表1 试验土壤基本物理性质
土壤类型土层深度/cm 土壤干密度/（g·cm-3）孔隙度机械组成/%黏粒黑土黑钙土苏打盐碱土水稻土沙土20～30 20～30 20～30 20～30 20～30 1.39 1.39 1.36 1.29 1.41 0.53 0.52 0.54 0.49 0.41 7 4 9 1 3 6粉粒16 18 28 21 15砂粒78 77 63 66 78
滕 云1，2，张忠学1，司振江2，黄 彦2，王 柏2
（1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080）
摘 要：为了探讨振动深松耕作措施对不同类型土壤的水分特征曲线的影响，利用吸力平板仪和压力膜仪对黑龙江省5种典型土壤，即黑土、黑钙土、水稻土、苏打盐碱土、沙土进行了测定。得到振动深松区和对照区的原状土壤在脱湿过程中不同吸力下的土壤含水率，并利用van Genuchten数学模型对5种土壤的水分特征曲线的实测值进行数值拟合，对比研究了5种土壤水分特征曲线及模型拟合参数、土壤当量孔径、土壤水分有效性及比水容量的变
化。结果表明，振动深松前后土壤水分特征曲线差异显著。同一吸力下，深松区土壤含水率高于对照区，振动深松显著提高了土壤的有效供水能力，其中效果最佳的是苏打盐碱土和黑土。振动深松通过改善土壤结构，调整了孔隙孔径的比例，进而提高了土体的有效供水能力。
关键词：土壤水分特征曲线；振动深松；持水性；有效水；比水容量
土壤水分特征曲线能够表示土壤的基本特性，是进行土壤水分运动及溶质运移定量分析时必不可少的重要参数。除了可以进行土壤水吸力和含水率之间的基本换算，还可反映土壤中孔隙大小的分布、土壤持水性、土壤水分的有效性等[1]。土壤水分特征曲线受多种因素影响，如土壤质地、土壤结构、土壤干体积质量、土壤水分及土壤温度变化过程等[2]。此外，土壤膨胀收缩、所含吸附性离子的类型和数量等因素也影响土壤水分特征曲线[3]。由于影响因素较多且关系复杂[4-8]，目前尚不能从理论上推求基质势与含水率之间的关系，一般常用经验公式或简单模型表示。应用比较广泛的模型为van Genuchten模型[9]。
我国是农业大国，但同时又是人口大国，土地处于常年生产的疲劳状态而得不到休耕[10]。由于连续多年的浅层翻耕或旋耕等传统的耕作方式，造成土壤耕层浅、耕层内有效土壤少及犁底层坚实等严重问题。针对这些问题，振动深松技术在近年得到快速发展。振动深松作为蓄水保墒的耕作技术能有效改善土壤物理结构，提高土壤孔隙度、增加土壤的持水能力。土壤水分特征曲线的研究多集中在非原状土壤[11-14]，即土壤经过筛分后重新填装的土壤上。近年来，针对土壤改良方面的土壤水分特征曲线的研究中，研究对象涉及植物混掺[15]、不同施肥[16]、含残膜[17]等土壤。而对原状土壤及经过机械耕作措施后的土壤，特别是典型的几种土壤的水分特征曲线的研究鲜有报道。兹以黑土区5种典型土壤为研究对象，深入分析经振动深松改良措施后，土壤水分特征曲线的变异及其影响因素，探讨不同类型土壤的持水、保水和土壤水分有效性。
试验选取土壤类型主要为中国东北地区典型的黑土、黑钙土、苏打盐碱土、水稻土、沙土，共5种土壤类型，试验分别在黑龙江省哈尔滨市（黑土）、甘南县（黑钙土）、安达市（苏打盐碱土）、庆安县（水稻土）、杜尔伯特蒙古自治县（沙土）进行。供试土壤基本物理性质见表1。
表1 试验土壤基本物理性质
试验于2014—2015年进行。于上一年秋季将选定的试验地划分成2个区域：一个区域采用1SZ-280型多功能振动式深松机[18-19]进行深松作业，振动深松作业是通过振动源产生的机械振动进行深松作业。振动源输入轴转数500 r/min，振幅30 mm，该作业可在不破坏土壤上下层位的基础上使土体膨松，深松深度达40～50 cm，可有效打破由于常年耕作而在20～30 cm形成的压实层，即犁底层。另一个区域保持原状作为对照，经过一个冬季的冻融循环及土壤自然沉实后于第二年春季播种前进行土壤采样。
