旱作农田土壤表层容重年内变化特性的试验研究

郭李娜，樊贵盛(太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

土壤容重是农业生产中的重要物理参数，是计算土壤养分含量、土壤孔隙率、土壤空气含量和土壤体积含水率的基本数据[1]。土壤容重表征了土壤的密实程度和土壤质量，与土壤饱和含水量、田间持水量、凋萎系数等参数密切相关，也在一定程度上决定降雨入渗、径流率的大小，即决定着降水转换土壤水的比率和速度。因此，土壤容重成为田间水分利用率、水分入渗率、作物需水量和化肥使用量预测重要参数。表层土壤与外界进行着不断的物质和能量的交换，从而影响和改变着深层土壤的理化性质，即影响着水分、盐分及养分在土壤中的运移，最终对农作物的生长发育产生较明显的影响。在降雨和土壤其他理化条件的共同作用下，表层土壤容重发生变化，进而改变了地表水文状况，表层土壤容重不仅影响降雨的渗吸过程，而且直接影响土壤溶质扩散速率，从而间接地对径流溶质的迁移过程产生影响[1]。

近年来，一些学者对不同区域土壤容重的变化规律和影响其变化的因素进行了探索性研究，取得了一定的进展。傅子洹[3]对黄土区小流域土壤容重的动态特征进行了月季尺度的研究，发现土壤容重在8、9和10月表现为微增趋势，并且8月和9月、10月的容重均值差异显著，9月与10月无明显差异。影响土壤容重的因素众多，目前研究主要集中在土壤含水率、土壤有机质、降雨及灌溉等方面。孔令超等人[4]认为土壤含水率的变化会导致表层土壤结构的改变。樊贵盛等[5]发现耕作土壤由高含水量到低含水量的变化过程中，土壤干容重呈增大趋势。郑世清等[6]研究发现土壤容重与土壤抗蚀性密切相关。Stirk等[7]认为灌溉过程中灌溉水在入渗后会引起土壤的收缩和开裂，使其结构发生变化，导致土壤容重发生变化。咸水灌溉给农作物的生长提供必要的水分，也将盐分带入土壤中，盐分离子与土壤本身化学元素及土壤颗粒发生相互作用，改变了土壤的理化特征和结构，从而影响土壤的容重。冯棣[8]通过连续多年的咸水灌溉试验，发现随着灌溉水矿化度的增加，0～20 cm土层的容重逐渐增大。

纵观国内外研究影响土壤容重变化规律及影响因素的文献，多以非耕作自然土壤容重动态变化和单因素影响为主，研究耕作土壤容重年内变化规律并综合分析各因素影响的报道还较少。本文针对旱作农田土壤，综合考虑降雨、气温、灌溉等因素，通过对农田表层土壤容重年内跟踪监测，分析农田表层土壤容重年内变化的特性，旨在揭示多因素下作用下旱作农田土壤容重年内变化规律，对于科学进行农田农事、灌溉管理，提高农田水分利用理论，促进农业的可持续发展具有一定意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黄河中游，华北西部的黄土高原区，横跨山西省中部的十五个县市区，海拔600～2 000 m，年度跟踪试验点布置在山地、平原、盆地等多种地貌类型区，试验点土壤种类多样，有红黏土、棕壤土、栗钙土、栗褐土和黄绵土。土壤质地类型包括砂质壤土、粉砂质壤土、砂质黏壤土、壤土等，其中耕作层黏粒、粉粒、砂粒含量的变化范围分别为0.01%～17.54%、37.89%～66.14%、28.63%～61.57%；耕作层土壤含水率的范围为0.78%～50.25%，有机质含量在0.18～2.74 g/kg之间，全盐量在682.3～5 606.28 mg/kg之间，土壤容重在1.08～1.51 g/cm3之间。

试验期试验区共发生降雨53次，总降雨量为318 mm；其中小于10 mm的小雨40次，占到总降雨次数的75%，小降雨总量占总降雨量的34.75%，持续降雨天数不超过2 d，最大日降雨量为25.1 mm。试验期平均气温为20.8 ℃，且7月中下旬至8月中上旬气温最高；试验期试验区最高日平均气温达28.9 ℃，最低日平均气温为2.33 ℃。表1是试验区试验期内降雨和平均气温情况表。

