有機(jī)物料還田對(duì)土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的綜合影響

趙麗麗，李陸生，蔡煥杰，石小虎，薛少平

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100；3華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046；4西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

0 引言

【研究意義】陜西關(guān)中平原是我國(guó)主要的糧食生產(chǎn)區(qū)，以小麥-玉米輪作為主，一年兩熟，屬高度集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，具有悠久連續(xù)的農(nóng)耕歷史[1]。該區(qū)土壤類型以土為主，是基于黃土母質(zhì)，伴隨長(zhǎng)期土糞堆墊，經(jīng)反復(fù)旱耕、熟化發(fā)育而成的土壤[2]。關(guān)中平原受到長(zhǎng)期灌溉、過(guò)量施用化肥和小型農(nóng)機(jī)具耕作（以旋代耕）等農(nóng)田管理措施的影響，土壤有機(jī)質(zhì)流失（一般低于15 g·kg-1），土壤緊實(shí)、硬化、板結(jié)普遍發(fā)生，破壞了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，阻斷了土壤水分和空氣與外界的交換媒介，降低了土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性能[3-5]。土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性反映土壤水分和空氣的更新速率，直接關(guān)系到土壤水氣的流通、貯存及對(duì)作物的供應(yīng)是否充分、協(xié)調(diào)，影響土壤熱和養(yǎng)分狀況，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成具有重要的指導(dǎo)意義[6-9]。有機(jī)物料和化肥配施，綜合了有機(jī)物料持久性和化肥速效性的優(yōu)點(diǎn)，既能為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分，又能改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性，為作物正常生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的水分和空氣環(huán)境[10-12]。【前人研究進(jìn)展】目前，關(guān)于施加有機(jī)物料對(duì)紅壤[13]、潮土[14]、石灰性黑鈣土[15]、砂姜黑土[16]和變性土[17]的孔隙分布、水分常數(shù)及水分入滲參數(shù)等的影響已有較多報(bào)道。針對(duì)土，YU等[18]和丁奠元等[19]研究指出秸稈粉碎氨化還田促進(jìn)土壤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，增加土壤總孔隙度和結(jié)構(gòu)孔隙度，培肥土壤，改善土壤耕性；SHI等[20]和 ZHANG等[21]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施顯著提高了土的非飽和導(dǎo)水率。而關(guān)于添加有機(jī)物料對(duì)土壤導(dǎo)氣性的影響，國(guó)外學(xué)者指出施加稻殼或糞肥能夠增加土壤大孔隙，改善土壤孔隙連通性，提高土壤導(dǎo)氣性[22-24]。國(guó)內(nèi)僅陳帥等[25]、羅松等[26]和王衛(wèi)華等[27]利用 PL-300儀器分析了開墾年限、秸稈覆蓋、覆膜和改良劑等田間管理措施下土壤導(dǎo)氣性的變化?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】雖然以上研究考慮了有機(jī)物料還田對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)、水力傳導(dǎo)特征或?qū)庑缘挠绊?，但缺乏其?duì)土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的綜合評(píng)價(jià)。另外，關(guān)中平原施用有機(jī)物料種類多樣，故需對(duì)比不同有機(jī)物料還田對(duì)土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的改善效果，以確定最優(yōu)還田模式。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究選取麥稈、麥殼、土糞和生物肥4種當(dāng)?shù)爻Ｓ玫挠袡C(jī)物料，通過(guò)2年田間小區(qū)定位試驗(yàn)，分析其與化肥配施對(duì)0—30 cm土層土壤孔隙性和導(dǎo)水導(dǎo)氣性的影響，并基于主成分分析獲取不同土層改善效果最優(yōu)的有機(jī)物料還田方式，旨在為關(guān)中平原地區(qū)合理利用有機(jī)物料資源及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2014年6月至2016年6月在西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行（108°04′ E，34°17′ N，海拔 521 m）。該區(qū)屬典型的暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均無(wú)霜期 210 d，日照時(shí)數(shù)2 164 h，氣溫13 °C，降水量632 mm，蒸發(fā)量1 510 mm。供試土壤類型為土（土墊旱耕人為土，Eum-Orthic Anthrosols），播前土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田種植制度為冬小麥-夏玉米輪作。采用小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共 5個(gè)處理：化肥（CK）；化肥+麥稈（MWS）：秸稈曬干后切割成約2 cm的小段；化肥+麥殼（MWH）：麥殼曬干粉碎后過(guò)10目篩備用；化肥+土糞（MFS）：土糞為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民腐熟好的羊糞和土壤的4﹕1混合物；化肥+生物肥（MBF）：生物肥為土糞+微生物菌劑（60 kg·hm-2，有效活菌數(shù)≥2×108cfu/g），各處理重復(fù)3次，固定小區(qū)定位處理，小區(qū)面積為30 m2（7.5 m×4.0 m），不同有機(jī)物料基本理化性質(zhì)見表 2。試驗(yàn)前，田間肥料管理措施為單施化肥，施肥種類為尿素（46%N）和磷酸二銨（18%N，46%P2O5），冬小麥季施用150 kg N·hm-2，110 kg P2O5·hm-2，全部基施；夏玉米季施用 170 kg N·hm-2，170 kg P2O5·hm-2，60%基施，40%于大喇叭口期追施。有機(jī)物料還田試驗(yàn)，化肥施用量和施用方式遵循試驗(yàn)前農(nóng)田施肥習(xí)慣，有機(jī)物料施用量為 20 000 kg·hm-2（干重）。播種前將化肥和有機(jī)物料均勻撒于小區(qū)地表，用鏵式犁翻地1遍，旋耕機(jī)旋地2遍耙平土地，作業(yè)深度約25 cm。其他管理根據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)操作進(jìn)行。

