东北主要类型旱田土壤持水特性研究

王秋菊，焦 峰，刘 峰，常本超，姜 宇，米 刚，周 鑫，朱宝国

(1.黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086；3.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319；4.黑龙江省农业科学院黑河分院，黑龙江 黑河 164300；5.黑龙江省农业科学院佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154000)

土壤水是土壤最重要的组成部分之一，不仅参与土壤的形成过程，直接影响着土壤的理化性质和肥力，也是作物吸水的主要来源[1]。土壤持水特性是对土壤水分有效性的一种反映。一般认为，低吸力下(0～100 cm H2O)土壤持水量主要决定于毛细管作用和孔径分布，也就是受土壤结构影响；高吸力范围土壤保持的水主要受土壤质地和土壤比表面积的影响[2-4]。不同土壤由于其质地和结构存在差异，对土壤水分保持特性也不一致。研究调查土壤持水特性对改良土壤、利用土壤具有重要意义[5-8]。东北地区地处我国东北部，属于温带大陆性季风气候，是中国湿润的东部季风区和干旱的内陆之间的过渡地带，耕地土壤类型较多，土壤质地、有机质含量、土壤结构差异较大，造成土壤持水特性存在差异[9-10]。过去在土壤持水特性方面研究多集中在田间持水量、饱和含水量方面，缺乏对土壤水分数量与能力的动态变化研究。本文针对东北地区的主要旱田土壤，开展对不同类型土壤水分特征曲线、土壤水库容等方面的持水特性研究，并对土壤持水特性与土壤性质进行相关分析，为制定改良低产土壤计划，合理利用土壤水分，提高土壤产能、抵御自然灾害提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为东北地区5类主要耕地土壤，分别为采自黑龙江省依安县地区的黑土、黑龙江省兰西县的碱土、辽宁省阜新县的褐土、黑龙江省曙光农场的草甸土、黑龙江省青龙山农场的白浆土。具体取样地点、取样地点地理坐标及土壤基本特性见表1。黑土肥力水平较高，土壤质地砂、粘比较适中，属于壤土；碱土肥力水平低，pH值高；褐土肥力较低，土壤质地砂质；草甸土肥力水平高，土壤质地粘重；白浆土肥力水平低，质地属于粉砂质。各类土壤种植作物均为玉米。

表1 供试土壤基本情况

1.2 采样方法

土壤样品采集于2015年秋季作物收获后，选取典型旱田耕地土壤，样品采集包括原状土取样和非原状土取样。采用取土器用100 cm3环刀采取原状土壤样本，采样层次按照0～10、10～20、20～30 cm分层进行，每层分别采集3个样本，采取的原状土(环刀)样品用胶带密封后带回实验室待测；非原状土样本随机多点取样，样品混合后带回实验室风干，过筛除去异物后备用。

1.3 测定指标及方法

土壤化学指标测定：土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定，土壤pH值采用pH计电位法测定[11]。

土壤物理性质测定：土壤粒级组成采用MS2000激光粒度仪进行测定；容重采用烘干法测定[12]。

土壤水分特征曲线测定方法：0～150 cm H2O吸力段用DIK-3343型土壤pF测定仪(日本生产)测定，150～16 544 cm(H2O)吸力段用1500F1型压力膜仪(美国生产)测定。采用RETC软件对测得的数据按照Van Genuchten模型[13]进行非线性拟合，方程如下：

θ=θr+(θs-θr)/[1+(ah)n]m

(1)

式中：θ为土壤体积含水量(%)；h为土壤水吸力(cm H2O)；θs和θr分别为土壤饱和含水量和剩余含水量(%)；a、m和n是拟合参数。

采用Gardner模型，幂函数经验公式如下：

θ=Ah-B

(2)

式中:θ为体积含水量(%)；h为土壤水吸力(cm H2O)；A、B为参数。

土壤比水容量C(θ)，是土壤水吸力增加(或减少)一个单位时所释放(或吸收)的水量[14]。比水容量在数值上等于水分特征曲线的斜率，其表达方式可以通过对Gardner土壤水分特征曲线求导而得，具体公式如下：

C(θ)=ABh-(B+1)

(3)

土壤水库容由下式求出：

ν=10hω

(4)

式中，ν为厚度h土层的储水量(mm)；h为土层厚度(cm)；w为土壤体积含水量(%)。水吸力在63 cm以上土壤中保持的水量为土壤水库容，水吸力在63～6 618 cm的压力间土壤保持的水量为速效水库容，水吸力在6 618～16 544 cm压力间土壤保持的水量为迟效水库容，速效水库容和迟效水库容之和为土壤有效水库容，水吸力大于16 544 cm压力下土壤保持的水量为无效水库容。

1.4 数据分析

采用Excel 2003软件和RETC 6.02软件对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 土壤水分特征曲线拟合模型

