膜下滴灌不同灌水控制下限對(duì)設(shè)施土壤團(tuán)聚體分布特征的影響

馬建輝，葉旭紅，韓冰，李文，虞娜，范慶鋒，張玉玲，鄒洪濤，張玉龍

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110866）

膜下滴灌不同灌水控制下限對(duì)設(shè)施土壤團(tuán)聚體分布特征的影響

馬建輝，葉旭紅，韓冰，李文，虞娜，范慶鋒，張玉玲，鄒洪濤，張玉龍

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110866）

【目的】灌溉是設(shè)施土壤水分的主要來(lái)源，也是影響土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因子。探究不同灌水控制下限對(duì)設(shè)施土壤團(tuán)聚體分布特征和穩(wěn)定性的影響，為設(shè)施農(nóng)業(yè)合理水分調(diào)控、促進(jìn)設(shè)施土壤結(jié)構(gòu)改善提供理論依據(jù)。【方法】選用6年膜下滴灌試驗(yàn)地為對(duì)象，供試作物為番茄 （Lycopersicon esculentum Mill.），種植模式為溝壟覆膜。設(shè)置了3個(gè)灌水控制下限，其土壤水吸力值分別為20、30及40 kPa（分別記為D20、D30、D40），灌水控制上限均為6 kPa。各小區(qū)以埋設(shè)深度30 cm的張力計(jì)指示土壤水分變化，確定灌水時(shí)間和灌水量。通過干篩法和濕篩法測(cè)定了土壤團(tuán)聚體的組成，＞0.25 mm團(tuán)聚體含量（R0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數(shù)（D）、以及土壤結(jié)構(gòu)破壞率（RDS）和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ElT）?！窘Y(jié)果】在 0—30 cm土層，D40處理的土壤電導(dǎo)率（EC）、陽(yáng)離子交換量（CEC）和容重都顯著低于 D20和D30處理（D40＜D30＜D20）；D20處理的pH顯著低于D30和D40處理（D40＞D30＞D20）(P＜0.05)。通過干篩法和濕篩法對(duì)團(tuán)聚體數(shù)量和大小的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在0—30 cm土層，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體主要集中在＞2和1—0.25 mm粒級(jí)（23.01%—39.98%），而水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在1—0.25 和0.25—0.053 mm粒級(jí)（31.08—47.27%）。在0—20 cm土層，D30處理的R0.25、平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）均高于D20和D40處理；但在20—30 cm土層，D20處理的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量高于D30和D40處理。不同灌水控制下限下的土壤結(jié)構(gòu)破壞率（RDS）和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ElT）隨土壤深度增加而增加，且RDS與ElT的變化規(guī)律相似。在0—20 cm土層，D30處理的土壤結(jié)構(gòu)破壞率（RDS）和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ElT）顯著低于D20和D40處理（P＜0.05）。但在20—30 cm 土層，D20處理的土壤結(jié)構(gòu)破壞率（RDS）比D30和D40處理分別低了12.2%和16.8%。干篩下在10—20 cm 土層內(nèi)，D20、D30、D40處理的分形維數(shù)最小，分別是2.13、2.08、2.19；濕篩下在10—20 cm 土層內(nèi)，D40、D30、D40處理的分形維數(shù)最小，分別是2.31、1.99、2.12。結(jié)果表現(xiàn)出，與D20和D40處理相比，D30處理顯著降低了團(tuán)聚體中的分形維數(shù)（D）。【結(jié)論】在保證設(shè)施番茄產(chǎn)量和節(jié)約用水的條件下，將土壤水吸力30 kPa作為膜下滴灌灌水控制下限，有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定。

