壓實(shí)對基質(zhì)含水量和時空異質(zhì)性的影響

張成梁，馮晶晶，趙廷寧，張 文

（1.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100089；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；3.中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司，北京 100102）

壓實(shí)對基質(zhì)含水量和時空異質(zhì)性的影響

張成梁1，馮晶晶2，趙廷寧2，張 文3

（1.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100089；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；3.中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司，北京 100102）

為了將基質(zhì)壓實(shí)發(fā)展為改善立地、促進(jìn)生產(chǎn)的技術(shù)手段，運(yùn)用在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中，研究不同程度壓實(shí)后基質(zhì)持水能力及水分動態(tài)變化特征。試驗(yàn)布設(shè)5個試驗(yàn)槽，標(biāo)記為T1～T5，T1為對照，基質(zhì)自然沉降，T2～T5經(jīng)過碾壓后，容重分別為對照容重的1.25、1.50、1.75、2.00倍。2012～2013年定期測量1 m內(nèi)基質(zhì)體積含水量，通過變異系數(shù)評價含水量的時間變異性和垂直、水平方向上的空間變異性。結(jié)果表明，隨著壓實(shí)程度增加，基質(zhì)含水量顯著增加，時間變異系數(shù)和垂直、水平方向上的空間變異系數(shù)下降。隨著植物根系的發(fā)展，T1～T4深層含水量的時間變異系數(shù)升高。T5淺層含水量的時間變異系數(shù)和水平變異系數(shù)均較高，由于含水量的時間和水平異質(zhì)性可以反映根系活動，結(jié)果表明重度壓實(shí)限制植物根系發(fā)展。

壓實(shí)；含水量；變異系數(shù)；時空異質(zhì)性

壓實(shí)是機(jī)械作用下單位體積土壤質(zhì)量增加的物理過程，是生產(chǎn)、生活中的普遍現(xiàn)象，對農(nóng)、林業(yè)有重要影響。盡管壓實(shí)通常被認(rèn)為是土壤退化的表現(xiàn)[1]，對森林植物[2]或農(nóng)作物[3-5]造成負(fù)面影響，但也有研究表明，不同植物對壓實(shí)的響應(yīng)不同[6-8]，一定程度的壓實(shí)對含蓄水源、促進(jìn)植物生長有積極作用[9-10]。盡管壓實(shí)降低了下滲速率[11]和飽和導(dǎo)水率，但由于增加了毛管孔隙的數(shù)量和連通性，土壤持水量和非飽和導(dǎo)水率增加[12-13]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，壓實(shí)既可能減少土壤含水量[14-15]，也可能增加含水量[16-18]。壓實(shí)可以增加土體抗剪性和承載能力[19]，在美國，壓實(shí)已經(jīng)作為穩(wěn)定坡體、減少侵蝕的技術(shù)，運(yùn)用森林植被修復(fù)中[20-24]。本文利用城市固體廢棄物配置成植物生長基質(zhì)，通過碾壓改變土壤物理性質(zhì)，于2012年8月～2013年8月定期測量1 m內(nèi)基質(zhì)含水量，通過變異系數(shù)評價含水量的時間變異性和垂直、水平方向上的空間變異性。研究不同程度壓實(shí)后基質(zhì)持水能力及水分動態(tài)變化特征，將壓實(shí)發(fā)展為改善立地、促進(jìn)生產(chǎn)的技術(shù)手段，運(yùn)用在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在北京輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所生態(tài)修復(fù)科研基地進(jìn)行。位于北京昌平縣馬池口鎮(zhèn)亭子莊村，經(jīng)緯度為 40°09′56.73″N，116°09′1.04″E，海拔57 m。暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水量620 mm，集中在6～8月。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)材料為按體積8:2均勻混合的礫石及城市固體廢棄物。固體廢棄物來自北京郊區(qū)5個垃圾處理廠，均勻混合后經(jīng)過篩分處理，去除直徑＞10 mm的顆粒；礫石來自當(dāng)?shù)厥鲜袌?。固體廢棄物容重為1.095 g/cm3，孔隙度為50.3%，田間持水量為27.5%，混合礫石后容重為1.362 g/cm3，孔隙度為40%，田間持水量為8.7%。2012年4月，將試驗(yàn)材料分別倒入5個長5 m，寬3 m，深1 m的試驗(yàn)槽，標(biāo)記為T1～T5，T1為對照，基質(zhì)自然沉降，T2～T5使用重型自行式振動壓路機(jī)（車型XS142J，工作質(zhì)量14 000 kg，振動頻率28 Hz）碾壓，使T2、T3、T4、T5的容重分別為對照容重的1.25、1.50、1.75、2.00倍。