表1 播前0—30 cm土層土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Initial physio-chemical characteristics of the 0—30 cm soil layers in the experimental field under investigation

表2 試驗(yàn)用有機(jī)物料的理化性質(zhì)Table 2 Physico-chemical characteristics of the applied organic materials

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

于2015年6月和2016年6月小麥?zhǔn)斋@前在各小區(qū)按三角形選取3個(gè)樣點(diǎn)取樣。利用土鉆（直徑5 cm）分層（每10 cm一層）取土至30 cm，采用烘干法測(cè)定土壤水分，比重瓶法測(cè)定土粒密度。用環(huán)刀（Φ5.046 cm×5 cm）分3層（2—7 cm、12—17 cm、22—27 cm）取原狀土，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重和10 kPa土壤水吸力條件下的土壤含水量（田間持水量）；根據(jù)土壤毛管水上升理論，10 kPa土壤水吸力條件下的土壤體積含水率等于土壤小孔隙（＜30 μm），同等土壤水吸力條件下的孔隙度等于土壤大孔隙（≥30 μm）[8]。土壤入滲性能采用環(huán)刀法測(cè)定，初滲率為初始3 min的平均入滲率；穩(wěn)滲率為達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的入滲率；平均入滲率為達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量與入滲時(shí)間的比值；因土壤入滲率在75 min均已達(dá)到穩(wěn)定，為便于比較，累積入滲量取90 min的滲透總量。土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測(cè)定[7]，土壤導(dǎo)氣率在10 kPa土壤水吸力條件下采用一維穩(wěn)態(tài)法測(cè)定[28]。于2014年6月（試驗(yàn)前）在試驗(yàn)田隨機(jī)選取6個(gè)樣點(diǎn)取樣，測(cè)定土壤孔隙性和導(dǎo)水導(dǎo)氣性相關(guān)指標(biāo)的初始值（PT）。

土壤導(dǎo)氣率和孔隙連通性的計(jì)算方法如下：

（1）土壤導(dǎo)氣率

式中：ka為土壤導(dǎo)氣率（μm2）；μ為干空氣動(dòng)態(tài)黏滯系數(shù)（Pa·s）；Z為土樣高度（m）；Q為氣體傳導(dǎo)速率（m3·s-1）；A為橫截面積（m2），ΔP為土柱管內(nèi)密閉空間壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)差（Pa）。

干空氣黏滯系數(shù)受溫度影響，估算公式如下：

式中：T為空氣溫度（℃）。

（2）GROENEVELT等[29]提出反映土壤孔隙連通性的指標(biāo)PO

式中：PO為孔隙連通性指標(biāo)（μm2）；ka為一定土壤水吸力條件下（10 kPa）的土壤導(dǎo)氣率（μm2）；ε為同等土壤水吸力條件下的土壤孔隙度（%）。

