长期不同施肥对褐土持水性质的影响

Effect of Long-Term Different Fertilization on Water Retention of Brown Soil

摘要

为了评价长期不同施肥对褐土土壤物理性状和土壤持水性质的影响，依托山西省寿阳旱地农业生态系统国家野外科学观测研究站长期进行氮磷肥与有机肥配合施用定点定位试验的褐土农田，设置不施肥（CK）、单施氮磷肥（NP）、氮磷肥与有机肥配施（NPM）和单施高量有机肥（M）等4个处理，并测定其土壤容重、孔隙度、紧实度、饱和导水率以及土壤水分特征曲线等指标。结果表明，与CK相比，NPM和M处理显著降低了土壤容重和紧实度，提高了土壤孔隙度和饱和导水率，同时水分累计入渗量也分别提高了20.00%和47.62%；土壤水分特征曲线表明，不同处理土壤持水能力从高到低为M>NPM>NP>CK；Van Genuchten模型拟合结果表明，M处理下田间饱和含水量（θs）和剩余含水量（θr）均最高，而CK最低。与CK相比，NPM和M处理田间持水率分别提高了11.97%和40.27%，土壤有效含水率分别提高了15.11%和21.35%。综上，长期施用高量有机肥（M）以及氮磷肥与有机肥配施（NPM）配合施用可以提高土壤持水能力，是褐土区较为适宜的施肥措施。

Abstract

In order to evaluate the effects of long-term different fertilization on the physical properties and water retention of brown soil, in this study, based on the brown soil farmland in the long-term fixed-point positioning experiment of nitrogen phosphorus fertilizer and organic fertilizer combined application conducted by the National Field Scientific Observation and Research Station of Shouyang Dryland Agricultural Ecosystem in Shanxi Province, soil bulk density, porosity, compactness, saturated water conductivity, and soil water characteristic curve under the treatments of no fertilization(CK), single application of nitrogen and phosphorus fertilizer(NP), combined application of nitrogen and phosphorus fertilizer with organic fertilizer(NPM), and single application of high amount of organic fertilizer(M) were analyzed and determined. The results showed that compared with CK treatment, NPM and M treatments significantly reduced soil bulk density and compactness, improved soil porosity and saturated water conductivity, and increased the cumulative water infiltration by 20.00% and 47.62%, respectively. The soil water characteristic curve showed that soil water holding capacity from high to low fertilization treatment was M>NPM>NP>CK. The fitting results of Van Genuchten model showed that the treatment M had the highest saturated water content(θs) and residual water content(θr), and CK had the lowest ones. Compared with CK, the field water holding capacity of NPM and M increased by 11.97% and 40.27%, and the effective soil water content increased by 15.11% and 21.35%, respectively. In conclusion, long-term application of high amount of organic fertilizer (M) and combined application of nitrogen and phosphorus fertilizer with organic fertilizer(NPM) could improve soil water holding capacity, which was a more suitable fertilization measure in brown soil area.

Graphical abstract

关键词

长期施肥 / 褐土 / 土壤物理性质 / 土壤持水能力

Key words

long-term fertilization / brown soil / soil physical properties / soil water holding capacity

山西省褐土类型耕地面积286.13万hm²，占全省总耕地面积的54.9%，是山西省粮食、蔬菜、水果等农副产品生产的主要耕作土壤。山西省降雨分布不均，干旱次数较多，水肥胁迫制约着该区域农业的生产。因此，提高褐土土壤持水能力、减少径流，是提高旱作农田生产力的关键。

土壤持水和供水性质与土壤理化性质息息相关，土壤容重、孔隙度以及土壤紧实度等物理指标是影响土壤持水和供水能力的重要指标^[1-3]，土壤物理结构的变化影响土壤的持水能力，从而影响土壤的生产力和农业的可持续发展^[4]。土壤水分特征曲线反映了土壤的持水性，受土壤有机碳、土壤容重等指标的影响；土壤饱和导水率反映了土壤透水性，也受土壤理化性质的影响。施肥是提高作物产量的重要农业手段^[5]，而长期施肥不仅改变土壤肥力同时也在改变土壤的物理结构^[6]，进而改变土壤的持水性质^[7]。

