玉米生育期内不同覆膜对黄土表层容重变化特性的影响

程诗念，樊贵盛

(太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引 言

土壤容重也称土壤体积质量，指田间土壤自然垒结状态下单位容积土体(包括土壤孔隙)的质量，是表征土壤密实程度、衡量土壤质量好坏以及土壤生产力的重要指标，其大小与孔隙率有着密切关系，对土壤的入渗能力、持水性能、水盐运移以及土壤的抗侵蚀能力都有非常明显的影响[1]。土壤容重还是通过土壤传输函数法预测土壤入渗参数、持水特性指标和导水参数的重要物理参数[2]。土壤容重作为土壤最重要的物理参数之一，一直以来备受各专家学者的关注。李卓、吴普特[3]等探究了容重与土壤水分蓄持能力之间的定量关系，结果表明土壤饱和含水量、田间持水量、凋萎系数均随容重的增大而递减，呈负相关关系。韩光中、王德彩[4]等利用现有的土壤数据库，通过回归分析建立了适宜我国主要土壤类型的容重传递函数。王金贵、王益权[5]等对旱地农田土壤紧实度和容重的空间变异性进行了研究。王辉、王全九[6]等通过室内模拟试验，揭示了表层土壤容重对黄土坡面养分随径流迁移的规律，随着土壤容重增大，土壤磷和钾流失量增大。

地膜覆盖技术的发展一定程度上缓解了北方干旱、半干旱地区因缺水而导致的农作物减产问题。多年来，各学者重在研究不同覆膜方式对土壤水分、土壤温度以及作物产量的影响。李仙岳、彭遵原[7]等比较分析了不同类型地膜覆盖对土壤水热的影响。曹玉军、魏雯雯[8]等基于大田滴灌技术，研究了不同地膜覆盖滴灌对土壤水分、温度变化以及玉米生长的影响。罗兴录、黄秋凤[9]等以木薯为试材，进行不同地膜覆盖方式对土壤理化性状的影响试验。

不同类型地膜的覆盖或许直接影响到表层土壤的理化性质，同时还会影响到表层土壤与外界进行物质的交换，进而影响和改变着深层土壤的理化性质，即影响着水分、盐分及养分在土壤中的运移，最终对农作物的生长发育产生较明显的影响。随着渗水地膜的问世和规模化应用，渗水地膜覆盖种植已成为一种趋势，但覆盖渗水地膜条件下，表层土壤容重变化的研究却鲜有报道。因此，本文基于黄土高原土壤进行的不同地膜覆盖(普通地膜、渗水地膜、不覆膜)处理条件下，地表土壤容重的年内跟踪测定，试图揭示玉米生育期内，不同地膜覆盖对表层土壤容重的影响及其变化规律，以便更好地为土壤水力学参数、入渗参数、持水特性指标的预测提供物理参数和农田科学管护提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本次试验选择位于山西省中部的交城县。试验区多年平均降水量不超过500 mm，属于半干旱区；多年平均气温在7 ℃左右，降雨主要集中在6-8月，期间常有暴雨发生，属于暖温带大陆性季风气候；年平均日照时数2 743 h，年平均相对湿度62%，无霜期为100～161 d。

试验于2016年4月下旬到9月上旬进行，试验期内试验区共发生降雨40 次，总降雨量351.4 mm；其中小于10 mm的小雨30次，占到总降雨次数的75%，小降雨量占总降雨量的17.59%。降雨主要发生在六、七月，持续降雨天数不超过3 d，最大日降雨量达93.1 mm；试验期间平均气温为20.8 ℃，7月中下旬到8月中上旬气温最高，最高日平均气温达26 ℃，最低日平均气温为13 ℃。试验期内试验区降雨和气温如表1所示。

表1 试验期间降雨和气温表

1.2 试验材料

(1)土壤。为揭示不同地貌单元的差异，本文基于的跟踪试验在3个试验点进行，各个试验点分别代表浅丘区、洪积扇区和冲积平原区。由于地貌差异，各试验点土壤母质间也存在着差异，其中代表浅丘区的洪相村土壤母质为黄土状沉积物，代表洪积扇区的成村土壤母质为洪积物，代表平原区的段村土壤母质为冲积物。

