2019, Vol. 51
2. 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;
3. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541004;
4. 广西农业科学院 微生物研究所，南宁 530007
随着全球气候的变化和区域性干旱的加剧，农业土壤经常处于干旱、失水状态[1]。土体湿润时土壤中的固相物质分离发生膨胀，土体干旱时土壤中的固相物质重新组合土体收缩，并伴随着土体表面积凹陷，甚至在土体薄弱处出现开裂，进而导致土体表面积增加，加剧裂隙内表面土壤水分的蒸发，形成潜在的干旱因子[2]。在降雨和灌溉中，土体干旱收缩形成的裂隙还能作为优势流路径，加速土壤水分、养分和农药等物质的入渗，降低土壤水分、养分的利用率，增加了地下水污染的可能[3-4]。因此，研究土壤收缩对保护水土资源、减轻地下水污染以及农业安全生产具有重要指导意义。
土壤质地、土壤含水量、土壤结构以及土壤利用类型等多种土壤性质在外界环境综合作用下可以对土壤收缩变化产生影响[5-6]。魏玉杰等[7]通过采用SS-1型土壤收缩仪测定崩岗体不同层次原状土壤的收缩特征曲线，发现不同土壤质地的土壤收缩率是不相同的，表现出土壤质地越黏，土壤的收缩率越大。邵明安和吕殿青[8]发现室内压力膜法可以较好地测定5种土壤在脱水收缩条件下的比容重和土壤含水量等，并通过绘制了不同比容重条件下的土壤收缩特征曲线，研究土壤比容重对土壤收缩的影响。通过对不同变形土的研究，Du等[9]发现造成土壤胀缩的主要因子是土壤含水量。然而目前关于土壤收缩的研究多基于土壤收缩与土壤内在影响因子之间的研究，关于广西喀斯特地区不同耕作条件下土壤收缩差异的研究则相对较少。在不同耕作条件下，土壤的含水量、质地和营养成分等都将发生变化，而这些变化可能导致土壤收缩差异[10-11]。因此，研究广西地区不同耕作条件下土壤收缩变化是十分必要的。甘蔗是广西地区重要的经济作物，也是我国糖业重要的原料[12]，保证其安全生长对广西甚至我国糖业具有重要意义。本文通过选取广西南宁武鸣里建基地耕作与免耕条件下的甘蔗地作为研究对象。通过采用Peng和Horn[13]在van-Genucheten方程的基础上修改而得到的收缩曲线模型对耕作与免耕作条件下的甘蔗地原状土壤进行土壤线性伸展系数变化和土壤收缩曲线拟合的研究，分析不同耕作方式下土壤收缩变化，为广西地区合理的甘蔗种植模式和土壤保水保肥提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况与采样研究区位于广西南宁市武鸣区里建农业科学研究基地内(23°14′ N，108°03′ E)，整个地势从西北向东南逐渐倾斜，最高海拔为342 m，平均海拔为125 m，年均气温为21.6 ℃，年均降雨量为1 233.4 mm，年均相对湿度为78%，属于亚热带季风气候，土壤类型为红壤，土壤质地以砂壤土为主。本次研究区以耕作与免耕条件下的甘蔗试验样地进行土壤收缩研究。由于甘蔗地耕作过程中需要进行粗耕、细耕和整平3个过程，粗耕一般以深挖为主，其作用深度为40 ~ 50 cm；细耕以翻松为主，其作用深度为20 ~ 30 cm；而整平一般作用在土壤表面，其耕作深度在0 ~ 10 cm。因此在采样点用环刀(100 cm3)分别采集甘蔗样地上、中、下3层，上层土壤样品采集深度为0 ~ 8 cm，中层土壤样品采集深度为18 ~ 26 cm，下层土壤样品采集深度为40 ~ 46 cm，每个深度土壤样品采集5个重复。为了测定甘蔗样地土壤基本理化性质，我们在采集环刀土壤样品的同时采集部分散装土样。土壤的基本理化性质分析主要包括：土壤容重、土壤总孔隙度、土壤质地和土壤有机质等，其数据测定方法步骤参考《土壤农业化学分析方法》[14]。