在选定的不同类型土壤试验地对2个区域分别进行采样，用环刀取其原状土，分0～10、10～20、20～30、30～40 cm共4层，每层取样3组，环刀直径50.46 mm、高50 mm、容积100 cm3。样品拿到室内后进行充分浸泡，饱和后先放入吸力平板仪和压力膜仪进行土壤脱湿过程的原状土壤水分特征曲线的测定。吸力平板仪吸力测定0～900 cm水柱，压力膜仪吸力测定901～15000 cm水柱。吸力测定值分别设为2.5、8.0、15、30、60、90、100、150、200、300、600、900、1 000、1 500、2 000、3 000、6 000、15 000 cm水柱。吸力平板仪为中科院南京土壤研究所徐富安教授的专利技术，由南京沧浪科技开发有限公司制作。压力模仪为美国的SOILMOISTURE EQUIPMENT CORP.生产的1500F1型15 Bar压力膜仪。
为了定量地研究土壤的持水能力及振动深松措施对5种土壤水分特征曲线的影响，通过经验公式和参数模型进行拟合。众多学者已经建立了许多数学模型[9,21-23]，兹选取应用比较广泛的van Genuchten模型（简称V-G模型），并进一步分析V-G模型拟合参数。V-G模型表达式为：
式中：θ为体积含水率（cm3/cm3）；θr为残留含水率（cm3/cm3）；θs为饱和含水率（cm3/cm3）；h为负压（cm）；α为与进气值有关的参数；m、n为土壤水分特征曲线的形状系数，m=1-1/n(n＞1)。
土壤水分特征曲线能够间接地反映土壤中的孔隙大小及分布，假设土壤中的孔隙为各种孔径的圆形毛管，则毛管孔隙直径d和土壤水吸力h的关系[20]就可简单地表示为：
式中：σ为水的表面张力系数，室温条件下一般为75×10-5N/cm。若土壤水吸力h的单位用Pa，毛管孔隙直径d以mm计，则毛管孔隙直径d和土壤水吸力h的关系可表示为：
据已有研究，一般以土壤水势绝对值的对数值(PF)为2时，即土壤水吸力为100 cm水柱时的土壤含水率为田间持水率[20]；PF为3.8和4.2时，即土壤水吸力为6 000 cm水柱和15 000 cm水柱的土壤含水率分别为暂时凋萎含水率和永久凋萎含水率。
土壤水分特征曲线斜率的倒数即单位基质势的变化引起的含水率变化，称为比水容量[12]，记为C。C值随土壤含水率或土壤水基质势（土壤水吸力）而变化，故记为C（θ）或C（h）。可表示为：
结合式（1），得到以土壤水吸力为变量的比水容量：
统计分析采用MATLAB6.5软件和Excel 2010进行。由于采用振动深松改良土壤的目的是为了打破常年耕作形成的犁底层，犁底层多存在于20～30 cm之间，其他层位土壤水分特征曲线只在前期数据分析处理过程中作为参考，故只重点针对犁底层的土壤水分特征曲线数据进行分析。
土壤水分特征曲线能够反映土壤的持水性能，通过试验获得5种土壤在振动深松前后的水分特征曲线。图1为土壤20～30 cm深土层的土壤水分特征曲线。
图1 不同类型土壤的水分特征曲线（低吸力脱湿过程）
由图1可见，不同类型土壤水分特征曲线差异显著，土壤持水性能由高到低依次为苏打盐碱土、水稻土、黑土、黑钙土、沙土。在低吸力阶段，当土壤水吸力低于100 cm水柱时，随着土壤水吸力的增加，土壤含水率快速降低，其中苏打盐碱土降低最少，沙土降低最多，土壤水分特征曲线表现为此吸力阶段苏打盐碱土线型最平缓，沙土线型最陡；当土壤水吸力大于100 cm水柱时，随着土壤水吸力的增加，土壤含水率降低缓慢，其中苏打盐碱土降低最多，沙土降低最少，土壤水分特征曲线表现为此吸力阶段苏打盐碱土线型最陡，沙土线型最平缓。在相同的吸力下，振动深松后的土壤体积含水率均较未进行振动深松的土壤大，说明振动深松后的土壤持水性能好，有较强的持水能力。在吸力值大于100 cm水柱时，大孔隙中的水已排空，土壤中仅有细小孔隙中的水分存留，而细小孔隙由于毛管力作用对土壤水具有较大的吸力，持水性好，吸力增大，使这部分水不易失去。故增加相同的吸力从土壤基质中析出的水分较原状土少，表现在土壤水分特征曲线上就是曲线较为平直。对应苏打盐碱土、水稻土、黑土、黑钙土、沙土，当土壤水吸力为100 cm水柱时，经振动深松后的土壤含水率较原状土分别增加6%、2.8%、4.6%、3.7%、2.7%；当土壤水吸力为150 cm水柱时，经振动深松后的土壤含水率较原状土分别增加5.5%、2.5%、4.0%、2.9%、2.1%；当土壤水吸力为1500 cm水柱时，经振动深松后的土壤含水率较原状土分别增加2.5%、0.9%、1.7%、0.8%、1.0%。可见，振动深松措施显著提高了土壤的持水性能，且提高效果由高到低依次为苏打盐碱土、黑土、黑钙土、水稻土、沙土。
