高分子化學地膜對鹽漬土壤物理性質與水分蒸發效應①

高昊辰，焦愛萍，陳 誠，劉廣明，張鳳華，王秀萍

高分子化學地膜對鹽漬土壤物理性質與水分蒸發效應①

高昊辰1, 2，焦愛萍3，陳 誠3，劉廣明1*，張鳳華4，王秀萍5

(1土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 安徽師范大學皖江學院，安徽蕪湖 241008；3黃河水利職業技術學院，河南開封 475003；4 石河子大學，新疆石河子 832003；5 河北省農林科學院濱海農業研究所，河北唐山 063200)

選擇聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)、殼聚糖(chitosan，CTS)、羥乙基纖維素(hydroxyethyl cellulo，HEC)等3種高分子化合物，以土壤表面噴灑高分子化合物溶液成膜的方式，研究了高分子化合物膜對鹽漬土壤基本物理性質與水分蒸發的影響。結果表明：本研究選擇的3種高分子化合物能夠不同程度地降低土壤水分蒸發、提高土壤保水性能和顯著抑制土壤鹽分的表聚；利用主成分分析進行對比發現：PAM、CTS、HEC 分別在20、80、80 kg/hm2 用量下的土壤抑蒸控鹽效果最佳，鹽漬土表噴灑高分子化合物溶液成膜對鹽漬土壤改良利用具有確切的正效應。

高分子化合物；鹽漬土壤；水分蒸發；鹽分調控

濱海鹽漬土壤廣泛分布于沿海灘涂區域，其生態開發利用在國民經濟建設中具有極其重要的地位，隨著沿海人口密度的不斷增長，如何高效利用作為重要后備土地資源的沿海灘涂已成為亟待解決的問題[1-3]。而濱海鹽漬土壤因其pH大、鹽分含量高、結構性能差、植物難以生長等特點，往往難以開發利用[4-7]。“鹽隨水來，鹽隨水去”，面對濱海鹽漬土壤開發利用的難題，怎樣有效控制鹽漬土壤中的水分運移，對于土壤的鹽分調控與土壤利用將發揮重要作用。目前對于土壤水分的調控除了傳統的物理、化學、生物措施等，許多學者也嘗試將高分子化合物應用于土壤的改良中[8-11]，以改善土壤的理化性能，例如有研究發現在棉田中使用羥乙基纖維素(hydroxyethyl cellulo，HEC)能有效降低0 ～ 40 cm土壤鹽分，對于降低土壤中水溶性K+、Na+、SO2– 4、Cl–作用明顯[12]；董傳遷等[13]研究發現殼聚糖分子鏈上含有大量的氨基和非離子型羥基等親水性基團，使其具有良好成膜性，即使在鹽水環境下也具有一定的保水性能，總體來看這些高分子化合物的一些特性使其在鹽漬土壤改良的應用上具有一定的潛力，同時其相對傳統的物理措施，如使用高分子化合物進行改良則有著低成本、易操作等優勢，在綜合改良過程可以優勢互補，這對于豐富鹽漬土壤的改良手段、優化已有改良方法的效果有著重要意義[14-16]。但目前國內將高分子化合物應用于濱海鹽漬土壤改良的研究相對較少，因此本研究以濱海鹽漬土壤為研究對象，通過在土壤表面噴灑高分子化合物溶液，對其水分運移情況進行探索，分析其土壤理化性質的改變，為高分子化合物改良濱海鹽漬土壤提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與土壤

試驗所用高分子化合物為：聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)、殼聚糖(chitosan，CTS)、羥乙基纖維素(hydroxyethyl cellulo，HEC)，其中PAM為陰離子型，分子量為 800 萬，CTS為陽離子型，分子量為30 萬，HEC為非離子型水溶性聚合物，分子量為 37 萬；試驗所用CTS溶液由 1% 醋酸溶解配制而成，PAM和HEC溶液均由去離子水配制而成，由于不同高分子化合物溶液在同濃度下黏度差異較大，為便于噴灑試驗，所用高分子化合物溶液濃度為PAM 0.2 g/L、CTS 10 g/L、HEC 5 g/L；3 種高分子化合物溶液的制備過程類似，具體制備過程：首先在溶解槽內倒入目標制備量35% 的溶劑，隨后開始攪拌并緩慢定量加入高分子化合物粉末(避免在水中相互黏結、成團)，在加入高分子化合物粉末的同時加入溶劑，直到達到目標制備量，隨后繼續攪拌至溶液均勻透明、無肉眼可見團塊，即完成制備。供試土壤采集時土壤表面可見白色鹽分結晶，長有鹽蒿、沙蓬等植被，其基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

