長期不同施肥對褐土持水性質的影響

摘 要：為了評價長期不同施肥對褐土土壤物理性狀和土壤持水性質的影響，依托山西省壽陽旱地農業生態系 統國家野外科學觀測研究站長期進行氮磷肥與有機肥配合施用定點定位試驗的褐土農田，設置不施肥（CK）、單 施氮磷肥（NP）、氮磷肥與有機肥配施（NPM）和單施高量有機肥（M）等 4 個處理，并測定其土壤容重、孔隙度、緊 實度、飽和導水率以及土壤水分特征曲線等指標。結果表明，與 CK 相比，NPM 和 M 處理顯著降低了土壤容重和 緊實度，提高了土壤孔隙度和飽和導水率，同時水分累計入滲量也分別提高了 20.00% 和 47.62%；土壤水分特征 曲線表明，不同處理土壤持水能力從高到低為 Mgt;NPMgt;NPgt;CK；Van Genuchten 模型擬合結果表明，M 處理 下田間飽和含水量（θs）和剩余含水量（θr）均最高，而 CK 最低。與 CK 相比，NPM 和 M 處理田間持水率分別提高 了 11.97% 和 40.27%，土壤有效含水率分別提高了 15.11% 和 21.35%。綜上，長期施用高量有機肥（M）以及氮 磷肥與有機肥配施（NPM）配合施用可以提高土壤持水能力，是褐土區較為適宜的施肥措施。

關 鍵 詞 ：長期施肥；褐土；土壤物理性質；土壤持水能力

中 圖 分 類 號 ：S152.7+1 文 獻 標 識 碼 ：A 文 章 編 號 ：1002?2481（2024）02?0028?08

山西省褐土類型耕地面積 286.13 萬 hm2 ，占全 省總耕地面積的 54.9%，是山西省糧食、蔬菜、水果 等農副產品生產的主要耕作土壤。山西省降雨分 布不均，干旱次數較多，水肥脅迫制約著該區域農 業的生產。因此，提高褐土土壤持水能力、減少徑 流，是提高旱作農田生產力的關鍵。

土壤持水和供水性質與土壤理化性質息息相 關，土壤容重、孔隙度以及土壤緊實度等物理指標是 影響土壤持水和供水能力的重要指標[1-3] ，土壤物理 結構的變化影響土壤的持水能力，從而影響土壤的 生產力和農業的可持續發展[4] 。土壤水分特征曲線 反映了土壤的持水性，受土壤有機碳、土壤容重等指 標的影響；土壤飽和導水率反映了土壤透水性，也受 土壤理化性質的影響。施肥是提高作物產量的重要 農業手段[5] ，而長期施肥不僅改變土壤肥力同時也在 改變土壤的物理結構[6] ，進而改變土壤的持水性質[7] 。

與短期試驗相比，長期定位試驗更能客觀地表 征不同施肥措施對土壤持水性質的影響。王艷陽 等[8] 研究發現，在紫色土中施入生物炭能夠提高土 壤的持水能力。蘭志龍等[9] 研究發現，有機無機肥 配施提高了塿土的持水性。張艷等[10] 研究發現，長 期施用有機肥降低了黃壤的容重，提高土壤孔隙 度 ，進 而 提 高 黃 壤 的 持 水 能 力 。 SHI 等[11] 研 究 表 明，長期施有機肥提高了 0～5 cm 土層土壤的持水 性和土壤飽和導水率。馬俊永等[12] 研究發現，有機 無機肥配施處理改善了潮土土壤的物理性狀，提高 了田間持水率和飽和含水量。長期施氮磷鉀肥一 定程度上提高了土壤的孔隙度，長期有機肥與氮磷 鉀肥配施提高了土壤的持水能力[9] 。國內外學者研 究發現，長期施高量有機肥與其他施肥處理相比， 顯著降低黃壤土、潮土等土壤的土壤容重、提高土 壤持水能力[10-12] 。對砂粒[13] 和不同粒徑土壤[14] 的土 壤水分特征曲線進行研究，發現土壤水分特征曲線 主要與土壤類型、土壤孔隙等有關。長期施肥對山 西褐土持水性能影響研究較少，因此，本試驗以山 西省壽陽縣長期進行的氮磷肥與有機肥配合施用 定點試驗的褐土農田為依托，研究長期不同施肥處 理對褐土土壤持水能力的影響，旨在為褐土農田合 理施肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

