東北典型黑土區(qū)坡耕地澇漬地土壤持水性和導(dǎo)水性研究

馬富亮, 符素華,2, 羅廣惠

(1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.北京市一六五中學(xué), 北京 100010)

東北典型黑土區(qū)坡耕地澇漬地土壤持水性和導(dǎo)水性研究

馬富亮1, 符素華1,2, 羅廣惠3

(1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.北京市一六五中學(xué), 北京 100010)

中國東北典型黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，對我國糧食安全和國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定起到舉足輕重的作用。作為土壤退化的一種特殊形式，澇漬地嚴(yán)重影響著墾區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在東北典型黑土區(qū)坡面澇漬地及其周圍正常耕地中布設(shè)采樣點(diǎn)，測定了土壤剖面質(zhì)地分布情況及土壤水分特征曲線，以揭示東北黑土區(qū)坡面澇漬地土壤水分過大的根本原因。結(jié)果表明，澇漬地土壤剖面中細(xì)質(zhì)地土壤類型所占比例為90%，質(zhì)地較粘重。澇漬地土壤具有較高的進(jìn)氣值，水吸力較大，保持在中小孔隙中的水分只有在較大吸力范圍內(nèi)才能緩慢釋出，這造成澇漬地土壤具有極強(qiáng)的持水能力，不容易失水，再加上極弱的導(dǎo)水能力，水分飽和但不會(huì)被釋放。以上這些土壤特性導(dǎo)致了澇漬地土壤長期處于濕度過大的狀態(tài)。本研究結(jié)果可為澇漬地治理提供依據(jù)。

黑土; 坡耕地; 澇漬地; 土壤水分特征曲線

中國東北典型黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，對我國糧食安全和國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定起到舉足輕重的作用[1]。作為土壤退化的一種特殊形式，澇漬地嚴(yán)重影響著墾區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。我國共有3 207萬hm2澇漬地[2-3]，僅黑龍江省黑河市嫩江縣鶴山農(nóng)場鶴北小流域中的澇漬地面積就占整個(gè)流域面積的4%左右[4]。黑土區(qū)澇漬土壤由于濕度過大阻礙了農(nóng)機(jī)耕作的連續(xù)性，嚴(yán)重降低了土地利用效率[5-6]。因此，針對我國人口眾多、糧食安全壓力巨大的現(xiàn)狀，研究黑土區(qū)澇漬地濕度過大的根本原因，提出和實(shí)施有效的治理措施，挖掘單位耕地面積的生產(chǎn)力潛力顯得尤為重要。

澇漬地土壤濕度過大的原因主要包括外因(地形地貌、氣候水文等)和內(nèi)因(土壤質(zhì)地、持水性、導(dǎo)水性等)[7-11]。前人對外因的研究已相當(dāng)成熟[12-17]，而對內(nèi)因方面的研究相對欠缺。喬樵等和郭大本等對三江平原澇漬地的水分物理性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，其土壤剖面上松下緊，表層為草根層，比重、容重小，飽和含水量、持水量大，土壤水分不易流出[18-19]。姚章村等對三江平原澇漬地的土壤性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域澇漬地90%的表層土壤為質(zhì)地粘重、透水性差的白漿土和黑黏土，母質(zhì)層存在不透水的黏土層或者亞黏土層，且土壤機(jī)械組成黏粒含量較高，因而形成上層滯水、地表積水嚴(yán)重[5]，再加上生長季內(nèi)土壤蒸發(fā)緩慢，使得水分長期保存在上層土壤中，造成土壤表層過度濕潤的狀況。

綜上所述，前人對黑土區(qū)澇漬地的研究主要集中在地勢相對低平和低洼、地下水位高且排水條件較差的三江平原，對分布于坡面、居于坡中位置的澇漬地研究較少。由于研究區(qū)域間存在較大差異，針對前人得出的結(jié)論，我們只能借鑒，不能照搬照用。并且，前人在研究澇漬地土壤性質(zhì)時(shí)，大部分是針對澇漬地表層土壤性質(zhì)的定性描述，而很少研究澇漬地土壤剖面質(zhì)地分布的詳細(xì)情況，更少從土壤水分特征曲線的角度定量分析澇漬地土壤濕度過大的原因。為此，本文在東北黑土區(qū)坡面澇漬地及其周圍正常耕地中布設(shè)采樣點(diǎn)，測定土壤剖面質(zhì)地分布情況及土壤水分特征曲線，比較分析澇漬地和非澇漬地土壤剖面質(zhì)地差異，定量評價(jià)澇漬地與非澇漬地土壤持水性、導(dǎo)水性差異，最終為闡明東北黑土區(qū)坡面澇漬地的形成機(jī)理服務(wù)。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在黑龍江省九三農(nóng)墾分局鶴山農(nóng)場境內(nèi)的鶴北小流域。鶴北小流域位于鶴山農(nóng)場場部東北方向，地理位置為48°59′3.37″—49°02′35.7″N，125°15′45.71″—125°20′46.79″E。整個(gè)流域又被9條支溝分為9個(gè)次級小流域，其中主溝道以西有4條支溝，由南至北將次一級小流域依次編號為1，2，3，4號小流域；主溝道以東有5條支溝，由北至南依次編號為5，6，7，8，9號小流域(圖1)。

