改良劑對鹽化潮土飽和導(dǎo)水率的影響

劉 璐, 張晴雯, 潘英華, 駱偉蓉, 楊永秦

(1.魯東大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 煙臺 264000; 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100086)

土壤導(dǎo)水性能是影響土壤水分入滲、淋溶等過程的重要性質(zhì)，其受降雨、植被、人類活動等外在因素及土壤母質(zhì)、礦物組成、質(zhì)地等內(nèi)在因素的影響。飽和導(dǎo)水率是反映飽和土壤導(dǎo)水性能和滲透能力的重要參數(shù)，直接影響地表徑流發(fā)生程度、鹽分淋洗狀況。因此，對其進(jìn)行人為調(diào)控，將對土壤水分入滲、徑流發(fā)生、鹽分淋溶等過程產(chǎn)生重要影響。土壤中施加改良劑可以調(diào)節(jié)土壤物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可能影響土壤導(dǎo)水性能。不同的土壤改良劑，因其物質(zhì)組成及作用機理不同，對土壤導(dǎo)水性能的作用效果差異較大。賈利梅等[1]在田間0—20 cm表層土壤中施用硅藻泥和泥沙，硅藻泥處理(1.5 t/hm2，3 t/hm2，4.5 t/hm2)，土壤飽和導(dǎo)水率分別降低1.18%，15.88%，22.65%；泥沙處理(20 t/hm2，40 t/hm2)的土壤飽和導(dǎo)水率增加17.94%，60.29%，泥沙可以提高黏質(zhì)鹽土的飽和導(dǎo)水率，而硅藻泥則會降低黏質(zhì)鹽土的飽和導(dǎo)水率。楊永輝等以黃土高原土為研究對象，研究表明PAM用量為54.5 mg/kg，112.9 mg/kg，169.4 mg/kg時，土壤飽和導(dǎo)水率隨PAM用量的增加而增大[2]。姜井軍等研究表明，在鹽堿土中施加生物炭能有效降低土壤堿化度和水溶性鹽總量，提高土壤的持水能力、有機碳含量及微生物活性，從而有效改良鹽土[3]。梁嘉平等通過室內(nèi)一維垂直入滲試驗得出，隨著混合施用石膏量增加(0，1.8%，3.6%，5.4%，7.2%)，土壤飽和導(dǎo)水率逐漸減小，且分別減小18.42%，36.84%，59.21%和75.00%[4]。

鹽堿地是各種鹽土和堿土以及不同程度鹽化和堿化土壤的總稱[5]。其特點是鹽堿成分含量高，土壤物理性狀較差，土壤微生物代謝緩慢，有機質(zhì)含量少，土壤肥力低下。過多的鹽分積累，一方面導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低，作物的光合作用減弱；另一方面迫使作物吸收過多的鹽基離子，如鈉離子、氯離子等，造成離子毒害，導(dǎo)致葉片過早脫落[6]，還會導(dǎo)致嚴(yán)重的營養(yǎng)元素失衡，致使作物不能正常吸收其他的營養(yǎng)元素[7]。目前我國鹽化潮土總面積約3 600萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[8-10]。在耕地資源約束趨緊的今天，鹽堿地作為后備耕地資源，其可持續(xù)利用已受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。

聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，簡稱PAM)因其具有成本低、效果好、施用方便以及無毒無污染[11]等優(yōu)勢而成為重要的土壤改良材料。竹炭型土壤調(diào)理劑(Bamboo charcoal organic compound fertilizer，BC)以竹炭、竹灰和酢液等為主要原料，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、極高的比表面積和良好的吸附特性[12]，可有效改善土壤的持水能力。菌型有機復(fù)合肥(Bacteria organic compound fertilizer，BO)是一種生物菌劑，通過微生物的生命活動促使作物得到特定肥料效應(yīng)，是常用肥料中的一種[13]。土壤導(dǎo)水性能與土壤鹽分的聚集與淋洗聯(lián)系緊密，因而施加土壤改良劑所引起的土壤導(dǎo)水性能變化是亟待關(guān)注的科學(xué)問題。

