脫硫石膏對蘇打鹽堿土水鹽入滲過程的影響

杜學(xué)軍，閆彬偉，許紫峻，任雪芹，錢銘杰

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，松嫩平原西部鹽堿地面積達(dá)373萬hm2，是世界三大片蘇打鹽堿土集中分布區(qū)之一，同時(shí)也是我國最大的蘇打鹽漬土分布區(qū)[1]，土壤中含大量Na2CO3和NaHCO3，是典型的蘇打鹽堿土[2]。東北作為是我國糧食主要產(chǎn)區(qū)之一，土壤鹽漬化問題已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[3]，因此有效治理和合理開發(fā)利用這些土地資源對經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。鹽堿地改良方法主要分為生物改良、水利改良、物理改良和化學(xué)改良，其中以化學(xué)改良最為方便和有效[4]。近年來針對蘇打鹽堿土的土壤改良劑主要有脫硫石膏[5]、生物炭[6]、硫酸鋁[7]等。

脫硫石膏是燃煤煙氣脫硫過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國2018年脫硫石膏產(chǎn)量約4 300萬t，而且產(chǎn)量還在逐年上升。早在1995年徐旭常等就提出利用脫硫石膏改良鹽堿地，并在我國進(jìn)行了一項(xiàng)利用脫硫石膏對鹽堿土進(jìn)行改良的田間試驗(yàn)試驗(yàn)，取得了很好的效果，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性[8]。而少量的脫硫石膏施入土壤對環(huán)境不會造成不良影響[9]。

土壤水鹽遵循“鹽隨水來、水去鹽存”的自然規(guī)律[10]，脫硫石膏主要成分為硫酸鈣，鈣離子可以置換土壤膠體吸附的鈉離子，進(jìn)而通過自然降水和灌溉水淋洗到土壤深層。樊麗琴等[11]發(fā)現(xiàn)脫硫石膏對增加鹽堿土水分入滲和土壤脫鹽率有積極影響。廖栩等[12]發(fā)現(xiàn)脫硫石膏處理顯著提高鹽堿土壤飽和導(dǎo)水率和降低鈉吸附比。程鏡潤等[13]則發(fā)現(xiàn)脫硫石膏可以提高鹽堿土脫鹽效率。這主要是因?yàn)槊摿蚴嘀饕ㄟ^鈣離子直接參與土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的形成改善鹽堿土團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性，增加土壤了孔隙[14]。前人研究還表明脫硫石膏可以明顯降低pH值和堿化度[15]，提高水溶性鈣離子和硫酸根離子含量，降低碳酸根和碳酸氫根離子含量[5]，提高作物成活率40%以上[16]，提高農(nóng)作物葉片的葉綠素含量和光合電子傳遞效率．緩解鹽堿脅迫程度[17]。

但目前為止，利用入滲模型揭示脫硫石膏對蘇打鹽堿土改良機(jī)理的研究不多，因此，本文基于室內(nèi)土柱入滲試驗(yàn)，比較不同添加量脫硫石膏對蘇打鹽堿土水鹽運(yùn)移特征和入滲模型參數(shù)的影響，進(jìn)而明確脫硫石膏在蘇打鹽堿土改良中的作用，以期為蘇打鹽堿土改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)于2020年6月6—10日在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，將脫硫石膏(施加量參考Wang等[8]田間用量換算所得，最大用量為2.0%)分別按照土重的0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%與土樣混合均勻，分6層(0～10、10～20、30～40、40～50、50～60 cm)依次按田間實(shí)際容重1.45 g·cm-3裝入土柱。利用馬氏瓶控制水頭高度為5 cm。試驗(yàn)開始后，記錄馬氏瓶水位高度和濕潤鋒，當(dāng)?shù)撞坑兴疂B出時(shí)立即停止供水并處理掉土柱上部積水，分6層收集土樣。

土壤指標(biāo)測定方法參考鮑士旦[18]《土壤農(nóng)化分析》(第3版)，土壤含水率用105℃烘箱烘干測定，電導(dǎo)率(水土比為5∶1)由DDS-307型電導(dǎo)率儀測定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與作圖應(yīng)用Excel 2016和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件。