1.2 收缩试验本试验主要利用深度游标卡尺测量法，对研究样品进行收缩测定[15]。首先利用深度游标卡尺对饱水处理后的土壤样品进行高度测定(为了减小测量误差，我们每次都测量土样表面相同的5个点)。然后使用相同的测量手法分别测定在自然风干条件下24、48、72、96和120 h以及最后在105 ℃温度下烘24 h的土壤高度以及质量。
1.3 数据处理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[16]：
| ${\rm{COLE}} = \frac{{{L_t} -{L_{105}}_{℃}}}{{{L_{105℃}}}}$ | (1) |
式中：Lt为土壤样品在t时刻下的长度(mm)，L105℃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仅能描述土壤中两点之间的收缩幅度，不能描述不同含水量条件下土壤样品的连续收缩情况。为了更加全面地分析土壤样品收缩情况，本文引入土壤收缩曲线。土壤收缩曲线的定义是指土壤孔隙体积随土壤水分比变化情况。本文中土壤收缩曲线模型采用的是Peng和Horn[13]在van-Genucheten方程的基础上修改得到的模型，其表达式为：
| $e(\vartheta ) = {e_{\rm{r}}} + \frac{{{e_{\rm{s}}} -{e_{\rm{r}}}}}{{{{[1 + {{(\chi \vartheta )}^{ -p}}]}^q}}},\; \; 0 \le \vartheta \le {\vartheta _{\rm{s}}}$ | (2) |
式中：e(ϑ)、ϑ、ϑs、er、es分别为土壤孔隙比(cm3/cm3)、土壤水分比(cm3/cm3)、饱和水分比(cm3/cm3)、土壤残余孔隙比(cm3/cm3)、土壤饱和点孔隙比(cm3/cm3)，χ、p、q是无量纲的拟合参数。
另外，土壤的特征收缩曲线可以分为4个阶段：结构收缩段、线性收缩段、残余收缩段以及零收缩段。收缩段的孔隙收缩比例公式为[17]：
| ${e_{{\rm{ss}}}} = \frac{{{e_{\rm{s}}} -{e_{\rm{w}}}}}{{{e_{\rm{s}}} -{e_{\rm{r}}}}} \times 100\% $ | (3) |
| ${e_{{\rm{ps}}}} = \frac{{{e_{\rm{w}}} -{e_{\rm{p}}}}}{{{e_{\rm{s}}} -{e_{\rm{r}}}}} \times 100\% $ | (4) |
| ${e_{{\rm{rs}}}} = \frac{{{e_{\rm{p}}} -{e_{\rm{z}}}}}{{{e_{\rm{s}}} -{e_{\rm{r}}}}} \times 100\% $ | (5) |
| ${e_{{\rm{zs}}}} = \frac{{{e_{\rm{z}}} -{e_{\rm{r}}}}}{{{e_{\rm{s}}} -{e_{\rm{r}}}}} \times 100\% $ | (6) |
式中：ew、ep、ez分别代表土壤结构收缩段终点孔隙比(cm3/cm3)、土壤线性收缩段终点孔隙比(cm3/cm3)、土壤残余收缩段终点孔隙比(cm3/cm3)，ess、eps、ers、ezs分别代表土壤结构收缩段孔隙收缩比例(%)、土壤线性收缩段孔隙收缩比例(%)、土壤残余收缩段孔隙收缩比例(%)、土壤零收缩段孔隙收缩比例(%)。
