不同改良方法對鹽堿土壤水鹽運移效果的影響

劉 月，李孟釗，徐志杰，馬曉蔚，宋依依，張金鵬，王世斌，高佩玲,

(1.山東理工大學資源與環境工程學院，山東 淄博 255000；2. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000)

黃河三角洲地區區域條件優越，在我國戰略發展中占據著重要地位[1]，但由于該地區地下水埋藏較淺，礦化度較高，土壤質地以粉砂和細砂為主，地下水鹽分易集聚地表，導致土壤鹽漬化[2]。近年來該地區鹽漬化土地面積已達63.22萬hm2，占土壤總面積的50.88%[3]，土壤鹽分含量過高、鈉離子毒害作用加強，會導致植物吸水困難，土壤板結、肥力差[4]，嚴重制約植物的正常生長，對糧食生產和生態安全造成威脅，影響經濟可持續發展[1]。因此，改良及合理開發利用鹽堿地對于改善土壤環境、提高農作物產量具有重要的現實意義。

國內外學者針對鹽堿地改良做了許多研究，鹽堿地改良一般有水利、物理、化學、生物等措施，其中水利改良措施有灌排配套、蓄淡壓鹽和地下排鹽，物理措施有平整土地、深耕曬垡、抬高地形等，化學措施有向耕地中施加石膏、生物炭、腐殖酸、有機肥等物質，生物措施為種植耐鹽作物、使用生物菌肥等[5-7]。黃河三角洲地區鹽堿土改良進行了大規模的研究和治理工作，積累了有效措施和方法[8]。但水利措施投資大、維護費用高；生物措施僅適用于土壤鹽漬化水平低的地域；而化學方法易導致土壤的次生鹽堿化。近年來隨著黃河流域自然環境的惡化、工業的發展和城市化進程的加快，農業用水所占比例下降[9]，而鹽堿地改良又需要消耗大量淡水資源，在水資源十分匱乏的黃河三角洲地區需要研發新型改良措施。作為目前比較常用的物理改良措施，土壤摻沙、生物炭具有操作簡單、材料來源廣泛等特點而被應用。

鹽漬化土壤的板結嚴重，土壤透氣、透水性變差，嚴重影響作物根系對水分的吸收利用。而施加沙、生物炭能有效改變土壤孔隙結構，實現土壤水分的再分布，是改良鹽漬土的理想改良劑。在摻沙改良方面，有研究表明鹽堿土壤表層摻沙或覆沙可以改善土壤結構，使土壤的有效孔隙度增大、通透性增強，從而改變鹽堿土的水鹽運移規律，摻沙使土壤的團粒結構增強，保水、蓄水能力增大[10-11]。劉俸[12]研究認為覆砂能夠有效抑制土壤水分蒸發，影響土壤含水率分布，并且隨著砂石覆蓋量的增加，土壤平均含水率越高，水分蒸發作用越弱。近年來，生物炭作為一種新型改良劑，被廣泛應用于土壤改良中。生物炭穩定的芳香化結構、高的比表面積、較多的官能團和孔性，使其具有很強的穩定性和吸附性，這些特性使得生物炭廣泛應用于土壤固碳、提高作物產量、修復污染土壤等方面[13]。Glaser等[14]研究發現生物炭可以吸水，改善土壤持水性。Lin等[15]研究表明，生物炭可以提高鹽堿土的生產力和碳固存，使生長在濱海鹽堿土的小麥單株籽粒質量增加了27.7%。為了更直觀地確定兩種物理改良劑的改良效果，本文以黃河三角洲地區的濱州中度鹽堿耕地為研究對象，以農田廢棄物棉花秸稈制備的生物炭和引黃灌溉中形成的黃河沉沙作為土壤改良劑，利用室內一維垂直積水入滲試驗，在土壤表層加入不同比例生物炭和河沙，探究兩種改良物質對中度鹽堿土土壤水分入滲特性的影響，以及入滲完成后土壤的脫鹽深度與脫鹽率，分析河沙和生物炭在改善土壤入滲性能和調節水鹽運移中的作用，為黃河三角洲地區鹽堿地改良問題提供理論依據，以此達到降低鹽堿土改良成本，緩解廢棄物對環境造成的壓力，加強研發新型友好型改良劑的目的。

