灌水模式對免耕地土壤容重變化的影響

王建東，龔時宏，鮑子云，趙月芬

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京 100048；2.寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021；3.中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科工程總公司，北京 100048）

1 研究背景

面對水資源日益緊缺和灌溉水利用率較低的形勢，發(fā)展先進(jìn)節(jié)水灌溉方法成為緩解水資源供需矛盾的有效途徑[1-2]。然而土壤作為灌溉水長期載體而引發(fā)自身質(zhì)量或環(huán)境的變化并沒有引起人們足夠的重視。土壤是人類賴以生存的根本資源，許多國家和地區(qū)已將土壤質(zhì)量評價工作視為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個重要方面[3]。

土壤容重是指單位體積的自然狀態(tài)土壤的（包括孔隙）干重，Logsdon等[4]認(rèn)為容重可以反映土壤的緊實(shí)度和孔隙情況，是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。土壤容重與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量及土壤的松緊度等有密切關(guān)系，同時還受到灌溉、排水及農(nóng)業(yè)耕作措施的影響。據(jù)資料統(tǒng)計，在華北平原小麥-玉米兩熟制農(nóng)田中，90%以上的玉米已經(jīng)采用了免耕播種技術(shù)[5]。因此，評價不同節(jié)水灌溉模式下免耕地土壤質(zhì)量的狀況已成為相關(guān)領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問題。

目前相關(guān)的研究主要集中在以下兩個方面：（1）關(guān)注強(qiáng)烈的人類活動對城市及旅游區(qū)土壤的物理、化學(xué)性狀產(chǎn)生的影響，如有關(guān)研究表明[6-7]，人類活動對城市土壤物理退化影響主要表現(xiàn)在土壤壓實(shí)，壓實(shí)主要體現(xiàn)在土壤容重增大、孔隙度減低和緊實(shí)度增加。另一些學(xué)者[8-11]的研究結(jié)果指出，旅游活動對景區(qū)土壤組成、性質(zhì)和重金屬污染造成了影響；（2）主要集中在灌溉水質(zhì)對土壤物理性狀影響的相關(guān)研究，如伏小勇等[12]研究指出，隨污灌年限的增加，容重逐漸降低，而孔隙度逐漸增大，污灌改善了土壤的物理性質(zhì)。而針對不同灌水模式下免耕地土壤容重變化規(guī)律的研究相對較少且研究周期較短，如費(fèi)良軍等[13]研究表明，渾水波涌畦灌和連續(xù)畦灌灌下田面沉積泥沙的顆粒級配組成、沉積厚度以及田面土壤容重等沿畦長的分布規(guī)律存在一定差異。

本文采取3年連續(xù)重復(fù)的田間試驗(yàn)手段，選取地面灌（水平格田灌）和地表滴灌灌水方式，探討不同灌溉制度下免耕地在玉米-冬小麥輪種條件下土壤容重變化規(guī)律，研究對于解答如何選取適宜灌水模式及保障土壤資源的可持續(xù)利用具有一定理論價值和生產(chǎn)實(shí)際意義。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)布置試驗(yàn)在北京市大興區(qū)中國水利水電科學(xué)研究院大興試驗(yàn)基地開展，試驗(yàn)地的地理位置處于北緯39°39′，東經(jīng)116°15′，當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)俚湫偷陌敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量540mm。

試驗(yàn)地土壤物理初始性狀如表1，根據(jù)國際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，0～100cm深度為壤土，0～100cm土層的平均田持和容重分別為30.58%和1.58g/cm3。

表1 試驗(yàn)地土壤物理性狀

田間試驗(yàn)從2007年10月份夏玉米收割開始，一直連續(xù)持續(xù)到2010年6月冬小麥?zhǔn)崭顬橹?，采取冬小?夏玉米輪作的方式，試驗(yàn)期間各處理小區(qū)冬小麥-玉米換茬時均采用免耕方式，即都采用人工淺挖穴播的方式，避免大面積翻耕所造成的土壤擾動。

