激光平地对河套灌区土壤水分入渗及秋浇质量的影响

白岗栓 邹超煜 冯光惠 李志熙 边利强 边利军

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 2.中国科学院/水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 3.吉安市湿地管理中心，江西 吉安 343000； 4.陕西榆林学院 生命科学学院, 陕西 榆林 719000； 5.磴口县水利局，内蒙古 磴口 015200； 6.乌兰布和灌域管理局 沙区灌溉试验站，内蒙古 磴口015200)

内蒙古河套灌区光热资源丰富，土地资源辽阔，是亚洲最大的自流灌区，但近年来农业用水日趋紧缺[1-3]。河套灌区农田受多年灌溉和泥沙淤积等的影响，平整度较差，灌溉均匀度低，土壤盐渍化严重[2-3]，不利于作物生长[2-5]。秋浇是河套灌区特有的一种灌溉形式，是在秋季作物收获后土壤封冻前进行的灌溉，目的是通过灌溉将土壤表层的盐分淋溶到深层土壤或地下水中，同时促进土壤保持足够的水分，确保春季播种时土壤中的水分和盐分能够满足种子正常发芽和幼苗生长发育[6-7]。秋浇时若灌溉量大，除浪费水资源外，还会造成地下水位升高，翌年春季耕种时土壤潮塌和返浆，造成耕种困难或不能及时耕种，同时大量的地表水蒸发会引起土壤盐渍化；若灌溉水量偏少，则难以淋溶表层土壤盐分，造成翌年春季土壤水分不足及土壤盐分较高，影响种子发芽和幼苗生长[6-7]。合理的秋浇水量，是保证河套灌区春季正常耕种的前提[6-7]。激光平地结合了激光精准控制技术和常规机械平地技术，能够大幅度提高农田平整度，减少灌溉量，提高灌溉质量与效率，防止土壤盐渍化，提高土壤水肥利用效率，提高作物产量[8-16]，近年来已在各地试验和推广[17-23]。相关试验结果表明，激光平地能有效降低河套灌区农田的灌水量，降低土壤盐分，提高秋浇质量和土壤水分利用效率[2-3, 6-7]。土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分入渗速率等除受成土母质等影响外，还受排灌、耕作、施肥和土地平整度等人为因素的影响。土壤容重和土壤孔隙度不仅影响土壤水分的保持、养分的供应和气体的交换过程，而且影响有机质的矿化与累积[24-25]；土壤水分入渗过程和入渗能力不但影响降水及灌溉水、地表水、土壤水和地下水的相互转化，而且影响降雨或灌溉进程中分配到土壤中的储水量和地表的径流量[26-27]。然而，有关激光平地对河套灌区农田土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分入渗速率的影响未见报道，因此，本研究以激光平地后的农田为研究对象，采用田间定位监测的方法，测定和分析激光平地对河套灌区土壤容重、孔隙度和水分入渗及秋浇质量的影响，以期为激光平地在河套灌区的推广应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及激光平地机

试验地位于河套灌区的磴口县坝楞村，东经106°98′，北纬40°33′，海拔1 048.7 m，年均降雨量142.7 mm，蒸发量2 381.8 mm。试验地土壤为灌於土，地下水位在100～150 cm，灌淤层100 cm左右。试验地耕层(0～30 cm)土壤有机质含量为11.0 g/kg，碱解氮182.45 mg/kg，速效磷16.75 mg/kg，速效钾158.21 mg/kg，耕层田间持水率23.23%，凋萎系数7.48%。耕层土壤主要盐分为氯化物-硫酸盐，含量为1.0 g/kg左右。0～80 cm土层土壤容重较一致，平均为1.48 g/cm3[2-3]。