1992 年春季開始，在山西省壽陽縣褐土農田布 置了氮磷肥與有機肥配合施用定點定位試驗，鑒于 20 世紀 90 年代初山西省大部分耕地土壤缺氮少磷 鉀有余現狀，試驗設計中選擇氮肥、磷肥、有機肥為 主要試驗研究因子，而未將鉀肥列為試驗因素。本文 選擇了氮磷肥與有機肥配合施用長期試驗中的 4 個 施肥處理，即不施肥（CK）、單施氮磷肥（NP）、氮磷 肥 與 有 機 肥 配 施（NPM）、單 施 高 量 有 機 肥（M）。 試驗所用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣 （P2O5 12%），有機肥采用腐熟牛糞，秋季結合深耕 翻地將肥料一次施入，具體施肥量如表 1 所示。供 試土壤為褐土性土，試驗初始耕層土壤理化性狀如 表 2、3。供試作物為春玉米。小區面積 66.7 m2 。 田間管理按照大田豐產要求進行，無灌溉條件。

1.2 土壤樣品采集及測定

1.2.1 土壤樣品采集 2021年 7月采用容積 100 cm3 的環刀，于 4 個處理小區里分別采集 10 個 0～10 cm 原狀土樣，其中 4 個用于水分特征曲線的測定、3 個 用于容重的測定、3 個用于室內飽和導水率測定。 同時采集 0～20 cm 原狀土進行土壤有機質和土壤 粒徑的測定。

1.2.2 樣品測定 土壤有機質采用重鉻酸鉀容量 法 - 外 加 熱 法 測 定[15] 。 土 壤 容 重 采 用 環 刀 法 測 定[15] 。土壤粒徑采用吸管法測定。土壤緊實度采 用 LD0TR-JSD 緊實度儀測定[9] 。土壤水分特征曲 線采用高速離心機法測定[9] 。

土壤入滲采用雙套環法測定[15] ，使用“大田雙 套環入滲儀”于野外進行土面一維垂直入滲試驗。 預埋雙套環于土壤深度 20 cm，控制內外環水位在 2～3 cm，用量筒計量內環入滲水量，入滲試驗過程 中分時段記錄，試驗時間 60 min。

土壤飽和導水率依據達西定律，采用定水頭法 測定土壤飽和導水率[16] 。

1.3 數據處理

1.3.1 土壤總孔隙度計算方法。

P=1-（土壤容重/土壤密度） （1）

1.3.2 土壤水分特征曲線的擬合 土壤水分特征 曲線是研究土壤基質勢與土壤含水量相關性的重 要指標。為了定量揭示土壤持水性，本試驗采用了 Van Genuchten（VG）模型擬合[17] 。

θ=（θr＋（θs－θr ））/（1＋（-αhn ）m ） （2）

式中：m=1-1/n（m 與 n 無關聯）；θ 為土壤體積 含水量（cm3 /cm3 ）；θr為土壤殘余含水量（cm3 /cm3 ）； θs 為 土 壤 飽 和 含 水 量（cm3 /cm3 ）；h 為 土 壤 水 吸 力 （105 Pa）；m、n 和 α 均為 VG 模型擬合系數。

1.3.3 土壤持水能力和有效性的劃分 本試驗采 用 origin 擬合方式得到以下公式。

W=M×N（-b） （3）

式中，W 為質量含水率，M 代表土壤持水性， 即 土 壤 的 持 水 能 力 ；b 是 常 數 ；N 代 表 土 壤 吸 力 （105 Pa）。

田 間 持 水 率 對 應 的 土 壤 水 吸 力 大 約 為 3× 104 Pa。 毛管斷裂含水率對應的土壤吸力大約為 8.5×104 Pa[18] 。

1.3.4 數據分析 用 Excel 2010 和 SPSS 23.0 對數 據進行統計分析，Origin Lab 2020 進行數據擬合和 作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理的土壤理化性質比較

1992—2021 年 30 a 間 ，不 同 施 肥 處 理 的 0～ 20 cm 耕層土壤有機碳含量發生顯著性差異（表 4），不施肥處理（CK）土壤有機碳含量最低，而氮磷 肥與有機肥配施處理（NPM）可以有效提高褐土農 田耕層土壤有機碳含量，高量施用有機肥處理（M） 土壤有機碳含量最高，達到 27.78 g/kg，較 CK 提高 了 121.5%。

