不同水文年气候和施肥对红壤剖面水分变化的相对影响.docx

1、DOI: 10.13758/j .cnki.tr.2015.02.028不同水文年气候和施肥对红壤剖面水分变化的相对影响钱海燕123,陈玲1,孙波】基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(2011CB100506).江西省对外科技合作项目(20142BDH80006)和江西省科技支撑计划项目 (20132BBF60078)资助。 通讯作者(bsun)作者简介：钱海燕(1977),女，江苏如东人，副研究员，博士研究生，主要从事农田生态系统养分循环研究。E-mail: hyqian(1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京210008;2中国科学院大学，北京1000

2、49； 3江西省山江湖开发治理委员会办公室，南昌330046)摘要：改善红壤剖面的水分库容及其稳定供应能力是提升红壤地力的一个重要方面。本文通过10年施用有机 肥的淋溶池试验，研究了玉米连作红壤早地剖面不同深度(30100 cm)体积含水量的长期变化规律，利用集成推进树 算法(ABT)定量评估了气象因素(降水和气温)和人为因素(施用有机肥)对红壤不同土层水分含量及其变异性的相对影 响。研究结果表明：不同水文年份土壤剖面平均含水量变化顺序是丰水年(0.389 cm/cm3)平水年(0.380 cm3/cm3)tt水 年(0.377 cm3/cm3)；除2005年和2009年外，其余年份月均降水均

3、与土层(30100 cm)平均含水量呈显著对数曲线关系 (r0.582, Pu34 2 0 8 6 44 4 4 3 3 3 o.o.o,o.o.o.(Ew。)444240O.8 6 4 23 3 3 30.0.O.0.O.0. (EcyE。)拍E冬a再T* HM6420864244443333 O.O.O.O.O.O.O.O.(& E。)正留妃京4胃T2011201020092008200720062005200420032002时间图2 2002-2011年不同施肥处理下红壤剖面中土壤水分的变化Fig. 2 Changes of soil water contents in red soi

4、l profiles under different manuring treatments from 2002 to 2011大；在玉米休闲季(8月一次年3月)，土壤水分含量 在不同水文年均经历了先减小随后缓慢上升，至次年 3月达到相对平稳状态。表1为20022011年不施肥(CK)处理月均降水 与红壤剖面(30100 cm)土壤含水量的拟合方程。研 究发现，除2005年和2009年外，对数曲线模型 bo+bnx)均能很好地描述两者之间的变化趋势，相 关性较好(尸0.582, PV0.05)。此外，从CK处理月均 降水量占30100 cm 土层土壤储水量比例来看 (图3),发现除2009年3

5、月比例(74.8%)最高外，其 余年份最高比例均出现在46月份,范围为40.2% 144.0%o其中，20022006年和2010年以5月和6 月所占比例最高，20072008年以3月和6月最高， 2011年以6月比例最高。除每年的4-8月份外，其 余月份均有最低比例出现，枯水年最低比例多出现在 9-12月，丰水年最低比例出现在11月。在不同的水文 年，不同施肥处理上壤(30100 cm)枯水年、平水年和 丰水年平均含水鼠分别为0.377、0.380和0.389 cm3/cm3,差异显著(P0.05)o表1 20022011年不施肥处理月均降水量与红壤剖面(30100 cm)月平均含水量的拟合

6、方程Table 1 Fitting equations between monthly precipitation and meansoil water contents in red soil profiles(30-100cm)under no manuringtreatment from 2002 to 2011年份拟合方程相关系数(r)显著性(P)2002y=0.323+0.0121nx0.7910.0202003*=0.322+0.01 Ihu0.7820.0032004y=0.359+0.0021nx0.5820.04720052006*=0.365+0.0061nx0.7690.

7、0032007y=0.354+0.0081nx0.8200.0012008y=0.359+0.0071ar0.8740.00020092010y=0.369+0.005l!U0.8460.0012011*=0.373+0.0051nx0.8510.001注：x代表月均降水量，y代表30-100 cm月均含水量; 其余2种施肥处理两者关系与不施肥处理类似，数据没有显示。160140120100806040200 2002 o2003b2004 -2005 2006 o2007 2008 b2009 2010 o2011月份图3不施肥处理各年份月均降水量占红壤剖面(30 100 cm)储水量的比例

8、Fig. 3 The ratio of monthly precipitation and soil water storage inred soil profiles (30-100 cm) under no manuring treatment from 2002to 20112.2 土壤水分的垂直变化同一施肥处理不同土层之间的平均含水量在枯 水年、平水年和丰水年表现出一致的垂直变化规律, 随着土层深度的增加而增加，差异极显著(PV0.01, 图4)o相同施肥处理下，在平水年和丰水年的不同 季节(生长季和休闲季)，不同土层土壤含水量存在极 显著差异(PV0.01),且生长季土壤水分变化较大

