宁夏引黄灌区水肥耦合对苜蓿地土壤分形特征和养分的影响

刘 麟， 沙栢平， 高雪芹,2， 伏兵哲,2*

(1.宁夏大学农学院， 宁夏 银川 750021； 2.宁夏回族自治区草牧业工程技术研究中心， 宁夏 银川 750021)

宁夏引黄灌区地处我国西北内陆干旱地区，随着黄河流域经济迅速发展，水资源供需矛盾日益突出，干旱缺水问题严重制约了引黄灌区生态经济的发展[1]。近年，大量研究表明该区域由于长期大水漫灌和肥料撒施的粗放管理措施，导致水肥资源浪费和土壤环境污染，严重影响了作物生产[2-4]。因此，合理的灌水和施肥作为一种节约水肥资源、提高土壤肥力和促进作物生长的有效措施，对保护生态环境和农业可持续发展具有重要意义。

土壤是一种由不同粒径颗粒组成的多孔介质，具有一定的分形特征[5]。土壤颗粒组成不仅可以反映土壤质地，而且还与土壤水分、养分和土地侵蚀等有着密切联系[6-9]。随着分形理论在土壤学中的广泛应用，土壤分形维数作为表征土壤结构和土壤肥力的综合指标，已经成为近年来的研究热点[10-12]。紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是优质的高蛋白饲草，其根系发达，即可固氮培肥，又可改良土壤团粒结构，对恢复生态环境、改善土壤结构和提高土壤肥力起着重要作用[13]。目前，关于宁夏引黄灌区水肥耦合条件下土壤分形特征与土壤养分之间的相关研究很少。本文通过引入地下滴灌节水技术，实施精量化的灌溉管理制度[14]，分析宁夏引黄灌区不同水肥处理下苜蓿地土壤颗粒组成、分形维数和土壤养分特征以及三者之间的关系，探讨水肥耦合对土壤结构和土壤肥力的影响，以期为引黄灌区苜蓿地水肥科学管理及土壤可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏自治区银川市贺兰山农牧场农垦九队，属贺兰山冲积扇平原，地处北纬38°30′～38°39′，东经106°1′～106°9′，海拔为1 111 m。该区域属典型温带大陆性气候，四季分明，昼夜温差大，年平均气温8.5℃左右，年降水量为185 mm左右，主要集中在7—8月，年日照时数2 800～3 100 h，无霜期185 d左右。试验地土壤为淡灰钙土，田间持水量19.17%，容重1.52 g·cm-3，土壤总孔隙度38.25%，播种前检测土壤基础化学性质见表1。

表1 试验地土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.2 试验设计

试验材料为“巨能7”紫花苜蓿，试验采用水、肥二因素裂区试验设计，试验于2016年5月条播，播量18 kg·hm-2，2017年开始试验处理，根据宁夏引黄灌区当地农民传统灌水量(W3)和施肥量(F3)[15-16]，以此设置灌水梯度(W1，W2，W3，W4)和施肥梯度(F1，F2，F3，F4，F5)，共设20个水肥处理，方案详见表2。每个处理3次重复，共60 个小区，小区面积为4 m×6 m=24 m2。灌溉采用地下滴灌方式，滴灌带深埋20 cm，间距60 cm，滴头间距30 cm，滴头每小时滴水3 L(图1)。施肥所用肥料为尿素(N≥46%)，水溶性磷酸一氢氨(P2O5≥61%)和硫酸钾(K2O≥52%)，肥料随灌水施入。

图1 地下滴灌设计图Fig.1 Underground drip irrigation design drawing

1.3 样品采集与测定

于2020年10月初，在每个试验小区采集土样。每个小区随机选取3个采样点，取0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm的土样，将同一层土壤样品进行混合，保存在无菌袋中，编号后带回实验室自然风干，过2.0 mm筛，采用四分法，将土样分成2部分。一部分土样用美国麦奇克公司Mierotrac S3500激光粒度分析仪测定土壤粒径组成，每份土样测定3次。另一部分土样再过0.25 mm筛，用来测定土壤养分。土壤全氮采用重铬酸钾—硫酸消化法；碱解氮采用碱解扩散法；全磷采用硫酸—高氯酸消煮法；速效磷采用碳酸氢钠法；全钾采用氢氧化钠碱熔—火焰光度法；速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定。

表2 研究区水肥处理方案Table 2 Water and fertilizer treatment plan in the study area

1.4 土壤分形维数计算

根据王国梁等[17]提出的土壤颗粒体积分形维数公式进行不同水肥处理的土壤体积分形维数计算。

体积分形维数D值公式为：

(1)

对上式两边同时取对数，得到公式为：

(2)

