东北典型黑土区坡耕地涝渍地土壤持水性和导水性研究

马富亮, 符素华,2, 罗广惠

(1.北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 北京 100875; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 3.北京市一六五中学, 北京 100010)

东北典型黑土区坡耕地涝渍地土壤持水性和导水性研究

马富亮1, 符素华1,2, 罗广惠3

(1.北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 北京 100875; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 3.北京市一六五中学, 北京 100010)

中国东北典型黑土区是我国重要的商品粮生产基地，对我国粮食安全和国民经济的稳定起到举足轻重的作用。作为土壤退化的一种特殊形式，涝渍地严重影响着垦区的农业生产。在东北典型黑土区坡面涝渍地及其周围正常耕地中布设采样点，测定了土壤剖面质地分布情况及土壤水分特征曲线，以揭示东北黑土区坡面涝渍地土壤水分过大的根本原因。结果表明，涝渍地土壤剖面中细质地土壤类型所占比例为90%，质地较粘重。涝渍地土壤具有较高的进气值，水吸力较大，保持在中小孔隙中的水分只有在较大吸力范围内才能缓慢释出，这造成涝渍地土壤具有极强的持水能力，不容易失水，再加上极弱的导水能力，水分饱和但不会被释放。以上这些土壤特性导致了涝渍地土壤长期处于湿度过大的状态。本研究结果可为涝渍地治理提供依据。

黑土; 坡耕地; 涝渍地; 土壤水分特征曲线

中国东北典型黑土区是我国重要的商品粮生产基地，对我国粮食安全和国民经济的稳定起到举足轻重的作用[1]。作为土壤退化的一种特殊形式，涝渍地严重影响着垦区的农业生产。我国共有3 207万hm2涝渍地[2-3]，仅黑龙江省黑河市嫩江县鹤山农场鹤北小流域中的涝渍地面积就占整个流域面积的4%左右[4]。黑土区涝渍土壤由于湿度过大阻碍了农机耕作的连续性，严重降低了土地利用效率[5-6]。因此，针对我国人口众多、粮食安全压力巨大的现状，研究黑土区涝渍地湿度过大的根本原因，提出和实施有效的治理措施，挖掘单位耕地面积的生产力潜力显得尤为重要。

涝渍地土壤湿度过大的原因主要包括外因(地形地貌、气候水文等)和内因(土壤质地、持水性、导水性等)[7-11]。前人对外因的研究已相当成熟[12-17]，而对内因方面的研究相对欠缺。乔樵等和郭大本等对三江平原涝渍地的水分物理性质研究发现，其土壤剖面上松下紧，表层为草根层，比重、容重小，饱和含水量、持水量大，土壤水分不易流出[18-19]。姚章村等对三江平原涝渍地的土壤性质进行了研究，发现该区域涝渍地90%的表层土壤为质地粘重、透水性差的白浆土和黑黏土，母质层存在不透水的黏土层或者亚黏土层，且土壤机械组成黏粒含量较高，因而形成上层滞水、地表积水严重[5]，再加上生长季内土壤蒸发缓慢，使得水分长期保存在上层土壤中，造成土壤表层过度湿润的状况。

综上所述，前人对黑土区涝渍地的研究主要集中在地势相对低平和低洼、地下水位高且排水条件较差的三江平原，对分布于坡面、居于坡中位置的涝渍地研究较少。由于研究区域间存在较大差异，针对前人得出的结论，我们只能借鉴，不能照搬照用。并且，前人在研究涝渍地土壤性质时，大部分是针对涝渍地表层土壤性质的定性描述，而很少研究涝渍地土壤剖面质地分布的详细情况，更少从土壤水分特征曲线的角度定量分析涝渍地土壤湿度过大的原因。为此，本文在东北黑土区坡面涝渍地及其周围正常耕地中布设采样点，测定土壤剖面质地分布情况及土壤水分特征曲线，比较分析涝渍地和非涝渍地土壤剖面质地差异，定量评价涝渍地与非涝渍地土壤持水性、导水性差异，最终为阐明东北黑土区坡面涝渍地的形成机理服务。

1 材料方法

1.1 研究区概况

研究区选在黑龙江省九三农垦分局鹤山农场境内的鹤北小流域。鹤北小流域位于鹤山农场场部东北方向，地理位置为48°59′3.37″—49°02′35.7″N，125°15′45.71″—125°20′46.79″E。整个流域又被9条支沟分为9个次级小流域，其中主沟道以西有4条支沟，由南至北将次一级小流域依次编号为1，2，3，4号小流域；主沟道以东有5条支沟，由北至南依次编号为5，6，7，8，9号小流域(图1)。