试验地为长50.0 m，宽24.0 m，面积0.12 hm2，土壤理化性质和肥力基本一致的相邻两块农田。秋季作物收获后经水准仪测定，平整度(平整度为田块内所有地形测点处地面相对高程的标准偏差值Sd，Sd越小，田地的平整度越高)分别为5.98和5.42 cm，均表现为进水口区域的田面较高，尾部的较低。对平整度为5.98 cm的地块采用由激光平地系统(美国)、农用拖拉机(904)和平地铲组成的激光平地机，从畦尾进入试验地，然后从进水口区域开始，实施无纵横坡激光平地作业，作业后其平整度为1.62 cm。激光平地机中的农用拖拉机自重为4 600 kg，平地铲为2 300 kg。土壤封冻前对两块农田以畦灌的方式进行秋浇，当水流锋面与尾部地埂完全接触后及时停止灌溉。

1.2 试验设计及监测项目

1.2.1试验设计

试验以普通农田为对照，秋浇前分段测定激光平地后农田的土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分入渗速率，秋浇时测定灌水量、水流速率、田面储水深度和水流消退速率等。

1.2.2测定内容和方法

秋浇前在农田进水口区域、中部区域和尾部区域各选3个采样点(图1)，以10 cm为1层，用容积为100 cm3的环刀分别采取耕层原状土各3个，然后加盖滤纸、底网和底盖，带回试验室内，用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度。

环刀带回实验室后，去掉环刀上盖和底盖但保留底网，将其放在平底盘中，向盘中加水至环刀上沿但不能超过环刀上沿，每间隔2 h左右再加水以保持水位，放置12 h后环刀内土壤充分吸水直至饱和后，将环刀从平底盘中取出，迅速擦干环刀外面的水分后加盖上盖和底盖，称饱和湿土重W1。称取饱和重W1后，打开上盖和底盖(保留底网)，将环刀放置在支架上让土壤中的重力水排出(环刀上盖虚盖在环刀上)，静置12 h后，加盖上盖和底盖并称重W2；称取毛管水重W2后，打开环刀上盖和底盖，一并放入105 ℃烘箱中烘烤24 h后，待烘箱中的温度降到室温时，打开烘箱，拿出环刀，加盖上盖和底盖后称烘干土重W3。

设环刀重为W0，环刀的体积为V，则土壤孔隙度和土壤容重用下面公式计算。

土壤非毛管孔隙度=(W1-W2)/V×100%

(1)

土壤毛管孔隙度=(W2-W3)/V×100%

(2)

土壤总孔隙度=(W1-W3)/V×100%

(3)

土壤容重(g/cm3)=(W3-W0)/V

(4)

秋浇前在农田进水口区域、中部区域和尾部区域各选择3个监测点(图1)，双环法测定土壤水分入渗状况[28-29]，并计算土壤初始(前3 min)入渗率、前30 min的入渗率、稳定入渗率和整个测试期间的入渗率。

图1 试验地采样点及监测点示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling points and monitoring points in experimental field

供试的双环为不锈钢环，高25 cm，外环直径50.5 cm，内环直径30.5 cm。试验时将内环与外环均放置于同一圆心上，轻轻砸入土内15.0 cm，砸时应尽量减少对土壤的震动，以确保测试数据的准确性。内环和外环砸入土壤后，将小钢尺插入内环内，在内环内和外环与内环之间的土壤表层上铺2层纱布，以减少注水时水流对土壤表皮的冲刷与破坏。向内环和外环同时注水，注水深度达5.0 cm后停止，然后每间隔1 min测定1次水面下降深度，5 min后每间隔5 min测定1次水面下降深度并将内环和外环水面高度补充到5.0 cm，直到多次(至少4次以上)测定的水面下降幅度都保持一致时，便可认为已达到土壤水分稳定入渗状态，则可停止测定。

初始入渗率=前3 min水面降低深度/3

(5)

前30 min入渗率=前30 min水面降低深度/30

(6)

稳定入渗率=稳定入渗时水面降低深度/5

(7)

测试期间的入渗率= 测试期间水面降低深度/测试时间

(8)

秋浇前分别在激光平地农田和普通农田内布设11排3列共33个监测点，每个监测点均布设带刻度的标尺。不同排监测点之间相距5.0 m，不同列监测点之间相距6.0 m；边列监测点距地埂6.0 m(图1)。