所选试验点0～20 cm土层土壤前期具体理化参数见表2。

(2)地膜试验所用地膜包括普通地膜和渗水地膜。普通地膜材料为聚乙烯，厚度0.008 mm，宽度1 400 mm；渗水地膜系山西省农科院依单项渗水原理开发生产，材料为聚乙烯，膜厚0.008 mm，宽度1 400 mm，主要性能指标为：渗水速率>12 mm/(cm2·5 cm·h)，透气性能4～280 s/(100 mm×100 mm·20 g)，保水性能为40%/(100 ℃·300 min)。

(3)种子供试作物为玉米，品种为“晋玉18”，由山西省农业科学院玉米研究所提供。

1.3 试验方案与方法

试验于2016年4-9月玉米的生长期内进行，在各个试验区分别设置覆盖渗水地膜、覆盖普通地膜、不覆盖地膜三种处理，覆膜面积均为36 m2，且均在播种后立即覆盖地膜。在上述3种处理下，施肥、种子、灌溉和其他农业措施按当地农民传统模式和数量实施。试验中取样频率定为15～20 d之间，需视具体情况和玉米各生长阶段而定，避免在降雨之后马上取样以及同一地点多次取样，每次取样有次序的选点进行。

表层土壤容重的测定采用环刀法取样，然后在实验室烘干称重计算获得；表层土壤含水率的测定参照南京农业大学主编的《土壤农化分析》[10]，采用烘干称重法获得。

整个试验期试验区的日气温和降雨量情况通过当地气象站获得。

1.4 试验期各试验点农业措施情况

冲积平原区试验田在3月5日进行了大规模的播前灌，于4月23日进行耕作并播种，同时进行地膜覆盖处理，之后整个玉米生长期内均无灌溉、施肥等田间管理措施。洪积扇区试验田于4月23日备耕，5月7日进行播种同时覆盖地膜，试验期内未进行灌溉。浅丘区试验田于4月23日施6 t/hm2鸡粪肥、机耕，5月7日进行第一次灌溉，5月15日进行悬耕、播种和覆盖地膜，5月23日进行第二次灌溉。

2 结果与分析

2.1 玉米生长期内，表层土壤容重变化特性

图1为玉米生长期内裸地黄土表层容重随时间的变化过程图，图2为试验期内日降雨量大于15 mm的降雨过程图。

图1 黄土表层容重在玉米生长期内的变化图

图2 试验期内日降雨量大于15 mm过程图

从图1可以看出：①玉米生育期内，黄土表层容重总体上表现为增大趋势。播种时容重值为1.13 g/cm3，收割时为1.34 g/cm3，增长率为18.58%。②玉米生育期内，黄土表层容重变化过程可分为5个阶段3种类型，分别为播种后容重陡增阶段、播种后容重平缓增长阶段、雨期容重陡增阶段、雨期容重平缓增长阶段和容重微缓下降阶段。两次陡增阶段分别发生在刚播种后(4月23日-5月8日)和第一次大于15 mm的降雨发生时期(6月12日-6月29日)，其地表土壤增长率分别为6.19%、6.50%；两次陡增阶段之后是两个平缓增长阶段分别发生5月8日-6月12日、6月29日-8月18日、下降阶段为8月18日-9月11日玉米收割期，下降幅度为3.73%。

表层容重出现如上变化特性的原因主要表现在以下几个方面。

(1)雨滴机械作用。试验期为该试验区降雨频繁发生时期，并时常伴有暴雨发生，雨滴对表土的击溅会造成表层土壤团聚体的破坏，产生粒径较小的颗粒，使单位体积土体的孔隙率变小，密实程度变大，容重变大。

