无机肥施用对农田干湿循环土壤收缩特性的影响

刘畅，齐伟，王策，张展羽*

无机肥施用对农田干湿循环土壤收缩特性的影响

刘畅1，齐伟2，王策1，张展羽1*

（1.河海大学 农业科学与工程学院，南京 211100；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098）

【】研究无机肥施用对农田干湿循环土壤收缩特性的影响。选取南方地区粉壤土为试验土样，设置尿素、硫酸钾2种肥料配置浸润液（质量浓度设置为1、2、3 g/L），开展多级循环脱湿试验。①土壤收缩应变随着循环级数的推进而减小，且逐渐趋于稳定。无机肥的添加减少了土壤收缩应变，且随着循环级数的推进愈加明显。②VG-Peng模型拟合土壤收缩特性曲线效果较好，各处理均具有结构收缩、比例收缩、残余收缩、零收缩4个阶段，干湿循环使土壤结构收缩段增加，比例收缩段和残余收缩段减小。无机肥的添加使土壤比例收缩段孔隙比范围减少。③土壤收缩经历了从完全的纵向收缩-以纵向收缩为主-以横向收缩为主3个阶段，多次循环后土壤收缩各向异性减弱。无机肥添加和干湿循环条件不同程度减弱了土壤的收缩特性，多次循环后无机肥累积是土壤收缩能力下降的主要原因。

干湿循环；无机肥；土壤；收缩特性曲线；几何因子

0 引言

【研究意义】自然界中，土壤体积收缩主要因为土壤含水率降低，土壤基质吸力增大，土壤颗粒间产生吸力导致土壤颗粒和团聚体相互吸引并发生重排，最终使土壤孔隙体积减小[1]。由于土壤失水收缩总伴随着土壤基质吸力的增加，当土壤薄弱区土体拉应力超过土壤颗粒间有效应力时，土壤开裂并逐渐发育成裂隙[2]，严重影响土壤结构的稳定性。在工程地质方面，土壤裂隙的产生降低了土体抗剪强度，易导致地基沉陷、边坡失稳，引发一系列工程灾害[3]。在农业水土工程方面，土壤干缩裂隙引发的优先流效应增大了指流、深层渗漏的风险，导致灌溉水分、肥料利用率下降，阻碍农业生产发展[4-5]。因此，土壤收缩特性作为裂缝发育的关键因素，受到地质科学、土木工程、农业水土工程等多学科学者的重点关注。

【研究进展】土壤收缩特性常采用土壤收缩特性曲线描述，国内外学者提出多种模型用以拟合土壤收缩特性曲线，包括三直线模型、多项式模型、Sigmoid模型、Logistic模型等[6]。邢旭光等[7]通过Logistic模型拟合土壤收缩曲线，发现土壤的收缩应变有随体积质量增加而减小的趋势，且土壤中砂粒量与土壤收缩特征指标呈负相关，粉粒和黏粒则相反。Wei等[8]通过分形维数法发现花岗岩土壤的收缩能力与土壤粒径分布和压实度有关。Li等[9]采用压汞法和电子显微镜扫描研究了土壤收缩过程中微观结构的变化，发现以离心机法测得的土壤收缩特性曲线并未呈现出典型的“S”形，土壤在干燥过程中大孔隙增加而团聚体间小孔隙无明显变化。

【切入点】日常农业生产活动中，为改善土壤肥力、提高作物产量，肥料的应用越来越广泛。随着农业技术的发展，传统撒施技术也在向灌溉施肥转变。灌溉施肥在一定程度上提高了化肥利用率[10]，降低了养分流失引起的农田土壤生态环境污染风险[11]。同时也对土壤含盐量[12]、有机质量、水力特性[13]、结构特性产生影响，从而影响土壤收缩特性。反之，土壤收缩特性又对土壤内水肥、溶质迁移有重要影响，因此开展无机肥添加对土壤收缩特性研究尤为重要。此外，考虑到实际农业生产中，作物生育期内通常会经历数次干旱和灌排过程，土壤也因此在干湿循环中反复干湿缩胀，土壤结构稳定性以及孔隙频率分布也在循环中不断改变，这也将导致土壤收缩特性的差异性[14]。

【拟解决的关键问题】为研究干湿循环中农田土壤反复缩胀导致孔隙结构的变化以及无机肥添加对土壤收缩特性的共同影响，采用室内试验，结合数字图像处理技术，研究多级干湿循环下无机肥添加对农田土壤收缩特性影响，并引入几何因子对土壤收缩过程中体变各向异性进行评价，以期为土壤水肥运移机理研究、水肥一体化灌溉制度制定以及防治面源污染提供理论基础。

