，，,

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站，黑龍江 哈爾濱 150081; 2.山東省高密市國(guó)土資源局，山東省 高密市 261500)

東北三省黑土區(qū)土地總面積為7 684萬(wàn)hm2，其中平原區(qū)約占全國(guó)平原面積的1/3，有耕地2 204萬(wàn)hm2。區(qū)內(nèi)寬闊平坦，黑土帶分布面積大，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，作物生長(zhǎng)季內(nèi)雨熱同期，是玉米、大豆和水稻等糧食作物的主要產(chǎn)區(qū)，每年糧產(chǎn)量位于全國(guó)前列，是重要的商品糧生產(chǎn)基地，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全方面具有極其重要的作用[1]。東北黑土地區(qū)是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤水分的主要來(lái)源是大氣降水，降水的多少能夠直接影響土壤內(nèi)的水分含量和運(yùn)移[2]，因此水分是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要限制因子[3]。

土壤中25%～30%的持水孔隙和其較好的入滲能力，使大部分降水原地入滲，進(jìn)入土壤，并蓄存于土壤中，形成土壤水。由于土壤儲(chǔ)水能夠調(diào)節(jié)豐枯和持續(xù)供給作物，所以在農(nóng)業(yè)上將土壤看作無(wú)形的水庫(kù)[4]。農(nóng)田黑土土質(zhì)肥沃，有機(jī)質(zhì)含量較高，0～100 cm土層的田間持水量為387.3 mm，相當(dāng)于多年平均年降水量的73%；最大土壤蓄水量為575.9 mm，相當(dāng)于多年平均年降水量的108%；土壤的有效蓄水量為242.7 mm，相當(dāng)于多年平均年降水量的46%[2]。因此，農(nóng)田黑土的持水能力較強(qiáng)，蓄水庫(kù)容較大，其決定了農(nóng)田黑土水庫(kù)作用較強(qiáng)，尤其是上層疏松、下層緊實(shí)的土體構(gòu)型，形成了有利于土壤水分貯存的環(huán)境條件以及作物需水和土壤供水的內(nèi)在條件。據(jù)韓曉增等關(guān)于東北黑土區(qū)大氣降水特點(diǎn)的分析得到該地區(qū)存在明顯的年際間大氣降水不均，及在過去的50 a里干旱年份、正常年份和豐水年份各占1/3[3]，同時(shí)該地區(qū)年內(nèi)各月大氣降水變異較大特別是作物生長(zhǎng)季節(jié)[5-6]，導(dǎo)致了土壤季節(jié)性土壤水分缺乏的出現(xiàn)。肥料的施用能夠影響土壤的水分-物理性質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)[7]，影響土壤對(duì)大氣降水的蓄積和土壤對(duì)作物的供水能力[8]，進(jìn)而影響土壤含水量。但是在東北黑土區(qū)不同施肥管理方式對(duì)土壤水分缺乏的影響還鮮見報(bào)道。因此，研究基于中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站內(nèi)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探尋土壤水分缺乏的時(shí)期，明確不同施肥管理方式對(duì)土壤水分缺乏的影響，旨在為調(diào)控該區(qū)內(nèi)的土壤水分缺乏提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站內(nèi)進(jìn)行，海倫站地處黑土區(qū)中部，地勢(shì)平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同期，年平均氣溫1.5℃，極端最高溫度為37℃，極端最低溫度為-39.5℃，年降水量為550 mm左右，主要集中在7月份、8月份、9月份，年均>10℃有效積溫2 450℃，年均日照時(shí)數(shù)約為2 700 h，無(wú)霜期為125 d。土壤類型屬于中厚層黑土，來(lái)源于第四紀(jì)形成的黃土狀母質(zhì)上發(fā)育起來(lái)的地帶性土壤，質(zhì)地以粘性土為主，土壤物理性粘粒含量大于60%，土壤固相比大于50%，土壤膨脹性大于25%，土壤持水能力和保水能力較強(qiáng)，儲(chǔ)水庫(kù)容較大。地下水埋深20 m～30 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

