楊昊晟，馬永勝，胡笑濤，唐文政，陳滇豫，王文娥，周始威，杜敬斌

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2. 延安市果業(yè)研究發(fā)展中心，陜西 洛川 727400)

渭北旱塬地區(qū)具有適宜蘋果生長(zhǎng)的氣候條件，蘋果產(chǎn)業(yè)逐漸成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)[1]。然而與良好氣候條件形成鮮明對(duì)比的是當(dāng)?shù)赝寥罈l件差，其有機(jī)質(zhì)含量低、水穩(wěn)性差，近年來(lái)隨著果園植果年限增加，部分地區(qū)土壤物理?xiàng)l件進(jìn)一步退化[2]。良好的土壤物理狀況有利于根系的發(fā)育延伸以及水分、養(yǎng)分的存儲(chǔ)與供應(yīng)[3-4]，并具有適宜的通氣狀況。土壤結(jié)構(gòu)是影響土壤物理及水力特性的重要因素[5]，長(zhǎng)期耕作以及作物根系穿插生長(zhǎng)會(huì)改變農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)[6]，從而影響土壤的水分存儲(chǔ)、運(yùn)移等過(guò)程，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育甚至區(qū)域生態(tài)環(huán)境。隨著技術(shù)的進(jìn)步，土壤孔隙結(jié)構(gòu)的研究在當(dāng)前土壤物理及農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域逐漸受到重視[7-8]，不同孔徑的土壤孔隙有著不同的持水能力且孔隙的形狀與連通性顯著影響著土壤水分運(yùn)移過(guò)程，土壤孔隙結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系是一項(xiàng)亟待解決的科學(xué)問(wèn)題[9]。

土壤孔隙結(jié)構(gòu)是反映土壤結(jié)構(gòu)的重要因素，土壤孔隙分布影響著土壤水分的運(yùn)移與保持，從而可能對(duì)降雨或灌溉水的入滲產(chǎn)生影響。目前對(duì)渭北旱塬果園中土壤孔隙結(jié)構(gòu)的研究還相對(duì)比較少，對(duì)此，本研究通過(guò)空間換時(shí)間的研究方法[10]，探究渭北旱塬蘋果園種植年限對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響，探究土壤水力特征在不同土壤孔隙結(jié)構(gòu)下的響應(yīng)規(guī)律，以期對(duì)果園的灌溉與降水入滲過(guò)程提供參數(shù)支持，研究結(jié)果對(duì)果園農(nóng)業(yè)高效用水及土壤物理狀況變化預(yù)測(cè)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在陜西省延安市洛川縣的延安市果業(yè)研究發(fā)展中心進(jìn)行，地處北緯35°48′，東經(jīng)109°36′，屬渭北旱塬。該區(qū)為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔1 087.5 m，平均年降水量620 mm，年均氣溫9.2℃，日照時(shí)數(shù)2 525 h，日照率達(dá)58%，年總輻射量為55.41 kJ·cm-2，≥10℃積溫為3 040℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

選取延安市果業(yè)研究發(fā)展中心內(nèi)2018、2007年及1987年建園果園，2020年取樣時(shí)樹齡分別為2 a、13 a及33 a。試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)見表1，供試不同樹齡果園立地條件基本一致，符合空間換時(shí)間試驗(yàn)布置的基本要求。

表1 不同種植年限蘋果園0～1 m土壤粒度組成

供試果園中果樹品種為‘長(zhǎng)富12’(傳統(tǒng)晚熟富士)，基砧為新疆野蘋果，2 a果園株行距為2 m×4 m，13 a及33 a果園株行距為4 m×5 m。果園有專人負(fù)責(zé)管理，果樹長(zhǎng)勢(shì)均勻。統(tǒng)一在春季對(duì)除樹干附近外的土壤旋耕至15～20 cm。有研究表明常規(guī)耕作對(duì)土壤的擾動(dòng)主要集中在0～25 cm土層[11]，也有研究表明渭北果園土層以20 cm為界土壤具有明顯的“上松下實(shí)”變異特征[12]，故本研究中分析時(shí)選取0～20 cm深度土壤作為表土擾動(dòng)層，20～40 cm深度土壤作為潛在犁底層，40～100 cm深度土壤作為心土層。

