隴東旱塬麥田土壤水吸力分析

姚志龍，曹蓓蓓

(隴東學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅慶陽745000)

隴東旱塬麥田土壤水吸力分析

姚志龍，曹蓓蓓

(隴東學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅慶陽745000)

對隴東旱塬黑壚土冬小麥田5個土壤層次的土壤水吸力和含水量的分析結(jié)果表明，土壤水吸力與土壤含水量之間存在著一定的反相關(guān)關(guān)系，即土壤含水量越大，土壤水吸力就越小；相同土壤含水量條件下，不同土層的土壤水吸力表現(xiàn)為0～12cm土層>12～17cm土層>17～42cm土層>42～57cm土層>57～103cm土層；在相同含水量范圍內(nèi)，上層土壤水分特征曲線比下層土壤變化趨勢更陡。

黑壚土；土壤水吸力；土壤含水量；水分特征曲線

土壤水吸力是在水分隨一定土壤吸力狀況下的水分能量狀態(tài)，以土壤對水的吸力來表示[1]。植物從土壤中吸水，必須以更大的吸力來克服土壤對水分的束縛，因此土壤水吸力可以直接反映土壤的供水能力以及土壤水分的運動狀況，較之單純用土壤含水量反映土壤水分狀況更有實際意義[2]。國內(nèi)外對于用土壤水吸力的測定來研究某一地區(qū)或某一土壤類型的土壤水分狀況的研究較少，一般都采用通過中子儀法、TDR法、FDR法測定土壤含水量來研究土壤水吸力與土壤含水量之間的關(guān)系模型[3]。宋孝玉、李亞娟、沈冰等人建立了慶陽市南小河溝的非飽和土壤水分特征曲線的單一模型，但他們采用的是采樣與分析方法，并沒有直接測定土壤水吸力。對于隴東旱塬麥田土壤水吸力及其與土壤含水量相關(guān)關(guān)系的測試研究還尚未見到報道。因此，研究分析麥田黑壚土不同剖面層次土壤水吸力和含水量的變化規(guī)律，可對黑壚土水分運動參數(shù)的相關(guān)研究提供一定的參考，也可為黑壚土田間水分的管理及有效利用具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 試驗概況

試驗于2014年3月～4月進行，試驗地設(shè)在慶陽市西峰區(qū)隴東學(xué)院試驗田。試驗田所在地董志塬，屬黃土高原溝壑區(qū)，海拔1421米，土壤為黑壚土，是在黃土高原半干旱氣候、草原植被、黃土母質(zhì)條件下形成的土壤類型。土壤機械組成的測定結(jié)果表明，土壤中1～0.05mm的砂粒含量為25.7%，<0.001mm的細黏粒含量為28.9%，0.05～0.001mm的粗粉粒含量為39.5%，屬于壤土質(zhì)地類型[4]。試驗地種植作物為冬小麥，平時無灌溉。常年降水量545.8mm[5]，2014年3月8日～3月27日田間試驗期間無降水。4月6日～4月15日,進行了室內(nèi)補充試驗。

2 試驗方法與處理

2.1 實驗方法

土壤水吸力的測定采用真空表型張力計法；土壤含水量的測定采用經(jīng)典烘干法。

使用真空表型土壤水分張力計，其深度規(guī)格分別為：12cm、17cm、42cm、57cm、103cm，將張力計抽成真空后注滿水，在試驗田中迅速將底部陶土管埋入相應(yīng)深度的土層，張力計安裝24小時之后，進行數(shù)據(jù)采集(每日清晨7∶30—8∶00進行讀數(shù))，同時取樣進行相應(yīng)的土壤含水量的測定。

土壤水吸力受溫度、容重等因素的影響，應(yīng)注意不要踩實儀器周圍的土壤，盡量在溫度變化小的時間采集土壤樣品,以避免測點和儀器因溫度不同而造成的誤差。如對數(shù)據(jù)懷疑，可輕輕叩打具真空表，以消除可能產(chǎn)生的摩擦力。

