陜西省長武縣黑壚土斥水性的影響因素

李 凱, 帕力夏提·格明, 王維維, 杜 峰, 徐學(xué)選

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 草業(yè)與草原學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤斥水性(soil water repellency, SWR)是指土壤不能或者很難被水分濕潤的現(xiàn)象。1910年Schreiner和Shorey在調(diào)查加利福尼亞土壤的腐殖質(zhì)時，首次提出土壤“很難被濕潤”的概念。此后研究認(rèn)為斥水性是極性有機(jī)質(zhì)引發(fā)，積累有極性的物質(zhì)的表面，或因為相同極性阻礙水濕潤土壤，在干燥化的土壤中斥水性表現(xiàn)突出。但直到上個世紀(jì)末，斥水性研究并未得到廣泛重視。進(jìn)入21世紀(jì)，土壤斥水性才成為繼土壤優(yōu)先流(soil preferential flow)以后的有關(guān)土壤水分運(yùn)動研究的新熱點(diǎn)。國內(nèi)對土壤斥水性的研究起步較晚[1]，研究成果較少，2010年后才有突破性增長。目前主要集中在斥水性測定[2-3]、空間分布、斥水性與土壤含水量的基本關(guān)系[4]、與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系[5]，斥水土壤中的水及溶質(zhì)運(yùn)移方面等[6]。對于黃土區(qū)的相關(guān)研究尤其薄弱。

黃土母質(zhì)下的土壤一般不易表現(xiàn)出斥水性[7-8]，因而人們往往忽視了其發(fā)生斥水效應(yīng)的水土流失危險。未來氣候暖干化背景下土壤干燥化加劇，并且隨著植被恢復(fù)進(jìn)程和人類活動干擾減少，黃土土壤會在干旱環(huán)境下積累極性有機(jī)質(zhì)，黃土區(qū)土壤或能表現(xiàn)出微弱的斥水性、進(jìn)而增加土壤斥水引起的水土流失風(fēng)險。如何消除土壤由親水到斥水的轉(zhuǎn)變危險，需要對引起土壤發(fā)生斥水的因素，如含水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、容重等因素作深入研究。

黑壚土為黃土母質(zhì)發(fā)育的地帶性土壤，在中國陜西和甘肅等地分布廣泛。豆科作物種植和免耕可以有效提高土壤表層有機(jī)質(zhì)積累[9-10]。本研究選擇苜蓿地為免耕地和容易積累極性物質(zhì)容易的類型，玉米地為翻地整地多、表層土壤中有機(jī)質(zhì)量少、極性往往被打擾的類型，探索黑壚土土壤出現(xiàn)斥水表現(xiàn)的可能條件和影響因素。由于黑壚土僅在干燥和積累一定極性物質(zhì)情況下才會出現(xiàn)斥水，本文研究土樣在低水水平下，添加OCT極性物質(zhì)情況下使得黑壚土出現(xiàn)斥水的條件，以期為土壤干燥條件下的入滲能力相關(guān)研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗土壤采自渭北旱塬的長武水土保持試驗站農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)長期定位試驗場，位于陜西省長武縣城關(guān)西2.5 km的十里鋪村南1 km旱塬上，塬面平坦寬闊，黃土堆積深厚，海拔1 200 m，年均降雨584.1 mm，年均氣溫9.1 ℃，無霜期171 d，屬溫帶大陸季風(fēng)型半濕潤易旱氣候區(qū)。本試驗選擇2個試驗樣地，分別是苜蓿連作區(qū)和玉米連作區(qū)，土壤為黑壚土。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 0-20 cm黑壚土土壤基本理化性質(zhì)

1.2 材料與方法

1.2.1 樣品制備 采樣時間為2019年10月，玉米地和苜蓿地各選取3個樣點(diǎn)，取土深度為0—20 cm，將土樣用小刀沿自然裂隙切成1 cm左右的小塊后自然風(fēng)干，取風(fēng)干土樣粉碎，剔除雜質(zhì)后過1 mm篩備用。

