陕西省优质苹果园表层土壤水分特征

陕西省优质苹果园表层土壤水分特征
张扬;吴发启;张进;许敏
【摘要】通过试验测定苹果园土壤水分特征曲线、饱和导水率、土壤体积质量、有机质等土壤理化指标,分析了陕西省优质苹果园表层土壤的水分特征.结果表明,礼泉土壤的饱和含水量最高,超过0.600 0 m3/m3;洛川最低,为0.473 9 m3/m3.蒲城土壤的凋萎含水量最高,陇县最低.安塞、富平土壤的有效含水量较高,均超过0.250 0 m3/m3;蒲城最低,不到0.150 0 m3/m3.礼泉土壤的饱和导水率超过250 cm/d,入渗能力最强;洛川和韩城则不足15 cm/d.
【期刊名称】《西北农业学报》
【年(卷),期】2010(019)010
【总页数】5页(P91-95)
【关键词】陕西;果园;表层土壤;水分特征
【作者】张扬;吴发启;张进;许敏
【作者单位】西北农林科技大学,资源环境学院,陕西杨凌,712100;西北农林科技大学,资源环境学院,陕西杨凌,712100;西北农林科技大学,资源环境学院,陕西杨
凌,712100;西北农林科技大学,资源环境学院,陕西杨凌,712100
【正文语种】中文
【中图分类】S152.7
陕西渭北黄土高原属于世界苹果最佳优生区,目前苹果产业已成为陕西省支柱产业
之一[1]。

但该区地处中国半干旱气候带,降水稀少,蒸发强烈,地下水埋藏较深,致使苹果园土壤水分经常处于亏缺状态,加上苹果树强烈的蒸腾作用,加大了水分消耗,土壤水分亏缺明显,因而土壤水分成为渭北苹果产业发展的首要限制因子[2]。

在苹果园中,土壤质地、体积质量、结构和有机质含量等土壤性质及温度等环境因素都对土壤水分特征产生影响,进而影响果园土壤水分状况[3-4]。

多年来,已有一些对渭北地区农田、林地土壤水力特性和苹果园土壤水肥管理的相关研究[5-7],但关于渭北地区苹果园土壤水分特征的研究相对较少。

通过调查和试验分析对陕西省优质苹果示范园表层土壤水分特征进行了研究,以探讨土壤水力特性的差异及其影响因素。

1 研究区概况
陕西省优质苹果生产基地分布在渭北地区27个基地县。

本区地域辽阔,涵盖了咸阳市、宝鸡北部、渭南北部、延安南部和铜川市的部分塬区,总面积超过 4万km2,海拔800～1 200 m,年降水量 550～700 mm,年日照时数 2 300～2 500 h,年均温7.0～12.8℃,昼夜温差可达10℃,全年无霜期170 d以上,且区内黄土层覆盖深厚,达到80～100 m,同时渭北地区工业化水平偏低,环境污染较轻[8-9]。

本区地貌由黄土台塬和黄土丘陵组成,其上沟壑众多、塬高沟深,黄土塬、梁、沟壑纵横交错,因而该区地质、地形复杂,水土流失严重,形成明显的残塬沟壑地貌。

土壤多由深度的黄土母质发育而来,质地疏松、体积质量较小、孔隙度大、透气性好,故保水、保肥能力强,但土壤发育程度不高,有机质含量普遍较低,主要土壤类型有褐土、黑垆土、土娄土、黄绵土、黄墡土、新积土、粗骨土等。

2 材料与方法
2.1 样品采集
2007年7月中旬到8月中旬进行土样采集。

根据陕西省优质苹果示范园的分布情况和立地特点,选取研究区内12处代表性果园为研究对象,果树品种均为红富士。

在果园内未经扰动的区域开挖土壤剖面,采取0～5 cm土层剖面上的混合土样;同时
用100 cm3的环刀采集0～5 cm土层的原状土样,每个剖面取2个重复,用作土壤饱和导水率和水分特征曲线的测定。

安塞土样为砂壤土,其他土样均为粉壤土。

调
查的果园基本情况见表1。

表1 调查果园的基本情况Table 1 States of investigated orchards?
2.2 测定方法
土壤体积质量、饱和含水量和孔隙度采用环刀法测定[10]5-6,11-13,文中涉及的含水量均换算为体积含水量。

