不同土體構型土壤的持水性能

崔浩浩，張　冰，馮　欣，高業新

(中國地質科學院水文地質環境地質研究所， 河北 石家莊 050061)

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不同土體構型土壤的持水性能

崔浩浩，張冰，馮欣，高業新

(中國地質科學院水文地質環境地質研究所， 河北 石家莊 050061)

通過GMS軟件三維建模功能，將寧夏某葡萄基地土壤劃分為4種土體構型：壤砂型、砂型、壤砂粘型和壤粘砂型結構，并對基地土壤的田間持水量、飽和導水率和容重進行了分析，研究了不同土體構型下的土壤持水性能。結果表明，土壤土體構型不同，其容重、田間持水量、土壤飽和導水率也不同。砂型結構的田間持水量和容重最小，分別為13%和1.5 g·cm-3，而土壤飽和導水率最大，為3.2 m·d-1；壤粘砂型結構田間持水量和容重最大，分別為16.5%和1.63 g·cm-3，而土壤飽和導水率最小，為1.02 m·d-1；田間持水量與土壤飽和導水率的相關系數為-0.92，呈顯著負相關，與容重的相關系數為0.73，呈顯著正相關。壤粘砂型土體構型上壤下粘，利于保水保肥，持水性能最好；砂型結構持水性能最差，其他土體構型持水性能一般，需要進行改良以提高土壤的持水性能。

土體構型；土壤飽和導水率；田間持水量；土壤持水性能

土壤水分是決定作物生長的關鍵生態因子，影響著土壤的理化性質和肥力，直接影響作物的生長和發育。土壤持水性能制約著土壤對水的吸持和貯存，是土壤水分管理必不可少的資料[1]，提高土壤持水性能可以改善土壤抗旱性，促進農業增產增收。研究影響土壤持水性能的因素，探索其影響機理，可以針對不同的土體構型采取不同的措施以提高土壤的持水能力。土壤持水性能的相關研究已有較多[2-5]，但是實際土壤持水性能受眾多因素綜合影響，包括：土壤結構、土壤鹽分、土壤有機質、土壤總孔隙度、土壤粘粒含量、毛管孔隙度、土壤粉粒含量等[6-9]，且不同的改善措施適用于不同類型土壤，評價方法也缺乏規范[10]。而土體構型，作為土體內不同質地土層的排列組合，對土壤水、肥、氣、熱和水鹽運移都有著重要的制約和調節作用，不僅影響土壤的形態特征及其發育程度，同時也反映了土壤的持水性能[11-12]。研究土壤土體構型與土壤持水性能的關系，將有助于為以后作物的規劃、種植、施肥以及合理的土壤水分管理措施提供科學依據，亦可以為土壤資源的評價、制定合理的用水措施和種植方式等提供依據。

本文以寧夏賀蘭山東麓某葡萄種植基地為研究區，通過GMS (Groundwater modeling system)軟件利用鉆孔數據將該基地的土壤劃分為4種土體構型，并分析了不同土體構型的土壤持水性能，為該基地的土壤改良及節水灌溉提供指導。

1　材料與方法

研究區為賀蘭山東麓地區中部的某葡萄種植基地。該區屬中溫帶干旱氣候區，大陸性氣候特征十分明顯，光能資源豐富，年均氣溫8.7℃，夏季平均氣溫在20℃以上；年均降水量為201.4 mm，年均蒸發量為1 470.1 mm；該區位于賀蘭山的山前洪積扇，土壤侵蝕度輕，土層深厚，氮、磷、鉀等營養元素缺乏[13-14]。

整個研究區面積約4 km2，以大約220 m×220 m的網格均勻布設了157個鉆孔點，其中包括82個土壤田間持水量和容重采樣點及36個土壤飽和導水率采樣點。結合葡萄根系的生長范圍及主要耕作層確定鉆孔深度為180 cm，田間持水量及容重采樣深度為40 cm，土壤飽和導水率采樣深度為10～20 cm。實際取樣點分布見圖1。

采用專門的土壤采樣器進行鉆探，同時進行地層描述，巖性發生變化時取樣，回到室內后利用馬爾文2000激光衍射粒度分析儀進行顆粒分析，確定巖性命名；采用改進的威爾科克斯法(沙箱法)[15]開展田間持水量的試驗工作，取樣前用鐵锨開挖40 cm深的取樣坑，平整好取樣面，利用環刀取樣，環刀重及樣品重均在野外現場稱量。取好環刀樣后，蓋好頂底蓋帶回室內待測，每個采樣點取3個環刀樣，試驗結果取均值作為該點的田間持水量；土壤飽和導水率的室內測定方法有定水頭滲透儀法和變水頭滲透儀法[16]。在本次工作中參考了國標LY/T 1218-1999《森林土壤滲濾率的測定》[17]，采用滲濾筒法進行測定。試驗所需的土柱為原狀土，取樣深度為10 cm，在野外取樣時，先在地表用鐵锨開挖深度為10 cm的取樣坑，去除表層浮土并平整出一個平面，然后把滲濾筒有刃的一面朝下放在平面上垂直下壓，緩緩用力防止土柱被破壞，到達取樣深度后，用削土刀挖出滲濾筒，并將底面削平墊上濾紙，用紗布包好，用橡皮筋沿滲透桶將紗布箍緊，帶回室內待測。

