不同淹水时长对旱作水稻土壤物理特性的影响

王希凤，赵春雷，张 猛

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2.中国科学院 地理科学与资源研究所/生态网络观测与模拟院重点实验室，北京 100101)

传统水稻种植耗水量巨大，而旱作水稻的产量与水作水稻基本持平，并且具有节水保收的优点［1］。近年来，我国极端降水事件频发导致农田洪涝灾害时有发生，对水稻稳定生产构成严重威胁［2］。有研究表明，水稻产量随淹水天数的增加显著下降，淹水2.5 d 导致杂交水稻平均减产2 ～3 成［3］。王斌等［4］发现随着淹水时间的增加，水稻植株根长、根体积和根表面积均下降至对照的50%以下。长期淹水也会引起土壤理化性状的改变［5］。明确淹水及脱湿过程中主要土壤物理性质的变化特征，对于准确评估洪涝灾害的影响、指导灾后农业生产至关重要［6］。土壤容重是一个高度变异的土壤结构指标，是衡量土壤肥力高低的标志之一，也是评价土壤抗侵蚀能力的重要指标［7］。在干湿变化过程中，随着含水量的变化，土壤体积也随之改变，从而影响了容重-含水量的关系和土壤机械特性［8］。张佳宝等［9］研究发现，在自然条件下较干的水稻土在淹水过程中团聚体发生崩解，使土壤向粘闭方向发展，但不能完全粘闭；粘闭作用对土壤容重的影响取决于粘闭之前的水分状况，当土壤不饱和时，土壤容重增加；当土壤饱和时，容重不变；而当土壤过饱和时，土壤容重开始降低。

土壤热特性主要受到土壤质地、容重、颗粒形状以及含水量等因素的影响［10］。热传导过程主要受土壤水分的影响。土壤在完全饱和或潮湿条件下的热导率远高于干燥或近干燥状况下的热导率［11］。土壤在润湿-干燥过程中，通过改变土壤孔隙和水分含量，土壤颗粒不断发生分离与组合，导致土壤结构改变［12］。卢奕丽等［13］研究发现两次连续的强降雨使得耕层土壤在短时间内达到饱和，之后伴随着土壤入渗和蒸发过程，土壤含水量总体保持在30%左右，导致该阶段热导率较前期高。

基于此，本研究旨在通过测定不同淹水时长土壤的容重、热特性和水力学参数，明确淹水后土壤物理性质的动态变化特征，探讨淹水时长对土壤容重和热特性的影响机制，为应对淹水所导致的土壤质量下降问题、科学指导灾后农业生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验用土取自湖北大冶市还地桥镇（30°11′ N，114°51′ E）旱作稻田。取样时采用蛇形布点采集耕作层（0 ～20 cm）土壤样品，去除石子和根系后，风干，过2 mm 筛后保存。土壤中砂粒（1 ～0.05 mm）、粗粉粒（0.05 ～0.01 mm）和粘粒（＜0.01 mm）的质量含量分别为8.1%、35.8%和56.1%，根据中国制土壤分级标准确定土壤质地类型为黏土。土壤有机质含量为3.0 g/kg。参考耕作层土壤翻耕后自然状态下农田土壤容重1.20 g/cm3对本试验中土柱的初始容重设置。按照设定的容重计算所需土壤重量，分层装于环刀（高5 cm，直径5 cm）中，环刀下端用定性滤纸封住，防止浸泡过程中土壤散落。试验设置6 个不同淹水时长处理，分别为1、3、7、14、21 和28 d，每种淹水时长处理设置3 个重复。试验过程中将同一处理的土柱放入盆中，向盆中分批次缓慢加水至液面距离土柱上端1 cm 处，浸泡12 h 使土壤完全饱和及土壤稳定后开始测定。

1.2 数据获取

1.2.1 土壤热特性 本研究所用热脉冲探针由3 根平行的、长40 mm、直径1.3 mm、间距约6 mm 的空心不锈钢针组成。探针具体构造和土壤热特性测定过程见参考文献［13-15］。

