灌水模式对免耕地土壤容重变化的影响

王建东，龚时宏，鲍子云，赵月芬

（1.中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 100048；2.宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021；3.中国水利水电科学研究院 北京中水科工程总公司，北京 100048）

1 研究背景

面对水资源日益紧缺和灌溉水利用率较低的形势，发展先进节水灌溉方法成为缓解水资源供需矛盾的有效途径[1-2]。然而土壤作为灌溉水长期载体而引发自身质量或环境的变化并没有引起人们足够的重视。土壤是人类赖以生存的根本资源，许多国家和地区已将土壤质量评价工作视为实现可持续发展的一个重要方面[3]。

土壤容重是指单位体积的自然状态土壤的（包括孔隙）干重，Logsdon等[4]认为容重可以反映土壤的紧实度和孔隙情况，是评价土壤质量的重要指标之一。土壤容重与土壤质地、结构、有机质含量及土壤的松紧度等有密切关系，同时还受到灌溉、排水及农业耕作措施的影响。据资料统计，在华北平原小麦-玉米两熟制农田中，90%以上的玉米已经采用了免耕播种技术[5]。因此，评价不同节水灌溉模式下免耕地土壤质量的状况已成为相关领域亟待解决的科学问题。

目前相关的研究主要集中在以下两个方面：（1）关注强烈的人类活动对城市及旅游区土壤的物理、化学性状产生的影响，如有关研究表明[6-7]，人类活动对城市土壤物理退化影响主要表现在土壤压实，压实主要体现在土壤容重增大、孔隙度减低和紧实度增加。另一些学者[8-11]的研究结果指出，旅游活动对景区土壤组成、性质和重金属污染造成了影响；（2）主要集中在灌溉水质对土壤物理性状影响的相关研究，如伏小勇等[12]研究指出，随污灌年限的增加，容重逐渐降低，而孔隙度逐渐增大，污灌改善了土壤的物理性质。而针对不同灌水模式下免耕地土壤容重变化规律的研究相对较少且研究周期较短，如费良军等[13]研究表明，浑水波涌畦灌和连续畦灌灌下田面沉积泥沙的颗粒级配组成、沉积厚度以及田面土壤容重等沿畦长的分布规律存在一定差异。

本文采取3年连续重复的田间试验手段，选取地面灌（水平格田灌）和地表滴灌灌水方式，探讨不同灌溉制度下免耕地在玉米-冬小麦轮种条件下土壤容重变化规律，研究对于解答如何选取适宜灌水模式及保障土壤资源的可持续利用具有一定理论价值和生产实际意义。

2 材料与方法

2.1 试验布置试验在北京市大兴区中国水利水电科学研究院大兴试验基地开展，试验地的地理位置处于北纬39°39′，东经116°15′，当地气候属典型的半干旱大陆性季风气候，多年平均降雨量540mm。

试验地土壤物理初始性状如表1，根据国际土壤质地分类标准，0～100cm深度为壤土，0～100cm土层的平均田持和容重分别为30.58%和1.58g/cm3。

表1 试验地土壤物理性状

田间试验从2007年10月份夏玉米收割开始，一直连续持续到2010年6月冬小麦收割为止，采取冬小麦-夏玉米轮作的方式，试验期间各处理小区冬小麦-玉米换茬时均采用免耕方式，即都采用人工浅挖穴播的方式，避免大面积翻耕所造成的土壤扰动。

2.2 试验处理设置3年连续试验期间，对于同一作物，相同处理小区均采用相同灌水方式和灌溉制度，灌水方式主要选取地面灌（水平格田灌），地表滴灌2种灌水方式，每种灌水方式下分别采取4种灌溉制度，即每种灌水方式设置4个处理（表2），每个处理3个重复，各处理小区随机布置，试验小区的面积为4.5m×5m。水平格田灌采用软管浇水，地表滴灌采用Netafim公司Typhoon型号滴灌带，额定流量为1.1L/h，滴头间距为30cm。滴灌带的布置间距为50cm。作物不同生育阶段灌水控制，即不同试验处理设计充分借鉴前人较为认可的相关研究成果[14-17]，试验只在冬小麦和玉米的返青（出苗）-拔节，拔节-抽穗（抽雄）两个生育阶段实施不同的灌水上下限控制（表2），在其他生育阶段，各处理灌水上下限控制相同。其中，各灌水方式下处理1和处理2设计为充分灌水处理，处理3和处理4设计为非充分灌水处理。

表2 2007—2010年地面灌和地表滴灌各试验处理设置

2.3 观测方法各处理小区土壤容重的监测采用环刀法进行，土壤容重采样点避开人工穴播的行间，对地面灌水方式，取样点在作物行间，对于滴灌灌水方式，取样点位于布置于作物行间的滴灌带正下方，每个样点的采样深度包括5～10cm、25～30cm、35～40cm、55～60cm、65～70cm和85～90cm.等7个土壤深度。

