玉米生育期內(nèi)不同覆膜對(duì)黃土表層容重變化特性的影響

程詩念，樊貴盛

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

土壤容重也稱土壤體積質(zhì)量，指田間土壤自然壘結(jié)狀態(tài)下單位容積土體(包括土壤孔隙)的質(zhì)量，是表征土壤密實(shí)程度、衡量土壤質(zhì)量好壞以及土壤生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，其大小與孔隙率有著密切關(guān)系，對(duì)土壤的入滲能力、持水性能、水鹽運(yùn)移以及土壤的抗侵蝕能力都有非常明顯的影響[1]。土壤容重還是通過土壤傳輸函數(shù)法預(yù)測(cè)土壤入滲參數(shù)、持水特性指標(biāo)和導(dǎo)水參數(shù)的重要物理參數(shù)[2]。土壤容重作為土壤最重要的物理參數(shù)之一，一直以來備受各專家學(xué)者的關(guān)注。李卓、吳普特[3]等探究了容重與土壤水分蓄持能力之間的定量關(guān)系，結(jié)果表明土壤飽和含水量、田間持水量、凋萎系數(shù)均隨容重的增大而遞減，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。韓光中、王德彩[4]等利用現(xiàn)有的土壤數(shù)據(jù)庫，通過回歸分析建立了適宜我國(guó)主要土壤類型的容重傳遞函數(shù)。王金貴、王益權(quán)[5]等對(duì)旱地農(nóng)田土壤緊實(shí)度和容重的空間變異性進(jìn)行了研究。王輝、王全九[6]等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，揭示了表層土壤容重對(duì)黃土坡面養(yǎng)分隨徑流遷移的規(guī)律，隨著土壤容重增大，土壤磷和鉀流失量增大。

地膜覆蓋技術(shù)的發(fā)展一定程度上緩解了北方干旱、半干旱地區(qū)因缺水而導(dǎo)致的農(nóng)作物減產(chǎn)問題。多年來，各學(xué)者重在研究不同覆膜方式對(duì)土壤水分、土壤溫度以及作物產(chǎn)量的影響。李仙岳、彭遵原[7]等比較分析了不同類型地膜覆蓋對(duì)土壤水熱的影響。曹玉軍、魏雯雯[8]等基于大田滴灌技術(shù)，研究了不同地膜覆蓋滴灌對(duì)土壤水分、溫度變化以及玉米生長(zhǎng)的影響。羅興錄、黃秋鳳[9]等以木薯為試材，進(jìn)行不同地膜覆蓋方式對(duì)土壤理化性狀的影響試驗(yàn)。

不同類型地膜的覆蓋或許直接影響到表層土壤的理化性質(zhì)，同時(shí)還會(huì)影響到表層土壤與外界進(jìn)行物質(zhì)的交換，進(jìn)而影響和改變著深層土壤的理化性質(zhì)，即影響著水分、鹽分及養(yǎng)分在土壤中的運(yùn)移，最終對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生較明顯的影響。隨著滲水地膜的問世和規(guī)模化應(yīng)用，滲水地膜覆蓋種植已成為一種趨勢(shì)，但覆蓋滲水地膜條件下，表層土壤容重變化的研究卻鮮有報(bào)道。因此，本文基于黃土高原土壤進(jìn)行的不同地膜覆蓋(普通地膜、滲水地膜、不覆膜)處理?xiàng)l件下，地表土壤容重的年內(nèi)跟蹤測(cè)定，試圖揭示玉米生育期內(nèi)，不同地膜覆蓋對(duì)表層土壤容重的影響及其變化規(guī)律，以便更好地為土壤水力學(xué)參數(shù)、入滲參數(shù)、持水特性指標(biāo)的預(yù)測(cè)提供物理參數(shù)和農(nóng)田科學(xué)管護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

本次試驗(yàn)選擇位于山西省中部的交城縣。試驗(yàn)區(qū)多年平均降水量不超過500 mm，屬于半干旱區(qū)；多年平均氣溫在7 ℃左右，降雨主要集中在6-8月，期間常有暴雨發(fā)生，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候；年平均日照時(shí)數(shù)2 743 h，年平均相對(duì)濕度62%，無霜期為100～161 d。

