长期不同施肥处理对不同土层土壤水力性质的影响

杨颖楠, 黄明斌

(1.西北农林科技大学 资源环境学院 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 陕西 杨凌 712100)

土壤质量是农业生产的物质基础，土壤水力性质是土壤质量的重要组成部分[1]。土壤水力学性质决定了土壤保持水分和传导水分的能力，是维持农业可持续发展的关键因素。肥料的使用可以改善土壤的某些理化性质，提高水分利用效率，但长期不合理的化肥施用会导致区域土壤质量明显退化，严重影响农作物产量。近年来，有机肥与化肥配施是农业研究的主要方向，配施有机肥能够提高土壤贮水能力和水分利用效率，促进作物生长发育、增加了有机物的归还量，进而改善了土壤物理性质[2-3]。但过量的化肥使用会导致土壤板结[4]、破坏土壤结构的稳定性[5]，同时过量的氮、磷肥会随地表径流、地下径流和深层渗漏污染地表水和地下水[6]。

由于施肥试验时间长短不一样、施肥水平不同、试验条件和研究作物差异，以及气候和土壤不同，不同研究者取得试验结果不完全一致。对栗褐土[1]、潮土[7]、红壤[5]的研究发现，长期施用化肥破坏了土壤结构的稳定性，土壤孔隙度降低，导致土壤物理性质恶化；与单施化肥相比，施有机肥能改善土壤总孔隙度、土壤有效水含量、透水性、饱和导水率，同时提高土壤持水性。马俊永等[8]的施肥试验表明，有机肥和无机肥混合施用可以使土壤的容重得到明显的降低，不仅提高了土壤孔隙度和毛管孔隙的数量，还改善了土壤的物理环境，土壤有效持水容量和田间最大持水量也得到了提高。但也有不同研究发现，长期单独施用化肥并非造成土壤板结的主要原因[9]，而施有机肥没有提高甚至会降低土壤饱和导水率[10]。另外，不同深度土壤水力性质受施肥影响存在差异，目前这方面的研究报道还很少。

为此，本研究以黄土高原地区1984—2020年的长期施肥定位试验为依据，探讨不同施肥处理对土壤主要水力性质的影响及其随深度的变化，以期为制定科学的施肥方案提供科学依据，进而促进农业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于陕西省长武县十里铺塬面旱地(35°14′N，107°40′E)，该区属暖温带半湿润大陆性季风气候，是典型的渭北旱塬旱作农业区，农作物以一年一熟小麦和玉米为主[11]。试验区平均海拔1 200 m，日照时数2 226 h，年均气温9.1 ℃, 1月平均气温-4.7 ℃, 7月平均气温22.1 ℃。年均降雨量578.5 mm，年际变异较大，季节性分布不均， 7—9月降水量占全年降水总量的55%以上。长期定位施肥试验于1984年开始，试验地土壤属黄盖粘黑垆土，母质是深厚的中壤质马兰黄土，全剖面土质均匀疏松。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]。耕层土壤的平均有机质含量为6.89 g/kg，平均全氮含量为0.99 g/kg，全磷含量为1.01 mg/kg[14-15]。

1.2 试验设计

通过试验区多年田间定位试验，试验选取4个施肥处理，分别为：CK(不施肥对照处理)，NP(氮磷配施， N 120 kg/hm2, P 26.4 kg/hm2)，M(单施有机肥，有机肥 75 t/hm2)，NPM(氮磷有机肥配施， N 120 kg/hm2, P 26.4 kg/hm2，有机肥 75 t/hm2)。氮素化肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，有机肥为厩肥，有机质含量106 g/kg，全氮含量2.65 g/kg，速效磷含量0.11 g/kg。所有肥料于作物播种前一次撒施地表，翻入土中，田间管理同大田。

1.3 样品采集与测定

试验样品采集于2020年11月，试验采用随机区组设计，每个处理设3次重复，共12个小区。由于施肥仅影响耕层土壤物理性质[16]，每个小区采样深度仅限于耕层和犁底层深度。每个小区随机选一点用土钻取0—10，10—20，20—30，30—40 cm的扰动土样，装入自封袋，填写标签，带回室内处理，用于测定土壤机械组成和有机质含量。同时，各土层容重、田间持水量和水分特征曲线采用原状土壤样品测定[17]。

