不同的施肥方法對(duì)黑土土壤水分保持的影響

　　我國(guó)東北黑土區(qū)，為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。水為決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。農(nóng)田土壤水分的變化受多種因素的影響，如降雨、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、栽培作物、土壤質(zhì)地及有機(jī)質(zhì)含量等。除此之外，栽培措施也對(duì)土壤水分的變化起到重要的影響。
　　增加土壤的蓄水保水能力、減少土壤蒸發(fā)為農(nóng)田水分管理的重要任務(wù)之一。長(zhǎng)期以來(lái)人們采用和嘗試了多種方法，如地膜和秸稈覆蓋、高分子吸水劑與滲水地膜的應(yīng)用、旋耕（少耕）及免耕等保護(hù)性耕作的采用、不同壟向的種植方式的嘗試、農(nóng)林草結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的建立以及增加作物在土壤中的殘留物等。秦玲等指出，砂土中增施草炭，可顯著提高土壤保水能力，如草炭體積含量為15%時(shí)，其田間持水量、飽和含水率分別比純砂土高60.16%和42.43%。王會(huì)肖等指出，覆蓋是減少土壤蒸發(fā)的有效措施，留茬是一種特殊的覆蓋耕作措施，是機(jī)器收割小麥的產(chǎn)物。1994年在欒城站對(duì)留茬與對(duì)照條件下夏玉米田棵間蒸發(fā)進(jìn)行了測(cè)定。麥茬對(duì)玉米田土壤蒸發(fā)的抑制作用一直延續(xù)到玉米成熟，整個(gè)生育期內(nèi)的平均抑制率為34.7%。
　　但有關(guān)土壤施肥水平與土壤水分、保水性及蒸發(fā)的關(guān)系，在黑土上尚無(wú)系統(tǒng)的報(bào)道。通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)及室內(nèi)模擬試驗(yàn)，揭示了不同施肥措施對(duì)農(nóng)田黑土水分含量及持水保水性能的影響，可為農(nóng)田土壤水分管理提供參考依據(jù)。
　　1 試驗(yàn)地背景資料
　　田間試驗(yàn)部分在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行，為期3年。該試驗(yàn)為水肥耦合長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的一部分自然降水條件下的4個(gè)施肥處理：
　　F1-無(wú)肥， F2-中量化肥， F3-高量化肥， F4-高量化肥加有機(jī)肥。栽培作物2003年為大豆， 2004、2005年為玉米。F1、F2、F3和F4處理2003年的具體施肥量（kg/hm2） N: 0、13.5、30.0和30.0; P（P2O5）： 0、34.5、45.0和45.0;有機(jī)肥15 000。
　　2004、2005年4個(gè)處理的具體施肥量（kg/hm2）為N: 0、96.0、150.0和150.0; P: 0、34.5、75.0和75.0;有機(jī)肥30 000。除了上述田間試驗(yàn)外，還采用上述試驗(yàn)區(qū)的土壤進(jìn)行了室內(nèi)蒸發(fā)試驗(yàn)。試驗(yàn)土壤為中國(guó)典型黑土，有機(jī)碳（mg/kg）分別為F1-24.4, F2-29.8, F3-26.6, F4-32.1。2003~2005年試驗(yàn)區(qū)的降雨情況見圖1。

