路明杰，郭向紅，雷 濤，雷 震，孫西歡,2，馬娟娟，張少文

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030600)

0 引 言

土壤中的氧氣會影響作物根系的呼吸作用，對作物的生長起著至關(guān)重要的作用。但影響土壤中氧氣含量的因素有很多，其中農(nóng)業(yè)灌溉是最主要的因素之一。當(dāng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)，土壤水分會對土壤空氣產(chǎn)生驅(qū)替作用，改變土壤通氣性[1]。在不同灌溉方式下，土壤水分入滲邊界條件和入滲機(jī)理差異會導(dǎo)致水分驅(qū)替效果不同，使得土壤氧氣濃度和分布存在顯著差異，進(jìn)而影響根系呼吸和酶的活性[2]，最終影響作物生長生理及果實(shí)形成。為此，探究不同灌溉方式對土壤氧氣分布產(chǎn)生的影響尤為重要，這對于完善土壤氧氣相關(guān)理論以及進(jìn)一步制定土壤氣體調(diào)控策略具有重要的作用意義。

蓄水坑灌是一種適用于北方果園，具有節(jié)水保肥優(yōu)勢的中深層立體灌溉方法[3]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞蓄水坑灌下土壤水分[4]、養(yǎng)分[5]及溫度[6]分布特征和果樹生長及生理響應(yīng)[7]等方面進(jìn)行了大量研究，并構(gòu)建了水、氮、熱遷移分布量化模型[8-10]，然而蓄水坑灌條件下土壤氧氣分布特征及定量模型研究未見相關(guān)報(bào)道。國內(nèi)外關(guān)于土壤氧氣研究主要集中在增氧灌溉方面，前人定性地揭示了不同灌水量[11]、增氧量[12,13]、容重[14]及灌溉方式(增氧滴灌、常規(guī)滴灌)[15]對土壤氧氣動(dòng)態(tài)特征影響，然而土壤氧氣分布定量模型研究未見相關(guān)報(bào)道，不同灌溉方式(蓄水坑灌、地面灌溉)對土壤氧氣空間分布特征影響也尚不清楚。

本文擬通過田間試驗(yàn)，探明不同灌溉方式(蓄水坑灌、地面灌溉)下土壤氧氣一維垂向和徑向及二維空間分布特征，構(gòu)建兩種灌溉方式下土壤氧氣分布模型，闡明不同灌溉方式下土壤氧氣分布差異，為完善蓄水坑灌理論奠定重要基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2019年4月至10月在山西省農(nóng)科院果樹研究所矮化蘋果園進(jìn)行。該果園地處太谷縣西南部，東經(jīng)112°32′，北緯37°23′，平均海拔781.9 m，年平均氣溫9.8 ℃，無霜期175 d，多年平均降雨量460 mm左右，屬典型的大陸性半干旱氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤以粉(砂)壤土為主，土壤干容重為 1.47 g/cm3，飽和含水率為 49.21%，田間持水率為30%(體積含水率)，灌溉水源為地下水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要進(jìn)行不同灌溉方式下土壤氧氣空間分布特征研究。試驗(yàn)選取園區(qū)長勢優(yōu)良，生長形態(tài)接近的6株蘋果樹為試驗(yàn)對象。蘋果樹種植方向?yàn)槟媳毕?，株行距? m×4 m。試驗(yàn)以灌溉方式為控制因子，設(shè)置地面灌溉、蓄水坑灌兩種處理，每種處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。每株果樹周邊均勻布置4個(gè)蓄水坑，蓄水坑壁采用PVC網(wǎng)布進(jìn)行固定，防止坑壁土壤塌陷?？拥撞捎猛凉げ級|底做隔水處理。各處理灌水上下限均為60%～90%田間持水率。

1.3 測定指標(biāo)與方法采用

土壤氧飽和度：采用13.05.01型土壤原位氧氣測定儀進(jìn)行測定。圖1為試驗(yàn)測點(diǎn)布置。在蓄水坑灌條件下，沿距離樹干30、50、60、90、100、120 cm徑向位置處布置土壤氧氣監(jiān)測點(diǎn)。在各徑向特征位置處，沿垂向每20 cm一層布置測點(diǎn)，測定深度為120 cm，共6層。地面灌溉條件下的測點(diǎn)布置方法與蓄水坑灌法一致。

圖1 測點(diǎn)布置圖Fig.1 The layout of measuring points

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用 IBM SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用 Origin 2017軟件進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式下土壤氧氣一維垂向分布特征

