白崗栓 鄒超煜 馮光惠 **熙 邊利強 邊利軍
(1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；
2.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；
3.吉安市濕地管理中心，江西 吉安 343000；
4.陜西榆林學院 生命科學學院, 陜西 榆林 719000；
5.磴口縣水利局，內蒙古 磴口 015200；
6.烏蘭布和灌域管理局 沙區灌溉試驗站，內蒙古 磴口015200)
內蒙古河套灌區光熱資源豐富，土地資源遼闊，是亞洲最大的自流灌區，但近年來農業用水日趨緊缺[1-3]。河套灌區農田受多年灌溉和泥沙淤積等的影響，平整度較差，灌溉均勻度低，土壤鹽漬化嚴重[2-3]，不利于作物生長[2-5]。秋澆是河套灌區特有的一種灌溉形式，是在秋季作物收獲后土壤封凍前進行的灌溉，目的是通過灌溉將土壤表層的鹽分淋溶到深層土壤或地下水中，同時促進土壤保持足夠的水分，確保春季播種時土壤中的水分和鹽分能夠滿足種子正常發芽和幼苗生長發育[6-7]。秋澆時若灌溉量大，除浪費水資源外，還會造成地下水位升高，翌年春季耕種時土壤潮塌和返漿，造成耕種困難或不能及時耕種，同時大量的地表水蒸發會引起土壤鹽漬化；
若灌溉水量偏少，則難以淋溶表層土壤鹽分，造成翌年春季土壤水分不足及土壤鹽分較高，影響種子發芽和幼苗生長[6-7]。合理的秋澆水量，是保證河套灌區春季正常耕種的前提[6-7]。激光平地結合了激光精準控制技術和常規機械平地技術，能夠大幅度提高農田平整度，減少灌溉量，提高灌溉質量與效率，防止土壤鹽漬化，提高土壤水肥利用效率，提高作物產量[8-16]，近年來已在各地試驗和推廣[17-23]。相關試驗結果表明，激光平地能有效降低河套灌區農田的灌水量，降低土壤鹽分，提高秋澆質量和土壤水分利用效率[2-3, 6-7]。土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分入滲速率等除受成土母質等影響外，還受排灌、耕作、施肥和土地平整度等人為因素的影響。土壤容重和土壤孔隙度不僅影響土壤水分的保持、養分的供應和氣體的交換過程，而且影響有機質的礦化與累積[24-25]；
土壤水分入滲過程和入滲能力不但影響降水及灌溉水、地表水、土壤水和地下水的相互轉化，而且影響降雨或灌溉進程中分配到土壤中的儲水量和地表的徑流量[26-27]。然而，有關激光平地對河套灌區農田土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分入滲速率的影響未見報道，因此，本研究以激光平地后的農田為研究對象，采用田間定位監測的方法，測定和分析激光平地對河套灌區土壤容重、孔隙度和水分入滲及秋澆質量的影響，以期為激光平地在河套灌區的推廣應用提供理論支撐。
1.1 試驗地概況及激光平地機
試驗地位于河套灌區的磴口縣壩楞村，東經106°98′，北緯40°33′，海拔1 048.7 m，年均降雨量142.7 mm，蒸發量2 381.8 mm。試驗地土壤為灌於土，地下水位在100～150 cm，灌淤層100 cm左右。試驗地耕層(0～30 cm)土壤有機質含量為11.0 g/kg，堿解氮182.45 mg/kg，速效磷16.75 mg/kg，速效鉀158.21 mg/kg，耕層田間持水率23.23%，凋萎系數7.48%。耕層土壤主要鹽分為氯化物-硫酸鹽，含量為1.0 g/kg左右。0～80 cm土層土壤容重較一致，平均為1.48 g/cm3[2-3]。
