田间原位试验分析长期机械作业下稻麦轮作地块土壤入渗性能

梁 磊，孙浩田，徐高明，李毅念，何瑞银，丁启朔

•农业水土工程•

田间原位试验分析长期机械作业下稻麦轮作地块土壤入渗性能

梁 磊，孙浩田，徐高明，李毅念，何瑞银，丁启朔※

（1. 南京农业大学工学院，南京 10031； 2. 江苏省智能化农业装备重点实验室，南京 10031）

田间原位不同深度入渗试验是表达土壤分层状态、展示土层物理分异以及定量土壤剖面水功能变化的关键。为了探究不同深度水稻土的入渗能力及保水作用，该研究以华东稻麦轮作区小农户长期机械化耕整模式下代表地块的土层分异为目标，设计田间原位不同深度入渗试验。在试验地块内开挖7个不同深度的入渗坑并在坑底进行入渗试验，然后渗透48 h分层测取土壤含水率，研究不同坑底深度（坑深）土壤的入渗能力和入渗后各土层含水率的变化。结果表明，不同深度入渗试验准确表达了不同坑深土壤的水分入渗及土层持水分异，同时也能清晰地鉴别出犁底层所在位置和厚度，犁底层始于15 cm深，且耕作层与犁底层分异明显，耕作层平均紧实度为1 005.79 kPa，犁底层平均紧实度为1 910.73 kPa；土壤剖面分析表明，耕作层土壤形态疏松，根系分布稠密，犁底层土壤容重大，孔隙度小，透水性差，心土层土壤铁锰斑点较多，结构性差；土壤入渗参数随坑深的增加而减少，其中0～15 cm坑深范围内平均的平均入渗速率和累计入渗量分别为>20～30 cm的17.04倍和18.06倍；通过对比初始含水率和渗透48 h后含水率，得到坑深在15 cm范围内的水分入渗深度均为距表土20 cm，而大于15 cm坑深的水分入渗深度均为坑深以下10 cm；利用Horton、Kostiakov和Philip 3个模型拟合不同坑深入渗，结果表明，Kostiakov模型的拟合参数与实际相符且2最高（0.98～0.99），均方根误差最小（0.01～0.77 mm/min）。入渗参数与土壤容重、含水率、总孔隙度和田间持水量有极显著的相关性（<0.01），与土壤紧实度相关性不显著（>0.05）。该研究通过原位不同深度入渗试验，说明华东稻麦轮作区小农户生产模式下长期机械化耕作导致水稻土明显的分层和土壤水功能垂直分异，进而导致耕作层与耕作层以下土层表现出显著的入渗能力差异。研究可为稻麦轮作地区的机械耕作、灌溉等提供借鉴。

土壤；入渗；水分；稻麦轮作区；耕作层；犁底层

0 引 言

长江中下游稻麦轮作区土壤周年干湿交替，土壤结构保护及耕作层水管理也随水-旱作物的轮茬交替而周年切换。集约化生产模式及机械化的发展导致小农户生产方式下普遍以旋代耕，加之周年多次田间机械作业造成土壤压实，多重因素导致耕层浅薄、土壤紧实、孔隙破坏，进而增加作物产量降低的风险[1-2]。集约化稻麦轮作系统的可持续性必然要求增加耕作层厚度、下移犁底层，而深松是目前普遍应用的保护性耕作措施之一[3]。

为打破犁底层、增加土壤保水量，北方旱作制深松耕深通常达到30 cm[3-4]。对稻麦轮作制而言，如果在旱作的麦季实施深耕深松创建厚度达30 cm的耕层，虽可打破犁底层提高土壤蓄水，但此做法在生产中常面临诸多质疑，人们担心麦季破坏的犁底层失去保水阻渗的效果，轮作到稻季时水分下渗加剧、形成漏斗田、增加稻季用水。稻麦轮作周年混乱的农艺现状及尚存争议的耕作措施要求基于生产实际阐明田间土壤的物理性质及耕作深度对土壤入渗能力的影响[5-6]。同时基于土壤精细分层并逐层定量土壤入渗能力及土层间差异性的研究尚未见诸报道。