試驗(yàn)于2016年4月下旬到9月上旬進(jìn)行，試驗(yàn)期內(nèi)試驗(yàn)區(qū)共發(fā)生降雨40 次，總降雨量351.4 mm；其中小于10 mm的小雨30次，占到總降雨次數(shù)的75%，小降雨量占總降雨量的17.59%。降雨主要發(fā)生在六、七月，持續(xù)降雨天數(shù)不超過3 d，最大日降雨量達(dá)93.1 mm；試驗(yàn)期間平均氣溫為20.8 ℃，7月中下旬到8月中上旬氣溫最高，最高日平均氣溫達(dá)26 ℃，最低日平均氣溫為13 ℃。試驗(yàn)期內(nèi)試驗(yàn)區(qū)降雨和氣溫如表1所示。

表1 試驗(yàn)期間降雨和氣溫表

1.2 試驗(yàn)材料

(1)土壤。為揭示不同地貌單元的差異，本文基于的跟蹤試驗(yàn)在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行，各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別代表淺丘區(qū)、洪積扇區(qū)和沖積平原區(qū)。由于地貌差異，各試驗(yàn)點(diǎn)土壤母質(zhì)間也存在著差異，其中代表淺丘區(qū)的洪相村土壤母質(zhì)為黃土狀沉積物，代表洪積扇區(qū)的成村土壤母質(zhì)為洪積物，代表平原區(qū)的段村土壤母質(zhì)為沖積物。

所選試驗(yàn)點(diǎn)0～20 cm土層土壤前期具體理化參數(shù)見表2。

(2)地膜試驗(yàn)所用地膜包括普通地膜和滲水地膜。普通地膜材料為聚乙烯，厚度0.008 mm，寬度1 400 mm；滲水地膜系山西省農(nóng)科院依單項(xiàng)滲水原理開發(fā)生產(chǎn)，材料為聚乙烯，膜厚0.008 mm，寬度1 400 mm，主要性能指標(biāo)為：滲水速率>12 mm/(cm2·5 cm·h)，透氣性能4～280 s/(100 mm×100 mm·20 g)，保水性能為40%/(100 ℃·300 min)。

(3)種子供試作物為玉米，品種為“晉玉18”，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所提供。

1.3 試驗(yàn)方案與方法

試驗(yàn)于2016年4-9月玉米的生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行，在各個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別設(shè)置覆蓋滲水地膜、覆蓋普通地膜、不覆蓋地膜三種處理，覆膜面積均為36 m2，且均在播種后立即覆蓋地膜。在上述3種處理下，施肥、種子、灌溉和其他農(nóng)業(yè)措施按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)模式和數(shù)量實(shí)施。試驗(yàn)中取樣頻率定為15～20 d之間，需視具體情況和玉米各生長(zhǎng)階段而定，避免在降雨之后馬上取樣以及同一地點(diǎn)多次取樣，每次取樣有次序的選點(diǎn)進(jìn)行。

表層土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀法取樣，然后在實(shí)驗(yàn)室烘干稱重計(jì)算獲得；表層土壤含水率的測(cè)定參照南京農(nóng)業(yè)大學(xué)主編的《土壤農(nóng)化分析》[10]，采用烘干稱重法獲得。

整個(gè)試驗(yàn)期試驗(yàn)區(qū)的日氣溫和降雨量情況通過當(dāng)?shù)貧庀笳精@得。

1.4 試驗(yàn)期各試驗(yàn)點(diǎn)農(nóng)業(yè)措施情況

沖積平原區(qū)試驗(yàn)田在3月5日進(jìn)行了大規(guī)模的播前灌，于4月23日進(jìn)行耕作并播種，同時(shí)進(jìn)行地膜覆蓋處理，之后整個(gè)玉米生長(zhǎng)期內(nèi)均無灌溉、施肥等田間管理措施。洪積扇區(qū)試驗(yàn)田于4月23日備耕，5月7日進(jìn)行播種同時(shí)覆蓋地膜，試驗(yàn)期內(nèi)未進(jìn)行灌溉。淺丘區(qū)試驗(yàn)田于4月23日施6 t/hm2雞糞肥、機(jī)耕，5月7日進(jìn)行第一次灌溉，5月15日進(jìn)行懸耕、播種和覆蓋地膜，5月23日進(jìn)行第二次灌溉。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生長(zhǎng)期內(nèi)，表層土壤容重變化特性

