幾種保水材料對砂質潮土水分參數的影響

仝昊天, 韓燕來, 李培培, 梁小東, 陳 龍

(河南農業大學 資源與環境學院, 鄭州 450002)

黃淮海平原是我國主要的冬小麥夏玉米產區，其中沙薄地分布廣泛，以黃河故道及沿黃兩岸為主，面積約203.1萬hm2，主要的土壤類型為砂質潮土，該類型土壤種植最大的障礙就是其保水能力不足[1]，土壤質地為砂質，結構疏松，有機質含量低，養分匱乏，漏水漏肥現象嚴重，屬于中低產田。目前，水資源短缺，加劇了該地砂質潮土區農業生產的問題，如何在有限的水資源條件下，改善沙土水分保持，減少水分的滲漏，以較少的水獲取較大的產量已成該地區亟待解決的問題。

保水劑是近年來快速發展的一項用來抗旱節水的材料，具有羧基、羥基等親水性基團，且吸水性極強和保水性優良的新型高分子樹脂，它能吸收大量的水，可有效提高土壤水分含量和減少氮素損失[2-3]。在旱作區使用保水劑可以提高冬小麥不同時期土壤含水量與水分利用率[4]，增加小麥穗長、穗粒數和千粒重，從而提高小麥的產量[5]。有研究認為保水劑的效果受施用方式的影響，保水劑的層施和混施對土壤入滲性能產生影響，但受限于土柱高度及入滲時間，對其后續效果探索并不明確[6]。生物炭是指生物質在相對低溫的條件下，經厭氧熱解而形成的一類較穩定且含碳豐富的固體物質，具有豐富的表面活性官能團、孔隙度、較大的比表面積，是一種呈堿性且吸附能力強的多用途材料[7]。生物炭施入土壤后有一定保水作用，幾種土壤類型上的研究皆表明其能增加田間土壤水分含量[8-10]，而Jeffery等[11]研究認為生物炭對土壤的水文能力改善效果并不明顯，但肖茜等[12]的研究認為生物炭對濕潤鋒進程與累積入滲量的影響受添加量及土壤質地的影響。綜上，生物炭在沙土保水中的認識并不統一，保水機理的研究尚有缺失。雖然生物炭材料本身的穩定性較好，但長期的環境作用可能會導致其理化性質發生一定的改變。近期研究認為生物炭在老化的過程中其理化性質及微觀結構都發生較大變化，而這些改變將影響它對土壤pH值以及肥水環境等協調能力[13]。因此生物炭與沙土培養自然老化后，對沙土中水的入滲能力、持水能力的影響狀況和機理需要深入探究。

本研究利用土柱試驗對比研究保水劑、生物炭和秸稈等材料對沙土水分參數的改善，通過分析不同施入方式和時間條件下土柱的濕潤鋒、入滲率、不同土層的含水量及飽和導水率的變化，對不同處理的水分參數進行對比分析。研究結果可以為砂質土壤地區作物種植的保水改良提供理論依據與技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤于2017年7月3日取自河南省鄭州市花園口黃河灘區耕地，是典型的河南黃河灘地區的砂質潮土，取0—40 cm土層土壤樣品，帶回實驗室處理。試驗前將土壤過2 mm篩剔除植物根系及雜物后，自然風干備用。礫石和石英砂用水沖洗后風干備用。土壤機械組成為87.1%砂粒、3.6%粉粒、8.1%黏粒，土壤質地為砂土。

保水用試驗材料：秸稈為小麥秸稈，烘干粉碎后過20目篩備用；生物炭購自商丘三利生物能源有限公司，原料為小麥秸稈，經厭氧500℃高溫炭化而成，過20目篩備用；保水劑為細顆粒狀聚丙烯酰胺類化學保水劑。