近年来耕作与土壤入渗关系的研究越发受到关注，侯贤清等[7]研究表明，2 a免耕+1 a深松和2 a深松+1 a免耕能显著提高土壤水分入渗，降低土壤体积质量和增大土壤孔隙度。张西平等[8]研究表明耕作对土壤入渗参数的影响比种植方式大。姚毓香等[9]针对深松效应研究时发现适当增加铲间距有利于加速土壤水分入渗。安晶等[10]研究表明深松有利于创造上虚下实的土壤结构，提高上层土壤的保水和蓄水能力。长期机械化生产导致农田土壤分层，土壤剖面从上至下分异成为耕作层、犁底层和心土层[4]。基于对土层分异性的关注，孙蓓等[11]对田间耕作层和犁底层土壤分别取样并开展室内模拟试验，据此提出可连续测量耕作层与犁底层入渗过程的方法。刘淙琮等[12]获取田间耕作层和犁底层土壤进行室内土柱模拟入渗试验，表明犁底层显著提高上层土壤的含水量，并且犁底层深度的增加可有效促进水分在上层土壤的储存。

已报道的耕作与土壤入渗关系的研究主要集中在耕后土壤检测，展示耕后土壤剖面的入渗能力变化，难以指导稻麦轮作地区的耕作深度，同时对不同深度的入渗过程鲜有研究，更未见到田间原位开挖不同深度的坑底入渗试验及相关报道。对长江中下游区域的稻麦轮作制而言，尤其缺乏针对田间水稻土不同开挖深度坑底入渗试验所得的不同土层入渗能力的数据。因此有必要设计一种基于不同深度处理的田间原位入渗试验，准确定量土壤剖面精细分层的各土层入渗及蓄水能力。本文设计了一种精准控制田间开挖深度的坑底入渗试验，用于准确测定不同深度土层的入渗能力及入渗后各土层的含水率变化，阐明长期集约化机械化稻麦轮作对土壤分层及土壤水行为的影响，以期为稻麦轮作地区机械耕作、灌溉等提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

田间试验位于南京市六合区八百桥试验田（118°55′E，32°25′N），平均海拔22.7 m，地势平坦，土壤质地为壤质黏土，土壤是长期（10 a以上）稻麦轮作而形成的水稻土。该区处于亚热带季风气候带，年平均温度为15.7 ℃，年平均降水量为1 000 mm左右，该地区生产周年全程机械化。试验地为小农户土地经营模式，地块分散、细碎化严重，周年（10 a以上）机械化作业环节繁多且长期以旋代耕，耕层浅薄、土层分异明显。土壤入渗试验进行于2021年11月水稻收获后，试验前人工清除地表留茬。

1.2 田间试验方法

1.2.1 土壤剖面入渗试验设计

耕作后受扰动的土壤产生较大的孔隙，大的孔隙不具有保水阻渗作用，为了探究深松耕深以下未受扰动土壤的入渗能力及保水作用，本文参照常规深松的最大耕深（图1）设置5、10、15、20、25和30 cm共6个不同开挖深度，挖坑截面为60 cm×60 cm，移除坑内土壤并以坑底作为入渗面进行入渗试验。不同深度的入渗坑及坑底入渗能够直接准确测定各土层的入渗能力并区分土层间的物理分异。试验采用（0 cm）表土入渗作为对照，因此共计7个不同的入渗试验，各处理3次重复。