按土壤含水量0%，2%，4%和6%制備4組不同含水量的土壤試樣。試樣初始為干燥狀態(tài)，給干土按控制含水量需要噴灑水量攪拌均勻后，密封放入35 ℃恒溫烘箱12 h，使水和土混合均勻，此時某一含水量的試樣即制備完成，即玉米地、苜蓿地分別制備4個含水量試樣。

按3個水平OCT添加量(0.05%，0.10%和0.15%)和3個水平土壤容重(1.3，1.4，1.5 g/cm3)制備4個不同含水量供試土壤樣。將OCT研磨至細(xì)顆粒后按百分比與不同含水量的土壤混合，密封于25 ℃的室溫下放置96 h，獲得土壤試樣72個。將不同含水量與OCT的土壤按容重1.3 g/cm3，1.4 g/cm3，1.5 g/cm3分別裝入土盒內(nèi)，輕輕平整表面，共獲得土樣3容重×3 OCT添加量×4含水量水平×3重復(fù)×2作物=216個處理，然后對其進(jìn)行斥水性測定。

1.2.2 土壤斥水性SWR測定方法 采用滴水穿透時間(WDPT)法對各土盒內(nèi)的土壤進(jìn)行斥水性測定，滴定溶液為25 ℃室溫下的蒸餾水，滴定管采用標(biāo)準(zhǔn)滴定管(0.48 ml/滴)，滴頭距離土面5 mm，每一個樣本滴定7次，記錄每滴的入滲時間t，取其平均值作為樣本滴水穿透時間，參照WDPT值分級對應(yīng)的斥水等級[11](表2)。

表2 滴水穿透時間WDPT值分級所對應(yīng)的斥水等級

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表構(gòu)建，SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑壚土不同處理下的斥水表現(xiàn)比較

SWR與土壤含水量、容重、OCT添加量的差異如圖1—2所示。由圖1—2可以看出，不同含水量、容重及OCT添加量對SWR均產(chǎn)生一定的影響。黑壚土在沒有OCT添加時是親水性土壤，S1處理的滴定時間均小于5秒，即有一定的OCT加入，仍不能改變黑壚土親水的性質(zhì)，2種作物，3個容重的處理中，與黑壚土屬于非斥水性土壤的性質(zhì)十分一致。當(dāng)OCT添加量為0.10%后，2種土地利用下的土壤均出現(xiàn)不同程度斥水現(xiàn)象，并且OCT添加量達(dá)到0.15%時，2種土地利用下的土壤表現(xiàn)出嚴(yán)重斥水；斥水程度隨土壤含水量增加(0%～6%)逐漸增強(qiáng)；斥水程度基本符合隨容重增加而增強(qiáng)規(guī)律，如在2%和4%含水量時，嚴(yán)格遵循容重增加斥水性增強(qiáng)的，只是在0%和6%含水量時有所波動。

圖1 玉米地土壤處理樣的斥水性測試結(jié)果

從圖1玉米地和圖2苜蓿地可以看出：在0%含水量時，低、中兩個水平的OCT添加下，3個容重變化范圍內(nèi)土壤可以維持親水本質(zhì)，即完全干燥的黑壚土，在斥水物質(zhì)添加低于(0.15%)時仍然可以保持親水本性，當(dāng)OCT添加到一定量后(0.15%)，無論含水量、容重，黑壚土就不再是親水的，變化為斥水性土壤。當(dāng)含水量增加到2%時，只有容重1.3 g/cm3處理組合沒有斥水性，其他組合處理的SWR表現(xiàn)為隨容重、OCT添加量增加、土壤含水量增加而增大趨勢，即土壤容重開始影響到土壤的親水性質(zhì)，容重的增加加大了土壤水滴入滲的難度，土壤向斥水性轉(zhuǎn)變。在0%含水量、OCT添加量在0.15%時土壤由非斥水轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微斥水狀態(tài)，并且隨著容重的增加斥水性增強(qiáng)(圖1a)。在2%含水量時，SWR隨著OCT添加量的增加而增強(qiáng)，并且0.10%和0.15%OCT添加量下，土壤由非斥水轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微斥水或斥水狀態(tài)(圖1b)。在4%和6%含水量的情況下，OCT添加量達(dá)0.15%時，WDPT值均大于3 600 s，土壤均表現(xiàn)出極度斥水，其中6%含水量，OCT添加量為0.10%時WDPT值均大于600 s，土壤表現(xiàn)出嚴(yán)重或極度斥水(圖1c,1d)。

