桂林地區(qū)輪作與非輪作條件下水稻土收縮變化研究

鄭思文，朱彥光，嚴(yán) 磊，陳曉冰*，徐勤學(xué)，甘 磊

(1.桂林理工大學(xué)，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)，廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

【研究意義】農(nóng)地土壤在自身含水量逐漸降低的過(guò)程中，土體會(huì)向內(nèi)部凹陷、收縮產(chǎn)生裂隙，增大土體表面積，造成水分、養(yǎng)分快速的流失，甚至引起地下水污染[1]。同時(shí)，土壤收縮會(huì)在一定程度上影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，改變作物根系的分布和吸水，甚至造成作物根系的生理?yè)p傷[2]。輪作是農(nóng)業(yè)上一種重要的耕作手段，可以較好的改善土壤理化性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)[3-4]。水旱輪作還可改變土壤的生態(tài)環(huán)境，增加水田土壤的非毛管孔隙，提高氧化還原電位，有利土壤通氣和有機(jī)質(zhì)分解，消除土壤板結(jié)[5]，因此研究不同耕作條件下的土壤收縮變化具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤收縮變化是受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、以及土壤含水量等多種土壤性質(zhì)在外界綜合環(huán)境作用下產(chǎn)生的結(jié)果，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程[6-7]。邵明安等[8]用壓力室法測(cè)定5種土壤在脫水收縮過(guò)程中的土壤比容重、質(zhì)量含水率和土壤收縮之間的關(guān)系，并采用三直線(xiàn)模型分析得到在不同比容重下土壤收縮曲線(xiàn)[9]。陳禎等[10]通過(guò)采用淹灌、間歇灌2種灌溉模式，發(fā)現(xiàn)水稻田土壤濕脹干縮效應(yīng)受多種土壤性質(zhì)的影響。呂殿青等[11]以黃土高原3種原狀土壤為研究對(duì)象，通過(guò)利用用離心機(jī)法測(cè)定土壤的持水性，發(fā)現(xiàn)在土壤脫水過(guò)程中對(duì)數(shù)函數(shù)可以很好的描述土壤持水特征曲線(xiàn)。針對(duì)土壤輪作的研究則主要集中在土壤輪作對(duì)土壤pH、土壤肥力、礦物質(zhì)吸收、作物產(chǎn)量等的研究。通過(guò)對(duì)水稻—大棚番茄進(jìn)行水旱輪作，王克磊等[12]發(fā)現(xiàn)了不同耕作方式對(duì)土壤pH、電導(dǎo)率以及產(chǎn)量的影響，輪作可以很好的降低土壤酸堿度，提高產(chǎn)量。為研究不同磷肥用量對(duì)水稻—油菜輪作體系中作物產(chǎn)量、磷素吸收量以及磷肥當(dāng)季利用率和殘留利用率的影響，卜容燕等[13]通過(guò)采用水稻—油菜周年輪作的田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水稻—油菜輪作可以顯著地增加油菜的產(chǎn)量和磷素吸收量，對(duì)后季油菜具有明顯的后效?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前的研究多基于土壤收縮與土壤輪作單一因素展開(kāi)，將土壤耕作方式和土壤收縮結(jié)合，尤其是在自然失水過(guò)程中輪作與非輪作條件下土壤收縮變化的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在輪作與非輪作條件下，通過(guò)利用利用Soil Shrinkage Simulator (SSS)軟件對(duì)土壤收縮曲線(xiàn)的擬合，分析不同耕作方式下土壤收縮變化，為水稻安全生長(zhǎng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與采樣