圖1 鶴北小流域

研究區(qū)所屬大興安嶺南麓，海拔150～383 m。坡崗平緩，坡長較長，被當(dāng)?shù)厝朔Q為“漫川漫崗”，屬于典型黑土區(qū)。研究區(qū)為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬夏氣溫相差比較懸殊。因受季風(fēng)和高緯度影響，全年冷熱、干濕季節(jié)劃分明顯，春季干燥少雨，夏秋兩季濕潤多雨且晝夜溫差較大，冬季寒冷漫長。年平均氣溫-1.5～0.4℃，年內(nèi)溫差變化大，夏季最熱月份為7月，平均氣溫為20.8℃，冬季最冷月份為1月，平均氣溫為-22.5℃。年日照時(shí)間為2 550～2 700 h，全年無霜期為115 d左右。年均降雨量約為470 mm，多集中于6—9月。該區(qū)土壤沉積物主要為第三紀(jì)和第四紀(jì)的砂粒及黏土層，一般呈黃色或紅色。主要土壤類型為黑土，在黑土開墾以前，其自然植被為草原化草甸植物。試驗(yàn)地選在8號流域，其表層土壤部分理化性狀見表1。

1.2 觀測方法

1.2.1 土壤機(jī)械組成及質(zhì)地 鑒于土壤水分特征曲線受土壤質(zhì)地的影響，布設(shè)樣點(diǎn)需根據(jù)研究區(qū)域的剖面土壤特性來確定。試驗(yàn)布置前對研究區(qū)域2 m內(nèi)的剖面土壤特性進(jìn)行了調(diào)查，根據(jù)土壤發(fā)生學(xué)理論，研究區(qū)域的剖面土壤類型自上而下可分為耕層(A層)的黑土、過渡層(AB)的黑黏土、淀積層(B)的砂質(zhì)土、母質(zhì)層(C)的黃黏土和砂質(zhì)黏土。布設(shè)樣點(diǎn)的剖面結(jié)構(gòu)要涵蓋上述所有的剖面土壤類型，即沿坡面方向，坡上、坡中和坡下位置各布1個(gè)點(diǎn)，坡中樣點(diǎn)位于澇漬地內(nèi)，坡上坡下樣點(diǎn)位于非澇漬地內(nèi)，于每個(gè)樣點(diǎn)的200 cm土壤剖面上，每20 cm一層用土鉆采樣，計(jì)10層，3個(gè)樣點(diǎn)的樣品總數(shù)共計(jì)30個(gè)。將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)處理，風(fēng)干、研磨、過篩后用于測定土壤機(jī)械組成。土壤機(jī)械組成采用吸管法測定，測定方法根據(jù)土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[20]以及北京師范大學(xué)分析測試中心資料進(jìn)行。

表1 研究區(qū)耕層土壤部分理化性狀

利用測定的土壤機(jī)械組成的數(shù)據(jù)，通過美國農(nóng)業(yè)部(United States Department of Agriculture)Soil Texture Calculator計(jì)算得出土壤剖面每層的土壤質(zhì)地類型。

1.2.2 土壤容重 土壤容重是土壤質(zhì)量含水量和土壤容積含水量之間關(guān)系轉(zhuǎn)換的參數(shù)。根據(jù)1.2.1中測定的3個(gè)樣點(diǎn)不同土壤質(zhì)地的具體分布深度，用體積為100 cm3的環(huán)刀采集原狀土壤樣品，每個(gè)土壤質(zhì)地類型3個(gè)重復(fù)，利用環(huán)刀法測定土壤容重。

1.2.3 土壤水分特征曲線 根據(jù)1.2.1的測定結(jié)果，將3個(gè)樣點(diǎn)中同一土壤質(zhì)地的土樣分別取出一小部分均勻混合后磨細(xì)過篩，把土樣放入水分提取器，采用壓力膜儀法測定土壤水分特征曲線，分別測定土壤吸力在0.3 bar，0.5 bar，1 bar，3 bar，5 bar，10 bar，15 bar下的土壤含水量，每個(gè)吸力6個(gè)重復(fù)，共計(jì)168個(gè)樣品。