　　圖1 2003~2005年的月均降水量
　　2 材料與方法
　　田間試驗(yàn)部分，是根據(jù)設(shè)置在自然降雨條件下的4個(gè)不同肥力處理區(qū)中的中子土壤水分儀測(cè)管，利用CNC503B四型智能中子水分儀，對(duì)在4種肥力管理模式下土壤10cm~210cm的土壤水分，進(jìn)行了2003~2005年3年的生育期間的連續(xù)觀測(cè)， 4月5日開始5d一次， 10月結(jié)束。監(jiān)測(cè)的深度為10cm、20cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、170 cm、190 cm和210 cm。小區(qū)與小區(qū)之間用防水材料隔離，小區(qū)池埂用鋼筋混凝土澆筑。
　　根據(jù)以上地塊所取樣品，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的控溫控濕條件下進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，溫度為主區(qū)，濕度和土壤種類作為副區(qū)， 3次重復(fù)。溫度處理為5℃、10℃和20℃,濕度處理為田間最大持水量的45%~55%、65%~75%和85%~95%。
　　試驗(yàn)所用容器為350ml貯藏瓶。根據(jù)容重及土壤含水量稱取相應(yīng)質(zhì)量的土壤，壓實(shí)至300ml。在將土壤放入瓶中之前，根據(jù)目標(biāo)土壤濕度上限計(jì)算出應(yīng)該加入的水分量，將水分與土在塑料袋中均勻混合。具有相同溫度處理的12個(gè)瓶作為一次重復(fù)。
　　10℃處理在人工氣候室中進(jìn)行； 20e處理的放在接近于此溫度的室溫條件下進(jìn)行； 5e處理放在冷庫(kù)中培養(yǎng)，晝夜都控制在同樣溫度。每4d測(cè)定一次蒸發(fā)量，然后補(bǔ)水至目標(biāo)值上限。土壤在黑暗中處理40d。共測(cè)定蒸發(fā)量10次。
　　月份風(fēng)速資料、月份降雨資料由M520氣象自動(dòng)系統(tǒng)測(cè)得，風(fēng)速為每?jī)煞昼姷钠骄�值。有機(jī)碳采用元素分析儀測(cè)定。栽培作物為玉米、大豆。F1、F2、F3、F4處理的籽粒與秸稈產(chǎn)量（kg/hm2）分別為： 5056和2985、7171和2149、7050和2856及8356和5210 （2004、2005年的產(chǎn)量趨勢(shì)總體與2003年的相近， 2005年F2的秸稈產(chǎn)量高于F3）。
　　田間試驗(yàn)部分，視作二因素隨機(jī)試驗(yàn)，年際間視作重復(fù)。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)部分按照裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析采用SAS軟件進(jìn)行。
　　3 結(jié)果與分析
　　3.1 不同施肥措施對(duì)土壤剖面內(nèi)總水量的影響從4月至10月的生育期內(nèi)， 10cm~90cm及10cm~210 cm土層內(nèi)容積含水量3年各層次的總平均值順序?yàn)椋?F1>F2>F3>F4（見表1）。在10cm~210cm范圍內(nèi)無(wú)肥、中量化肥和高量化肥之間土壤含水量差異不顯著而與高量化肥加有機(jī)肥之間的差異達(dá)到了5%的顯著水平。而在作物影響較大的0cm~90cm的范圍內(nèi)，無(wú)肥與中量化肥土壤含水量差異不顯著、高量化肥與高量化肥加有機(jī)肥的差異不顯著，而無(wú)肥和中量化肥與高量化肥和高量化肥加有機(jī)肥之間的差異顯著，達(dá)到1%水平。結(jié)果表明施肥處理，尤其是高量化肥及高量化肥加有機(jī)肥的處理顯著地影響了土體內(nèi)的水分變化，尤其是在作物影響較大的10cm~90cm范圍內(nèi)。

　　表1 土壤含水量各層次總平均值
　　3.2 不同施肥措施對(duì)不同層次土壤含水量的影響從生育期總的平均數(shù)來(lái)看，所有處理10cm~70cm范圍內(nèi)各層次之間的含水量存在5%水平的顯著性差異， 70cm~210cm范圍內(nèi)的各層次之間差異不顯著（數(shù)據(jù)未提供）。
　　從圖2中可以看出，施肥措施的影響始于10cm左右，結(jié)束于70cm左右。在這一層次范圍內(nèi)，施中量化肥與不施肥的含水量較高，兩者之間差異不明顯；施用高量化肥與高量化肥加有機(jī)肥的含水量較低，兩者之間差異不明顯。造成這一差異的原因是施用高量化肥及高量化肥加有機(jī)肥的處理上作物生長(zhǎng)較旺盛，生物產(chǎn)量較高，因而消耗了比較多的水。在70cm~90cm土層范圍，含水量出現(xiàn)了變化，深度超過(guò)90cm之后，施用高量化肥的處理含水量超過(guò)了其它3個(gè)處理，具有明顯的增加趨勢(shì)，而施用高量化肥加有機(jī)肥的處理卻沒有明顯的變化，可見施用化肥具有明顯的保水作用，而施用有機(jī)肥則增加了土壤的疏松透氣性，因而增加了蒸發(fā)。作物耗水對(duì)地下水的影響，最深可達(dá)250cm, 270cm處未見影響（數(shù)據(jù)未提供）。施肥多的兩個(gè)處理比較于不施肥和施肥少的處理水分的縱向變幅要大。

