不同灌溉方式下苹果园土壤氧气分布特征研究

路明杰，郭向红，雷 涛，雷 震，孙西欢,2，马娟娟，张少文

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西 晋中 030600)

0 引 言

土壤中的氧气会影响作物根系的呼吸作用，对作物的生长起着至关重要的作用。但影响土壤中氧气含量的因素有很多，其中农业灌溉是最主要的因素之一。当进行农业灌溉时，土壤水分会对土壤空气产生驱替作用，改变土壤通气性[1]。在不同灌溉方式下，土壤水分入渗边界条件和入渗机理差异会导致水分驱替效果不同，使得土壤氧气浓度和分布存在显著差异，进而影响根系呼吸和酶的活性[2]，最终影响作物生长生理及果实形成。为此，探究不同灌溉方式对土壤氧气分布产生的影响尤为重要，这对于完善土壤氧气相关理论以及进一步制定土壤气体调控策略具有重要的作用意义。

蓄水坑灌是一种适用于北方果园，具有节水保肥优势的中深层立体灌溉方法[3]。国内外学者围绕蓄水坑灌下土壤水分[4]、养分[5]及温度[6]分布特征和果树生长及生理响应[7]等方面进行了大量研究，并构建了水、氮、热迁移分布量化模型[8-10]，然而蓄水坑灌条件下土壤氧气分布特征及定量模型研究未见相关报道。国内外关于土壤氧气研究主要集中在增氧灌溉方面，前人定性地揭示了不同灌水量[11]、增氧量[12,13]、容重[14]及灌溉方式(增氧滴灌、常规滴灌)[15]对土壤氧气动态特征影响，然而土壤氧气分布定量模型研究未见相关报道，不同灌溉方式(蓄水坑灌、地面灌溉)对土壤氧气空间分布特征影响也尚不清楚。

本文拟通过田间试验，探明不同灌溉方式(蓄水坑灌、地面灌溉)下土壤氧气一维垂向和径向及二维空间分布特征，构建两种灌溉方式下土壤氧气分布模型，阐明不同灌溉方式下土壤氧气分布差异，为完善蓄水坑灌理论奠定重要基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2019年4月至10月在山西省农科院果树研究所矮化苹果园进行。该果园地处太谷县西南部，东经112°32′，北纬37°23′，平均海拔781.9 m，年平均气温9.8 ℃，无霜期175 d，多年平均降雨量460 mm左右，属典型的大陆性半干旱气候。试验区土壤以粉(砂)壤土为主，土壤干容重为 1.47 g/cm3，饱和含水率为 49.21%，田间持水率为30%(体积含水率)，灌溉水源为地下水。

1.2 试验设计

本试验主要进行不同灌溉方式下土壤氧气空间分布特征研究。试验选取园区长势优良，生长形态接近的6株苹果树为试验对象。苹果树种植方向为南北向，株行距为2 m×4 m。试验以灌溉方式为控制因子，设置地面灌溉、蓄水坑灌两种处理，每种处理设置3个重复。每株果树周边均匀布置4个蓄水坑，蓄水坑壁采用PVC网布进行固定，防止坑壁土壤塌陷。坑底采用土工布垫底做隔水处理。各处理灌水上下限均为60%～90%田间持水率。

1.3 测定指标与方法采用

土壤氧饱和度：采用13.05.01型土壤原位氧气测定仪进行测定。图1为试验测点布置。在蓄水坑灌条件下，沿距离树干30、50、60、90、100、120 cm径向位置处布置土壤氧气监测点。在各径向特征位置处，沿垂向每20 cm一层布置测点，测定深度为120 cm，共6层。地面灌溉条件下的测点布置方法与蓄水坑灌法一致。

图1 测点布置图Fig.1 The layout of measuring points

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理，采用 IBM SPSS Statistics 19软件进行统计学分析，采用 Origin 2017软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下土壤氧气一维垂向分布特征

