模擬機(jī)械壓實(shí)黑土持水特征與孔隙分布1)

林 琳 單 博 盧倩倩 王恩姮

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:張 玉。

土壤孔隙是土壤結(jié)構(gòu)組成要素之一，孔隙多少及分布情況影響了土壤物理、化學(xué)、生物特性及其生態(tài)功能［1］。根據(jù)研究目的，通常將土壤孔隙分成4個(gè)等級(jí)，即大孔隙、次大孔隙、中孔隙、微孔隙［2－5］。孔隙直徑大于100μm的孔隙稱為大孔隙，主要產(chǎn)生于生物或者物理過(guò)程，例如，土壤干濕作用引起的收縮、膨脹，凍融循環(huán)和耕地等人類活動(dòng)的物理過(guò)程，或者蚯蚓等動(dòng)物的活動(dòng)，植物根系生長(zhǎng)的生物過(guò)程［6］;孔隙直徑介于30～100μm之間的構(gòu)成了次大孔隙，其作用在于土壤通氣和迅速排水［3］;孔隙直徑為0．2～30μm時(shí)稱為中孔隙，主要作用在于保存植物生長(zhǎng)所需要的有效水分［2－7］;孔隙直徑小于0．2μm的為微孔隙，植物通常不能利用這里面的水分，而且也限制了各種微生物的活性［8］。由于土壤孔隙自身復(fù)雜性和土壤黑箱性對(duì)研究手段的限制，土壤孔隙的特征通常借助于水、氣兩相的信息間接獲得;最常用的間接方法，是通過(guò)水分特征曲線獲得總孔隙度以及各個(gè)徑級(jí)孔隙的比例及分配情況。

在影響土壤孔隙分布變化的諸多因素中，由于耕作過(guò)程中機(jī)械碾壓而導(dǎo)致土壤孔隙破壞和再分配的現(xiàn)象，已逐漸成為土壤結(jié)構(gòu)惡化和土壤功能降低方面的研究熱點(diǎn)［9－11］。隨著大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的廣泛應(yīng)用，土壤壓實(shí)問(wèn)題也逐漸引起重視［12－14］。壓實(shí)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，是由于改變了土壤孔隙的多少和分布情況而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)重組，從而影響了土壤的持水、入滲及氣體擴(kuò)散等功能。黑土區(qū)開(kāi)展的農(nóng)田機(jī)械壓實(shí)方面的研究，主要集中在壓實(shí)對(duì)作物產(chǎn)量影響等方面［14－15］。近年來(lái)也逐步開(kāi)始轉(zhuǎn)向機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤孔隙數(shù)量影響方面的研究［16－17］，但關(guān)于機(jī)械壓實(shí)與農(nóng)田黑土不同徑級(jí)孔隙分布關(guān)系的研究，報(bào)道不多。本文以典型黑土區(qū)長(zhǎng)期機(jī)械作業(yè)的耕地土壤為研究對(duì)象，采用自動(dòng)水分特證曲線測(cè)定儀Equi－Pf－SI．151繪制水分特征曲線，探究了模擬機(jī)械壓實(shí)與黑土農(nóng)田耕作區(qū)土壤孔隙分布的關(guān)系，旨為黑土區(qū)機(jī)械耕作對(duì)土壤壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)、進(jìn)一步揭示黑土區(qū)水蝕的發(fā)生機(jī)制及影響因素提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地位于黑龍江省克山縣境內(nèi)的克山農(nóng)場(chǎng)(48°12'～48°23'N，125°8'～125°37'E)。屬克拜漫川漫崗地帶，海拔240～340 m，平均坡度3°。區(qū)域內(nèi)土壤類型以黑土為主，只在部分低洼處鑲嵌分布少量的草甸土，屬典型黑土區(qū)。溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征明顯;年平均氣溫0．9℃，≥10℃有效積溫2 296．2℃;年平均降水量501．7 mm，平均蒸發(fā)量1 329．4 mm;無(wú)霜期115 d，土壤結(jié)凍期從11月初至翌年4月中旬，最大結(jié)凍深度可達(dá)2．5 m。

2 材料與方法

選擇克山農(nóng)場(chǎng)十九連耕種作物、耕作措施一致的農(nóng)田黑土為研究對(duì)象，采用美國(guó)卡特公司生產(chǎn)的MT865履帶式拖拉機(jī)(結(jié)構(gòu)質(zhì)量和功率分別為17 599 kg和373 kW)進(jìn)行不同次數(shù)(0、3、6、12次)的空載碾壓。在不同次數(shù)的碾壓車轍處設(shè)置取樣剖面，代表不同壓實(shí)程度的土壤樣品。采用規(guī)格為100 cm3的環(huán)刀，在每個(gè)垂直壓實(shí)剖面上分3層(2～7、12～17、32～37 cm)取樣，每層重復(fù)6次;其中，3個(gè)環(huán)刀樣品用于土壤水分物理性質(zhì)的測(cè)定，另3個(gè)環(huán)刀樣品用于水分特征曲線的測(cè)定與繪制。水分特征曲線的測(cè)定與繪制，采用Equi－Pf－SI．151儀器進(jìn)行。

