蓄水坑灌坑深對(duì)土壤氧氣分布的影響

雷 震，郭向紅，雷 濤，路明杰，孫西歡,2，馬娟娟，張少文

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030600)

0 引 言

良好的土壤氧氣狀況是保證果樹(shù)正常生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件。適宜的土壤氧氣條件能夠改善果樹(shù)根系呼吸作用[1]，促進(jìn)果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)果樹(shù)增產(chǎn)提質(zhì)[2-4]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉模式按照濕潤(rùn)土壤方式不同可分為溝灌、畦灌、漫灌、淹灌，水從地表面進(jìn)人田間并借重力和毛細(xì)管作用浸潤(rùn)土壤，是目前應(yīng)用最為廣泛的灌溉模式，但灌溉水對(duì)空氣的驅(qū)替作用會(huì)引起土壤根區(qū)發(fā)生間歇性低氧脅迫問(wèn)題，不利于果樹(shù)生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成[5]。在改善土壤氧氣狀況方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要圍繞增氧灌溉開(kāi)展了大量研究工作。已有研究表明，增氧灌溉能改善作物根區(qū)的生長(zhǎng)環(huán)境[6]，促進(jìn)根系生長(zhǎng)[7]，提高作物的光合作用效率[8]，增加作物生長(zhǎng)速率，提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)[9, 10]。這些研究工作主要集中在土壤氧氣狀況的定性研究方面，而定量方面研究報(bào)道較少[11]。通過(guò)建立土壤氧氣分布模型，能為準(zhǔn)確描述土壤氧氣分布特征提供量化工具，但現(xiàn)有研究報(bào)道較少，有待進(jìn)一步深入。蓄水坑灌法[12, 13]是一種有助于改善土壤氧氣狀況的新型中深層立體灌溉方法，蓄水坑壁能夠增加土壤與大氣間的接觸面積，進(jìn)而改善土壤通氣條件，可以有效避免傳統(tǒng)灌溉方法的低氧脅迫問(wèn)題?？由頪14]是蓄水坑灌法的重要技術(shù)參數(shù)之一，不同坑深會(huì)對(duì)土壤氧氣產(chǎn)生多大的影響還不是很清楚。開(kāi)展不同蓄水坑深條件下土壤氧氣分布特征研究，對(duì)于完善蓄水坑灌技術(shù)具有重要的理論和實(shí)踐意義。近20 a，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要圍繞蓄水坑灌條件下土壤水氮遷移分布特征[15]、果樹(shù)生理響應(yīng)[16]、土壤微生物活性[17]等方面進(jìn)行了大量研究工作，然而在土壤氧氣方面的研究報(bào)道較少。不同坑深條件下土壤氧氣分布特征還尚不明確，哪種坑深條件更有利于改善土壤通氣條件也有待進(jìn)一步深入研究。

本文擬通過(guò)蓄水坑灌條件下田間試驗(yàn)，探明不同坑深條件下土壤氧氣一維垂向、徑向及二維空間分布特征，構(gòu)建蓄水坑灌土壤氧氣分布量化模型。研究成果可進(jìn)一步豐富蓄水坑灌理論，為合理確定蓄水坑深提供理論依據(jù)，為合理調(diào)控果園根區(qū)土壤氣體環(huán)境提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019年4-10月在位于山西省晉中市太谷縣的山西農(nóng)科院果樹(shù)研究所蘋(píng)果園中進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)的地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°32′，北緯37°23′，海拔781.9 m。所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷拇箨懶园敫珊禋夂?，多年平均氣?.8 ℃，無(wú)霜期175 d，平均降雨量460 mm。受季風(fēng)影響，年內(nèi)降雨嚴(yán)重不均，6-9月間降雨量大，占60%以上，12月至次年2月降雨很少，僅占2%左右。試驗(yàn)區(qū)土壤為粉(沙)壤土，質(zhì)地比較均一。土壤干容重為1.47 g/cm3，飽和含水率為49.21%，田間持水率為30%(體積含水率)，灌溉水源為地下水。試驗(yàn)用果樹(shù)品種為“長(zhǎng)富二號(hào)”，均選擇7 a生的矮砧蘋(píng)果樹(shù)為試材。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選取園區(qū)長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良，生長(zhǎng)形態(tài)接近的6棵蘋(píng)果樹(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)以蓄水坑坑深為控制因子，設(shè)坑深40 cm(T1)和60 cm(T2)2個(gè)處理，重復(fù)3次，每棵樹(shù)為一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。蘋(píng)果樹(shù)種植方向?yàn)槟媳毕?，株行距分別為2 m和4 m。采用蓄水坑灌法進(jìn)行灌溉，布置方式為每株果樹(shù)周邊均勻布置4個(gè)直徑為30 cm的圓柱體蓄水坑，坑壁距樹(shù)干中心位置60 cm?？拥撞捎猛凉げ?jí)|底作隔水處理。各處理灌水上、下限均為90%和60%田間持水率。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤氧飽和度：采用13.05.01型土壤原位氧氣測(cè)定儀(上海賽弗生物科技有限公司)進(jìn)行測(cè)定。在距離樹(shù)干中心30、50、100、120 cm徑向位置處布置土壤氧氣測(cè)點(diǎn)。在各個(gè)徑向位置處，沿垂向每20 cm一層布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)定深度為120 cm，共6層。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)Fig.1 The layout of measuring points