土壤導(dǎo)氣率選用10 kPa土壤水吸力（土壤含水量接近田間持水量）條件下的數(shù)值，而未采用土壤完全干燥條件下的數(shù)值，具有明顯優(yōu)勢(shì)：完全干燥條件下的土壤易收縮，產(chǎn)生較大裂縫，土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞，影響測(cè)量精度[30]；土壤導(dǎo)氣率與大孔隙中水流密切相關(guān)，當(dāng)土壤含水量接近田間持水量時(shí)，氣體流動(dòng)主要發(fā)生于大孔隙中[7]，易于探索土壤導(dǎo)氣率和孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；前人研究主要探討10 kPa土壤水吸力條件下的土壤導(dǎo)氣率變化特征，本研究選用相同的測(cè)定條件便于引用前人成果。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析和主成分分析，利用Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤孔隙性

土壤孔隙性包括孔隙度、孔隙分布和孔隙連通性，是土壤結(jié)構(gòu)特征的反映，直接影響土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性[7,19]。綜合分析有機(jī)物料連續(xù) 2 年還田不同土層土壤孔隙性的變化特征（表 3）。結(jié)果表明：有機(jī)物料還田改善0—10 cm土層土壤容重和孔隙度，但未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），可能受田間管理措施影響較大。各有機(jī)物料處理0—10 cm土層土壤大孔隙較CK和 PT顯著（P＜0.05）增加 25.5%—66.8%，其中以MWS處理增幅最大，說(shuō)明該影響與有機(jī)物料自身結(jié)構(gòu)特性有關(guān)（麥稈具有大量纖維結(jié)構(gòu)（表 2），起到疏通土壤大孔隙的作用）。另外，MWS和MWH處理0—10 cm土層土壤孔隙連通性較CK和PT顯著（P＜0.05）增加93.1%—221.2%。

有機(jī)物料連續(xù)還田 2年對(duì)土壤產(chǎn)生了直接的稀釋效應(yīng)[31]，降低了10—20 cm土壤容重、增加了土壤孔隙度，其中MWS、MWH和MFS處理均達(dá)到顯著（P＜0.05）水平，較 CK和 PT土壤容重降低了3.2%—5.1%，土壤孔隙度增加了3.9%—6.0%。而且，高量有機(jī)物料還田可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，疏松土壤，改善土壤容重和孔隙度，進(jìn)而提高土壤孔隙連通性[22]。各有機(jī)物料處理10—20 cm土層土壤孔隙連通性較 CK和 PT顯著（P＜0.05）增加了64.9%—374.5%。在孔隙分布方面，僅MWS處理2 年后顯著（P＜0.05）增加 10—20 cm 土壤大孔隙，而MWH、MFS和MBF處理作用于土2年均顯著（P＜0.05）增加10—20 cm土層土壤小孔隙，可能是由于有機(jī)物料還田疏松0—10 cm土層的土壤，灌水和降水過(guò)程導(dǎo)致表層土黏粒向下層土壤遷移，堵塞10—20 cm土層部分大孔隙，增加小孔隙[31]，而麥稈因具有大量纖維結(jié)構(gòu)，更有利于形成大孔隙[19]；也可能是由于較低C/N比的有機(jī)物料（表2）腐解速率更快，可較快速的改善土壤微生物活性和土壤結(jié)構(gòu)，有利于增加團(tuán)聚體內(nèi)部的小孔隙[18,20]。

有機(jī)物料連續(xù)2年還田，20—30 cm土層土壤大孔隙較CK和PT顯著（P＜0.05）增加58.5%—136.4%，土壤小孔隙較CK和PT顯著（P＜0.05）減少9.3%—17.9%；可能是有機(jī)物料還田促進(jìn)了作物根系生長(zhǎng)和土壤動(dòng)物活動(dòng)，有效增加了生物大孔隙[12]。但有機(jī)物料還田沒(méi)有改善20—30 cm土層的孔隙連通性，MWH和MWS處理土壤孔隙連通性甚至顯著（P＜0.05）降低，較CK和PT減小29.6%—52.5%，這可能受生物大孔隙的彎曲度影響。

2.2 土壤入滲性能

土壤入滲性能反映土壤導(dǎo)水性，是重要的土壤物理性質(zhì)[7,20]。由圖1可知，不同有機(jī)物料連續(xù)2年還田試驗(yàn)中，同一土層土壤初滲率、穩(wěn)滲率、平均入滲率和90 min累積入滲量的變化規(guī)律基本一致。各有機(jī)