式中，D为土壤颗粒分形维数；V(r

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2010软件对数据进行统计分析并作图，采用SPSS 13.0和DPS 7.05软件进行分形维数、方差分析和相关关系分析，用LSD法进行多重比较显著性。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对土壤颗粒分形特征的影响

2.1.1不同灌水和施肥量对土壤颗粒组成和分形维数的影响 由表3可知，土壤颗粒组成和分形维数受灌水和施肥量的影响显著(P<0.05)，且灌水和施肥量之间有极显著的交互作用(P<0.01)。不同灌水和施肥量对土壤颗粒组成和分形维数的影响不同，在0～60 cm土层，土壤黏粒、粉粒含量和分形维数随灌水量的增加呈先增后减的趋势，砂粒含量随灌水量的增加呈先减后增的变化趋势。随施肥量的增加，0～60 cm土层黏粒、粉粒含量和分形维数呈递增的趋势，砂粒含量呈递减的趋势。

表3 不同灌水和施肥量对土壤颗粒组成和分形维数的影响Table 3 Effect of different irrigation and fertilization amount on soil particle composition

2.1.2不同水肥处理对土壤颗粒组成的影响 由图2所示，研究区土壤颗粒组成主要以粉粒为主，砂粒次之，黏粒最少。不同水肥处理对土壤颗粒含量影响不同，W3F5处理的黏粒含量最多，W4F3处理的黏粒含量最少。粉粒含量和砂粒含量随水肥处理的变化幅度不大，W4F3处理的粉粒含量最少，砂粒含量最多。

图2 不同水肥处理下土壤颗粒体积含量的分布变化Fig.2 Distribution changes of soil particle volume content under different water and fertilizer treatments注：不同小写字母表示不同水肥处理间差异显著(P<0.05)，下同Note：Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between the different treatments at the 0.05 level,the same as below

2.1.3不同水肥处理对土壤颗粒分形维数的影响 用最小二乘法对不同水肥处理下土壤粒径分布的对数进行回归曲线拟合。由表4可知，不同水肥处理的拟合方程决定系数全部大于0.73，拟合效果较好[17]。土壤颗粒分形维数受不同水肥处理的影响较大，各水肥处理的土壤分形维数(D)介于2.46～2.72之间，W3F5处理的分形维数最大，平均值达到2.63，土壤结构较为稳定。同一水肥处理的土壤颗粒分形维数(D)标准差均小于0.07，且变异系数均小于0.03，土壤的颗粒组差异不大。

表4 不同水肥处理下土壤分形维数Table 4 Soil fractal dimension under different water and fertilizer treatments

2.2 水肥耦合对土壤养分的影响

2.2.1不同灌水和施肥量对土壤养分的影响 由表5、表6可知，土壤养分含量随灌水和施肥量的变化存在极显著差异(P<0.01)，且水肥交互作用极显著(P<0.01)。不同灌水和施肥量对土壤养分的影响不同，随灌水量的增加，在0～60 cm土层全氮含量呈递减趋势，全磷和全钾含量呈先减后增的变化趋势，碱解氮和速效钾含量呈先增后减的趋势，速效磷含量无明显的变化趋势。随着施肥量的增加，0～60 cm土层全氮、碱解氮和速效钾含量呈先增后减的趋势，全磷和速效磷含量呈先减后增的趋势，全钾含量表现为递增趋势。

表5 不同灌水和施肥量对土壤养分的影响Table 5 Effects of different irrigation and fertilization amounts on soil nutrients

2.2.2不同水肥处理对土壤养分的影响 由图3所示，不同水肥处理对土壤养分的影响不同。W2F4处理的土壤全氮、碱解氮和速效钾含量最高，W4F5处理的全氮和碱解氮含量最低，W4F1处理的速效钾含量最低。W3F5处理的全磷和全钾含量最高。W3F3处理的速效磷含量最高，W1F2处理的速效磷含量最低。

图3 不同水肥处理下土壤养分含量的分布变化Fig.3 Distribution changes of soil nutrient content under different water and fertilizer treatments

2.3 土壤体积分形维数与颗粒组成和土壤养分的关系

由表7可知，土壤体积分形维数与黏粒和粉粒体积百分含量均呈极显著正相关(P<0.01)，与砂粒体积百分含量的呈极显著负相关(P<0.01)，与碱解氮含量呈显著正相关(P<0.05)；土壤粉粒体积百分含量与全氮和速效钾含量存在显著正相关(P<0.05)；土壤砂粒体积百分含量与全氮和速效钾含量呈显著性负相关(P<0.05)。

表7 土壤体积分形维数与颗粒组成和土壤养分的相关关系Table 7 Correlation between soil volume fractal dimension and particle composition and soil nutrients

