牛粪有机肥对植烟黄壤理化性质及持水能力的影响

肖庆礼 ，陈昆燕 ，代先强，陈瑜欣，王鹏 ，戴亚 ，丁伟

1 西南大学，植物保护学院，重庆市北碚区天生路2号 400715；2 重庆中烟工业有限责任公司，重庆市南岸区南坪东路2号 400060；3 烟叶资源科学利用重庆市重点实验室，重庆市南岸区南坪东路2号 400060；4 重庆市烟草公司，重庆市江北区五江路20号 400020

黄壤是西南山区主要的土壤类型，黄壤区也是我国优质烤烟的主要分布区[1]。由于烟区长期单一施用化肥，导致该地区土壤板结严重[2]。与此同时，西南地区肉牛养殖业快速发展，但是粪便污染已经成为制约肉牛产业发展的最大瓶颈[3-4]。为此，地方政府与烟草公司共同扶持成立有机肥合作社，以牛粪等粪便污染物为原料，每年生产约3万吨牛粪有机肥，并施用到重庆市近四十万亩烟田。这既消除粪便排放引起的环境污染，又有效改善了黄壤的不良结构，培肥了地力，实现了一举双赢。

牛粪有机肥的主要成分为有机碳，不仅具有疏松多孔的性质，还具有养分齐全，肥效持久的特点[5-6]。因此牛粪有机肥的施用不仅可以改善土壤的理化性质和提高作物产量[7-8]，而且还能部分替代化肥以减轻农业的面源污染[9]。王道中等[10]研究表明，增施牛粪等有机肥可有效降低砂姜黑土的容重，提高土壤田间持水率，进而提高小麦和大豆的产量。梁欢等[11]研究表明，与不施肥对照相比，牛粪有机肥的施入，不仅有效提升重庆岩溶地区甜高粱草地土壤的养分含量，而且可大幅增加甜高粱的生物量。Guo等[12]研究发现，在小麦-玉米轮作农田系统配施牛粪有机肥可显著降低土壤容重，增加土壤水分和养分含量，大幅提高粮食产量。王春雪等[13]研究了不同牛粪和化肥配施种植水稻对整个体系中的碳、氮、磷的消纳作用，发现稻田配施牛粪可以显著降低盆面水的pH值、化学需氧量、总磷和总氮，稳定土壤中的氮含量，同时增加水稻植株中磷钾含量。综上，在农业生产上，关于牛粪有机肥已开展大量的研究工作，但在黄壤区开展的研究相对较少。目前，牛粪有机肥在黄壤区农业生产上已经得到广泛的应用，但相关的理论研究还比较薄弱，特别是对结构紧密[14]、质地粘重[15]和板结酸化的黄壤改良等方面鲜有报道。基于此，本文通过研究不同牛粪有机肥用量对植烟黄壤理化性质及持水能力的影响，旨在为黄壤区烟田的土壤改良提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在重庆市烟草科学研究所彭水试验站（彭水县润溪乡白果坪村）进行。供试土壤采自附近白果坪村黄壤烟田的耕作层；供试牛粪有机肥来自喜润有机肥合作社，牛粪有机肥由约75%牛粪以及25%秸秆、菌棒和药渣等有机物料混合配比，然后经过近一年的充分腐熟发酵制成成品。土壤和牛粪有机肥放置于室内通风处，经风干后去杂，碾压过2 mm筛备用。供试牛粪有机肥基本理化性质来自重庆市计量质量检测研究院的测试报告，具体见表1。

1.2 试验设计

试验共设6个牛粪有机肥梯度处理，每个处理3次重复。6个处理中牛粪有机肥与供试土壤的质量百分比分别为：0、0.30 %、0.75 %、1.20 %、1.65 %和2.10 %，并分别标记为T0、T1、T2、T3、T4和T5。各处理土壤与牛粪有机肥混合均匀后分别填装入内径10 cm，高32 cm的聚氯乙烯管（PVC）中，管的底部用纱布封闭防止土壤颗粒流失的同时保证排水畅通。装填高度为30 cm。装填时分层（每层5 cm）进行，并在分层界面处进行打毛处理。由于牛粪有机肥的容重远低于供试土壤，牛粪有机肥的施入在一定程度上降低了土壤容重，为了尽可能模拟田间实际情况，在试验开始前进行了预装填试验，并得出T0、T1、T2、T3、T4和T5处理的容重分别为1.273、1.262、1.254、1.243、1.235 和 1.223 g.cm-3。

