潘昭隆, 劉會芳, 趙帥翔, 馬海龍, 張翠英, 段志平

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院/中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展學(xué)院,北京 100193；2.灤南縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,河北 唐山 063500)

據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)約有10億hm2的土壤發(fā)生了不同程度的鹽漬化[1].土壤鹽漬化對農(nóng)作物根系吸收水分、養(yǎng)分的過程產(chǎn)生脅迫，對作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大，已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要因子[2-3].因此，明確土壤鹽漬化程度是治理土壤鹽漬問題、提高土壤質(zhì)量的先決條件[4]，通過測量土壤電導(dǎo)率來表征土壤的含鹽情況、分布規(guī)律與鹽漬化發(fā)生程度是主要技術(shù)手段.

土壤電導(dǎo)率可表征土壤鹽分、質(zhì)地結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分含量及pH值等理化信息，近年來受到眾多學(xué)者的關(guān)注[5-7].李淑敏等[8]研究表明，在一定濃度范圍內(nèi)，可溶性鹽含量與電導(dǎo)率呈正相關(guān)，電導(dǎo)率隨含鹽量的升高而升高；國外學(xué)者Griffin et al[9]研究表明，土壤電導(dǎo)率與土壤中的離子強度存在定量關(guān)系.可見土壤鹽分是影響土壤電導(dǎo)率改變的主要因素，并且土壤電導(dǎo)率還受土壤類型的影響.研究發(fā)現(xiàn)，不同土壤中固體顆粒的大小、形狀、空間排列以及由此產(chǎn)生的土壤孔隙大小分布不同，在同一溫度和含水率的條件下，土壤電導(dǎo)率隨土壤顆粒減小、黏粒含量的增加而增大[10].除鹽分和土壤類型條件外，施肥量對土壤電導(dǎo)率的變化有直接影響，閆建文等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)施土壤中，氮肥用量與土壤電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)，并且氮肥施用量越大，土壤鹽漬程度就越顯著，這說明氮肥的過量投入是導(dǎo)致土壤鹽漬化加重的成因之一；他們認為，不同施氮量對于不同鹽漬土電導(dǎo)率變化趨勢的影響不同，在輕度鹽漬土壤中，電導(dǎo)率隨施氮量增加而降低，中度鹽漬土壤中，電導(dǎo)率隨著施氮量的增加而增加.

土壤電導(dǎo)率受多種指標的影響，但在實際生產(chǎn)過程中，土壤類型和氮肥投入是影響土壤電導(dǎo)率變化的主要因素，隨著氮肥在土壤中的累積，土壤緩沖被破壞，土壤電導(dǎo)率大幅度提升，對作物的生長產(chǎn)生直接影響[12].目前針對氮肥投入對不同土壤類型電導(dǎo)率變化的影響尚不明確，因此，本研究對此進行試驗驗證，探究氮肥投入對不同類型土壤電導(dǎo)率變化的影響，旨在進一步了解土壤電導(dǎo)率的動態(tài)變化規(guī)律，為數(shù)字農(nóng)業(yè)中電導(dǎo)率作為土壤監(jiān)測的重要指標提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

選取河北省唐山市灤南縣農(nóng)作區(qū)代表性的沙質(zhì)、壤質(zhì)、粘質(zhì)土壤為試驗材料，土壤過5 mm篩后置于20 cm×25 cm的盆中進行試驗.3種土壤電導(dǎo)率背景值分別為0.101、0.317、0.357 mS·cm-1.為模擬實際生產(chǎn)中的氮肥投入，先實地調(diào)查當?shù)剞r(nóng)戶氮肥投入情況，并以此為依據(jù)對當?shù)剞r(nóng)戶的3種不同施氮量設(shè)置3個氮肥濃度(10、20、30 g·L-1，分別標注為肥液1、肥液2和肥液3)，共9個處理(表1)，每個處理3次重復(fù).

表1 試驗處理情況Table 1 List of treatments

在盆栽環(huán)境中，施用肥液5 d后，土壤含水量降低，土壤硬度變大，土壤電導(dǎo)率趨于穩(wěn)定，因此不便于進行電導(dǎo)率的動態(tài)測定，為探究氮肥累積條件下3種土壤類型在不同時間不同土層的電導(dǎo)率變化，本研究在肥液3施用后，在5 d內(nèi)對3種類型土壤的電導(dǎo)率進行取樣監(jiān)測.研究表明，在不同類型土壤上添加多種濃度的氮肥溶液時，所有處理的電導(dǎo)率在100～300 h后不再變化[13]，因此，為探究施肥后各土層土壤電導(dǎo)率的最終變化情況，分別在肥液1和肥液2施用后的第5天(120 h)進行取樣，取樣完成后再進行下一濃度肥液的施用.肥液1施用時間：9月25日，肥液2施用時間：9月30日，肥液3施用時間：10月5日，肥液施用體積均為1 L.為探究高氮肥投入條件下3種類型土壤電導(dǎo)率的動態(tài)變化，在肥液3施用后的第1天開始進行取樣檢測，連續(xù)取樣5 d，取樣時間為10月5日至10月9日.