試驗地為長50.0 m，寬24.0 m，面積0.12 hm2，土壤理化性質和肥力基本一致的相鄰兩塊農田。秋季作物收獲后經水準儀測定，平整度(平整度為田塊內所有地形測點處地面相對高程的標準偏差值Sd，Sd越小，田地的平整度越高)分別為5.98和5.42 cm，均表現為進水口區域的田面較高，尾部的較低。對平整度為5.98 cm的地塊采用由激光平地系統(美國)、農用拖拉機(904)和平地鏟組成的激光平地機，從畦尾進入試驗地，然后從進水口區域開始，實施無縱橫坡激光平地作業，作業后其平整度為1.62 cm。激光平地機中的農用拖拉機自重為4 600 kg，平地鏟為2 300 kg。土壤封凍前對兩塊農田以畦灌的方式進行秋澆，當水流鋒面與尾部地埂完全接觸后及時停止灌溉。
1.2 試驗設計及監測項目
1.2.1試驗設計
試驗以普通農田為對照，秋澆前分段測定激光平地后農田的土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分入滲速率，秋澆時測定灌水量、水流速率、田面儲水深度和水流消退速率等。
1.2.2測定內容和方法
秋澆前在農田進水口區域、中部區域和尾部區域各選3個采樣點(圖1)，以10 cm為1層，用容積為100 cm3的環刀分別采取耕層原狀土各3個，然后加蓋濾紙、底網和底蓋，帶回試驗室內，用環刀法測定土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度。
環刀帶回實驗室后，去掉環刀上蓋和底蓋但保留底網，將其放在平底盤中，向盤中加水至環刀上沿但不能超過環刀上沿，每間隔2 h左右再加水以保持水位，放置12 h后環刀內土壤充分吸水直至飽和后，將環刀從平底盤中取出，迅速擦干環刀外面的水分后加蓋上蓋和底蓋，稱飽和濕土重W1。稱取飽和重W1后，打開上蓋和底蓋(保留底網)，將環刀放置在支架上讓土壤中的重力水排出(環刀上蓋虛蓋在環刀上)，靜置12 h后，加蓋上蓋和底蓋并稱重W2；
稱取毛管水重W2后，打開環刀上蓋和底蓋，一并放入105 ℃烘箱中烘烤24 h后，待烘箱中的溫度降到室溫時，打開烘箱，拿出環刀，加蓋上蓋和底蓋后稱烘干土重W3。
設環刀重為W0，環刀的體積為V，則土壤孔隙度和土壤容重用下面公式計算。
土壤非毛管孔隙度=(W1-W2)/V×100%
(1)
土壤毛管孔隙度=(W2-W3)/V×100%
(2)
土壤總孔隙度=(W1-W3)/V×100%
(3)
土壤容重(g/cm3)=(W3-W0)/V
(4)
秋澆前在農田進水口區域、中部區域和尾部區域各選擇3個監測點(圖1)，雙環法測定土壤水分入滲狀況[28-29]，并計算土壤初始(前3 min)入滲率、前30 min的入滲率、穩定入滲率和整個測試期間的入滲率。
圖1 試驗地采樣點及監測點示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points and monitoring points in experimental field
供試的雙環為不銹鋼環，高25 cm，外環直徑50.5 cm，內環直徑30.5 cm。試驗時將內環與外環均放置于同一圓心上，輕輕砸入土內15.0 cm，砸時應盡量減少對土壤的震動，以確保測試數據的準確性。內環和外環砸入土壤后，將小鋼尺插入內環內，在內環內和外環與內環之間的土壤表層上鋪2層紗布，以減少注水時水流對土壤表皮的沖刷與破壞。向內環和外環同時注水，注水深度達5.0 cm后停止，然后每間隔1 min測定1次水面下降深度，5 min后每間隔5 min測定1次水面下降深度并將內環和外環水面高度補充到5.0 cm，直到多次(至少4次以上)測定的水面下降幅度都保持一致時，便可認為已達到土壤水分穩定入滲狀態，則可停止測定。
初始入滲率=前3 min水面降低深度/3
(5)
前30 min入滲率=前30 min水面降低深度/30
(6)
穩定入滲率=穩定入滲時水面降低深度/5
(7)
測試期間的入滲率= 測試期間水面降低深度/測試時間
(8)
秋澆前分別在激光平地農田和普通農田內布設11排3列共33個監測點，每個監測點均布設帶刻度的標尺。不同排監測點之間相距5.0 m，不同列監測點之間相距6.0 m；
邊列監測點距地埂6.0 m(圖1)。
