廣東省4地高產(chǎn)水田土壤物理特征研究

閆林源　徐若怡　李嘉寅　姚思彤　張暉　陳平　蔡寶昌

摘要 為更好地服務(wù)于廣東省墾造水田建設(shè)需要，對(duì)采集于廣東省內(nèi)水田占比較大的博羅縣、惠東縣、仁化縣以及英德市4地高產(chǎn)水田的耕作層、犁底層樣品，進(jìn)行土壤物理指標(biāo)檢測(cè)和方差分析、MATLAB擬合VG模型參數(shù)，探究其土壤物理特征。結(jié)果表明，4處樣地耕作層、犁底層的飽和含水量、容重和總孔隙度均值分別為40.50%、25.17%，1.24 g/cm3、1.57 g/cm3和51.79%、39.04%。耕作層容重與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)，與粉粒、黏粒含量顯著負(fù)相關(guān)，犁底層則與砂粒含量正相關(guān)但不顯著，而與粉粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)。VG模型參數(shù)n值、黏粒含量均值為犁底層（1.333、9.01%）＞耕作層（1.274、5.14%），n值隨黏粒含量的增加而變大。

關(guān)鍵詞 高產(chǎn)水田；土壤物理特征；水分特征曲線

中圖分類(lèi)號(hào) S152 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2023）06-0061-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.017

Study on Soil Physical Characteristics of 4 High Yield Paddy Fields in Guangdong Province

YAN Lin－yuan， XU Ruo－yi， LI Jia－yin et al

（Zhongkai College of Agricultural Engineering， Guangzhou， Guangdong 510225）

Abstract In order to better serve the construction needs of reclaiming paddy fields in Guangdong Province. The soil physical index detection and variance analysis were carried out for the samples of plough layer and plow bottom collected from four high－yield paddy fields in Boluo County， Huidong County， Renhua County and Yingde City in Guangdong Province. MATLAB fitted the parameters of the VG model to explore its soil physical characteristics.The results showed that the average values of saturated water content， bulk density and total porosity of the plough layer and plow bottom layer of the four plots were 40.50%， 25.17%;1.24 g/cm3， 1.57 g/cm3;51.79%， 39.04%， respectively. The bulk density of the tillage layer has a very significant positive correlation with the sand content， and a significant negative correlation with the silt and clay content.The mean values of the VG model parameter n and clay content were the plow layer （1.333， 9.01%） > the tillage layer （1.274， 5.14%）， and the n increased with the increase of the clay content.

Key words High yield paddy field;Soil physical characteristics;Moisture characteristic curve

隨著城市化的高速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境工程的實(shí)施，全國(guó)耕地面積將進(jìn)一步減少。要增加糧食產(chǎn)量以滿(mǎn)足日益增加的糧食需求，保障糧食安全，只能依靠單位面積產(chǎn)量的提高，土壤質(zhì)量便成為決定生產(chǎn)力的決定因素［1］。水稻（Oryza sativa L.）是我國(guó)主要的糧食作物之一，水田土壤的物理性狀隨著長(zhǎng)期水耕而發(fā)生變化，耕作層有著比犁底層更大的大孔隙度、大孔隙面積以及大孔隙數(shù)量，以滿(mǎn)足植物根系的生長(zhǎng)以及擴(kuò)散；犁底層通常有著比耕作層更大的土壤容重，代表其保水性能優(yōu)于耕作層［2-3］。耕作層土壤是作物賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，耕作層土體結(jié)構(gòu)不僅直接影響作物根系的立體分布特征，而且間接影響莖葉生長(zhǎng)發(fā)育和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量狀況；犁底層對(duì)作物生長(zhǎng)也有影響，主要體現(xiàn)在根系的生長(zhǎng)發(fā)育上，根系是聯(lián)系作物和土壤的紐帶，是獲取水分和養(yǎng)分的重要器官，不合理的耕層結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致根系下扎困難，根系生長(zhǎng)受限，作物易倒伏等，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量狀況［4］。研究表明，水田理想耕作層和犁底層土壤容重的適宜范圍分別為1.06～1.21和1.36～1.64 g/cm3［3］。土壤質(zhì)量的改良測(cè)評(píng)指標(biāo)主要以土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)、肥力指標(biāo)、糧食產(chǎn)量指標(biāo)等的選擇為主［5-8］。有文獻(xiàn)表明土壤剖面結(jié)構(gòu)與水分情況可以通過(guò)土壤改良技術(shù)措施進(jìn)行改善［9］。

