東北主要類型旱田土壤持水特性研究

王秋菊，焦 峰，劉 峰，常本超，姜 宇，米 剛，周 鑫，朱寶國

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319；4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黑河分院，黑龍江 黑河 164300；5.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154000)

土壤水是土壤最重要的組成部分之一，不僅參與土壤的形成過程，直接影響著土壤的理化性質(zhì)和肥力，也是作物吸水的主要來源[1]。土壤持水特性是對(duì)土壤水分有效性的一種反映。一般認(rèn)為，低吸力下(0～100 cm H2O)土壤持水量主要決定于毛細(xì)管作用和孔徑分布，也就是受土壤結(jié)構(gòu)影響；高吸力范圍土壤保持的水主要受土壤質(zhì)地和土壤比表面積的影響[2-4]。不同土壤由于其質(zhì)地和結(jié)構(gòu)存在差異，對(duì)土壤水分保持特性也不一致。研究調(diào)查土壤持水特性對(duì)改良土壤、利用土壤具有重要意義[5-8]。東北地區(qū)地處我國東北部，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是中國濕潤的東部季風(fēng)區(qū)和干旱的內(nèi)陸之間的過渡地帶，耕地土壤類型較多，土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)差異較大，造成土壤持水特性存在差異[9-10]。過去在土壤持水特性方面研究多集中在田間持水量、飽和含水量方面，缺乏對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)量與能力的動(dòng)態(tài)變化研究。本文針對(duì)東北地區(qū)的主要旱田土壤，開展對(duì)不同類型土壤水分特征曲線、土壤水庫容等方面的持水特性研究，并對(duì)土壤持水特性與土壤性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析，為制定改良低產(chǎn)土壤計(jì)劃，合理利用土壤水分，提高土壤產(chǎn)能、抵御自然災(zāi)害提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為東北地區(qū)5類主要耕地土壤，分別為采自黑龍江省依安縣地區(qū)的黑土、黑龍江省蘭西縣的堿土、遼寧省阜新縣的褐土、黑龍江省曙光農(nóng)場(chǎng)的草甸土、黑龍江省青龍山農(nóng)場(chǎng)的白漿土。具體取樣地點(diǎn)、取樣地點(diǎn)地理坐標(biāo)及土壤基本特性見表1。黑土肥力水平較高，土壤質(zhì)地砂、粘比較適中，屬于壤土；堿土肥力水平低，pH值高；褐土肥力較低，土壤質(zhì)地砂質(zhì)；草甸土肥力水平高，土壤質(zhì)地粘重；白漿土肥力水平低，質(zhì)地屬于粉砂質(zhì)。各類土壤種植作物均為玉米。

表1 供試土壤基本情況

1.2 采樣方法

土壤樣品采集于2015年秋季作物收獲后，選取典型旱田耕地土壤，樣品采集包括原狀土取樣和非原狀土取樣。采用取土器用100 cm3環(huán)刀采取原狀土壤樣本，采樣層次按照0～10、10～20、20～30 cm分層進(jìn)行，每層分別采集3個(gè)樣本，采取的原狀土(環(huán)刀)樣品用膠帶密封后帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)；非原狀土樣本隨機(jī)多點(diǎn)取樣，樣品混合后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過篩除去異物后備用。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤化學(xué)指標(biāo)測(cè)定：土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，土壤pH值采用pH計(jì)電位法測(cè)定[11]。

土壤物理性質(zhì)測(cè)定：土壤粒級(jí)組成采用MS2000激光粒度儀進(jìn)行測(cè)定；容重采用烘干法測(cè)定[12]。

土壤水分特征曲線測(cè)定方法：0～150 cm H2O吸力段用DIK-3343型土壤pF測(cè)定儀(日本生產(chǎn))測(cè)定，150～16 544 cm(H2O)吸力段用1500F1型壓力膜儀(美國生產(chǎn))測(cè)定。采用RETC軟件對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)按照Van Genuchten模型[13]進(jìn)行非線性擬合，方程如下：

θ=θr+(θs-θr)/[1+(ah)n]m

(1)

式中：θ為土壤體積含水量(%)；h為土壤水吸力(cm H2O)；θs和θr分別為土壤飽和含水量和剩余含水量(%)；a、m和n是擬合參數(shù)。

采用Gardner模型，冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如下：

θ=Ah-B

(2)