9、；在 枯水年，不同土层土壤含水量在生长季表现出显著差 异(PV0.05),在休闲季差异不显著且土壤水分变化较 生长季活跃(表2)o相同土层中，与CK处理相比， 在平水年和丰水年，除LM处理在30 cm 土层土壤水 分含量无显著性差异外，其余施肥处理土壤水分含量 在不同季节均有显著变化(P0.05)；在枯水年，施用 有机肥在生长季显著降低了不同土层(30100 cm)土壤体积含水量(cmYen?)土壤体积含水量(cm7cm )土壤体积含水效(cmvcm )图4不同有机肥处理下红壤剖面中土壤水分在不同水文年的变化Fig. 4 Vertical variations of soil water co

10、ntents in red soil profiles under different manuring treatments from 2002 to 2011表2不同有机肥处理下红填剖面中土壤水分平均含量(cm3/cm3)和变异系数(7匕)在不同水文年(生长季和休闲季)中的变化 Table 2 Changes of mean soil water contents (cm3/cm3) and their coefficients of variation (CK, %) in red soil profiles under different manuringtreatments from

11、 2002 to 2011水文年土壤深度生长季休闲季(cm)CKLMHMCKLMHM均值CV均值CV均值CT均值C/均值CV均值CV枯水年300.354 dA3.50.348 dB4.60.336 dB5.60.349 aA5.60.345 aA6.50.338 aA6.7500.379 cA3.70.373 cB3.30365 cC3.90374 aA5.30.368 aA5.30.364 aA4.9700.390 bA3.60.381 bB3.40.377 bC4.00.385 aA4.90.377 aA5.00.375 aA5.51000.425 aA1.90.414 aB1.40.40

12、7 aC2.20.418 aA3.70.408 aB3.50.404 aB3.6平水年300.356 dA2.80.353 dA4.50.343 dB5.70.352 dA2.50.349 dB3.60.340 dC3.6500.380 cA3.50.375 cB3.80.370 cC3.90.378 cA2.20.371 cB2.70.369 cB2.2700.391 bA3.70.382 bB3.90.380 bB4.70.390 bA2.40.381 bB2.50.381 bB2.61000.424 aA2.00.413 aB1.80.408 aB2.10.421 aA1.30.409

13、aB1.40.404 aC1.9丰水年300.371 dA1.30.369 dA1.20.361 cB2.70.363 dA1.40.361 dA1.40.355 dB1.5500.394 cA0.70.389 cB0.70.382 bC1.00386 cA1.00.381 cB1.10.377 cC0.7700.403 bA0.90.395 bB0.90.393 bB1.10396 bA0.90389 bB0.70.388 bB0.71000.433 aA0.50.420 aAB0.60.408 aB4.90.427 aA0.80.416 aB0.80.409 aC0.9注：不同小写字母表示

14、同一施肥处理不同土层的土壤含水量在PV0.05水平差异显著，不同大写字母表示同一土层不同施肥处理的 土壤含水量在PV0.05水平差异显著。土壤含水批，而在休闲季仅100 cm层土壤含水量 下降显著（表2）。2.3降水、温度和施肥对土壤水分的相对影响ABT分析显示（图5）,降水对连续10年不同深度 土壤含水批产生了最大影响，其对30、50、70和100 cm 土层土壤含水量的相对贡献率分别为53.3%、53.5%、 49.9%和44.0%；其次是气温，对土壤水分含量施加 了一个中等程度的影响。降水和气温对不同土层含水 仙的累积影响超过了 80%o施用有机肥对3070 cm 土层土壤含水量的相对影

15、响较弱，但在100 cm 土层深 度产生了和气温相似的影响。偏相关分析显示，土壤 水分含量伴随着降水量的增加而增加，随着气温（8 30七）的升高和有机肥施用量的增加而下降。不同水文年状态下，降水、气温、施用有机肥对 不同深度土壤水分含量相对影响的ABT分析见图5O 分析显示，降水、气温和施肥对枯水年和平水年不同 深度土壤含水量的影响与连续10年的影响类似，其 相对影响顺序表现为：降水气温施肥。稍微不同 的是，在平水年，施肥对100 cm 层土壤含水量产 生了最为重要的影响，其相对影响为40.6%0在丰O 【0.0 00.0 3 0 8 I言二100 200 300 400 500 降水100

16、200 300 400 500 降水000.020.0- 08 0-o100 cmO 000.0 0 一0 0- orMo.o 2含 J。寸 om 角 0一 0 滇)(言)J100 200 300 400 500 降水莒 0 000 0 so 0103.013 0100 200 300 400 500 降水ZOOO Z00.0 900.0- 30.0 000.0 too.o 寸00.0 0000 30 S00.0 0000 S00.0 (EJ禽J) (娶煨二 1图5 ABT法分析降水、气温和施肥对红壤剖面不同深度土壤水分含量连续10年变化的相对影响及其偏相关Fig. 5 Relative im

