腐殖酸对滨海黏质盐土持水性能的影响

郭同铠，毛伟兵，孙玉霞，夏立娟

（山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

0 引 言

黄河三角洲是我国东部沿海土地后备资源最多的地区，区内未利用土地5.01×105hm2，约占山东省未利用土地面积的 33%。受自然环境等多因素影响，区域内盐碱土占总面积的 31.14%，特别是滨州、东营等地，盐碱土总面积超过 50%[1-2]。黏质盐土是黄河三角洲地区最重要的土壤类型，各类黏质盐土占黄河三角洲盐碱土总面积的42.16%[3-4]。土地退化、土壤盐碱化、生态环境恶化等多种资源环境问题交织的严峻局面，严重影响黄河三角洲高效生态经济区建设和可持续发展。王睿彤等[5]通过研究土壤改良剂对黄河三角洲盐碱土的生化特性得出：牛粪、石膏和秸秆改良效果明显。卢星辰等[6]通过研究不同改良材料对黄河三角洲盐碱土改良效果，确定了蚯蚓粪、脱硫石膏、沸石和糠醛渣配施改良效果明显。侯亚玲等[7]通过研究枯草芽孢杆菌对盐碱土水分运动的影响，得出枯草芽孢杆菌可以有效降低土壤水分运动。孔祥清等[8]通过研究生物炭对盐碱土理化性质的影响，明确生物炭可以提高土壤渗透速率，提高土壤水分运动性。同时，蚯蚓柱、硫酸铝等也是优质改良材料[9-10]。Abel等[11]研究了生物炭对土壤持水能力的影响，得出生物炭可以保持土壤水分。腐殖酸是自然界中一类芳香稠环聚合程度不同的含杂环有机化合物,具有改良土壤，增加土壤有机质，提高土壤肥力的功能。然而目前国内外鲜有针对腐殖酸改变土壤持水性能的相关研究，特别是针对黏质盐土的报道。本研究通过探讨不同腐殖酸配比下黏质盐土持水性能变化，旨在揭示腐殖酸对黏质盐土持水性影响规律，同时为黏质盐土改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验用土取自山东省滨州市阳信县水落坡乡洼里赵村（37°35′22″N，117°59′46″E），腐殖酸基础材料来自山东农大肥业科技有限公司。将风干盐碱土和腐殖酸按照试验设计质量进行称量，试验设计体积质量模拟田间土壤体积质量为1.49 g/cm3，土和腐殖酸总质量不变，腐殖酸配比按0、450、3 600 kg/hm2进行混合，压制成高1 cm、直径5 cm的土饼于环刀。试验共9组，分别按T0—T8编号，每组3次重复，具体配比如表1所示。黏质盐土加入腐殖酸后进行恒温箱30 ℃培养40 d后，采用1500F1型压力膜仪测定各组处理土壤水分特征曲线。土壤含水率由烘干法测定。饱和导水率由KSAT饱和导水率仪测定。土壤蒸发试验使用直径20 cm、高10 cm的圆柱形PVC管，将土壤按照体积质量1.49 g/cm3，压制成2 cm厚的土饼，土壤饱和后在恒温60 ℃条件下持续蒸发 12 h。土壤饱和导水率和土壤蒸发腐殖酸配比与土壤水分特征曲线测定试验相同。

表1 土壤水分特征曲线测定试验中材料配量Table 1 Determination of material content in soil moisture characteristic curve test

1.2 研究方法

采用van Genuchten模型（VG模型）进行土壤水分特征曲线拟合，VG模型具有拟合精度高、适应性广泛的优点[12-15]。VG方程表达式：

式中：w为土壤含水率（%）；wr为土壤残余含水率（%）；ws是土壤饱和含水率（%）；h是土壤水吸力（mH2O）；α、n和m是方程参数。含水率单位均为体积含水率。

利用已知 VG模型进行参数求解，利用 matlab中的lsqcurve fit函数进行非线性最小二乘法求解。基本数学模型为：

通过输入xdata值和得到的ydata值，找出与函数F（x，xdata）的最佳拟合值x。本文中VG方程仅需要求得参数α和n（n中含m，m=1-1/n）。

采用均方根误差（RMSE）评价模型拟合效果，表达式为：

式中：N为设定压力总个数；Pi为第i个压力值所对应的土壤含水率模拟值；θi为第i个压力值对应的土壤含水率实测值。RMSE是定量描述实测值和拟合值关系的指标，该值越小则拟合越好[16-17]。