灌水量：秋浇时用出水量为320 m3/h的津奥特ATSXOK300-100/2-140双吸式潜水电泵从渠中抽水进行灌溉。当水流锋面达到农田尾部地埂时及时关泵停水，根据抽水时间来计算灌水量。

(9)

式中：I为灌水量(深度)，mm；T为抽水时间，min。

水流速率、田面储水深度和水面消退速率：秋浇时记录水流锋面达到每个监测点的时间；关泵停水时立即记录每个监测点的田面储水深度；记录每个监测点关泵停水后的田面水流消退时间。根据相邻排监测点(每排3个监测点)的距离(5.0 m)和水流通过时间计算不同地段的水流速率；根据田面储水深度及水面消退时间计算不同地段的水面消退速率。

水流速率、田面储水深度和水面消退速率均匀度用克里斯琴森均匀系数Cu表示[30]。

(10)

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2010制作图表，用student test 检验普通农田和激光平地农田之间的差异。

3 结果与分析

3.1 激光平地对土壤容重和土壤孔隙度的影响

土壤容重可反映土壤板结的程度。土壤容重往往易受成土母质及长期灌溉等的影响。由表1可知：2块农田耕层的土壤容重均随土层深度的增加而增加，进水口区域小于尾部区域。在农田进水口区域和中部区域，激光平地0～10 cm土层的土壤容重均显著(P<0.05)高于普通农田，其中进水口区域较普通农田高5.19%，中部区域高4.35%，但<10～20 cm和<20～30 cm土层均与普通农田基本一致，无显著差异；在农田尾部区域，激光平地不同土层的土壤容重与普通农田基本一致，无显著差异；对于整块农田而言，激光平地对不同土层的土壤容重未产生显著影，与普通农田处于同一水平。

表1 不同处理耕层土壤的土壤容重Table 1 Soil bulk density of topsoil with different treatments g/cm3

土壤孔隙往往影响土壤的通气性、养分释放和移动、微生物活动和土壤水热交换等。土壤孔隙往往受土壤质地、结构及长期灌溉和耕作等的影响。由表2可知：2块农田的土壤总孔隙度均随土层深度的增加而降低，进水口区域高于尾部区域。激光平地显著(P<0.05)降低进水口区域和中部区域0～10 cm土层的土壤总孔隙度，显著(P<0.05)提高尾部区域0～10 cm土层的土壤总孔隙度，其中进水口区域降低了5.71%，中部区域降低了4.35%，尾部区域提高了5.13%，但对<10～20 cm、<20～30 cm土层和整块农田未产生显著影响。

表2 不同处理耕层土壤的总孔隙度Table 2 Soil total porosity of topsoil with different treatments %

土壤毛管孔隙是储存土壤水分的主要场所。由表3可知：2块农田的土壤毛管孔隙度均随土层深度的增加而增加，进水口区域低于尾部区域。激光平地显著(P<0.05)提高了进水口区域0～10 cm和0～30 cm 土层土壤毛管孔隙度，其中0～10 cm土层提高了8.21%，0～30 cm 土层提高了5.18%，但对<10～20和<20～30 cm土层无显著影响；激光平地对中部区域不同土层无显著影响，但显著(P<0.05)降低了尾部区域0～10 cm和<10～20 cm土层的土壤毛管孔隙度，其中0～10 cm土层降低了5.04%，<10～20 cm降低了4.42%；对整块农田而言，激光平地对不同土层的土壤毛管孔隙度未产生显著影响。

土壤非毛管孔隙是土壤气体交换的主要通道。由表4可知：2块农田的土壤非毛管孔隙度均随土层深度的增加而降低，进水口区域高于尾部区域。

表3 不同处理耕层土壤的毛管孔隙度Table 3 Soil capillary porosity of topsoil with different treatments %

表4 不同处理耕层土壤的非毛管孔隙度Table 4 Soil air-filled porosity of topsoil with different treatments %