因此，本文選用PAM，BC和BO為土壤改良劑，利用室內(nèi)土柱試驗，探究改良劑對鹽化潮土導(dǎo)水性能的影響，以期試驗結(jié)果對于正確認(rèn)識改良劑對農(nóng)田水鹽運移過程的影響，以及在開發(fā)利用鹽漬化土地資源中，合理使用土壤改良劑起到一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣采自山東省濱州市濱城區(qū)農(nóng)田0—30 cm土層。土樣避光條件下自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)，過2 mm篩。利用吸管法測定土壤機械組成，土壤砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為63.25%，28.32%，8.43%，質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土(國際制)，土壤類型為鹽化潮土。試驗所用聚丙烯酰胺(PAM)分子量為800萬，陰離子型；竹炭型土壤調(diào)理劑(BC)由上海時科生物科技有限公司生產(chǎn)；菌型有機復(fù)合肥(BO)由北京恒源嘉達(dá)科技有限公司生產(chǎn)。土壤及改良劑的鹽分狀況見表1。

表1 試驗土壤與改良劑的鹽分含量狀況

1.2 試驗方法

土柱試驗中，將PAM與鹽化潮土按照質(zhì)量比為0.2 g/kg，0.4 g/kg，0.6 g/kg，0.8 g/kg和1 g/kg混合均勻，分別記作PAM0.2，PAM0.4，PAM0.6，PAM0.8，PAM1；將BC與BO按照質(zhì)量比4 g/kg，8 g/kg，12 g/kg，16 g/kg，20 g/kg混合均勻，分別記作BC4，BC8，BC12，BC16，BC20以及BO4，BO8，BO12，BO16，BO20；以不添加任何物質(zhì)的鹽化潮土為對照，記作CK。試驗共設(shè)計16個處理，每個處理3次重復(fù)。

采用定水頭滲透法測定飽和導(dǎo)水率(圖1)。試驗所用土柱高10 cm，由內(nèi)徑為6.2 cm，高2 cm的有機玻璃圓環(huán)嵌套組裝而成。土柱頂部和底部各裝一層石英砂，石英砂與土樣之間用濾紙隔開。風(fēng)干土與改良劑混合物按2 cm一層裝入，控制裝土容重為1.35 g/cm3，制成長8 cm的均質(zhì)土柱。用馬氏瓶從土柱表面供水，接樣裝置固定在土柱支撐架上。接樣裝置主要由塑料漏斗與土柱架子組合形成，為保證出流順暢，將漏斗邊緣扎一小孔，保證內(nèi)外氣壓平衡，不影響滲出液流動。試驗裝置示意圖如圖1所示。

試驗開始后，用計時器計時，記錄接樣漏斗中第一滴水滴下的時間和馬氏瓶讀數(shù)，而后每隔1 h，記錄馬氏瓶讀數(shù)，換接樣瓶并稱重以記錄出流液量。出流量達(dá)到穩(wěn)定時停止接樣，試驗結(jié)束。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

對于飽和土壤樣品，若以固定水頭給其供水，則當(dāng)水流穩(wěn)定后，根據(jù)達(dá)西定律，水流通量的大小與土壤飽和導(dǎo)水率K呈正比。根據(jù)達(dá)西定律方程計算土壤飽和導(dǎo)水率，即：

式中：Ks為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/min)；Q為出流量

(cm3)；ΔH為水頭高度(cm)；L為樣品長度(cm)；A為土柱橫截面積(cm2)；t為時間(min)。

圖1 試驗裝置示意圖

本文中的數(shù)據(jù)均采用Excel 2013和SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 改良劑對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

圖2是土表施加PAM，BO和BC情況下的土壤飽和導(dǎo)水率。由于PAM施用量無法與BO、BC相同，因此，取其任一用量(1 g/kg，PAM1)作為處理進(jìn)行比較分析，從后續(xù)的分析結(jié)果也可以看到，PAM其他用量處理的飽和導(dǎo)水率也較對照低。表2列出了CK與不同處理土壤飽和導(dǎo)水率的相對增加值。

圖2 改良劑對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

結(jié)合圖2和表2可知，BO，BC和CK的土壤飽和導(dǎo)水率無顯著差異，但與PAM處理的飽和導(dǎo)水率差異較顯著(p<0.05)。PAM1，BO20，BC20的飽和導(dǎo)水率分別為0.013 cm/min，0.029 cm/min，0.041 cm/min，較CK(0.031 cm/min)增加-59.0%，-6.8%，32.3%。這是由于PAM與土壤混合后，經(jīng)過水分長時間浸泡后膨脹，水的黏滯性增加，水分在土壤孔隙中流動時的摩擦力增大，影響土壤入滲，從而導(dǎo)致水分的滲流速率下降[14]。PAM用量越大，這種黏滯作用越強[15]，從而引起水分入滲阻力增大，降低土壤飽和導(dǎo)水率[16]。韓鳳朋等[17]通過表面施撒的方式研究了PAM對土壤物理結(jié)構(gòu)及水分分布的影響，表層施用PAM超過2 g/m2時，土壤體積質(zhì)量開始增加，飽和導(dǎo)水率降低；楊明金等[18]的研究表明，磷石膏用量一定的情況，飽和導(dǎo)水率隨PAM施用量增加而減小。由圖2B可知，PAM各用量處理與CK之間存在顯著差異(p<0.05)，但PAM各用量處理之間無顯著差異(p>0.05)。施用PAM之后，鹽化潮土的飽和導(dǎo)水率與CK相比明顯降低，且PAM施用量越多，土壤的飽和導(dǎo)水率越小。由此可見，可以考慮將PAM應(yīng)用于防止農(nóng)田水分深層滲漏，砂質(zhì)土壤水土保持等領(lǐng)域。

