摻混菜籽油渣減少土壤入滲改善持水特性

邢旭光，張 盼，馬孝義

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摻混菜籽油渣減少土壤入滲改善持水特性

邢旭光，張 盼，馬孝義※

（1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100；2. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100）

針對目前植物油渣較少應用于農業生產的現狀，為探明植物油渣對土壤水分運動和土壤持水特性的影響，采用室內一維土柱入滲試驗，以耕作層土壤為研究對象，定量摻混植物油渣，對比研究3種不同摻混深度（14、24和34 cm）條件下的土壤水分入滲特性，并對摻混油渣土壤的持水能力進行分析。結果表明：1）Philip和Kostiakov入滲模型均可用于描述摻混油渣條件的土壤水分入滲特性及參數擬合（2>0.99）；2）與純土相比，摻混植物油渣可有效減小累積入滲量和入滲速率，根層摻混油渣（34 cm土層）最大可分別減少累積入滲量和入滲速率約11.0%和41.7%；3）入滲結束時基于土壤剖面水分分布特征，土壤摻混植物油渣有利于提高土壤飽和含水率和根層土壤含水率，與純土相比分別提高約14.3%和11.3%，有效增強了土壤持水能力；4）土壤摻混植物油渣可增加黏粒和粉粒、降低砂粒含量。該研究可為農田生產中植物油渣推廣奠定理論基礎，同時為植物油渣的田間土壤改良及應用提供參考。

土壤；水分；入滲；持水能力；菜籽油渣

0 引 言

土壤水分是重要的土壤物理參數，明晰土壤水分在土體內的分布及運動特性對于指導灌溉、提高水分利用率和高效利用土壤儲水量具有重要意義[1]。土壤耕作層水分是否充足直接關系到作物能否正常出苗和生長，土壤中混摻添加物是提高耕作層土壤持水能力和儲水量的最便捷且常被采用的方法[2-6]。在水資源相對匱乏和土壤沙化較為嚴重的西北地區，發展節水農業和水土資源保護已成為重要議題。土壤水分入滲和土壤剖面水分分布特征決定著土壤中灌溉水的利用效率、地表徑流和土壤侵蝕程度，進一步影響作物根層水分利用效率，最終影響作物產量[7]；降低根層土壤水分入滲速率有利于減小養分流失和深層滲漏，從而降低地下水污染風險。因此，研究含添加物的土壤水分入滲問題具有現實意義。

譚帥等[8]研究表明，摻混納米碳對土壤入滲能力具有顯著影響，且入滲過程可以用Kostiakov和Philip模型進行描述；丁奠元等[9]和余坤等[10-11]均指出小麥秸稈經氨化處理可以改善農田土壤結構、提高土壤質量，進一步改善土壤耕性；張春強等[12]研究表明，聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）和尿素均可降低土壤入滲能力，其中PAM的作用效果更強，而Lentz[13]指出土壤入滲能力同時受PAM種類、劑量影響；Tarui等[14]和Doran等[15]研究顯示，-聚谷氨酸（poly--glutamic acid，-PGA）可以調節土壤酸堿性、促進土壤團粒結構形成，對防止土壤板結具有較好效果，亦可防止土壤侵蝕。縱觀目前關于土壤添加物對土壤入滲以及持水能力影響的研究，在一定程度上忽略了對作物根層的集中探索，較多是基于不同施用量而展開[2,5,16-19]，施用量過多不僅造成資源浪費、成本增加，同時也存在破壞土壤結構等風險。

