羅松 韓少杰 王恩姮 陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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不同開墾年限黑土耕地土壤導(dǎo)氣率及其影響因素1)

羅松 韓少杰 王恩姮 陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

為探討開墾對(duì)典型黑土土壤導(dǎo)氣率的影響，以未經(jīng)開墾天然次生林(0 a)和開墾年限為17、30、40 a耕地土壤為研究對(duì)象，采用PL-300型土壤導(dǎo)氣率測(cè)定儀測(cè)定耕作區(qū)0～20 cm土層水平、垂直2個(gè)方向的土壤導(dǎo)氣率，并計(jì)算其各向異性。結(jié)果表明：土壤水平、垂直導(dǎo)氣率均隨開墾年限的增加而顯著減少(p<0.05)；與未開墾天然次生林相比，土壤垂直導(dǎo)氣率下降22.44%～95.44%，土壤水平導(dǎo)氣率下降40.45%～92.50%；不同開墾年限土壤水平、垂直導(dǎo)氣率均呈現(xiàn)出隨土層的加深而降低的一致規(guī)律。不同開墾年限土壤導(dǎo)氣率各向異性表現(xiàn)出隨著開墾年限增加逐漸增大的趨勢(shì)，并在30、40 a表現(xiàn)出顯著性(p<0.05)。土壤導(dǎo)氣率與密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與孔隙度、非毛管空隙度、有機(jī)質(zhì)均呈極顯著正相關(guān)。黑土土壤的氣體傳輸能力隨開墾年限逐漸降低，密度、孔隙度、非毛管空隙度、有機(jī)質(zhì)均顯著影響黑土土壤導(dǎo)氣率。

黑土；開墾；導(dǎo)氣率；各向異性

土壤導(dǎo)氣率是指單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的氣體數(shù)量[1]，它是土壤特性對(duì)土壤氣體更新速率的綜合反映指標(biāo)[2]。土壤導(dǎo)氣率直接影響土壤氣體交換能力，進(jìn)而影響土壤水分與養(yǎng)分的有效性[3]；作為重要的土壤物理性質(zhì)之一，土壤導(dǎo)氣率對(duì)作物種子發(fā)芽、出苗、后期成長(zhǎng)與成熟等影響均較大[4]。同時(shí)，土壤導(dǎo)氣能力可用于土壤孔隙的幾何分布、結(jié)構(gòu)、土壤穩(wěn)定性等特征的間接表征[5]；也可進(jìn)一步用于土壤飽和導(dǎo)水率的預(yù)測(cè)，土壤導(dǎo)氣率的研究近年來逐漸成為土壤學(xué)的關(guān)注熱點(diǎn)并受到廣泛應(yīng)用。如Berisso et al.[6]對(duì)比分析了土壤壓實(shí)前后土壤氣體運(yùn)輸及其各向異性的變化，證實(shí)了壓實(shí)會(huì)降低土壤導(dǎo)氣率并增大了0.3 m處導(dǎo)氣率各向異性；Seyfried[7]通過研究土壤凍結(jié)前后導(dǎo)氣率的變化，提出可以用導(dǎo)氣率來預(yù)測(cè)凍結(jié)土壤的滲透性能。王衛(wèi)華等[2]在長(zhǎng)武地區(qū)證實(shí)了通過導(dǎo)氣率預(yù)測(cè)飽和導(dǎo)水率的可行性[8]；土壤類型、密度、含水率、土壤相態(tài)等特性均會(huì)對(duì)土壤導(dǎo)氣率產(chǎn)生顯著影響。

東北黑土區(qū)作為我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，長(zhǎng)期過度開墾及植被破壞導(dǎo)致黑土耕地土壤理化性質(zhì)及生境質(zhì)量退化嚴(yán)重[9]。目前，關(guān)于開墾干擾對(duì)黑土理化性質(zhì)影響的研究主要集中于土壤養(yǎng)分方面[10-11]，而關(guān)于導(dǎo)氣率方面的研究較為少見。為此，本文以典型黑土區(qū)開墾年限為17、30、40 a的耕地土壤和未開墾的天然次生林為研究對(duì)象，采用PL-300型土壤導(dǎo)氣率測(cè)定儀測(cè)定0～10 cm，10～20 cm土層水平、垂直方向的土壤導(dǎo)氣率，對(duì)比分析不同開墾年限土壤導(dǎo)氣率及各向異性的變化，以期為進(jìn)一步評(píng)價(jià)開墾對(duì)黑土結(jié)構(gòu)與氣體交換能力提供參考。