1.3 RETC軟件模擬方法

采用RETC軟件中Van Genuehten模型進(jìn)行模擬，該模型關(guān)于土壤水分特征曲線(θ―h曲線)的函數(shù)表達(dá)式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：θ為體積含水量(cm3/cm3);h為壓力水頭(cmH2O);Se為飽和度，無量綱;θs為飽和含水量(cm3/cm3);θr為殘余含水量(cm3/cm3);Ks為飽和水力傳導(dǎo)率(cm/min);α進(jìn)氣吸力(1/cm);n，L為形狀系數(shù)，且n>1。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)軟件(Excel，SPSS等)、RETC和Origin軟件對測定的土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

澇漬地與非澇漬地不同土層深度的土壤質(zhì)地差異明顯(圖2)，非澇漬地土壤剖面中存在4種土壤質(zhì)地類型，并且較粗質(zhì)地的砂壤土和砂土分布于剖面底部，所占比例較大，約為50%～70%，而較細(xì)質(zhì)地的粉粘壤和粘壤分布于剖面頂部，所占比例約為30%～50%。與非澇漬地相比，澇漬地土壤剖面中的土壤質(zhì)地類型缺少砂土，并且較粗質(zhì)地的砂壤土分布于剖面最底部，所占比例僅為10%，剖面中90%的質(zhì)地類型屬于較細(xì)質(zhì)地的粉粘壤和粘壤。由此可以得知，相比非澇漬地，澇漬地土壤剖面中較細(xì)質(zhì)地的粉粘壤和粘壤占主導(dǎo)地位，故質(zhì)地更粘重。

圖2澇漬地與非澇漬土壤質(zhì)地剖面分布

土壤水分特征曲線是土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和孔隙等物理性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，是土壤物理特性的表征[21,22]。4種質(zhì)地的土壤水分特征曲線基本變化趨勢均是隨含水量的減小，土壤基質(zhì)勢下降(圖3)。在低吸力段(<4 000 cmH2O)，水分特征曲線變化陡直，即吸力稍微增加或減少，均會(huì)引起含水量較大的變化；在中高吸力段(>4 000 cmH2O)，曲線變化平緩，即吸力有較大的變化，相應(yīng)含水量變化不大。這種變化趨勢以砂土的最明顯，這是因?yàn)樵诘臀Ψ秶鷥?nèi)，主要是毛管力起作用，土壤所能保持和釋放出的水量取決于土壤中較大孔隙分布，在4種質(zhì)地的土壤中砂土含有大孔隙量最多，因此，在低吸力段砂土水分特征曲線變化的最陡直；在中高吸力段主要是土壤顆粒的表面起吸附作用，主要取決于土壤質(zhì)地。這與趙雅瓊等[21]、Yang等[23]和高惠嫣和楊路華[24]的研究結(jié)果基本一致，即質(zhì)地越細(xì)，土壤的持水能力越強(qiáng)、不容易失水，質(zhì)地越粗，土壤的持水能力越弱、很容易失水。結(jié)合圖2可以得出，與非澇漬地相比，由于澇漬地土壤剖面質(zhì)地更加粘重，所以澇漬地土壤的持水能力更強(qiáng)，更不容易失水。

圖3 不同質(zhì)地土壤水分特征曲線

飽和含水率θs為土壤水吸力等于0時(shí)的含水率，擬合得到的粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的飽和含水率分別為0.658，0.552，0.406，0.250(表2)。殘余含水率θr為土壤水分特征曲線導(dǎo)數(shù)等于0時(shí)的土壤含水率。一般情況下殘余含水率大于零，粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的的殘余含水率分別為：0.132，0.102，0.061，0.050(表2)。飽和含水量和殘余含水量的差值越大代表該質(zhì)地類型的土壤持水能力越強(qiáng)[25]。粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土4種土壤質(zhì)地各自的飽和含水量和殘余含水量的差值分別為0.526，0.450，0.345，0.200。所以，4種質(zhì)地土壤持水能力大小順序依次為：粉壤土>黏壤土>砂壤土>砂土，故澇漬地土壤的持水能力大于非澇漬土壤。

