不同淹水時(shí)長(zhǎng)對(duì)旱作水稻土壤物理特性的影響

王希鳳，趙春雷，張 猛

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

傳統(tǒng)水稻種植耗水量巨大，而旱作水稻的產(chǎn)量與水作水稻基本持平，并且具有節(jié)水保收的優(yōu)點(diǎn)［1］。近年來(lái)，我國(guó)極端降水事件頻發(fā)導(dǎo)致農(nóng)田洪澇災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，對(duì)水稻穩(wěn)定生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅［2］。有研究表明，水稻產(chǎn)量隨淹水天數(shù)的增加顯著下降，淹水2.5 d 導(dǎo)致雜交水稻平均減產(chǎn)2 ～3 成［3］。王斌等［4］發(fā)現(xiàn)隨著淹水時(shí)間的增加，水稻植株根長(zhǎng)、根體積和根表面積均下降至對(duì)照的50%以下。長(zhǎng)期淹水也會(huì)引起土壤理化性狀的改變［5］。明確淹水及脫濕過(guò)程中主要土壤物理性質(zhì)的變化特征，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估洪澇災(zāi)害的影響、指導(dǎo)災(zāi)后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要［6］。土壤容重是一個(gè)高度變異的土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)，是衡量土壤肥力高低的標(biāo)志之一，也是評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)［7］。在干濕變化過(guò)程中，隨著含水量的變化，土壤體積也隨之改變，從而影響了容重-含水量的關(guān)系和土壤機(jī)械特性［8］。張佳寶等［9］研究發(fā)現(xiàn)，在自然條件下較干的水稻土在淹水過(guò)程中團(tuán)聚體發(fā)生崩解，使土壤向粘閉方向發(fā)展，但不能完全粘閉；粘閉作用對(duì)土壤容重的影響取決于粘閉之前的水分狀況，當(dāng)土壤不飽和時(shí)，土壤容重增加；當(dāng)土壤飽和時(shí)，容重不變；而當(dāng)土壤過(guò)飽和時(shí)，土壤容重開(kāi)始降低。

土壤熱特性主要受到土壤質(zhì)地、容重、顆粒形狀以及含水量等因素的影響［10］。熱傳導(dǎo)過(guò)程主要受土壤水分的影響。土壤在完全飽和或潮濕條件下的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于干燥或近干燥狀況下的熱導(dǎo)率［11］。土壤在潤(rùn)濕-干燥過(guò)程中，通過(guò)改變土壤孔隙和水分含量，土壤顆粒不斷發(fā)生分離與組合，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)改變［12］。盧奕麗等［13］研究發(fā)現(xiàn)兩次連續(xù)的強(qiáng)降雨使得耕層土壤在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和，之后伴隨著土壤入滲和蒸發(fā)過(guò)程，土壤含水量總體保持在30%左右，導(dǎo)致該階段熱導(dǎo)率較前期高。

基于此，本研究旨在通過(guò)測(cè)定不同淹水時(shí)長(zhǎng)土壤的容重、熱特性和水力學(xué)參數(shù)，明確淹水后土壤物理性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化特征，探討淹水時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤容重和熱特性的影響機(jī)制，為應(yīng)對(duì)淹水所導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降問(wèn)題、科學(xué)指導(dǎo)災(zāi)后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用土取自湖北大冶市還地橋鎮(zhèn)（30°11′ N，114°51′ E）旱作稻田。取樣時(shí)采用蛇形布點(diǎn)采集耕作層（0 ～20 cm）土壤樣品，去除石子和根系后，風(fēng)干，過(guò)2 mm 篩后保存。土壤中砂粒（1 ～0.05 mm）、粗粉粒（0.05 ～0.01 mm）和粘粒（＜0.01 mm）的質(zhì)量含量分別為8.1%、35.8%和56.1%，根據(jù)中國(guó)制土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定土壤質(zhì)地類型為黏土。土壤有機(jī)質(zhì)含量為3.0 g/kg。參考耕作層土壤翻耕后自然狀態(tài)下農(nóng)田土壤容重1.20 g/cm3對(duì)本試驗(yàn)中土柱的初始容重設(shè)置。按照設(shè)定的容重計(jì)算所需土壤重量，分層裝于環(huán)刀（高5 cm，直徑5 cm）中，環(huán)刀下端用定性濾紙封住，防止浸泡過(guò)程中土壤散落。試驗(yàn)設(shè)置6 個(gè)不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理，分別為1、3、7、14、21 和28 d，每種淹水時(shí)長(zhǎng)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)過(guò)程中將同一處理的土柱放入盆中，向盆中分批次緩慢加水至液面距離土柱上端1 cm 處，浸泡12 h 使土壤完全飽和及土壤穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)定。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