2 结果与分析 2.1 土壤基本属性表 1中列出了甘蔗地在耕作与免耕条件下的土壤质地、土壤容重、土壤有机质和土壤孔隙度等土壤基本性质。耕作和免耕两个试验区的土壤颗粒含量比例差异不大，都表现出土壤砂粒含量 > 粉粒含量 > 黏粒含量的趋势，而且随着土层深度的增加土壤砂粒含量逐渐减小，黏粒含量逐渐增大。耕作条件下的0 ~ 8 cm土层土壤容重最小，且土壤容重随着土层深度的增加而逐渐变大，表层0 ~ 8 cm土壤容重和40 ~ 46 cm土壤容重差异显著(P < 0.05)。免耕条件下的表层0 ~ 8 cm和18 ~ 26 cm土层土壤容重大于耕作条件下，但是免耕条件下的3层土壤容重差异不显著。在土壤有机质方面，耕作条件下的土壤有机质含量随土层深度增加而增加，差异显著；而免耕条件下的0 ~ 8 cm土层和18 ~ 26 cm土层土壤有机质差异不显著，但与40 ~ 46 cm土层差异显著。在土壤孔隙度方面，两者差异不显著。综上所述，耕作方式在一定程度上能够改变甘蔗地土壤颗粒的级配，增加深层土壤容重，减小土壤孔隙度。
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表 1 甘蔗地土壤基本理化性质 Table 1 Basic physiochemical properties of tested sugarcane soils |
表 2和表 3分别给出了耕作和免耕条件下甘蔗地土壤样品在饱和、自然风干(24、48、72、96和120 h)条件下土壤体积含水量和土壤线性伸展系数。由表 2可知：免耕条件下土壤含水量整体上大于耕作条件下。在自然风干过程中，耕作条件下的0 ~ 8 cm土层和40 ~ 46 cm土层土壤含水差异不明显，而18 ~ 26 cm土层土壤含水量最大且与其他两层差异显著；免耕条件下0 ~ 8 cm土层土壤含水量最低，18 ~ 26 cm土层和40 ~ 46 cm土层土壤含水量差异不大。由表 3可知：耕作和免耕条件下的表层土壤线性伸展系数都最大，且基本呈现免耕大于耕作，而在18 ~ 26 cm和40 ~ 46 cm土层土壤线性伸展系数相差不大。在自然风干96 h后，免耕条件下土壤的线性伸展系数几乎不再发生变化，而耕作条件下表层土壤的线性伸展系数仍随自然风干时间的延长逐渐降低。结合表 2和表 3可知，耕作条件下土壤含水量和土壤线性伸展系数基本小于免耕条件下，说明耕作会在一定程度上改变土壤的持水能力，减小土壤线性伸展系数。
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表 2 不同风干条件下甘蔗地土壤体积含水量(cm3/cm3) Table 2 Moistures in sugarcane soils under different air-drying conditions |
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表 3 不同风干条件下甘蔗地土壤线性伸展系数 Table 3 Linear extension of sugarcane soils under different air-drying conditions |
表 4和表 5给出了耕作和免耕条件下甘蔗地原状土样收缩曲线拟合相关参数及曲线各个阶段的拐点。其中土壤收缩曲线的实测值和拟合曲线的相关系数均大于0.94，表明收缩曲线方程能够较好地拟合甘蔗地土壤收缩曲线。由表 4可知，免耕条件下甘蔗地土壤的es和er值大于耕作条件下，说明耕作方式对土壤的孔隙结构有一定的影响，耕作破坏了土壤自身的结构，使土壤的孔隙比有所降低。
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表 4 甘蔗地土壤收缩相关参数 Table 4 Shrinkage parameters of sugarcane soils |
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表 5 甘蔗地土壤收缩曲线对应的5个拐点 Table 5 Five inflection points corresponded with shrinkage curves of sugarcane soils |
