模拟机械压实黑土持水特征与孔隙分布1)

林 琳 单 博 卢倩倩 王恩姮

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

责任编辑:张 玉。

土壤孔隙是土壤结构组成要素之一，孔隙多少及分布情况影响了土壤物理、化学、生物特性及其生态功能［1］。根据研究目的，通常将土壤孔隙分成4个等级，即大孔隙、次大孔隙、中孔隙、微孔隙［2－5］。孔隙直径大于100μm的孔隙称为大孔隙，主要产生于生物或者物理过程，例如，土壤干湿作用引起的收缩、膨胀，冻融循环和耕地等人类活动的物理过程，或者蚯蚓等动物的活动，植物根系生长的生物过程［6］;孔隙直径介于30～100μm之间的构成了次大孔隙，其作用在于土壤通气和迅速排水［3］;孔隙直径为0．2～30μm时称为中孔隙，主要作用在于保存植物生长所需要的有效水分［2－7］;孔隙直径小于0．2μm的为微孔隙，植物通常不能利用这里面的水分，而且也限制了各种微生物的活性［8］。由于土壤孔隙自身复杂性和土壤黑箱性对研究手段的限制，土壤孔隙的特征通常借助于水、气两相的信息间接获得;最常用的间接方法，是通过水分特征曲线获得总孔隙度以及各个径级孔隙的比例及分配情况。

在影响土壤孔隙分布变化的诸多因素中，由于耕作过程中机械碾压而导致土壤孔隙破坏和再分配的现象，已逐渐成为土壤结构恶化和土壤功能降低方面的研究热点［9－11］。随着大型农业机械的广泛应用，土壤压实问题也逐渐引起重视［12－14］。压实问题的实质，是由于改变了土壤孔隙的多少和分布情况而导致土壤结构重组，从而影响了土壤的持水、入渗及气体扩散等功能。黑土区开展的农田机械压实方面的研究，主要集中在压实对作物产量影响等方面［14－15］。近年来也逐步开始转向机械压实对土壤结构、土壤孔隙数量影响方面的研究［16－17］，但关于机械压实与农田黑土不同径级孔隙分布关系的研究，报道不多。本文以典型黑土区长期机械作业的耕地土壤为研究对象，采用自动水分特证曲线测定仪Equi－Pf－SI．151绘制水分特征曲线，探究了模拟机械压实与黑土农田耕作区土壤孔隙分布的关系，旨为黑土区机械耕作对土壤压实风险的评价、进一步揭示黑土区水蚀的发生机制及影响因素提供参考。

1 研究区概况

研究地位于黑龙江省克山县境内的克山农场(48°12'～48°23'N，125°8'～125°37'E)。属克拜漫川漫岗地带，海拔240～340 m，平均坡度3°。区域内土壤类型以黑土为主，只在部分低洼处镶嵌分布少量的草甸土，属典型黑土区。温带大陆性季风气候特征明显;年平均气温0．9℃，≥10℃有效积温2 296．2℃;年平均降水量501．7 mm，平均蒸发量1 329．4 mm;无霜期115 d，土壤结冻期从11月初至翌年4月中旬，最大结冻深度可达2．5 m。

2 材料与方法

选择克山农场十九连耕种作物、耕作措施一致的农田黑土为研究对象，采用美国卡特公司生产的MT865履带式拖拉机(结构质量和功率分别为17 599 kg和373 kW)进行不同次数(0、3、6、12次)的空载碾压。在不同次数的碾压车辙处设置取样剖面，代表不同压实程度的土壤样品。采用规格为100 cm3的环刀，在每个垂直压实剖面上分3层(2～7、12～17、32～37 cm)取样，每层重复6次;其中，3个环刀样品用于土壤水分物理性质的测定，另3个环刀样品用于水分特征曲线的测定与绘制。水分特征曲线的测定与绘制，采用Equi－Pf－SI．151仪器进行。

采用Equi－Pf－SI．151仪器自带程序和Sigma Plot 10．0、SPSS11．5，对数据处理和分析。

3 结果与分析

3．1 模拟压实对总孔隙度的影响

由表1可见:随着压实次数增加，3个土层的土壤总孔隙度均表现出降低趋势，在表层2～7 cm土壤中表现最为明显。与未压实处理相比，压实3次、6次、12次后，土壤总孔隙度的下降幅度，分别为6．91%、19．42%、23．30%;其中，碾压12次后，与对照和碾压3次相比，其降幅差异分别达到显著水平(p＜0．05)。对于12～17 cm和较深的32～37 cm的土壤而言，压实对总孔隙度的影响相对较小;随着压实次数增加至3次、6次、12次时，2个土层的总孔隙度比对照水平分别依次降低了1．60%、10．92%、15．07%和1．18%、3．91%、4．17%，但差异均不显著。

表1 模拟压实后土壤总孔隙度的变化

对压实次数相同的不同土层的分析比较可知:随着土壤深度的增加，其土壤总孔隙度也大致呈下降趋势，但差异并不显著。在无压实的情况下，规律最为明显，12～17 cm和32～37 cm两层土壤的总孔隙度与表层相比，分别下降了3．22%和5．64%;3次压实时，下降程度相应仅为0．62%、2．82%。但是，在6次和12次压实，出现了不同的规律:6次压实后的12～17、32～37cm两层土壤和12次压实处理的第3层土壤的总孔隙度的减少幅度相对较小，与孔隙结构所受碾压干扰最为强烈的表层相比，表现出总孔隙度大于表层的现象。