1.4 數(shù)據(jù)處理

選用數(shù)據(jù)為9月27日3個(gè)重復(fù)的平均值。采用Microsoft Office Excel 2016軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理，采用1stopt 1.5軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，采用SPSS 25進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用AutoCAD 2019、Origin 2019 軟件進(jìn)行繪圖，圖中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坑深條件下土壤氧氣一維垂向分布特征

圖2為蓄水坑灌條件下距樹(shù)干不同徑向位置(r為30、50、100、120 cm)土壤氧氣一維垂向分布特征。由圖2可知，在距樹(shù)干同一徑向位置處，不同坑深處理后土壤氧飽和度隨土層深度增加呈現(xiàn)指數(shù)型下降趨勢(shì)。以40 cm坑深處理為例，進(jìn)行土壤氧氣一維垂向分布特征分析。地表處土壤氧飽和度為1，則在各個(gè)徑向位置處，土層20、40、60、80、100、120 cm深度位置處土壤氧飽和度分別比地表處下降了1.9%～2.8%、3.1%～3.6%、3.9%～4.3%、4.4%～4.9%、4.8%～5.7%、5.2%～5.9%。這表明，0～40 cm深度范圍內(nèi)土壤氧飽和度下降速率較40～120 cm范圍的快，并且40～120 cm深度范圍的土壤氧飽和度下降速率隨深度增加呈下降趨勢(shì)。這是由于土壤氧氣主要來(lái)源于大氣，距離地表越近時(shí)，大氣進(jìn)入土體后的擴(kuò)散路徑越短，土壤越容易與大氣進(jìn)行氣體交換，土壤氧氣供應(yīng)越充足，氧飽和度越高。由統(tǒng)計(jì)分析還可知，在r為30、120 cm徑向位置處，2個(gè)處理間垂向數(shù)據(jù)存在顯著性差異(P<0.05); 在r為50、100 cm徑向位置處，2個(gè)處理間垂向數(shù)據(jù)存在極顯著性差異(P<0.01)。坑深60 cm的處理，各層(20、40、60、80、100、120 cm)土壤氧飽和度分別比40 cm處理高0.10%～1.33%、0.30%～1.29%、0.80%～1.20%、1.00%～1.32%、1.00%～1.88%、1.20%～1.98%。由此說(shuō)明，在任意徑向位置處，60 cm坑深處理下各層土壤氧飽和度均略微高于40 cm坑深處理。這是由于60 cm坑深處理?xiàng)l件下土壤臨空面積大于40 cm坑深處理，相對(duì)40 cm坑深處理，經(jīng)60 cm坑深處理后的土壤坑壁面積(土壤-大氣交換界面)能夠增加33.3%，氣體交換更容易發(fā)生，土壤氧氣補(bǔ)給會(huì)更充足。

圖2 不同坑深條件下土壤氧氣一維垂向分布特征Fig.2 One-dimensional vertical distribution characteristics of soil oxygen under different pit depths

為了進(jìn)一步描述蓄水坑灌不同坑深條件下土壤氧氣一維垂向分布特征，建立了土壤氧飽和度一維垂向分布模型OS(z)：

OS=aeb z

(1)