激光平地极显著(P<0.01)降低了进水口区域不同土层的土壤非毛管孔隙度，其中0～10 cm、<10～20、<20～30 cm和0～30 cm土层分别降低了27.47%、18.39%、14.53%和20.13%；激光平地极显著(P<0.01)降低中部区域0～10 cm土层和0～30 cm土层的土壤非毛管孔隙度，显著(P<0.05)降低<10～20和<20～30 cm土层的土壤非毛管孔隙度，其中0～10 cm土层和0～30 cm土层分别降低了21.20%和了11.18%，<10～20和<20～30 cm土层分别降低5.18%和7.16%；激光平地极显著(P<0.01)提高了尾部区域不同土层的土壤非毛管孔隙度，其中0～10 cm、<10～20、<20～30 cm和0～30 cm土层分别提高了39.76%、21.16%、19.06%和26.66%；对整块农田而言，激光平地极显著(P<0.01)降低0～10 cm土层的土壤非毛管孔隙度，显著(P<0.05)降低<10～20和<0～30 cm土层，其中0～10 cm土层降低了10.63%，<10～20土层降低了5.18%，0～30土层降低了6.50%，但对<20～30 cm土层无显著影响。激光平地对进水口和尾部区域的影响较大，对中部区域的影响较小，且土层越接近地表，影响越大。

3.2 激光平地对土壤水分入渗速率的影响

土壤水分入渗过程往往影响土壤的蓄水保水能力。受多年灌溉的影响，农田不同区域的土壤水分入渗速率存在一定的差异。由图2可知：农田进水口区域的土壤水分入渗速率较高，中部区域居中，尾部区域较低。图2(a)为农田进水口区域，图2(b)为农田中部区域，结合图2(a)和2(b)可以看出，激光平地的初始入渗速率、前30 min入渗速率、稳定入渗速率均低于普通农田；图2(c)为农田尾部区域，可以看出激光平地农田的初始入渗速率和前30 min入渗速率高于普通农田；图2(d)为农田不同区域的平均值，可以看出激光平地的平均稳定入渗速率低于普通农田。

图2 不同平地方式的不同区域土壤水分入渗速率Fig.2 Soil infitration rates of different regions under different land leveling styles

农田不同区域的土壤水分入渗过程存在一定差异。由表5可知：农田进水口区域，激光平地的稳定入渗速率在测试85 min后出现，普通农田在110 min后出现；激光平地的初始入渗速率、前30 min入渗速率和测试期间的入渗速率均极显著(P<0.01)低于普通农田，分别较普通农田分别降低了13.30%，18.28%和14.00%；稳定入渗速率显著(P<0.05)低于普通农田，较普通农田降低了9.26%。农田中部区域，激光平地的稳定入渗速率在测试90 min后出现，普通农田在100 min后出现；激光平地的前30 min入渗速率和测试期间的入渗速率极显著(P<0.01)低于普通农田，分别降低了16.19%和12.41%；初始入渗速率和稳定入渗速率显著(P<0.05)低于普通农田，分别降低了8.11%和8.49%。农田尾部区域，激光平地的稳定入渗速率在测试65 min后出现，普通农田在60 min后出现；初始入渗速率、前30 min入渗速率和测试期间的入渗速率均极显著(P<0.01)高于普通农田，分别提高了38.83%，36.68%和15.04%，但稳定入渗速率与普通农田处于同一水平外，仅提高了2.20%。对整块农田而言，激光平地的稳定入渗速率在测试85 min后出现，普通农田在105 min后出现；激光平地的初始入渗速率和前30 min入渗速率均与普通农田之间无显著差异；稳定入渗速率和测试期间的入渗速率均显著(P<0.05)低于普通农田，分别降低了5.88%和5.15%。

表5 不同处理的土壤入渗速率Table 5 Soil infiltration rate in different infiltration stages of different treatments mm/min

