地面灌溉手册：土壤有机质的影响及优化技巧

土壤有机质是土壤的重要组成部分，土壤的许多特性，都直接或间接地与有机质的存在分不开，它不仅是评价土壤肥力高低的重要指标，也是影响土壤入渗特性的主要因素之一。土壤有机质通过改善土壤的特性从而对土壤水分入渗能力产生影响。下面以大同地区壤土的试验资料为依据，分析土壤有机质含量对土壤入渗能力及参数的影响。

2004年4月，在山西省大同市8个县 （区）进行了系统的大田土壤入渗试验。其中有15个试验地点的表层（0～20cm）土壤质地壤土，土壤物理性粘粒（＜0.01mm）含量在19.2%～38.6%之间。在自然状态 （未耕原茬地）下，土壤含水量的变化范围为6.4%～18.5%，土壤容重在1.256～1.38g/cm3 之间，土壤有机质含量的变化范围在0.55%～1.79%之间。

1.土壤有机质对土壤入渗能力的影响

图5.14是土壤初始含水率在8.2%～10.8%之间，三种不同土壤耕作状态下，不同有机质含量的土壤累积入渗曲线。试验结果表明:

（1）有机质含量对土壤入渗能力的影响十分明显。

图5.14　土壤累积入渗曲线

（a）原茬地；（b）翻松地；（c）压实地

图5.14 （a）为原茬地条件下，不同有机质含量时的土壤累积入渗曲线。当有机质含量由0.55%增加到1.05%时，土壤H 90由7.52cm 增加到11.62cm。图5.14 （b）和图5.14 （c）分别为犁耕翻松地和压实地条件下，不同有机质含量条件下的土壤累积入渗曲线。图5.14 （b）为当有机质含量在0.55%～1.05%之间变化时，土壤H 90在12.12～17.12cm 之间变化；图5.14 （c）为当有机质含量在0.55%～1.05%之间变化时，土壤H 90在10.93～14.6cm 之间变化。结果表明，有机质含量对大田土壤入渗能力的影响十分明显。

（2）土壤入渗能力随着土壤有机质含量的增大而增大。如图5.15所示的三条曲线是土壤初始含水率在9.6%～11.7%之间，分别为未耕原茬地、犁耕翻松地和犁耕压实地的H 90随土壤有机质变化曲线。可以看出:在土壤含水率基本相近的条件下，无论是哪种土壤结构，其H 90随着土壤有机质的增大而增加，即在土壤质地为壤土的条件下，土壤入渗能力随着土壤有机质的增大而增大。由图5.15所示的试验值点群分布表明，土壤90min累积入渗量与土壤有机质之间的关系符合对数函数，三种土壤结构状态下拟合方程如下:

图5.15　H 90随土壤有机质含量变化曲线

（a）原茬地；（b）翻松地；（c）压实地

原茬地:H 90=6.1494ln x+9.0874，R=0.8991

翻松地:H 90=6.4537ln x+12.548，R=0.9396

压实地:H 90=6.3772ln x+11.178，R=0.9113

有机质含量多的土壤，土壤团聚体多，土壤团聚体稳定性好。有机质中的多糖和腐殖物质在土壤团粒的形成过程和稳定性方面起着重要的作用，这些物质在土壤中可以通过功能基、氢键、范德华力等机制以胶膜形式包被在矿质土粒的外表。由于它们的粘结力比砂粒强，在砂性土壤中，能增加砂土的粘结力而促进团粒结构的形成；另外，它们松软、絮状、多孔，在粘性土壤中，粘粒被它们包被后，易形成散碎的团粒，使土壤变得比较松软而不再结成硬块，使各类土壤的结构得以改善。土壤动物依靠有机质作为食料，并因其混合土壤和形成通道而提供良好的物理性，也促进土壤团聚体的形成。土壤团聚体的大小的数量，又决定了土壤孔隙的状况。所以，土壤中的孔隙度随有机质含量的提高而增加，同时孔隙稳定性也随着有机质含量的提高而增大。土壤团聚体多，孔隙率大、孔隙尺度大、连通性好，对其中运动流体的阻力小，因而在单位势梯度下，土壤水分通量大，即土壤水力传导度大，相应地土壤入渗能力也增大。

有机质中的腐殖质具有巨大的比表面积和亲水基团，吸水量是粘土矿物的5倍，能使土壤吸持更多的有效水量。在土壤水分入渗的过程中，有机质含量高的土壤中，腐殖物质也越多，相应地土壤的持水率增大，也可导致土壤入渗能力的增大。

