不同耕作方式下黑土的渗透特性和优先流特征
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应 用 生 态 学 报# "%%3 年 1 月# 第 !’ 卷# 第 1 期# # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # ]FA:9O9 LCIR:BT C< 5DDTA9P G/CTC=N，LIபைடு நூலகம், "%%3 ， 89 （1） ： !.%+2!.!%
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不同耕作方式下黑土的渗透特性和优先流特征 !
李文凤 # 张晓平
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# 梁爱珍 # 申# 艳 # 时秀焕 # 罗金明 # 杨学明
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（ ! 中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 !$%%!" ；" 中国科学院研究生院，北京 !%%%&’ ；$ 加拿大农业与农业食品部 温室与加工作物研究中心，安大略 (%) !*% ）
性， 很难给出严格的定义, 但是， 不论孔径大小、 形状 如何， 能够导致水分和溶质优先迁移的任何孔隙都
［ 1］ ［ 3］ 可以称之为大孔隙 , _BN 等 指出， 耕作方式影响
土壤容重， 并由此影响土壤孔隙分布， 由传统耕作改 为免耕后， 孔径为 !%% a .%% !0 的孔隙增加， $% a b .%% !0 的生物孔隙 （ 由作物 !%% !0 的孔隙减少， 根系和土壤动物如蚯蚓的活动形成） 会随着免耕时
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［ &］ 间的增加而增加! "#$% 等 通过染料示踪试验对
05/D
0/ 9:! 内环用马氏瓶使水位稳定在 5 9: 高， 外环人 工加水， 用可以同时测定内外环水位的卡尺标定内 以防止内 外环水位， 使外环水位也保持在 5 9: 高， 环水分发生侧渗! 在双环上覆盖一层薄塑料布防止 环中水分蒸发! 用秒表计时， 每隔一定时间读取马氏 瓶的刻度， 记录马氏瓶中的水位变化， 通过马氏瓶的 内径 （ 马氏瓶为圆柱体） 和水位变化高度来计算土 壤的渗透量及累积渗透量! 在试验过程中同时记录 水温， 在渗透系数的计算中加入温度校正值， 文中数
［ !］ 成型， 并被广泛采用 , 免耕是保护性耕作的主要 ［ $］ 表及地下 水 质 密 切 相 关 , 优先流的表现形式较 ［ &］ 多， 如常用的大孔隙流等 , 土壤大孔隙是土壤中 水分和空气的主要通道， 它的存在可以导致土壤水 ［ .］ 流和溶质优先迁移的产生 , 目前对大孔隙的定义 ［ +］ 还没有一个明确而统一的界定 ， 由于大孔隙几何 形状的多样性、 空间分布的复杂性和形成的多因素
［ 0/ ］
优先流试验采用染料示踪法! 染色示踪剂选用 亚甲基蓝， 它是一种闪古铜色光的粉状物， 溶于水稀 释后成蓝色! 把浓度为 0 I ・ J K 0［ &］的亚甲基蓝溶液 灌入马氏瓶， 通过马氏瓶供水给内环中的土壤染色 （ 马氏瓶既可以稳定水位， 又可以给内环中的土壤 染色） ! 染色完成后用塑料布盖好， . 周后开挖剖面， 用尼康 5D// 数码相机拍摄土壤的染色情况! 先在接 近直径处挖一个纵剖面， 拍摄土壤染色深度， 然后再 挖横剖面， 选取固定的直径方向， 从土壤表层向下拍 摄， 每次拍摄时在固定的直径方向放置一尺子 （即 每次拍摄都为相同直径的半圆） 作为参照， 拍摄的 深度为 / 8 0/ 9: 每隔 0 9: 拍摄 0 次， 0/ 8 ./ 9: 每 隔 . 9: 拍摄 0 次， ./ 9: 以下深度每隔 5 9: 拍摄 0 次， 直到肉眼看不到染色为止! 