寧夏引黃灌區(qū)水肥耦合對(duì)苜蓿地土壤分形特征和養(yǎng)分的影響

劉 麟， 沙栢平， 高雪芹,2， 伏兵哲,2*

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏回族自治區(qū)草牧業(yè)工程技術(shù)研究中心， 寧夏 銀川 750021)

寧夏引黃灌區(qū)地處我國西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，隨著黃河流域經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，干旱缺水問題嚴(yán)重制約了引黃灌區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。近年，大量研究表明該區(qū)域由于長期大水漫灌和肥料撒施的粗放管理措施，導(dǎo)致水肥資源浪費(fèi)和土壤環(huán)境污染，嚴(yán)重影響了作物生產(chǎn)[2-4]。因此，合理的灌水和施肥作為一種節(jié)約水肥資源、提高土壤肥力和促進(jìn)作物生長的有效措施，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤是一種由不同粒徑顆粒組成的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征[5]。土壤顆粒組成不僅可以反映土壤質(zhì)地，而且還與土壤水分、養(yǎng)分和土地侵蝕等有著密切聯(lián)系[6-9]。隨著分形理論在土壤學(xué)中的廣泛應(yīng)用，土壤分形維數(shù)作為表征土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力的綜合指標(biāo)，已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)[10-12]。紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是優(yōu)質(zhì)的高蛋白飼草，其根系發(fā)達(dá)，即可固氮培肥，又可改良土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，對(duì)恢復(fù)生態(tài)環(huán)境、改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤肥力起著重要作用[13]。目前，關(guān)于寧夏引黃灌區(qū)水肥耦合條件下土壤分形特征與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)研究很少。本文通過引入地下滴灌節(jié)水技術(shù)，實(shí)施精量化的灌溉管理制度[14]，分析寧夏引黃灌區(qū)不同水肥處理下苜蓿地土壤顆粒組成、分形維數(shù)和土壤養(yǎng)分特征以及三者之間的關(guān)系，探討水肥耦合對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力的影響，以期為引黃灌區(qū)苜蓿地水肥科學(xué)管理及土壤可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于寧夏自治區(qū)銀川市賀蘭山農(nóng)牧場農(nóng)墾九隊(duì)，屬賀蘭山?jīng)_積扇平原，地處北緯38°30′～38°39′，東經(jīng)106°1′～106°9′，海拔為1 111 m。該區(qū)域?qū)俚湫蜏貛Т箨懶詺夂?，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣?.5℃左右，年降水量為185 mm左右，主要集中在7—8月，年日照時(shí)數(shù)2 800～3 100 h，無霜期185 d左右。試驗(yàn)地土壤為淡灰鈣土，田間持水量19.17%，容重1.52 g·cm-3，土壤總孔隙度38.25%，播種前檢測土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為“巨能7”紫花苜蓿，試驗(yàn)采用水、肥二因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)于2016年5月條播，播量18 kg·hm-2，2017年開始試驗(yàn)處理，根據(jù)寧夏引黃灌區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)灌水量(W3)和施肥量(F3)[15-16]，以此設(shè)置灌水梯度(W1，W2，W3，W4)和施肥梯度(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5)，共設(shè)20個(gè)水肥處理，方案詳見表2。每個(gè)處理3次重復(fù)，共60 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為4 m×6 m=24 m2。灌溉采用地下滴灌方式，滴灌帶深埋20 cm，間距60 cm，滴頭間距30 cm，滴頭每小時(shí)滴水3 L(圖1)。施肥所用肥料為尿素(N≥46%)，水溶性磷酸一氫氨(P2O5≥61%)和硫酸鉀(K2O≥52%)，肥料隨灌水施入。

圖1 地下滴灌設(shè)計(jì)圖Fig.1 Underground drip irrigation design drawing

1.3 樣品采集與測定

于2020年10月初，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)采集土樣。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn)，取0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm的土樣，將同一層土壤樣品進(jìn)行混合，保存在無菌袋中，編號(hào)后帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，過2.0 mm篩，采用四分法，將土樣分成2部分。一部分土樣用美國麥奇克公司Mierotrac S3500激光粒度分析儀測定土壤粒徑組成，每份土樣測定3次。另一部分土樣再過0.25 mm篩，用來測定土壤養(yǎng)分。土壤全氮采用重鉻酸鉀—硫酸消化法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；全磷采用硫酸—高氯酸消煮法；速效磷采用碳酸氫鈉法；全鉀采用氫氧化鈉堿熔—火焰光度法；速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定。

表2 研究區(qū)水肥處理方案Table 2 Water and fertilizer treatment plan in the study area

1.4 土壤分形維數(shù)計(jì)算

根據(jù)王國梁等[17]提出的土壤顆粒體積分形維數(shù)公式進(jìn)行不同水肥處理的土壤體積分形維數(shù)計(jì)算。

體積分形維數(shù)D值公式為：

(1)