2.同一有机质含量水平下，土壤入渗能力对土壤结构的反应

图5.16为大同市开发区谢疃村的土质为壤土，土壤物理性粘粒为38.16%，表层0～20cm 的土壤有机质含量为1.05%，初始含水率为10.8%，耕作条件下 （原茬地1.258g/cm3、压实地1.133g/cm3、翻松地1.101g/cm3）的土壤累积入渗曲线。

如图5.16所示，在同一质地、同一有机质含量水平下，土壤水分入渗能力与土壤结构有关，随着土壤由疏松变密实，其水分入渗能力明显降低。翻松地最疏松，未耕原茬地最密实，犁耕压实地介于两者之间，同样的入渗时间内，犁耕翻松地的入渗量最大，压实地次之，原茬地最小。

当土壤质地一定、有机质含量一样时，不同结构的土壤颗粒组成相同，土粒的吸水、保水性类同，其不同的主要是土壤结构不同，意味着其板结程度、密实度、孔隙状况不同。疏松土壤单位体积密度小、孔隙率大、孔隙尺度大、连通性好，对其中运动流体的阻力小，因而在单位势梯度下，土壤水分通量大，即土壤水力传导度大；反之对于密实土壤，密度大、孔隙尺度小、连通性差，单位势梯度下水分通量小，即土壤水力传导度小。因此，土壤水力传导度随着土壤结构密实程度的增加减小。另一方面随着土壤密实程度的增加，孔隙程度减小，含水量相同时土壤水吸力增大。在积水入渗情况下，土壤水吸力的增大或许会使水分入渗势梯度增大，有利于入渗能力的增大，但由于势梯度增大使土壤入渗能力增加的影响远小于水力传导度减小使土壤入渗能力减小的影响，其综合影响的结果是随着土壤密实度的增大，土壤入渗能力减小。

3.土壤有机质含量相近，土壤入渗能力对土壤质地的反应

图5.16　不同土壤结构的累积入渗曲线

图5.17　不同土壤质地的累积入渗曲线

表5.4　不同土壤质地的土壤物理参数 （0～20cm）

图5.17为土壤有机质含量在0.94%～0.97%之间、未耕原茬地条件下，三种不同土壤质地的土壤累积入渗曲线。其他土壤物理参数如表5.4所示。图5.17表明:有机质含量相近的条件下，土壤入渗能力随土壤质地由重变轻而增加。五旗村的土壤入渗曲线在入渗初期不符合规律，是由于表层（0～10cm）土壤干容重比较小（1.256g/cm3）而引起的。土壤质地是土壤固相物质各粒级土粒的配合比例，它是通过对土粒的表面能、土壤孔隙尺度和分布的影响，来影响土壤水分运动的驱动力和水力传导度的大小，进而影响到土壤水分入渗能力。土壤质地越重，粘粒含量越高，颗粒越细微，土粒比表面积越大、吸附能力越强，土壤结构稳定，所以，单位势梯度下水分通量小。一般地讲，由于重质土壤孔隙比轻质土壤细小，相同土壤结构、含水量和水势梯度条件下，其水力传导度小于轻质土壤。因此，重质土壤的土壤水分入渗能力小于轻质土壤。(www.chuimin.cn)

4.土壤有机质含量与入渗模型三参数的关系

入渗模型中的三个参数k、α和f 0 都有其一定的物理意义。k 为经验入渗系数，其物理意义是入渗开始后第一个单位时段末的累积入渗量，在数值上也等于第一个单位时段内的土壤平均入渗速度；α为经验入渗指数，反映土壤入渗能力的衰减速度。在入渗初期，参数k起主导作用，随着入渗时间的增长，α和f 0则成了影响土壤入渗能力大小的主要因素。下面根据大田土壤入渗试验结果，分析土壤有机质含量对入渗参数k、α 和f 0 的影响。

图5.18　k值与土壤有机质含量的关系曲线

（a）原茬地；（b）翻松地；（c）压实地

（1）入渗系数k与土壤有机质含量的关系。如图5.18所示为原茬状况、翻松状况和压实状况三种耕作状况下，经验入渗系数k随土壤有机质含量的变化曲线，结果表明:土壤有机质对经验入渗系数k的影响很明显。由图5.18看出，不同土壤耕作条件下经验入渗系数k值与土壤有机质含量的关系曲线都有相似的变化趋势，相关性也比较好，即随着土壤有机质含量的增加而k 值减小，表明有机质含量对经验入渗系数k 值的影响比较明显，它们之间符合对数关系。由试验数据拟合曲线方程如下:

