干濕交替次數(shù)對土壤干密度和飽和導(dǎo)水率的影響

孫召軍，李金山，賈艷輝，李 浩

干濕交替次數(shù)對土壤干密度和飽和導(dǎo)水率的影響

孫召軍1,2，李金山1*，賈艷輝1，李 浩1

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所 河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點試驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081)

研究干濕交替對原狀土和擾動土土壤干密度（）和飽和導(dǎo)水率（）的影響特征。通過室內(nèi)試驗對不同干濕交替條件下原狀土和擾動土的干密度和飽和導(dǎo)水率測定，分析了不同干濕交替過程對土壤干密度和飽和導(dǎo)水率的變化特征及規(guī)律的影響。原狀土干密度在1.41～1.89 g/cm3之間波動，擾動土干密度在1.47～1.85 g/cm3之間波動；原狀土在第1次干濕交替后的干密度較原始干密度有大幅上升，隨著干濕交替次數(shù)的增加逐漸趨于小范圍波動，總體變異系數(shù)為8%；擾動土總體處于上升趨勢，總體變異系數(shù)為5%；原狀土干密度變化幅度顯著大于擾動土（＜0.05）。原狀土飽和導(dǎo)水率在0.88～3.22 cm/h之間波動，擾動土飽和導(dǎo)水率在0.21～3.54 cm/h之間波動；原狀土在經(jīng)歷不同干濕交替次數(shù)后呈上升的趨勢，總體變異系數(shù)為39%；擾動土在經(jīng)歷不同干濕交替次數(shù)后飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，總體變異系數(shù)為94%；原狀土飽和導(dǎo)水率變化幅度顯著小于擾動土（＜0.05）。本試驗條件下，土壤經(jīng)歷干濕交替后形成了較多水道，土壤透水性增強；大田翻耕后，表層土壤處于擾動松散狀態(tài)，干密度較小，飽和導(dǎo)水率較大，而第1次灌水以后，干密度變大，飽和導(dǎo)水率降低，且干密度和飽和導(dǎo)水率在后續(xù)的生產(chǎn)過程中趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

干濕交替；土壤干密度；飽和導(dǎo)水率；土壤水分特性

0 引 言

土壤干密度（Dry density, DD）是土壤的基本物理性質(zhì)之一，主要反映土壤內(nèi)部總孔隙體積的變化[1]，受母質(zhì)組成成分、氣候變化、人類活動、有機質(zhì)量、生物作用等的綜合影響[2]。土壤飽和導(dǎo)水率（）是土壤重要的物理性質(zhì)之一，研究土壤在飽和狀態(tài)下的土壤入滲速率可以反映土壤水分運移規(guī)律，主要受土壤質(zhì)地、孔隙度、結(jié)構(gòu)等因素的影響[3-8]。土壤粒徑組成（Particle size distribution, PSD）是反應(yīng)土壤結(jié)構(gòu)特征的重要因素之一，對土壤物理力學(xué)性質(zhì)（孔隙比、液塑限、強度和變形等）和水理性質(zhì)（滲透性、濕陷性和保水性等）有非常大的影響[9-11]。

【研究意義】在降雨、灌溉和蒸發(fā)的影響下，土壤經(jīng)歷不斷吸水和失水的過程。土壤在失水時收縮，進而產(chǎn)生表面裂縫和體積收縮；土壤吸水時膨脹，土壤體積增大且裂縫消失，含水率越大膨脹越大，嚴重影響和改變了土壤結(jié)構(gòu)和孔隙分布，進而改變了土壤水分運動規(guī)律[12-14]。因此，研究不同干濕交替次數(shù)對土壤干密度和飽和導(dǎo)水率的影響機理，對提高水資源利用效率、發(fā)展節(jié)水灌溉以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

