沼液施用对设施土壤饱和导水率的影响

郑 健，殷李高，冯正江，李欣怡，马 彪

(1.兰州理工大学西部能源与环境研究中心，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，甘肃 兰州 730050；3.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

土壤饱和导水率是指土壤全部孔隙都充满水情况下，在单位水势梯度作用下，通过垂直于水流方向的单位面积土壤的水流通量或渗流速度[1]。土壤饱和导水率是计算土壤剖面中水的通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要土壤参数[2,3]。目前，国内外对于土壤饱和导水率的研究多集中在测定方法和模型预测方面，对于影响土壤饱和导水率因素的研究主要集中在土壤有机质含量[4,5]、土壤孔隙度[6]、土壤容重[7-9]、土壤温度[10]、土壤初始含水率[11]、土壤pH值[12]、保水剂添加[13]、测定时间[14]、空间变异[15-17]及水质[18]等方面。但上述研究均未考虑作物种植的条件下混合灌溉介质对土壤饱和导水率的影响，尤其是在作物全生育期采用沼液灌溉条件下作物根系不同土层深度土壤饱和导水率的研究更少。

沼液是人畜粪便、秸秆等有机物经过厌氧发酵后产生的残留物，是一种养分全面、速缓肥效兼备的优质有机肥料，沼液施用后能够提高作物的产量品质，改善作物根区土壤环境[19,20]，使得其在农业生产中的应用越来越广泛[21-24]。但目前对于沼液灌溉所采用的方式普遍较为粗放，且多为水、沼分离灌溉，从灌溉技术和灌溉制度上缺乏科学的理论指导，而土壤饱和导水率是制定合理灌溉制度的重要参数之一。同时，本课题组在沼液入渗研究中发现随土壤容重和沼液配比增加，沼液入渗速率减小，累积入渗量也随之降低，并初步明确了影响沼液入渗的主要因素为土壤理化特征和沼液黏度以及沼液所含有的有机悬浮颗粒含量[25]。但对于作物施用沼液后根区土壤饱和导水率的变化情况还未见到相关研究。

基于此，采用变水头渗透试验的方法，研究全生育期沼液灌溉对番茄根区不同土层深度土壤饱和导水率的影响，并从土壤pH值、土壤容重、土壤总孔隙度、土壤机械组成、土壤初始含水率和土壤有机质含量等因素的变化规律分析沼液灌溉对土壤饱和导水率的影响机理，为获得合理的沼液配比、制定合理的沼液灌溉制度及灌溉模式提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年8-9月份在兰州理工大学水利水电工程研究所实验室内(36°06′N，103°78′E)进行。实验室位于一层，层高6 m、空间较大，且安装有空调，在试验周期内能够保持温度变化±2 ℃，故可不考虑温度对土壤饱和导水率的影响。

1.2 研究方法

1.2.1 供试土壤

供试土样取样地位于甘肃省兰州市七里河区魏岭乡绿化村的设施蔬菜水肥一体化示范点的温室大棚。待种植作物试验结束，选取不同处理番茄植株根系不同土层深度(0～40 cm)的原状土，用两种不同规格的环刀(一种为内径61.8 mm、高40 mm；一种为内径50 mm、高51 mm)分别在同一土层剖面取三个土样备用(用于重复试验处理)。具体作物试验期间的沼液施用情况见表1。

表1 沼液不同配比及不同灌溉量Tab.1 Different proportions of biogas slurry and different irrigation amount

注：W=Kc×A×Ep；Kc为作物-皿系数；A为小区面积，本试验中为30 cm×50 cm，Ep为蒸发皿蒸发量。

1.2.2 供试沼液

试验用的沼液取自兰州市花庄镇的甘肃荷斯坦良种奶牛繁育中心正常发酵、正常产气的沼气池中，经曝气静置2个月，待其理化性质稳定后施用，该沼气工程以牛粪为发酵原料。沼液原液pH值为7.23，养分状况为有机质10.75 g/L，全氮含量为1.036 g/L，全磷含量为0.533 g/L，全钾含量为1.186 g/L，试验前将沼液静置2个月，待其理化性质稳定后，用4层纱布(32目)过滤掉沼液中较大的悬浮颗粒备用。