原茬地:y=-0.6406ln x+1.7305，R=0.8064

翻松地:y=-0.9789ln x+2.6329，R=0.6879

压实地:y=-0.6728ln x+2.1358，R=0.5528

参数k表征土壤入渗开始后第一个单位时间 （1min）内单位面积上的平均入渗速度或第一个单位时间末单位面积上的累积入渗量，是反映土壤入渗能力的一个重要指标。其值大小主要取决于入渗时土壤的结构和状况。在土壤质地、土壤干容重和原始含水量都基本相近的条件下，k值的大小主要取决于土壤孔隙分布状况。有机质含量不同的土壤，其土壤孔隙状况分布不同。有机质含量高的土壤，土壤结构状况好，中等孔隙多；相反，有机质含量低的土壤，土壤结构状况不好，特大孔隙或特小孔隙多，在土壤入渗初期，主要是特大孔隙先充满水并靠其重力向下层渗水，特大孔隙多的土壤入渗能力大。所以，有机质含量低的土壤在入渗初期入渗能力大，有机质含量高的土壤在入渗初期相对的入渗量小。因此，k值随着土壤有机质含量的增加而降低。

（2）入渗指数α与土壤有机质含量之间的关系。

图5.19　α值与土壤有机质含量的关系曲线

（a）原茬地；（b）翻松地；（c）压实地

如图5.19所示为原茬地、翻松地和压实地三种耕作状况下，入渗指数α随土壤有机质含量的变化曲线。可以看出:无论是哪种土壤结构，入渗指数α 值都在0.1～0.4之间变化，翻松地的试验数据有些离散，相关系数小，但它们都有相近的变化趋势，即随土壤有机质含量的增大而增大，它们之间关系符合对数关系。根据试验数据拟合曲线如下所示:

原茬地:y=0.0691ln x+0.2118，R=0.8019

翻松地:y=0.0821ln x+0.1935，R=0.6315

压实地:y=0.0966ln x+0.2490，R=0.7891

α为经验入渗指数，由式5.3可知，α 值越大，渗吸速度衰减的慢，α 值越小，渗吸速度衰减得快，反映土壤入渗能力的衰减速度。α值的大小取决于由于湿润引起的土壤结构的改变。有机质含量低的土壤，土壤结构不好，或团粒结构稳定性差，遇到水作用后，表层有些团粒容易溃散而变成较为均匀的小粒，在土壤入渗的过程中，溶化的粉砂粒往往沉积在一些大的孔隙中阻碍水分的入渗，溶化的粘粒淤积在土壤表面，形成一层很薄的致密层，相应地阻碍水分的入渗，土壤入渗量减小，所以土壤渗吸速度衰减得快。相反，有机质含量高的土壤，土壤团粒结构较多且稳定，团粒结构遇水后不易溃散，在地表不易形成致密层，相对地入渗的水量就多，所以土壤渗吸速度和土壤入渗能力衰减得慢。因此，入渗指数α随土壤有机质含量的增大而增加。

（3）稳定入渗率f 0与土壤有机质含量之间的关系。如图5.20所示为原茬状况、翻松状况和压实状况三种耕作状况下，入渗指数f 0随土壤有机质含量的变化曲线。在土壤质地条件下，入渗指数f 0随土壤有机质含量的增大而增大；入渗指数f 0随土壤有机质变化规律可近似用对数函数表达，根据试验数据拟合曲线如图5.20所示:

原茬地:y=0.0467ln x+0.0528，R=0.7578

翻松地:y=0.0654ln x+0.0852，R=0.7947

压实地:y=0.0313ln x+0.0730，R=0.7232

图5.20　f 0 值与土壤有机质含量的关系曲线

（a）原茬地；（b）翻松地；（c）压实地

f 0为土壤的相对稳定入渗率，即非饱和土壤入渗速度达到相对稳定时的入渗速度。f 0是入渗达到相对稳定时的土壤水力传导度，也称饱和导水率。其大小主要取决于土壤孔隙的多少和大小。有机质含量高的土壤，土壤团粒结构较多，孔隙结构合理且稳定。团粒结构遇水后不易溃散，在表层土壤不易形成致密层，有利于水分入渗；土壤有机质含量高的土壤的中等孔隙相对较多，相应的水分入渗的就多，所以，有机质含量高的土壤，相应的稳定入渗率大。

综上所述，土壤有机质含量对土壤入渗能力的影响十分明显，随着土壤有机质含量的增大，大田土壤入渗能力增大，它们之间的关系符合对数函数。土壤有机质含量对考斯加科夫两参数入渗模型的两个参数都会产生影响，入渗系数k随着土壤有机质含量的增加而降低，入渗指数α和f 0随着土壤有机质含量的增加而增大，它们之间拟合曲线符合对数关系。