李 凱, 帕力夏提·格明, 王維維, 杜 峰, 徐學選

(1.西北農(nóng)林科技大學 草業(yè)與草原學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤斥水性(soil water repellency, SWR)是指土壤不能或者很難被水分濕潤的現(xiàn)象。1910年Schreiner和Shorey在調(diào)查加利福尼亞土壤的腐殖質時，首次提出土壤“很難被濕潤”的概念。此后研究認為斥水性是極性有機質引發(fā)，積累有極性的物質的表面，或因為相同極性阻礙水濕潤土壤，在干燥化的土壤中斥水性表現(xiàn)突出。但直到上個世紀末，斥水性研究并未得到廣泛重視。進入21世紀，土壤斥水性才成為繼土壤優(yōu)先流(soil preferential flow)以后的有關土壤水分運動研究的新熱點。國內(nèi)對土壤斥水性的研究起步較晚[1]，研究成果較少，2010年后才有突破性增長。目前主要集中在斥水性測定[2-3]、空間分布、斥水性與土壤含水量的基本關系[4]、與有機質的關系[5]，斥水土壤中的水及溶質運移方面等[6]。對于黃土區(qū)的相關研究尤其薄弱。

黃土母質下的土壤一般不易表現(xiàn)出斥水性[7-8]，因而人們往往忽視了其發(fā)生斥水效應的水土流失危險。未來氣候暖干化背景下土壤干燥化加劇，并且隨著植被恢復進程和人類活動干擾減少，黃土土壤會在干旱環(huán)境下積累極性有機質，黃土區(qū)土壤或能表現(xiàn)出微弱的斥水性、進而增加土壤斥水引起的水土流失風險。如何消除土壤由親水到斥水的轉變危險，需要對引起土壤發(fā)生斥水的因素，如含水量、土壤有機質含量、容重等因素作深入研究。

黑壚土為黃土母質發(fā)育的地帶性土壤，在中國陜西和甘肅等地分布廣泛。豆科作物種植和免耕可以有效提高土壤表層有機質積累[9-10]。本研究選擇苜蓿地為免耕地和容易積累極性物質容易的類型，玉米地為翻地整地多、表層土壤中有機質量少、極性往往被打擾的類型，探索黑壚土土壤出現(xiàn)斥水表現(xiàn)的可能條件和影響因素。由于黑壚土僅在干燥和積累一定極性物質情況下才會出現(xiàn)斥水，本文研究土樣在低水水平下，添加OCT極性物質情況下使得黑壚土出現(xiàn)斥水的條件，以期為土壤干燥條件下的入滲能力相關研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗土壤采自渭北旱塬的長武水土保持試驗站農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)長期定位試驗場，位于陜西省長武縣城關西2.5 km的十里鋪村南1 km旱塬上，塬面平坦寬闊，黃土堆積深厚，海拔1 200 m，年均降雨584.1 mm，年均氣溫9.1 ℃，無霜期171 d，屬溫帶大陸季風型半濕潤易旱氣候區(qū)。本試驗選擇2個試驗樣地，分別是苜蓿連作區(qū)和玉米連作區(qū)，土壤為黑壚土。土壤基本理化性質見表1。

表1 0-20 cm黑壚土土壤基本理化性質

1.2 材料與方法

1.2.1 樣品制備 采樣時間為2019年10月，玉米地和苜蓿地各選取3個樣點，取土深度為0—20 cm，將土樣用小刀沿自然裂隙切成1 cm左右的小塊后自然風干，取風干土樣粉碎，剔除雜質后過1 mm篩備用。

按土壤含水量0%，2%，4%和6%制備4組不同含水量的土壤試樣。試樣初始為干燥狀態(tài)，給干土按控制含水量需要噴灑水量攪拌均勻后，密封放入35 ℃恒溫烘箱12 h，使水和土混合均勻，此時某一含水量的試樣即制備完成，即玉米地、苜蓿地分別制備4個含水量試樣。

