旱作農田土壤表層容重年內變化特性的試驗研究

郭李娜，樊貴盛(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

土壤容重是農業生產中的重要物理參數，是計算土壤養分含量、土壤孔隙率、土壤空氣含量和土壤體積含水率的基本數據[1]。土壤容重表征了土壤的密實程度和土壤質量，與土壤飽和含水量、田間持水量、凋萎系數等參數密切相關，也在一定程度上決定降雨入滲、徑流率的大小，即決定著降水轉換土壤水的比率和速度。因此，土壤容重成為田間水分利用率、水分入滲率、作物需水量和化肥使用量預測重要參數。表層土壤與外界進行著不斷的物質和能量的交換，從而影響和改變著深層土壤的理化性質，即影響著水分、鹽分及養分在土壤中的運移，最終對農作物的生長發育產生較明顯的影響。在降雨和土壤其他理化條件的共同作用下，表層土壤容重發生變化，進而改變了地表水文狀況，表層土壤容重不僅影響降雨的滲吸過程，而且直接影響土壤溶質擴散速率，從而間接地對徑流溶質的遷移過程產生影響[1]。

近年來，一些學者對不同區域土壤容重的變化規律和影響其變化的因素進行了探索性研究，取得了一定的進展。傅子洹[3]對黃土區小流域土壤容重的動態特征進行了月季尺度的研究，發現土壤容重在8、9和10月表現為微增趨勢，并且8月和9月、10月的容重均值差異顯著，9月與10月無明顯差異。影響土壤容重的因素眾多，目前研究主要集中在土壤含水率、土壤有機質、降雨及灌溉等方面?？琢畛热薣4]認為土壤含水率的變化會導致表層土壤結構的改變。樊貴盛等[5]發現耕作土壤由高含水量到低含水量的變化過程中，土壤干容重呈增大趨勢。鄭世清等[6]研究發現土壤容重與土壤抗蝕性密切相關。Stirk等[7]認為灌溉過程中灌溉水在入滲后會引起土壤的收縮和開裂，使其結構發生變化，導致土壤容重發生變化。咸水灌溉給農作物的生長提供必要的水分，也將鹽分帶入土壤中，鹽分離子與土壤本身化學元素及土壤顆粒發生相互作用，改變了土壤的理化特征和結構，從而影響土壤的容重。馮棣[8]通過連續多年的咸水灌溉試驗，發現隨著灌溉水礦化度的增加，0～20 cm土層的容重逐漸增大。

縱觀國內外研究影響土壤容重變化規律及影響因素的文獻，多以非耕作自然土壤容重動態變化和單因素影響為主，研究耕作土壤容重年內變化規律并綜合分析各因素影響的報道還較少。本文針對旱作農田土壤，綜合考慮降雨、氣溫、灌溉等因素，通過對農田表層土壤容重年內跟蹤監測，分析農田表層土壤容重年內變化的特性，旨在揭示多因素下作用下旱作農田土壤容重年內變化規律，對于科學進行農田農事、灌溉管理，提高農田水分利用理論，促進農業的可持續發展具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于黃河中游，華北西部的黃土高原區，橫跨山西省中部的十五個縣市區，海拔600～2 000 m，年度跟蹤試驗點布置在山地、平原、盆地等多種地貌類型區，試驗點土壤種類多樣，有紅黏土、棕壤土、栗鈣土、栗褐土和黃綿土。土壤質地類型包括砂質壤土、粉砂質壤土、砂質黏壤土、壤土等，其中耕作層黏粒、粉粒、砂粒含量的變化范圍分別為0.01%～17.54%、37.89%～66.14%、28.63%～61.57%；耕作層土壤含水率的范圍為0.78%～50.25%，有機質含量在0.18～2.74 g/kg之間，全鹽量在682.3～5 606.28 mg/kg之間，土壤容重在1.08～1.51 g/cm3之間。