設(shè)施土壤；膜下滴灌；灌水控制下限；土壤團(tuán)聚體

Abstract:【Objective】 Irrigation is the main source of soil moisture and affects the soil structure stability under greenhouse condition. The objective of this paper is to explore the effects of different controlled irrigation low limits on composition and stability of soil aggregates in a greenhouse soil. Results of the study will provide a theoretical basis for reasonable water regulation and improvement soil structure.【Method】The irrigation experiments were conducted in a greenhouse at the scientific research base of Shenyang Agricultural University, China during the period from 2011 to 2016. The test crop was tomato, and the planting mode was ridge and furrow covering. Different controlled irrigation low limits were set to: 20 kPa (D20), 30 kPa (D30), 40 kPa (D40),respectively, and the irrigation allowable upper limit of them was set to 6 kPa. Soil water suctions detected by tensiometers were placed in 30 cm soil layer. The aggregates amount, macro-aggregate content (R0.25), geometric mean diameter (GMD), mean weight diameter (MWD), structure deterioration rate (RDS), unstable aggregates index (ElT)and fractal dimension (D) were examined by dry and wet sieving methods. 【Result】 In the 0-30 cm soil layer, the electrical conductivity (EC), cation exchange capacity (CEC) and soil bulk density in D40 treatment were significantly lower than those of D20 and D30 treatments (D40＜D30＜D20). The pH value of D20 treatment was significantly lower than that of D30 and D40 treatments (P＜0.05). In the 0-30 cm soil layer, the size class of dry-stable aggregate was mainly composed of ＞2 mm and 1-0.25 mm (23.01%-39.98%); the size class of water-stable aggregate was mainly composed of 1-0.25 and 0.25-0.053 mm (31.08%-47.27%). In the 0-20 cm soil layer, R0.25, GMD and MWD in D30 treatment were significantly higher than those of D20 and D30 treatments. While in the 20-30 cm soil layer, the wet stable aggregate content of D20 treatment was significantly higher than that of D30 and D40 treatments (P＜0.05). The soil structure deterioration rate (RDS) and unstable aggregate index (ElT) increased with soil depth under different irrigation control limits, and the variation of RDS and ElTwas similar. In the 0-20 cm soil layer, the RDS and ElTof D30 treatment were significantly lower than those of D20 and D30 treatments. But in the 20-30 cm soil layer, the RDS of D20 treatment was lower than those of D20 and D30 treatments by 12.2%and 16.8%, respectively. By dry sieving, the soil fractal dimension (D) of D20, D30 and D40 in the 20-30 cm soil layer was 2.13,2.08 and 2.19, respectively; by wet sieving, that of D20, D30 and D40 treatment in the 20-30 cm soil layer was 2.31, 1.99 and 2.12,respectively. Overall, compared with D20 and D40, D30 treatment significantly reduced the fractal dimension (D) in the aggregates.【Conclusion】 The result suggests that the 30 kPa drip irrigation treatment greatly enhanced the composition of macroaggregates and the stabilization of soil structure.

Key words:the greenhouse soil; plastic mulching and drip irrigation; lower limit of irrigation; soil aggregates