图1 土壤分层以及深松耕深示意图

1.2.2 土壤剖面入渗试验过程

试验采用铁框法[13]，铁框截面为正方形（图2a），分为大框（边长50 cm、高20 cm）和小框（边长25 cm、高15 cm）。将土壤表面轻轻铲平，将大小框按照图2b所示切入土中3 cm，且相邻大框的距离大于50 cm。为避免水流过大冲击表层土壤，用水桶沿着框壁四周对大小框同时注水，并使大小框内水位均为5 cm，以便大小框内的水垂直入渗。注水后，立即用秒表计时，然后用量杯持续向框内外加水维持水位5 cm。因入渗初期土壤基质吸力和重力的作用，入渗速率先快后慢，所以记录时间间隔由快变慢，分别在0、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 min及10 min后每间隔10 min记录，1 h后间隔30 min记录[14]，直到稳渗状态停止试验。入渗总历时120 min，初始入渗速率为0～1 min的入渗速率[15-16]，稳定入渗速率为单位时间内入渗速率趋于同一入渗速率，本研究在90 min时达到稳定入渗，平均入渗速率表示到达稳定入渗状态后，累计入渗量与到达稳渗时间的比值，取前90 min内的入渗总量与时间的比值。因本文入渗总时间为120 min，故取120 min的渗透总量作为累计入渗量进行分析。入渗速率为

式中V为第次测量时的入渗速率，mm/min；Q为第次测量时量筒加入的水量，mL；为小铁框的横截面积，cm2；T为第次测量的时间间隔，min。

第次测量时的累计入渗量为

式中为总加水次数。

图2 铁框法测定田间土壤水分入渗过程

1.3 指标测定与计算方法

1.3.1 土壤物理参数

入渗试验前，在铁框旁随机选取21个点进行紧实度测试，使用土壤紧实度仪（TJSD-750-II型，浙江托普仪器有限公司）测取，每隔2.5 cm深度记录一次，直到深度40 cm。在紧实度测试点旁取土壤容重，用环刀（高5 cm，体积100 cm3）采集0～5、>5～10、>10～15、>15～20、>20～25、>25～30、>30～35、>35～40、>40～45、>45～50 cm 10个土层的土样，每层3次重复，取出的土样立即称取质量获取湿土质量，用来测定各土层的初始含水率。同时在较为平坦的地面上挖出深50 cm、宽50 cm的地坑用以观察水稻土剖面。

入渗试验结束后，为了阐明不同深度坑底入渗的渗透深度，依据《麦秸秆机械化全量还田与水稻机插秧集成技术》[17]，继续维持入渗框内水位渗透48 h，环刀法分层取出入渗面下部土样，每层3次重复，测定各土层渗泡后的含水率，用来检验初始含水率和渗泡后含水率的差异显著性并基于此判断入渗到达的土层深度。

将土样带回实验室置于105 ℃条件下烘干48 h，称取干土质量，然后其与环刀体积的比值即为土壤容重，相应的土壤总孔隙度计算式为

土壤含水率为

式中为含水率，%；为湿土质量，g；m为干土质量，g。

田间持水量是指排水良好的土地上充分灌溉或者降水后，水分充分下渗，经过一段时间，多余的重力水排走后，土壤所能维持的最大含水量，是大多数植物可利用水的上限[20]。将土样放置在充满水的平底金属托盘中，静置24 h，土样饱和后，将其静置在干燥的土壤上8 h排除重力水，然后称质量，按式（5）计算田间持水量：

式中w为田间持水量，%；m为饱和湿土质量，g。

1.3.2 土壤入渗模型

土壤入渗模型可以反映土壤入渗性能，利用相关数学模型对入渗速率拟合可以更直观描述不同土层的入渗规律。本研究分别选取Horton、Koistakov、Philip 入渗模型[21-24]对土壤入渗速率与入渗时间进行拟合，各模型计算式及参数见表1。

表1 土壤入渗模型及参数说明

1.4 数据处理

试验数据使用Excel 2019进行基本处理，利用SPSS 26.0对土壤物理和入渗参数进行方差分析（one-way ANOVA，显著性水平为0.05）。图和表中的数据均为平均值，图中的误差线为标准差。使用Pearson相关性分析表示土壤物理和入渗参数之间的相关关系，使用Origin 2020软件绘图，利用Matlab R2020软件进行土壤入渗模型拟合。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质

