灌溉方式对石灰性褐土团聚体分布特征、稳定性及养分含量的影响*

石雄高, 李晓明, 党建友, 张慧芋, 张定一, 裴雪霞**

(1.山西农业大学小麦研究所 临汾 041000; 2.山西农业大学农学院 太谷 030801; 3.贺州学院党委办公室 贺州 542899)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元和养分的贮存库, 在不同土层之间呈现一定的分布规律, 对保持土壤肥力、改善土壤性状、调节生态功能以及促进作物吸收利用水肥等发挥着重要作用。其大小、分布和稳定性影响着土壤养分物质循环和微生物活动, 能很好地反映土壤结构的稳定状况和抗侵蚀能力。灌溉方式是影响土壤结构和性能的重要因素,会造成土壤团聚体的动态分布、稳定性和养分水平发生改变。石灰性褐土呈碱性, 广泛分布于山西晋中、晋南地带, 富含速效钾, 但有机质、有效氮、有效磷含量偏低, 且土壤质地黏重、板结龟裂、耕性较差。故探寻有利于土壤团聚体结构和性能稳定的最佳灌溉方式, 对改善石灰性褐土理化性状和促进水肥一体化技术的推广应用具有重要研究意义。

传统灌溉方式因水肥施用不科学, 导致土壤板结、透气性差, NO-N淋失严重, 易造成土壤酸化、土壤养分失衡以及破坏土壤微生物群落结构, 而水肥一体化灌水施肥模式更有利于改善土壤质量, 生产、生态优势显著。袁德玲等、阎亭廷等对蔬菜的研究发现, 相较于沟灌, 滴灌和渗灌可分别提高0～15 cm、15～45 cm土层土壤水稳性团聚体的含量和大小, 且可改善土壤团粒结构和养分性状, 是保护性耕地应优先选择的灌溉方式。赵英等基于地面漫灌与微喷灌对猕猴桃(Actinedia deliciosa)的研究亦发现, 微喷灌有利于保持土壤团聚体的稳定性和肥力水平, 对土壤可持续发展有明显的促进作用。而马建辉等对番茄(Solanum lycopersicum)的研究表明, 膜下滴灌不同灌水控制下限对土壤团聚体稳定性及其养分、酶活性和球囊霉素均产生影响,土壤水吸力30 kPa是该模式下的最佳灌水控制下限。干湿交替是土壤经历频繁的水分条件变化过程, 对土壤团聚体粒径分布和稳定性等产生重要影响。大量研究表明, 干湿交替影响团聚体与颗粒有机物、微生物群落之间的关系, 同时改变土壤碳、氮、磷等养分的循环。但不同灌溉方式轮换所形成的干湿交替作用对土壤理化特性有何影响, 目前少见报道。

前人基于不同灌溉方式下对土壤团聚体的研究多集中在经济作物, 而对粮食作物的研究主要是灌溉方式对产量及水肥利用率的影响, 对土壤团聚体稳定性及养分因子缺乏系统性研究。本研究在冬小麦(Triticum aestivum)—夏玉米(Zea mays)轮作制度下开展了连续5年的灌溉方式定位试验, 对微喷灌、滴灌、漫灌和轮灌(漫灌与微喷灌轮换) 4种不同处理石灰性褐土土壤团聚体分布特征、稳定性及养分含量的表现进行了差异性分析, 以期为土壤地力保育与可持续利用, 以及推动水肥一体化技术从“高端农业”走向普遍、从设施农业走向大田提供理论参考和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在山西农业大学小麦研究所韩村试验基地, 位于山西省临汾市尧都区(36°8′46″N, 111°34′32″E), 海拔419.86 m。该基地属黄淮麦区北片, 属于典型温带大陆性半干旱气候,年均气温13.1 ℃,年日照时数2400 h左右,年降水量452 mm,年蒸发量2150 mm, 土壤类型为中壤石灰性褐土。从2010年开始连续11年进行冬小麦—夏玉米一年两熟轮作,且收获后进行秸秆还田处理, 土壤质地熟化均匀。2016年定位试验开始时耕层土壤有机质含量18.70 g∙kg, 全氮1.06 g∙kg, 碱解氮44.61 mg∙kg, 有效磷6.78 mg∙kg, 速效钾128.02 mg∙kg。