1.2.1 高分子化合物對土壤理化性質的影響 試驗通過土壤培養的方式研究不同高分子化合物對于土壤理化性質的影響。試驗為雙因素完全隨機設計，試驗選用PAM、CTS、HEC 3種高分子化合物，每種高分子化合物溶液設置5個不同用量的水平(同種高分子化合物溶液不同用量的水平，均使用相同濃度的溶液)，包含一個對照(不噴灑高分子化合物溶液)共16個處理，每個處理重復3次，具體見表2。

表1 供試土壤的主要理化性質

表2 土壤培養試驗處理設計

注：高分子化合物溶液濃度為PAM 0.2 g/L、CTS 10 g/L、HEC 5 g/L。

試驗在人工溫室中進行，使用20 cm × 10 cm × 6 cm的塑料盒作為培養容器，試驗的實施方法為：將供試土壤風干、磨碎、過2 mm篩，以1.36 g/cm3的容重進行裝填，每個容器裝填1.36 kg土壤，裝填完畢后，根據各處理高分子化合物的類型與用量(依照表2)在土壤表層噴灑高分子化合物。噴灑完畢后自然放置60 d，放置過程中每隔10 d在土壤表面噴灑200 ml去離子水，共噴灑5次。

1.2.2 高分子化合物溶液對土壤蒸發的影響 試驗為土柱模擬試驗，采用雙因素完全隨機設計，試驗處理、供試材料和土壤與試驗1相同，所用土柱為高35 cm、外徑10.5 cm、壁厚0.5 cm的有機玻璃柱，將底部出水口封閉，使液體無法滲出土柱。試驗所用供試土壤經自然風干、磨碎后過2 mm篩，然后分層裝入土柱，裝填容重為1.49 g/cm3，裝填過程中每5 cm壓實一次并拉毛表面，土柱內土體總高度為25 cm。裝填完畢后，每根土柱均灌入2 g/L微咸水900 ml，微咸水為NaCl:Na2SO4=1:1溶液，當所有溶液完全滲入土壤后用保鮮膜封住有機玻璃柱柱口，等待48 h，待土壤中水分再分布后揭開保鮮膜，依據表2中各處理的高分子化合物類型與用量，在土柱土壤表層噴灑高分子化合物溶液，隨后自然蒸發23 d。

1.3 樣品的采集與分析

試驗一在培養結束后，先用環刀進行取樣，測定其孔隙度、飽和導水率。隨后將培養容器中剩余的土壤全部收集，風干、磨碎后過1 mm篩，用于測定pH、EC、土壤水溶性鹽分含量等指標。試驗二在蒸發過程中，于每天上午10:00使用稱重法測定前一日的日蒸發量。在蒸發試驗結束后，對土柱進行分層取樣(每5 cm一層)并測定土壤含水率，采集的土壤樣品進行風干，磨碎，過1 mm篩，測其pH、EC、土壤水溶性鹽分。試驗中pH采用水土比5︰1(︰)浸提電位法測定；EC采用水土比5︰1(︰)浸提電極法測定；全鹽量采用質量法測定；孔隙度采用換刀法測定；飽和導水率采用雙環刀法測定。以上測定方法參照LY/T 1215—1999《森林土壤水分–物理性質的測定》[17]、LY/T 1218—1999《森林土壤滲濾率的測定》[18]、《土壤農化分析》[19]、《土壤農業化學分析方法》[20]。