在果園中沿著東西方向挑選3處長(zhǎng)勢(shì)均勻有代表性的5行5列果樹，在挑選區(qū)域中心的果樹樹冠投影東南方向的1/3～2/3處開挖土體成臺(tái)階面，每個(gè)試驗(yàn)果園重復(fù)3次，臺(tái)階深度分別為0～20、20～40、40～60、60～80 cm及80～100 cm，每個(gè)臺(tái)階面的面積約為70 cm× 30 cm，以能滿足取樣量及人員取樣所需活動(dòng)空間為宜。利用環(huán)刀分別以深度間隔20 cm和10 cm取樣，前者用于測(cè)定土壤容重、田間持水量、土壤飽和導(dǎo)水率及土壤水分特征曲線，后者用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤粒度組成及土壤孔隙結(jié)構(gòu)，以上各土樣均取3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定方法

土壤水分特征曲線采用離心機(jī)法(CR21G，日本)，將離心力與對(duì)應(yīng)體積含水率數(shù)據(jù)輸入RETC軟件中進(jìn)行土壤水分特征曲線VG模型的參數(shù)擬合；土壤田間持水量的測(cè)定采用室內(nèi)環(huán)刀法[13]；土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，粒度組成采用激光粒度儀(MS3000，英國(guó))進(jìn)行濕法測(cè)定。

孔徑分布是利用壓汞儀對(duì)風(fēng)干原狀土樣進(jìn)行測(cè)定，原理是依據(jù)汞對(duì)大多數(shù)物體不浸潤(rùn)，汞不會(huì)通過(guò)毛管力而只有通過(guò)外部施加壓力的情況下才能進(jìn)入孔隙，壓力與孔徑之間符合Washburn方程[14]。具體樣品處理方法為：土樣風(fēng)干后(先自然條件風(fēng)干，測(cè)樣前烘箱40℃烘至恒重)，按照自然裂縫剝開，采用混合樣的方式利用壓汞儀(PoreMaster 33，奧地利)進(jìn)行測(cè)定，設(shè)定最高進(jìn)汞壓力為20 000 Psi，此壓力下測(cè)量孔徑最小可達(dá)約10 nm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)于某一給定的樣品，注汞或排汞的孔半徑是其壓力的函數(shù)，符合Washburn方程[12]：

P×r=-2γcos

(1)

式中,P為壓力，MN·m-2；r為孔隙半徑，μm；γ為汞的表面張力，N·m-1； 為汞和樣品間的接觸角，°。

當(dāng)模擬流體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散時(shí)，實(shí)測(cè)擴(kuò)散率Deff因與理論擴(kuò)散率Db之間相差一個(gè)與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的因子，孔曲率τ，如下式：

(2)

式中,θc為孔體積分?jǐn)?shù)，τ為孔曲率，孔曲率τ集中考量了所有偏離理論直線擴(kuò)散的偏差，可以反映孔隙的規(guī)則程度。Carniglia[15]進(jìn)一步推導(dǎo)出如下表達(dá)式：

τ=2.23-1.13VcoρHg

(3)

式中,Vco為總孔比容(可由最大試驗(yàn)壓力下壓入汞體積Vc估算得到)，ρHg為固體材料密度。

實(shí)際固體的比表面積應(yīng)正比于RD,分形維數(shù)D在2(平面)與接近3(極其粗糙的表面)之間變化[14]，可按照式(4)計(jì)算：

(4)

土壤水分特征曲線的測(cè)定方面，高速離心機(jī)轉(zhuǎn)速與土壤水吸力在平衡后之間的關(guān)系為：

s=111810-8rm2

(5)

式中,s為平衡時(shí)土壤吸力，cm；m為離心機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；r=9.8 cm。

使用Excel 2019進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)錄入與導(dǎo)入、異常值剔除(拉伊達(dá)法[17])并進(jìn)行初步計(jì)算，孔隙結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)特征值的計(jì)算采用軟件Poremaster 8.11，利用IBM SPSS Statistics 24進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，包括方差齊性分析、LSD檢驗(yàn)、Pearson相關(guān)性分析及逐步回歸分析，使用Origin 2021學(xué)習(xí)版進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限蘋果園土壤容重及有機(jī)質(zhì)含量

不同耕作種植年限蘋果園剖面土壤容重變化規(guī)律如圖1所示，同一果園中容重呈現(xiàn)隨深度增加先增加后減小的趨勢(shì)，表土層(0～20 cm)容重最小，其中2 a與33 a果園表土層容重分別為1.38 g·cm-3與1.44 g·cm-3，均與各自果園潛在犁底層存在顯著差異，13 a果園表層容重最小為1.27 g·cm-3，顯著小于2 a與33 a果園表土層，同時(shí)也是本研究中唯一滿足根系適宜容重1.35 g·cm-3[18]的測(cè)點(diǎn)。2 a與33 a果園土層的潛在犁底層(20～40 cm)容重取得局部最大值，均達(dá)1.56 g·cm-3，有出現(xiàn)犁底層的可能，13 a果園的潛在犁底層容重為1.35 g·cm-3，顯著小于2 a與33 a果園同土層處容重，仍然可以保持相對(duì)較好的導(dǎo)水透氣度。2 a果園在心土層(40～100 cm)容重仍然比較大，可能因?yàn)樵灾? a為新果園，是將原果園中的果樹機(jī)械挖出，再將土壤深翻耕1m，由于機(jī)械作業(yè)使得容重2 a果園出現(xiàn)另一個(gè)峰值。