1 试验设计与方法

1.1 试验材料

供试土壤选自河海大学江宁节水园区试验田旱地表层土壤，采集深度为20 cm。原状土碾碎、烘干、过2 mm过筛后，用吸管法测定土壤机械组成，用比重瓶法测土壤比重，依据国际土壤质地分类方法进行土壤分类。土壤物理特性如表1所示。试验土壤全钾量、全氮量分别为11.32、1.15 g/kg。

表1 供试土壤物理特性

1.2 试验方案设计

试验在室内进行，将尿素、硫酸钾溶于水配制成肥液并设置3种质量浓度梯度：1、2、3 g/L（记作N-1、N-2、N-3、K-1、K-2、K-3），以纯水（CK）为对照组，共7组处理。供试土壤按1.35 g/cm3预设土壤体积质量填入土箱（20 cm×20 cm×20 cm），浸润液饱和处理24 h。试验采用环刀取样，取200 cm3环刀（ϕ70 mm×52 mm），环刀底部平铺无纺布防止土粒从透水孔隙漏出，内壁涂抹凡士林以减小边壁摩擦，外壁贴布基胶带防止水分侧渗，环刀取充分饱和后土样，每组处理取3次重复。试样制备完成后测量初始质量、截面积、高度，置于40 ℃烘箱中干燥至恒质量，后置于105 ℃烘箱完全烘干。干燥过程中每隔2 h测量试验土样质量和体积变化，电子天平测质量，数码相机拍摄试样截面（图1（a）），游标卡尺测定试验土样高度（图1（b））。干燥结束后测各组数据再将环刀置于各处理溶液中，控制溶液液面高度略低于环刀顶部，试样通过底部透水孔吸湿饱和，饱和处理持续24 h。试样从饱和干燥至恒定质量，又增湿至饱和的过程称为1次干湿循环，试验共进行4级循环。试验所用电子天平精度为0.1 g，电子游标卡尺精度为0.01 mm，相机为佳能EOS 850D，像素2 400万。拍摄过程中相机和试样位置均固定不变并阻隔室外光源，采用LED灯均匀照射试样表面。

1.3 分析方法

1.3.1 数字图像处理

试样横截面积通过数字图像处理技术提取计算，图像处理过程如图1（c）所示。首先对初始图像进行批量裁剪预处理，取70 mm×70 mm作为研究区域，像素设置为1 600×1 600，然后将裁剪后图像转为灰度图。再运用OTSU算法[14]获取该灰度图的阈值，由于干燥过程中试样失水收缩截面积减小，试样边缘与环刀分离，其收缩区域与土壤基质区域像素灰度值对比明显，二者类间方差最大时对应最佳阈值。将灰度值大于的像素设为1（白），代表土壤收缩区域，灰度值小于的像素设为0（黑），代表环刀外区域（计算中去除）和土壤基质区域，从而得到二值图像，由此计算试样横截面积。以上处理过程均在Matlab R2018中进行，通过自编程序实现。

图1 试验方法及图像处理

1.3.2 试样收缩应变

试样干燥过程中随着水分蒸发体积收缩，横向表现为截面积减小、纵向表现为高度降低。采用横向收缩应变r、纵向收缩应变s、体积收缩应变v描述土壤收缩程度，表达式为：

r=(0-)/0×100%， （1）

s=(0-)/0×100%， （2）

v=(0-)/0×100%， （3）

式中：、、分别为各循环脱水过程中试样直径（mm）、高度（mm）、体积（mm3）；0、0、0分别为各循环前试样初始直径（mm）、高度（mm）、体积（mm3）。试样收缩应变取3次重复平均值采用SPSS软件进行统计学分析。

1.3.3 土壤收缩特性曲线模型

土壤收缩特性曲线采用2005年Peng等[16]提出的VG-Peng模型拟合，表达式为：

1.3.4 收缩几何因子

土壤在收缩过程中具有各向异性，表现为横向收缩与纵向沉降的差异性。几何因子s将土壤体积收缩纵向收缩相结合，用以描述土壤体积变化过程中的各向异性[18]。圆柱形式样s计算式为：