根据热传导定律，在热源径向土壤中一定距离r处，其温度随时间的变化可以表达为下列公式［14-15］：

其中，ΔT 是热脉冲加热后土壤温度的变化值（℃）；q′是单位时间单位长度线性热源所释放的热能（J/m）；C是土壤体积热容量［MJ/(m3·K)］；κ是土壤热扩散率（m2/s）；t是测定时长（s）；t0是热脉冲加热时间（s）；Ei（x）是指数积分。基于三针热脉冲技术测得温度随时间的变化数据，利用MATLAB 软件中的非线性拟合方法（Nonlinear model fit）对公式（1）进行拟合，得到C和κ的估计值［16］，二者相乘即可得到土壤热导率（λ）。

土壤热特性和体积含水量的测定分为两个阶段：第一个阶段为淹水阶段，即在土柱淹水（土壤饱和状态）过程中，通过热脉冲探针和土壤水分传感器（EC-5）连续测定土壤热特性和含水量；第二个阶段是淹水处理结束后，将土柱放在室内自然风干，测定脱湿过程的土壤热特性和含水量，测定频率均为每30 min 测定一次。

1.2.2 热导率法计算土壤容重 Lu 等［17］提出一个预测热导率经验模型，将热导率与含水量、质地和容重联系起来，利用热脉冲探针和EC-5 分别获得土壤热导率和含水量后，在已知质地的情况下可反推土壤容重。热导率经验模型为公式（2）和公式（3）：

其中，λdry是干土热导率［W/(m·K)］；η和β是热导率曲线的形状因子；Pt是土壤总孔隙度（%）；fcl和fsa分别是用吸管法测得的土壤粘粒和砂粒含量（%）。

1.2.3 土壤入渗速率 待淹水过程结束后，将土柱从盆中拿出。利用微型圆盘入渗仪测定各处理土柱的入渗速率。根据土壤质地确定入渗吸力（h0）为0.5 cm 及每次观测的时间间隔为120 s，开始前需记录一个初始值并按120 s 的时间间隔记录数据（即读取液面所在刻度值），直至入渗稳定后停止读数。

根据Zhang［18］提出的确定土壤吸水性和导水率的两维入渗方程，从圆盘入渗仪得到的累计入渗量（I）随时间的变化，并将数据进行计算，最后得出入渗速率（k）。

1.2.4 土壤水分特征曲线和土壤孔隙分布 根据试验设置的6 个不同淹水时长处理，分别装填容重为1.20 g/cm3的小土柱（高1 cm，体积为20 cm3），每种时长处理设置3 个重复同时设置3 个空白处理。淹水实验结束后，首先，土壤水分特征曲线采用沙箱法和压力板法测得，然后使用Van Genuchten［19］模型通过RETC 软件对实测的水分特征曲线数据进行拟合。

2 结果与分析

2.1 淹水后土壤热特性和容重的动态变化

2.1.1 淹水时长对土壤热导率和热容量的影响 图1（a）为土壤热导率随淹水时长增加的变化过程。随淹水时长增加，土壤热导率呈现先增加后平稳的过程。淹水1 d 后土壤热导率平均值为1.56 W/(m·K)；淹水3 d 后土壤热导率上升到1.58 W/(m·K)；当淹水时长达到7 d 时，土壤热导率均值增至1.60 W/(m·K)。在此之后，随着淹水时长增加（14、21 和28 d），土壤热导率基本稳定在1.60 W/(m·K)左右。图1（b）为不同淹水时长土壤热容量变化特征。随淹水时长的增加，土壤热容量的变化过程与土壤热导率相似，均呈现出快速增加和趋于稳定两个阶段。淹水1 ～7 d，土壤热容量均值由3.04 MJ/(m3·K) 增加至3.08 MJ/(m3·K)，此过程为快速升高阶段；之后土壤热容量缓慢升高，到淹水28 d 土壤热容量均值为3.10 MJ/(m3·K)。2.1.2 淹水时长对土壤容重和入渗速率的影响 图

图1 不同淹水时长土壤热导率(a)和土壤热容量(b)的动态变化Fig. 1 The dynamic of soil thermal conductivity(a)and soil heat capacity(b)under different flooding duration

2 为不同淹水时长土壤容重的动态变化，随淹水时长的增加，土壤容重呈现出缓慢增加的趋势。未开始淹水前，土柱的容重为1.20 g/cm3；淹水1 d 后土壤容重的均值在1.45 g/cm3左右；淹水3 d 后，土壤容重增加到1.46 g/cm3，随后土壤容重基本保持稳定；当淹水28 d 后，土壤容重均值为1.47 g/cm3。土壤容重迅速增加阶段在淹水1 ～7 d 内，土壤容重增加了0.02 g/cm3。

