改良剂对盐化潮土饱和导水率的影响

刘 璐, 张晴雯, 潘英华, 骆伟蓉, 杨永秦

(1.鲁东大学 资源与环境工程学院, 山东 烟台 264000; 2.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所, 北京 100086)

土壤导水性能是影响土壤水分入渗、淋溶等过程的重要性质，其受降雨、植被、人类活动等外在因素及土壤母质、矿物组成、质地等内在因素的影响。饱和导水率是反映饱和土壤导水性能和渗透能力的重要参数，直接影响地表径流发生程度、盐分淋洗状况。因此，对其进行人为调控，将对土壤水分入渗、径流发生、盐分淋溶等过程产生重要影响。土壤中施加改良剂可以调节土壤物理结构，进而可能影响土壤导水性能。不同的土壤改良剂，因其物质组成及作用机理不同，对土壤导水性能的作用效果差异较大。贾利梅等[1]在田间0—20 cm表层土壤中施用硅藻泥和泥沙，硅藻泥处理(1.5 t/hm2，3 t/hm2，4.5 t/hm2)，土壤饱和导水率分别降低1.18%，15.88%，22.65%；泥沙处理(20 t/hm2，40 t/hm2)的土壤饱和导水率增加17.94%，60.29%，泥沙可以提高黏质盐土的饱和导水率，而硅藻泥则会降低黏质盐土的饱和导水率。杨永辉等以黄土高原土为研究对象，研究表明PAM用量为54.5 mg/kg，112.9 mg/kg，169.4 mg/kg时，土壤饱和导水率随PAM用量的增加而增大[2]。姜井军等研究表明，在盐碱土中施加生物炭能有效降低土壤碱化度和水溶性盐总量，提高土壤的持水能力、有机碳含量及微生物活性，从而有效改良盐土[3]。梁嘉平等通过室内一维垂直入渗试验得出，随着混合施用石膏量增加(0，1.8%，3.6%，5.4%，7.2%)，土壤饱和导水率逐渐减小，且分别减小18.42%，36.84%，59.21%和75.00%[4]。

盐碱地是各种盐土和碱土以及不同程度盐化和碱化土壤的总称[5]。其特点是盐碱成分含量高，土壤物理性状较差，土壤微生物代谢缓慢，有机质含量少，土壤肥力低下。过多的盐分积累，一方面导致气孔导度降低，作物的光合作用减弱；另一方面迫使作物吸收过多的盐基离子，如钠离子、氯离子等，造成离子毒害，导致叶片过早脱落[6]，还会导致严重的营养元素失衡，致使作物不能正常吸收其他的营养元素[7]。目前我国盐化潮土总面积约3 600万hm2，占全国可利用土地面积的4.88%[8-10]。在耕地资源约束趋紧的今天，盐碱地作为后备耕地资源，其可持续利用已受到国内外学者的高度关注。

聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，简称PAM)因其具有成本低、效果好、施用方便以及无毒无污染[11]等优势而成为重要的土壤改良材料。竹炭型土壤调理剂(Bamboo charcoal organic compound fertilizer，BC)以竹炭、竹灰和酢液等为主要原料，具有丰富的孔隙结构、极高的比表面积和良好的吸附特性[12]，可有效改善土壤的持水能力。菌型有机复合肥(Bacteria organic compound fertilizer，BO)是一种生物菌剂，通过微生物的生命活动促使作物得到特定肥料效应，是常用肥料中的一种[13]。土壤导水性能与土壤盐分的聚集与淋洗联系紧密，因而施加土壤改良剂所引起的土壤导水性能变化是亟待关注的科学问题。

