旱作農(nóng)田土壤表層容重年內(nèi)變化特性的試驗(yàn)研究

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

土壤容重是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要物理參數(shù)，是計(jì)算土壤養(yǎng)分含量、土壤孔隙率、土壤空氣含量和土壤體積含水率的基本數(shù)據(jù)[1]。土壤容重表征了土壤的密實(shí)程度和土壤質(zhì)量，與土壤飽和含水量、田間持水量、凋萎系數(shù)等參數(shù)密切相關(guān)，也在一定程度上決定降雨入滲、徑流率的大小，即決定著降水轉(zhuǎn)換土壤水的比率和速度。因此，土壤容重成為田間水分利用率、水分入滲率、作物需水量和化肥使用量預(yù)測(cè)重要參數(shù)。表層土壤與外界進(jìn)行著不斷的物質(zhì)和能量的交換，從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。在降雨和土壤其他理化條件的共同作用下，表層土壤容重發(fā)生變化，進(jìn)而改變了地表水文狀況，表層土壤容重不僅影響降雨的滲吸過程，而且直接影響土壤溶質(zhì)擴(kuò)散速率，從而間接地對(duì)徑流溶質(zhì)的遷移過程產(chǎn)生影響[1]。

近年來，一些學(xué)者對(duì)不同區(qū)域土壤容重的變化規(guī)律和影響其變化的因素進(jìn)行了探索性研究，取得了一定的進(jìn)展。傅子洹[3]對(duì)黃土區(qū)小流域土壤容重的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了月季尺度的研究，發(fā)現(xiàn)土壤容重在8、9和10月表現(xiàn)為微增趨勢(shì)，并且8月和9月、10月的容重均值差異顯著，9月與10月無明顯差異。影響土壤容重的因素眾多，目前研究主要集中在土壤含水率、土壤有機(jī)質(zhì)、降雨及灌溉等方面?？琢畛热薣4]認(rèn)為土壤含水率的變化會(huì)導(dǎo)致表層土壤結(jié)構(gòu)的改變。樊貴盛等[5]發(fā)現(xiàn)耕作土壤由高含水量到低含水量的變化過程中，土壤干容重呈增大趨勢(shì)。鄭世清等[6]研究發(fā)現(xiàn)土壤容重與土壤抗蝕性密切相關(guān)。Stirk等[7]認(rèn)為灌溉過程中灌溉水在入滲后會(huì)引起土壤的收縮和開裂，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤容重發(fā)生變化。咸水灌溉給農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供必要的水分，也將鹽分帶入土壤中，鹽分離子與土壤本身化學(xué)元素及土壤顆粒發(fā)生相互作用，改變了土壤的理化特征和結(jié)構(gòu)，從而影響土壤的容重。馮棣[8]通過連續(xù)多年的咸水灌溉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著灌溉水礦化度的增加，0～20 cm土層的容重逐漸增大。

縱觀國(guó)內(nèi)外研究影響土壤容重變化規(guī)律及影響因素的文獻(xiàn)，多以非耕作自然土壤容重動(dòng)態(tài)變化和單因素影響為主，研究耕作土壤容重年內(nèi)變化規(guī)律并綜合分析各因素影響的報(bào)道還較少。本文針對(duì)旱作農(nóng)田土壤，綜合考慮降雨、氣溫、灌溉等因素，通過對(duì)農(nóng)田表層土壤容重年內(nèi)跟蹤監(jiān)測(cè)，分析農(nóng)田表層土壤容重年內(nèi)變化的特性，旨在揭示多因素下作用下旱作農(nóng)田土壤容重年內(nèi)變化規(guī)律，對(duì)于科學(xué)進(jìn)行農(nóng)田農(nóng)事、灌溉管理，提高農(nóng)田水分利用理論，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃河中游，華北西部的黃土高原區(qū)，橫跨山西省中部的十五個(gè)縣市區(qū)，海拔600～2 000 m，年度跟蹤試驗(yàn)點(diǎn)布置在山地、平原、盆地等多種地貌類型區(qū)，試驗(yàn)點(diǎn)土壤種類多樣，有紅黏土、棕壤土、栗鈣土、栗褐土和黃綿土。土壤質(zhì)地類型包括砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)黏壤土、壤土等，其中耕作層黏粒、粉粒、砂粒含量的變化范圍分別為0.01%～17.54%、37.89%～66.14%、28.63%～61.57%；耕作層土壤含水率的范圍為0.78%～50.25%，有機(jī)質(zhì)含量在0.18～2.74 g/kg之間，全鹽量在682.3～5 606.28 mg/kg之間，土壤容重在1.08～1.51 g/cm3之間。