試驗(yàn)研究始于1993年，研究選取1999年-2008年的數(shù)據(jù)對(duì)土壤水分進(jìn)行分析，3個(gè)處理分別為：無(wú)肥(CK)，化肥(NP)(N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2)，有機(jī)肥+化肥(NPM)(腐熟豬糞30 000 kg·hm-2，N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2)，4次重復(fù)，隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)的面積為60 m2(6 m×10 m)。各處理土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)小區(qū)基本的0～20 cm土層土壤的物理化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Soil properties of experimented plots in 0～20 cm layer

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于參考文獻(xiàn)[7,9,10]

1999年-2004年作物種植制度為小麥-玉米-大豆輪作，2005-2008年作物種植制度為大豆-玉米輪作，有機(jī)肥在前一年秋季整地時(shí)施入。試驗(yàn)期間利用CNC503DR型中子儀測(cè)定土壤含水量，在作物生長(zhǎng)季5月-9月每隔5 d測(cè)定一次，測(cè)量深度依次為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、170 cm，其中0～10 cm和10 cm～20 cm土層的土壤含水量采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定。同時(shí)在氣象站進(jìn)行降雨和溫度等各項(xiàng)指標(biāo)的觀測(cè)。

潛在蒸散量和作物需水量的計(jì)算：基于海倫站長(zhǎng)期積累的氣象數(shù)據(jù)，利用聯(lián)國(guó)際糧農(nóng)組織(FAO-56)提供的Penman-Monteith公式計(jì)算潛在蒸散量[11]，公式如下：

(1)

式中：計(jì)算時(shí)統(tǒng)一采用日步長(zhǎng)，ET0—潛在蒸散量(mm·d-1)；Rn—凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G—土壤的熱通量(MJ·m-2·d-1)，通常被忽略；r—干濕球濕度常數(shù)(kPa·℃-1)；T—日平均溫度(℃)；u2—2 m處的風(fēng)速(m·s-1)；es—飽和水氣壓(kPa)；ea—實(shí)際水汽壓(kPa)；△—飽和水汽壓和溫度間曲線的斜率(kPa·℃-1)。

(2)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0進(jìn)行單因素方差分析，采用Sigmaplot 10.0和Excel 2007畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 1999年-2008年降水特征分析

1999年-2008年大氣降水的情況見表2。大氣降水的年平均值為489 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為127.2 mm，變異系數(shù)為26.0%，與近57 a大氣降水平均值相比減少了49.0 mm，雖然1999年-2008年間大氣降水與57 a平均值相比減少，但是這并不能說(shuō)目前東北黑土區(qū)大氣降水呈減少的趨勢(shì)，因?yàn)槲覀儾⒉恢牢磥?lái)10 a大氣降水的情況。作物生長(zhǎng)季內(nèi)(5月-9月)大氣降水的平均值為404.0 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為117.4 mm，變異系數(shù)為29.1%。降水在各月分布特征與1952年-2008年相似，但是這兩個(gè)時(shí)間段的月降水在量上具有一定的差別，表現(xiàn)為1999年-2008年月平均降水量與1952-2008年相比，呈減少的趨勢(shì)，尤其在作物生長(zhǎng)季表現(xiàn)的明顯。1999-2008年作物生長(zhǎng)季內(nèi)降水量比1952-2008年減少了60 mm。根據(jù)降水年型的劃分標(biāo)準(zhǔn)，豐水年共有2年，分別是2003年和2006年；平水年共有4年，分別是2000年、2002年、2005年和2008年；枯水年共有4年，分別是1999年、2001年、2004年和2007年。

2.2 東北黑土區(qū)作物根系活動(dòng)層

為了分析根系活動(dòng)對(duì)土壤水分的影響，我們選擇2004年8月25日和2003年8月15日土壤含水量，結(jié)合10 a土壤含水量的平均值，來(lái)定義黑土區(qū)作物根系活動(dòng)層，見圖1。2004年8月25日前由于有11 d沒有降水，之前的降水又很少，導(dǎo)致8月25日土壤含水量處于最低水平，表層0～10 cm已經(jīng)低于萎蔫點(diǎn)。而2003年8月15日之前累計(jì)的降水量到達(dá)了187 mm，此時(shí)土壤含水量處于較高的水平，0～50 cm土層土壤含水量已經(jīng)超過了田間持水量。2004年8月25日和2003年8月15日土壤含水量之間的差異隨著土層深度的增加逐漸減小，90 cm以下土層兩者土壤含水量的差異已經(jīng)極大的減小。所以定義黑土區(qū)作物根系活動(dòng)層位0～90 cm土層。然而CK、NP和NPM之間根系活動(dòng)層的深度沒有顯著的差異。