式中:θ為體積含水量(%)；h為土壤水吸力(cm H2O)；A、B為參數(shù)。

土壤比水容量C(θ)，是土壤水吸力增加(或減少)一個(gè)單位時(shí)所釋放(或吸收)的水量[14]。比水容量在數(shù)值上等于水分特征曲線的斜率，其表達(dá)方式可以通過對(duì)Gardner土壤水分特征曲線求導(dǎo)而得，具體公式如下：

C(θ)=ABh-(B+1)

(3)

土壤水庫容由下式求出：

ν=10hω

(4)

式中，ν為厚度h土層的儲(chǔ)水量(mm)；h為土層厚度(cm)；w為土壤體積含水量(%)。水吸力在63 cm以上土壤中保持的水量為土壤水庫容，水吸力在63～6 618 cm的壓力間土壤保持的水量為速效水庫容，水吸力在6 618～16 544 cm壓力間土壤保持的水量為遲效水庫容，速效水庫容和遲效水庫容之和為土壤有效水庫容，水吸力大于16 544 cm壓力下土壤保持的水量為無效水庫容。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003軟件和RETC 6.02軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分特征曲線擬合模型

土壤水分特征曲線是土壤水的能量和數(shù)量之間的關(guān)系，是研究土壤水分保持和運(yùn)動(dòng)所用到的反映土壤水分的基本特性曲線。本研究通過測(cè)定不同水吸力條件下土壤水分，獲得土壤實(shí)測(cè)水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過Van Genuchten模型和Gardner模型對(duì)水吸力與對(duì)應(yīng)土壤持水量進(jìn)行模型擬合。結(jié)果表明，該曲線符合Van Genuchten和Gardner模型方程，且兩擬合模型與實(shí)際測(cè)量值的相關(guān)性極顯著。表2中為各方程相關(guān)系數(shù)，從實(shí)測(cè)值與模型相關(guān)性看，均達(dá)到顯著水平。

表2 擬合模型相關(guān)性分析

注：n=8；VG 模型：Van Genuchten 模型；GD模型：Gardner 模型。

從表3擬合模型參數(shù)看，褐土的飽和含水量要低于其它土壤，土壤質(zhì)地由砂到粘，其參數(shù)飽和含水量會(huì)增高，草甸土質(zhì)地最粘重，≤0.002 mm的顆粒含量最高，細(xì)小孔隙數(shù)量亦增多，毛管持水作用逐漸增強(qiáng)，再因隨粘粒含量增多，土壤整體的比表面積增大，吸附力增強(qiáng)，這兩方面的原因共同使得土壤各吸力段持水能力隨質(zhì)地由砂到粘增強(qiáng)。白漿土≤0.002 mm的顆粒含量與黑土、堿土相近，但0.002～0.02 mm顆粒含量較大，所以其持水能力高于黑土和堿土，褐土在調(diào)查的土類中，質(zhì)地較砂，其它參數(shù)變化無明確解釋。Garden模型中A值越大，表示土壤的持水能力越大，黑土和褐土與其它土壤相比，整體持水能力要低。兩種模型擬合結(jié)果基本相近。

表3 不同擬合模型參數(shù)

2.2 土壤水分特征曲線

上面兩個(gè)擬合模型都與實(shí)測(cè)值顯著相關(guān)，但VG模型相關(guān)性整體高于GD模型，用實(shí)測(cè)值進(jìn)行VG模型的擬合繪制水分特征曲線。從圖1土壤水分特征曲線看，不同類型土壤體積含水量間差異較大，這種差異在0～10 cm土層表現(xiàn)的尤為明顯，越往下層差異逐漸減小。從0～10 cm土層土壤水分特征曲線看，在0～1 500 cm吸力階段，白漿土土壤體積含水量一直處于最高水平，草甸土次之，黑土在吸力為0時(shí)的土壤含水量與草甸土相近，但隨土壤水吸力增加，土壤含水量降低，土壤水吸力大于63 cm時(shí)，黑土的土壤含水量低于堿土，高于褐土，褐土的土壤水分特征曲線一直處于較低水平；在高于1 500～16 544 cm的高吸力階段，草甸土土壤體積含水量最高，白漿土次之,0～10 cm土層土壤的持水能力大致為草甸土>白漿土>堿土>黑土>褐土。