參數(shù)n的大小決定著土壤水分特征曲線的坡度，當(dāng)n大時(shí)，曲線較陡；當(dāng)n小時(shí)，曲線較緩。n取值一般為1.1～3.5，當(dāng)m=1～1/n時(shí)，n>1[26]。粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的n值分別為1.343 9，1.569 2，1.816 8，1.911 8(表2)，所以砂土的水分特征曲線坡度最陡，其次是砂壤土，粉壤土最緩，并且，一般重質(zhì)黏性土壤n值較小，輕質(zhì)土壤n值較大。參數(shù)α是進(jìn)氣值hα的倒數(shù)。不同質(zhì)地的土壤進(jìn)氣值不同，一般重質(zhì)黏性土壤進(jìn)氣值較大，輕質(zhì)土或結(jié)構(gòu)良好的土壤進(jìn)氣值較小，或沒有明顯的進(jìn)氣值[25]。所以，粘壤的α值最小，進(jìn)氣值最大，砂土的α值最大，進(jìn)氣值最小。以上這些事實(shí)都說明，澇漬地土壤的持水性大于非澇漬土壤。

導(dǎo)水率是反映土壤導(dǎo)水性的指標(biāo)，主要受土壤質(zhì)地的影響。粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的飽和導(dǎo)水率差異較大，砂土的飽和導(dǎo)水率分別是粉壤土、黏壤土、砂壤土的6.85，19.77，11.28倍。土壤處于非飽和狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)水率與土壤含水量呈非線性關(guān)系(圖4)，且粉壤土、黏壤土、砂壤土和砂土的非飽和導(dǎo)水率隨水分變化差異較大，砂土的導(dǎo)水率隨水分變化的曲線較徒直，其他質(zhì)地的曲線較緩，當(dāng)水分增大時(shí)，砂土迅速達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)砂土的導(dǎo)水率值即為飽和導(dǎo)水率，而粉壤土、黏壤土、砂壤土還未達(dá)到飽和狀態(tài)，導(dǎo)水率值即為對應(yīng)水分下的非飽和導(dǎo)水率。也就是說，不管是飽和狀態(tài)還是非飽和狀態(tài)，質(zhì)地越粗導(dǎo)水性越強(qiáng)，質(zhì)地越細(xì)，導(dǎo)水性越差。所以，相比非澇漬地，澇漬地土壤的導(dǎo)水性更差。

圖4不同質(zhì)地土壤導(dǎo)水率隨水分變化

3 結(jié) 論

澇漬地土壤剖面中細(xì)質(zhì)地土壤類型所占比例為90%，質(zhì)地較粘重。澇漬地土壤具有較高的進(jìn)氣值，水吸力較大，持水能力極強(qiáng)，導(dǎo)水能力極弱，這些土壤特性最終導(dǎo)致了澇漬地土壤長期處于濕度過大的狀態(tài)。本研究結(jié)果對于澇漬地改良具有重要意義。

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PropertiesofSoilWaterRetentionandHydraulicConductivityintheWaterloggedLandoverSlopeCroplandinTypicalBlackSoilRegionofNortheastChina

MA Fuliang1, FU Suhua1,2, LUO Guanghui3

(1.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.BeijingNo.165HighSchool,Beijing100010,China)

The typical black soil zone in northeast China is an important commodity grain production base in China and plays crucial roles in the national food security and economic stability. As a special form of soil degradation, waterlogged lands severely affect the agricultural production in reclamation regions. The objective of this study was to analyze the soil water retention characteristics and hydraulic conductivity of waterlogged land and try to find the cause of waterlogged land. The sampling points were set in and around the waterlogged land over the slope cropland in typical black soil region of northeast China. The soil texture distribution along the soil profiles and soil water retention characteristics were measured. The results showed that the fine soil texture accounted for 90% in the soil profile in waterlogged land. It resulted in a very adhesive soil texture. The waterlogged soil had higher air intake value and the larger water suction than the non-waterlogged soil. Therefore, the water in waterlogged soil pore could be released under the much larger water suction. In addition, the waterlogged soil has the strong water holding capacity and the weak soil hydraulic conductivity, which indicated that the water in the saturated soil can not be released and that the soil keeps high soil moisture. The above soil properties are the important reasons that the waterlogged soil remains a wet condition for a long time. These results could provide the technique supports for the control for waterlogged lands.

black soil; slope cropland; waterlogged land; water retention characteristics

S152.7+1;S152.3+3

A

1005-3409(2017)06-0222-05

2016-10-18

2016-11-08

國家自然科學(xué)基金(41571259);國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41530858);中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)引進(jìn)計(jì)劃的資助

馬富亮(1985—),男,山東夏津人,博士研究生,主要從事土壤水分運(yùn)動(dòng)方面的研究。E-mail:flma0620@163.com

符素華(1973—),女,四川岳池人,教授,主要從事土壤侵蝕與水土資源管理方面的研究。E-mail:suhua@bnu.edu.cn