2 結果與討論

2.1 噴灑不同高分子化合物溶液成膜對土壤物理性質的影響

2.1.1 對土壤EC與pH的影響 圖1為不同高分子化合物對土壤電導率的影響。由圖可知，在噴灑過高分子化合物后，各處理的電導率與對照均無顯著差異。在使用PAM的處理中，電導率隨著高分子化合物用量的增加而逐漸增大，各處理的電導率較對照提高了0.94% ～ 3.12%；在使用CTS的處理中，電導率的變化規律與PAM相類似，K1、K2、K3處理的電導率相較對照降低了1.81% ～ 3.16%，而K4、K5處理則分別較對照提高了0.53% 與2.75%；在使用HEC的處理中，各處理的電導率變化無明顯規律，分別較對照降低了1.27% ～ 3.12%。從結果來看，PAM雖然為陰離子型，其能夠與土壤中的二價離子(例如Ca2+)形成離子橋，即PAM-Ca2+[21]，進而使得土壤中陽離子減少，但由于不同土壤中離子組成的差異，在以Na+、K+為主要陽離子的濱海鹽漬土壤中，PAM對于降低土壤電導率的作用不明顯；CTS由于為陽離子型，在酸性溶液中易成鹽，因而隨著用量的增加可能會導致土壤電導率有所增加；而HEC作為一種非離子型的水溶性纖維素醚，對于土壤中的離子無吸附能力。總體來看這3種高分子化合物本身并不會導致土壤電導率的巨大改變，其發揮的作用更多的可能是通過改變土壤水分運動，進而影響土壤鹽分含量。

圖2為不同高分子化合物對土壤pH的影響。由圖可知，各處理中P1最高為8.50，K5最低為7.93。在使用PAM的處理中，P1、P2的pH較對照分別升高了0.83% 與0.59%，但差異不顯著，其余處理則降低了0.83% ～ 1.67%，其中P3、P5顯著低于對照；在使用CTS的處理中，其pH隨著CTS用量的增加呈先升高后降低的趨勢，其中K4、K5同對照差異顯著，分別減低了3.44% 與5.93%，而其余處理與對照無顯著差異；在使用HEC的處理中，其pH變化規律與CTS相類似，其中H1、H2、H5與對照差異顯著，降低了1.30% ～ 4.03%，而H3、H4較對照略有提高，但差異不顯著。

2.1.2 對土壤孔隙度的影響 圖3為不同高分子化合物對土壤孔隙度的影響。由圖可知，在使用PAM的處理中，除P1、P2的總孔隙度、毛管孔隙度低于對照外，其余處理的總孔隙度、毛管孔隙與非毛管孔隙度均高于對照；總孔隙度與非毛管孔隙度均隨著PAM用量的增加，呈先增加后降低的趨勢，而毛管孔隙度隨著PAM用量的增加逐漸增加；P4處理的總孔隙度(47.51%)與非毛管孔隙度(21.72%)最大，而P5的毛管孔隙度最大，為25.91%。在使用CTS的處理中，土壤的總孔隙度、毛管孔隙與非毛管孔隙均隨著CTS用量的增加，先增加后降低，但均高于對照；其中K3的總孔隙度、毛管孔隙度與非毛管孔隙度均為最大，較對照分別增加了9.84%、4.95% 與16.37%。在使用HEC的處理中，其總孔隙度與毛管孔隙度的變化規律與使用PAM相類似，其中H3的總孔隙度與毛管孔隙度均為最大，分別為49.16% 與26.87%，較對照增加了11.50% 與17.95%；H5的非毛管孔隙度最大，為22.37%，較對照增加了18.38%。由于3種高分子化合物都具有不同程度絮凝作用，有利于土壤水穩性團聚體的形成，進而增加土壤孔隙度與毛管孔隙度[22-24]。總體來看，除P1、P2外其余各處理的總孔隙度均較對照有顯著提升，3種高分子化合物在不同用量下對于土壤孔隙的提升均有一定的作用，就效果而言HEC>CTS>PAM，其中H3的效果最優。

2.1.3 對土壤飽和導水率的影響 圖4為10 ℃ 下不同高分子化合物作用下的土壤飽和導水率。由圖可知，在使用PAM的處理中，土壤飽和導水率隨著PAM用量的增加，先增加后降低，P2達到最大值(0.39 mm/min)，較對照增加了12.05%，且差異顯著。在使用CTS的處理中，土壤飽和導水率隨著CTS用量的增加，先降低后增加，但各處理與對照差異均不顯著；其中K2、K3較對照有所降低，K3達到最低值為0.31 mm/min，其余處理均高于對照。在使用HEC的處理中，土壤飽和導水率的變化趨勢與CTS相類似，但總體高于CTS的各處理；且各處理的飽和導水率均高于對照，較對照增加0.03% ～ 17.17%，其中H1最大，為0.40 mm/min。由試驗結果來看，高分子化合物對于土壤飽和導水率的影響與其用量有較大關系，PAM的使用中，僅在5 kg/hm2的用量時飽和導水率較對照有所增加，其余用量時均低于對照，且隨著用量的增加土壤的飽和導水率會不斷降低；而CTS與PAM，在用量低于40 kg/hm2時土壤飽和導水率會逐漸降低，但用量高于40 kg/hm2后土壤的飽和導水率則隨著用量的增加而逐漸升高。從目前已有研究來看，PAM等高分子化合物能夠增加水的黏滯度，當其用量大于一定臨界值后，其對于土壤孔隙的填充將增大水流的入滲阻力，并形成局部致密層，進而影響土壤飽和導水率，從而出現高用量下土壤的飽和導水率降低的情況[25-27]。