1 材料與方法

1.1 室內試驗

1.1.1 試驗材料與裝置 試驗用中度鹽堿土取自山東省濱州市濱城區中裕生態產業園，取土剖面層次為0～20、20～40、40～60、60～80 cm的擾動土，經晾曬風干、過2 mm篩后均勻混合制成室內試驗用土。并采用環刀法[16]測定0～80 cm土壤平均容重和田間持水率，具體結果見表1。試驗中的河沙取自黃河三角洲地區黃河河沙(不含鹽)，河沙經過淘洗、晾干、過篩(2 mm)處理后，利用Mastersizer 3000型激光粒度儀測定土壤顆粒組成，并對試驗土壤質地進行劃分，具體結果見表2。

表1 供試土壤的基本物理化學性質

表2 供試土壤和河沙顆粒組成

生物炭購自山東省銘宸環衛設備有限公司，原材料為棉花秸稈，裂解溫度在800℃以下，反應時間約為72 h，是不完全燃燒生成的黑色粉末。生物質炭pH值為8.6，密度是0.297 g·cm-3,含碳量為73%。

灌溉水量根據旱作物播前灌水定額的公式計算得到[17]，具體計算公式為：

M=H(θmax-θ0)γ土

(1)

式中，H為土壤計劃濕潤層的深度，采用H=60 cm；θmax為土壤計劃濕潤層所允許的最大含水率，一般取田間持水率，θmax=28.62%；θ0為土壤計劃濕潤層的初始含水率，θ0=2.00%；γ土為土壤容重，γ土=1.39 g·cm-3。由上述公式計算得到土柱模擬試驗1次灌溉用水量為743.6 mL。

本研究基于室內一維積水土柱入滲試驗，故涉及到的主要試驗裝置包括馬氏瓶和土柱；土柱是由有機玻璃管制成，尺寸為直徑8 cm，高90 cm；馬氏瓶為供水裝置，尺寸為截面積50.24 cm2，高50 cm，供水水頭控制在2 cm左右；在土柱10 cm以下，兩側每隔5 cm鉆一個直徑15 mm的對稱圓形取樣孔，以便試驗結束后分層取出土樣，并為后期測定土壤中水、鹽提供原始土壤樣品；土柱口用保鮮膜封蓋，減少試驗水分蒸發和外來污染；土柱和馬氏瓶側壁上均標有刻度，用于觀測并記錄試驗過程中的相關數據。具體試驗裝置示意圖見圖1。

1-導氣管; 2-進水口; 3-馬氏瓶; 4-輸水管; 5-止水夾;6-土柱;7-取樣口; 8-定水頭控制臺1-Air duct；2-Intake；3-Markov bottle; 4-Delivery pipe; 5-Flatjaw pinchcock;6-Soil column; 7-Sample connection；8-Fixed head control console

1.1.2 室內土柱試驗 2019年9月至11月在室內進行一維垂直積水入滲試驗，研究不同摻沙和摻生物炭比例對土壤理化性質和入滲機制的影響，試驗分別設置摻沙比例(重量比)為：CK(摻沙或生物炭0%)、S1(摻沙5%)、S2(摻沙10%)、S3(摻沙20%)，摻生物炭比例(重量比)為：C1(摻生物炭0.5%)、C2(摻生物炭1%)、C3(摻生物炭2%)，共7個處理，每個處理重復3次。

土柱內裝土高度為80 cm，將土樣按土壤容重1.39 g·cm-3、河沙容重1.60 g·cm-3，分16層，每層5 cm均勻填裝，且層間打毛，使各裝填土層接觸良好。前20 cm作摻沙、摻生物炭處理，摻沙和摻生物炭時按設計比例稱取相應質量的土、河沙或生物炭，將生物炭或河沙與土壤混合均勻后正常裝填；20～80 cm為純土層。裝填完畢后，在土壤表層放一張濾紙，避免馬氏瓶供水時對土表造成沖刷。同時調整馬氏瓶的高度，使入滲水頭在2 cm左右。試驗過程中記錄馬氏瓶水位和濕潤鋒的運移變化，灌溉定額結束后停止試驗。試驗結束后立即從土表至濕潤鋒處(5 cm)分層取樣，每層取3次重復，用以測定土壤含水率、土壤含鹽量。

