不同施肥條件下土壤水分特征曲線變異及影響因子

1、不同施肥條件下土壤水分特征曲線變異及影響因子引言水分是促進(jìn)植物生長和調(diào)節(jié)體內(nèi)外生理生態(tài)變化的關(guān)鍵因素,尤其是在黃土高原半干旱區(qū),土壤水分是土壤微生物、植物最主要的水源,是土壤肥力重要的因素之一。土壤水分特征曲線表述了土壤含水率與吸力之間的關(guān)系,不僅反映了土壤的持水力,也間接地反映出土壤中孔隙的分布,是模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的重要參數(shù),對(duì)研究土壤水分的有效性,土壤水分運(yùn)動(dòng)溶質(zhì)運(yùn)移等有重要的作用。土壤水分特征曲線的影響因素較多、關(guān)系復(fù)雜。目前尚不能從理論上推求土壤水勢與含水率的關(guān)系,常采用實(shí)驗(yàn)方法測出數(shù)據(jù)后擬合成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?其中,Van Genuchten 模型因與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合程度好而得到廣泛應(yīng)

2、用。因此,通過對(duì)土壤水分特征曲線和 Van Genuchten 模型參數(shù)空間變異性的研究,可為評(píng)估土壤持水能力和釋水能力、合理的獲取土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)等提供依據(jù)。黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱,降水量低且不均勻,土壤水分嚴(yán)重缺乏,成為影響作物產(chǎn)量的主要限制因素之一。該區(qū)域以旱作物為主的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),作物供水主要依賴于大氣降水,而大氣降水對(duì)作物的水分供應(yīng)又需要依賴于土壤調(diào)節(jié)。因此,探索簡單易行且具有良好生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)的農(nóng)業(yè)管理措施顯得尤為迫切和重要。有關(guān)黃土高原土壤水分的研究大都集中在土壤水分空間分布、土壤貯水力、農(nóng)田耗水、水分利用效率等方面,且土壤水分特征曲線方面的研究多集中在林地土壤,而對(duì)黃土旱塬區(qū)

3、長期施肥條件下土壤水分特征曲線的空間變異性鮮有報(bào)道。本文以該地區(qū)長期定位實(shí)驗(yàn)為對(duì)象,深入分析不同施肥條件下土壤水分特征曲線變異及其影響因子,探討土壤持水、保水和土壤水分的有效性,以期為黃土高原旱區(qū)找到可以提高和穩(wěn)定土地生產(chǎn)力、保證糧食生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)管理模式。1、 材料與方法1. 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)黃土旱原區(qū)長期肥料定位實(shí)驗(yàn)開始于 1984 年。實(shí)驗(yàn)開始前,實(shí)驗(yàn)地一直用于種植作物(小麥) 。1984 年,設(shè)置空白(CK) 、施氮肥(N,120 kg / hm2) 、氮磷配施(N,120 kg/hm2; P,26 kg/hm2) 、單施有機(jī)肥(M,75 t/hm2) 、氮磷有機(jī)肥(N,120 kg/hm2;

4、P,26 kg / hm2; M,75 t/hm2) ,按照隨機(jī)區(qū)組,3 次重復(fù)的方式布設(shè)在田間。種植體系為一年一茬,供試作物為冬小麥(Triticum aestivum L. ,品種 長武131;系列) 。小區(qū)面積 6 m × 4 m,小區(qū)間距 0. 3 m,四周保護(hù)行 1 m。一般 9 月下旬播種(播量 150 190 kg / hm2,行距 20 cm) ,生長期人工及時(shí)去除雜草。成熟期人工收割,所有地上部被移出小區(qū),地表殘留麥茬高度低于 5 cm。其中,收獲整個(gè)小區(qū)面積的 1/2,用于估算單位面積地上部生物量和籽粒產(chǎn)量。冬小麥?zhǔn)斋@(次年 6 月) 后土壤休閑,期間圓盤耙機(jī)耕

5、(深度 20 cm) 松土蓄墑,播種前再耕翻,準(zhǔn)備下一茬冬小麥苗床。作物生長期間及時(shí)防治病蟲害。氮、磷肥分別為尿素、三料磷肥,在播種前撒施地表后耕翻入土。1. 2 土壤樣品采集及土壤水分特征曲線測定2010 年 7 月,在實(shí)驗(yàn)地選取小區(qū)中用環(huán)刀取其原狀土,重復(fù) 3 次,浸水飽和,測其飽和含水率; 用日本 HITACHI 公司生產(chǎn)的 CR21G 型離心機(jī)測定土壤水分特征曲線,通過設(shè)置離心機(jī)轉(zhuǎn)速以確定相對(duì)應(yīng)吸力,待測試土樣達(dá)到平衡后,測定該吸力下的質(zhì)量含水率,離心力增加,依次測定該吸力下的質(zhì)量含水率,即可得到土壤水分特征曲線。測定的吸力范圍為 1 1 200 kPa。土壤水分特征曲線是研究土壤持水

