施肥管理对农田黑土土壤水分盈亏的影响

，，,

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态院重点实验室，海伦农田生态系统国家野外观测研究站，黑龙江 哈尔滨 150081; 2.山东省高密市国土资源局，山东省 高密市 261500)

东北三省黑土区土地总面积为7 684万hm2，其中平原区约占全国平原面积的1/3，有耕地2 204万hm2。区内宽阔平坦，黑土带分布面积大，土壤有机质含量高，作物生长季内雨热同期，是玉米、大豆和水稻等粮食作物的主要产区，每年粮产量位于全国前列，是重要的商品粮生产基地，对于保障国家粮食安全方面具有极其重要的作用[1]。东北黑土地区是雨养农业区，土壤水分的主要来源是大气降水，降水的多少能够直接影响土壤内的水分含量和运移[2]，因此水分是该地区农业生产中的主要限制因子[3]。

土壤中25%～30%的持水孔隙和其较好的入渗能力，使大部分降水原地入渗，进入土壤，并蓄存于土壤中，形成土壤水。由于土壤储水能够调节丰枯和持续供给作物，所以在农业上将土壤看作无形的水库[4]。农田黑土土质肥沃，有机质含量较高，0～100 cm土层的田间持水量为387.3 mm，相当于多年平均年降水量的73%；最大土壤蓄水量为575.9 mm，相当于多年平均年降水量的108%；土壤的有效蓄水量为242.7 mm，相当于多年平均年降水量的46%[2]。因此，农田黑土的持水能力较强，蓄水库容较大，其决定了农田黑土水库作用较强，尤其是上层疏松、下层紧实的土体构型，形成了有利于土壤水分贮存的环境条件以及作物需水和土壤供水的内在条件。据韩晓增等关于东北黑土区大气降水特点的分析得到该地区存在明显的年际间大气降水不均，及在过去的50 a里干旱年份、正常年份和丰水年份各占1/3[3]，同时该地区年内各月大气降水变异较大特别是作物生长季节[5-6]，导致了土壤季节性土壤水分缺乏的出现。肥料的施用能够影响土壤的水分-物理性质，改善土壤结构[7]，影响土壤对大气降水的蓄积和土壤对作物的供水能力[8]，进而影响土壤含水量。但是在东北黑土区不同施肥管理方式对土壤水分缺乏的影响还鲜见报道。因此，研究基于中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站内的长期定位试验数据，探寻土壤水分缺乏的时期，明确不同施肥管理方式对土壤水分缺乏的影响，旨在为调控该区内的土壤水分缺乏提供科学的指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站内进行，海伦站地处黑土区中部，地势平坦，属于温带大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，雨热同期，年平均气温1.5℃，极端最高温度为37℃，极端最低温度为-39.5℃，年降水量为550 mm左右，主要集中在7月份、8月份、9月份，年均>10℃有效积温2 450℃，年均日照时数约为2 700 h，无霜期为125 d。土壤类型属于中厚层黑土，来源于第四纪形成的黄土状母质上发育起来的地带性土壤，质地以粘性土为主，土壤物理性粘粒含量大于60%，土壤固相比大于50%，土壤膨胀性大于25%，土壤持水能力和保水能力较强，储水库容较大。地下水埋深20 m～30 m。

1.2 试验设计与研究方法

试验研究始于1993年，研究选取1999年-2008年的数据对土壤水分进行分析，3个处理分别为：无肥(CK)，化肥(NP)(N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2)，有机肥+化肥(NPM)(腐熟猪粪30 000 kg·hm-2，N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2)，4次重复，随机排列，每个小区的面积为60 m2(6 m×10 m)。各处理土壤的基本理化性质见表1。

表1 试验小区基本的0～20 cm土层土壤的物理化学性质Tab.1 Soil properties of experimented plots in 0～20 cm layer

注：数据来源于参考文献[7,9,10]

1999年-2004年作物种植制度为小麦-玉米-大豆轮作，2005-2008年作物种植制度为大豆-玉米轮作，有机肥在前一年秋季整地时施入。试验期间利用CNC503DR型中子仪测定土壤含水量，在作物生长季5月-9月每隔5 d测定一次，测量深度依次为10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、170 cm，其中0～10 cm和10 cm～20 cm土层的土壤含水量采用环刀法进行测定。同时在气象站进行降雨和温度等各项指标的观测。