按3個水平OCT添加量(0.05%，0.10%和0.15%)和3個水平土壤容重(1.3，1.4，1.5 g/cm3)制備4個不同含水量供試土壤樣。將OCT研磨至細顆粒后按百分比與不同含水量的土壤混合，密封于25 ℃的室溫下放置96 h，獲得土壤試樣72個。將不同含水量與OCT的土壤按容重1.3 g/cm3，1.4 g/cm3，1.5 g/cm3分別裝入土盒內(nèi)，輕輕平整表面，共獲得土樣3容重×3 OCT添加量×4含水量水平×3重復×2作物=216個處理，然后對其進行斥水性測定。

1.2.2 土壤斥水性SWR測定方法 采用滴水穿透時間(WDPT)法對各土盒內(nèi)的土壤進行斥水性測定，滴定溶液為25 ℃室溫下的蒸餾水，滴定管采用標準滴定管(0.48 ml/滴)，滴頭距離土面5 mm，每一個樣本滴定7次，記錄每滴的入滲時間t，取其平均值作為樣本滴水穿透時間，參照WDPT值分級對應的斥水等級[11](表2)。

表2 滴水穿透時間WDPT值分級所對應的斥水等級

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表構建，SPSS 23.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 黑壚土不同處理下的斥水表現(xiàn)比較

SWR與土壤含水量、容重、OCT添加量的差異如圖1—2所示。由圖1—2可以看出，不同含水量、容重及OCT添加量對SWR均產(chǎn)生一定的影響。黑壚土在沒有OCT添加時是親水性土壤，S1處理的滴定時間均小于5秒，即有一定的OCT加入，仍不能改變黑壚土親水的性質，2種作物，3個容重的處理中，與黑壚土屬于非斥水性土壤的性質十分一致。當OCT添加量為0.10%后，2種土地利用下的土壤均出現(xiàn)不同程度斥水現(xiàn)象，并且OCT添加量達到0.15%時，2種土地利用下的土壤表現(xiàn)出嚴重斥水；斥水程度隨土壤含水量增加(0%～6%)逐漸增強；斥水程度基本符合隨容重增加而增強規(guī)律，如在2%和4%含水量時，嚴格遵循容重增加斥水性增強的，只是在0%和6%含水量時有所波動。

圖1 玉米地土壤處理樣的斥水性測試結果

從圖1玉米地和圖2苜蓿地可以看出：在0%含水量時，低、中兩個水平的OCT添加下，3個容重變化范圍內(nèi)土壤可以維持親水本質，即完全干燥的黑壚土，在斥水物質添加低于(0.15%)時仍然可以保持親水本性，當OCT添加到一定量后(0.15%)，無論含水量、容重，黑壚土就不再是親水的，變化為斥水性土壤。當含水量增加到2%時，只有容重1.3 g/cm3處理組合沒有斥水性，其他組合處理的SWR表現(xiàn)為隨容重、OCT添加量增加、土壤含水量增加而增大趨勢，即土壤容重開始影響到土壤的親水性質，容重的增加加大了土壤水滴入滲的難度，土壤向斥水性轉變。在0%含水量、OCT添加量在0.15%時土壤由非斥水轉變?yōu)檩p微斥水狀態(tài)，并且隨著容重的增加斥水性增強(圖1a)。在2%含水量時，SWR隨著OCT添加量的增加而增強，并且0.10%和0.15%OCT添加量下，土壤由非斥水轉變?yōu)檩p微斥水或斥水狀態(tài)(圖1b)。在4%和6%含水量的情況下，OCT添加量達0.15%時，WDPT值均大于3 600 s，土壤均表現(xiàn)出極度斥水，其中6%含水量，OCT添加量為0.10%時WDPT值均大于600 s，土壤表現(xiàn)出嚴重或極度斥水(圖1c,1d)。

圖2苜蓿地表明：苜蓿地的表現(xiàn)與玉米地的基本一致，反映出土壤質地的影響上不足于含水量，OCT添加量的影響。容重對SWR的影響在低含水量、低OCT添加量時影響不明顯；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添加量時，SWR表現(xiàn)為隨容重的增加而增大。在0%含水量、OCT添加量在0.15%時土壤由非斥水轉變?yōu)檩p微斥水狀態(tài)(圖2a)。在2%含水量時，SWR隨著OCT添加量的增加而增強，并且0.10%和0.15%OCT添加量下，土壤由非斥水轉變?yōu)檩p微斥水或斥水狀態(tài)(圖2b)。在4%含水量的情況下，OCT添加量0.10%時，土壤表現(xiàn)為斥水或嚴重斥水狀態(tài)，OCT添加量0.15%時，土壤均表現(xiàn)出極度斥水(圖2c)。在6%含水量時，OCT添加量為0.10%或0.15%時WDPT值均大于600 s，土壤表現(xiàn)出嚴重或極度斥水(圖2d)。

