砂姜黑土界限含水率及适耕性研究

史福刚，张佳宝，姚 健

(1.中国科学院 南京土壤研究所，江苏 南京 210008； 2.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002； 3.中国科学院大学，北京 100049)

耕地质量的退化现象已引起人们的普遍关注，不合理的耕作是重要的因素之一。由于不合理的耕作破坏了土壤原有的结构，致使其理化性状劣化[1]。土壤塑性是指土壤在一定含水率条件下由外力作用可以改变形状，并在外力消失后仍能保持其形状的性质[2]。土壤具有可塑性是因为土壤的片状黏土矿物颗粒间因水膜的连接，使土粒间可以相互滑动。土壤的可塑性特征使得土壤团聚体易受外力作用而被破坏，组成团粒结构的土壤颗粒重新排列形成无结构的土块，同时团聚体内部和团聚体间的孔隙状况恶化，耕作时形成垡块，而团聚体内部和团聚体之间的孔隙影响着土壤的通气导水性能。

基于细粒土壤随土壤含水率的变化表现出的不同性质特征，瑞典土壤学家Atterberg早在1911年定义了土壤不同形态之间的界限含水率，是指细粒土壤的工程性质发生明显变化时的含水率[3]，主要包括塑限、液限和缩限[4]。在不同水分条件下，土壤可表现出流体状态、塑性状态、半固体状态(脆性固态)和固体状态(坚硬固态)等不同形态。从流体状态向塑性状态过渡的界限含水率称为液限，由塑性状态向脆性固体状态过渡的界限含水率称为塑限。胀缩性土壤的比容积随含水率变化而变化[5]，当土壤含水率低于一定值时，土壤收缩至体积恒定不变，土壤由脆性固体状态变为坚硬的固态，此时的含水率称为缩限含水率。液限、塑限和缩限含水率表示土壤液态、可塑态、脆性半固态和固态之间的界限。土壤的耕作阻力和耕作质量受土壤含水率的影响[6]。理论上来说，当土壤含水率处于塑限和缩限之间时，土壤没有可塑性，团粒结构较稳定；同时土壤为脆性固态，耕作阻力小并且耕作质量好，松软而不散碎[7]，是进行耕作的最佳时期。

砂姜黑土在系统分类里属于变性土[8]，土壤黏粒含量高，并且黏土矿物以蒙脱石为主。较强的可塑性和胀缩性是砂姜黑土主要的耕作障碍[9]，这些性质导致砂姜黑土耕作阻力大、耕作质量差、结构不良。适时耕作对于提高砂姜黑土土壤肥力、改善结构和孔隙状况尤为重要。目前，对于提高土壤肥力质量方面的研究普遍侧重于养分、水分管理等方面[10-12]，且对于土壤液限、塑限、缩限等界限含水率的研究目前局限于建筑、公路施工等工程领域，农业领域的研究较少。土壤界限含水率的确定及耕性的改善对于防止耕地质量退化、提高耕作质量、降低耕作能耗具有重要意义。为此，研究河南省砂姜黑土区域不同类型土壤的界限含水率，探讨其与土壤其他物理性质之间的相关性，以期找到简单、易测定的土壤性质指标,以便预测估计界限含水率，用于指导农业生产实践，并为进一步的砂姜黑土适耕期及耕性改良的相关研究提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 样品采集

以河南省1∶20万土壤类型图及砂姜黑土分类标准为主要依据，对砂姜黑土区耕地土壤进行实地调查、采样。调查区域漯河、许昌、周口地区主要分布着石灰性砂姜黑土和覆盖石灰性砂姜黑土；驻马店地区以普通砂姜黑土为主，由于受近代洪冲积物影响，大部分为覆盖砂姜黑土；而南阳地区地形为盆地，受近代冲积物影响较小，以典型的普通砂姜黑土为主；信阳地区由于降雨量较大，淋溶较强，主要分布着漂白砂姜黑土[13]。调查同时采集了砂姜黑土条带状分布区临近区域的其他类型土壤作为对照，包括潮土、褐土、黄褐土、潮褐土等。采集不同类型土壤耕层(0～20 cm)样品进行分析，共计采集样点165个，其中包括12个剖面样点，剖面样点按照土壤的不同发生层采集残余黑土层为土壤样品。砂姜黑土分布区域各地区不同类型土壤采集样点数量见表1。