1.2.1 土壤熱特性 本研究所用熱脈沖探針由3 根平行的、長(zhǎng)40 mm、直徑1.3 mm、間距約6 mm 的空心不銹鋼針組成。探針具體構(gòu)造和土壤熱特性測(cè)定過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)［13-15］。

根據(jù)熱傳導(dǎo)定律，在熱源徑向土壤中一定距離r處，其溫度隨時(shí)間的變化可以表達(dá)為下列公式［14-15］：

其中，ΔT 是熱脈沖加熱后土壤溫度的變化值（℃）；q′是單位時(shí)間單位長(zhǎng)度線性熱源所釋放的熱能（J/m）；C是土壤體積熱容量［MJ/(m3·K)］；κ是土壤熱擴(kuò)散率（m2/s）；t是測(cè)定時(shí)長(zhǎng)（s）；t0是熱脈沖加熱時(shí)間（s）；Ei（x）是指數(shù)積分?；谌槦崦}沖技術(shù)測(cè)得溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，利用MATLAB 軟件中的非線性擬合方法（Nonlinear model fit）對(duì)公式（1）進(jìn)行擬合，得到C和κ的估計(jì)值［16］，二者相乘即可得到土壤熱導(dǎo)率（λ）。

土壤熱特性和體積含水量的測(cè)定分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為淹水階段，即在土柱淹水（土壤飽和狀態(tài)）過(guò)程中，通過(guò)熱脈沖探針和土壤水分傳感器（EC-5）連續(xù)測(cè)定土壤熱特性和含水量；第二個(gè)階段是淹水處理結(jié)束后，將土柱放在室內(nèi)自然風(fēng)干，測(cè)定脫濕過(guò)程的土壤熱特性和含水量，測(cè)定頻率均為每30 min 測(cè)定一次。

1.2.2 熱導(dǎo)率法計(jì)算土壤容重 Lu 等［17］提出一個(gè)預(yù)測(cè)熱導(dǎo)率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將熱?dǎo)率與含水量、質(zhì)地和容重聯(lián)系起來(lái)，利用熱脈沖探針和EC-5 分別獲得土壤熱導(dǎo)率和含水量后，在已知質(zhì)地的情況下可反推土壤容重。熱導(dǎo)率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑楣剑?）和公式（3）：

其中，λdry是干土熱導(dǎo)率［W/(m·K)］；η和β是熱導(dǎo)率曲線的形狀因子；Pt是土壤總孔隙度（%）；fcl和fsa分別是用吸管法測(cè)得的土壤粘粒和砂粒含量（%）。

1.2.3 土壤入滲速率 待淹水過(guò)程結(jié)束后，將土柱從盆中拿出。利用微型圓盤(pán)入滲儀測(cè)定各處理土柱的入滲速率。根據(jù)土壤質(zhì)地確定入滲吸力（h0）為0.5 cm 及每次觀測(cè)的時(shí)間間隔為120 s，開(kāi)始前需記錄一個(gè)初始值并按120 s 的時(shí)間間隔記錄數(shù)據(jù)（即讀取液面所在刻度值），直至入滲穩(wěn)定后停止讀數(shù)。

根據(jù)Zhang［18］提出的確定土壤吸水性和導(dǎo)水率的兩維入滲方程，從圓盤(pán)入滲儀得到的累計(jì)入滲量（I）隨時(shí)間的變化，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后得出入滲速率（k）。