(2)雨滴压实作用。降雨频繁意味着雨滴对表土的持续打击，同时大雨及暴雨会对表土产生力度较大的打击，使土体中的大孔隙结构遭到破坏，表土发生压实变形，土壤孔隙率变小，单位体积土体质量变大；播种时，刚刚对表层土壤进行过翻松，表土呈疏松状，结构容易遭到破坏，对外界因素敏感程度高，土壤自重、小降雨、风压等都会对表土有压实作用，所以在播种后的十多天内容重增加明显，即图1中的4月23日-5月8日，播种后容重陡增阶段；在降雨等因素的累积作用下，表土到压实状，对雨滴的敏感性越来越低，表土容重出现播种后平缓增长阶段。

(3)干湿交替下黄土的湿陷变形。黄土具有比较特殊的粒状架空结构体系，结构中存在着大量非正常配位的“架空孔隙”，一般来说这种结构体系是不稳定的，强度也不高，但在干湿交替、干旱、半干旱气候下形成的黄土结构连结点强度却很高，使得在干燥环境下的黄土结构强度很高，表层黄土多呈欠密实状。当受到雨水浸湿时，土体中水量增加，毛管张力引起的法向应力会较小甚至消失；颗粒间液膜厚度增加，粒间摩擦力降低；双电层中离子溶度下降，将表现为排斥力；水膜的楔入将增大胶凝物质间的距离，分子引力将减小，这些变化都将削弱连结点强度，从而导致黄土结构稳定性下降，结构中的“架空孔隙”发生崩塌，在水压力和土体自重作用下，土体颗粒随孔隙的塌陷而向下沉降，孔隙率降低，土壤变密实。所以第一次大的降雨(6月23日)发生时，表层土壤湿陷性明显，湿陷变形大，受雨水浸湿后容重发生明显增大。当7月9日第二次大的降雨发生时，此时表层土壤已完成湿陷过程，容重值较高，而湿陷系数与土壤干密度呈负相关，土壤再次受到雨水浸湿时，湿陷性表现并不明显，容重变化也较平缓。

试验区最大降雨发生时(7月19日)，虽然降雨量大，但是此前表层土壤已经经历过多次降雨的机械作用，并且表层黄土的湿陷过程已经基本完成，湿陷变形几乎没有或较小，影响容重的主要因素是降雨的打击压实作用，所以此时表层土壤容重表现为平缓的上升趋势。

收割期(8月18日-9月11日)降雨几乎为零，表层容重出现微缓下降可能与根系的充分发育以及微生物的活动有关。根系充分发育会使土壤变疏松，孔隙率变大，同时微生物活动分解土壤中的腐殖质会使土壤通透性增加，土体中固相物质减少，单位体积土体质量降低，表层土壤容重下降。

2.2 不同地膜覆盖下表层土壤容重变化特性

图3为不同地膜覆盖下，同一试验点表层土壤容重随时间变化图，图4为相应试验点不同地膜覆盖下，表层土壤体积含水率变化图。

图3 不同地膜覆盖下表层土壤容重变化图

图4 不同地膜覆盖下表层土壤体积含水率变化图

从图3可以看出：①播种期(4月23日)初始容重值除外，裸地表层容重曲线始终在地膜覆盖处理表层容重曲线之上，普通地膜覆盖处理表层容重曲线始终在渗水地膜处理表层容重曲线之上，即3种处理方式下表层容重值大小关系始终为裸地大于普通地膜覆盖，普通地膜覆盖大于渗水地膜覆盖。②地面覆盖在一定程度上可减小玉米生长期内土壤容重的增加幅度。收割期末裸地表土容重为1.34 g/cm3，普通地膜覆盖下表层土壤容重为1.28 g/cm3，渗水地膜覆盖下表层土壤容重为1.26 g/cm3。与播种时相比，3种处理方式下表层土壤容重变化率分别为：裸地为18.58%，普通地膜覆盖为13.27%，渗水地膜覆盖为12.39%，普通地膜处理下变化率降低了5.31%，渗水地膜处理下变化率降低了6.19%。

表现出以上变化特性的主要原因有以下3个方面。

(1)雨水与表土的接触过程不同。相同降雨情况下，裸地土壤受到雨水的直接打击，而覆膜条件下，薄膜隔断了雨水与表土的直接接触，因而雨滴对表土的机械作用几乎为零；同时地膜覆盖下，薄膜对雨水的打击具有一定的缓冲作用，减缓了雨水对地表的打击力，减小了雨滴对表土的压实作用而产生的压实变形。所以，覆膜条件表层土壤容重比裸地要小。