土壤容重变化是反映土层物理分异的基础指标之一。表2显示0～50 cm深度范围内土壤容重以15 cm为分界，呈现上下土层间的显著性差异（<0.05）。除此之外，土壤含水率也反映出各土层的土壤物理分异性，土壤含水率在0～15 cm范围内随着土层深度增加呈现递减变化趋势，同时显示15 cm以上与15 cm以下显著变化。田间持水量在0～20 cm内每5 cm显著降低，之后不再显著变化，总孔隙度在0～15 cm内每5 cm变化不显著，而15 cm以上与15 cm以下显著变化，表现为以15 cm深度为分界，呈上下显著性差异（<0.05）。可见，土壤分层取样分析及土壤层物理分异性表达涉及的土壤容重、含水率、田间持水量、总孔隙度等多个土壤物理基础指标反映的土层物理分异特征各不相同。

表2 0～50 cm土壤物理参数

注：同列不同的小写字母表示在0.05水平上土层间存在显著性差异。下同。

Note: Different lowercase letters in same column indicate significant differences among soil layers at the 0.05 level. Same as below.

土壤紧实度是反映土壤抵抗外力压实以及破碎的一种能力，直接影响耕作阻力以及作物根系的下扎[25]，通过测量土壤紧实度能够确定犁底层在耕地中的深度[26]。由图3可知，土壤紧实度随土壤深度呈“几”型的变化趋势。图3紧实度结合表2土壤物理参数可知，耕作层位于0～15 cm，平均紧实度为1 005.79 kPa，犁底层处于15～20 cm处，平均紧实度为1 910.73 kPa，心土层处于20 cm以下，平均紧实度为1 412.22 kPa，犁底层紧实度约为耕作层紧实度的2倍。犁底层的致密性影响植物根系的延伸生长和对下层养分的吸收，还影响气体和热量的上下交换，更是影响农田的水循环[26-27]。同时犁底层具有避免其以下土壤压实的风险，有研究表明在收割机轧后15 cm内土壤紧实度显著变化，但不造成15 cm以下土壤显著破坏[19]。

图3 0～40 cm土壤紧实度

2.2 土壤剖面结构特征

土壤剖面结构特征对土壤水分交换、降雨入渗、地下水补给及物质交换等有重要影响[28]。图4可以看出，耕作层土壤较为疏松，分布着较多根系，土壤颗粒间空隙较大，土壤以团聚体形式为主，总体结构性较好，利于水分入渗，是机械耕作的主要影响区域。犁底层土壤较为紧实，根系下扎困难，土壤孔隙度小，土壤以大块状分布，透水性差，结合表2可知，犁底层对比耕作层土壤容重增大，含水率减小。心土层处于犁底层之下，与上层土壤物质交换较少，土壤坚实，铁锰斑点较多，结构性差，养分含量低。结合表2和图3可知，心土层紧实度比犁底层小，容重、含水率、田间持水量和总孔隙度并无显著性差异。

图4 水稻土剖面结构特征

2.3 不同坑深的土壤入渗过程

由图5a可知，不同坑深的土壤在0～5 min内水分入渗较快，处于瞬变阶段。在6～90 min处于渗漏阶段，此阶段随着入渗时间的增加土壤入渗速率逐渐减小且变化趋于平缓。在90 min后，水的入渗达到稳渗阶段，此阶段土壤入渗速率变化不明显，接近稳定状态，并且随着坑深的增加，稳渗速率减小。从图中可以看出大于15 cm坑深的土壤水分入渗速率相差较小。由图5b可知，在入渗前90 min，由于前期入渗较快，累计入渗量呈对数型增长，到达90 min后，累计入渗量不再快速增长，保持稳定。与入渗速率相同，随着坑深的增加，累计入渗量在减小，且大于15 cm坑深的累计入渗量相差较小，这可能是由于15 cm以下土壤的土壤紧实度均大于表层土层，此处土壤常年未受到扰动，土壤较为湿黏，孔隙差。