物料處理較CK和PT顯著（P＜0.05）增加0—10 cm土層土壤初滲率 0.10—2.94 cm·min-1，穩(wěn)滲率0.11—1.78 cm·min-1，平均入滲率 0.11—1.98 cm·min-1和累積入滲量9.73—175.15 cm，其中，MWS處理效果顯著最優(yōu)（P＜0.05），主要原因是MWS處理土壤大孔隙相對(duì)較多，對(duì)土壤入滲性能有顯著正作用。同時(shí)，各有機(jī)物料處理較CK和PT也顯著（P＜0.05）增加了 10—20 cm 土層土壤初滲率 0.14—1.57 cm·min-1，穩(wěn)滲率 0.15—1.06 cm·min-1，平均入滲率0.16—1.33 cm·min-1和累積入滲量14.02—120.21 cm，而MBF處理效果顯著最優(yōu)（P＜0.05）?？赡苡捎谏锓屎写罅坑行Щ罹?，增加土壤微生物生物量，增強(qiáng)微生物活性，微生物的菌絲可有效地黏結(jié)土壤礦物顆粒，促進(jìn)良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善了土壤孔隙性，進(jìn)而提高土壤入滲性能，土壤亞表層表現(xiàn)尤其明顯[19,32]。同理，MBF處理對(duì)20—30 cm土層土壤入滲性能的改善效果也達(dá)到顯著（P＜0.05）水平，較CK和 PT增加土壤初滲率 0.03—0.14 cm·min-1，穩(wěn)滲率0.02—0.05 cm·min-1，平均入滲率 0.02—0.05 cm·min-1和累積入滲量2.06—4.88 cm。

表3 2014—2016年有機(jī)物料還田不同土層土壤容重、孔隙度、孔隙分布和孔隙連通性變化Table 3 Changes in soil bulk density, total porosity, macro and micro-porosity distribution and pore continuity of different depths with various organic amendments to soils in 2014-2016

圖1 2014—2016年有機(jī)物料還田不同土層土壤入滲速率變化Fig. 1 Changes in soil infiltration rates of organic amendments at different depths in 2014-2016

2.3 土壤飽和導(dǎo)水率

土壤飽和導(dǎo)水率反映土壤導(dǎo)水性，是土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移的重要水力參數(shù)[7,20]。如圖2-a和2-b所示，不同有機(jī)物料連續(xù)2年還田試驗(yàn)中，各土層土壤飽和導(dǎo)水率與土壤入滲性能變化規(guī)律相似。與CK和PT對(duì)比，有機(jī)物料還田顯著（P＜0.05）提高0—20 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率0.05—0.72 cm·min-1。其中，MWS處理在0—10 cm土層增幅最大，達(dá)0.63—0.72 cm·min-1，而MBF處理在10—20 cm土層增幅最大，達(dá)0.23—0.43 cm·min-1。MBF處理較CK和PT也顯著（P＜0.05）增加了20—30 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率，增幅為 0.01—0.02 cm·min-1，其他處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

圖2 2014—2016年有機(jī)物料還田不同土層土壤飽和導(dǎo)水率和導(dǎo)氣率（10 kPa）變化Fig. 2 Changes in saturated hydraulic conductivity and air permeability at -10 kPa soil matric suction of organic amendments at different depths in 2014-2016

2.4 土壤導(dǎo)氣率

土壤導(dǎo)氣率是土壤導(dǎo)氣性的重要指標(biāo)，可充分反映土壤孔隙和土壤結(jié)構(gòu)特征[6,24]。圖2-c和2-d為不同有機(jī)物料還田土壤導(dǎo)氣率的剖面分布特征。MWS和MWH處理較CK和PT顯著（P＜0.05）增加0—10 cm土層導(dǎo)氣率2.1—5.1倍，這與MWS和MWH處理具有較多的土壤大孔隙和良好的孔隙連通性有關(guān)。而且MWS和 MWH處理由于較好的孔隙連通性，較 CK和PT顯著增加了10—20 cm土層導(dǎo)氣率（P＜0.05）。另外，MBF處理由于增加了土壤微生物的腐解作用，使得土壤顆粒的團(tuán)聚作用加強(qiáng)，土壤孔隙連通性增加[22]，能夠顯著改善10—20 cm土層導(dǎo)氣率。各處理20—30 cm土層導(dǎo)氣率均較低，但MBF和MFS處理土壤導(dǎo)氣率較 CK和PT顯著增加 0.6—1.2倍（P＜0.05），這主要因?yàn)樵鍪┩良S和生物肥增加了蚯蚓數(shù)量和土壤生物活性，進(jìn)而增加了土壤生物大孔隙，改善土壤通氣性[24]。