潜在蒸散量和作物需水量的计算：基于海伦站长期积累的气象数据，利用联国际粮农组织(FAO-56)提供的Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量[11]，公式如下：

(1)

式中：计算时统一采用日步长，ET0—潜在蒸散量(mm·d-1)；Rn—净辐射(MJ·m-2·d-1)；G—土壤的热通量(MJ·m-2·d-1)，通常被忽略；r—干湿球湿度常数(kPa·℃-1)；T—日平均温度(℃)；u2—2 m处的风速(m·s-1)；es—饱和水气压(kPa)；ea—实际水汽压(kPa)；△—饱和水汽压和温度间曲线的斜率(kPa·℃-1)。

(2)

1.3 数据处理

采用SPSS 13.0进行单因素方差分析，采用Sigmaplot 10.0和Excel 2007画图。

2 结果与分析

2.1 1999年-2008年降水特征分析

1999年-2008年大气降水的情况见表2。大气降水的年平均值为489 mm，标准差为127.2 mm，变异系数为26.0%，与近57 a大气降水平均值相比减少了49.0 mm，虽然1999年-2008年间大气降水与57 a平均值相比减少，但是这并不能说目前东北黑土区大气降水呈减少的趋势，因为我们并不知道未来10 a大气降水的情况。作物生长季内(5月-9月)大气降水的平均值为404.0 mm，标准差为117.4 mm，变异系数为29.1%。降水在各月分布特征与1952年-2008年相似，但是这两个时间段的月降水在量上具有一定的差别，表现为1999年-2008年月平均降水量与1952-2008年相比，呈减少的趋势，尤其在作物生长季表现的明显。1999-2008年作物生长季内降水量比1952-2008年减少了60 mm。根据降水年型的划分标准，丰水年共有2年，分别是2003年和2006年；平水年共有4年，分别是2000年、2002年、2005年和2008年；枯水年共有4年，分别是1999年、2001年、2004年和2007年。

2.2 东北黑土区作物根系活动层

为了分析根系活动对土壤水分的影响，我们选择2004年8月25日和2003年8月15日土壤含水量，结合10 a土壤含水量的平均值，来定义黑土区作物根系活动层，见图1。2004年8月25日前由于有11 d没有降水，之前的降水又很少，导致8月25日土壤含水量处于最低水平，表层0～10 cm已经低于萎蔫点。而2003年8月15日之前累计的降水量到达了187 mm，此时土壤含水量处于较高的水平，0～50 cm土层土壤含水量已经超过了田间持水量。2004年8月25日和2003年8月15日土壤含水量之间的差异随着土层深度的增加逐渐减小，90 cm以下土层两者土壤含水量的差异已经极大的减小。所以定义黑土区作物根系活动层位0～90 cm土层。然而CK、NP和NPM之间根系活动层的深度没有显著的差异。

不同施肥管理方式影响了土壤含水量在土壤剖面内的分布，表现为在0～90 cm土层土壤含水量呈现CK > NP > NPM的趋势，与CK相比NP和NPM在0～90 cm土层土壤含水量的平均值分别下降了1.5%和3.5%，见图1。受作物根系对水分吸收的影响[12]，施肥管理方式间土壤含水量差异的最大值出现在20 cm～50 cm土层之间，然后随着土层深度的增加不同处理间土壤含水量的差异逐渐减小，在90 cm处不同处理的土壤含水量基本持平，表明在研究区域长期不同肥料的施用已经影响了土壤水分含量在剖面的分布，影响深度为0～90 cm土层。

表2 试验的10年内大气降水特征 (mm)Tab.2 The feature of precipitation in experimental 10 years

图1 东北黑土区作物根系活动层Fig.1 Crop root zone in northeast China

2.3 东北黑土区作物生长季内的潜在蒸散量

基于海伦站积累的气象历史数据，根据Penman-Monteith公式计算得到东北黑土区作物生长季内的潜在蒸散量，见图2。统计得到1999年-2008年10 a内作物生长季内各月份的潜在蒸散量，分析得出各月份潜在蒸散量之间存在较大差异，6月的潜在蒸散量最大，10 a的平均值为159 mm，是6月平均降水的2.53倍，占全年总潜在蒸散量的21.31%；其次是5月和7月，潜在蒸散量分别为136 mm和125 mm，分别是当月平均降水量的3.24倍和0.86倍，占全年潜在蒸散量的18.2%和16.75%；8月和9月的潜在蒸散量相对较小，分别为108 mm和92 mm，分别是当月平均降水量的0.99倍和2.11倍，占全年总潜在蒸散量的14.47%和12.33%。受气象条件的影响，5月份和6月份潜在蒸散量变异较大。

