渭北旱塬管理措施对冬小麦地土壤剖面物理性状的影响

王 欢，付 威，胡锦昇，樊 军,*，郝明德,

（1 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100）

冬小麦是渭北旱塬主要的粮食作物，降水不足且时空分布不均以及土壤贫瘠是影响该地区冬小麦产量的主要因素[1-2]。因此，通过合理施肥和采取蓄水保墒等农耕措施来改善土壤性状是提高该地区作物产量的有效措施。合理的肥料配施可以有效改善土壤物理状况，提高地力水平，进而提高作物产量[3-8]。研究表明，氮磷肥配施能够显著提高小麦产量[3-4]。氮磷肥配施钾肥可以显著提高作物产量和品质[3]，降低收获期土壤容重，增加土壤总孔隙度，提高土壤水分利用效率，增加耕层土壤有机质含量[5]。生物炭的施加，可以降低土壤容重[6]，增加土壤饱和导水率[5]，增强土壤持水性能[7]，增加土壤大团聚体含量[8]。地膜覆盖能够减少土壤地表无效蒸发[9]，具有良好的蓄水保墒效果[10]，是旱作农田提高水分利用效率的有效措施[11]。但有大量研究发现，地膜覆盖下作物耗水量增加，土壤墒情有所下降，在覆膜后期经常会出现因作物过度耗水而导致的“青干现象”[12-14]。地膜覆盖时期不同，对土壤物理性质也会产生不同的影响，其主要表现在土壤水分变化上。对旱地冬小麦研究发现，夏闲期覆膜可显著提高播种前土壤储水量[15]，而生育期覆膜则会增加土壤的耗水量[16]，与夏闲期覆膜相比，全年覆膜水分利用效率更高[17]。到目前为止，关于施肥或覆盖对小麦增产及耕层土壤理化性质影响的研究较多，但施肥和不同地膜覆盖时期对土壤剖面物理性质影响的研究较少。针对这一现状，本文依托长武农业生态试验站长期不同施肥覆盖措施定位试验，对试验区2016—2017年冬小麦收获期0—40 cm土壤含水量、容重、总孔隙度、饱和导水率和水稳定性团聚体进行测定与分析，比较不同施肥覆盖措施下土壤剖面相关物理性质的差异，旨在探索适合该区域保持良好土壤物理性质的措施，为旱作农业区高效用水提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于陕西省长武县长武农业生态试验站(35°14′ N、107°40′ E)，为暖温带半湿润大陆性季风气候，农作物以一年一熟小麦和玉米为主。年均降雨量578.5 mm，且季节分布不均，降水主要分布在7—9月。平均海拔1200 m，日照时数2226 h，年均气温9.1℃，1月份平均气温-4.7℃，7月份平均气温22.1℃。地处黏黑垆土地带，母质为深厚的马兰黄土。0—40 cm土层容重为1.23～1.44 g/cm3，颗粒组成以0.01～0.05 mm粗颗粒为主，孔隙度50%左右。

1.2 试验设计

田间定位试验始于2002年，各处理每年均保持不变，供试作物为一年一熟冬小麦，品种均为长航1号，行播种植，行距20 cm。本季冬小麦于2016年9月26日播种，2017年6月24日收获。小区采用随机区组设计，面积为35 m2(5 m × 7 m)，每个小区周边有10 cm高的田埂与邻近小区隔开。本文选取2016—2017一季作物的6个处理进行研究 (表1)，其中NP、NPB两个处理设4次重复，其它处理设3次重复，共20个小区。试验用地膜为宽60 cm、厚0.015 mm的聚乙烯薄膜。生物炭基本性质见文献[5]。

表1 具体试验处理措施Table 1 Details of experimental treatments

1.3 试验方法

冬小麦收获后，在各小区相同对角线中点及1/4点共3点 (除NP、NPB处理为12次重复，其余处理皆为9次重复) 挖阶梯状土壤剖面进行取样(2017年7月7日至10日)。剖面共分为四层，即0—10、10—20、20—30和30—40 cm。分别在每个土层中部进行取样，用于测定土壤含水量、土壤容重、饱和导水率和水稳定性团聚体。