试验在2007—2010年3年间对不同灌水模式下各处理免耕地不同土壤深度的土壤容重进行了6次采样监测，取样时间点1-6分别对应2007年10月11日（夏玉米考种后）、2008年6月16日（冬小麦考种后）、2008年10月13日（夏玉米考种后）、2009年6月15日（冬小麦考种后）、2009年10月12日（夏玉米考种后）以及2010年6月17日（冬小麦考种后）。

3 结果与讨论

3.1 相同灌水方式不同灌溉制度下的土壤容重比较及其随时间变化规律从图1可以看出，地面灌条件下，各处理下不同土壤深度的土壤容重在2007—2010年3年间先有一个较为平缓的增大趋势，其中尤以25～60cm土层之间的土壤容重增大趋势较为显著，到了2009年冬小麦收割后（对应图中第4个取样点），各土层土壤容重值存在一个明显降低的趋势，但随后又出现明显增大的趋势，到2010年最后一个取样点时，各处理下的土壤容重值大部分基本又接近或稍大于最初的土壤容重值，基于4年时间跨度，总体分析看，各处理下的土壤容重波动较小。

图1 2007—2010年地面灌各处理不同深度土壤容重演变规律

对于相同土壤深度，地面灌各处理下的土壤容重的随时间的变化趋势也基本相同，各处理下土壤容重大小的差异总体上表现不明显。

为进一步分析各处理间土壤容重的差异，选取充分地面灌处理1和非充分地面灌处理4为代表进行方差分析和比较。从表3中可以发现，地面灌处理1不同深度土壤的容重在3年间波动幅度最大的为25～30cm土层范围，其变异系数为7%，并且25～30cm土层3年内土壤容重平均值为最大。波动幅度最小的为5～10cm土层范围，其变异系数为4.4%，3年内土壤容重平均值最小也在5～10cm土层范围。总之，地面灌处理1（充分灌）下各土层土壤容重3年内的变异系数在4%～7%之间，变异程度较低。

地面灌处理4土壤容重在3年间波动幅度最大的为65～70cm土层范围，变异系数接近10%，3年内土壤容重平均值最大的为25～30cm土层。3年里土壤容重平均值最小及波动幅度最小的土层为5～10cm，其变异系数为4%。可以看到，地面灌处理4（非充分灌）下各土层土壤容重3年内的变异系数在4%～10%之间，高于处理1，但变异程度依然较低。

表3 地面灌处理1与处理4不同土壤层次容重统计分析数据（2007—2010年）

综合而言，地面灌处理1下上层土壤（0～30cm）的变异系数大于处理4，而从35cm土层以下开始，处理4的变异系数都大于处理1，这说明，3年内，地面灌充分灌处理对上层土壤（0～30cm）容重变化的影响要大于非充分灌处理，其原因应主要与充分灌处理的灌水定额和灌水频率远高于非充分灌处理有关。而非充分灌处理在35cm以下土层的容重变异程度大于充分灌，这说明非充分灌对35cm以下土壤容重多年变化的波动影响更大。从方差分析结果来看，3年内，地面灌灌溉制度对土壤容重的演变规律影响不显著，各处理下的土壤容重在3年内的总体波动较小。

对于地表滴灌灌水方式，从图2中同样可以看出，2007—2010年，滴灌各处理下不同土壤深度下土壤容重在2007—2008年间趋于平稳，然后出现下降趋势，其中以35～70cm之间土壤容重降低趋势最为明显，到了2009年冬小麦收割后（图中第4个取样点），各土层土壤容重值出现了急降现象，达到3年期间最低值，但随后又出现显著增大的趋势，到2010年最后一个取样点时，各处理下的土壤容重值大部分基本又接近或稍小于2007年最初测定值。对于相同土壤深度，滴灌各处理下的土壤容重的随时间的变化趋势也基本一致，各处理下土壤容重大小的差异总体上表现也不明显，选取充分滴灌处理1和非充分滴灌处理4为代表进行进一步的方差分析和比较。

图2 2007—2010年地表滴灌各处理不同深度土壤容重演变规律

从表4中数据分析可知，地表滴灌处理1不同深度土壤的容重在3年间波动幅度最大的为55～60cm土层范围，其变异系数达到10.3%，波动幅度最小的为85～90cm土层范围，变异系数为4.1%。3年内，25～30cm土层容重平均值为最大，土壤容重平均值最小在5～10cm土层范围。总之，地表滴灌处理1（充分灌）下各土层土壤容重3年内的变异系数在4%～10%之间，变异程度较低。

