不同开垦年限黑土耕地土壤导气率及其影响因素1)

罗松 韩少杰 王恩姮 陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



不同开垦年限黑土耕地土壤导气率及其影响因素1)

罗松 韩少杰 王恩姮 陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

为探讨开垦对典型黑土土壤导气率的影响，以未经开垦天然次生林(0 a)和开垦年限为17、30、40 a耕地土壤为研究对象，采用PL-300型土壤导气率测定仪测定耕作区0～20 cm土层水平、垂直2个方向的土壤导气率，并计算其各向异性。结果表明：土壤水平、垂直导气率均随开垦年限的增加而显著减少(p<0.05)；与未开垦天然次生林相比，土壤垂直导气率下降22.44%～95.44%，土壤水平导气率下降40.45%～92.50%；不同开垦年限土壤水平、垂直导气率均呈现出随土层的加深而降低的一致规律。不同开垦年限土壤导气率各向异性表现出随着开垦年限增加逐渐增大的趋势，并在30、40 a表现出显著性(p<0.05)。土壤导气率与密度呈极显著负相关，与孔隙度、非毛管空隙度、有机质均呈极显著正相关。黑土土壤的气体传输能力随开垦年限逐渐降低，密度、孔隙度、非毛管空隙度、有机质均显著影响黑土土壤导气率。

黑土；开垦；导气率；各向异性

土壤导气率是指单位时间内通过单位面积土壤的气体数量[1]，它是土壤特性对土壤气体更新速率的综合反映指标[2]。土壤导气率直接影响土壤气体交换能力，进而影响土壤水分与养分的有效性[3]；作为重要的土壤物理性质之一，土壤导气率对作物种子发芽、出苗、后期成长与成熟等影响均较大[4]。同时，土壤导气能力可用于土壤孔隙的几何分布、结构、土壤稳定性等特征的间接表征[5]；也可进一步用于土壤饱和导水率的预测，土壤导气率的研究近年来逐渐成为土壤学的关注热点并受到广泛应用。如Berisso et al.[6]对比分析了土壤压实前后土壤气体运输及其各向异性的变化，证实了压实会降低土壤导气率并增大了0.3 m处导气率各向异性；Seyfried[7]通过研究土壤冻结前后导气率的变化，提出可以用导气率来预测冻结土壤的渗透性能。王卫华等[2]在长武地区证实了通过导气率预测饱和导水率的可行性[8]；土壤类型、密度、含水率、土壤相态等特性均会对土壤导气率产生显著影响。

东北黑土区作为我国重要的商品粮生产基地，长期过度开垦及植被破坏导致黑土耕地土壤理化性质及生境质量退化严重[9]。目前，关于开垦干扰对黑土理化性质影响的研究主要集中于土壤养分方面[10-11]，而关于导气率方面的研究较为少见。为此，本文以典型黑土区开垦年限为17、30、40 a的耕地土壤和未开垦的天然次生林为研究对象，采用PL-300型土壤导气率测定仪测定0～10 cm，10～20 cm土层水平、垂直方向的土壤导气率，对比分析不同开垦年限土壤导气率及各向异性的变化，以期为进一步评价开垦对黑土结构与气体交换能力提供参考。

1 材料与方法

土壤样品的采集与分析:2014年9月，于黑龙江省克山农场26连，选择地形、环境条件及耕作措施等基本一致、开垦年限分别为17、30、40 a的玉米耕地作为研究对象，同时以未经开垦的天然次生林(0 a)作为对照。每个样地随机设置3个取样点，每个取样点挖设长宽分别为1m、深为0.5m的土壤取样壕沟，用环刀(φ=7.98 cm，h=5.00 cm)分别采集0～10 cm，10～20 cm土层垂直(从上自下置入环刀)与水平(垂直于壕沟壁置入环刀)2个方向的原状土，分别用于土壤导气率、密度、非毛管孔隙度、充气孔隙度的测定；同时在环刀附近用铝盒采集土壤样品，用于土壤含水量测定；另用布袋采集环刀附近的土壤样品约1 kg，带回实验室后经自然风干，研磨过0.25 mm孔径土壤筛并用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质质量分数[12]重复3次(表1)。