圖1為玉米生長(zhǎng)期內(nèi)裸地黃土表層容重隨時(shí)間的變化過程圖，圖2為試驗(yàn)期內(nèi)日降雨量大于15 mm的降雨過程圖。

圖1 黃土表層容重在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)的變化圖

圖2 試驗(yàn)期內(nèi)日降雨量大于15 mm過程圖

從圖1可以看出：①玉米生育期內(nèi)，黃土表層容重總體上表現(xiàn)為增大趨勢(shì)。播種時(shí)容重值為1.13 g/cm3，收割時(shí)為1.34 g/cm3，增長(zhǎng)率為18.58%。②玉米生育期內(nèi)，黃土表層容重變化過程可分為5個(gè)階段3種類型，分別為播種后容重陡增階段、播種后容重平緩增長(zhǎng)階段、雨期容重陡增階段、雨期容重平緩增長(zhǎng)階段和容重微緩下降階段。兩次陡增階段分別發(fā)生在剛播種后(4月23日-5月8日)和第一次大于15 mm的降雨發(fā)生時(shí)期(6月12日-6月29日)，其地表土壤增長(zhǎng)率分別為6.19%、6.50%；兩次陡增階段之后是兩個(gè)平緩增長(zhǎng)階段分別發(fā)生5月8日-6月12日、6月29日-8月18日、下降階段為8月18日-9月11日玉米收割期，下降幅度為3.73%。

表層容重出現(xiàn)如上變化特性的原因主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)雨滴機(jī)械作用。試驗(yàn)期為該試驗(yàn)區(qū)降雨頻繁發(fā)生時(shí)期，并時(shí)常伴有暴雨發(fā)生，雨滴對(duì)表土的擊濺會(huì)造成表層土壤團(tuán)聚體的破壞，產(chǎn)生粒徑較小的顆粒，使單位體積土體的孔隙率變小，密實(shí)程度變大，容重變大。

(2)雨滴壓實(shí)作用。降雨頻繁意味著雨滴對(duì)表土的持續(xù)打擊，同時(shí)大雨及暴雨會(huì)對(duì)表土產(chǎn)生力度較大的打擊，使土體中的大孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，表土發(fā)生壓實(shí)變形，土壤孔隙率變小，單位體積土體質(zhì)量變大；播種時(shí)，剛剛對(duì)表層土壤進(jìn)行過翻松，表土呈疏松狀，結(jié)構(gòu)容易遭到破壞，對(duì)外界因素敏感程度高，土壤自重、小降雨、風(fēng)壓等都會(huì)對(duì)表土有壓實(shí)作用，所以在播種后的十多天內(nèi)容重增加明顯，即圖1中的4月23日-5月8日，播種后容重陡增階段；在降雨等因素的累積作用下，表土到壓實(shí)狀，對(duì)雨滴的敏感性越來越低，表土容重出現(xiàn)播種后平緩增長(zhǎng)階段。

(3)干濕交替下黃土的濕陷變形。黃土具有比較特殊的粒狀架空結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)中存在著大量非正常配位的“架空孔隙”，一般來說這種結(jié)構(gòu)體系是不穩(wěn)定的，強(qiáng)度也不高，但在干濕交替、干旱、半干旱氣候下形成的黃土結(jié)構(gòu)連結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度卻很高，使得在干燥環(huán)境下的黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很高，表層黃土多呈欠密實(shí)狀。當(dāng)受到雨水浸濕時(shí)，土體中水量增加，毛管張力引起的法向應(yīng)力會(huì)較小甚至消失；顆粒間液膜厚度增加，粒間摩擦力降低；雙電層中離子溶度下降，將表現(xiàn)為排斥力；水膜的楔入將增大膠凝物質(zhì)間的距離，分子引力將減小，這些變化都將削弱連結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，結(jié)構(gòu)中的“架空孔隙”發(fā)生崩塌，在水壓力和土體自重作用下，土體顆粒隨孔隙的塌陷而向下沉降，孔隙率降低，土壤變密實(shí)。所以第一次大的降雨(6月23日)發(fā)生時(shí)，表層土壤濕陷性明顯，濕陷變形大，受雨水浸濕后容重發(fā)生明顯增大。當(dāng)7月9日第二次大的降雨發(fā)生時(shí)，此時(shí)表層土壤已完成濕陷過程，容重值較高，而濕陷系數(shù)與土壤干密度呈負(fù)相關(guān)，土壤再次受到雨水浸濕時(shí)，濕陷性表現(xiàn)并不明顯，容重變化也較平緩。