2.2 噴灑不同高分子化合物溶液成膜對土壤水分蒸發的影響

圖5為各處理的土壤日蒸發量與累積蒸發量。由圖可知，在整個蒸發過程中不同處理的日蒸發量隨著時間的推移均呈現出遞減的趨勢，在蒸發前期由于土壤含水率較大各處理間日蒸發量差異不明顯，并且出現了部分處理的日蒸發量高于對照，這可能是PAM、CTS、HEC的噴施造成表層土壤的含水率高于對照，因而促使蒸發量變大。但在蒸發后期，當表層土壤的水分大量蒸發后，需要更深層土壤水分補給時，各處理的抑制蒸發效果開始顯現。

PAM處理下，當蒸發進行到第10天后各用量水平下的日蒸發量均低于對照(圖5A)。從整個蒸發過程的累積蒸發量來看(圖5B)，除P1處理外，其余處理的累積蒸發量在11 d后均低于對照，而P1處理的累積蒸發量在第19天后才低于對照。在經過23 d蒸發后，P4的累積蒸發最低，為46.5 mm；P1最高，為55.9 mm；各處理累積蒸發大小為CK>P1>P2> P3>P5>P4，相較于對照各處理累積蒸發量降低了2.8% ～ 20.4%。

CTS處理與HEC處理下的土壤的日蒸發量(圖5C、5E)與累積蒸發量(圖5D、5F)變化趨勢與PAM處理相類似，在蒸發前期各處理的日蒸發量差異較小，各處理的累積蒸發量曲線重合度較高，部分處理與對照的日蒸發量曲線產生了多次交叉。其中使用CTS的各處理在第10天后，日蒸發量均低于對照；通過23 d自然蒸發，K5的累積蒸發量最低，為51.0 mm，K1最高為54.3 mm；各處理的累積蒸發量均低于對照(57.6mm)，整個蒸發過程中各處理的累積蒸發量為CK>K1>K2>K4>K3>K5，相較于對照各處理累積蒸發量降低了5.6% ～ 11.4%。而HEC處理下，H5的累積蒸發量最低，為48.0 mm，H1最高，為54.6 mm，各處理累積蒸發量為CK>H1>H2>H3>H4>H5，相較于對照各處理累積蒸發量降低了5.2% ～ 16.6%。總體來看CTS與HEC在不同用量下均有一定的蒸發抑制效果，但高用量下的抑蒸效果弱于PAM。

2.3 噴灑不同高分子化合物溶液成膜對土壤鹽分分布的影響

土壤中鹽分分布與其水分運移情況關系密切，而高分子化合物的表面噴灑對抑制土壤的水分蒸發具有一定的效果，因此其對于水分運移的影響必然會反映到土體中的鹽分分布上。圖6為3種高分子化合物處理蒸發完成后各土層的鹽分含量。由圖可知，使用了高分子化合物的各處理在0 ～ 5 cm土層的鹽分含量均低于CK，PAM處理為7.38 ～ 14.62 g/kg、CTS處理為9.22 ～ 14.38 g/kg、HEC處理為9.81 ～ 13.41 g/kg，其中P4處理表層土壤鹽分最低為7.38 g/kg，相較CK降低了55.1%。各處理5 ～ 10 cm土層的鹽分為所有土層中最低，除P2、P4、P5的鹽分含量顯著低于CK外，其余各處理的鹽分含量與CK相接近，差異不顯著。由于抑制了鹽分向土表集聚，10 ～ 25 cm土層中各處理的鹽分均隨著土層深度的增加呈現出了上升趨勢。