1.2 试验设计

大田定位试验开始于2016年, 设连续微喷灌(SI), 连续滴灌(DI), 连续漫灌(FI), 第1、2、5年漫灌与第3、4年微喷灌轮换(RI) 4个处理。采用大区设计, 面积60 m×2.5 m=150 m, 大区间隔30 cm。试验开始前, 在每个大区划定3个取样小区, 并在取样小区间设有固定的物理分隔。每个取样小区为1个统计重复, 每个试验处理共3个统计重复。小麦于每年10月10日左右播种, 次年6月15日左右收获,供试品种为‘良星99’, 行距20.0 cm, 播量225.0 kg∙hm。漫灌采用常量灌水施肥, 微喷灌、滴灌采用减量灌水施肥, 具体灌溉及施肥模式见表1和表2。其他栽培管理措施同大田生产。

表1 冬小麦生育期各处理灌水时期及灌水量Table 1 Irrigation stages and amounts of each treatment during winter wheat growth period

表2 冬小麦生育期各处理施肥时期及施肥量Table 2 Fertilization stages and amounts of each treatment during winter wheat growth period

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 土壤样品采集方法

于第5年冬小麦拔节期在试验小区采用“S”法和 “四分法”进行剖面原状土取样(2021年3月28日),分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm 5个土层。将采集回来的原状土样放置在实验室内进行自然风干处理, 待4～5 d风干后, 剔除残茬及石砾, 将大块土样沿自然结构轻轻掰成10 mm左右的小土块, 用于土壤团聚体的粒级筛分。

1.3.2 土壤样品测定方法

1.3.2.1 土壤团聚体粒径分布

参考“NYT 1121.19—2008土壤检测第19部分:土壤水稳性大团聚体组成的测定”方法进行土壤团聚体粒级筛分。机械稳定性团聚体采用干筛法: 称取250 g风干土放入孔径依次为5 mm、3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm的套筛, 在底层放置与其配套的盒子, 利用机械力筛 分(转 速50 r∙min, 时 间1 min)收集各孔径的机械稳定性团聚体, 通过计算得到土壤各粒级和粒径＞0.25 mm (DR)的机械稳定性团聚体重量百分比。水稳性团聚体采用湿筛法:将干筛法收集到的机械稳定性团聚体按比例配成100 g, 随后放入孔径大小和顺序与干筛法相同的套筛, 采用土壤团粒结构分析仪进行湿筛(转速23 r∙min, 时间2 min), 然后将每层筛子上存留的土粒按照粒级大小用蒸馏水洗入铝盒, 并烘干(温度60 ℃,时间22 h)称重, 通过计算得到土壤各粒级和粒径＞0.25 mm (WR)的水稳性团聚体重量百分比。

1.3.2.2 土壤团聚体各稳定性指标计算

表征土壤团聚体稳定水平的各指标中, 粒径＞0.25 mm的团聚体重量百分含量(R)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)采用杨培岭等的计算方法, 破坏率(PAD)采用刘文利等的计算方法, 具体计算公式为:

式中: R为土壤团聚体粒径r＞0.25 mm的重量百分含量(%), 其中包括DR(机械稳定性团聚体)和WR(水稳性团聚体); M为粒径r＞0.25 mm团聚体的累计重量(g); M为土壤各粒径团聚体的重量总和(g)。

式中: DR为r＞0.25 mm机械稳定性团聚体的重量百分含量(%), WR为r＞0.25 mm水稳性团聚体的重量百分含量(%), PAD为土壤团聚体的破坏率(%)。

1.3.2.3 土壤水稳性团聚体养分含量测定

将湿筛法收集到的土壤水稳性大团聚体(＞0.25 mm)碾碎混匀, 随后采用KCrO外加热法、NaHCO浸提-钼锑抗比色法和火焰光度法分别测定有机碳、有效磷、速效钾养分含量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据计算和Origin 2018 64 Bit 软件进行作图, 利用DPS 13.5软件进行Duncan新复极差法方差分析和多重比较(显著性水平α=0.05), 运用IBM SPSS Statistics 26.0软件进行Pearson系数法相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对土壤团聚体粒径分布特征的影响