图2 东北黑土区作物生长季内潜在蒸散量特征Fig.2 Potential evaptranspiration in growing season注：虚线表示10 a的平均值

2.4 土壤水分盈亏

根据东北黑土区作物根系活动层在0～90 cm土层，利用潜在蒸散量与0～90 cm土层土壤的有效水储量计算得到土壤水分的盈亏状况，正值表示土壤处于缺水状态，见图3。从试验10年的平均值分析，可以得出整个作物生育时期CK、NP和NPM的土壤水分亏缺量分别为-36.6 mm、-34.2 mm和-30.2 mm，所以对于10 a的平均值而言整个生育时期土壤水分未处于亏缺状态。CK在5月份-9月份的平均土壤水分盈亏量分别为-40.1 mm、-0.04 mm、-30.3 mm、-51.9 mm和-60.8 mm；而NP在6月略显缺水，5月份-9月份土壤水分的盈亏量分别为-38.1 mm、2.4 mm、-27.5 mm、-48.8 mm和-59.3 mm；NPM表现出相似的规律，即5月份-9月份土壤水分的盈亏量分别为-35.4 mm、7.0 mm、-20.3 mm、-45.3 mm和-57.2 mm。受气象因素的影响，不同时期土壤水分盈亏的变异具有差异。土壤水分盈亏与降水之间关系密切，用直线相关分析生长季内降水量与土壤水分缺乏量之间的关系，得到CK、NP和NPM的相关系数分别为0.36，0.35和0.32(p<0.05)，说明作物生长季内降水的分布显著影响了土壤水分缺乏的发生，见图4。其中6月份的变异最大，其次是5月份，而7月、8月和9月份之间差异不是很明显。不同施肥管理间表现为肥料的施用有减小变异的趋势，其中有机肥的影响要大于化肥。

但是从土壤水分缺乏发生的次数来分析，土壤水分缺乏较为严重的时期是6月份和7月份，这与潜在蒸散量的较高值出现在6月份和7月份(图2)是相一致的。在试验的10 a中CK在6月份发生水分缺乏的概率是90%，而NP和NPM发生水分缺乏的概率是100%；虽然7月份的降水较大，但是此时作物的耗水量也较高，当降水不能满足作物耗水需求时出现了土壤水分的缺乏，CK和NP在7月份发生水分缺乏的概率是50%，而NPM发生水分缺乏的概率为60%；在5月份三种施肥管理方式发生水分缺乏的概率均为50%，处于相对较低的水平，5月份作物处于生长初期，对水分需求较少，同时休闲期内由于降水和降雪累计的土壤水分是缓解5月份土壤水分缺乏的一个重要方式；然而在8月份和9月份由于降水较为集中，相对于其他月份来说CK、NP和NPM发生水分缺乏的概率相对较小。

图3 黑土区作物生长季内土壤水分的亏缺Fig.3 Water deficit in growing season注：虚线表示10 a的平均值

图4 作物生长季内降水量与土壤水分亏缺量的相关性分析Fig.4 The correlation of precipitation and water deficit in growing season

2.5 黑土农田土壤水分盈亏的累积概率分布

前面我们分析了土壤水分缺乏发生的程度，然而水分缺乏对作物的影响也取决于土壤水分缺乏发生的频率，为此我们分析了CK、NP和NPM土壤水分缺乏的累计概率分布，见图5。不同施肥管理方式下土壤水分的亏缺量在-167.4 mm～55.1 mm之间波动，说明在试验的10 a内土壤水分的最大亏缺量为55.07 mm，相当于多年平均年降水量的10.2%(538 mm)，而最大的土壤水分盈余量为167.4 mm，相当于多年平均降水量的31.0%。当84% < p < 92%时，在任何给定的概率下NPM和NP的土壤水分亏缺量的都要大于CK。