利用鉆孔數據，通過GMS軟件劃分土體構型；進行室內試驗獲得田間持水量、容重及土壤飽和導水率，并分析不同土體構型下三者的特征。

2　結果與分析

2.1土壤顆粒分析

經室內顆粒分析(表1)，按照土壤質地分類標準(見表2)將樣品分為砂壤土和砂土，然后再按照砂土的分類標準(見表3)將砂土細分為細砂和粉砂，由于粘性土的分布較少，其厚度較薄，所取的樣品數量較少不足以進行顆粒分析，因此，根據野外經驗將其定名為亞粘土。

表1　土壤顆粒分析結果

表2　土壤質地分類標準[18]

表3　砂土的分類標準[19-20]

2.2土體構型劃分

通過GMS軟件三維建模功能，在總體分析157個鉆孔資料的基礎上，根據不同土層的垂向排列特征、砂體、粘性土分布的空間形態、沉積地貌-地質體的地理分布特征和沉積相的繼承法則、特殊巖土理化特征、成因類型等幾項指標將調查區的土壤結構劃分為4大類：壤砂型、砂型、壤砂粘型和壤粘砂型結構。

壤砂型結構是指上層是砂壤土，下層是砂土的結構，上部砂壤土的厚度一般為30～50 cm。其特征基本是通氣性、透水性好；砂型結構是指在鉆探深度范圍內其巖性全部為粉砂、細砂或者二者互層的結構，此種結構土壤顆粒較大，透水性強，保水保肥能力差；壤砂粘型結構主要是指上部為砂壤土，底部是亞粘土，中間是砂土的混合結構，也包括壤-砂-粘-砂、砂-粘-砂等結構。粘土一般呈透鏡體狀，延續性差，這種結構底部是粘性土，其主要肥力特征為保水、保肥性好，養分含量豐富，土溫比較穩定，但是砂壤土厚度較薄，而中間的砂層較厚，水分將會從側面流失，仍然不利于保水保肥；壤粘砂型結構是指上部為砂壤土，底部為砂土，中間為亞粘土，這種結構的特點是上層壤土疏松，下層粘土保水托肥，利于土壤肥力的保持。其中壤砂型結構占主要部分，其他三種土體構型較少。砂型結構呈片狀分布，壤砂粘、壤粘砂型結構呈零星孤島狀分布(圖2)，各土體構型的剖面特征見圖3。

2.3田間持水量

田間持水量是指土壤排除重力水分后，本身所能保持的毛管懸著水的最大數量，它是衡量田間土壤持水性能的重要指標，可視為對作物生長有效的土壤水分的上限；也是研究土、水、植物關系，研究土壤水分狀況，制定土壤改良措施，確定合理灌水定額等方面的不可缺少的水分常數[22-22]。

本文根據實地土壤的特性，共測試了82個田間持水量，通過對82個數據進行統計分析得出田間持水量均值為14.97%，最小值為5.27%，最大值為27.28%(表4)。

表4　田間持水量統計特征值

利用82個田間持水量數據繪制平面等值線圖(圖4)，可以清楚看到整個葡萄基地田間持水量分布的特征，田間持水量高、低區域基本呈條帶狀分布，在園區中部和東西兩側田間持水量較低，其它區域田間持水量較高，均在15%以上。

2.4土壤飽和導水率

土壤飽和導水率又稱土壤滲透系數，是土壤被水飽和時單位水壓梯度下通過垂直于水流方向的單位土壤截面水流速度；土壤飽和導水率是研究土壤水分運移工作的重要參數之一，也是農業土壤滲透性能好壞的一個指標，直接影響作物的生長發育[23-24]。本次共選取36個點進行土壤飽和導水率試驗，均值為1.37 m·d-1，最小為0.19 m·d-1，最大6.55 m·d-1，最大值比最小值大數十倍。變異系數為1.07(表5)，說明整個種植區土壤的滲透系數并不均勻，離散程度較大；而且同一種巖性其滲透系數大小也有差異，這是因為在取樣深度范圍內分布有作物根系、蟲孔等縫隙，取樣土柱存在優先流通道導致的。

表5　土壤飽和導水率統計特征值(K，m·d-1)