1.2 試驗裝置

入滲裝置選用圓柱一維積水入滲裝置。包含有高50 cm，壁厚0.2 cm，內徑14.6 cm的有機玻璃柱和高35 cm，內徑9.5 cm，量程為2 000 ml的馬氏瓶。玻璃柱和馬氏瓶之間用硬質橡膠導管連接，底部鋪有高度為1.5 cm的礫石，礫石上部是0.5 cm厚的石英砂，石英砂與土壤之間以紗布隔開，玻璃柱底部側邊開有小孔。鋪設打底礫石和石英砂以及小孔是為了消除氣相阻力對入滲的影響。土柱可用高度共計40 cm，其中填充試驗用土和保水材料，試驗過程中通過馬氏瓶向土柱表層提供深度為2 cm的穩定水頭，進行積水入滲試驗。

1.3 試驗設計與方法

本研究共設計2個試驗：試驗1研究不同保水材料鋪層和混勻2種施用方式土柱的水分參數，試驗2研究土柱培養30 d后水分參數的變化。

試驗設計1：試驗設置了7個處理，分別為在25 cm處，2%的生物炭鋪層；在25 cm處，2%的秸稈鋪層；在25 cm處，0.1%的保水劑鋪層；2%生物炭和沙土混勻；2%秸稈和沙土混勻；0.1%保水劑和沙土混勻；不添加任何材料的空白對照(CK)。

試驗設計2：選取試驗1中材料與沙土混勻的土柱進行培養，包括2%生物炭與沙土混勻，并在培養箱中25℃培養30 d(2%生物炭混勻—30 d)；2%秸稈和沙土混勻，并同樣培養30 d(2%秸稈混勻—30 d)；0.1%保水劑和沙土混勻，并培養30 d(0.1%保水劑混勻—30 d)。

試驗方法：沙土進行土柱填裝時，每填裝5 cm厚度的沙土壓實(以盡量避免由于摻混不勻引起土壤容重變化帶來的誤差)，每個處理設置6個重復。填裝到40 cm后，在沙土上鋪上一層紗布，再覆蓋0.5 cm厚度的石英砂，以防止水流將土壤沖開，導致下滲不勻。

試驗于2017年7月7日—8月5日于河南農業大學資源與環境學院實驗室內進行。

1.4 測定指標

馬氏瓶通水后即開始觀察并記錄濕潤鋒及入滲率變化情況，前30 min每1 min測量記錄1次，30 min后每5 min測量并記錄1次，直至入滲完成。在入滲結束后隨機選擇3個重復試驗繼續等待，先用橡膠塞堵住玻璃導管，待水將打底礫石部分灌滿后，打開橡膠塞，待水流穩定后，用10 ml量筒接經由玻璃導管導出的水。每1 min讀1次數，共讀數10 min。用來計算飽和導水率，計算方法參照文獻[15]。另外3個重復在入滲結束后立即將2 cm水頭排凈，取出0—5，5—15，15—25，25—35，35—40 cm的5個層次的土測含水量。

1.5 數據統計與分析

應用Excel對所得數據進行整理分析，利用SPSS 23進行方差分析及LSD法多重比較(p<0.05)，采用Origin 2016進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 混勻和鋪層兩種施用方式間濕潤鋒及入滲率的差異性

2%生物炭的鋪層處理的濕潤鋒入滲完成用時45 min，混勻處理的時間為85 min，而CK處理入滲完成的時間為60 min，混勻比鋪層入滲時間提升了1.88倍，比CK提升了1.42倍。2%秸稈鋪層處理濕潤鋒入滲完成時間(60 min)=CK處理(60 min)<混勻處理(100 min)，混勻比鋪層入滲時間提升了2.04倍。而0.1%保水劑鋪層處理優于混勻，由圖1可知，其鋪層處理的濕潤鋒入滲時間為319 min，混勻處理入滲時間170 min。保水劑鋪層的處理阻礙水分滲漏最為明顯，入滲時間是CK的5.32倍，是混勻處理的1.88倍，而混勻處理的入滲時間是CK的2.83倍。