2.2 試驗(yàn)處理設(shè)置3年連續(xù)試驗(yàn)期間，對于同一作物，相同處理小區(qū)均采用相同灌水方式和灌溉制度，灌水方式主要選取地面灌（水平格田灌），地表滴灌2種灌水方式，每種灌水方式下分別采取4種灌溉制度，即每種灌水方式設(shè)置4個處理（表2），每個處理3個重復(fù)，各處理小區(qū)隨機(jī)布置，試驗(yàn)小區(qū)的面積為4.5m×5m。水平格田灌采用軟管澆水，地表滴灌采用Netafim公司Typhoon型號滴灌帶，額定流量為1.1L/h，滴頭間距為30cm。滴灌帶的布置間距為50cm。作物不同生育階段灌水控制，即不同試驗(yàn)處理設(shè)計充分借鑒前人較為認(rèn)可的相關(guān)研究成果[14-17]，試驗(yàn)只在冬小麥和玉米的返青（出苗）-拔節(jié)，拔節(jié)-抽穗（抽雄）兩個生育階段實(shí)施不同的灌水上下限控制（表2），在其他生育階段，各處理灌水上下限控制相同。其中，各灌水方式下處理1和處理2設(shè)計為充分灌水處理，處理3和處理4設(shè)計為非充分灌水處理。

表2 2007—2010年地面灌和地表滴灌各試驗(yàn)處理設(shè)置

2.3 觀測方法各處理小區(qū)土壤容重的監(jiān)測采用環(huán)刀法進(jìn)行，土壤容重采樣點(diǎn)避開人工穴播的行間，對地面灌水方式，取樣點(diǎn)在作物行間，對于滴灌灌水方式，取樣點(diǎn)位于布置于作物行間的滴灌帶正下方，每個樣點(diǎn)的采樣深度包括5～10cm、25～30cm、35～40cm、55～60cm、65～70cm和85～90cm.等7個土壤深度。

試驗(yàn)在2007—2010年3年間對不同灌水模式下各處理免耕地不同土壤深度的土壤容重進(jìn)行了6次采樣監(jiān)測，取樣時間點(diǎn)1-6分別對應(yīng)2007年10月11日（夏玉米考種后）、2008年6月16日（冬小麥考種后）、2008年10月13日（夏玉米考種后）、2009年6月15日（冬小麥考種后）、2009年10月12日（夏玉米考種后）以及2010年6月17日（冬小麥考種后）。

3 結(jié)果與討論

3.1 相同灌水方式不同灌溉制度下的土壤容重比較及其隨時間變化規(guī)律從圖1可以看出，地面灌條件下，各處理下不同土壤深度的土壤容重在2007—2010年3年間先有一個較為平緩的增大趨勢，其中尤以25～60cm土層之間的土壤容重增大趨勢較為顯著，到了2009年冬小麥?zhǔn)崭詈螅▽?yīng)圖中第4個取樣點(diǎn)），各土層土壤容重值存在一個明顯降低的趨勢，但隨后又出現(xiàn)明顯增大的趨勢，到2010年最后一個取樣點(diǎn)時，各處理下的土壤容重值大部分基本又接近或稍大于最初的土壤容重值，基于4年時間跨度，總體分析看，各處理下的土壤容重波動較小。

圖1 2007—2010年地面灌各處理不同深度土壤容重演變規(guī)律

對于相同土壤深度，地面灌各處理下的土壤容重的隨時間的變化趨勢也基本相同，各處理下土壤容重大小的差異總體上表現(xiàn)不明顯。

為進(jìn)一步分析各處理間土壤容重的差異，選取充分地面灌處理1和非充分地面灌處理4為代表進(jìn)行方差分析和比較。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，地面灌處理1不同深度土壤的容重在3年間波動幅度最大的為25～30cm土層范圍，其變異系數(shù)為7%，并且25～30cm土層3年內(nèi)土壤容重平均值為最大。波動幅度最小的為5～10cm土層范圍，其變異系數(shù)為4.4%，3年內(nèi)土壤容重平均值最小也在5～10cm土層范圍。總之，地面灌處理1（充分灌）下各土層土壤容重3年內(nèi)的變異系數(shù)在4%～7%之間，變異程度較低。

地面灌處理4土壤容重在3年間波動幅度最大的為65～70cm土層范圍，變異系數(shù)接近10%，3年內(nèi)土壤容重平均值最大的為25～30cm土層。3年里土壤容重平均值最小及波動幅度最小的土層為5～10cm，其變異系數(shù)為4%?？梢钥吹?，地面灌處理4（非充分灌）下各土層土壤容重3年內(nèi)的變異系數(shù)在4%～10%之間，高于處理1，但變異程度依然較低。