1.3 入滲模型

(1)Philip入滲模型[19]是一種適用于均質(zhì)土壤一維垂直入滲情況的理論模型，應(yīng)用最為廣泛，具有參數(shù)容易確定、物理意義強(qiáng)等特點(diǎn)，其表達(dá)式為：

I=St-0.5+At

(1)

式中，I為累積入滲量(cm)，S為吸滲率(cm·min-0.5)，t為入滲時(shí)間(min)，A為穩(wěn)定入滲率(cm·min-1)。

(2)Kostiakov入滲模型[20]是最常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停浔磉_(dá)式為：

I=Kt1-β

(2)

式中，K為經(jīng)驗(yàn)入滲系數(shù)，表示入滲開始后，截止到第一個(gè)單位時(shí)間段時(shí)的累積入滲量(cm·min-1)；β為經(jīng)驗(yàn)入滲指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫硫石膏對累積入滲量和入滲率的影響

本研究采用累積入滲量和入滲率評價(jià)土壤入滲能力。累積入滲量指入滲過程馬氏瓶水位下降高度，由圖1可知，在入滲試驗(yàn)初期階段(0～200 min)，脫硫石膏對累積入滲量的影響并不顯著，但隨入滲時(shí)間的延長，對累積入滲的影響越來越大。5個(gè)處理累積入滲量大小順序?yàn)?.5%>2.0%>1.0%>0.5%>0.0%，這表明脫硫石膏可以增加土壤水分入滲能力，1.5%處理的累積入滲量分別比2.0%、1.0%、0.5%和0.0%處理分別增加了3.91%、12.71%、34.34%、61.23%。入滲率是單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積入滲的水量，圖2顯示了脫硫石膏對土壤入滲率的影響，可以看出，隨脫硫石膏用量的增加入滲率逐漸增加；隨入滲時(shí)間延長，各處理入滲率趨于穩(wěn)定。2.0%、1.5%、1.0%、0.5%處理第一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)入滲率比0.0%處理分別增加了29.62%、67.31%、76.92%、130.77%，在630 min時(shí)，分別比0.0%處理增加了64.94%、233.33%、271.86%、339.83%。這主要是因?yàn)槊摿蚴嗟募尤肟梢愿纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)，增加土壤透水透氣性能，促進(jìn)水分向下入滲[12]。

2.2 脫硫石膏對濕潤鋒的影響

濕潤鋒是指入滲過程明顯的干土和濕土交界面，也是反映土壤入滲能力重要指標(biāo)之一，可直觀反映入滲速率的快慢，圖3顯示了脫硫石膏對入滲過程中濕潤鋒的影響，與累積入滲量變化趨勢相似。由圖3可知，入滲初始階段各處理濕潤鋒運(yùn)移距離差距不大，但隨著入滲時(shí)間的推移，在入滲100 min后，脫硫石膏對濕潤鋒運(yùn)移距離的影響開始顯著，各處理運(yùn)移距離逐漸增大。在相同時(shí)間內(nèi)，隨脫硫石膏用量的增加濕潤鋒深度逐漸增加，脫硫石膏用量2.0%的處理率先完成入滲。處理0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%濕潤鋒到達(dá)60 cm所用時(shí)間分別為2 160，1 440，780，780，630 min；在630 min時(shí)濕潤鋒分別為17.0、31.1、48.1、50.4、60 cm。這表明脫硫石膏可以促進(jìn)入滲濕潤鋒的運(yùn)移，且隨用量的增加促進(jìn)程度越大。