1.2 測定指標

土壤取樣采用鉆孔取樣，肥液1和肥液2處理后的土樣采用自然風干，肥液3施用后取得的土壤用烘箱立即烘干.所有土壤均按照5∶1的水土質(zhì)量比，采用DDSJ-308電導(dǎo)率儀進行獨立測定各處理中0～5、5～10、10～15 和15～20 cm土層土壤的電導(dǎo)率值，每份土樣連續(xù)測3次，并換算成25 ℃的標準電導(dǎo)率.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進行試驗數(shù)據(jù)的處理與圖表制作，并用SPSS 20.0進行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD-t).

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤電導(dǎo)率對不同氮肥投入濃度的空間響應(yīng)

隨著氮肥投入濃度的不斷變化，土壤可溶性離子在土體中不斷運移，土壤鹽分含量發(fā)生變化，土壤電導(dǎo)率也處于動態(tài)變化之中，但在不同類型土壤上的響應(yīng)有一定差異.從圖1可以看出，在沙土中，隨著氮肥投入濃度的升高，各土層電導(dǎo)率均不斷升高，說明在0～5、5～10、10～15、15～20 cm土層均有鹽分累積，尤其是表層0～5 cm和底層15～20 cm的土壤，表層土壤由于鹽分表聚，導(dǎo)致電導(dǎo)率升高，底層由于有水鹽下滲，因此電導(dǎo)率也較高，在肥液3施用后，底層電導(dǎo)率達0.39 mS·cm-1，是肥液1施用后底層電導(dǎo)率的3.45倍.壤土各土層土壤電導(dǎo)率隨著肥料溶液濃度的升高呈現(xiàn)升高趨勢，肥液2施用后，其0～5、5～10、10～15、15～20 cm土層的電導(dǎo)率分別是肥液1施用后對應(yīng)土層電導(dǎo)率的1.19、1.31、1.33、1.10倍，增量不多，而在肥液3施用后，電導(dǎo)率增幅最大，0～5、5～10、10～15、15～20 cm土層的電導(dǎo)率分別是肥液1施用后對應(yīng)土層電導(dǎo)率的2.68、3.36、2.02、1.27倍.由于黏土的緩沖性較大，肥液1與肥液2處理在黏土各土層之間的電導(dǎo)率差異不大，在肥液3施用后，黏土各土層的電導(dǎo)率出現(xiàn)了升高趨勢，各土層電導(dǎo)率分別是肥液1施用后的1.82、1.49、1.80、1.61倍.

不同小寫字母表示同一土層不同氮肥投入濃度處理間差異顯著(P<0.05).圖1 不同土壤類型不同土層電導(dǎo)率變化Fig.1 Changes in electrical conductivity in response to various N inputs under different soil types and layers

2.2 土壤電導(dǎo)率在氮肥累積投入下的時間響應(yīng)

圖2顯示了不同類型土壤各土層電導(dǎo)率隨時間變化的規(guī)律：在氮肥累積作用下，隨著時間的推移，土壤電導(dǎo)率也在不斷變化.沙土各土層的電導(dǎo)率整體隨時間的增長而呈現(xiàn)下降趨勢，在第5天的時候，0～5、5～10、10～15 cm土層鹽分下滲明顯，底層(15～20 cm)變化不明顯.壤土電導(dǎo)率在垂直方向上空間變異較大，隨土層深度的增加，電導(dǎo)率值呈升高趨勢，即上層土壤電導(dǎo)率低，下層土壤電導(dǎo)率高，并且隨著時間的延長，出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象，使表層(0～5 cm)土壤電導(dǎo)率顯著升高，底層(15～20 cm)電導(dǎo)率變化明顯，但也呈升高趨勢，說明壤土具有一定鹽分積蓄的能力.黏土由于質(zhì)地粘重，水分遷移能力差，抗干擾能力較強，各土層隨時間的增長，其變化并不明顯，空間變異性較小.

