犁底层及作物根系影响下壤中流形成机理研究

孔 达，王立权，董文财，付 强

(1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080；2.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030)

0 引 言

降雨入渗是形成土壤水的过程，既与降雨特征有关又与土壤本身物理化学特性及土壤内部生物环境有关。土壤内部多因素影响下水分迁移是土壤水分运动研究的重要课题，在我国东北黑土区众多影响因素中，以植物根系及犁底层影响最为突出[1-3]。植物根系对土壤渗透性有明显的改善作用，一方面根系通过穿插、网络及固结将土壤单粒粘结起来改善土壤的团粒结构和孔隙性[4]，间接增强土壤渗透性。另一方面根与茎在其连接处形成微型拦土栅阻止土粒搬运，且沉积的土粒在连接处形成许多微型滤水土体[5]，直接增加径流就地入渗。优先流主要沿着根系和结构孔隙流动[6]。犁底层入渗性能较低[7]，我国东北黑土区耕作层逐年变薄，结构坚硬，紧密的犁底层上移变厚，造成土壤透水、透气性差，严重影响水分入渗[8]。犁底层的存在为壤中流的形成创造了条件。黑土区坡耕地壤中流是坡地径流的重要组成部分，对养分迁移影响显著[9-10]，壤中流条件下地表径流中氮素浓度达到自由入渗条件下的数倍[11-15]。

大豆作为东北黑土区主要粮食作物，对我国粮食生产有重要意义。虽然外界环境对大豆根系形态具有一定影响，但大豆根系仍然具有遗传稳定性,为进行根系影响下的土壤环境研究提供了依据。存在植物根系的土壤入渗特性不同于无植物根系土壤，壤中流的产生随之发生变化。目前关于犁底层及作物根系影响下壤中流的产生机理研究较少。为此，本文通过野外监测试验及人工模拟降雨试验，获取大豆根系发育完全的鼓粒期根系、犁底层、土壤田间持水量、土壤容重分布特征及降雨过程中土壤水分迁移过程，研究犁底层及作物根系影响下壤中流产生机理，在此基础上解析黑土区坡耕地犁底层及大豆根系影响下壤中流产生的条件及特征，以期为我国黑土区坡耕地田间水分管理提供科学依据与指导，同时，也可为其他植被覆盖条件下土壤水分迁移研究提供新的研究思路与视角。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在黑龙江省安达市昌德镇及东北农业大学水利与土木工程学院水工厅外进行。野外试验地经纬度为46.12°和 124.99°。作物有效生长季为120～130 d, 生长季≥10 ℃的有效积温为2 700 ℃以上, 年降雨量400 mm 左右。地面坡度1/600。土壤基本农化状况见表1。试验设4个处理，野外试验每个处理3个重复，共9个试验小区，单个试验小区面积40 m2。处理①传统耕作模式下犁底层深13±2 cm(垄上)，犁底层土壤容重1.38 g/cm3，犁底层以上土壤容重平均1.23 g/cm3；处理②通过深耕打破犁底层，耕作深度28±4 cm,土壤容重平均1.23 g/cm3；处理①与处理②不播种大豆，保持地面无植被裸露。处理③前期处理方法同处理①，大豆种植密度每公顷26.8万株,垄作方式,垄宽0.67 m,播种前施尿素55 kg/hm2、磷酸二铵55 kg/hm2，大豆品种均采用高产品种“绥农21”。各处理田间管理同大田。处理④人工模拟降雨试验，利用可分层收集径流与壤中流的铁槽(长100 cm、宽40 cm、高60 cm)分层装土，0～12 cm土壤容重1.23 g/cm3、13～50 cm土壤容重1.38 g/cm3，试验装置见图1。基于对研究区多年降雨资料的分析及在试验之前进行了2 a的降雨特征监测，试验中出现壤中流的降雨过程在研究区较为常见，具有代表性，降雨强度及土壤初始含水量见表2。野外监测试验降雨前用6.0 m×3.0 m遮雨棚将目标实验地遮盖，待降雨强度稳定后迅速撤掉遮雨棚，降低降雨强度前期不均匀影响。