并在去除上一土层之 前， 沿着固定的直径方向取 6 个 0 9: （ 长）L 0 9: （ 宽）L /= 5 9: （ 高） 的小土体单元带回室内， 风干后 按照土水比 （ 去离子水） 0 M 1 配成溶液， 用高速离心 机以 5 /// N・:O* K 0 离心 ./ :O*， 然后用分光光度计 测量离心液中的亚甲基蓝浓度! !# %" 数据处理 采用 7P9)% 和 QNOIO* 软 件 对 数 据 进 行 分 析 制 图， 田间拍摄照片用 B$R,R+$R; 进行剪切处理! $" 结果与分析 $# !" 不同耕作方式下土壤的渗透率和渗透量 两种耕作方式下的土壤渗透 由表 0 可以看出， 率在初始阶段都较大， 但随着时间的推移急剧下降， 然后逐渐趋于平缓， 最后变为稳渗! 两种耕作方式下 土壤达到稳渗的时间相同， 都是 01/ :O*! 但是无论 累积渗透量还是每时段的渗透量， 免耕土壤均大于 秋翻土壤， 达到稳渗时， 免耕土壤的累积渗透量是秋
摘# 要# 用染料示踪法和双环法相结合， 对连续 + 年的免耕与秋翻中层黑土进行水分入渗与 优先流对比研究, 结果表明： 在整个入渗过程中， 免耕土壤的渗透率都大于秋翻土壤， 达到稳 渗时， 免耕土壤的稳渗率是秋翻土壤的 !- $. 倍， 累积渗透量是秋翻土壤的 !- && 倍, 从亚甲基 蓝溶液的渗透深度来看， 免耕土壤的渗透深度 （ &$ /0 ） 明显大于秋翻土壤 （ "1 /0 ） , 与秋翻土 壤相比， 免耕土壤具有更好的孔隙发育和更多的生物孔隙， 具有良好的优先流特征， 这对水分 入渗和水土保持有重要作用, 关键词# 黑土# 免耕# 渗透特性# 优先流# 染料示踪 （ "%%3 ） %12!.%+2%.# 中图分类号# 4!."- 1# 文献标识码# 5 文章编号# !%%!2’$$" !"#$#%&’$( )* +,*+-&$#&+), #,. /$’*’$’,&+#- *-)0 )* 1-#%2 ()+- +, 3)$&"’#(& !"+,# 4,.’$ .+**’$5 " " " ，>?5(* @ABC;DA:=! ，675(* 5A;EF9:!， ，4?G( HB:!， ，4?7 ’,& &+--#6’ /#&&’$,(7 67 89:;<9:=!， !， " !， " $ ! @AI;FIB: ，6JK LA:;0A:= ，H5(* @I9;0A:=（ !"#$%&’($ )*($+$,$& "- .&"/#’0%1 ’*2 3/#"&4"5"6 /1 ，7%+*&(& 34’2&81 "- 94+&*4&(，7%’*/4%,* !$%%!" ，7%+*’；" .#’2,’$& :*+;&#(+$1 "- 7%+*&(& $ .#&&*%",(& > ?#"4&((+*/ 7#"0( @&(&’#4% 7&*$#&，A*6 34’2&81 "- 94+&*4&(，<&+=+*/ !%%%&’ ，7%+*’； $’#+" (%) !*% ，7’*’2’） B 67%+*B CB 3005B D4"5, ， "%%3 ， 89 （1） ： !.%+2!.!%, :1(&$#%& ： MN IOA:= PN9 QRB/9R B:P PCIST9;RA:= A:<ATQRC09Q9R Q9/F:AUI9O， QF9 /FBRB/Q9RO C< A:<ATQRBQAC: B:P DR9<9R9:QABT <TCV C< STB/W OCAT I:P9R :C;QATTB=9（ (X）B:P <BTT 0CTPSCBRP DTCV（ YZ）V9R9 /C0; DBR9P B<Q9R OA[ N9BRO /C:QA:ICIO 0B:B=909:Q, XF9 R9OITQO OFCV9P QFBQ QF9 A:<ATQRBQAC: RBQ9 VBO FA=F9R I:P9R (X QFB: I:P9R YZ, 8F9: QF9 A:<ATQRBQAC: R9B/F9P OQ9BPN ，QF9 A:<ATQRBQAC: RBQ9 B:P B//I0ITB; R9OD9/QA\9; QA\9 A:<ATQRBQAC: /BDB/AQN I:P9R (X V9R9 !