(2)表土吸收水分的方式不同。小降雨(<10 mm)发生条件下[11]，雨水在裸地中入渗较浅，水分的大多数会在短时间内蒸发掉成为无效水；对于普通地膜来说，雨水无法透过薄膜进入膜下土壤，当雨水落到薄膜上时会因得不到及时吸收而蒸发掉成为无效水；而渗水地膜具有微通透性，雨水落到地膜上，形成重力水，在垂直向下的土壤水势梯度作用下，渗水地膜微通道打开，水分入渗过程发生，膜下表土完成对小降雨的吸收，当薄膜上水分入渗完成后，雨水重力消失，薄膜在弹力作用下，通道自动关闭，防止表土水分的蒸发；所以小降雨情况下，只有渗水地膜覆盖下表层土壤能吸收并保存一定量的水分。大降雨(>15 mm)发生条件下，裸地表层土壤与外界接触面积大，会直接受到雨水，但蒸发过程又使得表土水分迅速减小；普通地膜覆盖下表土能通过周围裸地土壤水分的侧渗吸收一定量的水分，但由于地表膜的覆盖，水分的散失过程也较缓慢；渗水地膜覆盖下表土除能通过周围裸地土壤的侧渗吸收一定量的水分外，仍能通过膜上雨水入渗吸收水分，但水分消耗过程类似于普通地膜覆盖，所以土壤水分含量相对其他两种覆盖较高。所以3种处理方式下，渗水地膜覆盖下表土含水量最大，普通地膜次之，裸地最小，这与图4所示不同处理方式下，表层土壤体积含水率变化图保持一致，而黄土体积含水量与土壤容重呈负相关[12]，所以表层土壤容重表现为渗水地膜覆盖最小，普通地膜覆盖次之，裸地最大。

(3)表土与外界接触面积不同。裸地条件下，表土与外界完全接触，表土水分蒸发量与覆膜相比要大很多，试验区处于半干旱区，蒸发量比降雨量要大，裸地表土水分会在降雨之后的一段时间内大量蒸发，表土含水量大大降低；而地膜覆盖阻隔了表土与外界空气的接触，能大大降低表土水分因蒸发而散失引起的含水率降低，从而使表土含水量保持在较高水平。所以地膜覆盖下表土含水量要高于裸地条件，相应的土壤容重值则低于裸地表土容重。

3 结 论

(1)玉米生育期内，不同覆盖土壤都呈现出容重逐渐增大趋势，增大幅度在12.39%～18.58%。黄土表层容重变化过程可分为5个阶段3种类型，分别为播种后容重陡增阶段、播种后容重平缓增长阶段、雨期容重陡增阶段、雨期容重平缓增长阶段和容重微缓下降阶段。降雨对裸地表层容重的影响十分明显，主要表现为雨滴的压实作用和机械作用；同时黄土的湿陷性是表层土壤容重发生变化的内在原因，且黄土的湿陷变形在初次大降雨发生时表现最为明显。

(2)地面覆盖在一定程度上可减小玉米生长期内土壤容重的增加幅度。玉米生育期内，不同处理方式下表层土壤容重值大小次序始终是裸地>普通地膜覆盖>渗水地膜覆盖；且玉米收割期与播种期相比，裸地表层土壤容重值变化率为18.58%，普通地膜覆盖为13.27%，渗水地膜覆盖为12.39%；与裸地相比，普通地膜处理下变化率降低了5.31%，渗水地膜处理下变化率降低了6.19%，由此可见地膜覆盖能降低表层土壤容重值，渗水地膜覆盖比普通地膜覆盖降低效果更明显。

(3)由于本次试验是针对玉米生育期内表层土壤容重进行的一次跟踪测定，受数据样本量和试验条件的限制，试验结果还有进一步探索和改进的必要。同时试验仅针对降雨量单一气象因素进行了分析，关于多因素综合作用下的变化特性还需进一步的研究。

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