灌水量：秋澆時用出水量為320 m3/h的津奧特ATSXOK300-100/2-140雙吸式潛水電泵從渠中抽水進行灌溉。當水流鋒面達到農田尾部地埂時及時關泵停水，根據抽水時間來計算灌水量。
(9)
式中：I為灌水量(深度)，mm；
T為抽水時間，min。
水流速率、田面儲水深度和水面消退速率：秋澆時記錄水流鋒面達到每個監測點的時間；
關泵停水時立即記錄每個監測點的田面儲水深度；
記錄每個監測點關泵停水后的田面水流消退時間。根據相鄰排監測點(每排3個監測點)的距離(5.0 m)和水流通過時間計算不同地段的水流速率；
根據田面儲水深度及水面消退時間計算不同地段的水面消退速率。
水流速率、田面儲水深度和水面消退速率均勻度用克里斯琴森均勻系數Cu表示[30]。
(10)
1.4 數據處理
試驗數據用Excel 2010制作圖表，用student test 檢驗普通農田和激光平地農田之間的差異。
3.1 激光平地對土壤容重和土壤孔隙度的影響
土壤容重可反映土壤板結的程度。土壤容重往往易受成土母質及長期灌溉等的影響。由表1可知：2塊農田耕層的土壤容重均隨土層深度的增加而增加，進水口區域小于尾部區域。在農田進水口區域和中部區域，激光平地0～10 cm土層的土壤容重均顯著(P<0.05)高于普通農田，其中進水口區域較普通農田高5.19%，中部區域高4.35%，但<10～20 cm和<20～30 cm土層均與普通農田基本一致，無顯著差異；
在農田尾部區域，激光平地不同土層的土壤容重與普通農田基本一致，無顯著差異；
對于整塊農田而言，激光平地對不同土層的土壤容重未產生顯著影，與普通農田處于同一水平。
表1 不同處理耕層土壤的土壤容重Table 1 Soil bulk density of topsoil with different treatments g/cm3
土壤孔隙往往影響土壤的通氣性、養分釋放和移動、微生物活動和土壤水熱交換等。土壤孔隙往往受土壤質地、結構及長期灌溉和耕作等的影響。由表2可知：2塊農田的土壤總孔隙度均隨土層深度的增加而降低，進水口區域高于尾部區域。激光平地顯著(P<0.05)降低進水口區域和中部區域0～10 cm土層的土壤總孔隙度，顯著(P<0.05)提高尾部區域0～10 cm土層的土壤總孔隙度，其中進水口區域降低了5.71%，中部區域降低了4.35%，尾部區域提高了5.13%，但對<10～20 cm、<20～30 cm土層和整塊農田未產生顯著影響。
表2 不同處理耕層土壤的總孔隙度Table 2 Soil total porosity of topsoil with different treatments %
土壤毛管孔隙是儲存土壤水分的主要場所。由表3可知：2塊農田的土壤毛管孔隙度均隨土層深度的增加而增加，進水口區域低于尾部區域。激光平地顯著(P<0.05)提高了進水口區域0～10 cm和0～30 cm 土層土壤毛管孔隙度，其中0～10 cm土層提高了8.21%，0～30 cm 土層提高了5.18%，但對<10～20和<20～30 cm土層無顯著影響；
激光平地對中部區域不同土層無顯著影響，但顯著(P<0.05)降低了尾部區域0～10 cm和<10～20 cm土層的土壤毛管孔隙度，其中0～10 cm土層降低了5.04%，<10～20 cm降低了4.42%；
對整塊農田而言，激光平地對不同土層的土壤毛管孔隙度未產生顯著影響。
土壤非毛管孔隙是土壤氣體交換的主要通道。由表4可知：2塊農田的土壤非毛管孔隙度均隨土層深度的增加而降低，進水口區域高于尾部區域。
表3 不同處理耕層土壤的毛管孔隙度Table 3 Soil capillary porosity of topsoil with different treatments %
表4 不同處理耕層土壤的非毛管孔隙度Table 4 Soil air-filled porosity of topsoil with different treatments %
