林 琳 單 博 盧倩倩 王恩姮

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:張 玉。

土壤孔隙是土壤結(jié)構(gòu)組成要素之一，孔隙多少及分布情況影響了土壤物理、化學(xué)、生物特性及其生態(tài)功能［1］。根據(jù)研究目的，通常將土壤孔隙分成4個等級，即大孔隙、次大孔隙、中孔隙、微孔隙［2－5］?？紫吨睆酱笥?00μm的孔隙稱為大孔隙，主要產(chǎn)生于生物或者物理過程，例如，土壤干濕作用引起的收縮、膨脹，凍融循環(huán)和耕地等人類活動的物理過程，或者蚯蚓等動物的活動，植物根系生長的生物過程［6］;孔隙直徑介于30～100μm之間的構(gòu)成了次大孔隙，其作用在于土壤通氣和迅速排水［3］;孔隙直徑為0．2～30μm時稱為中孔隙，主要作用在于保存植物生長所需要的有效水分［2－7］;孔隙直徑小于0．2μm的為微孔隙，植物通常不能利用這里面的水分，而且也限制了各種微生物的活性［8］。由于土壤孔隙自身復(fù)雜性和土壤黑箱性對研究手段的限制，土壤孔隙的特征通常借助于水、氣兩相的信息間接獲得;最常用的間接方法，是通過水分特征曲線獲得總孔隙度以及各個徑級孔隙的比例及分配情況。

在影響土壤孔隙分布變化的諸多因素中，由于耕作過程中機械碾壓而導(dǎo)致土壤孔隙破壞和再分配的現(xiàn)象，已逐漸成為土壤結(jié)構(gòu)惡化和土壤功能降低方面的研究熱點［9－11］。隨著大型農(nóng)業(yè)機械的廣泛應(yīng)用，土壤壓實問題也逐漸引起重視［12－14］。壓實問題的實質(zhì)，是由于改變了土壤孔隙的多少和分布情況而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)重組，從而影響了土壤的持水、入滲及氣體擴散等功能。黑土區(qū)開展的農(nóng)田機械壓實方面的研究，主要集中在壓實對作物產(chǎn)量影響等方面［14－15］。近年來也逐步開始轉(zhuǎn)向機械壓實對土壤結(jié)構(gòu)、土壤孔隙數(shù)量影響方面的研究［16－17］，但關(guān)于機械壓實與農(nóng)田黑土不同徑級孔隙分布關(guān)系的研究，報道不多。本文以典型黑土區(qū)長期機械作業(yè)的耕地土壤為研究對象，采用自動水分特證曲線測定儀Equi－Pf－SI．151繪制水分特征曲線，探究了模擬機械壓實與黑土農(nóng)田耕作區(qū)土壤孔隙分布的關(guān)系，旨為黑土區(qū)機械耕作對土壤壓實風(fēng)險的評價、進一步揭示黑土區(qū)水蝕的發(fā)生機制及影響因素提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地位于黑龍江省克山縣境內(nèi)的克山農(nóng)場(48°12'～48°23'N，125°8'～125°37'E)。屬克拜漫川漫崗地帶，海拔240～340 m，平均坡度3°。區(qū)域內(nèi)土壤類型以黑土為主，只在部分低洼處鑲嵌分布少量的草甸土，屬典型黑土區(qū)。溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征明顯;年平均氣溫0．9℃，≥10℃有效積溫2 296．2℃;年平均降水量501．7 mm，平均蒸發(fā)量1 329．4 mm;無霜期115 d，土壤結(jié)凍期從11月初至翌年4月中旬，最大結(jié)凍深度可達2．5 m。

2 材料與方法

選擇克山農(nóng)場十九連耕種作物、耕作措施一致的農(nóng)田黑土為研究對象，采用美國卡特公司生產(chǎn)的MT865履帶式拖拉機(結(jié)構(gòu)質(zhì)量和功率分別為17 599 kg和373 kW)進行不同次數(shù)(0、3、6、12次)的空載碾壓。在不同次數(shù)的碾壓車轍處設(shè)置取樣剖面，代表不同壓實程度的土壤樣品。采用規(guī)格為100 cm3的環(huán)刀，在每個垂直壓實剖面上分3層(2～7、12～17、32～37 cm)取樣，每層重復(fù)6次;其中，3個環(huán)刀樣品用于土壤水分物理性質(zhì)的測定，另3個環(huán)刀樣品用于水分特征曲線的測定與繪制。水分特征曲線的測定與繪制，采用Equi－Pf－SI．151儀器進行。