對(duì)上式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到公式為：

(2)

式中，D為土壤顆粒分形維數(shù)；V(r

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并作圖，采用SPSS 13.0和DPS 7.05軟件進(jìn)行分形維數(shù)、方差分析和相關(guān)關(guān)系分析，用LSD法進(jìn)行多重比較顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對(duì)土壤顆粒分形特征的影響

2.1.1不同灌水和施肥量對(duì)土壤顆粒組成和分形維數(shù)的影響 由表3可知，土壤顆粒組成和分形維數(shù)受灌水和施肥量的影響顯著(P<0.05)，且灌水和施肥量之間有極顯著的交互作用(P<0.01)。不同灌水和施肥量對(duì)土壤顆粒組成和分形維數(shù)的影響不同，在0～60 cm土層，土壤黏粒、粉粒含量和分形維數(shù)隨灌水量的增加呈先增后減的趨勢，砂粒含量隨灌水量的增加呈先減后增的變化趨勢。隨施肥量的增加，0～60 cm土層黏粒、粉粒含量和分形維數(shù)呈遞增的趨勢，砂粒含量呈遞減的趨勢。

表3 不同灌水和施肥量對(duì)土壤顆粒組成和分形維數(shù)的影響Table 3 Effect of different irrigation and fertilization amount on soil particle composition

2.1.2不同水肥處理對(duì)土壤顆粒組成的影響 由圖2所示，研究區(qū)土壤顆粒組成主要以粉粒為主，砂粒次之，黏粒最少。不同水肥處理對(duì)土壤顆粒含量影響不同，W3F5處理的黏粒含量最多，W4F3處理的黏粒含量最少。粉粒含量和砂粒含量隨水肥處理的變化幅度不大，W4F3處理的粉粒含量最少，砂粒含量最多。

圖2 不同水肥處理下土壤顆粒體積含量的分布變化Fig.2 Distribution changes of soil particle volume content under different water and fertilizer treatments注：不同小寫字母表示不同水肥處理間差異顯著(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不同水肥處理對(duì)土壤顆粒分形維數(shù)的影響 用最小二乘法對(duì)不同水肥處理下土壤粒徑分布的對(duì)數(shù)進(jìn)行回歸曲線擬合。由表4可知，不同水肥處理的擬合方程決定系數(shù)全部大于0.73，擬合效果較好[17]。土壤顆粒分形維數(shù)受不同水肥處理的影響較大，各水肥處理的土壤分形維數(shù)(D)介于2.46～2.72之間，W3F5處理的分形維數(shù)最大，平均值達(dá)到2.63，土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。同一水肥處理的土壤顆粒分形維數(shù)(D)標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.07，且變異系數(shù)均小于0.03，土壤的顆粒組差異不大。

表4 不同水肥處理下土壤分形維數(shù)Table 4 Soil fractal dimension under different water and fertilizer treatments

2.2 水肥耦合對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1不同灌水和施肥量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響 由表5、表6可知，土壤養(yǎng)分含量隨灌水和施肥量的變化存在極顯著差異(P<0.01)，且水肥交互作用極顯著(P<0.01)。不同灌水和施肥量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響不同，隨灌水量的增加，在0～60 cm土層全氮含量呈遞減趨勢，全磷和全鉀含量呈先減后增的變化趨勢，堿解氮和速效鉀含量呈先增后減的趨勢，速效磷含量無明顯的變化趨勢。隨著施肥量的增加，0～60 cm土層全氮、堿解氮和速效鉀含量呈先增后減的趨勢，全磷和速效磷含量呈先減后增的趨勢，全鉀含量表現(xiàn)為遞增趨勢。

表5 不同灌水和施肥量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Table 5 Effects of different irrigation and fertilization amounts on soil nutrients

2.2.2不同水肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響 由圖3所示，不同水肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響不同。W2F4處理的土壤全氮、堿解氮和速效鉀含量最高，W4F5處理的全氮和堿解氮含量最低，W4F1處理的速效鉀含量最低。W3F5處理的全磷和全鉀含量最高。W3F3處理的速效磷含量最高，W1F2處理的速效磷含量最低。

圖3 不同水肥處理下土壤養(yǎng)分含量的分布變化Fig.3 Distribution changes of soil nutrient content under different water and fertilizer treatments

2.3 土壤體積分形維數(shù)與顆粒組成和土壤養(yǎng)分的關(guān)系

由表7可知，土壤體積分形維數(shù)與黏粒和粉粒體積百分含量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與砂粒體積百分含量的呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與堿解氮含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤粉粒體積百分含量與全氮和速效鉀含量存在顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤砂粒體積百分含量與全氮和速效鉀含量呈顯著性負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表7 土壤體積分形維數(shù)與顆粒組成和土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系Table 7 Correlation between soil volume fractal dimension and particle composition and soil nutrients