1 材料與方法

土壤樣品的采集與分析:2014年9月，于黑龍江省克山農(nóng)場(chǎng)26連，選擇地形、環(huán)境條件及耕作措施等基本一致、開墾年限分別為17、30、40 a的玉米耕地作為研究對(duì)象，同時(shí)以未經(jīng)開墾的天然次生林(0 a)作為對(duì)照。每個(gè)樣地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)挖設(shè)長(zhǎng)寬分別為1m、深為0.5m的土壤取樣壕溝，用環(huán)刀(φ=7.98 cm，h=5.00 cm)分別采集0～10 cm，10～20 cm土層垂直(從上自下置入環(huán)刀)與水平(垂直于壕溝壁置入環(huán)刀)2個(gè)方向的原狀土，分別用于土壤導(dǎo)氣率、密度、非毛管孔隙度、充氣孔隙度的測(cè)定；同時(shí)在環(huán)刀附近用鋁盒采集土壤樣品，用于土壤含水量測(cè)定；另用布袋采集環(huán)刀附近的土壤樣品約1 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)自然風(fēng)干，研磨過0.25 mm孔徑土壤篩并用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[12]重復(fù)3次(表1)。

表1 不同開墾年限黑土基本理化性質(zhì)

注：充氣孔隙度是指土壤總孔隙被空氣充滿的程度，即充氣孔隙度=100%×氣體體積/總孔隙度；表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

指標(biāo)及測(cè)定：本試驗(yàn)采用沃特蘭德國(guó)際有限公司生產(chǎn)的PL-300型土壤導(dǎo)氣率測(cè)定儀直接測(cè)定土壤氣體入滲率[3]。

數(shù)據(jù)處理：應(yīng)用SPSS 18.0和Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)進(jìn)行不同開墾年限與不同土層間的差異性檢驗(yàn)，采用Pearson相關(guān)性對(duì)各變量進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 垂直方向?qū)饴实淖兓?/p>

垂直方向?qū)饴史从沉送寥揽諝庠诖怪狈较蛏系母滤俾?。與未開墾天然次生林相比，開墾17、30、40 a土壤導(dǎo)氣率均有不同程度的降低，并表現(xiàn)出隨著開墾年限的增加土壤導(dǎo)氣率逐漸減小的趨勢(shì)，其中兩土層的平均值即0～20 cm總體表現(xiàn)出顯著減小的趨勢(shì)(p<0.05)，由此可見，開墾干擾可顯著降低黑土耕地垂直方向的導(dǎo)氣率(表2)?？赡苁且?yàn)殡S著開墾年限的增加，土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量明顯下降，孔隙比減小，土壤板結(jié)，土壤密度增加[13]，進(jìn)而導(dǎo)致了土壤導(dǎo)氣率逐年降低。

表2 不同開墾年限黑土垂直方向?qū)饴?/p>

注：不同大寫字母表示不同開墾年限之間差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示土層之間差異顯著(p<0.05)，表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

在0～10 cm土層范圍內(nèi)，開墾17、30、40 a土壤導(dǎo)氣率與未開墾天然次生林(0 a)相比，分別降低了22.44%、61.28%、86.56%；而在10～20 cm土層則相應(yīng)降低了78.90%、97.24%、95.44%，由此可以看出，開墾對(duì)10～20 cm土層導(dǎo)氣率的影響要大于0～10 cm土層，說明開墾對(duì)下層土壤導(dǎo)氣率的影響要比表層土壤更明顯，可能因?yàn)殚L(zhǎng)期機(jī)械耕作過程中，在10～20 cm土層存在積累壓實(shí)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在0～10 cm土層范圍內(nèi)，開墾≥30 a與未開墾天然林相比，導(dǎo)氣率大幅降低(p<0.05)，而這種大幅降低在10～20 cm土層開墾范圍內(nèi)則出現(xiàn)在開墾≥17 a，從一定程度上反應(yīng)開墾對(duì)表層土壤垂直方向?qū)饴实挠绊懘嬖跍笮?，可能是表層土壤在短期耕作過程由于受機(jī)具影響更容易恢復(fù)，而下層土壤由于自重及積累壓實(shí)作用則不易恢復(fù)。

從表2還可以看出，不同樣地0～10 cm土層土壤導(dǎo)氣率均顯著高于10～20 cm土層(p<0.05)，可能是因?yàn)橥寥烂芏入S著土層加深而增大，密度增大導(dǎo)致土壤孔隙率減小，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)氣率減小[3]。此外，隨著土層加深，根系分布和蚯蚓洞穴逐漸減少、土壤裂縫的形成頻率逐漸降低以及任何這些過程的集合都可能導(dǎo)致土壤孔隙度降低進(jìn)而影響土壤的通氣狀況[1]。

