張成梁，馮晶晶，趙廷寧，張 文

（1.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100089；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；3.中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司，北京 100102）

壓實(shí)對(duì)基質(zhì)含水量和時(shí)空異質(zhì)性的影響

張成梁1，馮晶晶2，趙廷寧2，張 文3

（1.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100089；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；3.中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司，北京 100102）

為了將基質(zhì)壓實(shí)發(fā)展為改善立地、促進(jìn)生產(chǎn)的技術(shù)手段，運(yùn)用在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中，研究不同程度壓實(shí)后基質(zhì)持水能力及水分動(dòng)態(tài)變化特征。試驗(yàn)布設(shè)5個(gè)試驗(yàn)槽，標(biāo)記為T1～T5，T1為對(duì)照，基質(zhì)自然沉降，T2～T5經(jīng)過(guò)碾壓后，容重分別為對(duì)照容重的1.25、1.50、1.75、2.00倍。2012～2013年定期測(cè)量1 m內(nèi)基質(zhì)體積含水量，通過(guò)變異系數(shù)評(píng)價(jià)含水量的時(shí)間變異性和垂直、水平方向上的空間變異性。結(jié)果表明，隨著壓實(shí)程度增加，基質(zhì)含水量顯著增加，時(shí)間變異系數(shù)和垂直、水平方向上的空間變異系數(shù)下降。隨著植物根系的發(fā)展，T1～T4深層含水量的時(shí)間變異系數(shù)升高。T5淺層含水量的時(shí)間變異系數(shù)和水平變異系數(shù)均較高，由于含水量的時(shí)間和水平異質(zhì)性可以反映根系活動(dòng)，結(jié)果表明重度壓實(shí)限制植物根系發(fā)展。

壓實(shí)；含水量；變異系數(shù)；時(shí)空異質(zhì)性

壓實(shí)是機(jī)械作用下單位體積土壤質(zhì)量增加的物理過(guò)程，是生產(chǎn)、生活中的普遍現(xiàn)象，對(duì)農(nóng)、林業(yè)有重要影響。盡管壓實(shí)通常被認(rèn)為是土壤退化的表現(xiàn)[1]，對(duì)森林植物[2]或農(nóng)作物[3-5]造成負(fù)面影響，但也有研究表明，不同植物對(duì)壓實(shí)的響應(yīng)不同[6-8]，一定程度的壓實(shí)對(duì)含蓄水源、促進(jìn)植物生長(zhǎng)有積極作用[9-10]。盡管壓實(shí)降低了下滲速率[11]和飽和導(dǎo)水率，但由于增加了毛管孔隙的數(shù)量和連通性，土壤持水量和非飽和導(dǎo)水率增加[12-13]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，壓實(shí)既可能減少土壤含水量[14-15]，也可能增加含水量[16-18]。壓實(shí)可以增加土體抗剪性和承載能力[19]，在美國(guó)，壓實(shí)已經(jīng)作為穩(wěn)定坡體、減少侵蝕的技術(shù)，運(yùn)用森林植被修復(fù)中[20-24]。本文利用城市固體廢棄物配置成植物生長(zhǎng)基質(zhì)，通過(guò)碾壓改變土壤物理性質(zhì)，于2012年8月～2013年8月定期測(cè)量1 m內(nèi)基質(zhì)含水量，通過(guò)變異系數(shù)評(píng)價(jià)含水量的時(shí)間變異性和垂直、水平方向上的空間變異性。研究不同程度壓實(shí)后基質(zhì)持水能力及水分動(dòng)態(tài)變化特征，將壓實(shí)發(fā)展為改善立地、促進(jìn)生產(chǎn)的技術(shù)手段，運(yùn)用在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在北京輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所生態(tài)修復(fù)科研基地進(jìn)行。位于北京昌平縣馬池口鎮(zhèn)亭子莊村，經(jīng)緯度為 40°09′56.73″N，116°09′1.04″E，海拔57 m。暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水量620 mm，集中在6～8月。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為按體積8:2均勻混合的礫石及城市固體廢棄物。固體廢棄物來(lái)自北京郊區(qū)5個(gè)垃圾處理廠，均勻混合后經(jīng)過(guò)篩分處理，去除直徑＞10 mm的顆粒；礫石來(lái)自當(dāng)?shù)厥鲜袌?chǎng)。固體廢棄物容重為1.095 g/cm3，孔隙度為50.3%，田間持水量為27.5%，混合礫石后容重為1.362 g/cm3，孔隙度為40%，田間持水量為8.7%。2012年4月，將試驗(yàn)材料分別倒入5個(gè)長(zhǎng)5 m，寬3 m，深1 m的試驗(yàn)槽，標(biāo)記為T1～T5，T1為對(duì)照，基質(zhì)自然沉降，T2～T5使用重型自行式振動(dòng)壓路機(jī)（車型XS142J，工作質(zhì)量14 000 kg，振動(dòng)頻率28 Hz）碾壓，使T2、T3、T4、T5的容重分別為對(duì)照容重的1.25、1.50、1.75、2.00倍。