試驗(yàn)區(qū)最大降雨發(fā)生時(shí)(7月19日)，雖然降雨量大，但是此前表層土壤已經(jīng)經(jīng)歷過多次降雨的機(jī)械作用，并且表層黃土的濕陷過程已經(jīng)基本完成，濕陷變形幾乎沒有或較小，影響容重的主要因素是降雨的打擊壓實(shí)作用，所以此時(shí)表層土壤容重表現(xiàn)為平緩的上升趨勢(shì)。

收割期(8月18日-9月11日)降雨幾乎為零，表層容重出現(xiàn)微緩下降可能與根系的充分發(fā)育以及微生物的活動(dòng)有關(guān)。根系充分發(fā)育會(huì)使土壤變疏松，孔隙率變大，同時(shí)微生物活動(dòng)分解土壤中的腐殖質(zhì)會(huì)使土壤通透性增加，土體中固相物質(zhì)減少，單位體積土體質(zhì)量降低，表層土壤容重下降。

2.2 不同地膜覆蓋下表層土壤容重變化特性

圖3為不同地膜覆蓋下，同一試驗(yàn)點(diǎn)表層土壤容重隨時(shí)間變化圖，圖4為相應(yīng)試驗(yàn)點(diǎn)不同地膜覆蓋下，表層土壤體積含水率變化圖。

圖3 不同地膜覆蓋下表層土壤容重變化圖

圖4 不同地膜覆蓋下表層土壤體積含水率變化圖

從圖3可以看出：①播種期(4月23日)初始容重值除外，裸地表層容重曲線始終在地膜覆蓋處理表層容重曲線之上，普通地膜覆蓋處理表層容重曲線始終在滲水地膜處理表層容重曲線之上，即3種處理方式下表層容重值大小關(guān)系始終為裸地大于普通地膜覆蓋，普通地膜覆蓋大于滲水地膜覆蓋。②地面覆蓋在一定程度上可減小玉米生長(zhǎng)期內(nèi)土壤容重的增加幅度。收割期末裸地表土容重為1.34 g/cm3，普通地膜覆蓋下表層土壤容重為1.28 g/cm3，滲水地膜覆蓋下表層土壤容重為1.26 g/cm3。與播種時(shí)相比，3種處理方式下表層土壤容重變化率分別為：裸地為18.58%，普通地膜覆蓋為13.27%，滲水地膜覆蓋為12.39%，普通地膜處理下變化率降低了5.31%，滲水地膜處理下變化率降低了6.19%。

表現(xiàn)出以上變化特性的主要原因有以下3個(gè)方面。

(1)雨水與表土的接觸過程不同。相同降雨情況下，裸地土壤受到雨水的直接打擊，而覆膜條件下，薄膜隔斷了雨水與表土的直接接觸，因而雨滴對(duì)表土的機(jī)械作用幾乎為零；同時(shí)地膜覆蓋下，薄膜對(duì)雨水的打擊具有一定的緩沖作用，減緩了雨水對(duì)地表的打擊力，減小了雨滴對(duì)表土的壓實(shí)作用而產(chǎn)生的壓實(shí)變形。所以，覆膜條件表層土壤容重比裸地要小。