試驗(yàn)期試驗(yàn)區(qū)共發(fā)生降雨53次，總降雨量為318 mm；其中小于10 mm的小雨40次，占到總降雨次數(shù)的75%，小降雨總量占總降雨量的34.75%，持續(xù)降雨天數(shù)不超過2 d，最大日降雨量為25.1 mm。試驗(yàn)期平均氣溫為20.8 ℃，且7月中下旬至8月中上旬氣溫最高；試驗(yàn)期試驗(yàn)區(qū)最高日平均氣溫達(dá)28.9 ℃，最低日平均氣溫為2.33 ℃。表1是試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)期內(nèi)降雨和平均氣溫情況表。

表1 試驗(yàn)期間降雨和氣溫表

1.2 農(nóng)事作業(yè)與田間管理

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。供試作物為玉米，品種為晉玉18。玉米播種前備耕期將農(nóng)家肥均勻施于地表，通過機(jī)械旋耕翻埋于地下，玉米生長(zhǎng)期內(nèi)未進(jìn)行施肥。試驗(yàn)區(qū)種植密度為59 970 株/hm2左右。試點(diǎn)1播種前灌溉一次，在玉米的生育期內(nèi)，試點(diǎn)1和試點(diǎn)2均未進(jìn)行灌溉。

1.3 試驗(yàn)方案與方法

對(duì)試驗(yàn)區(qū)各試驗(yàn)點(diǎn)0～2、2～10、10～20 cm分層土壤的容重、含水率、溫度等基本理化參數(shù)進(jìn)行年內(nèi)跟蹤測(cè)定，并配套監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)期內(nèi)降雨量和氣溫等。試驗(yàn)從4月下旬開始到11月中旬結(jié)束，共進(jìn)行了10次試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)頻次20 d左右，每次取樣時(shí)各個(gè)試點(diǎn)各層土壤取3次容重，記錄3次取樣各層容重的平均值，每次取樣有次序的選點(diǎn)進(jìn)行，避免同一地點(diǎn)多次取樣。

土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定，為更好地解釋地表容重的變化過程，地層容重采用高度為2 cm的非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀進(jìn)行測(cè)定，環(huán)刀直徑與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀一致；2～10、10～20 cm分層容重用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀測(cè)定(不銹鋼環(huán)刀容積為100 cm3，高5.1 cm，直徑為5 cm)。土壤含水率測(cè)定采用烘干稱重法；土壤質(zhì)地通過激光粒度儀測(cè)定獲得；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法來測(cè)定；氣溫和降雨量通過氣象站設(shè)施觀察得到；分層地溫采用地埋式溫度計(jì)獲得。

1.4 試驗(yàn)區(qū)分層土壤容重的跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)區(qū)15個(gè)試點(diǎn)0～2、2～10、10～20 cm分層土壤的容重在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)的跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)上述15個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的分層容重進(jìn)行分析，得到了下述相關(guān)結(jié)果。本文選取試點(diǎn)1和試點(diǎn)2為代表進(jìn)行逐一說明，表3為試點(diǎn)1和試點(diǎn)2土壤基本理化參數(shù)表。

2.1 土壤容重的年內(nèi)變化的總體趨勢(shì)

圖1為試點(diǎn)1和試點(diǎn)2耕作層土壤容重的加權(quán)平均值隨時(shí)間的變化折線圖和降雨量發(fā)布過程圖。

表2 試驗(yàn)區(qū)分層土壤容重的跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果 g/cm3

表3 試點(diǎn)土壤基本理化參數(shù)表

圖1 試點(diǎn)1、2土壤容重及降雨量年內(nèi)變化

由圖1可以看出：試點(diǎn)1與試點(diǎn)2玉米生長(zhǎng)期內(nèi)耕作層土壤容重總體表現(xiàn)為隨時(shí)間增大的趨勢(shì)。試點(diǎn)1與試點(diǎn)2表層加權(quán)平均土壤容重分別從播種時(shí)的1.10和1.12 g/cm3，增長(zhǎng)到收割時(shí)的1.44和1.42 g/cm3，增長(zhǎng)率分別為30.91%和26.79%。

