李彥霈 邵明安，2，3 王 嬌

（1 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712100）（2 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）（3 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100190）

有機肥富含大量有益物質(zhì)，肥效時間長，合理施用可提高土壤中有機質(zhì)含量，為作物生長提供養(yǎng)分儲量豐富、有效性高的生態(tài)環(huán)境［1-2］，而且長期施用有機肥還可促進水穩(wěn)性團聚體形成，提高土壤總孔隙度和持水孔隙度，使耕層土壤變松，表土硬度降低，提高土壤透水和保水性能［3-4］。

蚯蚓是土壤中的主要動物類群，在土壤表面和土體內(nèi)部可產(chǎn)生大量排泄物——蚯蚓糞，蚯蚓糞是水氣調(diào)和、孔隙大的團粒結(jié)構(gòu)，保水保肥效果顯著［5-6］，施入土壤中可促進難溶性礦質(zhì)養(yǎng)分溶解，增加土壤有效養(yǎng)分，且蚯蚓糞中較多的腐殖質(zhì)可與黏土粒結(jié)合形成團粒，改善土壤結(jié)構(gòu)［7］，因而被廣泛作為有機肥施入土壤［8］。目前，國內(nèi)外學者針對蚯蚓糞對土壤理化性質(zhì)的影響已經(jīng)開展了諸多研究：王福友等［9］通過在鹽堿地施加蚯蚓糞，證實蚯蚓糞可增加玉米幼苗地上部和地下部的生物量及對養(yǎng)分的吸收量；蘇曉紅等［10］指出添加蚯蚓糞可以緩解高磷土壤對油菜生長的抑制作用，增加土壤磷酸酶活性；趙鵬博等［11］將蚯蚓糞與酒糟混施加入土壤，發(fā)現(xiàn)土壤容重減小，有效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量增高；秦芳等［12］按不同比例向土壤中添加蚯蚓糞，發(fā)現(xiàn)土壤pH隨蚯蚓糞添加量增大而減?。焕顝龋?3］也通過研究發(fā)現(xiàn)覆蓋于土壤表層的蚯蚓糞可抑制土壤水分蒸發(fā)，且抑制作用隨覆蓋面積及厚度的增大而加強。

蚯蚓糞的施用方式及用量差異會導致蚯蚓糞在土壤中空間分布的改變［14］，因而會對土壤理化性狀及水土過程產(chǎn)生不同的影響。目前的研究多集中于蚯蚓糞施用對土壤生物學特征的影響［15-19］，而針對土壤水分運動方面的研究甚少。因此，本研究基于室內(nèi)土柱模擬試驗，通過探究蚯蚓糞施用方式及用量對土壤水分入滲過程的影響及機理，為蚯蚓糞作為有機肥的實際應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以陜西關(guān)中地區(qū)塿土（褐土類，塿土亞類）為供試土壤，采自陜西楊凌水土保持研究所試驗農(nóng)地，去除地表雜質(zhì)后，采集0～50 cm的土壤樣品，清除根系等雜質(zhì)后自然風干，過2 mm篩備用。土壤各粒級的體積分數(shù)分別為：砂粒5.92%，粉粒62.85%，黏粒31.23%；土壤有機質(zhì)含量5.36 g·kg-1，全氮0.81 g·kg-1。

試驗用蚯蚓糞由大平1號蚯蚓產(chǎn)生，具體收集方法為：將磨碎的樹葉與土壤混合均勻后放入直徑為40 cm的塑料盆缽中，在其中接種40條蚯蚓，置于溫度為20℃、水分含量為100 g·kg-1～150 g·kg-1的條件下進行培養(yǎng)；一個月后在培養(yǎng)基質(zhì)的表面收集蚯蚓糞，選取形狀和大小相似的蚯蚓糞待用。蚯蚓糞顆粒各粒級的體積分數(shù)分別為：砂粒19.78%，粉粒59.69%，黏粒20.53%；有機質(zhì)含量18.92 g·kg-1，全氮8.77 g·kg-1。

1.2 試驗方法

將風干后的土樣按容重1.3 g·cm-3分層裝入內(nèi)徑7 cm、壁厚0.5 cm、高22.5 cm的有機玻璃管內(nèi)，填裝厚度為20 cm，裝土前在土柱底部墊上濾紙及紗布，防止土壤顆粒流失。管壁均勻涂抹一層凡士林以減少管壁效應對水分入滲的影響。農(nóng)田有機肥的施用方法包括撒施、條施、穴施等多種形式，為探究蚯蚓糞施用方式及施用量對土壤水分入滲過程的影響，本研究設置了3種不同的施用量：蚯蚓糞在干土中的質(zhì)量分別為50 g·kg-1、75 g·kg-1、100 g·kg-1，并分別以5種不同方式施用，用于模擬撒施后翻耕、施后覆土和翻土后施肥等不同方式，具體方法為：A. 0～10 cm蚯蚓糞與土壤混合填裝；B. 10～20 cm蚯蚓糞與土壤混合填裝；（A和B下文統(tǒng)稱為混施）C. 5～8 cm鋪設蚯蚓糞；D.10～13 cm鋪設蚯蚓糞；E. 15～18 cm鋪設蚯蚓糞（C、D、E下文統(tǒng)稱為層施）。試驗以不添加蚯蚓糞的處理作為對照（裸土），共計16個處理，每個處理設置3個重復。