《廣東省墾造水田三年行動(dòng)方案（2021—2023年）》按照“占優(yōu)補(bǔ)優(yōu)、占水田補(bǔ)水田”要求，到2023年，全省至少完成墾造水田1萬(wàn)hm2，鼓勵(lì)各地在此基礎(chǔ)上墾造更多水田，嚴(yán)格落實(shí)耕地占補(bǔ)平衡，牢牢守住耕地保護(hù)紅線［10］。第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查主要數(shù)據(jù)表明，博羅縣水田1 993.33 hm2，占耕地67.51%；惠東縣水田2 106.67 hm2，占耕地87.49%；仁化縣耕水田9 640 hm2，占耕地94.22%；而清遠(yuǎn)市水田13.22萬(wàn)hm2，占耕地75.30%，英德市、連州市和陽(yáng)山縣3個(gè)縣（市）耕地面積較大，占全市耕地的65.87%?；葜菔胁┝_縣、惠州市惠東縣、韶關(guān)市仁化縣以及清遠(yuǎn)市英德市4個(gè)地區(qū)的水田面積均在50%以上，其中2021年度全省墾造水田計(jì)劃的最低要求為惠州市80 hm2、韶關(guān)市80 hm2以及清遠(yuǎn)市206.67 hm2，共計(jì)366.67 hm2，占全省水田墾造計(jì)劃的11%。該試驗(yàn)選取以上4處樣地中的高產(chǎn)水田作為取樣點(diǎn)，進(jìn)行耕作層、犁底層土壤理化性狀分析，具備較高的代表性，為科學(xué)評(píng)價(jià)墾造水田成效提供參考，為進(jìn)一步耕地質(zhì)量提升改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究調(diào)查范圍為惠州市博羅縣、惠州市惠東縣、韶關(guān)市仁化縣以及清遠(yuǎn)市英德市4個(gè)地區(qū)（圖1）。

1.2 試驗(yàn)方法

以2018年的耕地質(zhì)量等別中的高產(chǎn)水田數(shù)據(jù)庫(kù)為依據(jù)，在4個(gè)縣級(jí)行政區(qū)布設(shè)3個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)（表1）。對(duì)樣點(diǎn)的耕作層和犁底層分別進(jìn)行土壤取樣。

對(duì)應(yīng)取樣點(diǎn)的耕作層和犁底層，采用鉆土機(jī)挖坑，環(huán)刀取土，于坑內(nèi)耕作層與犁底層原狀土取樣，每層各取3個(gè)環(huán)刀，并取耕作層與犁底層散土樣品各1 kg，用密封袋裝好并做好樣品標(biāo)識(shí)。

1.3 檢測(cè)內(nèi)容和方法

對(duì)土壤飽和含水量、土壤容重、土壤總孔隙度、土壤機(jī)械組成、土壤微團(tuán)聚體以及水分特征曲線參考《土壤理化性質(zhì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》以及《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測(cè)定［11-13］。

式中，θ為體積含水率，cm3/cm3;θr為殘留含水率，cm3/cm3；θs為飽和含水率，cm3/cm3；h為負(fù)壓，cmH2O;a、n和m為經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)，m=1-1/n。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Office Excel 2013對(duì)取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用IBM SPSS Statistics 26.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、方差分析以及相關(guān)性分析，使用SigmaPlot 10.0繪圖，采用Matlab 2018b調(diào)用非曲線擬合函數(shù)lsqcurefit，并計(jì)算VG模型參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性狀分析

2.1.1 土壤飽和含水量。

由圖2可知，所選取的4個(gè)樣地的耕作層土壤飽和含水量普遍高于犁底層；耕作層中，4處樣地土壤飽和含水量在28.21%～50.22%，均值為40.50%，表現(xiàn)為仁化縣＞博羅縣＞英德市＞惠東縣，惠東縣的土壤飽和含水量為28.11%，顯著低于另外3個(gè)調(diào)查樣地，飽和含水量最高的是仁化縣，達(dá)到50.22%。犁底層中，4處樣地土壤飽和含水量在23.33%～26.56%，均值為25.17%；博羅縣、惠東縣、仁化縣以及英德市各犁底層的土壤飽和含水量之間差異性不顯著；博羅縣的土壤飽和含水量最低，為23.33%；仁化縣飽和含水量最高，為26.56%。