不同施肥處理間土壤容重存在顯著差異（Plt; 0.05）。與 CK 相比，NPM、M 處理的土壤容重分別 降低了 7.14% 和 19.05%，單施氮磷肥處理（NP）土 壤的容重提高了 9.52%，說明長期單施氮磷肥可能 會造成土壤板結，而有機肥可以有效改善土壤結 構。不同施肥處理之間的土壤孔隙度差異顯著（Plt; 0.05），與 CK 處理相比，M 和 NPM 處理的土壤孔隙 度分別增加了 17.23% 和 5.98%，而 NP 處理的土壤 孔 隙 度 降 低 了 8.74%。 與 CK、NP、NPM 處 理 相 比 ，M 處 理 的 土 壤 孔 隙 度 分 別 增 加 了 17.23%、 28.46% 和 10.62%。不同施肥處理間的土壤粒徑 組成不同，黏粒含量中 NP 處理最高，且和其他處理 間存在顯著差異（Plt;0.05），與 CK 相比，NP 處理的 黏粒含量提高了 46.80%，而 M、NPM 處理的黏粒含量降低了 7.77%、17.53%；粉粒含量中除了 M 處 理外，其余處理間差異不顯著，M 處理與 CK、NP、 NPM 處 理 相 比 分 別 降 低 了 9.89%、14.12% 和 17.49%。不同施肥處理對砂粒影響不同，不同施 肥處理的砂粒含量在 56%～66%，與 CK 相比，NP 處理和 NPM 處理分別顯著降低了 7.61% 和 4.32% （Plt;0.05），而 M 處 理 的 砂 粒 含 量 提 高 了 7.07%。 10 cm 處的土層土壤緊實度從小到大表現為 NPMlt; Mlt;CKlt;NP，除 NP 與 CK 間差異不顯著外，其余 處理間差異顯著（Plt;0.05），與 CK、NP 處理相比， M 處 理 的 土 壤 緊 實 度 分 別 降 低 了 13.46% 和 15.68%，NPM 處 理 的 土 壤 緊 實 度 分 別 降 低 了 18.05% 和 20.16%。

2.2 不同施肥處理的飽和導水率比較

長期不同施肥處理導致 0～10 cm 土層的土壤 飽和導水率發生顯著差異（圖 1）。M 處理 0～10 cm 土 壤 的 飽 和 導 水 率 為 33.66 mm/h，顯 著 高 于 其 他 處 理（Plt;0.05）；CK 的 飽 和 導 水 率 最 小 ，為 21.59 mm/h。不同施肥處理的土壤飽和導水率依 次為 Mgt;NPMgt;NPgt;CK。與 CK 相比，NP、NPM 和 M 處理的飽和導水率分別顯著提高了 14.39%、 27.34% 和 55.91%（Plt;0.05）。M 和 NPM 處理分 別與 NP 處理相比顯著提高了 36.26% 和 22.43% （Plt;0.05）。

2.3 不同施肥處理的水分入滲速率比較

水分在土壤中的入滲達到穩定后，入滲能力可 以用穩定的入滲速率來表征，而在未達到穩定前， 常用各時段累計入滲量來描述土壤的入滲能力。

土壤入滲能力（圖 2）分析結果表明，有機肥的施入 提高了不同時段土壤的入滲速率，而單施氮磷肥 降 低 了 土 壤的水分入滲速率。與 CK 相比，NPM 和 M 處理土壤 60 min 內的水分累計入滲量分別提 高了 20.00% 和 47.62%，而 NP處理的水分入滲率降 低了 21.50%。在 10～60 min內，各處理的水分累計 入滲量大小順序為 Mgt;NPMgt;CKgt;NP。因此，施 用有機肥能夠改善土壤結構、增加孔隙度、提高土 壤入滲能力。而長期單施氮磷肥會造成土壤板結， 降低了土壤孔隙度，從而降低土壤的入滲能力。

2.4 不同施肥處理的土壤水分特征曲線比較

不同施肥處理下水分特征曲線變化規律如圖 3 所示。

從圖 3 可以看出，不同施肥處理對土壤持水特 性的影響較大。在整個壓力段，M 處理 0～10 cm 土壤的持水能力最強，NPM 次之，CK 的持水能力 最弱。整個壓力段，M、NPM 和 NP 處理較 CK 持 水 能 力 分 別 提 高 72.99%、61.04% 和 61.21%。在 低吸力段（0～3×104 Pa），不同施肥處理之間差別 較小。而在吸力高于 3×104 Pa 以后，M 處理的持 水 能 力 最 高 ，且 持 水 能 力 大 小 始 終 表 現 為 ：Mgt; NPMgt;NPgt;CK，這說明施用有機肥提高了土壤持 水能力，且隨著有機肥施入量增加土壤持水能力 增加。

