压实对基质含水量和时空异质性的影响

张成梁，冯晶晶，赵廷宁，张 文

（1.轻工业环境保护研究所，北京 100089；2.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；3.中科鼎实环境工程有限公司，北京 100102）

压实对基质含水量和时空异质性的影响

张成梁1，冯晶晶2，赵廷宁2，张 文3

（1.轻工业环境保护研究所，北京 100089；2.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；3.中科鼎实环境工程有限公司，北京 100102）

为了将基质压实发展为改善立地、促进生产的技术手段，运用在农林业生产中，研究不同程度压实后基质持水能力及水分动态变化特征。试验布设5个试验槽，标记为T1～T5，T1为对照，基质自然沉降，T2～T5经过碾压后，容重分别为对照容重的1.25、1.50、1.75、2.00倍。2012～2013年定期测量1 m内基质体积含水量，通过变异系数评价含水量的时间变异性和垂直、水平方向上的空间变异性。结果表明，随着压实程度增加，基质含水量显著增加，时间变异系数和垂直、水平方向上的空间变异系数下降。随着植物根系的发展，T1～T4深层含水量的时间变异系数升高。T5浅层含水量的时间变异系数和水平变异系数均较高，由于含水量的时间和水平异质性可以反映根系活动，结果表明重度压实限制植物根系发展。

压实；含水量；变异系数；时空异质性

压实是机械作用下单位体积土壤质量增加的物理过程，是生产、生活中的普遍现象，对农、林业有重要影响。尽管压实通常被认为是土壤退化的表现[1]，对森林植物[2]或农作物[3-5]造成负面影响，但也有研究表明，不同植物对压实的响应不同[6-8]，一定程度的压实对含蓄水源、促进植物生长有积极作用[9-10]。尽管压实降低了下渗速率[11]和饱和导水率，但由于增加了毛管孔隙的数量和连通性，土壤持水量和非饱和导水率增加[12-13]。从实验结果来看，压实既可能减少土壤含水量[14-15]，也可能增加含水量[16-18]。压实可以增加土体抗剪性和承载能力[19]，在美国，压实已经作为稳定坡体、减少侵蚀的技术，运用森林植被修复中[20-24]。本文利用城市固体废弃物配置成植物生长基质，通过碾压改变土壤物理性质，于2012年8月～2013年8月定期测量1 m内基质含水量，通过变异系数评价含水量的时间变异性和垂直、水平方向上的空间变异性。研究不同程度压实后基质持水能力及水分动态变化特征，将压实发展为改善立地、促进生产的技术手段，运用在农林业生产中。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在北京轻工业环境保护研究所生态修复科研基地进行。位于北京昌平县马池口镇亭子庄村，经纬度为 40°09′56.73″N，116°09′1.04″E，海拔57 m。暖温带半湿润半干旱季风气候，年平均降水量620 mm，集中在6～8月。

1.2 试验设计

试验材料为按体积8:2均匀混合的砾石及城市固体废弃物。固体废弃物来自北京郊区5个垃圾处理厂，均匀混合后经过筛分处理，去除直径＞10 mm的颗粒；砾石来自当地石料市场。固体废弃物容重为1.095 g/cm3，孔隙度为50.3%，田间持水量为27.5%，混合砾石后容重为1.362 g/cm3，孔隙度为40%，田间持水量为8.7%。2012年4月，将试验材料分别倒入5个长5 m，宽3 m，深1 m的试验槽，标记为T1～T5，T1为对照，基质自然沉降，T2～T5使用重型自行式振动压路机（车型XS142J，工作质量14 000 kg，振动频率28 Hz）碾压，使T2、T3、T4、T5的容重分别为对照容重的1.25、1.50、1.75、2.00倍。

各试验区分别播种栽植刺槐Robinia pseudoacacia54株、苜蓿Medicago sativa30株，穴栽1年生侧柏Platycladus orientalis60株。沿对角线等距离布设3根长1 m的土壤水分管，于2012年8月至2013年8月，每月3次使用Diviner2000土壤水分轮廓仪测量10～100 cm深的体积含水量（SWC）。用变异系数（CV，为标准差与平均数之比）来评价压实对基质含水量在水平、垂直方向上的变异性。时间变异系数（CVt）为不同测量日相同深度SWC的变异系数，垂直变异系数（CVv）为10～100 cm 10个深度SWC的变异系数，水平变异系数（CVh）为同一压实区3条土壤水分管测量值的变异系数。