图1 鹤北小流域

研究区所属大兴安岭南麓，海拔150～383 m。坡岗平缓，坡长较长，被当地人称为“漫川漫岗”，属于典型黑土区。研究区为寒温带大陆性季风气候，冬夏气温相差比较悬殊。因受季风和高纬度影响，全年冷热、干湿季节划分明显，春季干燥少雨，夏秋两季湿润多雨且昼夜温差较大，冬季寒冷漫长。年平均气温-1.5～0.4℃，年内温差变化大，夏季最热月份为7月，平均气温为20.8℃，冬季最冷月份为1月，平均气温为-22.5℃。年日照时间为2 550～2 700 h，全年无霜期为115 d左右。年均降雨量约为470 mm，多集中于6—9月。该区土壤沉积物主要为第三纪和第四纪的砂粒及黏土层，一般呈黄色或红色。主要土壤类型为黑土，在黑土开垦以前，其自然植被为草原化草甸植物。试验地选在8号流域，其表层土壤部分理化性状见表1。

1.2 观测方法

1.2.1 土壤机械组成及质地 鉴于土壤水分特征曲线受土壤质地的影响，布设样点需根据研究区域的剖面土壤特性来确定。试验布置前对研究区域2 m内的剖面土壤特性进行了调查，根据土壤发生学理论，研究区域的剖面土壤类型自上而下可分为耕层(A层)的黑土、过渡层(AB)的黑黏土、淀积层(B)的砂质土、母质层(C)的黄黏土和砂质黏土。布设样点的剖面结构要涵盖上述所有的剖面土壤类型，即沿坡面方向，坡上、坡中和坡下位置各布1个点，坡中样点位于涝渍地内，坡上坡下样点位于非涝渍地内，于每个样点的200 cm土壤剖面上，每20 cm一层用土钻采样，计10层，3个样点的样品总数共计30个。将土壤样品带回实验室，经处理，风干、研磨、过筛后用于测定土壤机械组成。土壤机械组成采用吸管法测定，测定方法根据土壤农业化学分析方法[20]以及北京师范大学分析测试中心资料进行。

表1 研究区耕层土壤部分理化性状

利用测定的土壤机械组成的数据，通过美国农业部(United States Department of Agriculture)Soil Texture Calculator计算得出土壤剖面每层的土壤质地类型。

1.2.2 土壤容重 土壤容重是土壤质量含水量和土壤容积含水量之间关系转换的参数。根据1.2.1中测定的3个样点不同土壤质地的具体分布深度，用体积为100 cm3的环刀采集原状土壤样品，每个土壤质地类型3个重复，利用环刀法测定土壤容重。

1.2.3 土壤水分特征曲线 根据1.2.1的测定结果，将3个样点中同一土壤质地的土样分别取出一小部分均匀混合后磨细过筛，把土样放入水分提取器，采用压力膜仪法测定土壤水分特征曲线，分别测定土壤吸力在0.3 bar，0.5 bar，1 bar，3 bar，5 bar，10 bar，15 bar下的土壤含水量，每个吸力6个重复，共计168个样品。

1.3 RETC软件模拟方法

采用RETC软件中Van Genuehten模型进行模拟，该模型关于土壤水分特征曲线(θ―h曲线)的函数表达式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：θ为体积含水量(cm3/cm3);h为压力水头(cmH2O);Se为饱和度，无量纲;θs为饱和含水量(cm3/cm3);θr为残余含水量(cm3/cm3);Ks为饱和水力传导率(cm/min);α进气吸力(1/cm);n，L为形状系数，且n>1。

1.4 数据分析方法

应用统计软件(Excel，SPSS等)、RETC和Origin软件对测定的土壤理化性质数据进行数据处理、统计分析和图表制作。

2 结果与分析

涝渍地与非涝渍地不同土层深度的土壤质地差异明显(图2)，非涝渍地土壤剖面中存在4种土壤质地类型，并且较粗质地的砂壤土和砂土分布于剖面底部，所占比例较大，约为50%～70%，而较细质地的粉粘壤和粘壤分布于剖面顶部，所占比例约为30%～50%。与非涝渍地相比，涝渍地土壤剖面中的土壤质地类型缺少砂土，并且较粗质地的砂壤土分布于剖面最底部，所占比例仅为10%，剖面中90%的质地类型属于较细质地的粉粘壤和粘壤。由此可以得知，相比非涝渍地，涝渍地土壤剖面中较细质地的粉粘壤和粘壤占主导地位，故质地更粘重。

图2涝渍地与非涝渍土壤质地剖面分布

土壤水分特征曲线是土壤质地、结构和孔隙等物理性质综合作用的结果，是土壤物理特性的表征[21,22]。4种质地的土壤水分特征曲线基本变化趋势均是随含水量的减小，土壤基质势下降(图3)。在低吸力段(<4 000 cmH2O)，水分特征曲线变化陡直，即吸力稍微增加或减少，均会引起含水量较大的变化；在中高吸力段(>4 000 cmH2O)，曲线变化平缓，即吸力有较大的变化，相应含水量变化不大。这种变化趋势以砂土的最明显，这是因为在低吸力范围内，主要是毛管力起作用，土壤所能保持和释放出的水量取决于土壤中较大孔隙分布，在4种质地的土壤中砂土含有大孔隙量最多，因此，在低吸力段砂土水分特征曲线变化的最陡直；在中高吸力段主要是土壤颗粒的表面起吸附作用，主要取决于土壤质地。这与赵雅琼等[21]、Yang等[23]和高惠嫣和杨路华[24]的研究结果基本一致，即质地越细，土壤的持水能力越强、不容易失水，质地越粗，土壤的持水能力越弱、很容易失水。结合图2可以得出，与非涝渍地相比，由于涝渍地土壤剖面质地更加粘重，所以涝渍地土壤的持水能力更强，更不容易失水。

