斥水土保水性在農業中的應用

張 璐， 吳玉琴

（云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201）

0 引言

如何解決水資源不足和糧食生產的矛盾，成為世界范圍關注的焦點[1]。讓每一滴水生產出更多的糧食，通過提高農業水資源利用效率解決全球缺水問題是各國科學家形成的共識[2]。李朝陽等[3]在干旱少雨蒸發強烈的新疆地區采用滴灌技術在成齡棗樹的產量和節水方面成效顯著。王睿垠等[4]發現往東北黑土里添加生物炭能提升土壤的持水能力。魏童等[5]對西北干旱地區壓砂耕作方式進行了水分垂直入滲的規律研究，發現壓砂耕作方式提高了土壤的入滲能力，對提高作物的產量有一定的益處。在平原地帶多采用地膜方式耕作，對作物的產量、生長條件及經濟效益都有益處[6]。也有采用秸稈覆蓋的方式耕作，實現了培肥土壤、防止水土流失[7]。不管是壓砂、地膜覆蓋還是秸稈覆蓋都存在一定的缺點：地膜覆蓋成本較高、薄膜難降解對環境造成影響；近幾年生物可降解膜逐漸代替了普通地膜，減少了對環境的影響，隨之而來的是可降解膜的保墑增溫性能比普通地膜差，而且可降解地膜的強度及延展性較差；壓砂和秸稈覆蓋材料不易取得且受季節和地域的限制[8-9]。因此具有能減小成本支出、減輕環境污染、材料易取得的保水措施值得關注。

關于斥水性土壤蒸發的研究相對較少，但研究結果較一致，即土壤斥水性對土壤蒸發具有不同程度的抑制效應。BACHMANN J 等[10]對不同斥水性強度的砂土分別進行了等溫及非等溫條件下的土柱蒸發試驗，結果表明，兩種條件下的土壤累積蒸發量均隨土壤斥水性強度的增加而降低。李毅等[11]進行了覆膜開孔條件下斥水性層狀土壤蒸發試驗，結果表明，隨著土壤斥水性強度增加，累積蒸發量有所減小。GUPTA B 等[12]利用土壤斥水性抑制蒸發的原理，在親水性土壤表層覆蓋斥水性土壤薄層， 達到降低水分散失的目的。其對比試驗結果表明，表層覆蓋2 cm 厚的斥水性土壤薄層，可讓下層親水性土壤保持90%的含水量達83 h。RYE C F 等[13]在田間試驗土箱中進行了原位測量，結果表明，4 d 內斥水性土壤的累積蒸發量比親水性土壤低40%～80%。現階段，我國土壤斥水性的研究方向比較分散，系統性研究比較少，對斥水土的研究還停留在斥水土特性的理論試驗上，利用斥水土抑制水分蒸發代替覆膜作為種植作物保水措施的研究少之又少。在國內外斥水土抑制水分蒸發的研究基礎上，本文將斥水土應用到作物種植，通過對比覆膜、不覆膜、鋪蓋斥水土3 種種植方式的差異，以電阻率為指標，描述斥水土作為土壤隔層可為作物生長提供合適的保水措施。

1 材料與方法

1.1 土樣制備

常見的土壤改性方式主要有物理改性、化學改性和生物改性[14-16]。化學改性主要是采用表面活性劑對土顆粒表面進行處理，增大土顆粒的接觸角，達到改變土顆粒與溶劑相互作用的目的[17]。常用的化學改性方法是用十八胺（C18H39N）或二氯二甲基硅烷（(CH3)2SiCl2）對土壤改性。由于二氯二甲基為劇毒物質，味道刺鼻，長期吸入會對身體健康造成損害，對呼吸道及皮膚有刺激作用等弊端，而十八胺對身體損害較小，考慮到所需斥水土量較大，為避免對實驗室室內環境造成影響，本文采用十八胺進行砂土的化學改性。

砂土取自云南省昆明市境內的團結鄉。土樣取土時避開表層有雜質的地方，取深度為0.5 m 的新鮮干凈土壤，將天然土樣風干碾碎后，過2 mm 篩，放置在溫度為105 ℃的烘箱中烘12 h，備用。