0 引言

【研究意義】近年來(lái)，膜下滴灌在設(shè)施蔬菜栽培中的應(yīng)用日益廣泛，但是由于灌水指標(biāo)不明確，在生產(chǎn)中主要憑借經(jīng)驗(yàn)，灌水次數(shù)和灌水定額存在一定的盲目性和隨意性，直接影響到了土壤質(zhì)量。團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的最小功能單元和物理基礎(chǔ)，是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要指標(biāo)，其動(dòng)態(tài)變化是對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與土壤物理、化學(xué)、生物特性及其生態(tài)功能的綜合反映[1-2]。而穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤的通氣性、肥力以及土壤的可持續(xù)利用都具有重要影響[3-4]。【前人研究進(jìn)展】設(shè)施土壤質(zhì)量退化的問題受到越來(lái)越多土壤學(xué)者的高度關(guān)注，其中最主要的原因之一是土壤結(jié)構(gòu)的破壞[5-6]。METZGER等[7]研究不同作物對(duì)設(shè)施土壤團(tuán)聚體的影響發(fā)現(xiàn)，豆科作物可以增加團(tuán)聚體的團(tuán)聚能力。孫艷等[8]通過對(duì)設(shè)施土壤和露地土壤團(tuán)聚體含量測(cè)定發(fā)現(xiàn)，設(shè)施土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體高于露地土壤，但設(shè)施地栽培年限長(zhǎng)于5年后，土壤中團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性顯著下降。在已有的報(bào)道中，袁德玲等[9]認(rèn)為與溝灌、滲灌相比，滴灌能提高0—15 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量和大小。此外，土壤的干濕交替次數(shù)在一定的條件下，會(huì)影響團(tuán)聚體的大小，改變土壤結(jié)構(gòu)[10-11]。有研究者認(rèn)為在非團(tuán)聚化土壤中，經(jīng)過一個(gè)干濕交替容易形成微團(tuán)聚體；在團(tuán)聚化土壤中，干濕循環(huán)能夠影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，也有研究者認(rèn)為干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體大小并沒有影響[12-13]。由此可見，關(guān)于干濕交替對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究影響規(guī)律也不盡相同。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，設(shè)施蔬菜栽培逐漸成為越來(lái)越普遍的蔬菜栽培方式。設(shè)施地作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立封閉的小環(huán)境，土壤水分狀況與露地差異明顯，這對(duì)水分調(diào)控管理提出了更高的要求。測(cè)墑補(bǔ)灌和灌水控制下限是指示適量灌水的重要指標(biāo)之一。楊文斌等[14]采用-15 kPa土水勢(shì)作為灌水控制下限，促進(jìn)了茼蒿的生長(zhǎng)，達(dá)到了節(jié)水、高產(chǎn)的目的；張玉龍等[15]認(rèn)為將灌水控制下限控制在16—25 kPa范圍內(nèi)，這樣既提高水分利用率，增加了作物產(chǎn)量，又抑制了鹽分積累，減輕土壤酸化。也有研究表明，在0—40 cm 土層測(cè)墑補(bǔ)灌具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)效益[16]。適宜的灌水量不僅高效節(jié)水節(jié)肥，還有效抑鹽、增產(chǎn)、減少病害[17-18]。【本研究切入點(diǎn)】目前對(duì)適量灌水的研究主要集中在水肥耦合效應(yīng)原理、作物水分生理、土壤理化性質(zhì)等方面，而關(guān)于適量灌水對(duì)團(tuán)聚體的影響報(bào)道甚少[19]。【擬解決的關(guān)鍵問題】為此，本研究以連續(xù)6年膜下滴灌設(shè)施土壤為研究對(duì)象，探討膜下滴灌不同灌水控制下限（D20、D30、D40），對(duì)土壤團(tuán)聚體的分布特征及穩(wěn)定性的影響，以期為設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉條件下的合理水分調(diào)控、促進(jìn)設(shè)施土壤地力保育和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于遼寧省沈陽(yáng)市沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室科研試驗(yàn)基地（41.82°N，123.56°E，海拔 43 m），屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，年平均氣溫 7.9℃，農(nóng)耕期≥7℃的平均積溫為3 281℃，日照時(shí)數(shù)平均為2 372.5 h，無(wú)霜期160 d左右，全年平均降水量714 mm。土壤類型為棕壤，0—15 cm土層土壤基本理化性質(zhì)如表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 General characteristics of soils used in this study

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)始于2011年，在長(zhǎng)期膜下滴灌定位設(shè)施蔬菜栽培試驗(yàn)地進(jìn)行。供試作物為喜水的番茄（Lycopersicon esculentum Mill.），品種為綠太郎。試驗(yàn)設(shè)置20、30、40 kPa 3個(gè)灌水控制下限，分別記為D20、D30、D40，灌水控制上限土壤水吸力均為6 kPa。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積24 m2。為防止試驗(yàn)過程中水分、養(yǎng)分的互滲或遷移，各小區(qū)之間以埋深60 cm塑料布作防滲透隔離層。試驗(yàn)采用溝壟覆膜種植模式，每壟種植24株，行距50 cm，株距30 cm。滴灌為市售普通的滴灌帶，直徑16 mm，壁厚0.4 mm，滴頭流量為2.5 L·h-1，孔間距為30 cm。番茄定植后于每個(gè)小區(qū)15、30、45 cm深處土層埋設(shè)張力計(jì)（澳大利亞ICF），各處理張力計(jì)埋設(shè)水平位置相同，與番茄植株水平距離為10 cm。