应用基于非线性拟合函数改进的混合免疫蛙跳算法[24]确定模型参数。该算法是将混合蛙跳算法、免疫算法、非线性拟合函数LSQ curve fit结合构造的一种新的混合免疫蛙跳算法。通过对5种类型土壤水分特征曲线进行拟合，确定土壤水分特征曲线模型参数，并将模型计算出的含水率值与实测含水率值进行残差平方和与相对误差分析以及差异显著性分析，结果见表2。
由表2分析可见，在α=0.05时，F值均小于F0.05的标准值，说明含水率实测值和计算值无显著差异。另外，含水率实测值和计算值残差平方和较小，5种土壤含水率拟合值与实测值的误差均小于5%。V-G模型拟合试验结果取得了良好的效果，说明V-G模型对5种土壤均适用。此外，振动深松后土壤的饱和含水率、残留含水率和形状系数n均大于原状土，饱和含水率和残留含水率绝对值分别增加了3.47%～6.93%、0.57%～0.92%，形状系数n相对提高了0.6%～2.7%。振动深松后的土壤参数α均小于原状土，比原状土相对降低了14.2%～25.7%。可见，振动深松措施对土壤水分特征曲线参数影响较为明显的是α和θs，而对n和θr的值影响很小。其对参数α的影响由高到低依次为沙土、黑土、苏打盐碱土、黑钙土、水稻土，对θs的影响由高到低依次为苏打盐碱土、沙土、黑土、黑钙土、水稻土。振动深松后的土壤参数α均小于原状土，即振动深松后的土壤平均孔隙直径均大于原状土，这是因为振动深松后的土壤由于受到振动深松作业的作用其平均孔隙直径较大；而原状土壤由于长期的耕作压实其平均孔隙直径较小，因此振动深松后的土壤平均孔隙直径增大，α减小。
表2 土壤水分特征曲线V-G模型参数
根据土壤水吸力由式（3）计算所得的孔径称为当量孔径d，则土壤水分特征曲线可表示为当量孔径d和含水率θ的关系。取当量孔径值＞0.02 mm、0.02～0.002 mm、0.002～0.000 2 mm的3个阶段划分土壤的当量孔径分布，则5种土壤的当量孔径分布比例见表3。
表3 不同类型土壤当量孔径分布比例 %
由表3可知，无论对应哪个级别，采取振动深松措施后土壤的孔隙分布比例均有所提高，但0.02～0.002 mm范围内的孔径提高的最多，平均提高了2.02%；其次为大于0.02 mm的孔径，平均提高了1.77%；最后为0.002～0.000 2 mm范围内的孔径，平均仅提高了0.74%。大于0.02 mm的当量孔径，沙土比例高出最多为4.0%，其余土壤增加均小于1.5%，说明振动深松显著提高了沙土的大孔隙分布；0.02～0.002 mm范围的孔径，黑土、黑钙土、苏打盐碱土、水稻土、沙土孔径分布比例分别提高2.36%、2.04%、3.05%、1.52%、1.13%；0.002～ 0.000 2 mm范围的孔径，苏打盐碱土孔径比例提高的最多为1.85%，其余几种土壤提高均不足1.0%。土壤的当量孔径越大，土壤持水能力越弱，释水能力越强，大于0.02 mm的孔径中所持的水分更容易流失；反之，土壤的当量孔径越小，土壤持水能力越强，释水能力越弱，0.002～0.000 2 mm的孔径中的水分就不易释放，被作物所利用；恰恰是中等吸力阶段的孔径，即0.02～0.002 mm孔径中的水分更易被作物吸收利用。可见，振动深松的调节效果依次为苏打盐碱土、黑钙土、黑土、沙土、水稻土。
据不同特征含水率计算并划分出不同类型土壤采用振动深松措施前后的多余含水率（土壤水吸力＜100 cm水柱）、速效含水率（100～6 000 cm水柱）、迟效含水率（6 000～15 000 cm水柱）、有效含水率（100～15 000 cm水柱）及无效含水率（＞15 000 cm水柱），结果见表4。
表4 土壤水分有效性
