有机复合肥对土壤水分入渗特性的影响

兰简琪 谢世友

摘要： 为研究有机复合肥对土壤水分入渗特性的影响，采用室内一维土柱积水入渗试验，试验设置6个土样处理组，分别为沼泽盐土（对照组）、竹炭混合沼泽盐土、地富原混合沼泽盐土、盐化潮土（对照组）、竹炭混合盐化潮土和地富原混合盐化潮土。在入渗历时120 min后，与沼泽盐土和盐化潮土对照组相比较，竹炭处理组、地富原处理组累积入渗量分别增加-18.78%、-3.93%和25.77%、6.53%，湿润锋位移分别增加-18.93%、1.64%和22.6%、12.5%，湿润锋位移与时间关系符合线性函数;有机复合肥对沼泽盐土和盐化潮土水分初始入渗率的影响较明显，入渗率与时间关系符合幂函数;有机复合肥施用下土壤水分垂直分布表现为土壤表层（5 cm）内含水率变化较小，5～10 cm土层内为缓慢降低区，10 cm土层以下为剧烈下降区;相对于对照处理组，施加有机复合肥有利于提高盐化潮土含水率。有机复合肥能够降低沼泽盐土水分入渗能力，提高盐化潮土的水分入渗能力。竹炭相对于地富原，降低沼泽盐土的水分入渗能力和提高盐化潮土渗水性效果更明显。

关键词： 有机复合肥;湿润锋;累积入渗量;入渗率;土壤含水率

中图分类号： S156  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）05-0280-07

有机复合肥是指将有机肥料和无机肥料按一定比例混合，含有多种有效辅助微生物和高剂能化合物的农业生产用肥料[1]。其中，有机肥料又称“农家肥料”，主要来自植物或动物，经过一段时间的发酵分解或加工后施用于土壤，为植物提供含碳物料，其类型包括人粪尿、厩肥、堆肥、绿肥、饼肥、沼气肥等。无机肥料又称“化学肥料”，不含有机物，由无机物组成，主要包括氮肥、磷肥、钾肥等单质肥料和复合肥料。有机肥料与无机肥料相配合施用，可以取长补短。近年来，有机复合肥作为一种新型化肥和改良剂备受关注。与无机复合肥相比，有机复合肥在提高农作物产量、生活垃圾和生产废弃物再利用、土壤改良、水土保持甚至环境保护方面有明显优势[1]。入渗是地表水渗入土壤的物理过程，也是地下水、地表水与土壤水的联系纽带，是径流形成和水循环过程的重要环节。郭彩华等研究发现，影响土壤水分入渗的主要因素是土壤质地、土壤结构、初始土壤含水率、土壤有机质含量、土壤容重、土壤温度、结皮、密度、钠离子含量和剖面特征等[2-5]。王春霞等研究表明，添加化学改良剂对降低土壤渗透率起到了一定的作用[6]。梁嘉平等研究表明，石膏能有效降低土壤入渗和水分传导性[7]。[JP+1]宋轩等采用盆栽试验方法研究了不同比例的草炭和风化煤在盐碱土中的改良效果和对作物增产的影响[8]。王素君等对滨海盐堿土复合改良剂的初步研究表明，合适比例的有机肥和含钙物料的组合对改善滨海盐碱土有很好的效果[9]。