表1 试验期间降雨和气温表

1.2 农事作业与田间管理

施肥、种子、灌溉和其他农业措施按当地农民传统模式和数量实施。供试作物为玉米，品种为晋玉18。玉米播种前备耕期将农家肥均匀施于地表，通过机械旋耕翻埋于地下，玉米生长期内未进行施肥。试验区种植密度为59 970 株/hm2左右。试点1播种前灌溉一次，在玉米的生育期内，试点1和试点2均未进行灌溉。

1.3 试验方案与方法

对试验区各试验点0～2、2～10、10～20 cm分层土壤的容重、含水率、温度等基本理化参数进行年内跟踪测定，并配套监测试验区试验期内降雨量和气温等。试验从4月下旬开始到11月中旬结束，共进行了10次试验，监测频次20 d左右，每次取样时各个试点各层土壤取3次容重，记录3次取样各层容重的平均值，每次取样有次序的选点进行，避免同一地点多次取样。

土壤容重采用环刀法进行测定，为更好地解释地表容重的变化过程，地层容重采用高度为2 cm的非标准环刀进行测定，环刀直径与标准环刀一致；2～10、10～20 cm分层容重用标准环刀测定(不锈钢环刀容积为100 cm3，高5.1 cm，直径为5 cm)。土壤含水率测定采用烘干称重法；土壤质地通过激光粒度仪测定获得；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法来测定；气温和降雨量通过气象站设施观察得到；分层地温采用地埋式温度计获得。

1.4 试验区分层土壤容重的跟踪监测结果

对试验区15个试点0～2、2～10、10～20 cm分层土壤的容重在玉米生长期内的跟踪监测结果如表2所示。

2 试验结果与分析

通过对上述15个试验点的分层容重进行分析，得到了下述相关结果。本文选取试点1和试点2为代表进行逐一说明，表3为试点1和试点2土壤基本理化参数表。

2.1 土壤容重的年内变化的总体趋势

图1为试点1和试点2耕作层土壤容重的加权平均值随时间的变化折线图和降雨量发布过程图。

表2 试验区分层土壤容重的跟踪监测结果 g/cm3

表3 试点土壤基本理化参数表

图1 试点1、2土壤容重及降雨量年内变化

由图1可以看出：试点1与试点2玉米生长期内耕作层土壤容重总体表现为随时间增大的趋势。试点1与试点2表层加权平均土壤容重分别从播种时的1.10和1.12 g/cm3，增长到收割时的1.44和1.42 g/cm3，增长率分别为30.91%和26.79%。

分析认为表层容重增大的原因有以下方面：

(1)土壤的压实性。土壤的压实性是指在土壤表面施加压力时，土壤的孔隙度降低、土壤颗粒排列变紧密，土壤容重随之增大的过程[9]。玉米生长期内，由于土体自重、农业机械和人为作业等对耕作层土壤造成一定压力，破坏耕层土壤中的团粒结构，土壤中的大孔隙减小，土壤结构密实程度增大，土壤的容重增大。

(2)黄土的湿陷性。黄土湿陷是指黄土在一定的压力、浸水及渗流作用下产生压缩、湿陷及渗透变形的全过程。玉米生长期内试验区有多次降雨，降雨后土壤浸水，水分沿着黄土的孔隙和节理直接入渗到土壤内部，使土壤发生湿陷变形。黄土内水溶盐的溶解导致胶结作用的减弱、黄土中黏土矿物含量低、黄土细颗粒表面结合水膜变厚等原因导致黄土的胶结受到破坏而造成黄土的湿陷变形，即微结构失稳，架空孔隙崩塌[10]。也就是说湿陷性黄土的孔隙粗颗粒堆积比较轻松，颗粒间呈点接触，颗粒间的搭接形成较大的架空孔隙，降雨时雨滴对黄土打击产生一定的压力，在打击压力和土体自重作用下，结构中的架空孔隙发生崩塌，土体颗粒随孔隙的塌陷而向下沉降，孔隙率降低，土壤变密实。

(3)升温的影响。一方面，气温升高加速了土壤的脱水过程，土体内水分运动和表层土壤蒸发加快，自由水和毛管水的减少使得土粒周围的结合水膜厚度减小，造成土粒在分子引力的作用下相互靠拢，表层土粒排列更加紧密，土壤干容重增大。另一方面，大气温度升高和太阳辐射增强加快了植株的蒸腾作用，从而提高了根系吸水的速率，土壤温度的升高也加快了根系吸水的速率，土壤耕作层内的植物根系吸水速率增大，导致土壤含水量降低，土壤干容重增大[11]。

