不同灌水處理農(nóng)田表層土壤密實度變化特征

張月珍，韓萬海

(1.甘肅省武威市中心灌溉試驗站，甘肅 武威 733000；2.甘肅省武威市水利技術綜合服務中心，甘肅 武威 733000)

土壤密實度作為土壤水分運移和保持的主要常規(guī)土壤物理參數(shù)，它的變化主要與農(nóng)業(yè)耕作和土壤含水量的變化有關。對于農(nóng)田表層土壤，土壤密實度在自然和人類活動的共同作用下，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在年內(nèi)也發(fā)生某種周期性的變化，灌溉或降水過程是導致其變化的主要原因。本文擬在玉米膜下滴灌不同灌水處理條件下，分析全生育期農(nóng)田表層土壤密實度隨時間和含水率的變化趨勢，建立數(shù)學關系，實現(xiàn)通過實際測得的含水率對土壤密實度進行預報，研究結果可為下一步進行不同土壤密實度狀態(tài)下土壤水分入滲參數(shù)預測等模型的建立和應用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2015年4-10月在甘肅武威市中心灌溉實驗站進行。選用在甘肅武威廣泛種植的大田玉米品種“先玉335號”。試驗采用本區(qū)玉米膜下滴灌主要種植模式：1膜2管4行玉米，滴灌帶鋪設在膜下兩行玉米中間，行距為30 cm，株距27 cm。地膜采用幅寬為1 400 mm，厚為0.008 mm的薄膜，覆膜后用玉米專用穴播機進行人工穴播，每穴玉米籽粒1～3粒。播前施入磷二銨525 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，追肥時隨滴水施入尿素。其他管理措施按大田栽培模式進行。灌溉用抽取地下水，地下水埋深42 m，地下水礦化度0.71 g/L，水質(zhì)符合灌溉水質(zhì)標準。

試驗不同灌水處理設計方案見表1。3個處理隨機排列，設3次重復，共9個小區(qū)，每個小區(qū)面積4.5 m×6 m。試驗區(qū)周圍布置有保護行。每小區(qū)布置滴管6條，滴管直徑15 mm，滴頭間距30 cm，運行壓力調(diào)試在1.5～2.0 kg/cm2之間，滴頭流量為2.1～2.8 L/h。各處理小區(qū)每區(qū)設置控制閥1個，水表計量，準確灌溉。

表1 玉米膜下滴灌不同灌水處理設計方案 m3/hm2

1.2 土壤條件

武威市中心灌溉試驗站土壤質(zhì)地屬灰鈣質(zhì)輕沙壤土，富含氮、磷、鉀，土壤物理屬性為偏堿性。土壤表層深度一般為0～20 cm，土壤通透性好，孔隙率為52%，田間最大持水率為22%～25%，土壤有機質(zhì)含量0.4～0.8 g/kg，密度1.54 g/cm3，含鹽量0.12～0.56 g/kg。大田土壤顆粒分析結果：土壤粒徑<0.002 mm，顆粒質(zhì)量分數(shù)為12.73%；粒徑0.002～0.02 mm, 顆粒質(zhì)量分數(shù)8.52%，粒徑0.02～2 mm, 顆粒質(zhì)量分數(shù)77.25%。

1.3 測試項目與方法

試驗測試項目有玉米不同生育期土壤灌水前及脫水過程中的土壤密實度、含水率、地表開裂時間等。

土壤密實度的測定采用環(huán)刀法，試驗主要儀器為環(huán)刀(體積100 cm3，高度8 cm)、烘箱和電子天秤(精度為0.000 1 g)。

土壤含水量測定采用烘干法，測點位置分別在滴管下部、膜中、棵間共3個點，取其平均值。

氣象觀測采用武威市中心灌溉試驗站氣象觀測數(shù)據(jù)，主要觀測降雨量、蒸發(fā)量、溫度、濕度、日照時數(shù)及風速風向等氣象要素。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理土壤密實度隨時間的變化過程

土壤密實度γ作為反映土壤結構的指標。為研究不同灌溉定額下玉米不同生育期農(nóng)田表層土壤的密實度變化情況，從5月23日至9月21日共測9次土壤密實度，將與其對應的時間畫于圖1和圖2中，進而分析農(nóng)田表層土壤密實度隨時間的變化趨勢。