激光平地極顯著(P<0.01)降低了進水口區域不同土層的土壤非毛管孔隙度，其中0～10 cm、<10～20、<20～30 cm和0～30 cm土層分別降低了27.47%、18.39%、14.53%和20.13%；
激光平地極顯著(P<0.01)降低中部區域0～10 cm土層和0～30 cm土層的土壤非毛管孔隙度，顯著(P<0.05)降低<10～20和<20～30 cm土層的土壤非毛管孔隙度，其中0～10 cm土層和0～30 cm土層分別降低了21.20%和了11.18%，<10～20和<20～30 cm土層分別降低5.18%和7.16%；
激光平地極顯著(P<0.01)提高了尾部區域不同土層的土壤非毛管孔隙度，其中0～10 cm、<10～20、<20～30 cm和0～30 cm土層分別提高了39.76%、21.16%、19.06%和26.66%；
對整塊農田而言，激光平地極顯著(P<0.01)降低0～10 cm土層的土壤非毛管孔隙度，顯著(P<0.05)降低<10～20和<0～30 cm土層，其中0～10 cm土層降低了10.63%，<10～20土層降低了5.18%，0～30土層降低了6.50%，但對<20～30 cm土層無顯著影響。激光平地對進水口和尾部區域的影響較大，對中部區域的影響較小，且土層越接近地表，影響越大。
3.2 激光平地對土壤水分入滲速率的影響
土壤水分入滲過程往往影響土壤的蓄水保水能力。受多年灌溉的影響，農田不同區域的土壤水分入滲速率存在一定的差異。由圖2可知：農田進水口區域的土壤水分入滲速率較高，中部區域居中，尾部區域較低。圖2(a)為農田進水口區域，圖2(b)為農田中部區域，結合圖2(a)和2(b)可以看出，激光平地的初始入滲速率、前30 min入滲速率、穩定入滲速率均低于普通農田；
圖2(c)為農田尾部區域，可以看出激光平地農田的初始入滲速率和前30 min入滲速率高于普通農田；
圖2(d)為農田不同區域的平均值，可以看出激光平地的平均穩定入滲速率低于普通農田。
圖2 不同平地方式的不同區域土壤水分入滲速率Fig.2 Soil infitration rates of different regions under different land leveling styles
農田不同區域的土壤水分入滲過程存在一定差異。由表5可知：農田進水口區域，激光平地的穩定入滲速率在測試85 min后出現，普通農田在110 min后出現；
激光平地的初始入滲速率、前30 min入滲速率和測試期間的入滲速率均極顯著(P<0.01)低于普通農田，分別較普通農田分別降低了13.30%，18.28%和14.00%；
穩定入滲速率顯著(P<0.05)低于普通農田，較普通農田降低了9.26%。農田中部區域，激光平地的穩定入滲速率在測試90 min后出現，普通農田在100 min后出現；
激光平地的前30 min入滲速率和測試期間的入滲速率極顯著(P<0.01)低于普通農田，分別降低了16.19%和12.41%；
初始入滲速率和穩定入滲速率顯著(P<0.05)低于普通農田，分別降低了8.11%和8.49%。農田尾部區域，激光平地的穩定入滲速率在測試65 min后出現，普通農田在60 min后出現；
初始入滲速率、前30 min入滲速率和測試期間的入滲速率均極顯著(P<0.01)高于普通農田，分別提高了38.83%，36.68%和15.04%，但穩定入滲速率與普通農田處于同一水平外，僅提高了2.20%。對整塊農田而言，激光平地的穩定入滲速率在測試85 min后出現，普通農田在105 min后出現；
激光平地的初始入滲速率和前30 min入滲速率均與普通農田之間無顯著差異；
穩定入滲速率和測試期間的入滲速率均顯著(P<0.05)低于普通農田，分別降低了5.88%和5.15%。