注：BSMV、BSTV代表黑土實(shí)測(cè)值和理論值；ASMV、ASTV代表堿土實(shí)測(cè)值和理論值；CSMV、CSTV代表褐土實(shí)測(cè)值和理論值；MSMV、MSTV代表草甸土實(shí)測(cè)值和理論值；PSMV、PSTV代表白漿土實(shí)測(cè)值和理論值。

圖1土壤水分特征曲線

與0～10 cm土層土壤相比，10～20 cm土層各類土壤水分特征曲線分散度相對(duì)較小。從10～20 cm土層水分特征曲線看，草甸土、白漿土、堿土這3類土壤含水量處于較高水平，在0～63 cm的低吸力階段，白漿土的含水量最高，在土壤水吸力大于63 cm之后，堿土水分特征曲線處于最高水平，白漿土和草甸土接近，在16 544 cm水吸力條件下，這3類土壤的含水量趨于一致；與上述3類土壤比，黑土的土壤含水量較低，褐土土壤含水量最低。

20～30 cm土層各類土壤水分特征曲線發(fā)生了規(guī)律性的分異，草甸土和堿土土壤含水量處于較高水平，草甸土高于堿土，黑土、白漿土、褐土處于較低水平，黑土高于白漿土，褐土最低。

2.3 土壤比水容量分析

參照李卓等[14]關(guān)于土壤比水容量的擬合模型，得出不同類型土壤的比水容量。從表4看出，不同土壤的比水容量隨土壤水吸力的增加而明顯降低，水吸力在低吸力階段，各土壤的比水容量高，說明土壤釋水能力大，水吸力由小至大變化時(shí)，土壤的儲(chǔ)水孔隙則由大至小變化，所以在低吸力階段，吸力變化引起大孔隙排水，排水量較大，相應(yīng)的比水容量就大，隨吸力增大，土壤儲(chǔ)水孔隙的孔徑變小，孔隙體積變小，排水量減小，比水容量也就相應(yīng)減小。褐土的比水容量在各吸力下最高，說明褐土釋水能力強(qiáng)，大孔隙較多，黑土在低吸力條件下，比水容量也較高，說明黑土的大孔隙多，排水力強(qiáng)。草甸土的比水容量最低，說明草甸土小孔隙多，一般質(zhì)地粘重的土壤大孔隙少。

2.4 土壤儲(chǔ)水庫容

從0～30 cm土層土壤水庫容研究結(jié)果(圖2)來看，堿土、草甸土、白漿土土壤水庫容總量最高，褐土和黑土較低；從土壤有效水庫容來看，褐土土壤有效水庫容量最高，速效水庫容量也最高，其次分別為白漿土、堿土、黑土，草甸土最低；草甸土總庫容量大，但無效水庫容占有比例高，有效水庫容低，這類土雖保水，但供水能力低，土壤不耐旱，堿土、白漿土與其類似，褐土水庫容雖然低，無效庫容也低，所以即使這類土含水量低于其它土壤，但仍可供植物對(duì)水分的吸收。

2.5 土壤水相關(guān)性分析

將土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)與表1中土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。從分析結(jié)果(表5)看出，土壤飽和含水量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，土壤容重越高，土壤飽和含水量越低，與土壤其它特性指標(biāo)無顯著相關(guān)性；土壤有效水庫容和無效水庫容與土壤的顆粒粒級(jí)組成密切相關(guān)，有效水庫容與直徑在0.002～0.02 mm土壤顆粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與直徑在0.02～2 mm土壤顆粒呈顯著正相關(guān)，與直徑<0.02 mm土壤顆粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，從表1中看出褐土中直徑在<0.02 mm土壤顆粒最少，有效水庫容最高，草甸土<0.02 mm土壤顆粒最多，有效水庫容最低。說明土壤顆粒直徑越大，土壤有效水庫容越高，無效水庫容與不同直徑的土壤顆粒也呈顯著或極顯著相關(guān)，相關(guān)性與有效水庫容相反。土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤水分沒有顯著影響。

表4 不同土壤比水容量 [μl/(g·cm)]