圖2苜蓿地表明：苜蓿地的表現(xiàn)與玉米地的基本一致，反映出土壤質(zhì)地的影響上不足于含水量，OCT添加量的影響。容重對SWR的影響在低含水量、低OCT添加量時影響不明顯；在2%含水量，0.15%OCT添加量和4%含水量，0.10%OCT添加量及6%含水量，0.10%OCT添加量時，SWR表現(xiàn)為隨容重的增加而增大。在0%含水量、OCT添加量在0.15%時土壤由非斥水轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微斥水狀態(tài)(圖2a)。在2%含水量時，SWR隨著OCT添加量的增加而增強(qiáng)，并且0.10%和0.15%OCT添加量下，土壤由非斥水轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微斥水或斥水狀態(tài)(圖2b)。在4%含水量的情況下，OCT添加量0.10%時，土壤表現(xiàn)為斥水或嚴(yán)重斥水狀態(tài)，OCT添加量0.15%時，土壤均表現(xiàn)出極度斥水(圖2c)。在6%含水量時，OCT添加量為0.10%或0.15%時WDPT值均大于600 s，土壤表現(xiàn)出嚴(yán)重或極度斥水(圖2d)。

圖2 苜蓿地土壤處理樣的斥水性測試結(jié)果

2.2 黑壚土SWR影響因素的互作效應(yīng)分析

交互效應(yīng)是指兩個或者多個因素在對方不同水平上呈現(xiàn)的效應(yīng)存在差異。由于滴水穿透時間(WDPT)值變幅較大，故取數(shù)據(jù)的對數(shù)進(jìn)行互作效應(yīng)分析，結(jié)果見圖3。圖3表明，玉米地和苜蓿地體現(xiàn)出3個因素組合對WDPT值影響具有交互作用。通過多因素方差分析(表3)，玉米地3因素除了顯著的直接作用外，仍表現(xiàn)出極顯著的交互作用(p<0.001)。包括兩因素交互作用。單因子效應(yīng)分析結(jié)果顯示，土壤含水量，OCT添加量和土壤容重均存在極顯著效應(yīng)(p<0.001)。說明在玉米地土壤OCT添加量、土壤含水量、土壤容重是主要影響因素，并且各因素間均存在交互效應(yīng)。0.10%OCT添加量的3個容重下，不同土壤含水量水平之間存在極顯著差異(p<0.001)；0.15%OCT添加量，1.4，1.5 g/cm3容重下，0%，2%土壤含水量與4%，6%土壤含水量差異極顯著(p<0.001)。

圖3 土壤含水量、OCT添加量和土壤容重的互作分析

苜蓿地十分類似玉米地的情況(表3，圖3)，土壤含水量、OCT添加量、容重對WDPT值的影響存在3因素交互和2因素的兩兩交互作用(p<0.001)。

表3 影響SWR的多因素方差分析

苜蓿地與玉米地相比：OCT添加量、含水量的F值降低，容重的F值增強(qiáng)，交互作用的F值均有所增強(qiáng)。這可能與苜蓿地有機(jī)質(zhì)含量和土壤顆粒組成有關(guān)，結(jié)合表1可知，苜蓿地本身有機(jī)質(zhì)含量高、黏粒含量多，在低土壤含水量情況下，或可積累極性，增加斥水風(fēng)險。

