不同田间管理措施对棕壤土持水能力的影响

张玉凤，李彦，高新昊，张英鹏，孙明，罗加法

(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部黄淮海平原农业环境重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心，山东 济南 250100；2.新西兰皇家农业科学研究院，新西兰 3240)

不同田间管理措施对棕壤土持水能力的影响

张玉凤1，李彦1，高新昊1，张英鹏1，孙明1，罗加法2

(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部黄淮海平原农业环境重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心，山东 济南 250100；2.新西兰皇家农业科学研究院，新西兰 3240)

为筛选出提高土壤持水能力的田间管理措施，通过大田试验研究了小麦-玉米轮作条件下，深耕、秸秆覆盖、增施有机肥、保水剂、沸石措施对棕壤土容重、水分库容、氮素含量等理化性质和作物产量的影响。结果表明：与推荐施肥处理相比，增施有机肥、深耕、秸秆覆盖、施沸石、保水剂均降低土壤容重，提高土壤孔隙度，可不同程度提高土壤有效水库容，进而增加作物产量；土壤容重降幅在0.72%～9.21%，土壤孔隙度增幅在0.30%～14.25%，土壤有效水库容增幅在0.05%～10.91%，作物产量增幅在0.07%～10.68%。综合各项指标，能够增加土壤持水能力且能保证作物产量的田间措施是增施有机肥和沸石，其中有效水库容增幅最大的是增施沸石处理，增产效果最好的是增施有机肥处理。

田间管理措施；棕壤土；土壤水库容；孔隙度；容重；产量

土壤水分含量不仅制约着土壤中养分的溶解、转移[1]，而且也是影响土壤物理性质的一个重要因素。土壤水分的变化不仅与降水、蒸发、日照时数等气象因子有关，还与土壤类型及作物覆盖程度等农业管理措施有关。研究表明，施用有机肥可提高土壤总孔隙度，使耕层土壤变松，增加持水能力，提高水分有效利用率[2]。覆盖可减少土壤水分蒸发，增大土壤含水量；保水剂是土壤的良好胶结剂，可有效增大土壤库容，有植物“微型水库”之称[3]。土壤中添加沸石能够增大土壤孔隙度和土壤含水量[4]；深耕可疏松土壤，增大土壤孔隙度[5]。国内对深耕、覆盖、增施土壤改良剂等田间管理措施的应用效果研究很多，但是在同一种植条件下，各项管理措施在增加土壤通透性的同时，是否提高了土壤含水量和土壤养分，进而提高作物产量，目前报道较少。为此，本研究通过田间试验，探究了深耕、秸秆覆盖、增施有机肥、保水剂、沸石等田间管理措施对棕壤土小麦和玉米产量及土壤的水分状况、氮含量、容重、孔隙度等的影响，以期明确作物产量与土壤含水量和土壤孔隙度的关系，进而筛选出能保持土壤含水量且能提高作物产量的田间管理措施，为农业生产中高效利用水资源提供有效的管理措施。

1 材料与方法

1.1试验地点与材料

试验地点：山东省招远市张星镇付家村，该地地貌类型为平原，代表面积 533.3 m2。地力均匀，属高肥力水平。

供试土壤：棕壤土类、典型棕壤亚类。基本理化性状：有机质含量11.2 mg/kg，碱解氮76 mg/kg，有效磷24.8 mg/kg，速效钾76.3 mg/kg。

供试作物：玉米(浚单20)和小麦(烟农24)。

供试肥料和原料：有机肥(猪粪)；秸秆(小麦秸秆)；沸石(美国改性沸石)；保水剂(自行研制，CEC为 35 cmol/kg)