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市雁山區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)(25°04′N(xiāo)，110°18″E)，海拔高度為151.5 m，年平均氣溫為19.3 ℃，年平均降雨量為1949.5 mm，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，土壤類(lèi)型主要為紅壤，土壤質(zhì)地以砂壤土為主。選取雙季水稻田作為研究對(duì)象，早稻生育期一般為4月上旬至7月中旬，晚稻生育期一般為7月中旬至11月中旬，其產(chǎn)量為：早稻7713 kg/hm2、晚稻9442.5 kg/hm2。在冬季空閑時(shí)，輪作區(qū)則選擇在雙季水稻田的基礎(chǔ)上種植油菜進(jìn)行輪作。在種水稻前，研究區(qū)進(jìn)行淹水“打田”，以機(jī)器整地為主，經(jīng)過(guò)粗耕、細(xì)耕和整平三個(gè)過(guò)程。粗耕、細(xì)耕和整平分別作用在40～50 cm土層、20～30 cm土層和0～10 cm土層。

在采樣點(diǎn)用環(huán)刀(100 cm3)采集水稻田的原狀土壤樣品，由于水稻是須根系，根細(xì)而密，其主要功能根群主要集中在50 cm土層內(nèi)，而且水稻田整地的三個(gè)過(guò)程深度不同。因此樣品采集深度分別為：0～8、18～26和40～46 cm，每個(gè)深度5個(gè)重復(fù)。在采集環(huán)刀土樣的同時(shí)，采集散裝土樣，用于實(shí)驗(yàn)室土壤理化性質(zhì)分析。

1.2 土壤基本性質(zhì)測(cè)定

土樣的基本理化性質(zhì)測(cè)定包括：土壤容重、土壤孔隙度、土壤質(zhì)地和土壤有機(jī)質(zhì)。土壤容重和土壤孔隙度采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定；土壤質(zhì)地采用吸管法進(jìn)行測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法進(jìn)行測(cè)定，具體實(shí)驗(yàn)方法步驟參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[14]。

1.3 收縮試驗(yàn)

利用深度游標(biāo)卡尺測(cè)量方法，對(duì)土壤收縮進(jìn)行測(cè)定。將田間采集的原狀土樣放入水中進(jìn)行2～5 d的飽和處理后，利用深度游標(biāo)卡尺對(duì)土樣高度進(jìn)行測(cè)量(為減小測(cè)量誤差，每次測(cè)量土樣表面相同的五個(gè)點(diǎn))。用同樣的方法分別測(cè)定自然風(fēng)干24、48、72、96和120 h以及在105 ℃條件下烘1 d后的土樣質(zhì)量和高度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

土壤的線(xiàn)性伸展系數(shù)(Coefficient of linear extensibility，COLE)可以用來(lái)描述土壤在濕潤(rùn)和干燥兩點(diǎn)間收縮幅度情況，計(jì)算式為[15]：

(1)

式中：L0為土壤樣品濕潤(rùn)條件下的長(zhǎng)度(mm)，L105°C為土壤樣品經(jīng)過(guò)105 ℃烘干后的長(zhǎng)度(mm)。

由于土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)只能描述兩點(diǎn)之間的收縮幅度，不能描述土壤在各個(gè)含水量狀態(tài)下連續(xù)收縮情況。因此本研究引入土壤收縮曲線(xiàn)，采用的是Peng和Horn[16]在van-Genuchten方程的基礎(chǔ)上修改而得的收縮曲線(xiàn)模型進(jìn)行擬合，該模型只需要將各個(gè)參數(shù)、數(shù)據(jù)的平均值導(dǎo)入即可，其具體表達(dá)式為：

(2)

式中：e(?)、?、 ?s、er、es分別為土壤孔隙比(cm3·cm-3)、土壤水分比(cm3·cm-3)、飽和水分比(cm3·cm-3)、土壤剩余孔隙比(cm3·cm-3)、土壤飽和點(diǎn)孔隙比(cm3·cm-3)，χ、p、q是無(wú)量綱的擬合參數(shù)，可以通過(guò)Soil Shrinkage Simulator(SSS)軟件計(jì)算得出，其他數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS18.0及Excel 2010軟件處理分析。