不同施肥管理方式影響了土壤含水量在土壤剖面內(nèi)的分布，表現(xiàn)為在0～90 cm土層土壤含水量呈現(xiàn)CK > NP > NPM的趨勢(shì)，與CK相比NP和NPM在0～90 cm土層土壤含水量的平均值分別下降了1.5%和3.5%，見圖1。受作物根系對(duì)水分吸收的影響[12]，施肥管理方式間土壤含水量差異的最大值出現(xiàn)在20 cm～50 cm土層之間，然后隨著土層深度的增加不同處理間土壤含水量的差異逐漸減小，在90 cm處不同處理的土壤含水量基本持平，表明在研究區(qū)域長(zhǎng)期不同肥料的施用已經(jīng)影響了土壤水分含量在剖面的分布，影響深度為0～90 cm土層。

表2 試驗(yàn)的10年內(nèi)大氣降水特征 (mm)Tab.2 The feature of precipitation in experimental 10 years

圖1 東北黑土區(qū)作物根系活動(dòng)層Fig.1 Crop root zone in northeast China

2.3 東北黑土區(qū)作物生長(zhǎng)季內(nèi)的潛在蒸散量

基于海倫站積累的氣象歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算得到東北黑土區(qū)作物生長(zhǎng)季內(nèi)的潛在蒸散量，見圖2。統(tǒng)計(jì)得到1999年-2008年10 a內(nèi)作物生長(zhǎng)季內(nèi)各月份的潛在蒸散量，分析得出各月份潛在蒸散量之間存在較大差異，6月的潛在蒸散量最大，10 a的平均值為159 mm，是6月平均降水的2.53倍，占全年總潛在蒸散量的21.31%；其次是5月和7月，潛在蒸散量分別為136 mm和125 mm，分別是當(dāng)月平均降水量的3.24倍和0.86倍，占全年潛在蒸散量的18.2%和16.75%；8月和9月的潛在蒸散量相對(duì)較小，分別為108 mm和92 mm，分別是當(dāng)月平均降水量的0.99倍和2.11倍，占全年總潛在蒸散量的14.47%和12.33%。受氣象條件的影響，5月份和6月份潛在蒸散量變異較大。

圖2 東北黑土區(qū)作物生長(zhǎng)季內(nèi)潛在蒸散量特征Fig.2 Potential evaptranspiration in growing season注：虛線表示10 a的平均值

2.4 土壤水分盈虧

根據(jù)東北黑土區(qū)作物根系活動(dòng)層在0～90 cm土層，利用潛在蒸散量與0～90 cm土層土壤的有效水儲(chǔ)量計(jì)算得到土壤水分的盈虧狀況，正值表示土壤處于缺水狀態(tài)，見圖3。從試驗(yàn)10年的平均值分析，可以得出整個(gè)作物生育時(shí)期CK、NP和NPM的土壤水分虧缺量分別為-36.6 mm、-34.2 mm和-30.2 mm，所以對(duì)于10 a的平均值而言整個(gè)生育時(shí)期土壤水分未處于虧缺狀態(tài)。CK在5月份-9月份的平均土壤水分盈虧量分別為-40.1 mm、-0.04 mm、-30.3 mm、-51.9 mm和-60.8 mm；而NP在6月略顯缺水，5月份-9月份土壤水分的盈虧量分別為-38.1 mm、2.4 mm、-27.5 mm、-48.8 mm和-59.3 mm；NPM表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即5月份-9月份土壤水分的盈虧量分別為-35.4 mm、7.0 mm、-20.3 mm、-45.3 mm和-57.2 mm。受氣象因素的影響，不同時(shí)期土壤水分盈虧的變異具有差異。土壤水分盈虧與降水之間關(guān)系密切，用直線相關(guān)分析生長(zhǎng)季內(nèi)降水量與土壤水分缺乏量之間的關(guān)系，得到CK、NP和NPM的相關(guān)系數(shù)分別為0.36，0.35和0.32(p<0.05)，說(shuō)明作物生長(zhǎng)季內(nèi)降水的分布顯著影響了土壤水分缺乏的發(fā)生，見圖4。其中6月份的變異最大，其次是5月份，而7月、8月和9月份之間差異不是很明顯。不同施肥管理間表現(xiàn)為肥料的施用有減小變異的趨勢(shì)，其中有機(jī)肥的影響要大于化肥。