由圖5可以看出，整個園區的北部區域土壤飽和導水率較低，普遍小于1 m·d-1，而南部區域相對較大，個別區域達到3～4 m·d-1。

2.5不同土體構型土壤持水性能分析

葡萄基地的土體構型劃分為：壤砂型、砂型、壤砂粘型和壤粘砂型4種。按照不同的土體構型統計出田間持水量、土壤飽和導水率及容重的平均值(見表6)。

表6　不同土體構型的土壤持水性能參數

從表6可以看出砂型結構的田間持水量和容重最小，而土壤飽和導水率最大；壤粘砂型結構田間持水量和容重最大，而土壤飽和導水率最小。對田間持水量、土壤飽和導水率及容重進行相關分析得出，田間持水量與土壤導水率的相關系數為-0.92，呈顯著負相關，土壤飽和導水率越大則田間持水量越小；與容重的相關系數為0.73，呈顯著正相關，容重越大則田間持水量越大(表7)。

圖1　取樣點分布

圖3　土體構型剖面特征

圖4　田間持水量等值線分布

圖5　土壤飽和導水率等值線

土壤土體構型不同，其容重、田間持水量、土壤飽和導水率也不同。由圖6～圖8可以看出，由砂型向壤粘砂型結構過渡，容重和田間持水量的變化趨勢基本相同，均逐漸增大；而土壤飽和導水率的變化趨勢則恰好相反。從土體構型角度分析，砂型結構主要由砂土構成，顆粒較粗，孔隙較大，土體松散，導致容重偏小，土壤飽和導水率大，不利于保水，使得田間持水量較低，土壤持水性能差；而壤粘砂型上部主要是砂壤土，表層疏松、耕性良好、適種性廣，下部主要為亞粘土，水分不容易流失，起到保水托肥作用，故持水能力較強；壤砂型和壤砂粘型的差異性不明顯，介于砂型和壤粘砂型二者之間，持水性能一般。

圖6　不同土體構型土壤的田間持水量

圖7　不同土體構型的土壤導水率

圖8不同土體構型的土壤容重

Fig.8Bulk density of soil body configuration

以上分析得出土體構型不同其持水性能也不同，壤粘砂型土體構型上壤下粘，利于保水保肥，持水性能最好；砂型結構持水性能最差，其他土體構型持水性能一般，需要進行改良以提高土壤的持水性能。

3　結　論

本文以寧夏賀蘭山東麓某葡萄種植基地為研究區，通過采樣分析獲得了園區田間持水量、土壤飽和導水率和容重的分布規律，并進行相關分析得出田間持水量與土壤飽和導水率呈顯著負相關，與容重呈顯著正相關；通過GMS利用鉆孔數據將該基地的土壤劃分為4種土體構型，其中壤砂型結構占主要部分，砂型、壤砂粘型和壤粘砂型3種土體構型較少；并分析了不同土體構型的土壤持水性能，得出壤粘砂型土體構型持水性能最好，砂型土體構型最差，壤砂型和壤砂粘型持水性能介于二者之間，且差別不大。

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Soil water-holding properties of different soil body configuration

CUI Hao-hao, ZHANG Bing, FENG Xin, GAO Ye-xin

(InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,Shijiazhuang,Hebei050061,China)

Through GMS software 3D modeling capabilities, one grape base soil configuration in Ningxia was divided into four categories: loam-sand, sand, loam-sand-clay and loam-clay-sand type. It analyzed the features of field capacity, saturated hydraulic conductivity and bulk density, and studied the soil water-holding performance on different soil body configuration. The results showed that different soil configuration had different bulk density, field capacity and soil saturated hydraulic conductivity. The sand soil configuration had the lowest field capacity (13%) and bulk density (1.5 g·cm-3), but the highest soil saturated hydraulic conductivity (3.2 m·d-1). On the contrary, the loam-clay-sand configuration had the highest field capacity(16.5%) and bulk density(1.63 g·cm-3), but the lowest soil saturated hydraulic conductivity (1.02 m·d-1). Field capacity has negative correlation with soil saturated hydraulic conductivity (-0.92), but it was positively related with bulk density (0.73), among the four soil body configurations, the loam-clay-sand type had the best soil water-holding performance, sand type was the worst, and the other types had the general configuration, which need to be modified in order to improve the soil water-holding performance.

soil configuration; soil saturated hydraulic conductivity; field capacity; soil water-holding performance

1000-7601(2016)04-0001-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.01

2015-06-12

中國地質科學院水文地質環境地質研究所基本業務費(SK201407)

崔浩浩(1985—)，男，河北石家莊人，碩士，研究實習員，主要從事水文地質相關工作。 E-mail：cuihao924@126.com。

高業新(1971—)，男，研究員，博士，主要從事水文地質環境地質研究。 E-mail:goofy2004@163.com。

S152.7+1

A