土壤容重采用环刀法测定[18]。土壤总孔隙度由公式p=1-(土壤容重/土壤密度)计算得出，土壤密度取2.65 g/cm3[19]。田间持水量(FC)用沙吸法测定[20]。土壤水分特征曲线用离心机法[21]，取1 500 kPa水吸力值下的土壤含水量作为土壤凋萎系数。有效持水容量(AWHC)为田间持水量与凋萎系数的差值[22]。土壤颗粒组成采用吸管法测定[23]，各层砂粒(粒径0.02～2 mm)、粉粒(粒径0.02～0.002 mm)、黏粒(粒径<0.002 mm)含量见表1。

表1 黄土高原地区不同施肥处理各土层土壤颗粒组成 %

1.4 饱和导水率计算

2001年， Suleiman等[24]提出了使用土壤有效孔隙度估算饱和导水率(Ks)的相对有效孔隙度模型(REPM)。经过多个经验模型的比较结果表明[25-26], REPM是估算Ks的简单可靠经验方法，因此本研究借助该模型对土壤饱和导水率进行估算。其表达式如下：

式中：Ks为土壤饱和导水率(cm/d)；φer为相对有效孔隙度,可以通过有效孔隙度(φe)与FC(田间持水量)的比值计算：

式中：P为总孔隙度。

1.5 数据分析

采用Excel 2018及SPSS(24.0)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，检验不同处理间在p<0.05的显著性水平。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤有机质的影响

不同施肥处理表层土壤有机质含量的差异及其随深度的变化如图1所示。由图1可知，不同施肥处理会影响到表层0—30 cm有机质含量。在0—10 cm土层， M和NPM处理显著提高了土壤有机质含量，而NP和CK处理之间的土壤有机质含量无显著差异；相对于CK和NP处理， M处理的土壤有机质含量分别提高了50.1%和29.3%, NPM处理有机质含量分别提高了64.3%和41.63%。在10—20 cm土层， NP，M和NPM处理均显著提高了土壤有机质含量，较CK处理分别提高了36.8%，51.7%和68.9%；其中， NPM处理土壤有机质含量显著高于NP处理，提高了23.5%。在20—30 cm土层，仅M处理显著提高了土壤有机质含量， CK和NP，NPM处理间无显著差异。

2.2 不同施肥处理对土壤容重和总孔隙度的影响

由图2可知，各处理的土壤容重均随着土层深度增加而增加。在0—10 cm土层，较NP处理，NPM处理的土壤容重显著降低了7.2%。在10—20 cm土层，NP处理土壤容重显著增加，较CK，M，NPM处理分别增加了4.4%，7.4%，8.2%。在20—40 cm土层，各处理间无显著差异。

图2 黄土高原地区不同施肥处理下各土层土壤容重

不同施肥处理表层土壤总孔隙度的差异及其随深度的变化如图3所示。由图3可知，不同施肥处理仅影响到表层0—20 cm总孔隙度，不同施肥处理20—40 cm土层土壤总孔隙度无显著差异。在0—10 cm土层， NPM处理显著提高了土壤总孔隙度，相对于CK，NP和M处理，土壤总孔隙度分别提高了2.7%，5.1%和1.8%；而CK，NP和M处理之间土壤总孔隙度差异不显著。在10—20 cm土层， NP处理显著降低了土壤总孔隙度，而CK，M和NPM处理间土壤总孔隙度无显著差异，相对于CK，M和NPM处理， NP处理导致土壤总孔隙度分别降低了3.9%，6.2%和6.9%。通过相关性分析表明，土壤孔隙度大小和有机质含量呈极显著正相关关系(图4)，随着土壤有机质含量的增加，土壤总孔隙度线性增加。

图3 黄土高原地区不同施肥处理下各土层土壤总孔隙度

图4 黄土高原地区土壤有机质含量与土壤孔隙度的相关性

2.3 不同施肥处理对表层土壤田间持水量和有效持水容量的影响

图5为不同施肥处理表层土壤田间持水量的差异及其随深度的变化。由图5可知，不同施肥处理会影响表层0—30 cm田间持水量， 30—40 cm土层土壤田间持水量无显著差异。在0—10 cm土层， NPM处理显著提高了土壤田间持水量，相对于CK，NP和M处理，土壤田间持水量分别提高了22.4%，21.3%，17.2%；CK，NP和M处理之间土壤田间持水量无显著差异。在10—20 cm土层， NPM处理较 CK，NP，M处理田间持水量分别显著提高了24.4%，23.0%，23.8%, CK，NP和M处理之间田间持水量仍无显著差异。而在20—30 cm土层，相对于CK处理， NPM处理显著提高了田间持水量， NP，M和CK处理之间土壤田间持水量差异不显著。