研究有机复合肥对土壤水分入渗特性的影响，对于改良土壤，特别是改良盐碱土，使作物更好地生长发育、增产增收、保肥保水具有重要意义。本研究采用了垂直一维入渗方法，主要分析研究土壤施加有机复合肥后的水分入渗性能。其中，入渗率、累积入渗量，湿润锋是描述入渗过程的重要特征值，对于特定的入渗条件，获得了上述特征量，用于区域产流产沙估算、农田灌溉、农田排水、地下水补给等效果评估[10]有着重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤样本取自黄河口湿地的东营沼泽盐土和滨州盐化潮土。土壤采样深度分别为0～60、0～30 cm，采样后，除去杂质，避光下自然风干，过 2 mm 筛。用烘干法测得土壤初始含水率分别为 1.34%、1.21%。试验采用的有机复合肥主要有2种，即竹炭有机复合肥和地富原有机复合肥，均为黑色颗粒状，经碾压后，过2 mm筛。竹炭具有疏松多孔的结构，质地坚硬，空隙度高，含有生物成长所需的一部分矿物质，可保持良好的营养平衡，非常适合作为土壤微生物和有机营养成分的载体，是一种良好的土壤改良材料。地富原有机复合肥可以调节植物细胞的生理功能，提高作物吸水、吸肥能力;调节土壤理化性质;改善植物根系环境，促进生长，早熟高产。

1.2 试验方法和观测项目

采用一维土柱积水入渗试验，土柱内径为 6 cm，高32 cm，横截面积为28.27 cm2，为透明有机玻璃质，用控制供水水位，马氏瓶内径为5.4 cm，横截面积22.9 cm2，土面水头高度为1 cm。按照实际农事中有机复合肥施入量比例，设计竹炭和地富原有机复合肥分别与沼泽盐土和盐化潮土以 87.4 g ∶1 000 g 均匀混合施用，混入土柱位置为上面5层，深度为 10 cm。装土时，按土壤容重 1.4 g/cm3 每层称取81.10 g，2 cm/层，搅拌均匀、压实装入有机玻璃土柱，形成土质均匀土柱，上下各垫1层滤纸，防止土粒在水的冲击下分散，影响水分入渗。

在入渗开始时，用秒表计时，分时点记录马氏瓶水位、湿润锋推进距离随时间的变化。在试验开始后的5 min内，每30 s记录1次，通过标记在有机玻璃管外的刻度，记录1次湿润锋的深度，通过标记在马氏瓶外的刻度，记录1次入渗水量的变化高度;在试验开始的第6～10 min，共5 min内，每1 min记录1次;在试验开始的第11～30 min，共20 min内，每2 min记录1次;在试验开始的第31～90 min，共30 min内，每3 min记录1次;在试验开始的第91～120 min，共30 min内，每5 min记录1次。试验设置土样处理6个，分别为沼泽盐土（对照）、竹炭混合沼泽盐土、地富原混合沼泽盐土、盐化潮土（对照）、竹炭混合盐化潮土和地富原混合盐化潮土，入渗完成后，取出每层土样，用烘干法测出每层土样的含水率，每个处理重复3次，最后取3次试验的平均值，试验土柱总共为18个。

2 结果与分析

2.1 有机复合肥对累积入渗量的影响

累积入渗量是在入渗开始后每单位时间通过表面积渗透到土壤中的总水量。累积入渗量是入渗率关于时间的积分，因此该值和入渗曲线密切相关[11]。瞬时入渗量=马氏瓶读数的差值×马氏瓶内横截面积/土柱内横截面积，累积入渗量就是累计时间内瞬时入渗量的和。

由图1可知，对照组（不施加有机复合肥）、施加竹炭和地富原情况下沼泽盐土和盐化潮土累积入渗量随时间的变化过程，可以看出累积入渗量随时间在不断增大， 但不同处理组累积入渗量的值明显不同。