試驗期試驗區共發生降雨53次，總降雨量為318 mm；其中小于10 mm的小雨40次，占到總降雨次數的75%，小降雨總量占總降雨量的34.75%，持續降雨天數不超過2 d，最大日降雨量為25.1 mm。試驗期平均氣溫為20.8 ℃，且7月中下旬至8月中上旬氣溫最高；試驗期試驗區最高日平均氣溫達28.9 ℃，最低日平均氣溫為2.33 ℃。表1是試驗區試驗期內降雨和平均氣溫情況表。

表1 試驗期間降雨和氣溫表

1.2 農事作業與田間管理

施肥、種子、灌溉和其他農業措施按當地農民傳統模式和數量實施。供試作物為玉米，品種為晉玉18。玉米播種前備耕期將農家肥均勻施于地表，通過機械旋耕翻埋于地下，玉米生長期內未進行施肥。試驗區種植密度為59 970 株/hm2左右。試點1播種前灌溉一次，在玉米的生育期內，試點1和試點2均未進行灌溉。

1.3 試驗方案與方法

對試驗區各試驗點0～2、2～10、10～20 cm分層土壤的容重、含水率、溫度等基本理化參數進行年內跟蹤測定，并配套監測試驗區試驗期內降雨量和氣溫等。試驗從4月下旬開始到11月中旬結束，共進行了10次試驗，監測頻次20 d左右，每次取樣時各個試點各層土壤取3次容重，記錄3次取樣各層容重的平均值，每次取樣有次序的選點進行，避免同一地點多次取樣。

土壤容重采用環刀法進行測定，為更好地解釋地表容重的變化過程，地層容重采用高度為2 cm的非標準環刀進行測定，環刀直徑與標準環刀一致；2～10、10～20 cm分層容重用標準環刀測定(不銹鋼環刀容積為100 cm3，高5.1 cm，直徑為5 cm)。土壤含水率測定采用烘干稱重法；土壤質地通過激光粒度儀測定獲得；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法來測定；氣溫和降雨量通過氣象站設施觀察得到；分層地溫采用地埋式溫度計獲得。

1.4 試驗區分層土壤容重的跟蹤監測結果

對試驗區15個試點0～2、2～10、10～20 cm分層土壤的容重在玉米生長期內的跟蹤監測結果如表2所示。

2 試驗結果與分析

通過對上述15個試驗點的分層容重進行分析，得到了下述相關結果。本文選取試點1和試點2為代表進行逐一說明，表3為試點1和試點2土壤基本理化參數表。

2.1 土壤容重的年內變化的總體趨勢

圖1為試點1和試點2耕作層土壤容重的加權平均值隨時間的變化折線圖和降雨量發布過程圖。

表2 試驗區分層土壤容重的跟蹤監測結果 g/cm3

表3 試點土壤基本理化參數表

圖1 試點1、2土壤容重及降雨量年內變化

由圖1可以看出：試點1與試點2玉米生長期內耕作層土壤容重總體表現為隨時間增大的趨勢。試點1與試點2表層加權平均土壤容重分別從播種時的1.10和1.12 g/cm3，增長到收割時的1.44和1.42 g/cm3，增長率分別為30.91%和26.79%。

分析認為表層容重增大的原因有以下方面：

(1)土壤的壓實性。土壤的壓實性是指在土壤表面施加壓力時，土壤的孔隙度降低、土壤顆粒排列變緊密，土壤容重隨之增大的過程[9]。玉米生長期內，由于土體自重、農業機械和人為作業等對耕作層土壤造成一定壓力，破壞耕層土壤中的團粒結構，土壤中的大孔隙減小，土壤結構密實程度增大，土壤的容重增大。