2.1.1 机械稳定性团聚体粒径分布特征

土壤机械稳定性团聚体在0～10 cm土层SI、DI和RI处理的优势粒径均为0.5～1 mm, 而FI处理的优势粒径为＜0.25 mm (微团聚体); 在10～20 cm土层除了SI处理的优势粒径为0.5～1 mm, 其他3个处理的优势粒径均为＞5 mm; 在20～50 cm土层各处理的优势粒径则均为＞5 mm, 其中SI和RI处理的重量百分比均随土层加深而增大, DI处理亦基本呈现相同趋势, 而FI处理在40～50 cm土层却比30～40 cm土层显著降低9.87% (图1)。SI、DI和RI处理的＞0.25 mm机械稳定性团聚体重量百分比(DR)在0～50 cm土层均随深度加深而增大, 但FI处理在40～50 cm土层有所降低; SI、DI、FI和RI处理在0～50 cm土层的DR平均值分别为94.02%、94.18%、89.13%和91.36%, 其中SI和DI处理较FI处理分别显著提高5.48%和5.67% (表3)。

图1 不同灌溉方式下不同土层土壤机械稳定性团聚体构成Fig.1 Constitutions of machine-stable aggregates of different soil layers under different irrigation methods

2.1.2 水稳性团聚体粒径分布特征

4种灌溉处理在0～50 cm土层的土壤水稳性团聚体优势粒径均为＜0.25 mm (微团聚体), 且其重量百分比呈随土层加深而增大的趋势; 但总体上, FI处理的微团聚体重量百分比最高(图2)。从各处理的＞0.25 mm水稳性团聚体重量百分比(WR)表现差异来看, 在0～10 cm和30～50 cm土层均以SI和DI处理表现最佳, 较FI和RI处理总体上分别显著提高5.36%～14.52% (0～10 cm土层)和19.12%～67.49%(30～50 cm土层), 而RI处理除了在40～50 cm土层与FI处理差异不显著, 在0～10 cm和30～40 cm土层则分别显著高于FI处理6.68%和23.52%; 在10～20 cm土层以DI处理最高, 较FI和RI处理显著提高7.07%和9.96%; 在20～30 cm土层以RI处理最高, 显著比其他3个处理高11.93%～51.10%; 此外, SI、DI和RI处理在0～50 cm土层的WR平均值较FI处理显著提高8.37%～18.78%, 而SI和DI处理又显著高于RI处理5.05%～9.61% (表3)。

表3 不同灌溉方式下不同土层土壤团聚体的稳定性指标Table 3 Soil aggregates stability indexes of different soil layers under different irrigation methods

图2 不同灌溉方式下不同土层土壤水稳性团聚体构成Fig.2 Constitutions of soil water-stable aggregates of different soil layers under different irrigation methods

2.2 不同灌溉方式对土壤水稳性团聚体稳定性的影响

2.2.1 平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)

MWD在0～10 cm和10～20 cm土层分别以DI和SI处理最高, 对应土层的其他3个处理间则差异不显著; 在20～30 cm土层SI和RI均显著高于DI、FI处理, 但DI较FI处理显著提高10.78%; 在30～50 cm土层均以SI和DI处理最高, 而RI在30～40 cm土层又显著高于FI处理8.77% (表3)。GMD在0～10 cm和30～40 cm土层均以DI处理最高, 分别显著高于FI处理21.88%和14.29%; 在10～20 cm土层以SI处理最高, 较FI处理显著提高16.05%; 在20～30 cm土层以RI处理最高, 分别显著高于SI、DI和FI处理10.91%、27.08%和17.31%; 在40～50 cm土层均以SI和DI处理最高, 较FI、RI处理分别显著提高17.65%、17.65%和20.59%、20.59% (表3)。

2.2.2 破坏率(PAD)和分形维数(D)