(2)表土吸收水分的方式不同。小降雨(<10 mm)發(fā)生條件下[11]，雨水在裸地中入滲較淺，水分的大多數(shù)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)掉成為無效水；對(duì)于普通地膜來說，雨水無法透過薄膜進(jìn)入膜下土壤，當(dāng)雨水落到薄膜上時(shí)會(huì)因得不到及時(shí)吸收而蒸發(fā)掉成為無效水；而滲水地膜具有微通透性，雨水落到地膜上，形成重力水，在垂直向下的土壤水勢(shì)梯度作用下，滲水地膜微通道打開，水分入滲過程發(fā)生，膜下表土完成對(duì)小降雨的吸收，當(dāng)薄膜上水分入滲完成后，雨水重力消失，薄膜在彈力作用下，通道自動(dòng)關(guān)閉，防止表土水分的蒸發(fā)；所以小降雨情況下，只有滲水地膜覆蓋下表層土壤能吸收并保存一定量的水分。大降雨(>15 mm)發(fā)生條件下，裸地表層土壤與外界接觸面積大，會(huì)直接受到雨水，但蒸發(fā)過程又使得表土水分迅速減??；普通地膜覆蓋下表土能通過周圍裸地土壤水分的側(cè)滲吸收一定量的水分，但由于地表膜的覆蓋，水分的散失過程也較緩慢；滲水地膜覆蓋下表土除能通過周圍裸地土壤的側(cè)滲吸收一定量的水分外，仍能通過膜上雨水入滲吸收水分，但水分消耗過程類似于普通地膜覆蓋，所以土壤水分含量相對(duì)其他兩種覆蓋較高。所以3種處理方式下，滲水地膜覆蓋下表土含水量最大，普通地膜次之，裸地最小，這與圖4所示不同處理方式下，表層土壤體積含水率變化圖保持一致，而黃土體積含水量與土壤容重呈負(fù)相關(guān)[12]，所以表層土壤容重表現(xiàn)為滲水地膜覆蓋最小，普通地膜覆蓋次之，裸地最大。

(3)表土與外界接觸面積不同。裸地條件下，表土與外界完全接觸，表土水分蒸發(fā)量與覆膜相比要大很多，試驗(yàn)區(qū)處于半干旱區(qū)，蒸發(fā)量比降雨量要大，裸地表土水分會(huì)在降雨之后的一段時(shí)間內(nèi)大量蒸發(fā)，表土含水量大大降低；而地膜覆蓋阻隔了表土與外界空氣的接觸，能大大降低表土水分因蒸發(fā)而散失引起的含水率降低，從而使表土含水量保持在較高水平。所以地膜覆蓋下表土含水量要高于裸地條件，相應(yīng)的土壤容重值則低于裸地表土容重。

3 結(jié) 論

(1)玉米生育期內(nèi)，不同覆蓋土壤都呈現(xiàn)出容重逐漸增大趨勢(shì)，增大幅度在12.39%～18.58%。黃土表層容重變化過程可分為5個(gè)階段3種類型，分別為播種后容重陡增階段、播種后容重平緩增長(zhǎng)階段、雨期容重陡增階段、雨期容重平緩增長(zhǎng)階段和容重微緩下降階段。降雨對(duì)裸地表層容重的影響十分明顯，主要表現(xiàn)為雨滴的壓實(shí)作用和機(jī)械作用；同時(shí)黃土的濕陷性是表層土壤容重發(fā)生變化的內(nèi)在原因，且黃土的濕陷變形在初次大降雨發(fā)生時(shí)表現(xiàn)最為明顯。

(2)地面覆蓋在一定程度上可減小玉米生長(zhǎng)期內(nèi)土壤容重的增加幅度。玉米生育期內(nèi)，不同處理方式下表層土壤容重值大小次序始終是裸地>普通地膜覆蓋>滲水地膜覆蓋；且玉米收割期與播種期相比，裸地表層土壤容重值變化率為18.58%，普通地膜覆蓋為13.27%，滲水地膜覆蓋為12.39%；與裸地相比，普通地膜處理下變化率降低了5.31%，滲水地膜處理下變化率降低了6.19%，由此可見地膜覆蓋能降低表層土壤容重值，滲水地膜覆蓋比普通地膜覆蓋降低效果更明顯。

(3)由于本次試驗(yàn)是針對(duì)玉米生育期內(nèi)表層土壤容重進(jìn)行的一次跟蹤測(cè)定，受數(shù)據(jù)樣本量和試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)結(jié)果還有進(jìn)一步探索和改進(jìn)的必要。同時(shí)試驗(yàn)僅針對(duì)降雨量單一氣象因素進(jìn)行了分析，關(guān)于多因素綜合作用下的變化特性還需進(jìn)一步的研究。

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