1.2.4 土壤水分特征曲線和土壤孔隙分布 根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置的6 個(gè)不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理，分別裝填容重為1.20 g/cm3的小土柱（高1 cm，體積為20 cm3），每種時(shí)長(zhǎng)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)同時(shí)設(shè)置3 個(gè)空白處理。淹水實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先，土壤水分特征曲線采用沙箱法和壓力板法測(cè)得，然后使用Van Genuchten［19］模型通過(guò)RETC 軟件對(duì)實(shí)測(cè)的水分特征曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水后土壤熱特性和容重的動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 淹水時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤熱導(dǎo)率和熱容量的影響 圖1（a）為土壤熱導(dǎo)率隨淹水時(shí)長(zhǎng)增加的變化過(guò)程。隨淹水時(shí)長(zhǎng)增加，土壤熱導(dǎo)率呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的過(guò)程。淹水1 d 后土壤熱導(dǎo)率平均值為1.56 W/(m·K)；淹水3 d 后土壤熱導(dǎo)率上升到1.58 W/(m·K)；當(dāng)淹水時(shí)長(zhǎng)達(dá)到7 d 時(shí)，土壤熱導(dǎo)率均值增至1.60 W/(m·K)。在此之后，隨著淹水時(shí)長(zhǎng)增加（14、21 和28 d），土壤熱導(dǎo)率基本穩(wěn)定在1.60 W/(m·K)左右。圖1（b）為不同淹水時(shí)長(zhǎng)土壤熱容量變化特征。隨淹水時(shí)長(zhǎng)的增加，土壤熱容量的變化過(guò)程與土壤熱導(dǎo)率相似，均呈現(xiàn)出快速增加和趨于穩(wěn)定兩個(gè)階段。淹水1 ～7 d，土壤熱容量均值由3.04 MJ/(m3·K) 增加至3.08 MJ/(m3·K)，此過(guò)程為快速升高階段；之后土壤熱容量緩慢升高，到淹水28 d 土壤熱容量均值為3.10 MJ/(m3·K)。2.1.2 淹水時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤容重和入滲速率的影響 圖

圖1 不同淹水時(shí)長(zhǎng)土壤熱導(dǎo)率(a)和土壤熱容量(b)的動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 The dynamic of soil thermal conductivity(a)and soil heat capacity(b)under different flooding duration

2 為不同淹水時(shí)長(zhǎng)土壤容重的動(dòng)態(tài)變化，隨淹水時(shí)長(zhǎng)的增加，土壤容重呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì)。未開(kāi)始淹水前，土柱的容重為1.20 g/cm3；淹水1 d 后土壤容重的均值在1.45 g/cm3左右；淹水3 d 后，土壤容重增加到1.46 g/cm3，隨后土壤容重基本保持穩(wěn)定；當(dāng)淹水28 d 后，土壤容重均值為1.47 g/cm3。土壤容重迅速增加階段在淹水1 ～7 d 內(nèi)，土壤容重增加了0.02 g/cm3。

圖2 不同淹水時(shí)長(zhǎng)土壤容重的動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 The dynamic changes of soil bulk density under different flooding duration

圖3 為不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理后土壤入滲速率的動(dòng)態(tài)變化。從整體上看，隨著淹水時(shí)長(zhǎng)的增加，土壤入滲速率呈現(xiàn)“快速升高-緩慢降低”的趨勢(shì)。土壤入滲速率峰值出現(xiàn)在淹水7 d，均值為1.71 cm/d。淹水時(shí)間超過(guò)7 d 后，土壤入滲速率逐漸降低。

圖3 不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理土壤入滲速率的動(dòng)態(tài)變化特征Fig. 3 The dynamic of soil infiltration rate under different flooding duration

2.2 脫濕過(guò)程土壤熱特性的影響

圖4（a）為不同淹水處理試驗(yàn)結(jié)束后脫濕過(guò)程中土壤熱導(dǎo)率變化曲線?？偟膩?lái)看，隨著含水量降低，土壤熱導(dǎo)率逐漸減小，但在不同含水量區(qū)間的變化幅度存在差異。在高含水量范圍，土壤熱導(dǎo)率隨著含水量的減少緩慢降低；在這個(gè)階段內(nèi)，土壤中水分主要以重力水和毛管水為主，水分的降低減少了熱量傳輸?shù)耐ǖ馈．?dāng)含水量較低時(shí)，土壤熱導(dǎo)率隨含水量減少呈現(xiàn)快速降低趨勢(shì)；在這個(gè)階段土壤孔隙內(nèi)部水分基本蒸發(fā)，土壤顆粒之間“水橋”逐漸消失，顆粒之間接觸面積減小，導(dǎo)致土壤熱導(dǎo)率快速降低。從整體來(lái)看，土壤熱導(dǎo)率緩慢降低和快速降低兩個(gè)階段的拐點(diǎn)隨淹水時(shí)長(zhǎng)的增加逐漸增加。從圖4（a）可以看出，當(dāng)淹水1 d 和3 d 時(shí)，土壤熱導(dǎo)率曲線的拐點(diǎn)不明顯；當(dāng)淹水時(shí)長(zhǎng)增加到7 d 后，拐點(diǎn)出現(xiàn)在含水量12%左右；當(dāng)淹水21 d 和28 d時(shí)拐點(diǎn)為15%。