PAD在0～10 cm土层各灌溉处理间不存在显著差异; 在10～20 cm土层以FI处理显著低于RI处理;在20～30 cm土层以RI处理最低; 在30～50 cm土层的差异趋势均以SI和DI处理最低, 而RI处理在30～40 cm土层又显著低于FI处理7.33% (表3)。D在0～10 cm土层SI、DI和RI处理均显著低于FI处理; 在10～20 cm土层各处理间差异不显著; 在20～30 cm土层以RI处理最低, SI处理次之; 在30～40 cm土层以SI处理最低, DI处理次之; 在40～50 cm土层SI和DI处理均显著低于FI和RI处理(表3)。

2.3 不同灌溉方式对土壤水稳性大团聚体(＞0.25 mm)养分含量的影响

水稳性大团聚体有机碳含量在0～50 cm土层4种灌溉处理均随深度加深而下降, 尤其在10～30 cm土层下降速度较快, 但以FI处理下降速度最快(图3a)。各处理的水稳性大团聚体有效磷含量在0～50 cm土层均随深度加深而降低, 其中在0～30 cm土层下降较为迅速, 在30～50 cm土层下降速度较为缓慢(图3b)。不同处理的水稳性大团聚体速效钾含量在深层土壤均有反增趋势, 但出现的土层和反增的幅度不尽相同; 其中SI和DI处理的反增区间为20～50 cm土层, FI和RI处理的反增区间为30～50 cm土层,且以DI处理的反增幅度最大, SI处理次之, 但RI处理的反增幅度又显著高于FI处理(图3c)。

图3 不同灌溉方式下土壤水稳性大团聚体(＞0.25 mm)有机碳、有效磷和速效钾含量Fig.3 Contents of organic carbon, available phosphorus and available potassium of soil water-stable macro aggregate (＞0.25 mm) under different irrigation treatments

各处理的水稳性大团聚体有机碳含量在0～10 cm和40～50 cm土层均以SI处理最高, 分别显著高于FI、RI处理5.70%、7.84%和15.31%、6.10%, 但DI和RI处理在40～50 cm土层又较FI处理分别显著提高14.03%和8.67%; 在10～20 cm和30～40 cm土层均以SI和DI处理最高, 其中RI处理在10～20 cm土层又显著高于FI处理8.93%; 在20～30 cm土层SI、DI和RI处理均显著高于FI处理, 分别提高35.10%、35.40%和29.05% (图3a)。水稳性大团聚体有效磷含量在0～50 cm土层均以SI处理最高, 但DI处理在0～50 cm土层亦均显著高于FI和RI处理, RI处理在10～50 cm土层又显著高于FI处理。其中在0～10 cm土层, SI和DI处理分别显著高于FI、RI处理51.25%、43.66%和32.98%、26.31%; 在10～30 cm土层, SI、DI和RI处理较FI处理分别显著提高136.42%、99.16%和45.26% (10～20 cm), 172.12%、120.67%和43.27%(20～30 cm) (图3b)。水稳性大团聚体速效钾含量除了在20～30 cm土层仅以SI处理最高, 在其他土层均以SI和DI处理显著高于FI和RI处理, 而RI处理在0～10 cm和40～50 cm土层亦均显著高于FI处理。其中在30～40 cm土层, SI和DI处理较FI、RI处理分别显著高25.71%、19.85%和32.28%、26.12%; 在40～50 cm土层, SI、DI和RI处理分别显著高于FI处理28.51%、34.14%和12.11% (图3c)。

2.4 土壤水稳性团聚体分布特征、稳定性及养分含量的相关分析

由表4知, 土层与WR、MWD、GMD、水稳性大团聚体养分含量(＞0.25 mm)均存在极显著负相关, 与PAD和D均存在极显著正相关, 表征随着土层的加深, 土壤WR逐渐减少, 稳定性逐渐减弱,且养分含量逐渐降低。WR与MWD、GMD、水稳性大团聚体养分含量均存在极显著正相关, 与PAD和D均存在极显著负相关, 说明土壤WR越大, 团聚体越稳定, 养分含量也越高。MWD、GMD之间均存在极显著正相关, 与PAD和D均存在极显著负相关, 而PAD与D之间存在极显著正相关, 表明各稳定性指标之间存在很好的相关性, 能有力说明水稳性团聚体的稳定状况。同时, 水稳性大团聚体有机碳和有效磷含量与MWD、GMD均存在极显著正相关, 与PAD和D均存在极显著负相关, 其中速效钾含量则除了与MWD存在显著正相关, 与其他稳定性指标的相关性和有机碳、有效磷含量的表现一致。可见水稳性团聚体的稳定水平越高, 其土壤肥力状况越好。