1.3 统计分析

使用SPSS Statistics 19进行统计分析，使用SPSS Statistics 19及WPS表格作图。使用Friedman检验判定压实度对各层SWC和CVv影响的显著性，使用ANOVA分析压实度及基质深度对CVh影响的显著性。

2 结果与分析

2.1 压实对SWC的影响

就全年来说，1 m内平均含水量（SWC1m）T5（10.07 %）＞T3（3.97%）＞T4（3.68%）＞T2（2.72%）＞T1（1.86%）。一般来说，随着压实程度增加，SWC1m增加，6～11月含水量增加绝对值较高。

如表1所示，压实度对各层SWC影响显著（P＜0.001）。一般来说，随着压实度增加，相同深度的SWC增加。年平均SWC增加绝对值最大的土层，T2 在20、50、60 cm，分别增加 2.37%、1.81%、2.28 %；T3在 50、80、90 cm，分别增加4.22%、3.76%、5.23%；T4在10、40、50 cm，分别增加3.14%、6.90%、4.71%；T5在 30、40、80 cm， 分 别 增 加11.96%、14.98%、10.75 %。

表1 各压实区各层SWC均值†Table 1 Average SWC under different degrees of compaction

2.2 压实对SWC时间异质性的影响

如图1所示，随着压实度增加，相同深度CVt下降。生长季（6～10月）SWC的时间变异性较非生长季（11～5月）弱。在非生长季，CVt随深度增加而下降，这是因为11～5月降水少，植物耗水少，水分主要通过表层蒸发损失，因此表层SWC变异性大。6～10月，降水量增加，植物蒸腾作用加强，当表层水势较低时，植物利用下层蓄水，SWC动态变化更加复杂。

由于2012年7月21日发生了1951年以来最大的暴雨，全市平均日降水量达190.3 mm[21]，显著提高了SWC，2012年各压实区各层SWC时间异质性较2013年强。在2012年，T1、T2、T3 CVt最高的层次都是30～50 cm，T4是10、20、40、80、90 cm，T5是10、20、50 cm。在2013年，T1 CVt最高的层次是30、70～90 cm，T2是60～80 cm，T3是 20、30、70 cm，T4是 70～ 90 cm，T5是10～30 cm。从2012年到2013年，对于T1～T4来说，SWC时间异质性较高的层次降低。

图1 各层SWC的时间变异性Fig.1 Temporal heterogeneity of SWC in different layers

2.3 压实对SWC空间异质性的影响

如表2所示，压实对CVv有显著影响（P＜0.001），随着压实度增加，CVv降低。

表2 各压实区SWC的空间异质性†Table 2 Spatial heterogeneity of SWC under different degrees of compaction

随着压实度增加，SWC1m的水平异质性（CVh-1m）先升后降，但分层来说，相同深度的CVh下降，而压实度和深度之间有显著的交互作用（P＜0.001）。

对T1来说，60、70 cm CVh最高，分别为1.44、1.01；对T2来说，20、50、90 cm CVh最高，分别为1.02、0.88、1.02；对T3来说，10、50、60 cm CVh最高，分别为1.06、1.22、1.09；对T4来说，10、40、70 cm CVh最高，分别为0.63、0.87、0.70；对T5来说，20、30、40 cm CVh最高，分别为0.83、0.76、0.67。随着压实度增加，SWC水平异质性较高的层次升高。

3 结论与讨论

试验结果表明，基质压实显著提高SWC，降低时空异质性。

降水经过植物截留后降落地表，部分形成地表径流，其余渗入土壤。进入土体的水分部分在重力作用下排除，其余通过植物蒸腾和土壤蒸发消耗。当降水强度小于下渗能力时，所有降水渗入土壤；当降水强度大于下渗能力时，超出下渗能力的部分降水形成地表径流而流失。通常来说，压实减小下渗速率[11,22]，因此减小了水分的输入，同时，压实增加了毛管孔隙，使土壤持水量增加[12-13]。在本试验中，SWC增加。