表5 不同處理的土壤入滲速率Table 5 Soil infiltration rate in different infiltration stages of different treatments mm/min
3.3 激光平地對灌水量、水流速率、田面儲水深度、水流消退速率及其均勻度的影響
圖3 不同平地方式的水流推進速率(a)、田面儲水深度(b)和水流消退速率(c)Fig.3 Water advancing rate (a), field water storage depth (b) and water recession rate (c) of different land leveling styles
農田灌水量、水流速率和水流消退速率等與農田土壤質地、土壤結構和土地平整度等密切相關。激光平地提高了農田的平整度，影響了耕層土壤容重和孔隙度，降低了土壤水分入滲速率，必然會對農田灌水量、水流速率、田面儲水深度和水流消退速率等產生一定影響。經測定，激光平地農田灌溉耗時為40 min，普通農田耗時為54 min，灌水量分別為177.77 mm和239.99 mm，激光平地較普通農田節約灌水量25.93%，達極顯著(P<0.01)差異。
田面越平整，水流速率越高。由圖3(a)可知：激光平地的水流速率為逐漸增加，在尾部區域為勻速狀態；
普通農田是先逐漸降低，在尾部區域緩慢增加。普通農田的水流速率均勻度為0.94，激光平地的為0.97，激光平地較普通農田提高了3.19%，未形成顯著差異。激光平地的水流速率平均為1.25 m/min，普通農田為0.93 m/min，激光平地較普通農田提高了34.41%，達極顯著(P<0.01)差異。
田面越平整，田面儲水深度越一致。由圖3(b)可見：普通農田的田面儲水深度表現為中部較淺，尾部較深，最深與最淺處相差14.8 cm，均勻度為0.84；
激光平地最深與最淺處相差0.9 cm，均勻度為0.99；
激光平地田面儲水深度均勻度較普通農田提高了17.86%，達極顯著(P<0.01)差異；
激光平地田面儲水深度平均為15.88 cm，普通農田為17.28 cm，激光平地較普通農田淺8.10%，達顯著(P<0.05)差異。
土壤容重越低，土壤孔隙度越大，水流消退速率應越高。由圖3(c)可見：激光平地和普通農田的水流消退速率均為中部較高，尾部較低。激光平地中部在9 h左右、尾部在11.0 h左右后水分基本消退；
而普通農田中部在6 h 左右、尾部在29 h左右后才基本消退。普通農田水流消退速率均勻度為0.76，激光平地為0.95，激光平地較普通農田提高了25.00%，達極顯著(P<0.01)差異。普通農田水面消退速率平均值為1.87 cm·h-1，激光平地為1.68 cm·h-1，激光平地較普通農田降低了10.16%，達極顯著(P<0.01)差異。
在較大空間尺度上，土壤容重和土壤孔隙主要受母巖、地質歷史、氣候和地形等的影響；
在較小尺度上，則主要受立地環境、植被分布和農事耕作的影響[31]。土壤容重和土壤孔隙不但影響土壤耕性，而且影響土壤的持水保水性、透氣性和作物根系在土壤中的伸展空間，間接影響土壤肥力和作物產量[32-38]。供試農田為多年引黃灌溉而形成的灌於土，進水口區域沉積的土壤粗沙粒較多，土粒較大，疏松，土壤容重較小，總孔隙度和非毛管孔隙度較大而毛管孔隙度相對較小，而尾部區域沉積的土壤細沙粒較多，顆粒較細，粘性較強，毛管孔隙發達，毛管孔隙度相對較大[39]；
進水口區域地面較高，尾部較低，尾部區域為匯水區和土壤鹽漬化的高發區，不利于作物生長[2-3]。激光平地機的拖拉機和平地鏟二者的自重高達6 900 kg，平地過程中機具對土壤反復碾壓，造成土壤緊密，增加土壤容重，減少土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，相對增加土壤毛管孔隙度。平地過程中進水口區域為挖方區，尾部為填方區，且土層越深土壤容重越大，因而平地后進水口區域和中部區域的土壤容重增加，土壤總孔隙度和非毛管孔隙度降低，毛管孔隙度增加；