由表4可见，经过振动深松后，不同类型土壤的各项含水率均有不同程度的增加。不论是否采取振动深松措施，黑土、黑钙土的有效水和多余水相差不大，占比较高；苏打盐碱土和水稻土的有效水和无效水相差不大，占比较高；而沙土的多余含水率占比最高，有效水和无效水相差不大，占比较少。除沙土的多余含水率增加较多为3.44%外，其余类型土壤均是有效水增加最多，特别是其中的速效水。有效水增加由高到低依次为苏打盐碱土、黑土、黑钙土、水稻土、沙土，分别增加5.78%、3.78%、3.03%、2.52%、1.84%。从有效含水率与无效含水率的比值上可以看出，深松后，比值最高的黑钙土由3.99增加到4.06；其次是黑土，由1.88增加到2.07；苏打盐碱土、水稻土、沙土由0.8、0.94、0.85增加到0.98、1.05、1.04。差值由大到小依次是：黑土、沙土为0.19、苏打盐碱土为0.18、水稻土为0.11、黑钙土为0.07。综合分析可知，经振动深松改善土壤水分有效性效果最佳的为苏打盐碱土和黑土。
土壤释水可以通过C值进行量化，因此可以用C值进行土壤水分有效程度方面的评价。持水能力越强的土壤比水容量越大，相反有效水供给能力就愈差。根据式（5）和表2中的数据计算得到的C值见表5。
表5 不同类型土壤的比水容量 ×10-3cm-1
由表5可见，当土壤水吸力小于300 cm时，比水容量C值并未呈现规律性变化；当土壤水吸力大于300 cm时，不同类型土壤比水容量C值均随着土壤水吸力的增加而降低。并且，土壤经过振动深松后除沙土外C值均有不同程度降低，特别是当土壤水吸力在6 000 cm以上时，土壤水分不易被利用，C值降低，说明相应的土壤持水能力降低，即有效供水能力增强。这进一步说明振动深松措施可以有效改善土壤的有效供水能力，且改善效果好的土壤是水稻土、黑土、苏打盐碱土。
振动深松耕作对不同类型土壤水分特征曲线影响表现出明显的差异，能显著提高土壤的持水性能，提高较多的为苏打盐碱土、黑土、黑钙土；对土壤水分特征曲线参数α和θs影响较大，表现明显的土壤为苏打盐碱土、沙土、黑土；有效提高了中吸力阶段，即土壤中0.02～0.002 mm孔隙的比例，进而提高了土壤中易被作物吸收利用的水分，提高较多的是苏打盐碱土、黑钙土、黑土；显著提高了土壤有效含水率，特别是速效含水率，效果较佳的是苏打盐碱土和黑土；通过对比水容量的影响评价土壤水分的有效性，显著改善土壤有效供水能力的是水稻土、黑土、苏打盐碱土。试验结果也进一步验证了通过改善土壤结构、增加土壤毛管孔隙度等物理特性，可对土壤水分和持水性产生作用，其量的高低与土壤持水功能有重要的关系这一普遍存在的特性。综合各项指标分析，振动深松耕作对土壤水分特征曲线及其参数产生影响，进而改善土壤的有效供水能力，且效果最佳的是苏打盐碱土和黑土。
土壤结构影响土壤水分特征曲线的形状，特别是在低吸力范围。土壤持水能力高低取决于在一定土壤厚度条件下土壤容积密度和孔隙的大小，振动深松通过改善土壤结构、减低土壤容积密度和增加毛管孔隙度等物理特性对土壤水分和持水性产生作用，这与有关学者的研究，即通过其他方式改善土壤结构，达到增加土壤持水作用的研究结果是一致的[15-16,25]。因此通过振动深松技术可以改善耕作层土壤结构，增加耕作层土壤水分，达到有效调控耕作层土壤水分的目的。本研究也从机理上进一步证实了这一点。
本研究仅开展了对振动深松前后土壤水分特征曲线的变化进行研究，缺少试验1 a后、2 a后、3 a后的试验及相关研究，而土壤水分特征曲线强烈受土壤质地的影响，且是相当明显的，不同类型的土壤经过振动深松若干年后，其持水和保水效果定是不一样的，需要做进一步研究。
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Impact of Vibration-tillage of Subsoils on Their Water Retention Curves
TENG Yun1,2，ZHANG Zhongxue1，SI Zhenjiang2，HUANG Yan2，WANG Bai2
（1.College of Hydraulic&Architecture,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China; 2.Heilongjiang Hydraulic Research Institute,Harbin 150080,China）