采用Equi－Pf－SI．151儀器自帶程序和Sigma Plot 10．0、SPSS11．5，對(duì)數(shù)據(jù)處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3．1 模擬壓實(shí)對(duì)總孔隙度的影響

由表1可見(jiàn):隨著壓實(shí)次數(shù)增加，3個(gè)土層的土壤總孔隙度均表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，在表層2～7 cm土壤中表現(xiàn)最為明顯。與未壓實(shí)處理相比，壓實(shí)3次、6次、12次后，土壤總孔隙度的下降幅度，分別為6．91%、19．42%、23．30%;其中，碾壓12次后，與對(duì)照和碾壓3次相比，其降幅差異分別達(dá)到顯著水平(p＜0．05)。對(duì)于12～17 cm和較深的32～37 cm的土壤而言，壓實(shí)對(duì)總孔隙度的影響相對(duì)較小;隨著壓實(shí)次數(shù)增加至3次、6次、12次時(shí)，2個(gè)土層的總孔隙度比對(duì)照水平分別依次降低了1．60%、10．92%、15．07%和1．18%、3．91%、4．17%，但差異均不顯著。

表1 模擬壓實(shí)后土壤總孔隙度的變化

對(duì)壓實(shí)次數(shù)相同的不同土層的分析比較可知:隨著土壤深度的增加，其土壤總孔隙度也大致呈下降趨勢(shì)，但差異并不顯著。在無(wú)壓實(shí)的情況下，規(guī)律最為明顯，12～17 cm和32～37 cm兩層土壤的總孔隙度與表層相比，分別下降了3．22%和5．64%;3次壓實(shí)時(shí)，下降程度相應(yīng)僅為0．62%、2．82%。但是，在6次和12次壓實(shí)，出現(xiàn)了不同的規(guī)律:6次壓實(shí)后的12～17、32～37cm兩層土壤和12次壓實(shí)處理的第3層土壤的總孔隙度的減少幅度相對(duì)較小，與孔隙結(jié)構(gòu)所受碾壓干擾最為強(qiáng)烈的表層相比，表現(xiàn)出總孔隙度大于表層的現(xiàn)象。

3．2 模擬壓實(shí)對(duì)水分特征曲線的影響

少次壓實(shí)的土壤水分特征曲線，明顯高于多次壓實(shí)的土壤水分特征曲線;表明壓實(shí)次數(shù)少的土壤持水能力，普遍強(qiáng)于壓實(shí)次數(shù)多的土壤持水能力;這種規(guī)律在表層表現(xiàn)得最為明顯(見(jiàn)圖1)。2～7 cm土層范圍內(nèi)，各個(gè)徑級(jí)的孔隙比例，均隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而減少，水分特征曲線持續(xù)降低，持水能力削減最為顯著。在12～17、32～37 cm土層深處，除飽和含水量依然保持著與壓實(shí)程度呈明顯的反比關(guān)系外，隨著土壤水吸力的增加，各個(gè)壓實(shí)處理的持水能力變化幅度較小，且規(guī)律相似。12～17 cm的非飽和土壤持水能力，從大到小依次為壓實(shí)3次、0次、6次和12次;32～37 cm的非飽和土壤持水能力，從大到小則依次為壓實(shí)3次、6次、12次和0次。由此可見(jiàn)，不同程度的壓實(shí)，均能降低總孔隙度。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)處理可以改變不同徑級(jí)孔隙的體積比例。與未壓實(shí)處理相比，不同次數(shù)的壓實(shí)，可通過(guò)小徑級(jí)孔隙比例的增加保持其非飽和持水能力，并以少次壓實(shí)(3次)的效果較為明顯;多次壓實(shí)(6次和12次)積累后，總孔隙度和各個(gè)徑級(jí)孔隙的體積比例，均小于少次壓實(shí)。可能是土壤深度越大，受到模擬壓實(shí)的作用影響越小，所以非飽和持水能力并沒(méi)有表現(xiàn)出很明顯隨壓實(shí)次數(shù)增多而變小的趨勢(shì)。

3．3 模擬壓實(shí)對(duì)孔隙分布的影響

將土壤孔隙分為3個(gè)級(jí)別，依次為大孔隙(孔徑＞100μm)、次大孔隙(孔徑30～100μm)、中孔隙和微孔隙(孔徑＜30μm)。由表2可見(jiàn):各個(gè)土層內(nèi)的土壤孔隙，主要由中孔隙和微孔隙組成，均超過(guò)土壤總體積的30%;其次為大孔隙，體積比例為2．42%～7．89%;次大孔隙的體積比例最小，均不足1%。不同壓實(shí)處理，對(duì)各個(gè)土層孔隙分布的影響規(guī)律有所不同。