【研究進展】目前已有較多針對土壤水分運動規(guī)律在空間上變異的研究。自然條件下表層土壤因受到干濕交替、土壤裂隙、蟲洞和根孔等因素的影響，大孔隙數(shù)量較多，土壤入滲能力相對較高；甘淼等[15]和祝景彬等[16]研究發(fā)現(xiàn)淺層土壤較為緊實，土壤干密度較大，但隨著土層深度的增加，土壤干密度有減小的趨勢。許振欣等[17]研究發(fā)現(xiàn)隨著土壤深度的增加，飽和導(dǎo)水率呈先增加后減少的趨勢，且表層土壤（0～10 cm）飽和導(dǎo)水率明顯高于底層土壤（10～50 cm）；毛娜等[18]研究發(fā)現(xiàn)20 cm以上的飽和導(dǎo)水率顯著高于20～200 cm深度的土壤，干密度與飽和導(dǎo)水率顯著負相關(guān)；李濤等[19]研究發(fā)現(xiàn)飽和導(dǎo)水率具有很強的空間變異性，與黏粒、粉粒、砂粒和有機質(zhì)量具有一定相關(guān)性，而與干密度幾乎沒有空間相關(guān)性。胡偉等[4]認為盡管原狀土和擾動土在干密度上保持一致，但由于原狀土含有非均勻的孔隙，而擾動土的孔隙分布均勻，即二者大小孔隙的分布不一致，造成二者的飽和導(dǎo)水率測定值不一樣；Sandin等[20]利用X射線層分析技術(shù)研究飽和導(dǎo)水率動態(tài)變化和土壤結(jié)構(gòu)性孔隙相關(guān)關(guān)系的過程中發(fā)現(xiàn)，土壤飽和導(dǎo)水率與孔隙連通率相關(guān)。王力等[21]發(fā)現(xiàn)土壤滲透性受粒度組成的影響最為直接，二者聯(lián)系也最為密切。土壤干密度具有明顯的空間變異性，且隨著土壤深度的增加呈減小趨勢，這是由于機械作用和人為活動對表層土壤影響較大，對深層土壤影響較小；飽和導(dǎo)水率的大小受土壤孔隙的影響，干密度越小，土壤松散，孔隙就越多，故飽和導(dǎo)水率與干密度呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，但這些研究大多針對土壤水分運動規(guī)律在空間上的變異，較少關(guān)注在時間上的變異。因此，為了探求土壤水分運動規(guī)律在時間和空間上的變異，有必要對不同干濕交替次數(shù)下土壤干密度和飽和導(dǎo)水率的變化規(guī)律進行研究。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中人類活動、自然環(huán)境等影響因素顯著改變了土壤孔隙結(jié)構(gòu)的形成和重組，進而影響土壤水分入滲運動參數(shù)的變化態(tài)勢?！厩腥朦c】目前，關(guān)于土壤水分物理參數(shù)在時間上變異的研究較少，使得大田中翻耕、灌溉、降雨、蒸發(fā)等對土壤入滲速率、水運動特征、養(yǎng)分運移規(guī)律等認識不夠深刻?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本研究利用原狀土和擾動土對比試驗，通過室內(nèi)短時間干濕交替的方法探求土壤水分物理參數(shù)在時間上的變異特征，得到土壤入滲特性在作物生育期內(nèi)經(jīng)歷翻耕、降雨、灌溉和蒸發(fā)等過程中的動態(tài)變化及規(guī)律，以期為田間灌溉的智能化管理和節(jié)水模型構(gòu)建提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于河南省新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗基地（E113.5°，N35.9°）。新鄉(xiāng)縣地處古黃河沖積半原的北翼和太行山前沖洪積扇的南緣地帶，海拔70～82 m，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量580 mm，多集中在7—8月，年均蒸發(fā)量2 000 mm，年均氣溫14.1 ℃，1月最冷，平均氣溫0.7 ℃，7月最熱，平均氣溫27.1 ℃，年均日照時間2 407.7 h，年均無霜期200.5 d。以冬小麥-夏玉米連作為主。試驗區(qū)土壤主要為粉砂質(zhì)黏壤土，土壤干密度在0.7 m土層深度內(nèi)平均值為1.47 g/cm3，0～70 cm土層平均田間持水率為26.04%，土壤物理性質(zhì)見表1[22]。

表1 試驗田土壤物理性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計和研究方法

1.2.1 供試材料

為保證土樣的代表性，選取畦田中間部位作為取樣點，按照1.5 m×1.5 m的樣方進行取土。原狀土取土?xí)r，剝離表層10 cm后取樣，10～30 cm為第1層，30～50 cm為第2層，50～70 cm為第3層，測定飽和導(dǎo)水率土樣利用環(huán)刀（體積120 cm3，內(nèi)徑61.8 cm，高4 cm）每層取5個樣共15個，測定干密度土樣利用環(huán)刀每層取5個樣共15個；擾動土取土?xí)r，每層土壤取1袋，風(fēng)干后碾碎過0.9 mm孔篩，根據(jù)每層土壤的干密度和風(fēng)干后土壤的含水率進行分層裝填到環(huán)刀內(nèi)，每層取5個樣，共15個。