由表2可以看出，沼泽盐土各处理组在前5 min时，处理组累积入渗量相差不大，这可能是由于试验刚开始，有机复合肥的作用发挥较小，且土壤表层接近入渗积水区，对土壤水分的影响占主导地位的是积水，因此各处理组累积入渗量相差不大;随着入渗时间的延长，土壤入渗深度增加，有机复合肥和表层土壤重新组合充分发挥作用，导致不同的累积入渗量。在120 min入渗结束时，与对照相比，竹炭处理组、地富原处理组累积入渗量分别减少 18.78%、3.93%。入渗时间相同时，除5 min外，各处理组累积入渗量的排列大致为对照组>地富原混合施用组>竹炭混合施用组;即在相同入渗历时下，施用竹炭和地富原的处理组累积入渗量小于没有施加有机复合肥的对照组，而除5 min外，施用竹炭的处理组累积入渗量低于地富原处理组。因为试验所用土壤为沼泽盐土，粉沙多，沙粒含量高而黏粒很少，粒间空间大，水分容易渗入，内部排水速度快，但蓄水量小，蒸发和水分流失强，水汽由大孔隙扩散至土表而丢失[12]。试验用土通气透水性好，但保水保肥能力差。施入有机复合肥，能改善土壤结构，使土壤中分散的大颗粒黏结或者溶解成小颗粒，堵塞土壤孔隙，降低土壤导水性，使更多的水分保留在土层中，故对偏沙性的沼泽盐土，能施加有机复合肥提高土壤保水能力。竹炭对于沼泽盐土的减渗作用强于地富原。

根据试验数据，盐化潮土在入渗历时为87 min时，对照组与地富原处理组的累积入渗量相同，都为4.90 cm;而当入渗历时低于90 min时，对照组累积入渗量均高于地富原，当入渗历时90 min之后，对照组累积入渗量低于地富原累积入渗量，这是由于盐化潮土黏性大，在初期，地富原发挥作用较小，当土壤入渗深度增加，地富原与表层土壤重新组合充分发挥作用，导致累积入渗量在90 min后高于对照组。竹炭处理组在相同入渗时间内累积入渗量始终高于对照组和地富原处理组，这是由于竹炭结构疏松多孔，质地坚硬，空隙率高，吸水性能强，能活化盐碱土，提高水分入渗能力。120 min入渗结束时，与对照处理组比较，竹炭处理组、地富原处理组，累积入渗量分别增加为25.77%、6.53%。试验所用盐化潮土为滨海盐化潮土，我国海岸线长，滨海沉积物是在海湾内的海滩及滨海平原上，黏质沉积物较多。黏质土壤的细粒（尤其是黏粒）含量高而粗粒（沙粒、粗粉粒）含量极少，通常是具有紧密黏附的固相骨架。黏质土的孔隙往往被水占据，通气透水不畅，保肥能力强[12]。有机复合肥的施入能改善土壤结构，增加黏性土壤孔隙数量，提高土壤导水性，故施加有机复合肥能够提高盐化潮土的水分入渗能力。竹炭相对于地富原提高盐化潮土水分入渗能力效果更好。

2.2 有机复合肥对入渗率的影响

入渗率表示每单位时间内通过土壤表面渗入到土壤中的水量，反映了土壤的入渗性能，受到土壤质地、土壤容重、土壤结构、初始含水量以及其他有关因素的影响。在初始风干土壤的入渗中，开始时土壤基质势很大，此时的入渗率非常大，随着入渗时间的延长，土壤基质势不断减小，入渗率呈减小趋势，当入渗时间无限大时，土壤基质势趋近于零，这时入渗率为一稳定值即稳渗率[12]。入渗率可以反映土壤入渗能力，在土壤学上常使用的指标是最初入渗速率、最后入渗速率（稳定入渗率）、入渗开始后1 h的入渗速率，还有累积入渗量[13]。

从图2可以看出，随着时间的延长，入渗率不断降低，最终趋于稳定。不同处理组的土柱，在入渗时间相等的情况下，其入渗率也存在差异。对照组、竹炭处理组、地富原处理组的入渗率随时间的拟合曲线均为幂函数，r2均在0.99以上，拟合度均很高。因此，入渗率的动态变化过程可以用幂函数关系式进行模拟。