2.5 土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性綜合評(píng)價(jià)

結(jié)合土壤孔隙性（1.容重、2.孔隙度、3.大孔隙、4.小孔隙，5.孔隙連通性），導(dǎo)水性（6.初滲率、7.穩(wěn)滲率、8.平均入滲率、9.90 min累積入滲量、10.飽和導(dǎo)水率）和導(dǎo)氣性（11.土壤導(dǎo)氣率）三類因子進(jìn)行主成分分析（對(duì)容重進(jìn)行同趨化處理），所有數(shù)據(jù)為兩次取樣的平均值。由圖3可知，土壤導(dǎo)水性和導(dǎo)氣性在0—10 cm和10—20 cm土層存在分異，在20—30 cm土層幾乎重合。在0—10 cm土層，土壤導(dǎo)水性參數(shù)與大孔隙最接近（r=0.854—0.889，P＜0.01），土壤導(dǎo)氣性參數(shù)與容重（r=-0.807，P＜0.01）、孔隙度（r=0.810，P＜0.01）和孔隙連通性（r=0.975，P＜0.01）最接近。土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性參數(shù)與小孔隙分布相反（r=-0.533—-0.909，P＜0.01），相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值。MWS處理0—10 cm土層土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性綜合得分最高（表4），主要是因?yàn)樵鍪湺捲黾油寥来罂紫丁⑻岣咄寥浪鲗?dǎo)能力，效果最優(yōu)；而且，增施麥稈也顯著改善了土壤孔隙連通性和導(dǎo)氣性。在10—20 cm土層，各土壤參數(shù)的分布情況與0—10 cm土層基本相似。MBF處理10—20 cm土層導(dǎo)水導(dǎo)氣性綜合得分最高，原因?yàn)樯锓氏鄬?duì)于其他有機(jī)物料增加了土壤微生物的數(shù)量和活動(dòng)范圍[32]，提高了土壤孔隙連通性，不僅改善了土壤導(dǎo)氣性，而且對(duì)土壤導(dǎo)水性的改善效果達(dá)到了最優(yōu)。在 20—30 cm土層，生物肥增加土壤大孔隙，優(yōu)化土壤孔隙結(jié)構(gòu)，土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性參數(shù)均與MBF處理最接近，綜合得分最高。

3 討論

3.1 有機(jī)物料還田對(duì)土壤導(dǎo)水性的影響

圖3 各處理土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的主成分分析Fig. 3 Principal component analysis of soil water-gas transport parameters

表4 有機(jī)物料還田對(duì)土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性影響的綜合得分Table 4 Comprehensive scores of effects of organic amendments on soil water-gas transport properties