土壤饱和导水率测定采用定水头自下供水法，土壤容重和土壤含水量测定采用烘干法[18]。

土壤水稳定性团聚体组成采用湿筛法[19]测定。采集每个土层原状土，自然风干后，将原状土壤样品沿土壤结构的自然剖面分成直径约为1 cm的土壤颗粒，过8 mm筛，去除动植物残体和石块备用。将孔径为2、0.25和0.053 mm的筛子按孔径由大到小叠放成一组套筛，称取200 g风干土样，筛分成不同粒级团聚体，称重并计算其各组分重量比例，按照比例配50 g土样用于湿筛测定。将50 g土样置于团聚体分析仪套筛最上层 (套筛孔径自上而下依次为2、0.25和0.053 mm)，沿桶壁缓慢加入去离子水至水没过土样，浸泡10 min，竖直震荡30 min，30次/min，振幅为4 cm。按次序收集各级筛子及铁桶中土样于100 mL烧杯中，依次为大团聚体 (〉 2 mm)、较大团聚体 (2～0.25 mm)、微团聚体 (0.25～0.053 mm) 和粘粉粒组分 (〈 0.053 mm)，然后于60℃下烘干至恒重，称量各粒径的质量，计算出各粒级团聚体的质量分数。

土壤团聚体稳定性指标采用平均重量直径(MWD，mm) 和几何平均直径 (GMD，mm) 来描述。计算公式分别为：式中，为某级团聚体平均直径，Wi为第i级团聚体的质量。

1.4 数据分析

数据基础处理使用Excel 2013，不同处理之间的方差分析和多重比较使用SPSS 18.0软件，绘图用Origin 9.3软件。

2 结果与分析

2.1 不同处理对收获期土壤含水量的影响

不同施肥覆盖措施对冬小麦收获后剖面土壤含水量有一定影响 (图1)。与NP相比，NPB、NPFGT和NPFWT处理0—40 cm土壤含水量分别平均增加了7.0%、20.7%和10.1%，且NPFWT在0—10 cm差异达显著水平 (P〈 0.05)。NPFFT处理0—40 cm土壤含水量平均降低4.2%。NPFGT和NPFWT处理表层土壤含水量最高，随着土壤深度的增加含水量降低。

图1 不同施肥覆盖措施下收获期各层土壤含水量Fig. 1 Soil water content in each layer under different fertilization and mulching measures at harvest

图2 不同施肥覆盖措施下收获期各层土壤容重Fig. 2 Soil bulk density in each layer under different fertilization and mulching measures at harvest

2.2 不同处理对收获期土壤容重和总孔隙度的影响

6种不同处理均表现出随着土层深度增加，容重增加、孔隙度降低的趋势 (图2，表2)。与NP处理相比，NPK和NPB处理使耕层 (0—20 cm) 土壤容重分别降低了1.3%和8.5%；NPFFT、NPFGT和NPFWT处理三种覆膜处理使耕层土壤容重分别增加了4.7%、5.5%和7.3%。

在0—10 cm土层，与NP处理相比，NPK和NPB处理土壤总孔隙度分别增加了0.7%和7.3%，NPB处理达到极显著水平 (P〈 0.01)，NPFFT、NPFGT和NPFWT处理土壤总孔隙度分别显著降低了5.1%、4.9%和6.7%，NPFWT处理达到极显著水平 (P〈 0.01)。在10—20 cm土层，与NP处理相比，NPK和NPB处理土壤总孔隙度分别增加了1.4%和6.6%，NPFFT、NPFGT和NPFWT处理土壤总孔隙度分别降低了2.7%、4.2%和4.8%，但均未达到显著水平(表2)。

表2 不同施肥覆盖措施收获期各层土壤总孔隙度(%)Table 2 Soil porosity in each layer under different fertilization and mulching measures at harvest