番茄于2016年5月4日定植，5月11日澆緩苗水后水分處理試驗(yàn)開始，8月4日田間試驗(yàn)結(jié)束。每天上午8：00以埋設(shè)深度30 cm的張力計(jì)讀數(shù)指示灌溉，當(dāng)土壤水吸力達(dá)到20、30、40 kPa時(shí)開始灌水，灌到土壤水吸力6 kPa時(shí)灌水完成。測(cè)得的計(jì)劃濕潤(rùn)層代表性土壤水分特征曲線[20]為：

計(jì)算出灌溉控制上限和下限土壤水吸力對(duì)應(yīng)的土壤含水量。式（1）中θ為土壤體積含水量（cm3·cm-3），h為土壤水吸力（kPa）。

再用（2）式計(jì)算小區(qū)單次灌水量。

式中，Q為小區(qū)單次灌水量（m3）；H為計(jì)劃濕潤(rùn)層厚度（cm），取值20；R計(jì)劃濕潤(rùn)比、即計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤中灌水后實(shí)際濕潤(rùn)體積占總體積的比例，為一無(wú)量綱的小數(shù)；θ2和θ1分別為灌水控制上限、灌水控制下限土壤水吸力值所對(duì)應(yīng)的土壤體積含水量（cm3·cm-3）。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表 2。

表2 不同灌水控制下限試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Text design of different controlled irrigation low limits

1.3 肥料施用

在整地時(shí)撒施膨化雞糞37.5 t·hm-2。定植前溝施磷酸二銨、硫酸鉀各 0.6 t·hm-2，尿素 0.15 t·hm-2。并于第一穗果膨大期（定植后47 d）和第二穗果膨大期（定植后72 d）追肥，每次追施尿素0.15 t·hm-2。田間管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理模式進(jìn)行。

1.4 研究方法

1.4.1 樣品采集 試驗(yàn)于2016年盛果期（第三穗果成熟期）采樣，分0—10、10—20和20—30 cm 3個(gè)土層，各土層分別采集100 cm3環(huán)刀、混合土樣和原狀土，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，在采集和運(yùn)輸過程中原狀土用取土盒帶回實(shí)驗(yàn)室。所取土樣，一部分自然條件下風(fēng)干制樣，用于土壤基本理化性質(zhì)的分析；原狀土用于團(tuán)聚體的篩分及其性質(zhì)的測(cè)定。

1.4.2 測(cè)定方法 番茄產(chǎn)量采用稱重法，土壤容重用環(huán)刀法，pH用pH計(jì)（水∶土=2.5∶1），EC用電導(dǎo)儀（水∶土=5∶1），CEC用乙酸銨交換法，干篩用震蕩篩分儀（Retsch AS200，德國(guó)），濕篩用團(tuán)聚體分析儀（DM200，上海）。

采用Yoder法（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所1978年）篩分土壤團(tuán)聚體。將風(fēng)干后的土樣混合均勻，利用四分法選取其中100 g風(fēng)干土分別依次通過孔徑為2、1、0.5、0.25、0.053 mm的土壤套篩（振幅 1.50 mm，時(shí)間 3 min），計(jì)算出各級(jí)干篩團(tuán)聚體占土樣總量的百分含量，并按干篩后所得到的比例配成50 g的風(fēng)干樣品，放入水桶中的套篩，以振幅38 mm，時(shí)間30 min在水中篩分。將收集到的團(tuán)聚體用蒸餾水洗入到鋁盒，澄清倒去上清液，鼓風(fēng)干燥箱65℃烘干并稱重，用于水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

不同粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，干篩和濕篩分別按（3）式和（4）式計(jì)算：

式中，wi為i粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分比（%）；wwi為 i粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量（g）。

大于 0.25 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量（macro-aggregate content, R0.25）按周虎等[21]提供公式計(jì)算；平均重量直徑（mean weight diameter, MWD）和幾何平均直徑（geometric mean diameter, GMD）分別按 VAN BAVEL[22]和GARDENER[23]推導(dǎo)公式計(jì)算；土壤結(jié)構(gòu)破碎率（structure deterioration rate, RDS）和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（unstable aggregates index, ElT）按范如芹等[24]推導(dǎo)公式計(jì)算；分形維數(shù)（fractal dimension value，D）的計(jì)算采用楊培嶺等[25]推導(dǎo)公式。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和均值、標(biāo)準(zhǔn)差、線性回歸分析；采用SPSS 19.0 （SPSS Inc.,Chicago, IL, USA）軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中方差分析為單因素方差（One Way-ANOVA），不同處理之間多重比較Duncan法，顯著水平均為0.05；采用 Origin 9.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果

