不同灌水处理农田表层土壤密实度变化特征

张月珍，韩万海

(1.甘肃省武威市中心灌溉试验站，甘肃 武威 733000；2.甘肃省武威市水利技术综合服务中心，甘肃 武威 733000)

土壤密实度作为土壤水分运移和保持的主要常规土壤物理参数，它的变化主要与农业耕作和土壤含水量的变化有关。对于农田表层土壤，土壤密实度在自然和人类活动的共同作用下，随着农业生产在年内也发生某种周期性的变化，灌溉或降水过程是导致其变化的主要原因。本文拟在玉米膜下滴灌不同灌水处理条件下，分析全生育期农田表层土壤密实度随时间和含水率的变化趋势，建立数学关系，实现通过实际测得的含水率对土壤密实度进行预报，研究结果可为下一步进行不同土壤密实度状态下土壤水分入渗参数预测等模型的建立和应用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015年4-10月在甘肃武威市中心灌溉实验站进行。选用在甘肃武威广泛种植的大田玉米品种“先玉335号”。试验采用本区玉米膜下滴灌主要种植模式：1膜2管4行玉米，滴灌带铺设在膜下两行玉米中间，行距为30 cm，株距27 cm。地膜采用幅宽为1 400 mm，厚为0.008 mm的薄膜，覆膜后用玉米专用穴播机进行人工穴播，每穴玉米籽粒1～3粒。播前施入磷二铵525 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，追肥时随滴水施入尿素。其他管理措施按大田栽培模式进行。灌溉用抽取地下水，地下水埋深42 m，地下水矿化度0.71 g/L，水质符合灌溉水质标准。

试验不同灌水处理设计方案见表1。3个处理随机排列，设3次重复，共9个小区，每个小区面积4.5 m×6 m。试验区周围布置有保护行。每小区布置滴管6条，滴管直径15 mm，滴头间距30 cm，运行压力调试在1.5～2.0 kg/cm2之间，滴头流量为2.1～2.8 L/h。各处理小区每区设置控制阀1个，水表计量，准确灌溉。

表1 玉米膜下滴灌不同灌水处理设计方案 m3/hm2

1.2 土壤条件

武威市中心灌溉试验站土壤质地属灰钙质轻沙壤土，富含氮、磷、钾，土壤物理属性为偏碱性。土壤表层深度一般为0～20 cm，土壤通透性好，孔隙率为52%，田间最大持水率为22%～25%，土壤有机质含量0.4～0.8 g/kg，密度1.54 g/cm3，含盐量0.12～0.56 g/kg。大田土壤颗粒分析结果：土壤粒径<0.002 mm，颗粒质量分数为12.73%；粒径0.002～0.02 mm, 颗粒质量分数8.52%，粒径0.02～2 mm, 颗粒质量分数77.25%。

1.3 测试项目与方法

试验测试项目有玉米不同生育期土壤灌水前及脱水过程中的土壤密实度、含水率、地表开裂时间等。

土壤密实度的测定采用环刀法，试验主要仪器为环刀(体积100 cm3，高度8 cm)、烘箱和电子天秤(精度为0.000 1 g)。

土壤含水量测定采用烘干法，测点位置分别在滴管下部、膜中、棵间共3个点，取其平均值。

气象观测采用武威市中心灌溉试验站气象观测数据，主要观测降雨量、蒸发量、温度、湿度、日照时数及风速风向等气象要素。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理土壤密实度随时间的变化过程

土壤密实度γ作为反映土壤结构的指标。为研究不同灌溉定额下玉米不同生育期农田表层土壤的密实度变化情况，从5月23日至9月21日共测9次土壤密实度，将与其对应的时间画于图1和图2中，进而分析农田表层土壤密实度随时间的变化趋势。

2.1.1 0～10 cm土层土壤密实度变化过程

玉米各生育期农田0～10 cm土层土壤密实度随时间的变化曲线如图1所示。由图1可知，3个处理土壤密实度随时间变化趋势基本一致，在5月23日玉米拔节前期未灌水，土壤密实度各出现一个最小值，在6月8日玉米拔节期灌水后第3 d，土壤密实度各出现一个最大值，同时灌水后比灌水前土壤密实度平均增大了0.29 g/cm3，具体情况见表2。由图1及表2可以看出，0～10 cm土层土壤密实度的变化受灌水过程的影响较大，与灌水量的多少没有关系，同时在土壤脱水过程中，土壤密实度逐渐减小，减小到一定值时，趋于稳定。

图1 玉米各生育期0～10 cm土层土壤密实度的变化曲线

2.1.2 10～20 cm土层土壤密实度变化过程

玉米各生育期农田10～20 cm土层土壤密实度随时间的变化曲线如图2所示，由图2可以看出，3个处理10～20 cm土层土壤密实度与0～10 cm土层变化情况基本相似，同样玉米全生育期土壤密实度最小值出现在5月23日，而最大值却出现在9月10日玉米乳熟期灌水后第4 d，同时灌水后比灌水前土壤密实度平均增大了0.27 g/cm3，具体情况见表3。