1.2.2 試驗設(shè)計

1）干濕交替共做4次交替，即每組5個中第1個土樣不做干濕處理，第2個土樣做1次干濕交替，以此類推，原狀土和擾動土干濕交替方法相同。均先將土壤在試驗室級高純水中浸水至飽和狀態(tài)后用烘箱105 ℃烘至恒質(zhì)量，再將烘干的土泡飽和后烘干，此步驟重復(fù)。此試驗中所用試驗室級高純水是利用易普易達EPED-X2-10T制備，制備過程中在設(shè)備沖洗完成后開始制水，根據(jù)操作手冊要求純度值在18 MΩ·cm以上的水可用。具體處理方法見表2。

表2 干濕交替處理方法

2）擾動土處理方法。將原狀土室內(nèi)風(fēng)干，碾碎過0.9 mm孔篩，裝入密封袋中。裝填環(huán)刀之前測土壤含水率和原狀土初始干密度，擾動土取樣部位的初始干密度第1、第2、第3層分別為1.53、1.56、1.47 g/cm3，裝填前的含水率第1、第2、第3層分別為1.74%、1.92%、1.93%。每層擾動土的干密度與原狀土對應(yīng)，裝土質(zhì)量增加擾動土含水率。在裝入120 cm3環(huán)刀過程中，逐層填土均勻夯實，每層1 cm厚，接觸面打毛，防止出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

1.2.3 觀測項目與方法

1）土壤干密度的測定。初始干密度采用環(huán)刀法測定，即土樣烘箱中105 ℃烘至恒質(zhì)量，得到土塊質(zhì)量，除以環(huán)刀體積得到土壤初始干密度；干濕交替后的干密度采用蠟封法測定，取土塊的一部分在105 ℃的烘箱中烘干至恒質(zhì)量后，放入干燥皿中冷卻，冷卻后在土塊系上細繩并稱量其質(zhì)量，將土塊放入剛過熔點的蠟液中，土塊浸沒后立即取出，檢查土塊周圍的蠟?zāi)?，若有起泡?yīng)用針刺破，再用蠟液補平，再次冷卻后稱蠟封土塊的質(zhì)量，最后將土塊完全浸入到試驗室級高純水中，利用排水法測定土塊體積。排水法測定土塊體積是將蠟封后的土塊冷卻后放入試驗室級高純水中，測得其在水中的質(zhì)量，空氣中質(zhì)量與水中質(zhì)量的差值，即為常溫下蠟封后土塊的體積，減去蠟的體積即得到土塊的體積。

環(huán)刀法測干密度計算式：

式中：d為土的干密度（g/cm3）；0為干土質(zhì)量（g）；為環(huán)刀的體積（cm3）。

蠟封法測干密度公式：

式中：0為干土質(zhì)量（g）；n為試樣加蠟質(zhì)量（g）；nw為試樣加蠟在水中的質(zhì)量（g）；為土的濕密度（g/cm3）；d為土的干密度（g/cm3）；wT為純水在℃時的密度（g/cm3），準確至0.01 g/cm3；n為蠟的密度（g/cm3），準確至0.01 g/cm3；為含水率（%）。

2）飽和導(dǎo)水率的測定。土樣在試驗室級高純水中充分飽和后，用定水頭法測定飽和導(dǎo)水率，使用馬氏瓶供水，利用滲透儀（TST 55型）進行測定，水頭高度維持在15 cm[23]。每個土壤樣品重復(fù)6次，每次重復(fù)間隔3 min（即0.05 h），取其平均值。

式中：為土壤飽和導(dǎo)水率（cm/h）；為流量，滲透過一定截面積的水量（cm3）；為飽和土層厚度，滲透經(jīng)過的距離（cm）；為環(huán)刀橫截面積（cm2）；為水頭差（cm）；為滲透過水量時所需時間（h）。

3）土壤粒度的測定。將原始土樣中的大顆粒進行分散細碎，放置風(fēng)干后，過0.9 mm的孔篩，將土樣放入百特公司BT-401型超聲波循環(huán)分散器循環(huán)至百特公司BT-9300HT型激光粒度分布儀中測定土壤粒度，測量范圍0.1～1 000 μm，循環(huán)介質(zhì)采用試驗室級高純水。為減小試驗誤差，每個土樣測定重復(fù)5次，取均值。按照美國制分類，黏粒粒徑小于2 μm，粉粒粒徑在2～50 μm之間，砂粒粒徑在50～1 000 μm之間。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2019處理數(shù)據(jù)，利用SPSS 23.0進行變異系數(shù)、方差分析和相關(guān)性分析，使用Origin 2019畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒徑組成