由圖2A可知，BC各用量處理之間與CK的土壤飽和導(dǎo)水率無顯著差異；由表2可知，BC各處理土壤飽和導(dǎo)水率的相對增加值均為正，說明BC各處理均能改善土壤導(dǎo)水性能，提高土壤飽和導(dǎo)水率。這可能是由于BC的加入使土壤具有良好的結(jié)構(gòu)和滲透性能，進(jìn)而對土壤導(dǎo)水性能提高起到一定的促進(jìn)作用。王紅蘭等[19]在紫色土中的研究表明，生物質(zhì)炭可以增強土壤的持水能力，并使表層和亞表層土壤的飽和導(dǎo)水率分別平均增加45%和35%。陳心想等[20]指出生物質(zhì)炭可以吸附和保持水分，并能增強土壤水分的滲透性。因此，含有部分竹炭的BC亦能夠增大土壤飽和導(dǎo)水率。在生產(chǎn)實踐中，可以考慮將竹炭型土壤調(diào)理劑施用于黏粒含量高的土壤中，改善土壤的導(dǎo)水性能，增加水分入滲量，提高水分利用率。

表2 不同處理土壤飽和導(dǎo)水率相對增加值

結(jié)合圖2和表2可知，BO對土壤飽和導(dǎo)水率影響較小，各處理間無顯著差異。BO4的土壤飽和導(dǎo)水率為0.0276 cm/min，較CK減小9%；BO8的土壤飽和導(dǎo)水率為0.0232 cm/min，較CK減小23.5%，推測是與BO中的鈉離子有關(guān)，有研究表明，鈉離子對土壤團聚體的穩(wěn)定性具有不良影響，鈉離子導(dǎo)致黏粒分散，阻塞土壤孔隙[21]。從表1可見，BO鈉離子含量高達(dá)59.7 g/kg，鈉離子對土壤顆粒的分散作用可能是導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率降低的主要原因。BO8處理土壤鈉離子含量要比BO4處理高，BO各處理中，BO8土壤飽和導(dǎo)水率最小。鈉離子對土壤黏粒溶液穩(wěn)定性的影響存在一個閾值[22]，對于BO12，BO16，BO20而言，可能是由于BO中的鈉離子含量過多，分散黏粒的能力減小，因此對土壤飽和導(dǎo)水率影響較小。

2.2 改良劑作用下的土壤滲透時間

滲透時間(土柱底部有水滲出的時間)是可以間接衡量土壤導(dǎo)水性能的又一指標(biāo)，表3為各改良劑及其不同用量情況下的滲透時間。與CK相比，BC和BO各處理所需的滲透時間均較短，滲透較快。通過對改良劑施用量與土壤滲透時間的相關(guān)分析，PAM各用量處理的相關(guān)系數(shù)為0.979(p<0.05)，土壤滲透時間與PAM施用量之間顯著相關(guān)，且PAM各用量處理的滲透時間均大于CK(47 min)，PAM用量越多，所需的滲透時間越長，PAM1的滲透時間為87 min。這是由于施用PAM后，PAM在水中溶解，一方面使土壤顆粒黏聚在一起，另一方面土壤水粘滯性增強，所需要的滲透時間增加。BO和BC各用量處理，改良劑施用量與土壤滲透時間之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.652，0.703(p<0.05)，相關(guān)性較顯著。研究表明，竹炭型土壤調(diào)理劑的施用超過一定量時，造成短期內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)過于疏松[19]，所需滲透時間大大縮短，BC20處理滲透時間僅有31 min。隨BO用量的增多，鈉離子對土壤粘粒的分散作用減小，對土壤通氣透水能力的影響小，滲透時間縮短，BO20處理滲透時間最短，為31 min。

