25年长期定位不同施肥措施对关中塿土水力学性质的影响

兰志龙，Muhammad Numan Khan，Tanveer Ali Sial，杨学云，赵 英,2，张建国



25年长期定位不同施肥措施对关中塿土水力学性质的影响

兰志龙1，Muhammad Numan Khan1，Tanveer Ali Sial1，杨学云1，赵 英1,2※，张建国1

（1. 西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，杨凌 712100；2. 鲁东大学资源与环境工程学院，烟台 264025）

土壤水力学性质和功能的变化是评价长期施肥是否维持土壤可持续健康发展的重要方面。该研究通过采取“国家黄土肥力与肥料效益监测基地”的表层原状土壤，分析测定了撂荒（LH）、休闲（XX）、不施肥（CK）、单施氮肥（N）、氮磷钾肥（NPK）和有机肥与氮磷钾肥配施（MNPK）6个处理的土壤水分特征曲线、饱和导水率和紧实度等指标，评价了长期定位施肥对土壤基本物理性质和水力学性质的影响。结果表明：1）与CK、N和NPK处理相比，MNPK处理显著提高了土壤有机碳、饱和导水率和孔隙度，而降低了土壤容重和紧实度（<0.05）。2）不同施肥处理之间的土壤水分特征曲线表现出一定的差异，其土壤持水能力强弱为：XXθ）、饱和含水量（θ）和进气值倒数（）都存在一定程度的差异，θ在MNPK处理最大，XX最小；θ在N处理最大，MNPK次之，CK最小。进气值（1/）在XX处理最大，LH最小。3）当量孔隙的分布主要在>9m大孔隙范围内，其次是<0.2m小孔隙范围，0.2～9m之间的中孔隙分布较少。综上，MNPK有助于改善土壤结构，提高土壤持水性，降低土壤容重和紧实度，有助于作物生长和高产，是关中地区较为适宜的施肥措施。

土壤；水力学；水分特征曲线；饱和导水率；土壤紧实度；塿土

0 引 言

在干旱半干旱区，土壤水分是作物生长和植被重建的限制因子[1]，也是维持农业可持续发展和土壤生产力的关键因素[2]。土壤持水能力、紧实度以及容重等土壤物理性质是农业可持续发展及土壤质量演变的重要指标[3-5]。土壤水分特征曲线可反映土壤持水能力[6-7]，也可反映土壤水分保持和运动[8]，它主要受土壤质地和土壤结构等土壤理化性质的影响[9]。同样，土壤饱和导水率和土壤紧实度也受这些性质的影响[10-11]。土壤紧实度反映了作物生长过程中机械阻力的强弱，通过影响水、肥、气、热等因子，进而决定植物根系的生长及分布[12]。

长期施肥和耕作措施对土壤肥力变化和土壤理化性质具有显著性影响，但对土壤水力学及其力学性质影响的研究相对比较欠缺。Shi等[13]发现长期使用有机肥提高了表层0～5 cm土壤持水性和导水率；宁婷等[14]的研究表明黄土丘陵区撂荒坡地土壤的持水和供水能力以0～40 cm和240～400 cm土层较强，中间土层较弱。陈学文等[15]的研究表明秋翻有助于降低黑土表层土壤容重和土壤紧实度，而增加了亚表层的土壤容重和土壤紧实度形成犁底层。

在黄土高原地区，诸多学者[15-17]开展了大量的关于土壤持水特性研究，但大多集中于退耕还林还草和撂荒坡地的研究，而对于长期定位施肥试验对于土壤水力学及土壤力学特性的研究很少，并未引起足够的关注。显然，与短期相比，长期定位试验更能客观地表征不同管理措施对土壤水力学和力学性质的影响。基于此，本文以陕西杨凌塿土雨养农业土壤肥力长期定位试验为依托，研究不同施肥处理土壤持水特性，量化不同施肥处理之间的土壤持水状况，明确不同处理之间水力学和力学性质的差异。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在“国家黄土肥力与肥料效益监测基地”进行，位于陕西杨凌示范区五泉镇（34°17′51″N，108°00′48″E），海拔516 m，年平均气温13 ℃，≥10 ℃积温4 196.2 ℃，年均降水量550～600 mm，主要集中在7-9 月，年均蒸发量993 mm，无霜期184～216 d。供试土壤为土垫旱耕人为土（塿土），黄土母质。

