顯著影響。在整個土壤剖面(0—40 cm)，NPM處理較CK和M處理顯著提高了土壤飽和導水率。在0—10 cm土層， NPM處理顯著提高了土壤飽和導水率，相對于CK，NP和M處理，土壤飽和導水率分別提高了8.7%，7.1%，6.6%；CK，NP和M處理之間土壤飽和導水率無顯著差異。在10—20 cm土層，相對于CK處理， NPM處理的土壤飽和導水率顯著提高了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水率，相對于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水率，相對于CK和M處理，土壤飽和導水率分別提高了12.4%和9.2%；CK，M和NPM處理之間土壤飽和導水率差異不顯著。

表2 黃土高原地區不同施肥處理各土層土壤飽和導水率

3 討 論

長期不同施肥措施影響土壤性質，本研究選取有機質含量、土壤容重、土壤孔隙度、土壤水分參數等來評價土壤性質的變化。

有機質是改善土壤結構的主要物質，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，國內學者已有不少關于施肥對土壤有機質含量影響的研究。對黑土[27]、紅壤、灰漠土、壚土、潮土、褐土[28]長期耕作施肥后研究發現，施用有機肥或有機肥配施化肥，土壤有機質含量顯著增加，而長期施用化肥的土壤有機質含量與供試前相比差異不顯著。本研究結果表明， M和NPM處理均能顯著提高表層土壤有機質含量， NP與CK處理之間差異不顯著，這與柳影等[29]報道土壤有機質含量主要受施用有機肥數量和質量的影響的結論相一致。

土壤容重是反映土壤結構、透氣性、透水性能以及保水能力高低的重要指標，對土壤水、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相關，土壤容重越小，土壤孔隙度越大，說明土壤結構、透氣透水性能越好。大量研究結果表明，長期不施肥的土壤，耕層結構致密，孔隙發育很少，土壤微結構較差；單施化肥，土壤顆粒未形成結構體，孔隙少；施用有機肥或有機無機肥配施，土壤粗顆粒數量顯著增加，結構疏松，而且孔隙量大[30]。本研究結果表明， 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，土壤孔隙度與有機質含量呈顯著正相關，這與施肥對塿土[31]、潮土[8]和砂姜黑土[32]的影響研究結果一致。說明施加有機肥分解形成的有機質可以疏松土壤、增大孔隙度，降低土壤容重，有效改善表層土壤物理結構，提高土壤有效養分，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肥，農田土壤磷素過高，破壞了土壤結構的穩定性，致使土壤板結，影響冬小麥根系生長和水分和養分吸收。這與王改蘭等[1]長期不施肥或單獨施用化肥，土壤容重趨劣的結論相一致，但部分研究發現長期施用化肥會降低表層土壤容重、增加土壤孔隙度[10]，這可能與研究區地形、土壤性質和施肥水平等不同有關，具體機理需要進一步的研究。不同施肥處理對20—40 cm土壤的孔隙度無顯著影響，可能是有機肥分解形成的有機質只對表層土壤產生了一定的影響，而對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地、結構有關，可以反映土壤蓄水、保水和供水性能的優劣，也能間接地反映出土壤中孔隙的分布。一般來說，土壤有機質含量越高[34]，土壤孔隙度越大，土壤通氣透水性越好，土壤涵養水源能力和保持水土的功能就越好。本研究發現，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，表明化肥有機肥配施對提高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，說明有機物的良好親水特性可以增強土壤保水能力[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，可能是因為大量N肥的使用導致土壤結構的破壞從而降低了土壤的持水特性[19]。

此外，土壤飽和導水率也是研究土壤水分運動的重要參數，它與土壤孔隙數量、土壤質地、結構、含水量等有關，是土壤重要的物理特性之一。研究表明，MNP處理較CK顯著提高了整個剖面(0—40 cm)土壤飽和導水率;較CK，NP，M處理，顯著提高了表層(0—20 cm)土壤飽和導水率，這與Shi等[35]對塿土的研究結果相一致，化肥有機肥配施可以增加土壤孔隙度，進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，導致土壤大孔隙數量減少，中小孔隙數量增加，土壤逐漸緊實，從而降低了土壤水分傳導能力[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，最終影響冬小麥產量。經過36 a，NP，M，NPM處理對應的平均產量分別為3 895.3，3 438.0，4 494.9 kg/hm2，分別比對照增產161.7%，130.9%，201.9%，差異顯著(p<0.05)。本研究發現NPM處理相對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處理具有最大增產優勢，是旱地農業最佳施肥方式。

4 結 論

通過分析36 a不同施肥處理土壤水力性質發現，與不施肥相比，化肥有機肥配施和單施有機肥顯著提高了表層(0—20 cm)土壤有機質含量，化肥有機肥配施效果更優；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，導致土壤緊實、破壞土壤結構；各施肥處理都有效改善了土壤持水性能，其中，化肥有機肥配施顯著提高了0—20 cm土層土壤田間持水量和有效持水容量以及 0—30 cm土層土壤飽和導水率。不同施肥處理對深層(30—40 cm)土壤的物理性質無顯著影響。