表1 土壤基本农化状况Tab.1 Basic soil conditions

表2 降雨强度及降雨前不同深度土壤含水量Tab.2 The rainfall intensity and the antecedent soilwater content in different depth

1.2 测试方法

(1)根系特征取样。采用钻土法在鼓粒期对根系进行取样[16,17],取样前将植株在子叶痕处剪断,每个小区随机取3组，取样点位于植株周围原位钻取(钻头直径8.0 cm，长15.0 cm)，取样深度分别为0～15、16～30、31～45、46～60及61～75 cm。样品用水浸泡12 h,用流水缓缓将根系冲洗干净,冲洗时在根系下面放一个100目的筛子,以防止脱落的根系被水冲走。采用植物根系分析系统(仪型号为LA-S型，浙江产)测定根系特征，将洗净的根系样品放置在30 cm×40 cm树脂玻璃槽内,并注水至3～4 mm深,使根系充分散开,扫描根系,分析后获得根长、根表面积、根体积及不同根直径的根长等形态指标。采用烘干法测得根系生物量，烘箱70 ℃至恒重。

(2)土壤水分剖面取样。野外监测试验分别在5、10 min和地表径流产流时刻及壤中流产流时刻利用遮雨棚将试验地遮盖后立刻取样。地面粗糙对径流具有阻滞作用，使得积水不能马上流动。试验中地面出现积水时刻作为产流时刻，壤中流产流时刻通过观察壤中流收集槽获得。本研究需要捕捉土壤湿润峰轮廓，在深度方向上取样步长较短，目前相关取样方法研究较少，为了提高单个样本土壤含水量数据准确性，我们参考了相关文献[18,19]，采用了沿垂向取剖面的土壤水分采样手段。每1 cm取1个样品，取至20 cm深。土壤水分剖面取样位置位于径流取样区域之外，从远离径流收集槽一侧开始，以免破坏径流形成过程。取样区大小约为40 m2(10 m×4 m)，每1组样品的3个重复均在同一遮雨棚下(6 m×3 m)沿小区长度方向布置，同时遮雨棚采用向一侧倾斜布置，防止遮雨棚上雨水影响小区内其他取样区域。处理①与②靠近遮雨棚中心，处理3取样位置位于遮雨棚中心植株周围。降雨前在植株周围用土钻钻取土样，土壤表层1～6 cm每3 cm取1个样品，7 cm以下每5 cm取1个样品，取至20 cm深，采用烘干法测定土壤含水量，105 ℃恒温烘12 h以上至恒重。降雨过程中利用标准直径20 cm雨量器盛接降雨，每分钟取1个样品，倒入雨量量筒，确定降雨强度。地表径流及壤中流产流时间采用秒表测定，地面出现积水时刻既为产流时刻。径流及壤中流收集装置见图1。单个集水槽宽度为1.0 m，壤中流集水槽高度为10 cm，将集水槽下缘贴近犁底层上边界打入犁底层，防止收集到的水流漏失(图1)。壤中流集水槽上缘与地面径流集水槽下缘贴紧，打入土壤中，避免地面径流渗漏到壤中流集水槽中，影响实验精度。人工模拟降雨试验在壤中流产流时刻取土壤剖面，每1 cm取1个样品，取至20 cm深，取样方法同相关文献[18,19]。

图1 试验径流收集装置Fig.1 Runoff collecting device for experiments

2 结果与分析

2.1 犁底层影响下土壤容重垂向变化

犁底层是由于长期耕作土壤受到犁的挤压和降水时黏粒随水沉积而形成，其结构多半为片状结构或大块状结构，容重大，总孔隙度小，渗水性很弱。图2为传统耕作(处理①)与深耕(处理②)条件下土壤容重沿土层垂向变化图。2种条件下土壤容重均随深度增加而增加，产生这一现象的原因可能由于取样时间为8月末，耕地表层土壤经受了多次降雨淋洗，黏粒随水沉积而形成。表1土壤基本农化状况显示随着深度增加，在沿土壤剖面0至60 cm范围内各级颗粒含量也表现出相同的变化趋势，同时土壤有机质含量随着深度增加而减小，造成土壤持水能力下降[20]。对比无犁底层与存在犁底层2种条件下土壤容重变化过程，存在犁底层条件下，越接近犁底层深度土壤容重越显著高于无犁底层条件，犁底层出现在深约13±2cm位置。犁底层平均土壤容重为1.38 g/cm3，相应深度无犁底层平均土壤容重为1.30 g/cm3。图2中存在犁底层条件下土壤容重在犁底层与其上边界处变化最为显著。土壤容重的这一显著变化对土壤导水能力、持水能力影响较大。