各試驗(yàn)區(qū)分別播種栽植刺槐Robinia pseudoacacia54株、苜蓿Medicago sativa30株，穴栽1年生側(cè)柏Platycladus orientalis60株。沿對角線等距離布設(shè)3根長1 m的土壤水分管，于2012年8月至2013年8月，每月3次使用Diviner2000土壤水分輪廓儀測量10～100 cm深的體積含水量（SWC）。用變異系數(shù)（CV，為標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)之比）來評價壓實(shí)對基質(zhì)含水量在水平、垂直方向上的變異性。時間變異系數(shù)（CVt）為不同測量日相同深度SWC的變異系數(shù)，垂直變異系數(shù)（CVv）為10～100 cm 10個深度SWC的變異系數(shù)，水平變異系數(shù)（CVh）為同一壓實(shí)區(qū)3條土壤水分管測量值的變異系數(shù)。

1.3 統(tǒng)計分析

使用SPSS Statistics 19進(jìn)行統(tǒng)計分析，使用SPSS Statistics 19及WPS表格作圖。使用Friedman檢驗(yàn)判定壓實(shí)度對各層SWC和CVv影響的顯著性，使用ANOVA分析壓實(shí)度及基質(zhì)深度對CVh影響的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)對SWC的影響

就全年來說，1 m內(nèi)平均含水量（SWC1m）T5（10.07 %）＞T3（3.97%）＞T4（3.68%）＞T2（2.72%）＞T1（1.86%）。一般來說，隨著壓實(shí)程度增加，SWC1m增加，6～11月含水量增加絕對值較高。

如表1所示，壓實(shí)度對各層SWC影響顯著（P＜0.001）。一般來說，隨著壓實(shí)度增加，相同深度的SWC增加。年平均SWC增加絕對值最大的土層，T2 在20、50、60 cm，分別增加 2.37%、1.81%、2.28 %；T3在 50、80、90 cm，分別增加4.22%、3.76%、5.23%；T4在10、40、50 cm，分別增加3.14%、6.90%、4.71%；T5在 30、40、80 cm， 分 別 增 加11.96%、14.98%、10.75 %。

表1 各壓實(shí)區(qū)各層SWC均值?Table 1 Average SWC under different degrees of compaction

2.2 壓實(shí)對SWC時間異質(zhì)性的影響

如圖1所示，隨著壓實(shí)度增加，相同深度CVt下降。生長季（6～10月）SWC的時間變異性較非生長季（11～5月）弱。在非生長季，CVt隨深度增加而下降，這是因?yàn)?1～5月降水少，植物耗水少，水分主要通過表層蒸發(fā)損失，因此表層SWC變異性大。6～10月，降水量增加，植物蒸騰作用加強(qiáng)，當(dāng)表層水勢較低時，植物利用下層蓄水，SWC動態(tài)變化更加復(fù)雜。