表1 不同开垦年限黑土基本理化性质

注：充气孔隙度是指土壤总孔隙被空气充满的程度，即充气孔隙度=100%×气体体积/总孔隙度；表中数据为平均值±标准差。

指标及测定：本试验采用沃特兰德国际有限公司生产的PL-300型土壤导气率测定仪直接测定土壤气体入渗率[3]。

数据处理：应用SPSS 18.0和Excel 2003对数据进行处理，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行不同开垦年限与不同土层间的差异性检验，采用Pearson相关性对各变量进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 垂直方向导气率的变化

垂直方向导气率反映了土壤空气在垂直方向上的更新速率。与未开垦天然次生林相比，开垦17、30、40 a土壤导气率均有不同程度的降低，并表现出随着开垦年限的增加土壤导气率逐渐减小的趋势，其中两土层的平均值即0～20 cm总体表现出显著减小的趋势(p<0.05)，由此可见，开垦干扰可显著降低黑土耕地垂直方向的导气率(表2)。可能是因为随着开垦年限的增加，土壤的有机质质量分数和质量明显下降，孔隙比减小，土壤板结，土壤密度增加[13]，进而导致了土壤导气率逐年降低。

表2 不同开垦年限黑土垂直方向导气率

注：不同大写字母表示不同开垦年限之间差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示土层之间差异显著(p<0.05)，表中数据为平均值±标准差。

在0～10 cm土层范围内，开垦17、30、40 a土壤导气率与未开垦天然次生林(0 a)相比，分别降低了22.44%、61.28%、86.56%；而在10～20 cm土层则相应降低了78.90%、97.24%、95.44%，由此可以看出，开垦对10～20 cm土层导气率的影响要大于0～10 cm土层，说明开垦对下层土壤导气率的影响要比表层土壤更明显，可能因为长期机械耕作过程中，在10～20 cm土层存在积累压实。同时发现，在0～10 cm土层范围内，开垦≥30 a与未开垦天然林相比，导气率大幅降低(p<0.05)，而这种大幅降低在10～20 cm土层开垦范围内则出现在开垦≥17 a，从一定程度上反应开垦对表层土壤垂直方向导气率的影响存在滞后性，可能是表层土壤在短期耕作过程由于受机具影响更容易恢复，而下层土壤由于自重及积累压实作用则不易恢复。

从表2还可以看出，不同样地0～10 cm土层土壤导气率均显著高于10～20 cm土层(p<0.05)，可能是因为土壤密度随着土层加深而增大，密度增大导致土壤孔隙率减小，进而导致导气率减小[3]。此外，随着土层加深，根系分布和蚯蚓洞穴逐渐减少、土壤裂缝的形成频率逐渐降低以及任何这些过程的集合都可能导致土壤孔隙度降低进而影响土壤的通气状况[1]。

2.2 水平方向导气率的变化

水平方向土壤导气随着开垦年限的增加呈现出逐渐减小的趋势，并且两土层的平均值即0～20 cm在开垦处理间的差异达到了显著水平(p<0.05)，说明黑土区土壤的开垦降低了土壤水平方向导气率(表3)。相比于未开垦天然林(0 a)，开垦17、30、40 a的土壤导气率在0～10 cm土层分别降低了40.45%、79.65%、92.50%；在10～20 cm土层，相应降低了68.42%、91.58%、84.74%。从降低的数值上可以看出，两土层在开垦17 a时导气率均出现了大幅度降低(p<0.05)，结合垂直方向导气率大幅降低的时间(上层17 a、下层30 a)可以看出，开垦对水平方向表层土壤导气率的影响要早于对垂直方向的影响。

表3 不同开垦年限黑土水平方向导气率测定结果

注：不同大写字母表示不同开垦年限之间差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示土层之间差异显著(p<0.05)，表中数据为平均值±标准差。

与垂直方向导气率降低值相比(表2、表3)，0～10 cm土层开垦17、30、40 a导气率降低值均大于垂直方向，而10～20 cm土层各开垦年限导气率降低值均小于垂直方向，说明开垦对水平方向导气率的影响主要体现在表层土壤，对垂直方向导气率的影响则主要体现在下层土壤。从表3还可以看出，不同开垦年限土壤0～10 cm土层导气率均显著高于10～20 cm土层(p<0.05)，与垂直方向的变化规律一致，再次印证了该层受土壤密度、根系分布、蚯蚓等土壤动物活动限制的可能。