原狀土和擾動土室內(nèi)干濕交替后粒徑組成的統(tǒng)計結(jié)果（表3）顯示，粒徑組成在經(jīng)歷干濕交替后變異系數(shù)非常小，總體呈弱變異性，故本文試驗暫不考慮干濕交替對粒徑組成產(chǎn)生的影響，在后續(xù)的試驗中會針對該內(nèi)容進行試驗分析論證。其中有部分數(shù)據(jù)的變異系數(shù)變化幅度較大，如原狀土第2層砂粒占比在經(jīng)歷干濕交替后變異系數(shù)達到18.34%，從總體數(shù)據(jù)特征分析是因為測驗誤差引起的。

2.2 干濕交替后土壤干密度的變化

圖1為原狀土和擾動土在經(jīng)歷室內(nèi)干濕交替后的干密度變化。原狀土和擾動土室內(nèi)干濕交替后干密度的統(tǒng)計結(jié)果（表4）顯示，原狀土第1、第2、第3層干密度均值分別為1.80、1.67、1.58 g/cm3，根據(jù)數(shù)據(jù)分析顯示每層均為弱變異性，但是最小值與最大值差異較大；擾動土第1、第2、第3層干密度均值分別為1.70、1.66、1.60 g/cm3，根據(jù)數(shù)據(jù)分析顯示每層均為弱變異性，但是最小值與最大值差異較大。試驗表明，原狀土干濕交替后的干密度大幅增加，因此認為干濕交替對土壤的孔隙結(jié)構(gòu)影響非常大。

表3 室內(nèi)干濕交替后粒徑組成的統(tǒng)計特征

注 變異系數(shù)≤10%時為弱變異性，10%＜變異系數(shù)＜100%時為中變異性，變異系數(shù)≥100%時為強變異性。

試驗表明，擾動土與原狀土的變化趨勢相似，土壤干濕交替后，干密度大幅增加。原狀土和擾動土的干密度在T1處理后有了大幅增加，這是因為干濕交替后土壤孔隙大幅減小；原狀土和擾動土在T2處理或T3處理以后，呈輕微減小趨勢，這是因為隨著干濕交替次數(shù)的增加，部分土壤孔隙遭到破壞，并形成了新的孔隙結(jié)構(gòu)；在T3、T4處理過程中原狀土和擾動土的每層土壤在干濕交替后處在小范圍的波動中，干濕交替次數(shù)對土壤孔隙的增加影響逐漸減小，形成了穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，但第1層擾動土在T3、T4處理過程中干密度變化較大，說明干濕交替過程中孔隙收縮力產(chǎn)生的作用效果不穩(wěn)定。原狀土的干密度在T0處理時第1層最大，第2層次之，第3層最小，在T4處理時干密度也呈現(xiàn)此規(guī)律，說明原狀土在干濕交替過程中孔隙收縮力產(chǎn)生的作用效果比較穩(wěn)定；擾動土的干密度在T0處理時第2層最大、第1層次之、第3層最小，在T4處理時干密度第1層最大、第2層次之、第3層最小，這說明擾動土由于初始狀態(tài)中孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，在干濕交替過程中孔隙收縮力產(chǎn)生的作用效果不穩(wěn)定，隨著干濕交替次數(shù)的增加，新形成的孔隙結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 干濕交替后原狀土和擾動土干密度變化趨勢