制備步驟：取備用砂土，將研磨成粉末狀的十八胺（C18H39N）加入其中，然后充分攪拌置于烘箱中，將烘箱溫度調至 80 ℃持續烘烤8 h，烘烤期間每間隔 2 h取出并保證溫度70 ℃以上充分攪拌土樣5 min，保證十八胺（C18H39N）處于液態，且在砂土中均勻分布。將烘好的土樣置于室內冷卻供試驗用。

吳珺華等[17]在對斥水土入滲研究中發現十八胺含量在0.06%時，斥水土穩定入滲所需的時間較短。室外空氣溫濕度變化較大，為保證測量的準確性，配制斥水土的十八胺含量為0.06%。GUPTA B 等[12]將斥水土的抑制水分蒸發的特性推廣到植物生長方面，室內恒溫條件下發現斥水土厚度在2 cm 時種子生長良好。為確保電阻率試驗和辣椒種植兩個試驗里斥水土抑制水分蒸發的統一性，考慮到辣椒育苗已經完成，故斥水土覆蓋厚度為5 cm。

1.2 土壤電阻率測量

土壤電阻率包含了反映土壤性質的豐富信息[18]。本試驗選在云南農業大學校內后山一塊待開發的空地，兩塊區域如圖1 所示，長、寬分別為4 m 和2 m，一塊用來鋪蓋斥水砂土厚度為5 cm（記為P1），斥水砂土的十八胺含量為0.06%。另外一塊清理雜草后并噴灑農藥（記為P0）以保證土壤不會有植物生長，以免影響土壤體積含水率的變化。測量時間與辣椒種植時間同步，2021 年5 月30 日開始，2021 年9 月7 日結束。天氣較為干旱，后山最高空氣溫度達38 ℃，最低空氣濕度為26%，試驗期間有密集降雨出現，單次平均降雨量約0.7 mm。測量土壤電阻率的方法選擇溫納法，也稱四極法，儀器型號ES3002，其最大量程2 000 Ω·m；選擇采用82 mm×20 mm×0.3 mm 的鐵片作為輔助接地棒，用單股1.5 mm2的導線連結鐵片至地面，且輔助接地棒彼此間隔1.2 m。鋪蓋斥水土的區域（P1），以斥水砂土的表層為基準點，輔助接地棒埋入深度分別為表層以下5、10、15、20、25 和30 cm 共6 個深度；在P0區域，以土壤表層為基準點埋入深度分別為5、10、15、20、25 和30 cm 共6 個深度。兩塊區域表層基準點不同，在對比分析兩塊區域電阻率的測量結果時，需要按相同深度進行對比。在進行電阻率測量的過程中，將降雨天氣和未降雨天氣的電阻率分開記錄，P1 區域降雨前后分別記為P1-和P1+，P0 區域降雨前后分別記為P0-和P0+。

圖1 土壤電阻率測試場地Fig. 1 Soil resistivity test site

1.3 辣椒種植

辣椒苗種植區域與測量電阻率的區域相鄰，種植時間從2021 年5 月30 日開始，2021 年9 月7 日結束，后山最高空氣溫度達38 ℃，最低空氣濕度為26%。種植前后（從2021 年5 月27 日到6 月3 日）未出現降雨天氣，天氣較干燥。選擇種植的辣椒苗是已經完成育苗的壯苗，莖葉完整無病蟲害，根系發達。

種植區域分為兩塊，每塊區域長3.6 m，寬50 cm，分別做不覆膜（F0）、覆膜（F1）及鋪蓋斥水砂土（F2）處理，均不起壟。鋪蓋斥水砂土的區域，其四周采用磚塊圍起來；為防止降雨裹挾斥水土流走，在斥水砂土四周采用土工布做擋土材料。

每塊區域種植辣椒15～20 株，為保證辣椒的成活率，對所有試驗區域先進行松土、殺蟲，利用300 倍高錳酸鉀液對土壤進行消毒，施肥養地，使土壤具備種植的能力。辣椒種植完成后，采用遮陽網適當遮光，在辣椒種植成活后撤掉。

在辣椒覆膜前和鋪蓋斥水土前對各區域進行首次澆水，之后按各區域生長狀況分別澆水，記錄各區域澆水量。由于斥水土會減少水分的入滲量，在對斥水土區域的辣椒澆水時，在土工布區域四周澆水，其余兩塊區域在辣椒根部澆水。為辣椒澆水時，采用的是5 L的水桶，用常見的水瓢舀水進行澆水。每次澆水前稱水量為8 kg，以澆完水后辣椒苗不蔫兒視為水量合適，對辣椒不產生負面影響。