圖3同時反映2種土地利用類型在不同土壤容重下隨著OCT添加量增加，土壤含水量對SWR影響的變化趨勢：在不同土壤容重下，玉米地和苜蓿地各含水量對SWR的影響隨OCT添加量增加均呈上升趨勢。其中玉米地在1.3 g/cm3容重時，2%～4%含水量的曲線斜率變化較小，0%含水量斜率先小后大，6%含水量斜率先大后小。較于1.3 g/cm3容重，1.4，1.5 g/cm3容重時，2%～4%含水量的曲線斜率有減小趨勢，而6%含水量斜率在中高OCT添加量時趨于水平，0%含水量斜率仍先小后大。苜蓿地與玉米地的情況基本相似，不同在1.5 g/cm3容重時，4%含水量斜率在中高OCT添加量時也趨于水平。說明在中高土壤容重下，各土壤含水量隨著OCT添加量的增加，斥水性均會到達(dá)頂峰，此時隨著含水量增加和OCT的添加，不同土壤處理表現(xiàn)出的斥水性均達(dá)到極度斥水級別，需要滴定時間的對數(shù)值差異也會變得不明顯。

逐步回歸分析結(jié)果(表4)表明，2類樣地OCT添加量對SWR的作用最大，分別可以解釋玉米地SWR 54.0%的變異，苜蓿地為56.2%。玉米地中，OCT添加量和土壤含水量共同可以解釋SWR 80.1%的變異，而土壤容重沒有被歸入回歸模型中，說明主要影響玉米地的SWR因素為OCT添加量和土壤含水量。苜蓿地OCT添加量和土壤含水量共同可以解釋SWR 77.6%的變異，OCT添加量、土壤含水量和土壤容重共同可以解釋SWR 78.5%的變異，可以看出在苜蓿地中土壤容重雖然歸入到回歸模型，但是影響的程度不高。5個擬合模型中，OCT添加量和土壤含水量共同參與下的擬合模型更優(yōu)，玉米地和苜蓿地的F值分別為220.563，186.636?？傮w來看，2類樣地OCT添加量和土壤含水量對SWR的影響明顯大于土壤容重的影響。

表4 滴水穿透時間與各因子的逐步回歸分析

2.3 黑壚土由不斥水轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微斥水的條件分析

表5表示土壤由不斥水到輕微斥水轉(zhuǎn)變的條件。由表5可知，玉米地和苜蓿地的出現(xiàn)斥水的條件和具體的WDPT值很接近，即土壤中顆粒機(jī)械組成(表1)對斥水性影響不明顯，只是相同條件下苜蓿地略微更斥水。具體出現(xiàn)斥水的條件為：玉米地在0%含水量的情況下，只有當(dāng)OCT添加量達(dá)0.15%時，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表現(xiàn)為輕微斥水。在2%含水量的情況下，OCT添加量為0.10%且土壤容重為1.3 g/cm3，1.4 g/cm3時，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表現(xiàn)為輕微斥水；OCT添加量達(dá)0.15%且土壤容重為1.3 g/cm3時，土壤表現(xiàn)為輕微斥水。苜蓿地在0%含水量的情況下，只有當(dāng)OCT添加量達(dá)0.15%且土壤容重為1.3 g/cm3，1.4 g/cm3時，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表現(xiàn)為輕微斥水。在2%含水量的情況下，OCT添加量為0.10%時，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表現(xiàn)為輕微斥水，并且WDPT值隨著土壤容重的增加而增大；OCT添加量達(dá)0.15%且土壤容重為1.3 g/cm3時，土壤表現(xiàn)為輕微斥水；土壤容重為1.4，1.5 g/cm3時，WDPT值大于60 s，土壤表現(xiàn)為斥水。