2.1不同灌水控制下限對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

土壤電導(dǎo)率（EC）、pH和陽(yáng)離子交換量（CEC）等都是衡量土壤環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，它們的變化直接影響整個(gè)土壤環(huán)境。由表 3 可以看出，各處理中EC和CEC的變化范圍分別為0.31—0.82 mS·cm-1和11.10—24.31 cmol·kg-1，且從表層向下逐層降低。其中，在0—10 cm土層，D20處理的EC和CEC均高于D30和D40處理（P＜0.05）。pH在0—10 cm土層最低，且從表層向下逐層升高，D30處理的pH最高，為6.36。

土壤容重是衡量土壤緊實(shí)狀況的重要指標(biāo)。各處理中土壤容重在同層的差異不顯著（P＜0.05），且從表層向下逐層增加。其中，在0—10 cm 土層，D20處理的土壤容重比D30和D40處理分別提高了1.9%、2.5%。

2.2 不同灌水控制下限對(duì)土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒級(jí)分布的影響

通過干篩法可以獲得原狀土中各級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體百分含量分布。由表 4 可以看出，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體主要集中在＞2 mm和1—0.25 mm粒級(jí)，然而＜0.053 mm 粒級(jí)的含量最少。分析各土層可看出，＞2 mm團(tuán)聚體含量在 0—10 cm土層內(nèi)含量最少（25.21%—28.80%），在 20—30 cm 土層含量最高（33.86%—37.89%）；1—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體含量在0—10 cm土層內(nèi)最高，在20—30 cm土層含量最低。

各土層不同灌水下限下機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體各粒級(jí)均表現(xiàn)出不同的分布規(guī)律。在 0—10 cm土層，D30處理的＞2 mm、2—1 mm和＜0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量顯著高于D20和D40處理（P＜0.05）。在10—20 cm土層，與D30相比，D20 和D40顯著提高了1—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量（P＜0.05）。在20—30 cm土層，與D30相比，D20和D40處理顯著增加了2—1 mm、1—0.25 mm和＜0.053 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量（P＜0.05）。

表3 不同灌水下限下土壤的基本性質(zhì)Table 3 Basic properties of soil under different controlled irrigation low limits

D20、D30和D40分別代表灌水下限土壤水吸力值分別為20、30和40 kPa；平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（n=3），不同小寫字母表示同一土層不同處理間存在著顯著差異（P＜0.05）。下同

D20、D30 and D40 stands for soil from three different treatments of controlled irrigation low limits 20,30 and 40 kPa; Means±SM（n=3）. Different lowercase letters in the same column mean significant difference at 5% level. The same as blew

表4 不同灌水下限下土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的組成Table 4 Composition of mechanical-stable aggregates in the soil under different controlled irrigation low limits experiment (%)

在0—20 cm 土層內(nèi)3種處理的R0.25含量大小順序均為：D30＞D20＞D40，分別較D30低3.7%和8.9%，而在20—30 cm土層三者差異不顯著（P＜0.05）。

2.3 不同灌水控制下限對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)分布的影響

通過濕篩法可以獲得土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量分布。由表 5 可以看出，水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在1—0.25 mm和0.25—0.053 mm粒級(jí)，然而在＞2 mm和＜0.053 mm 粒級(jí)含量最少。分析各土層可看出，＞2 mm、2—1 mm和1—0.25 mm 團(tuán)聚體含量在0—10 cm土層最高，且從表層向下逐層減少；0.25—0.053 mm和＜0.053 mm 團(tuán)聚體含量在0—10 cm土層最少，且從表層向下逐層增加。

不同土層深度不同灌水下限下水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)均表現(xiàn)出不同的分布規(guī)律。在0—10 cm土層，D30處理的＞2 mm、1—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量顯著高于D20和D40處理（P＜0.05）；在10—20 cm土層，與D30相比，D20和D40處理顯著提高了0.25—0.053 mm 和＜0.053 mm 粒級(jí)的團(tuán)聚體含量（P＜0.05）；在20—30 cm土層，與D20和D30處理相比，D40顯著提高了0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量（P＜0.05）。