注：圖中不同大寫字母表示同一土層不同年限果園數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一年限果園不同土層數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)。SFL、PPL與SBL分別表示表土擾動(dòng)層(0～20 cm)、潛在犁底層(20～40 cm)與心土層(4～100 cm)。下同。Note: Different capital letters indicate significant differences among different tree ages, and different lowercase letters indicate significant differences among different layers. SFL, PPL and SBL represent the surface disturbance layer (0～20 cm), the potential plough layer (20～40 cm), and the subsoil layer (40～100 cm), respectively. The same below.

果園土壤有機(jī)質(zhì)含量剖面變化規(guī)律見圖2。有機(jī)質(zhì)含量整體處于較低水平，隨土層深度增加有機(jī)質(zhì)含量減小。同一果園中表土層有機(jī)質(zhì)含量最高，大小關(guān)系為13 a>2 a>33 a，其中33 a果園表土層與2 a及13 a果園達(dá)到顯著差異(P<0.05)。不同栽培年限的果園潛在犁底層有機(jī)質(zhì)含量差異沒(méi)有達(dá)到顯著性水平，在受常規(guī)耕作擾動(dòng)較小的心土層中，13 a與33 a果園的土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著差異，均顯著低于2 a果園的心土層土壤有機(jī)質(zhì)含量。

圖2 不同種植年限蘋果園剖面有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律Fig.2 Changes of soil organic matter content in apple orchard profile under different planting years

2.2 不同種植年限蘋果園土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征

學(xué)界對(duì)于土壤孔隙依照形態(tài)與功能有多種不同的劃分方式[19]，本研究中采用Brewer[20]劃分方式：將土壤孔隙劃分為大孔隙(Macropore，>75 μm)、中孔隙(Mesopore,30～75 μm)、微孔隙(Micropore,5～30 μm)、極微孔隙(Ultramicropore,0.1～5 μm)與超微孔隙(Cryptopore,<0.1 μm)，其中大于75 μm孔隙幾乎沒(méi)有毛管力，水分在重力作用下會(huì)自由排出，小于0.1 μm孔隙中水分受到土壤基質(zhì)的強(qiáng)烈吸引，對(duì)作物幾乎不可用。

圖3為不同土層各級(jí)孔隙土壤體積占比情況。由圖3可知，不同樹齡果園都表現(xiàn)出大孔隙與中孔隙土壤百分含量最高值出現(xiàn)在表土層，占比為7.63%～10.32%及10.94%～13.14%；不同樹齡果園微孔隙土壤最大百分含量出現(xiàn)在心土層，占比為30.60%～47.85%；極微孔隙與超微孔隙土壤含量最高值均出現(xiàn)在潛在犁底層，達(dá)到37.36%～52.55%及13.15%～19.08%。表明從表土層向下，孔隙空間受到壓縮，表土層受耕作擾動(dòng)可以維持較大的大孔隙與中孔隙土壤比例，極微小孔隙與超微孔隙土壤主要集中在受到機(jī)械耕作直接影響的潛在犁底層，而心土層受到上層土壤的固有重力，無(wú)法像表土層一樣持有較大孔隙，同時(shí)又沒(méi)有受到耕作直接的壓實(shí)作用，與其他層相比表現(xiàn)為微孔隙土壤含量較高。同一果園中0.1～30 μm孔隙土壤體積占總孔隙體積50%以上，其中2 a與33 a果園中各層以0.1～5 μm極微孔隙土壤為主，13 a果園中以5～30 μm微孔隙土壤為主。在頻繁受到耕作擾動(dòng)的表土層，2 a、13 a及33 a果園土壤之間大孔隙與中孔隙土壤占比非常接近；在潛在犁底層，13 a果園大孔隙土壤含量大于2 a及33 a果園，超微與極微小孔隙土壤含量小于2 a及33 a果園，說(shuō)明13 a果園出現(xiàn)犁底層可能性較小，2 a比33 a果園更有可能出現(xiàn)犁底層，因?yàn)? a比33 a果園有著更高的超微與極微孔隙土壤含量；在不易受到耕作擾動(dòng)的心土層，大孔隙與中孔隙土壤都表現(xiàn)出隨耕作種植年限的增加而增加的趨勢(shì)，微孔隙土壤含量最大值出現(xiàn)在13 a果園。不同樹齡表土水力特征的相似可能是由于孔隙結(jié)構(gòu)相似的原因；潛在犁底層極微小孔隙隨耕作種植年限先降低后升高，表明潛在犁底層導(dǎo)水能力與土壤水對(duì)作物有效性隨耕作種植年限先降低后升高，容重或緊實(shí)度先升高后降低；心土層土壤導(dǎo)水能力隨耕作種植年限增加而增加，持水能力先增加后減少。