1.2试验设计

试验共设 8 个处理，每处理重复3 次，小区面积 60 m2(10 m×6 m)。分别为： T1：对照，不施肥； T2：习惯施肥，按照当地农民施肥量和方式，小麦季、玉米季施肥量均分别为 N280 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 55 kg/hm2，小麦季，其中60%氮肥和全部磷钾肥基施，40%氮肥于春季返青期追施(以下小麦试验处理基追比相同)，玉米季，其中50%氮肥和全部磷钾肥基施，50%氮肥于大喇叭口期追施(以下玉米试验处理基追比相同)；T3：推荐施肥，根据前几年的试验结果制定出的作物产量和肥力达到最优的施肥量和方式，小麦季、玉米季施肥量均分别为 N 240 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2；T4：推荐施肥+有机肥，有机肥于小麦播种前全部基施，玉米季不施有机肥，化肥施用量为推荐施肥用量的 80%，同时施用有机肥，有机肥施用量为 7 500 kg/hm2，有机肥用量的确定依据为代替化肥中等量的磷；T5：推荐施肥+深耕，化肥施用量和方式同推荐施肥，采用小型电动翻耕机械深耕30 cm，在小麦播种前深耕，玉米季未深耕；T6：推荐施肥+覆盖秸秆，化肥施用量和方式同推荐施肥，种植作物后覆盖 4 500 kg/hm2桔秆，小麦季覆盖玉米秸秆，玉米季覆盖小麦秸秆，秸秆经机械粉碎后，相当于秸秆产量的半量覆盖；T7：推荐施肥+沸石，化肥施用量和方式同推荐施肥，同时施用进口沸石，施用量为 900 kg/hm2，施用量是根据预备试验的最佳效果确定的，仅在小麦季施用，玉米季未施用；T8：推荐施肥+保水剂，化肥施用量和方式同推荐施肥，保水剂施用量为 900 kg/hm2，施用量是根据预备试验的最佳效果确定的，仅在小麦季施用，玉米季未施用。除 T5 外，其余处理均常规机械旋耕，深度为 12～15 cm。种植方式为小麦-玉米轮作，小麦的播种时间为 2014年10月8日，收获时间为2015年 6月20日。玉米播种时间为 2015年6月22日，收获时间为 10月7日。其它田间管理措施按当地农民习惯。

1.3试验方法

种植小麦前，按照试验设计要求施肥和翻耕，机械播种，行距 12 cm，666.7m2播种量 15 kg。于小麦返青期 3 月 20 日追施氮肥。小麦收获时取每个小区中间 4 行测定产量，取样面积是 5 m2。采用环刀取土，分别测定0～5、5～10、10～15、15～20 cm土层的土壤容重，每个小区随机取5环刀，加权计算耕层的土壤容重；用土钻分别取0～20、20～40、40～60 cm土层的土壤，在每个小区随机取5个点，混合，测定土壤铵态氮和硝态氮含量。小麦收获后秸秆移出试验区。

玉米季按照试验设计的要求施肥和翻耕，T6处理按照试验要求覆盖小麦秸秆，机械播种，行距 60 cm，株距 25 cm，每666.7m2种植 4 500 株。玉米的一半氮肥于大喇叭口期 (8月2日)追施。收获时取每个小区中间 2 行测定产量，取样面积是 5 m2。土壤取样方法同小麦季。

土壤指标的测定方法：土壤容重用环刀法[6]；田间持水量：室内测定法[6]；土壤铵态氮：2 mol/L KCl浸提-蒸馏法[6]；土壤硝态氮：酚二磺酸比色法[6]。

库容是衡量土壤水分状况的一项重要指标。土壤总库容[7]是指剖面中总孔隙容积部分，由剖面中各土层的总孔隙度换算加权而得，土壤水总库容(m3/hm2)=2 000×土壤孔隙度÷100；贮水库容[7]是指能保持土壤水分的最大容量，由田间持水量计算而得，土壤贮水库容(m3/hm2)=10 000×0.2×田间持水量÷100；有效水库容[7]的划分涉及土壤萎蔫含水量和田间持水量。通过计算土壤水吸力为 30 kPa 时的土壤含水量(田间持水量)与土壤水吸力为 1.5 MPa 时的土壤含水量之差作为有效水库容。

1.4数据统计与分析

运用 DPS v 7.00 对数据进行方差分析，应用 Duncan’s新复极差法对不同处理进行多重比较。

2 结果与分析

2.1不同田间管理措施对耕层土壤容重和孔隙度的影响

由表1 可知，与习惯施肥处理T2相比，推荐施肥处理T3在小麦季的土壤孔隙度稍高，容重稍降低，但是差异均未达到显著水平。

与推荐施肥处理T3相比，在推荐施肥基础上增施有机肥、深耕、秸秆覆盖、增施沸石、保水剂均可不同程度提高土壤孔隙度，玉米季的增幅分别为 0.30%、1.84%、6.41%、0.91%、0.91%，小麦季的增幅分别为 14.25%、6.99%、2.85%、1.30%、11.66%；土壤容重均降低，玉米季降幅分别为 0.72%、1.45%、5.07%、0.72%、0.72%；小麦季降幅分别为 9.21%、4.61%、1.97%、1.32%、6.58%。