1.2.3 试验设计

试验采用变水头渗透试验的方法，用纯水测定在试验大棚所取的不同处理的土样的土壤饱和导水率。具体试验组别分类与大棚试验沼液施用分类一致，试验设置了T1到T5以及C0和CK对照等7个大组试验，每组试验重复三次，取平均值作为试验结果。T1到T5处理均为沼液施用过后的番茄根区土样，不同沼液配比(沼液∶水，1∶4、1∶6和1∶8，体积比)和灌溉量(0.6Ep、0.8Ep和1.0Ep，Ep为两次灌水间隔蒸发皿累计蒸发量)；C0处理为灌溉量0.8Ep的纯水施用后的番茄根区土样；CK处理为试验大棚内未经过任何耕作处理的土样作为对照分析处理。

1.3 测定项目与方法

规格为内径61.8 mm、高40 mm的环刀取样采用变水头法用纯水测定土壤饱和导水率(结果换算成10 ℃下的土壤饱和导水率)[26]；规格为内径50 mm、高51 mm的环刀取样用来测土壤干容重、初始含水率、有机质、土壤机械组成、孔隙度、pH值等。其中，土壤容重用环刀法测定[27]；土壤初始含水率测定采用烘干法测定(105 ℃，8 h)[28]；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法[29]；土壤机械组成采用比重计法(0～60 cm甲种比重计)测定[30]；土壤pH值采用pH计电位法测定(PHS-25型便携式pH计，上海雷磁)。

1.4 数据处理

采用SPSS20.0软件对土壤饱和导水率与土壤物理因子的关系进行多元逐步回归分析，试验图表绘制均采用Origin9.0、Excel2017软件绘制。

2 结果与分析

2.1 沼液施用对土壤pH值的影响

由表2可知：①沼液灌溉条件下各土层pH值均小于C0和CK处理，且随着土层深度的增加各处理土壤pH值均有降低的趋势，其降低幅度为1.25%～3.75%(P<0.05)；②不同沼液配比和灌溉量的沼液灌施以后土壤pH值在各土层降低的变化规律呈T3>T2>T4>T5>T1，即相同灌溉量下，随着沼液配比增大，对土壤pH值的降低作用也越逐渐增强，而在相同沼液配比条件下，随着灌溉量的增加土壤pH值也逐渐下降；③纯水处理表层土壤(0-20 cm)的pH值略有下降。说明灌施沼液有利于土壤pH值的降低，可为温室土壤的次生盐渍化防治提供新思路。

表2 不同土层深度pH值Tab.2 pH value of different depth of soil layer

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的显著性差异(Duncan检验)。

2.2 土壤有机质与土壤饱和导水率的关系

从表3中可以看出土壤有机质与沼液配比及沼液灌溉量呈正相关关系，即土壤有机质含量随沼液配比以及沼液灌溉量的增加而增大；CK和C0处理的土壤有机质含量随土层深度增加而出现下降趋势；沼液处理后的土壤有机质含量随土层深度增加呈抛物线趋势，在10～20 cm出现峰值，当土层深度大于20 cm，土壤有机质含量出现下降趋势。

为进一步探明土壤有机质含量和土壤饱和导水率之间的关系，对其进行了数据拟合，如图1所示。结果表明，在0～40 cm土层内，各处理的土壤有机质含量和土壤饱和导水率的关系呈二次曲线关系(R2=0.821 0，p<0.01)，阈值出现在土壤有机质含量为18.51 g/kg时，饱和导水率达到最高值0.073 6 cm/min；当有机质含量小于18.51 g/kg时，土壤饱和导水率随土壤有机质含量增加而增大，当有机质含量大于18.51 g/kg时，土壤饱和导水率呈下降趋势。

表3 不同土层深度的土壤有机质含量 g/kg

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的显著性差异(Duncan检验)。

图1 有机质与土壤饱和导水率的关系Fig.1 Relation between organic matter and saturated water conductivity of soil

2.3 不同处理对土壤物理指标的影响

2.3.1 土壤容重

从表4中可以看出，随土层深度增加土壤容重呈上升的趋势，相对C0和CK处理，各施用沼液处理土壤容重均有所降低，降低程度呈T3>T2>T4>T1>T5，降低幅度在2.13%～8.97%之间(P<0.05)，表明沼液配比越大、灌溉量越大，降低容重的幅度越大；C0处理的土壤容重较CK有所增大，增幅在2.07%～2.90%之间(P<0.05)。表明施用沼液可以适度降低土壤容重，而纯水灌溉会增加土壤容重，这与王建东[31]等的研究结果相同。