与短期试验相比，长期定位试验更能客观地表征不同施肥措施对土壤持水性质的影响。王艳阳等^[8]研究发现，在紫色土中施入生物炭能够提高土壤的持水能力。兰志龙等^[9]研究发现，有机无机肥配施提高了塿土的持水性。张艳等^[10]研究发现，长期施用有机肥降低了黄壤的容重，提高土壤孔隙度，进而提高黄壤的持水能力。SHI等^[11]研究表明，长期施有机肥提高了0~5 cm土层土壤的持水性和土壤饱和导水率。马俊永等^[12]研究发现，有机无机肥配施处理改善了潮土土壤的物理性状，提高了田间持水率和饱和含水量。长期施氮磷钾肥一定程度上提高了土壤的孔隙度，长期有机肥与氮磷钾肥配施提高了土壤的持水能力^[9]。国内外学者研究发现，长期施高量有机肥与其他施肥处理相比，显著降低黄壤土、潮土等土壤的土壤容重、提高土壤持水能力^[10-12]。对砂粒^[13]和不同粒径土壤^[14]的土壤水分特征曲线进行研究，发现土壤水分特征曲线主要与土壤类型、土壤孔隙等有关。长期施肥对山西褐土持水性能影响研究较少，因此，本试验以山西省寿阳县长期进行的氮磷肥与有机肥配合施用定点试验的褐土农田为依托，研究长期不同施肥处理对褐土土壤持水能力的影响，旨在为褐土农田合理施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

1992年春季开始，在山西省寿阳县褐土农田布置了氮磷肥与有机肥配合施用定点定位试验，鉴于20世纪90年代初山西省大部分耕地土壤缺氮少磷钾有余现状，试验设计中选择氮肥、磷肥、有机肥为主要试验研究因子，而未将钾肥列为试验因素。本文选择了氮磷肥与有机肥配合施用长期试验中的4个施肥处理，即不施肥（CK）、单施氮磷肥（NP）、氮磷肥与有机肥配施（NPM）、单施高量有机肥（M）。试验所用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 12%），有机肥采用腐熟牛粪，秋季结合深耕翻地将肥料一次施入，具体施肥量如表1所示。供试土壤为褐土性土，试验初始耕层土壤理化性状如表2、3。供试作物为春玉米。小区面积66.7 m²。田间管理按照大田丰产要求进行，无灌溉条件。

1.2 土壤样品采集及测定

1.2.1 土壤样品采集

2021年7月采用容积100 cm³的环刀，于4个处理小区里分别采集10个0~10 cm原状土样，其中4个用于水分特征曲线的测定、3个用于容重的测定、3个用于室内饱和导水率测定。同时采集0~20 cm原状土进行土壤有机质和土壤粒径的测定。

1.2.2 样品测定

土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定^[15]。土壤容重采用环刀法测定^[15]。土壤粒径采用吸管法测定。土壤紧实度采用LD0TR-JSD紧实度仪测定^[9]。土壤水分特征曲线采用高速离心机法测定^[9]。

土壤入渗采用双套环法测定^[15]，使用“大田双套环入渗仪”于野外进行土面一维垂直入渗试验。预埋双套环于土壤深度20 cm，控制内外环水位在2~3 cm，用量筒计量内环入渗水量，入渗试验过程中分时段记录，试验时间60 min。

土壤饱和导水率依据达西定律，采用定水头法测定土壤饱和导水率^[16]。

1.3 数据处理

1.3.1　土壤总孔隙度计算方法。

P=1-（土壤容重/土壤密度）（1）

1.3.2 土壤水分特征曲线的拟合

土壤水分特征曲线是研究土壤基质势与土壤含水量相关性的重要指标。为了定量揭示土壤持水性，本试验采用了Van Genuchten（VG）模型拟合^[17]。

θ=（θ_r＋（θ_s－θ_r））/（1＋（-αhⁿ）^m）（2）

式中：m=1-1/n（m与n无关联）；θ为土壤体积含水量（cm³/cm³）；θ_r为土壤残余含水量（cm³/cm³）；θ_s为土壤饱和含水量（cm³/cm³）；h为土壤水吸力（10⁵ Pa）；m、n和α均为VG模型拟合系数。

