劉暢，齊偉，王策，張展羽*

無機(jī)肥施用對(duì)農(nóng)田干濕循環(huán)土壤收縮特性的影響

劉暢1，齊偉2，王策1，張展羽1*

（1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098）

【】研究無機(jī)肥施用對(duì)農(nóng)田干濕循環(huán)土壤收縮特性的影響。選取南方地區(qū)粉壤土為試驗(yàn)土樣，設(shè)置尿素、硫酸鉀2種肥料配置浸潤(rùn)液（質(zhì)量濃度設(shè)置為1、2、3 g/L），開展多級(jí)循環(huán)脫濕試驗(yàn)。①土壤收縮應(yīng)變隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)而減小，且逐漸趨于穩(wěn)定。無機(jī)肥的添加減少了土壤收縮應(yīng)變，且隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)愈加明顯。②VG-Peng模型擬合土壤收縮特性曲線效果較好，各處理均具有結(jié)構(gòu)收縮、比例收縮、殘余收縮、零收縮4個(gè)階段，干濕循環(huán)使土壤結(jié)構(gòu)收縮段增加，比例收縮段和殘余收縮段減小。無機(jī)肥的添加使土壤比例收縮段孔隙比范圍減少。③土壤收縮經(jīng)歷了從完全的縱向收縮-以縱向收縮為主-以橫向收縮為主3個(gè)階段，多次循環(huán)后土壤收縮各向異性減弱。無機(jī)肥添加和干濕循環(huán)條件不同程度減弱了土壤的收縮特性，多次循環(huán)后無機(jī)肥累積是土壤收縮能力下降的主要原因。

干濕循環(huán)；無機(jī)肥；土壤；收縮特性曲線；幾何因子

0 引言

【研究意義】自然界中，土壤體積收縮主要因?yàn)橥寥篮式档?，土壤基質(zhì)吸力增大，土壤顆粒間產(chǎn)生吸力導(dǎo)致土壤顆粒和團(tuán)聚體相互吸引并發(fā)生重排，最終使土壤孔隙體積減小[1]。由于土壤失水收縮總伴隨著土壤基質(zhì)吸力的增加，當(dāng)土壤薄弱區(qū)土體拉應(yīng)力超過土壤顆粒間有效應(yīng)力時(shí)，土壤開裂并逐漸發(fā)育成裂隙[2]，嚴(yán)重影響土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在工程地質(zhì)方面，土壤裂隙的產(chǎn)生降低了土體抗剪強(qiáng)度，易導(dǎo)致地基沉陷、邊坡失穩(wěn)，引發(fā)一系列工程災(zāi)害[3]。在農(nóng)業(yè)水土工程方面，土壤干縮裂隙引發(fā)的優(yōu)先流效應(yīng)增大了指流、深層滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致灌溉水分、肥料利用率下降，阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[4-5]。因此，土壤收縮特性作為裂縫發(fā)育的關(guān)鍵因素，受到地質(zhì)科學(xué)、土木工程、農(nóng)業(yè)水土工程等多學(xué)科學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。

【研究進(jìn)展】土壤收縮特性常采用土壤收縮特性曲線描述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種模型用以擬合土壤收縮特性曲線，包括三直線模型、多項(xiàng)式模型、Sigmoid模型、Logistic模型等[6]。邢旭光等[7]通過Logistic模型擬合土壤收縮曲線，發(fā)現(xiàn)土壤的收縮應(yīng)變有隨體積質(zhì)量增加而減小的趨勢(shì)，且土壤中砂粒量與土壤收縮特征指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，粉粒和黏粒則相反。Wei等[8]通過分形維數(shù)法發(fā)現(xiàn)花崗巖土壤的收縮能力與土壤粒徑分布和壓實(shí)度有關(guān)。Li等[9]采用壓汞法和電子顯微鏡掃描研究了土壤收縮過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)以離心機(jī)法測(cè)得的土壤收縮特性曲線并未呈現(xiàn)出典型的“S”形，土壤在干燥過程中大孔隙增加而團(tuán)聚體間小孔隙無明顯變化。

