桂林地区轮作与非轮作条件下水稻土收缩变化研究

郑思文，朱彦光，严 磊，陈晓冰*，徐勤学，甘 磊

(1.桂林理工大学，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学，环境科学与工程学院，广西 桂林 541004；3.桂林理工大学，广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

【研究意义】农地土壤在自身含水量逐渐降低的过程中，土体会向内部凹陷、收缩产生裂隙，增大土体表面积，造成水分、养分快速的流失，甚至引起地下水污染[1]。同时，土壤收缩会在一定程度上影响作物根系的生长发育，改变作物根系的分布和吸水，甚至造成作物根系的生理损伤[2]。轮作是农业上一种重要的耕作手段，可以较好的改善土壤理化性质，调节土壤结构[3-4]。水旱轮作还可改变土壤的生态环境，增加水田土壤的非毛管孔隙，提高氧化还原电位，有利土壤通气和有机质分解，消除土壤板结[5]，因此研究不同耕作条件下的土壤收缩变化具有重要意义。【前人研究进展】土壤收缩变化是受土壤质地、土壤结构、以及土壤含水量等多种土壤性质在外界综合环境作用下产生的结果，是一个复杂的过程[6-7]。邵明安等[8]用压力室法测定5种土壤在脱水收缩过程中的土壤比容重、质量含水率和土壤收缩之间的关系，并采用三直线模型分析得到在不同比容重下土壤收缩曲线[9]。陈祯等[10]通过采用淹灌、间歇灌2种灌溉模式，发现水稻田土壤湿胀干缩效应受多种土壤性质的影响。吕殿青等[11]以黄土高原3种原状土壤为研究对象，通过利用用离心机法测定土壤的持水性，发现在土壤脱水过程中对数函数可以很好的描述土壤持水特征曲线。针对土壤轮作的研究则主要集中在土壤轮作对土壤pH、土壤肥力、矿物质吸收、作物产量等的研究。通过对水稻—大棚番茄进行水旱轮作，王克磊等[12]发现了不同耕作方式对土壤pH、电导率以及产量的影响，轮作可以很好的降低土壤酸碱度，提高产量。为研究不同磷肥用量对水稻—油菜轮作体系中作物产量、磷素吸收量以及磷肥当季利用率和残留利用率的影响，卜容燕等[13]通过采用水稻—油菜周年轮作的田间试验，发现水稻—油菜轮作可以显著地增加油菜的产量和磷素吸收量，对后季油菜具有明显的后效。【本研究切入点】目前的研究多基于土壤收缩与土壤轮作单一因素展开，将土壤耕作方式和土壤收缩结合，尤其是在自然失水过程中轮作与非轮作条件下土壤收缩变化的研究较少。【拟解决的关键问题】在轮作与非轮作条件下，通过利用利用Soil Shrinkage Simulator (SSS)软件对土壤收缩曲线的拟合，分析不同耕作方式下土壤收缩变化，为水稻安全生长提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与采样

研究区位于广西壮族自治区桂林市雁山区农业科学院内(25°04′N，110°18″E)，海拔高度为151.5 m，年平均气温为19.3 ℃，年平均降雨量为1949.5 mm，属亚热带季风气候，土壤类型主要为红壤，土壤质地以砂壤土为主。选取双季水稻田作为研究对象，早稻生育期一般为4月上旬至7月中旬，晚稻生育期一般为7月中旬至11月中旬，其产量为：早稻7713 kg/hm2、晚稻9442.5 kg/hm2。在冬季空闲时，轮作区则选择在双季水稻田的基础上种植油菜进行轮作。在种水稻前，研究区进行淹水“打田”，以机器整地为主，经过粗耕、细耕和整平三个过程。粗耕、细耕和整平分别作用在40～50 cm土层、20～30 cm土层和0～10 cm土层。

在采样点用环刀(100 cm3)采集水稻田的原状土壤样品，由于水稻是须根系，根细而密，其主要功能根群主要集中在50 cm土层内，而且水稻田整地的三个过程深度不同。因此样品采集深度分别为：0～8、18～26和40～46 cm，每个深度5个重复。在采集环刀土样的同时，采集散装土样，用于实验室土壤理化性质分析。