3 讨论

3.1 水肥耦合对土壤颗粒分形特征和土壤养分的影响

土壤颗粒组成和土壤养分是土壤理化性质的重要表征，并协调着植物生长发育的环境条件和营养物质的供给[18]。本研究发现土壤颗粒分形特征、养分均与灌水和施肥密切相关，土壤黏、粉粒含量和分形维数随灌水量的增加均呈先增后减的趋势，可能是随着的灌水量的增加以及苜蓿根系的穿插作用改善了土壤结构孔隙状况，提高了土壤微生物和酶的活性，使土壤中细粒物质含量升高，分形维数增大，同时土壤胶体越丰富，粘着能力越强，养分更容易被吸收[19]；而过量的灌水使土壤中细颗粒物质易伴随养分受水蚀而发生流失，砂粒含量随之增加。土壤颗粒分形特征受施肥量影响显著(P<0.05)，随施肥量增加表现为递增趋势，这与刘晓舟等[20]在秸秆还田的模式下得出土壤分形维数不受施肥影响研究结果有所不同，一方面可能是受土壤质地的影响，刘晓舟等[20]研究区土壤为砂姜黑土，与本研究区淡灰钙土差距较大；另一方面可能是受作物类型的影响，刘晓舟等[20]的研究区作物为小麦(TriticumaestivumL.)和玉米(ZeamaysL.)，本研究区作物为具有自身固氮功能的紫花苜蓿，加之增施氮肥使土壤中氮素过高，微生物活性受阻，土壤腐殖质不能充分分解，影响了土壤团粒结构的形成，导致土壤分形特征和理化性质发生了变化[21]。同时，本研究表明土壤养分受水肥耦合影响显著(P<0.05)，不同水肥处理对土壤养分含量影响不尽相同，与杨玥[22]研究结果一致。

3.2 分形维数与土壤颗粒组成、土壤养分的关系

土壤分形维数可以定量表征土壤颗粒组成对土壤结构稳定性的影响，土壤结构稳定性与土壤中细粒物质有关[23]。本研究表明，分形维数与土壤颗粒组成有极显著相关性(P<0.01)，与土壤黏粒、粉粒含量呈极显著正相关(P<0.01)，而与砂粒含量呈极显著负相关(P<0.01)，这与马生花等[24]、马文芳等[25]研究土壤粒径分布特征的结论相似，说明分形维数越大，土壤黏、粉粒含量越高，土壤中的细颗粒(黏粒、粉粒)之间胶结力越强，从而增强维持土壤结构稳定性的作用。但与党亚爱等[26]研究认为土壤颗粒分形维数与黏粒含量呈极显著正相关(P<0.01)，与粉粒和砂粒含量呈极显著负相关的研究结果有所不同(P<0.01)，可能因为成土母质不同所致。本研究结果表明，该研究区当灌水量为6 000 m3·hm-2，施肥量为585 kg·hm-2时，土壤分形维数最大，土壤中的细颗粒(黏粒、粉粒)含量较高，土壤颗粒之间充满微小孔隙，土壤的抗侵蚀能力较强[27]，土壤结构较为稳定。

土壤分形维数也可以定量化分析土壤肥力的状况[28-30]。伏耀龙等[31]对岷江上游干旱河谷进行土壤分形维数特征研究，发现土壤颗粒体积分形维数与土壤全钾含量呈极显著正相关(P<0.01)，而何建龙等[32]研究发现不同固沙林地土壤分形维数与土壤有机质和全氮含量呈极显著正相关系(P<0.01)。本研究结果表明，土壤分形维数与土壤碱解氮呈显著正相关(P<0.05)，即分形维数越大，土壤碱解氮含量越高，这与王东丽等[33]在研究苜蓿恢复过程中土壤颗粒分形特征部分结果一致，说明分形维数与土壤养分的关系受地理环境、植被类型和土地利用方式等因素的影响而有所差异[34]。

4 结论

灌水和施肥量对苜蓿地土壤颗粒分形特征和养分有显著影响(P<0.05)，且水肥交互作用显著(P<0.05)。在0～60 cm土层，黏、粉粒含量和分形维数随灌水量的增加呈先增后减的趋势，砂粒含量呈先减后增的变化趋势；黏、粉粒含量和分形维数随施肥量的增加呈先减后增的趋势，砂粒含量呈先增后减的趋势；全氮、全磷、全钾、碱解氮和速效钾含量受不同灌水和施肥量的影响不同。土壤分形维数与土壤颗粒组成、土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量密切相关，且当灌水量为6 000 m3·hm-2，施肥量为585 kg·hm-2时，土壤结构较为稳定。