【切入點(diǎn)】日常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，為改善土壤肥力、提高作物產(chǎn)量，肥料的應(yīng)用越來越廣泛。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)撒施技術(shù)也在向灌溉施肥轉(zhuǎn)變。灌溉施肥在一定程度上提高了化肥利用率[10]，降低了養(yǎng)分流失引起的農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[11]。同時(shí)也對(duì)土壤含鹽量[12]、有機(jī)質(zhì)量、水力特性[13]、結(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生影響，從而影響土壤收縮特性。反之，土壤收縮特性又對(duì)土壤內(nèi)水肥、溶質(zhì)遷移有重要影響，因此開展無機(jī)肥添加對(duì)土壤收縮特性研究尤為重要。此外，考慮到實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物生育期內(nèi)通常會(huì)經(jīng)歷數(shù)次干旱和灌排過程，土壤也因此在干濕循環(huán)中反復(fù)干濕縮脹，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及孔隙頻率分布也在循環(huán)中不斷改變，這也將導(dǎo)致土壤收縮特性的差異性[14]。

【擬解決的關(guān)鍵問題】為研究干濕循環(huán)中農(nóng)田土壤反復(fù)縮脹導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的變化以及無機(jī)肥添加對(duì)土壤收縮特性的共同影響，采用室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，研究多級(jí)干濕循環(huán)下無機(jī)肥添加對(duì)農(nóng)田土壤收縮特性影響，并引入幾何因子對(duì)土壤收縮過程中體變各向異性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為土壤水肥運(yùn)移機(jī)理研究、水肥一體化灌溉制度制定以及防治面源污染提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤選自河海大學(xué)江寧節(jié)水園區(qū)試驗(yàn)田旱地表層土壤，采集深度為20 cm。原狀土碾碎、烘干、過2 mm過篩后，用吸管法測(cè)定土壤機(jī)械組成，用比重瓶法測(cè)土壤比重，依據(jù)國(guó)際土壤質(zhì)地分類方法進(jìn)行土壤分類。土壤物理特性如表1所示。試驗(yàn)土壤全鉀量、全氮量分別為11.32、1.15 g/kg。

表1 供試土壤物理特性

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，將尿素、硫酸鉀溶于水配制成肥液并設(shè)置3種質(zhì)量濃度梯度：1、2、3 g/L（記作N-1、N-2、N-3、K-1、K-2、K-3），以純水（CK）為對(duì)照組，共7組處理。供試土壤按1.35 g/cm3預(yù)設(shè)土壤體積質(zhì)量填入土箱（20 cm×20 cm×20 cm），浸潤(rùn)液飽和處理24 h。試驗(yàn)采用環(huán)刀取樣，取200 cm3環(huán)刀（?70 mm×52 mm），環(huán)刀底部平鋪無紡布防止土粒從透水孔隙漏出，內(nèi)壁涂抹凡士林以減小邊壁摩擦，外壁貼布基膠帶防止水分側(cè)滲，環(huán)刀取充分飽和后土樣，每組處理取3次重復(fù)。試樣制備完成后測(cè)量初始質(zhì)量、截面積、高度，置于40 ℃烘箱中干燥至恒質(zhì)量，后置于105 ℃烘箱完全烘干。干燥過程中每隔2 h測(cè)量試驗(yàn)土樣質(zhì)量和體積變化，電子天平測(cè)質(zhì)量，數(shù)碼相機(jī)拍攝試樣截面（圖1（a）），游標(biāo)卡尺測(cè)定試驗(yàn)土樣高度（圖1（b））。干燥結(jié)束后測(cè)各組數(shù)據(jù)再將環(huán)刀置于各處理溶液中，控制溶液液面高度略低于環(huán)刀頂部，試樣通過底部透水孔吸濕飽和，飽和處理持續(xù)24 h。試樣從飽和干燥至恒定質(zhì)量，又增濕至飽和的過程稱為1次干濕循環(huán)，試驗(yàn)共進(jìn)行4級(jí)循環(huán)。試驗(yàn)所用電子天平精度為0.1 g，電子游標(biāo)卡尺精度為0.01 mm，相機(jī)為佳能EOS 850D，像素2 400萬。拍攝過程中相機(jī)和試樣位置均固定不變并阻隔室外光源，采用LED燈均勻照射試樣表面。