由于2012年7月21日發(fā)生了1951年以來最大的暴雨，全市平均日降水量達(dá)190.3 mm[21]，顯著提高了SWC，2012年各壓實(shí)區(qū)各層SWC時間異質(zhì)性較2013年強(qiáng)。在2012年，T1、T2、T3 CVt最高的層次都是30～50 cm，T4是10、20、40、80、90 cm，T5是10、20、50 cm。在2013年，T1 CVt最高的層次是30、70～90 cm，T2是60～80 cm，T3是 20、30、70 cm，T4是 70～ 90 cm，T5是10～30 cm。從2012年到2013年，對于T1～T4來說，SWC時間異質(zhì)性較高的層次降低。

圖1 各層SWC的時間變異性Fig.1 Temporal heterogeneity of SWC in different layers

2.3 壓實(shí)對SWC空間異質(zhì)性的影響

如表2所示，壓實(shí)對CVv有顯著影響（P＜0.001），隨著壓實(shí)度增加，CVv降低。

表2 各壓實(shí)區(qū)SWC的空間異質(zhì)性?Table 2 Spatial heterogeneity of SWC under different degrees of compaction

隨著壓實(shí)度增加，SWC1m的水平異質(zhì)性（CVh-1m）先升后降，但分層來說，相同深度的CVh下降，而壓實(shí)度和深度之間有顯著的交互作用（P＜0.001）。

對T1來說，60、70 cm CVh最高，分別為1.44、1.01；對T2來說，20、50、90 cm CVh最高，分別為1.02、0.88、1.02；對T3來說，10、50、60 cm CVh最高，分別為1.06、1.22、1.09；對T4來說，10、40、70 cm CVh最高，分別為0.63、0.87、0.70；對T5來說，20、30、40 cm CVh最高，分別為0.83、0.76、0.67。隨著壓實(shí)度增加，SWC水平異質(zhì)性較高的層次升高。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，基質(zhì)壓實(shí)顯著提高SWC，降低時空異質(zhì)性。

降水經(jīng)過植物截留后降落地表，部分形成地表徑流，其余滲入土壤。進(jìn)入土體的水分部分在重力作用下排除，其余通過植物蒸騰和土壤蒸發(fā)消耗。當(dāng)降水強(qiáng)度小于下滲能力時，所有降水滲入土壤；當(dāng)降水強(qiáng)度大于下滲能力時，超出下滲能力的部分降水形成地表徑流而流失。通常來說，壓實(shí)減小下滲速率[11,22]，因此減小了水分的輸入，同時，壓實(shí)增加了毛管孔隙，使土壤持水量增加[12-13]。在本試驗(yàn)中，SWC增加。

盡管壓實(shí)降低飽和導(dǎo)水率，但增加非飽和導(dǎo)水率[23]。在非飽和土壤中，水流只能從較小的孔隙中流過。壓實(shí)增加有機(jī)質(zhì)含量、小孔隙的數(shù)量和連通性，因此非飽和導(dǎo)水率增加，有利于水分在垂直、水平方向上的再分配，因此SWC空間異質(zhì)性下降。

然而，對于同一個壓實(shí)區(qū)，SWC的時間異質(zhì)性來源于基質(zhì)水分的增加和減少。由于SWC測量時間至少在降水1 d以后，下滲速率已經(jīng)較低，此時，基質(zhì)持水能力越強(qiáng)，SWC就越高。另一方面，SWC的消耗來自表層蒸發(fā)和植物蒸騰，蒸發(fā)散作用越強(qiáng)烈，SWC下降越多。如果基質(zhì)持水能力強(qiáng)，但植物無法利用，則SWC高，CVt低；如果基質(zhì)持水能力弱，植物無水可用，則SWC低，CVt低；如果基質(zhì)持水能力強(qiáng)，且植物可以利用，則CVt高。因此，對比2013年與2012年生長季在垂直面上CVt相對大小的變化（見圖1），可以看出，對于T1～T4來說，植物主要耗水層隨時間下降，說明植物根系向下發(fā)展，而T5的主要耗水層沒有下降，說明植物根系受阻。

