不同的施肥方法对黑土土壤水分保持的影响

　　我国东北黑土区，为雨养农业区。水为决定作物产量的关键因素之一。农田土壤水分的变化受多种因素的影响，如降雨、太阳辐射、风速、栽培作物、土壤质地及有机质含量等。除此之外，栽培措施也对土壤水分的变化起到重要的影响。
　　增加土壤的蓄水保水能力、减少土壤蒸发为农田水分管理的重要任务之一。长期以来人们采用和尝试了多种方法，如地膜和秸秆覆盖、高分子吸水剂与渗水地膜的应用、旋耕（少耕）及免耕等保护性耕作的采用、不同垄向的种植方式的尝试、农林草结合生态系统的建立以及增加作物在土壤中的残留物等。秦玲等指出，砂土中增施草炭，可显着提高土壤保水能力，如草炭体积含量为15%时，其田间持水量、饱和含水率分别比纯砂土高60.16%和42.43%。王会肖等指出，覆盖是减少土壤蒸发的有效措施，留茬是一种特殊的覆盖耕作措施，是机器收割小麦的产物。1994年在栾城站对留茬与对照条件下夏玉米田棵间蒸发进行了测定。麦茬对玉米田土壤蒸发的抑制作用一直延续到玉米成熟，整个生育期内的平均抑制率为34.7%。
　　但有关土壤施肥水平与土壤水分、保水性及蒸发的关系，在黑土上尚无系统的报道。通过长期定位试验及室内模拟试验，揭示了不同施肥措施对农田黑土水分含量及持水保水性能的影响，可为农田土壤水分管理提供参考依据。
　　1 试验地背景资料
　　田间试验部分在中国科学院海伦农业生态实验站进行，为期3年。该试验为水肥耦合长期定位试验的一部分自然降水条件下的4个施肥处理：
　　F1-无肥， F2-中量化肥， F3-高量化肥， F4-高量化肥加有机肥。栽培作物2003年为大豆， 2004、2005年为玉米。F1、F2、F3和F4处理2003年的具体施肥量（kg/hm2） N: 0、13.5、30.0和30.0; P（P2O5）： 0、34.5、45.0和45.0;有机肥15 000。
　　2004、2005年4个处理的具体施肥量（kg/hm2）为N: 0、96.0、150.0和150.0; P: 0、34.5、75.0和75.0;有机肥30 000。除了上述田间试验外，还采用上述试验区的土壤进行了室内蒸发试验。试验土壤为中国典型黑土，有机碳（mg/kg）分别为F1-24.4, F2-29.8, F3-26.6, F4-32.1。2003~2005年试验区的降雨情况见图1。

　　图1 2003~2005年的月均降水量
　　2 材料与方法
　　田间试验部分，是根据设置在自然降雨条件下的4个不同肥力处理区中的中子土壤水分仪测管，利用CNC503B四型智能中子水分仪，对在4种肥力管理模式下土壤10cm~210cm的土壤水分，进行了2003~2005年3年的生育期间的连续观测， 4月5日开始5d一次， 10月结束。监测的深度为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。小区与小区之间用防水材料隔离，小区池埂用钢筋混凝土浇筑。
　　根据以上地块所取样品，在实验室内的控温控湿条件下进行蒸发试验。试验采用裂区设计，温度为主区，湿度和土壤种类作为副区， 3次重复。温度处理为5℃、10℃和20℃,湿度处理为田间最大持水量的45%~55%、65%~75%和85%~95%。
　　试验所用容器为350ml贮藏瓶。根据容重及土壤含水量称取相应质量的土壤，压实至300ml。在将土壤放入瓶中之前，根据目标土壤湿度上限计算出应该加入的水分量，将水分与土在塑料袋中均匀混合。具有相同温度处理的12个瓶作为一次重复。
　　10℃处理在人工气候室中进行； 20e处理的放在接近于此温度的室温条件下进行； 5e处理放在冷库中培养，昼夜都控制在同样温度。每4d测定一次蒸发量，然后补水至目标值上限。土壤在黑暗中处理40d。共测定蒸发量10次。
　　月份风速资料、月份降雨资料由M520气象自动系统测得，风速为每两分钟的平均值。有机碳采用元素分析仪测定。栽培作物为玉米、大豆。F1、F2、F3、F4处理的籽粒与秸秆产量（kg/hm2）分别为： 5056和2985、7171和2149、7050和2856及8356和5210 （2004、2005年的产量趋势总体与2003年的相近， 2005年F2的秸秆产量高于F3）。
　　田间试验部分，视作二因素随机试验，年际间视作重复。实验室培养部分按照裂区试验设计进行统计分析，统计分析采用SAS软件进行。
　　3 结果与分析
　　3.1 不同施肥措施对土壤剖面内总水量的影响从4月至10月的生育期内， 10cm~90cm及10cm~210 cm土层内容积含水量3年各层次的总平均值顺序为： F1>F2>F3>F4（见表1）。在10cm~210cm范围内无肥、中量化肥和高量化肥之间土壤含水量差异不显着而与高量化肥加有机肥之间的差异达到了5%的显着水平。而在作物影响较大的0cm~90cm的范围内，无肥与中量化肥土壤含水量差异不显着、高量化肥与高量化肥加有机肥的差异不显着，而无肥和中量化肥与高量化肥和高量化肥加有机肥之间的差异显着，达到1%水平。结果表明施肥处理，尤其是高量化肥及高量化肥加有机肥的处理显着地影响了土体内的水分变化，尤其是在作物影响较大的10cm~90cm范围内。