各試驗(yàn)區(qū)分別播種栽植刺槐Robinia pseudoacacia54株、苜蓿Medicago sativa30株，穴栽1年生側(cè)柏Platycladus orientalis60株。沿對(duì)角線等距離布設(shè)3根長(zhǎng)1 m的土壤水分管，于2012年8月至2013年8月，每月3次使用Diviner2000土壤水分輪廓儀測(cè)量10～100 cm深的體積含水量（SWC）。用變異系數(shù)（CV，為標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)之比）來(lái)評(píng)價(jià)壓實(shí)對(duì)基質(zhì)含水量在水平、垂直方向上的變異性。時(shí)間變異系數(shù)（CVt）為不同測(cè)量日相同深度SWC的變異系數(shù)，垂直變異系數(shù)（CVv）為10～100 cm 10個(gè)深度SWC的變異系數(shù)，水平變異系數(shù)（CVh）為同一壓實(shí)區(qū)3條土壤水分管測(cè)量值的變異系數(shù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS Statistics 19進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用SPSS Statistics 19及WPS表格作圖。使用Friedman檢驗(yàn)判定壓實(shí)度對(duì)各層SWC和CVv影響的顯著性，使用ANOVA分析壓實(shí)度及基質(zhì)深度對(duì)CVh影響的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)對(duì)SWC的影響

就全年來(lái)說(shuō)，1 m內(nèi)平均含水量（SWC1m）T5（10.07 %）＞T3（3.97%）＞T4（3.68%）＞T2（2.72%）＞T1（1.86%）。一般來(lái)說(shuō)，隨著壓實(shí)程度增加，SWC1m增加，6～11月含水量增加絕對(duì)值較高。

如表1所示，壓實(shí)度對(duì)各層SWC影響顯著（P＜0.001）。一般來(lái)說(shuō)，隨著壓實(shí)度增加，相同深度的SWC增加。年平均SWC增加絕對(duì)值最大的土層，T2 在20、50、60 cm，分別增加 2.37%、1.81%、2.28 %；T3在 50、80、90 cm，分別增加4.22%、3.76%、5.23%；T4在10、40、50 cm，分別增加3.14%、6.90%、4.71%；T5在 30、40、80 cm， 分 別 增 加11.96%、14.98%、10.75 %。

表1 各壓實(shí)區(qū)各層SWC均值?Table 1 Average SWC under different degrees of compaction

2.2 壓實(shí)對(duì)SWC時(shí)間異質(zhì)性的影響

如圖1所示，隨著壓實(shí)度增加，相同深度CVt下降。生長(zhǎng)季（6～10月）SWC的時(shí)間變異性較非生長(zhǎng)季（11～5月）弱。在非生長(zhǎng)季，CVt隨深度增加而下降，這是因?yàn)?1～5月降水少，植物耗水少，水分主要通過(guò)表層蒸發(fā)損失，因此表層SWC變異性大。6～10月，降水量增加，植物蒸騰作用加強(qiáng)，當(dāng)表層水勢(shì)較低時(shí)，植物利用下層蓄水，SWC動(dòng)態(tài)變化更加復(fù)雜。