平地后尾部區域0～10 cm土層多為從進水口區域運來的土壤，在平地過程中原有的土壤結構遭到破碎并形成許多相對較大的物理孔隙，且進水口區域土壤相對疏松，因而其土壤容重略有降低，總孔隙度和非毛管孔隙度升高，毛管孔隙度相對降低。雖然激光平地對農田不同區域的總孔隙度和土壤容重有一定的影響，但土壤容重、土壤總孔隙度和毛管孔隙度主要與土壤質地密切相關[38]，故激光平地對整塊農田的土壤容重、土壤總孔隙度和土壤毛管孔隙度未產生顯著影響。激光平地后土壤非毛管孔隙降低，首先是土壤非毛管孔隙易受農事操作的影響，平地過程中機具對土壤反復碾壓，會增加土壤緊密度，降低土壤非毛管孔隙[19,32-33]；
第二是平地過程中進水口區域及中部區域均處于挖方區域，挖后下層土壤相對上升，從而導致土壤非毛管孔隙度降低；
第三是試驗地填方區域所的占比例較小而挖方區域所占比例較大，造成整塊農田土壤非毛管孔隙度降低。
土壤水分入滲與土壤孔隙度等密切相關，特別與非毛管孔隙密切相關[26-27]。激光平地降低了進水口和中部區域的土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，增加了尾部區域的土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，因而進水口和中部區域的土壤入滲速率降低，尾部區域的提高，這與已有研究結果土壤總孔隙度和非毛管孔隙度越高，土壤入滲速率越高的[40-43]基本相同。由于平地過程中機具對土壤的反復碾壓，整塊農田的非毛管孔隙降低，導致整塊農田的土壤入滲速率降低。
激光平地提高了農田平整度，減少了水流阻力，降低了水流推進鋒面，利于灌溉水流快速向前推進，提高了水流速率，而水流速率的提高促進了水流鋒面提早到達地尾，從而有效縮短灌水時間，減少灌水量[7, 22]，降低田面儲水深度，提高田面儲水深度均勻度[2-9]。激光平地過程中機具對土壤反復碾壓，提高了土壤容重，降低了土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，導致灌溉水分入滲緩慢，水面消退速率降低，有利于灌溉水分相對較多地保留在耕層土壤中，利于土壤洗鹽[3]，提高灌水效率[22]；
激光平地的灌水量較普通農田少，可減少地面水分蒸發，減少鹽分表聚，從而減輕土壤鹽分[3]；
激光平地后尾部區域的土壤容重降低，土壤總孔隙度和非毛管孔隙度增加，可有效改善尾部區域的土壤物理性狀，提高尾部區域的土地生產力[2-3]。激光平地后春季農田不同區域土壤水分分布均勻，防止土壤出現潮塌和返漿現象，利于春小麥等作物提早播種，延長春小麥生長期，提高春小麥產量[2-3]。
本研究通過監測激光平地對農田土壤容重、土壤孔隙度、土壤水分入滲速率和秋澆質量等的影響，主要結論如下：
1)激光平地對0～10 cm土層的土壤容重、土壤孔隙度影響較大，對10 cm土層以下的土壤影響較小。激光平地提高了處于挖方的進水口區域的土壤容重和毛管孔隙度，降低了進水口區域的土壤總孔隙度和非毛管孔隙度；
降低了處于填方的尾部區域的土壤容重和毛管孔隙度，提高了尾部區域的土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，顯著(P<0.05)降低了整塊農田0～30 cm土層的非毛管孔隙度，但對整塊農田的土壤容重、土壤總孔隙度和毛管孔隙度無顯著影響；
2)激光平地顯著(P<0.05)降低了農田進水口區域和中部區域的土壤水分穩定入滲率，對尾部的土壤水分穩定入滲率無顯著影響，顯著(P<0.05)降低了整塊農田的土壤水分穩定入滲率；
3)激光平地可減少灌水量25.93%，灌溉水流速率較快且較一致，田面儲水深度較淺且均一，水流消退速率較低且較均勻。
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