表4 土壤水稳性团聚体分布特征、稳定性及养分含量相关分析结果统计Table 4 Statistics of correlation analysis result among distribution characteristics, stability and nutrient contents of soil water-stable aggregates

3 讨论

3.1 不同灌溉方式对土壤团聚体粒径分布及稳定性的影响

优势粒径是指所有粒级团聚体中含量最高的那一组粒径, 对土壤团聚体的分布特征而言具有代表性。＞0.25 mm团聚体称为大团 聚 体, 其 含量(DR或WR)通常可以用来判别土壤结构的好坏和表征土壤团聚体的分布状况。田间水肥管理措施是土壤结构形成的关键环节, 水肥用量和次数直接影响土壤质量。本研究发现, 微喷灌、滴灌可以优化土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体构成,促进大团聚体形成和降低微团聚体含量, 使其具有较好的粒径分布规律, 而轮灌相较于漫灌具有一定的优化和改善作用。这可能是由于本试验中微喷灌、滴灌采用可调控的动态水肥一体化灌水施肥模式,雾化程度高、灌水均匀, 有效降低了田间蒸发, 进而促进耕层土壤水、肥、气、热协调, 改善土壤结构和性状, 以及提高土壤大团聚体含量。而轮灌在某些年份采用了可根据作物和土壤水肥需求规律进行动态调控灌水施肥额度与频次的微喷灌水肥耦合技术, 具有显著的生产、生态优势, 且漫灌与微喷灌轮换已达5年, 形成了较多的干湿交替次数, 可促进粒径＜0.2 mm的微团聚体向粒径为0.2～1 mm的团聚体转化, 故其团聚体粒径分布特征总体上优于漫灌。但目前基于轮灌对土壤团聚体的研究未见报道,其影响机制尚未明确, 还需在今后的试验中进一步研究。

土壤水稳性团聚体的稳定性对土壤结构的抗侵蚀能力和质地状况产生直接影响, 可以从WR、MWD、GMD、PAD和D这些指标进行评价。一般认为, WR、MWD和GMD越大, 土壤团聚体分布状况越好、稳定性越强; 而PAD和D越小, 土壤结构的稳定水平越高、抗蚀能力越强。本研究结果显示, 微喷灌和滴灌在0～50 cm土层有效提高了WR、降低了D, 且MWD、GMD总体上高于漫灌和轮灌, 并在30～50 cm土层显著降低了PAD, 而漫灌和轮灌的这些稳定性指标受土层深度影响较大,但轮灌相对于漫灌则起到了较好的改善效果。这与已有研究结果基本一致, 即在0～50 cm土层水肥一体化模式下WR、MWD、GMD均大于传统漫灌, D则小于传统漫灌。这可能是由于漫灌易使水肥在深层土壤渗漏和淋失, 导致土壤胶结物质和可溶性矿物减少。而这2种物质直接决定土壤的团聚程度, 因此连续漫灌不利于深层土壤团聚体的形成和稳定。轮灌相较于漫灌的改善机理, 除了与水肥一体化技术动态调控、少量多次的田间水肥管理措施所产生的生态效益有关, 可能还与连续轮灌增加了干湿交替次数有关, 进而改善土壤水稳性团聚体的稳定状况。

3.2 不同灌溉方式对土壤水稳性团聚体养分含量的影响

有机碳和速效钾是土壤团聚体的重要胶结物质,有效磷可以促进Al和Ca的黏结作用, 这些养分因子对土壤的团聚作用和团聚体的形成, 以及提高土壤肥力水平和固碳能力至关重要。不同粒级的土壤团聚体在矿质养分的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用。