雖然保水劑鋪層處理對水分下滲阻礙效果最好，但是在濕潤鋒下滲到25 cm之前，3個鋪層處理的濕潤鋒位移趨勢基本一致；而3個混勻處理前期下滲趨勢基本一致，在中后期才逐漸分開，表現出了不同的入滲效果，且在前期3個混勻處理對水分入滲阻礙效果大于3個鋪層處理。整體上，總入滲時間是保水劑鋪層>保水劑混勻>秸稈混勻>生物炭混勻>CK=秸稈混勻>生物炭混勻。

圖1 不同材料間混勻和鋪層處理的濕潤鋒位移比較

幾種材料不同施用方式間的入滲率比較見圖2，各處理的入滲率隨時間變化的趨勢大致相同，入滲開始階段入滲率較大，在前5 min內迅速減小，隨后減小趨勢越來越小并逐漸趨于恒定。

生物炭和秸稈的鋪層處理入滲率均大于混勻處理和CK，與濕潤鋒的描述一致，說明水在兩種材料鋪層處理中入滲能力較高。生物炭鋪層在入滲完成后的入滲率為0.52 cm/min，是混勻處理0.14 cm/min的3.71倍，是CK處理0.3 cm/min的1.73倍。秸稈鋪層處理入滲完成時入滲率為0.2 cm/min，和秸稈混勻入滲完成時入滲率0.2 cm/min一致，是CK處理入滲完成時的0.66倍。保水劑的2個施入方式處理入滲的前期，鋪層的入滲率大于混勻處理，但是隨著時間推移，鋪層處理的入滲率發生了急速下降，并低于混勻處理，直到混勻處理快完成入滲時，兩者的入滲率基本趨于一致。保水劑鋪層和混勻兩種方式入滲完成時的入滲率分別為0.04 cm/min和0.08 cm/min，分別比CK降低7.75，3.87倍。進一步說明了保水劑可以阻礙水分在沙土中的入滲，降低沙土的漏水能力。

秸稈和生物炭粒徑較大的材料直接使用，不能對沙土中的水分入滲起到阻礙效果，反而因為其疏水性，對水分的入滲起到了促進的作用；而保水劑這種高分子吸水材料，鋪層使用對水分的入滲阻礙效果比混勻效果更好。

圖2 不同材料間混勻和鋪層兩種不同施用方式入滲率比較

2.2 不同材料培養30 d后濕潤鋒及入滲率比較

3種保水處理培養30 d前后的濕潤鋒時間對比見圖3，CK入滲完成時間60 min，與之相比，幾個保水處理對水份的入滲都起到了抑制作用，其中加入0.1%保水劑的處理入滲完成時間為175 min，是CK的2.92倍；2%秸稈(100 min)和2%生物炭(85 min)兩個處理對比CK分別提升1.67倍，1.42倍。

與土壤培養30 d后，濕潤鋒入滲完成時間均大于未培養的處理。2%生物炭培養30 d后其入滲時間為245 min，是未培養的2.88倍，CK的4.08倍。2%秸稈在土壤中培養30 d后其入滲時間是150 min，是未培養的1.5倍，CK的2.5倍；0.1%保水劑培養30 d后入滲時間是235 min，是未培養的1.34倍，CK的3.92倍。

圖4為各保水材料培養前后的入滲率，可見，所有處理的入滲率均隨時間趨于平緩，CK的入滲率均大于保水處理，除了保水劑，其余材料培養后入滲完成時的入滲速率均降低。2%生物炭與沙土混合培養30 d后入滲率為0.08 cm/min，比培養前降低42.9%；秸稈培養后入滲率0.16 cm/min，比培養前降低20.0%；0.1%保水劑培養后入滲率0.1 cm/min，比培養前增加25.0%。

總體比較，不同處理的持水效果依次為：2%生物炭混勻培養30 d>0.1%保水劑混勻培養30 d>0.1%混勻保水劑>2%秸稈混勻培養30 d>2%秸稈混勻>混勻2%生物炭>CK。