尽管压实降低饱和导水率，但增加非饱和导水率[23]。在非饱和土壤中，水流只能从较小的孔隙中流过。压实增加有机质含量、小孔隙的数量和连通性，因此非饱和导水率增加，有利于水分在垂直、水平方向上的再分配，因此SWC空间异质性下降。

然而，对于同一个压实区，SWC的时间异质性来源于基质水分的增加和减少。由于SWC测量时间至少在降水1 d以后，下渗速率已经较低，此时，基质持水能力越强，SWC就越高。另一方面，SWC的消耗来自表层蒸发和植物蒸腾，蒸发散作用越强烈，SWC下降越多。如果基质持水能力强，但植物无法利用，则SWC高，CVt低；如果基质持水能力弱，植物无水可用，则SWC低，CVt低；如果基质持水能力强，且植物可以利用，则CVt高。因此，对比2013年与2012年生长季在垂直面上CVt相对大小的变化（见图1），可以看出，对于T1～T4来说，植物主要耗水层随时间下降，说明植物根系向下发展，而T5的主要耗水层没有下降，说明植物根系受阻。

此外，随着压实度增加，CVh较高的层次下降，这也可能与植物的根系分布有关。由于根系在水平面上不均匀分布，在水平上对水分的消耗也不均匀，导致CVh增加。为了探讨根系与CVh的关系，我们分别使用2012年生长季（8～10月）和2013年生长季（6～8月）的CVh根据平方Euclidean距离进行聚类，将基质分成水平异质性高的层次和水平异质性低的层次，结果如表3所示。与2012年相比，2013年有更多层次被分到CVh高的一类，说明根系的发展会提高水平方向上SWC的变异性。同一压实区内，CVh较高的层次也是根系比较活跃的层次，CVh较高的层次随压实度增加而上升，说明根系分布变浅。

表3 聚类分析得出的高CVh层Table 3 Soil layers with high CVh value

综上，压实显著影响基质含水量，随着压实程度增加，基质含水量增加。随着压实度增加，SWC的时间变异性和水平、垂直方向上的空间变异性下降。随着植物根系发展，T1～T4深层含水量的时间变异系数升高。T5浅层含水量的时间变异系数和水平变异系数均较高，说明根系受到抑制。

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Compaction enhances soil water content and decreases spatiotemporal heterogeneity

ZHANG Cheng-liang1, FENG Jing-jing2, ZHAO Ting-ning2, ZHANG Wen3
(1. Ecological Restoration Research Base of Beijing Environmental Protection Research Institute of Light Industry, Beijing 100089,China; 2. Soil and Water Conservation school, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 3. Zhongke Dingshi Environmental Engineering Co., Ltd, Beijing 100102, China)

The effect of compaction on water holding capacity and soil water dynamics was studied in order to develop a new technology, i.e., using compaction as a method to enhance site conditions and to improve plant growth in agriculture and forestry. Five plots were set and marked as T1～T5. T1 was the control, and the soil within was naturally subsided. T2～T5 were compressed by a tractor to a preset bulk density, which was 1.25, 1.50, 1.75 and 2.00 times as mush as that of T1, respectively. Robinia pseudoacacia,Medicago sativa and Platycladus orientalis were grown in each plots. Three PVC tubes were set in each plots to measure the volumetric water content (SWC) from 10 to 100 cm depth. Variable coef fi cient (CV value) was used to evaluate the spatiotemporal heterogeneity of SWC. The results showed that, as the compact degree enhanced, SWC increased while temporal, vertical and horizontal CV values decreased. As the root developed form 2012 to 2013, temporal heterogeneity increased in T1～T4. Both temporal and horizontal CV values were higher in the shallower layers in T5. According to the lower temporal and horizontal CV values, the root development was shown to be restricted in T5, which was the most severe compacted plot.

compaction; soil water content; variable coef fi cient; spatiotemporal heterogeneity

S714.6；S152

A

1673-923X(2016)11-0108-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.019

2016-03-23

国家林业公益性行业科研专项“建设工程损毁林地植被恢复关键技术研究与示范”（200904030）

张成梁，研究员 通讯作者：赵廷宁，教授；E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

张成梁，冯晶晶，赵廷宁，等.压实对基质含水量和时空异质性的影响[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(11): 108-112.

[本文编校：吴 毅]