17、portance plots and partial dependency plots fbr the impact of precipitation, temperature and manuring on changes of soilwater content during 10 years by aggregated boosted trees (ABT) analysis水年，降水、气温和有机肥对土壤水分含量的相对影响 与平水年和枯水年有所区别（图6）： 70 cm 土层以上， 降水的相对影响最大，其次是施肥和气温；随着土层的 增加，降水和气温的影响减弱，而施用有机肥的影响 增加，至

18、100 cm层深度其相对影响达到了 50.9%, 成为影响深层土壤含水量变化的主控因素。土壤深度土壤深度土壤深度图6不同水文年降水、气温和施肥对红壤剖面土壤水分含量变化的相对贡献率Fig. 6 Relative contributions of precipitation, temperature and manure to the variations of soil water contents in red soil profiles from 2002 to 20112.4 施肥及气象因子与连续10年各层次土壤水 分含及水分变异系数的相关性将连续10年有机肥施用量、降水、气温及逐月 对

19、应的红壤剖面不同施肥处理土壤水分含量和水分 变异系数全部输入SPSS软件中，进行双变量Pearson 相关性分析（表5）,发现有机肥施用量与红壤剖面平 均含水量呈极显著负相关，在50 cm与100 cm层 与土壤水分的变异系数极显著正相关,说明长期施用 有机肥提高了对土壤剖面水分的利用，但也增加了深 层水分含量的波动性。降水与不同土层的土壤水分含 量呈现极显著正相关，气温与30 cm 土层土壤水分含 量之间呈极显著负相关。表3施肥、降水和气温与红壤剖面中土壤水分平均含量及其变异系数的相关性Table 3 Pearson correlation coefficients between impa

20、ct factors (manure, precipitation, air temperature) and mean soil water contents and their coefficient of variation in red soil profiles影响因子平均含水量水分变异系数30 cm50 cm70 cm100 cm30 cm50 cm70 cm100 cm有机肥施用量-0.293-0.253-0.225-0.4840.0900.2420.0650.450降水0.3920.3520.3010.316-0.103-0.164-0.0930.015气温-0.190- 0.

21、066-0.0220.0300.106*0.0290.0260.054注：*表示在PvO.Ol水平（双侧）上显著相关；*表示在P0.25 mm 水稳性团聚体的形成，改善土壤结构，增强土壤 低吸力段持水能力，从而提高水分利用效率口一。 但由于降水对土壤水分的变化起主导作用，且在枯水 年，施肥对深层土壤水分的影响较小（图6）。因此， 在红壤地区还需进一步研究施肥对深层土壤水分利 用的作用，提出合理施肥措施，有效调控深层土壤 的保水和供水能力。表4 4个不同试验时期红壤剖面中土壤水分平均含量的变化(cm3/cin3)Table 4 Change of soil water contents (cm3

22、/cm3) in red soil profiles under different manuring treatments in four different times土壤深度（cm）2002年5月（平水年）2008年12月（平水年）2010年12月（丰水年）2011年12月（枯水年）CKLMHMCKLMHMCKLMHMCKLMHM300.353 a0.349 b0346 b0.357 a0.347 ab0.337 b0.362 a0359 a0.357 a0.355 a0.356 a0347 a500.374 a0.371 a0.368 a0.373 a0.362 a0.363 a0.3

23、88 a0.389 a0.385 a0.378 a0.375 a0.365 b700.380 a0374 a0.371 a0.378 a0.375 a0371 a0.396 a0.392 ab0.386 b0392 a0.378 b0.381 ab1000.422 a0.411 a0.408 a0.412 a0.398 ab0.395 b0.427 a0.417 ab0.410 b0.417 a0.406 ab0.402 b注：不同小写字母表示同一土层不同施肥处理土壤含水量在PV0.05水平差异显著。4结论连续10年的长期施肥表明，红壤剖面中土壤水 分呈现明显的季节变化，土壤水分含量在4月之前

24、保 持相对较高且平稳状态，玉米生长季开始进入水分消 耗期，至7-10月左右达到低谷，11月开始缓慢上 升进入水分补给期。枯水年、平水年土壤水分波动较 大，干、湿季节较为明显，丰水年变化较为平稳，土 壤水分含量表现为丰水年平水年枯水年。除2005 年和2009年外，其余年份中对数曲线模型（y=bo+b】hu） 均能很好地描述月均降水量与土壤（30100 cm）含 水量两者的变化趋势，相关性较好（r0.582,Paverage years (0.380 cm3/cm3) dry years (0.377 cm3/cm3). There was a significant logarithm reg

25、ression relationship (尸0.582, P0.05) between monthly precipitations and mean soil water contents in whole soil profiles (30-100cm) except for 2005 and 2009. Under the same manuring treatment, the mean soil water contents showed a significant difference among different soil depths in both cropping and fallow seasons of wet and average years, but not in the fallow