此外，隨著壓實(shí)度增加，CVh較高的層次下降，這也可能與植物的根系分布有關(guān)。由于根系在水平面上不均勻分布，在水平上對水分的消耗也不均勻，導(dǎo)致CVh增加。為了探討根系與CVh的關(guān)系，我們分別使用2012年生長季（8～10月）和2013年生長季（6～8月）的CVh根據(jù)平方Euclidean距離進(jìn)行聚類，將基質(zhì)分成水平異質(zhì)性高的層次和水平異質(zhì)性低的層次，結(jié)果如表3所示。與2012年相比，2013年有更多層次被分到CVh高的一類，說明根系的發(fā)展會提高水平方向上SWC的變異性。同一壓實(shí)區(qū)內(nèi)，CVh較高的層次也是根系比較活躍的層次，CVh較高的層次隨壓實(shí)度增加而上升，說明根系分布變淺。

表3 聚類分析得出的高CVh層Table 3 Soil layers with high CVh value

綜上，壓實(shí)顯著影響基質(zhì)含水量，隨著壓實(shí)程度增加，基質(zhì)含水量增加。隨著壓實(shí)度增加，SWC的時間變異性和水平、垂直方向上的空間變異性下降。隨著植物根系發(fā)展，T1～T4深層含水量的時間變異系數(shù)升高。T5淺層含水量的時間變異系數(shù)和水平變異系數(shù)均較高，說明根系受到抑制。

[1] Nawaz M F, Bourrié G, Trolard F. Soil compaction impact and modelling. A review[J]. Agron. Sustain. Dev., 2013, 33:291-309.

[2] Corns IGW, Maynard DG. Effects of soil compaction and chipped aspen residue on aspen regeneration and soil nutrients[J].Canadian Journal of Soil Science, 1998, 78: 85-92.

[3] Lipiec J, Medvedev V V, Birkas M,et al. Effect of soil compaction on root growth and crop yield in Central and Eastern Europe[J]. International Agrophysics, 2003, 17: 61-70.

[4] Lipiec J, Hatano R. Quanti fi cation of compaction effects on soil physical properties and crop growth[J]. Geoderma, 2003, 116:107-136.

[5] Bunt A C. Some physical properties of pot-plant composts and their effect on plant growth. 3. compaction[J]. Plant and Soil,1961, 15:228-242.

[6] Godefroid S & Koedam N. Interspecific variation in soil compaction sensitivity among forest fl oor species[J]. Biological Conservation, 2004, 119:207-217.

[7] Alameda D & Villar R. Moderate soil compaction: Implications on growth and architecture in seedlings of 17 woody plant species[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 103:325-331.

[8] Liang J S, Zhang J H, Chan G Y S,et al. Can differences in root responses to soil drying and compaction explain differences in performance of trees growing on landfill sites?[J]. Tree Physiology, 1999, 19:619-624.

[9] Beutler A N, Centurion J F, Silva AP,et al. Soil compaction by machine traf fi c and least limiting water range related to soybean yield[J]. Pesquisa Agropecuária Brasileira, 2008, 43: 1591-1600.

[10] Pietola L, Smucker A J M. Fibrous carrot root responses to irrigation and compaction of sandy and organic soils[J]. Plant and Soil, 1998, 200:95-105.

[11] Sharrow S H. Soil compaction by grazing livestock in silvopastures as evidenced by changes in soil physical properties[J]. Agroforestry Systems , 2007, 71:215-223.

[12] Laboski C A M, Dowdy R H, Allmaras R R,et al.Soil strength and water content in fl uences on corn root distribution in a sandy soil[J]. Plant and Soil, 1998, 203:239-247.

[13] Sands R, Greacen E L, Gerard C J. Compaction of sandy soils in radiata pine forests. I. A penetrometer study[J]. Soil Research,1979, 17: 101-113.

[14] Grzesiak M T. Impact of soil compaction on root architecture,leaf water potential, gas exchange and growth of maize and triticale seedlings[J]. Plant Root, 2009, 3: 10-16.