圖4 不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理土壤熱導(dǎo)率(a)和土壤熱容量(b)隨含水量的動(dòng)態(tài)變化特征Fig. 4 The dynamic variation of soil thermal conductivity(a)and soil heat capacity(b)under different flooding duration

當(dāng)淹水時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)3 d 時(shí)，淹水時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤熱導(dǎo)率的影響比較小，淹水1 d 和3 d 處理的土壤熱導(dǎo)率曲線基本趨于一致。當(dāng)淹水時(shí)長(zhǎng)超過(guò)3 d 時(shí)，在全范圍含水量?jī)?nèi)土壤熱導(dǎo)率增加，尤其是在高含水量范圍內(nèi)增加幅度較大。對(duì)于相同質(zhì)地的土壤影響熱導(dǎo)率大小的主要因素是土壤容重和孔隙狀況。

圖4（b）為不同淹水處理試驗(yàn)結(jié)束后脫濕過(guò)程中土壤熱容量的變化曲線。在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，土壤含水量降低到10%已經(jīng)趨于穩(wěn)定，不再降低。土壤熱容量主要受土壤含水量和容重等因素的影響，而其中的含水量對(duì)土壤熱容量影響最顯著。在含水量從飽和降低至10%的過(guò)程中土壤熱容量隨含水量減少逐漸降低。隨著淹水時(shí)長(zhǎng)的增加，相同含水量條件下，淹水時(shí)長(zhǎng)大于7 d 的土壤熱容量高于淹水時(shí)長(zhǎng)小于7 d，說(shuō)明淹水時(shí)長(zhǎng)增加會(huì)引起土壤內(nèi)部顆粒的重新排布，增加單位體積內(nèi)的固相顆粒含量。

2.3 不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理土壤水分特征曲線及孔隙分布狀況的變化特征

圖5 為不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理后的土壤水分特征曲線。測(cè)定開(kāi)始后，pF 值從0 開(kāi)始逐漸增大，但此時(shí)含水量并沒(méi)有降低，說(shuō)明此時(shí)外界的壓力值還不足以抵抗土壤的毛管力作用而使土壤水仍然被保持在土體內(nèi)；但當(dāng)pF 值逐漸增大直至進(jìn)氣值時(shí)，此時(shí)土壤含水量迅速降低，說(shuō)明此時(shí)的進(jìn)氣值已經(jīng)大于土壤的毛管力而使土壤水逐漸從毛管中被排出；隨著毛管水被逐漸排出土體，土壤水從主要受毛管力作用向受吸附力的作用轉(zhuǎn)變，以很難被排除土體的吸附水為主，此時(shí)隨著pF 的逐漸增大，含水量降低速率變慢［10］。

經(jīng)過(guò)不同淹水處理后，土壤水分特征曲線的變化主要發(fā)生在低吸力階段，即在進(jìn)氣值附近（圖5）。

圖5 不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理土壤水分特征曲線的擬合結(jié)果Fig. 5 The fitting results of soil water retention curve under different flooding duration

可以看到，土壤的飽和含水量隨淹水時(shí)長(zhǎng)的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，由54%降至51%后增加到56%。α 為進(jìn)氣值倒數(shù)，α 值越大越容易排水即持水性越差；不同淹水處理后，α 同樣呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，由初始0.029 降低到0.013，但在淹水28 d 后又增加至0.028。

圖6 為不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理后土壤孔徑分布的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，孔徑密度分布曲線近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，孔隙主要分布在0.1 ～100 μm 范圍內(nèi)。由圖6 可見(jiàn)隨著淹水時(shí)長(zhǎng)的增加，土壤孔隙分布曲線的變化主要分為兩個(gè)過(guò)程：首先，淹水1 ～7 d 的變化最大，中值孔徑由18 μm 降低至10 μm 左右，孔隙密度從0.063 增加至0.066。當(dāng)淹水時(shí)長(zhǎng)增加至14 d 后，中值孔徑增加，并且小孔隙密度降低，而大孔隙密度升高。繼續(xù)淹水后，土壤孔隙分布仍未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是21 d 和28 d 淹水處理，中值孔徑大小基本未發(fā)生變化，但對(duì)應(yīng)的孔隙密度增加。

圖6 不同淹水時(shí)長(zhǎng)處理土壤孔隙密度分布的動(dòng)態(tài)變化Fig. 6 The dynamic change of soil pore density distribution under different flooding duration