表 6给出了甘蔗地土壤4个收缩阶段的水分损失和体积变化状况。结合表 5和表 6可知，在耕作和免耕条件下，土壤线性收缩阶段部分在整个收缩过程的比例基本上是最大的，其占总体积变化的46% ~ 55%，占总水分损失的13% ~ 19%。土壤零收缩阶段部分的比例是最小的，其只占总体积变化的1% ~ 9%，占总水分损失的43% ~ 59%。但是耕作条件下的甘蔗地土壤残余收缩大于土壤的结构收缩，而免耕条件下恰好相反。另外在免耕条件下40 ~ 46 cm土层的收缩情况与其他土层明显不同，其残余收缩阶段为主要收缩阶段，其次是零收缩阶段，再者是线性收缩阶段，最后是结构收缩阶段，其占土壤收缩过程中的体积比例分别为65%、25%、8%和2%。耕作和免耕条件下的土壤体积含水量都随时间呈下降趋势，可能是颗粒和团聚体沉降硬化所致，但是两者下降速率不相同，说明耕作会改变土壤颗粒和土壤团聚体硬化的速率。
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表 6 甘蔗地土壤4个收缩阶段的水分损失和体积变化(%) Table 6 Water loss and volume changes during four contraction stages of sugarcane soils |
图 1是耕作与免耕条件下原状甘蔗地土壤在室内自然风干条件下的收缩曲线图，其中实心点为拟合曲线的5个拐点，空心点为实测值。由图 1可知：随着甘蔗地土壤水分比逐渐降低，耕作与免耕条件下的土壤收缩曲线大致呈现“S”型。在耕作条件下，18 ~ 26 cm土层对应的收缩曲线位于最上方，40 ~ 46 cm土层对应的收缩曲线位于最下方。在免耕条件下，40 ~ 46 cm土层土壤收缩曲线位于收缩曲线的最上方，0 ~ 8 cm和18 ~ 26 cm土层在水分比小于0.40时表现一致，当水分比大于0.40时，0 ~ 8 cm土层收缩曲线位于18 ~ 26 cm土层之上，且两者之差逐渐拉大。当水分比小于0.2时，耕作条件下的甘蔗地土壤孔隙比保持不变；当水分比小于0.3时，免耕条件下的土壤孔隙比保持不变，该水分下的土壤孔隙比为最小孔隙比。由图 1可知，免耕条件下的最小孔隙比大于耕作条件下。耕作和免耕条件下的土壤最小孔隙比各不相同，说明耕作在一定程度上能够改变土壤的最小土壤孔隙比以及最小孔隙比对应的水分比。
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(A.耕作条件，B.免耕条件；实心点为拟合曲线的5个拐点，空心点为实测值) 图 1 甘蔗地土壤收缩曲线 Fig. 1 Sugarcane soil shrinkage curves in different depths under cultivation condition (A) and non-cultivation condition (B) |
土壤收缩曲线拟合值和原状土壤样品实测值拟合程度高(R2 > 0.94)，且耕作和免耕条件下的土壤收缩特征曲线都呈现“S”型，这与Peng和Horn[13]以及吕殿青和邵明安[18]对土壤收缩曲线的研究结果相一致。随着土壤水分比的不断降低，土壤线性伸展系数和土壤孔隙比逐渐减小，最后保持不变，说明土壤含水量能够影响土壤收缩。土壤中的水分能够影响土壤颗粒的分离与结合，在自然风干条件下，土壤水分逐渐减小，土体颗粒相互聚集结合在一起，土壤孔隙数量减小，土壤发生收缩，具体表现在土壤含水量越大，土壤线性伸展系数越大[19-20]。Peng和Horn等[21]研究发现土壤收缩参数(χ、p、q)、土壤饱和孔隙比(es)、线性伸展系数(COLE)与土壤质地和土壤有机质存在相关性，其中土壤饱和孔隙比(es)、土壤线性伸展系数(COLE)与土壤有机质呈正相关，而Gray和Allbrook[22]发现土壤收缩与土壤黏粒呈显著正相关，说明土壤收缩与土壤容重、土壤质地、土壤有机质含量等土壤理化性质有关。