- $. B:P !- && QA09O BO FA=F BO QFCO9 I:P9R YZ， TN, XF9 D9:9QRBQAC: P9DQF C< 09QFNT9:9 STI9 R9B/F9P B P9DQF C< &$ /0 A: (X OCAT，S9A:= !+ /0 P99; D9R QFB: QFBQ A: YZ OCAT, ]C0DBRA:= VAQF YZ OCAT，(X OCAT FBP S9QQ9R P9\9TCD09:Q C< DCR9 OQRI/QIR9 B:P 0CR9 SACTC=A/BT DCR9O，B:P DR9O9:Q9P S9QQ9R DR9<9R9:QABT <TCV /FBRB/Q9R，VFA/F V9R9 C< A0DCR; QB:/9 <CR VBQ9R A:<ATQRBQAC: B:P OCAT B:P VBQ9R /C:O9R\BQAC:, ;’< 0)$.(：STB/W OCAT；:C;QATTB=9；A:<ATQRBQAC: /FBRB/Q9R；DR9<9R9:QABT <TCV ；PN9 QRB/9R, # # 保护性耕作技术于 "% 世纪 +% 年代在美国逐步
措施之一, 与传统耕作相比， 免耕能够降低土壤侵 蚀， 增加有机碳含量和生物活性， 减少劳动投入， 增
［ "］ 加收益 , 土壤水的入渗性能是土壤的重要物理性
质之一， 入渗性能的好坏直接关系到地表产生径流 量的大小， 对研究土壤侵蚀具有重要意义, 优先流是 一种较为常见的土壤水分运动形式， 与土壤入渗、 地
（ &%&1!!". ） 、 吉林省 科技 发展 计划 项目 !国家自然科 学 基金项目 （ "%%.%"%+;& ） 、 国家科技支撑计划项目 （ "%%+M5^!.M%! ） 和中 国科 学院东北地理与农业生态研究所学科前沿领域资助项目 （ _>]@$; 48;(5$;$! ） , !!通讯作者, G;0BAT：EFB:=[ABCDA:=‘ :9A=B9, B/, /: "%%1;!!;"1 收稿， "%%3;%&;!3 接受,
［ 0. ］ 翻土壤的 0= 11 倍! 柴亚凡等 将土壤的整个渗透
! 试验
区气候属于中温带大陆性季风气候， 年均气温 1= 1 >， 年降水量 5./ ::， 且主要集中在 - —? 月! 试验 设免耕 （ 4@ ） 和传统耕作秋翻 （ AB ） . 种耕作处理， 每处理设玉米C大豆和大豆C玉米两种轮作方式， 即 每个耕作处理每年都有玉米和大豆种植， 采用裂区 随机区组设计， 1 次重复! 于 .//D 年 ? 月 0- 日在作 物为玉米的免耕和秋翻两个处理中， 选取播种时播 种机车轮压实较小的区域进行试验! 试验前免耕处 理 / 8 5、 5 8 0/ 、 0/ 8 ./ 和 ./ 8 6/ 9: 土壤含水量分 别为 01= 1E 、 01= 0E 、 05= -E 和 05= -E ， 秋翻处理分 别为 00= ?E 、 0-= .E 、 05= DE 和 05= /E ! !# $" 研究方法 免耕处理： 从上茬作物收获后至播种前均不搅 动土壤， 利用前茬残留物覆盖地表， 以减轻风、 水侵 蚀! 采 用 可 以 联 合 作 业 的 牵 引 式 免 耕 播 种 机 （ FG4H76/// ） 播种! 播种机前部装有切刀， 在不拖移 地表残留物的前提下开沟播种、 施底肥、 覆土和镇 压， 一次完成作业! 应用广谱性除草剂于播种前、 后 进行土壤处理和苗期喷洒! 秋翻处理： 作物残留物秋 翻时扣于地表之下， 人工除草和中耕起垄! 翻耕深度 为 .5 9: 左右， 垄高 0- 9:， 垄宽 ?/ 9:! 采用染料示踪法与双环法相结合同时研究黑土 的渗透特性与优先流特征! 渗透率的测定采用不锈 钢双套环， 双环设在玉米垄间， 内环直径 6/ 9:， 外 环直径 -/ 9:， 内外环高 6/ 9:， 插入土中的深度为
［ 00 ］ 据均为 0/ > 时的渗透系数 !