植物油渣是一種有機肥料，可為作物提供充足的養分，且極易獲取、價格低廉；施用植物油渣可改善土壤物理性狀，有利于增強土壤的保肥保墑能力，具有很強的推廣潛力和很高的應用價值。然而植物油渣并未被廣泛應用到田間作業中，關于植物油渣對土壤持水性能影響的研究更是鮮有報道。為推廣植物油渣、降低農業生產成本，本研究擬采用一種可自制的菜籽油渣作為一種改善土壤物理性質的土壤耕層添加物，分析不同油渣摻混深度對土壤水分入滲特性及土壤持水能力的影響，以期為植物油渣在農業生產和土壤改良等領域的廣泛應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土壤取自當地玉米-小麥輪作試驗田（34°17′28″N、108°04′30″E），采集深度為30 cm耕作層；土樣經風干、過2 mm篩后，采用激光粒度儀（英國馬爾文儀器有限公司）測定供試土壤顆粒組成，粒徑<0.002、0.002～<0.02和0.02～<2 mm的土壤顆粒體積分數分別為3.75%、21.73%和74.52%，土壤質地為砂壤土（國際制）。土壤摻混物選用易于獲取的菜籽油渣，即菜籽壓榨出油后的殘渣（未經發酵處理），將其風干后粉碎成粉末狀備用。

1.2 試驗設計與方法

在室內進行恒定水頭一維土柱入滲試驗，有機玻璃土柱高40 cm，直徑15 cm；裝土高度為34 cm，以更好的模擬田間耕作層，裝土過程中，層間刮毛使得裝填土更加均勻，初始含水率為2.47%；采用直徑15 cm的馬氏瓶盛放入滲水源，與土柱相連并保證持續供水，入滲積水深度控制在1.5 cm左右，試驗裝置如圖1所示。依據不同油渣摻混深度設置3種處理，即油渣摻混深度（從土表算起）分別為14、24和34 cm（分別記作T1、T2和T3），并以純土無摻混作為對照（CK），各摻混處理中油渣均按2%（質量分數）比例與各層土壤均勻混合。在填裝土柱過程前將供試土壤與油渣粉末按比例混合后，根據實測容重并按干容重1.45 g/cm3、每5 cm均勻進行裝填，以盡量避免由于油渣摻入引起土壤容重變化。

油渣摻混深度不同可導致各處理入滲時間不同，試驗設定入滲過程介于30～38 h（1 800～2 280 min）之間，入滲過程采用秒表計時，并定時記錄馬氏瓶中水位變化以及土柱內濕潤鋒下移距離，從而進一步計算累積入滲量以及入滲速率。記錄時間間隔（Δ）依據入滲歷時（）而定，即≤10 min時Δ=1 min，>10～30 min時Δ=2 min，>30～60 min時Δ=3 min，>60～120 min時Δ=5 min，>120～240 min時Δ=10 min，>240～420 min時Δ=20 min，>420～600 min時Δ=30 min，>600 min時Δ=1 h；當濕潤鋒到達34 cm處時視為入滲結束，此時停止供水并吸干土壤表層積水，采用土鉆對0～34 cm土層進行取土（間隔2 cm），烘干法測定不同深度土壤含水率。

1.3 測定項目

1.3.1 土壤水分入滲

1）Philip模型[20]

對入滲歷時求導

式中()為累積入滲量，cm；()為入滲率，cm/min；為吸滲率，cm/min0.5。

2）Kostiakov模型[20]

對入滲歷時求導

式中、均為經驗常數，其中值根據土壤性質和初始含水率而定，變化介于0.3～0.8之間。

1.3.2 土壤水分特征曲線及飽和導水率

分別采用離心機法和定水頭法測定原始土壤和油渣摻混土壤的水分特征曲線及飽和導水率；并采用van Genuchten模型對2種土壤水分特征曲線進行擬合，獲取土壤水力參數。

式中為體積含水量，cm3/cm3；θ為飽和體積含水量，cm3/cm3；θ為殘余體積含水量，cm3/cm3；為吸力，cm；為進氣吸力的倒數，cm-1；和均為形狀系數。