式中：OS為土壤氧飽和度；z為土層深度，cm；a、b為擬合參數(shù)。

模型參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，不同坑深的土壤氧飽和度一維垂向分布模型OS(z)的決定系數(shù)R2為0.869 4～0.983 8，均值為0.923 9。說(shuō)明該模型能夠較好地模擬蓄水坑灌不同坑深條件下土壤氧飽和度一維垂向分布特征。在OS(z)模型中，參數(shù)b能夠反映土壤氧飽和度沿垂向變化速率的快慢程度，其絕對(duì)值越大，土壤氧飽和度變化速率越快。由表1可知，在距離樹(shù)干30、50、100、120 cm特征位置處，40 cm坑深處理的參數(shù)b分別是坑深60 cm處理的2.70、1.12、1.12、2.49倍。這說(shuō)明40 cm坑深處理的土壤氧飽和度沿垂向變化速率要高于60 cm坑深處理，這與圖2分析結(jié)果一致。

表1 不同坑深條件下土壤氧氣垂向分布擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of vertical distribution of soil oxygen under different pit depth conditions

2.2 不同坑深條件下土壤氧氣一維徑向分布特征

圖3為蓄水坑灌距地表不同土層深度處(20、40、60、80、100、120 cm)土壤氧氣一維徑向分布特征。以坑深60 cm處理為例，進(jìn)行土壤氧氣一維徑向分布特征分析。在各土壤深度位置(20、40、60、80、100、120 cm)處，距離樹(shù)干50、100、120 cm位置處的土壤氧飽和度相對(duì)30 cm徑向位置處分別變化了0%～1.93%、0%～1.29%、0%～0.80%、0%～0.4%、0%～0.3%、0%～0.2%。蓄水坑壁處(徑向距離60、90 cm)土壤氧飽和度非常接近大氣。由此說(shuō)明，在同一土層深度處，不同土壤氧飽和度隨徑向距離增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，在坑壁處達(dá)到最大，但變化并不太明顯。這可能與果樹(shù)根系呼吸強(qiáng)度、土壤-大氣接觸面積及氣象條件有關(guān)。距離樹(shù)干越近處，根系分布越密集，根系呼吸強(qiáng)度越大，土壤氧氣含量越低。蓄水坑增加了土壤-大氣接觸面積，坑中氣體更容易向周?chē)寥乐袛U(kuò)散，坑壁周邊土壤氧氣能得到及時(shí)的補(bǔ)給和更新，使近坑壁位置處土壤氧飽和度較高。蓄水坑壁形成的臨空面與大氣直接接觸，受氣象條件的影響，坑壁周邊水分蒸散量較大，造成土壤孔隙度增加，附近土壤氧氣更易得到補(bǔ)給，因而近坑壁處土壤氧飽和度比距離坑壁遠(yuǎn)處的高。由統(tǒng)計(jì)分析可知，在20、40 cm垂向位置處，2處理的數(shù)據(jù)差異不顯著；在60、80、100、120 cm垂向位置處，2處理間數(shù)據(jù)差異極顯著(P<0.01)。60 cm處理的各徑向位置(30、50、100、120 cm)土壤氧飽和度分別比40 cm處理大0.20%～1.94%、1.20%～1.60%、0.84%～1.20%、0.10%～1.80%。由此說(shuō)明，在任意垂向位置處，60 cm坑深處理下各徑向位置土壤氧飽和度均高于40 cm坑深處理。這是因?yàn)?0 cm坑深處理較40 cm坑深處理具有更大的氣體交換界面，土壤-大氣間氣體交換會(huì)更頻繁，擴(kuò)散進(jìn)入到土壤中氧氣量相對(duì)就更多。

圖3 不同坑深條件下土壤氧氣一維徑向分布特征Fig.3 One-dimensional radial distribution of soil oxygen under different pit depth conditions

為了進(jìn)一步描述蓄水坑灌不同坑深條件下土壤氧氣一維徑向分布特征，以蓄水坑中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立了土壤氧飽和度一維徑向分布模型OS(x)：

OS=ced x2

(2)

式中：OS為土壤氧飽和度；x為距離蓄水坑中心點(diǎn)的水平距離，cm；c、d為擬合參數(shù)。

模型參數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，模型OS(x)決定系數(shù)R2都在0.8以上，擬合精度較高。分析模型參數(shù)還可知，模型指數(shù)部分趨近于常數(shù)1，氧飽和度主要取決于參數(shù)c。由此表明，徑向距離對(duì)土壤氧飽和度的影響較小，這也與前文圖中反映的規(guī)律一致。

表2 不同坑深條件下土壤氧氣徑向分布擬合參數(shù)Tab.2 Fitting parameters of soil oxygen radial distribution under different pit depth conditions