1.2 樣品測定方法

土壤含水率：采用烘干法[18]測定，具體操作為：在已稱重的鋁盒中放入20～30 g鮮土，放入烘箱中在105℃下烘干12 h，冷卻后當即稱重，計算質量含水率。

土壤含鹽量：將風干土樣研磨后過1 mm篩，制取土壤浸提液(水土比5∶1)，使用DDS-11A型電導率儀測定浸提液電導率，并校正為25℃下的電導率。然后，根據土壤浸提液電導率和土壤含鹽量之間的關系[19-20]，將電導率轉化為含鹽量。具體轉化公式為：

y=2.160EC5∶1+0.303

(2)

式中，y為土壤含鹽量(g· kg-1)；EC5∶1為25℃下水土比為5∶1的土壤浸提液電導(mS· cm-1)。

1.3 數據分析

采用Microsoft Office Excel 2010進行數據整理，Origin 9.0軟件繪圖，SPSS 22.0進行數據分析，采用單因素方差分析LSD法比較不同處理間的差異。

2 結果與分析

2.1 表層摻沙、摻生物炭對土壤水分入滲的影響

土壤表層摻沙、生物炭對累積入滲量和濕潤鋒深度的影響見圖2、圖3。

圖2 土壤表層摻沙、摻生物炭處理的土壤累積入滲量隨時間變化曲線

圖3 土壤表層摻沙、摻生物炭處理的土壤濕潤鋒深度隨時間的變化曲線

由圖2可知，在相同入滲條件下，7個處理的累積入滲量和濕潤鋒深度均隨著時間的延續而呈現增加趨勢。在入滲初期，入滲速率較高，各處理之間的差異較小，隨入滲時間增加，各處理之間差異逐漸顯著，表現為：S3>S2>S1>CK，C3>C2>C1>CK。在入滲500 min時，各處理累積入滲量為S3(2 201.6 ml)>S2(1 905.3 ml)>S1(1 929.6 ml)>C3(1 749.2 ml)>C2(1 709.0 ml)>C1(1 658.7 ml)>CK(1 608.5 ml)，相同灌溉定額入滲結束的時間依次是S3、S2、S1、C3、C2、C1、CK。從圖3可得，入滲500 min時CK濕潤鋒在22.60 cm處，S1、S2、S3、C1、C2、C3濕潤鋒分別比CK提高了12%、23%、37%、2%、7%、8%。綜上所述，表層摻沙和摻生物炭會加快土壤水分的入滲速度。同一入滲歷時內摻加改良劑比例越大，累積入滲量和濕潤鋒深度越大，并且摻沙處理增強土壤水分入滲能力優于摻生物炭處理。

為了定量分析兩者的關系，利用線性方程進行擬合：

I=nZf

(3)

式中,I為累積入滲量(cm);Zf為濕潤鋒運移深度(cm)；n為擬合參數。

由表3可知，表層摻沙和摻生物炭后，累積入滲量和濕潤鋒深度與入滲時間關系的變化規律基本相同，與入滲時間形成的回歸方程的決定系數R2均大于0.98，說明兩者存在良好的線性關系。總體來看，摻生物炭處理n值大于摻沙處理，具體表現為：C3>C2>C1>CK>S1>S2>S3。綜上，灌溉定額結束時，改良劑比例越大濕潤鋒深度越大。