已有研究表明有機(jī)物料還田能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤容重，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)土壤水分傳導(dǎo)性能，具有較好的土壤儲(chǔ)水效能[21,33]。這種改善效果大部分是通過(guò)多年連續(xù)應(yīng)用有機(jī)物料實(shí)現(xiàn)的[20-21,34]。但也有短期試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料還田可顯著改善土壤導(dǎo)水性[12,17,35]，例如YAZDANPANAH等[33]研究表明30 000 kg·hm-2有機(jī)廢棄物和苜蓿草渣還田2年可顯著改善土壤導(dǎo)水性能。與此相似，本研究在關(guān)中平原上開展了 2年高量有機(jī)物料還田試驗(yàn)（20 000 kg·hm-2），發(fā)現(xiàn)增施麥稈、麥殼、土糞和生物肥均能顯著增加0—20 cm土層土壤入滲性能和飽和導(dǎo)水率（圖1，2-a和2-b）。一方面是因?yàn)橛袡C(jī)物料具有高纖維素含量和低容重特性（表 2），將其施于農(nóng)田可有效降低土壤緊實(shí)狀況，增加有效孔隙數(shù)量，改善土壤導(dǎo)水性能[33,35]。另一方面，有機(jī)物料還田，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，存在于土壤有機(jī)質(zhì)中的長(zhǎng)鏈分子能有效地束縛和黏結(jié)礦物顆粒，穩(wěn)定土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，加快土壤孔隙結(jié)構(gòu)的形成，促進(jìn)土壤已有孔隙向更大孔隙發(fā)育[19]（表 3），而大孔隙作為土壤水分運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)路徑[8-9]，對(duì)土壤入滲性能和飽和導(dǎo)水率有顯著的正作用（圖3）。WATSON和LUXMOORE[36]指出超過(guò) 70%的壤中流發(fā)生于大孔隙中。CARMEIRA等[37]發(fā)現(xiàn)土壤大孔隙對(duì)土壤總?cè)霛B量的貢獻(xiàn)率達(dá)到85%。KUNCORO等[8]也表明添加有機(jī)物料條件下，土壤大孔隙解釋了土壤飽和導(dǎo)水率79%的變異。然而，郭慧超等[38]通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加生物有機(jī)肥能顯著減小土飽和導(dǎo)水率，主要原因是有機(jī)肥與土壤充分混合后直接進(jìn)行試驗(yàn)，缺少有機(jī)肥分解過(guò)程，土壤飽和后有機(jī)肥膨脹占據(jù)土壤大孔隙，降低了土壤飽和導(dǎo)水率。

另外，不同有機(jī)物料施加量雖相同，對(duì)土壤導(dǎo)水性的改善效果卻存在差異（圖1，2-a和2-b），這與有機(jī)物料自身屬性相關(guān)[32-33]。4種有機(jī)物料中，麥稈含有大量的纖維結(jié)構(gòu)，干容重最低（表 2），且呈約2 cm長(zhǎng)的段狀，經(jīng)翻壓大部分留于表層土[18]，對(duì)0—10 cm土層的稀釋作用最強(qiáng)，導(dǎo)致土壤容重最低，土壤大孔隙最多，進(jìn)而對(duì)土壤導(dǎo)水性的改善效果最好。另外，麥稈具有高有機(jī)碳含量和高C/N比特征（表2），利于土壤有機(jī)碳積累，顯著增加0—10 cm土層大孔隙（表 3），對(duì)土壤導(dǎo)水性能的改善效果顯著優(yōu)于其他有機(jī)物料[35,39]。相反，微生物肥由于其低有機(jī)碳含量和低C/N比特征（表2），礦化速率高，腐解快，不利于穩(wěn)定土壤有機(jī)碳[32]。但是，生物肥具有大量有效活菌，可增強(qiáng)土壤生物活性和土壤團(tuán)聚作用，改善土壤孔隙分布，提高土壤孔隙連通性發(fā)育程度，促進(jìn)土壤水分入滲，提高土壤飽和導(dǎo)水率，尤其是在10—30 cm土層，其改善效果最優(yōu)（圖1，2-a和2-b）。BORIE等[40]和 CELIK 等[32]也表明表層土壤由于受田間管理措施的影響較大，抑制土壤微生物的作用，而亞表層具有更好的微生物環(huán)境，促使土壤微生物數(shù)量和活性增加，有利于團(tuán)聚體穩(wěn)定膠結(jié)物質(zhì)的形成，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤水分傳導(dǎo)性能。