2.3 不同处理对收获期土壤饱和导水率的影响

不同施肥覆盖措施对剖面土壤饱和导水率有一定的影响 (表3)。与NP处理相比，NPK处理土壤饱和导水率在0—10 cm显著降低29.5%；NPB处理土壤饱和导水率在0—10 cm显著降低27.9%，在10—40 cm平均提高31.2%，但在各个土层均未达到差异显著水平；NPFGT处理在0—40 cm土壤饱和导水率平均降低32.0%，且在0—10 cm显著降低60.2%，并达到极显著水平 (P〈 0.01)，其余土层均未达到显著水平；NPFWT处理土壤饱和导水率，在0—10 cm下降21.0%，差异未达到显著水平，在10—40 cm平均提高57.5%，且10—20 cm达到极显著水平 (P〈 0.01)。

表3 不同施肥覆盖措施收获期剖面土壤饱和导水率 (cm/d)Table 3 Soil saturated hydraulic conductivity of profile under different fertilization and mulching measures at harvest

2.4 不同处理对收获期土壤水稳性团聚体的影响

2.4.1 水稳定性团聚体分布 不同施肥覆盖措施下各粒级团聚体的分布表现出类似的规律 (图3)，在各个土层各处理团聚体主要集中在2～0.25 mm和 〈0.053 mm，且 〉 2 mm的团聚体含量最低。在0—40 cm土层，与NP处理相比，NPK、NPB和NPFWT处理 〉 2 mm的团聚体含量分别平均增加了45.9%、59.5%和92.1%，其中NPK和NPB处理在0—10 cm土层分别显著提高了1.3倍和1.0倍，NPFWT处理在20—30 cm和30—40 cm土层分别显著提高了2.4倍和1.0倍。NPFWT处理在0—10 cm和10—20 cm土层 〈 0.053 mm粘粒含量分别显著降低了34.7和15.2%。

图3 不同施肥覆盖措施下收获期剖面水稳性团聚体的分布Fig. 3 Water-stable aggregates distribution of profile under different fertilization and mulching measures at harvest

图4 不同施肥覆盖措施下收获期剖面水稳性团聚体的平均重量直径和几何平均重量直径Fig. 4 Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of water-stable aggregates in each layer under different fertilization and mulching measures at harvest

2.4.2 水稳定性团聚体稳定性 不同施肥覆盖措施对剖面土壤水稳定性团聚体稳定性有一定的影响，MWD和GMD可反映土壤团聚体的稳定性状况(图4)。相较于NP处理，NPK和NPB处理各层土壤水稳定性团聚体MWD和GMD除10—20 cm土层外均呈增加趋势。其中0—10 cm土层MWD分别增加了44.3%和32.9%，均达到显著水平 (P〈 0.05)；GMD分别增加了75.0%和20.8%，但仅NPK处理达到显著水平 (P〈 0.05)。20—30 cm土层MWD分别增加了11.5%和4.9%，均未达到显著水平；GMD分别增加了62.5%和12.5%，NPK处理达到显著水平 (P〈 0.05)。30—40 cm土层MWD分别增加了30.6%和8.2%，GMD分别增加了100%和76.9%，且两个处理的GMD均达到显著水平 (P〈 0.05)。较NP处理，NPFWT处理在0—40 cm各土层土壤水稳定性团聚体稳定性均有不同程度的提高，MWD平均提高18.5%，在各土层分别提高了20.2%、7.2%、26.2%和20.4%，但均未达到显著水平；GMD平均提高48.8%，在各土层分别提高了54.2%、28.6%、12.5%和1.0倍，且除20—30 cm外其余土层皆达到显著水平 (P〈 0.05)。