2.2 水平方向?qū)饴实淖兓?/p>

水平方向土壤導(dǎo)氣隨著開墾年限的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，并且兩土層的平均值即0～20 cm在開墾處理間的差異達(dá)到了顯著水平(p<0.05)，說明黑土區(qū)土壤的開墾降低了土壤水平方向?qū)饴?表3)。相比于未開墾天然林(0 a)，開墾17、30、40 a的土壤導(dǎo)氣率在0～10 cm土層分別降低了40.45%、79.65%、92.50%；在10～20 cm土層，相應(yīng)降低了68.42%、91.58%、84.74%。從降低的數(shù)值上可以看出，兩土層在開墾17 a時(shí)導(dǎo)氣率均出現(xiàn)了大幅度降低(p<0.05)，結(jié)合垂直方向?qū)饴蚀蠓档偷臅r(shí)間(上層17 a、下層30 a)可以看出，開墾對(duì)水平方向表層土壤導(dǎo)氣率的影響要早于對(duì)垂直方向的影響。

表3 不同開墾年限黑土水平方向?qū)饴蕼y(cè)定結(jié)果

注：不同大寫字母表示不同開墾年限之間差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示土層之間差異顯著(p<0.05)，表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

與垂直方向?qū)饴式档椭迪啾?表2、表3)，0～10 cm土層開墾17、30、40 a導(dǎo)氣率降低值均大于垂直方向，而10～20 cm土層各開墾年限導(dǎo)氣率降低值均小于垂直方向，說明開墾對(duì)水平方向?qū)饴实挠绊懼饕w現(xiàn)在表層土壤，對(duì)垂直方向?qū)饴实挠绊憚t主要體現(xiàn)在下層土壤。從表3還可以看出，不同開墾年限土壤0～10 cm土層導(dǎo)氣率均顯著高于10～20 cm土層(p<0.05)，與垂直方向的變化規(guī)律一致，再次印證了該層受土壤密度、根系分布、蚯蚓等土壤動(dòng)物活動(dòng)限制的可能。

2.3 導(dǎo)氣率各向異性的變化

所謂各向異性是指巖土體或土壤在不同方向的力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的不同，即在同層位置，巖土體或土壤在不同方向上表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)[6,14]。對(duì)于沉積物(多孔介質(zhì))在平行于層理方向與垂直于層理方向會(huì)表現(xiàn)出極大與極小值，因此滲透性的各向異性通常會(huì)用水平與垂直2個(gè)方向的值來確定[15]。滲透性各向異性通常定義為平行于層理平面的滲透系數(shù)與垂直層理平面的滲透系數(shù)的比值[16]。本文土壤導(dǎo)氣率的各向異性是指水平方向土壤導(dǎo)氣率與垂直方向土壤導(dǎo)氣率的比值[6]。

表4 不同開墾年限黑土導(dǎo)氣率各向異性計(jì)算結(jié)果

注：不同大寫字母表示不同開墾年限之間差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示土層之間差異顯著(p<0.05)，表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

從表4可以看出，未開墾天然次生林(0 a)、開墾17、30、40 a耕地土壤導(dǎo)氣率各向異性均小于1，說明各樣地垂直方向?qū)饴示笥谒椒较?。Berisso等認(rèn)為，土壤垂直方向比水平方向分布更多的對(duì)流生物孔隙[1]，這可能是導(dǎo)致典型黑土土壤導(dǎo)氣率各向異性小于1，即垂直方向的導(dǎo)氣率大于水平方向?qū)饴实脑颉?/p>

與未開墾天然林相比，0～10 cm土層的導(dǎo)氣率各向異性隨著開墾年限逐漸減小，在開墾≥30 a時(shí)顯著降低(p<0.05)，在10～20 cm土層隨著開墾年限的增加逐漸增大，同在開墾≥30 a表現(xiàn)出顯著差異(p<0.05)，但30 a與40 a之間均無顯著差別，說明受長(zhǎng)期開墾(≥30 a)干擾，黑土垂直與水平方向?qū)饴实牟顒e逐漸降低，各向異性趨于穩(wěn)定。