图5 不同坑深的土壤入渗过程

土壤初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率是反映土壤入渗能力的重要指标，比较其大小关系可以了解不同土层入渗能力的强弱[29]。从表3可知，不同坑深的土壤初始入渗速率和稳定入渗速率呈现显著性差异（<0.05）。各个坑深的土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率和累计入渗量均表现为随坑深递增，数值递减，其中0～15 cm坑深范围内平均的平均入渗速率和累计入渗量分别为>20～30 cm的17.04倍和18.06倍，耕作层与耕作层以下的土壤入渗能力差异较大。

表3 不同坑深的土壤入渗参数

注：不同小写字母表示不同坑深间差异显著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences among pit depths at the 0.05 level.

2.4 不同坑深渗后土壤含水率

同一坑深条件下的渗后不同土层含水率变化的显著性是反映土层间含水率差异的关键指标，以表4的纵向数据间差异显著性检验为判断依据。不同坑深下渗后同一土层间的含水率变化显著性是反映水分从开始入渗到“截止”入渗的深度的关键指标，以表4的横向数据间差异显著性检验为判断依据。由表4可知，田间持水量和初始含水率均以>15～20 cm为分界呈现上层与下层土壤间的显著性差异（<0.05），这紧密对应前文所述的犁底层鉴定结果。经过48 h渗透后，对于0、5和10 cm坑深的渗后各土层而言，以>20～25 cm为分界呈现上层与下层含水率的显著性变化（<0.05）。同样的>25～30 cm为分界也发生在15 cm坑深的入渗处理。对于20 cm坑深则表现出以>30～35 cm土层为分界。对于25 cm坑深的入渗处理，>35～40 cm土层是其分界。30 cm的坑深入渗处理则以>40～45 cm为分界。

表4 不同坑深渗后田间持水量与含水率变化

注：大写字母表示不同土层差异显著（<0.05），小写字母表示同一土层不同坑深差异显著（<0.05）。

Note: Uppercase letters indicate significance at different soil layers (<0.05), lowercase letters indicate significance at different pit depths at the same layer (<0.05).

由表4可知，对于0、5和10 cm坑底入渗处理，渗后土层含水率与初始含水率在>20～25 cm土层间的差异性不显著，表明0、5和10 cm坑深的水分入渗达20 cm。同理，对于15 cm坑深，>25～30 cm土层间的差异性不显著（>0.05）。对于20 cm坑深，>30～35 cm土层间的差异性不显著（>0.05）。对于25 cm坑深，>35～40 cm土层间的差异性不显著（>0.05）。对于30 cm坑深，>40～45 cm土层间的差异性不显著（>0.05）。

将表4不同坑深渗后土层含水率与对应土层的田间持水量进行横向比较发现，渗透48 h后，坑深以下5 cm土壤均含有重力水，处于过饱和状态。通过纵向与横向对比可知，渗透48 h后，坑深小于15 cm（等效于浅旋耕未打破犁底层），水分入渗深度可达20 cm，而坑深大于或等于15 cm时，水分入渗深度为坑深以下10 cm。鉴于常规旋耕和水田打浆深度在10～15 cm[30-31]并未打破犁底层，这印证了生产中人们对水田犁底层具有保水保肥功能的基本认知的正确性。