综合小麦-玉米两个生长季来看，孔隙度增幅较大且容重降幅也较大的为增施有机肥处理，变化幅度最小的为沸石处理。

表1 不同田间管理措施对耕层土壤容重和孔隙度的影响

注：表中同列数据后不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平(P<0.05)。下表同。

2.2不同田间管理措施对耕层土壤水分库容的影响

由表2可知，推荐施肥处理的贮水库容和有效水库容稍高于习惯施肥处理，但差异未达到显著水平，两处理的总库容相同，说明本试验中推荐施肥与习惯施肥在保持土壤含水量方面无差异。

与推荐施肥处理相比，在玉米季，在推荐施肥基础上增施有机肥、深耕、秸秆覆盖、增施沸石、保水剂均可不同程度提高土壤的总库容，增幅分别为 0.31%、1.84%、6.42%、0.92%、0.92%，其中差异达到显著水平的是秸秆覆盖处理T6；增施有机肥、秸秆覆盖、增施沸石处理的贮水库容均提高，增幅分别为 2.85%、4.56%、8.07%，其中添加沸石处理的贮水库容最高，显著高于深耕和保水剂处理，深耕和添加保水剂处理的贮水库容稍有降低，但与推荐施肥处理差异未达到显著水平；土壤有效水库容也得到不同程度的提高，增幅分别为 3.87%、0.05%、6.29%、10.91%、1.00%，其中差异达到显著水平的是增施沸石处理。

在小麦季，与推荐施肥处理相比，在推荐施肥基础上增施有机肥、深耕、秸秆覆盖、增施沸石、保水剂均可不同程度提高土壤的总库容，增幅分别为 17.21%、9.68%、0.23%、9.68%、14.52%，除秸秆覆盖外，其余处理均达到显著水平；有机肥、秸秆覆盖、增施沸石、保水剂处理的贮水库容均提高，增幅分别为 2.85%、4.56%、8.09%、0.96%，深耕处理的贮水库容降低，但差异未达到显著水平；有机肥、深耕、秸秆覆盖、增施沸石、保水剂处理的有效水库容均提高，增幅分别为 3.55%、0.05%、6.29%、10.85%、1.00%，其中增幅最大的是增施沸石处理。

表2 不同田间管理措施对耕层土壤水分库容的影响 (m3/hm2)

2.3不同田间管理措施对土壤氮素的影响

由表 3 可知， 0～20、20～40 cm土层中推荐施肥处理的硝态氮和铵态氮含量均高于习惯施肥，说明本试验设计的推荐施肥处理，施氮量虽然减少，但未影响作物生长对氮肥的需求。在推荐施肥处理基础上增施有机肥、深耕、秸秆覆盖、增施沸石、保水剂，基本呈现 0～20 cm 土层中推荐施肥处理硝态氮含量低于不同管理措施处理，20～40、40～60 cm 土层中推荐施肥处理硝态氮含量大都高于不同管理措施处理的趋势。铵态氮含量也基本呈现 0～20 cm 土层中深耕、秸秆覆盖、沸石处理高于推荐施肥处理，20～40、40～60 cm 土层中推荐施肥处理的铵态氮含量大都高于不同管理措施处理。初步说明不同管理措施可以增加 0～20 cm 土层中硝态氮和铵态氮含量，降低氮素流失到 20 cm 以下土层，具有保持土壤肥力的作用。

表3 不同田间管理措施对麦收后土体硝态氮和铵态氮含量的影响

2.4不同田间管理措施对玉米和小麦产量的影响

由表4可知，与对照处理相比，所有施肥处理的玉米、小麦产量均显著升高，表明该试验地的养分不能满足作物生长所需，应该施用一定量肥料。与习惯施肥处理相比，推荐施肥的玉米和小麦产量均升高，但差异未达到显著水平，说明本试验设计的推荐施肥量与作物需肥规律更接近。与推荐施肥处理相比，在推荐施肥基础上增施有机肥、深耕、秸秆覆盖、增施沸石、保水剂均可不同程度地提高作物产量，玉米的增产幅度分别为 6.15%、3.83%、0.07%、2.11%、0.09%；小麦的增产幅度分别为10.68%、4.21%、1.97%、7.65%、8.56%。其中增幅最大的是有机肥处理。

