陕西省长武县黑垆土斥水性的影响因素

2021-08-09帕力夏提格明王维维徐学选

水土保持通报 2021年3期

李凯, 帕力夏提·格明, 王维维, 杜峰, 徐学选

(1.西北农林科技大学草业与草原学院, 陕西杨凌 712100; 2.西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)

土壤斥水性(soil water repellency, SWR)是指土壤不能或者很难被水分湿润的现象。1910年Schreiner和Shorey在调查加利福尼亚土壤的腐殖质时，首次提出土壤“很难被湿润”的概念。此后研究认为斥水性是极性有机质引发，积累有极性的物质的表面，或因为相同极性阻碍水湿润土壤，在干燥化的土壤中斥水性表现突出。但直到上个世纪末，斥水性研究并未得到广泛重视。进入21世纪，土壤斥水性才成为继土壤优先流(soil preferential flow)以后的有关土壤水分运动研究的新热点。国内对土壤斥水性的研究起步较晚[1]，研究成果较少，2010年后才有突破性增长。目前主要集中在斥水性测定[2-3]、空间分布、斥水性与土壤含水量的基本关系[4]、与有机质的关系[5]，斥水土壤中的水及溶质运移方面等[6]。对于黄土区的相关研究尤其薄弱。

黄土母质下的土壤一般不易表现出斥水性[7-8]，因而人们往往忽视了其发生斥水效应的水土流失危险。未来气候暖干化背景下土壤干燥化加剧，并且随着植被恢复进程和人类活动干扰减少，黄土土壤会在干旱环境下积累极性有机质，黄土区土壤或能表现出微弱的斥水性、进而增加土壤斥水引起的水土流失风险。如何消除土壤由亲水到斥水的转变危险，需要对引起土壤发生斥水的因素，如含水量、土壤有机质含量、容重等因素作深入研究。

黑垆土为黄土母质发育的地带性土壤，在中国陕西和甘肃等地分布广泛。豆科作物种植和免耕可以有效提高土壤表层有机质积累[9-10]。本研究选择苜蓿地为免耕地和容易积累极性物质容易的类型，玉米地为翻地整地多、表层土壤中有机质量少、极性往往被打扰的类型，探索黑垆土土壤出现斥水表现的可能条件和影响因素。由于黑垆土仅在干燥和积累一定极性物质情况下才会出现斥水，本文研究土样在低水水平下，添加OCT极性物质情况下使得黑垆土出现斥水的条件，以期为土壤干燥条件下的入渗能力相关研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验土壤采自渭北旱塬的长武水土保持试验站农田生态系统长期定位试验场，位于陕西省长武县城关西2.5 km的十里铺村南1 km旱塬上，塬面平坦宽阔，黄土堆积深厚，海拔1 200 m，年均降雨584.1 mm，年均气温9.1 ℃，无霜期171 d，属温带大陆季风型半湿润易旱气候区。本试验选择2个试验样地，分别是苜蓿连作区和玉米连作区，土壤为黑垆土。土壤基本理化性质见表1。

表1 0-20 cm黑垆土土壤基本理化性质

1.2 材料与方法

1.2.1 样品制备采样时间为2019年10月，玉米地和苜蓿地各选取3个样点，取土深度为0—20 cm，将土样用小刀沿自然裂隙切成1 cm左右的小块后自然风干，取风干土样粉碎，剔除杂质后过1 mm筛备用。

按土壤含水量0%，2%，4%和6%制备4组不同含水量的土壤试样。试样初始为干燥状态，给干土按控制含水量需要喷洒水量搅拌均匀后，密封放入35 ℃恒温烘箱12 h，使水和土混合均匀，此时某一含水量的试样即制备完成，即玉米地、苜蓿地分别制备4个含水量试样。

按3个水平OCT添加量(0.05%，0.10%和0.15%)和3个水平土壤容重(1.3，1.4，1.5 g/cm3)制备4个不同含水量供试土壤样。将OCT研磨至细颗粒后按百分比与不同含水量的土壤混合，密封于25 ℃的室温下放置96 h，获得土壤试样72个。将不同含水量与OCT的土壤按容重1.3 g/cm3，1.4 g/cm3，1.5 g/cm3分别装入土盒内，轻轻平整表面，共获得土样3容重×3 OCT添加量×4含水量水平×3重复×2作物=216个处理，然后对其进行斥水性测定。

1.2.2 土壤斥水性SWR测定方法采用滴水穿透时间(WDPT)法对各土盒内的土壤进行斥水性测定，滴定溶液为25 ℃室温下的蒸馏水，滴定管采用标准滴定管(0.48 ml/滴)，滴头距离土面5 mm，每一个样本滴定7次，记录每滴的入渗时间t，取其平均值作为样本滴水穿透时间，参照WDPT值分级对应的斥水等级[11](表2)。