3 讨论

3.1 不同管理措施对收获期土壤含水量的影响

在本研究中，冬小麦收获后与NP处理相比，NPB、NPFGT和NPFWT处理在0—40 cm各土层土壤含水量均增加，而NPFFT处理土壤含水量均降低(图1)。主要是由于生物炭的施加能够改善土壤孔隙状况，提高土壤保水性，在探索生物炭对黄土区土壤水分入渗影响的相关试验[20]中也印证了这一观点。地膜覆盖可以有效抑制地表土壤水分蒸发[15]，生育期覆膜能够促进植物根系对下层土壤水分的利用，促进下层土壤水分向土体上层迁移[16]，夏闲期覆膜能够在播种前为土壤储存大量水分供作物生育期使用[21]。因NPFGT和NPFWT处理在生育期均有地膜覆盖，所以收获期0—40 cm各土层土壤含水量均高于NP处理，而NPFFT处理生育期没有地膜覆盖，且上一休闲期储存的水分已经在生育期消耗，因此土壤水分含量较低。柴守玺等[16]研究指出，冬小麦收获期0—200 cm平均土壤含水量覆膜处理较对照有所降低，这与本研究结果不同，可能是由于两个试验研究的土层深度不同，覆膜有利于改善表层土壤墒情，而下层土壤含水量却会降低，一方面因为无法受到降雨入渗补充，另一方面覆膜会增加冬小麦生育期耗水及对下层土壤水分的利用。

3.2 不同管理措施对收获期土壤容重和孔隙度的影响

施钾肥会促进冬小麦生长，增加地下部分小麦根系残留量[21]，进而增加土壤中有机质含量，改善土壤结构。本研究与付威等[5]对耕层土壤的研究结果一致，在氮磷肥配施的基础上施加钾肥，0—10 cm和10—20 cm土壤容重分别降低0.9%和1.6%。但20—30 cm土层容重基本无变化，30—40 cm土层容重增加2.1%，导致犁底层土壤容重增加的原因可能是，钾肥主要施加在耕层，促进了上层根系的生长，对下层根系生长有一定抑制作用。

施加生物炭后，0—20 cm的土壤容重降低，土壤总孔隙度显著增加，这与相关研究[22-25]对耕层土壤探究中得出的结果一致。施加生物炭有利于降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，达到改良土壤物理性状的作用[7]，其主要原因是加入的生物炭本身容重低于矿质土壤，加入土壤后产生稀释作用，从而降低了土壤容重[5]。因当地耕作深度为20 cm左右，生物炭无法到达深层，所以20—40 cm土层容重并未降低。

降雨和小麦生长耗水的时空分布不均衡及土壤水分蒸发损失是目前制约黄土塬区小麦生长的主要因素。夏闲期和生育期覆膜可以有效缓解这个问题，但是长期地膜覆盖却增加了0—20 cm土壤容重，降低土壤总孔隙度 (图2、表2)，导致土壤质量的下降。由于地膜材质以聚乙烯为主，不易降解，经长期覆盖后会残留在耕层土壤中，阻塞土壤孔隙，导致耕层土壤总孔隙度下降，土壤容重增大[23]。虽然本研究开展过程中播种前和收获后均人工清除地膜，减少了土壤中塑料薄膜残留，但依旧产生了塑料垃圾，增加了工作量，不利于持续发展。因此，今后若在该地区使用可降解地膜，可达到既促进小麦增产又保护生态环境的双重目的。

3.3 不同管理措施对收获期土壤饱和导水率的影响

相关研究显示，生物炭的施用可以显著降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，提高土壤水分入渗能力，增加表层土壤饱和导水率[22,26]。本研究发现施加生物炭后0—10 cm饱和导水率下降，可能是由于生物炭的施加在土壤表层累积，堵塞了部分大孔隙，因而会减少土壤大孔隙的数量，增加中小孔隙的数量[27]，小孔隙的增加降低了土壤水分传导能力，导致表层土壤饱和导水率降低。10—40 cm各层土壤饱和导水率较NP处理均呈增加趋势，但均未达到显著水平，主要受土壤总孔隙度的影响，生物炭具有增加土壤总孔隙度的作用，在本研究中10—40 cm各层土壤总孔隙度较NP处理均增加，但均未达到显著水平。

聚乙烯薄膜因其难降解性，导致覆膜后表层土壤的孔隙度和透水性降低，进而降低土壤饱和导水率[5]。本试验也反映出这一规律，在0—10 cm土层，NPFFT、NPFGT和NPFWT三种覆膜处理土壤饱和导水率分别降低13.8%、60.2%和21.0%，且NPFGT处理在10—40 cm土层饱和导水率也降低。然而，在本试验中，NPFWT处理增加了10—40 cm土壤饱和导水率。出现这种现象的原因可能是全年覆膜会促进冬小麦生长并产生大量的根系分泌物，增加了土壤有机质含量[5]，但因地膜残留主要集中在土壤表层，所以地膜覆盖下10—40 cm土层饱和导水率增加。