1.2 试验设计

长期试验始于1990年秋，共设13个处理，本研究选用其中6个处理，即：撂荒（不耕作，LH）、休闲（耕作不播种，XX）、不施肥（CK）、单施氮肥（N）、氮磷钾肥（NPK）、有机肥与氮磷钾肥配施（MNPK）。LH和XX不施肥，且XX及时除草，基本保持没有植被生长。每个小区面积均约为399 m2（21 m×19 m），处理实行冬小麦－夏休闲单作种植制度，小麦种植前进行翻耕，生长期内作物生长靠自然降雨，不灌溉。所有肥料于冬小麦播种前一次施入，氮、磷、钾肥用量分别为135、47.1，56 kg/hm2；MNPK处理中N来自有机肥氮和无机肥氮的比例为7:3，按氮量折合施用牛粪。牛粪中氮含量为17.1%，平均干质量7.37%；氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。

1.3 土壤样品采集及测定

1.3.1 样品采集

试验样品采集于2016年7月，每个样地中利用体积为100 cm3的环刀采集5个0～5 cm未扰动的原状土壤样品。2个用于测定水分特征曲线，3个用于测定饱和导水率和容重等。同时并采集3个0～5 cm扰动样品混匀，利用四分法获得约500 g样品，重复3次，用于测定土壤有机碳、土壤质地等指标。

1.3.2 样品测定

土壤水分特征曲线采用高速离心机法测定[18]。将未扰动的环刀土壤样品放入水中浸泡24 h，待样品达到饱和状态。利用CR21GⅡ型高速恒温冷冻离心机（日本），按照设定的转速确定相应的离心力和吸力，离心特定的时间即达到平衡状态。分别测定1、5、10、30、50、70、100、300、500、700和1 000 kPa吸力时的土壤含水量，每个吸力分别对应的转速为310、690、890、1 700、2 190、2 600、3 100、5 400、5 930、8 200、9 800 r/min。

土壤紧实度采用SC900土壤紧实度仪（空间分辨率为2.5 cm，压力分辨率为35 kPa，最大测量深度为45 cm，测量压力范围为0～7 000 kPa）测定，测定土壤5 cm深度的紧实度。因仪器测定误差较大，因此在测定过程中由一个人操作，且每个样地重复测量9次，取其平均值，以减少误差。

土壤饱和导水率采用降水头法测定。土壤容重和土壤饱和含水量采用环刀法测定。土壤总孔隙度由公式=1−(土壤容重/土壤密度)计算得出，土壤密度取2.65 g/cm3。

1.4 土壤当量孔径的计算

根据土壤毛管理论[19]，在非饱和土-水系统中，水吸力主要是由土壤中某一范围孔径的圆形毛管的毛管力作用的结果，如果用表示水的表面张力系数（常温下为7.5×10-4N/cm），表示毛管半径，则土壤水吸力=2/，为了与土壤的真实孔径加以区别，此时把毛管直径称为当量孔径（即=2），进而得到土壤水吸力=4/（Pa），则当量孔径与土壤水吸力的关系为=30×104/（m）。

假设土壤含水率为1、2（1>2）所对应的土壤当量孔径分别为1、2，土壤中当量孔径介于2～1之间的孔隙所占的体积与孔隙总体积之比为1-2，称当量孔隙体积占比。大孔隙（>9m），中孔隙（0.2～9m）和小孔隙（<0.2m）所对应的压力范围分别为<33 kPa，33～1 500 kPa和>1 500 kPa。

1.5 数据处理

1.5.1 土壤水分特征曲线拟合

土壤水分特征曲线利用V-G模型拟合，V-G模型的具体方程如下[6]