地表滴灌处理4土壤容重在3年间波动幅度最大的也出现在55～60cm土层，其变异系数达到10.8%，波动幅度最小的为85～90cm土层范围，变异系数为4.4%。3年内，土壤容重平均值最大的为55～60cm土层，土壤容重平均值最小的在5～10cm土层。地表滴灌处理4（非充分灌）下各土层土壤容重3年内的变异系数在4%～11%之间，变异程度较低。

综合而言，地表滴灌处理1和处理4在25～70cm土层范围内的容重变异系数明显大于表层土壤（0～10cm）和深层土壤（85cm以下）。从方差分析结果来看，3年内，地表滴灌灌溉制度对土壤容重的演变规律影响也不显著，各处理下的土壤容重在3年内的总体波动较小。

3.2 相同灌溉制度不同灌水方式下的土壤容重比较及其随时间变化规律结合表3、表4及表5中相关数据，进一步分析相同灌溉制度不同灌水方式下土壤容重演变规律，充分灌条件下，无论是地面灌还是地表滴灌，3年内容重平均最小值均出现在5～10cm土层，容重平均最大值均出现25～30cm土层。地面灌处理1各土层容重3年内波动幅度最大的出现在25～30cm土层，其变异系数为7%，而地表滴灌处理1在3年内土壤容重波动幅度最大的土层出现在55～60cm，其变异系数达到10.3%。

表5 不同灌水方式下不同土壤层次容重统计分析数据（2007—2010年）

此外，地面灌处理1和地表滴灌处理1下各层土壤容重3年期间的变化规律不尽相同，在灌水下限和灌溉定额相同时，从表5中数据可以看出，地表滴灌条件下70cm以上土壤容重3年内的变异程度大于地面灌，而地面灌仅对85cm以下土壤容重变化产生的影响大于地表滴灌，由此可推断，充分灌条件下，地表滴灌较地面灌水方式而言对0～80cm土壤容重波动产生的影响更大，尽管方差分析结果显示，充分灌条件下，灌水方式对各层土壤容重的影响不显著，但可以预见的是，在一定长时期内，不同灌水模式下的各土层容重必然会产生明显差异，从而会造成土壤结构和土壤松紧度的各异，进而对作物的生长将产生一定影响。另外，从表3和表4中对比发现，在3年的田间试验中，在灌水下限和灌溉定额相同时，充分灌条件下，地面灌下5～10cm土壤容重大于地表滴灌5～10cm土壤容重，这说明地面灌水方式提高了表层土壤（0～10cm）的紧实度，其中原因应与地面灌相比地表滴灌具有更大灌水定额有关。

同样结合表3、表4及表5中相关数据分析可知，非充分灌条件下，无论是地面灌还是地表滴灌灌水方式下，3年内容重平均最小值均出现在5～10cm土层。地面灌处理4土壤容重平均最大值出现在25～30cm土层，土层容重波动幅度最大的土层为65～70cm。而地表滴灌处理4土壤容重平均最大值出现在55～60cm土层，同时也是3年内土壤容重波动幅度最大的土层。

从表5中各层土壤3年内容重变异系数来看，非充分灌条件下，地面灌和地表滴灌灌水方式下表层土壤（0～10cm）及更深层土壤（85cm以下）容重的变异系数小于其它土层，换句话说，非充分灌时，灌水方式对表层土壤（0～10cm）及深层土壤（85cm以下）土壤容重的影响相对较小。

4 结论

本文采取3年连续重复的田间试验手段，选取地面灌（水平格田灌）和地表滴灌灌水方式，探讨不同灌溉制度下免耕地在玉米-冬小麦轮种条件下土壤容重变化规律，研究结果表明：（1）灌溉制度和灌水方式在3年内对土壤各层容重的变化影响不显著，不同灌溉方式和灌溉制度下的土壤容重在3年内的总体波动较小；（2）从各土层容重3年内变异程度的角度来分析，地面灌充分灌对上层土壤（0～30cm）容重变化的影响要大于非充分灌，非充分灌对35 cm以下土层容重多年波动产生的影响大于充分灌；地表滴灌灌水方式对25～70 cm土层容重变化产生的影响大于表层（0～10cm）和深层土壤（85cm以下）；（3）充分灌条件下，地表滴灌较地面灌水方式而言对土壤容重波动产生的影响更大，但地面灌灌水方式提高了表层土壤（0～10cm）的紧实度；非充分灌时，灌水方式对表层土壤（0～10cm）及深层土壤（85cm以下）容重的影响较其它土层更小。

土壤容重是重要的土壤物理性状，是衡量土壤环境好坏的重要指标之一，由于本文的研究周期较短，并没有发现不同灌水模式下容重变化的显著差异，鉴于灌溉与土壤环境演变之间的响应需要较长时间周期，因此相关研究也需要进一步深入连续开展，但可以预见，长期来看，灌水模式对土壤容重及土壤质量的演变会起到非常关键的作用。

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