式中：参数意义同上，s值在不同区域有不同物理意义：

①s=1，土体仅发生纵向沉降；

② 1≤s≤3，土体收缩以纵向沉降为主导；

③s=3，土体收缩呈各项同性；

④s>3，土体收缩轴向收缩为主导；

2 结果与分析

2.1 土壤收缩应变

干燥过程中，随着土壤孔隙水的蒸发，土壤含水率降低，体积质量增加。图2、图3分别反映了试样横向收缩应变、纵向收缩应变随质量含水率变化。表2反映了土壤各向极限收缩应变。首次循环中，土体横向收缩随含水率的降低而增大，变化速率呈慢-快-慢趋势，表现为土体干燥过程横向收缩应变先随着含水率降低缓慢增大，在含水率降至0.31 g/g左右时变化速率加快，最后在含水率降至0.07 g/g左右时保持不变，完全干燥时各处理横向收缩应变在9.93%～10.91%之间。首次循环中，纵向收缩也随含水率降低而变大，与横向收缩不同，干燥开始时纵向收缩率即随含水率的降低而快速增加，在含水率降至0.10 g/g左右时基本不变，干燥结束时各组处理极限纵向收缩应变在7.97%～8.94%之间。随着循环级数的推进，土壤横、纵向收缩应变变化趋势变缓，完全干燥时土样横向收缩应变、纵向收缩应变、体积收缩应变分别从初次循环的9.93%～10.91%、7.97%～8.94%、25.41%～27.68%降至末次循环的4.85%～6.53%、4.12%～5.16%、14.56%～17.99%，表明土壤收缩能力随循环级数推进而减弱。

图2 土壤失水过程中横向收缩应变

图3 土壤失水过程中纵向应变

对比各处理在3、4次循环中土壤体积收缩应变发现：CK在3、4次循环中体积收缩应变差值为0.17%，而无机肥处理组同比差值普遍在1%以上，这说明在3次循环后无机肥仍对土壤收缩起抑制作用。为研究肥液质量浓度对土壤各向收缩程度影响，采用SPSS软件对肥液质量浓度和土体各向收缩应变进行相关性分析（表3）。从整体上来看，2种肥液质量浓度与土壤各向收缩应变均具有较高负相关性，肥液质量浓度与横向收缩应变和体积收缩应变多呈现出极显著负相关（<0.01），与纵向收缩应变多表现出显著负相关（<0.05）。随着循环级数的推进，肥液质量浓度与土体各向收缩应变显著性增强，在最后1次循环中，2种肥料处理质量浓度与各向收缩应变均极显著负相关（<0.01）。

表2 各循环级数下不同肥料处理试样极限收缩应变

表3 肥液质量浓度与土壤各向极限收缩应变相关性分析结果

注 *和**分别表示在<0.05和<0.01水平（双侧）显著和极显著相关。

2.2 土壤收缩阶段特性

采用VG-Peng模型拟合土壤收缩特性曲线（图4），拟合效果较好，相关系数2均大于0.99。由图4可知，土壤收缩特性曲线整体呈“S”形，各组处理均有结构收缩、比例收缩、残余收缩、0收缩4个阶段，各收缩阶段起止点见表4。首次循环中各组处理土样s在1.12～1.22之间，r在0.54～0.66之间。各组处理比例收缩区水分、孔隙比分别占总损失的41.4%～51.5%、70.3%～76.9%，表明土壤收缩以比例收缩段为主。随着循环级数的推进，各组处理s减小，r变化不大。

s随循环级数减小是由于土壤的不可逆收缩现象，即经历了从饱和至完全干燥的土壤，即使再次吸水饱和，其体积膨胀也不能达到初次浸润体积。由于s与土壤收缩应变均随循环级数的推进而减小，导致r变化并不明显。分析各处理土壤收缩区域变化发现，随着循环级数的推进，土壤结构收缩区范围变大，结构收缩区孔隙比变化幅度分别从初次循环0.020～0.060增加到末次循环0.180～0.232，表明土壤团聚体间大孔隙随干湿循环增多。比例收缩区在各级循环中均为收缩主体区域，但水分、孔隙比占比随循环级数的推进不断减少，表明土壤收缩程度逐渐减弱。残余收缩区水分、孔隙比占比随循环级数的推进也有所减少，表明土壤团聚体内孔隙减少。

图4 土壤收缩特性曲线拟合

对比同级循环各组处理，发现无机肥处理土壤收缩特性曲线始终位于CK组上方，而曲线形态并未发生明显改变。无机肥的添加使土壤饱和孔隙比s和残余孔隙比r有不同程度的增加，在相同含水率下无机肥处理往往有更大的孔隙比。对比各处理收缩区域发现，各处理土壤结构收缩区和残余收缩区并无显著差异。而比例收缩区在无机肥处理下孔隙比范围减小，且在高质量浓度肥液处理下和多次循环中表现更加明显。比例收缩区作为收缩的主体区域，其孔隙比范围降低是无机肥导致土壤收缩应变减小的主要原因。