2.2 試驗處理

在試驗田里選取五個肥力狀況、作物長勢大致相同的測試點，分別采用上述深度規(guī)格的張力計，編號分別為1號(12cm)、2號(17cm)、3號(42cm)、4號(57cm)、5號(103cm)，即：

①5個點位真空表型張力計的埋設(shè)深度分別為：12cm、17cm、42cm、57cm、103cm。

②土壤含水量測定樣品盡可能在土壤水吸力測定點附近采集，且采樣、稱量速度要快，盡可能減少測定誤差；采樣深度和相應(yīng)張力計的埋深相同。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 土壤水吸力(kPa)與含水量(%)的關(guān)系

表1 隴東旱塬麥田土壤水吸力(kPa)與土壤含水量(%)

注：土壤含水量為兩個重復(fù)的平均值，即θm=(θm1+θm2)/2

由表1可以看出，在同一時間段內(nèi)，不同剖面層次黑壚土的土壤水吸力是不同的，土壤深度越大，土壤水吸力就越小。從3月8日的觀測數(shù)據(jù)來看，土表層12cm的土壤水吸力為25kPa,而到了土壤103cm的深度時，土壤水吸力為0kPa。隨著時間的推移，同一剖面層次的土壤水吸力在不斷增大。從土壤42cm的剖面層次的觀測數(shù)據(jù)來看，土壤水吸力由3月8日的9kPa增大到了3月27日的35kPa。在觀測時間和剖面層次都變化時，總趨勢是土壤水吸力越大，土壤含水量就越小。土壤水吸力與土壤含水量基本呈反相關(guān)關(guān)系，即土壤水吸力越大，土壤含水量就越小，反之亦然。土表層12cm的土壤水吸力為80kPa,土壤含水量為10.00%;土壤剖面為17cm時，土壤水吸力為68kPa,相應(yīng)的含水量為11.14%;土壤剖面為42cm時，土壤水吸力為35kPa,對應(yīng)的土壤含水量為12.30%；隨著深度增加，在57cm時，土壤水吸力為21kPa,土壤含水量則為12.45%；在深層103cm處，土壤水吸力為16kPa,其土壤含水量為16.07%。

3.2 土壤水吸力與時間關(guān)系

圖1 土壤水吸力與時間關(guān)系圖

由圖1土壤水吸力與時間關(guān)系圖可以看出，不同剖面層次的土壤水吸力隨著觀測時間的變化，呈現(xiàn)出了相同的趨勢，即在將張力計剛埋入田間時，每個剖面層次土壤水吸力都不斷增加，且增幅較大，而后是緩慢增加，到3月22日前后，各剖面層次土壤水吸力趨于穩(wěn)定，但不同層次土壤水吸力變化幅度又存在著差異，1號試驗點水吸力增加值最大，達55.0kPa，2號試驗點水吸力增加值為48.0kPa，5號試驗點水吸力增加值最小，只有16.0kPa。一方面，表層土壤的水吸力值的增加幅度大于底層土壤水吸力值的增幅，這是因為表層土壤的含水量受地表蒸發(fā)、作物根系吸水等因素的影響較大，且這些外界因素的變化也較大，隨著時間的推移，地表蒸發(fā)、根系吸水使得地表的土壤含水量減少，土壤水吸力增加；與表層土壤相比，深層土壤(如103cm處)受蒸發(fā)和根系吸水的影響很小，20天內(nèi)其土壤含水量一直處在高含量水平，受蒸騰和蒸發(fā)影響很小，真空型張力計陶土管內(nèi)外水分幾乎保持一種平衡狀態(tài)，所以其土壤水吸力增幅較小。另一方面，隨著土壤深度的增加，土壤水吸力值減小，即在同一觀測時間段內(nèi)，表層土壤的水吸力大于深層土壤的水吸力，上層土壤的含水量小于深層土壤的含水量，以及上層土壤有機質(zhì)含量較高，且團聚體數(shù)量較多等因素是導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因[6]。

