改良劑對鹽化潮土飽和導水率的影響

劉 璐, 張晴雯, 潘英華, 駱偉蓉, 楊永秦

(1.魯東大學 資源與環境工程學院, 山東 煙臺 264000; 2.中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所, 北京 100086)

土壤導水性能是影響土壤水分入滲、淋溶等過程的重要性質，其受降雨、植被、人類活動等外在因素及土壤母質、礦物組成、質地等內在因素的影響。飽和導水率是反映飽和土壤導水性能和滲透能力的重要參數，直接影響地表徑流發生程度、鹽分淋洗狀況。因此，對其進行人為調控，將對土壤水分入滲、徑流發生、鹽分淋溶等過程產生重要影響。土壤中施加改良劑可以調節土壤物理結構，進而可能影響土壤導水性能。不同的土壤改良劑，因其物質組成及作用機理不同，對土壤導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)的土壤飽和導水率增加17.94%，60.29%，泥沙可以提高黏質鹽土的飽和導水率，而硅藻泥則會降低黏質鹽土的飽和導水率。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，有機質含量少，土壤肥力低下。過多的鹽分積累，一方面導致氣孔導度降低，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，導致葉片過早脫落[6]，還會導致嚴重的營養元素失衡，致使作物不能正常吸收其他的營養元素[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，其可持續利用已受到國內外學者的高度關注。

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]等優勢而成為重要的土壤改良材料。竹炭型土壤調理劑(Bamboo charcoal organic compound fertilizer，BC)以竹炭、竹灰和酢液等為主要原料，具有豐富的孔隙結構、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，是常用肥料中的一種[13]。土壤導水性能與土壤鹽分的聚集與淋洗聯系緊密，因而施加土壤改良劑所引起的土壤導水性能變化是亟待關注的科學問題。

因此，本文選用PAM，BC和BO為土壤改良劑，利用室內土柱試驗，探究改良劑對鹽化潮土導水性能的影響，以期試驗結果對于正確認識改良劑對農田水鹽運移過程的影響，以及在開發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農田0—30 cm土層。土樣避光條件下自然風干，去除雜質，過2 mm篩。利用吸管法測定土壤機械組成，土壤砂粒、粉粒、黏粒質量分數分別為63.25%，28.32%，8.43%，質地為砂質黏壤土(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；竹炭型土壤調理劑(BC)由上海時科生物科技有限公司生產；菌型有機復合肥(BO)由北京恒源嘉達科技有限公司生產。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；以不添加任何物質的鹽化潮土為對照，記作CK。試驗共設計16個處理，每個處理3次重復。

采用定水頭滲透法測定飽和導水率(圖1)。試驗所用土柱高10 cm，由內徑為6.2 cm，高2 cm的有機玻璃圓環嵌套組裝而成。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，而后每隔1 h，記錄馬氏瓶讀數，換接樣瓶并稱重以記錄出流液量。出流量達到穩定時停止接樣，試驗結束。

1.3 數據處理與分析

對于飽和土壤樣品，若以固定水頭給其供水，則當水流穩定后，根據達西定律，水流通量的大小與土壤飽和導水率K呈正比。根據達西定律方程計算土壤飽和導水率，即：

式中：Ks為土壤飽和導水率(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

本文中的數據均采用Excel 2013和SPSS 20.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 改良劑對土壤飽和導水率的影響

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)作為處理進行比較分析，從后續的分析結果也可以看到，PAM其他用量處理的飽和導水率也較對照低。表2列出了CK與不同處理土壤飽和導水率的相對增加值。

圖2 改良劑對土壤飽和導水率的影響

結合圖2和表2可知，BO，BC和CK的土壤飽和導水率無顯著差異，但與PAM處理的飽和導水率差異較顯著(p<0.05)。PAM1，BO20，BC20的飽和導水率分別為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對土壤物理結構及水分分布的影響，表層施用PAM超過2 g/m2時，土壤體積質量開始增加，飽和導水率降低；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，鹽化潮土的飽和導水率與CK相比明顯降低，且PAM施用量越多，土壤的飽和導水率越小。由此可見，可以考慮將PAM應用于防止農田水分深層滲漏，砂質土壤水土保持等領域。

由圖2A可知，BC各用量處理之間與CK的土壤飽和導水率無顯著差異；由表2可知，BC各處理土壤飽和導水率的相對增加值均為正，說明BC各處理均能改善土壤導水性能，提高土壤飽和導水率。這可能是由于BC的加入使土壤具有良好的結構和滲透性能，進而對土壤導水性能提高起到一定的促進作用。王紅蘭等[19]在紫色土中的研究表明，生物質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水率分別平均增加45%和35%。陳心想等[20]指出生物質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水率。在生產實踐中，可以考慮將竹炭型土壤調理劑施用于黏粒含量高的土壤中，改善土壤的導水性能，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水率相對增加值

結合圖2和表2可知，BO對土壤飽和導水率影響較小，各處理間無顯著差異。BO4的土壤飽和導水率為0.0276 cm/min，較CK減小9%；BO8的土壤飽和導水率為0.0232 cm/min，較CK減小23.5%，推測是與BO中的鈉離子有關，有研究表明，鈉離子對土壤團聚體的穩定性具有不良影響，鈉離子導致黏粒分散，阻塞土壤孔隙[21]。從表1可見，BO鈉離子含量高達59.7 g/kg，鈉離子對土壤顆粒的分散作用可能是導致土壤飽和導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土壤飽和導水率最小。鈉離子對土壤黏粒溶液穩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水性能的又一指標，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分析，PAM各用量處理的相關系數為0.979(p<0.05)，土壤滲透時間與PAM施用量之間顯著相關，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系數分別為0.652，0.703(p<0.05)，相關性較顯著。研究表明，竹炭型土壤調理劑的施用超過一定量時，造成短期內土壤結構過于疏松[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內土壤的累計出流量，并與CK相比較，判斷各處理的土壤導水性能，結果見表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構，進而改善土壤導水性能，BC主要為蜂窩狀和管狀孔隙結構，此結構是其吸附養分和水分的物理基礎[19]；BO富含有機質，可以改良鹽化潮土的物理結構。隨著入滲歷時的延長，PAM與土壤結合的更加充分，且用量越大粘結性越好，土壤有效孔隙減少，出流量總體較少。這與楊明金的試驗結果一致，施用PAM能夠減小土壤的飽和導水率，增強土壤水穩性[12]。

圖3是各處理7 h內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，這與飽和導水率的變化相一致，BO8的飽和導水率最小，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，結合表2可知，BO用量超過8 g/kg時，土壤導水性能相對穩定，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產生輸水效應，累計出流量增加。

由圖3C可知，施用PAM之后，單位時間內的平均出流量減小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能夠改善土壤結構，使土壤中分散的大顆粒黏結，促進土壤團聚體生成，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Gungor和Karaoglan[24]研究，當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 論

(1) 鹽化潮土飽和導水率隨著BC用量增加而增大，BC用量為20 g/kg時鹽化潮土飽和導水率為0.041 cm/min，較CK增加32.3%；鹽化潮土的飽和導水率隨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水率的作用效果需要進一步探究。