为便于分析，本试验取几个特定时间内的入渗率来分析有机复合肥的混合施用对沼泽盐土入渗率的影响。由表3可知，施加有机复合肥的处理组初始入渗率普遍高于对照组。稳定入渗率按施用不同有机复合肥排列大致为对照组>地富原处理组>竹炭处理组。各处理组入渗速率试验初始（t=0.5 min）时，对照组、竹炭处理组、地富原处理组的初始入渗率分别为1.860、2.030、2.000 cm/min，最大值与最小值相差 0.170 cm/min。试验进行到 120 min 时，对照组、竹炭施用处理组、地富原处理组的入渗率（稳定入渗率）分別为0.085、0.070、0.081 cm/min，最大值与最小值相差0.015 cm/min，各处理之间差异不明显。经对比，有机复合肥对沼泽盐土水分初始入渗率的影响较明显。

由表3中盐化潮土各处理组入渗率动态变化可知，施加有机复合肥的处理组初始入渗率普遍低于对照组。各处理组达到稳定入渗率所用的时间也基本相等，稳定入渗率按施用不同有机复合肥排列大致为竹炭处理组>地富原处理组>对照组。试验初始（t=0.5 min）时，对照组、竹炭施用处理组、地富原处理组的初始入渗率分别为2.110、1.860、1.380 cm/min，最大值与最小值相差0.730 cm/min。试验进行到120 min时，对照组、竹炭施用处理组、地富原处理组的入渗率（稳定入渗率）分别为 0.046、0.058、0.049 cm/min，最大值与最小值相差0.012 cm/min，各处理之间差异不明显。经对比，有机复合肥对盐化潮土水分初始入渗率的影响较明显。

2.3 有机复合肥对湿润锋的影响

湿润锋指的是水分入渗的最大深度[6]。从图3可以看出，添加不同有机复合肥的处理组，湿润锋的深度均随着入渗时间的增长而增加。对于沼泽盐土，在入渗时间相同情况下，湿润锋深度的顺序大致为地富原处理组>对照组>竹炭处理组。盐化潮土在入渗时间相同情况下，湿润锋深度的顺序大致为竹炭处理组>地富原处理组>对照处理组。对照组、竹炭施用处理组、地富原处理组的入渗率随时间的拟合曲线均为线性函数，r2均在0.9以上，故而拟合度均很高。因此可以得出湿润锋深度和入渗时间之间的关系是线性函数关系。

由表4可知，对于沼泽盐土，在试验进行5 min时，对照组、竹炭处理组、地富原处理组湿润锋推进距离分别为5.95、5.60、6.23 cm，最大值与最小值相差0.63 cm，可以推测在入渗初期，有机复合肥的混合施用对湿润锋推进影响不大;随时间推移，到60 min时，各处理湿润锋推进距离分别为17.20、14.20、17.70 cm，最大值与最小值相差3.50 cm，地富原处理组湿润锋深度稍高于对照组，差异不大，而竹炭处理组低于对照组以及地富原处理组，差异明显;到试验结束时（t=120 min），各处理组的湿润锋推进距离分别为24.30、19.70、24.70 cm，最大值与最小值相差5.00 cm，地富原处理组还是稍高于对照组，依然差异不大，而竹炭处理组湿润锋深度明显低于对照组以及地富原处理组，差异更明显。根据试验观察和数据分析结果发现，各处理组湿润锋推进距离的初期差异较小，后期差异明显。推测其原因可能是在试验初期，有机复合肥发挥作用较小，湿润锋差异不大。随着时间的推移，土壤中水分增多，有机复合肥与土壤发生反应，开始逐渐发挥作用。对沼泽盐土施加有机复合肥，导致累积入渗量和入渗率减少，从而对入渗湿润锋推移速度产生影响，与对照处理组相比较，在入渗历时120 min即结束时，竹炭处理组、地富原处理组，增加位移分别为-18.93%、1.64%。由此可见，竹炭对沼泽盐土的减渗效果明显。