圖2 苜蓿地土壤處理樣的斥水性測試結果

2.2 黑壚土SWR影響因素的互作效應分析

交互效應是指兩個或者多個因素在對方不同水平上呈現(xiàn)的效應存在差異。由于滴水穿透時間(WDPT)值變幅較大，故取數(shù)據(jù)的對數(shù)進行互作效應分析，結果見圖3。圖3表明，玉米地和苜蓿地體現(xiàn)出3個因素組合對WDPT值影響具有交互作用。通過多因素方差分析(表3)，玉米地3因素除了顯著的直接作用外，仍表現(xiàn)出極顯著的交互作用(p<0.001)。包括兩因素交互作用。單因子效應分析結果顯示，土壤含水量，OCT添加量和土壤容重均存在極顯著效應(p<0.001)。說明在玉米地土壤OCT添加量、土壤含水量、土壤容重是主要影響因素，并且各因素間均存在交互效應。0.10%OCT添加量的3個容重下，不同土壤含水量水平之間存在極顯著差異(p<0.001)；0.15%OCT添加量，1.4，1.5 g/cm3容重下，0%，2%土壤含水量與4%，6%土壤含水量差異極顯著(p<0.001)。

圖3 土壤含水量、OCT添加量和土壤容重的互作分析

苜蓿地十分類似玉米地的情況(表3，圖3)，土壤含水量、OCT添加量、容重對WDPT值的影響存在3因素交互和2因素的兩兩交互作用(p<0.001)。

表3 影響SWR的多因素方差分析

苜蓿地與玉米地相比：OCT添加量、含水量的F值降低，容重的F值增強，交互作用的F值均有所增強。這可能與苜蓿地有機質含量和土壤顆粒組成有關，結合表1可知，苜蓿地本身有機質含量高、黏粒含量多，在低土壤含水量情況下，或可積累極性，增加斥水風險。

圖3同時反映2種土地利用類型在不同土壤容重下隨著OCT添加量增加，土壤含水量對SWR影響的變化趨勢：在不同土壤容重下，玉米地和苜蓿地各含水量對SWR的影響隨OCT添加量增加均呈上升趨勢。其中玉米地在1.3 g/cm3容重時，2%～4%含水量的曲線斜率變化較小，0%含水量斜率先小后大，6%含水量斜率先大后小。較于1.3 g/cm3容重，1.4，1.5 g/cm3容重時，2%～4%含水量的曲線斜率有減小趨勢，而6%含水量斜率在中高OCT添加量時趨于水平，0%含水量斜率仍先小后大。苜蓿地與玉米地的情況基本相似，不同在1.5 g/cm3容重時，4%含水量斜率在中高OCT添加量時也趨于水平。說明在中高土壤容重下，各土壤含水量隨著OCT添加量的增加，斥水性均會到達頂峰，此時隨著含水量增加和OCT的添加，不同土壤處理表現(xiàn)出的斥水性均達到極度斥水級別，需要滴定時間的對數(shù)值差異也會變得不明顯。

逐步回歸分析結果(表4)表明，2類樣地OCT添加量對SWR的作用最大，分別可以解釋玉米地SWR 54.0%的變異，苜蓿地為56.2%。玉米地中，OCT添加量和土壤含水量共同可以解釋SWR 80.1%的變異，而土壤容重沒有被歸入回歸模型中，說明主要影響玉米地的SWR因素為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釋SWR 77.6%的變異，OCT添加量、土壤含水量和土壤容重共同可以解釋SWR 78.5%的變異，可以看出在苜蓿地中土壤容重雖然歸入到回歸模型，但是影響的程度不高。5個擬合模型中，OCT添加量和土壤含水量共同參與下的擬合模型更優(yōu)，玉米地和苜蓿地的F值分別為220.563，186.636?？傮w來看，2類樣地OCT添加量和土壤含水量對SWR的影響明顯大于土壤容重的影響。