由于2012年7月21日發(fā)生了1951年以來(lái)最大的暴雨，全市平均日降水量達(dá)190.3 mm[21]，顯著提高了SWC，2012年各壓實(shí)區(qū)各層SWC時(shí)間異質(zhì)性較2013年強(qiáng)。在2012年，T1、T2、T3 CVt最高的層次都是30～50 cm，T4是10、20、40、80、90 cm，T5是10、20、50 cm。在2013年，T1 CVt最高的層次是30、70～90 cm，T2是60～80 cm，T3是 20、30、70 cm，T4是 70～ 90 cm，T5是10～30 cm。從2012年到2013年，對(duì)于T1～T4來(lái)說(shuō)，SWC時(shí)間異質(zhì)性較高的層次降低。

圖1 各層SWC的時(shí)間變異性Fig.1 Temporal heterogeneity of SWC in different layers

2.3 壓實(shí)對(duì)SWC空間異質(zhì)性的影響

如表2所示，壓實(shí)對(duì)CVv有顯著影響（P＜0.001），隨著壓實(shí)度增加，CVv降低。

表2 各壓實(shí)區(qū)SWC的空間異質(zhì)性?Table 2 Spatial heterogeneity of SWC under different degrees of compaction

隨著壓實(shí)度增加，SWC1m的水平異質(zhì)性（CVh-1m）先升后降，但分層來(lái)說(shuō)，相同深度的CVh下降，而壓實(shí)度和深度之間有顯著的交互作用（P＜0.001）。

對(duì)T1來(lái)說(shuō)，60、70 cm CVh最高，分別為1.44、1.01；對(duì)T2來(lái)說(shuō)，20、50、90 cm CVh最高，分別為1.02、0.88、1.02；對(duì)T3來(lái)說(shuō)，10、50、60 cm CVh最高，分別為1.06、1.22、1.09；對(duì)T4來(lái)說(shuō)，10、40、70 cm CVh最高，分別為0.63、0.87、0.70；對(duì)T5來(lái)說(shuō)，20、30、40 cm CVh最高，分別為0.83、0.76、0.67。隨著壓實(shí)度增加，SWC水平異質(zhì)性較高的層次升高。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，基質(zhì)壓實(shí)顯著提高SWC，降低時(shí)空異質(zhì)性。

降水經(jīng)過(guò)植物截留后降落地表，部分形成地表徑流，其余滲入土壤。進(jìn)入土體的水分部分在重力作用下排除，其余通過(guò)植物蒸騰和土壤蒸發(fā)消耗。當(dāng)降水強(qiáng)度小于下滲能力時(shí)，所有降水滲入土壤；當(dāng)降水強(qiáng)度大于下滲能力時(shí)，超出下滲能力的部分降水形成地表徑流而流失。通常來(lái)說(shuō)，壓實(shí)減小下滲速率[11,22]，因此減小了水分的輸入，同時(shí)，壓實(shí)增加了毛管孔隙，使土壤持水量增加[12-13]。在本試驗(yàn)中，SWC增加。

盡管壓實(shí)降低飽和導(dǎo)水率，但增加非飽和導(dǎo)水率[23]。在非飽和土壤中，水流只能從較小的孔隙中流過(guò)。壓實(shí)增加有機(jī)質(zhì)含量、小孔隙的數(shù)量和連通性，因此非飽和導(dǎo)水率增加，有利于水分在垂直、水平方向上的再分配，因此SWC空間異質(zhì)性下降。

然而，對(duì)于同一個(gè)壓實(shí)區(qū)，SWC的時(shí)間異質(zhì)性來(lái)源于基質(zhì)水分的增加和減少。由于SWC測(cè)量時(shí)間至少在降水1 d以后，下滲速率已經(jīng)較低，此時(shí)，基質(zhì)持水能力越強(qiáng)，SWC就越高。另一方面，SWC的消耗來(lái)自表層蒸發(fā)和植物蒸騰，蒸發(fā)散作用越強(qiáng)烈，SWC下降越多。如果基質(zhì)持水能力強(qiáng)，但植物無(wú)法利用，則SWC高，CVt低；如果基質(zhì)持水能力弱，植物無(wú)水可用，則SWC低，CVt低；如果基質(zhì)持水能力強(qiáng)，且植物可以利用，則CVt高。因此，對(duì)比2013年與2012年生長(zhǎng)季在垂直面上CVt相對(duì)大小的變化（見(jiàn)圖1），可以看出，對(duì)于T1～T4來(lái)說(shuō)，植物主要耗水層隨時(shí)間下降，說(shuō)明植物根系向下發(fā)展，而T5的主要耗水層沒(méi)有下降，說(shuō)明植物根系受阻。