3 討論

3.1 水肥耦合對(duì)土壤顆粒分形特征和土壤養(yǎng)分的影響

土壤顆粒組成和土壤養(yǎng)分是土壤理化性質(zhì)的重要表征，并協(xié)調(diào)著植物生長發(fā)育的環(huán)境條件和營養(yǎng)物質(zhì)的供給[18]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤顆粒分形特征、養(yǎng)分均與灌水和施肥密切相關(guān)，土壤黏、粉粒含量和分形維數(shù)隨灌水量的增加均呈先增后減的趨勢，可能是隨著的灌水量的增加以及苜蓿根系的穿插作用改善了土壤結(jié)構(gòu)孔隙狀況，提高了土壤微生物和酶的活性，使土壤中細(xì)粒物質(zhì)含量升高，分形維數(shù)增大，同時(shí)土壤膠體越豐富，粘著能力越強(qiáng)，養(yǎng)分更容易被吸收[19]；而過量的灌水使土壤中細(xì)顆粒物質(zhì)易伴隨養(yǎng)分受水蝕而發(fā)生流失，砂粒含量隨之增加。土壤顆粒分形特征受施肥量影響顯著(P<0.05)，隨施肥量增加表現(xiàn)為遞增趨勢，這與劉曉舟等[20]在秸稈還田的模式下得出土壤分形維數(shù)不受施肥影響研究結(jié)果有所不同，一方面可能是受土壤質(zhì)地的影響，劉曉舟等[20]研究區(qū)土壤為砂姜黑土，與本研究區(qū)淡灰鈣土差距較大；另一方面可能是受作物類型的影響，劉曉舟等[20]的研究區(qū)作物為小麥(TriticumaestivumL.)和玉米(ZeamaysL.)，本研究區(qū)作物為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過高，微生物活性受阻，土壤腐殖質(zhì)不能充分分解，影響了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致土壤分形特征和理化性質(zhì)發(fā)生了變化[21]。同時(shí)，本研究表明土壤養(yǎng)分受水肥耦合影響顯著(P<0.05)，不同水肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量影響不盡相同，與楊玥[22]研究結(jié)果一致。

3.2 分形維數(shù)與土壤顆粒組成、土壤養(yǎng)分的關(guān)系

土壤分形維數(shù)可以定量表征土壤顆粒組成對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與土壤中細(xì)粒物質(zhì)有關(guān)[23]。本研究表明，分形維數(shù)與土壤顆粒組成有極顯著相關(guān)性(P<0.01)，與土壤黏粒、粉粒含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，這與馬生花等[24]、馬文芳等[25]研究土壤粒徑分布特征的結(jié)論相似，說明分形維數(shù)越大，土壤黏、粉粒含量越高，土壤中的細(xì)顆粒(黏粒、粉粒)之間膠結(jié)力越強(qiáng)，從而增強(qiáng)維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。但與黨亞愛等[26]研究認(rèn)為土壤顆粒分形維數(shù)與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與粉粒和砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)的研究結(jié)果有所不同(P<0.01)，可能因?yàn)槌赏聊纲|(zhì)不同所致。本研究結(jié)果表明，該研究區(qū)當(dāng)灌水量為6 000 m3·hm-2，施肥量為585 kg·hm-2時(shí)，土壤分形維數(shù)最大，土壤中的細(xì)顆粒(黏粒、粉粒)含量較高，土壤顆粒之間充滿微小孔隙，土壤的抗侵蝕能力較強(qiáng)[27]，土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

土壤分形維數(shù)也可以定量化分析土壤肥力的狀況[28-30]。伏耀龍等[31]對(duì)岷江上游干旱河谷進(jìn)行土壤分形維數(shù)特征研究，發(fā)現(xiàn)土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤全鉀含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而何建龍等[32]研究發(fā)現(xiàn)不同固沙林地土壤分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈極顯著正相關(guān)系(P<0.01)。本研究結(jié)果表明，土壤分形維數(shù)與土壤堿解氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，即分形維數(shù)越大，土壤堿解氮含量越高，這與王東麗等[33]在研究苜蓿恢復(fù)過程中土壤顆粒分形特征部分結(jié)果一致，說明分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系受地理環(huán)境、植被類型和土地利用方式等因素的影響而有所差異[34]。

4 結(jié)論

灌水和施肥量對(duì)苜蓿地土壤顆粒分形特征和養(yǎng)分有顯著影響(P<0.05)，且水肥交互作用顯著(P<0.05)。在0～60 cm土層，黏、粉粒含量和分形維數(shù)隨灌水量的增加呈先增后減的趨勢，砂粒含量呈先減后增的變化趨勢；黏、粉粒含量和分形維數(shù)隨施肥量的增加呈先減后增的趨勢，砂粒含量呈先增后減的趨勢；全氮、全磷、全鉀、堿解氮和速效鉀含量受不同灌水和施肥量的影響不同。土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成、土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量密切相關(guān)，且當(dāng)灌水量為6 000 m3·hm-2，施肥量為585 kg·hm-2時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。