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［ 1］ ［ 3］ 可以称之为大孔隙 , _BN 等 指出， 耕作方式影响
土壤容重， 并由此影响土壤孔隙分布， 由传统耕作改 为免耕后， 孔径为 !%% a .%% !0 的孔隙增加， $% a b .%% !0 的生物孔隙 （ 由作物 !%% !0 的孔隙减少， 根系和土壤动物如蚯蚓的活动形成） 会随着免耕时
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摘# 要# 用染料示踪法和双环法相结合， 对连续 + 年的免耕与秋翻中层黑土进行水分入渗与 优先流对比研究, 结果表明： 在整个入渗过程中， 免耕土壤的渗透率都大于秋翻土壤， 达到稳 渗时， 免耕土壤的稳渗率是秋翻土壤的 !- $. 倍， 累积渗透量是秋翻土壤的 !- && 倍, 从亚甲基 蓝溶液的渗透深度来看， 免耕土壤的渗透深度 （ &$ /0 ） 明显大于秋翻土壤 （ "1 /0 ） , 与秋翻土 壤相比， 免耕土壤具有更好的孔隙发育和更多的生物孔隙， 具有良好的优先流特征， 这对水分 入渗和水土保持有重要作用, 关键词# 黑土# 免耕# 渗透特性# 优先流# 染料示踪 （ "%%3 ） %12!.%+2%.# 中图分类号# 4!."- 1# 文献标识码# 5 文章编号# !%%!2’$$" !"#$#%&’$( )* +,*+-&$#&+), #,. /$’*’$’,&+#- *-)0 )* 1-#%2 ()+- +, 3)$&"’#(& !"+,# 4,.’$ .+**’$5 " " " ，>?5(* @ABC;DA:=! ，675(* 5A;EF9:!， ，4?G( HB:!， ，4?7 ’,& &+--#6’ /#&&’$,(7 67 89:;<9:=!， !， " !， " $ ! @AI;FIB: ，6JK LA:;0A:= ，H5(* @I9;0A:=（ !"#$%&’($ )*($+$,$& "- .&"/#’0%1 ’*2 3/#"&4"5"6 /1 ，7%+*&(& 34’2&81 "- 94+&*4&(，7%’*/4%,* !$%%!" ，7%+*’；" .#’2,’$& :*+;&#(+$1 "- 7%+*&(& $ .#&&*%",(& > ?#"4&((+*/ 7#"0( @&(&’#4% 7&*$#&，A*6 34’2&81 "- 94+&*4&(，<&+=+*/ !%%%&’ ，7%+*’； $’#+" (%) !*% ，7’*’2’） B 67%+*B CB 3005B D4"5, ， "%%3 ， 89 （1） ： !.%+2!.!%, :1(&$#%& ： MN IOA:= PN9 QRB/9R B:P PCIST9;RA:= A:<ATQRC09Q9R Q9/F:AUI9O， QF9 /FBRB/Q9RO C< A:<ATQRBQAC: B:P DR9<9R9:QABT <TCV C< STB/W OCAT I:P9R :C;QATTB=9（ (X）B:P <BTT 0CTPSCBRP DTCV（ YZ）V9R9 /C0; DBR9P B<Q9R OA[ N9BRO /C:QA:ICIO 0B:B=909:Q, XF9 R9OITQO OFCV9P QFBQ QF9 A:<ATQRBQAC: RBQ9 VBO FA=F9R I:P9R (X QFB: I:P9R YZ, 8F9: QF9 A:<ATQRBQAC: R9B/F9P OQ9BPN ，QF9 A:<ATQRBQAC: RBQ9 B:P B//I0ITB; R9OD9/QA\9; QA\9 A:<ATQRBQAC: /BDB/AQN I:P9R (X V9R9 !