表3 地面灌處理1與處理4不同土壤層次容重統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)（2007—2010年）

綜合而言，地面灌處理1下上層土壤（0～30cm）的變異系數(shù)大于處理4，而從35cm土層以下開始，處理4的變異系數(shù)都大于處理1，這說明，3年內(nèi)，地面灌充分灌處理對上層土壤（0～30cm）容重變化的影響要大于非充分灌處理，其原因應(yīng)主要與充分灌處理的灌水定額和灌水頻率遠(yuǎn)高于非充分灌處理有關(guān)。而非充分灌處理在35cm以下土層的容重變異程度大于充分灌，這說明非充分灌對35cm以下土壤容重多年變化的波動影響更大。從方差分析結(jié)果來看，3年內(nèi)，地面灌灌溉制度對土壤容重的演變規(guī)律影響不顯著，各處理下的土壤容重在3年內(nèi)的總體波動較小。

對于地表滴灌灌水方式，從圖2中同樣可以看出，2007—2010年，滴灌各處理下不同土壤深度下土壤容重在2007—2008年間趨于平穩(wěn)，然后出現(xiàn)下降趨勢，其中以35～70cm之間土壤容重降低趨勢最為明顯，到了2009年冬小麥?zhǔn)崭詈螅▓D中第4個取樣點(diǎn)），各土層土壤容重值出現(xiàn)了急降現(xiàn)象，達(dá)到3年期間最低值，但隨后又出現(xiàn)顯著增大的趨勢，到2010年最后一個取樣點(diǎn)時，各處理下的土壤容重值大部分基本又接近或稍小于2007年最初測定值。對于相同土壤深度，滴灌各處理下的土壤容重的隨時間的變化趨勢也基本一致，各處理下土壤容重大小的差異總體上表現(xiàn)也不明顯，選取充分滴灌處理1和非充分滴灌處理4為代表進(jìn)行進(jìn)一步的方差分析和比較。

圖2 2007—2010年地表滴灌各處理不同深度土壤容重演變規(guī)律

從表4中數(shù)據(jù)分析可知，地表滴灌處理1不同深度土壤的容重在3年間波動幅度最大的為55～60cm土層范圍，其變異系數(shù)達(dá)到10.3%，波動幅度最小的為85～90cm土層范圍，變異系數(shù)為4.1%。3年內(nèi)，25～30cm土層容重平均值為最大，土壤容重平均值最小在5～10cm土層范圍?？傊乇淼喂嗵幚?（充分灌）下各土層土壤容重3年內(nèi)的變異系數(shù)在4%～10%之間，變異程度較低。

地表滴灌處理4土壤容重在3年間波動幅度最大的也出現(xiàn)在55～60cm土層，其變異系數(shù)達(dá)到10.8%，波動幅度最小的為85～90cm土層范圍，變異系數(shù)為4.4%。3年內(nèi)，土壤容重平均值最大的為55～60cm土層，土壤容重平均值最小的在5～10cm土層。地表滴灌處理4（非充分灌）下各土層土壤容重3年內(nèi)的變異系數(shù)在4%～11%之間，變異程度較低。

綜合而言，地表滴灌處理1和處理4在25～70cm土層范圍內(nèi)的容重變異系數(shù)明顯大于表層土壤（0～10cm）和深層土壤（85cm以下）。從方差分析結(jié)果來看，3年內(nèi)，地表滴灌灌溉制度對土壤容重的演變規(guī)律影響也不顯著，各處理下的土壤容重在3年內(nèi)的總體波動較小。

3.2 相同灌溉制度不同灌水方式下的土壤容重比較及其隨時間變化規(guī)律結(jié)合表3、表4及表5中相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析相同灌溉制度不同灌水方式下土壤容重演變規(guī)律，充分灌條件下，無論是地面灌還是地表滴灌，3年內(nèi)容重平均最小值均出現(xiàn)在5～10cm土層，容重平均最大值均出現(xiàn)25～30cm土層。地面灌處理1各土層容重3年內(nèi)波動幅度最大的出現(xiàn)在25～30cm土層，其變異系數(shù)為7%，而地表滴灌處理1在3年內(nèi)土壤容重波動幅度最大的土層出現(xiàn)在55～60cm，其變異系數(shù)達(dá)到10.3%。