1.3.3 土壤持水能力和有效性的划分

本试验采用origin拟合方式得到以下公式。

W=M×N^（-b）（3）

式中，W为质量含水率，M代表土壤持水性，即土壤的持水能力；b是常数；N代表土壤吸力（10⁵ Pa）。

田间持水率对应的土壤水吸力大约为3×10⁴ Pa。毛管断裂含水率对应的土壤吸力大约为8.5×10⁴ Pa^[18]。

1.3.4 数据分析

用Excel 2010和SPSS 23.0对数据进行统计分析，Origin Lab 2020进行数据拟合和作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理的土壤理化性质比较

1992—2021年30 a间，不同施肥处理的0~20 cm耕层土壤有机碳含量发生显著性差异（表4），不施肥处理（CK）土壤有机碳含量最低，而氮磷肥与有机肥配施处理（NPM）可以有效提高褐土农田耕层土壤有机碳含量，高量施用有机肥处理（M）土壤有机碳含量最高，达到27.78 g/kg，较CK提高了121.5%。

不同施肥处理间土壤容重存在显著差异（P<0.05）。与CK相比，NPM、M处理的土壤容重分别降低了7.14%和19.05%，单施氮磷肥处理（NP）土壤的容重提高了9.52%，说明长期单施氮磷肥可能会造成土壤板结，而有机肥可以有效改善土壤结构。不同施肥处理之间的土壤孔隙度差异显著（P<0.05），与CK处理相比，M和NPM处理的土壤孔隙度分别增加了17.23%和5.98%，而NP处理的土壤孔隙度降低了8.74%。与CK、NP、NPM处理相比，M处理的土壤孔隙度分别增加了17.23%、28.46%和10.62%。不同施肥处理间的土壤粒径组成不同，黏粒含量中NP处理最高，且和其他处理间存在显著差异（P<0.05），与CK相比，NP处理的黏粒含量提高了46.80%，而M、NPM处理的黏粒含量降低了7.77%、17.53%；粉粒含量中除了M处理外，其余处理间差异不显著，M处理与CK、NP、NPM处理相比分别降低了9.89%、14.12%和17.49%。不同施肥处理对砂粒影响不同，不同施肥处理的砂粒含量在56%~66%，与CK相比，NP处理和NPM处理分别显著降低了7.61%和4.32%（P<0.05），而M处理的砂粒含量提高了7.07%。10 cm处的土层土壤紧实度从小到大表现为NPM<M<CK<NP，除NP与CK间差异不显著外，其余处理间差异显著（P<0.05），与CK、NP处理相比，M处理的土壤紧实度分别降低了13.46%和15.68%，NPM处理的土壤紧实度分别降低了18.05%和20.16%。

2.2 不同施肥处理的饱和导水率比较

长期不同施肥处理导致0~10 cm土层的土壤饱和导水率发生显著差异（图1）。M处理0~10 cm土壤的饱和导水率为33.66 mm/h，显著高于其他处理（P<0.05）；CK的饱和导水率最小，为21.59 mm/h。不同施肥处理的土壤饱和导水率依次为M>NPM>NP>CK。与CK相比，NP、NPM和M处理的饱和导水率分别显著提高了14.39%、27.34%和55.91%（P<0.05）。M和NPM处理分别与NP处理相比显著提高了36.26%和22.43%（P<0.05）。

2.3 不同施肥处理的水分入渗速率比较

水分在土壤中的入渗达到稳定后，入渗能力可以用稳定的入渗速率来表征，而在未达到稳定前，常用各时段累计入渗量来描述土壤的入渗能力。土壤入渗能力（图2）分析结果表明，有机肥的施入提高了不同时段土壤的入渗速率，而单施氮磷肥降低了土壤的水分入渗速率。与CK相比，NPM和M处理土壤60 min内的水分累计入渗量分别提高了20.00%和47.62%，而NP处理的水分入渗率降低了21.50%。在10~60 min内，各处理的水分累计入渗量大小顺序为M>NPM>CK>NP。因此，施用有机肥能够改善土壤结构、增加孔隙度、提高土壤入渗能力。而长期单施氮磷肥会造成土壤板结，降低了土壤孔隙度，从而降低土壤的入渗能力。

