鄭思文，朱彥光，嚴 磊，陳曉冰*，徐勤學(xué)，甘 磊

(1.桂林理工大學(xué)，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)，廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

【研究意義】農(nóng)地土壤在自身含水量逐漸降低的過程中，土體會向內(nèi)部凹陷、收縮產(chǎn)生裂隙，增大土體表面積，造成水分、養(yǎng)分快速的流失，甚至引起地下水污染[1]。同時，土壤收縮會在一定程度上影響作物根系的生長發(fā)育，改變作物根系的分布和吸水，甚至造成作物根系的生理損傷[2]。輪作是農(nóng)業(yè)上一種重要的耕作手段，可以較好的改善土壤理化性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)[3-4]。水旱輪作還可改變土壤的生態(tài)環(huán)境，增加水田土壤的非毛管孔隙，提高氧化還原電位，有利土壤通氣和有機質(zhì)分解，消除土壤板結(jié)[5]，因此研究不同耕作條件下的土壤收縮變化具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】土壤收縮變化是受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、以及土壤含水量等多種土壤性質(zhì)在外界綜合環(huán)境作用下產(chǎn)生的結(jié)果，是一個復(fù)雜的過程[6-7]。邵明安等[8]用壓力室法測定5種土壤在脫水收縮過程中的土壤比容重、質(zhì)量含水率和土壤收縮之間的關(guān)系，并采用三直線模型分析得到在不同比容重下土壤收縮曲線[9]。陳禎等[10]通過采用淹灌、間歇灌2種灌溉模式，發(fā)現(xiàn)水稻田土壤濕脹干縮效應(yīng)受多種土壤性質(zhì)的影響。呂殿青等[11]以黃土高原3種原狀土壤為研究對象，通過利用用離心機法測定土壤的持水性，發(fā)現(xiàn)在土壤脫水過程中對數(shù)函數(shù)可以很好的描述土壤持水特征曲線。針對土壤輪作的研究則主要集中在土壤輪作對土壤pH、土壤肥力、礦物質(zhì)吸收、作物產(chǎn)量等的研究。通過對水稻—大棚番茄進行水旱輪作，王克磊等[12]發(fā)現(xiàn)了不同耕作方式對土壤pH、電導(dǎo)率以及產(chǎn)量的影響，輪作可以很好的降低土壤酸堿度，提高產(chǎn)量。為研究不同磷肥用量對水稻—油菜輪作體系中作物產(chǎn)量、磷素吸收量以及磷肥當季利用率和殘留利用率的影響，卜容燕等[13]通過采用水稻—油菜周年輪作的田間試驗，發(fā)現(xiàn)水稻—油菜輪作可以顯著地增加油菜的產(chǎn)量和磷素吸收量，對后季油菜具有明顯的后效。【本研究切入點】目前的研究多基于土壤收縮與土壤輪作單一因素展開，將土壤耕作方式和土壤收縮結(jié)合，尤其是在自然失水過程中輪作與非輪作條件下土壤收縮變化的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在輪作與非輪作條件下，通過利用利用Soil Shrinkage Simulator (SSS)軟件對土壤收縮曲線的擬合，分析不同耕作方式下土壤收縮變化，為水稻安全生長提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與采樣

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市雁山區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)(25°04′N，110°18″E)，海拔高度為151.5 m，年平均氣溫為19.3 ℃，年平均降雨量為1949.5 mm，屬亞熱帶季風氣候，土壤類型主要為紅壤，土壤質(zhì)地以砂壤土為主。選取雙季水稻田作為研究對象，早稻生育期一般為4月上旬至7月中旬，晚稻生育期一般為7月中旬至11月中旬，其產(chǎn)量為：早稻7713 kg/hm2、晚稻9442.5 kg/hm2。在冬季空閑時，輪作區(qū)則選擇在雙季水稻田的基礎(chǔ)上種植油菜進行輪作。在種水稻前，研究區(qū)進行淹水“打田”，以機器整地為主，經(jīng)過粗耕、細耕和整平三個過程。粗耕、細耕和整平分別作用在40～50 cm土層、20～30 cm土層和0～10 cm土層。

在采樣點用環(huán)刀(100 cm3)采集水稻田的原狀土壤樣品，由于水稻是須根系，根細而密，其主要功能根群主要集中在50 cm土層內(nèi)，而且水稻田整地的三個過程深度不同。因此樣品采集深度分別為：0～8、18～26和40～46 cm，每個深度5個重復(fù)。在采集環(huán)刀土樣的同時，采集散裝土樣，用于實驗室土壤理化性質(zhì)分析。