图3 不同质地土壤水分特征曲线

饱和含水率θs为土壤水吸力等于0时的含水率，拟合得到的粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的饱和含水率分别为0.658，0.552，0.406，0.250(表2)。残余含水率θr为土壤水分特征曲线导数等于0时的土壤含水率。一般情况下残余含水率大于零，粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的的残余含水率分别为：0.132，0.102，0.061，0.050(表2)。饱和含水量和残余含水量的差值越大代表该质地类型的土壤持水能力越强[25]。粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土4种土壤质地各自的饱和含水量和残余含水量的差值分别为0.526，0.450，0.345，0.200。所以，4种质地土壤持水能力大小顺序依次为：粉壤土>黏壤土>砂壤土>砂土，故涝渍地土壤的持水能力大于非涝渍土壤。

参数n的大小决定着土壤水分特征曲线的坡度，当n大时，曲线较陡；当n小时，曲线较缓。n取值一般为1.1～3.5，当m=1～1/n时，n>1[26]。粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的n值分别为1.343 9，1.569 2，1.816 8，1.911 8(表2)，所以砂土的水分特征曲线坡度最陡，其次是砂壤土，粉壤土最缓，并且，一般重质黏性土壤n值较小，轻质土壤n值较大。参数α是进气值hα的倒数。不同质地的土壤进气值不同，一般重质黏性土壤进气值较大，轻质土或结构良好的土壤进气值较小，或没有明显的进气值[25]。所以，粘壤的α值最小，进气值最大，砂土的α值最大，进气值最小。以上这些事实都说明，涝渍地土壤的持水性大于非涝渍土壤。

导水率是反映土壤导水性的指标，主要受土壤质地的影响。粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的饱和导水率差异较大，砂土的饱和导水率分别是粉壤土、黏壤土、砂壤土的6.85，19.77，11.28倍。土壤处于非饱和状态时，导水率与土壤含水量呈非线性关系(图4)，且粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的非饱和导水率随水分变化差异较大，砂土的导水率随水分变化的曲线较徒直，其他质地的曲线较缓，当水分增大时，砂土迅速达到饱和状态，此时砂土的导水率值即为饱和导水率，而粉壤土、黏壤土、砂壤土还未达到饱和状态，导水率值即为对应水分下的非饱和导水率。也就是说，不管是饱和状态还是非饱和状态，质地越粗导水性越强，质地越细，导水性越差。所以，相比非涝渍地，涝渍地土壤的导水性更差。

图4不同质地土壤导水率随水分变化

3 结 论

涝渍地土壤剖面中细质地土壤类型所占比例为90%，质地较粘重。涝渍地土壤具有较高的进气值，水吸力较大，持水能力极强，导水能力极弱，这些土壤特性最终导致了涝渍地土壤长期处于湿度过大的状态。本研究结果对于涝渍地改良具有重要意义。

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PropertiesofSoilWaterRetentionandHydraulicConductivityintheWaterloggedLandoverSlopeCroplandinTypicalBlackSoilRegionofNortheastChina

MA Fuliang1, FU Suhua1,2, LUO Guanghui3

(1.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.BeijingNo.165HighSchool,Beijing100010,China)

The typical black soil zone in northeast China is an important commodity grain production base in China and plays crucial roles in the national food security and economic stability. As a special form of soil degradation, waterlogged lands severely affect the agricultural production in reclamation regions. The objective of this study was to analyze the soil water retention characteristics and hydraulic conductivity of waterlogged land and try to find the cause of waterlogged land. The sampling points were set in and around the waterlogged land over the slope cropland in typical black soil region of northeast China. The soil texture distribution along the soil profiles and soil water retention characteristics were measured. The results showed that the fine soil texture accounted for 90% in the soil profile in waterlogged land. It resulted in a very adhesive soil texture. The waterlogged soil had higher air intake value and the larger water suction than the non-waterlogged soil. Therefore, the water in waterlogged soil pore could be released under the much larger water suction. In addition, the waterlogged soil has the strong water holding capacity and the weak soil hydraulic conductivity, which indicated that the water in the saturated soil can not be released and that the soil keeps high soil moisture. The above soil properties are the important reasons that the waterlogged soil remains a wet condition for a long time. These results could provide the technique supports for the control for waterlogged lands.

black soil; slope cropland; waterlogged land; water retention characteristics

S152.7+1;S152.3+3

A

1005-3409(2017)06-0222-05

2016-10-18

2016-11-08

国家自然科学基金(41571259);国家自然科学基金重点项目(41530858);中国科学院“西部之光”人才培养引进计划的资助

马富亮(1985—),男,山东夏津人,博士研究生,主要从事土壤水分运动方面的研究。E-mail:flma0620@163.com

符素华(1973—),女,四川岳池人,教授,主要从事土壤侵蚀与水土资源管理方面的研究。E-mail:suhua@bnu.edu.cn