表1 牛粪有机肥与黄壤基本理化性质Tab.1 Physicochemical properties of cattle manure organic fertilizer and yellow soil

装填结束后将土柱放进水槽，使水分从土柱底部浸入。待土柱完全饱和后，将土柱移出水槽，放置在铁丝网上进行自由排水试验，同时用保鲜膜封住土柱上口防止土壤水分蒸发，排水时间为10 d，以尽量消除黄壤中重力水的影响。然后把土柱放置于通风透光的防雨棚下，同时打开土柱上口密封的保鲜膜进行蒸发试验。由于7月份重庆市经常面临持续1个多月的伏旱天气，因此土柱蒸发试验从2018年7月1日开始，至8月12日结束，持续时间为43 d，以模拟伏旱天气下土壤的持水性能。

1.3 测定内容与方法

自由排水期间，按照前密后稀的时间间隔用台称称量土柱的重量；蒸发试验期间，每天定时用台称称量土柱的重量，以计算土柱持水量的动态变化。试验结束后，用环刀取原状土，用定水头法测定土壤饱和导水率。用美国SEC公司生产的压力膜仪测定土壤水分特征曲线。

土壤颗粒用吸管法测定；有机质用重铬酸钾容量法测定；pH采用pH计测定；全氮采用开氏蒸馏法测定；全磷采用NaOH熔融钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH熔融火焰光度法测定。

土壤总孔隙度计算公式如下：

式中：ρs为土粒密度，其值一般为2.65 g.cm-3；ρb为土壤容重，g.cm-3。

1.4 模型介绍

1.4.1 基本方程

Hydrus-1D模型对土壤水分运移的模拟采用Richards方程，方程的数值求解采用Galerkin有限元法对土壤剖面进行空间离散，采用隐式差分格式进行时间离散。其表达式如下：

式中：t为时间，d；θ为土壤含水率，cm3.cm-3；h为土壤基质势，cm；z为土壤垂直高度，cm；K为非饱和导水率，cm.d-1。

Richards方程中涉及的非饱和土壤基质势、导水率与含水率的关系采用van Genuchten和Mualem方程拟合（简称VG-M模型）[16-17]

式中：Se为相对有效含水率；θ为体积含水率，cm3.cm-3；θr和θs分别为残余含水率和饱和含水率，cm3.cm-3；α、n和m均为VG-M模型参数，其中m=1-1/n；Ks为饱和导水率，cm.d-1。

1.4.2 初始条件和边界条件

自由排水开始时土柱处于饱和状态，自由排水过程采用保鲜膜密封防止土壤蒸发，其初始条件和边界条件如下：

式中，L为土柱高度（30 cm）。

1.5 水力学参数的拟合与优化

利用实测的土壤吸力-土壤体积含水率数据，通过RETC软件内置的VG-M模型对土壤水力学参数进行拟合（θs采用实测值）。拟合的水力学参数具有较好的精确度，但由于压力膜仪在测定土壤水分特征曲线时，容重随压力的增加逐渐增大，非恒定的容重导致应用拟合的水力学参数模拟土柱的自由排水时出现了较大的误差。因此采用Hydrus-1D模型中Inverse模块[18]对α、n和Ks进行优化，以进一步提高模型模拟的精确度。

式中：θ（h）为土壤体积含水率，cm3.cm-3；h为土壤基质势，cm；θr 和θs 分别为残余含水率和饱和含水率，cm3.cm-3；α、n和m均为VG-M模型参数，其中m=1-1/n。

1.6 数据处理与分析

采用Excel2013对数据进行处理。采用SPSS Statistics 20.0软件对数据进行方差分析（P<0.05）。利用决定系数R2、均方根误差（RMSE）和平均偏差（MBE）评价模型的模拟效果：