表1 水稻田土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of paddy soil

注：同試驗(yàn)地中同列不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)土壤物理性狀的影響

從不同耕作方式下土壤質(zhì)地等土壤物理性狀(表1)可以看出，0～8 cm土層，輪作區(qū)和非輪作區(qū)土壤的粉粒含量最大，在18～26 cm和40～46 cm輪作區(qū)黏粒含量最大，砂粒最小，而非輪作區(qū)則表現(xiàn)為粉粒最大，黏粒最小。在相同條件下，輪作區(qū)的土壤容重大于非輪作區(qū)且輪作區(qū)土壤容重隨土壤深度的增加而增大。非輪作區(qū)在18～26 cm土層土壤容重最大，其余兩層土壤容重差異不顯著(P>0.05，下同)。在土壤有機(jī)質(zhì)方面，輪作與非輪作區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度增加而逐漸減小，其中0～8 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量都明顯大于其余兩層土壤(P<0.05，下同)。從土壤孔隙度方面看，0～8 cm土層的土壤孔隙度最大，其余兩層孔隙度在輪作區(qū)差異顯著，但在非輪作區(qū)差異不顯著。

2.2 不同耕作方式對(duì)土壤收縮特征的影響

2.2.1 土壤線(xiàn)性伸展 從不同條件下的土壤體積含水量變化(表2)可知：在相同條件下，非輪作區(qū)土壤含水量基本上大于輪作區(qū)。在不同風(fēng)干條件下，輪作區(qū)表層土壤含水量比深層含水量大，而非輪作區(qū)除飽和條件下卻正好相反，說(shuō)明土層深度能夠影響土壤含水量。

從不同條件下土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)(表3)可知：土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)隨土層深度的增加而減小。在輪作區(qū)0～8 cm土層和18～26 cm土層土壤的線(xiàn)性伸展系數(shù)差異不顯著，40～46 cm土層土壤的線(xiàn)性伸展系數(shù)小于前兩層且與前兩層土壤差異顯著。在非輪作區(qū)0～8 cm土層的土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)最大，大于相同條件下的輪作區(qū)，40～46 cm土層最小，小于相同條件下的輪作區(qū)，且土壤的線(xiàn)性伸展系數(shù)隨土壤深度增加而逐漸減小的趨勢(shì)大于輪作區(qū)。結(jié)合表2～3可知，輪作會(huì)在一定程度上影響土壤的持水能力，增強(qiáng)土壤的線(xiàn)性收縮能力。

2.2.2 土壤收縮曲線(xiàn) 從輪作與非輪作試驗(yàn)區(qū)水稻田原狀土樣收縮曲線(xiàn)擬合相關(guān)參數(shù)及曲線(xiàn)各階段拐點(diǎn)(表4～5)可見(jiàn)，非輪作區(qū)土壤的es和er值整體上大于輪作區(qū)，說(shuō)明輪作可以改變土壤的孔隙狀況，使土壤的孔隙比減小。

結(jié)合表5以及水稻田土壤四個(gè)收縮階段的水分損失和體積變化(表6)可知，在兩種不同耕作方式下，線(xiàn)性收縮階段在整個(gè)收縮過(guò)程中的占比都是最大的，占總水分損失的36 %～54 %，占總體積變化的56 %～72 %。其次是剩余收縮階段，占總水分損失的21 %～46 %，占總體積的18 %～42 %。結(jié)構(gòu)收縮階段約占總水分損失的1 %～10 %，總體積變化的0～22 %。最后是零收縮階段，僅占總體積變化的0～4 %，在非輪作區(qū)40～46 cm土層土壤體積收縮量為0，不存在土壤體積收縮。

表2 不同風(fēng)干條件下水稻田土壤含水量Table 2 Soil moisture content in paddy field under different air drying conditions (cm3·cm-3)

注：同試驗(yàn)地中同列不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

表3 不同風(fēng)干條件下水稻田土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)Table 3 Linear extension of paddy soil under different air drying conditions

注：同試驗(yàn)地中同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

表4 水稻田土壤收縮曲線(xiàn)參數(shù)Table 4 Parameters of soil shrinkage curve in paddy field

表5 水稻田土壤收縮曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的5個(gè)拐點(diǎn)Table 5 The five inflection points corresponded with shrinkage curve in paddy field (cm3·cm-3)

注：飽和點(diǎn)(?s,es)、濕潤(rùn)彎曲點(diǎn)(?shw,eshw)、進(jìn)氣點(diǎn)(?ae,eae)、收縮限點(diǎn)(?shl,eshl)和干燥點(diǎn)(?0,er) 等分別為收縮曲線(xiàn)5個(gè)拐點(diǎn)。
Note:The saturation point of contraction curve (?s,es), wet bending point (?shw,eshw), intake point(?ae,eae), shrinkage limit point (?shl,eshl) and dry point (?0,er) are five inflection points of the contraction curve.