圖3 不同土層不同孔徑土壤孔隙體積占比百分含量Fig.3 Pore volume percentage of different pore sizes in different soil layers

表2為不同土層土壤孔隙的統(tǒng)計(jì)特征值，由表2可知，雖然極微孔隙與超微孔隙的土壤體積含量約占到50%，但是其比表面積占到了將近總孔隙面積的95%，其中，超微孔隙更是以不到10%的土壤孔隙體積含量占據(jù)了土壤比表面積的85%左右。同一果園中土壤孔隙總比表面積最大值均出現(xiàn)在潛在犁底層，可能與潛在犁底層較高的超微與極微孔隙含量有關(guān)。不同果園孔隙體積中位直徑表現(xiàn)為13 a>33 a>2 a，隨耕作種植年限增加先增加后降低，同一果園中孔隙體積中位直徑最小值總出現(xiàn)在潛在犁底層。本研究中土壤孔徑孔曲率范圍在1.69～1.83，孔隙分形維數(shù)在2.60～2.80之間。

表2 不同土層土壤孔徑統(tǒng)計(jì)特征值

2.3 不同種植年限蘋果園土壤水力特征

不同耕作種植年限蘋果園土壤飽和導(dǎo)水率如圖4，不同栽植年限果園均在表土層飽和導(dǎo)水率Ks最高，大小關(guān)系為13 a>2 a>33 a，分別為2.16、1.84、1.70 cm·h-1；2 a與33 a飽和導(dǎo)水率均在潛在犁底層出現(xiàn)極小值，相較表層分別降低了0.89 cm·h-1及0.57 cm·h-1，差異達(dá)到顯著水平；在不易受到常規(guī)耕作影響的心土層，飽和導(dǎo)水率隨果園種植年限的升高而增大。

圖4 不同年限蘋果園不同深度土層土壤飽和導(dǎo)水率Fig.4 Saturated hydraulic conductvity in different soil depths of apple orchard in different planting years

不同耕作種植年限蘋果園土壤田間持水量如圖5所示，同一種植年限下，2 a與13 a果園各土層田間持水量無(wú)顯著性差異，33 a果園表土層田間持水量高于潛在犁底層與心土層，且差異達(dá)到顯著水平。不同栽植年限果園在頻繁受到擾動(dòng)的表土層上田間持水量值非常接近，其值在29.32%～30.42%且無(wú)顯著性差異；潛在犁底層中耕作種植年限最長(zhǎng)的33 a果園土壤田間持水量最低，與2 a及13 a果園差異達(dá)到顯著水平；在不易受到耕作擾動(dòng)的心土層，田間持水量13 a>2 a>33 a果園，且三者之間差異互相達(dá)到顯著性水平，最大值(13 a)為33.70%，最小值(33 a)為24.08%。

圖5 不同年限蘋果園不同深度土層土壤田間持水量Fig.5 Field capacity in different soil depths of apple orchard in different planting years

采用VG模型擬合土壤水分特征曲線，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，且VG模型可以很好模擬出土壤存在的進(jìn)氣吸力，如圖6所示。為方便比較，每張圖中加入了Rosetta中同質(zhì)地的粉質(zhì)壤土(美國(guó)制)的土壤水分特征曲線作為對(duì)比[21]。