1.2 土壤基本性质测定

土样的基本理化性质测定包括：土壤容重、土壤孔隙度、土壤质地和土壤有机质。土壤容重和土壤孔隙度采用环刀法进行测定；土壤质地采用吸管法进行测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法进行测定，具体实验方法步骤参考《土壤农业化学分析方法》[14]。

1.3 收缩试验

利用深度游标卡尺测量方法，对土壤收缩进行测定。将田间采集的原状土样放入水中进行2～5 d的饱和处理后，利用深度游标卡尺对土样高度进行测量(为减小测量误差，每次测量土样表面相同的五个点)。用同样的方法分别测定自然风干24、48、72、96和120 h以及在105 ℃条件下烘1 d后的土样质量和高度。

1.4 统计分析

土壤的线性伸展系数(Coefficient of linear extensibility，COLE)可以用来描述土壤在湿润和干燥两点间收缩幅度情况，计算式为[15]：

(1)

式中：L0为土壤样品湿润条件下的长度(mm)，L105°C为土壤样品经过105 ℃烘干后的长度(mm)。

由于土壤线性伸展系数只能描述两点之间的收缩幅度，不能描述土壤在各个含水量状态下连续收缩情况。因此本研究引入土壤收缩曲线，采用的是Peng和Horn[16]在van-Genuchten方程的基础上修改而得的收缩曲线模型进行拟合，该模型只需要将各个参数、数据的平均值导入即可，其具体表达式为：

(2)

式中：e(ϑ)、ϑ、 ϑs、er、es分别为土壤孔隙比(cm3·cm-3)、土壤水分比(cm3·cm-3)、饱和水分比(cm3·cm-3)、土壤剩余孔隙比(cm3·cm-3)、土壤饱和点孔隙比(cm3·cm-3)，χ、p、q是无量纲的拟合参数，可以通过Soil Shrinkage Simulator(SSS)软件计算得出，其他数据通过SPSS18.0及Excel 2010软件处理分析。

表1 水稻田土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of paddy soil

注：同试验地中同列不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对土壤物理性状的影响

从不同耕作方式下土壤质地等土壤物理性状(表1)可以看出，0～8 cm土层，轮作区和非轮作区土壤的粉粒含量最大，在18～26 cm和40～46 cm轮作区黏粒含量最大，砂粒最小，而非轮作区则表现为粉粒最大，黏粒最小。在相同条件下，轮作区的土壤容重大于非轮作区且轮作区土壤容重随土壤深度的增加而增大。非轮作区在18～26 cm土层土壤容重最大，其余两层土壤容重差异不显著(P>0.05，下同)。在土壤有机质方面，轮作与非轮作区的土壤有机质含量均随土层深度增加而逐渐减小，其中0～8 cm土层的有机质含量都明显大于其余两层土壤(P<0.05，下同)。从土壤孔隙度方面看，0～8 cm土层的土壤孔隙度最大，其余两层孔隙度在轮作区差异显著，但在非轮作区差异不显著。

2.2 不同耕作方式对土壤收缩特征的影响

2.2.1 土壤线性伸展 从不同条件下的土壤体积含水量变化(表2)可知：在相同条件下，非轮作区土壤含水量基本上大于轮作区。在不同风干条件下，轮作区表层土壤含水量比深层含水量大，而非轮作区除饱和条件下却正好相反，说明土层深度能够影响土壤含水量。

从不同条件下土壤线性伸展系数(表3)可知：土壤线性伸展系数随土层深度的增加而减小。在轮作区0～8 cm土层和18～26 cm土层土壤的线性伸展系数差异不显著，40～46 cm土层土壤的线性伸展系数小于前两层且与前两层土壤差异显著。在非轮作区0～8 cm土层的土壤线性伸展系数最大，大于相同条件下的轮作区，40～46 cm土层最小，小于相同条件下的轮作区，且土壤的线性伸展系数随土壤深度增加而逐渐减小的趋势大于轮作区。结合表2～3可知，轮作会在一定程度上影响土壤的持水能力，增强土壤的线性收缩能力。