分析認(rèn)為表層容重增大的原因有以下方面：

(1)土壤的壓實(shí)性。土壤的壓實(shí)性是指在土壤表面施加壓力時(shí)，土壤的孔隙度降低、土壤顆粒排列變緊密，土壤容重隨之增大的過程[9]。玉米生長(zhǎng)期內(nèi)，由于土體自重、農(nóng)業(yè)機(jī)械和人為作業(yè)等對(duì)耕作層土壤造成一定壓力，破壞耕層土壤中的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土壤中的大孔隙減小，土壤結(jié)構(gòu)密實(shí)程度增大，土壤的容重增大。

(2)黃土的濕陷性。黃土濕陷是指黃土在一定的壓力、浸水及滲流作用下產(chǎn)生壓縮、濕陷及滲透變形的全過程。玉米生長(zhǎng)期內(nèi)試驗(yàn)區(qū)有多次降雨，降雨后土壤浸水，水分沿著黃土的孔隙和節(jié)理直接入滲到土壤內(nèi)部，使土壤發(fā)生濕陷變形。黃土內(nèi)水溶鹽的溶解導(dǎo)致膠結(jié)作用的減弱、黃土中黏土礦物含量低、黃土細(xì)顆粒表面結(jié)合水膜變厚等原因?qū)е曼S土的膠結(jié)受到破壞而造成黃土的濕陷變形，即微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，架空孔隙崩塌[10]。也就是說濕陷性黃土的孔隙粗顆粒堆積比較輕松，顆粒間呈點(diǎn)接觸，顆粒間的搭接形成較大的架空孔隙，降雨時(shí)雨滴對(duì)黃土打擊產(chǎn)生一定的壓力，在打擊壓力和土體自重作用下，結(jié)構(gòu)中的架空孔隙發(fā)生崩塌，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)。

(3)升溫的影響。一方面，氣溫升高加速了土壤的脫水過程，土體內(nèi)水分運(yùn)動(dòng)和表層土壤蒸發(fā)加快，自由水和毛管水的減少使得土粒周圍的結(jié)合水膜厚度減小，造成土粒在分子引力的作用下相互靠攏，表層土粒排列更加緊密，土壤干容重增大。另一方面，大氣溫度升高和太陽輻射增強(qiáng)加快了植株的蒸騰作用，從而提高了根系吸水的速率，土壤溫度的升高也加快了根系吸水的速率，土壤耕作層內(nèi)的植物根系吸水速率增大，導(dǎo)致土壤含水量降低，土壤干容重增大[11]。

2.2 土壤容重的年內(nèi)變化分段特性與機(jī)理

由圖1可以看出：試點(diǎn)1與試點(diǎn)2土壤容重的年內(nèi)變化過程大體相似，可以分為5個(gè)階段：播種后容重陡增階段、播種后容重緩增階段、雨期容重陡增階段、雨期容重波動(dòng)階段和容重緩降階段。以下分階段對(duì)表層土壤容重的變化特性和機(jī)理進(jìn)行分析。

(1)播種后容重陡增階段(4月22日-5月17日)。玉米播種后的半個(gè)月內(nèi)，表層土壤容重快速增大，試點(diǎn)1與試點(diǎn)2耕作層土壤容重平均增長(zhǎng)率分別為17.27%和10.71%。土壤耕作層容重在播種后快速增長(zhǎng)的原因有：①農(nóng)民在播種前會(huì)對(duì)耕作層土壤進(jìn)行翻松，土壤翻耕后改變了地表耕層土壤緊實(shí)度，顆粒間呈點(diǎn)接觸，顆粒間的搭接形成較大的架空孔隙，孔隙顆粒之間堆積變疏松。播種后，原本疏松的土壤在自重、小降雨和農(nóng)民的耕作活動(dòng)的壓力下，結(jié)構(gòu)中的架空孔隙發(fā)生崩塌，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)。②由表1可知，在播種后容重陡增階段，試驗(yàn)區(qū)有頻繁的小降雨，累計(jì)降雨量為41.7 mm，持續(xù)的小降雨使得表層黃土深陷，產(chǎn)生了較大的濕陷性變形，因此，在受多次小雨水浸濕后容重發(fā)生明顯增大。③在此階段內(nèi)，處于半干旱區(qū)的試驗(yàn)區(qū)降雨量很小，隨著溫度的不斷升高，蒸發(fā)量速度增快，土壤脫水過程加快，地表土壤水分含量會(huì)在降雨之后的一段時(shí)間內(nèi)快速下降，也是導(dǎo)致土壤容重穩(wěn)定上升的原因之一。