在0—30 cm 土層內(nèi)3種處理的R0.25含量大小順序均為：D30＞D20＞D40，分別較D30低4.7%和11.1%，且各處理R0.25含量隨土層加深呈遞減趨勢(shì)。

表5 不同灌水下限下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的組成Table 5 Composition of water-stable aggregates in the soil under different controlled irrigation low limits experiment (%)

圖1 不同灌水下限下土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和平均幾何直徑Fig. 1 MWD and GMD of dry and wet sieving under different controlled irrigation low limits experiment

2.4 不同灌水控制下限對(duì)團(tuán)聚體大小分布狀況的影響

MWD和GMD可以定量反映團(tuán)聚體的變化情況，因此可以較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)團(tuán)聚體的質(zhì)量指標(biāo)，其值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越好。由圖1可以看出，不同灌水控制下限對(duì)土壤團(tuán)聚體 MWD和GMD的影響均表現(xiàn)出差異顯著 （P＜0.05）。干篩處理下，在0—30 cm土層中土壤團(tuán)聚體MWD和 GMD均是 D30處理的最高，最高值均出現(xiàn)在10—20 cm土層分別是2.73和1.92 mm，說(shuō)明D30處理的團(tuán)聚體狀況好于D20和D40處理（圖1-A、圖1-B）。

圖2 不同灌水下限下土壤團(tuán)聚體不穩(wěn)定指數(shù)、破壞率、干篩和濕篩分形維數(shù)Fig. 2 Structure deterioration rate and unstable aggregates index and fractal dimension of dry and wet sieving under different controlled irrigation low limits experiment

濕篩處理下水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD均表現(xiàn)出差異顯著（P＜0.05）。在0—20 cm土層中團(tuán)聚體MWD和GMD均是D30處理的最高，最高值均出現(xiàn)在10—20 cm土層分別是0.72和0.58 mm，說(shuō)明D30處理在0—20 cm土層促進(jìn)團(tuán)聚體的凝聚；然而在20—30 cm土層團(tuán)聚體MWD和GMD均是D20處理的最高（分別為0.72、0.51）。（圖1-C、圖1-D）。

2.5 不同灌水控制下限對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ElT）和結(jié)構(gòu)破壞率（RDS）可以用來(lái)評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在各處理中 D40處理下的 ElT最高（54.73），總體有 D40＞D20＞D30的趨勢(shì)，且 ElT隨土層的加深呈遞增趨勢(shì)（圖2-A）。土壤RDS的變化規(guī)律與ElT相似，D30、D40處理的RDS隨土壤深度增加而增加。在0—20 cm土層，D30比D40處理的RDS低了24.6%。但在20—30 cm土層，D20比D40處理的RDS低了16.8%（圖2-B）。

分形維數(shù)可以定量的描述不同粒徑團(tuán)聚體的穩(wěn)定性特征，其值越小代表團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越好、結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由圖2-C可以看出，在干篩處理下D20、D30、D40處理的分形維數(shù)都隨土層深度增加而增加，有D30＜D20＜D40的趨勢(shì)。由圖2-D可以看出，在濕篩條件下各處理的分形維數(shù)最小值均出現(xiàn)在 10—20 cm 土層，分別為2.31（D20）、1.99（D30）、2.12（D40）。D30處理下的分形維數(shù)在各土層均低于D20和D40處理。

2.6 不同灌水控制下限對(duì)番茄產(chǎn)量和灌水量的影響

從表5可以看出，灌水控制下限影響著番茄的產(chǎn)量。D30比D20處理產(chǎn)量低了4.8%，比D40處理產(chǎn)量高了 15.7%。從灌水總量上可以看出，隨著土壤水吸力值的增加，灌水總量逐漸降低，平均單次灌水量逐漸升高。D30比D20處理灌水總量低了15.1%，比D40處理灌水總量高了29.5%。

表5 不同灌水控制下限對(duì)番茄產(chǎn)量和灌水量的影響Table 5 Comparison of tomato yield and total irrigation quantity of different controlled irrigation low limits treatments