表2 滴水穿透时间WDPT值分级所对应的斥水等级

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2016进行数据统计和图表构建，SPSS 23.0进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 黑垆土不同处理下的斥水表现比较

SWR与土壤含水量、容重、OCT添加量的差异如图1—2所示。由图1—2可以看出，不同含水量、容重及OCT添加量对SWR均产生一定的影响。黑垆土在没有OCT添加时是亲水性土壤，S1处理的滴定时间均小于5秒，即有一定的OCT加入，仍不能改变黑垆土亲水的性质，2种作物，3个容重的处理中，与黑垆土属于非斥水性土壤的性质十分一致。当OCT添加量为0.10%后，2种土地利用下的土壤均出现不同程度斥水现象，并且OCT添加量达到0.15%时，2种土地利用下的土壤表现出严重斥水；斥水程度随土壤含水量增加(0%～6%)逐渐增强；斥水程度基本符合随容重增加而增强规律，如在2%和4%含水量时，严格遵循容重增加斥水性增强的，只是在0%和6%含水量时有所波动。

图1 玉米地土壤处理样的斥水性测试结果

从图1玉米地和图2苜蓿地可以看出：在0%含水量时，低、中两个水平的OCT添加下，3个容重变化范围内土壤可以维持亲水本质，即完全干燥的黑垆土，在斥水物质添加低于(0.15%)时仍然可以保持亲水本性，当OCT添加到一定量后(0.15%)，无论含水量、容重，黑垆土就不再是亲水的，变化为斥水性土壤。当含水量增加到2%时，只有容重1.3 g/cm3处理组合没有斥水性，其他组合处理的SWR表现为随容重、OCT添加量增加、土壤含水量增加而增大趋势，即土壤容重开始影响到土壤的亲水性质，容重的增加加大了土壤水滴入渗的难度，土壤向斥水性转变。在0%含水量、OCT添加量在0.15%时土壤由非斥水转变为轻微斥水状态，并且随着容重的增加斥水性增强(图1a)。在2%含水量时，SWR随着OCT添加量的增加而增强，并且0.10%和0.15%OCT添加量下，土壤由非斥水转变为轻微斥水或斥水状态(图1b)。在4%和6%含水量的情况下，OCT添加量达0.15%时，WDPT值均大于3 600 s，土壤均表现出极度斥水，其中6%含水量，OCT添加量为0.10%时WDPT值均大于600 s，土壤表现出严重或极度斥水(图1c,1d)。

图2苜蓿地表明：苜蓿地的表现与玉米地的基本一致，反映出土壤质地的影响上不足于含水量，OCT添加量的影响。容重对SWR的影响在低含水量、低OCT添加量时影响不明显；在2%含水量，0.15%OCT添加量和4%含水量，0.10%OCT添加量及6%含水量，0.10%OCT添加量时，SWR表现为随容重的增加而增大。在0%含水量、OCT添加量在0.15%时土壤由非斥水转变为轻微斥水状态(图2a)。在2%含水量时，SWR随着OCT添加量的增加而增强，并且0.10%和0.15%OCT添加量下，土壤由非斥水转变为轻微斥水或斥水状态(图2b)。在4%含水量的情况下，OCT添加量0.10%时，土壤表现为斥水或严重斥水状态，OCT添加量0.15%时，土壤均表现出极度斥水(图2c)。在6%含水量时，OCT添加量为0.10%或0.15%时WDPT值均大于600 s，土壤表现出严重或极度斥水(图2d)。

图2 苜蓿地土壤处理样的斥水性测试结果

2.2 黑垆土SWR影响因素的互作效应分析

交互效应是指两个或者多个因素在对方不同水平上呈现的效应存在差异。由于滴水穿透时间(WDPT)值变幅较大，故取数据的对数进行互作效应分析，结果见图3。图3表明，玉米地和苜蓿地体现出3个因素组合对WDPT值影响具有交互作用。通过多因素方差分析(表3)，玉米地3因素除了显著的直接作用外，仍表现出极显著的交互作用(p<0.001)。包括两因素交互作用。单因子效应分析结果显示，土壤含水量，OCT添加量和土壤容重均存在极显著效应(p<0.001)。说明在玉米地土壤OCT添加量、土壤含水量、土壤容重是主要影响因素，并且各因素间均存在交互效应。0.10%OCT添加量的3个容重下，不同土壤含水量水平之间存在极显著差异(p<0.001)；0.15%OCT添加量，1.4，1.5 g/cm3容重下，0%，2%土壤含水量与4%，6%土壤含水量差异极显著(p<0.001)。