圖3 不同材料之間濕潤鋒位移比較

2.3 水分下滲完成后不同處理土層間含水率

不同處理各層次間土壤含水量如圖5所示，在所有的處理中，0—5 cm土層的含水量均高于其余4個土層含水量。2%生物炭處理的5個土層含水量由培養前的28.4%，23.8%，22.9%，22.5%，22.0%增加到培養后的30.6%，27.4%，25.8%，24.6%，22.8%；2%秸稈處理培養前各層含水量為25.7%，24.7%，25.0%，24.9%，24.7%，培養后為27.8%，24.7%，26.3%，23.3%，22.1%。可以看出，生物炭和秸稈經30 d培養后增加了土壤的持水能力。

2.4 不同處理土柱的飽和導水率

不同材料與沙土混合培養前后飽和導水率見表6，除了2 %秸稈處理，其余各處理土柱培養后飽和導水率均呈現下降的趨勢。CK的飽和導水率培養前后無顯著差異；2%生物炭培養前與CK相比沒有顯著差異，而培養后顯著低于培養前和CK，為0.28 cm/min，比培養前降低75.0%，比CK降低77.2%；0.1%保水劑培養前后的飽和導水率最小，為0.21～0.22 cm/min，培養前后無顯著差異，培養后比CK顯著降低了79.1%。生物炭與沙土混勻培養后，對土壤飽和導水率降低幅度最大，而2%秸稈培養后飽和導水率呈現顯著增加的趨勢。

圖4 不同處理隨時間的入滲率比較

圖5 不同處理各層次間土壤含水量對比

3 討 論

3.1 不同保水材料與土壤混勻或鋪層的差異

秸稈和生物炭處理與沙土混勻的持水效果比鋪層好，相反保水劑的鋪層處理效果最好，原因是保水劑有高度的吸水性，只有完全吸水膨脹飽和后才開始下滲，所以鋪層后形成封閉的水膜，濕潤鋒下移速率大大降低[6]。而秸稈粉末和生物炭材料本身孔隙較大，其鋪層造成土壤大的孔隙，使沙土漏水更為嚴重。秸稈和生物炭混勻效果優于鋪層，盡管混勻后對沙土的持水性能改善也不理想，但秸稈材料在土壤里會發生腐解[17]，生物炭會發生表面結構的改變[13]，培養一段時間后，隨著秸稈和生物炭理化性質的變化，對沙土保水和持水性能有所改善。

表6 不同處理土柱的飽和導水率 cm/min

注：不同字母表示處理間差異顯著p<0.05。

3.2 幾種保水材料持水性能的比較

入滲率即濕潤鋒在土柱中徑向移動的速率，它能反映出水在不同處理土柱中的移動速度，進而看出每個處理間的不同持水能力[18]。本研究結果表明，保水劑在沙土持水方面效果最佳(圖1)，在沙土中添加保水劑能有效改善土壤結構，為增加作物產量做出較大貢獻[4-5,19]。與之相比，摻入生物炭和秸稈后，土壤持水效果較CK有提升，但提升效果小于保水劑。有研究表明，生物炭并不能很明顯地改善土壤的水文能力[11]，但是生物炭經老化處理后，可以顯著影響土壤的保水能力及土壤中的水含量[13]。成熟秸稈的表層富含蠟質等疏水結構，其吸水性和持水性也不佳。

3.3 幾種材料與土壤混合培養30 d后保水性能比較

培養試驗設置了秸稈、生物炭及保水劑3種材料與土壤混合培養30 d，模擬大田試驗條件下不同材料與土壤作用后的持水性能。結果表明，與其他材料相比，生物炭與土壤培養30 d后對沙土的持水能力提升最為顯著。有研究表明生物炭老化后其物理結構有所改變，進而會影響生物炭施入土壤后，對土壤持水能力的改善效果[8,13]。生物炭老化是一個親水性和極性改變的過程，通過掃描電鏡及傅立葉紅外圖譜分析，發現生物炭老化后，其物理結構及表面官能團都有改變，增強了生物炭的親水性，進而增強了生物炭對水的吸附能力，將水儲存在生物炭的孔隙中。所以當生物炭與沙土在適宜的溫度和水分條件培養30 d自然老化后，其持水能力明顯增強。