2.4 不同施肥处理的土壤水分特征曲线比较

不同施肥处理下水分特征曲线变化规律如图3所示。

从图3可以看出，不同施肥处理对土壤持水特性的影响较大。在整个压力段，M处理0~10 cm土壤的持水能力最强，NPM次之，CK的持水能力最弱。整个压力段，M、NPM和NP处理较CK持水能力分别提高72.99%、61.04%和61.21%。在低吸力段（0~3×10⁴ Pa），不同施肥处理之间差别较小。而在吸力高于3×10⁴ Pa以后，M处理的持水能力最高，且持水能力大小始终表现为：M>NPM>NP>CK，这说明施用有机肥提高了土壤持水能力，且随着有机肥施入量增加土壤持水能力增加。

利用V-G模型对试验数据进行拟合，得到参数结果如表5所示，拟合度达到极显著水平（P<0.01）。不同施肥处理的土壤残余含水量（θ_r）、饱和含水量（θ_s）和拟合参数值（α）均存在一定程度的差异；施肥处理的θ_s较不施肥处理均有不同程度的提高，与CK相比，NP、NPM和M处理分别提高了8.96%、10.42%和16.88%。土壤饱和含水量升高，代表土壤的容水能力增大。因此，有机肥施入有助于提高土壤的持水能力。与CK相比，NP、NPM和M处理的θ_r分别提高了7.50%、16.67%和17.50%。拟合结果中，不同施肥处理间θ_r差异不显著，不同施肥措施对土壤水分特征曲线的斜率无显著影响。拟合参数中，α值一般为进气值的倒数，M处理显著高于其他施肥处理。参数n的取值影响拟合的水土特征曲线的曲率程度，n值越小，表示拟合的水土特征曲线越平缓^[9]。除了NPM处理外，其他处理对参数n值的影响差异不显著。

2.5 不同施肥处理的土壤水分有效性比较

土壤有效水分是土壤保水性好坏的一个重要指标。从表6可以看出，长期不同施肥处理0~10 cm土层有效含水率、无效含水率均发生变化，M处理的土壤的有效含水率明显高于CK，说明增施有机肥能增加土壤有效水的含量，提高土壤的保水性能。NP处理与CK相比，有效含水率差异不显著。与CK相比，NP、NPM和M处理土壤有效含水率分别提高了6.09%、15.11%和21.35%；NP、NPM和M处理的土壤田间持水率分别提高了3.40%、11.97%和40.27%；其中，M处理的田间持水率高达32.22%，与其他处理相比差异显著（P<0.05）。试验结果说明长期施用有机肥处理的土壤供水和保水能力增强，尤其是长期施用高量有机肥。

2.6 不同施肥处理的土壤理化性状与拟合参数的相关性分析

从图4可以看出，参数θ_r与有机碳、孔隙度之间呈显著正相关关系，与容重、紧实度之间呈显著负相关关系。θ_s与有机碳间呈显著正相关关系，与其他土壤理化指标间无显著关系。α与有机碳、孔隙度、θ_s之间呈极显著正相关关系，与容重间呈极显著负相关关系。n与有机碳、θs、α之间呈极显著负相关关系，与土壤容重间呈显著正相关。其中有机碳与容重间呈极显著负相关，与孔隙度间呈极显著正相关。

3 结论与讨论

施肥是保持和提升土壤肥力、促进作物生长、提高作物产量的有效方法^[19]，而过量施用化肥会对土壤产生危害，出现土壤板结、耕性变差等功能性问题^[20]。土壤容重和孔隙度等参数决定土壤的导水性、保水性、透气性等，这些都与植被生长密切相关，是评价土壤质量的重要指标。本研究发现，长期施用有机肥显著提高了褐土耕层土壤有机碳含量、降低了土壤容重、增加了土壤孔隙度。长期施用高量有机肥后，农田耕层的土壤有机碳含量最高，达到27.78 g/kg，单施高量有机肥显著降低了土壤容重，与CK、NP和NPM相比，M处理土壤容重分别降低了19.05%、26.09%和12.82%，而土壤孔隙度分别增加了17.23%、28.46%和10.62%。与马阳等^[21]、王伟鹏等^[22]的研究一致，这是因为有机肥有较大的粒径比表面积，能有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度^[23]。