表4 不同土层深度容重值 g/cm3

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的显著性差异(Duncan检验)。

2.3.2 土壤颗粒机械组成

从表5中可以看出，砂粒含量随土层深度增加呈上升的趋势，粉粒含量随土层深度呈现先降低后增加的趋势，而黏粒的含量随土层深度呈现先增加后降低的趋势，阈值均出现在土层深度10～20 cm；由表5中T1、T2和T3处理可知，在相同沼液配比的条件下，粉粒和黏粒含量与沼液灌溉量呈正相关关系，粉粒和黏粒含量随沼液灌溉量的增加而增加，而砂粒含量和灌溉量呈负相关关系，砂粒含量随沼液灌溉量的增大而减小；由表5中T2、T4和T5处理可知，在相同沼液灌溉量的条件下，黏粒含量与沼液配比呈正相关，黏粒含量随沼液配比量的增加而增加，而砂粒含量与沼液配比负相关关系，砂粒含量随沼液配比量的增大而减小；与CK相比，在施用纯水以后，黏粒含量和粉粒含量呈上升趋势，砂粒呈下降趋势。

2.3.3 土壤总孔隙度

从表6中可以看出，①土壤总孔隙度与土层深度呈负相关，即随着土层深度增加总孔隙度呈下降趋势；②由T1、T2和T3处理可知，相同沼液配比的条件下，不同土层深度土壤总孔隙度与沼液灌溉量呈正相关关系，不同土层深度土壤总孔隙度随沼液灌溉量的增大而增加；由T2、T4和T5处理可知，相同沼液灌溉量的条件下，不同土层深度土壤总孔隙度与沼液配比呈正相关关系，不同土层深度土壤总孔隙度随沼液配比量的增大而增加；③与CK相比，C0处理各层土壤总孔隙度均有所下降，说明灌纯水会导致不同土层深度土壤总孔隙度下降。

表5 不同土层深度的土壤颗粒机械组成 %

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的显著性差异(Duncan检验)。

表6 不同土层深度土壤总孔隙度 %

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的显著性差异(Duncan检验)。

2.3.4 土壤含水率

从表7中可以看出，不同土层深度的土壤含水率与施用沼液配比无关，与沼液灌溉量呈正相关关系，沼液灌溉量越大，土壤含水率越高；与CK相比，CK组土壤初始含水率随土层深度呈现自上到下的增加趋势，而施用沼液和纯水的各处理，土壤含水率随土层深度呈现出先增大后减小的抛物线趋势，主要表现为：在0～20 cm之间先逐渐增加，阈值出现在10～20 cm，过了阈值以后出现下降趋势，在20～40 cm之间逐渐减少。

表7 不同土层深度的土壤含水率 %

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的显著性差异(Duncan检验)。

2.4 土壤剖面饱和导水率变化特征

由图2所示，在垂直剖面上，土壤剖面的饱和导水率均随土壤深度的增加而下降；相对于CK沼液灌溉以后的土壤饱和导水率均呈上升趋势，而纯水灌溉后的土壤饱和导水率较CK处理略有下降；T3处理平均饱和导水率最大，C0处理最小，各沼液处理的平均土壤饱和导水率与沼液配比以及灌溉量呈正相关关系，即随沼液配比和沼液灌溉量的增大，平均土壤饱和导水率增大。

图2 不同处理的沼液灌溉下土壤剖面饱和导水率的比较Fig.2 Comparison of saturated hydraulic conductivity of soil profiles under different treatments of biogas slurry irrigation