式中：si和oi分别为样本模拟值和实测值，N为样本个数，i为样本号。

R2值越趋于1，RMSE越小和MBE 越接近于0，表明模型模拟效果越好。

2 结果与分析

2.1 牛粪有机肥对植烟黄壤理化性质的影响

由表1可知，牛粪有机肥的主要成分是有机碳，且容重较小，酸度值偏碱性。而黄壤质地粘重，土壤偏酸性[14]，因此牛粪有机质的加入必然对黄壤的理化性质产生较大影响。由表2可知，与对照相比，随着牛粪有机肥用量的增加，土壤2～0.25 mm和＜0.002 mm的颗粒含量呈现不同程度的增加，而0.25～0.05 mm和0.02～0.002 mm的颗粒含量则呈现不同程度的减少，0.05～0.02 mm的颗粒含量则没有明显规律。同时，牛粪有机肥的施入显著降低了黄壤容重，明显增加了黄壤的总孔隙度。由表2还可以看出，随着牛粪有机肥用量的增加，有机质含量和pH均呈明显的线性增加，其中T5处理的有机质含量和pH分别比T0处理增加了59.70%和0.84个单位。

2.2 牛粪有机肥对植烟黄壤水力学参数的影响

从表3可以看出，随着牛粪有机肥用量的增加，土壤残余含水率（θr）和进气值倒数（α）依次递减，从T0处理的0.231 cm3.cm-3和0.063 cm-1减至T5处理的0.135 cm3.cm-3和0.028 cm-1；而饱和含水率（θs）和饱和导水率（Ks）则是依次递增，从T0处理的0.485 cm3.cm-3和1.61 cm.h-1增至T5处理的0.515 cm3.cm-3和3.03 cm.h-1。牛粪有机肥对经验参数（n）的影响则相对较小。

表2 牛粪有机肥对黄壤基本理化性质的影响Tab.2 Effect of cattle manure organic fertilizer on physicochemical properties of yellow soil

表3 牛粪有机肥对黄壤水力学参数的影响Tab.3 Effect of cattle manure organic fertilizer on hydraulic parameters of yellow soil

图1 自由排水过程土壤持水量的实测值与模拟值Fig.1 Measured and simulated values of soil water storages during the free drainage process

2.3 模拟结果评价

采用自由排水过程实测的土壤持水量对Hydrus-1D模型的模拟结果进行评价，土壤持水量的模拟值与实测值见图1。从图1可以看出，不同牛粪有机肥处理土壤持水量的模拟值与实测值基本分布在1:1线附近，决定系数R2在0.981～0.994之间，RMSE和MBE分别在 0.926～1.235 mm 和 0.119～0.659 mm 之间。较大的决定系数（R2），以及较小的均方根误差（RMSE）和平均偏差（MBE），说明利用Hydrus-1D模型及优化后的水力学参数可以较好模拟黄壤的自由排水过程。

2.4 牛粪有机肥对植烟黄壤孔隙分布的影响

参考土壤科学百科全书[19]对土壤孔隙的分段，将土壤当量孔径分为极微孔隙（＜0.3 µm）、微孔隙（≥ 0.3～5 µm）、小孔隙（≥5～30 µm）、中等孔隙（≥ 30～75 µm）、大孔隙（≥ 75～100 µm）和土壤孔隙（＞100 µm）6个孔径段。利用VG-M模型和土壤水力学参数分别计算不同处理土壤6个孔径段的当量孔径分布（图2）。

从图2可以看出，随着牛粪有机肥用量的增加，植烟黄壤的极微孔隙比例依次递减，从T0处理的54.72%减至T5处理的38.70%，而微孔隙、小孔隙和中等孔隙比例则呈依次递增的趋势，微孔隙、小孔隙和中等孔隙比例分别从T0处理的9.74%、11.36%和7.14%增至T5处理的17.14%、18.55%和9.80%。牛粪有机肥对大孔隙和土壤孔隙的影响则相对较小。