表1 砂姜黑土分布地区不同类型土壤样点采集数量 个

1.2 试验方法

测定方法参考GBT 50123—1999土工试验方法，土壤塑限和液限用液塑限联合测定法测定，缩限含水率用收缩皿法测定。液限和塑限之间的含水率范围为土壤具有可塑性的含水率范围，两者差值即为土壤的塑性指数；液限和缩限之间的含水率范围内，土壤体积随含水率减小而收缩，两者的差值为土壤的收缩指数。测定最大吸湿水时，用室温条件下干燥器底部放置饱和硫酸钾溶液来调节维持98.5%的相对湿度[1]，烘干法测定土壤吸湿水含水率。土壤黏粒(<2 μm)含量测定采用吸管法；土壤有机碳的测定采用外加热重铬酸钾容量法。萎蔫系数由最大吸湿水含水率乘1.5得出[2]；土壤活性为塑性指数与黏粒含量的比值[14]。

1.3 数据分析

采用Excel 2010软件进行数据处理和绘图，SPSS 19.0软件进行LSD分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型砂姜黑土界限含水率及适耕性分析

表2为不同类型土壤耕层及砂姜黑土剖面中残余黑土层土壤的界限含水率。结果表明，对照土壤塑性指数低于15.00，相比之下不同类型砂姜黑土耕层土壤塑性指数总体较高。普通砂姜黑土和残余黑土层土壤的液限、塑限均显著高于其他砂姜黑土亚类，除漂白砂姜黑土和覆盖砂姜黑土外所有砂姜黑土亚类塑性指数均显著高于对照土壤。漂白砂姜黑土和覆盖砂姜黑土只有约1/4的样点耕层塑性指数高于15.00，总体来讲可塑性较弱；而普通砂姜黑土超过3/4的样点耕层塑性指数高于15.00，具有较强的可塑性。缩限的大小反映了土壤的胀缩性能，漂白砂姜黑土缩限最高，平均为16.22，而收缩指数最低，平均为19.26，说明漂白砂姜黑土胀缩性能最弱；对照土壤和覆盖砂姜黑土缩限略低于漂白砂姜黑土。普通砂姜黑土和残余黑土层土壤缩限含水率最低，土壤胀缩性最强。虽然普遍认为砂姜黑土胀缩性强，但其不同亚类之间差异性较大，并且不同类型砂姜黑土耕层土壤缩限含水率差异显著，其中漂白砂姜黑土胀缩性甚至低于对照土壤；而普通砂姜黑土和石灰性砂姜黑土缩限含水率普遍较低，具有较强的胀缩性。残余黑土层土壤由于未受长期旱耕熟化过程的影响，其可塑性和胀缩性较耕层土壤更强。

表2 不同类型土壤界限含水率

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平差异显著，下同。

塑限和缩限之间的含水率范围为土壤适合耕作的含水率范围，此时土壤表现为脆性固态或半固态，耕作阻力较小，并且土块容易松散。分析结果表明，可塑性较强的土壤类型，其塑限较高，而缩限较低，因此适合耕作的含水率范围较大；但砂姜黑土萎蔫系数较高，耕作时同时应考虑土壤水分的有效性。表3列出了不同类型土壤与界限含水率相关的一些基本物理性质。普通砂姜黑土萎蔫系数显著高于其他类型土壤，其耕层以下残余黑土层萎蔫系数更高，因而土壤可供耕作播种后种子发芽及作物幼苗生长的水分有效性很低；并且其黏粒含量较高，说明其排水性能较差，灌溉后土壤含水率达到适合耕作的范围需要较长的时间。所有类型砂姜黑土萎蔫系数均高于对照土壤，而覆盖砂姜黑土和漂白砂姜黑土与对照相比差异并不显著。

2.2 土壤界限含水率的影响因素分析

表4列出了有机碳含量、吸湿水、黏粒含量等物理性质指标和土壤的塑性及胀缩性指标之间的相关性，可以看出，有机碳含量、吸湿水、最大吸湿水、黏粒含量均与塑性指数和收缩指数呈极显著正相关，相反地，与缩限呈显著或极显著负相关。不同类型土壤的液限、塑限含水率与土壤的黏粒含量呈正相关，表明砂姜黑土可塑性、胀缩性的强弱主要取决于其黏粒含量，黏粒含量高的土壤有较强的可塑性及胀缩性。