從輪作與非輪作條件下水稻田原狀土壤在室內(nèi)自然風(fēng)干條件下的收縮曲線(xiàn)(圖1～2)可知：在自然風(fēng)干條件下，隨著土壤的水分比逐漸減小，輪作和非輪作條件下的土壤收縮曲線(xiàn)大致呈現(xiàn)“S”型，除非輪作區(qū)40～46 cm土層外。在輪作條件下，0～8 cm土層對(duì)應(yīng)的收縮曲線(xiàn)位于最上方，40～46 cm土層對(duì)應(yīng)的的土壤收縮曲線(xiàn)位于最下方。在非輪作條件下，0～8 cm和40～46 cm土層的所處的位置正好與輪作條件下相反。

2.3 土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)與土壤基本性質(zhì)相關(guān)性分析

由表7可知，土壤的線(xiàn)性伸展系數(shù)與土壤容重、飽和點(diǎn)孔隙比、有機(jī)碳、孔隙度均存在著比較明顯的相關(guān)性，其相關(guān)性系數(shù)分別為-0.84、0.82、0.86、0.85，但與土壤的剩余孔隙比(er)相關(guān)性不明顯，其相關(guān)性系數(shù)為0.35，說(shuō)明土壤的剩余孔隙比(er)對(duì)土壤的線(xiàn)性伸展系數(shù)存在一定影響但影響不大。另外，土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)與土壤容重(BD)呈現(xiàn)較明顯的負(fù)相關(guān)性(-0.84)，而與其他土壤基本性質(zhì)成正相關(guān)，說(shuō)明土壤容重是土壤收縮的主要影響因素之一，土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)隨土壤容重的增大而減小。

表6 水稻田土壤4個(gè)收縮階段的水分損失和體積變化Table 6 Water loss and volume change during four contraction stages of paddy soil試驗(yàn)地 (%)

注：ss，ps，rs，zs分別表示結(jié)構(gòu)收縮、線(xiàn)性收縮、剩余收縮和零收縮。
Note:ss, ps, rs, zs represent structural shrinkage, linear shrinkage, residual shrinkage and zero shrinkage respectively.

表7 水稻田土壤基本性質(zhì)相關(guān)性分析Table 7 Correlation analysis of soil basic properties in paddy field

3 討 論

非輪作區(qū)表層(0～8 cm)土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)大于輪作區(qū)，而較深的兩層土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)卻小于輪作區(qū)。產(chǎn)生其差異的原因可能是表層土壤的黏粒含量接近，但是在其他深度兩層土壤中，輪作區(qū)黏粒含量大于非輪作區(qū)土壤黏粒含量。土壤黏粒具有很好的可塑性、脹縮性以及黏結(jié)性，是影響土壤收縮特征的一個(gè)重要因素[3]。根據(jù)Greene-Kelly[16]研究發(fā)現(xiàn)土壤的收縮能力與土壤中的膨脹性黏土礦物含量成顯著相關(guān)；其次，由于人為作用的影響，輪作區(qū)與非輪作區(qū)表層土壤經(jīng)過(guò)人為的除草、整平等作用改變了土壤的結(jié)構(gòu)，使表層以下土壤被壓實(shí)，容重變大。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重是影響土壤收縮的重要因素，土壤的收縮能力隨著土壤容重的增大而減低[17]。輪作區(qū)與非輪作區(qū)表層土壤的容重小，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較多，其土壤收縮能力就越大，土壤線(xiàn)性伸展能力也越大[18-19]，這與本研究中土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)與土壤容重呈現(xiàn)的負(fù)相關(guān)(-0.84)是一致的。