1.3 分析方法

1.3.1 數(shù)字圖像處理

試樣橫截面積通過數(shù)字圖像處理技術(shù)提取計(jì)算，圖像處理過程如圖1（c）所示。首先對(duì)初始圖像進(jìn)行批量裁剪預(yù)處理，取70 mm×70 mm作為研究區(qū)域，像素設(shè)置為1 600×1 600，然后將裁剪后圖像轉(zhuǎn)為灰度圖。再運(yùn)用OTSU算法[14]獲取該灰度圖的閾值，由于干燥過程中試樣失水收縮截面積減小，試樣邊緣與環(huán)刀分離，其收縮區(qū)域與土壤基質(zhì)區(qū)域像素灰度值對(duì)比明顯，二者類間方差最大時(shí)對(duì)應(yīng)最佳閾值。將灰度值大于的像素設(shè)為1（白），代表土壤收縮區(qū)域，灰度值小于的像素設(shè)為0（黑），代表環(huán)刀外區(qū)域（計(jì)算中去除）和土壤基質(zhì)區(qū)域，從而得到二值圖像，由此計(jì)算試樣橫截面積。以上處理過程均在Matlab R2018中進(jìn)行，通過自編程序?qū)崿F(xiàn)。

圖1 試驗(yàn)方法及圖像處理

1.3.2 試樣收縮應(yīng)變

試樣干燥過程中隨著水分蒸發(fā)體積收縮，橫向表現(xiàn)為截面積減小、縱向表現(xiàn)為高度降低。采用橫向收縮應(yīng)變r(jià)、縱向收縮應(yīng)變s、體積收縮應(yīng)變v描述土壤收縮程度，表達(dá)式為：

r=(0-)/0×100%， （1）

s=(0-)/0×100%， （2）

v=(0-)/0×100%， （3）

式中：、、分別為各循環(huán)脫水過程中試樣直徑（mm）、高度（mm）、體積（mm3）；0、0、0分別為各循環(huán)前試樣初始直徑（mm）、高度（mm）、體積（mm3）。試樣收縮應(yīng)變?nèi)?次重復(fù)平均值采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

1.3.3 土壤收縮特性曲線模型

土壤收縮特性曲線采用2005年P(guān)eng等[16]提出的VG-Peng模型擬合，表達(dá)式為：

1.3.4 收縮幾何因子

土壤在收縮過程中具有各向異性，表現(xiàn)為橫向收縮與縱向沉降的差異性。幾何因子s將土壤體積收縮縱向收縮相結(jié)合，用以描述土壤體積變化過程中的各向異性[18]。圓柱形式樣s計(jì)算式為：