式中K為土壤飽和導水率，cm/min；為時間內的出水量，cm3；為土柱截面積，cm2；為裝土高度，cm；為進水端至土面的水頭，cm。

2 結果與分析

2.1 油渣摻混深度對土壤入滲特性的影響

2.1.1 油渣對累積入滲量及入滲速率的影響

采用實測的累積入滲量對土壤水分入滲能力進行評價，如圖2a所示。可以看出，在相同入滲歷時情況下，摻混油渣處理的土壤水分累積入滲量均小于CK，且隨著油渣摻混深度增加而減小。各處理的累積入滲量在入滲初期差異不大，其中T1、T2和T3處理約400 min內0～14 cm土層土壤入滲特征相似，隨后T1處理累積入滲量增加幅度較T2和T3大；T2和T3處理約1 500 min內0～28 cm土層土壤入滲特征相似，隨后T2處理累積入滲量增加幅度較T3大，原因在于在土壤中添加植物油渣具有減滲作用，故當濕潤鋒穿過油渣摻混深度時，累積入滲量逐漸拉開差距，最終導致各處理入滲結束時的入滲歷時不同。以CK為標準，當其入滲結束時，T1、T2和T3處理累積入滲量分別較CK減小了3.9%、7.8%和11.0%，可見摻混植物油渣深度越大則越有利于減小土壤水分入滲，可以有效防止農田發生深層滲漏。

a. 累積入滲量

a. Cumulative infiltration

b.入滲率

b. Infiltration rate

注：CK為純土；T1~T3摻混深度分別為14、24、34 cm，下同。

Note: CK is pure soil; T1-T3 refers to depth of dreg mixed with soil of 14, 24 and 34 cm, respectively, the same as below.

圖2 油渣摻混深度對土壤累積入滲量和入滲率的影響

Fig.2 Impacts of depth of dreg mixed with soil on soil cumulative infiltration and infiltration rate

入滲率是指單位時間通過地表單位面積入滲到土壤中的水量，油渣摻混深度對土壤水分入滲速率的影響如圖2b所示。油渣摻混深度對土壤水分入滲速率的影響表現為入滲速率隨油渣摻混深度增加而減小，且均小于CK處理，穩滲率也呈現減小趨勢。T1、T2和T3處理的入滲速率在入滲初期差異較小，表現出與累積入滲量較為相同的變化趨勢，在油渣摻混和純土層交界面的入滲特征發生明顯變化，原因在于植物油渣與土壤混合可增加入滲水的黏滯性，起到阻滲效果，從而使得土壤水分在摻混土層入滲速率較慢。入滲結束時，CK處理穩滲率為0.0036 cm/min，T1、T2和T3處理穩滲率分別較CK減小了25.0%、33.3%和41.7%，可見摻混植物油渣的深度越大則越有利于減緩水分流動，降低土壤水分發生無效滲漏風險。

2.1.2 油渣對入滲參數的影響

基于MATLAB、采用最為常用的Philip和Kostiakov入滲模型對實測入滲數據進行擬合，獲取摻混油渣條件下的土壤水分入滲參數（表1），從而進一步分析油渣摻混深度對土壤水分入滲的影響。基于均方根誤差（root mean square of error，RMSE）和誤差平方和（sum of square error，SSE）誤差分析及2指標可知，Philip和Kostiakov入滲模型均適用于描述摻混植物油渣條件下的土壤水分入滲特征（2>0.99）。對于Philip入滲模型，土壤吸滲率指土壤依靠毛管力吸收或釋放液體的能力[21]；表1表明，隨著油渣摻混深度增加，呈現減小趨勢，表明毛管力對土壤水分的吸收能力減弱[2]。對于Kostiakov入滲模型，隨著油渣摻混深度增加，經驗系數和分別呈現減小和增大趨勢。土壤水分入滲參數的大小主要取決于入滲時土壤的結構和孔隙分布狀況[22]。土壤中添加植物油渣在一定程度上可增加土壤顆粒的持水容量，導致土壤顆粒膨脹，這可能改變了土壤結構和孔隙分布特征，進而對入滲參數產生影響。