1.2 土壤基本性質(zhì)測定

土樣的基本理化性質(zhì)測定包括：土壤容重、土壤孔隙度、土壤質(zhì)地和土壤有機質(zhì)。土壤容重和土壤孔隙度采用環(huán)刀法進行測定；土壤質(zhì)地采用吸管法進行測定；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法進行測定，具體實驗方法步驟參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[14]。

1.3 收縮試驗

利用深度游標卡尺測量方法，對土壤收縮進行測定。將田間采集的原狀土樣放入水中進行2～5 d的飽和處理后，利用深度游標卡尺對土樣高度進行測量(為減小測量誤差，每次測量土樣表面相同的五個點)。用同樣的方法分別測定自然風干24、48、72、96和120 h以及在105 ℃條件下烘1 d后的土樣質(zhì)量和高度。

1.4 統(tǒng)計分析

土壤的線性伸展系數(shù)(Coefficient of linear extensibility，COLE)可以用來描述土壤在濕潤和干燥兩點間收縮幅度情況，計算式為[15]：

(1)

式中：L0為土壤樣品濕潤條件下的長度(mm)，L105°C為土壤樣品經(jīng)過105 ℃烘干后的長度(mm)。

由于土壤線性伸展系數(shù)只能描述兩點之間的收縮幅度，不能描述土壤在各個含水量狀態(tài)下連續(xù)收縮情況。因此本研究引入土壤收縮曲線，采用的是Peng和Horn[16]在van-Genuchten方程的基礎(chǔ)上修改而得的收縮曲線模型進行擬合，該模型只需要將各個參數(shù)、數(shù)據(jù)的平均值導(dǎo)入即可，其具體表達式為：

(2)

式中：e(?)、?、 ?s、er、es分別為土壤孔隙比(cm3·cm-3)、土壤水分比(cm3·cm-3)、飽和水分比(cm3·cm-3)、土壤剩余孔隙比(cm3·cm-3)、土壤飽和點孔隙比(cm3·cm-3)，χ、p、q是無量綱的擬合參數(shù)，可以通過Soil Shrinkage Simulator(SSS)軟件計算得出，其他數(shù)據(jù)通過SPSS18.0及Excel 2010軟件處理分析。

表1 水稻田土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of paddy soil

注：同試驗地中同列不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤物理性狀的影響

從不同耕作方式下土壤質(zhì)地等土壤物理性狀(表1)可以看出，0～8 cm土層，輪作區(qū)和非輪作區(qū)土壤的粉粒含量最大，在18～26 cm和40～46 cm輪作區(qū)黏粒含量最大，砂粒最小，而非輪作區(qū)則表現(xiàn)為粉粒最大，黏粒最小。在相同條件下，輪作區(qū)的土壤容重大于非輪作區(qū)且輪作區(qū)土壤容重隨土壤深度的增加而增大。非輪作區(qū)在18～26 cm土層土壤容重最大，其余兩層土壤容重差異不顯著(P>0.05，下同)。在土壤有機質(zhì)方面，輪作與非輪作區(qū)的土壤有機質(zhì)含量均隨土層深度增加而逐漸減小，其中0～8 cm土層的有機質(zhì)含量都明顯大于其余兩層土壤(P<0.05，下同)。從土壤孔隙度方面看，0～8 cm土層的土壤孔隙度最大，其余兩層孔隙度在輪作區(qū)差異顯著，但在非輪作區(qū)差異不顯著。

2.2 不同耕作方式對土壤收縮特征的影響

2.2.1 土壤線性伸展 從不同條件下的土壤體積含水量變化(表2)可知：在相同條件下，非輪作區(qū)土壤含水量基本上大于輪作區(qū)。在不同風干條件下，輪作區(qū)表層土壤含水量比深層含水量大，而非輪作區(qū)除飽和條件下卻正好相反，說明土層深度能夠影響土壤含水量。

從不同條件下土壤線性伸展系數(shù)(表3)可知：土壤線性伸展系數(shù)隨土層深度的增加而減小。在輪作區(qū)0～8 cm土層和18～26 cm土層土壤的線性伸展系數(shù)差異不顯著，40～46 cm土層土壤的線性伸展系數(shù)小于前兩層且與前兩層土壤差異顯著。在非輪作區(qū)0～8 cm土層的土壤線性伸展系數(shù)最大，大于相同條件下的輪作區(qū)，40～46 cm土層最小，小于相同條件下的輪作區(qū)，且土壤的線性伸展系數(shù)隨土壤深度增加而逐漸減小的趨勢大于輪作區(qū)。結(jié)合表2～3可知，輪作會在一定程度上影響土壤的持水能力，增強土壤的線性收縮能力。