3.3 激光平地对灌水量、水流速率、田面储水深度、水流消退速率及其均匀度的影响

图3 不同平地方式的水流推进速率(a)、田面储水深度(b)和水流消退速率(c)Fig.3 Water advancing rate (a), field water storage depth (b) and water recession rate (c) of different land leveling styles

农田灌水量、水流速率和水流消退速率等与农田土壤质地、土壤结构和土地平整度等密切相关。激光平地提高了农田的平整度，影响了耕层土壤容重和孔隙度，降低了土壤水分入渗速率，必然会对农田灌水量、水流速率、田面储水深度和水流消退速率等产生一定影响。经测定，激光平地农田灌溉耗时为40 min，普通农田耗时为54 min，灌水量分别为177.77 mm和239.99 mm，激光平地较普通农田节约灌水量25.93%，达极显著(P<0.01)差异。

田面越平整，水流速率越高。由图3(a)可知：激光平地的水流速率为逐渐增加，在尾部区域为匀速状态；普通农田是先逐渐降低，在尾部区域缓慢增加。普通农田的水流速率均匀度为0.94，激光平地的为0.97，激光平地较普通农田提高了3.19%，未形成显著差异。激光平地的水流速率平均为1.25 m/min，普通农田为0.93 m/min，激光平地较普通农田提高了34.41%，达极显著(P<0.01)差异。

田面越平整，田面储水深度越一致。由图3(b)可见：普通农田的田面储水深度表现为中部较浅，尾部较深，最深与最浅处相差14.8 cm，均匀度为0.84；激光平地最深与最浅处相差0.9 cm，均匀度为0.99；激光平地田面储水深度均匀度较普通农田提高了17.86%，达极显著(P<0.01)差异；激光平地田面储水深度平均为15.88 cm，普通农田为17.28 cm，激光平地较普通农田浅8.10%，达显著(P<0.05)差异。

土壤容重越低，土壤孔隙度越大，水流消退速率应越高。由图3(c)可见：激光平地和普通农田的水流消退速率均为中部较高，尾部较低。激光平地中部在9 h左右、尾部在11.0 h左右后水分基本消退；而普通农田中部在6 h 左右、尾部在29 h左右后才基本消退。普通农田水流消退速率均匀度为0.76，激光平地为0.95，激光平地较普通农田提高了25.00%，达极显著(P<0.01)差异。普通农田水面消退速率平均值为1.87 cm·h-1，激光平地为1.68 cm·h-1，激光平地较普通农田降低了10.16%，达极显著(P<0.01)差异。

4 讨 论

在较大空间尺度上，土壤容重和土壤孔隙主要受母岩、地质历史、气候和地形等的影响；在较小尺度上，则主要受立地环境、植被分布和农事耕作的影响[31]。土壤容重和土壤孔隙不但影响土壤耕性，而且影响土壤的持水保水性、透气性和作物根系在土壤中的伸展空间，间接影响土壤肥力和作物产量[32-38]。供试农田为多年引黄灌溉而形成的灌於土，进水口区域沉积的土壤粗沙粒较多，土粒较大，疏松，土壤容重较小，总孔隙度和非毛管孔隙度较大而毛管孔隙度相对较小，而尾部区域沉积的土壤细沙粒较多，颗粒较细，粘性较强，毛管孔隙发达，毛管孔隙度相对较大[39]；进水口区域地面较高，尾部较低，尾部区域为汇水区和土壤盐渍化的高发区，不利于作物生长[2-3]。激光平地机的拖拉机和平地铲二者的自重高达6 900 kg，平地过程中机具对土壤反复碾压，造成土壤紧密，增加土壤容重，减少土壤总孔隙度和非毛管孔隙度，相对增加土壤毛管孔隙度。平地过程中进水口区域为挖方区，尾部为填方区，且土层越深土壤容重越大，因而平地后进水口区域和中部区域的土壤容重增加，土壤总孔隙度和非毛管孔隙度降低，毛管孔隙度增加；平地后尾部区域0～10 cm土层多为从进水口区域运来的土壤，在平地过程中原有的土壤结构遭到破碎并形成许多相对较大的物理孔隙，且进水口区域土壤相对疏松，因而其土壤容重略有降低，总孔隙度和非毛管孔隙度升高，毛管孔隙度相对降低。虽然激光平地对农田不同区域的总孔隙度和土壤容重有一定的影响，但土壤容重、土壤总孔隙度和毛管孔隙度主要与土壤质地密切相关[38]，故激光平地对整块农田的土壤容重、土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度未产生显著影响。激光平地后土壤非毛管孔隙降低，首先是土壤非毛管孔隙易受农事操作的影响，平地过程中机具对土壤反复碾压，会增加土壤紧密度，降低土壤非毛管孔隙[19,32-33]；第二是平地过程中进水口区域及中部区域均处于挖方区域，挖后下层土壤相对上升，从而导致土壤非毛管孔隙度降低；第三是试验地填方区域所的占比例较小而挖方区域所占比例较大，造成整块农田土壤非毛管孔隙度降低。