表1 Philip和Kostiakov入滲模型參數擬合及誤差分析

2.2 油渣摻混深度對土壤持水特性的影響

2.2.1 油渣對土壤水分分布的影響

筆者曾研究證實，向土壤中添加植物油渣可有效提高土壤含水率8.06%～13.60%[23]。在此，為進一步分析添加植物油渣對土壤水分運動及分布特征的影響，在入滲結束時（濕潤鋒到達34 cm處時視為入滲結束）對不同摻混深度條件下的土壤剖面水分分布特性進行研究，見圖3。

從圖3可以看出，各處理土壤含水量隨土層深度增加而減小，減小速率也逐漸減小。T1、T2和T3處理0～14 cm土層土壤含水量接近，T2和T3處理0～24 cm土層土壤含水率接近；當濕潤鋒穿過油渣摻混層時，土壤水分運動特征發生變化，各處理土壤含水量差異明顯，T1處理14～34 cm土層和T2處理24～34 cm土層土壤含水量分布逐漸向CK靠近。與CK相比，摻混油渣條件下，土壤飽和含水率和各土層的土壤含水率均得到顯著提升（表2），本研究表明，添加油渣使得土壤飽和含水率提高約14.3%，土壤含水量提高約11.3%，有效增強了土壤持水能力。

表2 摻混土壤與純土的水力參數值

2.2.2 油渣對土壤顆粒分布的影響

油渣摻混土壤顆粒分布見表3。摻混油渣后，土壤中<0.02 mm的顆粒占比明顯增加，0.02～2 mm的土壤顆粒含量顯著降低，其中黏粒質量分數由3.75%增加到9.97%，粉粒質量分數由21.73%增加到55.15%，砂粒質量分數由74.52%減少到34.88%，經測定摻混土壤質地由砂壤土變為粉壤土。由此可知，在入滲過程中向土壤中添加植物油渣可增加黏粒和粉粒含量、降低砂粒含量，即中小粒徑土壤顆粒比例升高、大粒徑土壤顆粒比例降低，這可能正是土壤持水能力增強的主要原因；另一方面，摻混植物油渣會使土壤質地發生變化。

表3 植物油渣對土壤顆粒分布的影響

3 討 論

本研究以土壤耕作層作為研究對象，與純土相比，菜籽油渣可以減小土壤水分累積入滲量和入滲速率，這對于提高根層土壤含水率和儲水能力具有重要意義。土壤水分入滲速度慢一方面可以減少水分滲漏損失，有利于提高水分利用效率；另一方面也有利于減少N、P、K等營養元素流失，降低了地下水污染風險。因此，在農田播種前耕地時施用植物油渣是具有現實意義的。

研究表明，摻混油渣處理土壤剖面含水率高于純土處理，這是由于向土壤輸入油渣粉末可以提高土壤飽和含水率（表2），從而使得土壤含有更多的水分。植物油渣的減滲作用可以從以下2個方面解釋：1）入滲過程中，淺層土壤中的大孔隙和部分小孔隙逐漸被油渣粉末填充堵塞，在一定程度上切斷了土壤水分入滲斷面，導致導水能力降低（表2）；較深層的土壤中，油渣粉末使得土壤水分入滲通道減少[24]，形成致密結構，導致入滲土壤表層形成水分控制層，起到阻滲效果[25-26]，故摻混油渣深度越大，土壤水分累積入滲量和入滲速率越小（圖2）；2）菜籽油渣是一種有機物，與土壤混合會增加有機質含量，而土壤有機質是誘發土壤發生斥水性的主要原因之一[27-28]，從而導致水分較難濕潤土壤，降低了土壤的滲透性[29]。土壤斥水具有多方面的直接和潛在的負面影響[30]，故斥水土壤改良問題則需予以關注。菜籽油渣的作用機理可能與聚谷氨酸、羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺等有機物類似[22, 31-33]，與土壤混合、吸水飽和后可能會形成水凝膠，因而實現了減緩水分入滲的目的，還需要對菜籽油渣主要成分的分子結構做進一步測試，以便分析其作用機理。