[15] Naghdi R, Bagheri I, Basiri R. Soil disturbances due to machinery traffic on steep skid trail in the north mountainous forest of Iran[J]. Journal of Forestry Research, 2010, 21:497-502.

[16] Bouwmana L A, Artsb W B M. Effects of soil compaction on the relationships between nematodes, grass production and soil physical properties[J]. Applied Soil Ecology, 2000, 14:213-222.

[17] Saini G R & Chow T L.Effect of compact sub-soil and water stress on shoot and root activity of corn (Zea maysL.) and alfalfa (Medicago sativaL.) in a growth chamber[J]. Plant and Soil,1982, 66(3):291-298.

[18] Fritz V A, Allmaras R R, Pfleger F L,et al.Oat residue and soil compaction influences on common root rot (Aphanomyces euteiches) of peas in a fine-textured soil[J]. Plant Soil, 1995,171:235-244.

[19] Kim B & Lee S. Comparison of bearing capacity characteristics of sand and gravel compaction pile treated ground[J]. Journal of Civil Engineering, 2005, 9:197-203.

[20] Jeldes I A, Drumm E C, Schwartz J S. The low compaction grading technique on steep reclaimed slopes, soil characterization and static slope stability[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2013,31:1261-1274.

[21] 諶 蕓, 孫 軍, 徐方珺, 等. 北京721特大暴雨極端性分析及思考(一)觀測分析及思考[J]. 氣象, 2012, 38(10): 1255.1266.

[22] Makedon T, Tremopoulou E, Dimopoulos G. The influence of gradation on the in situ compaction of geo-materials in road construction[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2009, 68:81-87.

[23] Mirzaii A, Yasrobi S S. Effect of Net Stress on Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils[J]. Transport in Porous Media,2012, 95:497-505.

[24] 聶艷麗,陸 斌,劉金鳳,等.不同育苗基質(zhì)的團(tuán)花根際微生物群落功能多樣性特征[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(1): 7-11,48.

Compaction enhances soil water content and decreases spatiotemporal heterogeneity

ZHANG Cheng-liang1, FENG Jing-jing2, ZHAO Ting-ning2, ZHANG Wen3
(1. Ecological Restoration Research Base of Beijing Environmental Protection Research Institute of Light Industry, Beijing 100089,China; 2. Soil and Water Conservation school, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 3. Zhongke Dingshi Environmental Engineering Co., Ltd, Beijing 100102, China)

The effect of compaction on water holding capacity and soil water dynamics was studied in order to develop a new technology, i.e., using compaction as a method to enhance site conditions and to improve plant growth in agriculture and forestry. Five plots were set and marked as T1～T5. T1 was the control, and the soil within was naturally subsided. T2～T5 were compressed by a tractor to a preset bulk density, which was 1.25, 1.50, 1.75 and 2.00 times as mush as that of T1, respectively. Robinia pseudoacacia,Medicago sativa and Platycladus orientalis were grown in each plots. Three PVC tubes were set in each plots to measure the volumetric water content (SWC) from 10 to 100 cm depth. Variable coef fi cient (CV value) was used to evaluate the spatiotemporal heterogeneity of SWC. The results showed that, as the compact degree enhanced, SWC increased while temporal, vertical and horizontal CV values decreased. As the root developed form 2012 to 2013, temporal heterogeneity increased in T1～T4. Both temporal and horizontal CV values were higher in the shallower layers in T5. According to the lower temporal and horizontal CV values, the root development was shown to be restricted in T5, which was the most severe compacted plot.

compaction; soil water content; variable coef fi cient; spatiotemporal heterogeneity

S714.6；S152

A

1673-923X(2016)11-0108-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.019

2016-03-23

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“建設(shè)工程損毀林地植被恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（200904030）

張成梁，研究員 通訊作者：趙廷寧，教授；E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

張成梁，馮晶晶，趙廷寧，等.壓實(shí)對基質(zhì)含水量和時空異質(zhì)性的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(11): 108-112.

[本文編校：吳 毅]