土壤水分入渗与土壤孔隙度等密切相关，特别与非毛管孔隙密切相关[26-27]。激光平地降低了进水口和中部区域的土壤总孔隙度和非毛管孔隙度，增加了尾部区域的土壤总孔隙度和非毛管孔隙度，因而进水口和中部区域的土壤入渗速率降低，尾部区域的提高，这与已有研究结果土壤总孔隙度和非毛管孔隙度越高，土壤入渗速率越高的[40-43]基本相同。由于平地过程中机具对土壤的反复碾压，整块农田的非毛管孔隙降低，导致整块农田的土壤入渗速率降低。

激光平地提高了农田平整度，减少了水流阻力，降低了水流推进锋面，利于灌溉水流快速向前推进，提高了水流速率，而水流速率的提高促进了水流锋面提早到达地尾，从而有效缩短灌水时间，减少灌水量[7, 22]，降低田面储水深度，提高田面储水深度均匀度[2-9]。激光平地过程中机具对土壤反复碾压，提高了土壤容重，降低了土壤总孔隙度和非毛管孔隙度，导致灌溉水分入渗缓慢，水面消退速率降低，有利于灌溉水分相对较多地保留在耕层土壤中，利于土壤洗盐[3]，提高灌水效率[22]；激光平地的灌水量较普通农田少，可减少地面水分蒸发，减少盐分表聚，从而减轻土壤盐分[3]；激光平地后尾部区域的土壤容重降低，土壤总孔隙度和非毛管孔隙度增加，可有效改善尾部区域的土壤物理性状，提高尾部区域的土地生产力[2-3]。激光平地后春季农田不同区域土壤水分分布均匀，防止土壤出现潮塌和返浆现象，利于春小麦等作物提早播种，延长春小麦生长期，提高春小麦产量[2-3]。

5 结 论

本研究通过监测激光平地对农田土壤容重、土壤孔隙度、土壤水分入渗速率和秋浇质量等的影响，主要结论如下：

1)激光平地对0～10 cm土层的土壤容重、土壤孔隙度影响较大，对10 cm土层以下的土壤影响较小。激光平地提高了处于挖方的进水口区域的土壤容重和毛管孔隙度，降低了进水口区域的土壤总孔隙度和非毛管孔隙度；降低了处于填方的尾部区域的土壤容重和毛管孔隙度，提高了尾部区域的土壤总孔隙度和非毛管孔隙度，显著(P<0.05)降低了整块农田0～30 cm土层的非毛管孔隙度，但对整块农田的土壤容重、土壤总孔隙度和毛管孔隙度无显著影响；

2)激光平地显著(P<0.05)降低了农田进水口区域和中部区域的土壤水分稳定入渗率，对尾部的土壤水分稳定入渗率无显著影响，显著(P<0.05)降低了整块农田的土壤水分稳定入渗率；

3)激光平地可减少灌水量25.93%，灌溉水流速率较快且较一致，田面储水深度较浅且均一，水流消退速率较低且较均匀。