本研究表明，向土壤中輸入植物油渣粉末可以有效減小水分入滲速率和累積入滲量，同時在一定程度上增強了土壤持水能力，可有效緩解土壤水分滲漏流失。一方面，對于墑情較好的土壤，降低土壤入滲能力有利于提高根區土壤儲水量，并有利于植物根系吸水，從而提高土壤水利用效率；對于墑情較差的土壤，則需增強土壤入滲能力，從而實現加速灌溉水入滲的目的，進而提高灌溉水利用率。另一方面，添加油渣降低了土壤入滲能力，這在一定程度上會導致降雨聚集在土壤表面而較難進入耕層，可能會導致土表徑流量增加，故在降雨強度較大的地區施用油渣對降雨的高效利用會產生不利影響。綜上，本文選用的油渣適用于土壤墑情較好、降雨強度不大的地區；同時還需對合理施用量做進一步研究。

土壤沙化可導致大面積土壤失去農、林、牧生產能力，使有限的土壤資源面臨更為嚴重的挑戰；對于砂質土壤改良問題，通常可采用摻入黏土、翻淤壓砂和施用腐熟有機肥等手段。本研究中，初始供試土壤類型為砂壤土，在施用油渣入滲結束后，不同粒徑的土壤顆粒含量發生較大變化，且其類型變為粉壤土（表3）。由此看出向土壤中摻混菜籽油渣可用于改良沙化土壤，在一定程度上調節了耕作層的質地，實現了控制荒漠化、保護水土資源的目的。同時需指出，選用的植物油渣作為一種有機物可提高土壤保水能力，是一種有效的土壤肥料。土壤改良劑是指可改良土壤的物理、化學和生物性質，使其更適宜植物生長，而不是主要提供植物養分的物料；本研究證實，摻混油渣粉末在一定程度上改變了土壤質地，并提高了土壤飽和含水率，可知植物油渣粉末在某種意義上可以作為土壤改良劑，進而實現改良土壤結構的目的；然而還需對土壤物理、化學和生物等方面的性質進行擴展研究，進一步評價植物油渣是否可以作為土壤改良劑施用于農田。

降低農田作業的投入產出比對于農民而言是重中之重。菜籽油渣是菜籽經過壓榨植物油之后剩余的殘渣，極易獲取；生產過程操作簡單，不需要特殊機械裝備，而且生產成本低，可被廣泛接受；另一方面，與秸稈還田類似，施用油渣亦是“取之農田，用之農田”，很大程度上提高了利用效率，并有效降低了田間化肥用量，有利于提高土壤質量以及減少環境污染。由此看出，植物油渣在農業生產方面具有較強的應用價值和推廣潛力，同時可以考慮應用植物油渣防止土壤深層滲漏和改善土壤結構。

4 結 論

1）摻混植物油渣可減小土壤累積入滲量和入滲速率，且二者均呈現出隨油渣摻混深度增加而減小的趨勢，根層摻混油渣（34 cm）較純土最多可有效減少累積入滲量和入滲速率約11.0%和41.7%。

2）Philip和Kostiakov入滲模型適用于摻混油渣條件的土壤水分入滲擬合。

3）土壤中摻混植物油渣有利于提高土壤飽和含水率和根層土壤含水率，提升幅度分別約為14.3%和11.3%，有效增強土壤根層持水能力。

4）摻混植物油渣有利于增加土壤黏粒和粉粒含量、降低砂粒含量，在一定程度上對沙化土壤具有改善作用。

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Rapeseed dreg additive reducing soil infiltration and improving water retention

Xing Xuguang, Zhang Pan, Ma Xiaoyi※

(1.,,712100,;2.,,712100,)