2.5 土壤入渗模型模拟结果分析

为了进一步探究不同坑深土壤水分入渗速率与时间的变化关系以及入渗模型在水稻土的适用性，采用Horton、Kostiakov和Philip 3个常用模型拟合入渗速率，拟合结果如表5所示。决定系数2的取值范围为[0,1]，2越接近1，表明拟合程度越佳。均方根误差（root mean squared error，RMSE）越趋近于0表明模型的拟合度越好。Horton 模型的2为0.91～0.97，RMSE平均值为0.02～1.63 mm/min，表明该模型对不同坑深土壤入渗的过程拟合程度较好，但与表3相比，模型拟合的c过高，不符合真实稳定入渗速率，所以该模型不适用拟合本研究土壤水分入渗速率。Kostiakov 模型的2为0.98～0.99，RMSE为0.01～0.77 mm/min，表明该模型对于土壤入渗速率拟合度良好。Philip 模型的2为0.95～0.99，RMSE为0.03～0.80 mm/min，表明该模型对不同坑深的入渗过程拟合程度较好，表征土壤入渗能力的吸渗率随着坑深增加土壤入渗能力越弱，这与实际土壤入渗能力相一致，但模型拟合的c为负值，与实际不符，说明该模型不适用于本研究。综上，Kostiakov 模型最适合于分析水稻土不同坑深的水分入渗过程。在Kostiakov模型中，参数表示土壤入渗的第1时段平均入渗速率，第1时段平均入渗速率越大土壤入渗性能越好，参数为衰减系数，参数越大表示土壤入渗速率随时间增加递减越快[32]。从表5可知，参数随着坑深的增加而减小，与表3的初始入渗速率规律相同，参数随着坑深的增加并无明显差异。

表5 不同坑深的土壤入渗模型拟合参数

注：2为决定系数；RMSE为均方根误差。

Note:2is dertermination coefficient;RMSEis root mean squared error.

2.6 入渗参数与土壤物理相关性分析

由表4可知，当坑深小于15 cm入渗时，水分入渗可达20 cm土壤层，当坑深大于或等于15 cm开始入渗时，水分入渗深度为坑深以下10 cm。因此，为了探究入渗参数与土壤初始物理参数之间的关系，对0、5、10 cm坑深的土壤物理参数取20 cm内的平均土壤初始物理参数，对15、20、25、30 cm坑深的土壤物理参数取其坑深以下10 cm内的平均土壤初始物理参数，对土壤初始物理参数与入渗参数进行Pearson相关性分析如表6所示。土壤入渗参数与容重呈极显著负相关（<0.01），与含水率和田间持水量呈极显著正相关（<0.01），与土壤紧实度不显著（>0.05）。这表明田间土壤容重越大，入渗性能越差。刘姗姗等[33]研究表明入渗参数与土壤初始含水率、土壤紧实度和黏粒含量均呈负相关，曾辰等[34]研究表明累积入渗量随初始含水率的增大而减小，然而本文含水率越高，入渗性能反而越好，这可能是由于表层土壤含水率相对于底层含水率高的原因，突显了田间原位土壤入渗的特殊性。对于田间耕作，耕作层越疏松，越有利于水分的入渗，然而却不利于作物根系的下扎，如何平衡好土壤物理参数，对土壤水循环及耕作具有重要意义。

表6 入渗参数与土壤初始物理参数相关关系

注：**表示极显著（<0.01）。

Note: ** mean extreme significance (<0.01).

3 讨 论

农田耕作层与犁底层土壤性质不尽相同，上层耕作层土壤结构良好、结构孔隙丰富，而下层犁底层土壤致密，多表现为基粒材质孔隙，因此不同土层的水分入渗有着不同表现。本研究表明，试验地水稻土耕作层位于15 cm以上，土壤较为疏松，分布着较多根系，犁底层处于15 cm以下处，土壤较为紧实，根系较少，这些基于精细土层控制的坑深入渗所得结论与HUO等[19,35]研究结果一致，从土壤水的角度进一步印证以往区域调查研究所得土层结论，同时本研究进一步发现犁底层平均紧实度约为耕作层的2倍。