試驗采用一維定水頭垂直積水入滲法測定土壤入滲過程。由高40 cm、內(nèi)徑5 cm的馬氏瓶向土柱供水，瓶身用刻度尺進行標注，水頭高度控制在2 cm。入滲過程開始后，記錄馬氏瓶的水面高度及濕潤鋒的深度，時間間隔前密后疏，共測定180 min。入滲結(jié)束30 min后，用內(nèi)徑1 cm、長30 cm的土鉆從表層向下每4 cm取土樣，并用烘干法測定各土層樣品的含水率。上述試驗均在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室內(nèi)進行。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗中所有數(shù)據(jù)均為各重復測定的平均值，采用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0計算各變量的描述性統(tǒng)計特征值及進行單因素方差分析；利用Origin 8.5完成制圖。

采用Kostiakov模型對實測累積入滲量隨時間的變化過程進行擬合，Kostiakov入滲經(jīng)驗公式表達式為：

式中，I（t）為累積入滲量，mm；t為入滲時間，min；K和n為經(jīng)驗常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蚯蚓糞施用方式及用量對濕潤鋒運移的影響

圖1顯示了混施和層施情形下濕潤鋒隨時間的動態(tài)變化。從圖中可以看出，各處理濕潤鋒深度隨時間延長而逐漸增大，但在不同施用方式下，50 g·kg-1蚯蚓糞施用量處理的濕潤鋒運移深度均大于裸土，其中最大差值為4.1 cm，這可能是由于蚯蚓糞具有較高的孔性，施入土壤后有利于水分入滲［20］，促進了濕潤鋒的運移。0～10 cm混施蚯蚓糞各處理的濕潤鋒深度差異不顯著（P＞0.05），但施用蚯蚓糞后濕潤鋒遷移速率高于裸土，其中，施用量為50 g·kg-1、75 g·kg-1、100 g·kg-1處理的濕潤鋒運移深度分別較裸土大1 cm、1 cm、0.3 cm（t =180 min）。在蚯蚓糞混施入10～20 cm土層的處理中，蚯蚓糞施用量為50 g·kg-1時濕潤鋒深度大于裸土，但施用量為75 g·kg-1和100 g·kg-1時，濕潤鋒深度則分別較裸土減小3%和11%（t =180 min），其原因可能是隨著施用量不斷增加，蚯蚓糞內(nèi)的大孔隙對水分入滲的促進作用逐漸小于蚯蚓糞持水性能及土壤水分通道曲折對水分入滲的抑制作用。對比兩種混施方式可以發(fā)現(xiàn)：10～20 cm混施各處理濕潤鋒深度均小于0～10 cm混施處理，比較蚯蚓糞和土壤的顆粒組成可以發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞含有更多的砂粒，且具有良好的團粒結(jié)構(gòu)，因此，施加蚯蚓糞能夠增加土壤孔隙度，當混施入0～10 cm時可使較多水分進入土壤，同時蚯蚓糞較普通土壤的有機質(zhì)含量更高，因而具有良好的持水性能，在積水入滲條件下上層土壤蓄積較多水分，上層土壤的含水量高于10～20 cm混施處理，因而更有利于促進水分下移。

當蚯蚓糞以層施方式加入土壤后，不同深度層施各處理的濕潤鋒深度均表現(xiàn)為由大到小依次為：50 g·kg-1用量、裸土、75 g·kg-1用量、100 g·kg-1用量，且75 g·kg-1和100 g·kg-1用量對水分入滲的抑制作用隨施用深度增加而減小。5～8 cm層施的不同用量處理之間差異顯著（P＜0.05），50 g·kg-1用量處理的濕潤鋒深度高出裸土5.3%，75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的濕潤鋒深度則分別較裸土低6.3%和19.5%（t =180 min）。10～13 cm層施條件下，75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理之間差異不顯著（P＞0.05），濕潤鋒運移深度分別較裸土低15.2%、16.3%（t =180 min）；50 g·kg-1用量在入滲60 min后，濕潤鋒運移速率變小，這可能是由于蚯蚓糞施用層與土層之間存在空隙而導致界面產(chǎn)生毛管障礙［21］，影響水分向下移動。上述結(jié)果表明：50 g·kg-1用量的蚯蚓糞層施時對水分入滲具有促進作用，但用量為75 g·kg-1和100 g·kg-1則會抑制水分下移，且抑制作用隨用量增加而增強。其原因可能是施入較多蚯蚓糞（75 g·kg-1及100 g·kg-1蚯蚓糞用量）時，混合層的進水吸力大于土層，當濕潤鋒剛到達上界面時，基質(zhì)勢較小，水分無法立即進入蚯蚓糞混合層，當界面處的水分增加到一定程度，濕潤鋒才開始繼續(xù)向下移動［22］；此外，粒徑較小的蚯蚓糞可能會堵塞土壤孔隙，且蚯蚓糞能夠保持較多的水分，從而加劇其對土壤水分入滲的抑制作用。