2.5 土壤因子对土壤饱和导水率的影响

土壤因子之间存在着交互作用，单一的土壤因子对土壤饱和导水率的影响只能表明其在其他土壤因子不变化的情况下的变化规律，并不能准确的反映实际情况下土壤饱和导水率与土壤因子之间的真实关系[32]。Hendry等[33]的研究表明土壤饱和导水率与土壤容重、土壤质地和孔隙度关系密切。砂、粉、黏粒含量变量总和为1，其中只有两个变量是独立的，故本文回归分析选用影响土壤饱和导水率较大的砂粒和黏粒因子；土壤含水率虽对土壤饱和导水率会有影响，但受季节和气象条件变化较大，故本文回归分析不选用；总孔隙度可根据土壤容重和比重进行计算，因此容重和总孔隙度这两个变量是不独立的，分析时只取其一，故本文回归分析不选用总孔隙度。由表8可见，除黏粒与土壤饱和导水率相关性不显著外(p=0.244)。其他土壤因子与土壤饱和导水率均呈显著相关(p<0.01)，其相关系数的大小顺序为土壤容重>砂粒含量>土壤有机质>土壤pH值>黏粒含量。为了充分反映土壤因子与土壤饱和导水率之间的真正关系，选择以下砂粒含量X1，黏粒含量X2，土壤容重X3，土壤有机质X4和土壤pH值X55个因素作为自变量因子，选取饱和导水率作为因变量Y，采用多元逐步回归分析，筛选出影响土壤饱和导水率的相对重要因子，结果为：

Y=0.742-0.952X3+0.01X4-0.176X2

通过检验，F=7.634>(F0.01=3.13)，R2=0.961，P<0.001，说明回归方程达到极显著水平，结果说明土壤容重、黏粒含量和土壤有机质是影响土壤饱和导水率的主要因子。

表8 土壤理化因子与土壤饱和导水率之间的相关分析Tab.8 Correlation analysis between soil physicochemical factors and saturated hydraulic conductivity of soil

注：*表示在P=0.01水平上相关性显著。

表9说明了主要土壤因子对土壤饱和导水率的直接作用和间接作用的方向及大小(Durbin-Waston统计量等于1.84，接近于2)。土壤饱和导水率与其主要相关因子的直接通径系数绝对值为土壤容重>土壤有机质含量>黏粒含量。土壤容重的直接通径系数为-0.800，对土壤饱和导水率产生直接的负效应最强，同时又通过黏粒含量和土壤有机质含量间接对土壤饱和导水率产生一定的负效应；土壤有机质含量对土壤饱和导水率产生的直接正效应最强，直接通径系数为0.313，同时又通过土壤容重和黏粒含量间接对土壤饱和导水率一定的正效应。

表9 土壤主要因子对土壤饱和导水率的通径系数Tab.9 Path coefficient of soil main factors on saturated hydraulic conductivity of soil

3 讨 论

土壤pH值能够客观反映土壤酸碱程度。设施栽培中土壤盐分积累是最突出的问题，也是最大的土壤障碍因子[34]。土壤饱和导水率高，导水性能好，土壤盐化和碱化程度均会降低[35]，同时，农明英[36]等的研究表明采用外源有机物料能够有效降低土壤全盐含量和电导率，对改良温室大棚土壤的次生盐渍化有显著作用。本研究中灌施沼液各处理均能够降低试验区内不同土层深度土壤的pH值，也再次证明了上述结论。同时，研究中还发现随着沼液配比和灌溉量的增加，降低土壤pH值的能力会逐渐增强，而纯水灌溉仅略微降低了土壤pH值，主要是沼液中富含多糖和腐殖酸这些弱酸性功能团不仅能降低碱性土壤的pH值，还能提高土壤对酸碱度变化的缓冲性能[37]，且随沼液配比和灌溉量增加，多糖和腐殖酸的量增大，中和土壤pH的能力越强，而纯水灌溉是将测定土壤中的盐分带到土体的深层，从而导致表层土壤pH值的下降。因此，在温室大棚次生盐渍化土壤的改良中可以考虑采用沼液。