采用Equi－Pf－SI．151儀器自帶程序和Sigma Plot 10．0、SPSS11．5，對數(shù)據(jù)處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3．1 模擬壓實對總孔隙度的影響

由表1可見:隨著壓實次數(shù)增加，3個土層的土壤總孔隙度均表現(xiàn)出降低趨勢，在表層2～7 cm土壤中表現(xiàn)最為明顯。與未壓實處理相比，壓實3次、6次、12次后，土壤總孔隙度的下降幅度，分別為6．91%、19．42%、23．30%;其中，碾壓12次后，與對照和碾壓3次相比，其降幅差異分別達到顯著水平(p＜0．05)。對于12～17 cm和較深的32～37 cm的土壤而言，壓實對總孔隙度的影響相對較小;隨著壓實次數(shù)增加至3次、6次、12次時，2個土層的總孔隙度比對照水平分別依次降低了1．60%、10．92%、15．07%和1．18%、3．91%、4．17%，但差異均不顯著。

表1 模擬壓實后土壤總孔隙度的變化

對壓實次數(shù)相同的不同土層的分析比較可知:隨著土壤深度的增加，其土壤總孔隙度也大致呈下降趨勢，但差異并不顯著。在無壓實的情況下，規(guī)律最為明顯，12～17 cm和32～37 cm兩層土壤的總孔隙度與表層相比，分別下降了3．22%和5．64%;3次壓實時，下降程度相應(yīng)僅為0．62%、2．82%。但是，在6次和12次壓實，出現(xiàn)了不同的規(guī)律:6次壓實后的12～17、32～37cm兩層土壤和12次壓實處理的第3層土壤的總孔隙度的減少幅度相對較小，與孔隙結(jié)構(gòu)所受碾壓干擾最為強烈的表層相比，表現(xiàn)出總孔隙度大于表層的現(xiàn)象。

3．2 模擬壓實對水分特征曲線的影響

少次壓實的土壤水分特征曲線，明顯高于多次壓實的土壤水分特征曲線;表明壓實次數(shù)少的土壤持水能力，普遍強于壓實次數(shù)多的土壤持水能力;這種規(guī)律在表層表現(xiàn)得最為明顯(見圖1)。2～7 cm土層范圍內(nèi)，各個徑級的孔隙比例，均隨著壓實次數(shù)的增加而減少，水分特征曲線持續(xù)降低，持水能力削減最為顯著。在12～17、32～37 cm土層深處，除飽和含水量依然保持著與壓實程度呈明顯的反比關(guān)系外，隨著土壤水吸力的增加，各個壓實處理的持水能力變化幅度較小，且規(guī)律相似。12～17 cm的非飽和土壤持水能力，從大到小依次為壓實3次、0次、6次和12次;32～37 cm的非飽和土壤持水能力，從大到小則依次為壓實3次、6次、12次和0次。由此可見，不同程度的壓實，均能降低總孔隙度。同時發(fā)現(xiàn)，壓實處理可以改變不同徑級孔隙的體積比例。與未壓實處理相比，不同次數(shù)的壓實，可通過小徑級孔隙比例的增加保持其非飽和持水能力，并以少次壓實(3次)的效果較為明顯;多次壓實(6次和12次)積累后，總孔隙度和各個徑級孔隙的體積比例，均小于少次壓實?？赡苁峭寥郎疃仍酱螅艿侥M壓實的作用影響越小，所以非飽和持水能力并沒有表現(xiàn)出很明顯隨壓實次數(shù)增多而變小的趨勢。

3．3 模擬壓實對孔隙分布的影響

將土壤孔隙分為3個級別，依次為大孔隙(孔徑＞100μm)、次大孔隙(孔徑30～100μm)、中孔隙和微孔隙(孔徑＜30μm)。由表2可見:各個土層內(nèi)的土壤孔隙，主要由中孔隙和微孔隙組成，均超過土壤總體積的30%;其次為大孔隙，體積比例為2．42%～7．89%;次大孔隙的體積比例最小，均不足1%。不同壓實處理，對各個土層孔隙分布的影響規(guī)律有所不同。