表5 黑壚土土壤由濕潤轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微斥水時的條件及其滴水穿透時間WDPT值

3 討 論

在逐步回歸分析中(表4)，OCT添加量和土壤含水量是SWR的主要影響因素，玉米地中，OCT添加量和土壤含水量共同可以解釋SWR 80.1%的變異，苜蓿地OCT添加量和土壤含水量共同可以解釋SWR 77.6%的變異，與吳珺華等[12]研究云南壤土SWR和OCT含量、含水量呈正相關(guān)關(guān)系相符。本研究中0.10%OCT添加量下SWR隨著土壤含水量的增加而增大，在2%含水量時先出現(xiàn)輕微斥水性，與在對荷蘭沙土進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，某些土壤在小于2%含水量時SWR會消失的結(jié)果相符[13]，也與在改性土壤條件下，OCT含量和砂土土壤含水率影響SWR的結(jié)果相符[14]。但是在0%含水量和0.15%OCT添加量時，土壤仍然從不斥水轉(zhuǎn)變?yōu)槌馑疇顟B(tài)，說明即使在干燥的土壤條件下，隨著OCT添加量增加到一定程度，土壤仍會表現(xiàn)出斥水性質(zhì)。根據(jù)圖3中0%土壤含水量的曲線變化趨勢，可以推測隨著OCT的繼續(xù)增加，SWR可能會達(dá)到嚴(yán)重甚至極度斥水水平。楊松等[2]對土壤顆粒理想模型的研究認(rèn)為，砂土的密實度對斥水性也有重要影響：當(dāng)砂土比較密實時，土壤的“親水”與“斥水”特性對含水量特別敏感，隨含水量的變化，土壤可能由親水性較好的土壤轉(zhuǎn)變?yōu)槌馑酝寥?；?dāng)砂土比較松散時，土壤顆粒的斥水性對含水量并不敏感，說明容重也可能是影響SWR的因素之一，本研究發(fā)現(xiàn)容重的影響在非干燥土壤、中高OCT添加量時，表現(xiàn)為隨容重增加，斥水程度增強(qiáng)，隨著含水量和OCT添加量的增加，這種趨勢變得不明顯，可能是在較高的含水量和OCT添加量的影響下，各因素間存在交互效應(yīng)，容重對于SWR的影響被削弱。另一方面，逐步回歸分析中，玉米地的土壤容重未被納入回歸模型，苜蓿地的容重雖被納入第3個模型，但是對于解釋度的貢獻(xiàn)較小，只比OCT添加量和土壤含水量的回歸模型高0.9%，F(xiàn)值減小了55.25(表4)。在本研究中，互作效應(yīng)分析顯示，苜蓿地與玉米地的土壤含水量、OCT添加量、土壤容重不僅單獨(dú)顯著影響SWR，而且各因素之間存在交互效應(yīng)(表3)。其中2類樣地土壤容重單獨(dú)對SWR影響的F值均小于OCT添加量和土壤含水量，基本符合逐步回歸分析中，OCT添加量和土壤含水量對SWR的影響明顯大于土壤容重的影響的結(jié)果。交互效應(yīng)說明土壤容重、土壤含水量與OCT添加量之間存在不同水平的組合影響，表現(xiàn)在0%～2%含水量時，隨著OCT增加，WDPT值差異不大，而在4%～6%含水量時，WDPT值急速增加；在0.05%OCT添加量時，隨土壤含水量的增加，土壤仍表現(xiàn)為不斥水，而在0.10%OCT添加量時，2%～6%含水量的WDPT值差異明顯，在0.15%OCT添加量時，隨著含水量的增加，土壤會從干燥條件下的非斥水狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌馑疇顟B(tài)。苜蓿地與玉米地相比整地少，苜蓿地有機(jī)質(zhì)含量和土壤顆粒組成與玉米地存在差異，多因素方差分析中苜蓿地較玉米地：OCT，含水量的F值降低，容重的F值增強(qiáng)，交互作用的F值均有所增強(qiáng)。結(jié)合表1，苜蓿地本身有機(jī)質(zhì)含量高、黏粒含量多，在低土壤含水量情況下，或可積累極性，更易出現(xiàn)斥水風(fēng)險。