图5 黄土高原地区不同施肥处理各土层土壤田间持水量

CK，NP，M，NPM 4种处理在土壤表层0—40 cm的有效持水容量分别为16.7，19.4，21.2，23.9 mm，相对于CK处理， NP，M和NPM处理都显著提高了表层土壤有效持水容量。图6为不同施肥处理表层土壤有效持水容量的差异及其随深度的变化，不同施肥处理对表层0—30 cm土层土壤有效持水容量有显著影响， 30—40 cm土层各处理间无显著差异。在0—10 cm土层， CK，NP和M处理间土壤有效持水容量无显著差异，而NPM处理显著提高了土壤有效持水容量，较CK，NP和M处理分别提高了37.1%，25.2%和17.0%。类似于0—10 cm土层，在10—20 cm土层也只有NPM处理显著提高了土壤有效持水容量，相对于CK，NP和M处理， NPM处理土壤有效持水容量分别提高了46.5%，42.6%，34.6%。在20—30 cm土层， NP，M与NPM处理之间土壤有效持水容量无显著差异，但较CK处理分别显著提高了土壤有效持水容量36.8%，47.3%和50.2%。

图6 黄土高原地区不同施肥处理各土层土壤有效持水容量

2.4 不同施肥处理对土壤饱和导水率的影响

由表2可知，不同施肥处理对各土层土壤饱和导水率有显著影响。在整个土壤剖面(0—40 cm)，NPM处理较CK和M处理显著提高了土壤饱和导水率。在0—10 cm土层， NPM处理显著提高了土壤饱和导水率，相对于CK，NP和M处理，土壤饱和导水率分别提高了8.7%，7.1%，6.6%；CK，NP和M处理之间土壤饱和导水率无显著差异。在10—20 cm土层，相对于CK处理， NPM处理的土壤饱和导水率显著提高了6.6%, M处理显著降低了7.1%；NP和CK处理间的饱和导水率无显著差异。在20—30 cm土层， NP和NPM处理显著提高了土壤饱和导水率，相对于CK处理分别提高了17.7%和21.3%；而M和CK处理间的土壤饱和导水率无显著差异。在30—40 cm土层， NP处理显著提高了土壤饱和导水率，相对于CK和M处理，土壤饱和导水率分别提高了12.4%和9.2%；CK，M和NPM处理之间土壤饱和导水率差异不显著。

表2 黄土高原地区不同施肥处理各土层土壤饱和导水率

3 讨 论

长期不同施肥措施影响土壤性质，本研究选取有机质含量、土壤容重、土壤孔隙度、土壤水分参数等来评价土壤性质的变化。

有机质是改善土壤结构的主要物质，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[19]。目前，国内学者已有不少关于施肥对土壤有机质含量影响的研究。对黑土[27]、红壤、灰漠土、垆土、潮土、褐土[28]长期耕作施肥后研究发现，施用有机肥或有机肥配施化肥，土壤有机质含量显著增加，而长期施用化肥的土壤有机质含量与供试前相比差异不显著。本研究结果表明， M和NPM处理均能显著提高表层土壤有机质含量， NP与CK处理之间差异不显著，这与柳影等[29]报道土壤有机质含量主要受施用有机肥数量和质量的影响的结论相一致。