图2 为传统耕作与深耕条件下土壤容重沿土层垂向变化Fig.2 The vertical variation of soil bulk density of soil for the traditional farming and cultivating conditions

2.2 田间持水量与土壤容重的关系

田间持水量与壤中流关系密切，当土壤含水量小于田间持水量时，土壤水分产生垂向或者横向上的扩散运动，但不会出现壤中流。土壤容重是影响田间持水量的关键因素，有研究表明，田间持水量与土壤容重呈线性相关关系[21]。试验区犁底层以上土壤田间持水量与土壤容重关系见图3。采用负的线性方程对田间持水量与土壤容重关系进行模拟，R2为0.97，RMSE为0.57%，模拟精度较高，说明试验区土壤田间持水量与土壤容重呈负的线性相关关系。线性相关方程为：

y= -87.98x+ 145.78

(1)

式中：y为土壤田间持水量，%(重量百分数)；x为土壤容重，g/cm3。

这一结论也说明前人针对长江流域的土壤田间持水量与容重之间关系的研究[18]成果同样适用于我国东北黑土区。

图3 田间持水量与土壤容重关系Fig.3 Relationship between field water holding capacity and soil bulk density

2.3 犁底层及大豆根系影响下壤中流产生机理

图4为处理1与处理2降雨过程中土壤含水量及田间持水量沿土层垂向变化图。通过监测，降雨后地面出现积水时刻为降雨开始后15.9 min,壤中流出现时刻为降雨开始后27.3 min。随着降雨时间的延续(5、10、15.9和27.3 min)，湿润峰下移。如前所述，在犁底层影响下，土壤田间持水量在犁底层上边界处下降显著，为壤中流的出现创造了条件。土壤含水量小于田间持水量，土壤水分不会产生横向迁移的壤中流，土壤含水量一旦大于田间持水量，无论土壤是否饱和均会出现水分的垂直或者横向迁移，田间持水量与土壤含水量可以作为壤中流是否出现的判断依据之一。土壤水分在垂向迁移受阻才会出现横向迁移的壤中流，犁底层透水性显著减弱，使得土壤中的水分滞留在犁底层以上附近土壤中，含水量大于田间持水量以后，如果存在一定坡度，就会产生土壤水分的横向运动，产生壤中流。存在犁底层条件下在降雨历时为27.3 min时，出现了壤中流，此时土壤水分剖面犁底层以上均高于土壤田间持水量(图4)，且在犁底层附近土壤含水量接近田间持水量。据此可以假定壤中流的产生是在犁底层位置处土壤含水量超过田间持水量。研究区每次大雨强降雨都可以认为湿润峰到达犁底层处且含水量等于田间持水量时土壤水分剖面形状相同，即每次大雨强降雨时，产生壤中流时刻的土壤剖面含水量相同，据此可计算出壤中流产生时刻。壤中流产流时间计算公式如下：

(2)

式中：T为壤中流产生时刻，min；k为犁底层以上土壤划分层数；θl为壤中流产生时刻第i层土壤剖面含水量，%；θe为土壤初始含水量，%；γ为土壤容重，g/cm3;q为降雨强度，mm/h。

利用式(2)计算处理①壤中流产流时刻为25.5 min，计算值与实测值误差为6.6%。产生这一误差的原因可能是土壤中在水平方向上含有阻水土壤结构，或者实测土壤含水量不够精确。研究区在大雨强降雨条件下，壤中流产流时刻土壤水分剖面湿润峰外缘形状即为图4存在犁底层条件下27.3 min时刻土壤水分剖面(图4)。