表4不同田间管理措施对玉米、小麦产量的影响 (kg/hm2)

3 讨论

3.1能够增加土壤水库容并保持产量的田间管理措施筛选

研究表明，采用秸秆、杂草或稻草等对地表加以覆盖可提高土壤持水量，增加土壤有效水含量，显著增加土壤有机质含量，提高土壤结构的稳定性及土壤入渗能力[3]，促进农作物生长，明显提高作物产量[8]。但也有研究表明，秸秆覆盖明显降低了冬小麦的产量[9]，这可能是由于地理位置、气候条件、覆盖作物种类、耕作方式的不同而导致的，也可能是因为秸秆覆盖导致有机质矿化而造成作物减产[10]。本试验中，与习惯施肥相比，虽然秸秆覆盖措施在玉米季显著增加土壤的总库容和土壤孔隙度，但对小麦和玉米产量增幅均不显著。原因可能是秸秆分解需要养分，与作物竞争了土壤中的养分，所以作物产量增加不明显。

丁昆仑等[11]研究发现，深耕能有效打破犁底层，降低土壤容重，降低田间耗水量，水分利用效率提高，作物产量增加。本试验中，与习惯施肥相比，深耕措施的贮水库容和有效水库容未达到显著水平，原因可能是由于本试验测定的是 0～20 cm内的各项土壤指标，而深耕深度为 30 cm，深耕后土壤孔隙度增加，土壤水分可能渗入到 20 cm 以下土层，所以下一步应该增加 20 cm 以下土壤各项指标的测定。小麦季土壤水总库容、有效水库容增加均显著，小麦和玉米季增产均达显著水平。

沸石类似于疏松多孔的海绵体，施入土壤中，能促进水稳性团聚体的形成[12]，起到贮藏水肥的作用，可使土壤孔隙度增加，容重降低，有利于提高土壤含水量[13-15]，不同程度增加了土壤中铵态氮含量，进而提高作物产量[4]。本试验中，与习惯施肥相比，施用沸石处理的小麦季增产显著，土壤水总库容、贮水库容、有效水库容及 0～20 cm土壤硝态氮和铵态氮均显著增加，玉米季贮水库容、有效水库容增加显著，但是土壤孔隙度和容重未达到显著水平，说明施用沸石能改善土壤保水性能，同时提高耕层土壤氮素含量，但是对土壤孔隙度和容重的改善不明显。

保水剂的原理是将土壤中的自然水或人工水迅速吸收并保存，使其变为固态水而不流动、不渗失，干旱时缓慢释放供给植物利用，因此施用保水剂能使土壤孔隙度增大，容重降低，土壤含水量增加[16]，作物产量提高[17]。本试验中，与习惯施肥相比，施用保水剂处理的小麦季总库容增加显著，且小麦显著增产，因此保水剂措施对土壤保水能力提高和小麦产量提高效果良好。

研究表明，连年施用有机肥能显著提高土壤饱和持水量和田间持水量，降低土壤容重[18]、提高作物产量，且有机肥施用量与产量之间呈显著正相关[19]。在本试验中，与推荐施肥处理相比，作物产量和土壤各项指标变化基本达到显著水平的是增施有机肥处理。

综合比较上述各项措施，能够增加土壤持水能力且能保证作物产量的田间措施是增施有机肥和沸石，其中有效水库容增幅最大的是增施沸石处理，增产效果最好的是增施有机肥处理。

3.2作物产量、土壤水分、土壤氮素、土壤孔隙度的关系

作物产量的高低与土壤水分和养分的供应密切相关。植物对养分的吸收、运转和利用都依赖于土壤水分，土壤的水分状况在很大程度上决定着肥料的合理用量[1]。而养分影响着植物对水分的利用，干旱条件下，施肥能提高土壤水势，从而提高土壤水分的有效性，使一部分原来对植物生长“无效”的水变得“有效”，使植物能吸收利用更多的土壤水分[20]。所以，适宜的水分条件和合理的养分供应是作物高产优质的基本保证，水分胁迫、养分缺乏以及二者供应的不同步性均不利于作物生长。