圖1 模擬壓實后土壤水分特征曲線的變化

表2 不同壓實下不同深度土壤各徑級孔隙的分布

對于表層土壤而言，中孔隙和微孔隙的體積比例，隨著壓實次數(shù)的增加而逐漸降低;與對照相比，壓實3次、6次和12次時，中孔隙和微孔隙的比例，依次降低了6．51%、14．93%、17．74%;大孔隙和次大孔隙，隨著壓實積累至6次時，仍表現(xiàn)出降低的規(guī)律，但壓實12次時，大孔隙和次大孔隙的比例降幅較小，與6次壓實相比略高，但仍然低于對照和少次(3次)壓實的水平。

在12～17 cm土層范圍內(nèi)，隨著壓實次數(shù)增加至3次、6次、12次時，大孔隙的體積比例持續(xù)降低，與對照相比，依次降低了29．22%、53．17%、63．28%(p＜0．05)。中孔隙和微孔隙，在少次壓實時小幅增加后，隨著壓實次數(shù)的積累又逐漸降低，低于對照水平;而次大孔隙，卻隨著壓實的持續(xù)進行而表現(xiàn)出中孔隙和微孔隙相反的變化規(guī)律，即壓實3次時小幅降低，隨著壓實積累至6、12次時，其比例逐漸增加，均高于對照水平，但差異均不顯著。由此可見，在12～17 cm土層范圍內(nèi)，不同程度的壓實可能會促使次大孔隙(孔徑介于30～100μm)與中孔隙和微孔隙(孔徑≤30μm)體積之間不同程度的轉(zhuǎn)化。

在32～37 cm土層范圍內(nèi)，壓實3次時，大孔隙的體積比例與對照相比顯著降低了68．08%;隨著壓實次數(shù)的持續(xù)增加，雖然其體積比例有所增加，但仍然小于對照無壓實水平;次大孔隙沒有隨著壓實處理表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。直徑小于30μm的中孔隙和微孔隙隨著壓實處理表現(xiàn)出與大孔隙相反的變化規(guī)律，即壓實3次時，其比例小幅增加后，隨著壓實積累至12次時，逐漸降低，高于對照水平。由此可見，在32～37 cm土層范圍內(nèi)，不同程度的壓實可能會促使大孔隙(孔徑≥100μm)與中孔隙和微孔隙(孔徑≤30μm)體積之間不同程度的轉(zhuǎn)化，但差異未達顯著水平。

3．4 Equi－Pf－SI．151應(yīng)用效果的驗證和評價

為了進一步驗證和評價，采用Equi－Pf－SI．151儀器在土壤孔隙方面的應(yīng)用效果，將通過儀器獲得的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)經(jīng)典的環(huán)刀方法獲得的土壤總孔隙度數(shù)據(jù)進行了回歸分析(見圖2)。

圖2 Equi－Pf－SI．151與傳統(tǒng)方法獲得的土壤總孔隙度的擬合關(guān)系

二者具有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，說明采用Equi－Pf－SI．151儀器的方法進行土壤孔隙體積、數(shù)量及土壤孔隙徑級分配等相關(guān)方面的研究，具有可行性和可信性。

4 結(jié)論

模擬機械壓實，改變了耕作區(qū)農(nóng)田黑土的持水能力、孔隙的數(shù)量和分布情況。隨著壓實次數(shù)的增加，土壤總孔隙度逐漸降低，土壤飽和持水能力不同程度的減弱。不同程度的壓實會促使不同深度土層各徑級孔隙之間體積的轉(zhuǎn)化。

耕作區(qū)農(nóng)田黑土孔隙，主要由中孔隙和微孔隙，即孔徑＜30μm土壤孔隙組成，均超過土壤總體積的30%;其次為大孔隙和次大孔隙，但所占比例較小，分別為土壤總體積的2．42%～7．89%和0．1%～1．0%;次大孔隙(孔徑30～100μm)并沒有受到模擬機械壓實的顯著影響，而是通過改變大孔隙(孔徑≥100μm)、中孔隙和微孔隙的體積比例，降低了土壤的總孔隙度、飽和持水能力，同時改變了不同深度土壤的非飽和持水能力。

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