氮肥投入对不同土壤类型电导率变化的影响

潘昭隆, 刘会芳, 赵帅翔, 马海龙, 张翠英, 段志平

(1.中国农业大学资源与环境学院/中国农业大学农业绿色发展研究院/中国农业大学农业绿色发展学院,北京 100193；2.滦南县农业农村局,河北 唐山 063500)

据统计，全球范围内约有10亿hm2的土壤发生了不同程度的盐渍化[1].土壤盐渍化对农作物根系吸收水分、养分的过程产生胁迫，对作物产量和农业生产影响巨大，已成为制约农业可持续发展的一个重要因子[2-3].因此，明确土壤盐渍化程度是治理土壤盐渍问题、提高土壤质量的先决条件[4]，通过测量土壤电导率来表征土壤的含盐情况、分布规律与盐渍化发生程度是主要技术手段.

土壤电导率可表征土壤盐分、质地结构、养分含量及pH值等理化信息，近年来受到众多学者的关注[5-7].李淑敏等[8]研究表明，在一定浓度范围内，可溶性盐含量与电导率呈正相关，电导率随含盐量的升高而升高；国外学者Griffin et al[9]研究表明，土壤电导率与土壤中的离子强度存在定量关系.可见土壤盐分是影响土壤电导率改变的主要因素，并且土壤电导率还受土壤类型的影响.研究发现，不同土壤中固体颗粒的大小、形状、空间排列以及由此产生的土壤孔隙大小分布不同，在同一温度和含水率的条件下，土壤电导率随土壤颗粒减小、黏粒含量的增加而增大[10].除盐分和土壤类型条件外，施肥量对土壤电导率的变化有直接影响，闫建文等[11]研究发现，在设施土壤中，氮肥用量与土壤电导率呈显著正相关，并且氮肥施用量越大，土壤盐渍程度就越显著，这说明氮肥的过量投入是导致土壤盐渍化加重的成因之一；他们认为，不同施氮量对于不同盐渍土电导率变化趋势的影响不同，在轻度盐渍土壤中，电导率随施氮量增加而降低，中度盐渍土壤中，电导率随着施氮量的增加而增加.

土壤电导率受多种指标的影响，但在实际生产过程中，土壤类型和氮肥投入是影响土壤电导率变化的主要因素，随着氮肥在土壤中的累积，土壤缓冲被破坏，土壤电导率大幅度提升，对作物的生长产生直接影响[12].目前针对氮肥投入对不同土壤类型电导率变化的影响尚不明确，因此，本研究对此进行试验验证，探究氮肥投入对不同类型土壤电导率变化的影响，旨在进一步了解土壤电导率的动态变化规律，为数字农业中电导率作为土壤监测的重要指标提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验设计

选取河北省唐山市滦南县农作区代表性的沙质、壤质、粘质土壤为试验材料，土壤过5 mm筛后置于20 cm×25 cm的盆中进行试验.3种土壤电导率背景值分别为0.101、0.317、0.357 mS·cm-1.为模拟实际生产中的氮肥投入，先实地调查当地农户氮肥投入情况，并以此为依据对当地农户的3种不同施氮量设置3个氮肥浓度(10、20、30 g·L-1，分别标注为肥液1、肥液2和肥液3)，共9个处理(表1)，每个处理3次重复.

表1 试验处理情况Table 1 List of treatments

在盆栽环境中，施用肥液5 d后，土壤含水量降低，土壤硬度变大，土壤电导率趋于稳定，因此不便于进行电导率的动态测定，为探究氮肥累积条件下3种土壤类型在不同时间不同土层的电导率变化，本研究在肥液3施用后，在5 d内对3种类型土壤的电导率进行取样监测.研究表明，在不同类型土壤上添加多种浓度的氮肥溶液时，所有处理的电导率在100～300 h后不再变化[13]，因此，为探究施肥后各土层土壤电导率的最终变化情况，分别在肥液1和肥液2施用后的第5天(120 h)进行取样，取样完成后再进行下一浓度肥液的施用.肥液1施用时间：9月25日，肥液2施用时间：9月30日，肥液3施用时间：10月5日，肥液施用体积均为1 L.为探究高氮肥投入条件下3种类型土壤电导率的动态变化，在肥液3施用后的第1天开始进行取样检测，连续取样5 d，取样时间为10月5日至10月9日.

1.2 测定指标

土壤取样采用钻孔取样，肥液1和肥液2处理后的土样采用自然风干，肥液3施用后取得的土壤用烘箱立即烘干.所有土壤均按照5∶1的水土质量比，采用DDSJ-308电导率仪进行独立测定各处理中0～5、5～10、10～15 和15～20 cm土层土壤的电导率值，每份土样连续测3次，并换算成25 ℃的标准电导率.

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行试验数据的处理与图表制作，并用SPSS 20.0进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(LSD-t).

2 结果与分析

2.1 土壤电导率对不同氮肥投入浓度的空间响应

随着氮肥投入浓度的不断变化，土壤可溶性离子在土体中不断运移，土壤盐分含量发生变化，土壤电导率也处于动态变化之中，但在不同类型土壤上的响应有一定差异.从图1可以看出，在沙土中，随着氮肥投入浓度的升高，各土层电导率均不断升高，说明在0～5、5～10、10～15、15～20 cm土层均有盐分累积，尤其是表层0～5 cm和底层15～20 cm的土壤，表层土壤由于盐分表聚，导致电导率升高，底层由于有水盐下渗，因此电导率也较高，在肥液3施用后，底层电导率达0.39 mS·cm-1，是肥液1施用后底层电导率的3.45倍.壤土各土层土壤电导率随着肥料溶液浓度的升高呈现升高趋势，肥液2施用后，其0～5、5～10、10～15、15～20 cm土层的电导率分别是肥液1施用后对应土层电导率的1.19、1.31、1.33、1.10倍，增量不多，而在肥液3施用后，电导率增幅最大，0～5、5～10、10～15、15～20 cm土层的电导率分别是肥液1施用后对应土层电导率的2.68、3.36、2.02、1.27倍.由于黏土的缓冲性较大，肥液1与肥液2处理在黏土各土层之间的电导率差异不大，在肥液3施用后，黏土各土层的电导率出现了升高趋势，各土层电导率分别是肥液1施用后的1.82、1.49、1.80、1.61倍.