由圖6可知，2 a新翻果園分層特征最為明顯，同一含水率下心土層土壤吸力值總低于其他兩層。含水率降低到30%(cm3·cm-3)以下時(shí)，不同栽植年限果園中同一含水率下潛在犁底層土壤水吸力總是高于其他兩層，表明潛在犁底層水分對(duì)作物有效性低于耕作擾動(dòng)層及心土層。由于進(jìn)氣值的存在以及飽和含水率的差異，土壤水分特征曲線在低吸力段呈現(xiàn)出較大的變異性，同一果園不同土層或不同果園同一土層土壤水分特征曲線高吸力段比較接近。表土層高吸力段2 a與33 a果園十分接近，同一含水率下土壤吸力值略高于13 a果園；不同栽植年限果園潛在犁底層高吸力段都比較接近；心土層2 a與13 a及33 a果園存在較大差異。VG模型具體參數(shù)值見表3。VG模型中的參數(shù)α是與進(jìn)氣值相關(guān)的參數(shù)，α越小，持水能力越強(qiáng)；參數(shù)n的取值影響擬合水分特征曲線的彎曲程度，n值越小，曲線越平緩[22]。本研究中n值范圍在1.1265～1.2913，α范圍在0.0088～0.2643。

圖6 不同種植年限及土層蘋果園土壤水分特征曲線VG模型Fig.6 VG model of soil moisture characteristic curve of apple orchard in different planting years and soil layers

表3 土壤水分特征曲線VG模型參數(shù)擬合結(jié)果

2.4 土壤水力特征與其他土壤指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征、土壤粒度組成以及容重及有機(jī)質(zhì)與土壤水力特征之間的Pearson相關(guān)關(guān)系見圖7。土壤容重與土壤粘粒含量呈顯著正相關(guān)，與土壤砂粒、總孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)。微孔隙、超微孔隙與極微孔隙能夠與土壤粒度組成的粘粒與砂粒之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為相對(duì)較大的微孔隙土壤與粘粒含量呈負(fù)相關(guān)，與砂粒含量呈正相關(guān)，相對(duì)較小的超微與極微小孔隙土壤體積占比與粘粒含量呈顯著正相關(guān)，與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，大孔隙及中孔隙土壤與土壤粒度組成之間未見顯著相關(guān)關(guān)系。容重與大孔隙與微孔隙土壤體積百分含量呈顯著負(fù)相關(guān)，容重與超微孔隙與極微孔隙土壤體積百分含量呈顯著正相關(guān)。土壤孔曲率與容重呈正相關(guān)，即隨著容重升高，孔隙變得更加曲折。土壤孔曲率與土壤各級(jí)孔隙之間的相關(guān)性分析也證實(shí)了這一點(diǎn)，因?yàn)橥寥揽浊逝c極微小孔隙土壤呈正相關(guān)，說(shuō)明孔曲率主要由小孔貢獻(xiàn)，容重升高，小孔增多，孔曲率相應(yīng)就增加，土壤總孔隙度與大孔隙及微孔隙土壤體積含量呈顯著正相關(guān)，與超微孔隙和極微孔隙土壤體積含量呈顯著負(fù)相關(guān)；而土壤總比表面積有著不同趨勢(shì)，與中孔隙土壤呈負(fù)相關(guān)，與極微孔隙土壤的體積與表面積占比呈顯著正相關(guān)，與中孔隙土壤的體積與表面積占比呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明不同孔徑土壤孔隙對(duì)孔隙度以及總比表面積貢獻(xiàn)不同，土壤孔隙體積主要由較大孔隙貢獻(xiàn)，土壤孔隙比表面積主要由較小孔隙貢獻(xiàn)。土壤有機(jī)質(zhì)含量與耕作種植年限呈顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量隨耕作種植年限變化的擬合直線斜率為-0.085，即為每5 a果園0～1 m果園土壤有機(jī)質(zhì)含量下降0.425 g·kg-1。

由圖7可知，孔體積中位直徑MD與土壤粒度組成、土壤容重、土壤總孔隙度、土壤各級(jí)孔隙度以及各級(jí)孔隙比表面積、土壤飽和含水率和飽和導(dǎo)水率等大部分指標(biāo)都能建立顯著的相關(guān)關(guān)系，表明孔直徑體積中位數(shù)可以作為孔徑分析的有效統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。土壤孔隙分形維數(shù)與其他指標(biāo)之間沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系。

由圖7還可知，土壤水力特征與土壤孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)系方面，飽和導(dǎo)水率Ks與容重呈顯著負(fù)相關(guān)，從孔隙結(jié)構(gòu)層面來(lái)看，飽和導(dǎo)水率Ks與孔直徑體積中位數(shù)呈顯著正相關(guān)，與土壤總孔隙比表面積呈顯著負(fù)相關(guān)。Ks與超微孔隙與極微孔隙土壤體積占比呈顯著負(fù)相關(guān)；Ks與5～30 μm微孔隙土壤體積占比呈顯著正相關(guān)。田間持水量θf(wàn)c與5～30 μm微孔的比表面積呈顯著正相關(guān)，表明從孔隙結(jié)構(gòu)的功能性來(lái)講，5～30 μm微孔在導(dǎo)水與持水方面均具有重要作用。同時(shí)，田間持水量與種植年份呈顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤持水能力隨種植年限增長(zhǎng)有逐年下降趨勢(shì)，田間持水量隨耕作種植年限變化的擬合直線斜率為-0.0016，即每5 a田間持水量下降0.8% cm3·cm-3。形狀參數(shù)n與土壤大孔隙及中孔隙含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與孔曲率及微小孔隙含量呈正相關(guān)；形狀參數(shù)α與總孔隙度呈正相關(guān)，與孔曲率呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平；飽和含水率θs與總孔隙度意義接近，與總孔隙度表現(xiàn)出強(qiáng)烈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，但與孔曲率呈顯著負(fù)相關(guān)。