图2为不同灌溉方式下距树干不同径向位置(r30，r50，r60，r90，r100，r120)土壤氧气一维垂向分布特征。由图2可知，在距树干同一径向位置处，两种灌溉方式下土壤氧饱和度随垂向深度增加均呈递减趋势。这是因为土壤中氧气主要来自大气扩散，当土层深度越大时，大气进入土壤的扩散路径越长，扩散阻力越大，土壤空气与大气的交换能力越弱，土壤氧饱和度越小。由图2还可知，在不同径向(r30，r50，r60，r90，r100，r120)条件下，在同一垂向深度位置处(d20，d40，d60，d80，d100，d120)蓄水坑灌处理的土壤氧饱和度分别比地面灌溉处理高0.3%～1.0%，1.8%～2.1%，2.0%～2.5%、2.2%～2.9%、2.4%～2.9%、2.3%～2.9%，均值分别为0.7%，1.9%，2.1%，2.4%，2.6%，1.8%。由此说明，在任意土壤深度位置处，蓄水坑灌处理的土壤氧饱和度均高于地面灌溉处理，并且土壤深度越大时，两种处理间的差异越明显。这是由于相对地面灌溉，蓄水坑的存在增加了土壤与大气间的气体交换界面，更有利于大气向土壤内部扩散，进而提高土壤氧饱和度。

图2 不同灌溉方式下土壤氧气一维垂向分布特征Fig.2 One-dimensional vertical distribution of soil oxygen under different irrigation methods

本文采用指数型模型[式(1)]对土壤氧饱和度一维垂向分布特征进行定量描述，并采用决定系数R2对模拟效果进行评价。表1为不同灌溉方式下土壤氧饱和度一维垂向分布模型参数及精度指标。由表1可知，地面灌溉和蓄水坑灌条件下OS(z)模型决定系数分别为0.903～0.916和0.872～0.983，均值分别为0.909和0.937。说明蓄水坑灌和地面灌溉方式下土壤氧饱和度一维垂向分布特征均能较好地符合OS(z)模型。在OS(z)模型中，参数b是与土壤氧饱和度沿垂向变化速率紧密相关的重要指标，并且模型参数b与变化速率绝度值呈正相关。由表1可知，在距离树干30、50、60、90、100和120 cm径向位置处，地面灌溉处理下参数b分别是蓄水坑灌处理的1.57倍、1.58倍、3.32倍、3.29倍、1.63倍和1.60倍，这说明地面灌溉处理的土壤氧饱和度下降速率要高于蓄水坑灌处理，这与图2分析结果一致。

OS(z)=aebz

(1)

式中：OS(z)为土壤氧饱和度；z为土壤深度；a、b均为拟合参数。

表1 不同灌溉方式下土壤氧气一维垂向分布特征拟合参数Tab.1 Fitting parameters of one-dimensional vertical distribution of soil oxygen under different irrigation methods

2.2 蓄水坑灌与地面灌溉土壤氧气径向分布比较

图3为不同灌溉方式下距地表不同垂向深度位置处(d20、d40、d60、d80、d100、d120)土壤氧气一维径向分布特征。由图3可知，两种不同处理下存在较大差异，在0～60 cm处蓄水坑灌下土壤氧饱和度随径向距离增大呈“几”字形变化趋势，随深度增大曲线坡度变缓。地面灌溉下土壤氧饱和度随径向距离增大均基本稳定。这是由于蓄水坑灌条件下蓄水坑的存在改变了土壤与大气交换的条件从而影响了土壤氧气径向分布规律和变化趋势，而随着土层深度的增加距离蓄水坑越来越远，对土壤氧气产生的影响逐渐变小。由图3还可知，在不同垂向深度位置(d20，d40，d60，d80，d100，d120)处，在同一径向(r30，r50，r60，r90，r100，r120)条件下蓄水坑灌处理的土壤氧饱和度分别比地面灌溉处理高0.3%～2. 1%，1.0%～2.9%，2.6%～4.2%、2.6%～4.3%、1.0%～2.9%、0.5%～2.2%，均值分别为1.9%，2.1%，3.4%，3.4%，2.0%，1.9%。蓄水坑灌下土壤氧饱和度均高于地面灌溉，氧饱和度的差值随径向距离的增加呈先增加后降低的趋势，在距离树干60和90 cm处时达到最大值。这是由于蓄水坑极大增加了与大气接触的临空面，并且在气象条件作用下坑壁表面土质疏松，孔隙度增大。这使得蓄水坑灌土壤氧气扩散及交换能力强于地面灌溉，进一步导致蓄水坑灌处理的土壤氧饱和度高于地面灌溉处理。

图3 不同灌溉方式下土壤氧气一维径向分布特征Fig. 3 One-dimensional radial distribution of soil oxygen under different irrigation methods

