寧夏引黃灌區水肥耦合對苜蓿地土壤分形特征和養分的影響

劉 麟， 沙栢平， 高雪芹,2， 伏兵哲,2*

(1.寧夏大學農學院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏回族自治區草牧業工程技術研究中心， 寧夏 銀川 750021)

寧夏引黃灌區地處我國西北內陸干旱地區，隨著黃河流域經濟迅速發展，水資源供需矛盾日益突出，干旱缺水問題嚴重制約了引黃灌區生態經濟的發展[1]。近年，大量研究表明該區域由于長期大水漫灌和肥料撒施的粗放管理措施，導致水肥資源浪費和土壤環境污染，嚴重影響了作物生產[2-4]。因此，合理的灌水和施肥作為一種節約水肥資源、提高土壤肥力和促進作物生長的有效措施，對保護生態環境和農業可持續發展具有重要意義。

土壤是一種由不同粒徑顆粒組成的多孔介質，具有一定的分形特征[5]。土壤顆粒組成不僅可以反映土壤質地，而且還與土壤水分、養分和土地侵蝕等有著密切聯系[6-9]。隨著分形理論在土壤學中的廣泛應用，土壤分形維數作為表征土壤結構和土壤肥力的綜合指標，已經成為近年來的研究熱點[10-12]。紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是優質的高蛋白飼草，其根系發達，即可固氮培肥，又可改良土壤團粒結構，對恢復生態環境、改善土壤結構和提高土壤肥力起著重要作用[13]。目前，關于寧夏引黃灌區水肥耦合條件下土壤分形特征與土壤養分之間的相關研究很少。本文通過引入地下滴灌節水技術，實施精量化的灌溉管理制度[14]，分析寧夏引黃灌區不同水肥處理下苜蓿地土壤顆粒組成、分形維數和土壤養分特征以及三者之間的關系，探討水肥耦合對土壤結構和土壤肥力的影響，以期為引黃灌區苜蓿地水肥科學管理及土壤可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏自治區銀川市賀蘭山農牧場農墾九隊，屬賀蘭山沖積扇平原，地處北緯38°30′～38°39′，東經106°1′～106°9′，海拔為1 111 m。該區域屬典型溫帶大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫8.5℃左右，年降水量為185 mm左右，主要集中在7—8月，年日照時數2 800～3 100 h，無霜期185 d左右。試驗地土壤為淡灰鈣土，田間持水量19.17%，容重1.52 g·cm-3，土壤總孔隙度38.25%，播種前檢測土壤基礎化學性質見表1。

表1 試驗地土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.2 試驗設計

試驗材料為“巨能7”紫花苜蓿，試驗采用水、肥二因素裂區試驗設計，試驗于2016年5月條播，播量18 kg·hm-2，2017年開始試驗處理，根據寧夏引黃灌區當地農民傳統灌水量(W3)和施肥量(F3)[15-16]，以此設置灌水梯度(W1，W2，W3，W4)和施肥梯度(F1，F2，F3，F4，F5)，共設20個水肥處理，方案詳見表2。每個處理3次重復，共60 個小區，小區面積為4 m×6 m=24 m2。灌溉采用地下滴灌方式，滴灌帶深埋20 cm，間距60 cm，滴頭間距30 cm，滴頭每小時滴水3 L(圖1)。施肥所用肥料為尿素(N≥46%)，水溶性磷酸一氫氨(P2O5≥61%)和硫酸鉀(K2O≥52%)，肥料隨灌水施入。

圖1 地下滴灌設計圖Fig.1 Underground drip irrigation design drawing

1.3 樣品采集與測定

于2020年10月初，在每個試驗小區采集土樣。每個小區隨機選取3個采樣點，取0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm的土樣，將同一層土壤樣品進行混合，保存在無菌袋中，編號后帶回實驗室自然風干，過2.0 mm篩，采用四分法，將土樣分成2部分。一部分土樣用美國麥奇克公司Mierotrac S3500激光粒度分析儀測定土壤粒徑組成，每份土樣測定3次。另一部分土樣再過0.25 mm篩，用來測定土壤養分。土壤全氮采用重鉻酸鉀—硫酸消化法；堿解氮采用堿解擴散法；全磷采用硫酸—高氯酸消煮法；速效磷采用碳酸氫鈉法；全鉀采用氫氧化鈉堿熔—火焰光度法；速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定。

表2 研究區水肥處理方案Table 2 Water and fertilizer treatment plan in the study area

1.4 土壤分形維數計算

根據王國梁等[17]提出的土壤顆粒體積分形維數公式進行不同水肥處理的土壤體積分形維數計算。

體積分形維數D值公式為：

(1)

對上式兩邊同時取對數，得到公式為：

(2)