- $. B:P !- && QA09O BO FA=F BO QFCO9 I:P9R YZ， TN, XF9 D9:9QRBQAC: P9DQF C< 09QFNT9:9 STI9 R9B/F9P B P9DQF C< &$ /0 A: (X OCAT，S9A:= !+ /0 P99; D9R QFB: QFBQ A: YZ OCAT, ]C0DBRA:= VAQF YZ OCAT，(X OCAT FBP S9QQ9R P9\9TCD09:Q C< DCR9 OQRI/QIR9 B:P 0CR9 SACTC=A/BT DCR9O，B:P DR9O9:Q9P S9QQ9R DR9<9R9:QABT <TCV /FBRB/Q9R，VFA/F V9R9 C< A0DCR; QB:/9 <CR VBQ9R A:<ATQRBQAC: B:P OCAT B:P VBQ9R /C:O9R\BQAC:, ;’< 0)$.(：STB/W OCAT；:C;QATTB=9；A:<ATQRBQAC: /FBRB/Q9R；DR9<9R9:QABT <TCV ；PN9 QRB/9R, # # 保护性耕作技术于 "% 世纪 +% 年代在美国逐步
措施之一, 与传统耕作相比， 免耕能够降低土壤侵 蚀， 增加有机碳含量和生物活性， 减少劳动投入， 增
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质之一， 入渗性能的好坏直接关系到地表产生径流 量的大小， 对研究土壤侵蚀具有重要意义, 优先流是 一种较为常见的土壤水分运动形式， 与土壤入渗、 地
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区气候属于中温带大陆性季风气候， 年均气温 1= 1 >， 年降水量 5./ ::， 且主要集中在 - —? 月! 试验 设免耕 （ 4@ ） 和传统耕作秋翻 （ AB ） . 种耕作处理， 每处理设玉米C大豆和大豆C玉米两种轮作方式， 即 每个耕作处理每年都有玉米和大豆种植， 采用裂区 随机区组设计， 1 次重复! 于 .//D 年 ? 月 0- 日在作 物为玉米的免耕和秋翻两个处理中， 选取播种时播 种机车轮压实较小的区域进行试验! 试验前免耕处 理 / 8 5、 5 8 0/ 、 0/ 8 ./ 和 ./ 8 6/ 9: 土壤含水量分 别为 01= 1E 、 01= 0E 、 05= -E 和 05= -E ， 秋翻处理分 别为 00= ?E 、 0-= .E 、 05= DE 和 05= /E ! !# $" 研究方法 免耕处理： 从上茬作物收获后至播种前均不搅 动土壤， 利用前茬残留物覆盖地表， 以减轻风、 水侵 蚀! 采 用 可 以 联 合 作 业 的 牵 引 式 免 耕 播 种 机 （ FG4H76/// ） 播种! 播种机前部装有切刀， 在不拖移 地表残留物的前提下开沟播种、 施底肥、 覆土和镇 压， 一次完成作业! 应用广谱性除草剂于播种前、 后 进行土壤处理和苗期喷洒! 秋翻处理： 作物残留物秋 翻时扣于地表之下， 人工除草和中耕起垄! 翻耕深度 为 .5 9: 左右， 垄高 0- 9:， 垄宽 ?/ 9:! 采用染料示踪法与双环法相结合同时研究黑土 的渗透特性与优先流特征! 渗透率的测定采用不锈 钢双套环， 双环设在玉米垄间， 内环直径 6/ 9:， 外 环直径 -/ 9:， 内外环高 6/ 9:， 插入土中的深度为