圖1 蚯蚓糞混施（A、B）和層施（C、D、E）方式不同用量處理的濕潤鋒動態(tài)變化Fig. 1 Dynamics of wetting front relative to cast application rate and application depth

2.2 蚯蚓糞施用方式及用量對累積入滲量的影響

水分入滲過程達到穩(wěn)定后可用穩(wěn)定入滲率表征入滲能力，但在達到穩(wěn)定入滲之前，常用累積入滲量表征入滲能力［23］?；焓┘皩邮┣樾蜗峦寥览鄯e入滲量隨時間變化過程如圖2所示。由圖2可知，各處理在0～10 cm混施蚯蚓糞條件下的累積入滲量由高到低依次為：50 g·kg-1用量、75 g·kg-1用量、100 g·kg-1用量、裸土，但裸土與75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量并無明顯差異（P＞0.05）；而在10～20 cm混施條件下，裸土的累積入滲量在整個入滲過程中則均大于施用蚯蚓糞的處理，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量分別較裸土小8.2 mm、7.6 mm、11.8 mm（t =180 min）。當蚯蚓糞施入0～10 cm時，該層土壤的孔隙度和持水能力均得到了提高，不僅能夠促進水分進入土壤，還能夠保持較多水分，因而施用蚯蚓糞處理的累積入滲量高于裸土；此外，入滲過程受土壤含水率的影響，當蚯蚓糞施入10～20 cm土層時，水分到達蚯蚓糞層時入滲速率會減小，因而0～10 cm土層的含水率可能高于裸土，進而影響水分進入土壤。另一方面，由于蚯蚓糞形狀不規(guī)則，施用過程中不同的排列重疊模式會對土壤孔隙度和孔隙分布特征產(chǎn)生影響［24］，施用后雖然增加了土壤中的總孔隙度和大孔隙數(shù)量，但有效孔隙則可能會減少；此外，水分運動通道曲折復雜也會阻礙水分運動，當該抑制作用小于由于孔隙增加所產(chǎn)生的促進作用時，單位入滲歷時內(nèi)的入滲量就會減?。?5］。

對比不同層施深度各處理累積入滲量的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)：5～8 cm層施與10～13 cm層施可明顯減少75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量，但在15～18 cm層施條件下各處理間差異不明顯。對于5～8 cm層施的各處理而言，50 g·kg-1用量處理的累積入滲量在入滲的中后期明顯高于裸土，入滲過程結(jié)束時，裸土、50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量的累積入滲量分別為74.2 mm、75.7 mm、70.7 mm、59.7 mm；當蚯蚓糞施入10～13 cm土層時，各處理之間差異顯著（P＜0.05），累積入滲量隨蚯蚓糞施用量的增加而減小，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量分別較裸土小6 mm、13.1 mm、20.3 mm；在15～18 cm層施條件下，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的累積入滲量分別低于裸土1.7%、6.1%、12.9%。上述結(jié)果進一步證實：將蚯蚓糞施入較深土層時在一定程度上會阻礙水分入滲。

圖2 蚯蚓糞混施（A、B）和層施（C、D、E）不同用量處理的累積入滲量動態(tài)變化Fig. 2 Dynamics of cumulative infiltrations relative to cast application rate and application depth

2.3 蚯蚓糞施用方式及用量對土壤入滲參數(shù)的影響

從圖2中可以看到，施加蚯蚓糞各處理雖然表現(xiàn)出了一定的層狀土入滲特征，但其累積入滲量隨時間的變化規(guī)律與均質(zhì)土差異不明顯，因此，可采用Kostiakov模型對實測累積入滲量隨時間的變化過程進行擬合，以進一步分析蚯蚓糞的施用方式及用量對土壤水分運動過程的影響。