3 討論

土壤水分管理是土壤結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，灌水量和灌水頻率直接影響土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量和品質(zhì)。灌水控制下限（灌水始點(diǎn)）是指示灌水的重要指標(biāo)之一，通過埋設(shè)張力計(jì)監(jiān)測(cè)水分變化確定灌水時(shí)間和灌水次數(shù)，在補(bǔ)充灌水時(shí)，下限值越大，達(dá)到灌溉始點(diǎn)的時(shí)間越長(zhǎng)，灌水頻率也越?。环粗?，下限值越小，達(dá)到灌水時(shí)間點(diǎn)越短，灌水頻率越頻繁[26]。灌水時(shí)間和灌水次數(shù)的不同，最終導(dǎo)致灌水量也不同。土壤水分可以直接促進(jìn)土壤生物化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度，也可以間接改變土壤結(jié)構(gòu)[27]。不同灌水控制下限均不同程度地改變土壤的基本性質(zhì)，而且隨著土壤水吸力值的減小，這種效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。對(duì)于土壤水吸力20 kPa 處理，各土層土壤的EC、CEC和容重值都有顯著的提高（D20＞D30＞D40）。這與張玉龍等[15]研究結(jié)果相一致。在日光溫室的小環(huán)境下，土壤缺少降雨的淋溶作用。高溫高濕的環(huán)境促進(jìn)了土壤固相物質(zhì)的快速分解與鹽基離子的釋放，土壤水分在垂直方向上不斷向地表運(yùn)動(dòng)，越接近地面，土壤的含水量越高、蒸發(fā)的水分越多，鹽分在地表的堆積也就越多，從而使EC和CEC的能力增強(qiáng)，鹽害加重；同時(shí)，鹽分含量的高低又直接影響到到了土壤的pH[28-29]。

本文的研究結(jié)果表明了不同灌水控制下限在6年的時(shí)間內(nèi)對(duì)土壤團(tuán)聚體特征發(fā)生了明顯的變化。通過干篩和濕篩法對(duì)團(tuán)聚體數(shù)量和大小的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在0—20 cm土層內(nèi)，D30處理R0.25、MWD和GMD的量高于 D20和 D40處理（表 2、表 3、圖 1）。MA等[30]研究發(fā)現(xiàn)就5個(gè)含水率的泥質(zhì)頁(yè)巖中，隨著含水量的升高，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑顯著增大。不同土壤含水量會(huì)影響團(tuán)聚體的水分入滲率、遇水崩解的強(qiáng)度、土壤顆粒間的黏聚力、土壤孔隙結(jié)構(gòu)等[31-32]。在本試驗(yàn)中，高水吸力下的土壤（D40），灌溉次數(shù)少，灌溉量低，團(tuán)聚體遇水后崩解劇烈，顆粒間的擠壓作用增強(qiáng)，團(tuán)聚體所承受的作用力大，因而破壞程度也大。此外，土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定還依賴于交換性鈉、電解質(zhì)濃度、pH、鈉吸附比和CEC等多種因素的共同作用[33-34]。GOFDBERS等[35]通過對(duì)氧化鋁、氧化鐵、蒙脫石以及它們的混合物的凝聚和分散研究發(fā)現(xiàn)，高 pH條件增大凝聚體的分形維數(shù)，低pH條件，分形維數(shù)不顯著；LOPEZ等[36]發(fā)現(xiàn)蒙脫石含有高量的粘粒而具有較大表面積、較高CEC，所以具有較強(qiáng)的團(tuán)聚作用。D40處理，R0.25、MWD和GMD的量相比D20和D30處理有所降低。從表3可知，D40處理有較低的pH和CEC，不利于團(tuán)聚體的凝聚。同時(shí)，高水吸力下的土壤含水量低，土壤中的大孔隙與小孔隙相比，大孔隙含有較低的結(jié)合力，因此大團(tuán)聚體優(yōu)先動(dòng)搖。說(shuō)明土壤水吸力40 kPa處理不利于土壤團(tuán)聚體的形成，加劇了土壤結(jié)構(gòu)的破壞，從而導(dǎo)致保護(hù)地土壤的退化。