6、特性的重要依據(jù)之一,揭示了土壤水的能量指標(biāo)(基質(zhì)勢) 與數(shù)量指標(biāo)(土壤含水率) 之間的內(nèi)在關(guān)系。為了準(zhǔn)確地表征各種土壤水分特征曲線的特征,定量地研究土壤的持水能力,土壤物理學(xué)界已建立了許多數(shù)學(xué)模型。在眾多模擬水分特征曲線的數(shù)學(xué)模型中,其中 Van Genuchten 模型因其不僅能夠適應(yīng)多種土壤條件,而且能獲得更高程度的模擬效果而被普遍采用,公式為本實(shí)驗(yàn)選用 RETC 軟件,利用 Van Genuchten 模型 (V-G 模型) 模擬不同溶質(zhì)水溶液的土壤水分特征曲線。1. 3 土壤水分常數(shù)及水分有效性劃分土壤水分常數(shù)和水分有效性可以直接測得,也可由土壤水分特征曲線求得。為了更加直觀地顯示有機(jī)

7、溶質(zhì)的影響范圍和水平,將土壤水勢用 pF表示,即土壤水勢取 cm 水柱作為單位,并取其絕對(duì)值的對(duì)數(shù)值。依據(jù)前人研究結(jié)果,一般以 pF為 1. 8 時(shí)的土壤含水率為田間持水量,pF為 3. 8 與 4. 2 時(shí)的土壤含水率分別為暫時(shí)萎蔫系數(shù)與永久萎蔫系數(shù)。據(jù)此計(jì)算出田間持水量、暫時(shí)與永久萎蔫系數(shù)及全有效水(pF= 1. 8 4. 2) 、速效 水 (pF= 1. 8 3. 8) 、遲效 水(pF= 3. 8 4. 2 ) 與無 效水 (pF 4. 2 ) 的土 壤含水率。1. 4 數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)分析采用 SAS 8. 1 軟件和 Excel 2010 進(jìn)行,當(dāng) F 檢驗(yàn)顯著時(shí),進(jìn)行各處理的方差分析

8、。2、 結(jié)果分析2. 1 不同施肥措施對(duì)土壤水分特征曲線的影響不同的施肥措施對(duì)土壤持水性能的影響表現(xiàn)出很大的差異性(圖 1) 。土壤持水性能表現(xiàn)為有機(jī)肥處理(M、NPM) 較高,化肥處理(N、NP) 和不施肥處理(CK) 較低,休閑處理(F) 居中。長期休閑處理(F) 土壤容積密度略有增加(相對(duì) 1984 年) ,土壤孔隙度降低,因此,F 處理土壤飽和含水率低于其他施肥處理,其他吸力條件下土壤含水率高于 N、NP 和CK,低于 M、NPM 處理。長期施用化肥(特別是單施氮肥) 破環(huán)土壤結(jié)構(gòu),降低了土壤持水性能。長期單施氮肥處理(N) 在整個(gè)吸力范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)的土壤含水率都要小于其他施肥處理。長期

9、施用有機(jī)肥(M、NPM) 大大改善了土壤結(jié)構(gòu),提高了土壤持水性能。因此,在整個(gè)吸力范圍內(nèi),其含水率高于其他處理。2. 2 不同施肥措施對(duì)土壤水分特征曲線參數(shù)的影響為了定量的研究施肥措施對(duì)水分特征曲線的影響 ,需要進(jìn)一步分析V-G模型擬合參數(shù)。從表1中可以看出,用 V-G 模型擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很好的效果,土壤容積含水率-土壤水勢之間的相關(guān)關(guān)系達(dá)到了極顯著水平(P由表 1 可知,長期不同施肥措施對(duì)土壤水分特征曲線參數(shù)的作用效果也有一定的差異,其中受到影響較為明顯的水分特征曲線參數(shù)是 θs和 α,對(duì) n的值影響很小,對(duì)剩余含水率 θr無明顯影響,表明施肥措施對(duì)土

10、壤水分特征曲線的位置影響明顯,對(duì)曲線的斜率無明顯影響(P 0. 05) 。長期施肥對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響,這種影響明顯地體現(xiàn)在不同施肥對(duì)土壤飽和含水率的影響上。休閑處理(F) 最小,有機(jī)肥處理(M、NPM)最高,對(duì)照(CK) 與化肥處理(N、NP) 居中。與 F 處理相比,小麥的種植不但對(duì)土壤結(jié)構(gòu)體不會(huì)有明顯的破壞作用,且利于結(jié)構(gòu)體內(nèi)部空氣的逸出,使土壤水分的飽和程度有一定的提高。與 CK 相比,化肥處理(N、NP) 無明顯改變,有機(jī)肥處理(M、NPM) 土壤飽和含水率分別提高了 3%、7%。參數(shù) α 為進(jìn)氣值的倒數(shù),休閑處理(F) 的進(jìn)氣值最大,在小麥連作系統(tǒng)中,氮肥處理(