耕作和免耕条件下的表层土壤容重小，孔隙数量多，土壤收缩能力大，土壤线性伸展能力也越强，而中、下层土壤容重相对表层土壤容重大，土壤线性伸展能力也相对较弱，土壤的收缩能力随着土壤容重的增大而减小[23]。这与本研究中表层土壤线性伸展系数最大相一致。另外，土壤有机质不仅可以改善土壤胶体情况，增强土壤对水的吸附能力，同时还能提高土壤持水能力[24]。单秀枝等[25]发现在土壤中吸力相同时，土壤有机质和土壤含水量呈正相关关系，土壤有机质含量越高其土壤持水能力越强。另外耕作条件下18 ~ 26 cm土层土壤的孔隙度最大，这主要是因为甘蔗根系主要集中在该层土壤，耕作处理促进了甘蔗根系的伸展和发育，根孔也是土壤孔隙的一种，土壤中的根系越发达土壤孔隙也就越多。土壤中孔隙数量的增多，不仅增大了孔隙内表面积，促进了土壤中水分蒸发，还改善了土壤结构，使得土壤越容易收缩[2]，这与图 1中耕作条件下的18 ~ 26 cm土层收缩曲线相对应。
耕作条件下3层土壤收缩曲线分层明显，土壤收缩能力表现出18 ~ 26 cm > 0 ~ 8 cm > 40 ~ 46 cm，在除40 ~ 46 cm土层外的整个收缩阶段，耕作条件下的结构收缩阶段和线性收缩阶段的体积变化总体上小于免耕条件下，而残余收缩阶段和零收缩阶段大于免耕。这说明甘蔗种植的耕作方式对土壤收缩具有一定程度的影响。Bandyopadhyay等[26]通过对大豆-小麦、大豆-亚麻子和水稻-小麦地进行不同的耕作，发现不同的耕作方式对土壤裂隙的长度、深度、宽度和面积有着重要影响。相比于免耕条件下，耕作能够显著增加裂隙的宽度、深度和体积，减小裂隙的长度和表面积。Zhao等[27]认为人为活动或外界因素的参与能够干扰土壤水含量空间分布，而土壤含水量是影响土壤收缩的重要因素之一。本研究结果表明免耕条件下的甘蔗地土壤含水量基本大于耕作条件下，这与黄永根等[28]在水稻田实施不同耕作方式后，土壤含水量小于未轮作前的结果相吻合。其次，相比于免耕条件下，耕作条件下土壤黏粒含量增多，而砂粒含量和粉粒含量都有不同程度的减小。土壤中的黏粒含量越多，土壤的可塑性、黏结性以及胀缩性越好。Greene-Kelly[29]研究发现土壤收缩能力与土壤中胀缩性黏粒矿物质呈正相关关系，胀缩性黏粒含量越高，土壤收缩越明显。相比于免耕条件下，耕作条件下土壤中的黏粒含量高，土壤收缩能力大。另外，耕作条件下表层土壤经过人为的除草、施肥和灌溉等作用，使表层以下土壤被压实，容重变大，使得深层土壤收缩能力减小[22]。最后，不同耕作条件下土壤的最小孔隙比不相同，其中耕作条件下土壤最小孔隙比小于免耕条件下，说明耕作能够改变土壤的最小孔隙比。通过对河南禹州的玉米地土壤进行为期8 a的免耕试验，杨永辉等[30]也发现免耕能够显著提高土壤的孔隙数目和孔隙比。在耕作条件下，土壤中的大孔隙破碎，孔隙内表面积减小，抑制土壤水分通过土壤孔隙时的蒸发作用，降低了土壤优势流形成的可能，使得土壤中水分均匀入渗，提高了水肥的利用效率。
4 结论通过对耕作和免耕条件下甘蔗地原状土壤样品从饱和到风干过程中土壤收缩曲线拟合的研究发现：SSS软件中的模型参数能够很好地拟合土壤收缩曲线的实测数据，土壤收缩曲线大致呈现“S”型，其中表层土壤的线性伸展系数最大；随着土壤含水量的不断降低，免耕条件下甘蔗地土壤伸展系数首先达到稳定。在耕作条件下，甘蔗地的土壤结构得到调节，土壤的理化性质得到改善，增强土壤的收缩能力。
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2. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China;
3. College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China;
4. Microbiology Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China