表4 土壤各收缩阶段起止点

图5 土壤失水过程中几何因子变化

2.3 土壤收缩各向异性

收缩几何因子反映了土壤横、纵向收缩应变的差异性，应用圆柱形s公式计算得到几何因子随含水率变化如图5所示。首次循环中，各处理s值以1为起点随含水率的减小而增加，在含水率降至0.24～0.27 g/g左右时s增至3，继续增加最终稳定在3.22～3.66。结合实验现象来看，干燥开始时s=1，土体表现为完全的纵向沉降。随着土壤水分流失，基质吸力增加，开始出现横向收缩，此时s介于1～3之间，说明此时土体仍以纵向收缩为主。随着含水率的降低，土壤基质吸力进一步增加，由基质吸力引起的张拉应力的增加使土壤体积变化以纵向收缩为主导转变为以横向收缩为主导（s>3）。在含水率降至0.1 g/g左右时土壤体积几乎不变，s在此时增至最大后保持不变。对比各组处理，发现CK与无机肥添加处理在开始失水时均表现出了完全的纵向收缩，且s均随着含水率的减小而增加最后趋于稳定，各处理s变化斜率稳定时s值并无明显差异。对比各级循环s变化发现，随着循环级数的推进，土壤体变以纵向收缩为主导的区域增多，s的变化更加缓和，完全干燥时s减小。

3 讨论

3.1 干湿循环对土壤收缩特性影响

土壤结构影响水、空气、溶质的存储和运移，是植物根系生长和微生物活动的媒介，是土壤最基本的物理性质[20]。试验在反复干湿过程中观察到土壤的不可逆收缩现象，说明土壤干湿循环过程中黏土颗粒和团聚体反复缩胀导致土壤结构发生改变，土壤收缩特性也因此改变。表现为随着循环级数的推进，土壤横、纵向收缩程度减弱，s减小，r增大，孔隙比变化幅度减小，土壤收缩能力降低。通过分析土壤收缩特性曲线发现：干湿循环使土壤结构收缩段增加，比例收缩段、残余收缩段减少。土壤各收缩区域代表土壤不同尺度孔隙在失水过程中作用范围，从侧面反映了土壤孔隙结构的变化规律，根据土壤各收缩区域变化趋势和土壤结构在干湿循环中演变规律来看：干湿循环过程中土壤团聚体破碎重排形成了复杂的板状、块状、团粒结构[21]，这些结构较均质结构相对稳定，但也导致团聚体间大孔隙增多。然而土壤结构收缩区的增大并不代表土壤收缩能力加强，因为团聚体间大孔隙在水分损失过程中并不会土壤体积大幅变化。作为收缩的主体部分，比例收缩区占据了土壤失水过程中大部分体积变化和水分损失，其范围在干湿循环过程中不断减小，表明土壤收缩能力不断减弱。残余收缩区的减少表明团聚体内孔隙占比减少，这一方面可能是由于干湿循环使团聚体破碎[22]，导致团聚体数量减少，另一方面可能是由于原团聚体破碎重排后形成的新的团聚体孔径较小。此外，试验中还发现：土壤横、纵向收缩应变、体积收缩应变前3次循环间变化幅度较大，而在3、4次循环间变化不大，表明干湿循环对土壤结构和收缩能力影响随循环级数的推进逐渐减弱。这是因为每次循环中土壤团聚体结构破碎重排都会形成更稳定的土结构，干湿循环引起的体变不可逆程度随级数推进逐渐降低。在经历多次循环后，土壤收缩量趋于稳定值因为此时土壤内团聚体多发生胀缩而少有团聚体的再造与滑移[23]。

