蓄水坑灌坑深对土壤氧气分布的影响

雷 震，郭向红，雷 涛，路明杰，孙西欢,2，马娟娟，张少文

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西 晋中 030600)

0 引 言

良好的土壤氧气状况是保证果树正常生长发育的必要条件。适宜的土壤氧气条件能够改善果树根系呼吸作用[1]，促进果树生长发育，进而实现果树增产提质[2-4]。传统农业灌溉模式按照湿润土壤方式不同可分为沟灌、畦灌、漫灌、淹灌，水从地表面进人田间并借重力和毛细管作用浸润土壤，是目前应用最为广泛的灌溉模式，但灌溉水对空气的驱替作用会引起土壤根区发生间歇性低氧胁迫问题，不利于果树生长和产量形成[5]。在改善土壤氧气状况方面，国内外学者主要围绕增氧灌溉开展了大量研究工作。已有研究表明，增氧灌溉能改善作物根区的生长环境[6]，促进根系生长[7]，提高作物的光合作用效率[8]，增加作物生长速率，提高作物产量及品质[9, 10]。这些研究工作主要集中在土壤氧气状况的定性研究方面，而定量方面研究报道较少[11]。通过建立土壤氧气分布模型，能为准确描述土壤氧气分布特征提供量化工具，但现有研究报道较少，有待进一步深入。蓄水坑灌法[12, 13]是一种有助于改善土壤氧气状况的新型中深层立体灌溉方法，蓄水坑壁能够增加土壤与大气间的接触面积，进而改善土壤通气条件，可以有效避免传统灌溉方法的低氧胁迫问题。坑深[14]是蓄水坑灌法的重要技术参数之一，不同坑深会对土壤氧气产生多大的影响还不是很清楚。开展不同蓄水坑深条件下土壤氧气分布特征研究，对于完善蓄水坑灌技术具有重要的理论和实践意义。近20 a，国内外学者主要围绕蓄水坑灌条件下土壤水氮迁移分布特征[15]、果树生理响应[16]、土壤微生物活性[17]等方面进行了大量研究工作，然而在土壤氧气方面的研究报道较少。不同坑深条件下土壤氧气分布特征还尚不明确，哪种坑深条件更有利于改善土壤通气条件也有待进一步深入研究。

本文拟通过蓄水坑灌条件下田间试验，探明不同坑深条件下土壤氧气一维垂向、径向及二维空间分布特征，构建蓄水坑灌土壤氧气分布量化模型。研究成果可进一步丰富蓄水坑灌理论，为合理确定蓄水坑深提供理论依据，为合理调控果园根区土壤气体环境提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于2019年4-10月在位于山西省晋中市太谷县的山西农科院果树研究所苹果园中进行。试验区的地理坐标为东经112°32′，北纬37°23′，海拔781.9 m。所在区域属于典型的大陆性半干旱气候，多年平均气温9.8 ℃，无霜期175 d，平均降雨量460 mm。受季风影响，年内降雨严重不均，6-9月间降雨量大，占60%以上，12月至次年2月降雨很少，仅占2%左右。试验区土壤为粉(沙)壤土，质地比较均一。土壤干容重为1.47 g/cm3，饱和含水率为49.21%，田间持水率为30%(体积含水率)，灌溉水源为地下水。试验用果树品种为“长富二号”，均选择7 a生的矮砧苹果树为试材。

1.2 试验设计

本试验选取园区长势优良，生长形态接近的6棵苹果树进行试验研究。试验以蓄水坑坑深为控制因子，设坑深40 cm(T1)和60 cm(T2)2个处理，重复3次，每棵树为一个试验小区。苹果树种植方向为南北向，株行距分别为2 m和4 m。采用蓄水坑灌法进行灌溉，布置方式为每株果树周边均匀布置4个直径为30 cm的圆柱体蓄水坑，坑壁距树干中心位置60 cm。坑底采用土工布垫底作隔水处理。各处理灌水上、下限均为90%和60%田间持水率。

1.3 测定指标及方法

土壤氧饱和度：采用13.05.01型土壤原位氧气测定仪(上海赛弗生物科技有限公司)进行测定。在距离树干中心30、50、100、120 cm径向位置处布置土壤氧气测点。在各个径向位置处，沿垂向每20 cm一层布置测点，测定深度为120 cm，共6层。测点布置见图1。

图1 测点布置(单位：cm)Fig.1 The layout of measuring points

1.4 数据处理

选用数据为9月27日3个重复的平均值。采用Microsoft Office Excel 2016软件进行原始数据处理，采用1stopt 1.5软件进行数学建模，采用SPSS 25进行统计学分析，采用AutoCAD 2019、Origin 2019 软件进行绘图，图中数据以平均值±标准差形式呈现。