注：Year為耕作種植年限； Clay、Silt、Sand分別為粘粒、粉粒與砂粒的百分含量；SOM為土壤有機(jī)質(zhì)含量；BD為土壤容重；TP為總孔隙度；FD為分形維數(shù)；τ為孔曲率；MD為孔體積中位直徑；TSA為孔隙總表面積；SA與P分別為某一孔徑范圍內(nèi)孔隙表面積及孔體積占總表面積與體積的百分?jǐn)?shù)。圖中顏色標(biāo)尺為R2，*代表相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)。Note: Year is the plant years; Clay, Silt and Sand are the percentages of clay, silt and sand respectively; SOM is the content of soil organic matter. BD: Bulk density; TP: Total porosity; FD: Fractal dimension; τ: Tortuosity; MD: Median diameter; TSA: Total surface area. SA and P are respectively the percentage of the pore surface area and pore volume in the total surface area and volume within a certain aperture range.The color scale in the figure is R2, and * indicates that the correlation has reached the significant level(P<0.05).

記土壤大孔隙(>75 μm)、中孔隙(30～75 μm)、微孔隙(5～30 μm)、極微孔隙(0.1～5 μm)與超微孔隙(<0.1 μm)的比表面積及孔體積占比分別為A1，A2，…，A5及P1，P2，…，P5，以此為輸入變量，采用逐步回歸分析的方法建立對(duì)飽和導(dǎo)水率Ks、田間持水量θf(wàn)c及土壤水分特征曲線VG模型形狀參數(shù)n的預(yù)測(cè)回歸模型如下式(6)～(10)所示，模型的系數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)見表4：

表4 模型系數(shù)及誤差

Ks=-2.785A4+3.925

(6)

Ks=-8.860V4+2.941

(7)

θf(wàn)c=1.197A3+0.246

(8)

n=-143.412A1+1.300

(9)

n=-6.306P1-1.295P4+1.593

(10)

本研究中除對(duì)θf(wàn)c的孔體積占比預(yù)測(cè)模型不能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，只能通過(guò)孔隙比表面積進(jìn)行模型的構(gòu)建外，Ks與n利用孔體積占比構(gòu)建的模型調(diào)整后的R2都優(yōu)于利用孔比表面積構(gòu)建的模型。本研究通過(guò)孔體積建立的回歸模型可以分別解釋飽和導(dǎo)水率Ks與n81.4%及76.2%的變化。

3 討 論

本研究中依據(jù)果園實(shí)際耕作措施，將0～100 cm土壤以20 cm與40 cm為界將土壤劃分為表土耕作擾動(dòng)層、潛在犁底層與心土層，利用壓汞儀測(cè)定土壤孔隙結(jié)構(gòu)，以空間換時(shí)間的方法分析不同種植年限蘋果園土壤孔隙結(jié)構(gòu)，并對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)與土壤水力特征進(jìn)行相關(guān)性分析。袁杰等[23]以毗鄰的30 a未曾變動(dòng)草地和耕地為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)草地和耕地土壤理化性質(zhì)以30 cm為界存在顯著差異；史藝杰等[24]研究表明設(shè)施蔬菜種植顯著增加了0～15 cm表層土壤50～500 μm孔隙，并提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性；趙冀等[25]研究表明不同耕作處理的土壤孔隙度差異主要在0～20 cm及20～40 cm土層；魏彬萌等[12]研究認(rèn)為渭北果園土層以20 cm為界土壤具有明顯的“上松下實(shí)”變異特征，結(jié)合目前研究進(jìn)展，界限的劃分是可行的。