表4 土壤基础物理性质与界限含水率相关性分析

注： *、**分别表示在0.05、0.01 水平上显著相关。

不同类型土壤中漂白砂姜黑土活性最高，与其他类型的砂姜黑土之间差异显著，石灰性砂姜黑土活性最低，与对照土壤及漂白砂姜黑土之间差异显著；除漂白砂姜黑土之外，其他类型砂姜黑土活性均低于对照土壤，且其他类型砂姜黑土之间差异不显著(表3)，说明漂白砂姜黑土在矿物组成上不同于其他类型砂姜黑土。漂白砂姜黑土由于所在地区降雨淋溶较强，成土过程中黏土矿物组成已经不同于其他类型砂姜黑土，胀缩性黏土矿物逐渐风化转变为非胀缩性黏土矿物。漂白砂姜黑土虽然活性高，但其黏粒含量普遍较低，因此总体上可塑性较弱。土壤胀缩性主要受黏土矿物组成影响，砂姜黑土具有强烈的胀缩性是由于土壤含有大量的蒙脱石，而漂白砂姜黑土不同于其他类型砂姜黑土是由于其风化强烈，矿物组成不同于其他类型砂姜黑土，其黏土矿物以非胀缩性黏土矿物为主。覆盖砂姜黑土由于表层土壤有较多的近代冲积沉积物，为异元母质，矿物组成不同于典型的砂姜黑土及残余黑土层土壤，因而可塑性和胀缩性与临近的潮土、黄褐土等对照土壤的差异并不显著。

土壤活性与界限含水率的相关关系(表4)表明，土壤活性与塑限呈极显著负相关，土壤活性越高，土壤塑限越低，可塑性越强；与缩限呈极显著的正相关，说明土壤活性越高，胀缩性越弱。这与不同类型黏土矿物的活性不同有关：黏土矿物以高岭石为主的土壤活性较高，但高岭石属非胀缩性黏土矿物；以蒙脱石为主的土壤活性较低，塑限较高，同时缩限较低，有较强的胀缩性。因此，虽然土壤可塑性和胀缩性均与黏粒含量呈正相关，但是这些性质受土壤活性或黏土矿物类型的影响却不相同。不同黏土矿物对土壤塑性的贡献为高岭石>伊利石>蒙脱石，而对胀缩性的贡献正好相反：蒙脱石>伊利石>高岭石。由表3可以看出，不同类型土壤活性的差异并不大，因此不同类型土壤活性的差异对土壤界限含水率的影响并不大，因而其主要受黏粒含量影响。土壤基础物理性质与界限含水率的相关性分析表明，土壤黏粒含量与界限含水率有较一致的相关关系。

2.3 界限含水率预测模型的建立

从土壤基础物理性质与界限含水率的相关性分析(表4)可以看出，土壤的吸湿水含水率与土壤界限含水率的相关性优于黏粒含量。虽然土壤有机碳与不同界限含水率有一定的相关性，但相关系数较小，并且进行多元回归分析时，统计上存在共线性问题，因而不适合同时用作估计界限含水率的因素。土壤结合吸湿水的能力取决于土壤的比表面积、电荷密度和表面阳离子组成等因素，因此，土壤结合吸湿水的能力和土壤的一些性质(液限、塑限、萎蔫系数、矿物类型和阳离子交换量等)很容易相互关联起来。吸湿水属于土壤束缚水，是由于土壤表面电荷的吸附作用从环境中吸收的水分，受相对空气湿度的影响，因此用最大吸湿水含水率预测土壤界限含水率结果更具有可比性和一致性。

表5列出了土壤最大吸湿水含水率对土壤不同界限含水率的一元线性预测模型，模型的残差标准差均小于2%，且各方程均达极显著水平(P<0.01)，因此土壤的最大吸湿水含水率可以较好地预测土壤的不同界限含水率。其中土壤收缩指数的拟合系数最大，并且常数项接近于0。土壤最大吸湿水含水率与土壤液限、塑限及塑性指数均呈正相关，而与缩限呈负相关。收缩指数为液限和缩限之差，缩限越低土壤胀缩性越强，因此可塑性较强的砂姜黑土，其塑限和缩限之间的含水率范围也较大。

表5 土壤最大吸湿水含水率对界限含水率的预测模型

注：**表示极显著。

3 结论与讨论

3.1 砂姜黑土的可塑性和胀缩性

砂姜黑土普遍具有较强的可塑性和胀缩性，普通砂姜黑土和石灰性砂姜黑土比较典型，而覆盖砂姜黑土由于表层覆盖了近代冲积物，加上耕作熟化过程对土壤性质有一定影响，物理性质得到改善；漂白砂姜黑土由于降雨淋溶作用强烈，胀缩性黏土矿物逐渐转变为非胀缩性黏土矿物，且黏粒含量普遍较低，因此，可塑性和胀缩性与对照土壤相比无显著差异。