圖2為不同灌溉方式下距樹干不同徑向位置(r30，r50，r60，r90，r100，r120)土壤氧氣一維垂向分布特征。由圖2可知，在距樹干同一徑向位置處，兩種灌溉方式下土壤氧飽和度隨垂向深度增加均呈遞減趨勢。這是因?yàn)橥寥乐醒鯕庵饕獊碜源髿鈹U(kuò)散，當(dāng)土層深度越大時(shí)，大氣進(jìn)入土壤的擴(kuò)散路徑越長，擴(kuò)散阻力越大，土壤空氣與大氣的交換能力越弱，土壤氧飽和度越小。由圖2還可知，在不同徑向(r30，r50，r60，r90，r100，r120)條件下，在同一垂向深度位置處(d20，d40，d60，d80，d100，d120)蓄水坑灌處理的土壤氧飽和度分別比地面灌溉處理高0.3%～1.0%，1.8%～2.1%，2.0%～2.5%、2.2%～2.9%、2.4%～2.9%、2.3%～2.9%，均值分別為0.7%，1.9%，2.1%，2.4%，2.6%，1.8%。由此說明，在任意土壤深度位置處，蓄水坑灌處理的土壤氧飽和度均高于地面灌溉處理，并且土壤深度越大時(shí)，兩種處理間的差異越明顯。這是由于相對地面灌溉，蓄水坑的存在增加了土壤與大氣間的氣體交換界面，更有利于大氣向土壤內(nèi)部擴(kuò)散，進(jìn)而提高土壤氧飽和度。

圖2 不同灌溉方式下土壤氧氣一維垂向分布特征Fig.2 One-dimensional vertical distribution of soil oxygen under different irrigation methods

本文采用指數(shù)型模型[式(1)]對土壤氧飽和度一維垂向分布特征進(jìn)行定量描述，并采用決定系數(shù)R2對模擬效果進(jìn)行評價(jià)。表1為不同灌溉方式下土壤氧飽和度一維垂向分布模型參數(shù)及精度指標(biāo)。由表1可知，地面灌溉和蓄水坑灌條件下OS(z)模型決定系數(shù)分別為0.903～0.916和0.872～0.983，均值分別為0.909和0.937。說明蓄水坑灌和地面灌溉方式下土壤氧飽和度一維垂向分布特征均能較好地符合OS(z)模型。在OS(z)模型中，參數(shù)b是與土壤氧飽和度沿垂向變化速率緊密相關(guān)的重要指標(biāo)，并且模型參數(shù)b與變化速率絕度值呈正相關(guān)。由表1可知，在距離樹干30、50、60、90、100和120 cm徑向位置處，地面灌溉處理下參數(shù)b分別是蓄水坑灌處理的1.57倍、1.58倍、3.32倍、3.29倍、1.63倍和1.60倍，這說明地面灌溉處理的土壤氧飽和度下降速率要高于蓄水坑灌處理，這與圖2分析結(jié)果一致。

OS(z)=aebz

(1)

式中：OS(z)為土壤氧飽和度；z為土壤深度；a、b均為擬合參數(shù)。

表1 不同灌溉方式下土壤氧氣一維垂向分布特征擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of one-dimensional vertical distribution of soil oxygen under different irrigation methods

2.2 蓄水坑灌與地面灌溉土壤氧氣徑向分布比較

圖3為不同灌溉方式下距地表不同垂向深度位置處(d20、d40、d60、d80、d100、d120)土壤氧氣一維徑向分布特征。由圖3可知，兩種不同處理下存在較大差異，在0～60 cm處蓄水坑灌下土壤氧飽和度隨徑向距離增大呈“幾”字形變化趨勢，隨深度增大曲線坡度變緩。地面灌溉下土壤氧飽和度隨徑向距離增大均基本穩(wěn)定。這是由于蓄水坑灌條件下蓄水坑的存在改變了土壤與大氣交換的條件從而影響了土壤氧氣徑向分布規(guī)律和變化趨勢，而隨著土層深度的增加距離蓄水坑越來越遠(yuǎn)，對土壤氧氣產(chǎn)生的影響逐漸變小。由圖3還可知，在不同垂向深度位置(d20，d40，d60，d80，d100，d120)處，在同一徑向(r30，r50，r60，r90，r100，r120)條件下蓄水坑灌處理的土壤氧飽和度分別比地面灌溉處理高0.3%～2. 1%，1.0%～2.9%，2.6%～4.2%、2.6%～4.3%、1.0%～2.9%、0.5%～2.2%，均值分別為1.9%，2.1%，3.4%，3.4%，2.0%，1.9%。蓄水坑灌下土壤氧飽和度均高于地面灌溉，氧飽和度的差值隨徑向距離的增加呈先增加后降低的趨勢，在距離樹干60和90 cm處時(shí)達(dá)到最大值。這是由于蓄水坑極大增加了與大氣接觸的臨空面，并且在氣象條件作用下坑壁表面土質(zhì)疏松，孔隙度增大。這使得蓄水坑灌土壤氧氣擴(kuò)散及交換能力強(qiáng)于地面灌溉，進(jìn)一步導(dǎo)致蓄水坑灌處理的土壤氧飽和度高于地面灌溉處理。

圖3 不同灌溉方式下土壤氧氣一維徑向分布特征Fig. 3 One-dimensional radial distribution of soil oxygen under different irrigation methods