不同小写字母表示同一土层不同氮肥投入浓度处理间差异显著(P<0.05).图1 不同土壤类型不同土层电导率变化Fig.1 Changes in electrical conductivity in response to various N inputs under different soil types and layers

2.2 土壤电导率在氮肥累积投入下的时间响应

图2显示了不同类型土壤各土层电导率随时间变化的规律：在氮肥累积作用下，随着时间的推移，土壤电导率也在不断变化.沙土各土层的电导率整体随时间的增长而呈现下降趋势，在第5天的时候，0～5、5～10、10～15 cm土层盐分下渗明显，底层(15～20 cm)变化不明显.壤土电导率在垂直方向上空间变异较大，随土层深度的增加，电导率值呈升高趋势，即上层土壤电导率低，下层土壤电导率高，并且随着时间的延长，出现返盐现象，使表层(0～5 cm)土壤电导率显著升高，底层(15～20 cm)电导率变化明显，但也呈升高趋势，说明壤土具有一定盐分积蓄的能力.黏土由于质地粘重，水分迁移能力差，抗干扰能力较强，各土层随时间的增长，其变化并不明显，空间变异性较小.

图2 不同土壤类型电导率随时间的变化Fig.2 Temporal changes in electrical conductivity under different soil types and layers

3 结论与讨论

对于不同质地的土壤，由于其孔隙状况和粘粒含量的不同，其土壤电导率的改变情况也有所不同.研究指出，沙质土壤的毛管孔隙较大，水分随毛管移动的速度快，盐分不易积累，因此不易盐化；壤质土壤毛管孔隙适中，水分与盐分运移量较大，土壤易产生盐渍化；粘质土壤毛管孔隙较小，水分与盐分运移较慢，土壤比较不易盐化[14]，这与本研究中测定的结果基本相同，并且国外学者Rhoades et al[15]研究表明，土壤电导率值与粘粒含量线性相关，其线性关系为EC=0.023(%C)-0.029(R2=0.99，%C为土壤中黏土含量的百分数)，王宁伟等[16]也通过试验得出相似的结论.因此，对于沙质土壤来说，由于缺乏固体粘粒，且其孔隙较大，难以存留水分，所以土壤电导率值较低，反之壤土和黏土的土壤电导率值较高.在氮肥累积的条件下，随着时间的延长，不同土壤类型呈现出不同的变化规律，这与土壤类型的差异有直接关系，沙土各土层电导率不断下降，表层土壤下降幅度较高，底层土壤变化不显著；壤土各土层土壤电导率逐渐升高，表层土壤增加幅度最高；黏土由于盐分移动相对困难，各土层电导率变幅不大.

随着氮肥投入浓度的不断升高，3种类型土壤均表现为随着土层深度的增加呈现盐分累积现象，但不同质地的土壤各土层电导率的变化有所不同.沙土质地较轻，保水保肥能力差，随着氮肥投入的增加，各土层空间变异性大，15～20 cm土层的电导率值最高；在氮肥投入相同下壤土和黏土的电导率同样存在一定的空间变异，但由于二者自身具有一定的缓冲性，因此当氮肥投入浓度较低时(肥液1和肥液2施用后)，不同浓度肥液处理下的同一土层电导率变化不大，这在黏土上较为显著，但在氮肥投入浓度较高时(肥液3施用后)，壤土和黏土都达到了缓冲临界，同一土层内，电导率增幅显著，这说明过高浓度的肥液会打破土壤的内在缓冲性，导致土壤电导率处于快速上升的趋势，土壤电导率值过高会对土壤及作物造成危害.因此，明确土壤电导率的缓冲临界并在此基础上进行合理的养分投入是推进土壤可持续利用的科学方式，但由于本研究只设置3个氮肥浓度梯度，并没有准确量化出各土壤电导率的缓冲临界值.此外，孙玉龙等[17]研究指出，水分与溶液中可溶性盐分的运移相互关联，当土壤含水变化较大时，土壤电导率变化也较大，因此土壤电导率与其含水量密切相关，但由于本研究试验的局限性，并未研究出电导率与土壤湿度之间的具体关系.

综上所述，本研究表明：随着氮肥投入的增加，不同质地土壤各土层电导率的变化有所差异，壤土和黏土电导率的空间变化要小于沙土，并且过高浓度的氮肥投入会显著提升不同质地土壤各土层的电导率值.过高的电导率会严重制约作物的正常生长，Li et al[18]研究表明电导率值过高会抑制作物根系对养分的吸收，从而降低作物产量和品质；张金锦等[19]认为过量的氮肥投入是造成土壤盐渍化的主要原因，因此在不同质地土壤上进行作物生产，均需要严格控制氮肥投入，尤其在盐渍化土壤中，在了解作物养分吸收规律和土壤基础肥力的前提下，结合土壤电导率监测适当减少氮肥投入是降低土壤盐渍化的有效措施.