(2)播種后容重平緩增長(zhǎng)階段(5月18日-7月14日)。此階段內(nèi)表層土壤在降雨和人為等壓力的作用下沉降已基本完成，容重隨作物的生長(zhǎng)緩慢增加，試點(diǎn)1與試點(diǎn)2的增長(zhǎng)率分別為3.88%和8.06%。

(3)雨期容重陡增階段(7月15日-7月30日)。第一次大降雨后試點(diǎn)1和試點(diǎn)2的表層土壤容重均達(dá)到了生長(zhǎng)期內(nèi)的最大值，表層土壤的濕陷過程已基本完成。表現(xiàn)為以上特性的原因有：①雨滴對(duì)土壤的機(jī)械擊打壓實(shí)作用明顯。此階段內(nèi)降雨頻繁并且降雨量較大，累計(jì)降雨量為94.5 mm。大降雨破壞了土壤中由較小顆粒團(tuán)聚成的團(tuán)聚體，分散的土粒會(huì)進(jìn)入土壤的孔隙從而減小了孔隙度，使得土壤的密實(shí)度增大，土壤的容重增大。②降雨導(dǎo)致耕作層土壤含水量波動(dòng)較大。大降雨后土壤表層含水量急劇增加，土壤含水率經(jīng)常接近田間持水量水平，這時(shí)，土壤容重似乎有減小的趨勢(shì)，但此時(shí)土壤水分的蒸發(fā)強(qiáng)度是由大氣蒸發(fā)能力決定的最大可能蒸發(fā)強(qiáng)度----潛在蒸發(fā)強(qiáng)度[12,13]，較大的蒸發(fā)強(qiáng)度導(dǎo)致土壤含水量急劇減小，又會(huì)導(dǎo)致土壤容重的增加。③此外，此階段各次降雨量較大，雨水可入滲到土壤的深層，導(dǎo)致深層(10～20 cm)土壤發(fā)生濕陷，發(fā)生較大土壤結(jié)構(gòu)變形，即深層土壤在這一階段完成濕陷變形過程，使耕層土壤容重值達(dá)到最大值。

(4)雨期容重波動(dòng)階段(7月30日-9月25日)。此階段累積降雨量為134.6 mm，但此前表層土壤已經(jīng)經(jīng)歷過多次降雨的機(jī)械作用，已基本完成濕陷變形過程，此階段內(nèi)土壤的濕陷變形幾乎沒有，影響土壤容重的主要因素一方面為降雨的打擊壓實(shí)作用，另一方面是作物根系充分發(fā)育使土壤變疏松，孔隙率變大。

(5)容重平緩下降階段(9月26日-11月11日)。玉米收割后耕作層土壤容重緩降的原因是：本階段內(nèi)試驗(yàn)區(qū)幾乎沒有降雨，表層土壤容重出現(xiàn)緩降主要是由于本階段內(nèi)溫度仍較高，收獲后作物根系腐爛，微生物活動(dòng)分解土壤中的腐殖質(zhì)，在一定程度上提高了耕層土壤孔隙度，改善了土壤通氣狀況，土壤容重降低緩慢。

由圖1還可以看出，試點(diǎn)1表層土壤容重在第一階段和第三階段的增加幅度明顯大于試點(diǎn)2相應(yīng)階段的增加幅度，試點(diǎn)1在第一階段和第三階段的增加幅度為17.27%和7.46%，試點(diǎn)2的增加幅度分別為10.71%和5.22%。這是由于試點(diǎn)1和試點(diǎn)2的土壤質(zhì)地有所差異，土壤容重反映了土壤本身的性質(zhì)，其變異性與土壤質(zhì)地有很大關(guān)系[14]。由表1可知，試點(diǎn)2耕作層土壤粉粒和砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于試點(diǎn)1的大，土粒間接觸面積較小，土體中大孔隙居多，土體的結(jié)構(gòu)較疏松，降雨后土壤中分散的小顆粒隨水流下滲并填充于大孔隙之間，使土體變得密實(shí)，土壤結(jié)構(gòu)在水平與垂直方向上發(fā)生的收縮變化要大，土壤容重會(huì)明顯增大。而試點(diǎn)1耕作層土壤黏粒含量較多，土壤結(jié)構(gòu)較密實(shí)，降雨后土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化要比砂粒多的土壤小，土壤容重增加的幅度自然要小一些。