式中：參數(shù)意義同上，s值在不同區(qū)域有不同物理意義：

①s=1，土體僅發(fā)生縱向沉降；

② 1≤s≤3，土體收縮以縱向沉降為主導(dǎo)；

③s=3，土體收縮呈各項(xiàng)同性；

④s>3，土體收縮軸向收縮為主導(dǎo)；

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤收縮應(yīng)變

干燥過程中，隨著土壤孔隙水的蒸發(fā)，土壤含水率降低，體積質(zhì)量增加。圖2、圖3分別反映了試樣橫向收縮應(yīng)變、縱向收縮應(yīng)變隨質(zhì)量含水率變化。表2反映了土壤各向極限收縮應(yīng)變。首次循環(huán)中，土體橫向收縮隨含水率的降低而增大，變化速率呈慢-快-慢趨勢(shì)，表現(xiàn)為土體干燥過程橫向收縮應(yīng)變先隨著含水率降低緩慢增大，在含水率降至0.31 g/g左右時(shí)變化速率加快，最后在含水率降至0.07 g/g左右時(shí)保持不變，完全干燥時(shí)各處理橫向收縮應(yīng)變?cè)?.93%～10.91%之間。首次循環(huán)中，縱向收縮也隨含水率降低而變大，與橫向收縮不同，干燥開始時(shí)縱向收縮率即隨含水率的降低而快速增加，在含水率降至0.10 g/g左右時(shí)基本不變，干燥結(jié)束時(shí)各組處理極限縱向收縮應(yīng)變?cè)?.97%～8.94%之間。隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)，土壤橫、縱向收縮應(yīng)變變化趨勢(shì)變緩，完全干燥時(shí)土樣橫向收縮應(yīng)變、縱向收縮應(yīng)變、體積收縮應(yīng)變分別從初次循環(huán)的9.93%～10.91%、7.97%～8.94%、25.41%～27.68%降至末次循環(huán)的4.85%～6.53%、4.12%～5.16%、14.56%～17.99%，表明土壤收縮能力隨循環(huán)級(jí)數(shù)推進(jìn)而減弱。

圖2 土壤失水過程中橫向收縮應(yīng)變

圖3 土壤失水過程中縱向應(yīng)變

對(duì)比各處理在3、4次循環(huán)中土壤體積收縮應(yīng)變發(fā)現(xiàn)：CK在3、4次循環(huán)中體積收縮應(yīng)變差值為0.17%，而無機(jī)肥處理組同比差值普遍在1%以上，這說明在3次循環(huán)后無機(jī)肥仍對(duì)土壤收縮起抑制作用。為研究肥液質(zhì)量濃度對(duì)土壤各向收縮程度影響，采用SPSS軟件對(duì)肥液質(zhì)量濃度和土體各向收縮應(yīng)變進(jìn)行相關(guān)性分析（表3）。從整體上來看，2種肥液質(zhì)量濃度與土壤各向收縮應(yīng)變均具有較高負(fù)相關(guān)性，肥液質(zhì)量濃度與橫向收縮應(yīng)變和體積收縮應(yīng)變多呈現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），與縱向收縮應(yīng)變多表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)（<0.05）。隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)，肥液質(zhì)量濃度與土體各向收縮應(yīng)變顯著性增強(qiáng)，在最后1次循環(huán)中，2種肥料處理質(zhì)量濃度與各向收縮應(yīng)變均極顯著負(fù)相關(guān)（<0.01）。

表2 各循環(huán)級(jí)數(shù)下不同肥料處理試樣極限收縮應(yīng)變

表3 肥液質(zhì)量濃度與土壤各向極限收縮應(yīng)變相關(guān)性分析結(jié)果

注 *和**分別表示在<0.05和<0.01水平（雙側(cè)）顯著和極顯著相關(guān)。

2.2 土壤收縮階段特性

采用VG-Peng模型擬合土壤收縮特性曲線（圖4），擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)2均大于0.99。由圖4可知，土壤收縮特性曲線整體呈“S”形，各組處理均有結(jié)構(gòu)收縮、比例收縮、殘余收縮、0收縮4個(gè)階段，各收縮階段起止點(diǎn)見表4。首次循環(huán)中各組處理土樣s在1.12～1.22之間，r在0.54～0.66之間。各組處理比例收縮區(qū)水分、孔隙比分別占總損失的41.4%～51.5%、70.3%～76.9%，表明土壤收縮以比例收縮段為主。隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)，各組處理s減小，r變化不大。

s隨循環(huán)級(jí)數(shù)減小是由于土壤的不可逆收縮現(xiàn)象，即經(jīng)歷了從飽和至完全干燥的土壤，即使再次吸水飽和，其體積膨脹也不能達(dá)到初次浸潤(rùn)體積。由于s與土壤收縮應(yīng)變均隨循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)而減小，導(dǎo)致r變化并不明顯。分析各處理土壤收縮區(qū)域變化發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)，土壤結(jié)構(gòu)收縮區(qū)范圍變大，結(jié)構(gòu)收縮區(qū)孔隙比變化幅度分別從初次循環(huán)0.020～0.060增加到末次循環(huán)0.180～0.232，表明土壤團(tuán)聚體間大孔隙隨干濕循環(huán)增多。比例收縮區(qū)在各級(jí)循環(huán)中均為收縮主體區(qū)域，但水分、孔隙比占比隨循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)不斷減少，表明土壤收縮程度逐漸減弱。殘余收縮區(qū)水分、孔隙比占比隨循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)也有所減少，表明土壤團(tuán)聚體內(nèi)孔隙減少。