魏彬萌等[12]研究認(rèn)為渭北果園20 cm以下土層土壤容重已超出了蘋果樹健康生長(zhǎng)的閾值，與本研究結(jié)果一致。魏彬萌等[12]認(rèn)為造成這一現(xiàn)象的原因主要是土壤團(tuán)聚作用差、有機(jī)質(zhì)含量低，加之植果期間人為擾動(dòng)少，土壤中分散的粘粒會(huì)向下層移動(dòng)，而本研究認(rèn)為20 cm以下土壤出現(xiàn)容重過(guò)高除了土壤本身存在團(tuán)聚作用差以及有機(jī)質(zhì)含量低以外，長(zhǎng)期種植條件下耕作的擾動(dòng)造成的孔隙結(jié)構(gòu)改變同樣是重要原因，沒(méi)有觀測(cè)到粘粒含量的明顯變化。于東雪等[26]研究表明在黃土高原0～40 cm土層容重隨深度增加而增加，本研究中0～100 cm土壤容重呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，可能是因?yàn)楦鞯木壒适沟脻撛诶绲讓颖粔嚎s，但在受到人為耕作擾動(dòng)較小的心土層存在較多的蘋果根系，根系穿插同時(shí)伴隨較多的動(dòng)物及微生物活動(dòng)，會(huì)促進(jìn)土壤疏松[27]，有研究表明距離樹干60 cm處的根長(zhǎng)密度隨土層深度增加呈現(xiàn)雙峰型，峰值出現(xiàn)在10～20 cm和40～50 cm土層中[28]，這也可能是造成正值盛果期根系生長(zhǎng)旺盛的13 a果園在心土層土壤容重低于33 a果園的原因。同一土層容重隨耕作種植年限先減小后增大，新翻果園與老果園容重較大，正值盛果期果樹容重較小，與劉淼等[29]研究結(jié)果一致。同時(shí)，本研究也表明土壤容重與土壤各級(jí)孔隙度、各級(jí)孔隙面積、飽和導(dǎo)水率都有著顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤容重仍可以作為土壤結(jié)構(gòu)狀況的簡(jiǎn)單而綜合的反映指標(biāo)。有研究表明有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物[30],它可以通過(guò)影響團(tuán)聚體的形成和發(fā)育進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)，使總孔隙度和毛管孔隙度增加從而增強(qiáng)土壤對(duì)水分的吸附作用，土壤有機(jī)質(zhì)能夠很好地調(diào)節(jié)水分的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)達(dá)到較高含量時(shí)對(duì)其影響尤其明顯。本研究中果園土壤有機(jī)質(zhì)整體處于較低含量水平，且隨種植年限增加而顯著降低，與人工林種植年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響取得了不同的結(jié)果，如Abaker等[31]研究表明隨著人工林種植年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量緩慢上升。可能由于果園的清園管理，爛果、枯枝落葉會(huì)被清掃出，果園缺少了土壤有機(jī)質(zhì)最主要的初始來(lái)源[32]，有機(jī)質(zhì)含量低也可能是造成土壤微小孔隙占比升高的原因。

土壤孔隙是土壤水分和空氣的主要儲(chǔ)存空間。土壤緊實(shí)會(huì)減少土壤孔隙，破壞孔隙網(wǎng)絡(luò)，從而使土壤中空氣和水分的輸送受阻，導(dǎo)致土壤持水性降低，形成缺氧的微環(huán)境，阻礙根系的正常生長(zhǎng)[18]。本研究中2 a與33 a果園在20～40 cm土壤深度處存在容重的局部最大值與飽和導(dǎo)水率的局部最小值，多方面表明有出現(xiàn)犁底層的可能，與超微、極微小孔隙土壤的集中有很大的關(guān)系。微孔隙、超微孔隙與極微孔隙土壤能夠與土壤粒度建立顯著相關(guān)關(guān)系，土壤大孔隙及中孔隙與土壤粒度組成之間未見顯著相關(guān)關(guān)系，出現(xiàn)這一差異的可能原因是由于微小孔隙主要是土壤顆粒間孔隙，受土壤顆粒影響較大，而大孔隙與中孔隙主要形成于土壤顆粒粘聚形成的微團(tuán)粒間，與土壤的粘聚方式有關(guān)，可能受耕作條件或作物根系發(fā)育影響，如本研究中土壤大孔隙與種植年限有顯著的相關(guān)關(guān)系。本研究中土壤孔隙分維特征并未與其他指標(biāo)建立顯著的相關(guān)關(guān)系，可能是由于土壤分維特征在時(shí)間上比較穩(wěn)定，本研究中的樣點(diǎn)沒(méi)有形成足夠梯度的緣故。