图2 不同淹水时长土壤容重的动态变化Fig. 2 The dynamic changes of soil bulk density under different flooding duration

图3 为不同淹水时长处理后土壤入渗速率的动态变化。从整体上看，随着淹水时长的增加，土壤入渗速率呈现“快速升高-缓慢降低”的趋势。土壤入渗速率峰值出现在淹水7 d，均值为1.71 cm/d。淹水时间超过7 d 后，土壤入渗速率逐渐降低。

图3 不同淹水时长处理土壤入渗速率的动态变化特征Fig. 3 The dynamic of soil infiltration rate under different flooding duration

2.2 脱湿过程土壤热特性的影响

图4（a）为不同淹水处理试验结束后脱湿过程中土壤热导率变化曲线。总的来看，随着含水量降低，土壤热导率逐渐减小，但在不同含水量区间的变化幅度存在差异。在高含水量范围，土壤热导率随着含水量的减少缓慢降低；在这个阶段内，土壤中水分主要以重力水和毛管水为主，水分的降低减少了热量传输的通道。当含水量较低时，土壤热导率随含水量减少呈现快速降低趋势；在这个阶段土壤孔隙内部水分基本蒸发，土壤颗粒之间“水桥”逐渐消失，颗粒之间接触面积减小，导致土壤热导率快速降低。从整体来看，土壤热导率缓慢降低和快速降低两个阶段的拐点随淹水时长的增加逐渐增加。从图4（a）可以看出，当淹水1 d 和3 d 时，土壤热导率曲线的拐点不明显；当淹水时长增加到7 d 后，拐点出现在含水量12%左右；当淹水21 d 和28 d时拐点为15%。

图4 不同淹水时长处理土壤热导率(a)和土壤热容量(b)随含水量的动态变化特征Fig. 4 The dynamic variation of soil thermal conductivity(a)and soil heat capacity(b)under different flooding duration

当淹水时长不超过3 d 时，淹水时长对土壤热导率的影响比较小，淹水1 d 和3 d 处理的土壤热导率曲线基本趋于一致。当淹水时长超过3 d 时，在全范围含水量内土壤热导率增加，尤其是在高含水量范围内增加幅度较大。对于相同质地的土壤影响热导率大小的主要因素是土壤容重和孔隙状况。

图4（b）为不同淹水处理试验结束后脱湿过程中土壤热容量的变化曲线。在实际测定过程中，土壤含水量降低到10%已经趋于稳定，不再降低。土壤热容量主要受土壤含水量和容重等因素的影响，而其中的含水量对土壤热容量影响最显著。在含水量从饱和降低至10%的过程中土壤热容量随含水量减少逐渐降低。随着淹水时长的增加，相同含水量条件下，淹水时长大于7 d 的土壤热容量高于淹水时长小于7 d，说明淹水时长增加会引起土壤内部颗粒的重新排布，增加单位体积内的固相颗粒含量。

2.3 不同淹水时长处理土壤水分特征曲线及孔隙分布状况的变化特征

图5 为不同淹水时长处理后的土壤水分特征曲线。测定开始后，pF 值从0 开始逐渐增大，但此时含水量并没有降低，说明此时外界的压力值还不足以抵抗土壤的毛管力作用而使土壤水仍然被保持在土体内；但当pF 值逐渐增大直至进气值时，此时土壤含水量迅速降低，说明此时的进气值已经大于土壤的毛管力而使土壤水逐渐从毛管中被排出；随着毛管水被逐渐排出土体，土壤水从主要受毛管力作用向受吸附力的作用转变，以很难被排除土体的吸附水为主，此时随着pF 的逐渐增大，含水量降低速率变慢［10］。

经过不同淹水处理后，土壤水分特征曲线的变化主要发生在低吸力阶段，即在进气值附近（图5）。

图5 不同淹水时长处理土壤水分特征曲线的拟合结果Fig. 5 The fitting results of soil water retention curve under different flooding duration

可以看到，土壤的饱和含水量随淹水时长的增加呈先减小后增大的趋势，由54%降至51%后增加到56%。α 为进气值倒数，α 值越大越容易排水即持水性越差；不同淹水处理后，α 同样呈现先降低后升高的趋势，由初始0.029 降低到0.013，但在淹水28 d 后又增加至0.028。