表4 滴水穿透時間與各因子的逐步回歸分析

2.3 黑壚土由不斥水轉變?yōu)檩p微斥水的條件分析

表5表示土壤由不斥水到輕微斥水轉變的條件。由表5可知，玉米地和苜蓿地的出現(xiàn)斥水的條件和具體的WDPT值很接近，即土壤中顆粒機械組成(表1)對斥水性影響不明顯，只是相同條件下苜蓿地略微更斥水。具體出現(xiàn)斥水的條件為：玉米地在0%含水量的情況下，只有當OCT添加量達0.15%時，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表現(xiàn)為輕微斥水。在2%含水量的情況下，OCT添加量為0.10%且土壤容重為1.3 g/cm3，1.4 g/cm3時，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表現(xiàn)為輕微斥水；OCT添加量達0.15%且土壤容重為1.3 g/cm3時，土壤表現(xiàn)為輕微斥水。苜蓿地在0%含水量的情況下，只有當OCT添加量達0.15%且土壤容重為1.3 g/cm3，1.4 g/cm3時，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表現(xiàn)為輕微斥水。在2%含水量的情況下，OCT添加量為0.10%時，WDPT值大于5 s且小于60 s，土壤表現(xiàn)為輕微斥水，并且WDPT值隨著土壤容重的增加而增大；OCT添加量達0.15%且土壤容重為1.3 g/cm3時，土壤表現(xiàn)為輕微斥水；土壤容重為1.4，1.5 g/cm3時，WDPT值大于60 s，土壤表現(xiàn)為斥水。

表5 黑壚土土壤由濕潤轉變?yōu)檩p微斥水時的條件及其滴水穿透時間WDPT值

3 討 論

在逐步回歸分析中(表4)，OCT添加量和土壤含水量是SWR的主要影響因素，玉米地中，OCT添加量和土壤含水量共同可以解釋SWR 80.1%的變異，苜蓿地OCT添加量和土壤含水量共同可以解釋SWR 77.6%的變異，與吳珺華等[12]研究云南壤土SWR和OCT含量、含水量呈正相關關系相符。本研究中0.10%OCT添加量下SWR隨著土壤含水量的增加而增大，在2%含水量時先出現(xiàn)輕微斥水性，與在對荷蘭沙土進行研究時發(fā)現(xiàn)，某些土壤在小于2%含水量時SWR會消失的結果相符[13]，也與在改性土壤條件下，OCT含量和砂土土壤含水率影響SWR的結果相符[14]。但是在0%含水量和0.15%OCT添加量時，土壤仍然從不斥水轉變?yōu)槌馑疇顟B(tài)，說明即使在干燥的土壤條件下，隨著OCT添加量增加到一定程度，土壤仍會表現(xiàn)出斥水性質。根據(jù)圖3中0%土壤含水量的曲線變化趨勢，可以推測隨著OCT的繼續(xù)增加，SWR可能會達到嚴重甚至極度斥水水平。楊松等[2]對土壤顆粒理想模型的研究認為，砂土的密實度對斥水性也有重要影響：當砂土比較密實時，土壤的“親水”與“斥水”特性對含水量特別敏感，隨含水量的變化，土壤可能由親水性較好的土壤轉變?yōu)槌馑酝寥?；當砂土比較松散時，土壤顆粒的斥水性對含水量并不敏感，說明容重也可能是影響SWR的因素之一，本研究發(fā)現(xiàn)容重的影響在非干燥土壤、中高OCT添加量時，表現(xiàn)為隨容重增加，斥水程度增強，隨著含水量和OCT添加量的增加，這種趨勢變得不明顯，可能是在較高的含水量和OCT添加量的影響下，各因素間存在交互效應，容重對于SWR的影響被削弱。另一方面，逐步回歸分析中，玉米地的土壤容重未被納入回歸模型，苜蓿地的容重雖被納入第3個模型，但是對于解釋度的貢獻較小，只比OCT添加量和土壤含水量的回歸模型高0.9%，F(xiàn)值減小了55.25(表4)。在本研究中，互作效應分析顯示，苜蓿地與玉米地的土壤含水量、OCT添加量、土壤容重不僅單獨顯著影響SWR，而且各因素之間存在交互效應(表3)。其中2類樣地土壤容重單獨對SWR影響的F值均小于OCT添加量和土壤含水量，基本符合逐步回歸分析中，OCT添加量和土壤含水量對SWR的影響明顯大于土壤容重的影響的結果。交互效應說明土壤容重、土壤含水量與OCT添加量之間存在不同水平的組合影響，表現(xiàn)在0%～2%含水量時，隨著OCT增加，WDPT值差異不大，而在4%～6%含水量時，WDPT值急速增加；在0.05%OCT添加量時，隨土壤含水量的增加，土壤仍表現(xiàn)為不斥水，而在0.10%OCT添加量時，2%～6%含水量的WDPT值差異明顯，在0.15%OCT添加量時，隨著含水量的增加，土壤會從干燥條件下的非斥水狀態(tài)迅速轉變?yōu)槌馑疇顟B(tài)。苜蓿地與玉米地相比整地少，苜蓿地有機質含量和土壤顆粒組成與玉米地存在差異，多因素方差分析中苜蓿地較玉米地：OCT，含水量的F值降低，容重的F值增強，交互作用的F值均有所增強。結合表1，苜蓿地本身有機質含量高、黏粒含量多，在低土壤含水量情況下，或可積累極性，更易出現(xiàn)斥水風險。