本研究表明5～30 μm微孔在土壤導(dǎo)水與持水方面均很重要，飽和導(dǎo)水率與微孔孔隙度呈顯著正相關(guān)，田間持水量與微孔比表面積呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤5～30 μm微孔具有良好的連通性，并且5～30 μm微孔土壤表面的吸附可能在維持田間持水量方面起重要作用。本研究中不同果園頻繁受到擾動(dòng)的表土層田間持水量值非常接近，在不易受到耕作擾動(dòng)的心土層，田間持水量隨果園種植年限的升高先增大后減小。王檬檬等[33]研究認(rèn)為17 a富士蘋果園100 cm土層內(nèi)田間持水量表現(xiàn)出隨土層增加而上升的趨勢(shì)(P<0.05)，與本研究正值盛果期的13 a果園一致。

劉樟榮等[34]認(rèn)為非飽和土在高、低吸力范圍內(nèi)的主要持水機(jī)制分別為吸附作用和毛細(xì)作用，吸附水含量主要與氣、液、固界面性質(zhì)相關(guān)，受礦物成分、溫度和孔隙水化學(xué)性質(zhì)直接影響，毛細(xì)水含量主要與孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，受容重、應(yīng)力歷史等因素影響，因此，質(zhì)地接近的土壤其持水曲線在高吸力范圍內(nèi)更加重合，在低吸力范圍可能存在較大變異性，這與本研究水分特征曲線規(guī)律一致，同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)土壤水分特征曲線高吸力段的微孔隙、超微孔隙與極微孔隙土壤與土壤粒度組成呈顯著相關(guān)性，而對(duì)應(yīng)土壤水分特征曲線高吸力段的大孔隙和中孔隙土壤與土壤粒度組成未見顯著相關(guān)關(guān)系，由于本研究中土壤粒度組成基本一致，這也可能是造成土壤水分特征曲線在低吸力段變異性強(qiáng)而在高吸力段比較重合的原因之一。土壤水分特征曲線VG模型的參數(shù)中，α和n與土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關(guān)，α越小，持水能力越強(qiáng)；參數(shù)n的取值影響擬合水分特征曲線的彎曲程度，n值越小，曲線越平緩[21]，與本研究結(jié)果一致，VG模型參數(shù)α值與土壤砂粒含量、大孔隙體積比呈正相關(guān)，與粉粒含量和粘粒含量呈負(fù)相關(guān)；參數(shù)n值與砂粒含量呈正相關(guān)，與粉粒含量呈負(fù)相關(guān)，本研究中構(gòu)建的回歸預(yù)測(cè)模型的n值主要與大孔隙與極微孔隙呈負(fù)相關(guān)，這與本文中關(guān)于極微孔隙含量與粉粒間呈顯著正相關(guān)也可相互印證。

4 結(jié) 論

1)極微孔隙(0.1～5 μm)與超微孔隙(<0.1 μm)聚集的農(nóng)田土壤屬于結(jié)構(gòu)較差的土壤，表現(xiàn)為容重升高、土壤導(dǎo)水持水能力下降以及土壤水分對(duì)作物有效性降低，不利于作物生長(zhǎng)及生態(tài)持水。

2)在頻繁受到耕作擾動(dòng)的表土層，2 a、13 a及33 a果園土壤之間各級(jí)孔隙占比非常接近；在不易受到耕作擾動(dòng)的心土層，大孔隙與中孔隙土壤含量都表現(xiàn)出隨耕作種植年限的增加而增加的趨勢(shì)。

3)同一果園中大孔隙(>75 μm)與中孔隙(30～75 μm)土壤百分含量最大值出現(xiàn)在表土層，微孔隙(5～30 μm)土壤最大百分含量出現(xiàn)在心土層，極微孔隙(0.1～5 μm)與超微孔隙(<0.1 μm)土壤含量最高值出現(xiàn)在潛在犁底層。

4)5～30 μm微孔在土壤的導(dǎo)水及持水方面均有重要作用，其比表面積與田間持水量呈顯著正相關(guān)，其孔隙度與飽和導(dǎo)水率呈顯著正相關(guān)。

5)田間持水量與種植年份呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤持水能力隨種植年限增長(zhǎng)有逐年下降趨勢(shì)；飽和導(dǎo)水率Ks與孔直徑體積中位數(shù)呈顯著正相關(guān)，與總孔隙比表面積呈顯著負(fù)相關(guān)。Ks與超微孔隙與極微孔隙體積占比呈顯著負(fù)相關(guān)；VG模型形狀參數(shù)n與大孔隙及中孔隙含量呈顯著負(fù)相關(guān)。研究所建立的對(duì)土壤水力參數(shù)的回歸預(yù)測(cè)模型可以為研究區(qū)土壤水力參數(shù)預(yù)測(cè)提供參考。