土壤水分特征曲线是土壤水的能量和数量之间的关系，是研究土壤水分保持和运动所用到的反映土壤水分的基本特性曲线。本研究通过测定不同水吸力条件下土壤水分，获得土壤实测水分数据，通过Van Genuchten模型和Gardner模型对水吸力与对应土壤持水量进行模型拟合。结果表明，该曲线符合Van Genuchten和Gardner模型方程，且两拟合模型与实际测量值的相关性极显著。表2中为各方程相关系数，从实测值与模型相关性看，均达到显著水平。

表2 拟合模型相关性分析

注：n=8；VG 模型：Van Genuchten 模型；GD模型：Gardner 模型。

从表3拟合模型参数看，褐土的饱和含水量要低于其它土壤，土壤质地由砂到粘，其参数饱和含水量会增高，草甸土质地最粘重，≤0.002 mm的颗粒含量最高，细小孔隙数量亦增多，毛管持水作用逐渐增强，再因随粘粒含量增多，土壤整体的比表面积增大，吸附力增强，这两方面的原因共同使得土壤各吸力段持水能力随质地由砂到粘增强。白浆土≤0.002 mm的颗粒含量与黑土、碱土相近，但0.002～0.02 mm颗粒含量较大，所以其持水能力高于黑土和碱土，褐土在调查的土类中，质地较砂，其它参数变化无明确解释。Garden模型中A值越大，表示土壤的持水能力越大，黑土和褐土与其它土壤相比，整体持水能力要低。两种模型拟合结果基本相近。

表3 不同拟合模型参数

2.2 土壤水分特征曲线

上面两个拟合模型都与实测值显著相关，但VG模型相关性整体高于GD模型，用实测值进行VG模型的拟合绘制水分特征曲线。从图1土壤水分特征曲线看，不同类型土壤体积含水量间差异较大，这种差异在0～10 cm土层表现的尤为明显，越往下层差异逐渐减小。从0～10 cm土层土壤水分特征曲线看，在0～1 500 cm吸力阶段，白浆土土壤体积含水量一直处于最高水平，草甸土次之，黑土在吸力为0时的土壤含水量与草甸土相近，但随土壤水吸力增加，土壤含水量降低，土壤水吸力大于63 cm时，黑土的土壤含水量低于碱土，高于褐土，褐土的土壤水分特征曲线一直处于较低水平；在高于1 500～16 544 cm的高吸力阶段，草甸土土壤体积含水量最高，白浆土次之,0～10 cm土层土壤的持水能力大致为草甸土>白浆土>碱土>黑土>褐土。

注：BSMV、BSTV代表黑土实测值和理论值；ASMV、ASTV代表碱土实测值和理论值；CSMV、CSTV代表褐土实测值和理论值；MSMV、MSTV代表草甸土实测值和理论值；PSMV、PSTV代表白浆土实测值和理论值。

图1土壤水分特征曲线

与0～10 cm土层土壤相比，10～20 cm土层各类土壤水分特征曲线分散度相对较小。从10～20 cm土层水分特征曲线看，草甸土、白浆土、碱土这3类土壤含水量处于较高水平，在0～63 cm的低吸力阶段，白浆土的含水量最高，在土壤水吸力大于63 cm之后，碱土水分特征曲线处于最高水平，白浆土和草甸土接近，在16 544 cm水吸力条件下，这3类土壤的含水量趋于一致；与上述3类土壤比，黑土的土壤含水量较低，褐土土壤含水量最低。

20～30 cm土层各类土壤水分特征曲线发生了规律性的分异，草甸土和碱土土壤含水量处于较高水平，草甸土高于碱土，黑土、白浆土、褐土处于较低水平，黑土高于白浆土，褐土最低。

2.3 土壤比水容量分析

参照李卓等[14]关于土壤比水容量的拟合模型，得出不同类型土壤的比水容量。从表4看出，不同土壤的比水容量随土壤水吸力的增加而明显降低，水吸力在低吸力阶段，各土壤的比水容量高，说明土壤释水能力大，水吸力由小至大变化时，土壤的储水孔隙则由大至小变化，所以在低吸力阶段，吸力变化引起大孔隙排水，排水量较大，相应的比水容量就大，随吸力增大，土壤储水孔隙的孔径变小，孔隙体积变小，排水量减小，比水容量也就相应减小。褐土的比水容量在各吸力下最高，说明褐土释水能力强，大孔隙较多，黑土在低吸力条件下，比水容量也较高，说明黑土的大孔隙多，排水力强。草甸土的比水容量最低，说明草甸土小孔隙多，一般质地粘重的土壤大孔隙少。

2.4 土壤储水库容

从0～30 cm土层土壤水库容研究结果(图2)来看，碱土、草甸土、白浆土土壤水库容总量最高，褐土和黑土较低；从土壤有效水库容来看，褐土土壤有效水库容量最高，速效水库容量也最高，其次分别为白浆土、碱土、黑土，草甸土最低；草甸土总库容量大，但无效水库容占有比例高，有效水库容低，这类土虽保水，但供水能力低，土壤不耐旱，碱土、白浆土与其类似，褐土水库容虽然低，无效库容也低，所以即使这类土含水量低于其它土壤，但仍可供植物对水分的吸收。