2 结果与分析

2.1 腐殖酸添加量对土壤水分特征曲线的影响

2.1.1 腐殖酸添加量土壤水分特征曲线拟合

采用matlab软件中的VG模型对土壤水分特征曲线实测值进行拟合，得到R2取值范围为0.956~0.999，拟合度较高（表 2）。通过计算不同水吸力下土壤含水率实测值和拟合值间的均方根误差，结果为RMSE＜0.017 6，拟合效果较好，表明使用VG模型对腐殖酸配施后的黏质盐土水分特征曲线拟合非常吻合，可以用于表示配施腐殖酸的黏质盐土水分特征曲线。

2.1.2 腐殖酸添加量对土壤水分特征曲线的影响

随着腐殖酸施加量增加，土壤水分特征曲线发生显著变化，即土壤水分特征曲线曲率显著变小（图1）。在低吸力段（＜1.0×105Pa）的较窄范围内，曲线斜率较大，随着水吸力的增加，土壤含水率急剧下降，可以看出土壤持水能力随腐殖酸配施量增加而增加。在中吸力段（1.0×105~15×105Pa）的区间内，随着土壤水吸力增加，土壤含水率下降明显变缓，且逐渐稳定，持水能力大小与低吸力段相同。高吸力段（＞15×105Pa），属于凋萎含水率以下的无效水，基本无法被作物吸收。在同一水吸力下，土壤含水率随腐殖酸添加量的增加而增加，说明土壤持水能力增强。不同腐殖酸添加量的处理持水能力大小依次是：T0处理＜T1处理＜T2处理＜T3处理＜T4处理＜T5处理＜T6处理＜T7处理＜T8处理。

2.2 腐殖酸添加量对土壤水分常数的影响

腐殖酸对土壤水分常数影响显著，随着腐殖酸添加量增加，土壤饱和含水率、土壤田间持水率、土壤毛管含水率和土壤凋萎含水率均呈上升趋势（图2）。与T0处理相比，各处理土壤饱和含水率分别增加了6.24%、13.68%、5.50%、8.10%、11.51%、7.97%、8.63、9.87%，其中T2和T5处理增加显著。土壤田间持水率分别增加了 13.01%、21.92%、34.25%、44.77%、53.82%、69.84%、68.63%、77.89%。土壤毛管含水率分别增加了 12.96%、20.34%、19.97%、25.02%、29.80%、28.35%、29.02%、30.98%。土壤凋萎含水量除T1处理外，分别增加了15.97%、13.69%、19.10%、24.56%、27.44%、19.00%、35.24%，T1处理降低了1.65%。说明腐殖酸能有效提高土壤水分常数，即提高土壤含水率，有利于作物生长和作物产量，对改善当地环境有重要作用。

2.3 腐殖酸添加量对土壤饱和导水率的影响

随着腐殖酸施加量的增加，土壤饱和导水率呈增加趋势（图3）。与T0处理相比，除T6处理外，其余处理土壤饱和含水率分别增加了 5.59%、36.96%、8.59%、8.70%、59.52%、73.29%、128.05%，T6处理与T0处理相比降低了2.17%，其中T2处理和T5处理增加最为明显。表明添加腐殖酸可以增加土壤饱和导水率，对土壤水分运动有促进作用，对黏质盐土盐分淋洗具有促进作用。

图3 不同腐殖酸施加量对饱和导水率的影响Fig.3 Effect of different humic acid application on saturated hydraulic conductivity

2.4 腐殖酸添加量对土壤水分蒸发的影响

随着腐殖酸施加量的增加，土壤水分蒸发量呈先上升后降低趋势（图4）。在6 h累计蒸发中，T1处理、T6－T8处理与T0处理相比分别增加了5.29%、3.65%、2.13%、7.46%，T2－T5处理与T0处理相比分别降低了 4.66%、3.89%、7.47%、5.39%。以 T4处理降低最为明显，说明T4处理保水能力最强。在12 h累计蒸发中，T1处理和T5－T8处理与T0处理相比分别增加了 3.45%、2.15%、7.08%、11.07%、13.68%，T2－T4处理与 T0处理相比分别降低了2.82%、0.40%、2.68%。以T2和T4处理降低最为明显，说明T2处理和T4处理保水性最强。但是腐殖酸添加量对土壤水分蒸发影响不显著（p<0.05）。