2.1.2 土壤容重。

由圖3可知，所選取的4個(gè)樣地的犁底層土壤容重顯著高于耕作層。耕作層中，4處樣地間的耕作層土壤容重為1.09～1.45 g/cm3，均值為1.24 g/cm3，表現(xiàn)為惠東縣＞英德市＞博羅縣＞仁化縣，土壤容重最低的仁化縣為1.09 g/cm3，最高的惠東縣為1.45 g/cm3，二者之間差異性顯著（P＜0.05）。犁底層中，4處樣地間的犁底層土壤容重在1.55～1.61 g/cm3，均值為1.57 g/cm3，樣地間差異性不顯著，其中土壤容重最高的博羅縣為1.61 g/cm3。

2.1.3 土壤總孔隙度。

由圖4可知，所選取的4個(gè)樣地的耕作層土壤總孔隙度顯著高于犁底層。耕作層中，4處樣地土壤總孔隙度為43.76%～57.72%，均值為51.79%，表現(xiàn)為仁化縣＞博羅縣＞英德市＞惠東縣，土壤總孔隙度最高的仁化縣為57.72%，最低的惠東縣為43.76%；其中博羅縣與惠東縣樣地耕作層土壤總孔隙度差異性顯著，惠東縣與仁化縣樣地耕作層土壤總孔隙度差異性顯著。犁底層中，4處樣地土壤總孔隙度在36.80%～41.22%，均值為39.04%，表現(xiàn)為惠東縣＞博羅縣＞仁化縣＞英德市，最高的惠東縣為41.22%，最低的英德市為36.80%，4處樣地犁底層土壤總孔隙度差異不顯著（P＞0.05）。

2.1.4 土壤機(jī)械組成。

由圖5可知，耕作層中，4處樣地黏粒含量為3.50%～6.67%，平均值5.14%，表現(xiàn)為仁化縣＞博羅縣＞惠東縣＞英德市，黏粒含量最高的仁化縣為6.67%，最低的英德市為3.50%。犁底層中，4處樣地黏粒含量在5.60%～9.36%，平均值9.01%，表現(xiàn)為博羅縣＞仁化縣＞英德市＞惠東縣，黏粒含量最高的博羅縣為9.36%，最低的英德市為5.60%；土壤黏粒的含量總體表現(xiàn)為犁底層＞耕作層，除惠東縣耕作層與犁底層黏粒含量差異性不顯著（P＞0.05），其余3處樣地均表現(xiàn)為差異性顯著（P＜0.05）。

由圖6可知，耕作層中，4處樣地粉粒含量為30.81%～44.31%，表現(xiàn)為仁化縣＞博羅縣＞英德市＞惠東縣，粉粒含量最高的仁化縣為44.31%，最低的惠東縣為30.81%。犁底層中，4處樣地粉粒含量在43.68%～51.21%，表現(xiàn)為英德市＞博羅縣＞仁化縣＞惠東縣，粉粒含量最高的英德市為51.21%，最低的惠東縣為43.68%；其中博羅縣、仁化縣耕作層與犁底層黏粒含量差異性不顯著（P＞0.05），惠東縣、英德市耕作層與犁底層黏粒含量差異性顯著（P＜0.05）。

由圖7可知，耕作層中，4處樣地砂粒含量49.51%～58.35%，表現(xiàn)為惠東縣＞英德市＞博羅縣＞仁化縣，砂粒含量最高的惠東縣為58.35%，最低的仁化縣為49.51%。犁底層中，4處樣地砂粒含量在40.77%～47.22%，表現(xiàn)為惠東縣＞仁化縣＞英德市＞博羅縣，砂粒含量最高的惠東縣為47.22%，最低的博羅縣為40.77%。土壤砂粒的含量總體表現(xiàn)為耕作層＞犁底層，其中惠東縣、仁化縣耕作層與犁底層砂粒含量差異性不顯著（P＞0.05），博羅縣、英德市耕作層與犁底層砂粒含量差異性顯著（P＜0.05）。