图2 牛粪有机肥对黄壤当量孔隙分布的影响Fig.2 Effect of cattle manure organic fertilizer on equivalent pore diameter distribution in yellow soil

2.5 牛粪有机肥对植烟黄壤水分常数的影响

利用水力学参数分别计算出不同处理土壤的田间持水率、凋萎系数、重力水、有效水、易利用水。田间持水率是土壤吸力为0.2×105Pa 时对应的含水率，凋萎系数是土壤吸力为1.5×106Pa 时对应的含水率[20]，重力水是饱和含水率与田间持水率之差，无效水是凋萎系数以下的水，有效水是田间持水率与凋萎系数之差，易利用水是田间持水率与毛管断裂持水量之差，约为65%的田间持水率。

从表4可以看出，随着牛粪有机肥用量的增加，不同处理黄壤的田间持水率和易利用水基本不变，而凋萎系数和无效水含量则呈现快速降低的趋势，导致有效水含量从T0处理的0.083 cm3.cm-3大幅增加到T5处理的0.152 cm3.cm-3。随着牛粪有机肥用量的增加，重力水也从T0处理的0.141 cm3.cm-3大幅增加到T5处理的0.171 cm3.cm-3。

表4 牛粪有机肥对黄壤水分常数的影响Tab.4 Effect of cattle manure organic fertilizer on water constants of yellow soil

2.6 牛粪有机肥对植烟黄壤蒸发过程的影响

西南山区虽然降水较为丰富，但经常遭受伏旱天气的不利影响。因此排水试验结束后，又进行了43 d的蒸发试验，以模拟伏旱天气下植烟黄壤的蒸发过程与持水性能。从图3可以看出，蒸发的前29 d，黄壤持续维持较高的蒸发量，持水量也随之快速减少，同时不同处理间蒸发量和持水量的差异较小；而在29 d之后，蒸发量出现明显降低的趋势，持水量减小的趋势也明显减缓，牛粪有机肥的施入则减缓了蒸发量降低的趋势，不同处理间蒸发量和持水量的差异有增大趋势。

3 讨论

牛粪有机肥的主要成分为有机碳，具有较小的容重、较高的pH值和疏松多孔的特性[21]。黄壤质地黏重，酸性较强，透水透气性较差[22]，牛粪有机肥的施入必然会对黄壤的质地、容重、孔隙结构和酸碱度等理化性质产生直接的影响。本研究中，牛粪有机肥的施入不同程度改变了黄壤的颗粒组成，其原因可能是牛粪有机肥的施入激发了土壤的微生物活性，促进土壤有机碳的分解，形成真菌和糖类，并与土壤颗粒形成新的团聚体[23-24]。徐香茹等[25]和王艳阳等[26]分别在东北黑土区的研究也得出类似的结论。此外，牛粪有机肥的施入显著降低了黄壤的容重和极微孔隙的比例，明显增加了黄壤的总孔隙度和中小微孔隙的比例，李传友等[27]研究表明，有机物料粉碎还田后果园土壤容重大幅降低，总孔隙度大幅增加，这与本研究结果基本一致。赵迪等[28]研究发现，生物炭的添加可有效降低粉粘壤土中极微孔隙和中大孔隙的比例，提高微孔隙和小孔隙所占的比例，这与本研究结果存在一定差异，其原因可能是与生物炭相比，牛粪有机肥容重更小，有机质含量更高，对土壤孔隙结构的改善更为明显。此外，随着牛粪有机肥用量的增加，黄壤的有机质含量和pH均呈明显的线性增加，这主要是由于是牛粪有机肥的主要成分为有机质，牛粪有机肥的施入必然导致有机质含量的大幅提升；又由于牛粪有机肥偏碱性，与黄壤中的酸性物质中和可有效缓解黄壤的酸度值。

图3 牛粪有机肥对土壤累积蒸发量和持水量的影响Fig.3 Effect of cattle manure organic fertilizer on soil cumulative evaporation and water storage