3.4 不同管理措施对收获期土壤水稳定性团聚体的影响

本研究中，NPK处理0—40 cm各土层 〉 2 mm的大团聚体含量均增加，且除10—20 cm土层其余土层的MWD和GMD值均增加。说明钾肥的施加可促进土壤中大团聚体的形成[28]并增加水稳定性团聚体稳定性。付威等前期研究显示，施加钾肥可提升耕层土壤全氮和有机质含量[5]，而有机质中的多糖、胡敏酸和蛋白质等均为良好的胶结剂，可促进土壤团聚体的形成。

施加生物炭后，0—40 cm各土层 〉 2 mm的大团聚体含量均增加，且除10—20 cm外，其余土层的MWD和GMD值均增加。说明施加生物炭可促进土壤中大团聚体的形成并增加土壤水稳定性团聚体稳定性。Glaser等[7]研究发现，生物炭具有促进土壤颗粒形成土壤团聚体和有机无机复合体的作用，同时能够提高土壤团聚体稳定性。一方面由于生物炭本身为大分子结构[29]，比表面积较大，具有胶结和团聚作用，能够促进微团聚体向较大团聚体和大团聚体转化[30]；另一方面，土壤微生物能够分泌增加土壤团聚性的胶结物质，施加生物炭后，土壤有机质含量增加[31]，可促进微生物生长发育和胶结物质的产生[32]。

氮磷肥配合地膜全年覆盖，0—40 cm各土层 〉 2 mm的大团聚体含量、MWD和GMD值均增加。表明地膜全年覆盖可促进土壤中大团聚体的形成和土壤水稳定性团聚体稳定性的提高。付鑫等[33]研究显示，地膜覆盖可提高0—10 cm土壤团聚体稳定性并能够促进小团聚体向大团聚体转化。主要原因是，地膜覆盖可以提高土壤温度[11]，促进微生物的生长繁殖，分泌更多的胶结物质[34]，进而促进土壤大团聚体形成，增加其稳定性。

本研究发现，不同施肥覆盖措施对土壤容重、土壤总孔隙度和饱和导水率的影响主要在0—20 cm土层，对20—40 cm土层影响较小，这可能是受到当地耕作习惯的影响，一般的耕作深度在20 cm以内。浅层耕作会影响作物根系下扎，导致根系分泌物主要分布在上层土壤，下层土壤有机质较少，不利于改善土壤物理性质，影响降水向下层土壤入渗。因此，应该开展深耕对旱塬土壤剖面理化性质影响的研究。此外，土壤地力水平的提高需要改善土壤物理、化学和生物学性质，本文仅从土壤物理性质方面提出了适宜该地区的管理措施，今后应开展关于该地区土壤物理、化学和生物学三方面属性的综合研究，全面评价不同管理措施的效果。

4 结论

在氮磷肥配施的基础上增施生物炭，能够降低收获期耕层土壤容重，增加耕层土壤总孔隙度，促进土壤大团聚体形成，增强土壤持水性和降低表层土壤饱和导水率，提高下层土壤饱和导水率，但生物炭经济投入较大，不利于长期使用。氮磷肥配合地膜夏闲期覆盖会降低土壤持水性，增加耕层土壤容重，降低耕层土壤总孔隙度。氮磷肥配合地膜生育期覆盖能够增加土壤持水性，但会增加耕层土壤容重，降低耕层土壤总孔隙度，降低土壤饱和导水率。

在氮磷肥配施的基础上增施钾肥，能够降低收获期耕层土壤容重，增加耕层土壤总孔隙度，促进土壤大团聚体形成。氮磷肥配合地膜全年覆盖能够促进土壤大团聚体形成，增加水稳定性团聚体稳定性，增强土壤持水性，且能够提高10—30 cm土壤饱和导水率。这两个处理综合效应较好，是适宜该地区保持良好土壤剖面物理性状的有效措施。