但是從土壤水分缺乏發(fā)生的次數(shù)來(lái)分析，土壤水分缺乏較為嚴(yán)重的時(shí)期是6月份和7月份，這與潛在蒸散量的較高值出現(xiàn)在6月份和7月份(圖2)是相一致的。在試驗(yàn)的10 a中CK在6月份發(fā)生水分缺乏的概率是90%，而NP和NPM發(fā)生水分缺乏的概率是100%；雖然7月份的降水較大，但是此時(shí)作物的耗水量也較高，當(dāng)降水不能滿足作物耗水需求時(shí)出現(xiàn)了土壤水分的缺乏，CK和NP在7月份發(fā)生水分缺乏的概率是50%，而NPM發(fā)生水分缺乏的概率為60%；在5月份三種施肥管理方式發(fā)生水分缺乏的概率均為50%，處于相對(duì)較低的水平，5月份作物處于生長(zhǎng)初期，對(duì)水分需求較少，同時(shí)休閑期內(nèi)由于降水和降雪累計(jì)的土壤水分是緩解5月份土壤水分缺乏的一個(gè)重要方式；然而在8月份和9月份由于降水較為集中，相對(duì)于其他月份來(lái)說(shuō)CK、NP和NPM發(fā)生水分缺乏的概率相對(duì)較小。

圖3 黑土區(qū)作物生長(zhǎng)季內(nèi)土壤水分的虧缺Fig.3 Water deficit in growing season注：虛線表示10 a的平均值

圖4 作物生長(zhǎng)季內(nèi)降水量與土壤水分虧缺量的相關(guān)性分析Fig.4 The correlation of precipitation and water deficit in growing season

2.5 黑土農(nóng)田土壤水分盈虧的累積概率分布

前面我們分析了土壤水分缺乏發(fā)生的程度，然而水分缺乏對(duì)作物的影響也取決于土壤水分缺乏發(fā)生的頻率，為此我們分析了CK、NP和NPM土壤水分缺乏的累計(jì)概率分布，見圖5。不同施肥管理方式下土壤水分的虧缺量在-167.4 mm～55.1 mm之間波動(dòng)，說(shuō)明在試驗(yàn)的10 a內(nèi)土壤水分的最大虧缺量為55.07 mm，相當(dāng)于多年平均年降水量的10.2%(538 mm)，而最大的土壤水分盈余量為167.4 mm，相當(dāng)于多年平均降水量的31.0%。當(dāng)84% < p < 92%時(shí)，在任何給定的概率下NPM和NP的土壤水分虧缺量的都要大于CK。

圖5 土壤水分盈虧的概率分布Fig.5 Cumulative probability distribution of water deficit

為了檢驗(yàn)CK、NP和NPM土壤水分缺乏累計(jì)概率分布之間的差異顯著性，對(duì)CK、NP和NPM土壤水分缺乏的累計(jì)概率進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示不同處理間的差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上達(dá)到了顯著水平(p<0.05)，見表3。

表3 不同施肥管理方式間土壤水分虧缺量的方差分析Tab.3 ANOVA of water deficit between different fertilization practices