图5 土壤水分盈亏的概率分布Fig.5 Cumulative probability distribution of water deficit

为了检验CK、NP和NPM土壤水分缺乏累计概率分布之间的差异显著性，对CK、NP和NPM土壤水分缺乏的累计概率进行方差分析，结果显示不同处理间的差异在统计学上达到了显著水平(p<0.05)，见表3。

表3 不同施肥管理方式间土壤水分亏缺量的方差分析Tab.3 ANOVA of water deficit between different fertilization practices

3 讨 论

农田土壤养分状况与施肥管理密切相关，施肥能够增加作物可利用的土壤有效养分，同时改变作物耗水量。在自然积温和有限降水的条件下，适量施用氮、磷和钾肥可以调节土壤有效态养分含量、增加土壤供养强度、改变作物用水规律以及充分发挥有限土壤可用水量的作用，继而增加作物抵御恶劣自然气候如冷害或干旱的能力[13]。作物耗水是土壤水分消耗的主要途径，在作物生长季内不同施肥管理间土壤含水量的差异主要是因为肥料的施用在增加地上生物量的同时，扩大了根系在土壤中的吸水空间，增加了作物对土壤中水分的利用[8,13]。有机肥的施用在增加土壤养分的同时又通过调节土壤的物理性状，增加了土壤保水和保肥能力，促进作物对土壤中水分的利用[14]。

在农田生态系统中土壤水分缺乏是影响作物生长和产量的因子之一[15-16]。一般情况下在东北黑土区大气降水能够满足作物对水分的需求[3]，但是大部分降水发生在7月份-9月份，同时此时降水的变异也较大(表1)，容易引起了土壤水分的季节性缺乏。研究中土壤水分缺乏值的计算是利用土壤中有效水的含量与潜在蒸散量作差得到的，因此这个值更能反映土壤真实的水分状况。肥料的施用增加了植物对土壤水分的吸收利用，容易引起土壤水分缺乏[8,17]。施用有机肥和化肥的处理发生土壤水分缺乏的概率要大于无肥处理。

气象条件和作物需水情况是导致土壤水分缺乏的主要因素之一。在研究区域6月份降水占全年降水量的17.2%，但是此时期潜在蒸散量是降水量的2.53倍，导致了6月份土壤水分缺乏发生频率较大，在90%以上；7月份潜在蒸散量是该月降水量的0.86倍，虽然略低于当月降水量，但是由于降水在年际间的变异较大(表1)，同时此时期作物的需水量较高[7]，土壤水分缺乏发生的概率达到了50%以上；虽然5月份的降水相对较少，占年降水量的8.3%，潜在蒸散量是降水量的3.04倍，但是由于冻融过程积聚了一定水分在土壤剖面[18]，缓解了该时期土壤水分的缺乏，5月份作物处于生长初期需水量较少也是该阶段土壤水分缺乏相对较小的原因之一；8月份的降水占当月潜在蒸散量的1.16倍，降水能够满足作物需水，只有在较为干旱的年份才会出现土壤水分缺乏(例如2004年)；而进入9月份以后作物开始趋于成熟，耗水量逐渐减小，降水基本可以满足作物此阶段对水分的需求。作物生长季内降水与土壤水分亏缺量之间呈显著正相关的关系(图5)。

4 结 论

① 通过对10 a长期定位试验的土壤含水量数据进行统计分析，研究结果表明不同的施肥管理方式影响了土壤含水量，影响的深度为90 cm，表现为肥料的施用显著减少了该层土壤含水量，在施用化肥的基础上增施有机肥进一步加剧了土壤中水分的消耗，即表现为CK > NP > NPM。通过对比分析发现东北黑土区作物根系活动层位于0～90 cm处。

② 不同施肥管理下土壤水分显示略有盈余，但是从某个阶段来说仍然有土壤水分发生缺乏时期，主要在6月份和7月份，其中6月份发生土壤水分缺乏的概率在90%以上，7月份发生土壤水缺乏的概率在50%以上，所以加强6月份和7月份的土壤水分管理对于缓解土壤水分缺乏对作物生长和产量的影响重要的意义。降水的分布对土壤水缺乏的发生具有显著的影响。肥料的施用促使了土壤水分缺乏的发生，不同施肥处理之间表现为CK

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