2.2.2 土壤收缩曲线 从轮作与非轮作试验区水稻田原状土样收缩曲线拟合相关参数及曲线各阶段拐点(表4～5)可见，非轮作区土壤的es和er值整体上大于轮作区，说明轮作可以改变土壤的孔隙状况，使土壤的孔隙比减小。

结合表5以及水稻田土壤四个收缩阶段的水分损失和体积变化(表6)可知，在两种不同耕作方式下，线性收缩阶段在整个收缩过程中的占比都是最大的，占总水分损失的36 %～54 %，占总体积变化的56 %～72 %。其次是剩余收缩阶段，占总水分损失的21 %～46 %，占总体积的18 %～42 %。结构收缩阶段约占总水分损失的1 %～10 %，总体积变化的0～22 %。最后是零收缩阶段，仅占总体积变化的0～4 %，在非轮作区40～46 cm土层土壤体积收缩量为0，不存在土壤体积收缩。

表2 不同风干条件下水稻田土壤含水量Table 2 Soil moisture content in paddy field under different air drying conditions (cm3·cm-3)

注：同试验地中同列不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

表3 不同风干条件下水稻田土壤线性伸展系数Table 3 Linear extension of paddy soil under different air drying conditions

注：同试验地中同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，n=5。
Note:Different lowercase letters show significant differences in the same column in the same field (P<0.05),n=5.

表4 水稻田土壤收缩曲线参数Table 4 Parameters of soil shrinkage curve in paddy field

表5 水稻田土壤收缩曲线对应的5个拐点Table 5 The five inflection points corresponded with shrinkage curve in paddy field (cm3·cm-3)

注：饱和点(ϑs,es)、湿润弯曲点(ϑshw,eshw)、进气点(ϑae,eae)、收缩限点(ϑshl,eshl)和干燥点(ϑ0,er) 等分别为收缩曲线5个拐点。
Note:The saturation point of contraction curve (ϑs,es), wet bending point (ϑshw,eshw), intake point(ϑae,eae), shrinkage limit point (ϑshl,eshl) and dry point (ϑ0,er) are five inflection points of the contraction curve.

从轮作与非轮作条件下水稻田原状土壤在室内自然风干条件下的收缩曲线(图1～2)可知：在自然风干条件下，随着土壤的水分比逐渐减小，轮作和非轮作条件下的土壤收缩曲线大致呈现“S”型，除非轮作区40～46 cm土层外。在轮作条件下，0～8 cm土层对应的收缩曲线位于最上方，40～46 cm土层对应的的土壤收缩曲线位于最下方。在非轮作条件下，0～8 cm和40～46 cm土层的所处的位置正好与轮作条件下相反。

2.3 土壤线性伸展系数与土壤基本性质相关性分析

由表7可知，土壤的线性伸展系数与土壤容重、饱和点孔隙比、有机碳、孔隙度均存在着比较明显的相关性，其相关性系数分别为-0.84、0.82、0.86、0.85，但与土壤的剩余孔隙比(er)相关性不明显，其相关性系数为0.35，说明土壤的剩余孔隙比(er)对土壤的线性伸展系数存在一定影响但影响不大。另外，土壤线性伸展系数与土壤容重(BD)呈现较明显的负相关性(-0.84)，而与其他土壤基本性质成正相关，说明土壤容重是土壤收缩的主要影响因素之一，土壤线性伸展系数随土壤容重的增大而减小。

表6 水稻田土壤4个收缩阶段的水分损失和体积变化Table 6 Water loss and volume change during four contraction stages of paddy soil试验地 (%)

注：ss，ps，rs，zs分别表示结构收缩、线性收缩、剩余收缩和零收缩。
Note:ss, ps, rs, zs represent structural shrinkage, linear shrinkage, residual shrinkage and zero shrinkage respectively.