因此，本文选用PAM，BC和BO为土壤改良剂，利用室内土柱试验，探究改良剂对盐化潮土导水性能的影响，以期试验结果对于正确认识改良剂对农田水盐运移过程的影响，以及在开发利用盐渍化土地资源中，合理使用土壤改良剂起到一定的指导和借鉴作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土样采自山东省滨州市滨城区农田0—30 cm土层。土样避光条件下自然风干，去除杂质，过2 mm筛。利用吸管法测定土壤机械组成，土壤砂粒、粉粒、黏粒质量分数分别为63.25%，28.32%，8.43%，质地为砂质黏壤土(国际制)，土壤类型为盐化潮土。试验所用聚丙烯酰胺(PAM)分子量为800万，阴离子型；竹炭型土壤调理剂(BC)由上海时科生物科技有限公司生产；菌型有机复合肥(BO)由北京恒源嘉达科技有限公司生产。土壤及改良剂的盐分状况见表1。

表1 试验土壤与改良剂的盐分含量状况

1.2 试验方法

土柱试验中，将PAM与盐化潮土按照质量比为0.2 g/kg，0.4 g/kg，0.6 g/kg，0.8 g/kg和1 g/kg混合均匀，分别记作PAM0.2，PAM0.4，PAM0.6，PAM0.8，PAM1；将BC与BO按照质量比4 g/kg，8 g/kg，12 g/kg，16 g/kg，20 g/kg混合均匀，分别记作BC4，BC8，BC12，BC16，BC20以及BO4，BO8，BO12，BO16，BO20；以不添加任何物质的盐化潮土为对照，记作CK。试验共设计16个处理，每个处理3次重复。

采用定水头渗透法测定饱和导水率(图1)。试验所用土柱高10 cm，由内径为6.2 cm，高2 cm的有机玻璃圆环嵌套组装而成。土柱顶部和底部各装一层石英砂，石英砂与土样之间用滤纸隔开。风干土与改良剂混合物按2 cm一层装入，控制装土容重为1.35 g/cm3，制成长8 cm的均质土柱。用马氏瓶从土柱表面供水，接样装置固定在土柱支撑架上。接样装置主要由塑料漏斗与土柱架子组合形成，为保证出流顺畅，将漏斗边缘扎一小孔，保证内外气压平衡，不影响渗出液流动。试验装置示意图如图1所示。

试验开始后，用计时器计时，记录接样漏斗中第一滴水滴下的时间和马氏瓶读数，而后每隔1 h，记录马氏瓶读数，换接样瓶并称重以记录出流液量。出流量达到稳定时停止接样，试验结束。

1.3 数据处理与分析

对于饱和土壤样品，若以固定水头给其供水，则当水流稳定后，根据达西定律，水流通量的大小与土壤饱和导水率K呈正比。根据达西定律方程计算土壤饱和导水率，即：

式中：Ks为土壤饱和导水率(cm/min)；Q为出流量

(cm3)；ΔH为水头高度(cm)；L为样品长度(cm)；A为土柱横截面积(cm2)；t为时间(min)。

图1 试验装置示意图

本文中的数据均采用Excel 2013和SPSS 20.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 改良剂对土壤饱和导水率的影响

图2是土表施加PAM，BO和BC情况下的土壤饱和导水率。由于PAM施用量无法与BO、BC相同，因此，取其任一用量(1 g/kg，PAM1)作为处理进行比较分析，从后续的分析结果也可以看到，PAM其他用量处理的饱和导水率也较对照低。表2列出了CK与不同处理土壤饱和导水率的相对增加值。

图2 改良剂对土壤饱和导水率的影响

结合图2和表2可知，BO，BC和CK的土壤饱和导水率无显著差异，但与PAM处理的饱和导水率差异较显著(p<0.05)。PAM1，BO20，BC20的饱和导水率分别为0.013 cm/min，0.029 cm/min，0.041 cm/min，较CK(0.031 cm/min)增加-59.0%，-6.8%，32.3%。这是由于PAM与土壤混合后，经过水分长时间浸泡后膨胀，水的黏滞性增加，水分在土壤孔隙中流动时的摩擦力增大，影响土壤入渗，从而导致水分的渗流速率下降[14]。PAM用量越大，这种黏滞作用越强[15]，从而引起水分入渗阻力增大，降低土壤饱和导水率[16]。韩凤朋等[17]通过表面施撒的方式研究了PAM对土壤物理结构及水分分布的影响，表层施用PAM超过2 g/m2时，土壤体积质量开始增加，饱和导水率降低；杨明金等[18]的研究表明，磷石膏用量一定的情况，饱和导水率随PAM施用量增加而减小。由图2B可知，PAM各用量处理与CK之间存在显著差异(p<0.05)，但PAM各用量处理之间无显著差异(p>0.05)。施用PAM之后，盐化潮土的饱和导水率与CK相比明显降低，且PAM施用量越多，土壤的饱和导水率越小。由此可见，可以考虑将PAM应用于防止农田水分深层渗漏，砂质土壤水土保持等领域。