表3 土壤表層摻沙、摻生物炭累積入滲量與濕潤鋒深度關系的擬合系數

2.2 表層摻沙、摻生物炭對土壤水分垂直分布的影響

表層摻沙、摻生物炭條件下各土層土壤含水率變化及0～20 cm、20～40 cm土層平均值見表4。

由表4可知，不同摻沙、摻生物炭比例處理下，各土層含水率變化規律相同，均隨土層深度的增加而降低，摻生物炭土層含水率遠遠大于摻沙土層，摻生物炭比例越大土壤含水率越高，而摻沙比例越大土壤含水率降低越明顯。在0～20 cm土層中，摻生物炭處理土壤含水率與摻沙土層土壤含水率相近，土壤含水率分布為C3>C2>C1>CK>S1>S3>S2,說明在添加層(0～20 cm)中，生物炭處理優于摻沙處理，表層摻生物炭更有利于提高土壤含水率。在20～40 cm土層中，摻沙處理土壤含水率大于摻生物炭處理含水率，且土壤含水率均大于CK，S1、S2、S3、C1、C2、C3平均含水率比CK分別提高了3.8%、5.1%、6.7%、2.2%、4.2%、5.1%，說明在添加層以下的20～40 cm土層中，表層摻沙更有利于為作物生長提供良好的生長環境。

表4 表層摻沙、生物炭處理下各土層土壤的含水率/%

2.3 表層摻沙、生物炭對土壤鹽分再分布的影響

土壤鹽分對于作物生長起到重要作用，土壤中含鹽量較少時會促進作物生長，當產生鹽分脅迫時將抑制作物生長。鹽漬化土壤會導致土壤結構板結、通透性差、有機質含量低等多種問題[21]，抑制作物生長，影響農作物產量。因此，判斷改良劑對鹽漬化土壤的改良程度，需要將脫鹽效果作為重要的參考指標。

不同摻沙、生物炭比例下土壤含鹽量隨深度變化規律如圖4所示，在0～40 cm深度范圍內，土壤含鹽量均隨深度增加而增大，土壤含鹽量整體表現為S1>C1>CK>S2>S3>C3>C2。

圖4 土壤表層摻沙、生物炭處理各土層土壤鹽分再分布特征

由圖4a可知，在土層0～20 cm處，摻沙、生物炭處理含鹽量平均大于CK；由圖4b可知，土壤鹽分在土層35 cm處開始大量累積，呈現突變狀態，各處理土壤含鹽量大小為C3>C2>C1>CK>S1>S2>S3，說明在相同入滲條件下，表層摻生物炭處理在壓鹽方面弱于摻沙處理，摻沙壓鹽效果隨比例的增加而逐漸顯著。原因可能是：表層摻沙改變了摻沙層的土壤結構，影響土壤的水分運移和鹽分運移，進而影響土壤鹽分的分布。

為了進一步研究各土層土壤鹽分垂直再分布特征，引入表5所示指標對脫鹽結果作進一步評價。脫鹽率平均值為各脫鹽區域土壤的脫鹽量與原始含鹽量比值的平均值；土壤脫鹽區深度為土壤中含鹽量低于土壤初始含鹽量的深度；土壤脫鹽區深度與入滲完成時的濕潤鋒深度的比值稱為脫鹽區深度系數；根據黃河三角洲地區作物冬小麥和夏玉米的最低耐鹽度，認為當土壤中含鹽量低于2 g·kg-1時作物可以正常生長[22]；達標脫鹽區深度為土壤含鹽量低于2 g·kg-1的深度；達標脫鹽區深度系數為達標脫鹽區深度與入滲結束時濕潤鋒深度的比值。

由表5可知，表層摻沙處理脫鹽率平均值大于摻生物炭處理；脫鹽區深度和達標脫鹽區深度大小均表現為：S3>S2>C3>C2>CK>C1>S1；表層摻沙處理脫鹽區深度和達標脫鹽區深度系數相等，并且大于表層摻生物炭處理。表明表層摻沙處理脫鹽效果優于摻生物炭處理，能滿足作物正常生長的需求，保證作物免受高鹽脅迫的風險。