3.2 有機(jī)物料還田對(duì)土壤導(dǎo)氣性的影響

有機(jī)物料還田后經(jīng)腐解可有效改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤空氣與外界的交流，提高土壤導(dǎo)氣能力[24]，具有較好的土壤通氣效能。已有研究表明有機(jī)物料經(jīng)翻耕還田后大部分混于耕層土壤[20-21]，因此其對(duì)耕層土壤導(dǎo)氣性的影響尤其明顯。本研究表明有機(jī)物料還田改善了0—20 cm土層土壤導(dǎo)氣率，其中，增施麥稈和麥殼達(dá)到顯著水平（圖2-c和2-d），這不僅受土壤大孔隙的影響，還與土壤孔隙連通性密切相關(guān)（圖 3）。試驗(yàn)表明麥稈和麥殼還田較單施化肥顯著增加0—20 cm土層孔隙連通性，改善土壤導(dǎo)氣性（表3，圖2-c和 2-d），這與 ARTHUR等[22]和KHAN等[23]的研究結(jié)果類似。此外，HUBBE等[41]研究表明土壤導(dǎo)氣性還與添加的有機(jī)物料種類密切相關(guān)，增施高纖維素含量的有機(jī)物料，對(duì)改善土壤導(dǎo)氣性發(fā)揮顯著正作用。這可能也正是本研究中麥稈和麥殼對(duì) 0—20 cm土層導(dǎo)氣性的改善效果優(yōu)于土糞和生物肥（尤其在0—10土層達(dá)到顯著水平）的原因。雖然生物肥的纖維素含量相對(duì)較低（表 2），但能有效增加亞表層土壤微生物生物量和蚯蚓數(shù)量[32]，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)[22]，有利于形成生物大孔隙[24]并改善孔隙連通性，促使10—20 cm和20—30 cm土層的導(dǎo)氣性得以顯著提高。有機(jī)物料還田條件下，良好的土壤導(dǎo)氣性不僅改善土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)，而且阻礙土壤CO2和N2O排放，起到保護(hù)土壤環(huán)境和大氣環(huán)境的作用[24]。然而，KUNCORO 等[8-9]表明土壤大孔隙相同的情況下，添加有機(jī)物料降低了土壤孔隙連通性，對(duì)土壤空氣傳輸產(chǎn)生阻礙作用。這是因?yàn)橛袡C(jī)物料未經(jīng)腐解直接混于土壤，增加土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高黏粒與土壤顆粒的聚集作用，阻塞了部分大孔隙，降低了土壤孔隙連通性和導(dǎo)氣性。

3.3 土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的綜合改善建議

由于關(guān)中平原長(zhǎng)期單施化肥，以旋代耕造成土壤物理性質(zhì)發(fā)生“隱型退化”，土體內(nèi)部緊實(shí)，0—10 cm耕層土壤容重介于1.04—1.34 g·cm-3，符合農(nóng)作物正常生長(zhǎng)需要；而20—40 cm土壤容重在1.46—1.70 g·cm-3范圍內(nèi)，約36%的農(nóng)田超過(guò)了1.60 g·cm-3的極限容重值[4]。土壤緊實(shí)阻礙土壤水分運(yùn)移與氣體交換，限制作物根系下扎，影響作物正常生長(zhǎng)[8,21]。有機(jī)物料具有低容重、高孔隙度、高有機(jī)碳含量和高纖維結(jié)構(gòu)等自然屬性[32]，應(yīng)用于農(nóng)田可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)并提高土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性[24,35]，對(duì)黏粒含量相對(duì)較高的土壤其改善效果尤其明顯[33]，因此，有機(jī)物料還田是關(guān)中平原（土）必要的農(nóng)田管理措施。有機(jī)物料還田對(duì)土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的綜合作用與其施加量和施加類型有關(guān)，需要在農(nóng)田運(yùn)用中重點(diǎn)考慮[33,41]。YAZDANPANAH等[33]和王曉娟等[42]指出短期（2年）有機(jī)物料還田對(duì)土壤緊實(shí)狀況的改善效果隨施加量的增加而增加。在施加量相同的條件下，不同有機(jī)物料類型因自身結(jié)構(gòu)特性差異，對(duì)不同土層土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的影響存在差異[33,41]。本研究運(yùn)用主成分分析對(duì)土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)：增施麥稈和生物肥分別在0—10 cm和10—30 cm土層對(duì)土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的改良效果達(dá)到最優(yōu)（圖 3）。鑒于關(guān)中平原農(nóng)田亞表層土壤的緊實(shí)化問(wèn)題嚴(yán)重，0—30 cm土壤呈“上松下緊”的結(jié)構(gòu)特征[4]，本研究認(rèn)為增施生物肥為相對(duì)最優(yōu)的有機(jī)物料還田方式，較其他有機(jī)物料處理顯著改善10—30 cm土層導(dǎo)水導(dǎo)氣性，有效緩解亞表層土壤緊實(shí)狀況，提高土壤透水通氣性。因此，在有機(jī)物料管理措施應(yīng)用初級(jí)階段，宜采用高量生物肥還田以構(gòu)建合理的耕層結(jié)構(gòu)，提高根層土壤水分和空氣含量[22,33]，為種子萌發(fā)、根系發(fā)育和開花結(jié)果等作物生長(zhǎng)過(guò)程提供良好水氣條件和肥力條件[7]，增加作物產(chǎn)量和水分利用效率[5,18]，對(duì)提高關(guān)中平原農(nóng)田土壤生產(chǎn)力具有重要意義。另外，生物肥原料充足[43]，易于制備，成本不高，在生產(chǎn)實(shí)踐中可操作性強(qiáng)，可推廣應(yīng)用。