在本研究中, 发现微喷灌、滴灌在0～50 cm土层有利于土壤水稳性大团聚体(＞0.25 mm)固碳和提高其有效磷、速效钾含量, 尤其在提高0～30 cm土层有效磷含量和30～50 cm土层速效钾含量上效果更为显著, 轮灌的总体表现优于漫灌, 但比微喷灌和滴灌弱。赵英等研究发现, 微喷灌水肥一体化处理在0～50 cm土层的大团聚体含量及其所固持的氮磷钾总量均高于地面漫灌, 具有较好的土壤保肥能力。谷月等对长期覆膜滴灌区域土壤的研究认为, 有机物料还田且膜下滴灌条件下, 土壤各粒级团聚体有机碳含量较对照组可提高1.01～2.67倍。这些结果与本研究相似, 可能是由于大田漫灌和肥料撒施更容易使施用在地面的氮磷钾肥随灌水向地下运移, 造成速效养分深层淋溶或浸出土壤而被损失, 进而导致土壤肥力和固碳能力下降。而微喷灌、滴灌可根据作物水肥需求规律和土壤水分、养分状况, 均匀、定时、定量地将水溶肥营养液直接输送到作物的根部和叶部, 进而使土壤能够在作物关键生育期保持充足的水肥供应能力, 因此有利于提高土壤水稳性大团聚体养分含量。此外, 干旱可能会限制植物生长和微生物活性, 降低土壤养分的分解速率,而干湿交替则会加速土壤养分的循环和不稳定养分的释放, 进而提高土壤团聚体养分含量, 故轮灌相较于漫灌而言, 可在一定程度上改善土壤水稳性大团聚体养分水平。

3.3 土壤水稳性团聚体分布特征、稳定性及养分含量的相关性

本研究的相关分析结果显示, 土层与WR、MWD、GMD和水稳性大团聚体(＞0.25 mm)养分含量均存在极显著负相关, 与PAD和D均存在极显著正相关; 各稳定性指标之间均存在极显著正相关或极显著负相关, 且与水稳性大团聚体养分含量亦均存在极显著正相关或极显著负相关[除水稳性大团聚体速效钾含量与MWD存在显著正相关, 可能是由于本研究供试土壤为石灰性褐土, 富含K、Ca、Mg等胶结物质, 且土壤孔隙度一般在0～30 cm土层比30～50 cm土层大, 故速效钾在0～30 cm土层易受到重力作用而随水分向下运移、下降速度较快,在30～50 cm土层因孔隙度变小、下渗能力减弱, 容易被胶结物质螯合吸附起来, 因此较20～30 cm土层出现反增的趋势(图3), 而MWD在20～50 cm土层却呈现随土壤深度增加而减小的趋势(表3)]。这与马建业等、Sarker等、于文竹等的研究结果基本一致。但马建辉等对膜下滴灌的研究认为, 土壤水稳性团聚体的稳定水平与有机碳存在极显著正相关, 与全氮存在正相关, 而与全磷存在显著负相关。这可能是由于膜下滴灌土壤常年处于半封闭状态,膜内具有较高的温度、湿度和蒸发量, 缺少雨水的淋洗和高强度的复种等原因, 导致土壤结构破坏和性能退化。

4 结论

不同灌溉方式对土壤团聚体分布特征、稳定性及养分含量的影响存在显著差异。各处理的机械稳定性团聚体在0～20 cm土层的优势粒径不尽相同,在20～50 cm土层均以＞5 mm为优势粒径, 水稳性团聚体在0～50 cm土层则均以＜0.25 mm为优势粒径。微喷灌和滴灌相较于漫灌和轮灌更有利于促进大团聚体形成和降低微团聚体含量, 提高水稳性团聚体稳定水平、养分含量及固碳能力, 而漫灌和轮灌受土层深度影响较大, 但是轮灌的总体效果优于漫灌。表明水肥一体化灌水施肥模式具有较好的土壤质地改良、肥力提升、减排固碳等生态效益, 而轮灌由于在冬小麦某些生长季具备微喷灌的生态优势, 并可促进土壤干湿交替, 相较于漫灌具有一定的改善作用。本研究结果可为山西石灰性褐土地区地力保育与可持续利用, 以及推动水肥一体化技术从“高端农业”走向普遍、从设施农业走向大田提供理论参考和科学依据。但目前基于不同灌溉方式对麦田土壤团聚体的研究较少, 对轮灌的研究则未见报道, 相关的影响机制还需在今后的试验中进一步明确。