2.2 土壤容重的年内变化分段特性与机理

由图1可以看出：试点1与试点2土壤容重的年内变化过程大体相似，可以分为5个阶段：播种后容重陡增阶段、播种后容重缓增阶段、雨期容重陡增阶段、雨期容重波动阶段和容重缓降阶段。以下分阶段对表层土壤容重的变化特性和机理进行分析。

(1)播种后容重陡增阶段(4月22日-5月17日)。玉米播种后的半个月内，表层土壤容重快速增大，试点1与试点2耕作层土壤容重平均增长率分别为17.27%和10.71%。土壤耕作层容重在播种后快速增长的原因有：①农民在播种前会对耕作层土壤进行翻松，土壤翻耕后改变了地表耕层土壤紧实度，颗粒间呈点接触，颗粒间的搭接形成较大的架空孔隙，孔隙颗粒之间堆积变疏松。播种后，原本疏松的土壤在自重、小降雨和农民的耕作活动的压力下，结构中的架空孔隙发生崩塌，土体颗粒随孔隙的塌陷而向下沉降，孔隙率降低，土壤变密实。②由表1可知，在播种后容重陡增阶段，试验区有频繁的小降雨，累计降雨量为41.7 mm，持续的小降雨使得表层黄土深陷，产生了较大的湿陷性变形，因此，在受多次小雨水浸湿后容重发生明显增大。③在此阶段内，处于半干旱区的试验区降雨量很小，随着温度的不断升高，蒸发量速度增快，土壤脱水过程加快，地表土壤水分含量会在降雨之后的一段时间内快速下降，也是导致土壤容重稳定上升的原因之一。

(2)播种后容重平缓增长阶段(5月18日-7月14日)。此阶段内表层土壤在降雨和人为等压力的作用下沉降已基本完成，容重随作物的生长缓慢增加，试点1与试点2的增长率分别为3.88%和8.06%。

(3)雨期容重陡增阶段(7月15日-7月30日)。第一次大降雨后试点1和试点2的表层土壤容重均达到了生长期内的最大值，表层土壤的湿陷过程已基本完成。表现为以上特性的原因有：①雨滴对土壤的机械击打压实作用明显。此阶段内降雨频繁并且降雨量较大，累计降雨量为94.5 mm。大降雨破坏了土壤中由较小颗粒团聚成的团聚体，分散的土粒会进入土壤的孔隙从而减小了孔隙度，使得土壤的密实度增大，土壤的容重增大。②降雨导致耕作层土壤含水量波动较大。大降雨后土壤表层含水量急剧增加，土壤含水率经常接近田间持水量水平，这时，土壤容重似乎有减小的趋势，但此时土壤水分的蒸发强度是由大气蒸发能力决定的最大可能蒸发强度----潜在蒸发强度[12,13]，较大的蒸发强度导致土壤含水量急剧减小，又会导致土壤容重的增加。③此外，此阶段各次降雨量较大，雨水可入渗到土壤的深层，导致深层(10～20 cm)土壤发生湿陷，发生较大土壤结构变形，即深层土壤在这一阶段完成湿陷变形过程，使耕层土壤容重值达到最大值。

(4)雨期容重波动阶段(7月30日-9月25日)。此阶段累积降雨量为134.6 mm，但此前表层土壤已经经历过多次降雨的机械作用，已基本完成湿陷变形过程，此阶段内土壤的湿陷变形几乎没有，影响土壤容重的主要因素一方面为降雨的打击压实作用，另一方面是作物根系充分发育使土壤变疏松，孔隙率变大。

(5)容重平缓下降阶段(9月26日-11月11日)。玉米收割后耕作层土壤容重缓降的原因是：本阶段内试验区几乎没有降雨，表层土壤容重出现缓降主要是由于本阶段内温度仍较高，收获后作物根系腐烂，微生物活动分解土壤中的腐殖质，在一定程度上提高了耕层土壤孔隙度，改善了土壤通气状况，土壤容重降低缓慢。