擬合得到的不同施用方式及用量處理的土壤入滲參數(shù)及決定系數(shù)如表1所示，從表中可以看出，模型擬合的決定系數(shù)R2在0.996～0.999之間，表明擬合結(jié)果較好。對比層施蚯蚓糞各處理的入滲參數(shù)可知，除50 g·kg-1用量蚯蚓糞在5～8 cm施用的處理外，其余各處理K值均隨施用量的增加呈增長趨勢，n值則隨施用量增加而減小。K值越大，初始入滲率越大，n值越小，入滲率隨時間衰減的過程越緩慢［26］，由此可知，施用蚯蚓糞多數(shù)情況下可以增大土壤初始入滲率，并降低入滲率的減小速度。在不同施用方式及用量條件下，100 g·kg-1施用量的n值均為最小。根據(jù)擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：混施條件下，75 g·kg-1和100 g·kg-1用量有利于促進前期土壤水分入滲，且促進作用隨著蚯蚓糞施用量的增加而增強；5～8 cm層施蚯蚓糞會減緩前期水分入滲，而10～13 cm及15～18 cm層施蚯蚓糞時，入滲率的衰減程度隨施用量的增加而減弱，這與實測結(jié)果一致。

表1 Kostiakov模型擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of the Kostiakov model

2.4 層施方式下蚯蚓糞施用量對土壤含水量的影響

圖3為層施蚯蚓糞條件下不同土層土壤含水率的分布情況。從圖中可以看出，5～8 cm層施條件下，添加蚯蚓糞的各處理4～8 cm土層內(nèi)含水率顯著高于裸土（P＜0.05），50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的土壤含水量分別高出裸土9.6%、12.9%和13.7%，16～20 cm土層在蚯蚓糞施用量為75 g·kg-1及100 g·kg-1時含水量則明顯低于裸土。對于10～13 cm層施蚯蚓糞的各處理而言，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理的8～12 cm土層內(nèi)含水量分別較裸土高28.3%、30.1%、31.4%，但12～16 cm土層內(nèi)含水量差異不顯著（P＞0.05），50 g·kg-1用量處理中16～20 cm土層含水量高于裸土及75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理。15～18 cm層施情形下，50 g·kg-1、75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理12～16 cm土層含水量較裸土分別增加了5.9%、3.6%、4.4%，但75 g·kg-1和100 g·kg-1用量處理之間差異不顯著（P＞0.05），50 g·kg-1和75 g·kg-1用量處理16～20 cm土層內(nèi)含水量分別較裸土高1.5%和0.9%。

蚯蚓糞顆粒均勻，保水透氣能力是普通土壤的3倍，將蚯蚓糞施用在土壤中能夠提高土壤的孔性、排水性和持水性能［27］。在水分入滲過程中，蚯蚓糞層會蓄積大量水分，從而影響水分分布。由測定結(jié)果可知，蚯蚓糞與土壤混合層形成了一個高含水量區(qū)域，其下層土壤含水率也會相應增加，但層施用量較高的蚯蚓糞（75 g·kg-1、100 g·kg-1）則可能減少深層（16～20 cm）土壤含水量。

圖3 層施蚯蚓糞對土壤含水量分布的影響Fig. 3 Effects of application of earthworm cast on distribution of soil water content relatively cast application depth

本試驗所用土壤為塿土，其質(zhì)地比較黏重，大孔隙及水分傳導孔隙較少且土壤孔隙彎曲程度較高，水分在土壤中往往難以入滲［28］；蚯蚓糞孔隙豐富，施入土壤中可促進有機質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，加強土壤腐殖質(zhì)的形成與富集［29］，促進團粒結(jié)構(gòu)的形成，增大土壤孔隙度，施入上層土壤可有效促進水分向下入滲；但蚯蚓糞自身為良好的團粒結(jié)構(gòu)，保水能力強，施用量較高時則會使水分大部分蓄積在蚯蚓糞層，從而抑制土壤水分向下層入滲。

3 結(jié) 論

蚯蚓糞施用方式及用量差異對土壤水分入滲過程具有不同程度的影響。50 g·kg-1用量蚯蚓糞與0～10 cm土壤混合施用能夠促進水分入滲，75 g·kg-1和100 g·kg-1用量蚯蚓糞混施入該層土壤能夠減少累積入滲量，但對濕潤鋒遷移過程無明顯影響；在蚯蚓糞混施入10～20 cm土層情形下，只有用量達到100 g·kg-1后才能顯著延緩水分入滲過程。不同蚯蚓糞施用方式及用量條件下的土壤水分入滲過程可用Kostiakov入滲經(jīng)驗公式進行描述，擬合結(jié)果表明，添加75 g·kg-1和100 g·kg-1用量的蚯蚓糞可增加初始入滲率，而將蚯蚓糞施入較深土層則能夠降低入滲率的減小速度。蚯蚓糞以層施方式加入土壤后，多數(shù)情況下可提高其下層的土壤水分含量，但用量較多時則可能會延緩水分入滲過程，從而導致深層土壤含水率相對偏低。