式中()为体积含水量，cm3/cm3；θ为滞留含水量，cm3/cm3；θ为饱和含水量，cm3/cm3；为土壤吸力，cm；和为拟合参数，且与无关。

采用均方根误差（RMSE）定量评价模型拟合的效果，其表达式为

式中为设定压力值的总个数；θ为与第个压力值所对应土壤含水率的模拟值；ω为与第个压力值所对应土壤含水率的实测值。RMSE定量描述了模型模拟值与实测值之间的误差，其值越小，表明模型拟合效果越好；反之，越差。

水分特征曲线表征了在相同水吸力下，土壤持水能力大小。此外，比水容量是衡量土壤水分对植物的有效性和反映土壤持水性能的一个重要指标。根据公式（1），比水容量可以土壤水吸力为自变量求导后的斜率值而得，即

式中()为比水容量。

1.5.2 数据分析

采用Excel 2007和SPSS 18.0软件对数据进行统计分析。采用单因素（one-way ANOVA）和LSD法进行方差分析和多重比较（=0.05），OriginLab2016进行做图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤基本理化性质的影响

由表1可知，除CK与N之间外，其他不同处理之间土壤有机碳（SOC）含量存在显著性差异（<0.05），LH和MNPK处理的SOC含量高于及其他处理，而XX处理的含量最低。MNPK处理的饱和含水量显著高于其他处理，高达59.13%；LH处理的土壤饱和含水量最低，为49.43%，比MNPK处理降低了16.40%；MNPK处理与其他处理之间差异显著，但LH与CK处理之间以及N、NKP和XX处理之间差异不显著。不同处理土壤容重之间存在较大差异，其中LH的容重最大为1.40 g/cm3，MNPK最小为1.11 g/cm3，且LH处理与其他各处理之间差异显著（<0.05），但XX、CK与NPK处理之间差异不显著。不同处理的孔隙度之间也存在较大差异，其中MNPK处理的孔隙度最大，而LH处理的孔隙度最小；MNPK处理与其他处理之间差异显著（<0.05），但CK与NPK处理之间差异不显著。在不同处理间颗粒组成中NPK处理砂粒含量最高，且与其他处理存在显著差异（<0.05）。N处理砂粒含量最低，且与LH、XX和CK处理之间无显著差异（<0.05）。N处理粉粒含量最高，且与其他之间存在显著差异，而LH、XX、NPK和MNPK处理之间差异不显著（<0.05）。黏粒除N处理外，其他处理差异不显著（表1）。

表1 土壤基本理化属性

注：LH：不耕作不施肥（撂荒）；XX：休闲；CK：不施肥；N：单施氮肥；NPK：氮磷钾肥；MNPK：有机肥与氮磷钾肥配施。不同小写字母代表不同处理间的差异显著(<0.05)，下同。

Note: LH: leave land uncultivated; XX: bare fallow; CK: control (no fertilizer and manure); N: N fertilizer; NPK: NPK fertilizer; MNPK: manure and NPK fertilizers. Different lowercase letters indicate significant difference (<0.05), the same below.

2.2 不同施肥处理对饱和导水率的影响

如图1所示，不同施肥处理条件下，土壤饱和导水率之间均存在较大差异。MNPK处理的饱和导水率最大，43.53 cm/d，XX的饱和导水率最小，3.77 cm/d。所有处理土壤饱和导水率的大小次序为：MNPK(43.53 cm/d)> N(36.04 cm/d) > NPK(33.94 cm/d) > LH(27.64 cm/d) > CK(8.27 cm/d) > XX(3.77 cm/d)。在使用化肥的处理中N、NPK和MNPK处理之间差异不显著（<0.05），但MNPK略高于N和NPK。施肥处理与不施肥的处理之间存在显著性差异，整体上施肥处理大于不施肥处理。

图1 不同处理土壤饱和导水率差异

2.3 不同施肥处理对土壤紧实度的影响

图2表明，不同施肥处理条件下土壤紧实度之间存在较大差异。其中LH处理的土壤紧实度最大，CK的紧实度最小。不同处理土壤紧实度的大小分别为：LH(897.11 kPa) > XX(682.22 KPa) > NPK(553.44 KPa) > N(467.67 KPa) > MNPK(448.33 KPa) > CK(370.33 KPa)。施肥处理土壤紧实度之间差异不显著，但显著低于LH和XX处理；CK与NPK处理之间差异显著但与N和MNPK处理之间差异不显著。