表4 室內(nèi)干濕交替后干密度的統(tǒng)計特征

注 變異系數(shù)≤10%時為弱變異性，10%＜變異系數(shù)＜100%時為中變異性，變異系數(shù)≥100%時為強變異性。

2.3 干濕交替后土壤飽和導(dǎo)水率的變化

圖2為原狀土和擾動土在經(jīng)歷室內(nèi)干濕交替后的飽和導(dǎo)水率變化。

通過原狀土和擾動土室內(nèi)干濕交替后飽和導(dǎo)水率的統(tǒng)計結(jié)果（表5）顯示，原狀土第1、第2、第3層飽和導(dǎo)水率均值分別為1.94、1.18、1.38 cm/h，飽和導(dǎo)水率在每層呈中變異性，說明在經(jīng)歷干濕交替以后土壤飽和導(dǎo)水率均產(chǎn)生了較大的變化，第1層土樣中摻雜了作物秸稈等異物且孔隙結(jié)構(gòu)受外界影響較大，一定程度上影響了水道的形成，第2層受外界因素影響較第1層小，較第3層大且土樣中雜物較少密實程度介于第1層和第3層，第3層土樣受外界因素影響較小且無雜物密實程度高，所以第1層和第3層的飽和導(dǎo)水率相比第2層要低一些；擾動土第1、第2、第3層飽和導(dǎo)水率均值分別為0.87、0.31、2.17 cm/h，飽和導(dǎo)水率在每層呈中變異性，說明土壤擾動后在經(jīng)歷泡水、烘干過程重組了土壤孔隙結(jié)構(gòu)分布格局，填充時第2層干密度最大、第1層次之、第3層最小，第2層干密度最大且雜物較第1層少，土壤密實程度較高，第1層干密度較第2層小但雜物較多對孔隙結(jié)構(gòu)的重組影響較大，第3層干密度最小且雜物最少故變異系數(shù)介于第1、第2層之間，說明擾動狀態(tài)下的土壤密實度越高土壤孔隙結(jié)構(gòu)重組影響就越小，由于擾動土的結(jié)構(gòu)遭到徹底破壞，裝填時形成了新的結(jié)構(gòu)，重組后的孔隙結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷干濕交替后的變化較原狀土小。趨勢圖顯示，原狀土隨著干濕交替次數(shù)的增加，第1、第2、第3層土壤的飽和導(dǎo)水率均有上升的趨勢，這是因為在干濕交替過程中土壤孔隙率發(fā)生了變化，造成部分孔隙產(chǎn)生破壞，但上升速度有所差異，這與干密度和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)系；第1層土壤的飽和導(dǎo)水率在T3處理時急速上升，T4處理后飽和導(dǎo)水率又急速下降；第2層土壤的飽和導(dǎo)水率在T3處理時有上升，T4處理后飽和導(dǎo)水率緩慢下降；第3層土壤的飽和導(dǎo)水率處于波動狀態(tài)，總體有上升趨勢，T4后飽和導(dǎo)水率最大。

擾動土第1層和第3層的試驗數(shù)據(jù)顯示，T0處理飽和導(dǎo)水率均大于干濕交替后的土壤；第2層土壤中，T0處理飽和導(dǎo)水率只高于T1、T2處理的土壤，但是差值不大。所有的數(shù)據(jù)顯示，T1處理后土壤的飽和導(dǎo)水率急速下降，隨著干濕交替次數(shù)的增加，飽和導(dǎo)水率逐漸增大，這是因為T1處理后土壤孔隙率大幅減小對土壤孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的影響，干濕交替對土壤結(jié)構(gòu)的影響是先收縮后逐漸膨脹。不同干濕交替次數(shù)后，泡水后土體呈不同程度的膨脹。不同干濕交替后飽和導(dǎo)水率的變化趨勢非常明顯，呈先下降后上升的趨勢，在第2層中由于干密度最大，飽和導(dǎo)水率變化很小，規(guī)律依然明顯。

圖2 干濕交替后原狀土和擾動土飽和導(dǎo)水率變化趨勢

表5 室內(nèi)干濕交替后飽和導(dǎo)水率的統(tǒng)計特征

注 變異系數(shù)≤10%時為弱變異性，10%＜變異系數(shù)＜100%時為中變異性，變異系數(shù)≥100%時為強變異性；由于飽和導(dǎo)水率較小，為了更加清晰的顯示變化規(guī)律，本文以厘米/小時（cm/h）為計算單位。