本试验中推荐施肥的作物产量、土壤硝态氮和铵态氮含量均高于习惯施肥，土壤贮水库容和有效水库容含量稍高于习惯施肥，说明本试验设计的土壤肥力能满足作物的生长，肥力不是限制作物产量的因素。

在本试验条件下，与推荐施肥相比，不同田间管理措施的作物产量均升高，总库容、贮水库容、有效水库容基本呈现升高趋势，土壤孔隙度均升高，土壤容重均降低，0～20 cm土层氮素含量大都升高，说明作物产量的增加与土壤含水量、氮素含量有关。本试验采用的田间管理措施改变了土壤孔隙度和容重，土壤孔隙度的变化影响了土壤含水量和氮素养分含量。在推荐施肥处理基础上增施有机肥、深耕、秸秆覆盖、增施沸石、保水剂基本呈现 0～20 cm 土层中氮素含量提高的趋势，而20～40、40～60 cm土层中氮素含量降低的趋势，说明不同管理措施具有保持耕作层氮素肥力，避免氮素养分流失的作用。但是作物产量与土壤含水量、土壤孔隙度及氮素养分之间的变化规律，应该进一步通过设计同一管理措施下不同施用量的试验来深入研究。

4 结论

本试验结果初步表明，对改善土壤保水能力效果较好的技术措施为秸秆覆盖和增施沸石，增加土壤孔隙度、降低容重的效果较好的技术措施为增施有机肥和秸秆覆盖，增加耕层土壤速效氮固持容量效果较好的技术措施为秸秆覆盖和增施沸石，增产效果显著的为增施有机肥。

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EffectsofDifferentFieldManagementMeasuresonWaterHoldingCapacityofBrownSoil

Zhang Yufeng1, Li Yan1, Gao Xinhao1, Zhang Yingpeng1, Sun Ming1, Luo Jiafa2

(1.InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,ShandongAcademyofAgriculturalScience/KeyLaboratoryofAgro-EnvironmentofHuang-Huai-HaiPlain,MinistryofAgriculture/ShandongProvincialKeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizer/ShandongProvincialEngineeringResearchCenterofEnvironmentalProtectionFertilizers,Jinan250100,China; 2.NewZealandRoyalAcademyofAgriculturalSciences，NewZealand3240)

In order to screen out the field management measures to improve the soil water holding capacity, the effects of deep tillage, straw mulching, increasing application of organic fertilizer, water retention agent and zeolite on bulk density, water storage capacity, nitrogen content and other physical or chemical properties of brown soil and the crop yield were studied under the wheat-maize rotation condition in field. The results showed that compared with the recommended fertilization treatment, the treatments of increasing application of organic fertilizer, deep tillage, straw mulching, zeolite and water retention agent all could decrease the soil bulk density, increase the soil porosity, and improve the soil available water storage capacity and crop yield in different extent. The soil bulk density declined by 0.72%～9.21%, the soil porosity increased by 0.30%～14.25%, the soil available water storage capacity increased by 0.05%～10.91%, and the crop yield increased by 0.07%～10.68%. Comprehensively considering all the indexes, the field management measures, which could increase the soil water holding capacity and ensure the crop yield at the same time, were the treatments of increasing application of organic fertilizer and zeolite. The zeolite treatment had the largest increase of soil available water storage capacity. The increasing application of organic fertilizer treatment had the best effect on the crop yield improving.

Field management measure; Brown soil; Soil water storage capacity; Porosity; Bulk density; Yield

S152.7+1

A

1001-4942(2017)10-0064-06

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.10.014

2017-07-18

国家重点研发计划子课题“黄淮(山东)旱作区丰产增效的全程机械化保护性耕作技术体系” (2016YFD0300804-5)；公益性行业(农业)科研专项“粮食主产区土壤肥力演变与培肥技术研究与示范”(201203030)；“海外泰山学者”建设工程专项；山东省科技重大专项“新型高效抗病-抗重茬多功能生物肥料的研制与应用示范”(2015ZDXX0502B04) ；农业部“948”项目“小麦玉米一次性施肥技术与环境影响评价”(2014-S21)

张玉凤(1972—)，女，山东聊城人，博士，研究员，主要从事植物营养和新型肥料研究。E-mail: zhyfsdu@126.com

李彦(1970—)女，黑龙江人，博士，研究员，主要从事农业环境方面的研究。E-mail: nkyliyan@126.com