利用 V-G 模型對試驗數據進行擬合，得到參 數結果如表 5 所示，擬合度達到極顯著水平（Plt; 0.01）。不同施肥處理的土壤殘余含水量（θr ）、飽和 含水量（θs ）和擬合參數值（α）均存在一定程度的差 異；施肥處理的 θs較不施肥處理均有不同程度的提 高 ，與 CK 相 比 ，NP、NPM 和 M 處 理 分 別 提 高 了 8.96%、10.42% 和 16.88%。土壤飽和含水量升高， 代表土壤的容水能力增大。因此，有機肥施入有助 于提高土壤的持水能力。與 CK 相比，NP、NPM 和 M 處理的 θr分別提高了 7.50%、16.67% 和 17.50%。 擬合結果中，不同施肥處理間 θr差異不顯著，不同 施肥措施對土壤水分特征曲線的斜率無顯著影響。 擬合參數中，α 值一般為進氣值的倒數，M 處理顯著 高于其他施肥處理。參數 n 的取值影響擬合的水 土特征曲線的曲率程度，n 值越小，表示擬合的水土 特征曲線越平緩[9] 。除了 NPM 處理外，其他處理對 參數 n 值的影響差異不顯著。

2.5 不同施肥處理的土壤水分有效性比較

土壤有效水分是土壤保水性好壞的一個重要 指 標 。 從 表 6 可 以 看 出 ，長 期 不 同 施 肥 處 理 0～ 10 cm 土層有效含水率、無效含水率均發生變化， M 處理的土壤的有效含水率明顯高于 CK，說明增 施有機肥能增加土壤有效水的含量，提高土壤的 保水性能。NP 處理與 CK 相比，有效含水率差異 不顯著。與 CK 相比，NP、NPM 和 M 處理土壤有 效含水率分別提高了 6.09%、15.11% 和 21.35%； NP、NPM 和 M 處理的土壤田間持水率分別提高 了 3.40%、11.97% 和 40.27%；其中，M 處理的田間 持 水 率 高 達 32.22%，與 其 他 處 理 相 比 差 異 顯 著 （Plt;0.05）。試驗結果說明長期施用有機肥處理 的土壤供水和保水能力增強，尤其是長期施用高 量有機肥。

2.6 不同施肥處理的土壤理化性狀與擬合參數的 相關性分析

從圖 4 可以看出，參數 θr與有機碳、孔隙度之間 呈顯著正相關關系，與容重、緊實度之間呈顯著負 相關關系。θs與有機碳間呈顯著正相關關系，與其 他土壤理化指標間無顯著關系。α 與有機碳、孔隙 度、θs之間呈極顯著正相關關系，與容重間呈極顯 著負相關關系。n 與有機碳、θs、α 之間呈極顯著負 相關關系，與土壤容重間呈顯著正相關。其中有機 碳與容重間呈極顯著負相關，與孔隙度間呈極顯著 正相關。

3 結論與討論

施肥是保持和提升土壤肥力、促進作物生長、 提高作物產量的有效方法[19] ，而過量施用化肥會對 土壤產生危害，出現土壤板結、耕性變差等功能性 問題[20] 。土壤容重和孔隙度等參數決定土壤的導 水性、保水性、透氣性等，這些都與植被生長密切相 關，是評價土壤質量的重要指標。本研究發現，長 期施用有機肥顯著提高了褐土耕層土壤有機碳含 量、降低了土壤容重、增加了土壤孔隙度。長期施 用高量有機肥后，農田耕層的土壤有機碳含量最 高，達到 27.78 g/kg，單施高量有機肥顯著降低了土 壤容重，與 CK、NP 和 NPM 相比，M 處理土壤容重 分別降低了 19.05%、26.09% 和 12.82%，而土壤孔 隙 度 分 別 增 加 了 17.23%、28.46% 和 10.62%。 與 馬陽等[21] 、王偉鵬等[22] 的研究一致，這是因為有機 肥有較大的粒徑比表面積，能有效降低土壤容重， 提高土壤孔隙度[23] 。

土壤緊實度是土壤疏松程度的重要指標。本 研究發現，與 CK 相比，NP 處理褐土農田 10 cm 處 的土壤緊實度最高，這主要是因為長期單施氮磷肥 容 易 造 成 土 壤 板 結 ，因 而 提 高 了 土 壤 緊 實 度 ，而 NPM 和 M 處理顯著降低了土壤緊實度 18.05% 和 13.46%，與李鵬等[24] 、GILL 等[25] 的研究結果類似。 這是因為施入有機肥，改善了土壤結構，降低了土 壤緊實度。