3 討 論

農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況與施肥管理密切相關(guān)，施肥能夠增加作物可利用的土壤有效養(yǎng)分，同時(shí)改變作物耗水量。在自然積溫和有限降水的條件下，適量施用氮、磷和鉀肥可以調(diào)節(jié)土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量、增加土壤供養(yǎng)強(qiáng)度、改變作物用水規(guī)律以及充分發(fā)揮有限土壤可用水量的作用，繼而增加作物抵御惡劣自然氣候如冷害或干旱的能力[13]。作物耗水是土壤水分消耗的主要途徑，在作物生長(zhǎng)季內(nèi)不同施肥管理間土壤含水量的差異主要是因?yàn)榉柿系氖┯迷谠黾拥厣仙锪康耐瑫r(shí)，擴(kuò)大了根系在土壤中的吸水空間，增加了作物對(duì)土壤中水分的利用[8,13]。有機(jī)肥的施用在增加土壤養(yǎng)分的同時(shí)又通過調(diào)節(jié)土壤的物理性狀，增加了土壤保水和保肥能力，促進(jìn)作物對(duì)土壤中水分的利用[14]。

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤水分缺乏是影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的因子之一[15-16]。一般情況下在東北黑土區(qū)大氣降水能夠滿足作物對(duì)水分的需求[3]，但是大部分降水發(fā)生在7月份-9月份，同時(shí)此時(shí)降水的變異也較大(表1)，容易引起了土壤水分的季節(jié)性缺乏。研究中土壤水分缺乏值的計(jì)算是利用土壤中有效水的含量與潛在蒸散量作差得到的，因此這個(gè)值更能反映土壤真實(shí)的水分狀況。肥料的施用增加了植物對(duì)土壤水分的吸收利用，容易引起土壤水分缺乏[8,17]。施用有機(jī)肥和化肥的處理發(fā)生土壤水分缺乏的概率要大于無(wú)肥處理。

氣象條件和作物需水情況是導(dǎo)致土壤水分缺乏的主要因素之一。在研究區(qū)域6月份降水占全年降水量的17.2%，但是此時(shí)期潛在蒸散量是降水量的2.53倍，導(dǎo)致了6月份土壤水分缺乏發(fā)生頻率較大，在90%以上；7月份潛在蒸散量是該月降水量的0.86倍，雖然略低于當(dāng)月降水量，但是由于降水在年際間的變異較大(表1)，同時(shí)此時(shí)期作物的需水量較高[7]，土壤水分缺乏發(fā)生的概率達(dá)到了50%以上；雖然5月份的降水相對(duì)較少，占年降水量的8.3%，潛在蒸散量是降水量的3.04倍，但是由于凍融過程積聚了一定水分在土壤剖面[18]，緩解了該時(shí)期土壤水分的缺乏，5月份作物處于生長(zhǎng)初期需水量較少也是該階段土壤水分缺乏相對(duì)較小的原因之一；8月份的降水占當(dāng)月潛在蒸散量的1.16倍，降水能夠滿足作物需水，只有在較為干旱的年份才會(huì)出現(xiàn)土壤水分缺乏(例如2004年)；而進(jìn)入9月份以后作物開始趨于成熟，耗水量逐漸減小，降水基本可以滿足作物此階段對(duì)水分的需求。作物生長(zhǎng)季內(nèi)降水與土壤水分虧缺量之間呈顯著正相關(guān)的關(guān)系(圖5)。

4 結(jié) 論

① 通過對(duì)10 a長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究結(jié)果表明不同的施肥管理方式影響了土壤含水量，影響的深度為90 cm，表現(xiàn)為肥料的施用顯著減少了該層土壤含水量，在施用化肥的基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥進(jìn)一步加劇了土壤中水分的消耗，即表現(xiàn)為CK > NP > NPM。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)東北黑土區(qū)作物根系活動(dòng)層位于0～90 cm處。

② 不同施肥管理下土壤水分顯示略有盈余，但是從某個(gè)階段來(lái)說(shuō)仍然有土壤水分發(fā)生缺乏時(shí)期，主要在6月份和7月份，其中6月份發(fā)生土壤水分缺乏的概率在90%以上，7月份發(fā)生土壤水缺乏的概率在50%以上，所以加強(qiáng)6月份和7月份的土壤水分管理對(duì)于緩解土壤水分缺乏對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響重要的意義。降水的分布對(duì)土壤水缺乏的發(fā)生具有顯著的影響。肥料的施用促使了土壤水分缺乏的發(fā)生，不同施肥處理之間表現(xiàn)為CK

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