(2)黃土的濕陷性。黃土濕陷是指黃土在一定的壓力、浸水及滲流作用下產生壓縮、濕陷及滲透變形的全過程。玉米生長期內試驗區有多次降雨，降雨后土壤浸水，水分沿著黃土的孔隙和節理直接入滲到土壤內部，使土壤發生濕陷變形。黃土內水溶鹽的溶解導致膠結作用的減弱、黃土中黏土礦物含量低、黃土細顆粒表面結合水膜變厚等原因導致黃土的膠結受到破壞而造成黃土的濕陷變形，即微結構失穩，架空孔隙崩塌[10]。也就是說濕陷性黃土的孔隙粗顆粒堆積比較輕松，顆粒間呈點接觸，顆粒間的搭接形成較大的架空孔隙，降雨時雨滴對黃土打擊產生一定的壓力，在打擊壓力和土體自重作用下，結構中的架空孔隙發生崩塌，土體顆粒隨孔隙的塌陷而向下沉降，孔隙率降低，土壤變密實。

(3)升溫的影響。一方面，氣溫升高加速了土壤的脫水過程，土體內水分運動和表層土壤蒸發加快，自由水和毛管水的減少使得土粒周圍的結合水膜厚度減小，造成土粒在分子引力的作用下相互靠攏，表層土粒排列更加緊密，土壤干容重增大。另一方面，大氣溫度升高和太陽輻射增強加快了植株的蒸騰作用，從而提高了根系吸水的速率，土壤溫度的升高也加快了根系吸水的速率，土壤耕作層內的植物根系吸水速率增大，導致土壤含水量降低，土壤干容重增大[11]。

2.2 土壤容重的年內變化分段特性與機理

由圖1可以看出：試點1與試點2土壤容重的年內變化過程大體相似，可以分為5個階段：播種后容重陡增階段、播種后容重緩增階段、雨期容重陡增階段、雨期容重波動階段和容重緩降階段。以下分階段對表層土壤容重的變化特性和機理進行分析。

(1)播種后容重陡增階段(4月22日-5月17日)。玉米播種后的半個月內，表層土壤容重快速增大，試點1與試點2耕作層土壤容重平均增長率分別為17.27%和10.71%。土壤耕作層容重在播種后快速增長的原因有：①農民在播種前會對耕作層土壤進行翻松，土壤翻耕后改變了地表耕層土壤緊實度，顆粒間呈點接觸，顆粒間的搭接形成較大的架空孔隙，孔隙顆粒之間堆積變疏松。播種后，原本疏松的土壤在自重、小降雨和農民的耕作活動的壓力下，結構中的架空孔隙發生崩塌，土體顆粒隨孔隙的塌陷而向下沉降，孔隙率降低，土壤變密實。②由表1可知，在播種后容重陡增階段，試驗區有頻繁的小降雨，累計降雨量為41.7 mm，持續的小降雨使得表層黃土深陷，產生了較大的濕陷性變形，因此，在受多次小雨水浸濕后容重發生明顯增大。③在此階段內，處于半干旱區的試驗區降雨量很小，隨著溫度的不斷升高，蒸發量速度增快，土壤脫水過程加快，地表土壤水分含量會在降雨之后的一段時間內快速下降，也是導致土壤容重穩定上升的原因之一。

(2)播種后容重平緩增長階段(5月18日-7月14日)。此階段內表層土壤在降雨和人為等壓力的作用下沉降已基本完成，容重隨作物的生長緩慢增加，試點1與試點2的增長率分別為3.88%和8.06%。

(3)雨期容重陡增階段(7月15日-7月30日)。第一次大降雨后試點1和試點2的表層土壤容重均達到了生長期內的最大值，表層土壤的濕陷過程已基本完成。表現為以上特性的原因有：①雨滴對土壤的機械擊打壓實作用明顯。此階段內降雨頻繁并且降雨量較大，累計降雨量為94.5 mm。大降雨破壞了土壤中由較小顆粒團聚成的團聚體，分散的土粒會進入土壤的孔隙從而減小了孔隙度，使得土壤的密實度增大，土壤的容重增大。②降雨導致耕作層土壤含水量波動較大。大降雨后土壤表層含水量急劇增加，土壤含水率經常接近田間持水量水平，這時，土壤容重似乎有減小的趨勢，但此時土壤水分的蒸發強度是由大氣蒸發能力決定的最大可能蒸發強度----潛在蒸發強度[12,13]，較大的蒸發強度導致土壤含水量急劇減小，又會導致土壤容重的增加。③此外，此階段各次降雨量較大，雨水可入滲到土壤的深層，導致深層(10～20 cm)土壤發生濕陷，發生較大土壤結構變形，即深層土壤在這一階段完成濕陷變形過程，使耕層土壤容重值達到最大值。