虽然土壤可塑性和胀缩性均与黏粒含量呈正相关，但是两者受黏土矿物类型的影响却不同。土壤活性反映了土壤黏土矿物的组成情况，不同类型黏土矿物的活性由大到小依次为高岭石、伊利石和蒙脱石[15-16]。漂白砂姜黑土活性最高，显著高于其他类型砂姜黑土；而其他类型砂姜黑土活性均低于对照土壤，石灰性砂姜黑土活性最低。不同黏土矿物对土壤活性和可塑性的贡献为高岭石>伊利石>蒙脱石，而对胀缩性的贡献正好相反，为蒙脱石>伊利石>高岭石。砂姜黑土具有较强的胀缩性主要是由于含有大量的蒙脱石，而蒙脱石对于可塑性的贡献低于其他类型黏土矿物，因此，其较强的可塑性主要是由于较高的黏粒含量。但由于不同类型砂姜黑土活性的不同，土壤的可塑性和胀缩性有一定差异，因此在改良利用和耕作管理时应区别对待。

对于土壤可塑性和胀缩性的研究在农业相关领域较少，且主要集中在工程建筑领域，研究对象主要是针对工程作业后无结构的紧实土壤。但相关指标的测定及计算方法并不适合农田土壤，农田土壤是具有结构性和孔隙的土壤，具团聚体结构的土壤其开始收缩的起点要低于液限含水率，因此对于土壤收缩指数的计算及作为胀缩性的指标并不适用。因而，对于农田原状结构土壤的收缩特征及相关指标有待进一步的研究。

3.2 砂姜黑土适耕期

当土壤处于可塑性范围时，土壤颗粒间由于水膜的连接易发生相对滑动，受外力作用时土壤团聚体可改变形状，使团聚体结构受到破坏，孔隙结构恶化，但较大土块并不会破碎，从而形成无结构的垡块，因此应避免对土壤的扰动。当土壤含水率在缩限和塑限之间时，土壤不具有可塑性，呈脆性固体状态，耕作阻力较小，并且土块受外力作用破碎使土壤疏松，适合机械耕作。砂姜黑土具有较高的最大吸湿水含水率，由于土壤萎蔫系数与最大吸湿水含水率成正比，近似于最大吸湿水含水率的1.5倍，因此土壤萎蔫系数也较高。对砂姜黑土孔隙分布的研究表明，当土壤含水率低于塑限含水率时，土壤孔隙以非活性孔隙为主，土壤水分主要保持在层状硅酸盐矿物颗粒的层间[5]，此时土壤水分大部分为无效态。因此，砂姜黑土含水率处于塑限和缩限范围时水分有效性较低。塑性指数较高的砂姜黑土虽然有较大的适合耕作的含水率范围，但耕作播种后种子发芽及幼苗生长需要一定的有效态土壤水分[17-18]，且耕作阻力和含水率成反比，因此，砂姜黑土最适合耕作并且利于播种后种子发芽及幼苗生长的含水率应当为接近且不大于塑限含水率。准确地估计砂姜黑土塑限含水率对于合理耕作、改善土壤理化性质具有重要意义。

土壤的塑性指数与土壤的黏土矿物(黏粒含量和黏土矿物类型)、有机质含量等性质相关，但不同类型黏土矿物对界限含水率的影响没有一致结论。有研究认为，相同黏粒含量时含蒙脱石土壤的塑限低于高岭石土壤[19]，相反的，也有研究认为常见黏土矿物的塑限表现为：蒙脱石>伊利石>高岭石[20]。Polidori[21]曾经建立了黏粒含量和塑限及液限之间的关系模型，用于通过土壤的黏粒含量预测土壤的界限含水率。土壤最大吸湿水含水率是土壤可以从环境中吸收的束缚水的最大值，而土壤呈现流体状态、塑性状态、固体状态与土壤颗粒表面的水膜厚度有关，因此，可以较好地预测土壤的各个界限含水率及塑性和胀缩性指标。最大吸湿水含水率相对于其他土壤性质更易于测定，并且不需要特殊的仪器设备和复杂的试验操作。同时，土壤的萎蔫系数也可以用最大吸湿水的1.5倍来估计。因此，选择用土壤最大吸湿水含水率构建界限含水率的预测模型对理论研究及生产实践都有重要的意义。

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