2 结果与分析

2.1 不同坑深条件下土壤氧气一维垂向分布特征

图2为蓄水坑灌条件下距树干不同径向位置(r为30、50、100、120 cm)土壤氧气一维垂向分布特征。由图2可知，在距树干同一径向位置处，不同坑深处理后土壤氧饱和度随土层深度增加呈现指数型下降趋势。以40 cm坑深处理为例，进行土壤氧气一维垂向分布特征分析。地表处土壤氧饱和度为1，则在各个径向位置处，土层20、40、60、80、100、120 cm深度位置处土壤氧饱和度分别比地表处下降了1.9%～2.8%、3.1%～3.6%、3.9%～4.3%、4.4%～4.9%、4.8%～5.7%、5.2%～5.9%。这表明，0～40 cm深度范围内土壤氧饱和度下降速率较40～120 cm范围的快，并且40～120 cm深度范围的土壤氧饱和度下降速率随深度增加呈下降趋势。这是由于土壤氧气主要来源于大气，距离地表越近时，大气进入土体后的扩散路径越短，土壤越容易与大气进行气体交换，土壤氧气供应越充足，氧饱和度越高。由统计分析还可知，在r为30、120 cm径向位置处，2个处理间垂向数据存在显著性差异(P<0.05); 在r为50、100 cm径向位置处，2个处理间垂向数据存在极显著性差异(P<0.01)。坑深60 cm的处理，各层(20、40、60、80、100、120 cm)土壤氧饱和度分别比40 cm处理高0.10%～1.33%、0.30%～1.29%、0.80%～1.20%、1.00%～1.32%、1.00%～1.88%、1.20%～1.98%。由此说明，在任意径向位置处，60 cm坑深处理下各层土壤氧饱和度均略微高于40 cm坑深处理。这是由于60 cm坑深处理条件下土壤临空面积大于40 cm坑深处理，相对40 cm坑深处理，经60 cm坑深处理后的土壤坑壁面积(土壤-大气交换界面)能够增加33.3%，气体交换更容易发生，土壤氧气补给会更充足。

图2 不同坑深条件下土壤氧气一维垂向分布特征Fig.2 One-dimensional vertical distribution characteristics of soil oxygen under different pit depths

为了进一步描述蓄水坑灌不同坑深条件下土壤氧气一维垂向分布特征，建立了土壤氧饱和度一维垂向分布模型OS(z)：

OS=aeb z

(1)

式中：OS为土壤氧饱和度；z为土层深度，cm；a、b为拟合参数。

模型参数见表1。由表1可知，不同坑深的土壤氧饱和度一维垂向分布模型OS(z)的决定系数R2为0.869 4～0.983 8，均值为0.923 9。说明该模型能够较好地模拟蓄水坑灌不同坑深条件下土壤氧饱和度一维垂向分布特征。在OS(z)模型中，参数b能够反映土壤氧饱和度沿垂向变化速率的快慢程度，其绝对值越大，土壤氧饱和度变化速率越快。由表1可知，在距离树干30、50、100、120 cm特征位置处，40 cm坑深处理的参数b分别是坑深60 cm处理的2.70、1.12、1.12、2.49倍。这说明40 cm坑深处理的土壤氧饱和度沿垂向变化速率要高于60 cm坑深处理，这与图2分析结果一致。

表1 不同坑深条件下土壤氧气垂向分布拟合参数Tab.1 Fitting parameters of vertical distribution of soil oxygen under different pit depth conditions

2.2 不同坑深条件下土壤氧气一维径向分布特征

图3为蓄水坑灌距地表不同土层深度处(20、40、60、80、100、120 cm)土壤氧气一维径向分布特征。以坑深60 cm处理为例，进行土壤氧气一维径向分布特征分析。在各土壤深度位置(20、40、60、80、100、120 cm)处，距离树干50、100、120 cm位置处的土壤氧饱和度相对30 cm径向位置处分别变化了0%～1.93%、0%～1.29%、0%～0.80%、0%～0.4%、0%～0.3%、0%～0.2%。蓄水坑壁处(径向距离60、90 cm)土壤氧饱和度非常接近大气。由此说明，在同一土层深度处，不同土壤氧饱和度随径向距离增加呈先增加后减小的趋势，在坑壁处达到最大，但变化并不太明显。这可能与果树根系呼吸强度、土壤-大气接触面积及气象条件有关。距离树干越近处，根系分布越密集，根系呼吸强度越大，土壤氧气含量越低。蓄水坑增加了土壤-大气接触面积，坑中气体更容易向周围土壤中扩散，坑壁周边土壤氧气能得到及时的补给和更新，使近坑壁位置处土壤氧饱和度较高。蓄水坑壁形成的临空面与大气直接接触，受气象条件的影响，坑壁周边水分蒸散量较大，造成土壤孔隙度增加，附近土壤氧气更易得到补给，因而近坑壁处土壤氧饱和度比距离坑壁远处的高。由统计分析可知，在20、40 cm垂向位置处，2处理的数据差异不显著；在60、80、100、120 cm垂向位置处，2处理间数据差异极显著(P<0.01)。60 cm处理的各径向位置(30、50、100、120 cm)土壤氧饱和度分别比40 cm处理大0.20%～1.94%、1.20%～1.60%、0.84%～1.20%、0.10%～1.80%。由此说明，在任意垂向位置处，60 cm坑深处理下各径向位置土壤氧饱和度均高于40 cm坑深处理。这是因为60 cm坑深处理较40 cm坑深处理具有更大的气体交换界面，土壤-大气间气体交换会更频繁，扩散进入到土壤中氧气量相对就更多。