本文采用改進(jìn)指數(shù)型[式(2)]對蓄水坑灌下土壤氧飽和度一維垂向分布特征進(jìn)行定量描述，并采用決定系數(shù)R2對模擬效果進(jìn)行評價(jià)。表2為蓄水坑灌下土壤氧飽和度一維徑向分布模型參數(shù)及精度指標(biāo)。由表2可知，蓄水坑灌條件下OS(x)模型決定系數(shù)在土層0～40 cm時(shí)模擬結(jié)果較高，精度為0.791和0.814。在40～120 cm時(shí)模擬結(jié)果較好，精度為0.605～0.677。

OS(x)=aeb(c-x)2

(2)

式中：OS為土壤氧飽和度；x為距離樹干的距離；a、b、c均為擬合參數(shù)。

表2 蓄水坑灌下土壤氧氣一維徑向分布特征擬合參數(shù)Tab.2 Fitting parameters of one-dimensional radial distribution characteristics of soil oxygen under water storage pit irrigation

2.3 蓄水坑灌與地面灌溉土壤氧氣空間分布比較

圖4為不同灌溉方式下土壤氧氣二維空間分布特征。由圖4可知，地面灌溉下土壤氧飽和度隨土壤深度增加呈減小趨勢，隨徑向距離增加無明顯變化基本趨于某一穩(wěn)定常數(shù)；蓄水坑灌下土壤氧飽和度隨土壤深度增加呈減小趨勢，隨徑向距離增加呈“幾”字形變化趨勢。由圖4可知，蓄水坑灌條件下土壤氧飽和度0.975 0～1.000 0區(qū)域主要集中在0～25 cm土壤，而地面灌溉處理的結(jié)果為0～20 cm；蓄水坑灌條件下土壤氧飽和度0.962 5～1.000 0區(qū)域主要集中在0～65 cm土壤，而地面灌溉處理的結(jié)果為0～25 cm。由此說明，在相同土壤氧飽和度等值線區(qū)間，蓄水坑灌處理氧氣分布范圍要大于地面灌溉處理。由圖4還可知，在相同土壤區(qū)域(垂向0～120 cm，徑向0～120 cm)，蓄水坑灌方式下土壤氧飽和度為0.950 0～1.000 0，地面灌溉方式下土壤氧飽和度為0.900 0～1.000 0，蓄水坑灌處理土壤氧飽和度均值比地面灌溉處理高3.74%。說明相對地面灌溉，蓄水坑灌有助于改善果園根區(qū)的土壤含氧狀況。

由以上分析可知，OS(z)模型(式(1))和OS(x)模型[式(2)]夠?qū)π钏庸嘞峦寥姥躏柡投纫痪S徑向和垂向分布特征進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。在此基礎(chǔ)上，采用相乘形式對OS(z)模型和OS(x)模型進(jìn)行耦合，進(jìn)而獲得蓄水坑灌處理下土壤氧飽和度二維空間分布模型OS(x,z)，如式(3)所示。表4為OS(x,z)模型擬合參數(shù)及模型精度指標(biāo)。由表4可知，蓄水坑灌下模型OS(x,z)的決定系數(shù)R2值為0.890。說明蓄水坑灌下土壤氧飽和度二維空間分布特征均能較好地符合OS(x,z)模型。

OS(x,z)=aeb(c-x)2+d z

(3)

式中：OS(x,z)為土壤氧飽和度；x為距樹干的水平距離，cm；z為土壤深度，cm；a、b、c、d均為擬合參數(shù)。

表3 蓄水坑灌下土壤氧氣二維空間分布特征擬合參數(shù)Tab.3 Fitting parameters of two-dimensional spatial distribution characteristics of soil oxygen under water storage pit irrigation

3 結(jié) 論

(1)不同灌溉方式下土壤氧飽和度隨土壤層深度增加均呈指數(shù)型減小趨勢，且蓄水坑灌處理下土壤氧飽和度要高于地面灌溉處理。建立了不同灌溉方式下土壤氧飽和度一維垂向指數(shù)型分布模型OS(z)，模型決定系數(shù)R2介于0.872～0.983，模擬精度較高。

圖4 不同灌溉方式下土壤氧氣二維空間分布特征Fig.4 Two dimensional spatial distribution characteristics of soil oxygen under different irrigation methods

(2)蓄水坑灌下土壤氧飽和度隨徑向距離增加呈“幾”字形變化趨勢，隨深度增加逐漸趨于平緩。地面灌溉下土壤氧飽和度隨徑向距離增加基本穩(wěn)定；蓄水坑灌處理下土壤氧飽和度要高于地面灌溉處理。建立了蓄水坑灌下土壤氧飽和度一維徑向改進(jìn)指數(shù)型分布模型OS(x)，模型決定系數(shù)R2為0.605～0.814，模擬精度良好。

(3)蓄水坑灌處理下土壤氧飽和度高于地面灌溉處理，且蓄水坑灌處理土壤氧飽和度高值區(qū)分布范圍更廣。建立了蓄水坑灌下土壤氧飽和度二維空間改進(jìn)指數(shù)型分布模型OS(x，z)，模型決定系數(shù)R2為0.890，模擬精度較高。