散點(diǎn)表示擬合曲線(xiàn)的拐點(diǎn)(實(shí)心)和實(shí)測(cè)值(空心)，曲線(xiàn)表示擬合值The divergence points represent the inflection points (solid) of fitting curves and the measured (hollow) curves represent the fitting values圖1 輪作條件下水稻田土壤收縮曲線(xiàn)Fig.1 Soil shrinkage curve under rotation condition

散點(diǎn)表示擬合曲線(xiàn)的拐點(diǎn)(實(shí)心)和實(shí)測(cè)值(空心)，曲線(xiàn)表示擬合值The divergence points represent the inflection points (solid) of fitting curves and the measured (hollow) curves represent the fitting values圖2 非輪作條件下水稻田土壤收縮曲線(xiàn)Fig.2 Soil shrinkage curve under non-rotation in paddy field condition in paddy field

本研究結(jié)果表明，土壤收縮特征曲線(xiàn)擬合值和原狀土壤樣品的實(shí)測(cè)值能夠很好的擬合(R2>0.97)。但在不同耕作方式下土壤收縮仍然存在著較明顯的差異。輪作區(qū)和非輪作區(qū)前兩層土壤的收縮特征曲線(xiàn)呈現(xiàn)“S”型，但是在40～46 cm土層非輪作區(qū)土壤則呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。說(shuō)明不同耕作方式對(duì)土壤收縮具有一定程度上的影響。另外，表層土壤孔隙數(shù)量要大于其他土層，且土壤中的孔隙總數(shù)整體上隨土壤深度的增加而減小，這與陳曉冰等[20]的研究相一致。作物根系的發(fā)育和延伸也會(huì)對(duì)表層土壤的收縮有影響。表層土壤根系發(fā)達(dá)，根系通過(guò)根孔影響土壤孔隙，許多研究表明植物根系是土壤大孔隙形成的主要原因之一[21]。土壤中的大孔隙數(shù)量越多，其孔隙表面積越大，水分越容易被蒸發(fā)，土壤越容易收縮[22]。在不同含水量條件下，輪作區(qū)土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)不同，表現(xiàn)出土壤含水量越大土壤線(xiàn)性伸展系數(shù)越大的趨勢(shì)。在整個(gè)收縮階段，非輪作區(qū)的線(xiàn)性收縮階段和剩余收縮階段的體積變化總體上大于輪作區(qū)，而結(jié)構(gòu)收縮階段和零收縮階段卻小于輪作區(qū)。非輪作在土壤體積收縮上的差異與土壤水分差異一致。這說(shuō)明土壤含水量也能在一定程度上影響土壤收縮。經(jīng)過(guò)人為翻耕的輪作區(qū)土壤結(jié)構(gòu)受到破壞，持水能力減弱。本研究結(jié)果表明，輪作區(qū)土壤含水量整體上小于非輪作區(qū)，這與黃永根等[23]發(fā)現(xiàn)實(shí)行農(nóng)田輪作后，土壤含水量相對(duì)于輪作前有所減小的結(jié)果相吻合。張中彬[24]研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量是影響土壤收縮幅度的重要因素之一，兩者呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤含水量越大，土壤收縮也就越明顯。雖然輪作條件下土壤持水能力有所減弱，但是土壤顆粒的粒級(jí)大小和比例發(fā)生改變，土壤含水量得到改善，從而增強(qiáng)了土壤的收縮能力[25]。

4 結(jié) 論

輪作和非輪作區(qū)水稻田原狀土壤的線(xiàn)性伸展數(shù)隨土壤深度的增加而減小，其中表層土壤的線(xiàn)性伸展系數(shù)最大。土壤含水量與土壤收縮呈現(xiàn)出大致相同的變化趨勢(shì)，在土壤失水收縮階段，土壤的線(xiàn)性收縮階段損失的水分和體積變化最大，其中水分損失和體積變化分別超過(guò)了整個(gè)失水階段的36 %和58 %。輪作可以有效的改善土壤理化性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤收縮能力，消除土壤板結(jié)。

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