土壤水分特征曲线采用美国SOILMOISTURE公司生产的1500型压力膜仪测定,土壤饱和导水率采用恒定水头法测定[10]16-17。

土壤机械组成采用英国马尔文仪器有限公司生产的MS2000激光粒度分析仪测定,土壤有机质采用重铬酸钾外加热氧化法测定[11]。

3 结果与分析
3.1 果园土壤的水分特征曲线
土壤水分特征曲线能反映土壤持水状况,表现土壤水分数量与能量之间的关系[12]。

依据各地区土壤类型的不同和水分特征差异,将12处果园的水分特征曲线描绘在图1中。

1-A中的4个果园都是黄墡土,1-B中有3个果园为土娄土,1-C中有2个果
园为黑垆土。

其余3个果园的土壤类型各不相同,将这3条曲线根据其性质差异分
别归入1-B和1-C中进行比较。

由图1可见,韩城、陇县、淳化、礼泉的土壤水分特征曲线比较接近,变化趋势一致。

扶风、印台、蒲城三地的水分特征曲线较为接近,变化趋势一致,而富平新积土在各
吸力下的含水量高出土娄土5%以上。

洛川、长武黑垆土的水分特征曲线与耀州褐土比较接近,而安塞黄绵土和这三地的性质差异较大,含水量明显高于黑垆土和褐土。

各地果园均表现出在靠近植物能有效利用的水吸力范围内(10 kPa)水分含量变化很大,曲线斜率较陡,而在超过10 kPa后的中高吸力范围内变化趋于平缓。

这是因为
随着土壤水吸力的不断增大,土壤孔隙中的液态水被吸走,土粒表面水化膜的厚度逐
渐变薄[13],水分形态改变后,提高吸力很难将水分吸出。

在水势小于20 kPa时各果园土壤的含水量都较高,均大于或接近0.300 0 m3/m3,而在吸力超过33 kPa后变化极为平缓,一般把该吸力下的含水量作为土壤田间持水量的参考值。

图1 果园土壤水分特征曲线Fig.1 Soil water characteristic curves in orchards 表2 土壤水分特征曲线数学模型Table 2 Model of soil water characteristic curves?
从图1可以看出,果园土壤含水量随水吸力的变化而变化。

实测的土壤含水量与土壤水吸力之间存在着幂函数关系:θ=a◦S-b
式中:S为土壤水吸力;θ为土壤含水量;a,b为回归系数。

表2中拟合数学模型的相关系数大部分在0.96以上,说明幂函数模型的模拟效果较好,模型中的参数a反映了土壤持水性能的大小,可见礼泉、耀州、富平、安塞土壤持水能力较高,扶风、陇县、韩城、洛川土壤持水能力较低。

参数b决定水分曲线的斜率,反映了土壤含水量随土壤水势降低而减少的快慢。

参数a和b的大小主要受土壤物理性粘粒含量、土壤有机质含量和土壤结构的影响[14]。

利用上述模型可对果园土壤的水吸力S和含水量θ进行互算,判断土壤含水量对植物的有效程度,指导果园水分管理。

3.2 果园土壤的持水性
对不同果园来说,由于土壤性质、耕作管理、果树根系分布等条件的不同,土壤水分的变化范围并不一致。

土壤水吸力范围中,吸力值小于100 kPa为低吸力段,100～1 500 kPa为中吸力段,大于1 500 kPa为高吸力段。

一般认为植物只能吸收利用1 500 kPa以下的土壤水分,因此常把1 500 kPa时的含水量作为凋萎含水量。

从表3看出,在吸力极低的0.25、0.75 kPa上,礼泉果园的土壤含水量最高,分别达0.608 5和0.580 0 m3/m3;蒲城、耀州次之且很接近,都在0.540 0和0.530 0 m3/m3左右;韩城、洛川较低,都在0.460 0 m3/m3和0.450 0 m3/m3左右。

当
吸力增大到2 kPa时,礼泉、蒲城的土壤含水量均显著降低。

此后在2～20 kPa内,各果园土壤含水量变化均趋于平缓,安塞、富平较高,扶风、陇县、蒲城较低。

当吸力增大到33 kPa时,安塞土壤含水量仍最高,接近0.400 0 m3/m3;富平、洛川次之分别为0.366 3和0.357 9 m3/m3;扶风、陇县、蒲城较低分别为0.292 8、
0.289 2、0.275 7 m3/m3。

当吸力达到100 kPa时,除礼泉土壤外,其他土壤的含水量变化依然平稳。

礼泉在20～100 kPa内降低较快,到100 kPa时降到0.246 1 m3/m3的最低值。

礼泉的饱和含水量最高,超过 0.600 0 m3/m3;洛川最低,为 0.473 9 m3/m3;其他土壤位于0.511 1～0.559 3 m3/m3。

大于凋萎含水量的水分才能被果树吸收,凋萎含水量受土壤质地、植被和气候等因素的影响。

蒲城的凋萎含水量最大,洛川、安塞次之,韩城、印台、陇县依次居于最后3位,凋萎含水量变化范围为 0.085 20～0.131 2 m3/m3。

田间持水量与凋萎含水量之间的差值是土壤有效水的最大含量,安塞、富平的有效含水量较高,均超过0.250 0 m3/m3;蒲城土壤有效含水量最低,不到0.150 0 m3/m3;土壤有效含水量变化范围为0.144 6(蒲城)～0.274 2
m3/m3(安塞)。