土壤水力学参数是研究土壤水分和溶质运移的基本参数，对评价土壤水分的有效性和持水性具有重要意义[29]。目前，拟合土壤水力学参数常用的模型有VG-M模型[16-17]、BC模型[30]和LND模型[31]。土壤水力学参数主要受土壤质地、土壤结构和容重等多重因素的影响[32-33]。本研究中，随着牛粪有机肥用量的增加，残余含水率（θr）和进气值倒数（α）大幅降低，而饱和含水率（θs）和饱和导水率（Ks）则明显增加，其原因可能是牛粪有机肥的施入，明显增加黄壤的总孔隙度，有效降低黄壤容重，大幅改善了黄壤的孔隙结构（表2和图2），从而明显改变了黄壤的水力学参数。此外，本研究中，利用Hydrus-1D模型对黄壤的自有排水过程进行了模拟，并与对应的实测值进行了验证，较大的决定系数（R2），以及较小的均方根误差（RMSE）和平均偏差（MBE），说明采用Hydrus-1D模型和水力学参数可以较好模拟黄壤的自由排水过程。任利东等[34]和肖庆礼等[35]利用Hydrus-1D模型分别在室内和野外环境下模拟了层状土壤的自由排水过程，模拟结果均具有较高的精确度。

土壤水分常数是反映土壤水分物理指标和植物根系有效程度的特征值[36]。田间持水率是毛管悬着水达到最大时土壤持有的水分，通常被视为植物利用土壤有效水分的上限，而凋萎系数则是植物利用土壤有效水分的下限，低于凋萎系数则属于作物无法利用的无效水分[37]。田间持水率与凋萎系数的差值越大说明土壤有效含水量越高，对作物的生长发育越有利。本研究中，牛粪有机肥的施入，虽然对黄壤田间持水率的影响较小，但却显著降低了黄壤的凋萎系数和无效含水量，同时大幅提升了黄壤的有效含水量。这可能是牛粪有机肥的施入明显降低了黄壤的极微孔隙（图2），显著改善了黄壤质地黏重的不良结构。吴维等[38]利用玉米秸秆生物炭对贵州黄壤进行改良的研究中也得出类似的结论。另外，本研究发现，基于单一吸力值计算的土壤田间持水率与实测值存在一定的偏差，其原因可能是不同牛粪有机肥用量下黄壤田间持水率对应的吸力值不是单一值或者黄壤自由排水时间不足引起的，因此下一步将加强这方面的研究。

牛粪有机肥对黄壤的蒸发和持水性能的影响明显分为两个阶段。蒸发的前29 d，牛粪有机肥对黄壤蒸发和持水性能影响较小，而在29 d之后则影响较大。这主要是由于黄壤质地粘重，持水能力较强，因此可以持续维持较高的蒸发量；又由于黄壤具有较强的胀缩性，经过长时间的蒸发后，土壤含水量大幅降低，表土层易出现板结进而阻碍了水分的蒸发，而牛粪有机肥的施入则明显降低了黄壤板结的程度。

4 结论

本文通过土柱模拟试验，系统研究了牛粪有机肥对植烟黄壤理化性质和持水能力的影响，得出如下结论：

（1）牛粪有机肥的施入，不同程度的改变了黄壤的颗粒组成，明显增加了黄壤的有机质含量和总孔隙度，有效缓解了黄壤的酸度值，明显降低了黄壤的容重，显著改善了黄壤的理化性质。

（2）随着牛粪有机肥用量的增加，黄壤残余含水率（θr）和进气值倒数（α）显著降低，而饱和含水率（θs）和饱和导水率（Ks）则明显增大，形状参数（n）则变化不大；有效水和重力水大幅增加，而凋萎系数和无效水显著减小，田间持水率和易利用水则基本不变。

（3）土壤蒸发的前29 d，牛粪有机肥对黄壤蒸发和持水量的影响较小，而在29 d以后则影响增大。

（4）牛粪有机肥可明显改善植烟黄壤的理化性质及持水性能，但由于牛粪有机肥具有肥效缓慢持久的特点，烟田当季施用易导致烤烟贪青晚熟，因此应在烤烟前季作物上施用效果更佳。