　　圖2 2003~2005年土壤剖面水分平均值
　　3.3 不同施肥措施對(duì)不同層次土壤含水量影響的季節(jié)變化在4月份，作物對(duì)土壤含水量的影響較小。此期，在10cm~90cm的范圍內(nèi)F3和F4的含水量較低，深度超過(guò)90cm, F3明顯高于其它處理，此期主要是受上一年水分狀況影響的結(jié)果（圖3-a）。
　　進(jìn)入5月份后，隨著作物根系活動(dòng)的開始F1和F2與F3和F4之間的差別有縮小的趨勢(shì)。進(jìn)入6月份這一趨勢(shì)進(jìn)一步縮�。▓D3-b）。進(jìn)入7、8月份的雨季之后， F1和F2與F3和F4之間的差別又有進(jìn)一步增大的跡象（圖3-c），直至試驗(yàn)結(jié)束的10月份。在深度超過(guò)90cm的范圍內(nèi)， F3與其它處理的差距從6月份開始縮小， 8月份開始明顯縮小，直至試驗(yàn)結(jié)束的10月份。根據(jù)有限數(shù)據(jù)分析，這一差距是在冬季逐漸拉大的，在4、5月份時(shí)達(dá)到較大值。

　　圖3 土壤剖面水分平均值
　　加有機(jī)肥的處理，在生育前期，也就是沒有作物生長(zhǎng)的情況下，它的含水量也是很低的，原因有兩個(gè)，其一是施用有機(jī)肥的處理，上一年耗水較多；其二是有機(jī)肥中的秸稈等殘茬，使土壤疏松，導(dǎo)致了保水性下降。進(jìn)入7月份，降雨量達(dá)到了其峰值，但是土壤含水量卻到了其低谷（圖4）。此低谷產(chǎn)生的直接原因?yàn)樽魑锏暮乃�。�?0cm處，各處理的變化至7月中旬開始才呈現(xiàn)出規(guī)律性；從20cm深開始，各處理間表現(xiàn)出明顯的差異， 6月至9月尤為明顯；至50cm深時(shí)，各處理間的差距縮小，但仍可見明顯的隨季節(jié)變化的規(guī)律；至130cm處時(shí)，仍可見7月份低谷，直至170cm; 190cm開始，已不見隨季節(jié)變化的跡象（圖5）。

　　圖4 10cm~210cm深度內(nèi)各層次平均含水量2003~2005年平均值

　　圖5 各層次土壤含水量的季節(jié)變化規(guī)律
　　3.4 不同施肥措施與土壤保水性分析通過(guò)圖2、圖3可以看出，施入了高量化肥的處理，在高產(chǎn)的同時(shí)，保存了70cm以下底層的含水量，而施入同樣高量化肥配合有機(jī)肥的處理，深層的含水量沒有單施高量化肥的高，這和有機(jī)肥增加了土壤蒸發(fā)、具有排澇功能有關(guān)。
　　3.5 蒸發(fā)量分析
　　3.5.1 不同施肥措施土壤的蒸發(fā)特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示， 20cm土壤每4d的凈蒸發(fā)量不施肥與施用中量化肥處理間存在顯著性差異（表2）。盡管與其它的兩個(gè)處理間差異不顯著，但可以認(rèn)為，不施肥的土壤具有較大的蒸發(fā)量，而施入化肥的土壤蒸發(fā)量降低。此外施入化肥同時(shí)又施入有機(jī)肥的處理具有一定的透氣作用，在一定程度上增加了蒸發(fā)量。