表5 不同灌水方式下不同土壤層次容重統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)（2007—2010年）

此外，地面灌處理1和地表滴灌處理1下各層土壤容重3年期間的變化規(guī)律不盡相同，在灌水下限和灌溉定額相同時，從表5中數(shù)據(jù)可以看出，地表滴灌條件下70cm以上土壤容重3年內(nèi)的變異程度大于地面灌，而地面灌僅對85cm以下土壤容重變化產(chǎn)生的影響大于地表滴灌，由此可推斷，充分灌條件下，地表滴灌較地面灌水方式而言對0～80cm土壤容重波動產(chǎn)生的影響更大，盡管方差分析結(jié)果顯示，充分灌條件下，灌水方式對各層土壤容重的影響不顯著，但可以預(yù)見的是，在一定長時期內(nèi)，不同灌水模式下的各土層容重必然會產(chǎn)生明顯差異，從而會造成土壤結(jié)構(gòu)和土壤松緊度的各異，進(jìn)而對作物的生長將產(chǎn)生一定影響。另外，從表3和表4中對比發(fā)現(xiàn)，在3年的田間試驗(yàn)中，在灌水下限和灌溉定額相同時，充分灌條件下，地面灌下5～10cm土壤容重大于地表滴灌5～10cm土壤容重，這說明地面灌水方式提高了表層土壤（0～10cm）的緊實(shí)度，其中原因應(yīng)與地面灌相比地表滴灌具有更大灌水定額有關(guān)。

同樣結(jié)合表3、表4及表5中相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知，非充分灌條件下，無論是地面灌還是地表滴灌灌水方式下，3年內(nèi)容重平均最小值均出現(xiàn)在5～10cm土層。地面灌處理4土壤容重平均最大值出現(xiàn)在25～30cm土層，土層容重波動幅度最大的土層為65～70cm。而地表滴灌處理4土壤容重平均最大值出現(xiàn)在55～60cm土層，同時也是3年內(nèi)土壤容重波動幅度最大的土層。

從表5中各層土壤3年內(nèi)容重變異系數(shù)來看，非充分灌條件下，地面灌和地表滴灌灌水方式下表層土壤（0～10cm）及更深層土壤（85cm以下）容重的變異系數(shù)小于其它土層，換句話說，非充分灌時，灌水方式對表層土壤（0～10cm）及深層土壤（85cm以下）土壤容重的影響相對較小。

4 結(jié)論

本文采取3年連續(xù)重復(fù)的田間試驗(yàn)手段，選取地面灌（水平格田灌）和地表滴灌灌水方式，探討不同灌溉制度下免耕地在玉米-冬小麥輪種條件下土壤容重變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：（1）灌溉制度和灌水方式在3年內(nèi)對土壤各層容重的變化影響不顯著，不同灌溉方式和灌溉制度下的土壤容重在3年內(nèi)的總體波動較小；（2）從各土層容重3年內(nèi)變異程度的角度來分析，地面灌充分灌對上層土壤（0～30cm）容重變化的影響要大于非充分灌，非充分灌對35 cm以下土層容重多年波動產(chǎn)生的影響大于充分灌；地表滴灌灌水方式對25～70 cm土層容重變化產(chǎn)生的影響大于表層（0～10cm）和深層土壤（85cm以下）；（3）充分灌條件下，地表滴灌較地面灌水方式而言對土壤容重波動產(chǎn)生的影響更大，但地面灌灌水方式提高了表層土壤（0～10cm）的緊實(shí)度；非充分灌時，灌水方式對表層土壤（0～10cm）及深層土壤（85cm以下）容重的影響較其它土層更小。

土壤容重是重要的土壤物理性狀，是衡量土壤環(huán)境好壞的重要指標(biāo)之一，由于本文的研究周期較短，并沒有發(fā)現(xiàn)不同灌水模式下容重變化的顯著差異，鑒于灌溉與土壤環(huán)境演變之間的響應(yīng)需要較長時間周期，因此相關(guān)研究也需要進(jìn)一步深入連續(xù)開展，但可以預(yù)見，長期來看，灌水模式對土壤容重及土壤質(zhì)量的演變會起到非常關(guān)鍵的作用。

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