張?jiān)抡?，韓萬海

(1.甘肅省武威市中心灌溉試驗(yàn)站，甘肅 武威 733000；2.甘肅省武威市水利技術(shù)綜合服務(wù)中心，甘肅 武威 733000)

土壤密實(shí)度作為土壤水分運(yùn)移和保持的主要常規(guī)土壤物理參數(shù)，它的變化主要與農(nóng)業(yè)耕作和土壤含水量的變化有關(guān)。對(duì)于農(nóng)田表層土壤，土壤密實(shí)度在自然和人類活動(dòng)的共同作用下，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在年內(nèi)也發(fā)生某種周期性的變化，灌溉或降水過程是導(dǎo)致其變化的主要原因。本文擬在玉米膜下滴灌不同灌水處理?xiàng)l件下，分析全生育期農(nóng)田表層土壤密實(shí)度隨時(shí)間和含水率的變化趨勢，建立數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)通過實(shí)際測得的含水率對(duì)土壤密實(shí)度進(jìn)行預(yù)報(bào)，研究結(jié)果可為下一步進(jìn)行不同土壤密實(shí)度狀態(tài)下土壤水分入滲參數(shù)預(yù)測等模型的建立和應(yīng)用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年4-10月在甘肅武威市中心灌溉實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。選用在甘肅武威廣泛種植的大田玉米品種“先玉335號(hào)”。試驗(yàn)采用本區(qū)玉米膜下滴灌主要種植模式：1膜2管4行玉米，滴灌帶鋪設(shè)在膜下兩行玉米中間，行距為30 cm，株距27 cm。地膜采用幅寬為1 400 mm，厚為0.008 mm的薄膜，覆膜后用玉米專用穴播機(jī)進(jìn)行人工穴播，每穴玉米籽粒1～3粒。播前施入磷二銨525 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，追肥時(shí)隨滴水施入尿素。其他管理措施按大田栽培模式進(jìn)行。灌溉用抽取地下水，地下水埋深42 m，地下水礦化度0.71 g/L，水質(zhì)符合灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)不同灌水處理設(shè)計(jì)方案見表1。3個(gè)處理隨機(jī)排列，設(shè)3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積4.5 m×6 m。試驗(yàn)區(qū)周圍布置有保護(hù)行。每小區(qū)布置滴管6條，滴管直徑15 mm，滴頭間距30 cm，運(yùn)行壓力調(diào)試在1.5～2.0 kg/cm2之間，滴頭流量為2.1～2.8 L/h。各處理小區(qū)每區(qū)設(shè)置控制閥1個(gè)，水表計(jì)量，準(zhǔn)確灌溉。

表1 玉米膜下滴灌不同灌水處理設(shè)計(jì)方案 m3/hm2

1.2 土壤條件

武威市中心灌溉試驗(yàn)站土壤質(zhì)地屬灰鈣質(zhì)輕沙壤土，富含氮、磷、鉀，土壤物理屬性為偏堿性。土壤表層深度一般為0～20 cm，土壤通透性好，孔隙率為52%，田間最大持水率為22%～25%，土壤有機(jī)質(zhì)含量0.4～0.8 g/kg，密度1.54 g/cm3，含鹽量0.12～0.56 g/kg。大田土壤顆粒分析結(jié)果：土壤粒徑<0.002 mm，顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.73%；粒徑0.002～0.02 mm, 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.52%，粒徑0.02～2 mm, 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)77.25%。

1.3 測試項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)測試項(xiàng)目有玉米不同生育期土壤灌水前及脫水過程中的土壤密實(shí)度、含水率、地表開裂時(shí)間等。

土壤密實(shí)度的測定采用環(huán)刀法，試驗(yàn)主要儀器為環(huán)刀(體積100 cm3，高度8 cm)、烘箱和電子天秤(精度為0.000 1 g)。

土壤含水量測定采用烘干法，測點(diǎn)位置分別在滴管下部、膜中、棵間共3個(gè)點(diǎn)，取其平均值。

氣象觀測采用武威市中心灌溉試驗(yàn)站氣象觀測數(shù)據(jù)，主要觀測降雨量、蒸發(fā)量、溫度、濕度、日照時(shí)數(shù)及風(fēng)速風(fēng)向等氣象要素。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理土壤密實(shí)度隨時(shí)間的變化過程

土壤密實(shí)度γ作為反映土壤結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。為研究不同灌溉定額下玉米不同生育期農(nóng)田表層土壤的密實(shí)度變化情況，從5月23日至9月21日共測9次土壤密實(shí)度，將與其對(duì)應(yīng)的時(shí)間畫于圖1和圖2中，進(jìn)而分析農(nóng)田表層土壤密實(shí)度隨時(shí)間的變化趨勢。