圖4 土壤收縮特性曲線擬合

對(duì)比同級(jí)循環(huán)各組處理，發(fā)現(xiàn)無機(jī)肥處理土壤收縮特性曲線始終位于CK組上方，而曲線形態(tài)并未發(fā)生明顯改變。無機(jī)肥的添加使土壤飽和孔隙比s和殘余孔隙比r有不同程度的增加，在相同含水率下無機(jī)肥處理往往有更大的孔隙比。對(duì)比各處理收縮區(qū)域發(fā)現(xiàn)，各處理土壤結(jié)構(gòu)收縮區(qū)和殘余收縮區(qū)并無顯著差異。而比例收縮區(qū)在無機(jī)肥處理下孔隙比范圍減小，且在高質(zhì)量濃度肥液處理下和多次循環(huán)中表現(xiàn)更加明顯。比例收縮區(qū)作為收縮的主體區(qū)域，其孔隙比范圍降低是無機(jī)肥導(dǎo)致土壤收縮應(yīng)變減小的主要原因。

表4 土壤各收縮階段起止點(diǎn)

圖5 土壤失水過程中幾何因子變化

2.3 土壤收縮各向異性

收縮幾何因子反映了土壤橫、縱向收縮應(yīng)變的差異性，應(yīng)用圓柱形s公式計(jì)算得到幾何因子隨含水率變化如圖5所示。首次循環(huán)中，各處理s值以1為起點(diǎn)隨含水率的減小而增加，在含水率降至0.24～0.27 g/g左右時(shí)s增至3，繼續(xù)增加最終穩(wěn)定在3.22～3.66。結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來看，干燥開始時(shí)s=1，土體表現(xiàn)為完全的縱向沉降。隨著土壤水分流失，基質(zhì)吸力增加，開始出現(xiàn)橫向收縮，此時(shí)s介于1～3之間，說明此時(shí)土體仍以縱向收縮為主。隨著含水率的降低，土壤基質(zhì)吸力進(jìn)一步增加，由基質(zhì)吸力引起的張拉應(yīng)力的增加使土壤體積變化以縱向收縮為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詸M向收縮為主導(dǎo)（s>3）。在含水率降至0.1 g/g左右時(shí)土壤體積幾乎不變，s在此時(shí)增至最大后保持不變。對(duì)比各組處理，發(fā)現(xiàn)CK與無機(jī)肥添加處理在開始失水時(shí)均表現(xiàn)出了完全的縱向收縮，且s均隨著含水率的減小而增加最后趨于穩(wěn)定，各處理s變化斜率穩(wěn)定時(shí)s值并無明顯差異。對(duì)比各級(jí)循環(huán)s變化發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)，土壤體變以縱向收縮為主導(dǎo)的區(qū)域增多，s的變化更加緩和，完全干燥時(shí)s減小。