(4)雨期容重波動階段(7月30日-9月25日)。此階段累積降雨量為134.6 mm，但此前表層土壤已經經歷過多次降雨的機械作用，已基本完成濕陷變形過程，此階段內土壤的濕陷變形幾乎沒有，影響土壤容重的主要因素一方面為降雨的打擊壓實作用，另一方面是作物根系充分發育使土壤變疏松，孔隙率變大。

(5)容重平緩下降階段(9月26日-11月11日)。玉米收割后耕作層土壤容重緩降的原因是：本階段內試驗區幾乎沒有降雨，表層土壤容重出現緩降主要是由于本階段內溫度仍較高，收獲后作物根系腐爛，微生物活動分解土壤中的腐殖質，在一定程度上提高了耕層土壤孔隙度，改善了土壤通氣狀況，土壤容重降低緩慢。

由圖1還可以看出，試點1表層土壤容重在第一階段和第三階段的增加幅度明顯大于試點2相應階段的增加幅度，試點1在第一階段和第三階段的增加幅度為17.27%和7.46%，試點2的增加幅度分別為10.71%和5.22%。這是由于試點1和試點2的土壤質地有所差異，土壤容重反映了土壤本身的性質，其變異性與土壤質地有很大關系[14]。由表1可知，試點2耕作層土壤粉粒和砂粒的質量分數相較于試點1的大，土粒間接觸面積較小，土體中大孔隙居多，土體的結構較疏松，降雨后土壤中分散的小顆粒隨水流下滲并填充于大孔隙之間，使土體變得密實，土壤結構在水平與垂直方向上發生的收縮變化要大，土壤容重會明顯增大。而試點1耕作層土壤黏粒含量較多，土壤結構較密實，降雨后土壤結構發生的變化要比砂粒多的土壤小，土壤容重增加的幅度自然要小一些。

2.3 耕作層土壤容重的年內分層變化特性與機理

圖2為試點1分層土壤容重年內變化及降雨量的年內分布圖。

由圖2可以看出，表層土壤容重的年內分層變化特性是：

圖2 試點1分層土壤容重及降雨量年內分布

(1)耕作層不同深度的土壤容重的年內變化趨勢相似，但10～20 cm土層容重在3個階段始終處于最大。10～20 cm土層容重在3個階段都處于最大的原因在于：雖然黃土的濕陷性和壓實性對各層土容重都會產生影響，但由于10～20 cm土層承擔的土壤自重較大，黃土的濕陷和壓實作用更為明顯；此外，水分的入滲會將土壤中分散的細小顆粒帶到深層土壤中，細小顆粒的持續堆積也會使得深層土壤的容重增大。

(2)0～2 cm土層和2～10 cm土層容重的變化過程在不同時期具有不同的相對關系。試點1在7月10日之前，0～2 cm土層容重(平均值1.2 g/cm3)>2～10 cm土層容重(平均值1.14 g/cm3)；從7月10日到玉米收割后，0～2 cm土層容重(平均值1.33 g/cm3)卻<2～10 cm土層容重(平均值1.37 g/cm3)。7月10日之前0～2 cm土層容重大于2～10 cm土層容重的原因有：①由圖2可知，在此階段內，試驗區小降雨(<15 mm)發生了18次，頻繁的耕作活動和持續小降雨對表層土壤的機械擊打作用使得表層土壤變實；②由于表層土壤接受太陽輻射后溫度升高較快，加上空氣流動作用，使得表層水分蒸發迅速，土壤脫水過程增快，土壤容重在降雨后增加快；加之此時段內降雨量較小，土壤的濕陷性只對表層0～2 cm土層容重的影響較為明顯；③在此階段內，上層土壤溫度較下層的高，土壤中微生物活動更為劇烈，會使土壤孔隙率有所增大，土質會疏松一些。所以在7月10日之前，0～2 cm土壤容重大于2～10 cm土壤容重。而7月10日以后試驗區降雨量增大，表層土壤吸水，增大了土壤表層與下層之間的水勢梯度，水分更多地下滲到深層，土壤的濕陷性和壓實性又導致2～10 cm土壤容重大于0～2 cm土壤容重。