图4 有无犁底层条件下降雨过程中土壤含水量及田间持水量沿土层垂向变化Fig.4 Vertical change of soil water content and field water holding capacity along the soil layer under the condition of with and without plough pan

无犁底层条件下，未出现壤中流，说明研究区犁底层是产生壤中流的必要条件。研究区表层土壤饱和导水率为16.8 mm/h,当降雨强度小于表层土壤导水能力时，上层土壤很难达到饱和而产生壤中流，但土壤沿剖面含水量超过田间持水量时，在犁底层上边界处仍可产生壤中流，此时研究区犁底层以上土壤累积含水量达到49.8 mm。图5为人工模拟降雨试验壤中流产流时刻土壤剖面含水量与田间持水量对比关系图。人工模拟降雨试验壤中流产流时刻为54.3 min。图5显示在犁底层处，土壤含水量已经高于田间持水量，犁底层以上土壤累积含水量达到61.7 mm，高于49.8 mm，此时虽然出现了壤中流，但土壤表面未出现径流。

图5 人工模拟降雨试验壤中流产流时刻土壤剖面含水量与田间持水量对比关系图Fig.5 Relationship between soil moisture content and field water holding capacity in artificial simulated rainfall experiment

图6为大豆根系影响下各时刻土壤水分剖面与田间持水量及犁底层相对位置图。从图6上可以看出壤中流产生时刻25.6 min犁底层附近土壤含水量高于相应位置的土壤田间持水量，但壤中流产生时刻较裸土时间短了1.7 min，说明犁底层以上大豆根系具有促进入渗的作用。存在大豆根系条件下沿土壤垂向剖面每15 cm取一层，大豆根重依次占总根重的85.7%、7.22%、4.4%、1.75%及0.96%，可见大豆根系改变了犁底层以上土壤结构，犁底层较裸土下移也说明了大豆茎叶截留传导提高了植株周围水分的供给，进一步促进了湿润峰下移，使得壤中流产流时刻较裸土提前。从试验结果上看本文提出的壤中流产流时间计算模型计算结果更加接近大豆根系影响下的壤中流产流时刻，误差为0.4%，可能是因为大豆根系的促进入渗作用。对比表1中各层土壤养分含量与图6犁底层上边界分布位置及大豆根重分布可知，壤中流发生的位置土壤养分氮、磷、钾含量均较高，且大豆根重分布集中，一旦出现壤中流，土壤养分在水分迁移驱动下再分布，必然影响大豆根系对土壤养分的利用，进而影响大豆的生长。期望在今后的研究中能够进一步探寻更好的耕作模式或土壤养分施用方式，使得黑土区坡耕地水肥管理朝着更加有利于农业生产的方向发展。

图6 大豆根系影响下各时刻土壤水分剖面与田间持水量及犁底层相对位置Fig.6 Effects of soybean root on soil moisture profile and field water holding capacity and relative position of plough pan

3 结 语

(1)研究区坡耕地土壤田间持水量与土壤容重呈负的线性相关关系。研究区传统耕作方式下，犁底层深度约13±2 cm，土壤容重随深度增加而增加，田间持水量随深度增加而减小。

(2)大豆茎叶截留传导提高了植株周围土壤水分的供给，犁底层以上大豆根系加强了土壤入渗能力，进一步促进了湿润峰下移，使得壤中流产流时刻较裸土提前。壤中流发生的位置土壤养分含量较高，大豆根重分布集中，一旦出现壤中流，土壤养分在水分迁移驱动下再分布，影响大豆根系对土壤养分的利用。

(3)研究区降雨强度小于16.8 mm/h时，犁底层以上土壤总含水量超过49.8 mm才可能产生壤中流。降雨强度大于16.8 mm/h时，壤中流的产生可以假定在犁底层位置处土壤含水量超过田间持水量，而每次大雨强降雨都可以近似认为湿润峰到达犁底层处且含水量等于田间持水量时土壤水分剖面形状相同，即每次大雨强降雨时，产生壤中流时刻土壤剖面含水量相同，据此可计算出壤中流产生时刻。构建了壤中流产流时间计算模型，野外实验验证了这一模型的适用性。

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