3 討論

3.1 干濕循環(huán)對(duì)土壤收縮特性影響

土壤結(jié)構(gòu)影響水、空氣、溶質(zhì)的存儲(chǔ)和運(yùn)移，是植物根系生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)的媒介，是土壤最基本的物理性質(zhì)[20]。試驗(yàn)在反復(fù)干濕過程中觀察到土壤的不可逆收縮現(xiàn)象，說明土壤干濕循環(huán)過程中黏土顆粒和團(tuán)聚體反復(fù)縮脹導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土壤收縮特性也因此改變。表現(xiàn)為隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)，土壤橫、縱向收縮程度減弱，s減小，r增大，孔隙比變化幅度減小，土壤收縮能力降低。通過分析土壤收縮特性曲線發(fā)現(xiàn)：干濕循環(huán)使土壤結(jié)構(gòu)收縮段增加，比例收縮段、殘余收縮段減少。土壤各收縮區(qū)域代表土壤不同尺度孔隙在失水過程中作用范圍，從側(cè)面反映了土壤孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，根據(jù)土壤各收縮區(qū)域變化趨勢(shì)和土壤結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)中演變規(guī)律來看：干濕循環(huán)過程中土壤團(tuán)聚體破碎重排形成了復(fù)雜的板狀、塊狀、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[21]，這些結(jié)構(gòu)較均質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，但也導(dǎo)致團(tuán)聚體間大孔隙增多。然而土壤結(jié)構(gòu)收縮區(qū)的增大并不代表土壤收縮能力加強(qiáng)，因?yàn)閳F(tuán)聚體間大孔隙在水分損失過程中并不會(huì)土壤體積大幅變化。作為收縮的主體部分，比例收縮區(qū)占據(jù)了土壤失水過程中大部分體積變化和水分損失，其范圍在干濕循環(huán)過程中不斷減小，表明土壤收縮能力不斷減弱。殘余收縮區(qū)的減少表明團(tuán)聚體內(nèi)孔隙占比減少，這一方面可能是由于干濕循環(huán)使團(tuán)聚體破碎[22]，導(dǎo)致團(tuán)聚體數(shù)量減少，另一方面可能是由于原團(tuán)聚體破碎重排后形成的新的團(tuán)聚體孔徑較小。此外，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：土壤橫、縱向收縮應(yīng)變、體積收縮應(yīng)變前3次循環(huán)間變化幅度較大，而在3、4次循環(huán)間變化不大，表明干濕循環(huán)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和收縮能力影響隨循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)逐漸減弱。這是因?yàn)槊看窝h(huán)中土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破碎重排都會(huì)形成更穩(wěn)定的土結(jié)構(gòu)，干濕循環(huán)引起的體變不可逆程度隨級(jí)數(shù)推進(jìn)逐漸降低。在經(jīng)歷多次循環(huán)后，土壤收縮量趨于穩(wěn)定值因?yàn)榇藭r(shí)土壤內(nèi)團(tuán)聚體多發(fā)生脹縮而少有團(tuán)聚體的再造與滑移[23]。

3.2 無機(jī)肥添加對(duì)土壤收縮特性影響

無機(jī)肥添加在一定程度上改變了土壤理化性質(zhì)[24]、結(jié)構(gòu)特性，從而使土壤收縮特性發(fā)生改變，導(dǎo)致土壤增濕脫濕過程中體積變化行為的差異性。研究中發(fā)現(xiàn)無機(jī)肥的添加在各級(jí)循環(huán)中均不同程度地減小了土壤橫、縱向收縮程度，且隨著肥液質(zhì)量濃度的增加作用效果更加明顯。通過觀察土壤收縮特性曲線發(fā)現(xiàn)，無機(jī)肥的添加并未明顯改變結(jié)構(gòu)收縮區(qū)和殘余收縮區(qū)的范圍，說明無機(jī)肥的添加并未導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體間大孔隙和團(tuán)聚體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。無機(jī)肥添加導(dǎo)致土壤收縮應(yīng)變的減少主要是由于比例收縮區(qū)孔隙比范圍的減小，即土壤黏粒收縮能力的減弱。這一方面可能是因?yàn)殡S著土壤孔隙內(nèi)流體質(zhì)量濃度的增加，土壤雙電子層中擴(kuò)散層厚度減小，土顆粒間距減小，土壤收縮能力減弱[25]。另一方面可能是因?yàn)殡S著孔隙內(nèi)流體質(zhì)量濃度的增加，氣-液界面張力（表面張力）減小，導(dǎo)致溶液與土顆粒接觸角減小，曲率半徑增大，導(dǎo)致基質(zhì)吸力減小，土壤收縮程度降低[26]。此外試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)中土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)變化和肥料的累積都有降低土壤收縮應(yīng)變的趨勢(shì)，二者共同作用使土壤的收縮能力明顯減弱。隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)，由干濕循環(huán)引起的土壤收縮能力的變化逐漸減弱，多級(jí)循環(huán)后土壤收縮能力下降主要是由無機(jī)肥累積引起的，這意味著無機(jī)肥的添加在一定程度上加劇了土壤板結(jié)，裂隙固化，因此在水肥一體化灌溉過程中，應(yīng)注意水肥統(tǒng)籌，避免過量施肥。不過，本研究為精確控制試驗(yàn)變量，未能充分考慮作物根系對(duì)無機(jī)肥的吸收利用，這與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大田實(shí)際情況有所不同，今后的研究需進(jìn)一步分析在作物耕種條件下農(nóng)田土壤收縮特性、干縮裂隙、水肥遷移規(guī)律三者的聯(lián)系。