由图2A可知，BC各用量处理之间与CK的土壤饱和导水率无显著差异；由表2可知，BC各处理土壤饱和导水率的相对增加值均为正，说明BC各处理均能改善土壤导水性能，提高土壤饱和导水率。这可能是由于BC的加入使土壤具有良好的结构和渗透性能，进而对土壤导水性能提高起到一定的促进作用。王红兰等[19]在紫色土中的研究表明，生物质炭可以增强土壤的持水能力，并使表层和亚表层土壤的饱和导水率分别平均增加45%和35%。陈心想等[20]指出生物质炭可以吸附和保持水分，并能增强土壤水分的渗透性。因此，含有部分竹炭的BC亦能够增大土壤饱和导水率。在生产实践中，可以考虑将竹炭型土壤调理剂施用于黏粒含量高的土壤中，改善土壤的导水性能，增加水分入渗量，提高水分利用率。

表2 不同处理土壤饱和导水率相对增加值

结合图2和表2可知，BO对土壤饱和导水率影响较小，各处理间无显著差异。BO4的土壤饱和导水率为0.0276 cm/min，较CK减小9%；BO8的土壤饱和导水率为0.0232 cm/min，较CK减小23.5%，推测是与BO中的钠离子有关，有研究表明，钠离子对土壤团聚体的稳定性具有不良影响，钠离子导致黏粒分散，阻塞土壤孔隙[21]。从表1可见，BO钠离子含量高达59.7 g/kg，钠离子对土壤颗粒的分散作用可能是导致土壤饱和导水率降低的主要原因。BO8处理土壤钠离子含量要比BO4处理高，BO各处理中，BO8土壤饱和导水率最小。钠离子对土壤黏粒溶液稳定性的影响存在一个阈值[22]，对于BO12，BO16，BO20而言，可能是由于BO中的钠离子含量过多，分散黏粒的能力减小，因此对土壤饱和导水率影响较小。

2.2 改良剂作用下的土壤渗透时间

渗透时间(土柱底部有水渗出的时间)是可以间接衡量土壤导水性能的又一指标，表3为各改良剂及其不同用量情况下的渗透时间。与CK相比，BC和BO各处理所需的渗透时间均较短，渗透较快。通过对改良剂施用量与土壤渗透时间的相关分析，PAM各用量处理的相关系数为0.979(p<0.05)，土壤渗透时间与PAM施用量之间显著相关，且PAM各用量处理的渗透时间均大于CK(47 min)，PAM用量越多，所需的渗透时间越长，PAM1的渗透时间为87 min。这是由于施用PAM后，PAM在水中溶解，一方面使土壤颗粒黏聚在一起，另一方面土壤水粘滞性增强，所需要的渗透时间增加。BO和BC各用量处理，改良剂施用量与土壤渗透时间之间的相关系数分别为0.652，0.703(p<0.05)，相关性较显著。研究表明，竹炭型土壤调理剂的施用超过一定量时，造成短期内土壤结构过于疏松[19]，所需渗透时间大大缩短，BC20处理渗透时间仅有31 min。随BO用量的增多，钠离子对土壤粘粒的分散作用减小，对土壤通气透水能力的影响小，渗透时间缩短，BO20处理渗透时间最短，为31 min。