表5 土壤表層摻沙、摻生物炭處理下土壤鹽分分布指標對比分析

3 一維代數模型對土壤剖面含水率的模擬適用性

在農業研究中，準確模擬土壤含水率對于農田水分管理、灌溉制度確定以及提高作物的產量具有非常重要的現實意義[23]。但目前常用的Green-Ampt、Philip、Kostiakov等土壤入滲模型都只重點關注土壤入滲率的計算，而沒有提出相應的土壤含水率計算公式[24]。為了進一步描述垂直一維積水入滲過程與土壤剖面含水率之間的關系，研究土壤中水分的運動規律，王全九等[25]基于一維垂直水分運動基本方程和Brooks-Corey模型建立了垂直一維代數模型。本文在室內土柱入滲試驗的基礎上，研究鹽堿土類型、摻沙比例對土壤水分再分布規律的影響，利用一維代數模型模擬表層摻沙、生物炭后的土壤剖面含水率，并對模型適用性做出評價[26-27]。

一維垂直水分運動基本方程為：

(4)

式中，θ為土壤體積含水率(cm3·cm-3)；t為入滲時間(min)；D(θ)為擴散率；z為垂直坐標(cm)，取向下為正；k(θ)為土壤非飽和導水率(cm·min-1)；θi為土壤初始含水率(cm3·cm-3)；θs為土壤飽和含水率(cm3·cm-3)。

土壤水分特征曲線和非飽和導水率由Brooks-Corey模型表示為：

(5)

式中，θr為土壤滯留含水率(cm3·cm-3)；hd為進氣吸力(cm)；h為土壤吸力(cm)；n為土壤水分特征曲線形狀系數；k(h)為土壤非飽和導水率(cm·min-1)；ks為土壤飽和導水率(cm·min-1)；m為形狀系數。

基于公式(4)和(5)，并借助相應假設推求出了描述土壤水分垂直分布特征的數學模型：

(6)

式中，z為觀測點與土柱土表的垂直距離(cm)；zf為實測的濕潤鋒深度(cm)；α=n/m，為土壤水分特征曲線和非飽和導水率綜合形狀系數，其可根據累積入滲量I與濕潤鋒zf的線性關系求得：

(7)

如果土壤初始含水率很低，可以假定θr=θi，則公式(6)和(7)可以轉化為：

(8)

(9)

若使用一維代數模型模擬土壤剖面含水率，僅需知道α、θs、θr、θi等參數，其中θs、θr、θi為土壤水分特征值，一般可以根據土壤特性和初始條件獲得；α可以從公式(8)通過試驗數據進行擬合得到，初始含水率較低，即θi=1%，土壤滯留含水率θr與其相等，累積入滲量與濕潤鋒之間的線性關系可以利用公式(8)進行擬合，擬合結果見表3，然后根據擬合參數n值(n=(θs-θi)/(1+α))求取綜合形狀系數α，結果見表6。

由表6可知，累積入滲量和濕潤鋒深度呈現良好的線性關系，線性回歸方程決定系數R2均大于0.98。

表6 不同摻沙、摻生物炭比例下一維代數模型參數

引入2個指標評價一維代數模型的模擬效果，分別為均方根誤差(RMSE)和符合度指數(D)[28]，具體計算公式如下：

(10)

(11)

由圖5可知，在0～20 cm土層模擬值與實測值基本一致，20～40 cm土層模擬值與實測值差距較大，模擬值均小于實測值，一維代數模型對摻加層以下土壤剖面含水率的擬合精確度較差。

圖5 不同摻沙、摻生物炭比例下土壤剖面含水率擬合效果

由表7可知，不同摻沙處理RMSE基本隨摻沙量比例增加而增加，而摻生物炭處理相反，說明一維代數模型的擬合精度受改良劑的影響；從整體模擬效果符合度指數D來看，除CK外其他處理均小于0.4，表示模擬值與實測值的分布趨勢吻合度較低，模擬效果不理想，摻沙處理符合度遠小于摻生物炭處理，說明表層摻沙后模型精度會降低，鹽堿土表層摻沙對一維代數模型擬合效果影響較大。