在番茄生長(zhǎng)條件相同的情況下，由于灌水總量和灌水次數(shù)的不同，使得團(tuán)聚體的起始含水量會(huì)有明顯的變化。TRUMAN等[37]將土壤含水量增加至飽和狀態(tài)時(shí)，土體膨脹，容積變大，土壤孔隙中的空氣減少，基質(zhì)勢(shì)梯度也在降低，增加了土壤的微團(tuán)聚體含量。干燥的土壤在快速濕潤(rùn)過程中，土體發(fā)生收縮，容積變小，土壤孔隙中的空氣不斷被壓縮產(chǎn)生了巨大壓力，迫使土體裂解，尤其是比較疏松的地方。土壤水吸力40 kPa處理，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)擾動(dòng)程度大，土壤的分形維數(shù)和不穩(wěn)定系數(shù)也越大；而30 kPa處理，土壤含水量增加，有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的吸附能力增強(qiáng)，改變了土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和土壤黏聚力，增加了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，分形維數(shù)和土壤結(jié)構(gòu)破壞系數(shù)相對(duì)較小[38]。盡管土壤水吸力 20 kPa處理的含水量和干濕循環(huán)數(shù)最大，但土壤結(jié)構(gòu)并沒有表現(xiàn)出最穩(wěn)定，這與TRUMAN研究結(jié)果相一致[37]，3個(gè)梯度的含水量在預(yù)濕潤(rùn)狀態(tài)下的水穩(wěn)性團(tuán)聚體高于風(fēng)干狀態(tài)下的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，但預(yù)濕潤(rùn)狀態(tài)下的水穩(wěn)性團(tuán)聚體并未表現(xiàn)出含水量越大其穩(wěn)定性越大；DENEF也研究發(fā)現(xiàn)干濕培養(yǎng)土壤44 d后，大團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降；干濕培養(yǎng)44—74 d后大團(tuán)聚體不再被破壞。不同灌水控制下限土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性由大到小的趨勢(shì)是：D30＞D20＞D40。

設(shè)施地由灌溉引起的土壤含水量對(duì)土壤團(tuán)聚體的劣化作用是一種不斷累積發(fā)展的過程，即每一次的效應(yīng)并不一定明顯，但多次重復(fù)發(fā)生，這種效應(yīng)會(huì)不斷增大，會(huì)使得團(tuán)聚體內(nèi)部發(fā)生一系列的生物化學(xué)作用。因此研究設(shè)施地水分對(duì)團(tuán)聚體的作用，不僅單從穩(wěn)定性方面評(píng)價(jià)，還需要從化學(xué)和微生物機(jī)制方面綜合評(píng)價(jià)，以期為團(tuán)聚體的穩(wěn)定性提供更加科學(xué)的評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

在不同的灌水控制下限條件下，D30處理顯著提高了R0.25、MWD和GMD，降低了大團(tuán)聚體中的分形維數(shù)（D）、土壤結(jié)構(gòu)破壞率（RDS）和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ElT）?？梢?，從防止設(shè)施土壤退化出發(fā)，使用膜下滴灌進(jìn)行設(shè)施地灌溉時(shí)，應(yīng)將灌水控制下限控制在30 kPa，這樣既能夠保證番茄產(chǎn)量，節(jié)約用水，又不至于灌水次數(shù)過于頻繁，且能夠有效的抑制土壤結(jié)構(gòu)退化，從而達(dá)到設(shè)施土壤資源可持續(xù)發(fā)展的目的。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

Effects of Different Controlled Irrigation Low Limits on the Size Distribution of Soil Aggregates with Drip Irrigation Under Film Mulching in a Greenhouse Soil

MA JianHui, YE XuHong, HAN Bing, LI Wen, YU Na, FAN QingFeng, ZHANG YuLing，ZOU HongTao, ZHANG YuLong
(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/ Northeast Key Laboratory of Conservation and Improvement of Cultivated (Shenyang), Ministry of Agricultural/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil Fertilizer Resources, Shenyang 110866)

2017-02-21；接受日期：2017-04-26

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAD23B0203）、遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才計(jì)劃、遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃（2015051）

聯(lián)系方式：馬建輝，E-mail：JianhMa@126.com。通信作者鄒洪濤，E-mail：zouhongtao2001@163.com