3.3 土壤含水量與時間關(guān)系

圖2 土壤含水量與時間關(guān)系圖

由圖2可以看出，土壤含水量隨著時間的變化呈現(xiàn)出一定的變化，共同趨勢是隨著時間的推移，土壤含水量逐漸減小。但不同深度的土壤含水量的變化程度是不同的，1號的變化程度較大，即土壤含水量在土表12cm處由剛開始的13.02%下降到了10.00%，而5號土壤，即土壤103cm深處，土壤含水量變化不大，由17.78%下降到了16.07%。這是由于土壤表層含水量受外界環(huán)境的影響較深層土壤的大而造成的，而且，從一開始表層土壤的含水量就小于深層土壤的含水量。這是因為，土壤表層的水分可以進行再分布，比如經(jīng)過重力流、毛管流下滲到深層土壤[7]，使得深層土壤的含水量大于表層土壤。

3.4 土壤水分特征曲線

圖3 土壤含水量與土壤水吸力關(guān)系曲線(1號)

圖4 土壤含水量與土壤水吸力關(guān)系曲線(2號)

圖5 土壤含水量與土壤水吸力關(guān)系曲線(3號)

圖6 土壤含水量與土壤水吸力關(guān)系曲線(4號)

圖7 土壤含水量與土壤水吸力關(guān)系曲線(5號)

圖3至圖7分別為黑壚土不同剖面層次土壤水吸力與土壤含水量之間的關(guān)系曲線圖，亦即土壤水分特征曲線。由這5幅圖可以看出，隴東旱塬麥田黑壚土的土壤水吸力與土壤含水量之間為反相關(guān)關(guān)系，土壤水吸力越大，土壤含水量就越小，但這種反相關(guān)系并無線性相關(guān)性。隨著土壤深度的增加，土壤水吸力減小，土壤含水量增加。5個深度土壤水分特征曲線比較可知，不同土壤層次，在相同含水量范圍內(nèi)，隨含水量增加，水吸力降低幅度差異顯著，上層土壤水吸力隨含水量增大，其降幅大，而底層土壤曲線平緩降低；但各層土壤水分特征曲線的變化趨勢一致，而且均為先陡后緩，越底層的土壤，曲線變化越平穩(wěn)。

4 結(jié)論

4.1 在無外來水分(降雨、灌溉)干擾的情況下，表層土壤水吸力大于深層土壤水吸力。隨著時間的推移，不同剖面層次土壤的水吸力都逐漸增加，并在達到一定值后趨于穩(wěn)定，但是土壤水吸力的增幅不同，表層土壤的水吸力值的增加幅度大于深層土壤水吸力值的增幅。

4.2 在無外來水分(降雨、灌溉)干擾的情況下，表層土壤的含水量小于深層土壤的含水量。不同剖面層次土壤含水量隨著時間的變化而變化，共同趨勢是逐漸減小并在一定值左右趨于穩(wěn)定，但是表層土壤的含水量減小幅度大于深層土壤的減小幅度。

4.3 對于同一剖面層次的土壤來說，土壤水吸力與土壤含水量之間存在著反相關(guān)關(guān)系，即土壤含水量越大，土壤水吸力就越小。對于不同剖面層次的土壤來說，土壤含水量相同，隨著土壤剖面層次增加，土壤水吸力減?。幌喾?，土壤水吸力相同，隨著土壤剖面層次增加，土壤含水量增大。

4.4 不同土層土壤水分特征曲線均表現(xiàn)為低含水量區(qū)域和高含水量區(qū)域曲線平緩，而中等含水量區(qū)段的曲線斜率較大，曲線總體呈“S”型。

(注：土壤含水量受土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)、溫度、栽培作物的影響[8]。本次實驗中，土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)基本均勻，栽培作物一致，故其對實驗結(jié)果的影響可忽略。由于觀測時間短，且都在清晨進行，溫度的影響也可忽略不計。)