測量辣椒株高、莖粗及同期收獲的總質量。株高使用卷尺進行測量，精確度為0.1 cm。采用游標卡尺通過十字交叉法測量莖粗，測量部位為主莖根部，精確度為0.1 mm。辣椒采摘質量采用刻度為0.1 g 的天平稱質量。

2 結果分析

2.1 土壤電阻率

電阻率隨土壤深度的變化并不是線性關系（圖2）。

圖2 電阻率隨土壤深度的變化Fig. 2 Resistivity changes with soil depth

P0 區域在降雨前各深度的電阻率值呈現起伏上升趨勢，在20 cm 深度電阻率最低，在30 cm 深度電阻率最大，其變化分3 個階段。5～10 cm 深度電阻率值增加0.53 Ω·m，10～20 cm 深度電阻率值減小3.96 Ω·m，20～30 cm 深度電阻率值增加6.77 Ω·m。降雨后各深度的電阻率值變化同樣有3 個階段，5～10 cm 深度電阻率值增加1.14 Ω·m，10～20 cm 深度電阻率值減小2.62 Ω·m，20～30 cm 深度電阻率值增加6.06 Ω·m。P1 區域在降雨前后各深度的電阻率值變化有4 個階段。其中降雨前，5～10 cm 深度電阻率值降低2.69 Ω·m，10～15 cm 深度電阻率值增加2.24 Ω·m，15～25 cm 深度電阻率值降低3.77 Ω·m，25～30 cm 深度電阻率值增加1.43 Ω·m。在降雨后，5～10 cm 深度電阻率值降低0.24 Ω·m，10～15 cm 深度電阻率值增加2.15 Ω·m，15～25 cm 深度電阻率值降低3.59 Ω·m，25～30 cm 深度增加0.86 Ω·m。

兩塊區域降雨前后各層電阻率差值如表1 所示。在兩塊區域中，P0 區域因降雨引起的電阻率變化值明顯大于P1 區域的變化值。

表1 兩塊區域降雨前后電阻率差值Tab. 1 Difference in resistivity between two regions before and after rainfall

兩塊區域表層基準點位置不同，P1 區域在天然土壤表層增加了5 cm 厚的斥水土層，P0 區域的5 cm 處對應著P1 區域的10 cm 處。不管是降雨前還是降雨后，兩塊區域電阻率值的增減變化方向是一致的。P0 區域各深度層之間的電阻率差值較大；而P1 區域天然土與斥水土接觸層的電阻率變化較大，天然土壤表層以下各深度降雨后電阻率降幅較小。

2.2 辣椒種植試驗

辣椒首次澆水后，3 塊區域的辣椒苗不存在蔫兒的情況；而覆膜和不覆膜兩個區域在種植后的第2 天澆水前出現蔫兒的情況，澆水后恢復正常狀態。辣椒種植后的兩周內各區域累積澆水量如圖3 所示，鋪蓋斥水土的區域（F2 區域）累積澆水量呈階梯狀上升，即澆水次數少累積澆水量最低，僅是未覆膜區域（F0 區域）累積澆水量的38.33%，而覆膜區域（F1 區域）的累積澆水量達到了未覆膜區域累計澆水量的61.67%。

圖3 各區域累積澆水量Fig. 3 Cumulative amount of watering in each area

辣椒長成后，每次采摘時，測量每株辣椒的株高、莖粗，以均值作為該次采摘的統計結果，具體情況如圖4 所示。在采摘過程中F1 區域的辣椒保持良好的生長優勢，其株高、莖粗、采摘量比其他區域突出。

圖4 辣椒株高、莖粗及采摘質量對比Fig. 4 Comparison of plant height, stem diameter and picking quality of pepper

在株高方面，F0 區域和F1 區域的辣椒株高在前兩次采摘中相差約7 cm，后兩次采摘相差約10 cm；F2 區域在第1 次采摘時與F0 區域株高相差較小約3 cm，在后幾次采摘時株高差距逐漸加大，達到8 cm。

在莖粗方面，F0 區域和F2 區域在前兩次采摘時莖粗相差約1 mm，隨后莖粗差距逐漸增大，約1.5 mm。F1 區域與前兩者的差距較大，特別是后兩次采摘時，F1 區域與F2 區域莖粗相差約2 mm，與F0 區域差距更大。