土壤容重是反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力高低的重要指标，对土壤水、气、热状况和作物根系生长有着直接的影响。土壤容重与土壤孔隙度呈显著负相关，土壤容重越小，土壤孔隙度越大，说明土壤结构、透气透水性能越好。大量研究结果表明，长期不施肥的土壤，耕层结构致密，孔隙发育很少，土壤微结构较差；单施化肥，土壤颗粒未形成结构体，孔隙少；施用有机肥或有机无机肥配施，土壤粗颗粒数量显著增加，结构疏松，而且孔隙量大[30]。本研究结果表明， M和NPM处理均在一定程度上降低了表层土壤容重，提高了表层土壤孔隙度；同时，土壤孔隙度与有机质含量呈显著正相关，这与施肥对塿土[31]、潮土[8]和砂姜黑土[32]的影响研究结果一致。说明施加有机肥分解形成的有机质可以疏松土壤、增大孔隙度，降低土壤容重，有效改善表层土壤物理结构，提高土壤有效养分，有利于土壤保水保肥[33]。而NP处理增加了表层土壤容重，10—20 cm土层较CK处理显著增加4.4%，土壤孔隙度显著降低6.9%，土壤有硬化趋向，可能是由于长期偏施无机肥，农田土壤磷素过高，破坏了土壤结构的稳定性，致使土壤板结，影响冬小麦根系生长和水分和养分吸收。这与王改兰等[1]长期不施肥或单独施用化肥，土壤容重趋劣的结论相一致，但部分研究发现长期施用化肥会降低表层土壤容重、增加土壤孔隙度[10]，这可能与研究区地形、土壤性质和施肥水平等不同有关，具体机理需要进一步的研究。不同施肥处理对20—40 cm土壤的孔隙度无显著影响，可能是有机肥分解形成的有机质只对表层土壤产生了一定的影响，而对下层土壤影响不显著的缘故[9]。

土壤田间持水量和土壤有效持水容量与土壤质地、结构有关，可以反映土壤蓄水、保水和供水性能的优劣，也能间接地反映出土壤中孔隙的分布。一般来说，土壤有机质含量越高[34]，土壤孔隙度越大，土壤通气透水性越好，土壤涵养水源能力和保持水土的功能就越好。本研究发现，长期施肥后表层土壤的田间持水量和有效持水容量均有提高，其中NPM处理效果最佳。在0—30 cm土层， NPM处理的田间持水量较CK显著提高了23.5%，有效持水容量显著提高了40.1%；30—40 cm土层各处理间均无显著差异，表明化肥有机肥配施对提高0—30 cm土层土壤持水性能有明显作用，可以有效改善表层土壤透水和持水状况。M处理显著提高了0—10 cm和20—30 cm土层的土壤有效持水容量，说明有机物的良好亲水特性可以增强土壤保水能力[8]。NP和CK处理之间的持水性能差异较小，且均低于M和NPM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[19]。

此外，土壤饱和导水率也是研究土壤水分运动的重要参数，它与土壤孔隙数量、土壤质地、结构、含水量等有关，是土壤重要的物理特性之一。研究表明，MNP处理较CK显著提高了整个剖面(0—40 cm)土壤饱和导水率;较CK，NP，M处理，显著提高了表层(0—20 cm)土壤饱和导水率，这与Shi等[35]对塿土的研究结果相一致，化肥有机肥配施可以增加土壤孔隙度，进而改善表层土壤的透水状况，提高土壤水分入渗能力[36-38]。M和NP处理降低了10—20 cm的土壤饱和导水率，可能是由于长期施单肥，耕层的粉粒、黏粒和肥料堵塞了部分大孔隙，导致土壤大孔隙数量减少，中小孔隙数量增加，土壤逐渐紧实，从而降低了土壤水分传导能力[13]。

长期不同施肥处理改变了土壤肥力状况和土壤理化性质，最终影响冬小麦产量。经过36 a，NP，M，NPM处理对应的平均产量分别为3 895.3，3 438.0，4 494.9 kg/hm2，分别比对照增产161.7%，130.9%，201.9%，差异显著(p<0.05)。本研究发现NPM处理相对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处理具有最大增产优势，是旱地农业最佳施肥方式。

4 结 论

通过分析36 a不同施肥处理土壤水力性质发现，与不施肥相比，化肥有机肥配施和单施有机肥显著提高了表层(0—20 cm)土壤有机质含量，化肥有机肥配施效果更优；长期单施化肥则显著增加了表层(0—20 cm)土壤容重，降低了表层土壤孔隙度，导致土壤紧实、破坏土壤结构；各施肥处理都有效改善了土壤持水性能，其中，化肥有机肥配施显著提高了0—20 cm土层土壤田间持水量和有效持水容量以及 0—30 cm土层土壤饱和导水率。不同施肥处理对深层(30—40 cm)土壤的物理性质无显著影响。