土壤紧实度是土壤疏松程度的重要指标。本研究发现，与CK相比，NP处理褐土农田10 cm处的土壤紧实度最高，这主要是因为长期单施氮磷肥容易造成土壤板结，因而提高了土壤紧实度，而NPM和M处理显著降低了土壤紧实度18.05%和13.46%，与李鹏等^[24]、GILL等^[25]的研究结果类似。这是因为施入有机肥，改善了土壤结构，降低了土壤紧实度。

施入有机肥容易促进土壤小颗粒形成较大的团聚体，从而提高了土壤的入渗和保水能力^[26]。本研究发现，在60 min内，各处理褐土农田土壤累计入渗量大小顺序为M>NPM>CK>NP，与魏俊岭等^[27]研究一致，这是因为施用有机肥能够改善土壤结构，增加孔隙度，提高土壤入渗能力。而长期施用氮磷肥，土壤大孔隙较施用有机肥数量减少，降低了土壤入渗能力。本研究还发现，长期施肥对褐土饱和导水率产生了显著影响，这与SHI等^[11]、王欢等^[28]等对塿土的研究结果一致。随着有机肥施入量增加，褐土饱和导水率显著增加，M、NPM、NP处理分别和CK相比饱和导水率显著提高了55.91%、27.34%和14.39%（P<0.05）。这是因为有机肥能有效降低褐土土壤容重，增加毛管孔隙度，从而提高褐土通气透水能力。

土壤持水能力受到土壤质地和土壤孔隙度的影响。本研究发现，在低吸力段（0~3×10⁴ Pa），褐土农田0~10 cm土层土壤持水能力随吸力的增加急速下降。而吸力高于3×10⁴ Pa以后，土壤持水能力随着吸力的增加缓慢下降，趋于平稳，持水能力大小表现为：M>NPM>NP>CK，这与ANSARI等^[29]、兰志龙等^[9]研究一致，这是因为本研究土壤属于轻壤质土，具有较高的砂粒含量，土壤大孔隙较多，在低吸力段容易失水，而在3×10⁴ Pa以后，随着吸力的增加，不同施肥处理间失水速度减缓，且有机肥的施入改善了土壤结构，从而提高了土壤的持水能力。

本研究发现，与CK相比，NPM处理和M处理显著提高了田间持水率和土壤有效含水率（P<0.05），褐土田间持水率分别提高了11.97%和40.27%，褐土有效含水率分别提高了15.11%和21.35%，这与邱吟霜等^[30]研究结果一致。这是因为施用有机肥可以改善褐土土壤结构，提高了土壤的水分入渗和保水能力，进而使土壤中的有效水含量增加。本研究还发现，不同施肥处理褐土农田土壤饱和含水量（θ_s）与土壤有机碳呈极显著正相关关系，这说明随着有机肥的施入有利于褐土饱和含水量的提高，从而提高褐土土壤的保水能力，这与高会议等^[31]、徐志超等^[32]研究一致。

长期施用有机肥可以降低褐土农田耕层土壤容重和土壤紧实度、提高土壤孔隙度，而单施氮磷肥提高土壤容重和土壤紧实度、降低土壤孔隙度。与CK相比，NP处理土壤容重提高了9.52%，而NPM、M处理土壤容重分别降低了7.14%、19.05%。与CK、NP、NPM处理相比，M处理的土壤孔隙度分别增加了17.23%、28.46%和10.62%。

长期施用有机肥可以显著提高褐土的饱和导水率和水分入渗能力，与CK相比，NPM和M处理的土壤饱和导水率分别显著提高了27.34%和55.91%（P<0.05），在60 min内，各处理土壤累计入渗量大小顺序为M>NPM>CK>NP。

长期施用有机肥以及氮磷肥与有机肥配合施用可以显著提高褐土的土壤持水能力，土壤体积含水量在整个吸力范围内为M>NPM>NP>CK，Van Genuchten模型拟合结果表明，不同施肥处理间饱和含水量（θ_s）和剩余含水量（θ_r）存在差异，均表现为M处理最高，CK最低。与CK相比，NPM和M处理土壤饱和含水量（θ_s）分别提高了10.42%、16.88%，土壤田间持水率分别提高了11.97%和40.27%，有效含水率分别提高了15.11%和21.35%。

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基金资助

国家科技部科技基础资源调查专项(2021FY100501)

省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹）专项(202001-7)

山西农业大学学术恢复科研专项(2020sxhf17)