施入有機肥容易促進土壤小顆粒形成較大的 團聚體，從而提高了土壤的入滲和保水能力[26] 。本 研究發現，在 60 min 內，各處理褐土農田土壤累計 入滲量大小順序為 Mgt;NPMgt;CKgt;NP，與魏俊嶺 等[27] 研究一致，這是因為施用有機肥能夠改善土壤 結構，增加孔隙度，提高土壤入滲能力。而長期施用 氮磷肥，土壤大孔隙較施用有機肥數量減少，降低 了土壤入滲能力。本研究還發現，長期施肥對褐土 飽和導水率產生了顯著影響，這與 SHI 等[11] 、王歡 等[28] 等對塿土的研究結果一致。隨著有機肥施入量 增加，褐土飽和導水率顯著增加，M、NPM、NP 處 理分別和 CK 相比飽和導水率顯著提高了 55.91%、 27.34% 和 14.39%（Plt;0.05）。這是因為有機肥能 有效降低褐土土壤容重，增加毛管孔隙度，從而提 高褐土通氣透水能力。

土壤持水能力受到土壤質地和土壤孔隙度的 影響。本研究發現，在低吸力段（0～3×104 Pa），褐 土農田 0～10 cm 土層土壤持水能力隨吸力的增加 急速下降。而吸力高于 3×104 Pa 以后，土壤持水 能力隨著吸力的增加緩慢下降，趨于平穩，持水能 力 大 小 表 現 為 ：Mgt;NPMgt;NPgt;CK，這 與 ANSARI 等[29] 、蘭志龍等[9] 研究一致，這是因為本研 究土壤屬于輕壤質土，具有較高的砂粒含量，土壤 大孔隙較多，在低吸力段容易失水，而在 3×104 Pa 以后，隨著吸力的增加，不同施肥處理間失水速度 減緩，且有機肥的施入改善了土壤結構，從而提高 了土壤的持水能力。

本研究發現，與 CK 相比，NPM 處理和 M 處理顯 著 提 高 了 田 間 持 水 率 和 土 壤 有 效 含 水 率（Plt; 0.05），褐 土 田 間 持 水 率 分 別 提 高 了 11.97% 和 40.27%，褐 土 有 效 含 水 率 分 別 提 高 了 15.11% 和 21.35%，這與邱吟霜等[30] 研究結果一致。這是因為 施用有機肥可以改善褐土土壤結構，提高了土壤的 水分入滲和保水能力，進而使土壤中的有效水含量 增加。本研究還發現，不同施肥處理褐土農田土壤 飽和含水量（θs ）與土壤有機碳呈極顯著正相關關 系，這說明隨著有機肥的施入有利于褐土飽和含水 量的提高，從而提高褐土土壤的保水能力，這與高 會議等[31] 、徐志超等[32] 研究一致。

長期施用有機肥可以降低褐土農田耕層土壤 容重和土壤緊實度、提高土壤孔隙度，而單施氮磷 肥提高土壤容重和土壤緊實度、降低土壤孔隙度。 與 CK 相 比 ，NP 處 理 土 壤 容 重 提 高 了 9.52%，而 NPM、M 處 理 土 壤 容 重 分 別 降 低 了 7.14%、 19.05%。與 CK、NP、NPM 處理相比，M 處理的土 壤孔隙度分別增加了 17.23%、28.46% 和 10.62%。

長期施用有機肥可以顯著提高褐土的飽和導 水率和水分入滲能力，與 CK 相比，NPM 和 M 處理 的 土 壤 飽 和 導 水 率 分 別 顯 著 提 高 了 27.34% 和 55.91%（Plt;0.05），在 60 min 內，各處理土壤累計 入滲量大小順序為 Mgt;NPMgt;CKgt;NP。

長期施用有機肥以及氮磷肥與有機肥配合施 用可以顯著提高褐土的土壤持水能力，土壤體積含 水 量 在 整 個 吸 力 范 圍 內 為 Mgt;NPMgt;NPgt;CK， Van Genuchten 模型擬合結果表明，不同施肥處理 間飽和含水量（θs ）和剩余含水量（θr ）存在差異，均 表現為 M 處理最高，CK 最低。與 CK 相比，NPM 和 M 處理土壤飽和含水量（θs ）分別提高了 10.42%、 16.88%，土 壤 田 間 持 水 率 分 別 提 高 了 11.97% 和 40.27%，有效含水率分別提高了 15.11% 和 21.35%。

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