2.2.2 土壤收縮曲線 從輪作與非輪作試驗區(qū)水稻田原狀土樣收縮曲線擬合相關(guān)參數(shù)及曲線各階段拐點(表4～5)可見，非輪作區(qū)土壤的es和er值整體上大于輪作區(qū)，說明輪作可以改變土壤的孔隙狀況，使土壤的孔隙比減小。

結(jié)合表5以及水稻田土壤四個收縮階段的水分損失和體積變化(表6)可知，在兩種不同耕作方式下，線性收縮階段在整個收縮過程中的占比都是最大的，占總水分損失的36 %～54 %，占總體積變化的56 %～72 %。其次是剩余收縮階段，占總水分損失的21 %～46 %，占總體積的18 %～42 %。結(jié)構(gòu)收縮階段約占總水分損失的1 %～10 %，總體積變化的0～22 %。最后是零收縮階段，僅占總體積變化的0～4 %，在非輪作區(qū)40～46 cm土層土壤體積收縮量為0，不存在土壤體積收縮。

表2 不同風干條件下水稻田土壤含水量Table 2 Soil moisture content in paddy field under different air drying conditions (cm3·cm-3)

注：同試驗地中同列不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

表3 不同風干條件下水稻田土壤線性伸展系數(shù)Table 3 Linear extension of paddy soil under different air drying conditions

注：同試驗地中同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

表4 水稻田土壤收縮曲線參數(shù)Table 4 Parameters of soil shrinkage curve in paddy field

表5 水稻田土壤收縮曲線對應(yīng)的5個拐點Table 5 The five inflection points corresponded with shrinkage curve in paddy field (cm3·cm-3)

注：飽和點(?s,es)、濕潤彎曲點(?shw,eshw)、進氣點(?ae,eae)、收縮限點(?shl,eshl)和干燥點(?0,er) 等分別為收縮曲線5個拐點。
Note:The saturation point of contraction curve (?s,es), wet bending point (?shw,eshw), intake point(?ae,eae), shrinkage limit point (?shl,eshl) and dry point (?0,er) are five inflection points of the contraction curve.

從輪作與非輪作條件下水稻田原狀土壤在室內(nèi)自然風干條件下的收縮曲線(圖1～2)可知：在自然風干條件下，隨著土壤的水分比逐漸減小，輪作和非輪作條件下的土壤收縮曲線大致呈現(xiàn)“S”型，除非輪作區(qū)40～46 cm土層外。在輪作條件下，0～8 cm土層對應(yīng)的收縮曲線位于最上方，40～46 cm土層對應(yīng)的的土壤收縮曲線位于最下方。在非輪作條件下，0～8 cm和40～46 cm土層的所處的位置正好與輪作條件下相反。

2.3 土壤線性伸展系數(shù)與土壤基本性質(zhì)相關(guān)性分析

由表7可知，土壤的線性伸展系數(shù)與土壤容重、飽和點孔隙比、有機碳、孔隙度均存在著比較明顯的相關(guān)性，其相關(guān)性系數(shù)分別為-0.84、0.82、0.86、0.85，但與土壤的剩余孔隙比(er)相關(guān)性不明顯，其相關(guān)性系數(shù)為0.35，說明土壤的剩余孔隙比(er)對土壤的線性伸展系數(shù)存在一定影響但影響不大。另外，土壤線性伸展系數(shù)與土壤容重(BD)呈現(xiàn)較明顯的負相關(guān)性(-0.84)，而與其他土壤基本性質(zhì)成正相關(guān)，說明土壤容重是土壤收縮的主要影響因素之一，土壤線性伸展系數(shù)隨土壤容重的增大而減小。

表6 水稻田土壤4個收縮階段的水分損失和體積變化Table 6 Water loss and volume change during four contraction stages of paddy soil試驗地 (%)

注：ss，ps，rs，zs分別表示結(jié)構(gòu)收縮、線性收縮、剩余收縮和零收縮。
Note:ss, ps, rs, zs represent structural shrinkage, linear shrinkage, residual shrinkage and zero shrinkage respectively.