表3 各處理所需的滲透時間

2.3 改良劑作用下的土壤出流量

通過對比BC20，BO20及PAM1處理之間7 h內(nèi)土壤的累計出流量，并與CK相比較，判斷各處理的土壤導(dǎo)水性能，結(jié)果見表4。7 h之后BO20，BC20累計出流量為145.6 cm3，172.04 cm3，分別比CK(132.67 cm3)提高了9.7%，29.7%；而PAM1累計出流量為64.94 cm3，較CK累計出流量減少51.1%。通過單因素方差分析可知，CK，BO與BC之間土壤累計出流量差異性不顯著，前4 h內(nèi)CK與PAM之間有顯著的差異性(p<0.05)。BC通過改善土壤顆粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善土壤導(dǎo)水性能，BC主要為蜂窩狀和管狀孔隙結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)是其吸附養(yǎng)分和水分的物理基礎(chǔ)[19]；BO富含有機質(zhì)，可以改良鹽化潮土的物理結(jié)構(gòu)。隨著入滲歷時的延長，PAM與土壤結(jié)合的更加充分，且用量越大粘結(jié)性越好，土壤有效孔隙減少，出流量總體較少。這與楊明金的試驗結(jié)果一致，施用PAM能夠減小土壤的飽和導(dǎo)水率，增強土壤水穩(wěn)性[12]。

圖3是各處理7 h內(nèi)累計出流量的變化情況。由圖3A可知，與CK相比，BO4和BO8兩個處理累計出流量較少，這與飽和導(dǎo)水率的變化相一致，BO8的飽和導(dǎo)水率最小，累計出流量最少，7 h的累計出流量僅有121.60 cm3。BO12，BO16以及BO20處理7 h的累計出流量分別為141.98 cm3，143.96 cm3，145.60 cm3，相差不大，結(jié)合表2可知，BO用量超過8 g/kg時，土壤導(dǎo)水性能相對穩(wěn)定，變化較小。

表4 累計出流量大小

圖3B是BC各用量處理土壤累計出流量的變化，BC8較CK土壤飽和導(dǎo)水率僅增加1.3%(表2)，BC8與CK土壤累計出流量曲線較吻合，與飽和導(dǎo)水率的變化一致。BC4，BC12和BC203個處理累計出流量曲線吻合度較高；4 h之后，BC20出流量迅速增加，推測是因為BC產(chǎn)生輸水效應(yīng)，累計出流量增加。

由圖3C可知，施用PAM之后，單位時間內(nèi)的平均出流量減小50%左右，其中PAM0.2的平均出流量最小，僅有9.5 cm3。施用少量PAM能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤中分散的大顆粒黏結(jié)，促進(jìn)土壤團聚體生成，土壤孔隙增加，降低土壤水分入滲速率，使水分入滲更均勻，較多的水分保留在土壤中，這對于促進(jìn)根系吸水、改善砂土保水特性等方面具有重要意義[23]。其余各用量PAM0.4，PAM0.6，PAM0.8，PAM1平均出流量分別為10.3 cm3，10.3 cm3，10 cm3，10.1 cm3，根據(jù)Gungor和Karaoglan[24]研究，當(dāng)PAM施用量過大時，土壤中可交換Na+的存在會減小PAM水溶液的黏滯性，從而使土壤水分的入滲速率增加。

圖3 各處理累計出流量大小

3 結(jié) 論

(1) 鹽化潮土飽和導(dǎo)水率隨著BC用量增加而增大，BC用量為20 g/kg時鹽化潮土飽和導(dǎo)水率為0.041 cm/min，較CK增加32.3%；鹽化潮土的飽和導(dǎo)水率隨PAM用量的增加而減小，PAM施用量為1 g/kg土壤飽和導(dǎo)水率為0.0127 cm/min，較CK降低59.0%；本文中選取6個BO用量(0 g/kg，4 g/kg，8 g/kg，12 g/kg，16 g/kg，20 g/kg)，對土壤飽和導(dǎo)水率的影響效果較小，各用量之間無顯著差異。

(2) 與CK相比，BC和BO各處理滲透較快，所需的滲透時間均較短；BC20和BO20的滲透時間分別為35 min和31 min。PAM各處理滲透較慢，所需的滲透時間較長，PAM1的滲透時間為87 min。

(3) 7 h之后BO20，BC20累計出流量分別為145.6 cm3，172.04 cm3，均較CK(132.67 cm3)提高了9.7%，29.7%；而PAM1累計出流量為64.94 cm3，較CK累計出流量減少51.1%。

(4) 本文中所用3種改良劑按一定比例混合施用情況下對鹽化潮土飽和導(dǎo)水率的作用效果需要進(jìn)一步探究。