图3 不同坑深条件下土壤氧气一维径向分布特征Fig.3 One-dimensional radial distribution of soil oxygen under different pit depth conditions

为了进一步描述蓄水坑灌不同坑深条件下土壤氧气一维径向分布特征，以蓄水坑中心点为坐标原点，建立了土壤氧饱和度一维径向分布模型OS(x)：

OS=ced x2

(2)

式中：OS为土壤氧饱和度；x为距离蓄水坑中心点的水平距离，cm；c、d为拟合参数。

模型参数见表2。由表2可知，模型OS(x)决定系数R2都在0.8以上，拟合精度较高。分析模型参数还可知，模型指数部分趋近于常数1，氧饱和度主要取决于参数c。由此表明，径向距离对土壤氧饱和度的影响较小，这也与前文图中反映的规律一致。

表2 不同坑深条件下土壤氧气径向分布拟合参数Tab.2 Fitting parameters of soil oxygen radial distribution under different pit depth conditions

2.3 不同坑深条件下土壤氧气二维空间分布特征

图4为蓄水坑灌不同坑深条件下土壤氧气二维空间分布特征。由图4可以看出，不同坑深处理下，土壤氧饱和度随垂向深度增加呈现下降的趋势，随径向距离增加呈现先增加后减小的趋势。采用统计学方法对坑两侧数据进行分析可知，坑两侧氧饱和度相似，不存在显著性差异。且由图4可以看出，影响土壤氧饱和度的主要因素是土层深度，在较浅土层处土壤氧饱和度随深度的变化幅度较大。不同坑深处理下，坑两侧的土壤氧饱和度基本上是以通过坑中心点的纵轴为基准对称分布的。这表明，蓄水坑灌条件下，土壤氧饱和度主要与距蓄水坑坑壁的距离及蓄水坑深有关，而与距树干中心点的距离关系不大。由图4还可知，40 cm坑深处理土壤氧饱和度在0.98以上的区域主要集中在垂向0～60 cm和坑壁周边20 cm范围内；60 cm坑深处理土壤氧饱和度在0.98以上的区域主要集中在垂向0～80 cm和蓄水坑坑壁周边20 cm范围内。由此说明，在相同氧饱和度条件下，60 cm坑深处理相对40 cm坑深处理氧气分布范围更大。60 cm蓄水坑相比40 cm蓄水坑，更有助于提高大气与土壤的气体交换能力，提高土壤氧饱和度，改善果园根区的土壤含氧状况。

图4 不同坑深条件下土壤氧气二维空间分布特征Fig.4 Two-dimensional spatial distribution of soil oxygen under different pit depth conditions

为了进一步对土壤氧饱和度二维分布特征进行定量描述，对式(1)和式(2)采用相乘形式进行耦合，构建了土壤氧饱和度二维空间分布模型OS(x,z)：

OS=ke(m x2+n z)

(3)

式中：OS为土壤氧饱和度；x为距蓄水坑中心点的水平距离，cm；z为土壤深度，cm；k、m、n均为拟合参数。

拟合参数见表3。由表3可知，在坑深40、60 cm处理下，模型OS(x,z)的决定系数R2分别为0.955 7和0.808 6，表明该模型能够较好地描述蓄水坑灌条件下土壤氧气二维空间分布特征。

表3 不同坑深条件下土壤氧气二维空间分布拟合参数Tab.3 Two-dimensional spatial distribution fitting parameters of soil oxygen under different pit depth conditions

3 结 论

(1)蓄水坑灌不同坑深处理下土壤氧饱和度随土层深度增加均呈现指数型下降趋势。在同一径向不同深度位置处，60 cm坑深处理的土壤氧饱和度能比40 cm坑深处理下的数值高0.1%～1.98%，处理间数据差异显著。建立了不同坑深处理下土壤氧饱和度一维垂向指数型分布模型OS(z)，模型决定系数R2为0.869 4～0.983 8，模拟精度较高。

(2)蓄水坑灌不同坑深处理下土壤氧饱和度均随径向距离增加呈现先升高后下降趋势。在同一深度不同径向位置处，60 cm坑深处理氧饱和度能比40 cm坑深处理高0.1%～1.94%。在60、80、100、120 cm垂向位置处，2处理间数据差异极显著。建立了不同坑深处理下土壤氧饱和度一维径向指数型分布模型OS(x)，拟合精度较高。

(3)在同一垂向和径向位置处，60 cm坑深处理土壤氧饱和度均高于40 cm坑深处理。 40 cm坑深和60 cm坑深处理对土壤氧气的影响范围分别为垂向0～40 cm坑壁20 cm范围、垂向0～80 cm坑壁20 cm范围，且60 cm坑深处理对土壤氧饱和度的影响范围更广。蓄水坑灌条件下，土壤氧饱和度主要与距蓄水坑坑壁的距离及蓄水坑深有关。建立了不同坑深(40、60 cm)处理下土壤氧饱和度二维空间指数型分布模型OS(x，z)，模型决定系数R2为0.955 7和0.808 6，模拟精度较高。