總體來看，3種高分子化合物溶液噴施在土壤表面對于抑制土體鹽分的向上運移均有一定作用。依據0 ～ 10 cm土層鹽分含量，各處理的抑鹽效果為：P4>P5>K4>H5>P5>H4>H2>K1>P3>H1>P2>K3>K2>H3>P1。

2.4 基于主成分分析的抑蒸、控鹽效果評價

依據高分子化合物對土壤理化性質的改變與水鹽分布影響，對土壤pH、EC、容重、毛管孔隙度、累積蒸發量，0 ～ 5 cm、5 ～ 10 cm土層含鹽量和含水率進行主成分分析(principal component analysis，PCA)，對各種類高分子化合物及其不同的用量水平的改良效應進行評價。對逆指標使用倒數法轉換為正指標，并采用Z-sorce法對各項數據進行標準化轉化。通過數據提取，并根據提取出的主成分因子，利用回歸估計法計算主成分因子得分。

各處理的主成分得分情況見表3。由總得分和排名可知，使用高分子化合物的各處理改良效果均優于CK。使用PAM的處理中，P4效果最佳，CTS處理中K5效果最佳，HEC處理中H5效果最佳。總體來看，綜合改良效果最佳的5種處理為：P4、K5、H5、P5、K4，均為高用量的處理。

表3 主成分因子綜合得分和排名

3 結論

1)PAM、CTS、HEC這3種高分子化合物能夠提高土壤孔隙度，影響土壤飽和導水率，但同時這3種高分子化合物本身不會對土壤可溶性鹽的含量產生顯著影響，其對于土壤鹽分含量的影響更多的是通過改變土壤中的水分運動，進而間接影響土壤中鹽分的運移與分布。

2)噴灑高分子化合物溶液成膜能夠抑制土壤水分蒸發、提高土壤保水性能，PAM各用量下的土壤水分蒸發量較CK降低了2.8% ～ 20.4%；CTS與HEC，均隨著用量的增加，土壤水分蒸發量逐漸降低，其不同用量下的土壤水分蒸發量分別較CK降低了5.6% ～ 11.4% 和5.2% ～ 16.6%。

3)針對土壤孔隙度、土壤水分蒸發量、表層土壤抑鹽等綜合改良效應來看，PAM、CTS、HEC分別在用量為20、80、80 kg/hm2時效果最佳。

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Effects of Polymer Compound Film on Physical Properties and Water Evaporation in Saline Soil

GAO Haochen1,2, JIAO Aiping3, CHEN Cheng3, LIU Guangming1*, ZHANG Fenghua4, WANG Xiuping5

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 Wanjiang College of Anhui Normal University, Wuhu, Anhui 241008, China; 3 Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng, Henan 475003, China; 4 Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832003, China; 5 Institute of Coast Agriculture, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Tangshan, Hebei 063200, China)

In this study focusing on 3 high polymers, i.e.polyacrylamide (PAM), chitosan (CTS) and hydroxyethyl cellulo (HEC), the effect of polymer compound film (formed by spraying polymer compound solution onto soil surface) on the basic physical property and evaporation of water in saline soil was studied.The results indicated that: the above 3 high polymer compounds reduced water evaporation in soil to different extents, improved soil water retention, and significantly inhibited salt accumulation in topsoil.According to principal component analysis, the dosage of PAM 20 kg/hm2, CTS 80 kg/hm2 and HEC 80 kg/hm2 led to the best evaporation and salt control in soil.Therefore, membrane formed by spraying polymer compound solution onto the surface of salt-affected soil truly can play a positive role in salt-affected soil improvement and utilization.

Macromolecular compounds; Saline soil; Water evaporation; Salinity control

S156.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.05.022

高昊辰, 焦愛萍, 陳誠, 等.高分子化學地膜對鹽漬土壤物理性質與水分蒸發效應.土壤, 2021, 53(5): 1057–1063.

國家自然科學基金項目(U1806215)、新疆生產建設兵團科技攻關項目(2019AB038)、江蘇省重點研發計劃項目(BE2018759)和開封市科技計劃項目(1702012)資助。

通訊作者(gmliu@issas.ac.cn)

高昊辰(1994—)，男，安徽蕪湖人，碩士，助教，主要從事鹽漬土壤改良與高效利用方面的研究。E-mail: ghcnfu@foxmail.com