土壤容重、机械组成、总孔隙度和土壤含水率等物理性质的变化会影响土壤饱和导水率。赵晓艳等[38]研究表明有机肥中里含有大量的微生物，而微生物能够分解土壤中的有机物产生多糖胶、脂肪、蜡等物质能起到胶结作用，达到改善土壤团粒结构，从而降低土壤容重，提高总孔隙度。本研究的试验结果表明沼液作为一种优质的有机肥，施用也能降低试验区土壤容重，增大试验区土壤总孔隙度，这与杨乐[39]和侯东梅[40]等的研究相同；此外沼液施用会使作物根系越来越发达，根系对土壤的穿插分割作用使土体碎裂，能降低土壤紧实度，根系死亡后分解会使土壤孔隙增加[41]，并且随着作物的生长形成的凋落物和根系死亡后形成的有机质进入土壤有利于降低土壤容重；同时随着作物的生长会使土壤微生物类群数量增加[42]，分解代谢活动加强，利于降低土壤容重和提高孔隙度。土壤饱和导水率与土壤砂粒含量呈极显著正相关关系，与土壤黏粒含量之间呈显著负相关[43]。研究结果表明随着土层深度的增加，砂粒含量逐渐增加，此外不同土层砂粒含量随沼液灌溉量的增加而降低，粉粒和黏粒含量随沼液配比量的增加而增加，这是因为随着沼液灌溉量的增加会使作物根系微生物活动和酶促反应变得活跃，从而产生较多的有机酸，溶解土壤中的黏土矿物，使土壤颗粒变细，利于提高粉粒和黏粒含量，减低砂粒含量[32]，此外因为沼液灌溉淋溶作用沿剖面向下层移动，在20 cm土层形成淀积层，故黏粒含量阈值出现在0～20 cm土层。贾小旭等[44]的研究表明单因素中基于土壤饱和导水率的土壤含水率模拟效果最佳，可以通过土壤含水率的变化反映土壤饱和导水率的变化情况。本研究中不同土层深度的土壤含水率大小与施用沼液配比大小无关，而与沼液灌溉量呈正相关，且土壤含水率与土壤饱和导水率呈正相关，表明通过沼液灌溉量的变化能够影响不同土层深度的土壤土壤饱和导水率。

有机质能吸附较多的阳离子，使土壤具有较高的保肥性和缓冲性，同时还能疏松土壤，有利于土壤结构体的形成[19]，故与单纯灌水相比，灌施沼液不仅能够大幅度增加土壤有机质含量，还能改善土壤物理性能，从而影响土壤饱和导水率。同时，有机质对土壤饱和导水率的影响受阈值影响，高于阈值时，土壤饱和导率呈下降趋势，土壤有机质含量和土壤饱和导水率的关系呈二次曲线关系，出现了有机质含量阈值，这与单秀枝、彭舜磊和梁向峰等人的研究结果一致[4,32,45]。说明土壤有机质在一定范围内提高了土壤饱和导水率，但是当土壤有机质含量达到一定值以后，土壤有机质含量对土壤水分的吸附作用将大于增加孔隙度的导水作用，从而降低土壤的入渗性能[4]。

4 结 论

(1)随着土层深度的增加各沼液灌溉处理土壤pH值均有所降低，随着沼液配比增大和灌溉量的增加，对土壤pH值的降低作用逐渐增强。

(2)施用沼液可以降低土壤容重，增大土壤总孔隙度；不同土层砂粒含量随沼液灌溉量的增加而降低，粉粒和黏粒含量随沼液配比量的增加逐渐增大，说明合理的沼液灌溉量和配比能够通过改善土壤机械组成来提高土壤饱和导水率；土壤容重和黏粒含量以及土壤有机质含量是影响试验区土壤饱和导水率的主要因子。

(3)不同土层深度的土壤含水率与施用沼液配比大小无关，与沼液灌溉量呈正相关关系；沼液灌溉以后的土壤饱和导水率均有上升趋势，而C0处理土壤饱和导水率较CK略有下降；各处理的平均土壤饱和导水率与沼液配比和灌溉量呈正相关关系，T3处理平均土壤饱和导水率最高。

(4)土壤有机质与沼液配比及沼液灌溉量呈正相关关系，各沼液处理的土壤有机质和饱和导水率的关系符合二次曲线，有机质对土壤饱和导水率提高的阈值为18.51 g/kg，高于阈值时，饱和导水率呈下降趋势。

综合考虑沼液对土壤物理性质和土壤饱和导水率的影响，建议最优沼液配比和灌溉量为T2处理(1∶4，0.8Ep)，但是其长期施用效果还有待于进一步验证。此外，由于根系具有一定的直径、长度和表面积等特性，根系生长过程必然会对其所在土体的土壤孔隙以及试验取土造成影响，后续研究还应更多的分析根系对土壤物理特性的影响。