　　表1 土壤含水量各层次总平均值
　　3.2 不同施肥措施对不同层次土壤含水量的影响从生育期总的平均数来看，所有处理10cm~70cm范围内各层次之间的含水量存在5%水平的显着性差异， 70cm~210cm范围内的各层次之间差异不显着（数据未提供）。
　　从图2中可以看出，施肥措施的影响始于10cm左右，结束于70cm左右。在这一层次范围内，施中量化肥与不施肥的含水量较高，两者之间差异不明显；施用高量化肥与高量化肥加有机肥的含水量较低，两者之间差异不明显。造成这一差异的原因是施用高量化肥及高量化肥加有机肥的处理上作物生长较旺盛，生物产量较高，因而消耗了比较多的水。在70cm~90cm土层范围，含水量出现了变化，深度超过90cm之后，施用高量化肥的处理含水量超过了其它3个处理，具有明显的增加趋势，而施用高量化肥加有机肥的处理却没有明显的变化，可见施用化肥具有明显的保水作用，而施用有机肥则增加了土壤的疏松透气性，因而增加了蒸发。作物耗水对地下水的影响，最深可达250cm, 270cm处未见影响（数据未提供）。施肥多的两个处理比较于不施肥和施肥少的处理水分的纵向变幅要大。

　　图2 2003~2005年土壤剖面水分平均值
　　3.3 不同施肥措施对不同层次土壤含水量影响的季节变化在4月份，作物对土壤含水量的影响较小。此期，在10cm~90cm的范围内F3和F4的含水量较低，深度超过90cm, F3明显高于其它处理，此期主要是受上一年水分状况影响的结果（图3-a）。
　　进入5月份后，随着作物根系活动的开始F1和F2与F3和F4之间的差别有缩小的趋势。进入6月份这一趋势进一步缩小（图3-b）。进入7、8月份的雨季之后， F1和F2与F3和F4之间的差别又有进一步增大的迹象（图3-c），直至试验结束的10月份。在深度超过90cm的范围内， F3与其它处理的差距从6月份开始缩小， 8月份开始明显缩小，直至试验结束的10月份。根据有限数据分析，这一差距是在冬季逐渐拉大的，在4、5月份时达到较大值。

　　图3 土壤剖面水分平均值
　　加有机肥的处理，在生育前期，也就是没有作物生长的情况下，它的含水量也是很低的，原因有两个，其一是施用有机肥的处理，上一年耗水较多；其二是有机肥中的秸秆等残茬，使土壤疏松，导致了保水性下降。进入7月份，降雨量达到了其峰值，但是土壤含水量却到了其低谷（图4）。此低谷产生的直接原因为作物的耗水。在10cm处，各处理的变化至7月中旬开始才呈现出规律性；从20cm深开始，各处理间表现出明显的差异， 6月至9月尤为明显；至50cm深时，各处理间的差距缩小，但仍可见明显的随季节变化的规律；至130cm处时，仍可见7月份低谷，直至170cm; 190cm开始，已不见随季节变化的迹象（图5）。

　　图4 10cm~210cm深度内各层次平均含水量2003~2005年平均值

　　图5 各层次土壤含水量的季节变化规律
　　3.4 不同施肥措施与土壤保水性分析通过图2、图3可以看出，施入了高量化肥的处理，在高产的同时，保存了70cm以下底层的含水量，而施入同样高量化肥配合有机肥的处理，深层的含水量没有单施高量化肥的高，这和有机肥增加了土壤蒸发、具有排涝功能有关。
　　3.5 蒸发量分析
　　3.5.1 不同施肥措施土壤的蒸发特点。实验室试验统计分析结果显示， 20cm土壤每4d的净蒸发量不施肥与施用中量化肥处理间存在显着性差异（表2）。尽管与其它的两个处理间差异不显着，但可以认为，不施肥的土壤具有较大的蒸发量，而施入化肥的土壤蒸发量降低。此外施入化肥同时又施入有机肥的处理具有一定的透气作用，在一定程度上增加了蒸发量。