11、N) 最小,氮磷配施(NP) 最大,其他處理居中。2. 3 不同施肥措施對(duì)土壤水分有效性和供水強(qiáng)度的影響土壤釋出水能力不僅受土壤基質(zhì)勢支配,還取決于土壤大小孔隙的分配比例。不同施肥處理土壤水分有效性情況見表 2。長期不同施肥處理土壤全有效含水率及速效性有效含水率均發(fā)生變化,有機(jī)肥處理(M、NPM) 土壤水分的有效性明顯高于其他處理,化肥處理(N、NP) 、空白(CK) 、休閑(F) 處理之間無明顯差異。在長期定位施肥實(shí)驗(yàn)中,CK 處理土壤的速效性有效含水率最低(5. 51) ,與 CK 相比,施肥提高了土壤速效性有效水含量,N、NP、M、NPM分別提高了 7%、5%、10%、19%。有機(jī)肥處理

12、全有效含水率為 13. 00 14. 04,明顯高于 CK(11. 75) 。不同施肥處理對(duì)土壤的遲效性有效水和緩效性有效水的影響不明顯。土壤的速效性有效含水率是突然供水狀況優(yōu)劣的重要標(biāo)志,長期施有機(jī)肥處理土壤的供水能力較強(qiáng),這與有機(jī)肥處理土壤團(tuán)聚體含量明顯增加是一致的。3、 討論3. 1 土壤持水性與土壤理化特性之間關(guān)系分析土壤持水能力高低取決于在一定土壤厚度條件下容積密度土壤容積密度和孔隙的大小。土壤水分特征曲線是土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和孔隙等土壤物理特性的綜合表征。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤結(jié)構(gòu)形成和改善的核心物質(zhì),土壤在長期施肥過程中,土壤有機(jī)質(zhì)得到不同程度的累積,它們通過改善土壤結(jié)構(gòu)、減低土壤容積密度

13、和增加土壤毛管孔隙度等物理特性對(duì)土壤水分和持水性產(chǎn)生作用,其含量的高低與土壤持水功能有重要的關(guān)系。本研究中,土壤水分特征曲線參數(shù)與土壤理化性狀的相關(guān)關(guān)系分析表明(表 3) ,參數(shù) θs與土壤理化性狀有著極顯著的相關(guān)關(guān)系(P3. 2 不同施肥措施對(duì)土壤持水性的影響評(píng)價(jià)單位基質(zhì)勢的變化引起的含水率變化稱為比水容量(C) ,它是土壤釋水的量化指標(biāo),在評(píng)價(jià)土壤水分有效性程度方面具有極重要意義。比水容量愈大土壤持水能力愈強(qiáng),但有效水供給能愈差。從表4中可以看出,不同的施肥處理土壤在5 20 kPa 段比水容量處于 10- 1級(jí),水分易被植物吸收利用,30 120 kPa 時(shí),比水容量為 10

14、- 2級(jí),說明此時(shí)植物吸收水分難度增加,吸收水量顯著減少,水分運(yùn)動(dòng)顯著減慢,可以根據(jù)比水容量 10- 2級(jí)出現(xiàn)的吸力值來評(píng)價(jià)土壤的釋水能力和抗旱能力。當(dāng)土壤比水容量達(dá)到 10- 2級(jí)時(shí),各施肥處理土壤基質(zhì)勢均出現(xiàn)在 -3. 0 ×104Pa,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,N 與其他施肥處理間表現(xiàn)出明顯的差異性(P 0. 05) ,但比水容量由強(qiáng)至弱為: M、NPM、NP、CK,其大小代表著土壤供水能力的強(qiáng)弱和土壤水分有效性。韓國軍等研究表明,采用草木灰與無機(jī)肥兩者配施可減少施肥對(duì)土壤抗旱性的影響。而本研究有機(jī)肥(M、NPM) 處理通過影響小麥地上生物量,增加了土壤水分的消耗,表現(xiàn)出明顯的缺水狀況。因此,在研究土壤水分虧缺時(shí),應(yīng)綜合考慮其影響因素。4、 結(jié)論(1) 長期不同施肥對(duì)土壤水分特征曲線表現(xiàn)出明顯的差異,但曲線斜率基本一致。化肥處理(N、NP) 破壞了土壤結(jié)構(gòu),降低了土壤持水性能; 有機(jī)肥(M、NPM) 的施入增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量,改善了土壤結(jié)構(gòu),提高了土壤持水性能。M、NPM