表7 不同摻沙、摻生物炭比例下土壤剖面含水率模擬精度分析

4 討 論

研究表明，生物炭可降低土壤容重，增大土壤通透性，改善土壤中水分的入滲能力[29]，沙可以改良土壤顆粒組成、進而改善土壤滲透性能[30]，這與本文研究結果相一致，土壤表層摻沙、生物炭均可以提高土壤的入滲性能，原因是表層摻沙和生物炭改變了土壤表層孔隙結構，減少土壤表面與空氣的接觸，具有較好的保水效果。在相同的灌溉條件下，由擬合系數n可知C1>C3>CK>S1>C2>S2>S3，具體原因為生物炭具有較強的吸附能力，使水分在摻加層(0～20 cm)內大量匯聚，水分下滲量減少，而表層摻沙改變了鹽漬化土壤顆粒組成，導致水分在摻加層減少，入滲性能得以提升。

本試驗研究表明，土壤表層摻沙處理使表層土壤含水率降低，土壤深層含水率提高，這與張宇航等[31]研究證明表層摻沙可以提高土壤入滲能力,入滲速率隨摻沙比例增大而增大的結論相一致。表層摻生物炭處理使土壤表層的含水率提高，深層土壤含水率降低，與王艷陽等[32]研究結果相一致。在0～20 cm土層中，表層摻沙處理土壤含水率小于表層摻生物炭處理，但兩種處理各土層土壤含水率均大于CK，在20～40 cm土層中，摻沙處理土壤含水率大于表層摻生物炭處理，且兩種處理各土層土壤含水率均大于CK，表明表層摻沙和摻生物炭均有助于使入滲水分在0～40 cm的作物根系密集層均勻分布，有利于作物根系的生長。

土壤鹽分受降水、蒸發等因素制約。本研究發現，在相同入滲條件下，土壤表層(0～20 cm)摻沙可以提高土壤脫鹽率平均值，有效降低土壤含鹽量，表層摻生物炭能降低土壤平均脫鹽率，保證土壤中鹽分不喪失，這與前人研究覆砂可以降低土壤鹽分結論相一致。土壤表層摻沙處理土壤脫鹽率均大于摻生物炭處理，摻沙比例越大，各土層土壤含鹽量越小，20%摻沙處理平均脫鹽率比摻生物炭處理提高5.26%～13.80%，脫鹽區深度增加2.35%～3.92%，達標脫鹽區深度增加1.70%～3.00%，說明表層摻沙處理比摻生物炭處理脫鹽效果更好，有利于降低鹽漬化土壤中的含鹽量，使作物正常生長。

引入一維代數模型對土壤剖面含水率的模擬效果不理想，原因可能是土體不夠均勻，土層被破壞和未保持密封狀態導致水分丟失等誤差而造成的。

5 結 論

本文通過室內土柱試驗，探究黃河三角洲中度鹽堿土表層摻沙、生物炭后水鹽運移特征得出：

(1)在相同入滲情況下，表層(0～20 cm)摻沙、生物炭均能提高鹽漬化土壤中水分入滲效果，兩者改良效果相近；在添加層(0～20 cm)摻沙處理含水率小于表層摻生物炭處理，表層摻生物炭處理提高了添加層的蓄水能力，而摻沙處理加強了添加層以下土層(20～40 cm)的保水性能，抑制表層土水分蒸發，表層摻沙20%效果最佳。

(2)兩種改良物質處理下，土壤含鹽量在0～20 cm土層變化趨勢大致相同，表層摻沙處理各土層土壤含鹽量均小于表層摻生物炭處理，表層摻沙10%～20%顯著提高土壤脫鹽效率，有效降低中、下層土壤含鹽量，最佳摻沙比例為20%。

(3)不同摻沙處理RMSE在0.06～0.11之間，模擬精度隨摻沙比例增大而降低，模擬效果符合度指數D除CK外其他摻沙處理均小于0.4，說明一維代數模型對于中度鹽堿土表層摻沙的擬合精度較低，仍需進一步修正。

綜上所述，黃河沉沙多而無用，作為一種方便易得、成本低、效果好的改良劑用于改良鹽堿地，一方面可以改善土壤結構，延緩土地鹽堿化，另一方面在降低改良成本的同時，緩解廢棄物對環境造成的壓力，有效改良黃河三角洲地區鹽漬化土壤的水鹽分布，為作物生長提供良好的環境，實現以農業廢棄物為基礎的新型友好型改良劑的研發。