很多研究表明秸稈還田可以提升土壤持水能力，秸稈與沙土培養30 d后，持水能力顯著高于未培養，推測為隨著秸稈的腐熟，原本富含蠟質疏水性的秸稈表面分解為親水性的物質表面，提升土壤的持水與保水能力[20]。隨著培養時間，保水劑保水性能也得到提高，但提升幅度小于秸稈與生物炭，這有可能是保水劑在培養過程中與土壤充分混勻后結合的孔隙更小，增大了比表面積，增大了其持水能力。

3.4 不同土層含水量間的差異

2%生物炭、2%生物炭培養30 d和2%秸稈培養30 d這3個處理不同層次間含水量差異最明顯。整體來說，2%生物炭培養30 d土壤含水量略高于其余兩個處理，說明生物炭與土壤培養后改良了土壤的蓄水能力。而0.1%保水劑的處理含水量差異性在0—5，5—15，15—25 cm土層最顯著，而25—35，35—40 cm兩個層次出現了較大反差，說明水在下滲的過程中，一直在被上層保水劑吸收，因為重力作用才會有部分水下滲，來形成濕潤鋒，而下層土壤雖然已經濕潤，但是其含水量并未達到最大持水量，保水劑也處于未吸水飽和狀態[21]。而在CK、2%秸稈、2%生物炭3個處理中，除了0—5 cm的土層含水量較高外，其余4個層次含水量無顯著性差異，說明這3個處理并不能顯著增加土壤的蓄水能力，使土壤孔隙中能保持住更多的水分。

3.5 不同材料間飽和導水率的差異

土壤飽和導水率是表述土壤滲透性能的重要參數，主要受土壤質地、容重、孔隙結構的影響[16]。同一質地土壤其入滲性能越大其土壤傳輸水分的能力就越大[22-23]。影響土壤飽和導水率的重要因素是土壤結構性質[24-25]，沙土飽和導水率過高，不利于水分在土壤中的保持。本研究發現在沙土中混合保水劑、生物炭和秸稈，可以不同程度地改變土壤的飽和導水率，這與其他研究得出的結果一致[26]。不同處理間飽和導水率的差異反映出不同材料對土壤結構改變的差異，土壤孔隙大小對土壤飽和導水率影響最大[27]，所以可以得出混勻材料通過改變土壤孔隙來達到增強持水性的效果。但是要深入認識不同材料在土壤中對沙土水分參數的影響，還需要延長培養時間進一步研究其作用規律。

4 結 論

(1) 0.1%保水劑在土柱中鋪層處理比混勻處理的入滲時間延長1.82倍，2%生物炭和2%秸稈與沙土混勻入滲時間分別為各自鋪層處理的1.88倍，1.66倍。不同土柱總入滲時間依次為0.1%保水鋪層>0.1%保水劑混勻>2%秸稈混勻>2%生物炭混勻>CK=2%秸稈鋪層>2%生物炭鋪層，說明保水劑在鋪層使用時對沙土持水性能的改善最佳，而生物炭和秸稈混勻最佳。

(2) 2%生物炭處理培養30 d后入滲時間是未培養的2.88倍，是CK的4.08倍，培養30 d后入滲完成時入滲率比未培養降低42.9%；2%秸稈培養30 d后入滲時間是未培養的1.5倍，是CK的2.5倍，培養30 d后入滲完成時入滲率比未培養降低20.0%。不同土柱總入滲時間依次為2%生物炭混勻培養30 d>0.1%保水劑混勻培養30 d>0.1%混勻保水劑>2%秸稈混勻培養30 d>2%秸稈混勻>混勻2%生物炭>CK。可以得出生物炭施入初期持水效果不如保水劑和秸稈，與土壤混合培養30 d后其持水及蓄水能力高于保水劑；秸稈在施入初期持水效果不如保水劑，與土壤混合培養30 d后，其持水能力與蓄水能力大幅度提高，是比較廉價易得的保水材料。