圖1 模擬壓實(shí)后土壤水分特征曲線的變化

表2 不同壓實(shí)下不同深度土壤各徑級(jí)孔隙的分布

對(duì)于表層土壤而言，中孔隙和微孔隙的體積比例，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而逐漸降低;與對(duì)照相比，壓實(shí)3次、6次和12次時(shí)，中孔隙和微孔隙的比例，依次降低了6．51%、14．93%、17．74%;大孔隙和次大孔隙，隨著壓實(shí)積累至6次時(shí)，仍表現(xiàn)出降低的規(guī)律，但壓實(shí)12次時(shí)，大孔隙和次大孔隙的比例降幅較小，與6次壓實(shí)相比略高，但仍然低于對(duì)照和少次(3次)壓實(shí)的水平。

在12～17 cm土層范圍內(nèi)，隨著壓實(shí)次數(shù)增加至3次、6次、12次時(shí)，大孔隙的體積比例持續(xù)降低，與對(duì)照相比，依次降低了29．22%、53．17%、63．28%(p＜0．05)。中孔隙和微孔隙，在少次壓實(shí)時(shí)小幅增加后，隨著壓實(shí)次數(shù)的積累又逐漸降低，低于對(duì)照水平;而次大孔隙，卻隨著壓實(shí)的持續(xù)進(jìn)行而表現(xiàn)出中孔隙和微孔隙相反的變化規(guī)律，即壓實(shí)3次時(shí)小幅降低，隨著壓實(shí)積累至6、12次時(shí)，其比例逐漸增加，均高于對(duì)照水平，但差異均不顯著。由此可見(jiàn)，在12～17 cm土層范圍內(nèi)，不同程度的壓實(shí)可能會(huì)促使次大孔隙(孔徑介于30～100μm)與中孔隙和微孔隙(孔徑≤30μm)體積之間不同程度的轉(zhuǎn)化。

在32～37 cm土層范圍內(nèi)，壓實(shí)3次時(shí)，大孔隙的體積比例與對(duì)照相比顯著降低了68．08%;隨著壓實(shí)次數(shù)的持續(xù)增加，雖然其體積比例有所增加，但仍然小于對(duì)照無(wú)壓實(shí)水平;次大孔隙沒(méi)有隨著壓實(shí)處理表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。直徑小于30μm的中孔隙和微孔隙隨著壓實(shí)處理表現(xiàn)出與大孔隙相反的變化規(guī)律，即壓實(shí)3次時(shí)，其比例小幅增加后，隨著壓實(shí)積累至12次時(shí)，逐漸降低，高于對(duì)照水平。由此可見(jiàn)，在32～37 cm土層范圍內(nèi)，不同程度的壓實(shí)可能會(huì)促使大孔隙(孔徑≥100μm)與中孔隙和微孔隙(孔徑≤30μm)體積之間不同程度的轉(zhuǎn)化，但差異未達(dá)顯著水平。

3．4 Equi－Pf－SI．151應(yīng)用效果的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，采用Equi－Pf－SI．151儀器在土壤孔隙方面的應(yīng)用效果，將通過(guò)儀器獲得的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)經(jīng)典的環(huán)刀方法獲得的土壤總孔隙度數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析(見(jiàn)圖2)。

圖2 Equi－Pf－SI．151與傳統(tǒng)方法獲得的土壤總孔隙度的擬合關(guān)系

二者具有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明采用Equi－Pf－SI．151儀器的方法進(jìn)行土壤孔隙體積、數(shù)量及土壤孔隙徑級(jí)分配等相關(guān)方面的研究，具有可行性和可信性。

4 結(jié)論

模擬機(jī)械壓實(shí)，改變了耕作區(qū)農(nóng)田黑土的持水能力、孔隙的數(shù)量和分布情況。隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，土壤總孔隙度逐漸降低，土壤飽和持水能力不同程度的減弱。不同程度的壓實(shí)會(huì)促使不同深度土層各徑級(jí)孔隙之間體積的轉(zhuǎn)化。

耕作區(qū)農(nóng)田黑土孔隙，主要由中孔隙和微孔隙，即孔徑＜30μm土壤孔隙組成，均超過(guò)土壤總體積的30%;其次為大孔隙和次大孔隙，但所占比例較小，分別為土壤總體積的2．42%～7．89%和0．1%～1．0%;次大孔隙(孔徑30～100μm)并沒(méi)有受到模擬機(jī)械壓實(shí)的顯著影響，而是通過(guò)改變大孔隙(孔徑≥100μm)、中孔隙和微孔隙的體積比例，降低了土壤的總孔隙度、飽和持水能力，同時(shí)改變了不同深度土壤的非飽和持水能力。

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