图2 不同处理土壤紧实度差异

2.4 不同施肥处理条件下土壤水分特征曲线特征

如图3所示，不同施肥处理对土壤持水特性的影响较大。LH的持水能力最强，XX的持水能力最弱。整个压力段，LH处理较XX、CK、N、NPK和MNPK处理持水能力分别平均提高21.84%、10.22%、11.03%、15.34%和7.46%；MNPK处理较CK、N和NPK处理持水能力分别提高2.57%、3.33%和7.34%。在低吸力段0～51.0 cm时，不同处理之间差别较小，N和MNPK处理的持水能力要高于LH。而吸力高于51.0 cm时LH处理的持水能力最高，且持水能力大小始终表现为：XX

注：OD为测定值；SD为模拟值。

为了进一步分析施肥对土壤持水能力的影响，利用RETC软件中的V-G模型（与无关）对试验数据进行拟合得到以下参数结果（表2）。2均大于0.989 8，且达到极显著水平（<0.01）。标准误差（RMSE）最大值为0.091，说明实测值与拟合值之间的离散程度非常小。不同处理之间，θ、θ和均存在一定程度的差异，θ在MNPK处理最大，XX最小；θ在处理最大，MNPK次之，CK最小。1/在XX处理最大，LH最小。

2.5 不同施肥处理条件下土壤当量孔隙分布

如图4所示，不同处理之间土壤的总当量孔隙分布存在差异。不同处理的当量孔径以>9m的大孔隙为主，介于22.3%～30.2%之间，其次是小孔隙和中等孔隙；N处理大孔隙分布数量最高，其次为XX和MNPK，LH处理的分布数量最低；与0.2～9m的中孔隙相比，<0.2m的小孔隙含量更高，且LH处理小孔隙最高，MNPK次之，XX最小。

表2 不同处理条件下土壤水分特征曲线参数(V-G模型)

注：和为拟合参数，且与无关。

Note:andis fitting parameter, andis not relative to.

图4 不同处理当量孔径分布

3 讨 论

3.1 长期施肥对土壤饱和导水率和基本土壤物理性质的影响

土壤颗粒组成和土壤有机质是土壤结构形成的核心，而有机质是土壤结构改善的主要物质，它通过降低土壤容重和提升土壤孔隙度显著改变土壤功能[20]。本研究发现长期施肥对塿土的饱和导水率产生了显著影响，这与Shi等[13]的研究结果相一致。不同处理之间土壤饱和导水率的差异主要是由于施肥和耕地等措施，以及0～5 cm土壤剖面中存在大量的小麦根孔，为土壤水分的运动提供了充足的通道。同样，LH在0～5 cm之间也具有大量的根孔，因而显著提高其饱和导水率。CK低于LH是因有机质含量低，土壤结构性差，饱和导水率降低。

土壤紧实度是反应土壤疏松程度的重要物理指标[21]，对作物的生长具有重要影响[22]。研究表明，土壤紧实度与土壤含水量呈负相关关系[23]，免耕也会导致土壤紧实度的增加。LH的土壤紧实度最大，其主要是因黄土具有很强的湿陷性，在长期未翻耕的情况下，土层变的紧实，容重与紧实度都会增加[24]；LH处理在2～3 cm以下存在一个致密层，增加了5 cm处土壤紧实度；除LH外，其他处理因每年播种前翻耕，使得表层土壤较为疏松，降低了土壤紧实度，同样容重也因此而减小。MNPK因配施有机肥，土壤结构得以改善，因而其紧实度较N和NPK更低，但无显著差异。

不同的施肥措施和耕作，使得土壤容重和土壤孔隙度之间存在较大差异。土壤容重取决于土壤颗粒组成及土壤有机质含量等因素。LH的土壤容重远高于其他处理，是因LH处理25 a未翻耕土壤因降雨湿陷紧实[24]，而增加了土壤容重，降低了土壤孔隙度。其他处理每年因翻耕降低了耕作层的土壤容重，同时一定量有机质的输入降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度。