表3 各处理所需的渗透时间

2.3 改良剂作用下的土壤出流量

通过对比BC20，BO20及PAM1处理之间7 h内土壤的累计出流量，并与CK相比较，判断各处理的土壤导水性能，结果见表4。7 h之后BO20，BC20累计出流量为145.6 cm3，172.04 cm3，分别比CK(132.67 cm3)提高了9.7%，29.7%；而PAM1累计出流量为64.94 cm3，较CK累计出流量减少51.1%。通过单因素方差分析可知，CK，BO与BC之间土壤累计出流量差异性不显著，前4 h内CK与PAM之间有显著的差异性(p<0.05)。BC通过改善土壤颗粒结构，进而改善土壤导水性能，BC主要为蜂窝状和管状孔隙结构，此结构是其吸附养分和水分的物理基础[19]；BO富含有机质，可以改良盐化潮土的物理结构。随着入渗历时的延长，PAM与土壤结合的更加充分，且用量越大粘结性越好，土壤有效孔隙减少，出流量总体较少。这与杨明金的试验结果一致，施用PAM能够减小土壤的饱和导水率，增强土壤水稳性[12]。

图3是各处理7 h内累计出流量的变化情况。由图3A可知，与CK相比，BO4和BO8两个处理累计出流量较少，这与饱和导水率的变化相一致，BO8的饱和导水率最小，累计出流量最少，7 h的累计出流量仅有121.60 cm3。BO12，BO16以及BO20处理7 h的累计出流量分别为141.98 cm3，143.96 cm3，145.60 cm3，相差不大，结合表2可知，BO用量超过8 g/kg时，土壤导水性能相对稳定，变化较小。

表4 累计出流量大小

图3B是BC各用量处理土壤累计出流量的变化，BC8较CK土壤饱和导水率仅增加1.3%(表2)，BC8与CK土壤累计出流量曲线较吻合，与饱和导水率的变化一致。BC4，BC12和BC203个处理累计出流量曲线吻合度较高；4 h之后，BC20出流量迅速增加，推测是因为BC产生输水效应，累计出流量增加。

由图3C可知，施用PAM之后，单位时间内的平均出流量减小50%左右，其中PAM0.2的平均出流量最小，仅有9.5 cm3。施用少量PAM能够改善土壤结构，使土壤中分散的大颗粒黏结，促进土壤团聚体生成，土壤孔隙增加，降低土壤水分入渗速率，使水分入渗更均匀，较多的水分保留在土壤中，这对于促进根系吸水、改善砂土保水特性等方面具有重要意义[23]。其余各用量PAM0.4，PAM0.6，PAM0.8，PAM1平均出流量分别为10.3 cm3，10.3 cm3，10 cm3，10.1 cm3，根据Gungor和Karaoglan[24]研究，当PAM施用量过大时，土壤中可交换Na+的存在会减小PAM水溶液的黏滞性，从而使土壤水分的入渗速率增加。

图3 各处理累计出流量大小

3 结 论

(1) 盐化潮土饱和导水率随着BC用量增加而增大，BC用量为20 g/kg时盐化潮土饱和导水率为0.041 cm/min，较CK增加32.3%；盐化潮土的饱和导水率随PAM用量的增加而减小，PAM施用量为1 g/kg土壤饱和导水率为0.0127 cm/min，较CK降低59.0%；本文中选取6个BO用量(0 g/kg，4 g/kg，8 g/kg，12 g/kg，16 g/kg，20 g/kg)，对土壤饱和导水率的影响效果较小，各用量之间无显著差异。

(2) 与CK相比，BC和BO各处理渗透较快，所需的渗透时间均较短；BC20和BO20的渗透时间分别为35 min和31 min。PAM各处理渗透较慢，所需的渗透时间较长，PAM1的渗透时间为87 min。

(3) 7 h之后BO20，BC20累计出流量分别为145.6 cm3，172.04 cm3，均较CK(132.67 cm3)提高了9.7%，29.7%；而PAM1累计出流量为64.94 cm3，较CK累计出流量减少51.1%。

(4) 本文中所用3种改良剂按一定比例混合施用情况下对盐化潮土饱和导水率的作用效果需要进一步探究。