按照國(guó)際制土壤質(zhì)地分類(lèi)［13］對(duì)4處樣地的土壤進(jìn)行土壤質(zhì)地分類(lèi)，耕作層和犁底層分類(lèi)結(jié)果分別為：博羅縣為壤土和粉質(zhì)壤土、惠東縣為砂質(zhì)壤土和壤土、仁化縣為壤土和壤土、英德市為砂質(zhì)壤土和壤土。

耕作層容重、犁底層容重與黏粒、粉粒、砂粒相互呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)性。由表2可知，耕作層容重與黏粒、粉粒以及砂粒的相關(guān)程度分別為顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）、極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）以及極顯著正相關(guān)（P<0.01）；犁底層容重與黏粒、粉粒以及砂粒的相關(guān)程度分別為極弱相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）以及極弱相關(guān)。

2.1.5 土壤微團(tuán)聚體。

耕作層土壤微團(tuán)聚體以0.001～0.005 mm為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)，含量在32.95%～38.59%，平均值為35.50%；其次是0.050～0.250 mm 粒徑，含量在20.67%～24.72%，平均值為23.22%；含量最小的是＜0.001 mm粒級(jí)，含量?jī)H7.42%～10.20%（圖8）。

博羅縣土壤微團(tuán)聚體以0.001～0.005 mm為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)，含量為38.59%，明顯高于惠東縣、仁化縣和英德市，其次是0.050～0.250 mm粒徑，含量為23.67%。其余3處樣地也均以0.001～0.005 mm為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)，含量分別為32.95%、34.98% 和35.49%。

犁底層土壤微團(tuán)聚體以0.001～0.005 mm為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)，含量在25.32%～37.30%，平均值為32.24%，其次是0.050～0.250 mm 粒徑，含量在25.67%～32.34%，平均值為28.02%；含量最小的是0.010～0.050 mm粒級(jí)含量，含量?jī)H3.25%～10.05%（圖9）。

總體來(lái)看，4處樣地耕作層土壤微團(tuán)聚體優(yōu)勢(shì)粒徑為0.001～0.005 mm，且博羅縣含量高于其余3處樣地。犁底層土壤微團(tuán)聚體優(yōu)勢(shì)粒徑在不同樣地表現(xiàn)有所差異，4處樣地犁底層土壤微團(tuán)聚體優(yōu)勢(shì)粒徑分別為0.001～0.005 mm（博羅縣、英德市）和0.050～0.250 mm（惠東縣、仁化縣）。在犁底層中，0.001～0.005 mm粒徑土壤微團(tuán)聚體表現(xiàn)為英德市＞博羅縣＞仁化縣＞惠東縣，但差異不顯著（P＞0.05）；0.050～0.250 mm 粒徑土壤微團(tuán)聚體表現(xiàn)為仁化縣＞英德市＞惠東縣＞博羅縣，且差異不顯著（P＞0.05）。

2.1.7 水分特征曲線擬合。水分特征曲線見(jiàn)圖10～11。

水分特征曲線n值表現(xiàn)為耕作層小于犁底層，博羅縣、惠東縣、仁化縣及英德市的VG模型曲線形狀系數(shù)n值耕作層分別為1.268、1.258、1.269及1.301，犁底層分別為1.311、1.372、1.327及1.322；耕作層α值分別為0.060、0.043、0.035及0.042，犁底層分別為0.054、0.031、0.052及0.050（表3）。

耕作層殘留含水率0.015～0.044 cm3/cm3，犁底層殘留含水率0.021～0.050 cm3/cm3，犁底層顯著大于耕作層殘留含水率（表3）。

3 結(jié)論與討論

耕作涉及土壤機(jī)械擾動(dòng)的各種復(fù)雜機(jī)制，旨在通過(guò)為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造相關(guān)條件來(lái)改善其物理結(jié)構(gòu)，每個(gè)特定的耕作概念對(duì)土壤物理參數(shù)至關(guān)重要。耕層物理性質(zhì)中飽和含水量、容重、總孔隙度以及機(jī)械組成等，在其作物生長(zhǎng)以及產(chǎn)量上等均有不同的影響程度。