3 討論

本研究中，土壤熱導(dǎo)率、土壤熱容量和土壤容重的變化趨勢(shì)均為“先升高后趨于穩(wěn)定”，拐點(diǎn)都在淹水7 d，造成土壤熱導(dǎo)率和熱容量增加的原因是土壤容重增加。土壤容重能反映土壤的疏松程度及孔隙度，土壤容重越大土壤緊實(shí)程度越大，土壤的孔隙度越小，則土壤熱導(dǎo)率越高［20］。范理云等［21］研究發(fā)現(xiàn)土壤熱導(dǎo)率、土壤熱容量與土壤容重關(guān)系表明，土壤熱導(dǎo)率與土壤容重的關(guān)系最緊密，呈正相關(guān)；同樣土壤熱容量隨容重增大而增加。

土壤入滲速率呈現(xiàn)“先升高后降低”拐點(diǎn)在淹水7 d，而淹水1 ～7 d 內(nèi)土壤孔隙主要變化在1 ～10 μm區(qū)域，隨著淹水時(shí)長(zhǎng)的增加10 ～100 μm 之間孔隙減少，根據(jù)呂剛等［22］研究結(jié)果顯示土壤中大孔隙的數(shù)量和孔徑分布直接影響著土壤入滲速率。雖然在這個(gè)過(guò)程中土壤的大孔隙減少，但土壤孔隙的連通性增加也是引起土壤入滲速率升高的原因之一。Helaia 等［23］研究表明土壤有效孔隙率與穩(wěn)定入滲率的相關(guān)性非常顯著。因此，當(dāng)淹水時(shí)長(zhǎng)比較短，土壤中團(tuán)聚體較多，團(tuán)聚體間孔隙有利于土壤入滲。當(dāng)淹水時(shí)長(zhǎng)大于7 d，由于土壤中有機(jī)質(zhì)含量低，隨著淹水時(shí)長(zhǎng)的增加會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，形成小土粒，堵塞了土壤中的有效孔隙，表現(xiàn)出土壤入滲速率隨著淹水時(shí)長(zhǎng)的增加而減小。

土壤水分特征曲線能夠直接表明在一定吸力條件下不同大小孔隙中的水分在土壤中的分布，進(jìn)而表明土壤的持水性。土壤容重對(duì)土壤持水性和入滲性能有直接影響［7］。趙雅瓊等［24］研究表明，土壤孔隙結(jié)構(gòu)越緊密，土壤具有較大的進(jìn)氣值和較強(qiáng)的持水性。淹水1 ～7 d 土壤容重的增大，小孔隙數(shù)量增加，表現(xiàn)出土壤持水性增強(qiáng)［25］；淹水時(shí)長(zhǎng)大于7 d 后，土壤容重沒(méi)有變化，但持水性降低，其原因在于土壤孔隙分布發(fā)生變化，1 ～10 μm 孔徑的小孔隙減少，10 ～100 μm 孔徑的大孔隙增加。這與高紅貝等［26］研究一致，土壤中小孔隙數(shù)量與土壤持水性能密切關(guān)聯(lián)，小孔隙數(shù)量增多，土壤持水性增強(qiáng)；相反，小孔隙數(shù)量降低，土壤持水性減弱。

脫濕過(guò)程中淹水7 ～28 d 后的土壤熱特性明顯大于淹水1 ～7 d 內(nèi)；這是因?yàn)殚L(zhǎng)期淹水過(guò)程中土壤容重發(fā)生變化，脫濕過(guò)程中土壤熱導(dǎo)率和熱容量的變化受淹水過(guò)程容重增加的影響；王鐵行等［27］研究結(jié)果表明，相同含水量時(shí)，土壤容重越大，土壤熱導(dǎo)率和熱容量越大。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)水稻土進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的室內(nèi)模擬淹水處理，分析了淹水過(guò)程以及不同時(shí)長(zhǎng)淹水處理后，土壤容重、熱特性、入滲速率和孔隙分布的變化特征。結(jié)果表明：（1）在淹水1 ～7 d 的過(guò)程中，土壤容重、熱特性和入滲速率均逐漸增加；（2）淹水7 d 后，土壤容重和熱特性基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但土壤孔隙分布和土壤入滲速率仍處于動(dòng)態(tài)變化，未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；（3）淹水過(guò)程會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致土壤孔隙分布改變，造成土壤孔隙連通性降低，導(dǎo)致土壤持水性減弱，導(dǎo)水率降低。