　　表2 不同处理4d平均蒸发量
　　3.5.2 温度与湿度因素对蒸发的交互影响。在适宜的含水量（75%）条件下，不施肥的处理蒸发量高于其它施肥处理。在5℃和20℃条件下，不施肥的处理蒸发量高于施用高量化肥加有机肥的处理，差异达5%显着性水平。
　　在温度较高（20℃）且较湿（95%）的条件下，施用高量化肥加有机肥的处理的蒸发量明显高于其它处理，说明施有机肥不但可提高土壤保水性能，还有排涝的功能。
　　在10℃及相对干旱的条件下，施用高量化肥的处理蒸发量大。可见在单纯使用大量化肥时，在相对的低温及较为干旱的情况下，更容易失水。
　　3.5.3 温度对各处理土壤蒸发量的影响。不同温度条件下的蒸发状况存在显着差异，即20℃的处理与5℃、10℃处理间存在5%水平的显着性差异。
　　5℃与10℃处理间差异不显着。
　　3.5.4 土壤含水量对各处理土壤蒸发量的影响。
　　不同的湿度处理间蒸发量的差异总体趋势是随着含水量的增加蒸发量降低，但没有达到显着水平。在10℃~20℃相对高温条件下，不施肥、施用高量化肥及高量化肥加有机肥处理的蒸发状况随着湿度的变化差异显着。不施肥和单纯施用化肥的处理蒸发量随着土壤含水量增加而降低。加有机肥的处理则有在含水量高的情况下蒸发增加的现象。
　　4 结论
　　多年长期施用肥料与不施肥的处理相比，土壤的含水量已经发生了明显的变化。在不同的生育期表现不同。施肥处理，尤其是施用高量化肥及高量化肥加有机肥的处理，由于作物生长旺盛，显着地影响了土体内的水分变化，影响范围主要是10cm~90cm土层。
　　通过分析生育期内总的平均含水量，指出所有处理10cm~70cm范围内各层次之间的含水量存在5%水平的显着性差异。施中量化肥与不施肥的含水量较高，两者之间差异不明显，施用高量化肥与高量化肥加有机肥的含水量较低，两者之间差异不明显。深度超过90cm之后，施用高量化肥的处理含水量超过了其它3个处理，施用相对高量的化肥具有明显的保水作用。而施用有机肥则增加了土壤的疏松透气性，因而增加了蒸发。作物耗水对地下水的影响，最深可达250cm, 270cm处未见影响。
　　施肥多的两个处理比较于不施肥和施肥少的处理水分的纵向变幅要大。
　　在4月份，水分状况主要是受上一年的影响。
　　5月份随着作物根系活动的开始， F1和F2与F3和F4之间的差别有缩小的趋势；进入7、8月份的雨季之后，由于作物耗水的差别F1和F2与F3和F4之间的差别又有进一步增大的迹象，直至试验结束的10月份，此期虽然降雨量达到了其峰值，但是土壤含水量却到了其低谷（图4、图5）。在深度超过90cm的范围内， F3与其它处理的含水量优势从6月份开始缩小， 8月份开始明显缩小，直至试验结束的10月份。在10cm处，各处理的变化至7月中旬开始才呈现出规律性；从20cm深开始，各处理间表现出明显的差异， 6月至9月尤为明显；至50cm深时，各处理间的差距缩小，但仍可见明显的随季节变化的规律直至170cm。190cm开始，已不见随季节变化的迹象。
　　施入了高量化肥的处理，在高产的同时，保存了70cm以下土体的含水量，而施入同样高量化肥配合有机肥的处理，深层的含水量没有单施高量化肥的高，这和有机肥增加了土壤蒸发、具有排涝功能有关。
　　实验室内的表层土壤蒸发试验表明，施用化肥降低了土壤水分的蒸发，提高了保水性。
　　施用化肥同时施用有机肥改善了土壤的透气性。施用有机肥的处理具有如下特点：在含水量高的时候，有排水的作用；在含水量适中的情况下，蒸发量最小，有保水的作用。
　　不施肥的处理，在适宜的水分条件及干旱的情况下，蒸发最大；在土壤含水量较大的情况下，蒸发较慢，相对而言不具有保水及排涝的作用。