土壤容重、紧实度、含水率等指标的土层分异也印证土壤剖面视觉评价方法的可行性，疏松多孔的土壤层有利于作物根系的生长发育，紧实少孔的土壤不利于作物根系下扎，土壤剖面配合土壤结构体视觉评价方法是生产中简单、可靠、实用的田间原位观测评价方法[36]。耕作层厚度与本地长期的耕作模式有很大的关系，本文地区长期10～15 cm深度的旋耕和水田打浆[30-31]决定了耕作层的厚度为15 cm，而对于北方旱作土壤，犁底层出现的位置为15～30 cm[37-38]，水稻土相比北方旱作土壤，耕作层偏薄，犁底层出现位置偏上（>15～20 cm），不利于作物根系下扎，影响作物最终产量的提高。因而，针对稻麦轮作区的水稻土，耕作层浅薄，土壤板结，孔隙度低等问题[1-2]，有必要进行深松耕作，使犁底层下移，消除土壤板结，改善土壤结构，提高土壤入渗能力[39]。

土壤入渗能力除了受水头、温度等外在因素的影响，也受土壤自身物理特性（尤其是结构孔隙）的影响，如质地、容重、含水率、紧实度、孔隙度等[24]。田间土壤随着土层深度的增加，各层土壤物理性质表现出差异性[40]，土壤物理性质的不同就会引起土壤入渗能力的不同。从试验结果可知，初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率随着土壤深度的增加而减小，同余林等[41]研究结论一致。当渗透48 h后，小于15 cm坑深入渗时，水稻土入渗深度均为距表土20 cm，而包含等[42]通过室内模拟降雨试验表明砂壤土的最佳保水性土层深度为20～35 cm。王晓彤等[43]研究表明层状土壤黏土夹层能够明显改变水分的入渗特性。肖庆礼等[44]表明土壤下部黏土夹层不仅对水分入渗起到显著的阻碍作用，而且具有较强的持水保水能力。这些研究表明层状土壤中存在土层保水阻渗，水稻土的犁底层具有土壤孔隙小、紧实和黏重的特点[26-27]，这些特点起着储存水分和保水阻渗的作用，同时YI等[45]研究表明降低犁底层的饱和导水率可以阻碍水渗透，且随着水稻栽培年限的增加，犁底层的厚度和容重在增加。3个常用模型对不同坑深土壤水分入渗过程拟合优度从大到小为：Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型，结果表明Kostiakov模型对于水稻土的适用性比较高，这与罗莹丽等[22-23,46]在非水稻土水分入渗模型的研究中得出结果相似。

4 结 论

为了获取不同深度水稻土的入渗能力及保水作用，用以指导深松耕深，本文在长期机械作业的稻麦轮作地块内开挖7个不同深度的入渗坑并在坑底进行入渗试验，研究了不同坑深土壤的入渗能力和入渗后各土层含水率的变化，得出如下结论：

1）通过分析田间水稻土的物理参数及剖面得出，耕作层位于0～15 cm土深，分布较多根系，平均紧实度为1 005.79 kPa，犁底层处于>15～20 cm土深，容重大，孔隙度小，平均紧实度为1 910.73 kPa，犁底层紧实度约为耕作层的2倍。

2）7个控制土层深度的初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速和累计入渗量均表现为随着入渗面深度递增，数值递减，其中0～15 cm坑深范围内平均的平均入渗速率和累计入渗量分别为>20～30 cm的17.04倍和18.06倍，耕作层与耕作层以下的土壤入渗能力差异较大。

3）通过对比初始含水率和渗透48 h后含水率的显著性得出，坑深小于15 cm入渗时，水分入渗深度均为距表土20 cm，而坑深大于等于15 cm入渗时，水分入渗深度均为坑底以下10 cm，这表明犁底层具有保水阻渗效果。

4）Horton、Kostiakov和Philip 3个模型中，Kostiakov模型的拟合参数与实际相符，可较好地模拟水稻土入渗过程。土壤物理和入渗参数的相关性表明，入渗参数与容重、含水率、总孔隙度和田间持水量有着较强的相关性，与土壤紧实度相关性不显著。