2.5 土壤水相关性分析

将土壤水分数据与表1中土壤基础数据进行相关分析。从分析结果(表5)看出，土壤饱和含水量与土壤容重呈极显著负相关，土壤容重越高，土壤饱和含水量越低，与土壤其它特性指标无显著相关性；土壤有效水库容和无效水库容与土壤的颗粒粒级组成密切相关，有效水库容与直径在0.002～0.02 mm土壤颗粒含量呈显著负相关，与直径在0.02～2 mm土壤颗粒呈显著正相关，与直径<0.02 mm土壤颗粒呈极显著负相关，从表1中看出褐土中直径在<0.02 mm土壤颗粒最少，有效水库容最高，草甸土<0.02 mm土壤颗粒最多，有效水库容最低。说明土壤颗粒直径越大，土壤有效水库容越高，无效水库容与不同直径的土壤颗粒也呈显著或极显著相关，相关性与有效水库容相反。土壤有机质含量对土壤水分没有显著影响。

表4 不同土壤比水容量 [μl/(g·cm)]

图2 土壤水库容

表5 土壤性质与水分指标相关性分析

注：*、**分别表示显著和极显著相关。

3 讨论

土壤水分特征曲线反映了土壤水分数量与能量之间的关系,也反映了土壤保持水分的状况及能力,土壤水分特征曲线是研究土壤持水特性的重要依据之一[15]。土壤的持水特性与土壤质地、结构密切相关，不同类型土壤由于其质地、结构等存在差异，必然影响土壤的持水特性。本研究中的土壤均是东北地区的主要耕地土壤，通过土壤水分特征曲线可以看出，不同土壤的持水特性有差异，且不同土层间差异不一致，各类土壤表层土持水特性的差异大于下层土壤，不同土壤的下层土持水特性趋于一致。另外，从文中可知，总持水量高的土壤，可被植物利用的有效水持水量并不高，如草甸土、碱土；而总持水量低的土壤，如褐土、黑土，其有效持水量高，释水能力强，可被植物利用的水分多，这些土壤在同等含水量的前提下，或者说干旱条件下，褐土和黑土比草甸土、碱土、白浆土耐旱。土壤饱和含水量是土壤可保持的最大水量，与土壤容重呈极显著相关，容重越大的土壤，单位体积内土壤孔隙越少，土壤紧实，饱和含水量低，褐土土壤容重高，饱和含水量在各类土中最低，但土壤有效持水量与容重没有相关性，与土壤的<0.02 mm的颗粒呈极显著负相关，与0.02～2 mm的颗粒含量呈显著正相关，这也是草甸土、白浆土、碱土土壤有效水库容低的主要原因，而无效水库容与土壤颗粒的关系则相反。所以提高土壤总持水量，要保证土壤松紧适宜，降低土壤容重，另外要改善土壤质地，使粘、粉、砂粒达到合理的比例，才能提高土壤的有效持水能力，提高土壤抗旱、减灾的能力。在关于提高土壤持水量方面的研究也比较多，有从改善土壤物理性质方面，通过施有机肥、生物炭、秸秆等有机物料改善土壤的不良物理性质，改善土壤结构，提高其持水能力，增加土壤有效持水量[16-19]；也有通过耕作、客土、掺沙等措施改善土壤质地来提高土壤有效水持水能力，还有通过不同作物轮作，通过植物根系改变土壤紧实状态，提高土壤的持水性[20-23]。不同土壤其持水特性有差异，了解不同土壤的持水特征，对制定合理的改良措施具有重要意义。

4 结论

4.1 本文通过压力膜法得出不同水柱压力下土壤水分实测值，利用Van Genuchten和Garden模型进行拟合，与实测值相关性极显著，并通过Van Genuchten模型绘制土壤水分特征曲线，从曲线看出，各类土壤的理论值与实测值相关性显著，土壤水分特征曲线可以反映土壤持水特性。

4.2 不同类型土壤持水特性存在差异，0～10 cm土层各土壤水分特征曲线差异大、曲线分散，草甸土、白浆土、碱土含水量在各压力下均处于较高水平，褐土最低，黑土居中；10～20 cm土层土壤在低吸力阶段差异仍较大，高吸力阶段差异小，褐土最低，草甸土、白浆土、碱土趋于一致，黑土居中；20～30 cm土层各差异减小，褐土、碱土、黑土趋于一致，褐土和黑土虽然含水量低，但释水能力强，单位压力下释放的水量高。

4.3 土壤饱和含水量、有效持水库容和无效水库容受土壤不同指标影响，饱和持水库容与容重极显著负相关，土壤有效持水库容与土壤大颗粒及土壤的<0.02 mm的颗粒呈极显著负相关，与0.02～2 mm的颗粒含量呈显著正相关，草甸土、碱土、白浆土饱和持水库容高，但有效库容低，与褐土、黑土相反，提高土壤持水能力要根据土壤的特性提出对应措施。