图3 土壤含水量、OCT添加量和土壤容重的互作分析

苜蓿地十分类似玉米地的情况(表3，图3)，土壤含水量、OCT添加量、容重对WDPT值的影响存在3因素交互和2因素的两两交互作用(p<0.001)。

表3 影响SWR的多因素方差分析

苜蓿地与玉米地相比：OCT添加量、含水量的F值降低，容重的F值增强，交互作用的F值均有所增强。这可能与苜蓿地有机质含量和土壤颗粒组成有关，结合表1可知，苜蓿地本身有机质含量高、黏粒含量多，在低土壤含水量情况下，或可积累极性，增加斥水风险。

图3同时反映2种土地利用类型在不同土壤容重下随着OCT添加量增加，土壤含水量对SWR影响的变化趋势：在不同土壤容重下，玉米地和苜蓿地各含水量对SWR的影响随OCT添加量增加均呈上升趋势。其中玉米地在1.3 g/cm3容重时，2%～4%含水量的曲线斜率变化较小，0%含水量斜率先小后大，6%含水量斜率先大后小。较于1.3 g/cm3容重，1.4，1.5 g/cm3容重时，2%～4%含水量的曲线斜率有减小趋势，而6%含水量斜率在中高OCT添加量时趋于水平，0%含水量斜率仍先小后大。苜蓿地与玉米地的情况基本相似，不同在1.5 g/cm3容重时，4%含水量斜率在中高OCT添加量时也趋于水平。说明在中高土壤容重下，各土壤含水量随着OCT添加量的增加，斥水性均会到达顶峰，此时随着含水量增加和OCT的添加，不同土壤处理表现出的斥水性均达到极度斥水级别，需要滴定时间的对数值差异也会变得不明显。

逐步回归分析结果(表4)表明，2类样地OCT添加量对SWR的作用最大，分别可以解释玉米地SWR 54.0%的变异，苜蓿地为56.2%。玉米地中，OCT添加量和土壤含水量共同可以解释SWR 80.1%的变异，而土壤容重没有被归入回归模型中，说明主要影响玉米地的SWR因素为OCT添加量和土壤含水量。苜蓿地OCT添加量和土壤含水量共同可以解释SWR 77.6%的变异，OCT添加量、土壤含水量和土壤容重共同可以解释SWR 78.5%的变异，可以看出在苜蓿地中土壤容重虽然归入到回归模型，但是影响的程度不高。5个拟合模型中，OCT添加量和土壤含水量共同参与下的拟合模型更优，玉米地和苜蓿地的F值分别为220.563，186.636。总体来看，2类样地OCT添加量和土壤含水量对SWR的影响明显大于土壤容重的影响。

表4 滴水穿透时间与各因子的逐步回归分析

2.3 黑垆土由不斥水转变为轻微斥水的条件分析

表5表示土壤由不斥水到轻微斥水转变的条件。由表5可知，玉米地和苜蓿地的出现斥水的条件和具体的WDPT值很接近，即土壤中颗粒机械组成(表1)对斥水性影响不明显，只是相同条件下苜蓿地略微更斥水。具体出现斥水的条件为：玉米地在0%含水量的情况下，只有当OCT添加量达0.15%时，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表现为轻微斥水。在2%含水量的情况下，OCT添加量为0.10%且土壤容重为1.3 g/cm3，1.4 g/cm3时，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表现为轻微斥水；OCT添加量达0.15%且土壤容重为1.3 g/cm3时，土壤表现为轻微斥水。苜蓿地在0%含水量的情况下，只有当OCT添加量达0.15%且土壤容重为1.3 g/cm3，1.4 g/cm3时，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表现为轻微斥水。在2%含水量的情况下，OCT添加量为0.10%时，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表现为轻微斥水，并且WDPT值随着土壤容重的增加而增大；OCT添加量达0.15%且土壤容重为1.3 g/cm3时，土壤表现为轻微斥水；土壤容重为1.4，1.5 g/cm3时，WDPT值大于60 s，土壤表现为斥水。