Plant dreg is a type of organic matter and a byproduct of vegetable oil extraction. Plant dreg as a fertilizer can be added to soils and it may also improve soil physical properties. An experiment based on the indoor vertical one-dimensional infiltration soil column was conducted to investigate the impact of rapeseed dreg additive on soil-water infiltration, movement, re-distribution and water retention. The soil in the experiment was collected from the 30-cm depth in a cultivated field in the district of Yangling in Shaanxi Province on the Loess Plateau of China (34°17′28″ N, 108°04′30″ E). The particle size of selected soil was measured by Mastersizer-2000 (made in Malvern Instrument Co. Ltd., Britain), and the soil was sandy loam with a particle size distribution of 3.75% for 0-0.002 mm, 21.73% for 0.002-0.02 mm and 74.52% for 0.02-2 mm. Samples were air dried, sieved through a 2 mm mesh, and compacted into plexiglass soil columns with a height and inner-diameter of 40 and 15 cm, respectively. The total soil depth in the column was 34 cm and soil bulk density was 1.45 g/cm3. The rapeseed dreg was air dried, pulverized, and uniformly mixed with soil samples. The plant dreg accounted for 2% of soil weight. The depth of mixed layer was set at 14, 24, and 34 cm. Pure soil samples without additives were used as a control (CK) treatment. A Mariotte bottle was used to provide a free water supply with about 1.5 cm in depth on the surface. The experiment started when the Mariotte bottle opened. The filter paper was laid at the soil surface to make the water head stable. The characteristics of soil water infiltration, distribution and water holding capacity were comparatively analyzed. The results showed that both Philip and Kostiakov models could well describe the relationship between cumulative infiltration and infiltration duration (2>0.99). Compared with the CK, the soils mixed with plant dreg helped to decrease cumulative infiltration and infiltration rate, both of which decreased as the depth of mixed layer increased. The cumulative infiltration for the soils mixed with 14, 24, and 34 cm was 3.9%, 7.8%, and 11.0% lower than the CK, respectively. The infiltration rate for the soils mixed with 14, 24, and 34 cm was 25.0%, 33.3%, and 41.7% lower than the CK, respectively. From the final water distribution in soil profiles, the soils mixed with plant dreg helped to increase saturated soil moisture and soil water content in soil layers, which were increased by 14.3% and 11.3%, respectively, compared with the CK. This indicated that plant dreg additive could increase soil water retention and water storage in root zone. Plant dreg could increase clay and silt contents from 3.75% to 9.97% and from 21.73% to 55.15%, respectively, and reduce sand content from 74.52% to 34.88%, and the experimental soil changed to silt loam. This indicated that the ratio of medium and small particle-size increased, and the ratio of large particle-size decreased, demonstrating that plant dreg had the potential in improving desertification soils. From the above, mixing plant dreg powder with soils is of significant practical meaning for cultivated soils because of the enhancement of water retention and water storage. This study may provide valuable information for the promotion of plant dreg to cropland and the application and popularity of plant dreg in soil improvement and water-saving agriculture.

soils; moisture; infiltration; water retention; rapeseed dreg

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.014

S152.7; S156.2

A

1002-6819(2017)-02-0102-07

2016-04-20

2016-12-10

國家自然科學基金資助項目（51279167, 51379173）；公益性行業（農業）科研專項（201503124）；高等學校博士學科點專項科研基金（20120204110023）。

邢旭光，男，博士生，遼寧沈陽人，主要從事農業節水理論研究。楊凌西北農林科技大學水利與建筑工程學院，712100。 Email：xingxg86@163.com

馬孝義，男，陜西鳳翔人，教授，主要從事農業水土及電氣化研究。楊凌西北農林科技大學水利與建筑工程學院，712100。 Email：xiaoyima@vip.sina.com

邢旭光，張 盼，馬孝義. 摻混菜籽油渣減少土壤入滲改善持水特性[J]. 農業工程學報，2017，33(2)：102－108. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.014 http://www.tcsae.org

Xing Xuguang, Zhang Pan, Ma Xiaoyi. Rapeseed dreg additive reducing soil infiltration and improving water retention[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 102－108. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.014 http://www.tcsae.org