3.2 长期施肥对土壤持水特性的影响

在干旱半干旱地区雨养农业系统中，土壤持水性能和理化性质对于农业生产至关重要[25]。而土壤水分状况是干旱半干旱地区作物生长和产量的保证，也是水土资源合理利用和粮食安全的基础。土壤持水特性主要受到土壤质地和土壤结构的影响[26]。土壤饱和含水量、田间持水量以及比水容量均受土壤质地和土壤孔隙分布的影响[27-28]。

研究区土壤发育于黄土母质，具有较高粉砂粒含量，土壤颗粒间大孔隙多，结构发育差，其持水保肥能力较弱；在低压力段，易于失水，而降低土壤供水能力，导致作物生长受限，影响作物生产[29-30]。随着压力的不断增加土壤失水量增加，而失水速度逐渐减慢（表3），而被作物可吸收利用的土壤水分也相应减少。在25 a长期定位雨养农业试验中，不同的施肥处理土壤理化性质（表1）和结构均发生了一定的变化，同时土壤持水能力也受到一定的影响，土壤水分在压力作用下的比水容量产生明显的差异（表3）。

表3 不同土壤水吸力状态下不同处理的比水容量

从长期施肥对土壤持水特性的结果来看，长期撂荒处理（LH）的土壤具有更高的土壤持水能力，而MNPK处理次之，XX处理最低。撂荒地土壤含有较高的有机质和黏粒含量，以及长时间无人为因素的干扰，在只有杂草生长的状况下，形成了较好的土壤结构，且LH相比较其他处理含有较多的小孔隙，因而提高了土壤的持水能力。在水吸力>5 kPa条件下，LH处理比水容量最高（表3），这主要是在LH处理土壤孔隙系统中，微孔隙含量较高（图4），增强了土壤持水性[14]，而增加了土壤比水容量。MNPK处理因施加有机肥，改善了土壤结构，降低了低吸力段土壤的比水容量，提高土壤的持水能力，有助于作物的持续供水；而单施化肥处理（N和NPK）以及XX和CK大孔隙较多且土壤结构差，在低吸力段易于失水，而导致土壤持水量降低。而且土壤有机碳与土壤小孔隙呈显著正相关（<0.05），这一研究结果与高会议等[31]的研究结果一致，从而进一步说明了有机质对于土壤结构及持水性能的改善。XX处理的持水能力最弱，是由于土壤有机质含量很低，且每年都会定期去除杂草和种植处理一样进行翻耕处理，而破环了土壤结构[32]。N和NPK处理之间的持水性能和比水容量之间差异较小，均低于有机肥配施处理，可能是因为大量N肥的使用导致土壤结构的破坏从而降低了土壤的持水特性；相较于休闲地处理，作物根系对土壤中有大量有机质的输入而提升了土壤持水能力。

4 结 论

1）长期不同施肥处理对土壤有机碳、饱和导水率、紧实度等指标产生了一定的影响，与不施肥（CK）、单施氮肥（N）和氮磷钾肥（NPK）处理相比，氮磷钾肥配施（MNPK）显著提高了土壤有机碳、饱和导水率和孔隙度，而降低了土壤容重和紧实度。

2）长期定位试验不同施肥处理之间的持水性能表现出一定的差异，其土壤持水能力强弱为：休闲<单施氮肥≈氮磷钾肥< 不施肥<氮磷钾肥配施<撂荒。施有机肥处理较不施肥、单施氮肥和氮磷钾肥处理持水能力分别提高2.57%、3.33%和7.34%；不同施肥处理之间VG拟合结果表明，残余含水量（）、饱和含水量（）和进气值倒数（）都存在一定程度的差异，在MNPK处理最大，休闲最小，在单施氮肥处理最大，氮磷钾肥配施次之，不施肥处理最小。

3）不同处理的孔隙以当量孔径>9m孔隙为主，且不同处理大孔隙含量要高于中孔隙和小孔隙，介于22.3%～30.2%之间；与中孔隙相比，小孔隙含量更多，且LH处理小孔隙最高，氮磷钾肥配施次之，休闲最小。