表5 黑垆土土壤由湿润转变为轻微斥水时的条件及其滴水穿透时间WDPT值

3 讨论

在逐步回归分析中(表4)，OCT添加量和土壤含水量是SWR的主要影响因素，玉米地中，OCT添加量和土壤含水量共同可以解释SWR 80.1%的变异，苜蓿地OCT添加量和土壤含水量共同可以解释SWR 77.6%的变异，与吴珺华等[12]研究云南壤土SWR和OCT含量、含水量呈正相关关系相符。本研究中0.10%OCT添加量下SWR随着土壤含水量的增加而增大，在2%含水量时先出现轻微斥水性，与在对荷兰沙土进行研究时发现，某些土壤在小于2%含水量时SWR会消失的结果相符[13]，也与在改性土壤条件下，OCT含量和砂土土壤含水率影响SWR的结果相符[14]。但是在0%含水量和0.15%OCT添加量时，土壤仍然从不斥水转变为斥水状态，说明即使在干燥的土壤条件下，随着OCT添加量增加到一定程度，土壤仍会表现出斥水性质。根据图3中0%土壤含水量的曲线变化趋势，可以推测随着OCT的继续增加，SWR可能会达到严重甚至极度斥水水平。杨松等[2]对土壤颗粒理想模型的研究认为，砂土的密实度对斥水性也有重要影响：当砂土比较密实时，土壤的“亲水”与“斥水”特性对含水量特别敏感，随含水量的变化，土壤可能由亲水性较好的土壤转变为斥水性土壤；当砂土比较松散时，土壤颗粒的斥水性对含水量并不敏感，说明容重也可能是影响SWR的因素之一，本研究发现容重的影响在非干燥土壤、中高OCT添加量时，表现为随容重增加，斥水程度增强，随着含水量和OCT添加量的增加，这种趋势变得不明显，可能是在较高的含水量和OCT添加量的影响下，各因素间存在交互效应，容重对于SWR的影响被削弱。另一方面，逐步回归分析中，玉米地的土壤容重未被纳入回归模型，苜蓿地的容重虽被纳入第3个模型，但是对于解释度的贡献较小，只比OCT添加量和土壤含水量的回归模型高0.9%，F值减小了55.25(表4)。在本研究中，互作效应分析显示，苜蓿地与玉米地的土壤含水量、OCT添加量、土壤容重不仅单独显著影响SWR，而且各因素之间存在交互效应(表3)。其中2类样地土壤容重单独对SWR影响的F值均小于OCT添加量和土壤含水量，基本符合逐步回归分析中，OCT添加量和土壤含水量对SWR的影响明显大于土壤容重的影响的结果。交互效应说明土壤容重、土壤含水量与OCT添加量之间存在不同水平的组合影响，表现在0%～2%含水量时，随着OCT增加，WDPT值差异不大，而在4%～6%含水量时，WDPT值急速增加；在0.05%OCT添加量时，随土壤含水量的增加，土壤仍表现为不斥水，而在0.10%OCT添加量时，2%～6%含水量的WDPT值差异明显，在0.15%OCT添加量时，随着含水量的增加，土壤会从干燥条件下的非斥水状态迅速转变为斥水状态。苜蓿地与玉米地相比整地少，苜蓿地有机质含量和土壤颗粒组成与玉米地存在差异，多因素方差分析中苜蓿地较玉米地：OCT，含水量的F值降低，容重的F值增强，交互作用的F值均有所增强。结合表1，苜蓿地本身有机质含量高、黏粒含量多，在低土壤含水量情况下，或可积累极性，更易出现斥水风险。

土壤有机碳是影响SWR的重要原因之一，SWR和土壤有机碳含量呈正相关关系[15]，在本研究中，苜蓿地的有机碳含量比玉米地的有机碳含量高73.25%，在1.4，1.5 g/cm3容重下，苜蓿地在4%含水量和0.10%OCT添加量的WDPT值比玉米地高(图1c,2c)。另一方面，有机质是水稳性团聚体含量(water-stable aggregates，WSA)发育的有利条件[16]，有研究发现红壤土的不同土地利用方式对土壤团聚体的水分入渗力和斥水性存在显著影响[17]，本试验苜蓿地WSA含量比玉米地高61.05%，推测黑垆土的团聚体含量对于SWR有一定的影响。对伊朗北部各类土壤研究表明，土壤黏粒与SWR呈负相关关系[18]，因为砂粒相比于黏粒有更小的比表面积，更易产生SWR[19]。在荷兰某些土壤的研究证明，中等质地的土壤(黏粒占20%～30%)，甚至是黏土也可能呈现强烈的斥水性[20]。产生这种差异的原因可能是土壤种类和土地利用类型不同造成的。本试验玉米地的砂粒含量比苜蓿地高41.26%，粉粒含量较为接近，黏粒含量苜蓿地比玉米地高32.28%，说明玉米地更易出现SWR，这与在0.15%OCT添加量下，对比两地0%和2%含水量的WDPT值，玉米地较苜蓿地变化更大的结果相符(图1a,1b,2a,2b)。可能苜蓿地高有机质含量对增加斥水的贡献被玉米地高砂粒含量增强斥水的作用互相抵消，最终两类土的SWR差别不大。根据陈俊英等[4]对以色列西南部黄土状母质沙壤土的研究，含水量10%左右时SWR达到峰值，但本试验未出现随含水量升高SWR达到峰值且随后减弱的现象，可能是含水量梯度较少且含水量较低的原因造成，故黑垆土SWR随含水量的变化规律还需进一步深入研究讨论。