在采摘辣椒產量方面，F0 區域的辣椒產量均在300 g以下，其余兩塊區域的辣椒產量均在300 g 以上；F1和F2 區域在第1 次采摘時產量差距較大，約100 g，隨后的幾次采摘中兩塊區域的辣椒產量差距逐漸減少至50 g 以內。

3 討論

3.1 土壤的電阻率

土壤電阻率最大的影響因素是含水率，其與電阻率的關系呈現負相關。在山東某地區，孫旭等[19]發現當地具有代表性的粉土、砂土、粘土的電阻率都隨著含水率增加而減小。查甫生等[20]在對合肥某地的膨脹土研究中也發現了類似的現象。在本文試驗中，天然土壤表層覆蓋斥水土時，其電阻率比天然土壤區域的電阻率小，從側面說明與前人關于斥水土可以抑制土壤水分蒸發的觀點相一致。降雨后，天然土壤區域的水分增加，而鋪蓋斥水土區域的電阻率變化則較小，在自然蒸發過程中，天然土壤的水分蒸發量大于鋪蓋斥水土區域的蒸發量。

土壤水分蒸發原理如圖5 所示。天然土壤（親水土）中的水分可以通過毛細管以液態水的方式向上運動達到土壤頂部。對于鋪蓋了斥水土的天然土壤，水分在到達了親水層頂部后，疏水通道消失，水分不再以液態水的方式蒸發，只能以水分子的形式蒸發。上述蒸發方式的不同是蒸發量差異的根本原因。電阻率的大小與輔助接地棒和土壤的接觸面積有關，當天然土壤的水分因蒸發而減少，會造成內部土壤因缺水產生裂縫，減少了與輔助接地棒的接觸面積，使土壤的電阻率增大。降雨后，少許的水分就可能引起電阻率的明顯變化，而鋪蓋斥水土的區域由于土壤蒸發的水分較少，與輔助接地棒的接觸面積減小的不多，降雨后土壤內部水分變化較小，電阻率的變化也較平緩。

圖5 土壤水分蒸發原理Fig. 5 Principle of evaporation of soil water

3.2 辣椒種植

李世清等[21]研究發現，覆膜農田0～100 cm 土壤水分高于不覆膜，而100～200 cm 土壤水分低于不覆膜，說明覆膜具有提墑作用，同時也說明了覆膜的深層耗水特性。覆膜能改變土壤中氮、磷、鉀、有機質含量及其在土層中的分布特征，主要原因是覆膜改變了土壤的水熱狀況、微生物數量和活性、土壤的理化性質和植物生長狀況，從而影響養分的循環[22-23]。在辣椒種植中，覆蓋斥水土區域的辣椒在株高、莖粗兩個方面與天然土壤區域的辣椒相差不大，這與前人對覆膜的觀點一致。當前，對鋪蓋斥水土做保水措施的研究較少，大多數觀點認為斥水土的導水率和入滲率較低，不利于作物的生長[24]。斥水土的表層易積水，容易發生地表徑流，徑流增加將會加速土壤侵蝕的過程，引起土壤質量退化[18]。水流在土壤中常常形成指狀優先流，導致養分流失，加快了農業化學物的淋洗，增加了地下水污染的風險[25]。在該試驗中，鋪蓋斥水土區域的辣椒產量和覆膜區域的辣椒產量差距較小，利用斥水土做保墑保水措施有待進一步完善，為以后在農業方面合理利用斥水土提供了思路。

4 結論

（1）可以使用多種（直接或者間接的）方法實現在斥水土區域觀測蒸發量的變化，如測量蒸發量、土壤含水率的變化等。當區域面積過大，測量蒸發量不方便時，或者含水率測量準確性較低時，利用土壤的電阻率變化表征斥水土抑制土壤水分蒸發是較好的選擇。

（2）在辣椒的生長過程中，鋪蓋斥水土區域的辣椒產量與覆膜區域的產量相當，比天然土壤種植的辣椒產量大很多，需水量比覆膜少，給干旱水資源缺乏地區種植農作物提供了新思路。

（3）除了含水率外，影響土壤電阻率的因素還有土壤飽和度、孔隙率、土壤結構及土壤溫濕度等，這些因素相互作用、相互影響。在今后的研究中，需要考慮斥水土對這些因素的影響，這些影響決定了斥水土能否替代覆膜、壓砂、秸稈覆蓋等常見農作物保水措施。