圖2 不同土壤類型電導(dǎo)率隨時間的變化Fig.2 Temporal changes in electrical conductivity under different soil types and layers

3 結(jié)論與討論

對于不同質(zhì)地的土壤，由于其孔隙狀況和粘粒含量的不同，其土壤電導(dǎo)率的改變情況也有所不同.研究指出，沙質(zhì)土壤的毛管孔隙較大，水分隨毛管移動的速度快，鹽分不易積累，因此不易鹽化；壤質(zhì)土壤毛管孔隙適中，水分與鹽分運移量較大，土壤易產(chǎn)生鹽漬化；粘質(zhì)土壤毛管孔隙較小，水分與鹽分運移較慢，土壤比較不易鹽化[14]，這與本研究中測定的結(jié)果基本相同，并且國外學(xué)者Rhoades et al[15]研究表明，土壤電導(dǎo)率值與粘粒含量線性相關(guān)，其線性關(guān)系為EC=0.023(%C)-0.029(R2=0.99，%C為土壤中黏土含量的百分數(shù))，王寧偉等[16]也通過試驗得出相似的結(jié)論.因此，對于沙質(zhì)土壤來說，由于缺乏固體粘粒，且其孔隙較大，難以存留水分，所以土壤電導(dǎo)率值較低，反之壤土和黏土的土壤電導(dǎo)率值較高.在氮肥累積的條件下，隨著時間的延長，不同土壤類型呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，這與土壤類型的差異有直接關(guān)系，沙土各土層電導(dǎo)率不斷下降，表層土壤下降幅度較高，底層土壤變化不顯著；壤土各土層土壤電導(dǎo)率逐漸升高，表層土壤增加幅度最高；黏土由于鹽分移動相對困難，各土層電導(dǎo)率變幅不大.

隨著氮肥投入濃度的不斷升高，3種類型土壤均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加呈現(xiàn)鹽分累積現(xiàn)象，但不同質(zhì)地的土壤各土層電導(dǎo)率的變化有所不同.沙土質(zhì)地較輕，保水保肥能力差，隨著氮肥投入的增加，各土層空間變異性大，15～20 cm土層的電導(dǎo)率值最高；在氮肥投入相同下壤土和黏土的電導(dǎo)率同樣存在一定的空間變異，但由于二者自身具有一定的緩沖性，因此當?shù)释度霛舛容^低時(肥液1和肥液2施用后)，不同濃度肥液處理下的同一土層電導(dǎo)率變化不大，這在黏土上較為顯著，但在氮肥投入濃度較高時(肥液3施用后)，壤土和黏土都達到了緩沖臨界，同一土層內(nèi)，電導(dǎo)率增幅顯著，這說明過高濃度的肥液會打破土壤的內(nèi)在緩沖性，導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率處于快速上升的趨勢，土壤電導(dǎo)率值過高會對土壤及作物造成危害.因此，明確土壤電導(dǎo)率的緩沖臨界并在此基礎(chǔ)上進行合理的養(yǎng)分投入是推進土壤可持續(xù)利用的科學(xué)方式，但由于本研究只設(shè)置3個氮肥濃度梯度，并沒有準確量化出各土壤電導(dǎo)率的緩沖臨界值.此外，孫玉龍等[17]研究指出，水分與溶液中可溶性鹽分的運移相互關(guān)聯(lián)，當土壤含水變化較大時，土壤電導(dǎo)率變化也較大，因此土壤電導(dǎo)率與其含水量密切相關(guān)，但由于本研究試驗的局限性，并未研究出電導(dǎo)率與土壤濕度之間的具體關(guān)系.

綜上所述，本研究表明：隨著氮肥投入的增加，不同質(zhì)地土壤各土層電導(dǎo)率的變化有所差異，壤土和黏土電導(dǎo)率的空間變化要小于沙土，并且過高濃度的氮肥投入會顯著提升不同質(zhì)地土壤各土層的電導(dǎo)率值.過高的電導(dǎo)率會嚴重制約作物的正常生長，Li et al[18]研究表明電導(dǎo)率值過高會抑制作物根系對養(yǎng)分的吸收，從而降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)；張金錦等[19]認為過量的氮肥投入是造成土壤鹽漬化的主要原因，因此在不同質(zhì)地土壤上進行作物生產(chǎn)，均需要嚴格控制氮肥投入，尤其在鹽漬化土壤中，在了解作物養(yǎng)分吸收規(guī)律和土壤基礎(chǔ)肥力的前提下，結(jié)合土壤電導(dǎo)率監(jiān)測適當減少氮肥投入是降低土壤鹽漬化的有效措施.