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季节性干旱是影响我国南方红壤区农业生产的重要因素。红壤容重大,粘粒含量高,一旦含水量降低,穿透阻力将急剧增大,进而影响作物根系伸长和水分吸收。但尚无文献研究红壤区穿透阻力状况及影响因素,不清楚红壤性质对穿透阻力的影响。本文通过室内土壤模拟和田间土壤小区阻力观测试验,研究红壤穿透阻力随水分的变化情况,以及在此过程中土壤性质、土地利用方式、施肥耕作措施对穿透阻力与水分关系的影响,分析比较不同形式的阻力预测模型,为探讨红壤季节性干旱形成机制,并为红壤季节性干旱防御措施提供依据。
室内试验设置了3个容重(1.1、1.3、1.5 g/cm3)的土柱,模拟田间土壤干旱过程,监测土壤穿透阻力变化状况。大田试验在2012年6~9月间进行,研究茶园、林地、农田小区的红壤根系层阻力状况。农田小区设置4种不同施肥,包括对照不施肥CK、施用化肥NPK、施用粪肥PCM和施用化肥加秸秆还田NPKM,每个施肥处理下设置免耕和常规耕作措施。室内土柱和田间小区土壤均为第四纪红色粘土发育的红壤,农田作物为夏播玉米。土壤穿透阻力分别用微型贯入仪(室内)和土壤紧实度仪(田间)实测。主要研究结果如下:
红壤穿透阻力与含水量呈显著非线性负相关。在轻度到中度干旱期间,红壤穿透阻力大多超过了作物根系适宜的最大阻力(2.0 MPa)。红壤穿透阻力在0~40 cm土层呈单峰形分布,中度干旱时期,茶园在12.5 cm达3.51MPa,林地在5.0cm达4.78 MPa;免耕措施地块CK在22.5 cm达5.12 MPa,NPKM在12.5 cm为4.38 MPa;而常规耕作措施地块(NPK除外)0~20cm土层的阻力均小于2.0MPa。利用方式、耕作措施及施肥制度间土壤穿透阻力差异显著,并且随含水量降低差异变大。结果表明,含水量降低会引起高的红壤穿透阻力。
红壤性质影响穿透阻力,但容重、质地、有机质含量对土壤阻力及阻力与水分的关系影响不一致。容重对红壤阻力的影响最大,含水量减低到0.20g/g后,阻力随容重增加更剧烈。含水量大于0.17g/g时,质地和有机质的影响显著,阻力随着有机质和粉粒含量的增加而降低。随着含水量的降低,各个地块0~10cm土层的阻力与其余三个土层阻力间的差异明显增大。其中,茶园差异明显大于林地,而免耕措施PCM的差异最小。结果表明,相对于土壤其它性质,容重的增大更易引起高的红壤穿透阻力。
本文选取以下四种模型Q=aθb(1)、Q=aθbDc(2)、Q=a|ψ|b-c|ψ|(3)、log10Q=alog10|ψS|+blog10D+c(4),对各个实验地块进行模拟,其中:Q是红壤穿透阻力(KPa)、θ为质量含水量(g/g)、D为土壤容重(g/cm3),Ψ为基质势(-KPa),S为土壤水分饱和度(含水量/田间持水量),a、b、c为模型参数。不同模型的模拟效果不同,对于非农用地,可选取模型4;对于免耕农用地,可选取模型2;而对于耕作后的地块,可在土壤容重稳定后,选取模型2。该结果可用于对红壤穿透阻力大小的预测。