2.3 脫硫石膏對入滲模型參數(shù)的影響

為了更好地分析研究脫硫石膏對土壤水分的影響，利用Philip入滲模型和Kostiakov入滲模型分別對土壤入滲過程進(jìn)行擬合，表1為模型各參數(shù)擬合結(jié)果。Philip公式擬合結(jié)果決定系數(shù)均在0.95以上，Kostiakov公式擬合結(jié)果決定系數(shù)均在0.99以上，表明兩種模型對入滲過程模擬效果較好。由表1可知，對于Philip公式，隨著脫硫石膏用量的增加，吸滲率S從0.0647 cm·min-0.5增加到0.0957 cm·min-0.5，穩(wěn)定入滲率A從0.0024 cm·min-1增加到0.0189 cm·min-1，呈正相關(guān)關(guān)系。由表1可知，對于Kostiakov公式，隨著脫硫石膏用量的增加，經(jīng)驗(yàn)指數(shù)K從0.0165增加到了0.0698，經(jīng)驗(yàn)指數(shù)K表示第一個(gè)入滲時(shí)間段內(nèi)水分累積入滲量，表明脫硫石膏可以提高入滲初期土壤的水分入滲能力；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)β表示后期入滲能力衰減速率，由表可知，1.5%處理β值最小，表明脫硫石膏用量為1.5%時(shí)入滲能力衰減較為緩慢。表1中各參數(shù)的變化表明脫硫石膏可以明顯增加土壤入滲性能。

表1 不同處理下入滲模型的參數(shù)擬合結(jié)果

2.4 脫硫石膏對土壤含水率和電導(dǎo)率的影響

為研究脫硫石膏對土壤水分和鹽分的影響，測定了入滲結(jié)束后各層土壤的質(zhì)量含水率(圖4)和電導(dǎo)率(圖5)。整體上來看，不同脫硫石膏用量土壤含水率均隨著土壤深度的加深而下降，且添加脫硫石膏處理含水率均高于0.0%處理，1.5%處理含水率最高。從土壤剖面電導(dǎo)率來看(圖5)，0～20 cm土壤表層電導(dǎo)率較低，且各處理電導(dǎo)率變化不大；20～50 cm土層深度0.0%處理電導(dǎo)率最高，1.5%和2.0%處理電導(dǎo)率較低；0.0%處理50～60 cm土層深度電導(dǎo)率最低，與40～50 cm土層差距不大，說明鹽分主要集中在40～60 cm。而1.5%和2.0%處理電導(dǎo)率50～60 cm最高，并且明顯大于40～50 cm電導(dǎo)率，說明鹽分主要集中在50～60 cm，脫鹽效率增大。以上結(jié)果說明脫硫石膏可以降低蘇打鹽堿土表層土壤鹽分，這可能是土壤入滲性能增加導(dǎo)致鹽分隨水向下遷移造成的結(jié)果。

3 討 論

從水分入滲結(jié)果(圖1)可以看出，相比于2.0%處理，1.5%處理土壤累積入滲量更大。但2.0%處理土壤30～60 cm電導(dǎo)率小于1.5%處理，這說明2.0%處理脫鹽效率高于1.5%處理。這可能是由于1.5%處理的入滲經(jīng)驗(yàn)指數(shù)β值大于2.0%處理，表明1.5%處理的入滲速率衰減緩慢，因此增大了入滲累積入滲量。本試驗(yàn)研究結(jié)果與楊軍等[26]的研究結(jié)果相似，他們發(fā)現(xiàn)脫硫石膏應(yīng)用下適量的灌溉水量對蘇打鹽堿土改良洗鹽效果最好，因此水利淋洗措施對脫硫石膏改良蘇打鹽堿土至關(guān)重要。

4 結(jié) 論

1)脫硫石膏可顯著增加蘇打鹽堿土水分入滲能力，與對照相比，0.5%、1.0%、1.5%、2.0%處理的累積入滲量分別增加20.00%、43.03%、61.21%、55.15%，入滲率分別增加64.94%、233.33%、271.86%、339.83%。

2)Philip和Kostiakov兩種入滲模型對入滲過程擬合效果較好，并且脫硫石膏對模型參數(shù)有顯著的影響。Philip公式中吸滲率S和穩(wěn)定入滲率A以及Kostiakov公式中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K隨脫硫石膏量增加而增加。

3)脫硫石膏施用對土壤剖面水鹽分布產(chǎn)生了顯著影響，增加了各層土壤含水率，減少了表層土壤電導(dǎo)率。增加了土壤脫鹽效率。