3.2 无机肥添加对土壤收缩特性影响

无机肥添加在一定程度上改变了土壤理化性质[24]、结构特性，从而使土壤收缩特性发生改变，导致土壤增湿脱湿过程中体积变化行为的差异性。研究中发现无机肥的添加在各级循环中均不同程度地减小了土壤横、纵向收缩程度，且随着肥液质量浓度的增加作用效果更加明显。通过观察土壤收缩特性曲线发现，无机肥的添加并未明显改变结构收缩区和残余收缩区的范围，说明无机肥的添加并未导致土壤团聚体间大孔隙和团聚体内孔隙结构发生改变。无机肥添加导致土壤收缩应变的减少主要是由于比例收缩区孔隙比范围的减小，即土壤黏粒收缩能力的减弱。这一方面可能是因为随着土壤孔隙内流体质量浓度的增加，土壤双电子层中扩散层厚度减小，土颗粒间距减小，土壤收缩能力减弱[25]。另一方面可能是因为随着孔隙内流体质量浓度的增加，气-液界面张力（表面张力）减小，导致溶液与土颗粒接触角减小，曲率半径增大，导致基质吸力减小，土壤收缩程度降低[26]。此外试验中还发现，干湿循环中土壤团聚体结构变化和肥料的累积都有降低土壤收缩应变的趋势，二者共同作用使土壤的收缩能力明显减弱。随着循环级数的推进，由干湿循环引起的土壤收缩能力的变化逐渐减弱，多级循环后土壤收缩能力下降主要是由无机肥累积引起的，这意味着无机肥的添加在一定程度上加剧了土壤板结，裂隙固化，因此在水肥一体化灌溉过程中，应注意水肥统筹，避免过量施肥。不过，本研究为精确控制试验变量，未能充分考虑作物根系对无机肥的吸收利用，这与农业生产大田实际情况有所不同，今后的研究需进一步分析在作物耕种条件下农田土壤收缩特性、干缩裂隙、水肥迁移规律三者的联系。

4 结论

1）土壤各向收缩应变随着循环级数的推进而减小，并逐渐趋近稳定。无机肥的添加减少了横、纵向收缩应变，且随着循环级数的推进表现愈加明显。

2）VG-Peng模型拟合土壤收缩特性曲线效果较好。干湿循环中各处理均存在结构收缩、比例收缩、残余收缩、零收缩4个阶段。无机肥的添加使土壤残余孔隙比、饱和孔隙比增加，同时也导致土壤收缩能力减弱，原因在于比例收缩段孔隙比变化幅度的减少。

3）土壤收缩经历了从完全的纵向收缩-以纵向收缩为主-以横向收缩为主3个阶段，多次干湿循环后土壤体变各向异性减弱。

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The Effects of Inorganic Fertilization on Soil Shrinkage in Wetting-drying Cycles

LIU Chang1,QI Wei2, WANG Ce1, ZHANG Zhanyu1*

(1. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China;2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

【】Swelling and shrinkage are important process reshaping soil structure. It is impacted by many factors, and the objective of this paper is to investigate how fertilization impacts this process.【】We used a silty loam in the experiment. The soil was fertilized using different inorganic N and K fertilizers at concentrations ranging from 1 g/L to 3 g/L. The emergence and development of the shrinkage during and following multiple wetting-drying cycles were measured in each treatment.【】① The shrinkage in the transverse and longitudinal directions both decreased asymptotically with the increase in the number of drying-wetting cycles. Adding inorganic fertilizer reduced the shrinkage in both transverse and longitudinal directions, and the reduction became more significant as the wetting-dying cycles increased. ② The VG-Peng model can fit the effects of the fertilization on soil shrinkage, and the shrinkages in each treatment can be classified into four types: structural shrinkage, proportional shrinkage, residual shrinkage and zero shrinkage. Increasing drying-wetting cycles increased the structural shrinkage at the expense of proportional shrinkage and residual shrinkage. The addition of the inorganic fertilizers reduced the void ratio of the soil in the shrunk region. ③Soil shrinkage experienced three stages: complete longitudinal shrinkage, longitudinal-dominant shrinkage, and transverse-dominant shrinkage, with the anisotropy of the shrinkages decreasing after several drying-wetting cycles.【】Applying inorganic fertilizers reduced soil shrinkage due to wetting-drying cycles, and the inorganic fertilizers accumulated after multiple wetting-drying cycles due to the decline in soil shrinkage.

wetting-drying cycle; inorganic fertilization; soil; contraction curve; geometric factors

S152.4; S143

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021263

1672 - 3317（2021）11 - 0044 - 07

2021-06-21

国家自然科学基金面上项目（51879071，51579069）

刘畅（1998-），男。硕士研究生，主要从事农田土壤干缩裂隙方向研究。E-mail:Liuchang_@hhu.edu.cn

张展羽（1957-），男。教授，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: zhanyu @hhu.edu.cn

刘畅, 齐伟, 王策, 等. 无机肥施用对农田干湿循环土壤收缩特性的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(11): 44-50.

LIU Chang, QI Wei, WANG Ce, et al. The Effects of Inorganic Fertilization on Soil Shrinkage in Wetting-drying Cycles[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 44-50.

责任编辑：白芳芳