2.1.1 0～10 cm土層土壤密實(shí)度變化過程

玉米各生育期農(nóng)田0～10 cm土層土壤密實(shí)度隨時(shí)間的變化曲線如圖1所示。由圖1可知，3個(gè)處理土壤密實(shí)度隨時(shí)間變化趨勢基本一致，在5月23日玉米拔節(jié)前期未灌水，土壤密實(shí)度各出現(xiàn)一個(gè)最小值，在6月8日玉米拔節(jié)期灌水后第3 d，土壤密實(shí)度各出現(xiàn)一個(gè)最大值，同時(shí)灌水后比灌水前土壤密實(shí)度平均增大了0.29 g/cm3，具體情況見表2。由圖1及表2可以看出，0～10 cm土層土壤密實(shí)度的變化受灌水過程的影響較大，與灌水量的多少?zèng)]有關(guān)系，同時(shí)在土壤脫水過程中，土壤密實(shí)度逐漸減小，減小到一定值時(shí)，趨于穩(wěn)定。

圖1 玉米各生育期0～10 cm土層土壤密實(shí)度的變化曲線

2.1.2 10～20 cm土層土壤密實(shí)度變化過程

玉米各生育期農(nóng)田10～20 cm土層土壤密實(shí)度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示，由圖2可以看出，3個(gè)處理10～20 cm土層土壤密實(shí)度與0～10 cm土層變化情況基本相似，同樣玉米全生育期土壤密實(shí)度最小值出現(xiàn)在5月23日，而最大值卻出現(xiàn)在9月10日玉米乳熟期灌水后第4 d，同時(shí)灌水后比灌水前土壤密實(shí)度平均增大了0.27 g/cm3，具體情況見表3。

由圖1、圖2、表2和表3可知，灌水過程對(duì)農(nóng)田表層土壤密實(shí)度的影響十分明顯。灌水前，土壤密實(shí)度在1.30～1.40 g/cm3變化范圍內(nèi)，經(jīng)歷灌水過程后，首次測得土壤密實(shí)度在1.58～1.67 g/cm3變化范圍內(nèi)，比灌水前土壤密實(shí)度明顯增大。其原因主要是灌水和降雨后，表層土壤得到相對(duì)飽和，土粒間的水膜隨著含水率的增加而逐漸增厚，土粒間的距離增大，使得土壤的黏結(jié)性大為減弱，部分表層土粒結(jié)構(gòu)會(huì)崩解，從而灌水前疏松均勻的土壤表面不復(fù)存在。灌水停止后，表層土壤水分在重力作用下從大孔隙中排出，土壤表面下陷，由于土體內(nèi)的水分運(yùn)動(dòng)以及外界大氣蒸發(fā)，促使表層土壤水分的降低，這樣土粒間的水膜開始變薄，引力增大，從而使得土壤黏結(jié)力增強(qiáng)，土壤表層便會(huì)形成一個(gè)致密層，此時(shí)的表層土粒排列緊密，土壤密實(shí)度自然較灌水前要大。

圖2 玉米各生育期10～20 cm土層土壤密實(shí)度的變化曲線

取土處理最小值出現(xiàn)時(shí)間(5月23日)最小值最大值出現(xiàn)時(shí)間(6月8日)最大值處理1未灌水1.336月5日灌水后3d1.61處理2未灌水1.306月5日灌水后3d1.63處理3未灌水1.336月5日灌水后3d1.58

表3 10～20 cm土層土壤密實(shí)度最大最小值變化情況 g/m3

2.2 不同灌水處理土壤密實(shí)度隨含水率的變化過程

土壤密實(shí)度隨時(shí)間的變化，實(shí)際是由于隨著灌水和降雨過程的增加，土壤含水率逐漸降低所致。因此，土壤密實(shí)度與含水率間存在某種數(shù)量關(guān)系。將5月23日開始測得的土壤密實(shí)度與含水率值點(diǎn)繪于圖3中，對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合得到3種處理土壤密實(shí)度與含水率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 T1、T2和T3土壤密實(shí)度與含水率關(guān)系曲線

由圖3可以看出：①在土壤脫水過程中，土壤密實(shí)度先隨著含水率的降低而變大，當(dāng)達(dá)到極大值時(shí)，土壤密實(shí)度又呈減小趨勢；②土壤密實(shí)度與含水率間符合二次函數(shù)關(guān)系，3種處理T1、T2、T3土壤密實(shí)度與含水率間的相關(guān)系數(shù)變化在0.89～0.93之間，具體見表4。

表4 3個(gè)處理土壤密實(shí)度與含水率關(guān)系方程

3 結(jié) 語

⑴灌水和降雨過程對(duì)土壤密實(shí)度的影響較大，農(nóng)田土壤灌水后表層土壤密實(shí)度平均增大了0.28 g/cm3。

⑵土壤密實(shí)度與灌水量的多少關(guān)系不大，土壤密實(shí)度不隨灌水定額增大而增大(或減小)。

⑶農(nóng)田表層土壤在灌溉或降水后的脫水過程中，土壤密實(shí)度與含水率之間存在一定的數(shù)量關(guān)系，可用二次函數(shù)關(guān)系式表述，即土壤密實(shí)度隨含水率的遞減，先變大，后變小，最后趨于穩(wěn)定。

⑷由于試驗(yàn)土壤類型間的物理特性差異較大，土壤密實(shí)度與含水率間的數(shù)量關(guān)系還需要進(jìn)一步深度分析研究，這將對(duì)農(nóng)田合理灌溉和防治土壤板結(jié)具有重要意義。

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