Abstract：This paper investigated the impact of vibration-tillage of subsoil on water retention curves offive different soils in Heilongjiang Province:Black soil,Chernozem soil,Paddy soil,Soda-saline soil,and sandy soil.Soil moisture under different matric potential controlled by tension table and pressure membrane apparatus was measured during both drying and wetting processes.The measured water retention curves were then fitted to the van Genuchten formula.The differences between the water retention curves,best-fitting parameters,equivalent pore size,soil moisture availability and specific water capacity of the five soils were assessed.The results showed a significant change in water retention curves of the same soil before and after the vibration-tillage.At the same matric potential,the soil water content after vibration-tillage was higher than that before the tillage.Vibrating the subsoil appeared to have significantly improved the availability of soil water,especially for the soda-saline and the black soils.Vibration-tillage of subsoil changed soil structure and increased soil porosity,thereby enhancing the ability of soil to retain and supply water.
Key words：soil water retention curve；vibrating subsoiling tillage；water holding capacity；soil moisture availability；specific water capacity
中图分类号：S152.7
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.05.010
责任编辑：刘春成
滕云，张忠学，司振江，等.振动深松耕作对不同类型土壤水分特征曲线影响研究[J].灌溉排水学报，2017，36（5）：52-58.
收稿日期：2016-11-08
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD08B05）；水利部948计划项目（201121）
作者简介：滕云（1978-），女。高级工程师，博士生，主要从事农业节水技术研究。E-mail：hljskyty@126.com
通信作者：张忠学（1967-），男。教授，博士生导师，主要从事农业节水技术及灌溉排水技术研究。E-mail：zhangzhongxue@163.com
文章编号：1672-3317(2017)05-0052-07