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Soil infiltration of rice-wheat rotation field under long-term mechanical treatment based on field in situ experiments

LIANG Lei, SUN Haotian, XU Gaoming, LI Yinian, HE Ruiyin, DING Qishuo※

(1.210031,;2.210031,)

Field in situ infiltration experiments at different depths can be used to express the state of soil stratification, and the physical differentiation of soil layers, in order to quantify the changes in the water of the soil profile. This study aims to obtain the infiltration capacity and water retention of paddy soils. The field in situ soil infiltration experiments were also carried out at different depths to identify the soil stratification in the representative plot under long-term mechanized tillage of smallholder farmers in the rice-wheat rotation region of eastern China. Seven infiltration pits of different depths were excavated in the experimental plots. After that, the infiltration experiments were conducted at the bottom of the pits. Soil water content was then measured in the layers for 48 hours of infiltration. A systematic investigation was made to explore the soil infiltration capacity at the bottom of the pits and the soil water content of each layer. The results showed that an accurate description was achieved in the water infiltration and water holding capacity of the soil at different pits after the infiltration experiments at different depths. The location and thickness of the plow pan were also clearly identified during this time. The plow pan was started at a depth of about 15 cm, indicating the outstanding difference between the cultivated layer and the plow pan. The average soil penetration resistances of the cultivated layer and the plow pan were 1 005.79 kPa, and 1 910.73 kPa, respectively. The soil profile showed that the soil in the cultivated layer shared a loose morphology and dense root distribution, whereas, the soil in the plow pan presented a high bulk density, low porosity, and poor permeability, while the soil in the subsoil layer was in more iron-manganese spots and poor structure. Furthermore, the soil infiltration parameters decreased with the increasing pit depth. The average infiltration rate and cumulative infiltration in the 0-15 cm pit depth range were 17.04 and 18.06 times higher, respectively, than those in the >20-30 cm pit depth range. The three infiltration models were fitted using Horton, Kostiakov and Philip. Specifically, the Kostiakov model had the highest2(0.98-0.99) and the smallest root mean square error (0.01-0.77 mm/min), indicating the consistency of the fitted parameters. Infiltration parameters were extremely significant correlated with the soil bulk density, water content, total porosity, and field capacity (<0.01), but not with the soil penetration resistance (>0.05). Field in situ infiltration experiment at different depths was an important tool to identify the soil stratification and quantify the water function differentiation in the soil profiles, according to the soil profile, cone penetration and sampling. Long-term mechanized tillage under the smallholder production model in the rice-wheat rotation region of eastern China can be expected to result in the apparent stratification and vertical differentiation of soil water functions in paddy soils. In turn, there are also some significant differences in the infiltration capacity between the cultivated layer and soil layers below the cultivated layer. This study can provide a reference for mechanical cultivation and irrigation in rice-wheat rotation regions.

soils; infiltration; water; rice-wheat rotation; cultivated layer; plow pan

2022-09-26

2023-03-01

国家重点研发计划项目（2022YFD2300304）；江苏省研究生科研创新计划项目（KYCX21_0573）

梁磊，博士生，研究方向为土壤系统科学。Email：liangupright@163.com

丁启朔，博士，教授，研究方向为土壤-植物-机器系统科学。Email：qsding@njau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202209207

S152.7+2; S152.2+3; S220

A

1002-6819(2023)-07-0110-09

梁磊，孙浩田，徐高明，等. 田间原位试验分析长期机械作业下稻麦轮作地块土壤入渗性能[J]. 农业工程学报，2023，39(7)：110-118. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209207 http://www.tcsae.org

LIANG Lei, SUN Haotian, XU Gaoming, et al. Soil infiltration of rice-wheat rotation field under long-term mechanical treatment based on field in situ experiments[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(7): 110-118. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209207 http://www.tcsae.org