2.3 导气率各向异性的变化

所谓各向异性是指岩土体或土壤在不同方向的力学参数、结构特性及应力应变关系的不同，即在同层位置，岩土体或土壤在不同方向上表现出不同的物理性质[6,14]。对于沉积物(多孔介质)在平行于层理方向与垂直于层理方向会表现出极大与极小值，因此渗透性的各向异性通常会用水平与垂直2个方向的值来确定[15]。渗透性各向异性通常定义为平行于层理平面的渗透系数与垂直层理平面的渗透系数的比值[16]。本文土壤导气率的各向异性是指水平方向土壤导气率与垂直方向土壤导气率的比值[6]。

表4 不同开垦年限黑土导气率各向异性计算结果

注：不同大写字母表示不同开垦年限之间差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示土层之间差异显著(p<0.05)，表中数据为平均值±标准差。

从表4可以看出，未开垦天然次生林(0 a)、开垦17、30、40 a耕地土壤导气率各向异性均小于1，说明各样地垂直方向导气率均大于水平方向。Berisso等认为，土壤垂直方向比水平方向分布更多的对流生物孔隙[1]，这可能是导致典型黑土土壤导气率各向异性小于1，即垂直方向的导气率大于水平方向导气率的原因。

与未开垦天然林相比，0～10 cm土层的导气率各向异性随着开垦年限逐渐减小，在开垦≥30 a时显著降低(p<0.05)，在10～20 cm土层随着开垦年限的增加逐渐增大，同在开垦≥30 a表现出显著差异(p<0.05)，但30 a与40 a之间均无显著差别，说明受长期开垦(≥30 a)干扰，黑土垂直与水平方向导气率的差别逐渐降低，各向异性趋于稳定。

2.4 土壤导气率与物理性质间的关系

导气率作为指示土壤透气性的重要指标，受很多因素的影响与制约。从表5可以看出，导气率与密度呈极显著负相关(p<0.01)，黑土区大机械作业导致的土壤积累压实阻碍了土层内水、气、热的传输，破坏了土体的结构[17]，土壤紧实度升高、密度增加；与Poulsen等研究结果也相吻合[18]，说明土壤密度是影响典型黑土土壤导气率的重要原因。

表5 土壤物理性质指标间的相关系数

注：*、** 分别表示在p<0.05和p<0.01水平上显著。

土壤导气率与非毛管孔隙度、非毛管孔隙度/毛管孔隙度、充气孔隙度呈极显著相关关系(p<0.01)。充气孔隙度表示土壤中空气的相对含量是土壤通气状况的重要指标[19]，在土壤孔隙中有水的情况下气体是通过相互连接的充气孔隙来进行扩散的[20]，其在土体中的比例将影响气体在土壤中的交换速率，另外土壤团粒之间的非毛管孔隙度主要起到通气的作用，为气体流动提供了管道，因此充气孔隙度与非毛管孔隙度含量的高低直接影响土壤导气率的大小。

土壤导气率与有机质质量分数也表现出极显著相关关系(p<0.01)。土壤有机质能改善土壤物理和物理化学性质，它与土壤的结构性、通气性、渗透性、都有密切的关系[21]，而黑土开垦以后，土壤有机质随着开垦年限的增加有明显下降的趋势[11]，土壤有机质质量分数增加，其密度值下降，孔隙度增加，土壤有机质质量分数与土壤密度值大致呈负相关的趋势[22]，可以认为有机质通过影响土壤结构、孔隙度来影响土壤导气率。

3 结论

开垦干扰导致典型黑土土壤垂直、水平导气率发生变化，进而对土壤(孔隙率)各向异性产生影响，且均随开垦年限的增加而逐渐减小。开垦可显著降低0～20 cm土层土壤垂直、水平2个方向的导气率，但在表层0～10 cm土层范围内，垂直方向土壤导气率的变化出现滞后性。不同开垦年限黑土垂直与水平导气率均随土层的加深而降低，且水平方向导气率均小于垂直方向，即土壤导气率各向异性均小于1。开垦降低了表层土壤导气率的各向异性，但未表现出明显规律；同时增大了下层土壤导气率各向异性，且随着开垦年限的增加而增大。土壤导气率与密度呈极显著负相关，与充气孔隙度、非毛管空隙度、有机质均呈极显著正相关。

[1] 邵明安，王全九，黄明斌.土壤物理学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 朱敏，张振华，潘英华，等.土壤质地及容重和含水率对其导气率影响的实验研究[J].干旱地区农业研究，2013，31(2)：116-121.