图6 为不同淹水时长处理后土壤孔径分布的动态变化过程，孔径密度分布曲线近似服从对数正态分布，孔隙主要分布在0.1 ～100 μm 范围内。由图6 可见随着淹水时长的增加，土壤孔隙分布曲线的变化主要分为两个过程：首先，淹水1 ～7 d 的变化最大，中值孔径由18 μm 降低至10 μm 左右，孔隙密度从0.063 增加至0.066。当淹水时长增加至14 d 后，中值孔径增加，并且小孔隙密度降低，而大孔隙密度升高。继续淹水后，土壤孔隙分布仍未达到稳定状态，尤其是21 d 和28 d 淹水处理，中值孔径大小基本未发生变化，但对应的孔隙密度增加。

图6 不同淹水时长处理土壤孔隙密度分布的动态变化Fig. 6 The dynamic change of soil pore density distribution under different flooding duration

3 讨论

本研究中，土壤热导率、土壤热容量和土壤容重的变化趋势均为“先升高后趋于稳定”，拐点都在淹水7 d，造成土壤热导率和热容量增加的原因是土壤容重增加。土壤容重能反映土壤的疏松程度及孔隙度，土壤容重越大土壤紧实程度越大，土壤的孔隙度越小，则土壤热导率越高［20］。范理云等［21］研究发现土壤热导率、土壤热容量与土壤容重关系表明，土壤热导率与土壤容重的关系最紧密，呈正相关；同样土壤热容量随容重增大而增加。

土壤入渗速率呈现“先升高后降低”拐点在淹水7 d，而淹水1 ～7 d 内土壤孔隙主要变化在1 ～10 μm区域，随着淹水时长的增加10 ～100 μm 之间孔隙减少，根据吕刚等［22］研究结果显示土壤中大孔隙的数量和孔径分布直接影响着土壤入渗速率。虽然在这个过程中土壤的大孔隙减少，但土壤孔隙的连通性增加也是引起土壤入渗速率升高的原因之一。Helaia 等［23］研究表明土壤有效孔隙率与稳定入渗率的相关性非常显著。因此，当淹水时长比较短，土壤中团聚体较多，团聚体间孔隙有利于土壤入渗。当淹水时长大于7 d，由于土壤中有机质含量低，随着淹水时长的增加会导致土壤结构破坏，形成小土粒，堵塞了土壤中的有效孔隙，表现出土壤入渗速率随着淹水时长的增加而减小。

土壤水分特征曲线能够直接表明在一定吸力条件下不同大小孔隙中的水分在土壤中的分布，进而表明土壤的持水性。土壤容重对土壤持水性和入渗性能有直接影响［7］。赵雅琼等［24］研究表明，土壤孔隙结构越紧密，土壤具有较大的进气值和较强的持水性。淹水1 ～7 d 土壤容重的增大，小孔隙数量增加，表现出土壤持水性增强［25］；淹水时长大于7 d 后，土壤容重没有变化，但持水性降低，其原因在于土壤孔隙分布发生变化，1 ～10 μm 孔径的小孔隙减少，10 ～100 μm 孔径的大孔隙增加。这与高红贝等［26］研究一致，土壤中小孔隙数量与土壤持水性能密切关联，小孔隙数量增多，土壤持水性增强；相反，小孔隙数量降低，土壤持水性减弱。

脱湿过程中淹水7 ～28 d 后的土壤热特性明显大于淹水1 ～7 d 内；这是因为长期淹水过程中土壤容重发生变化，脱湿过程中土壤热导率和热容量的变化受淹水过程容重增加的影响；王铁行等［27］研究结果表明，相同含水量时，土壤容重越大，土壤热导率和热容量越大。

4 结论

本研究通过对水稻土进行不同时长的室内模拟淹水处理，分析了淹水过程以及不同时长淹水处理后，土壤容重、热特性、入渗速率和孔隙分布的变化特征。结果表明：（1）在淹水1 ～7 d 的过程中，土壤容重、热特性和入渗速率均逐渐增加；（2）淹水7 d 后，土壤容重和热特性基本达到稳定状态，但土壤孔隙分布和土壤入渗速率仍处于动态变化，未达到稳定状态；（3）淹水过程会导致土壤结构变化，导致土壤孔隙分布改变，造成土壤孔隙连通性降低，导致土壤持水性减弱，导水率降低。