表3 不同吸力下的土壤含水量Table 3 Soil water content under different suction m3/m3?
表4 果园表层土壤的水力特征Table 4 Hydro characteristics of topsoil in orchards?
3.3 果园土壤的饱和导水率
由表4可见,各地果园的土壤饱和导水率变化范围较大,礼泉果园的饱和导水率最高,超过250 cm/d;其次为蒲城、印台,均超过 150 cm/d;洛川和韩城的饱和导水率很低,都未达到15 cm/d。

果园土壤饱和导水率大小表现为礼泉＞蒲城＞印台＞陇县＞扶风＞淳化＞耀州＞富平＞长武＞安塞＞洛川＞韩城。

土壤饱和导水率的地域差异极为显著,导水性质差别很大。

饱和导水率的差异反映
了表层土壤在体积质量、孔隙度等物理特性上的差异。

由于各种因素时空分布不均匀,即使同一立地的土壤其渗透特性也出现了差异。

3.4 果园土壤水分特征的影响因素
由表5中果园土壤的粘粒含量和图1可看出,不同质地土壤的水分特征有很大差异。

土壤质地越细,粘粒含量越高,则土壤表面积越大,同一吸力下土壤的含水量越大。

土壤结构也影响土壤水分特征,结合土壤体积质量的分布情况可看出,在相同土壤含
水量下,质地重的土壤水吸力较大;在同一吸力下,体积质量大的土壤对应的含水量更大。

土壤中团聚体含量越多,体积质量越小,低吸力段的水分曲线变化越平缓。

土壤
大孔隙较多时吸持的水分较多,水分排出时吸力只发生很小的变化;如果大孔隙少则
吸持的水就少,水分排出时,吸力有可能发生较大变化。

表5 果园表层土壤物理性质和有机质含量Table 5 Physical characteristics and organic matter of topsoil in orchards?
蒲城土壤的有机质含量最高,为20.31 g/kg,安塞最低,为6.30 g/kg。

其他土壤的有机质含量变化范围在9.95(礼泉)～16.53 g/kg(耀县)。

安塞土壤的有机质含量最低,且总孔隙度较低,土壤体积质量为1.32 g/cm3也较高,而其饱和导水率不足25
cm/d,导水性较差。

这说明在饱和状态下,土壤孔隙特别是大孔隙的增加能加强土壤导水性能,而土壤吸附作用则抑制土壤导水能力。

土壤有机质含量影响土壤的团聚
度和孔隙度,增加有机质能改善土壤结构,增加土壤孔隙度,同时能改变土壤胶体状况,增强土壤吸附作用,这些因素都有助于保持土壤水分,增加土壤含水量。

因此土壤结构、孔隙状况直接影响饱和导水率,有机质积累能改善土壤结构和孔隙状况,提高土
壤导水和持水性能。

4 结论
果园表层土壤的水分特征曲线在低吸力(10 kPa)范围内变化很大,吸力超过10kPa
后变化趋于平缓;在吸力小于20 kPa时果园土壤的含水量都大于或接近0.3000 m3/m3,超过33 kPa后曲线变化极为平缓。

在低吸力水平下,数学模型θ=a◦S-b 对实测的水分特征曲线有很好的模拟性,相关系数较高。

果园表层土壤的持水性质不同:礼泉的饱和含水量最高,超过 0.600 0 m3/m3;洛川最低,为0.473 9 m3/m3。

蒲城的凋萎含水量最大,为0.131 2 m3/m3,陇县最小,为0.085 2 m3/m3。

安塞的有效含水量最高,为0.274 2 m3/m3,蒲城最低,为0.144 6 m3/m3。

果园表层土壤的饱和导水率变化范围较大,礼泉的饱和导水率超过250 cm/d,入渗能力最强;洛川和韩城很低,不足15 cm/d。

安塞土壤的有机质含量和总孔隙度都很低,而土壤体积质量较高,导水性能较差。

果园土壤的质地、体积质量、结构、孔隙状况与有机质含量等因素都影响土壤水分特征。

不同质地土壤的水分特征有很大差异,土壤质地越细,粘粒含量越高,则同一吸力下土壤的含水量越大。

果园土壤的饱和导水率受土壤结构及孔隙状况的影响,有机质的增加有助于提高土壤的持水和导水性能。

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