2.3 耕作層土壤容重的年內(nèi)分層變化特性與機(jī)理

圖2為試點(diǎn)1分層土壤容重年內(nèi)變化及降雨量的年內(nèi)分布圖。

由圖2可以看出，表層土壤容重的年內(nèi)分層變化特性是：

圖2 試點(diǎn)1分層土壤容重及降雨量年內(nèi)分布

(1)耕作層不同深度的土壤容重的年內(nèi)變化趨勢(shì)相似，但10～20 cm土層容重在3個(gè)階段始終處于最大。10～20 cm土層容重在3個(gè)階段都處于最大的原因在于：雖然黃土的濕陷性和壓實(shí)性對(duì)各層土容重都會(huì)產(chǎn)生影響，但由于10～20 cm土層承擔(dān)的土壤自重較大，黃土的濕陷和壓實(shí)作用更為明顯；此外，水分的入滲會(huì)將土壤中分散的細(xì)小顆粒帶到深層土壤中，細(xì)小顆粒的持續(xù)堆積也會(huì)使得深層土壤的容重增大。

(2)0～2 cm土層和2～10 cm土層容重的變化過程在不同時(shí)期具有不同的相對(duì)關(guān)系。試點(diǎn)1在7月10日之前，0～2 cm土層容重(平均值1.2 g/cm3)>2～10 cm土層容重(平均值1.14 g/cm3)；從7月10日到玉米收割后，0～2 cm土層容重(平均值1.33 g/cm3)卻<2～10 cm土層容重(平均值1.37 g/cm3)。7月10日之前0～2 cm土層容重大于2～10 cm土層容重的原因有：①由圖2可知，在此階段內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)小降雨(<15 mm)發(fā)生了18次，頻繁的耕作活動(dòng)和持續(xù)小降雨對(duì)表層土壤的機(jī)械擊打作用使得表層土壤變實(shí)；②由于表層土壤接受太陽輻射后溫度升高較快，加上空氣流動(dòng)作用，使得表層水分蒸發(fā)迅速，土壤脫水過程增快，土壤容重在降雨后增加快；加之此時(shí)段內(nèi)降雨量較小，土壤的濕陷性只對(duì)表層0～2 cm土層容重的影響較為明顯；③在此階段內(nèi)，上層土壤溫度較下層的高，土壤中微生物活動(dòng)更為劇烈，會(huì)使土壤孔隙率有所增大，土質(zhì)會(huì)疏松一些。所以在7月10日之前，0～2 cm土壤容重大于2～10 cm土壤容重。而7月10日以后試驗(yàn)區(qū)降雨量增大，表層土壤吸水，增大了土壤表層與下層之間的水勢(shì)梯度，水分更多地下滲到深層，土壤的濕陷性和壓實(shí)性又導(dǎo)致2～10 cm土壤容重大于0～2 cm土壤容重。

3 結(jié) 語

(1)玉米生長(zhǎng)期內(nèi)耕作層土壤容重總體表現(xiàn)為隨時(shí)間增大的趨勢(shì)，增大幅度在10.71%～17.27%；其變化過程可以分為5個(gè)階段：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、雨期容重波動(dòng)階段和容重緩降階段；大降雨對(duì)容重的影響非常明顯，第一次大降雨后表層土壤容重達(dá)到最大值，濕陷變形過程基本完成，主要是由于雨滴機(jī)械擊打和水化作用破壞土壤結(jié)構(gòu)中的團(tuán)聚體，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。

(2)不同深度土壤容重的年內(nèi)變化趨勢(shì)大體相似；在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)，10～20 cm土壤容重在3個(gè)階段始終最大，由于小降雨的影響，在主汛期到來之前，0～2 cm土壤容重>2～10 cm土壤容重，而主汛期間，0～2 cm土壤容重<2～10 cm土壤容重；由此可見，降雨量對(duì)不同對(duì)耕作層土壤容重影響的深度也不同，大降雨對(duì)較深層土壤容重的影響更大。

影響土壤容重的因素多而復(fù)雜，本文基于土壤容重的田間試驗(yàn)，對(duì)影響土壤容重的因素做出了以定性為主的討論，對(duì)于土壤容重定量預(yù)測(cè)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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