综上，有机肥和化肥配施有助于提高土壤持水性和土壤孔隙度，降低土壤容重和紧实度，是干旱半干旱地区较为适宜的耕作措施。

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Effects of 25-yr located different fertilization measures on soil hydraulic properties of lou soil in Guanzhong area

Lan Zhilong1, Muhammad Numan Khan1, Tanveer Ali Sial1, Yang Xueyun1, Zhao Ying1,2※, Zhang Jianguo1

(1.712100,; 2.264025)

Soil moisture is a main limiting factor for crop growth and vegetation reconstruction in the arid and semi-arid areas of the world and it is a key factor for agricultural sustainability and soil productivity. Changes in soil hydraulics and function are major aspects for assessing whether long-term fertilization is beneficial for soil sustainable development or not. The objectives of this study were to determine the soil water retention characteristics of different fertilization treatments based on the long-term located experiment of soil fertility at “the Chinese National Soil Fertility and Fertilizer Efficiency Monitoring Base of Loessial Soil” established in the autumn of 1990 in Yangling, Shaanxi, China, and to clarify the differences of soil physical properties affected by the fertilization. The experiment was consisted of six treatments: abandonment (LH), fallow (tillage， without planting, XX), no fertilization (CK), single application of nitrogen (N), nitrogen, phosphorus and potassium (NPK), organic manure + NPK (MNPK), and LH and XX are not fertilized, and weeds were regularly removed at XX every year. The soil water retention curve, saturated hydraulic conductivity and soil strength were analyzed and determined by adopting the surface undisturbed soil. The results showed that: 1) Long-term fertilization treatment had significant effects on soil organic carbon, saturated hydraulic conductivity and soil strength (<0.05). Compared with CK, N and NPK, MNPK significantly (<0.05) increased soil organic carbon, saturated hydraulic conductivity and porosity and reduced soil bulk density and soil strength. 2) Soil water retention curve showed a significant difference between treatments, and soil water holding capacity was: XX < N ≈ NPK < CK < MNPK < LH. Soil water holding capacity of MNPK was increased by 2.57%, 3.33% and 7.34% over that of the CK, N and NPK, respectively. The parameters of V-G model between different treatments showed that there were slightly significant differences in residual water content(θ), saturated water content(θ) andreciprocal of inlet air ().θis the largest in MNPK, and the smallest in XX;θwas the largest in N, followed by MNPK, and the smallest at CK. Inlet air (1/) was the largest in XX and the smallest in LH. 3) The pores of different treatments were mainly composed of an equivalent pore diameter > 9m, and the ratio of macropores in different treatments was higher than that of medium pores and small pores, ranging from 22.3% to 30.2%. Compared with medium pores, the ratio of small pores was more. There was the largest ratio for the small pores at the LH, followed by the MNPK, and the XX. In summary, MNPK can improve soil structure and soil water holding capacity, reduce soil bulk density and soil strength and enhance soil stability, which is helpful for crop growth and yield, and is a suitable farming measurement in semi-arid Guanzhong area.

soils; hydraulic; water retention curve; saturated hydraulic conductivity; soil strength; lou soil

兰志龙，Muhammad Numan Khan，Tanveer Ali Sial，杨学云，赵 英，张建国. 25年长期定位不同施肥措施对关中塿土水力学性质的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(24)：100－106.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.012 http://www.tcsae.org

Lan Zhilong, Muhammad Numan Khan, Tanveer Ali Sial, Yang Xueyun, Zhao Ying, Zhang Jianguo. Effects of 25-yr located different fertilization measures on soil hydraulic properties of lou soil in Guanzhong area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 100－106. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.012 http://www.tcsae.org

2018-06-19

2018-11-20

陕西省科技计划项目（2014KJXX-44）；黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室主任基金项目（K318009902-1427）

兰志龙，博士生，主要从土壤物理方面的研究。Email：lanzhilong1024@163.com

赵 英，副教授，主要从事土壤水文过程及其调控研究。Email：yzhaosoils@gmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.012

S152

A

1002-6819(2018)-24-0100-07