式中，D為土壤顆粒分形維數；V(r

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行統計分析并作圖，采用SPSS 13.0和DPS 7.05軟件進行分形維數、方差分析和相關關系分析，用LSD法進行多重比較顯著性。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合對土壤顆粒分形特征的影響

2.1.1不同灌水和施肥量對土壤顆粒組成和分形維數的影響 由表3可知，土壤顆粒組成和分形維數受灌水和施肥量的影響顯著(P<0.05)，且灌水和施肥量之間有極顯著的交互作用(P<0.01)。不同灌水和施肥量對土壤顆粒組成和分形維數的影響不同，在0～60 cm土層，土壤黏粒、粉粒含量和分形維數隨灌水量的增加呈先增后減的趨勢，砂粒含量隨灌水量的增加呈先減后增的變化趨勢。隨施肥量的增加，0～60 cm土層黏粒、粉粒含量和分形維數呈遞增的趨勢，砂粒含量呈遞減的趨勢。

表3 不同灌水和施肥量對土壤顆粒組成和分形維數的影響Table 3 Effect of different irrigation and fertilization amount on soil particle composition

2.1.2不同水肥處理對土壤顆粒組成的影響 由圖2所示，研究區土壤顆粒組成主要以粉粒為主，砂粒次之，黏粒最少。不同水肥處理對土壤顆粒含量影響不同，W3F5處理的黏粒含量最多，W4F3處理的黏粒含量最少。粉粒含量和砂粒含量隨水肥處理的變化幅度不大，W4F3處理的粉粒含量最少，砂粒含量最多。

圖2 不同水肥處理下土壤顆粒體積含量的分布變化Fig.2 Distribution changes of soil particle volume content under different water and fertilizer treatments注：不同小寫字母表示不同水肥處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note：Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between the different treatments at the 0.05 level,the same as below

2.1.3不同水肥處理對土壤顆粒分形維數的影響 用最小二乘法對不同水肥處理下土壤粒徑分布的對數進行回歸曲線擬合。由表4可知，不同水肥處理的擬合方程決定系數全部大于0.73，擬合效果較好[17]。土壤顆粒分形維數受不同水肥處理的影響較大，各水肥處理的土壤分形維數(D)介于2.46～2.72之間，W3F5處理的分形維數最大，平均值達到2.63，土壤結構較為穩定。同一水肥處理的土壤顆粒分形維數(D)標準差均小于0.07，且變異系數均小于0.03，土壤的顆粒組差異不大。

表4 不同水肥處理下土壤分形維數Table 4 Soil fractal dimension under different water and fertilizer treatments

2.2 水肥耦合對土壤養分的影響

2.2.1不同灌水和施肥量對土壤養分的影響 由表5、表6可知，土壤養分含量隨灌水和施肥量的變化存在極顯著差異(P<0.01)，且水肥交互作用極顯著(P<0.01)。不同灌水和施肥量對土壤養分的影響不同，隨灌水量的增加，在0～60 cm土層全氮含量呈遞減趨勢，全磷和全鉀含量呈先減后增的變化趨勢，堿解氮和速效鉀含量呈先增后減的趨勢，速效磷含量無明顯的變化趨勢。隨著施肥量的增加，0～60 cm土層全氮、堿解氮和速效鉀含量呈先增后減的趨勢，全磷和速效磷含量呈先減后增的趨勢，全鉀含量表現為遞增趨勢。

表5 不同灌水和施肥量對土壤養分的影響Table 5 Effects of different irrigation and fertilization amounts on soil nutrients

2.2.2不同水肥處理對土壤養分的影響 由圖3所示，不同水肥處理對土壤養分的影響不同。W2F4處理的土壤全氮、堿解氮和速效鉀含量最高，W4F5處理的全氮和堿解氮含量最低，W4F1處理的速效鉀含量最低。W3F5處理的全磷和全鉀含量最高。W3F3處理的速效磷含量最高，W1F2處理的速效磷含量最低。

圖3 不同水肥處理下土壤養分含量的分布變化Fig.3 Distribution changes of soil nutrient content under different water and fertilizer treatments

2.3 土壤體積分形維數與顆粒組成和土壤養分的關系

由表7可知，土壤體積分形維數與黏粒和粉粒體積百分含量均呈極顯著正相關(P<0.01)，與砂粒體積百分含量的呈極顯著負相關(P<0.01)，與堿解氮含量呈顯著正相關(P<0.05)；土壤粉粒體積百分含量與全氮和速效鉀含量存在顯著正相關(P<0.05)；土壤砂粒體積百分含量與全氮和速效鉀含量呈顯著性負相關(P<0.05)。

表7 土壤體積分形維數與顆粒組成和土壤養分的相關關系Table 7 Correlation between soil volume fractal dimension and particle composition and soil nutrients