图4 土壤累计蒸发量Fig.4 Cumulative soil evaporation

3 讨 论

本文通过对不同腐殖酸配施量下黏质盐土进行土壤水分特征曲线、饱和导水率和土壤蒸发量测定，定量分析了腐殖酸对土壤持水性能的影响，明确了腐殖酸对土壤水分特征曲线、土壤水分常数、土壤饱和导水率和土壤水分蒸发的影响，得出了在各试验处理下，土壤持水能力最强的腐殖酸配比，使试验结论更具有现实意义。黏质盐土配施腐殖酸后，土壤水分含量升高，是因为黏质盐土质地黏重，透水性能差，导致水分积聚于土壤表面进而产生水分蒸发，而腐殖酸能提高黏质盐土含水率，增强土壤饱和导水率，促进盐分淋洗，改善土壤物理性状，从而对黏质盐土改良有重要意义。腐殖酸对土壤饱和导水率的影响研究较少，本文针对土壤饱和导水率和腐殖酸配施量展开研究，腐殖酸是大分子有机化合物，分子外有很多具有亲水性官能团，水分聚集于官能团的吸附位点上[18]，当土壤饱和时，土壤孔隙水分运动带动官能团上的水分运动，使土壤水分运动性增加，试验结果表明腐殖酸能有效提高黏质盐土饱和导水率，对土壤水分运动与盐分淋洗具有积极的促进作用。在土壤水分蒸发过程中，分析土壤蒸发量与腐殖酸配施量的关系，由试验数据得出腐殖酸在T2—T4处理配比下蒸发量较少，主要原因是T5—T8处理腐殖酸配施多，腐殖酸具有较强的吸水性，导致土壤初始含水量较高，初始含水率对蒸发的影响大于腐殖酸吸水性，导致蒸发量升高，但在蒸发条件下，腐殖酸仍能保持土壤水分，增强土壤持水能力，降低土壤水分蒸发强度。腐殖酸不仅增强了黏质盐土持水性，保证作物生长用水，还提高了饱和导水率，促进盐分淋洗，降低土壤水分蒸发量，增强土壤持水保水性能。

黄河三角洲地区土壤盐碱化严重、土壤质地黏重、物理性状不良，盐害十分严重，导致作物产量低下，甚至寸草不生，土壤资源难以利用[19-22]。腐殖酸质地较轻，营养成分高，将腐殖酸施加到黏质盐土中，对土壤水分提高起到了一定的改善作用，与前人研究结果基本一致[23-24]。随腐殖酸的添加量增加，土壤含水率升高，这一结论与顾鑫的研究结果基本一致[25]。

900 kg/hm2的腐殖酸配施量下的黏质盐土饱和导水率提升显著，土壤持水保水能力增强最明显，可为田间试验提供理论基础，为研究田间适用性与田间实际情况的效果奠定基础。后续应进行田间腐殖酸配施量下的黏质盐土改良试验，以证实试验结果的准确性。另外应针对土壤持水能力和腐殖酸配施量变化，进行定量的关系研究，从机理层面解决土壤持水能力变化与腐殖酸的关系。

4 结 论

1）VG模型拟合滨海盐碱土土壤水分特征曲线具有较好的效果，且参数α随腐殖酸配施量的增加发生明显降低，从0.014 5到0.001 1，参数n明显升高，从1.314 4增加到1.710 1。

2）从VG模型参数α和n和土壤水分特征曲线可以看出，腐殖酸对滨海黏质盐土持水能力有明显提高作用。

3）随腐殖酸配施量增加，土壤饱和导水率提高，T2处理和 T5处理升高最明显，比对照分别提高了38.69%、64.13%，有利于促进黏质盐土洗盐、排盐。

4）在6 h累计蒸发中，T4处理保水性最强。在12 h累计蒸发中，T2处理和T4处理保水性最强，因此在蒸发条件下，T4处理的保水性最强。