3 討 論

3.1 干濕交替對土壤干密度的影響

原狀土和擾動土的干密度均值逐層遞減且第1層最高，這是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，機械作用和人類活動使土壤壓實，導(dǎo)致干密度較大，鞠忻倪等[24]的研究成果與之相似。干密度均值之所以逐層降低，還因為在干濕交替過程中土壤表現(xiàn)出吸水土體膨脹、失水土壤收縮的現(xiàn)象，且干濕交替在一定程度上加劇了土體的變形各向異性，土壤的裂隙會隨干濕交替次數(shù)的增加而逐漸增大[25]。在干濕交替過程中，干密度呈快速增加和緩慢增加2個階段，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)[26-28]，這可能是由于土壤吸水到失水的過程中，水分子對土粒產(chǎn)生壓力，使土粒變得緊實，減少了土壤孔隙[29-31]。本文結(jié)合以往研究中土壤干密度在時間和空間上的變異性，以原狀土和擾動土對比，在時空尺度上開展研究，原狀土和擾動土室內(nèi)干濕交替后，原狀土第1、第2、第3層干密度分別在1.56～1.89、1.45～1.80、1.41～1.66 g/cm3之間波動，變異系數(shù)分別是7%、7%、6%，這是由于受機械作用和人類活動的作用，土壤表層在一定程度上被壓實，隨著土層深度的增加受影響的程度越來越小；擾動土第1、第2、第3層干密度分別在1.53～1.85、1.56～1.72、1.47～1.68 g/cm3之間波動，變異系數(shù)分別是6%、3%、5%，這是由于表層土壤含有植物根莖以及土壤顆粒成分組成的影響，擾動土的干密度均值也是逐層遞減趨勢。原狀土干密度變化幅度顯著大于擾動土（＜0.05），說明土壤經(jīng)過擾動破壞后，土壤干密度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重組，并且翻耕后機械作用和人類活動對土壤的干密度影響較大。

3.2 干濕交替對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

原狀土第1層的飽和導(dǎo)水率均值最高，這是由于表層經(jīng)歷翻耕、機械和人為作用，對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的破壞，連通孔隙較多；擾動土第1層的飽和導(dǎo)水率均值低于第3層，這是由于擾動破壞后重新裝填重組了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)。原狀土第1、第2、第3層飽和導(dǎo)水率均值呈先下降后上升趨勢，這是因為干濕交替后土壤中失去抗拉強度的裂隙會有所閉合，加之土體內(nèi)部密實度已經(jīng)增大，所以水分滲流阻礙增強，滲透性質(zhì)相應(yīng)減弱；隨著干濕交替次數(shù)的增加，土體中存在的縱橫向裂隙在干濕交替作用下產(chǎn)生了連通效應(yīng)，成為新的水分滲流通道，飽和導(dǎo)水率呈增加趨勢[32]。針對水分滲漏通道問題，已有研究中表明土壤中有機質(zhì)量和礦物質(zhì)量對非毛細滲流通道的形成存在一定的影響[33]，這是因為土壤水力傳導(dǎo)度與土壤質(zhì)地、土壤孔隙結(jié)構(gòu)、含水率和基質(zhì)勢存在相關(guān)關(guān)系[34]，土壤中有機質(zhì)量越多團粒結(jié)構(gòu)越多且穩(wěn)定性越好[35]，所以有機質(zhì)量高的土壤入滲能力也大，本文試驗沒有對有機質(zhì)、礦物指標等測定，是因為本研究是針對土壤水分物理參數(shù)作為重點研究對象，在后續(xù)的試驗中會補充有機質(zhì)、礦物指標等的測定內(nèi)容。擾動土第1、第2、第3層飽和導(dǎo)水率均值也呈先下降后上升的趨勢，但第3層飽和導(dǎo)水率最大，這是由于干濕交替會影響?zhàn)ち！⒎哿?、砂粒的懸浮和遷移，而擾動條件下的顆粒遷移較原狀土更活躍，巫尚蔚等[36]認為粉粒量的增加弱化了原有的強力鏈。從團聚體形成角度上來說，原狀土和擾動土在經(jīng)歷了干濕交替后飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)相似的規(guī)律，是因為干濕交替對團聚體形成初期產(chǎn)生非常大的影響，土體的密實程度大幅提高，隨著干濕交替次數(shù)的增加而逐漸平穩(wěn)[37]。研究表明，在干濕交替1～2次促進大團聚體的形成[38]，土體在失水時，團聚體粒徑減??；在吸水時，團聚體粒徑增大[39-40]。所以在首次干濕交替時，土體形成了新的團粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤密實度迅速增加，飽和導(dǎo)水率迅速下降，隨后逐漸上升并趨于穩(wěn)定（圖2）。原狀土第1、第2、第3層飽和導(dǎo)水率分別在1.24～3.22、0.88～1.75、0.99～1.75 cm/h之間變化，變異系數(shù)分別是36%、30%、21%；擾動土第1、第2、第3層飽和導(dǎo)水率分別在0.42～1.70、0.21～0.39、0.41～3.54 cm/h之間變化，變異系數(shù)分別是55%、22%、52%。原狀土飽和導(dǎo)水率變化幅度顯著小于擾動土（＜0.05），這是因為干濕交替對土壤孔隙結(jié)構(gòu)進行了破壞重組，加之土壤顆粒組成的影響，形成了先下降后上升的趨勢；擾動土飽和導(dǎo)水率低于原狀土，是與土壤團聚體的形成有關(guān)，擾動土在經(jīng)歷破壞后形成了新的團粒結(jié)構(gòu)，土壤密實程度大于原狀土。