表7 水稻田土壤基本性质相关性分析Table 7 Correlation analysis of soil basic properties in paddy field

3 讨 论

非轮作区表层(0～8 cm)土壤线性伸展系数大于轮作区，而较深的两层土壤线性伸展系数却小于轮作区。产生其差异的原因可能是表层土壤的黏粒含量接近，但是在其他深度两层土壤中，轮作区黏粒含量大于非轮作区土壤黏粒含量。土壤黏粒具有很好的可塑性、胀缩性以及黏结性，是影响土壤收缩特征的一个重要因素[3]。根据Greene-Kelly[16]研究发现土壤的收缩能力与土壤中的膨胀性黏土矿物含量成显著相关；其次，由于人为作用的影响，轮作区与非轮作区表层土壤经过人为的除草、整平等作用改变了土壤的结构，使表层以下土壤被压实，容重变大。有研究发现，土壤容重是影响土壤收缩的重要因素，土壤的收缩能力随着土壤容重的增大而减低[17]。轮作区与非轮作区表层土壤的容重小，结构疏松，孔隙较多，其土壤收缩能力就越大，土壤线性伸展能力也越大[18-19]，这与本研究中土壤线性伸展系数与土壤容重呈现的负相关(-0.84)是一致的。

散点表示拟合曲线的拐点(实心)和实测值(空心)，曲线表示拟合值The divergence points represent the inflection points (solid) of fitting curves and the measured (hollow) curves represent the fitting values图1 轮作条件下水稻田土壤收缩曲线Fig.1 Soil shrinkage curve under rotation condition

散点表示拟合曲线的拐点(实心)和实测值(空心)，曲线表示拟合值The divergence points represent the inflection points (solid) of fitting curves and the measured (hollow) curves represent the fitting values图2 非轮作条件下水稻田土壤收缩曲线Fig.2 Soil shrinkage curve under non-rotation in paddy field condition in paddy field

本研究结果表明，土壤收缩特征曲线拟合值和原状土壤样品的实测值能够很好的拟合(R2>0.97)。但在不同耕作方式下土壤收缩仍然存在着较明显的差异。轮作区和非轮作区前两层土壤的收缩特征曲线呈现“S”型，但是在40～46 cm土层非轮作区土壤则呈现线性关系。说明不同耕作方式对土壤收缩具有一定程度上的影响。另外，表层土壤孔隙数量要大于其他土层，且土壤中的孔隙总数整体上随土壤深度的增加而减小，这与陈晓冰等[20]的研究相一致。作物根系的发育和延伸也会对表层土壤的收缩有影响。表层土壤根系发达，根系通过根孔影响土壤孔隙，许多研究表明植物根系是土壤大孔隙形成的主要原因之一[21]。土壤中的大孔隙数量越多，其孔隙表面积越大，水分越容易被蒸发，土壤越容易收缩[22]。在不同含水量条件下，轮作区土壤线性伸展系数不同，表现出土壤含水量越大土壤线性伸展系数越大的趋势。在整个收缩阶段，非轮作区的线性收缩阶段和剩余收缩阶段的体积变化总体上大于轮作区，而结构收缩阶段和零收缩阶段却小于轮作区。非轮作在土壤体积收缩上的差异与土壤水分差异一致。这说明土壤含水量也能在一定程度上影响土壤收缩。经过人为翻耕的轮作区土壤结构受到破坏，持水能力减弱。本研究结果表明，轮作区土壤含水量整体上小于非轮作区，这与黄永根等[23]发现实行农田轮作后，土壤含水量相对于轮作前有所减小的结果相吻合。张中彬[24]研究发现土壤含水量是影响土壤收缩幅度的重要因素之一，两者呈现显著正相关关系，土壤含水量越大，土壤收缩也就越明显。虽然轮作条件下土壤持水能力有所减弱，但是土壤颗粒的粒级大小和比例发生改变，土壤含水量得到改善，从而增强了土壤的收缩能力[25]。

4 结 论

轮作和非轮作区水稻田原状土壤的线性伸展数随土壤深度的增加而减小，其中表层土壤的线性伸展系数最大。土壤含水量与土壤收缩呈现出大致相同的变化趋势，在土壤失水收缩阶段，土壤的线性收缩阶段损失的水分和体积变化最大，其中水分损失和体积变化分别超过了整个失水阶段的36 %和58 %。轮作可以有效的改善土壤理化性质，调节土壤结构，增强土壤收缩能力，消除土壤板结。

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