土壤有機(jī)碳是影響SWR的重要原因之一，SWR和土壤有機(jī)碳含量呈正相關(guān)關(guān)系[15]，在本研究中，苜蓿地的有機(jī)碳含量比玉米地的有機(jī)碳含量高73.25%，在1.4，1.5 g/cm3容重下，苜蓿地在4%含水量和0.10%OCT添加量的WDPT值比玉米地高(圖1c,2c)。另一方面，有機(jī)質(zhì)是水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(water-stable aggregates，WSA)發(fā)育的有利條件[16]，有研究發(fā)現(xiàn)紅壤土的不同土地利用方式對土壤團(tuán)聚體的水分入滲力和斥水性存在顯著影響[17]，本試驗苜蓿地WSA含量比玉米地高61.05%，推測黑壚土的團(tuán)聚體含量對于SWR有一定的影響。對伊朗北部各類土壤研究表明，土壤黏粒與SWR呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]，因為砂粒相比于黏粒有更小的比表面積，更易產(chǎn)生SWR[19]。在荷蘭某些土壤的研究證明，中等質(zhì)地的土壤(黏粒占20%～30%)，甚至是黏土也可能呈現(xiàn)強(qiáng)烈的斥水性[20]。產(chǎn)生這種差異的原因可能是土壤種類和土地利用類型不同造成的。本試驗玉米地的砂粒含量比苜蓿地高41.26%，粉粒含量較為接近，黏粒含量苜蓿地比玉米地高32.28%，說明玉米地更易出現(xiàn)SWR，這與在0.15%OCT添加量下，對比兩地0%和2%含水量的WDPT值，玉米地較苜蓿地變化更大的結(jié)果相符(圖1a,1b,2a,2b)?？赡苘俎５馗哂袡C(jī)質(zhì)含量對增加斥水的貢獻(xiàn)被玉米地高砂粒含量增強(qiáng)斥水的作用互相抵消，最終兩類土的SWR差別不大。根據(jù)陳俊英等[4]對以色列西南部黃土狀母質(zhì)沙壤土的研究，含水量10%左右時SWR達(dá)到峰值，但本試驗未出現(xiàn)隨含水量升高SWR達(dá)到峰值且隨后減弱的現(xiàn)象，可能是含水量梯度較少且含水量較低的原因造成，故黑壚土SWR隨含水量的變化規(guī)律還需進(jìn)一步深入研究討論。

4 結(jié) 論

(1) 黑壚土土壤在一般情況下不表現(xiàn)出斥水性，特殊情況下會有斥水表現(xiàn)。影響黑壚土土壤斥水性的因素中OCT添加量、土壤含水量的影響明顯大于土壤容重的影響。同時，含水量、OCT添加量和容重之間對SWR也存在極顯著交互作用。

(2) 土壤由不斥水到斥水轉(zhuǎn)變的必要條件為：玉米地和苜蓿地出現(xiàn)斥水的條件和具體的WDPT值較為接近，即黑壚土在加入0.10%OCT添加量后，在0%～6%的低水條件下可以表現(xiàn)出斥水性，而且斥水程度隨著含水量增加有增強(qiáng)趨勢。

(3) 苜蓿地較玉米地有機(jī)碳含量、黏粒含量高，其本身易積累極性而有斥水潛能，OCT添加、含水量、容重變化后的斥水性交互分析中的F值增加，因素間的交互作用增強(qiáng)。因此，應(yīng)注意不同土地利用下的土壤這些理化性質(zhì)變化對黑壚土斥水風(fēng)險的影響。