5 討論與建議

5.1 討論

在土壤質(zhì)地差異不大的各層土壤中，影響水分特征曲線的因素主要是土壤結(jié)構(gòu)和容重。淺層土壤團聚體含量多，容重小，土壤對水分保蓄能力強，水分變化小，水吸力隨含水量變幅小，曲線走勢平緩。“S”型的水分特征曲線說明土壤中團聚體含量總體偏少[9]。

對于慶陽市西峰地區(qū)的黑壚土而言，隨著土壤剖面的深度增加，土壤水吸力減小，土壤含水量增加。在12～42cm的深度內(nèi)，土壤水吸力從80kPa下降到了35kPa,含水量也相應(yīng)地大幅度變化，這是因為冬小麥農(nóng)田的根系活動層主要在0～40cm范圍內(nèi)，在主要根系活動層內(nèi)除受土表蒸發(fā)、降水及灌溉等因素影響外，根系吸水是這層內(nèi)水分劇烈變化的主要原因。

利用土壤水吸力正確判斷土壤計劃濕潤層深度,及時了解作物不同生育期、不同根區(qū)范圍的水分狀況，做到適時、適量、節(jié)水、高效灌溉。研究資料表明，冬小麥田土壤水吸力大于50kPa時，即需灌溉[10]。由本試驗測試結(jié)果可知，在3月20日前后，隴東旱塬麥田黑壚土12cm土層和17cm土層土壤水吸力都先后進入大于50kPa臨界值[11]，此時可以考慮對把20cm以上土層確定為計劃濕潤層，對冬小麥進行定量灌溉。

5.2 建議

隴東旱塬麥田黑壚土的土壤水吸力較大，土壤含水量較小，土壤對作物的水分供應(yīng)不足，可以在以下兩方面對土壤水分狀況進行改善，以達到增產(chǎn)增收的目的。

一方面是采取農(nóng)藝措施或生化措施，改良土壤的基本肥力性狀。一是種植綠肥，促進土壤有機質(zhì)的積累和更新，使土壤形成較多的水穩(wěn)性團聚體，增強土壤持水性；二是增施有機肥，增強土壤的蓄水保水能力，提高作物的抗旱能力；三是增加地面覆蓋，減少土面蒸發(fā)，降低土壤水分的無效消耗；四是施用土壤保水劑或改良劑，在極端干旱和無灌溉條件下，緩解田間旱情。

另一方面則是通過灌溉直接調(diào)節(jié)土壤水分含量。根據(jù)隴東旱塬的水資源情況，可考慮采用三種措施：①興建集雨工程，達到秋水春用；②投資節(jié)水設(shè)施，高效利用水資源；③建立水分動態(tài)監(jiān)控體系，適時定量灌溉。

[1]楊建鋒,萬書勤,鄧偉,等.地下水淺埋條件下包氣帶水和溶質(zhì)運移數(shù)值模擬研究述評[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(6):158-165.

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【責(zé)任編輯 趙建萍】

An Analysis on Water Tension in Dry-land Wheat Field Soil in Longdong Area

YAO Zhi-long, CAO Bei-bei

(CollegeofAgricultureandForestry,LongDongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

Soil water tension and soil moisture content are tested. Soil samples are collected from 5 layers of black loessial soil in winter wheat field in Longdong rain fed area. The results show the relationship between soil water retention curves and soil water content is inverse correlation. The greater the soil water content, the smaller the soil water tension is. Under the same condition of soil water content, the soil water tension of 0～12cm layer is the largest, followed by 12～17cm, 17～42cm, 42～57cm, and 57～103cm. In the same water content range, the soil water retention curve of the upper soil is higher than that of the lower layer soil.

black loessial soil; soil water tension; soil moisture content; soil water retention curve

1674-1730(2017)01-0001-05

2016-03-24

國家農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化資金項目《高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗冬小麥新品種示范與推廣》(GB2B2011100007)

姚志龍(1968—)，男，甘肅寧縣人，副教授，主要從事土壤農(nóng)化、土壤調(diào)查與評價教學(xué)和研究。

S66

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