本文采用改进指数型[式(2)]对蓄水坑灌下土壤氧饱和度一维垂向分布特征进行定量描述，并采用决定系数R2对模拟效果进行评价。表2为蓄水坑灌下土壤氧饱和度一维径向分布模型参数及精度指标。由表2可知，蓄水坑灌条件下OS(x)模型决定系数在土层0～40 cm时模拟结果较高，精度为0.791和0.814。在40～120 cm时模拟结果较好，精度为0.605～0.677。

OS(x)=aeb(c-x)2

(2)

式中：OS为土壤氧饱和度；x为距离树干的距离；a、b、c均为拟合参数。

表2 蓄水坑灌下土壤氧气一维径向分布特征拟合参数Tab.2 Fitting parameters of one-dimensional radial distribution characteristics of soil oxygen under water storage pit irrigation

2.3 蓄水坑灌与地面灌溉土壤氧气空间分布比较

图4为不同灌溉方式下土壤氧气二维空间分布特征。由图4可知，地面灌溉下土壤氧饱和度随土壤深度增加呈减小趋势，随径向距离增加无明显变化基本趋于某一稳定常数；蓄水坑灌下土壤氧饱和度随土壤深度增加呈减小趋势，随径向距离增加呈“几”字形变化趋势。由图4可知，蓄水坑灌条件下土壤氧饱和度0.975 0～1.000 0区域主要集中在0～25 cm土壤，而地面灌溉处理的结果为0～20 cm；蓄水坑灌条件下土壤氧饱和度0.962 5～1.000 0区域主要集中在0～65 cm土壤，而地面灌溉处理的结果为0～25 cm。由此说明，在相同土壤氧饱和度等值线区间，蓄水坑灌处理氧气分布范围要大于地面灌溉处理。由图4还可知，在相同土壤区域(垂向0～120 cm，径向0～120 cm)，蓄水坑灌方式下土壤氧饱和度为0.950 0～1.000 0，地面灌溉方式下土壤氧饱和度为0.900 0～1.000 0，蓄水坑灌处理土壤氧饱和度均值比地面灌溉处理高3.74%。说明相对地面灌溉，蓄水坑灌有助于改善果园根区的土壤含氧状况。

由以上分析可知，OS(z)模型(式(1))和OS(x)模型[式(2)]够对蓄水坑灌下土壤氧饱和度一维径向和垂向分布特征进行准确模拟。在此基础上，采用相乘形式对OS(z)模型和OS(x)模型进行耦合，进而获得蓄水坑灌处理下土壤氧饱和度二维空间分布模型OS(x,z)，如式(3)所示。表4为OS(x,z)模型拟合参数及模型精度指标。由表4可知，蓄水坑灌下模型OS(x,z)的决定系数R2值为0.890。说明蓄水坑灌下土壤氧饱和度二维空间分布特征均能较好地符合OS(x,z)模型。

OS(x,z)=aeb(c-x)2+d z

(3)

式中：OS(x,z)为土壤氧饱和度；x为距树干的水平距离，cm；z为土壤深度，cm；a、b、c、d均为拟合参数。

表3 蓄水坑灌下土壤氧气二维空间分布特征拟合参数Tab.3 Fitting parameters of two-dimensional spatial distribution characteristics of soil oxygen under water storage pit irrigation

3 结 论

(1)不同灌溉方式下土壤氧饱和度随土壤层深度增加均呈指数型减小趋势，且蓄水坑灌处理下土壤氧饱和度要高于地面灌溉处理。建立了不同灌溉方式下土壤氧饱和度一维垂向指数型分布模型OS(z)，模型决定系数R2介于0.872～0.983，模拟精度较高。

图4 不同灌溉方式下土壤氧气二维空间分布特征Fig.4 Two dimensional spatial distribution characteristics of soil oxygen under different irrigation methods

(2)蓄水坑灌下土壤氧饱和度随径向距离增加呈“几”字形变化趋势，随深度增加逐渐趋于平缓。地面灌溉下土壤氧饱和度随径向距离增加基本稳定；蓄水坑灌处理下土壤氧饱和度要高于地面灌溉处理。建立了蓄水坑灌下土壤氧饱和度一维径向改进指数型分布模型OS(x)，模型决定系数R2为0.605～0.814，模拟精度良好。

(3)蓄水坑灌处理下土壤氧饱和度高于地面灌溉处理，且蓄水坑灌处理土壤氧饱和度高值区分布范围更广。建立了蓄水坑灌下土壤氧饱和度二维空间改进指数型分布模型OS(x，z)，模型决定系数R2为0.890，模拟精度较高。