2.3 不同坑深條件下土壤氧氣二維空間分布特征

圖4為蓄水坑灌不同坑深條件下土壤氧氣二維空間分布特征。由圖4可以看出，不同坑深處理下，土壤氧飽和度隨垂向深度增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，隨徑向距離增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)坑兩側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，坑兩側(cè)氧飽和度相似，不存在顯著性差異。且由圖4可以看出，影響土壤氧飽和度的主要因素是土層深度，在較淺土層處土壤氧飽和度隨深度的變化幅度較大。不同坑深處理下，坑兩側(cè)的土壤氧飽和度基本上是以通過(guò)坑中心點(diǎn)的縱軸為基準(zhǔn)對(duì)稱分布的。這表明，蓄水坑灌條件下，土壤氧飽和度主要與距蓄水坑坑壁的距離及蓄水坑深有關(guān)，而與距樹(shù)干中心點(diǎn)的距離關(guān)系不大。由圖4還可知，40 cm坑深處理土壤氧飽和度在0.98以上的區(qū)域主要集中在垂向0～60 cm和坑壁周邊20 cm范圍內(nèi)；60 cm坑深處理土壤氧飽和度在0.98以上的區(qū)域主要集中在垂向0～80 cm和蓄水坑坑壁周邊20 cm范圍內(nèi)。由此說(shuō)明，在相同氧飽和度條件下，60 cm坑深處理相對(duì)40 cm坑深處理氧氣分布范圍更大。60 cm蓄水坑相比40 cm蓄水坑，更有助于提高大氣與土壤的氣體交換能力，提高土壤氧飽和度，改善果園根區(qū)的土壤含氧狀況。

圖4 不同坑深條件下土壤氧氣二維空間分布特征Fig.4 Two-dimensional spatial distribution of soil oxygen under different pit depth conditions

為了進(jìn)一步對(duì)土壤氧飽和度二維分布特征進(jìn)行定量描述，對(duì)式(1)和式(2)采用相乘形式進(jìn)行耦合，構(gòu)建了土壤氧飽和度二維空間分布模型OS(x,z)：

OS=ke(m x2+n z)

(3)

式中：OS為土壤氧飽和度；x為距蓄水坑中心點(diǎn)的水平距離，cm；z為土壤深度，cm；k、m、n均為擬合參數(shù)。

擬合參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知，在坑深40、60 cm處理下，模型OS(x,z)的決定系數(shù)R2分別為0.955 7和0.808 6，表明該模型能夠較好地描述蓄水坑灌條件下土壤氧氣二維空間分布特征。

表3 不同坑深條件下土壤氧氣二維空間分布擬合參數(shù)Tab.3 Two-dimensional spatial distribution fitting parameters of soil oxygen under different pit depth conditions

3 結(jié) 論

(1)蓄水坑灌不同坑深處理下土壤氧飽和度隨土層深度增加均呈現(xiàn)指數(shù)型下降趨勢(shì)。在同一徑向不同深度位置處，60 cm坑深處理的土壤氧飽和度能比40 cm坑深處理下的數(shù)值高0.1%～1.98%，處理間數(shù)據(jù)差異顯著。建立了不同坑深處理下土壤氧飽和度一維垂向指數(shù)型分布模型OS(z)，模型決定系數(shù)R2為0.869 4～0.983 8，模擬精度較高。

(2)蓄水坑灌不同坑深處理下土壤氧飽和度均隨徑向距離增加呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。在同一深度不同徑向位置處，60 cm坑深處理氧飽和度能比40 cm坑深處理高0.1%～1.94%。在60、80、100、120 cm垂向位置處，2處理間數(shù)據(jù)差異極顯著。建立了不同坑深處理下土壤氧飽和度一維徑向指數(shù)型分布模型OS(x)，擬合精度較高。

(3)在同一垂向和徑向位置處，60 cm坑深處理土壤氧飽和度均高于40 cm坑深處理。 40 cm坑深和60 cm坑深處理對(duì)土壤氧氣的影響范圍分別為垂向0～40 cm坑壁20 cm范圍、垂向0～80 cm坑壁20 cm范圍，且60 cm坑深處理對(duì)土壤氧飽和度的影響范圍更廣。蓄水坑灌條件下，土壤氧飽和度主要與距蓄水坑坑壁的距離及蓄水坑深有關(guān)。建立了不同坑深(40、60 cm)處理下土壤氧飽和度二維空間指數(shù)型分布模型OS(x，z)，模型決定系數(shù)R2為0.955 7和0.808 6，模擬精度較高。