4處樣地的耕作層、犁底層的飽和含水量、容重以及總孔隙度分別在28.21%～50.22%、23.33%～26.56%，1.09～1.45 g/cm3、1.55～1.61 g/cm3，43.76%～57.72%、36.80%～41.22%。飽和含水量表現(xiàn)為耕作層大于犁底層，犁底層土壤容重顯著高于耕作層，耕作層土壤總孔隙度顯著高于犁底層，較為主要的因素是耕作層有更多植物根系分布，而總孔隙度、容重也是影響土壤飽和含水量的因素，耕作層在長(zhǎng)期水耕條件下細(xì)黏粒向下部沉降，逐漸填充犁底層的孔隙，這也符合土壤機(jī)械組成當(dāng)中犁底層黏粒占比大于耕作層的現(xiàn)象［15］。

土壤容重是衡量土壤松緊度是否適合作物根系生長(zhǎng)的量化標(biāo)準(zhǔn)之一，當(dāng)容重過(guò)大時(shí)，土壤就會(huì)變緊實(shí)，土壤孔隙度減小，阻礙土壤內(nèi)部通透性，不利于土壤團(tuán)聚體的形成和作物的生長(zhǎng)發(fā)育，從而影響作物產(chǎn)量的提高［16］。該研究4處樣地的高產(chǎn)水田耕作層土壤容重在1.09～1.45 g/cm3，犁底層土壤容重在1.55～1.61 g/cm3，土壤容重隨著土層深度的增加而增大，而水稻種植過(guò)程中，施肥、輪作以及機(jī)械化生產(chǎn)均為影響容重大小的因素［17-18］。墾造水田過(guò)程中，科學(xué)合理的土壤容重范圍，可以避免產(chǎn)生土壤容重過(guò)大所引起的水稻生長(zhǎng)不良的情況［19］。犁底層容重影響肥料向深層遷移，進(jìn)行墾造水田，在之后生產(chǎn)過(guò)程中施加肥料后，可以使肥料在土層中進(jìn)一步均衡分布，有利于作物對(duì)肥料的吸收，減少肥料損失，從而增加產(chǎn)量［20］。在耕作層與犁底層的微團(tuán)聚體主要團(tuán)聚體以0.001～0.005 mm和0.050～0.250 mm范圍粒徑為主，高含量的小粒級(jí)微團(tuán)聚體（<0.020 mm）有助于土壤養(yǎng)分離子的吸附保存，尤其是氮、磷養(yǎng)分；大粒級(jí)微團(tuán)聚體（0.020～0.200 mm）則有助于土壤養(yǎng)分的解吸供應(yīng)［21］。相同含水量下，質(zhì)地越細(xì)，水吸力就愈大，曲線愈陡；反之質(zhì)地越粗，吸力越小，曲線愈平緩［22］。4處樣地?cái)M合參數(shù)n值均值表現(xiàn)為犁底層（1.333）＞耕作層（1.274）。從土壤質(zhì)地結(jié)果來(lái)看，也符合4處樣地犁底層黏粒含量均值大于耕作層黏粒含量的結(jié)果。

綜上可知，容重、飽和含水量、總孔隙度以及土壤微團(tuán)聚體等物理性質(zhì)存在一定的相關(guān)關(guān)系，其水分特征曲線有較為清晰直觀的呈現(xiàn)。目前墾造水田建設(shè)當(dāng)中的耕作層剝離再利用以及犁底層構(gòu)造是其中的關(guān)鍵技術(shù)，將高產(chǎn)水田土壤物理結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)化展現(xiàn)，一定程度上有助于廣東省出臺(tái)墾造水田項(xiàng)目指導(dǎo)性規(guī)范文件工作的開(kāi)展，進(jìn)一步推進(jìn)廣東省墾造水田相關(guān)工作，此外，也能為墾造水田項(xiàng)目的全國(guó)推廣提供有力的數(shù)據(jù)參考。

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基金項(xiàng)目 廣東省自然資源廳科技項(xiàng)目（GDZRZYKJ2021003）。

作者簡(jiǎn)介 閆林源（1998—），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：園林植物與觀賞園藝。*通信作者，高級(jí)工程師，從事耕地保護(hù)研究。

收稿日期 2022-08-03