土壤有機碳是影響SWR的重要原因之一，SWR和土壤有機碳含量呈正相關關系[15]，在本研究中，苜蓿地的有機碳含量比玉米地的有機碳含量高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(圖1c,2c)。另一方面，有機質是水穩(wěn)性團聚體含量(water-stable aggregates，WSA)發(fā)育的有利條件[16]，有研究發(fā)現(xiàn)紅壤土的不同土地利用方式對土壤團聚體的水分入滲力和斥水性存在顯著影響[17]，本試驗苜蓿地WSA含量比玉米地高61.05%，推測黑壚土的團聚體含量對于SWR有一定的影響。對伊朗北部各類土壤研究表明，土壤黏粒與SWR呈負相關關系[18]，因為砂粒相比于黏粒有更小的比表面積，更易產(chǎn)生SWR[19]。在荷蘭某些土壤的研究證明，中等質地的土壤(黏粒占20%～30%)，甚至是黏土也可能呈現(xiàn)強烈的斥水性[20]。產(chǎn)生這種差異的原因可能是土壤種類和土地利用類型不同造成的。本試驗玉米地的砂粒含量比苜蓿地高41.26%，粉粒含量較為接近，黏粒含量苜蓿地比玉米地高32.28%，說明玉米地更易出現(xiàn)SWR，這與在0.15%OCT添加量下，對比兩地0%和2%含水量的WDPT值，玉米地較苜蓿地變化更大的結果相符(圖1a,1b,2a,2b)。可能苜蓿地高有機質含量對增加斥水的貢獻被玉米地高砂粒含量增強斥水的作用互相抵消，最終兩類土的SWR差別不大。根據(jù)陳俊英等[4]對以色列西南部黃土狀母質沙壤土的研究，含水量10%左右時SWR達到峰值，但本試驗未出現(xiàn)隨含水量升高SWR達到峰值且隨后減弱的現(xiàn)象，可能是含水量梯度較少且含水量較低的原因造成，故黑壚土SWR隨含水量的變化規(guī)律還需進一步深入研究討論。

4 結 論

(1) 黑壚土土壤在一般情況下不表現(xiàn)出斥水性，特殊情況下會有斥水表現(xiàn)。影響黑壚土土壤斥水性的因素中OCT添加量、土壤含水量的影響明顯大于土壤容重的影響。同時，含水量、OCT添加量和容重之間對SWR也存在極顯著交互作用。

(2) 土壤由不斥水到斥水轉變的必要條件為：玉米地和苜蓿地出現(xiàn)斥水的條件和具體的WDPT值較為接近，即黑壚土在加入0.10%OCT添加量后，在0%～6%的低水條件下可以表現(xiàn)出斥水性，而且斥水程度隨著含水量增加有增強趨勢。

(3) 苜蓿地較玉米地有機碳含量、黏粒含量高，其本身易積累極性而有斥水潛能，OCT添加、含水量、容重變化后的斥水性交互分析中的F值增加，因素間的交互作用增強。因此，應注意不同土地利用下的土壤這些理化性質變化對黑壚土斥水風險的影響。