由表4中盐化潮土各处理组不同时段湿润锋深度，可以看出，在试验进行到5 min时，对照组、竹炭处理组、地富原处理组湿润锋推进距离分别为 5.15、6.00、5.20 cm，最大值与最小值相差0.85 cm，即在入渗初期，有机复合肥的混合施用对湿润锋推进影响不大;随时间推移，到60 min时，各处理湿润锋推进距离分别为10.75、12.25、11.60 cm，最大值与最小值相差1.50 cm，地富原处理组和竹炭处理组湿润锋深度稍高于对照组，而地富原处理组低于竹炭处理组，差异较大;到试验结束时（t=120 min），各处理组的湿润锋推进距离分别为 13.95、17.10、15.70 cm，最大值与最小值相差 3.15 cm，对照组湿润锋深度明显低于竹炭处理组和地富原处理组。对盐化潮土施加有机复合肥，导致累积入渗量和入渗率减少，从而对入渗湿润锋推移速度产生影响，与对照处理组相比较，在入渗历时120 min即结束时，竹炭处理组、地富原处理组，增加位移分别为22.6%、12.5%。由此可见，有机复合肥提高了盐化潮土的水分入渗能力，并且对盐化潮土施用竹炭增渗效果更好。

2.4 有机复合肥对土壤含水率的影响

土壤含水量是土壤中所含水分的数量，又称土壤湿度，是研究和了解土壤水分运动变化及其在各方面运动变化的基础[13]。由图4可知，表层土壤含水率最大，湿润锋处含水率最低。由表4可知，沼泽盐土对照组、竹炭处理组、地富原处理组在入渗结束时的湿润锋深度分别为24.30、19.70、24.70 cm，盐化潮土对照组、竹炭处理组、地富原处理组在入渗结束时的湿润锋深度分别为13.95、17.10、15.70 cm。整体来看，含水率是随土层深度的增加而降低的，土壤表层5 cm内的含水率随土层深度增加而下降，但变化不大。5～10 cm土层内为土壤含水率缓慢降低区，10 cm土层以下土壤含水率剧烈下降。土层中含水率的大小与入渗水量有关[6]，10 cm 土层内施加有机复合肥处理的含水率均高于对照组（有机复合肥只在1～10 cm土层内施加），而在10 cm土层以下有机复合肥处理组含水率下降较快。对于盐化潮土，在相同土层深度内，竹炭处理组和地富原处理组含水率大体均高于对照组，说明有机复合肥的施加提高了盐化潮土含水率。

3 讨论

盐碱土田属于一种中低产田，当施入有机复合肥后，土壤水分入渗特性会发生改变，这能够为改良盐碱地的研究提供参考依据。已经有多数学者通过试验探讨了不同类型的改良剂对盐碱土水分入渗特性的影响[6-9]，但是还没有人探讨过竹炭和地富原这2种有机复合肥对盐碱土水分入渗特性的影响，本试验对比研究了这2种有机复合肥施入2种不同类型盐碱土分析其对水分入渗特性的影响。通过室内一维土柱积水入渗试验，选用东营沼泽盐土和滨州盐化潮土，在土壤容重一定情况下，混合施用不同有机复合肥，对比分析了累积入渗量、入渗率、湿润锋随时间动态变化和土壤含水率随土层深度的动态变化，并对其规律进行了分析。