圖2 土壤水庫容

表5 土壤性質(zhì)與水分指標(biāo)相關(guān)性分析

注：*、**分別表示顯著和極顯著相關(guān)。

3 討論

土壤水分特征曲線反映了土壤水分?jǐn)?shù)量與能量之間的關(guān)系,也反映了土壤保持水分的狀況及能力,土壤水分特征曲線是研究土壤持水特性的重要依據(jù)之一[15]。土壤的持水特性與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同類型土壤由于其質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等存在差異，必然影響土壤的持水特性。本研究中的土壤均是東北地區(qū)的主要耕地土壤，通過土壤水分特征曲線可以看出，不同土壤的持水特性有差異，且不同土層間差異不一致，各類土壤表層土持水特性的差異大于下層土壤，不同土壤的下層土持水特性趨于一致。另外，從文中可知，總持水量高的土壤，可被植物利用的有效水持水量并不高，如草甸土、堿土；而總持水量低的土壤，如褐土、黑土，其有效持水量高，釋水能力強(qiáng)，可被植物利用的水分多，這些土壤在同等含水量的前提下，或者說干旱條件下，褐土和黑土比草甸土、堿土、白漿土耐旱。土壤飽和含水量是土壤可保持的最大水量，與土壤容重呈極顯著相關(guān)，容重越大的土壤，單位體積內(nèi)土壤孔隙越少，土壤緊實(shí)，飽和含水量低，褐土土壤容重高，飽和含水量在各類土中最低，但土壤有效持水量與容重沒有相關(guān)性，與土壤的<0.02 mm的顆粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，與0.02～2 mm的顆粒含量呈顯著正相關(guān)，這也是草甸土、白漿土、堿土土壤有效水庫容低的主要原因，而無效水庫容與土壤顆粒的關(guān)系則相反。所以提高土壤總持水量，要保證土壤松緊適宜，降低土壤容重，另外要改善土壤質(zhì)地，使粘、粉、砂粒達(dá)到合理的比例，才能提高土壤的有效持水能力，提高土壤抗旱、減災(zāi)的能力。在關(guān)于提高土壤持水量方面的研究也比較多，有從改善土壤物理性質(zhì)方面，通過施有機(jī)肥、生物炭、秸稈等有機(jī)物料改善土壤的不良物理性質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高其持水能力，增加土壤有效持水量[16-19]；也有通過耕作、客土、摻沙等措施改善土壤質(zhì)地來提高土壤有效水持水能力，還有通過不同作物輪作，通過植物根系改變土壤緊實(shí)狀態(tài)，提高土壤的持水性[20-23]。不同土壤其持水特性有差異，了解不同土壤的持水特征，對(duì)制定合理的改良措施具有重要意義。

4 結(jié)論

4.1 本文通過壓力膜法得出不同水柱壓力下土壤水分實(shí)測(cè)值，利用Van Genuchten和Garden模型進(jìn)行擬合，與實(shí)測(cè)值相關(guān)性極顯著，并通過Van Genuchten模型繪制土壤水分特征曲線，從曲線看出，各類土壤的理論值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性顯著，土壤水分特征曲線可以反映土壤持水特性。

4.2 不同類型土壤持水特性存在差異，0～10 cm土層各土壤水分特征曲線差異大、曲線分散，草甸土、白漿土、堿土含水量在各壓力下均處于較高水平，褐土最低，黑土居中；10～20 cm土層土壤在低吸力階段差異仍較大，高吸力階段差異小，褐土最低，草甸土、白漿土、堿土趨于一致，黑土居中；20～30 cm土層各差異減小，褐土、堿土、黑土趨于一致，褐土和黑土雖然含水量低，但釋水能力強(qiáng)，單位壓力下釋放的水量高。

4.3 土壤飽和含水量、有效持水庫容和無效水庫容受土壤不同指標(biāo)影響，飽和持水庫容與容重極顯著負(fù)相關(guān)，土壤有效持水庫容與土壤大顆粒及土壤的<0.02 mm的顆粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，與0.02～2 mm的顆粒含量呈顯著正相關(guān)，草甸土、堿土、白漿土飽和持水庫容高，但有效庫容低，與褐土、黑土相反，提高土壤持水能力要根據(jù)土壤的特性提出對(duì)應(yīng)措施。