2.4 土壤導(dǎo)氣率與物理性質(zhì)間的關(guān)系

導(dǎo)氣率作為指示土壤透氣性的重要指標(biāo)，受很多因素的影響與制約。從表5可以看出，導(dǎo)氣率與密度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，黑土區(qū)大機(jī)械作業(yè)導(dǎo)致的土壤積累壓實(shí)阻礙了土層內(nèi)水、氣、熱的傳輸，破壞了土體的結(jié)構(gòu)[17]，土壤緊實(shí)度升高、密度增加；與Poulsen等研究結(jié)果也相吻合[18]，說明土壤密度是影響典型黑土土壤導(dǎo)氣率的重要原因。

表5 土壤物理性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

注：*、** 分別表示在p<0.05和p<0.01水平上顯著。

土壤導(dǎo)氣率與非毛管孔隙度、非毛管孔隙度/毛管孔隙度、充氣孔隙度呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。充氣孔隙度表示土壤中空氣的相對(duì)含量是土壤通氣狀況的重要指標(biāo)[19]，在土壤孔隙中有水的情況下氣體是通過相互連接的充氣孔隙來進(jìn)行擴(kuò)散的[20]，其在土體中的比例將影響氣體在土壤中的交換速率，另外土壤團(tuán)粒之間的非毛管孔隙度主要起到通氣的作用，為氣體流動(dòng)提供了管道，因此充氣孔隙度與非毛管孔隙度含量的高低直接影響土壤導(dǎo)氣率的大小。

土壤導(dǎo)氣率與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也表現(xiàn)出極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。土壤有機(jī)質(zhì)能改善土壤物理和物理化學(xué)性質(zhì)，它與土壤的結(jié)構(gòu)性、通氣性、滲透性、都有密切的關(guān)系[21]，而黑土開墾以后，土壤有機(jī)質(zhì)隨著開墾年限的增加有明顯下降的趨勢(shì)[11]，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其密度值下降，孔隙度增加，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤密度值大致呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)[22]，可以認(rèn)為有機(jī)質(zhì)通過影響土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度來影響土壤導(dǎo)氣率。

3 結(jié)論

開墾干擾導(dǎo)致典型黑土土壤垂直、水平導(dǎo)氣率發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)土壤(孔隙率)各向異性產(chǎn)生影響，且均隨開墾年限的增加而逐漸減小。開墾可顯著降低0～20 cm土層土壤垂直、水平2個(gè)方向的導(dǎo)氣率，但在表層0～10 cm土層范圍內(nèi)，垂直方向土壤導(dǎo)氣率的變化出現(xiàn)滯后性。不同開墾年限黑土垂直與水平導(dǎo)氣率均隨土層的加深而降低，且水平方向?qū)饴示∮诖怪狈较?，即土壤?dǎo)氣率各向異性均小于1。開墾降低了表層土壤導(dǎo)氣率的各向異性，但未表現(xiàn)出明顯規(guī)律；同時(shí)增大了下層土壤導(dǎo)氣率各向異性，且隨著開墾年限的增加而增大。土壤導(dǎo)氣率與密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與充氣孔隙度、非毛管空隙度、有機(jī)質(zhì)均呈極顯著正相關(guān)。

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Air Permeability and Its Influence Factors of Black Soil with Different Tillage Periods//

Luo Song, Han Shaojie, Wang Enheng, Chen Xiangwei
(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(6)：47-50.

Black soil; Tillage; Soil air permeability; Anisotropy

羅松，男，1989年9月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail：1147657207@qq.com。

陳祥偉，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail：chenxwnefu@163.com。

2017年3月23日。

S152.6

1)國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404202)。

責(zé)任編輯：潘 華。

The experiment was conducted to study the effect of tillage on soil air permeability of typical black soils for the farmlands with different tillage periods of 17, 30, 40 a and no-tillage (natural secondary forest land). The air permeability of 0-20 cm soil layer in both vertical and horizontal directions were measured by using PL-300 soil permeability tester, then the anisotropy of air permeability was calculated. The soil air permeability in both directions was decreased significantly with tillage periods increasing. Compared with natural secondary forest (0 a), the air permeability was decreased by 22.44%-95.44% and 40.45%-92.50% in vertical and horizontal direction, respectively. The soil air permeability from different reclamation years showed the same trend in both directions, and the air permeability became lower with deepening the soil layers. The anisotropy of soil air permeability of different reclamation years was increased gradually with the increase of tillage time, and showed a significant change when tillage period was longer than 30 a. The soil air permeability presented a significantly negative correlation with bulk density, and a significantly positive correlation with porosity, non-capillary porosity and organic matter. Therefore, the gas transport capacity of black soil gradually is decreased with tillage period, and the bulk density, porosity, non-capillary porosity and organic matter significantly affect air permeability of black soil.