3 討論

3.1 水肥耦合對土壤顆粒分形特征和土壤養分的影響

土壤顆粒組成和土壤養分是土壤理化性質的重要表征，并協調著植物生長發育的環境條件和營養物質的供給[18]。本研究發現土壤顆粒分形特征、養分均與灌水和施肥密切相關，土壤黏、粉粒含量和分形維數隨灌水量的增加均呈先增后減的趨勢，可能是隨著的灌水量的增加以及苜蓿根系的穿插作用改善了土壤結構孔隙狀況，提高了土壤微生物和酶的活性，使土壤中細粒物質含量升高，分形維數增大，同時土壤膠體越豐富，粘著能力越強，養分更容易被吸收[19]；而過量的灌水使土壤中細顆粒物質易伴隨養分受水蝕而發生流失，砂粒含量隨之增加。土壤顆粒分形特征受施肥量影響顯著(P<0.05)，隨施肥量增加表現為遞增趨勢，這與劉曉舟等[20]在秸稈還田的模式下得出土壤分形維數不受施肥影響研究結果有所不同，一方面可能是受土壤質地的影響，劉曉舟等[20]研究區土壤為砂姜黑土，與本研究區淡灰鈣土差距較大；另一方面可能是受作物類型的影響，劉曉舟等[20]的研究區作物為小麥(TriticumaestivumL.)和玉米(ZeamaysL.)，本研究區作物為具有自身固氮功能的紫花苜蓿，加之增施氮肥使土壤中氮素過高，微生物活性受阻，土壤腐殖質不能充分分解，影響了土壤團粒結構的形成，導致土壤分形特征和理化性質發生了變化[21]。同時，本研究表明土壤養分受水肥耦合影響顯著(P<0.05)，不同水肥處理對土壤養分含量影響不盡相同，與楊玥[22]研究結果一致。

3.2 分形維數與土壤顆粒組成、土壤養分的關系

土壤分形維數可以定量表征土壤顆粒組成對土壤結構穩定性的影響，土壤結構穩定性與土壤中細粒物質有關[23]。本研究表明，分形維數與土壤顆粒組成有極顯著相關性(P<0.01)，與土壤黏粒、粉粒含量呈極顯著正相關(P<0.01)，而與砂粒含量呈極顯著負相關(P<0.01)，這與馬生花等[24]、馬文芳等[25]研究土壤粒徑分布特征的結論相似，說明分形維數越大，土壤黏、粉粒含量越高，土壤中的細顆粒(黏粒、粉粒)之間膠結力越強，從而增強維持土壤結構穩定性的作用。但與黨亞愛等[26]研究認為土壤顆粒分形維數與黏粒含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與粉粒和砂粒含量呈極顯著負相關的研究結果有所不同(P<0.01)，可能因為成土母質不同所致。本研究結果表明，該研究區當灌水量為6 000 m3·hm-2，施肥量為585 kg·hm-2時，土壤分形維數最大，土壤中的細顆粒(黏粒、粉粒)含量較高，土壤顆粒之間充滿微小孔隙，土壤的抗侵蝕能力較強[27]，土壤結構較為穩定。

土壤分形維數也可以定量化分析土壤肥力的狀況[28-30]。伏耀龍等[31]對岷江上游干旱河谷進行土壤分形維數特征研究，發現土壤顆粒體積分形維數與土壤全鉀含量呈極顯著正相關(P<0.01)，而何建龍等[32]研究發現不同固沙林地土壤分形維數與土壤有機質和全氮含量呈極顯著正相關系(P<0.01)。本研究結果表明，土壤分形維數與土壤堿解氮呈顯著正相關(P<0.05)，即分形維數越大，土壤堿解氮含量越高，這與王東麗等[33]在研究苜蓿恢復過程中土壤顆粒分形特征部分結果一致，說明分形維數與土壤養分的關系受地理環境、植被類型和土地利用方式等因素的影響而有所差異[34]。

4 結論

灌水和施肥量對苜蓿地土壤顆粒分形特征和養分有顯著影響(P<0.05)，且水肥交互作用顯著(P<0.05)。在0～60 cm土層，黏、粉粒含量和分形維數隨灌水量的增加呈先增后減的趨勢，砂粒含量呈先減后增的變化趨勢；黏、粉粒含量和分形維數隨施肥量的增加呈先減后增的趨勢，砂粒含量呈先增后減的趨勢；全氮、全磷、全鉀、堿解氮和速效鉀含量受不同灌水和施肥量的影響不同。土壤分形維數與土壤顆粒組成、土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量密切相關，且當灌水量為6 000 m3·hm-2，施肥量為585 kg·hm-2時，土壤結構較為穩定。