[3] 王卫华，王全九，樊军.原状土与扰动土导气率、导水率与含水率的关系[J].农业工程学报，2008，24(8)：25-29.

[4] 李陆生，张振华，潘英华，等.土壤导气率瞬态模型关键参数s简化求解[J].土壤，2012,44(6)：1048-1053.

[5] 王德胜，张振华，雷宏军，等.河南省代表性土壤导气率性能研究[J].鲁东大学学报，2015，31(2)：162-166.

[6] BERISSO F E, SCHJONNING P, KELLER T, et al. Gas transport and subsoil pore characteristics: Anisotropy and long-term effects of compaction[J]. Geoderma,2013,195:184-191.

[7] SEYFRIED M S, MURDOCK M D. Use of air permeability to estimate infiltrability of frozen soil[J]. Journal of Hydrology,1997,202(1/2/3/4):95-107 .

[8] 王卫华，王全九，李淑芹.长武地区土壤导气率及其与导水率的关系[J].农业工程学报，2009，25(11)：120-127.

[9] 隋跃宇，张兴义，张少良，等.黑龙江典型县域农田黑土土壤有机质现状分析[J].土壤通报，2008，39(1)：186-188.

[10] 李会彬，李东坡，武志杰，等.不同开垦年限白浆土土壤磷库特征[J].土壤通报，2014,45(1)：135-140.

[11] 辛刚,颜丽,汪景宽,等.不同开垦年限黑土有机质变化的研究[J].土壤通报,2002,33(5):332-335.

[12] 陈立新.土壤实验实习教程[M].哈尔滨：东北林业大学出版社,2005.

[13] 焦燕，赵江红，徐柱.农牧交错带开垦年限对土壤理化特性的影响[J].生态环境学报，2009,18(5)：1965-1970.

[14] 张向霞.各向异性软岩的渗流耦合本构模型[D].上海：同济大学,2006.

[15] CHAPUIS R P, GILL D E. Hydraulic anisotropy of homogeneous soils and rocks: influence of the densification process[J]. Bulletin of Engineering Geology & the Environment,1989,39(1):75-86.

[16] SCHOLES O N, CLAYTON S A, HOADLEY A F A, et al. Permeability anisotropy due to consolidation of compressible porous media[J]. Transport in Porous Media,2007,68(3):365-387.

[17] 王恩姮，柴亚凡，陈祥伟.大机械作业对黑土区耕地土壤结构性特征的影响[J].应用生态学报，2008,19(2)：351-356.

[18] POULSEN T G, PER M. Air permeability of compost as related to bulk density and volumetric air content[J]. Waste Management & Research the Journal of the International Solid Wastes & Public Cleansing Association Iswa,2007,25(4):343-351.

[19] 秦耀东.土壤物理学[M].北京：高等教育出版社,2003.

[20] 素志慧，吴兵，龚元石.不同孔隙度土壤气体扩散系数的测定[J].农业工程学报，2015,15(31)：108-113.

[21] 李靖.土壤中有机质的作用[J].平原大学学报，1999(4)：54-55.

[22] 马麟英,梁月兰,韦国钧,等.东兰县林地土壤有机质含量与土壤容重的相关性分析[J].湖北农业科学,2014,53(1):59-63.

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

罗松，男，1989年9月生，东北林业大学林学院，硕士研究生。E-mail：1147657207@qq.com。

陈祥伟，东北林业大学林学院，教授。E-mail：chenxwnefu@163.com。

2017年3月23日。

S152.6

1)国家林业公益性行业科研专项(201404202)。

责任编辑：潘 华。

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.