表7 水稻田土壤基本性質(zhì)相關(guān)性分析Table 7 Correlation analysis of soil basic properties in paddy field

3 討 論

非輪作區(qū)表層(0～8 cm)土壤線性伸展系數(shù)大于輪作區(qū)，而較深的兩層土壤線性伸展系數(shù)卻小于輪作區(qū)。產(chǎn)生其差異的原因可能是表層土壤的黏粒含量接近，但是在其他深度兩層土壤中，輪作區(qū)黏粒含量大于非輪作區(qū)土壤黏粒含量。土壤黏粒具有很好的可塑性、脹縮性以及黏結(jié)性，是影響土壤收縮特征的一個重要因素[3]。根據(jù)Greene-Kelly[16]研究發(fā)現(xiàn)土壤的收縮能力與土壤中的膨脹性黏土礦物含量成顯著相關(guān)；其次，由于人為作用的影響，輪作區(qū)與非輪作區(qū)表層土壤經(jīng)過人為的除草、整平等作用改變了土壤的結(jié)構(gòu)，使表層以下土壤被壓實，容重變大。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重是影響土壤收縮的重要因素，土壤的收縮能力隨著土壤容重的增大而減低[17]。輪作區(qū)與非輪作區(qū)表層土壤的容重小，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較多，其土壤收縮能力就越大，土壤線性伸展能力也越大[18-19]，這與本研究中土壤線性伸展系數(shù)與土壤容重呈現(xiàn)的負相關(guān)(-0.84)是一致的。

散點表示擬合曲線的拐點(實心)和實測值(空心)，曲線表示擬合值The divergence points represent the inflection points (solid) of fitting curves and the measured (hollow) curves represent the fitting values圖1 輪作條件下水稻田土壤收縮曲線Fig.1 Soil shrinkage curve under rotation condition

散點表示擬合曲線的拐點(實心)和實測值(空心)，曲線表示擬合值The divergence points represent the inflection points (solid) of fitting curves and the measured (hollow) curves represent the fitting values圖2 非輪作條件下水稻田土壤收縮曲線Fig.2 Soil shrinkage curve under non-rotation in paddy field condition in paddy field

本研究結(jié)果表明，土壤收縮特征曲線擬合值和原狀土壤樣品的實測值能夠很好的擬合(R2>0.97)。但在不同耕作方式下土壤收縮仍然存在著較明顯的差異。輪作區(qū)和非輪作區(qū)前兩層土壤的收縮特征曲線呈現(xiàn)“S”型，但是在40～46 cm土層非輪作區(qū)土壤則呈現(xiàn)線性關(guān)系。說明不同耕作方式對土壤收縮具有一定程度上的影響。另外，表層土壤孔隙數(shù)量要大于其他土層，且土壤中的孔隙總數(shù)整體上隨土壤深度的增加而減小，這與陳曉冰等[20]的研究相一致。作物根系的發(fā)育和延伸也會對表層土壤的收縮有影響。表層土壤根系發(fā)達，根系通過根孔影響土壤孔隙，許多研究表明植物根系是土壤大孔隙形成的主要原因之一[21]。土壤中的大孔隙數(shù)量越多，其孔隙表面積越大，水分越容易被蒸發(fā)，土壤越容易收縮[22]。在不同含水量條件下，輪作區(qū)土壤線性伸展系數(shù)不同，表現(xiàn)出土壤含水量越大土壤線性伸展系數(shù)越大的趨勢。在整個收縮階段，非輪作區(qū)的線性收縮階段和剩余收縮階段的體積變化總體上大于輪作區(qū)，而結(jié)構(gòu)收縮階段和零收縮階段卻小于輪作區(qū)。非輪作在土壤體積收縮上的差異與土壤水分差異一致。這說明土壤含水量也能在一定程度上影響土壤收縮。經(jīng)過人為翻耕的輪作區(qū)土壤結(jié)構(gòu)受到破壞，持水能力減弱。本研究結(jié)果表明，輪作區(qū)土壤含水量整體上小于非輪作區(qū)，這與黃永根等[23]發(fā)現(xiàn)實行農(nóng)田輪作后，土壤含水量相對于輪作前有所減小的結(jié)果相吻合。張中彬[24]研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量是影響土壤收縮幅度的重要因素之一，兩者呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤含水量越大，土壤收縮也就越明顯。雖然輪作條件下土壤持水能力有所減弱，但是土壤顆粒的粒級大小和比例發(fā)生改變，土壤含水量得到改善，從而增強了土壤的收縮能力[25]。

4 結(jié) 論

輪作和非輪作區(qū)水稻田原狀土壤的線性伸展數(shù)隨土壤深度的增加而減小，其中表層土壤的線性伸展系數(shù)最大。土壤含水量與土壤收縮呈現(xiàn)出大致相同的變化趨勢，在土壤失水收縮階段，土壤的線性收縮階段損失的水分和體積變化最大，其中水分損失和體積變化分別超過了整個失水階段的36 %和58 %。輪作可以有效的改善土壤理化性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤收縮能力，消除土壤板結(jié)。

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