本试验发现有机复合肥施用下，相比对照组，竹炭组沼泽盐土累积入渗量和湿润锋位移分别增加了-18.78%、-18.93%，说明有机复合肥对沼泽盐土具有减渗的作用，可以减少土壤水分流失，提高了土壤的保水能力，这与王春霞等的研究结果[6-7]较一致。本试验还发现有机复合肥能提高盐化潮土水分入渗的能力，这说明不同改良剂对于不同类型的盐碱土不一定是减渗作用，即不同的改良剂对土壤的影响不一样，这与安东等的研究结果[15-16]较相似。试验中发现有机复合肥对沼泽盐土和盐化潮土水分初始入渗率的影响较明显，而对稳定入渗率影响较小，这与王燕等的研究结果[16]相似。本试验发现，有机复合肥施用下土壤水分垂直分布表现为，土壤表层5 cm內含水率变化较小，5～10 cm土层内为土壤含水率缓慢降低区，10 cm土层以下为土壤含水率剧烈下降区，这与王春霞等关于土壤水分垂直分布特性的研究结果[6]不一致，可能是因为所用的改良剂类型和剂量不一样，试验时间的长短也不一样。本试验研究的有机复合肥不仅作为一种肥料，也作为一种改良剂，从土壤水分入渗特性角度研究它对土壤的影响，研究发现施加有机复合肥有利于提高盐化潮土含水率，说明有机复合肥能改良土壤，增加土壤保水能力。这与王素君等的研究结果[9，14]较相似。因此，研究有机复合肥对土壤水分入渗特性的影响，不仅作为农作物肥料的意义，而且在改良土壤上也可以提供一定的理论支持。今后在研制有机复合肥时，除了考虑其作为肥料的意义，还应该针对不同类型的土壤发挥其作为改良剂的作用。不同的盐碱土类型，应对其施入更好发挥功效的有机复合肥，本次试验中发现竹炭有机复合肥改良效果好于地富原有机复合肥。沼泽盐土由于通气透水性好，但保肥保水能力差，施入有机复合肥可以减渗，增强其保水能力。因此在农业活动中，针对这类沼泽盐土这类土壤选择竹炭更有利于改良土壤。盐化潮土通气透水性差、保肥能力强，竹炭相对于地富原提高其水分入渗能力效果更佳。因此，在针对沼泽盐土和盐化潮土选择施入有机复合肥时，竹炭有机复合肥的改良效果更好。

室内模拟试验，由于试验方法、装置、土柱装土的精度以及地下水补给方式、补给量和观测频度的不同，对试验的结果会产生一定的影响，其变化条件与实际盐碱土地区土壤环境存在一定的差异，对于有机复合肥的施量以及效果还有对其他类型土壤的研究在空间尺度上还有一定的局限性，还有待深入研究。

4 结论

不同有机复合肥对不同类型土壤累积入渗量、入渗率、湿润锋深度运移的影响不同。在入渗历时120 min结束时，与沼泽盐土对照处理组相比较，竹炭处理组、地富原处理组，累积入渗量分别增加 -18.78%、-3.93%，湿润锋位移分别增加 -18.93%、1.64%。与盐化潮土对照处理组相比较，竹炭处理组、地富原处理组，累积入渗量分别增加25.77%、6.53%，湿润锋位移分别增加22.6%、12.5%，湿润锋位移与时间关系符合线性函数。有机复合肥对沼泽盐土和盐化潮土水分初始入渗率的影响较明显，而对稳定入渗率影响较小，入渗率与时间关系符合幂函数。

有机复合肥施用下土壤水分垂直分布表现为，土壤表层5 cm内含水率变化较小，5～10 cm土层内为土壤含水率缓慢降低区，10 cm土层以下为土壤含水率剧烈下降区。相对于对照处理组，施加有机复合肥有利于提高盐化潮土含水率。

有机复合肥能够降低沼泽盐土水分入渗能力，提高盐化潮土的水分入渗能力。竹炭对于沼泽盐土减渗效果更佳。竹炭相对于地富原提高盐化潮土的水分入渗能力，提高渗水性效果更明显。在针对沼泽盐土和盐化潮土选择施入有机复合肥时，竹炭有机复合肥的改良效果更好。因此，在实际农业生产中，要根据不同土壤类型施加不同的有机复合肥，从而发挥不同类型有机复合肥的最大功效，有利于作物生长。

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收 稿日期：2019-09-19[HJ1.4mm]

基金项目：重庆市自然科学基金重点项目（编号：CSTC2009BA0002）;中央高校基本业务费专项资金（编号：XDJK2015C006、SWU114058）。

作者简介：兰简琪（1994—），女，湖北孝感人，硕士研究生，从事自然地理、水土保持、生态环境研究。E-mail：2418170776@qq.com。

通信作者：谢世友，博士，教授，主要从事自然地理、水土保持、生态环境等方面研究。E-mail：xiesy@swu.edu.cn。