　　表2 不同處理4d平均蒸發(fā)量
　　3.5.2 溫度與濕度因素對(duì)蒸發(fā)的交互影響。在適宜的含水量（75%）條件下，不施肥的處理蒸發(fā)量高于其它施肥處理。在5℃和20℃條件下，不施肥的處理蒸發(fā)量高于施用高量化肥加有機(jī)肥的處理，差異達(dá)5%顯著性水平。
　　在溫度較高（20℃）且較濕（95%）的條件下，施用高量化肥加有機(jī)肥的處理的蒸發(fā)量明顯高于其它處理，說(shuō)明施有機(jī)肥不但可提高土壤保水性能，還有排澇的功能。
　　在10℃及相對(duì)干旱的條件下，施用高量化肥的處理蒸發(fā)量大�？梢娫趩渭兪褂么罅炕�肥時(shí)，在相對(duì)的低溫及較為干旱的情況下，更容易失水。
　　3.5.3 溫度對(duì)各處理土壤蒸發(fā)量的影響。不同溫度條件下的蒸發(fā)狀況存在顯著差異，即20℃的處理與5℃、10℃處理間存在5%水平的顯著性差異。
　　5℃與10℃處理間差異不顯著。
　　3.5.4 土壤含水量對(duì)各處理土壤蒸發(fā)量的影響。
　　不同的濕度處理間蒸發(fā)量的差異總體趨勢(shì)是隨著含水量的增加蒸發(fā)量降低，但沒有達(dá)到顯著水平。在10℃~20℃相對(duì)高溫條件下，不施肥、施用高量化肥及高量化肥加有機(jī)肥處理的蒸發(fā)狀況隨著濕度的變化差異顯著。不施肥和單純施用化肥的處理蒸發(fā)量隨著土壤含水量增加而降低。加有機(jī)肥的處理則有在含水量高的情況下蒸發(fā)增加的現(xiàn)象。
　　4 結(jié)論
　　多年長(zhǎng)期施用肥料與不施肥的處理相比，土壤的含水量已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。在不同的生育期表現(xiàn)不同。施肥處理，尤其是施用高量化肥及高量化肥加有機(jī)肥的處理，由于作物生長(zhǎng)旺盛，顯著地影響了土體內(nèi)的水分變化，影響范圍主要是10cm~90cm土層。
　　通過(guò)分析生育期內(nèi)總的平均含水量，指出所有處理10cm~70cm范圍內(nèi)各層次之間的含水量存在5%水平的顯著性差異。施中量化肥與不施肥的含水量較高，兩者之間差異不明顯，施用高量化肥與高量化肥加有機(jī)肥的含水量較低，兩者之間差異不明顯。深度超過(guò)90cm之后，施用高量化肥的處理含水量超過(guò)了其它3個(gè)處理，施用相對(duì)高量的化肥具有明顯的保水作用。而施用有機(jī)肥則增加了土壤的疏松透氣性，因而增加了蒸發(fā)。作物耗水對(duì)地下水的影響，最深可達(dá)250cm, 270cm處未見影響。
　　施肥多的兩個(gè)處理比較于不施肥和施肥少的處理水分的縱向變幅要大。
　　在4月份，水分狀況主要是受上一年的影響。
　　5月份隨著作物根系活動(dòng)的開始， F1和F2與F3和F4之間的差別有縮小的趨勢(shì)；進(jìn)入7、8月份的雨季之后，由于作物耗水的差別F1和F2與F3和F4之間的差別又有進(jìn)一步增大的跡象，直至試驗(yàn)結(jié)束的10月份，此期雖然降雨量達(dá)到了其峰值，但是土壤含水量卻到了其低谷（圖4、圖5）。在深度超過(guò)90cm的范圍內(nèi)， F3與其它處理的含水量?jī)?yōu)勢(shì)從6月份開始縮小， 8月份開始明顯縮小，直至試驗(yàn)結(jié)束的10月份。在10cm處，各處理的變化至7月中旬開始才呈現(xiàn)出規(guī)律性；從20cm深開始，各處理間表現(xiàn)出明顯的差異， 6月至9月尤為明顯；至50cm深時(shí)，各處理間的差距縮小，但仍可見明顯的隨季節(jié)變化的規(guī)律直至170cm。190cm開始，已不見隨季節(jié)變化的跡象。
　　施入了高量化肥的處理，在高產(chǎn)的同時(shí)，保存了70cm以下土體的含水量，而施入同樣高量化肥配合有機(jī)肥的處理，深層的含水量沒有單施高量化肥的高，這和有機(jī)肥增加了土壤蒸發(fā)、具有排澇功能有關(guān)。
　　實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的表層土壤蒸發(fā)試驗(yàn)表明，施用化肥降低了土壤水分的蒸發(fā)，提高了保水性。
　　施用化肥同時(shí)施用有機(jī)肥改善了土壤的透氣性。施用有機(jī)肥的處理具有如下特點(diǎn)：在含水量高的時(shí)候，有排水的作用；在含水量適中的情況下，蒸發(fā)量最小，有保水的作用。
　　不施肥的處理，在適宜的水分條件及干旱的情況下，蒸發(fā)最大；在土壤含水量較大的情況下，蒸發(fā)較慢，相對(duì)而言不具有保水及排澇的作用。