已有研究表明有機(jī)物料還田對(duì)土壤透水通氣性能的正作用主要集中在耕作層[20-21]，為了更有效的改善土犁底層緊實(shí)程度，構(gòu)建合理的耕層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)耕層和心土層之間的水氣交換，需將有機(jī)物料還田與合理的耕作方式相結(jié)合[44-47]。王秋菊等[44]發(fā)現(xiàn)深耕+秸稈還田對(duì)土壤飽和透水系數(shù)和通氣系數(shù)的改善效果優(yōu)于旋耕，但由于深耕成本高，易造成耕層養(yǎng)分下降，不建議連續(xù)深耕。相對(duì)于連年深耕，免耕和深松隔年輪耕可有效打破犁底層加深耕層，增加犁底層的孔隙度，改善土壤保水力和通氣性[45]。翟振等[46]進(jìn)一步研究不同深松作業(yè)深度的改土效果，發(fā)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行25 cm深度的深松，形成耕層25 cm，犁底層5 cm的耕層構(gòu)造，為相對(duì)較好的犁底層改良方式；與全虛耕層構(gòu)造相比，既可節(jié)省農(nóng)機(jī)動(dòng)力消耗，又有透水、增產(chǎn)效能。秸稈心土混合犁[47]也是一種改善犁底層土壤結(jié)構(gòu)并增加作物產(chǎn)量的有效措施，但其存在機(jī)械作業(yè)效率低、動(dòng)力節(jié)余和浪費(fèi)能源等弊端，可操作性相對(duì)較差。綜上所述，免耕和深松（作業(yè)深度約25 cm）隔年輪耕與生物肥相結(jié)合，既可避免連年深耕的高成本和養(yǎng)分流失的弊端，又能改善犁底層土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性，可能為緩解土“隱型退化”的有效措施。

此外，增施有機(jī)物料對(duì)農(nóng)田土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的影響是一個(gè)漸進(jìn)式的作用過(guò)程，經(jīng)過(guò)多年連續(xù)定位試驗(yàn)后更能體現(xiàn)有機(jī)物料還田的實(shí)際效果。有機(jī)物料長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中，如何科學(xué)組裝有機(jī)物料施加類型、施加量和耕作措施，實(shí)現(xiàn)土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的綜合提升，推進(jìn)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)雙贏，有待進(jìn)一步長(zhǎng)期深入的研究。

4 結(jié)論

不同種類有機(jī)物還田對(duì)各土層土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣性的影響存在差異。有機(jī)物料還田與單施化肥相比顯著增加0—10 cm土層大孔隙，提高土壤入滲性能和飽和導(dǎo)水率，其中增施麥稈的改善效果最優(yōu)；而且有機(jī)物料還田也改善了0—10 cm土層孔隙連通性和導(dǎo)氣率，增施麥稈和麥殼達(dá)到顯著水平。同時(shí)，各有機(jī)物料還田相對(duì)于單施化肥顯著增加 10—20 cm土層孔隙連通性，改善土壤入滲性能和飽和導(dǎo)水率，尤其是增施生物肥，土壤導(dǎo)水性參數(shù)顯著優(yōu)于其他有機(jī)物料處理；增施生物肥較單施化肥也顯著增加了10—20 cm土層導(dǎo)氣率。另外，增施生物肥較單施化肥顯著提高20—30 cm土層土壤大孔隙、入滲性能、飽和導(dǎo)水率和導(dǎo)氣率。

綜合考慮土壤孔隙性、導(dǎo)水性和導(dǎo)氣性因素，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料還田為綜合改善土導(dǎo)水導(dǎo)氣性的有效措施，增施麥稈對(duì)0—10 cm土層的改善效果最優(yōu)，增施生物肥對(duì)10—30 cm土層的改善效果最優(yōu)。因此，建議在關(guān)中平原上增施生物肥，可有效改善亞表層土壤緊實(shí)狀況，實(shí)現(xiàn)土導(dǎo)水導(dǎo)氣性最優(yōu)的改善效果。

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