4 結(jié)論

1）土壤各向收縮應(yīng)變隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)而減小，并逐漸趨近穩(wěn)定。無機(jī)肥的添加減少了橫、縱向收縮應(yīng)變，且隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的推進(jìn)表現(xiàn)愈加明顯。

2）VG-Peng模型擬合土壤收縮特性曲線效果較好。干濕循環(huán)中各處理均存在結(jié)構(gòu)收縮、比例收縮、殘余收縮、零收縮4個(gè)階段。無機(jī)肥的添加使土壤殘余孔隙比、飽和孔隙比增加，同時(shí)也導(dǎo)致土壤收縮能力減弱，原因在于比例收縮段孔隙比變化幅度的減少。

3）土壤收縮經(jīng)歷了從完全的縱向收縮-以縱向收縮為主-以橫向收縮為主3個(gè)階段，多次干濕循環(huán)后土壤體變各向異性減弱。

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The Effects of Inorganic Fertilization on Soil Shrinkage in Wetting-drying Cycles

LIU Chang1,QI Wei2, WANG Ce1, ZHANG Zhanyu1*

(1. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China;2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

【】Swelling and shrinkage are important process reshaping soil structure. It is impacted by many factors, and the objective of this paper is to investigate how fertilization impacts this process.【】We used a silty loam in the experiment. The soil was fertilized using different inorganic N and K fertilizers at concentrations ranging from 1 g/L to 3 g/L. The emergence and development of the shrinkage during and following multiple wetting-drying cycles were measured in each treatment.【】① The shrinkage in the transverse and longitudinal directions both decreased asymptotically with the increase in the number of drying-wetting cycles. Adding inorganic fertilizer reduced the shrinkage in both transverse and longitudinal directions, and the reduction became more significant as the wetting-dying cycles increased. ② The VG-Peng model can fit the effects of the fertilization on soil shrinkage, and the shrinkages in each treatment can be classified into four types: structural shrinkage, proportional shrinkage, residual shrinkage and zero shrinkage. Increasing drying-wetting cycles increased the structural shrinkage at the expense of proportional shrinkage and residual shrinkage. The addition of the inorganic fertilizers reduced the void ratio of the soil in the shrunk region. ③Soil shrinkage experienced three stages: complete longitudinal shrinkage, longitudinal-dominant shrinkage, and transverse-dominant shrinkage, with the anisotropy of the shrinkages decreasing after several drying-wetting cycles.【】Applying inorganic fertilizers reduced soil shrinkage due to wetting-drying cycles, and the inorganic fertilizers accumulated after multiple wetting-drying cycles due to the decline in soil shrinkage.

wetting-drying cycle; inorganic fertilization; soil; contraction curve; geometric factors

S152.4; S143

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021263

1672 - 3317（2021）11 - 0044 - 07

2021-06-21

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51879071，51579069）

劉暢（1998-），男。碩士研究生，主要從事農(nóng)田土壤干縮裂隙方向研究。E-mail:Liuchang_@hhu.edu.cn

張展羽（1957-），男。教授，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: zhanyu @hhu.edu.cn

劉暢, 齊偉, 王策, 等. 無機(jī)肥施用對(duì)農(nóng)田干濕循環(huán)土壤收縮特性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(11): 44-50.

LIU Chang, QI Wei, WANG Ce, et al. The Effects of Inorganic Fertilization on Soil Shrinkage in Wetting-drying Cycles[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 44-50.

責(zé)任編輯：白芳芳