由图1、图2、表2和表3可知，灌水过程对农田表层土壤密实度的影响十分明显。灌水前，土壤密实度在1.30～1.40 g/cm3变化范围内，经历灌水过程后，首次测得土壤密实度在1.58～1.67 g/cm3变化范围内，比灌水前土壤密实度明显增大。其原因主要是灌水和降雨后，表层土壤得到相对饱和，土粒间的水膜随着含水率的增加而逐渐增厚，土粒间的距离增大，使得土壤的黏结性大为减弱，部分表层土粒结构会崩解，从而灌水前疏松均匀的土壤表面不复存在。灌水停止后，表层土壤水分在重力作用下从大孔隙中排出，土壤表面下陷，由于土体内的水分运动以及外界大气蒸发，促使表层土壤水分的降低，这样土粒间的水膜开始变薄，引力增大，从而使得土壤黏结力增强，土壤表层便会形成一个致密层，此时的表层土粒排列紧密，土壤密实度自然较灌水前要大。

图2 玉米各生育期10～20 cm土层土壤密实度的变化曲线

取土处理最小值出现时间(5月23日)最小值最大值出现时间(6月8日)最大值处理1未灌水1.336月5日灌水后3d1.61处理2未灌水1.306月5日灌水后3d1.63处理3未灌水1.336月5日灌水后3d1.58

表3 10～20 cm土层土壤密实度最大最小值变化情况 g/m3

2.2 不同灌水处理土壤密实度随含水率的变化过程

土壤密实度随时间的变化，实际是由于随着灌水和降雨过程的增加，土壤含水率逐渐降低所致。因此，土壤密实度与含水率间存在某种数量关系。将5月23日开始测得的土壤密实度与含水率值点绘于图3中，对散点进行曲线拟合得到3种处理土壤密实度与含水率的关系曲线如图3所示。

图3 T1、T2和T3土壤密实度与含水率关系曲线

由图3可以看出：①在土壤脱水过程中，土壤密实度先随着含水率的降低而变大，当达到极大值时，土壤密实度又呈减小趋势；②土壤密实度与含水率间符合二次函数关系，3种处理T1、T2、T3土壤密实度与含水率间的相关系数变化在0.89～0.93之间，具体见表4。

表4 3个处理土壤密实度与含水率关系方程

3 结 语

⑴灌水和降雨过程对土壤密实度的影响较大，农田土壤灌水后表层土壤密实度平均增大了0.28 g/cm3。

⑵土壤密实度与灌水量的多少关系不大，土壤密实度不随灌水定额增大而增大(或减小)。

⑶农田表层土壤在灌溉或降水后的脱水过程中，土壤密实度与含水率之间存在一定的数量关系，可用二次函数关系式表述，即土壤密实度随含水率的递减，先变大，后变小，最后趋于稳定。

⑷由于试验土壤类型间的物理特性差异较大，土壤密实度与含水率间的数量关系还需要进一步深度分析研究，这将对农田合理灌溉和防治土壤板结具有重要意义。

[1] 康绍忠.西北地区农业节水与水资源持续利用[M].北京:中国农业出版社,1999.

[2] 石培泽,马金珠.干旱区节水灌溉理论与实践[M].兰州:兰州大学出版社,2004.

[3] 张西平,蔡焕杰,王 健,等.日光温室膜下滴灌黄瓜需水量与灌溉制度的试验研究[J].灌溉排水学报,2005,24(1):41-44.

[4] 陈 祯.土壤密度变化与土壤水分状况和土壤水分检测的关系研究[J].节水灌溉,2010,(12):47-50.

[5] 周旭元,袁政祥,张正鹏,等.武威市凉州区玉米膜下滴灌技术应用研究[J].节水技术,2014,(19):38-39.

[6] 范文波,吴普特,马枫梅.膜下滴灌技术生态-经济与可持续性分析----以新疆玛纳斯河流域棉花为例[J].生态学报,2012,32(23):7 559-7 567.

[7] Ting Jiao,Zhongnan Nie,Guiqin Zhao,et al. Changes in soil physical,chemical,and biological characteristics of a temperate desert steppe under different grazing regimes in northern China[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2016,47(3):338-347.

[8] 樊贵盛,孔令超,韩永鸿,等.土壤脱水过程中结构与含水率间的定量关系[J].灌溉排水学报,2012,31(5):40-43.

[9] 曹崇文,樊贵盛.耕作土壤入渗能力衰减机理[J].太原理工大学学报,2007,38(2):116-118.

[10] 王文焰,张建丰,汪志荣,等.波涌灌溉条件下土壤致密层的形成及其对入渗特性的影响[J].水利学报,1996,(7):75-79.

[11] 李晓玲,刘普海,成自勇,等.不同灌溉方式下玉米节水增产效果实验研究[J].节水灌溉, 2001,(3): 7-9.