由图1还可以看出，试点1表层土壤容重在第一阶段和第三阶段的增加幅度明显大于试点2相应阶段的增加幅度，试点1在第一阶段和第三阶段的增加幅度为17.27%和7.46%，试点2的增加幅度分别为10.71%和5.22%。这是由于试点1和试点2的土壤质地有所差异，土壤容重反映了土壤本身的性质，其变异性与土壤质地有很大关系[14]。由表1可知，试点2耕作层土壤粉粒和砂粒的质量分数相较于试点1的大，土粒间接触面积较小，土体中大孔隙居多，土体的结构较疏松，降雨后土壤中分散的小颗粒随水流下渗并填充于大孔隙之间，使土体变得密实，土壤结构在水平与垂直方向上发生的收缩变化要大，土壤容重会明显增大。而试点1耕作层土壤黏粒含量较多，土壤结构较密实，降雨后土壤结构发生的变化要比砂粒多的土壤小，土壤容重增加的幅度自然要小一些。

2.3 耕作层土壤容重的年内分层变化特性与机理

图2为试点1分层土壤容重年内变化及降雨量的年内分布图。

由图2可以看出，表层土壤容重的年内分层变化特性是：

图2 试点1分层土壤容重及降雨量年内分布

(1)耕作层不同深度的土壤容重的年内变化趋势相似，但10～20 cm土层容重在3个阶段始终处于最大。10～20 cm土层容重在3个阶段都处于最大的原因在于：虽然黄土的湿陷性和压实性对各层土容重都会产生影响，但由于10～20 cm土层承担的土壤自重较大，黄土的湿陷和压实作用更为明显；此外，水分的入渗会将土壤中分散的细小颗粒带到深层土壤中，细小颗粒的持续堆积也会使得深层土壤的容重增大。

(2)0～2 cm土层和2～10 cm土层容重的变化过程在不同时期具有不同的相对关系。试点1在7月10日之前，0～2 cm土层容重(平均值1.2 g/cm3)>2～10 cm土层容重(平均值1.14 g/cm3)；从7月10日到玉米收割后，0～2 cm土层容重(平均值1.33 g/cm3)却<2～10 cm土层容重(平均值1.37 g/cm3)。7月10日之前0～2 cm土层容重大于2～10 cm土层容重的原因有：①由图2可知，在此阶段内，试验区小降雨(<15 mm)发生了18次，频繁的耕作活动和持续小降雨对表层土壤的机械击打作用使得表层土壤变实；②由于表层土壤接受太阳辐射后温度升高较快，加上空气流动作用，使得表层水分蒸发迅速，土壤脱水过程增快，土壤容重在降雨后增加快；加之此时段内降雨量较小，土壤的湿陷性只对表层0～2 cm土层容重的影响较为明显；③在此阶段内，上层土壤温度较下层的高，土壤中微生物活动更为剧烈，会使土壤孔隙率有所增大，土质会疏松一些。所以在7月10日之前，0～2 cm土壤容重大于2～10 cm土壤容重。而7月10日以后试验区降雨量增大，表层土壤吸水，增大了土壤表层与下层之间的水势梯度，水分更多地下渗到深层，土壤的湿陷性和压实性又导致2～10 cm土壤容重大于0～2 cm土壤容重。

3 结 语

(1)玉米生长期内耕作层土壤容重总体表现为随时间增大的趋势，增大幅度在10.71%～17.27%；其变化过程可以分为5个阶段：播种后容重陡增阶段、播种后容重平缓增长阶段、雨期容重陡增阶段、雨期容重波动阶段和容重缓降阶段；大降雨对容重的影响非常明显，第一次大降雨后表层土壤容重达到最大值，湿陷变形过程基本完成，主要是由于雨滴机械击打和水化作用破坏土壤结构中的团聚体，同时黄土的湿陷性是表层土壤容重发生变化的内在原因。

(2)不同深度土壤容重的年内变化趋势大体相似；在玉米生长期内，10～20 cm土壤容重在3个阶段始终最大，由于小降雨的影响，在主汛期到来之前，0～2 cm土壤容重>2～10 cm土壤容重，而主汛期间，0～2 cm土壤容重<2～10 cm土壤容重；由此可见，降雨量对不同对耕作层土壤容重影响的深度也不同，大降雨对较深层土壤容重的影响更大。

影响土壤容重的因素多而复杂，本文基于土壤容重的田间试验，对影响土壤容重的因素做出了以定性为主的讨论，对于土壤容重定量预测还需要进行进一步的研究。

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