3 結 語

(1)玉米生長期內耕作層土壤容重總體表現為隨時間增大的趨勢，增大幅度在10.71%～17.27%；其變化過程可以分為5個階段：播種后容重陡增階段、播種后容重平緩增長階段、雨期容重陡增階段、雨期容重波動階段和容重緩降階段；大降雨對容重的影響非常明顯，第一次大降雨后表層土壤容重達到最大值，濕陷變形過程基本完成，主要是由于雨滴機械擊打和水化作用破壞土壤結構中的團聚體，同時黃土的濕陷性是表層土壤容重發生變化的內在原因。

(2)不同深度土壤容重的年內變化趨勢大體相似；在玉米生長期內，10～20 cm土壤容重在3個階段始終最大，由于小降雨的影響，在主汛期到來之前，0～2 cm土壤容重>2～10 cm土壤容重，而主汛期間，0～2 cm土壤容重<2～10 cm土壤容重；由此可見，降雨量對不同對耕作層土壤容重影響的深度也不同，大降雨對較深層土壤容重的影響更大。

影響土壤容重的因素多而復雜，本文基于土壤容重的田間試驗，對影響土壤容重的因素做出了以定性為主的討論，對于土壤容重定量預測還需要進行進一步的研究。

[1] 王巧莉,林劍輝,許彥峰.基于BP神經網絡的土壤容重預測模型[J].中國農學通報，2014,30(24):237-245.

[2] 王 輝,王全九,邵明安.表層土壤容重對黃土坡面養分隨徑流遷移的影響[J].水土保持學報，2007,21(3):10-13.

[3] 傅子洹,王云強,安芷生.黃土區小流域土壤容重和飽和導水率的時空動態特征[J].農業工程學報，2015,31(13):128-134.

[4] 樊貴盛,孔令超,韓永鴻.土壤脫水過程中結構與含水率間的定量關系[J].灌溉排水學報，2012,31(5):40-43.

[5] 曹崇文,樊貴盛.耕作土壤人滲能力衰減機理[J].太原理工大學學報，2007,38(2):116-118.

[6] 鄭世清,周佩華.土壤容重和降雨強度與土壤侵蝕和入滲關系的定量分析[J].中國科學院西北水土保持研究所集刊，1988,6(7):55-56.

[7] Stirk G B.Some aspects of soil shrinkage and the effect of cracking upon water entry into the soil.[J].Australian Journal of Agricultural Research,1954,5(2):279-296.

[8] 馮 棣,張俊鵬,孫池濤,等.咸水灌溉棉田保證棉花優質高產的土壤鹽度指標控制[J].農業工程學報，2014,30(24):87-94.

[9] 王憲良,王慶杰, 張祥彩,等.田間土壤壓實研究現狀[J].農機化研究，2016,(9):264-268.

[10] 駱 進,黃土滲透變形特性及機理研究[D]. 武漢：中國地質大學，2010.

[11] 邵明安.土壤物理學[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[12] 雷志棟.土壤水動力學[M]. 北京：清華大學出版社,1988.

[13] 王云強,張興昌,朱元駿,等.次降雨后不同時段坡地表層土壤水分和容重的空間變異特征[J].水土保持學報,2011,25(5):242-246.

[14] 李曉曉,劉 京,趙世偉,等.西北干旱區縣域農田表層土壤容重空間變異性特征[J].水土保持學報,2013,27(4):148-151.