4 結(jié) 論

1）不同干濕交替次數(shù)下，原狀土和擾動土的干密度整體變化規(guī)律基本一致，均上升后趨于穩(wěn)定。原狀土和擾動土干密度總體變異系數(shù)分別為8%、5%，原狀土干密度變化幅度顯著大于擾動土（＜0.05）。

2）不同干濕交替次數(shù)下，原狀土的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化，使飽和導(dǎo)水率增大，干濕交替過程中連通孔隙增多。原狀土和擾動土飽和導(dǎo)水率總體變異系數(shù)分別為39%、94%，原狀土飽和導(dǎo)水率變化幅度顯著小于擾動土（＜0.05）。

3）擾動土在干濕交替后重組的孔隙結(jié)構(gòu)，由均勻分布變成了定向分布，并且借助土壤收縮形成了大孔隙，擾動后土壤的密實度降低，水道較多。

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Effects of Wetting-drying Cycles on Bulk Density and Saturated Hydraulic Conductivity of Soils

SUN Zhaojun1,2, LI Jinshan1*, JIA Yanhui1, LI Hao1

(1. Farmland Irrigation Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Henan Key Laboratory of Water-saving Agriculture, Xinxiang 453002, China; 2.Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

Changes in density and hydraulic conductivity of soil not only modulate subsurface hydrological processes but also affect root growth and root uptake of water and nutrients from soil. Understanding the mechanisms underlying their changes is thus critical to mitigating flooding and improving bioavailability of soil water. In this paper we studied how wetting-drying cycles often seen in the field change bulk density and saturated hydraulic conductivity of the soil.Intact (mimicking zero-tillage) and disturbed (mimicking tillage) soil samples were taken from a cropped field. They were then subject to wetting-drying at different frequencies. During and at the end of the wetting-drying cycle experiment, we measured bulk density and saturated hydraulic conductivity of each soil sample.Bulk density of the intact and disturbed soil samples varied in the range of 1.41～1.89 g/cm3and 1.47～1.85 g/cm3respectively. The bulk density of intact soils after the first wetting-drying cycle increased significantly followed by slight fluctuations in other wetting-drying cycles, with an average coefficient of variation 8%. In contrast, bulk density of the disturbed soils increased with the increase in wetting-drying cycles, with an average coefficient of variation 5%. Overall, the wetting-drying cycles affected the bulk density of intact soils more significantly than the disturbed soils (<0.05). The saturated hydraulic conductivity of the intact and disturbed soils varied in the range of 0.88～3.22 cm/h and 0.21～3.54 cm/h, respectively. The saturated hydraulic conductivity of the intact soils increased with the increase in wetting-drying cycles, with an average coefficient of variation 39%. In contrast, the hydraulic conductivity of the disturbed soil decreased first followed by a decline with the increase in wetting-drying cycles, with an average coefficient of variation 94%. Wetting-drying cycles affected the hydraulic conductivity of the disturbed soils more significantly than the intact soils (<0.05).Wetting-drying cycles resulted in cracks thereby reducing the bulk density and increasing saturated hydraulic conductivity of the soils. The effects, however, depend on tillage. Overall, wetting-drying cycles affect the bulk density of zero-tillage soil and saturated hydraulic conductivity of tilled soil more significantly.

wetting-drying cycles; bulk density; saturated hydraulic conductivity; soil moisture characteristics

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021635

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1672 - 3317（2022）06 - 0089 – 08

2021-12-22

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費專項（Y2021YJ07）；農(nóng)村應(yīng)急性防洪排澇技術(shù)和裝備研發(fā)；河南省重點研發(fā)與推廣專項（科技攻關(guān)）項目（202102110279）

孫召軍（1989-），男。碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。E-mail: sunzj186@163.com

李金山（1972-），男。研究員，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。E-mail: lijinshan72@126.com

責(zé)任編輯：白芳芳