2.1.1 0～10 cm土層土壤密實度變化過程

玉米各生育期農(nóng)田0～10 cm土層土壤密實度隨時間的變化曲線如圖1所示。由圖1可知，3個處理土壤密實度隨時間變化趨勢基本一致，在5月23日玉米拔節(jié)前期未灌水，土壤密實度各出現(xiàn)一個最小值，在6月8日玉米拔節(jié)期灌水后第3 d，土壤密實度各出現(xiàn)一個最大值，同時灌水后比灌水前土壤密實度平均增大了0.29 g/cm3，具體情況見表2。由圖1及表2可以看出，0～10 cm土層土壤密實度的變化受灌水過程的影響較大，與灌水量的多少沒有關系，同時在土壤脫水過程中，土壤密實度逐漸減小，減小到一定值時，趨于穩(wěn)定。

圖1 玉米各生育期0～10 cm土層土壤密實度的變化曲線

2.1.2 10～20 cm土層土壤密實度變化過程

玉米各生育期農(nóng)田10～20 cm土層土壤密實度隨時間的變化曲線如圖2所示，由圖2可以看出，3個處理10～20 cm土層土壤密實度與0～10 cm土層變化情況基本相似，同樣玉米全生育期土壤密實度最小值出現(xiàn)在5月23日，而最大值卻出現(xiàn)在9月10日玉米乳熟期灌水后第4 d，同時灌水后比灌水前土壤密實度平均增大了0.27 g/cm3，具體情況見表3。

由圖1、圖2、表2和表3可知，灌水過程對農(nóng)田表層土壤密實度的影響十分明顯。灌水前，土壤密實度在1.30～1.40 g/cm3變化范圍內(nèi)，經(jīng)歷灌水過程后，首次測得土壤密實度在1.58～1.67 g/cm3變化范圍內(nèi)，比灌水前土壤密實度明顯增大。其原因主要是灌水和降雨后，表層土壤得到相對飽和，土粒間的水膜隨著含水率的增加而逐漸增厚，土粒間的距離增大，使得土壤的黏結性大為減弱，部分表層土粒結構會崩解，從而灌水前疏松均勻的土壤表面不復存在。灌水停止后，表層土壤水分在重力作用下從大孔隙中排出，土壤表面下陷，由于土體內(nèi)的水分運動以及外界大氣蒸發(fā)，促使表層土壤水分的降低，這樣土粒間的水膜開始變薄，引力增大，從而使得土壤黏結力增強，土壤表層便會形成一個致密層，此時的表層土粒排列緊密，土壤密實度自然較灌水前要大。

圖2 玉米各生育期10～20 cm土層土壤密實度的變化曲線

取土處理最小值出現(xiàn)時間(5月23日)最小值最大值出現(xiàn)時間(6月8日)最大值處理1未灌水1.336月5日灌水后3d1.61處理2未灌水1.306月5日灌水后3d1.63處理3未灌水1.336月5日灌水后3d1.58

表3 10～20 cm土層土壤密實度最大最小值變化情況 g/m3

2.2 不同灌水處理土壤密實度隨含水率的變化過程

土壤密實度隨時間的變化，實際是由于隨著灌水和降雨過程的增加，土壤含水率逐漸降低所致。因此，土壤密實度與含水率間存在某種數(shù)量關系。將5月23日開始測得的土壤密實度與含水率值點繪于圖3中，對散點進行曲線擬合得到3種處理土壤密實度與含水率的關系曲線如圖3所示。

圖3 T1、T2和T3土壤密實度與含水率關系曲線

由圖3可以看出：①在土壤脫水過程中，土壤密實度先隨著含水率的降低而變大，當達到極大值時，土壤密實度又呈減小趨勢；②土壤密實度與含水率間符合二次函數(shù)關系，3種處理T1、T2、T3土壤密實度與含水率間的相關系數(shù)變化在0.89～0.93之間，具體見表4。

表4 3個處理土壤密實度與含水率關系方程

3 結 語

⑴灌水和降雨過程對土壤密實度的影響較大，農(nóng)田土壤灌水后表層土壤密實度平均增大了0.28 g/cm3。

⑵土壤密實度與灌水量的多少關系不大，土壤密實度不隨灌水定額增大而增大(或減小)。

⑶農(nóng)田表層土壤在灌溉或降水后的脫水過程中，土壤密實度與含水率之間存在一定的數(shù)量關系，可用二次函數(shù)關系式表述，即土壤密實度隨含水率的遞減，先變大，后變小，最后趨于穩(wěn)定。

⑷由于試驗土壤類型間的物理特性差異較大，土壤密實度與含水率間的數(shù)量關系還需要進一步深度分析研究，這將對農(nóng)田合理灌溉和防治土壤板結具有重要意義。

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