3．2 模拟压实对水分特征曲线的影响

少次压实的土壤水分特征曲线，明显高于多次压实的土壤水分特征曲线;表明压实次数少的土壤持水能力，普遍强于压实次数多的土壤持水能力;这种规律在表层表现得最为明显(见图1)。2～7 cm土层范围内，各个径级的孔隙比例，均随着压实次数的增加而减少，水分特征曲线持续降低，持水能力削减最为显著。在12～17、32～37 cm土层深处，除饱和含水量依然保持着与压实程度呈明显的反比关系外，随着土壤水吸力的增加，各个压实处理的持水能力变化幅度较小，且规律相似。12～17 cm的非饱和土壤持水能力，从大到小依次为压实3次、0次、6次和12次;32～37 cm的非饱和土壤持水能力，从大到小则依次为压实3次、6次、12次和0次。由此可见，不同程度的压实，均能降低总孔隙度。同时发现，压实处理可以改变不同径级孔隙的体积比例。与未压实处理相比，不同次数的压实，可通过小径级孔隙比例的增加保持其非饱和持水能力，并以少次压实(3次)的效果较为明显;多次压实(6次和12次)积累后，总孔隙度和各个径级孔隙的体积比例，均小于少次压实。可能是土壤深度越大，受到模拟压实的作用影响越小，所以非饱和持水能力并没有表现出很明显随压实次数增多而变小的趋势。

3．3 模拟压实对孔隙分布的影响

将土壤孔隙分为3个级别，依次为大孔隙(孔径＞100μm)、次大孔隙(孔径30～100μm)、中孔隙和微孔隙(孔径＜30μm)。由表2可见:各个土层内的土壤孔隙，主要由中孔隙和微孔隙组成，均超过土壤总体积的30%;其次为大孔隙，体积比例为2．42%～7．89%;次大孔隙的体积比例最小，均不足1%。不同压实处理，对各个土层孔隙分布的影响规律有所不同。

图1 模拟压实后土壤水分特征曲线的变化

表2 不同压实下不同深度土壤各径级孔隙的分布

对于表层土壤而言，中孔隙和微孔隙的体积比例，随着压实次数的增加而逐渐降低;与对照相比，压实3次、6次和12次时，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，随着压实积累至6次时，仍表现出降低的规律，但压实12次时，大孔隙和次大孔隙的比例降幅较小，与6次压实相比略高，但仍然低于对照和少次(3次)压实的水平。

在12～17 cm土层范围内，随着压实次数增加至3次、6次、12次时，大孔隙的体积比例持续降低，与对照相比，依次降低了29．22%、53．17%、63．28%(p＜0．05)。中孔隙和微孔隙，在少次压实时小幅增加后，随着压实次数的积累又逐渐降低，低于对照水平;而次大孔隙，却随着压实的持续进行而表现出中孔隙和微孔隙相反的变化规律，即压实3次时小幅降低，随着压实积累至6、12次时，其比例逐渐增加，均高于对照水平，但差异均不显著。由此可见，在12～17 cm土层范围内，不同程度的压实可能会促使次大孔隙(孔径介于30～100μm)与中孔隙和微孔隙(孔径≤30μm)体积之间不同程度的转化。

在32～37 cm土层范围内，压实3次时，大孔隙的体积比例与对照相比显著降低了68．08%;随着压实次数的持续增加，虽然其体积比例有所增加，但仍然小于对照无压实水平;次大孔隙没有随着压实处理表现出明显的变化规律。直径小于30μm的中孔隙和微孔隙随着压实处理表现出与大孔隙相反的变化规律，即压实3次时，其比例小幅增加后，随着压实积累至12次时，逐渐降低，高于对照水平。由此可见，在32～37 cm土层范围内，不同程度的压实可能会促使大孔隙(孔径≥100μm)与中孔隙和微孔隙(孔径≤30μm)体积之间不同程度的转化，但差异未达显著水平。

3．4 Equi－Pf－SI．151应用效果的验证和评价

为了进一步验证和评价，采用Equi－Pf－SI．151仪器在土壤孔隙方面的应用效果，将通过仪器获得的数据与传统经典的环刀方法获得的土壤总孔隙度数据进行了回归分析(见图2)。

图2 Equi－Pf－SI．151与传统方法获得的土壤总孔隙度的拟合关系

二者具有极显著的线性正相关关系，说明采用Equi－Pf－SI．151仪器的方法进行土壤孔隙体积、数量及土壤孔隙径级分配等相关方面的研究，具有可行性和可信性。

4 结论

模拟机械压实，改变了耕作区农田黑土的持水能力、孔隙的数量和分布情况。随着压实次数的增加，土壤总孔隙度逐渐降低，土壤饱和持水能力不同程度的减弱。不同程度的压实会促使不同深度土层各径级孔隙之间体积的转化。

耕作区农田黑土孔隙，主要由中孔隙和微孔隙，即孔径＜30μm土壤孔隙组成，均超过土壤总体积的30%;其次为大孔隙和次大孔隙，但所占比例较小，分别为土壤总体积的2．42%～7．89%和0．1%～1．0%;次大孔隙(孔径30～100μm)并没有受到模拟机械压实的显著影响，而是通过改变大孔隙(孔径≥100μm)、中孔隙和微孔隙的体积比例，降低了土壤的总孔隙度、饱和持水能力，同时改变了不同深度土壤的非饱和持水能力。

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