此外，隨著壓實(shí)度增加，CVh較高的層次下降，這也可能與植物的根系分布有關(guān)。由于根系在水平面上不均勻分布，在水平上對(duì)水分的消耗也不均勻，導(dǎo)致CVh增加。為了探討根系與CVh的關(guān)系，我們分別使用2012年生長(zhǎng)季（8～10月）和2013年生長(zhǎng)季（6～8月）的CVh根據(jù)平方Euclidean距離進(jìn)行聚類，將基質(zhì)分成水平異質(zhì)性高的層次和水平異質(zhì)性低的層次，結(jié)果如表3所示。與2012年相比，2013年有更多層次被分到CVh高的一類，說(shuō)明根系的發(fā)展會(huì)提高水平方向上SWC的變異性。同一壓實(shí)區(qū)內(nèi)，CVh較高的層次也是根系比較活躍的層次，CVh較高的層次隨壓實(shí)度增加而上升，說(shuō)明根系分布變淺。

表3 聚類分析得出的高CVh層Table 3 Soil layers with high CVh value

綜上，壓實(shí)顯著影響基質(zhì)含水量，隨著壓實(shí)程度增加，基質(zhì)含水量增加。隨著壓實(shí)度增加，SWC的時(shí)間變異性和水平、垂直方向上的空間變異性下降。隨著植物根系發(fā)展，T1～T4深層含水量的時(shí)間變異系數(shù)升高。T5淺層含水量的時(shí)間變異系數(shù)和水平變異系數(shù)均較高，說(shuō)明根系受到抑制。

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Compaction enhances soil water content and decreases spatiotemporal heterogeneity

ZHANG Cheng-liang1, FENG Jing-jing2, ZHAO Ting-ning2, ZHANG Wen3
(1. Ecological Restoration Research Base of Beijing Environmental Protection Research Institute of Light Industry, Beijing 100089,China; 2. Soil and Water Conservation school, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 3. Zhongke Dingshi Environmental Engineering Co., Ltd, Beijing 100102, China)

The effect of compaction on water holding capacity and soil water dynamics was studied in order to develop a new technology, i.e., using compaction as a method to enhance site conditions and to improve plant growth in agriculture and forestry. Five plots were set and marked as T1～T5. T1 was the control, and the soil within was naturally subsided. T2～T5 were compressed by a tractor to a preset bulk density, which was 1.25, 1.50, 1.75 and 2.00 times as mush as that of T1, respectively. Robinia pseudoacacia,Medicago sativa and Platycladus orientalis were grown in each plots. Three PVC tubes were set in each plots to measure the volumetric water content (SWC) from 10 to 100 cm depth. Variable coef fi cient (CV value) was used to evaluate the spatiotemporal heterogeneity of SWC. The results showed that, as the compact degree enhanced, SWC increased while temporal, vertical and horizontal CV values decreased. As the root developed form 2012 to 2013, temporal heterogeneity increased in T1～T4. Both temporal and horizontal CV values were higher in the shallower layers in T5. According to the lower temporal and horizontal CV values, the root development was shown to be restricted in T5, which was the most severe compacted plot.

compaction; soil water content; variable coef fi cient; spatiotemporal heterogeneity

S714.6；S152

A

1673-923X(2016)11-0108-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.019

2016-03-23

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“建設(shè)工程損毀林地植被恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（200904030）

張成梁，研究員 通訊作者：趙廷寧，教授；E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

張成梁，馮晶晶，趙廷寧，等.壓實(shí)對(duì)基質(zhì)含水量和時(shí)空異質(zhì)性的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(11): 108-112.

[本文編校：吳 毅]